JP5636143B2 - 高強度パーライトの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、建築用材、断熱材、土壌改良材等の資材として幅広く利用されているパーライトの製造方法に関する。さらに詳しくは、天然ガラス質岩石、特に日本国内で多量に産出される真珠岩あるいは松脂岩を原料にして、低吸水性であってモルタル化する際の流動性に優れ、特に建築用材に適した硬質パーライトを製造する方法に関する。

天然ガラス質岩石を原料として製造された中空軽量体としてパーライトが従来から知られている。パーライトは真珠岩や黒曜石などの原料粒子を９００〜１３００℃の高温で加熱して含有水分を発泡させて中空体にしたものであり、軽量骨材、建築材料、断熱材、土壌改質材などに広く用いられている。

従来のパーライトは、結晶水の多い原料を用いると、表面が多孔質になるため吸水性が高くなり、軽量骨材には不向きになる問題がある。そこで、内部に形成された多数の気泡と、該気泡の開口孔を塞ぐ外装壁を備えた低吸水パーライトが開発されている(特許文献１：特開2008-1919号公報)。

また、真珠岩や黒曜石などの原料岩石を加熱発泡させる際に、含有水分の急激な発泡によって多数の開放気泡が形成されるのを避けるため、原料岩石の軟化点より低い温度で予備加熱を行った後に、高温で発泡焼成して閉鎖型気孔を形成することによって吸水率を低下させた球状パーライトが知られている(特許文献２：特許第3528390号公報)。

さらに、シラス原鉱粉末を用い、これを３５０〜５００℃に加熱乾燥して含有水分量を１.４６〜２.９０質量％にし、次いで内熱式媒体流動床炉によって９８０〜１０９０℃に焼成することによって、高強度かつ高真球度のシラスバルーンを製造する方法が知られている。(特許文献３：特開2010-64903号公報)

特許文献１のパーライトは、気泡の開口を塞ぐ外殻を有するので吸水率が低く、浮水率は８０％であると説明されている。この中空粒子は多数の内部気泡を有するので常圧下での浮水率は高いが、内部気泡は連通気泡であって独立気泡ではないので(内部空間に隔壁が存在するが、気泡は互いに連通しており、相互に独立したものではない)、外壁に亀裂が生じると，この連通気泡を通じて粒子内全体に水が浸透する。このため，加圧水中での浮場率は大幅に低下するという問題がある。

特許文献２のパーライトは、内部気泡が粒子表面に開口していないので吸水率は低いが、多くの場合、粒子の内部空間が大きな単一気泡によって形成されており、内部に隔壁がないので圧縮強度が低く、粒子表面に亀裂が生じやすい。また、表面に亀裂が生じると粒子内部に水が充満しやすい。このため加圧水中での浮場率は大幅に低下する。

特許文献３のシラスバルーンはシラスを原料に用いているが、真珠岩や松脂岩の岩粉を原料に用いる場合には、特許文献３の脱水加熱方法では良好な発泡粒子を得るのが難しいと云う問題がある。

特開２００８−１９１４９号公報 特許第３５２８３９０号公報 特開２０１０−６４９０３号公報

パーライトの発泡は原料中の水分が中心部にあるほうが良好に発泡するとされている。シラスを原料に用いる場合、シラスは主として火山灰の堆積した砂状の火山堆積物であり、粉砕せずに使用することが多く、粒子表面は外気に曝された状態であるので、粒子表面の水が比較的少なく、含有水は中心部に偏在している。そのため加熱乾燥の昇温速度が遅くても良好に発泡しやすい。一方、真珠岩や松脂岩などの流紋岩原料は粉砕し適当な粒度にしたものを用いるが、粉砕によって粒子表面がはじめて外気に曝されるため、含有水の分布は比較的均一になっている。そのため脱水のための昇温速度が遅いと、中心部の水も脱水され、水分量が著しく少なくなり、良好に発泡されないという問題がある。また脱水のための予備加熱温度の状態のまま焼成工程に移ると、含有水の分布などが十分に安定しないので良好に発泡されないと云う問題がある。

本発明は、パーライトの製造方法における従来の上記問題を解決したものであって、発泡状態が良好であり、圧縮強度が大きく、加圧水中での浮場残存率が格段に高い高強度のパーライトを製造する方法を提供する。

本発明は以下の構成を有する高強度パーライトの製造方法に関する。
〔１〕含有水分量２質量％以上の天然ガラス質岩石の粉砕物を原料として用い、予備加熱をして含有水分量を調整する第１工程、次いで温度を下げて安定化させる第２工程、その後、発泡温度まで加熱して発泡焼成する第３工程を有する高強度パーライトの製造方法であって、
第１工程の予備加熱の最高温度が５００℃〜７５０℃であり、この最高温度まで昇温速度５℃/秒〜２０℃/秒にて予備加熱を行って原料粉末の水分量を０.７〜１.６質量％に調整し、
第２工程において、原料粉末の加熱温度を１００℃以上〜予備加熱の最高温度から１５０℃以上低い温度範囲に下げ、
第３工程において、原料粉末を９００℃〜１２００℃に加熱して発泡させることを特徴とする高強度パーライトの製造方法。
〔２〕第１工程の予備加熱において、予備加熱の最高温度に２０秒〜４０秒保持した後に、第２工程において加熱温度を１５０℃〜５００℃に下げる上記[１]に記載する高強度パーライトの製造方法。
〔３〕天然ガラス質原料が真珠岩または松脂岩である上記[１]〜上記[２]の何れかに記載する製造方法。
〔４〕第１工程および第２工程をロータリーキルンまたは電気炉で行い、第３工程を流動層焼成炉で行う上記[１]〜上記[３]の何れかに記載する製造方法。

本発明のパーライトの製造方法によれば、天然ガラス質岩石の粉砕物、特に真珠岩や松脂岩の粉砕粉末を原料に用い、予備加熱による脱水、安定化を行った後に加熱発泡させることによって、発泡状態が良好であり、圧縮強度が大きく、加圧水中での浮場残存率が格段に高い高強度のパーライトを製造することができる。

以下、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明する。
本発明の製造方法は、含有水分量２質量％以上の天然ガラス質岩石の粉砕物を原料として用い、予備加熱をして含有水分量を調整する第１工程、次いで温度を下げて安定化させる第２工程、その後、発泡温度まで加熱して発泡焼成する第３工程を有する高強度パーライトの製造方法であって、第１工程の予備加熱の最高温度が５００℃〜７５０℃であり、この最高温度まで昇温速度５℃/秒〜２０℃/秒にて予備加熱を行って原料粉末の水分量を０.７〜１.６質量％に調整し、第２工程において、原料粉末の加熱温度を１００℃以上〜予備加熱の最高温度から１５０℃以上低い温度範囲に下げ、第３工程において、原料粉末を９００℃〜１２００℃に加熱して発泡させることを特徴とする高強度パーライトの製造方法である。
ここで水分量は粉砕した原料を１００℃から１０００℃まで加熱した時の減少量を水分量とした。

〔第１工程：脱水〕
本発明の製造方法は天然ガラス質岩石の粉砕物、例えば、真珠岩や松脂岩の粉砕粉末を原料として用いることができる。含有水分量２質量％以上の天然ガラス質岩石の粉砕物を予備加熱をして含有水分量を調整する。水分量が２質量％より少ないと、脱水したときに発泡に必要な水分量が不足して殆ど発泡しないので好ましくない。

予備加熱は、原料温度からピーク温度（予備加熱の最高温度）までの昇温速度を５〜２０℃/秒として加熱するのが好ましい。原料温度は概ね室温である。ピーク温度は予備加熱の最高温度であり、３５０℃〜７５０℃が適当であり、５００℃〜７５０℃が好ましい。ピーク温度が３５０℃より低いと、水分量が１.７質量％多くなりやすく、ピーク温度が７５０℃より高いと水分量が０.６質量％より少なくなりやすい。

予備加熱の昇温速度が５℃/秒より遅いと、原料がゆっくり加熱されるので、ピーク温度に達するまでの加熱時間が長く、脱水量が多くなるため、発泡に必要な水分が不足するので好ましくない。一方、予備加熱の昇温速度が２０℃/秒より早いと、原料の一部がガラス化するので好ましくない。ピーク温度に加熱した後に、この温度に２０秒〜４０秒保持すると良い。

この予備加熱によって原料の水分を脱水し、含有水分量を好ましくは０.７〜１.６質量％にする。予備加熱後の水分量が０.７質量％より少ないと発泡に必要な水分が不足するので好ましくない。一方、予備加熱後の水分量が１.６質量％より多いと、発泡過剰になって開口気泡が増えるため、静水圧残存率が低下し、また発泡形状が不良になりやすい。

〔第２工程：安定化〕
原料を予備加熱をして含有水分量を調整した後に、加熱温度を下げて安定化させる。安定化させる温度範囲は１００℃以上であって、ピーク温度より１５０℃以上低い温度、好ましくはピーク温度より２００℃以上低い温度の範囲が良い。安定化温度の下限が１００℃より低いと、大気中の水分を取り込んでしまう懸念があるので好ましくない。一方、安定化温度の上限とピーク温度の差が１５０℃より小さいと、原料内部の水分の分布が安定化するには活性が高すぎるので好ましくない。

具体的には、例えば、第１工程の予備加熱のピーク温度が５００〜６００℃である場合、第２工程の安定化温度は１５０℃〜５００℃、好ましくは２００℃〜４００℃の温度範囲が良い。

〔第３工程：発泡〕
上記安定化の後に、原料を９００℃〜１２００℃に加熱焼成して発泡させる。焼成温度が９００℃より低いと、十分に発泡できない場合が多いので好ましくない。一方、焼成温度が１２００℃を超えると、原料が完全に融解してしまう懸念があるため好ましくない。

第１工程および第２工程をロータリーキルンまたは電気炉で行い、第３工程を流動層焼成炉で行うと良い。発泡焼成後に、発泡体を水選し、気流分流などの選別手段によって未発泡体などを除去し、目的の硬質な球状パーライトを得る。

本発明の実施例を比較例と共に示す。なお、水分量，静水圧残存率、嵩密度は以下の方法で測定した。
〔水分量〕
原料を乾燥機で約１００℃で恒量になるまで乾燥する．この乾燥した原料をるつぼに入れて試料質量Ａを秤量する。これを電気炉で約１０００℃で恒量となるまで加熱し、加熱後の試料質量Ｂを秤量する。得られた試料質量から（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００％を算出し、この値を水分量とした。
〔静水圧浮揚残存率〕
試料を試料容器と共に水で満たされた加圧容器内へ入れ、８ＭＰaで１分間加圧する。加圧後、加圧した試料の全量を取り出してメスシリンダー入れ、水２００mlを加えて静置する。静置後、水の濁りが無くなってきたら、上記浮水率測定方法に準じた方法で浮いた試料粒子の体積を計測し、８ＭＰa加圧下での加圧浮揚率（浮水率）Ｗ２とする。加圧試料と同量の試料について、加圧せずに常圧下とした以外は同様の測定方法で測定し、非加圧下の浮揚率（浮水率）Ｗ１とする。加圧試料浮揚率Ｗ２／非加圧浮揚率Ｗ１×１００の式に基づいて静水圧浮揚残存率を算出した。
〔嵩密度〕
一定容積Ｓ(cm³)の容重枡に試料を充填し、開口からはみ出た部分をすり切り、全体の重量Ｇ１を測定し、これから容器の重量Ｇ２を差し引いて粉末重量Ｇ３(ｇ)を求め、上記容積Ｓに対する粉末重量Ｇ３〔Ｇ３/Ｓ〕ｇ/cm³を嵩密度とした。
〔形状〕形状は肉眼で判定した。

〔実施例１〕
含有水分量２.９％，平均粒径１２０μｍの真珠岩（以下，原料Ａ）をロータリーキルン中において昇温速度５℃/秒、ピーク温度６００℃、保持時間３０秒で予備加熱して（第１工程）水分量を０.７％に調整した。次いで、加熱温度を下げた後（第２工程）、加熱温度を上げ、１０５０℃で発泡焼成（第３工程）を行った。分級後、発泡体の嵩密度、静水圧残存率を測定し、形状を判定した。この結果を表１に示した。
予備加熱のピーク温度から２００〜４５０℃低い温度で冷却すると不定形非球形粒子の割合が小さくなり、静水圧残存率が格段に上がる（A3、A4）。一方、ピーク温度から全く温度を下げない試料（A1）、またはピーク温度からの温度差が１００℃の試料（A2）では、不定形非球状粒子の割合が多くなる。安定化温度が１００℃を下回ると不定形非球形粒子の割合が大きくなり、静水圧残存率が格段に下がる（A5）。従って、予備加熱後の安定化温度は予備加熱のピーク温度より１５０℃以上低い、好ましくは２００℃以上低い温度が良い。

〔実施例２〕
原料Ａをロータリーキルン中において、昇温速度とピーク温度を変えて予備加熱を行った(保持時間３０秒)。次いで、安定化温度まで温度を下げた後に、焼成温度１０５０℃で発泡焼成を行った。分級後、発泡体の嵩密度、静水圧残存率を測定し、形状を判定した。その結果を表２に示した。
安定化温度が同じでも、予備加熱のピーク温度と安定化温度との差が１００℃では、発泡粒子中の過発泡が起こり、不定形非球状粒子の数が多くなる（A7）。一方、予備加熱のピーク温度と安定化温度の差が２００℃以上の試料（A6、A8）は静水圧残存率が高い。

〔実施例３〕
原料Ａをロータリーキルン中において予備加熱し（昇温速度５℃/秒、ピーク温度６００℃、保持時間３０秒）、水分量を１.１質量％に調整した。次いで、安定化温度３００℃まで温度を下げた後に、焼成温度を変えて発泡焼成を行った。分級後、発泡体の嵩密度、静水圧残存率を測定し、形状を判定した。その結果を表３に示した。
焼成温度が９００〜１２００℃あれば、形状が良く、かつ静水圧残存率が高い(A9〜A11)。それ以上の焼成温度(１３５０℃)であると融解してしまう(A12)。

〔実施例４〕
原料Ａをロータリーキルン中において、昇温速度、ピーク温度、保持時間を変えて予備加熱した。次いで、安定化温度として予備加熱のピーク温度から３００℃低く温度を下げた後に、焼成温度１０５０℃で発泡焼成を行った。分級後、発泡体の嵩密度、静水圧残存率を測定し、形状を判定した。その結果を表４に示した。

昇温速度が３℃/秒では，水分量が０.４質量％と小さくなり、これを加熱焼成しても発泡しない（A13)。一方、昇温速度が３０℃/秒では、水分量が２.１質量％と大きくなり、これを加熱焼成すると、発泡粒子中の不定形非球形粒子の割合が大きくなる（A14）。また、予備加熱のピーク温度が３００℃と低い場合には、水分量が２.６質量％と大きくなるため、発泡体の形状は不良になり、静水圧残存率も小さい（A15)。予備加熱のピーク温度が８００℃である場合には、昇温速度が２６℃/秒でも水分量が０.６質量％まで脱水されるので、発泡しない(A16)。予備加熱後の水分量が０．５質量％でも昇温速度が３℃/秒では、発泡しない(A17)。従って、予備加熱の昇温速度は５〜２０℃/秒が好ましく、水分量は０.７〜１.６質量％が好ましい。

〔実施例５〕
含有水分量２.２質量％、平均粒径１２０μmからなる真珠岩(原料Ｂ)をロータリーキルン中において、昇温速度を変えて予備加熱した(最高温度６００℃，保持時間３０秒)。安定化温度を予備加熱のピーク温度より３００℃下げてた後に、焼成温度１０５０℃で発泡焼成を行った。分級後，分級後、発泡体の嵩密度、静水圧残存率を測定し、形状を判定した。その結果を表５に示した。
予備加熱前の水分量が異なる原料であっても予備加熱によって水分量を０.７〜１.６質量％に調整し、予備加熱のピーク温度から３００℃下げて安定化させれば、形状が良く、静水圧残存率も大きくなる(B1，B2)。

含有水分量１.５質量％、平均粒径１２０μmからなる真珠岩(原料Ｃ)を、予備加熱を行わずに１段焼成(焼成温度1,050℃)して発泡焼成を行った。分級後，分級後、発泡体の嵩密度、静水圧残存率を測定し、形状を判定した。その結果を表６に示した。
安定化工程がない１段焼成では、原料の水分量が１.５質量％でも不定形非球形粒子の割合が多くなり，静水圧残存率が小さい(C)。

Claims (4)

1. 含有水分量２質量％以上の天然ガラス質岩石の粉砕物を原料として用い、予備加熱をして含有水分量を調整する第１工程、次いで温度を下げて安定化させる第２工程、その後、発泡温度まで加熱して発泡焼成する第３工程を有する高強度パーライトの製造方法であって、
   第１工程の予備加熱の最高温度が５００℃〜７５０℃であり、この最高温度まで昇温速度５℃/秒〜２０℃/秒にて予備加熱を行って原料粉末の水分量を０.７〜１.６質量％に調整し、
   第２工程において、原料粉末の加熱温度を１００℃以上〜予備加熱の最高温度から１５０℃以上低い温度範囲に下げ、
   第３工程において、原料粉末を９００℃〜１２００℃に加熱して発泡させることを特徴とする高強度パーライトの製造方法。
2. 第１工程の予備加熱において、予備加熱の最高温度に２０秒〜４０秒保持した後に、第２工程において加熱温度を１５０℃〜５００℃に下げる請求項１に記載する高強度パーライトの製造方法。
3. 天然ガラス質原料が真珠岩または松脂岩である請求項１〜請求項２の何れかに記載する製造方法。
4. 第１工程および第２工程をロータリーキルンまたは電気炉で行い、第３工程を流動層焼成炉で行う請求項１〜請求項３の何れかに記載する製造方法。