JP6029141B2 - セラミックス多孔質積層断熱材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
このため、先に挙げたような細孔が一定の方向性を持つセラミックス多孔体を、実用化が可能な、より高い強度と、より低い熱伝導率を両立した断熱材とするための新たな技術開発が必要であると認識するに至った。
前記マクロ気孔が持つ方向性が、前記多孔質板の下面とのなす角θが30〜90度であるセラミックス多孔質積層断熱材。
2枚以上の多孔質板が接着層を介して積層している箇所のうち50〜100%の箇所で、接着層を介して積層している2枚の多孔質板同士のマクロ気孔の方向が互いに異なる向きになっているセラミックス多孔質積層断熱材。
前記多孔質板の気孔率が50〜99%であり、前記多孔質板と上記接着層とが同質のセラミックス材料から形成されてなるセラミックス多孔質積層断熱材。
前記多孔質板及び前記接着層が、セラミックス原料粉体と、ゲル化剤溶解液とを含む材料から作製したゲル体を凍結し、凍結時に形成された氷結晶を細孔(マクロ気孔)源とするゲル化凍結法により得られたものであるセラミックス多孔質積層断熱材。
前記多孔質板は、内部に前記ゲル化剤由来の筒状のマクロ気孔を有し、そのマクロ気孔内部に多数の節状の隔壁が形成されてなる隔壁構造を有するセラミックス多孔質積層断熱材。
前記セラミックス材料が、シリカ、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、炭化ホウ素、窒化珪素、窒化硼素、コーディエライト及び炭素からなる群から選ばれる少なくとも1種を有するセラミックス多孔質積層断熱材。
前記接着層の厚みが100〜1000μmであるセラミックス多孔質積層断熱材。
<実施例1>
特開2008−201636号公報に記載の方法に準じて(図5のフロー参照)、下記のようにして230×114×10mmの大きさのジルコニア製の多孔質板を2枚作製した。具体的には、セラミックス原料として、比表面積7m2/gの、ジルコニア粉体(トーソー製:TZ−8Y、)を用い、ゲル化剤にはゼラチン(和光純薬製)を用いた。このジルコニア粉体は8mol%のイットリアを含有したものである。そして、上記公報の実施例の記載に準じてジルコニア製の多孔質板を得た。得られた多孔質板のマクロ気孔は、内径が100μm程度の傾斜した筒状であり、その下面とのなす角θは約45度であった。
実施例1と同様の材料および作製手順で、230×114×4mmの大きさの5枚の多孔質板を用い、これら5枚の多孔質板が、それぞれ接着層を介して積層した状態にした以外は同様にして、ジルコニア製の多孔質積層断熱材を作製した。具体的には、接着層を介して5枚の多孔質板を積層した後、凍結乾燥機にて接着体の乾燥を行い、その後に焼成を行って、積層断熱材とした。
実施例1と同様の材料および作製手順で、多孔質板の大きさが230×114×20mmとなるようにし、積層接着を行わず、1枚の多孔質板からなるジルコニア製の多孔質断熱材を作製した。
(1)組織・構造
実施例1及び実施例2で得たセラミックス多孔質積層断熱材について、その切断面をSEM写真で確認したところ、図3に示したと同様の状態の接着層を介して強固に接合されていた。
実施例1、実施例2、比較例1で得られた各セラミックス断熱材の圧縮強さを、JIS R 2206「耐火れんがの圧縮強さの試験方法」に基づいて評価した。実施例1のセラミックス多孔質積層の圧縮強さ10MPaを基準とし、これを記号で+++と表記し、これと比較して相対的に低強度のものから順に、−<+<++<+++<++++の5段階で評価した。その結果を表1に示した。
実施例1、実施例2、比較例1で得られた各セラミックス断熱材の熱伝導率は、JIS R 2616「耐火断熱れんがの熱伝導率の試験方法」に準拠し、熱線法を用いて接着層に垂直な方向を測定した。実施例1のセラミックス多孔質積層の熱伝導率0.14W/(m・K)-1を基準の○とし、これと比較して相対的に低熱伝導率のものから順に◎<○<△の3段階で評価した。結果を表1に示した。
実施例1と同様の材料および作製手順で、接着剤の材料中にさらに、焼失性の気孔形成剤としてカーボン粉末を添加した以外は実施例1と同様にして、2枚の多孔質板が積層してなるジルコニア製の多孔質積層断熱材を作製した。得られた断熱材の接着層に内在する気孔の径は約5μmであった。また、得られた断熱材について、実施例1で行ったと同様の方法で評価し、その結果を表2に示した。また、表2中に、評価基準とした実施例1の結果も併せて示した。
実施例1と同様の材料および作製手順で多孔質板を作製したが、接着剤の材料中にさらに焼失性の気孔形成剤としてカーボン粉末を添加した以外は実施例1と同様にして、2枚の多孔質板が積層してなるジルコニア製の多孔質積層断熱材を作製した。得られた断熱材の接着層に内在する気孔の径は約10μmであった。また、得られた断熱材について、実施例1で行ったと同様の方法で評価し、その結果を表2に示した。
実施例1と同様の材料および作製手順で、接着剤スラリーに含まれるジルコニア原料粉末の割合を50%増加させた以外は実施例1と同様にして、ジルコニア製の多孔質積層断熱材を作製した。その結果、得られた積層断熱材の接着層に内在する気孔の径は約0.1μmであった。得られた断熱材について、実施例1で行ったと同様の方法で評価し、その結果を表2に示した。
実施例1と同様の材料および作製手順で、使用した接着剤スラリーに、焼失性の気孔形成剤としてスチレンビーズを添加した以外は実施例1と同様にして、ジルコニア製の多孔質積層断熱材を作製した。その結果、得られた積層断熱材の接着層に内在する気孔の径は約20μmであった。得られた断熱材について、実施例1で行ったと同様の方法で評価し、その結果を表2に示した。
実施例1と同様の材料および作製手順で多孔質板を作製したが、作製途中の凍結体を得る際に、多孔質板に形成されるマクロ気孔の傾斜角度が、その下面とのなす角θが約60度となるように氷の成長方向を調整した。その結果、得られたジルコニア製の多孔質板のマクロ気孔は、その下面とのなす角θが約60度に傾斜した、内径が100μm程度のものであった。このようにして得た2枚のジルコニア製の多孔質板を、実施例1で行ったと同様の方法で、このマクロ気孔の方向が互いに逆向きとなり、それぞれ接着層となす角が60度となるように配置して積層し、ジルコニア製の多孔質積層断熱材を作製した。そして、得られた断熱材について、実施例で行ったと同様の方法で評価し、その結果を表3に示した。また、表3中に、評価基準とした実施例1の結果も併せて示した。なお、実施例5の余角である30度の場合についても同様に検討した結果、実施例5の場合よりも若干劣るものの、強度の向上と熱伝導率の向上効果を同様に得ることができた。
実施例1と同様の材料および作製手順で多孔質板を作製し、多孔質板に形成されるマクロ気孔の傾斜角度が、その下面とのなす角θが約45度である実施例1で用いたと同様の多孔質板を2枚得た。そして、積層接着する際に、得られた2枚のジルコニア製の多孔質板を、このマクロ気孔の方向が接着層を介して同じ向きとなるように配置して、ジルコニア製の多孔質積層断熱材を作製した。そして、得られた断熱材について、実施例で行ったと同様の方法で評価し、その結果を表3に示した。
特開2011−195437号公報の実施例1に記載の方法に準じて、下記のようにして230×114×10mmの大きさのジルコニア製の多孔質板を2枚作製した。具体的には、実施例1で使用したと同様のジルコニア粉体(トーソー製:TZ−8Y、)と、ゲル化剤にゼラチン(和光純薬製)を用い、ゲル化剤以外の水溶性高分子としてポリアクリル酸塩を用いたゲル化凍結法で、ジルコニア製のセラミックス多孔質板を作製した。得られた多孔質板の顕微鏡写真を図4(b)に示したが、図からわかるように、ほぼ円筒状のマクロ気孔の内部に、該孔を横断する方向に多数の隔壁が形成された構造をしていた。各マクロ気孔は、内径が100μm程度であり、傾斜しており、その下面とのなす角θは約45度であった。
実施例1と同様の作製手順で、セラミックス原料に、ジルコニア粉体に代えて比表面積8.4m2/gのアルミナ粉体(昭和電工製:AL−160SG−3)を用い、さらに、積層体の焼成温度を1600℃にした以外は実施例1と同様にして、アルミナ製の多孔質積層断熱材を作製した。得られた断熱材について、実施例1で行ったと同様の方法で評価し、その結果を表5に示した。また、表5中に、評価基準とした実施例1の結果も併せて示した。
実施例1と同様の作製手順で、セラミックス原料に、ジルコニア粉体に代えて比表面積5.5m2/gの炭化珪素粉体(太平洋ランダム製:GMF−C)を用い、さらに、積層体の焼成をアルゴン雰囲気で1800℃にて実施した以外は実施例1と同様にして、炭化珪素製の多孔質積層断熱材を作製した。得られた断熱材について、実施例1で行ったと同様の方法で評価し、その結果を表5に示した。
実施例1と同様の材料および作製手順で、接着層の厚さが約500μmとなるようにした以外は同様にして、ジルコニア製の多孔質積層断熱材を作製した。得られた断熱材について、実施例1で行ったと同様の方法で評価し、その結果を表6に示した。また、表6中に、評価基準とした実施例1の結果も併せて示した。
実施例1と同様の材料および作製手順で、接着層の厚さが約50μmとなるようにした以外は同様にして、ジルコニア製の多孔質積層断熱材を作製した。得られた断熱材について、実施例1で行ったと同様の方法で評価し、その結果を表6に示した。
実施例1と同様の材料および作製手順で、接着層の厚さが約4000μmとなるようにした以外は同様にして、ジルコニア製の多孔質積層断熱材を作製した。得られた断熱材について、実施例1で行ったと同様の方法で評価し、その結果を表6に示した。
上記した表1〜6に示した結果から、比較例1のように積層接着せず一体物であるものや、比較例3のように接着層内の気孔径が大きいもの、比較例4のように積層断熱材のマクロ気孔の方向が接着層を介して同一の向きになっているもの、及び比較例5、6のように接着層の厚みが、本発明で規定するよりも薄い或いは厚いものが低強度の傾向を示すことを確認された。さらに、上記した表1〜6に示した結果から、実施例6のジルコニア製の多孔質積層断熱材ように、多孔質板内に隔壁構造をなすマクロ気孔が存在し、マクロ気孔と接着層がなす角θが45度の積層断熱材が最も高強度であることがわかった。その強度を考慮しなければ、実施例4及び比較例3の多孔質積層断熱材ように、接着層内の気孔径が大きいものも低熱伝導率で断熱性に優れた結果を示したが、特に実施例6の積層断熱材は今回の範囲で、強度と低熱伝導率を両立していた。
2:マクロ気孔
3:接着層
4:マクロ気孔と多孔質板の下面とのなす角θ
5:多孔質板の上下面に垂直にかかる力F
6:マクロ気孔骨格部分にかかる力Fcos(90−θ)
7:多孔質板の上下面に水平にかかる力F’
8:マクロ気孔骨格部分にかかる力F’sin(90−θ)
Claims (9)
- 内部に多数のマクロ気孔を有する多孔質板が、接着層を介して積層してなるセラミックス多孔質積層断熱材であって、
上記多孔質板は、厚みが2〜50mmであり、内部に有する多数の気孔のいずれもが一定の方向性を持った、内径が10〜300μmの筒状のマクロ気孔であり、該多孔質板が2枚以上積層されてなり、且つ、
上記接着層は、厚みが100〜2000μmの、内径が0.5〜10μmの微細な気孔が分散してなるものであり、
上記多孔質板のうちの少なくとも2枚における上記筒状のマクロ気孔が持つ方向性が同様であり、且つ、接着層を介して積層している上記少なくとも2枚の多孔質板同士のマクロ気孔の方向が、互いに異なる向きになるように配置された構造を有することを特徴とするセラミックス多孔質積層断熱材。 - 前記マクロ気孔が持つ方向性が、前記多孔質板の下面とのなす角θが30〜90度である請求項1に記載のセラミックス多孔質積層断熱材。
- 2枚以上の多孔質板が接着層を介して積層している箇所のうち50〜100%の箇所で、接着層を介して積層している2枚の多孔質板同士のマクロ気孔の方向が互いに異なる向きになっている請求項1又は2に記載のセラミックス多孔質積層断熱材。
- 前記多孔質板の気孔率が50〜99%であり、前記多孔質板と上記接着層とが同質のセラミックス材料から形成されてなる請求項1〜3のいずれか1項に記載のセラミックス多孔質積層断熱材。
- 前記多孔質板は、前記マクロ気孔内部に多数の節状の隔壁が形成されてなる隔壁構造を有する請求項1〜4のいずれか1項に記載のセラミックス多孔質積層断熱材。
- 前記セラミックス材料が、シリカ、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、炭化ホウ素、窒化珪素、窒化硼素、コーディエライト及び炭素からなる群から選ばれる少なくとも1種を有する請求項1〜5のいずれか1項に記載のセラミックス多孔質積層断熱材。
- 前記接着層の厚みが100〜1000μmである請求項1〜6のいずれか1項に記載のセラミックス多孔質積層断熱材。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載のセラミックス多孔質積層断熱材の製造方法であって、
セラミックス原料粉体とゲル化剤溶解液とを含む材料からなるゲル体を凍結して凍結体を得、得られた凍結体から氷を除去して、一定の方向性を持つ多数の気孔を形成した板状の乾燥体を複数用意し、該乾燥体同士の間に無機接着剤を配置して積層し、得られた積層体を乾燥後、焼成することを特徴とするセラミックス多孔質積層断熱材の製造方法。 - 前記多孔質板の材質と、前記接着剤とに同質のセラミックス材料を用いる請求項8に記載のセラミックス多孔質積層断熱材の製造方法。
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