JP6224071B2 - ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物 - Google Patents
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Description
本開示は、一般に、組成物および複合体に関し、より詳細には、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物およびジオポリマーエアロゲル複合体に関する。
ジオポリマーは、無機ポリマーである。ジオポリマーは、アルミノケイ酸酸化物およびアルカリケイ酸塩などのジオポリマー前駆体を反応させることによって形成することができる。フライアッシュ、鉱くずおよび／またはボーキサイト残渣などの産業副産物を利用して、いくつかのジオポリマーを形成することが可能である。
ジオポリマーは、種々の用途に使用されてきた。他の材料と比較して、ジオポリマーは、現在、廃棄物として処理される副産物を利用して、有用で役立つ製品を提供することができ、および／またはジオポリマーは建築材市場の全域で製品特性を向上させることができる点でジオポリマーは有利であり得る。ジオポリマーのさらなる使用が望まれる。
本開示は、アルミノケイ酸塩反応物、アルカリ活性剤、エアロゲル添加剤および分散媒を有するジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を提供する。
本開示は、第１の表面材と第２の表面材との間に位置する発泡材料と、発泡材料と第１の表面材との間にジオポリマーエアロゲル複合層とを有する耐火構造を提供する。ジオポリマーエアロゲル複合層は、アルミノケイ酸塩反応物、アルカリ活性剤、エアロゲル添加剤および分散媒を有するジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を硬化することによって形成される。
上記本開示の概要は、本開示の各開示された実施形態またはすべての実施を記述することを意図するものではない。以下の説明は、実施形態をより具体的に示す。本出願全体にわたりいくつかの個所では、例のリストを介してガイダンスを提供し、それらの例は種々組み合わせて用いることが可能である。それぞれの例において、引用したリストは代表的な群としてのみ役立つものであり、排他的なリストと解釈されてはならない。
ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を本明細書に記述する。一例として、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、アルミノケイ酸塩反応物、アルカリ活性剤、エアロゲル添加剤および分散媒を含むことができる。これらのジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を硬化して、ジオポリマーエアロゲル複合体を形成することができる。
本明細書に開示するジオポリマー前駆体エアロゲル組成物から形成されるジオポリマーエアロゲル複合体は、種々の用途で有用になり得る。例えば、ジオポリマーエアロゲル複合体は、ジオポリマーエアロゲル複合体を持たないパネルなどの他のパネル方法と比較して、本明細書に開示する耐火性が改善された構造用断熱パネルを提供することができる。
構造用断熱パネルは、建築材料として用いることができる。構造用断熱パネルは、発泡材料、例えば構造用ボードの２つの層間に挟まれた硬質発泡体層を含むことができる。構造用ボードは有機ボードおよび／または無機ボードであり得る。例えば、構造用ボードは、他の種類のボードの中で、金属ボード、金属合金ボード、石膏ボード、合板ボードおよびそれらの組み合わせであり得る。
構造用断熱パネルは、壁材、屋根ふき材および／または床張り材などの種々の異なる用途で使用することができる。構造用断熱パネルは、例えば、商業ビル、居住用建物および／または貨物用コンテナで利用することができる。構造用断熱パネルは、構造用断熱パネルを使用しない他の建物またはコンテナと比較して、断熱パネルを使用する建物および／またはコンテナのエネルギー効率を上げるのに役立つことができる。
構造用断熱パネルは、必要な安定性および耐久性を備えている。例えば、構造用断熱パネルは、そのパネルを使用している建物またはコンテナの耐用寿命にわたり使用することができる。その後、断熱パネルは再使用または再生利用することができる。
本明細書に開示するジオポリマー前駆体エアロゲル組成物から形成されるジオポリマーエアロゲル複合体を使用することができる別の用途としては、断熱充填材が挙げられるがこれに限定されない。例えば、ジオポリマーエアロゲル複合体を使用して、耐熱性が要求される、例えば導管、湯沸器または他の装置の間隙を充填することができる。本明細書に開示するジオポリマー前駆体エアロゲル組成物から形成されるジオポリマーエアロゲル複合体を使用することができる別の用途としては、外壁断熱システムの構成部品としての用途である。例えば、外壁断熱システムとしては、断熱層および仕上げ層を挙げることができる。ジオポリマーエアロゲル複合体は、仕上げ層として使用してもよい。仕上げ層は、例えば、熱保護および／または屋外気候への曝露からの保護等の保護を断熱層にもたらすことができる。さらに、本明細書に開示するジオポリマー前駆体エアロゲル組成物から形成されるジオポリマーエアロゲル複合体は、充填材および／または断熱材を含むがこれらに限定されない種々の他の用途でも使用してよい。
本開示の以下の詳細な説明では、その一部を形成する添付の図面を参照し、説明において本開示の一または複数の実施形態を実施することができる方法を例として示す。これらの実施形態は、当業者が本開示の実施形態を実施することができる程度に十分に詳細に記述されており、他の実施形態を利用することもでき、および本開示の範囲から逸脱することなくプロセスの変更、電気的な変更および／または構造上の変更を行うことができることを理解されたい。
本明細書の図面は、１桁目の数字または最初の複数桁の数字が図面番号に対応し、残りの桁の数字が図面中の成分または構成部品を識別する番号付け規約に従っている。異なる図面間の同様の要素または構成部品は、同様の数字を使用することにより識別されることができる。例えば、１０４は図１Ａの要素「４」に言及し、同様の要素は図２の２０４として言及されることができる。付随する数字を含む要素は、特定の図面を参照せずに言及されることもできる。例えば、「要素４は」特定の図面を参照せずに発明の詳細な説明で言及されることができる。
記述したように、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を本明細書で説明する。ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、アルミノケイ酸塩反応物を含むことができる。ジオポリマー前駆体と呼ばれることもあるアルミノケイ酸塩反応物は、本明細書で論じる他のジオポリマー前駆体と反応してジオポリマーを形成する。
アルミノケイ酸塩反応物は、アルミノケイ酸塩である。アルミノケイ酸塩は、アルミニウム原子、ケイ素原子および酸素原子を含む化合物である。アルミノケイ酸塩反応物は、フライアッシュ、焼成クレー、冶金スラグおよびそれらの組み合わせからなる群から選択されることができる。
フライアッシュは、石炭の燃焼から形成される副産物である。例えば、発電所ユーティリティ炉は、微粉炭を燃焼させて、フライアッシュを生成することができる。フライアッシュの構造、組成および他の特性は、石炭の組成およびフライアッシュが形成される燃焼プロセスに依存し得る。アメリカ材料試験協会（ＡＳＴＭ）Ｃ６１８標準は、フライアッシュＣ種およびフライアッシュＦ種などの異なる種のフライアッシュを承認している。フライアッシュＣ種は、褐炭または亜瀝青炭を燃焼して生成することができる。フライアッシュＦ種は、無煙炭または瀝青炭を燃焼して生成することができる。一または複数の実施形態の場合には、フライアッシュはフライアッシュＦ種、フライアッシュＣ種およびそれらの組み合わせからなる群から選択されることができる。
本明細書で用いる場合、「クレー」とは含水アルミニウムフィロケイ酸塩をいう。クレーは、種々の量の鉄、マグネシウム、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を含むことができる。クレーの例としては、アンチゴライト、クリソタイル、リザルダイト、ハロイサイト、カオリナイト、イライト、モンモリロナイト、バーミキュライト、タルク、パリゴルスカイト、パイロフィライト、黒雲母、白雲母、金雲母、レピドライト、マーガライト、海緑石およびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。クレーをか焼することにより、焼成クレーを形成することができる。か焼は、クレーを５００℃〜１０００℃の温度に１時間から２４時間の時間間隔で曝すことを含み得る。
冶金スラグは、溶鉱炉を使用するいくつかのプロセスを含む多数のプロセスで形成されることができる。例えば、冶金スラグは、鉄鉱石から銑鉄を取り出すプロセス中に形成されることができる。一部の冶金スラグは、２７重量パーセント〜３８重量パーセントのＳｉＯ２と、７重量パーセント〜１２重量パーセントのＡｌ２Ｏ３とを含み得る。冶金スラグは、例えば、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｆｅ２Ｏ３およびＭｎＯも含み得る。
ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、アルカリ活性剤を含み得る。ジオポリマー前駆体と呼ばれることもあるアルカリ活性剤は、本明細書で論じる他のジオポリマー前駆体と反応してジオポリマーを形成する。アルカリ活性化は、苛性環境下でケイ酸アルミニウム間、および／またはケイ酸アルミニウムと、アルカリおよび／もしくはアルカリ土類元素を含む化合物との間の反応を含む。一または複数の実施形態の場合には、アルカリ活性剤はケイ酸ナトリウムを含む。本明細書で用いる場合、ケイ酸ナトリウムとは、酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）およびシリカ（ＳｉＯ２）を含む化合物をいう。ケイ酸ナトリウムは、重量比をＳｉＯ２の重量をＮａ２Ｏの重量で割った商として表す場合、ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏの重量比を１．３０〜５．００で有することができる。１．３０を含む１．３０〜５．００のすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、重量比をＳｉＯ２の重量をＮａ２Ｏの重量で割った商として表す場合、ケイ酸ナトリウムは、ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏの重量比を１．３０、１．４０または１．５０の下限から５．００、４．５０または４．００の上限までの範囲で有することができる。例えば、重量比をＳｉＯ２の重量をＮａ２Ｏの重量で割った商として表す場合、ケイ酸ナトリウムは、ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏの重量比を１．３０〜５．００、１．４０〜４．５０、または１．５０〜４．００の範囲で有することができる。ケイ酸ナトリウムの例としては、オルトケイ酸塩（Ｎａ４ＳｉＯ４）、メタケイ酸塩（Ｎａ２ＳｉＯ３）、二ケイ酸塩（Ｎａ２Ｓｉ２Ｏ５）、四ケイ酸塩（Ｎａ２Ｓｉ４Ｏ９）およびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。ケイ酸ナトリウムは、固体、溶液またはそれらの組み合わせとして使用されることができる。ケイ酸ナトリウム溶液は、水を含むことができる。ケイ酸ナトリウム溶液の水は、ケイ酸ナトリウム溶液の水酸化ナトリウムの重量パーセント、シリカの重量パーセント、および水の重量パーセントが合計してケイ酸ナトリウム溶液の１００重量パーセントになるように、ケイ酸ナトリウム溶液の４０重量パーセント〜７５重量パーセントの値を有する量で使用することができる。４０重量パーセント〜７５重量パーセントを含むすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、ケイ酸ナトリウム溶液の水は、ケイ酸ナトリウム溶液の酸化ナトリウムの重量パーセント、シリカの重量パーセント、および水の重量パーセントが合計してケイ酸ナトリウム溶液の１００重量パーセントになるように、４０重量パーセント、４３重量パーセントまたは４５重量パーセントの下限から７５重量パーセント、７０重量パーセントまたは６５重量パーセントの上限までの範囲であり得る。例えば、ケイ酸ナトリウム溶液の水は、ケイ酸ナトリウム溶液の酸化ナトリウムの重量パーセント、シリカの重量パーセント、および水の重量パーセントが合計してケイ酸ナトリウム溶液の１００重量パーセントになるように、４０重量パーセント〜７５重量パーセント、４３重量パーセント〜７０重量パーセントまたは４５重量パーセント〜７０重量パーセントの範囲であり得る。
アルカリ活性剤は、アルカリ性水酸化物を含むことができる。アルカリ性水酸化物の例としては、水酸化ナトリウムおよび水酸化カリウムが挙げられるが、これらに限定されない。アルカリ活性剤は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムおよびそれらの組み合わせからなる群から選択されることができる。アルカリ性水酸化物を含む実施形態の場合には、アルカリ性水酸化物は、ケイ酸ナトリウム溶液の酸化ナトリウムの重量パーセント、シリカの重量パーセント、水の重量パーセント、およびアルカリ性水酸化物の重量パーセントが合計してケイ酸ナトリウム溶液の１００重量パーセントになるように、ケイ酸ナトリウム溶液の最高５０重量パーセントまでの値を有する量で使用することができる。０重量パーセントを超えて、５０重量パーセントを含むすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、アルカリ性水酸化物は、ケイ酸ナトリウム溶液の水酸化ナトリウムの重量パーセント、シリカの重量パーセント、水の重量パーセント、およびアルカリ性水酸化物の重量パーセントが合計してケイ酸ナトリウム溶液の１００重量パーセントになるように、０重量パーセントを超える下限から５０重量パーセント、４５重量パーセントまたは４０重量パーセントの上限までの範囲で使用することができる。例えば、アルカリ性水酸化物は、ケイ酸ナトリウム溶液の酸化ナトリウムの重量パーセント、シリカの重量パーセント、水の重量パーセント、およびアルカリ性水酸化物の重量パーセントが合計してケイ酸ナトリウム溶液の１００重量パーセントになるように、０重量パーセント超えて５０重量パーセントまで、０重量パーセント超えて４５重量パーセントまで、０重量パーセント超えて４０重量パーセントまでの範囲で値を有する量で使用することができる。
ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、エアロゲル添加剤を含むことができる。エアロゲル添加剤は、アルミノケイ酸塩反応物およびアルカリ活性剤と対照的に、ジオポリマー前駆体ではない。一または複数の実施形態において、エアロゲル添加剤は、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物のジオポリマー前駆体と実質的に反応せず、例えば、エアロゲルはジオポリマー化反応の前、反応時、および反応後、微細多孔構造を維持する。エアロゲル添加剤は、ジオポリマー化反応時に未変化のままである。驚くべきことに、エアロゲル添加剤は、エアロゲル添加剤がシリカを含む場合でも、ジオポリマー用シリカの重要な供給源ではない。
ゲルは、流体によってゲル体積全体にわたり広がる非流体コロイド状ネットワークまたはポリマーネットワークである。エアロゲル、例えばエアロゲル添加剤は、その流体がガスである微細多孔質固体を含むゲルである。したがって、エアロゲルは、大量の粒子内細孔容積を有する低密度の多孔質固体と呼ばれることがある。エアロゲルは、例えば、湿潤ゲル材料から孔中の液体を除去することによって形成することができる。
異なる用途の場合、エアロゲル添加剤は、種々の材料から形成されることができる。一または複数の実施形態の場合には、エアロゲル添加剤は、シリカエアロゲル、アルミナエアロゲル、カーボンエアロゲルおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される。しかし、諸実施形態はそのように限定されることはない。例えば、ケイ素またはアルミニウム以外の、例えば、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、バナジウム、イットリウム、他の金属類またはそれらの組み合わせの金属酸化物に基づくエアロゲル添加剤を使用してよい。カーボンエアロゲルは、有機エアロゲルと呼ばれることもある。カーボンエアロゲルの例としては、ホルムアルデヒドと結合したレゾルシノールから形成されるエアロゲル、ホルムアルデヒドと結合したメラミンから形成されるエアロゲル、樹枝状ポリマーから形成されるエアロゲルおよびそれらの組み合わせから形成されるエアロゲルが挙げられるが、これらに限定されない。
エアロゲル添加剤は、密度、例えば、１立方センチメートル当たり０．０２ｇ（ｇ／ｃｍ３）から０．２５ｇ／ｃｍ３のかさ密度を有し得る。０．０２ｇ／ｃｍ３を含む０．０２ｇ／ｃｍ３〜０．２５ｇ／ｃｍ３のすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、エアロゲル添加剤は、０．０２ｇ／ｃｍ３、０．０３ｇ／ｃｍ３または０．０４ｇ／ｃｍ３の下限から０．２５ｇ／ｃｍ３、０．２２ｇ／ｃｍ３または０．２０ｇ／ｃｍ３の上限までの範囲で密度を有し得る。例えば、エアロゲル添加剤は、０．０２ｇ／ｃｍ３〜０．２５ｇ／ｃｍ３、０．０３ｇ／ｃｍ３〜０．２２ｇ／ｃｍ３または０．０４ｇ／ｃｍ３〜０．２０ｇ／ｃｍ３の範囲で密度を有し得る。
エアロゲル添加剤は、１ナノメートル（ｎｍ）〜７０ｎｍの平均孔径を有し得る。１ｎｍを含む１ｎｍ〜７０ｎｍのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、エアロゲル添加剤は、１ｎｍ、２ｎｍまたは５ｎｍの下限から７０ｎｍ、６８ｎｍまたは６５ｎｍの上限までの範囲で平均孔径を有し得る。例えば、エアロゲル添加剤は、１ｎｍ〜７０ｎｍ、２ｎｍ〜６８ｎｍまたは５ｎｍ〜６５ｎｍの範囲で平均孔径を有し得る。
エアロゲル添加剤は、１グラム当たり３００平方メートル（ｍ２／ｇ）から１５００ｍ２／ｇの平均表面積を有し得る。３００ｍ２／ｇを含む３００ｍ２／ｇ〜１５００ｍ２／ｇのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、エアロゲル添加剤は、３００ｍ２／ｇ、３２５ｍ２／ｇまたは３５０ｍ２／ｇの下限から１５００ｍ２／ｇ、１２５０ｍ２／ｇまたは１０００ｍ２／ｇの上限までの範囲で平均表面積を有し得る。例えば、エアロゲル添加剤は、３００ｍ２／ｇ〜１５００ｍ２／ｇ、３２５ｍ２／ｇ〜１２５０ｍ２／ｇまたは３５０ｍ２／ｇ〜１０００ｍ２／ｇの範囲で平均表面積を有し得る。
エアロゲル添加剤は、例えば、別々の粒子および異なった粒子の微粒子であり得る。エアロゲル添加剤は、種々の用途用の異なった大きさおよび／または形状であり得る。例えば、エアロゲル添加剤は、いずれか１つの寸法が０．１マイクロメートルから１００ミリメートルまでの粒径を有し得る。０．１マイクロメートルを含む０．１マイクロメートル〜１００ミリメートルのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、エアロゲル添加剤は、いずれか１つの寸法が０．１マイクロメートル，０．２マイクロメートルまたは０．３マイクロメートルの下限から１００ミリメートル、９５ミリメートルまたは９０ミリメートルの上限までの範囲で粒径を有し得る。例えば、エアロゲル添加剤は、０．１マイクロメトル〜１００ミリメートル、０．２マイクロメトル〜９５ミリメートルまたは０．３マイクロメトル〜９０ミリメートルの範囲で平均粒径を有し得る。本開示のいくつかの実施形態によれば、エアロゲル添加剤は、略球状であり得る。しかし、諸実施形態はそのように限定されることはない。本開示のいくつかの実施形態によれば、エアロゲル添加剤は実質的に非球状であり得る。実質的に非球形の例としては、立方形、多角形、細長い形状、異形およびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、分散媒を含むことができる。一または複数の実施形態の場合には、分散媒は水を含むことができる。一または複数の実施形態の場合には、分散媒は水であり得る。分散媒は、一または複数のジオポリマー前駆体の溶解および／または加水分解に用いられることができる。
ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、異なる用途用に種々の量の構成成分を含むことができる。アルミノケイ酸塩反応物は、アルミノケイ酸塩反応物の重量パーセント、アルカリ活性剤の重量パーセント、エアロゲル添加剤の重量パーセントおよび分散媒の重量パーセントが合計して組成物重量の１００重量パーセントになるように、その組成物重量の１０重量パーセント〜９０重量パーセントであり得る。１０重量パーセントを含む１０重量パーセント〜９０重量パーセントのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、アルミノケイ酸塩反応物は、１０重量パーセント、１５重量パーセントまたは２０重量パーセントの下限から９０重量パーセント、８５重量パーセントまたは８０重量パーセントの上限までの範囲であり得る。アルカリ活性剤は、アルミノケイ酸塩反応物の重量パーセント、アルカリ活性剤の重量パーセント、エアロゲル添加剤の重量パーセントおよび分散媒の重量パーセントが合計して組成物重量の１００重量パーセントになるように、その組成物重量の１０重量パーセント〜９０重量パーセントであり得る。１０重量パーセントを含む１０重量パーセント〜９０重量パーセントのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、アルカリ活性剤は、１０重量パーセント、１５重量パーセントまたは２０重量パーセントの下限から９０重量パーセント、８５重量パーセントまたは８０重量パーセントの上限までの範囲であり得る。エアロゲル添加剤は、アルミノケイ酸塩反応物の重量パーセント、アルカリ活性剤の重量パーセント、エアロゲル添加剤の重量パーセントおよび分散媒の重量パーセントが合計して組成物重量の１００重量パーセントになるように、その組成物重量の０．２５重量パーセント〜５０重量パーセントであり得る。０．２５重量パーセントを含む０．２５重量パーセント〜５０重量パーセントのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、エアロゲル添加剤は、０．２５重量パーセント、０．５０重量パーセントまたは１．０重量パーセントの下限から５０重量パーセント、４５重量パーセントまたは４０重量パーセントの上限までの範囲であり得る。分散媒は、アルミノケイ酸塩反応物の重量パーセント、アルカリ活性剤の重量パーセント、エアロゲル添加剤の重量パーセントおよび分散媒の重量パーセントが合計して組成物重量の１００重量パーセントになるように、その組成物重量の１０重量パーセント〜９０重量パーセントであり得る。１０重量パーセントを含む１０重量パーセント〜９０重量パーセントのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、分散媒は、１０重量パーセント、１５重量パーセントまたは２０重量パーセントの下限から９０重量パーセント、８５重量パーセントまたは８０重量パーセントの上限までの範囲であり得る。
ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、界面活性剤を含むことができる。界面活性剤は、親水性頭部と疎水性尾部とを有する化合物である。一または複数の実施形態の場合には、界面活性剤は、非イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤、両性界面活性剤およびそれらの組み合わせからなる群から選択されることができる。界面活性剤は、異なる用途用に種々の量で使用され得る。例えば、界面活性剤は、アルミノケイ酸塩反応物の重量パーセント、アルカリ活性剤の重量パーセント、エアロゲル添加剤の重量パーセント、水の重量パーセントおよび界面活性剤の重量パーセントが合計して活性剤を含む組成物重量の１００重量パーセントになるように、活性剤を含むその組成物の重量の０．１０重量パーセント〜５．００重量パーセントの値を有する量で使用され得る。０．１０重量パーセントを含む０．１０重量パーセント〜５．００重量パーセントのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、界面活性剤は、アルミノケイ酸塩反応物の重量パーセント、アルカリ活性剤の重量パーセント、エアロゲル添加剤の重量パーセント、水の重量パーセントおよび界面活性剤の重量パーセントが合計して界面活性剤を含む組成物の重量の１００重量パーセントになるように、界面活性剤を含む組成物の重量の０．１０重量パーセント、０．２５重量パーセントまたは０．４０重量パーセントの下限から５．００重量パーセント、３．００重量パーセントまたは１．００重量パーセントの上限までの範囲の値を有する量で使用され得る。界面活性剤を含む組成物重量の場合、アルミノケイ酸塩反応物の重量パーセント、アルカリ活性剤の重量パーセント、エアロゲル添加剤の重量パーセント、分散媒の重量パーセントおよび界面活性剤の重量パーセントが合計してその組成物重量の１００重量パーセントになるように、アルミノケイ酸塩反応物は界面活性剤を含む組成物重量の１０重量パーセント〜９０重量パーセントであり得、アルカリ活性剤は界面活性剤を含む組成物重量の１０重量パーセント〜９０重量パーセントであり得、エアロゲル添加剤は界面活性剤を含む組成物重量の０．２５重量パーセント〜５０重量パーセントであり得、および分散媒は界面活性剤を含む組成物重量の１０重量パーセント〜９０重量パーセントであり得る。
非イオン界面活性剤は電荷を持たない。非イオン界面活性剤の例としては、アルキル多糖、アミンオキシド、ブロックコポリマー、ヒマシ油エトキシレート、セト−オレイルアルコールエトキシレート、セト−ステアリルアルコールエトキシレート、デシルアルコールエトキシレート、ジノニルフェノールエトキシレート、ドデシルフェノールエトキシレート、エンドキャップトエトキシレート、エーテルアミン誘導体、エトキシル化アルカノールアミド、エチレングリコールエステル、脂肪酸アルカノールアミド、脂肪アルコールアルコキシレート、ラウリルアルコールエトキシレート、単分岐アルコールエトキシレート、天然アルコールエトキシレート、ノニルフェノールエトキシレート、オクチルフェノールエトキシレート、オレイルアミンエトキシレート、ランダムコポリマーアルコキシレート、ソルビタンエステルエトキシレート、ステアリン酸エトキシレート、ステアリルアミンエトキシレート、合成アルコールエトキシレート、トール油脂肪酸エトキシレート、獣脂アミンエトキシレート、ｔｒｉｄトリデカノールエトキシレートおよびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
陽イオン界面活性剤は、溶液中で正の電荷を帯びる頭部を有する。陽イオン界面活性剤の例としては、アルキルジメチルアミン、アルキルアミドプロピルアミン、アルキルイミダゾリン誘導体、四級化アミンエトキシレート、第四級アンモニウム化合物およびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
陰イオン界面活性剤は、溶液中で負の電荷を帯びる頭部を有する。陰イオン界面活性剤の例としては、アルキルエーテルリン酸塩、アルキルエーテルカルボン酸とその塩、アルキルエーテル硫酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、アルキルリン酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸とその塩、アルキルフェノールエーテルリン酸塩、アルキルフェノールエーテル硫酸塩、αオレフィンスルホン酸塩、芳香族炭化水素スルホン酸、その塩と混合物、縮合ナフタレンスルホン酸塩、ジアルキルスルホコハク酸塩、脂肪アルコール硫酸塩、モノアルキルスルホコハク酸塩、アルキルスルホコハク酸塩、ナフタレンスルホン酸塩、およびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
両性界面活性剤は、水のｐＨにより溶液中で陰イオン（負の電荷を帯びる）、陽イオン（正の電荷を帯びる）または非イオン（電荷を帯びない）になり得る。両性界面活性剤の例としては、アルキルアンフォ（ジ）アセテート、アミドベタイン、アルキルベタインおよびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
本明細書に開示するように、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を硬化して、ジオポリマーエアロゲル複合体を形成することができる。複合体とは、ジオポリマーとエアロゲルなどの各々が異なる特性を有する２つ以上の成分から形成される物質である。記述したように、ジオポリマーエアロゲル複合体は、ジオポリマーアエアロゲル複合体を持たないパネルなどの他のパネル方法と比較して、本明細書に開示する、耐火性が改善された構造用断熱パネルを提供することができる。
ジオポリマー、例えばジオポリマーエアロゲル複合体のジオポリマーは、式Ｉ：
[化１]
(M)y[-(SiO2)z-AlO2]x ・ w H2O
によって表すことができる。
(M)y[-(SiO2)z-AlO2]x ・ w H2O
によって表すことができる。
式中、各Ｍは互いに独立して元素周期表の１族の陽イオンであり；ｘは２以上の整数であって、ポリシアル酸塩の反復単位の数を表し；ｙは、ｙ対ｘの比が０を超え（ｙ／ｘ＞０）て、好ましくは０を超えて２以下までで（０＜ｙ／ｘ≦２）あるように選択された有理数または無理数であり；ｚは１から３５までの有理数または無理数であり；およびｗは、ｗ対ｘの比（ｗ／ｘ）がポリシアル酸塩反復単位当たりの水のモル比を表すように、有理数または無理数である。ｚは、ポリシアル酸塩中のケイ素原子のモル対アルミニウム原子のモル（Ｓｉ／Ａｌ）に等しいモル比を表す。ジオポリマー中のＳｉＯ２官能基の分布は、ランダムであると特徴付けられることができる。このように、ｚは有理数または無理数であり得る。特に明記しない限り、「元素周期表」という語句は、国際純正・応用化学連合（ＩＵＰＡＣ）によって発表された２００７年６月２２日付版の公式周期表をいう。
ジオポリマーエアロゲル複合体は、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を２０℃〜１５０℃の温度で硬化することによって形成することができる。２０℃を含む２０℃〜１５０℃のすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、ジオポリマーエアロゲル複合体は、２０℃、２５℃、３０℃の下限から１５０℃、１４０℃または１３０℃の上限までの範囲の温度でジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を硬化することによって形成することができる。例えば、ジオポリマーエアロゲル複合体は、２０℃〜１５０℃、２５℃〜１４０℃または３０℃〜１３０℃の範囲の温度でジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を硬化することによって形成することができる。ジオポリマーエアロゲル複合体は、例えば、１分未満から最高２８日の時間間隔でジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を硬化することによって形成することができる。１分未満を含む１分未満〜２８日のすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、ジオポリマーエアロゲル複合体は、１分未満、１分または５分の下限から２８日、２４日または２０日の上限までの範囲の時間間隔でジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を硬化することによって形成することができる。例えば、ジオポリマーエアロゲル複合体は、１分未満〜２８日、１分〜２４日または５分〜２０日の範囲の時間間隔でジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を硬化することによって形成することができる。一または複数の実施形態の場合には、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、例えば、モールドの鋳型に鋳造して硬化させることができる。一または複数の実施形態の場合には、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、例えば、本明細書で論じる発泡材料および／または表面材などの基層に塗布してその上を硬化することができる。ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、浸漬、吹付け、ローリング、コテ塗装または別の手順などの種々の手順によって基層に塗布することができる。
一または複数の実施形態の場合には、エアロゲル添加剤は、エアロゲル添加剤およびジオポリマーの合計がジオポリマーエアロゲル複合層の１００体積パーセントになるように、ジオポリマーエアロゲル複合層の５体積パーセント〜９５体積パーセントであり得る。５体積パーセントを含む５体積パーセント〜９５体積パーセントのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、エアロゲル添加剤は、エアロゲル添加剤およびジオポリマーの合計がジオポリマーエアロゲル複合層の１００体積パーセントになるように、５体積パーセント、１０体積パーセント、１５体積パーセントの下限から９５体積パーセント、８５体積パーセントまたは７５体積パーセントの上限までの範囲であり得る。例えば、エアロゲル添加剤は、エアロゲル添加剤およびジオポリマーの合計がジオポリマーエアロゲル複合層の１００体積パーセントになるように、５体積パーセント〜９５体積パーセント、１０体積パーセント〜８５体積パーセントまたは１５体積パーセント〜７５体積パーセントの範囲であり得る。
図１Ａは、本開示のいくつかの実施形態による耐火構造１０２の一部分を示す。種々の用途の場合、本明細書に開示するように、耐火構造とは他の言及の中でもサンドイッチパネル、構造用断熱パネルまたは自立断熱パネルとよぶことがある。
本明細書に開示するように、耐火構造は種々のプロセスによって形成することができる。例えば、耐火構造は、二重コンベヤー配置を用いる連続積層プロセスなどの連続プロセスによって形成されることができ、プロセスでは、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物の構成成分を例えば、注ぐまたは吹付けて、柔軟または硬質であり得る第１の表面材面に堆積させることができ；次いで、発泡材料を形成するための反応混合物を硬化するジオポリマー前駆体エアロゲル組成物上に注ぐまたは吹付けて堆積することができ；次いで、発泡材料を形成するために、第２の表面材面を反応混合物に接触させることができる。種々の用途の場合、他の形成プロセスが用いられてもよい。例えば、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物の構成成分を例えば、注ぐまたは吹付けて、第２の表面材面に堆積させることができる。さらに、本明細書に開示するように、耐火構造は、第１の表面材および／または第２の表面材上にジオポリマー前駆体エアロゲル組成物の構成成分を例えば注ぐまたは吹付ける等の堆積することを含む不連続プロセスによって形成されることもできる。次いで、その内面にジオポリマーエアロゲル熱保護層を有する第１および第２の表面材をプレス内に配置して、発泡材料を形成するための反応混合物を第１の表面材と第２の表面材との間に例えば注ぐまたは注入して堆積させることができる。
耐火構造１０２は、種々の用途で利用されることができる。耐火性複合構造１０２は、第１の表面材１０６と第２の表面材１０８との間に位置する発泡材料１０４を含む。耐火性複合構造１０２は、発泡材料１０４と第１の表面材１０６との間にジオポリマーエアロゲル複合層１１０を含む。
発泡材料１０４は、例えば、不可逆反応によって硬化状態に形成されたポリマー発泡体等の熱硬化性発泡体であり得る。発泡材料１０４は、他の熱硬化性発泡体の中で、ポリイソシアヌレート発泡体、ポリウレタン発泡体、フェノール樹脂発泡体およびそれらの組み合わせであり得る。一例として、発泡材料１０４は硬質ポリウレタン／ポリイソシアヌレート（ＰＵ／ＰＩＲ）発泡体であり得る。ポリイソシアヌレート発泡体は、ポリオール（例えばポリエステルグリコール）とイソシアネート（例えばメチレンジフェニルジイソシアネートおよび／またはポリ（メチレンジフェニルジイソシアネート））とを反応させることによって形成されることができる。反応では、イソシアネート基の当量はイソシアネート反応基のそれよりも大きく、化学量論過剰量はイソシアヌレート結合に変換され、例えばその比は１．８を超えることがある。ポリウレタン発泡体は、ポリオール（例えばポリエステルポリオールまたはポリエーテルポリオール）とイソシアネート（例えばメチレンジフェニルジイソシアネートおよび／またはポリ（メチレンジフェニルジイソシアネート））とを反応させることによって形成されることができる。反応では、イソシアネート基の当量対イソシアネート反応基の当量の比は、１．８未満である。フェノール樹脂発泡体は、フェノール（例えば石炭酸）とアルデヒド（例えばホルムアルデヒド）とを反応させることによって形成されることができる。発泡材料１０４を形成することは、膨張剤、界面活性剤および／または触媒を使用することも含み得る。
図１Ｂは、図１Ａの切断線１Ａ−１Ａに沿って描いた図１Ａの横断面図である。図１Ｂに示すように、発泡材料１０４は耐火構造１０２の第１の表面材と、第２の表面材との間に位置する。第１の表面材１０６および第２の表面材１０８は、種々の材料、例えば、複合建築材料に適した材料であり得る。例えば、本開示のいくつかの実施形態によれば、第１の表面材１０６および第２の表面材１０８は、互いに独立して、他の材料の中からアルミニウム、鋼鉄、ステンレス鋼、銅、ガラス繊維強化プラスチック、石膏またはそれらの組み合わせから形成されることができる。第１の表面材１０６および第２の表面材１０８は、互いに独立して、０．０５ミリメートル〜２５．００ミリメートルの厚さを有することができる。０．０５ミリメートル〜２５．００ミリメートルのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、第１の表面材１０６および第２の表面材１０８は、互いに独立して、２５．００ミリメートル、２０．００ミリメートルまたは１５．００ミリメートルの上限から０．０５ミリメートル、０．１０ミリメートルまたは０．２０ミリメートルの下限までの厚さを有することができる。例えば、第１の表面材１０６および第２の表面材１０８は、互いに独立して、０．０５ミリメートル〜２５．００ミリメートル、０．１０ミリメートル〜２０．００ミリメートルまたは０．２０ミリメートル〜１５．００ミリメートルの厚さを有することができる。
発泡材料１０４は、３ミリメートル〜３００ミリメートルの厚さ１０５を有することができる。３ミリメートル〜３００ミリメートルのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、発泡材料は、３００ミリメートル、２５０ミリメートルまたは２００ミリメートルの上限から３ミリメートル、５ミリメートルまたは７ミリメートルの下限までの厚さを有することができる。例えば、発泡材料は、３ミリメートル〜３００ミリメートル、５ミリメートル〜２５０ミリメートルまたは７ミリメートル〜２００ミリメートルの厚さを有することができる。
本開示のいくつかの実施形態によれば、耐火構造１０２は、発泡材料１０４と第１の表面材１０６との間にジオポリマーエアロゲル複合層１１０を含む。本明細書に論じるように、ジオポリマーエアロゲル複合層１１０は、ジオポリマー１１２およびエアロゲル１１４を含むことができる。
本明細書に論じるように、ジオポリマーエアロゲル複合体、例えばジオポリマーエアロゲル複合層１１０は、ジオポリマーアエアロゲル複合体を持たないパネルなどの他のパネル方法と比較して、本明細書に開示する耐火性が改善された構造用断熱パネルを提供することができる。ジオポリマーエアロゲル複合層１１０がもたらすことができるのは、同様の加熱作用に曝露される場合、ジオポリマーアエアロゲル複合層１１０を持たないパネルと比較して、発泡体材料１０４が少ない熱エネルギーを受けることである。―例として耐火性は、例えば耐火構造１０２の材料を炉からの加熱作用に曝露し、その後、炉と対向する材料の側で、および／または材料の厚さを超える特定の距離で、温度上昇を経時的に測定することによって決定することができる。同様の加熱条件下で、別の材料上での対応する温度と比較して、材料の一部分上でより低い温度を達成することによって、耐火性が改善したと考えられる。
図１Ｂに示すように、ジオポリマーエアロゲル複合層１１０は、例えば、発泡材料１０４上に隣接することができる。しかし、諸実施形態はそのように限定されることはない。例えば、ジオポリマーエアロゲル複合層１１０は、ジオポリマーエアロゲル複合層１１０を発泡材料１０４に接着する接着材によって部分的にまたは完全に発泡材料１０４から分離させることができる。接着材としては、熱硬化接着剤などの架橋性接着剤を挙げることができる。例えば、接着材としては、他の熱硬化接着剤の中でポリイソシアヌレート、ウレタン（例えばウレタン接着剤）、エポキシ系またはスルホン化ポリスチレンを挙げることができる。
ジオポリマーエアロゲル複合層１１０は、０．５ミリメートル〜１００ミリメートルの厚さ１１１を有することができる。０．５ミリメートル〜１００ミリメートルのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、ジオポリマーエアロゲル複合層１１０は、１００ミリメートル、８０ミリメートルまたは６０ミリメートルの上限から０．５ミリメートル、３ミリメートルまたは５ミリメートルの下限までの厚さ１１１を有することができる。例えば、ジオポリマーエアロゲル複合層１１０は、０．５ミリメートル〜１００ミリメートル、３ミリメートル〜８０ミリメートルまたは５ミリメートル〜６０ミリメートルの厚さ１１１を有することができる。
再び図１Ｂを参照して、本開示のいくつかの実施形態によれば、第１の表面材１０６は、他の熱源の中で、熱源１２０、例えば、火に立ち向かうように構成することができる。図１Ｂに示す例において、熱は熱源１２０から第１の表面材１０６およびジオポリマーエアロゲル複合層１１０を通って発泡材料１０４まで伝わり得る。熱源１２０に対して発泡材料１０４の前面にジオポリマーエアロゲル複合層１１０を位置づけることにより、発泡材料１０４を保護するようにジオポリマーエアロゲル複合層１１０に所望の有効性をもたらし、および／または耐火構造１０２に耐火性の改善をもたらすのに役立つことができる。
図２は、本開示のいくつかの実施形態による耐火構造２０２の横断面図である。図２に示すように、耐火構造２０２は、２層以上のジオポリマーエアロゲル複合層、例えばジオポリマーエアロゲル複合層２１０−１および第２のジオポリマーエアロゲル複合層２１０−２を含むことができる。本明細書に記述するように、第２のジオポリマーエアロゲル複合層２１０−２は、ジオポリマーエアロゲル複合層２１０−１と同様の特性を有することができる。図２に示すように、第２のジオポリマーエアロゲル複合層２１０−２は、発泡材料２０４と第２の表面材２０８との間に位置することができる。図２は２層のジオポリマーエアロゲル複合層、２１０−１、２１０−２を示しているが、諸実施形態はそのように限定されることはない。例えば、本明細書に開示する耐火構造は、３層のジオポリマーエアロゲル複合層、４層のジオポリマーエアロゲル複合層またはより多層のジオポリマーエアロゲル複合層を含むことができる。
上述の説明は具体的な方法で示したが、限定的なものではない。上記の説明を検討すると、本開示の種々の実施形態の範囲が他の用途および／または構成成分を含むことは、当業者にとって明らかとなろう。
実施例において、材料に関する種々の用語および名称は、例えば以下を含み使用した。
ケイ酸ナトリウム溶液（アルカリ活性剤、グレード５２ケイ酸ナトリウム溶液、Ｏｃｃｉｄｅｎｔａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能）；フライアッシュ（アルミノケイ酸塩反応物、フライアッシュＦ種、ＢＯＲＡＬ（登録商標）から入手可能）；界面活性剤（Ｐｌｕｏｎｉｃ（登録商標）Ｐ８４，ブロックコポリマー非イオン界面活性剤、ＢＡＳＦから入手可能）；分散媒（脱イオン水、検査室で生成）；エアロゲル添加剤（Ｅｎｏｖａ ＩＣ３１１０、Ｃａｂｏｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能）；表面材（厚さ０．３ミリメートルのタイプ３０４ステンレス鋼板）。
実施例１
ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物（実施例１）を以下の通りに調製した。水（１９．５グラム）およびケイ酸ナトリウム溶液（３５．５グラム）を容器に加えて、混合した。Ｐｌｕｏｎｉｃ Ｐ８４（０．８３４グラム）を容器の内容物に溶解して、混合した。フライアッシュ（８９．５グラム）を容器の内容物に加えて、７００〜９００の毎分回転数で、高せん断ミキサー（モデルＬ１Ｕ０８ミキサー、ＬＩＧＨＴＮＩＮ（登録商標）から入手可能）で混合した。エアロゲル添加剤（３．１８６グラム）を容器の内容物に加えて、混合した。
ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物（実施例１）を以下の通りに調製した。水（１９．５グラム）およびケイ酸ナトリウム溶液（３５．５グラム）を容器に加えて、混合した。Ｐｌｕｏｎｉｃ Ｐ８４（０．８３４グラム）を容器の内容物に溶解して、混合した。フライアッシュ（８９．５グラム）を容器の内容物に加えて、７００〜９００の毎分回転数で、高せん断ミキサー（モデルＬ１Ｕ０８ミキサー、ＬＩＧＨＴＮＩＮ（登録商標）から入手可能）で混合した。エアロゲル添加剤（３．１８６グラム）を容器の内容物に加えて、混合した。
実施例２
ジオポリマーエアロゲル複合体（実施例２）を以下の通りに形成した。実施例１を鋳型に鋳造して、６０℃で１２時間硬化した。鋳型は、長さ７６．２ミリメートル、幅７６．２ミリメートルおよび奥行き１０ミリメートルであった。実施例２を３０体積パーセントのエアロゲル添加剤および７０体積パーセントのジオポリマーとして決定した。
ジオポリマーエアロゲル複合体（実施例２）を以下の通りに形成した。実施例１を鋳型に鋳造して、６０℃で１２時間硬化した。鋳型は、長さ７６．２ミリメートル、幅７６．２ミリメートルおよび奥行き１０ミリメートルであった。実施例２を３０体積パーセントのエアロゲル添加剤および７０体積パーセントのジオポリマーとして決定した。
実施例３
ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物（実施例３）を以下の変更を用いて実施例１のように調製した。水（２９．５グラム）、ケイ酸ナトリウム溶液（３５．５グラム）、Ｐｌｕｏｎｉｃ Ｐ８４（０．８３４グラム）、フライアッシュ（８９．５グラム）およびエアロゲル添加剤（１７．３５０グラム）を用いて、実施例３を形成した。
ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物（実施例３）を以下の変更を用いて実施例１のように調製した。水（２９．５グラム）、ケイ酸ナトリウム溶液（３５．５グラム）、Ｐｌｕｏｎｉｃ Ｐ８４（０．８３４グラム）、フライアッシュ（８９．５グラム）およびエアロゲル添加剤（１７．３５０グラム）を用いて、実施例３を形成した。
実施例４
ジオポリマーエアロゲル複合体（実施例４）を、実施例１の代わりに実施例３を用いた変更と共に、実施例２のように形成した。実施例４を７０体積パーセントのエアロゲル添加剤および３０体積パーセントのジオポリマーとして決定した。
ジオポリマーエアロゲル複合体（実施例４）を、実施例１の代わりに実施例３を用いた変更と共に、実施例２のように形成した。実施例４を７０体積パーセントのエアロゲル添加剤および３０体積パーセントのジオポリマーとして決定した。
比較例Ａ
ジオポリマー前駆体組成物（比較例Ａ）を以下の通りに調製した。水（３．０グラム）およびケイ酸ナトリウム溶液（７１．０グラム）を容器に加えて、混合した。フライアッシュ（１７９．０グラム）を容器の内容物に加えて、７００〜９００の毎分回転数で、高せん断ミキサー（モデルＬ１Ｕ０８ミキサー、ＬＩＧＨＴＮＩＮ（登録商標）から入手可能）で混合した。
ジオポリマー前駆体組成物（比較例Ａ）を以下の通りに調製した。水（３．０グラム）およびケイ酸ナトリウム溶液（７１．０グラム）を容器に加えて、混合した。フライアッシュ（１７９．０グラム）を容器の内容物に加えて、７００〜９００の毎分回転数で、高せん断ミキサー（モデルＬ１Ｕ０８ミキサー、ＬＩＧＨＴＮＩＮ（登録商標）から入手可能）で混合した。
比較例Ｂ
ジオポリマー（比較例Ｂ）を以下の通りに調製した。比較例Ａを鋳型に鋳造して、６０℃で１２時間硬化して、ジオポリマーを形成した。鋳型は、長さ７６．２ミリメートル、幅７６．２ミリメートルおよび奥行き１０ミリメートルであった。
ジオポリマー（比較例Ｂ）を以下の通りに調製した。比較例Ａを鋳型に鋳造して、６０℃で１２時間硬化して、ジオポリマーを形成した。鋳型は、長さ７６．２ミリメートル、幅７６．２ミリメートルおよび奥行き１０ミリメートルであった。
実施例２、実施例４および比較例Ｂの密度を測定した。表１のデータは実施例２、実施例４の密度を示す。表２のデータは、比較例Ｂの密度を示す。
表１〜２のデータは、実施例２および実施例４の両密度が比較例Ｂの密度よりも小さかったことを示す。比較例Ｂの密度と比較すると、実施例２および実施例４の低い密度は、エアロゲル添加剤がジオポリマー化プロセス時に消費されず、かつエアロゲル添加剤がジオポリマー用シリカの重要な供給源ではなかったことを示す。比較例Ｂの密度と比較すると、実施例２および実施例４の低い密度は、エアロゲル添加剤がジオポリマー化プロセス時に未変化のままであり、実施例２および実施例４がそれぞれジオポリマーエアロゲル複合体であったことを示す。
実施例２、実施例４および比較例Ｂの熱伝導率をホットディスク法で測定した。表３のデータは、ワット毎メートル毎ケルビン（Ｗ／（ｍＫ））での実施例２および実施例４の熱伝導率を示す。表４のデータは、比較例Ｂの（Ｗ／（ｍＫ））での熱伝導率を示す。
表３〜４のデータは、実施例２および実施例４の両熱伝導率が各試験した温度に対して比較例Ｂの熱伝導率よりも小さかったことを示す。比較例Ｂの熱伝導率と比較すると、実施例２および実施例４の低い熱伝導率は、エアロゲル添加剤がジオポリマー化プロセス時に消費されず、かつエアロゲル添加剤がジオポリマー用シリカの重要な供給源ではなかったことを示す。比較例Ｂの熱伝導率と比較すると、実施例２および実施例４の低い熱伝導率は、エアロゲル添加剤がジオポリマー化プロセス時に未変化のままであり、および実施例２および実施例４がそれぞれジオポリマーエアロゲル複合体であったことを示す。
実施例５
耐火構造（実施例５）を以下の通りに作製した。実施例１のように調製したジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を鋳型に鋳造し、次いで発泡材料を鋳造したジオポリマー前駆体エアロゲル組成物上に押圧した。鋳造したジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を６０℃で１２時間硬化して、発泡材料に接着させた厚さ１０ミリメートルのジオポリマーエアロゲル複合層を形成した。発泡材料は、Ｔｈｅ Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能な厚さ１５０ミリメートルのＶＯＲＡＴＨＥＲＭ（商標）ＣＮ６０４ポリイソシアヌレート系で作製したポリイソシアヌレート発泡体であった。厚さ０．３ミリメートルのタイプ３０４ステンレス鋼板を、非発泡ポリウレタン（ＦｏａｍＦａｓｔ ７４、３Ｍ（商標）から入手可能）を用いてジオポリマーエアロゲル複合層に接着させた。
耐火構造（実施例５）を以下の通りに作製した。実施例１のように調製したジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を鋳型に鋳造し、次いで発泡材料を鋳造したジオポリマー前駆体エアロゲル組成物上に押圧した。鋳造したジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を６０℃で１２時間硬化して、発泡材料に接着させた厚さ１０ミリメートルのジオポリマーエアロゲル複合層を形成した。発泡材料は、Ｔｈｅ Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能な厚さ１５０ミリメートルのＶＯＲＡＴＨＥＲＭ（商標）ＣＮ６０４ポリイソシアヌレート系で作製したポリイソシアヌレート発泡体であった。厚さ０．３ミリメートルのタイプ３０４ステンレス鋼板を、非発泡ポリウレタン（ＦｏａｍＦａｓｔ ７４、３Ｍ（商標）から入手可能）を用いてジオポリマーエアロゲル複合層に接着させた。
比較例Ｃ
比較例Ｃは、以下の通りに作製した。比較例Ａのように調製したジオポリマー前駆体組成物を鋳型に鋳造し、次いで発泡材料を鋳造したジオポリマー前駆体エアロゲル組成物上に押圧した。鋳造したジオポリマー前駆体組成物を６０℃で１２時間硬化して、発泡材料に接着させた厚さ１０ミリメートルのジオポリマー層を形成した。発泡材料は、Ｔｈｅ Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能な厚さ１５０ミリメートルのＶＯＲＡＴＨＥＲＭ（商標）ＣＮ６０４ポリイソシアヌレート系で作製したポリイソシアヌレート発泡体であった。厚さ０．３ミリメートルのタイプ３０４ステンレス鋼板を、非発泡ポリウレタン（ＦｏａｍＦａｓｔ ７４、３Ｍ（商標）から入手可能）を用いてジオポリマー層に接着させた。
比較例Ｃは、以下の通りに作製した。比較例Ａのように調製したジオポリマー前駆体組成物を鋳型に鋳造し、次いで発泡材料を鋳造したジオポリマー前駆体エアロゲル組成物上に押圧した。鋳造したジオポリマー前駆体組成物を６０℃で１２時間硬化して、発泡材料に接着させた厚さ１０ミリメートルのジオポリマー層を形成した。発泡材料は、Ｔｈｅ Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能な厚さ１５０ミリメートルのＶＯＲＡＴＨＥＲＭ（商標）ＣＮ６０４ポリイソシアヌレート系で作製したポリイソシアヌレート発泡体であった。厚さ０．３ミリメートルのタイプ３０４ステンレス鋼板を、非発泡ポリウレタン（ＦｏａｍＦａｓｔ ７４、３Ｍ（商標）から入手可能）を用いてジオポリマー層に接着させた。
実施例５および比較例Ｃの耐火性を以下の通りに試験した。７６．２ミリメートル×７６．２ミリメートルの穴をＴＨＥＲＭＯ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ（登録商標）Ｔｈｅｒｍｏｌｙｎｅモデル４８０００炉の扉に形成した。ＥＮ１３６１−１試験標準で用いられる温度対時間曲線（ＩＳＯ−８３４−１の加熱曲線と同一）による温度対時間曲線に従ってこの炉を１０００℃まで加熱した。実施例５および比較例Ｃのそれぞれのステンレス鋼板を、炉扉の穴にそれぞれ固定した。温度を記録して耐火性を決定するために、熱源に曝されるステンレス鋼板から測定して８０ミリメートル、１００ミリメートルおよび１２０ミリメートルのところで実施例５の発泡材料中に熱電対を設置した。実験目的のために、実施例５には第２表面材を含まなかった。表５は、１時間および２時間で測定した実施例５の各熱電対の位置の温度に対応するデータを示す。温度を記録して耐火性を決定するために、熱源に曝されるステンレス鋼板から測定して８０ミリメートル、１００ミリメートルおよび１２０ミリメートルのところで比較例Ｃの発泡材料中に熱電対を設置した。比較例Ｃには第２表面材を含まなかった。表６は、１時間および２時間で測定した比較例Ｃの各熱電対の位置の温度に対応するデータを示す。
表５〜６のデータは、各試験時間の各熱電対の位置での実施例５の温度が、同じ試験時間の各対応する熱電対での比較例Ｃの温度よりも低かったことを示す。比較例Ｃと比較して、実施例５の低い温度は、比較例Ｃの耐火性と比較して実施例５の耐火性が向上したことを示す。
Claims (10)
- 耐火構造であって、
第１の表面材と第２の表面材との間に位置する発泡材料と、
前記発泡材料に隣接し、前記発泡材料と前記第１の表面材との間のジオポリマーエアロゲル複合層とを含み、
前記発泡材料は、ポリウレタン発泡体、ポリイソシアヌレート発泡体、フェノール樹脂発泡体、およびそれらの組み合わせから選択され、
前記ジオポリマーエアロゲル複合層が、
アルミノケイ酸塩反応物と、
ジオポリマー前駆体アルカリ活性剤と、
シリカエアロゲル添加剤と、
分散媒と、
を含み、
前記アルミノケイ酸塩反応物と前記ジオポリマー前駆体アルカリ活性剤とは反応し、式：
で示されるジオポリマーを形成する、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を硬化することによって形成される、耐火構造。 - 前記アルミノケイ酸塩反応物が、フライアッシュ、焼成クレー、冶金スラグおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の耐火構造。
- 前記フライアッシュが、クラスＦフライアッシュ、クラスＣフライアッシュおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項２に記載の耐火構造。
- 前記アルカリ活性剤が、ケイ酸ナトリウムを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の耐火構造。
- 前記アルカリ活性剤が、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるアルカリ性水酸化物を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の耐火構造。
- 前記組成物が、アルミナエアロゲル、カーボンエアロゲルまたはそれらの組み合わせをさらに含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の耐火構造。
- 前記シリカエアロゲル添加剤が、１立方センチメートル当たり０．０２グラムから１立方センチメートル当たり０．２５グラムまでの密度を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の耐火構造。
- 前記シリカエアロゲル添加剤が、１ナノメートル〜７０ナノメートルの平均孔径を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の耐火構造。
- 前記アルミノケイ酸塩反応物の重量パーセント、前記アルカリ活性剤の重量パーセント、前記シリカエアロゲル添加剤の重量パーセントおよび前記分散媒の重量パーセントが合計して組成物の１００重量パーセントになるように、前記アルミノケイ酸塩反応物が前記組成物重量の１０重量パーセント〜９０重量パーセントであり、前記アルカリ活性剤が前記組成物重量の１０重量パーセント〜９０重量パーセントであり、前記シリカエアロゲル添加剤が前記組成物重量の０．２５重量パーセント〜５０重量パーセントであり、および前記分散媒が前記組成物重量の１０重量パーセント〜９０重量パーセントである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の耐火構造。
- 前記ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物がさらに界面活性剤を含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の耐火構造。
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