JP6603894B2 - 断熱シートとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、断熱シートとその製造方法に関するものである。

近年、情報機器が発達しつつある。そのため、半導体素子などの情報処理能力が向上し、半導体素子などから発せられる熱量は増加の一途にある。熱による半導体素子などの誤作動や寿命低下を防止するために、半導体素子などの熱を、金属製のヒートシンクやグラファイトシートを使用して筐体へ伝達することが行われている。しかし、さらなる情報機器の発達とともに、更なる熱対策が必要である。

また、自動車には、車両の制御のために、多くの半導体素子を使用した各種の電子制御装置が多く搭載されてきている。近年は、制御機器搭載空間、室内空間の確保などの要請から、それら電子機器がエンジンルームに配置されてきている。そのため、エンジンから発せられる熱からの電子部品や電子回路の保護が課題となっている。

さらに、最近はハイブリット車や電気自動車も増えつつあり、そうした自動車に使用される蓄電池についても、それぞれのセルから発せられる熱で隣接セル同士が加熱しあうことで性能劣化を招く恐れがあり、各セル間の断熱対策が重要な課題となってきている。

以上は熱からの保護が必要な機器の一例であるが、より一層の情報処理能力の向上や高密度実装化、それらを支える蓄電機器の増加が見込まれる中、熱伝達部材だけでは不十分である。そのため、熱伝達部材と断熱材とを組み合わせる部材が必要となっている。

断熱材の種類には様々あるが、断熱性能が高い断熱材としては、シリカエアロゲルおよびシリカキセロゲルが挙げられる。

シリカエアロゲルおよびシリカキセロゲルは、空気の平均自由行程６８ｎｍよりも小さな細孔を有し、固体の熱伝導や対流による熱伝導が少なく、優れた断熱効果を有する。上記のような断熱問題を解決する上で有用な材料である。しかしながら、シリカエアロゲルおよび、シリカキセロゲルは機械強度が低く、これを単独で使用することは難しい。そこで、シリカエアロゲルないし、シリカキセロゲルを繊維に含浸させて断熱材として使用する方法がある。

この断熱材は、シリカエアロゲルないしシリカキセロゲルの優れた断熱性を利用し、優れた断熱性を示す。しかし、使用中にシリカ微粒子が断熱材から離脱してしまった場合、断熱性能が低下してしまうという問題がある。

このシリカエアロゲルの離脱問題を解決するために、先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

この特許文献１では以下の製造方法により、シリカキセロゲルとナノファイバーを含む繊維シートを作製する。ナノファイバーにより、繊維シートからのシリカ微粒子の離脱を防止している。この繊維シートの製造方法は、水ガラス中のナトリウムを除去し、ゲル化するｐＨに調整したシリカゾルをゲル化する前にナノファイバーを含む繊維シートに含浸させる。そして、シリカ細孔が溶媒乾燥時の毛管力に耐えうるように骨格強化のための養生を行う。その後、シリカキセロゲルの表面をシリル化剤とアルコール類の混合溶液を用いて疎水化させる疎水工程を行い、製品中に存在する溶媒を除去するという手順で繊維状断熱材を得ている。

特開２０１４−２３７９１０号公報

しかしながら、特許文献１の繊維シートで、より十分な断熱効果を得ようとすると、厚さ約１．５ｍｍ以上の断熱シートを製造する必要がある。この場合、断熱シート内部までシリル化剤とアルコール類との混合溶液が浸透せず、疎水化処理を行うことが困難であり、続く乾燥工程においても溶媒の除去に時間を要する。

よって、本願の課題は、厚い断熱シートの内部まで、疎水化と溶媒除去ができる方法、および、断熱材を提供することである。

本発明は上記課題を解決するために、酸性溶液に不可溶繊維と上記酸性溶液に可溶繊維とを含む不織布基材にシリカエアロゾルを含浸させる含浸工程と、上記シリカエアロゾルをゲル化させるゲル化工程と、上記ゲルを疎水化する疎水化工程と、上記ゲルを乾燥させる乾燥工程と、を備え、上記酸性溶液に可溶繊維が上記疎水化工程で溶解する断熱シートの製造方法を用いる。

また、繊維と、上記繊維に含まれるシリカエアロゲルと、繊維状の空洞と、を含む断熱シートを用いる。

上記構成により、疎水化工程の塩酸浸漬処理の際に生成した前記空洞を通して、断熱シート内部まで塩酸およびシリル化剤とアルコールの混合溶液の浸透と排出を行うことができる。続く乾燥工程においては、前記空洞を通して塩酸、シリル化剤、アルコールを断熱シート外部に逃すことができる。このため、厚さ１．５ｍｍ以上の不織布基材を用いても２４ｍＷ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率を有する断熱シートを製造することができる。

図１は、実施形態における断熱シートの製造方法を示す図である。 図２Ａは、本発明の一実施形態における断熱シートの原料の基材の斜視図である。 図２Ｂは、図２Ａの基材の部分拡大側面図である。 図２Ｃは、本発明の一実施形態における基材にシリカゾルを染み込ませた状態を示す側面図である。 図２Ｄは、本発明の一実施形態における断熱シートの斜視図である。 図３は、本発明の一実施形態における断熱シートの拡大側面図である。

以下、本発明の一実施の形態における断熱シートの製造方法について、図面を参照しながら説明する。

図１は、実施の形態の断熱シート２７を得るための工程図である。実施の形態の断熱シート２７を得るための概略は、以下である。図２Ａから図２Ｄは、工程を説明するための図である。図３は作製された断熱シート２７の拡大側面図である。図２Ａは基材２１の斜視図である。図２Ｂは、基材２１の拡大側面図である。図２Ｃは、基材２１にシリカゾル溶液２５を染み込ませた状態を示す側面図である。図２Ｄは、作製された断熱シート２７である。図３は、断熱シート２７の拡大側面図である。

＜概略＞
まず、下敷きＰＰフィルム２４（ポリプロピレンフィルム）をセットし、その上に図２Ａで示す基材２１を載せる。

次に、あらかじめ用意したシリカゾル溶液２５を基材２１上に注ぎ、基材２１へシリカゾル含浸させる。

含浸後、シリカゾルの乾燥防止のため、図２Ｃの乾燥防止用のＰＰフィルム２６を基材２１に被せる。これをしばらく放置し、シリカゾル溶液２５のゲル化が完了したのを確認した後、厚み調整を行う。厚み調整を行った後、ゲル骨格を強化するため養生を行う。養生後、疎水化（塩酸浸漬およびシリル化処理）、乾燥を行う。以上の工程を経て、断熱シート２７を得る。

以下、それぞれの工程について詳しく説明する。

＜基材セット＞
まず、下敷きＰＰフィルム２４を敷く。その上に、基材２１をセットする。図２Ａは、基材２１である。基材２１は、２種類の繊維を含有している。図２Ｂは、基材２１の拡大断面図である。

基材２１は、第１繊維２２と、第２繊維２３とを含む。

第１繊維２２は酸性溶液に不可溶繊維である。第１繊維２２は、有機物の繊維としてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を使用できる。この第１繊維２２は、以下で説明する疎水化工程で使用される酸に不可溶であれば、他の材質も使用できる。第１繊維２２に無機物の繊維を使用することも可能で、その場合は、グラスウールやロックウールなど酸に不可溶なものを使用することができる。第１繊維２２の直径は、Φ０．００１〜０．０２ｍｍである。

第２繊維２３は、酸性溶液に可溶繊維である。この繊維にはナイロン、レーヨン、キュプラ、アセテート、ビニロン、綿のうち、少なくとも１つ以上を選択することができる。いずれの繊維を選択する場合でも、以下で説明する疎水化（塩酸浸漬）時の酸によって溶解する必要がある。第２繊維２３として、０．０１〜０．２ｍｍ以下直径の繊維を使用するのが、溶けやすく好ましい。

直径が、０．０１ｍｍ未満の第２繊維２３では、以下で説明する疎水化工程において、第２繊維２３が酸に溶け、その繊維部分が空洞３０となっても、シリル化剤の浸透が促進されない場合がある。

また、直径０．２ｍｍを超える第２繊維２３では、以下で説明する疎水化工程において、所望のプロセス時間では、第２繊維２３が酸に溶け残り、その不溶部分が空洞３０内に残留する場合がある。

また、酸可溶の第２繊維２３の長さは、直径の２倍以上である繊維を使用するのが好ましい。これは、以下で説明する疎水化工程において、第２繊維２３が酸に溶け、その繊維部分が空洞３０となり、空洞３０を通して、塩酸およびシリル化剤とアルコールの混合溶液が浸透、排出ができるようにするためである。第２繊維２３の長さが長いと、空洞３０が長くでき、液の移動が可能となる。液の移動をより促進させるため、空洞３０が断熱シート２７の少なくとも２面に存在するように、第２繊維２３を配置することが好ましい。

ここで空洞３０は、第２繊維２３の形状と同等の空間である。結果、繊維状の空間である。上記の第２繊維２３と同様、空洞３０の直径は、０．２ｍｍ以下が好ましい。また、空洞３０の長さは直径の２倍以上が好ましい。

さらに、次の乾燥工程においては、空洞３０を通して酸、シリル化剤、アルコールを断熱シート外部に逃しやすい。

第１繊維２２に対する第２繊維２３の割合は、１〜１０重量％である。それ以上では空洞が多すぎて断熱特性がよくない。

空洞３０は、０．０２〜０．２ｖｏｌ％である。０．２ｖｏｌ％より空洞３０の体積を大きくすると、そこが熱パスになり、結果として熱伝導率の低下に繋がる。

＜シリカゾル調製＞
シリカゾルのシリカ材料として、高モル珪酸水溶液（東曹産業株式会社製、ＳｉＯ_２濃度１４％）使用する。これに触媒として濃塩酸を１．４％添加してシリカゾル溶液を調製する。

なお、シリカゾルのシリカ原料については、高モル珪酸水溶液に限定されるものではなく、アルコキシシランや水ガラスを使用してもよい。高モル珪酸水溶液とは、水ガラスよりもナトリウム成分が１％以下に低減されたシリカ原料である。ＳｉＯ_２濃度については、どの原料を用いた場合でも５％から１４％であれば、所望の熱伝導率を得ることができる。

また、触媒には様々な酸を使用することができるが、珪酸の加水分解反応の促進および得られるゲルの骨格強度、後に続く疎水化工程も考慮すると、塩酸を使用することが望ましく、濃度については１から１２Ｎが好ましく、より好ましくは６から１２Ｎである。

＜含浸＞
使用するシリカゾルの量は、基材２１の嵩密度から求めた理論空間体積以上とし、基材２１中の空隙がすべてシリカゾルで満たされるように含浸する。含浸が終了したら、シリカゾルに含まれる水分が容易に蒸発しないように、乾燥防止のＰＰフィルム２６を含浸済み基材２１の上から被せて、シリカゾルの乾燥を防止する。基材２１中の空隙は、後の工程を経てエアロゲルになる。そのエアロゲルの含有率は、基材２１の嵩密度にもよるが、２０〜８０重量％が好ましく、より好ましくは４０〜７０重量％である。含有率が４０重量％未満では、所望の断熱性が得られない場合がある。含有率が７０重量％を超えると、生産性や経済性を損なう場合がある。

＜ゲル化＞
含浸された基材２１を２０分放置し、ゲル化するのを待つ。ゲル化が確認できたら、プレスをして厚みを整える。厚みの整え方は、ロールプレスなどの方法を用いても良い。

＜養生＞
厚みを整えた基材２１を容器に入れ、温度８５℃、８５％設定の恒温恒湿槽に３時間保管し、シリカ二次粒子を成長させて、ゲル骨格の構造を強化する。保管温度は１００℃未満が好ましい。湿度については、基材に含まれるゲルから水分が容易に蒸発しないよう、８０％以上が好ましい。保管時間は０．５時間から６時間以内が好ましい。

＜疎水化（塩酸浸漬）＞
養生の処理が終了したら、恒温恒湿槽から基材２１を取り出し、図２ＣのＰＰフィルム２４、２６を剥がし、疎水化処理（塩酸浸漬）を行う。

ゲルを含浸した基材２１を１２Ｎの塩酸に１時間浸漬し、ゲルと塩酸を反応させる。この際、基材２１に含まれる酸可溶の第２繊維２３が塩酸により溶解し、これにより形成された空洞３０によって、厚みの厚い基材２１であっても基材２１の内部にまで塩酸が浸透する。

溶液の出入りを可能とするため、第２繊維２３は、直径１μｍ以上必要である。好ましくは、１０μｍ以上の直径がよい。さらに、５０μｍ以上が好ましい。空洞３０は、第２繊維２３が溶けたできた空間であり、繊維状である。

＜疎水化（シリル化剤処理）＞
前記の処理が終了したら、疎水化処理の第二段階として、シリル化剤とアルコールの混合溶液（オクタトリメチルトリシロキサンと２−プロパノール）に浸漬させた後、５５℃の恒温槽にて２時間保管する。

この際に塩酸処理中に形成された空洞３０を利用して、基材２１内部にもシリル化剤とアルコールの混合溶液が浸透する。反応が進行し、トリメチルシロキサン結合が形成し始めるとゲルを含有した基材２１から塩酸水が排出される。

しかし、この排出においても、空洞３０の作用により、図２Ａの基材２１の厚みが厚くなっても、基材２１の内部まで取り込まれた塩酸が基材２１の外部に排出される。

＜乾燥＞
前記疎水化処理の２つの処理が終了したら、１５０℃の恒温槽にて２時間の乾燥処理を行う。この際も基材２１中に形成された空洞３０の作用により、基材２１の厚みが厚くなっても、基材２１の内部まで確実に乾燥が完了する。

以上の操作により図２Ｄに示す、断熱シート２７を得ることができる。図３に断熱シート２７の拡大側面図を示す。断熱シート２７は、第１繊維２２とシリカエアロゲル３１と空洞３０とを含む。シリカゾルは、シリカエアロゲルとなっている。従来と比較して、１層の厚みが厚い断熱シート２７が作製される。

以下に本実施の形態を実施例に基づいて説明する。ただし、本実施の形態は以下実施例に限定されるものではない。すべての操作は、恒温槽などで加熱する以外は、大気下、２５℃中で行われた。

実施例では、基材２１の目付け（単位面積当たりの重量５５０〜５８０ｇ／ｍ^２）を一定とし、混入させる第２繊維２３の混入率を変化させて断熱シート２７を得た。

断熱シート２７の厚みは約４ｍｍとなるように作製した。なお、第２繊維２３の混入率はこの実施例に限定されるものではない。

＜評価＞
断熱シート２７の評価は、厚みと熱伝導率を測定した。

厚み測定はデジマチックインジケータ Ｈ０５３０（ミツトヨ製）を用い、測定圧力は７．４ｋＰａとし、各サンプルの面内について９点測定し、その平均を厚みとした。

熱伝導率測定は、熱流計ＨＦＭ ４３６Ｌａｍｄａ（ＮＥＴＺＳＣＨ製）を用いた。

実施の結果を表１に示す。熱伝導率は静止空気の熱伝導率２６ｍＷ／ｍ・Ｋから約１０％低い数値の２４ｍＷ／ｍ・Ｋ以下を合格とした。

＜実施例１＞
無機の第１繊維２２の不織布と、無機の第１繊維２２の重量の１．５％で直径０．１ｍｍ長さが直径の２倍以上のナイロンである第２繊維２３と、を含む基材２１を用意した。処理手順は本実施の形態どおり行った。完成した断熱シート２７の厚みは、４．１５ｍｍであった。また、熱伝導率は２１．７ｍＷ／ｍ・Ｋであり、所望の断熱シート２７を得ることができた。

＜実施例２＞
無機の第１繊維２２の不織布と、無機の第１繊維２２の６．４重量％で直径０．２ｍｍ長さが直径の２倍以上のナイロンの第２繊維２３と、を含有させた基材２１を用意した。処理手順は本実施の形態どおり行った。完成した断熱シート２７は、４．０９ｍｍであった。また、熱伝導率は２１．８ｍＷ／ｍ・Ｋであり、所望の断熱シート２７を得ることができた。

＜比較例１＞
無機の第１繊維２２のみで構成される不織布を使用し、処理手順は本実施の形態どおり行った。製品の完成厚みは、４．２３ｍｍであった。熱伝導率を測定しようとしたが、内部から塩酸およびシリル化剤の混合物と見られる液体が染み出しているのを確認したため、測定することができなかった。この条件では正常な断熱シートを得ることができなかった。

＜比較例２＞
無機の第１繊維２２の不織布と、無機の第１繊維２２の２５．６重量％で直径０．４ｍｍ長さが直径の２倍以上のナイロンの第２繊維２３と、を含有させた基材２１を用意した。処理手順は本実施の形態どおりに行なった。その結果、直径０．４ｍｍ以上の第２繊維２３を使用すると、疎水化（塩酸浸漬）時に可溶繊維である第２繊維２３の溶け残りが発生し、酸性溶液に溶かされて造られる空洞内に、第２繊維２３の溶け残りが残留した。

このまま、後のシリル化工程に進んでも、シリル化剤の浸透、および塩酸水の排出を阻害する要因となる。また、その後の乾燥工程において、残留繊維が消失し、不要な燃えカスや発煙の要因となる。この条件では、正常な断熱シートを得ることができなかった。

＜考察・まとめ＞
表１記載の疎水化（シリル化剤処理）での塩酸排出量（ｇ）を見ると、実施例１および２と比較例１とでは、塩酸排出量にそれぞれ１２ｇ、１１ｇの差が見られる。

これは、疎水化（塩酸浸漬）中に、酸可溶の第２繊維２３（本実施例では直径０．１ｍｍ、０．２ｍｍのナイロン繊維を使用）が浸漬時間の１時間以内に溶解し、溶解後に生成した空洞３０を利用して疎水化（シリル化剤処理）処理とそれによって発生する塩酸水の排出が行われたためである。

この効果により、実施例１および２については、比較例１のように完成後の断熱シートの内部から塩酸およびシリル化剤の混合物と見られる液体の染み出しが確認できなかった。また、所望の熱伝導率を有した断熱シート２７を得ることができた。少なくとも、厚さ１．５ｍｍ以上の断熱シートをこの方法で作成できた。

＜全体を通じて＞
酸として塩酸を使用したが、塩酸以外の酸でもよい。養生の工程を必須でなく、あればよりよい断熱シート２７を作製できる。

実施の形態の製法によりできる断熱シート２７は、積層体でなく、１層であり、厚さ１．５ｍｍ以上の断熱シートとなる。好ましくは、厚み２ｍｍ以上がよい、さらに、３ｍｍ以上が好ましい。

本発明の断熱シートの製造方法では、厚さ１．５ｍｍ以上の断熱性に優れた断熱シートを得ることができる。また、実施の形態の断熱シート２７は、各種電子機器、住宅、自動車等の車両等、各種断熱の用途に適用でき、産業上有用である。

２１ 基材
２２ 第１繊維
２３ 第２繊維
２４ ＰＰフィルム
２５ シリカゾル溶液
２６ ＰＰフィルム
２７ 断熱シート
３０ 空洞
３１ シリカエアロゲル

Claims (11)

1. 第１繊維と、
   前記第１繊維に含まれるシリカエアロゲルと、
   繊維状の空洞と、を含む断熱シート。
2. 前記断熱シートは、積層体でなく、１層であり、厚さ１．５ｍｍ以上である請求項１記載の断熱シート。
3. 前記繊維状の空洞は、直径０．２ｍｍ以下、長さが直径の２倍以上である請求項１記載の断熱シート。
4. 前記繊維状の空洞は、直径０．０１ｍｍ以上である請求項１に記載の断熱シート。
5. 前記繊維状の空洞は、前記断熱シートの少なくとも２面に存在する、請求項１に記載の断熱シート。
6. 前記繊維状の空洞の体積割合は、０．０２〜２ｖｏｌ％である、請求項１に記載の断熱シート。
7. 前記シリカエアロゲルの断熱シートに占める重量割合は、４０〜７０重量％である、請求項１に記載の断熱シート。
8. 酸性溶液に不可溶な第１繊維と前記酸性溶液に可溶な第２繊維とを含む不織布基材にシリカエアロゾル溶液を含浸させる含浸工程と、
   前記シリカエアロゾル溶液をゲル化させるゲル化工程と、
   前記ゲルを疎水化する疎水化工程と、
   前記ゲルを乾燥させる乾燥工程と、を備え、
   前記第２繊維が前記疎水化工程で溶解する断熱シートの製造方法。
9. 前記第２繊維は、ナイロン、レーヨン、キュプラ、アセテート、ビニロン、綿のうち、少なくとも１つ以上である請求項８に記載の断熱シートの製造方法。
10. 前記第２繊維は、直径０．２ｍｍ以下、長さが直径の２倍以上である請求項８に記載の断熱シートの製造方法。
11. 前記第２繊維は、直径０．０１ｍｍ以上である請求項８に記載の断熱シートの製造方法。

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