JP6795357B2 - 無機繊維質断熱材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、工業炉等の断熱に使用される無機繊維質からなる断熱材及びその製造方法に関するものである。

無機繊維質からなる断熱材は軽量で断熱性に優れていることから、各種工業炉に広く使用されている。しかし、無機繊維質からなる断熱材は発塵が多いことが問題になることがあり、電子部品等の精密部品の焼成を行う製造環境では特に清浄性が求められるため、上記無機繊維質断熱材を使用できないことがあった。また、工業炉では炉内温度が高められる傾向にあり、より高温での発塵防止とより高い耐熱性が求められている。

断熱材の発塵を防止するため、従来、断熱材の表面に塗布層を形成することが一般的に行われてきた。例えば特許文献１には、断熱材の表面にシリカゾルを塗布して表面を硬化させることで発塵を防止する技術が開示されている。また、特許文献２には鱗片状シリカゾルと無機繊維とを混合したコ―テイング液を断熱材に塗布することで発塵を防止すると共に耐熱衝撃性を向上させる技術が開示されている。更に特許文献３には、耐食性の高いムライト結晶を生成させるべく、重量比が調整されたアルミナゾルとシリカゾルとの混合液を断熱材に塗布することで、発塵を防止すると共に耐食性を向上させる技術が開示されている。

実開昭６１-１２５１３７公報 特開２００５-２８１４００号公報 特開平１１−２１１３５７号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２において使用する塗布液はシリカを主成分とするので、耐熱温度を高めるのが困難であった。耐熱温度を高めるため、シリカゾルよりも耐熱性が高いアルミナゾルを用いることが考えられるが、アルミナゾルを塗布すると発現する強度が小さくなる上、期待するほど高い耐熱温度が得られないことがあった。

また、特許文献３は酸性ゾルであるアルミナゾルと、アルカリ性のシリカゾルとを混合して用いるためゲル化してしまい、良好に塗布できないことがあった。この場合、シリカゾルに酸性シリカゾルを選定することでゲル化を回避することが考えられるが、酸性シリカゾルはアルカリ性シリカゾルよりも強度の発現が小さいので剥がれやすく、発塵防止の効果が得られないことがあった。本発明は、上記した従来の事情に鑑みてなされたものであり、発塵しにくく且つ耐熱性に優れた軽量の無機繊維質断熱材を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明者らは無機繊維質断熱材からの発塵を抑える技術について鋭意検討を重ねた結果、アルミナゾルとシリカゾルとを混合液の状態で塗布又は含浸するのではなく、これらゾルを別々に塗布又は含浸することで断熱母材の表面部に良好に塗布又は含浸させ得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の断熱材の製造方法は、無機繊維質の断熱母材の表面にその１ｍ^２当たり固形分換算で合計５０〜３００ｇのアルミナゾル及びシリカゾルを別々に塗布又は含浸してから乾燥する処理を行った後、全体的に焼成することを特徴としている。

また、本発明の断熱材は、無機繊維質の断熱母材の表面部にその１ｍ^２当たり合計５０〜３００ｇのアルミナ層及びシリカ層が各々少なくとも１層ずつ形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、発塵しにくく且つ耐熱性に優れた軽量の無機繊維質断熱材を提供することができる。

以下、本発明の一具体例の無機繊維質断熱材の製造方法について説明する。この本発明の一具体例の無機繊維質断熱材の製造方法は、無機繊維質の断熱母材の表面にアルミナゾル及びシリカゾルを別々に塗布又は含浸してから乾燥する処理を行った後、全体的に焼成することを特徴としている。上記のアルミナゾルを塗布又は含浸してから乾燥する処理と、シリカゾルを塗布又は含浸してから乾燥する処理とは、各々１回ずつでもよいし、各々複数回の処理を交互に行ってもよい。

上記の断熱母材に使用する無機繊維質には、シリカ−アルミナ繊維、アルミナ繊維、ムライト繊維等の無機繊維で構成されたものを用いるのが好ましく、かさ密度が６４〜１２００ｋｇ／ｍ^３であることが好ましい。これにより、軽量で且つ１０００〜１３００℃程度の耐熱性を有する断熱材が得られる。断熱母材の形状には特に限定がなく、ブロック状、ボード状等を用いることができる。

この無機繊維質の断熱母材において、施工後に少なくとも炉内を臨む面に全面に亘って上記２種類のゾルを塗布又は含浸する処理を行う。この場合の塗布法又は含浸法には特に限定がなく、刷毛を用いた塗布法、浸漬法、スプレー噴霧法等を挙げることができる。上記のようにアルミナゾルとシリカゾルとを別々に塗布又は含浸してから乾燥する処理を行うことにより、これらゾルの塗布や含浸の段階ではアルミナゾルとシリカゾルが液体の状態で混ざらないのでゲル化が起こらず、よって極めて良好に塗布又は含浸させることができる。その結果、これらゾルに含まれる固形分を断熱母材の表面部に強固に定着させることができ、断熱材からの発塵を防止することができる。また、Ｎａ^＋によって高い強度を発現するアルカリ性シリカゾルを、耐熱性に優れた酸性アルミナゾルと共に使用することができる。

断熱母材の表面部に塗布又は含浸させるアルミナゾルとシリカゾルの割合は、ムライト組成になるように、アルミナ／シリカの質量比で６５／３５より多く８０／２０以下にすることが好ましく、７０／３０以上７４／２６以下がより好ましい。この質量比を６５／３５より多く８０／２０以下にすることにより、焼成時の加熱によりアルミナ層とシリカ層との界面部においてムライト結晶が生成し、加熱線収縮率がより抑制されるので耐熱温度が向上する。この重量比が６５／３５以下ではムライト結晶が十分に生成されなくなり、耐熱温度が向上しなくなるおそれがある。逆にこの重量比が８０／２０を超えると、シリカの量が少なくなり過ぎて十分な強度が発現されなくなるおそれがある。

上記のシリカゾルには、コロイダルシリカ、水溶性シリコーン等を用いることができ、これらの中では粒径５〜１００ｎｍ程度の非晶質のシリカ粒子が水や有機溶媒中に安定して分散したコロイダルシリカが好ましい。このコロイダルシリカは酸性ゾルでもよいし、アルカリ性ゾルでもよい。一方、上記のアルミナゾルにはコロイダルアルミナを用いるのが好ましい。尚、アルミナゾルは一般的に酸性ゾルである。

本発明の一具体例の断熱材の製造方法では、上記の２種類のゾルを断熱母材の表面にその１ｍ^２当たり固形分換算で合計５０〜３００ｇ塗布又は含浸させる。この量が５０ｇ／ｍ^２未満では発塵抑制効果はある程度得られるものの、耐熱性向上効果が得られにくくなる。逆にこの量が３００ｇ／ｍ^２を超えると断熱母材が変形を生じるおそれがあるので好ましくない。

これら２種類のゾルを塗布又は含浸させる順番は、アルミナゾルとシリカゾルのどちらを先にしても良いが、粒子径の大きい方のゾルを最初に塗布又は含浸させるのが好ましい。この順序で２種類のゾルを塗布又は含浸させることで、これらゾルに含まれる粒子を断熱母材の繊維に担持させやすくなる。

ゾルの塗布又は含浸後は、もう一方の種類のゾルを塗布又は含浸させる前に乾燥して水分の除去を行う。乾燥法には特に限定がなく、加熱乾燥や風を当てることによる乾燥でもよいし、凍結乾燥でもよい。このように、各ゾルを個別に乾燥することにより、アルミナとシリカの微細な粒子は、各々良好に断熱材の表面部内で拡散し、繊維表面及び間隙に定着してアルミナ層とシリカ層とからなる積層膜が形成される。

次に、この表面部に上記積層膜が形成された断熱母材を全体的に焼成することによって、無機繊維質の断熱母材の表面部にその１ｍ^２当たり合計５０〜３００ｇのアルミナ層及びシリカ層が各々少なくとも１層ずつ形成された断熱材を作製することができる。焼成温度は１１００℃以上にするのが好ましく、これによりアルミナ結晶とシリカ結晶が生成されると共にアルミナ層とシリカ層の境界部ではムライト結晶が生成されるので、加熱線収縮率がより一層抑制され、耐熱性に優れた断熱材を作製することができる。

上記の本発明の一具体例で作製される断熱材は、表面にアルミナ層及びシリカ層のない断熱材に比べて耐熱温度が２０℃以上高く、且つ硬度も高い。この場合の断熱材の耐熱温度はＪＩＳ Ｒ３３１１に準拠した加熱線収縮率に基づいて求めることができ、硬度は高分子計器株式会社製のアスカーゴム硬度計Ｃ型によって測定することができる。また、上記の本発明の一具体例で作製される断熱材は、アルミナ層とシリカ層とそれらの間に形成されるムライト層とからなる積層膜が断熱母材から剥離しにくく、これらアルミナ層、シリカ層、及びムライト層の層間の剥離も生じにくい。具体的には、工業炉の内張りとして１年間使用した後の定期修理において自然空冷後に目視にて観察しても上記の剥離が認められることはない。

１２６０℃クラスのシリカーアルミナ系繊維断熱ボード（イソライト工業株式会社製 イソウール１２６０ボード かさ密度２５０ｋｇ／ｍ^３）の全面に、日産化学工業株式会社製のコロイダルシリカ（スノーテックス ＳＴ−４０ 粒子径２０〜２５ｎｍ）を水で希釈することで調製したシリカゾルをスプレー噴霧により塗布して含浸させた。含浸後はボードを雰囲気温度１０５℃の乾燥機内で２４時間かけて乾燥した。

次に、日産化学工業株式会社製のアルミナゾル（ＡＳ−２００ 粒子径７〜１５ｎｍ）を、既に含浸させたシリカゾルに対してアルミナ／シリカの質量比で７２／２８のアルミナを含むように量り取り、これを水で希釈した後、その全量をスプレー噴霧により含浸させた。含浸後はボードを上記と同様に雰囲気温度１０５℃で２４時間かけて乾燥した。次に焼成温度７２５℃で焼成し、ボードに含まれていた有機バインダーを除去して無機バインダーの強度を発現させた。このようにして試料１の無機繊維質断熱材を作製した。

更に、上記のアルミナ／シリカの質量比は変えずにアルミナゾルとシリカゾルの合計含浸量を約１７％程度減らしたことを除いて上記試料１と同様にして試料２の無機繊維質断熱材を作製した。また、上記のアルミナ／シリカの質量比は変えずにアルミナゾルとシリカゾルの合計含浸量を約５倍程度増やしたことを除いて上記試料１と同様にして試料３の無機繊維質断熱材を作製した。

比較のため、アルミナゾルとシリカゾルのスプレー噴霧を行わなかった以外は上記試料１と同様にして試料４の無機繊維質断熱材を作製した。また、シリカゾルのみを用いて同じ含浸量となるように含浸した以外は上記試料１と同様にして試料５の無機繊維質断熱材を作製し、アルミナゾルのみを用いて同じ含浸量となるように含浸した以外は上記試料１と同様にして試料６の無機繊維質断熱材を作製した。更に、上記アルミナ／シリカの質量比は変えずにアルミナゾルとシリカゾルの合計含浸量を約３３％程度減らしたことを除いて上記試料１と同様にして試料７の無機繊維質断熱材を作製し、上記アルミナ／シリカの質量比は変えずにアルミナゾルとシリカゾルの合計含浸量を約５.７倍程度増やしたことを除いて上記試料１と同様にして試料８の無機繊維質断熱材を作製した。

上記の試料１〜８の無機繊維質断熱材を各々３個ずつ作製し、各試料ごとに３個の断熱材をそれぞれ１１００℃、１２００℃、及び１３００℃の温度で８時間焼成し、加熱前後の寸法差から各加熱温度における加熱線収縮率を測定した（ＪＩＳ Ｒ３３１１）。そして、得られた加熱温度と加熱線収縮率との相関関係から加熱線収縮率３.０％となる時の加熱温度を求め、これを耐熱温度とした。

次に、試料１〜８の無機繊維質断熱材の各々の表面にセロハンテープを貼り付けてから剥がし、貼り付け前後のセロハンテープの質量の差をその面積で除して単位面積当たりの塵の付着量を算出した。そして、試料４の付着量を基準値１.００として、それとの相対比で発塵の度合いとした。上記の耐熱温度と発塵の度合いの結果を、ゾルの合計塗布量と共に下記表１に示す。尚、ゾルの合計含浸量は、各ゾルの塗布前後に測定した断熱材の質量の差から各ゾルの含浸量を求め、それぞれ固形分に換算して合計した後、断熱材の表面積で除して算出した。

上記表１の結果から、本発明の要件を満たす試料１〜３の断熱材では耐熱温度及び発塵の度合いとも良好な結果が得られていることが分る。これに対して、試料４の従来品のシリカ−アルミナ系繊維断熱ボードでは、加熱線収縮率３.０％となる耐熱温度が１２６０℃と試料１〜３のいずれのものよりも低く、発塵の度合いも高かった。また、シリカゾルのみを含浸した試料５では発塵の度合いは低いものの耐熱温度が１１００℃と低く、アルミナゾルのみを含浸した試料６では発塵の度合いが高く、耐熱温度も１２６０℃と低くなった。また、試料７では本発明の要件よりもゾルの含浸量が少なかったため、発塵の度合いは低いものの耐熱温度が１２６０℃と低くなり、試料８では本発明の要件よりもゾルの含浸量が多すぎたため降温時に破損した。

Claims (5)

1. 無機繊維質の断熱母材の表面にその１ｍ^２当たり固形分換算で合計５０〜３００ｇのアルミナゾル及びシリカゾルを別々に塗布又は含浸してから乾燥する処理を行った後、全体的に焼成することを特徴とする断熱材の製造方法。
2. 前記アルミナゾルを塗布又は含浸してから乾燥する処理と、前記シリカゾルを塗布又は含浸してから乾燥する処理とが交互に複数回に亘って行われることを特徴とする、請求項１に記載の断熱材の製造方法。
3. 前記アルミナゾル及びシリカゾルを、アルミナ／シリカの質量比で６５／３５より多く８０／２０以下の範囲内となるように塗布又は含浸することを特徴とする、請求項１又は２に記載の断熱材の製造方法。
4. 無機繊維質の断熱母材の表面部にその１ｍ^２当たり合計５０〜３００ｇのアルミナ層及びシリカ層が各々少なくとも１層ずつ形成されていることを特徴とする断熱材。
5. 表面にアルミナ層及びシリカ層のない断熱材に比べて耐熱温度が２０℃以上高く、且つ硬度が高いことを特徴とする、請求項４に記載の断熱材。