JP6920579B2 - 断熱部材とその断熱部材を使用した断熱構造体 - Google Patents

Description

本発明は、断熱部材とその断熱部材を使用した断熱構造体およびその断熱部材の製造方法に関する。

優れた断熱材として、エアロゲルを使用した断熱シートがある（特許文献１）。この断熱材は、繊維シート中にエアロゲルを入れ込んだものである。

特開２０１６−２８８８０号公報

しかしながら、この断熱シート１００を熱源１１０の周囲に配置すると、図１となる。図１は、従来の断熱シート１００を用いた断熱構造体１１２の断面図である。図１から分かるように、断熱シート１００は、シート状であるため、直方体形状の熱源１１０のコーナ部分で、断熱シート１００と熱源１１０との間に隙間１０２があった。この隙間１０２により熱の出入りが生じ、断熱性能が悪かった。

よって、本発明の課題は、熱源に沿う断熱部材、および、その断熱部材を使用した断熱構造体、および、その断熱部材の製造方法を提供することである。

請求項にあわせます。

上記目的を達成するために、繊維とエアロゲルとを含み、複数の大きさの断熱体と、上記複数の断熱体を封止する被覆シートと、を含む断熱部材を用いる。

また、繊維とエアロゲルとを含む繊維シートを小片化する工程と、上記小片化された繊維シートである複数の断熱体を被覆シートで包む工程と、を含む、断熱部材の製造方法を用いる。

本発明によれば、断熱材が立体形状体に沿い、熱が逃げる隙間ない。結果、この断熱材を使用した構造体は、高い断熱性能がある。

特許文献１の断熱材を使用した断熱シートの断面図 （ａ）〜（ｃ）実施の形態１の断熱部材の製造工程を説明する断面図、（ｄ）実施の形態１の断熱構造体の断面図 （ａ）〜（ｂ）実施の形態１の断熱構造体のコーナ部の拡大断面図 実施の形態２の断熱部材の断面図 実施の形態３の断熱部材の断面図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図２（ａ）〜図２（ｄ）を用いて、実施の形態１の断熱構造体１２を説明する。
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、実施の形態１の断熱部材１０ａの製法を説明する。図２（ｄ）は、断熱部材１０ａを熱源１１０に用いた断熱構造体１２である。

図２（ａ）は、エアロゲルを含む繊維シート２６の断面図である。エアロゲルがゲル状態の時に、そのゲルを繊維シート２６に塗布したものである。塗布後、ゲル化、養生、疎水化、乾燥させたものである。詳細は以下で説明する。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の繊維シート２６を、小さく砕いた断熱体２２を示す。断熱体２２の寸法は、一例として、厚み０．１ｍｍ〜２ｍｍ、５ｍｍ〜２０ｍｍである。寸法は統一されたものでなく、分布を有するものが好ましい。

図２（ｃ）は、実施の形態１の断熱部材１０ａである。断熱部材１０ａが、断熱体２２を、被覆シート２１で包んだ断熱部材１０ａである。被覆シート２１は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）など柔軟なシートである。被覆シート２１の厚みは、０．０５ｍｍ〜０．２０ｍｍが好ましい。

被覆シート２１の材質は、使用される温度領域に依存する。８０℃までならＰＥＴ、２００℃までなら、ポリイミドシート、それ以上なら、フッ素樹脂シート、ガラスクロスなど使用できる。

断熱体２２はシート状で、断熱部材１０ａ内で少なくとも３層以上の層構造を有する。断熱部材１０ａのシート面を見た場合に断熱体２２が存在しない空間があると、熱がそこから逃げる。

図２（ｄ）は、実施の形態１の断熱構造体１１２を示す。断熱構造体１１２は、断熱部材１０で熱源１１０を包んだものである。熱源１１０のコーナ部３０も断熱部材１０ａで密着し覆われる。隙間１０２（図１）がないため、熱が逃げることがない。断熱部材１０の内部では、複数の断熱体２２が移動し、コーナ部３０でも曲がりやすい。

図３（ａ）に断熱構造体１２のコーナ部３０の拡大断面図を示す。コーナ部３０で、断熱体２２が熱源１１０の外面のそれぞれに平行に並ぶ。このことで、熱源１１０に密着できる。

なお、図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）でさらにガイド部３５を設けるとよい。ガイド部３５は、断熱部材１０ａをさらに、熱源１１１へ押しこむものである。断熱部材１０ａは、熱源１１１へ押し込まれ圧縮され、熱源１１１に密着する。断熱性能が向上する。

＜繊維シート２６の製造工程＞
（１）原料
シリカエアロゲルを製造する際の出発原料として、水ガラス（珪酸ソーダ水溶液）を用い、調製は水ガラスの珪酸濃度、また、ゲル化時に使用する酸の種類と濃度、ゲル化条件（温度、時間、ｐＨ）を調整することで制御できる。

この水ガラスの珪酸濃度については、シリカ重量がゾル総重量に対して５〜２０重量％になるように調製すればよく、１０〜２０重量％であると好ましく、１５〜２０重量％であるとより好ましい。珪酸濃度が、６重量％以下であると、珪酸濃度が薄いため湿潤ゲル骨格の強度が不十分になる場合がある。また、珪酸濃度が２０重量％を越えると、ゾル溶液のゲル化時間が急激に早くなり制御できなくなる場合がある。

＜酸＞
酸については、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸、酢酸、クエン酸などを使用することができる。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好まし。塩酸の濃度については、１Ｎ〜１２Ｎが好ましく、より好ましくは６Ｎ〜１２Ｎである。塩酸濃度が低過ぎると、所望のｐＨに調整する際、より大量の希塩酸を添加する必要があるため、珪酸濃度が減少し、シリカネットワークの構築が効果的に進行しない場合がある。

より工業的には、シリカゾル溶液のポットライフの観点から、所望のゲル化反応を起こすためには以下の方法が良い。必要な酸の２倍量を仕込んだシリカゾル溶液Ａと、酸を含まないシリカゾル溶液Ｂを調整する。これらのシリカゾル溶液をそれぞれ別系統で搬送し、塗布先の型や基材の直上で、これらのシリカゾル溶液を混合させ、型や基材に塗布する方法が好ましい。

（２）注液〜ゲル化
工程（１）のゾルを繊維シート２６に注液し、ゲル化させる。上記シリカゾル溶液Ａと上記シリカゾル溶液Ｂを予め混合させ、繊維シート２６へ注液し、十分にゲル化が完了する間、保持する。ゲル化を促進させるために、繊維シートの温度を３０〜７０℃で加熱する。３０℃未満ではゲル化が促進され難く、生産性を損なう場合がある。７０℃を超えるとシリカゾル溶液中の水分が揮発し、ゲル化反応の途中で揮発水分が分離して、所望のシリカエアロゲルが得られない場合がある。

＜繊維シート２６の繊維径＞
線径について、１μｍ以下になると繊維自体の調達が難しくなり、経済性および生産性が損なわれる場合がある。

線径が３μｍを超えると、断熱材としての性能を低下させる場合がある。太過ぎる線径の繊維では、この繊維自体が熱パスとなり適さない。本実施の形態１で用いる繊維は、断熱材用途であるため細めの線径が好ましい。また、本実施の形態１では１種類の繊維について記述しているが、これに限定されるものではなく、複数種の繊維を混合させても良い。

＜繊維シート２６の繊維の材質＞
繊維の材質については、ガラス繊維を用いているが、これに限定されるものではなく、他に、ポリマー系繊維、炭素繊維、セラミック繊維、金属繊維、植物由来繊維、鉱物由来繊維などを用いても良い。

（３）養生
（２）の後の繊維シート２６を、乾燥時にかかる毛管力に耐えうるだけの強度にするために、シリカ粒子の重縮合、および、二次粒子の成長を促す必要がある。ゲル化後、成形体の水分が揮発しない０〜１００℃で、好ましくは６０〜９０℃、で加熱養生し、シリカ粒子の重縮合と二次粒子の成長を促進させる。養生温度が６０℃未満であると珪酸に必要な熱が伝わらず、シリカ粒子の成長が促進されず、養生が十分に進行するまでに時間を要する上に、ゲル強度が低く、乾燥時に大きく収縮する場合があり、所望のシリカエアロゲルが得られない場合がある。また、養生温度が９０℃を超え１００℃に近づくほど、成形体の水分が揮発してゲルと分離する現象がみられ、これにより得られるゲルの体積が減少して、所望のシリカエアロゲルが得られない場合がある。

また、養生中に成形体の水分が容易に揮発しないよう、養生中の湿度を７０％以上にすることが好ましい。

養生時間は養生する温度や成形体の厚みにもよるが、３分〜２４時間が好ましい。養生時間が３分未満であると、ゲル壁の強度向上が不十分な場合がある。養生時間が２４時間を超えると、ゲル壁の強度の向上における養生の効果が乏しくなり、逆に生産性を損なう場合がある。

（４）疎水化（塩酸浸漬）
疎水化工程は、親水性のヒドロゲルを疎水化剤と反応させて、疎水性のゲルとする工程である。この疎水化工程は主に２つのステップに分かれている。

まず、第１のステップは、養生後のヒドロゲルの細孔に塩酸を取り込むための工程である。ヒドロゲルの細孔全体に塩酸が取り込まれないと、後の第２ステップにおいて、所望の反応が発生せず、疎水化処理が完了しないため、一部親水性のエアロゲルとなる。エアロゲルの表面から内部まで疎水化が完了しないと、所望の断熱性能が得られない。

用いる塩酸の塩酸濃度は３〜１２Ｎが好ましい。３Ｎ未満の塩酸濃度の場合、塩酸濃度が低いため、シロキサンの反応生成物である活性種の濃度が低く、第２ステップ（５）疎水化（シリル化工程）が十分に進行しない場合がある。１２Ｎより高い濃度の塩酸は、工業的に生産されておらず、入手困難である。

また、塩酸の量は、ヒドロゲルが十分に浸漬する量であれば特に制限はないが、ヒドロゲルの重量の２〜１００倍が好ましい。塩酸の使用量がヒドロゲルの２倍未満の場合、塩酸濃度が低いため、シロキサンの反応生成物である活性種の濃度が低く、第２ステップ（５）疎水化（シリル化工程）が十分に進行しない場合がある。また、塩酸の使用量が１００倍より多い場合、塩酸を過剰量使用するため、生産性を損なう場合がある。

塩酸の浸漬条件としては、液温０〜５０℃、浸漬時間３０秒〜７２時間が好ましい。塩酸が０℃未満、かつ浸漬時間３０秒未満の場合、ヒドロゲルの細孔に塩酸が十分浸透しない場合がある。塩酸が５０℃より高く、かつ浸漬時間が７２時間より長い場合、生産性を損なう場合がある。

（５）疎水化（シリル化処理）
疎水化の第２ステップ（シリル化処理）は、ヒドロゲルの細孔に浸透させた塩酸と疎水化剤の反応により生成した活性種とシリカ表面のシラノールを反応させる工程である。上記塩酸と上記疎水化剤の反応が完了していないと、疎水化処理が完了しないため、一部親水性のエアロゲルとなる。エアロゲルの表面から内部まで疎水化が完了しないと、所望の断熱性能が得られない。

本実施の形態１の疎水化剤は、鎖状シロキサン、または環状シロキサンである。上記疎水化剤を少なくとも１種の疎水化剤として用いており、アルコールと上記疎水化剤との混合溶媒中において、疎水化反応を行なう。

上記鎖状シロキサンとしては、オクタメチルトリシロキサン、デカメチルテトラシロキサン、ドデカメチルペンタシロキサンなどが用いられる。上記鎖状シロキサンと塩酸とを反応させることで、トリアルキルクロロシランとジアルキルジクロロシランが生成し、同時に水が副生する。

上記環状シロキサンとしては、ヘキサメチルシクロトリシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン、デカメチルシクロペンタシロキサンなどが用いられる。上記環状シロキサンと塩酸を反応させることで、ジアルキルジクロロシランとジアルキルジクロロシランが生成し、同時に水が副生する。

疎水化剤である鎖状シロキサン、あるいは環状シロキサンの仕込み量は、ヒドロゲルの細孔容積に対して、１００〜８００％が好ましく、１００〜３００％がより好ましい。疎水化剤がヒドロゲルの細孔容積に対して、１００％未満の場合、ヒドロゲル表面および内部に存在するシラノール（Ｓｉ−ＯＨ）が未反応のまま残ってしまう場合がある。この場合、乾燥時に溶媒の毛管力によりシラノールが物理的に接触することで、脱水縮合反応が起こり、ゲルの収縮・高密度化につながってしまう場合がある。疎水化剤がヒドロゲルの細孔容積に対して、８００％より多い場合、シラノールと反応すべき必要最低限の疎水化剤量よりも過剰になっている場合があり、経済性および、生産性を損なってしまう。

疎水化反応は必要であれば溶媒中で行い、一般に２０〜１００℃、好ましくは４０〜８０℃において実施される。反応温度が２０℃未満の場合、疎水化剤の拡散が十分でなく、疎水化が十分に行なわれない場合がある。反応温度が１００℃を超えると、疎水化剤が揮発しやすく、反応に必要なシリル化剤がヒドロゲルの外部、および内部に供給されない場合がある。同時に、疎水化反応の進行に伴い、排出する酸水溶液が沸騰してしまい、安全性に問題が生じる。反応温度が４０〜８０℃であれば、疎水化剤は速やかに拡散するため、十分に反応が行なわれ、疎水化反応の進行に伴い、排出する酸水溶液を沸騰させずに安全に作業することができる。

使用する溶媒は、メタノール、エタノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノールなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン類、ペンタン、ヘキサン、ヘプタンなどの直鎖脂肪族炭化水素類が好ましい。

ヒドロゲルは固体で親水性であるのに対し、疎水化剤は液体で疎水性であるため、両者は容易に混ざり合わない上に、固液不均一系反応であることから、反応活性種を効率よくヒドロゲルと反応させるために、両親媒性の溶媒であるアルコール類、もしくはケトン類を用いるのが好ましく、アルコール類がより好ましい。

シリル化処理の浸漬時間としては、３分〜７２時間が好ましい。反応の終点を確認するには、疎水化反応の進行に伴いヒドロゲルから排出される酸水溶液の量が、一定量で止まることで判断できる。浸漬時間３分未満の場合、反応に必要なシリル化剤がヒドロゲルの外部、および内部に供給されない場合があり、反応不十分となる場合がある。浸漬時間が７２時間より長い場合、生産性を損なう場合がある。

（６）乾燥
乾燥工程は、前工程で得られた疎水化ゲル中の液体溶媒を揮発させる工程である。乾燥手法は公知の乾燥方法であれば、超臨界乾燥法、および非超臨界乾燥法（常圧乾燥法、凍結乾燥法）のどちらでも良く、特に制限はない。非超臨界乾燥法として常圧乾燥を用いることが、量産性、安全性、経済性の観点から好ましい。ゲルが耐え得る乾燥温度であれば、乾燥時間に制限はないが、急激な加熱では、ヒドロゲル中の溶媒が突沸して、シリカエアロゲル中に大きな亀裂が生じる場合がある。シリカエアロゲルに亀裂が生じると、亀裂の大きさによるが、空気の対流による伝熱を生じさせ、断熱性を損なわせたり、粉状となり取扱性が著しく損なわれたりする場合がある。

乾燥工程は、例えば常圧以下においては、乾燥温度０〜４００℃で０．５〜５時間乾燥することが好ましい。乾燥温度が０℃以下だと、著しく乾燥時間が長くなり、生産性を損なう場合がある。また、乾燥温度が４００℃を超えると、疎水化条件にもよるが、疎水性エアロゲルのジアルキルジシロキサン結合、あるいは架橋型ジシロキサン結合が熱分解により遊離し、得られるゲルは疎水性を消失したヒドロゲルになってしまう場合がある。なお、疎水性エアロゲルをポリマー系の繊維、不織布などの基材に複合化させて製造する場合は、基材の融点以下である２００℃以下で乾燥させるのが好ましい。

＜砕く工程＞
上記でできた繊維シート２６を小片の断熱体２２に砕く。図２（ａ）から図２（ｂ）へ変化する。繊維シート２６をミキサーに入れて砕くことができる。または、弾性体上に繊維シート２６を置き、上部から刃で押すことで、小片の断熱体２２に分けてもよい。

＜被覆工程＞
上記複数の断熱体２２を被覆シート２１で包む。図２（ｂ）から図２（ｃ）へ変化する。１枚の被覆シート２１上に複数の断熱体２２を置き、上部から別の被覆シート２１を被せ、周囲を溶着する。周囲をテープ、接着剤などで封止してもよい。

さらに、周囲だけでなく、内部にポイント的、または、ドット状に、上下の被覆シート２１を溶着してもよい。
（実施の形態２）：弾性体
図４は、実施の形態２の断熱部材１０ｂである。記載しない事項は実施の形態１と同様である。

断熱部材１０ｂでは、断熱体２２が弾性体４０に埋め込まれている。

実施の形態１では、断熱体２２を被覆シート２１で覆ったが、実施の形態２では、断熱体２２を弾性体４０に入れ込んだ。

例えば、成分酢酸型液状シリコーンゴムのトルエン溶液に、断熱体２２を入れる。その後、空気中で硬化させる。耐熱性、耐寒性、耐候性、接着性、電気絶縁性などに優れたゴム状弾性体になる。
弾性体４０の種類は、主に、使用する熱源１１０の温度に依存です。
９０℃までなら、天然ゴム、１２０℃までなら、クロロプレンアクリロゴム、ニトリルブタジエンゴムでもよい。２００〜３００℃の場合、シリコンゴム、フッ素ゴムを使用する。
（実施の形態３）：導電シート
図５は、実施の形態３の断熱部材１０ｃである。記載しない事項は実施の形態１と同様である。

断熱部材１０ｃでは、断熱体２２と導電体５０とが被覆シート２１で覆われている。

実施の形態１では、断熱体２２のみであったが、実施の形態３では、さらに、導電体５０を入れ込んだ。

導電体５０としては、例えば、グラファイトシートを用いることができる。特に、ポリイミドフィルムを焼成することでできたグラファイトシートを用いることが好ましい。

導電体５０を断熱部材１０ｃへ入れ込むことで、均熱化ができる。結果、断熱体２２に断熱をするので、均熱化と断熱化ができる。特に、熱源１１０が部分的に熱が高くする場合、その部分の熱を均熱化しつつ、断熱化できる。単に、断熱化だけでなく、均熱化もすることでより効率的に断熱化できる。
（全体として）
各実施の形態は組み合わせすることができる。

断熱体２２として、繊維にエアロゲルを入れ込んだものを用いたので、エアロゲルが単独の場合と異なり、断熱領域が保持でき、強度も保てる。

本発明の断熱材は、３次元形状が形成可能で、様々な形状に対する断熱性能を向上させることができ、その結果、各種電子機器、住宅、自動車などの車両等の、各種断熱の用途に適用でき、産業上有用である。

１０ 断熱部材
１０ａ 断熱部材
１０ｂ 断熱部材
１０ｃ 断熱部材
１２ 断熱構造体
２１ 被覆シート
２２ 断熱体
２６ 繊維シート
３０ コーナ部
４０ 弾性体
５０ 導電体
１００ 断熱シート
１０２ 隙間
１１０ 熱源
１１１ 熱源
１１２ 断熱構造体

Claims (3)

1. 繊維とエアロゲルとを含む複数の大きさの断熱体を含む弾性体を有する断熱部材。
2. 繊維とエアロゲルとを含む複数の大きさの断熱体を封止する被覆シートを有する断熱部材と、
   前記断熱部材が配置された熱源と、を有し、
   前記複数の断熱体は、曲げられず、前記熱源の複数の外面のそれぞれに平行に配置され、前記熱源のコーナ部に密着し、前記コーナ部を覆う断熱構造体。
3. 前記断熱部材を前記熱源へ押し付けるガイド部を有する請求項２記載の断熱構造体。

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