JP6967698B2 - 断熱体と断熱材の皮膜形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、断熱材と断熱材の皮膜形成方法に関する。特に、筐体内において発熱を伴う部品（以下、発熱部品と称す）からの熱を断熱させる断熱材と断熱材の皮膜形成方法に関する。

近年、自動車活用と環境保護の両立に向け、自動車の環境対応化への要求が増している。
その要求への１つのアプローチとして、エンジンの熱マネジメントが検討されている。例えば、暖機完了後や冬季コールドスタート時のエンジンの保温による油温低下抑制に伴う実質燃費向上が検討されている。

エンジンの保温を実現する手段として、断熱材の適用が考えられるが、断熱材にはエンジンの筐体形状に追従する屈曲性とエンジンルームの環境に耐え得る耐熱性が必要となる。
従来の断熱材としては、三次元網目状のシリコーン骨格を有する多孔質を高分子被覆物により被覆しているものがある（例えば、特許文献１参照）。

図３は、特許文献１に記載された従来の断熱材の断面を示す図である。図３において、多孔質体３０１はその表裏面を高分子被覆物３０２で被覆されている。特許文献１では多孔質体３０１は気孔を有する三次元網目状のシリコーン骨格を有している。

また、高分子被覆物３０２は、例えば、ポリテトラフルオロエチレンなどを用いている。
多孔質体３０１は非常に脆い性質を有し、引っ張りなどの外力に弱い為に、高分子被覆物３０２により表裏面を被覆し、保護機能を付与することで実用されている。

国際公開２０１６／１５９１９６号公報

しかしながら、多孔質体３０１と高分子被覆物３０２とは界面が密着していない。多孔質体３０１の気孔を活かした断熱性能を持たせる場合には、界面の密着不足により十分な性能を引き出せないという問題がある。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、多孔質体と高分子被覆物との界面に良好な密着を保持した断熱材と断熱材の皮膜形成方法とを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、不織布にエアロゲルを内包した複合材と、上記複合材を被覆するフッ素樹脂を含む被覆物と、を含む断熱材を用いる。

また、フッ素樹脂よりなる微粒子を分散させた塗料を、不織布にエアロゲルを内包した複合材に、塗布する塗布工程と、上記複合材を熱処理し、上記塗料を焼結する工程と、を有する断熱材の皮膜形成方法を用いる。

以上のように、本発明の不織布及びエアロゲルの複合材の被覆構造によれば、例えば、自動車のエンジンルームのような高温環境下でも複合材と被覆物の密着性を維持し得る断熱材の被覆構造を提供することをすることができる。

本発明の実施の形態１における断熱材の断面図 本発明の実施の形態２における被覆物の表面画像を示す図 特許文献１に記載された従来の断熱材の断面図

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１は、本発明の実施の形態１における断熱材１０１の断面図である。断熱材１０１は、不織布１０２及びエアロゲル１０３からなる複合材１０４の周囲をフッ素樹脂によりなる被覆物１０５にて被覆する構造である。

＜複合材１０４＞
複合材１０４は、厚み０．０５〜１．０ｍｍの不織布に、ナノサイズの多孔質構造を有するシリカエアロゲルを内包させたシートである。熱伝導率は、０．０１〜０．１Ｗ／ｍＫである。

通常、不織布の熱伝導率は０．０３０〜０．０６０Ｗ／ｍＫであり、この値は不織布繊維の固体熱伝導成分と不織布の空隙に存在している空気（窒素分子）の伝熱成分のほぼ総和と見なせる。

この空隙に低熱伝導率材料（一般に０．０１０〜０．０１５Ｗ／ｍＫといわれる）としてシリカエアロゲルを内包させることで、上記低熱伝導率を達成できる。

一般に、常温における静止空気の熱伝導率は、０．０２６Ｗ／ｍＫ前後といわれており、不織布の熱伝導率はこの静止空気の値よりも大きい。

複合材１０４の特徴は、静止空気の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有するシートである。複合材１０４は、断熱性の他に、撥水性、吸音性を有することができ、不織布の種類を選べば、耐熱性や難燃性を付与することもできる。

本実施の形態では耐熱性や難燃性を付与する為に、不織布として酸化アクリルを用いたが、他にもガラス繊維紙を用いてもよい。併せて、本実施の形態では、断熱材１０１の熱伝導率が、静止空気の熱伝導率よりも小さいことが特徴である。このため、複合材１０４にシリカエアロゲルを内包させたが、静止空気の熱伝導率よりも少し大きくても断熱性能を満足するような用途に対しては、例えばアルミナなどの多孔質セラミックスを用いてもよい。

＜複合材１０４の熱伝導率＞
本実施の形態において使用する複合材の熱伝導率は、０．０１〜０．１Ｗ／ｍ・Ｋの範囲内にある。複合材１０４の熱伝導率は、低ければ低いほどその断熱効果が高くなり、同じ断熱効果を得るために必要な複合材の厚さを薄くすることができる。

他方、熱伝導率が０．１Ｗ／ｍ・Ｋより大きくなれば断熱効果が低下し、必要な断熱効果を得るためには複合材１０４の厚さを増大しなくてはならないので好ましくない。

＜複合材１０４の厚さ＞
複合材１０４の厚さは０．０５ｍｍ〜２ｍｍの範囲内にあり、好ましくは０．５ｍｍ〜１ｍｍの範囲内にある。複合材１０４の厚さが０．０５ｍｍよりも薄い場合には厚さ方向の断熱効果が低下するので、熱伝導率が（現在存在し得ない程の）かなり低い低熱伝導材料を選択しなければ、その一方面から他方面への熱伝導を防止できない。

＜複合材１０４の製造方法＞
複合材１０４の製造方法の一例を示す。

（１）原料混合：高モル珪酸ソーダ（珪酸水溶液、Ｓｉ濃度１４％）に触媒として濃塩酸（１２Ｎ）を１．４ｗｔ％添加し攪拌し、ゾル溶液を調合する。

（２）含浸：不織布（材質：酸化アクリル、厚み：０．４ｕｍ、目付５０ｇ／ｍ^２、寸法１２ｃｍ角）にゾル溶液を注ぎ、ロールでゾル溶液を不織布に押し込んで含浸させる。

（３）ゾル溶液を含浸させた不織布をＰＰフィルム（厚み４０ｕｍ×２枚）に挟み、室温２３℃で約２０分放置してゾルをゲル化させる。

（４）厚み規制：ゲル化を確認後、ギャップを６５０ｕｍ（フィルム厚込み）に設定した２軸ロールにフィルムごと含浸不織布を通して、不織布から余分なゲルを絞りだして厚み７００ｕｍ狙いで規制する。

（５）養生：容器にフィルムごとゲルシートを入れて、乾燥防止のために８５℃／８５ＲＨ％の恒温恒湿槽に３時間入れて、シリカ粒子を成長（シラノールの脱水縮合反応）させて多孔質構造を形成させる。

（６）フィルム剥がし：養生容器からシートを取り出して、フィルムを剥がす。

（７）疎水化１（塩酸浸漬工程）：ゲルシートを塩酸（６〜１２規定）に浸漬後、常温２３℃で１時間放置してゲルシートの中に塩酸を取り込む。

（８）疎水化２（シロキサン処理工程）：ゲルシートを例えば、シリル化剤であるオクタメチルトリシロキサンと両親媒性溶剤である２−プロパノール（ＩＰＡ）の混合液に浸漬させて、５５℃の恒温槽に入れて２時間反応させる。トリメチルシロキサン結合が形成され始めると、ゲルシートから塩酸水が排出され、２液分離する（上層にシリル化剤、下層に塩酸水）。

（９）乾燥：ゲルシートを１５０℃の恒温槽に移して２時間乾燥させる。

＜被覆物１０５＞
被覆物１０５は、水にフッ素樹脂よりなる微粒子を分散させた塗料が原料である。被覆物１０５は、この燃料を加熱により焼結体したものである。具体的には、約０．２μｍ〜０．３μｍのテトラフルオロエチレンよりなる粒子を界面活性剤により安定化させた水性塗料であり、粒子の融点以上に加熱することにより粒子同士が焼結し、膜形状の被覆物１０５となる。ここで、より良好な焼結性を得る為には、テトラフルオロエチレンにヘキサフルオロプロピレンを重合させることにより低融点化させてもよく、本実施の形態では本重合体を用いた。

テトラフルオロエチレンやヘキサフルオロプロピレンのようなフッ素樹脂は炭素―フッ素結合のエネルギーが大きく耐熱性に優れており、テトラフルオロエチレンにヘキサフルオロプロピレンを重合させて低融点化させたとしても２００℃程度の耐熱性を有する。

フッ素樹脂としては、他にもパーフルオロアルコキシアルカンやエチレン・テトラフルオロエチレンコポリマーが代表的であるが、エチレン・テトラフルオロエチレンコポリマーは２００℃程度の耐熱性を有さないため望ましくない。

従って、本実施の形態ではテトラフルオロエチレンにヘキサフルオロプロピレンを重合させることにより低融点化させたが、パーフルオロアルコキシアルカンにヘキサフルオロプロピレンを重合させても２００℃程度の耐熱性は損なわないので望ましい。

＜被覆物１０５にて複合材１０４を被覆する製造方法＞
被覆物１０５にて複合材１０４を被覆する製造方法の一例を示す。

（１）原料攪拌：水性塗料（テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体よりなる約０．２μｍの微粒子が固形分濃度約２０ｗｔ％で界面活性剤により安定化）を攪拌し、水中で均一に微粒子を分散させる。

（２）塗布：攪拌した水性塗料に複合材１０４全体を浸漬し、一定速度で引き上げる。

（３）硬化：水性塗料に浸漬した複合材１０４を３００℃の恒温槽に３分移して、水を揮発させると共に微粒子を焼結させる。

＜被覆物１０５による複合材１０４の被覆状態＞
上記、被覆物１０５にて複合材１０４を被覆する製造方法により、複合材１０４の周囲に平均厚み１５μｍ（最小厚み部分５μｍ、最大厚み部分８０μｍ）で被覆物１０５が形成される。

図２は、本発明の実施の形態１における被覆物１０５の表面画像を示す図である。用いたフッ素樹脂よりなる微粒子の融点を約５０℃程度上回る温度で硬化させることにより、被覆物１０５の表層に複数の粒界１０６を形成させることが特徴となる。

これにより、本発明の実施の形態１における断熱材を屈曲させても、粒界１０６部分の伸張に伴う応力分散により被覆物１０５の破壊が抑制される。

本実施の形態では、粒界１０６の大きさは約１０〜５００μｍであり、粒界１０６の溝幅は平均５０μｍ（最小溝幅部分５μｍ、最大溝幅部分１００μｍ）であり、粒界１０６の深さは被覆物１０５の表面から約３μｍであり、断面でみるとＶ字形状を呈している。

加えて、粒界１０６が被覆物１０５の表層にとどまり、複合材１０４の界面にまで至っていないことから、被覆物１０５と複合材１０４の界面は良好に密着されており、複合材１０４に内包されるエアロゲルが露出することも防ぐ。

ただし、被覆物１０５の平均厚みが５μｍ未満になると粒界１０６が複合材１０４の界面にまで至り、望ましくない。

微粒子の融点を約１００℃程度上回る温度で硬化させると粒界１０６が形成しなくなり望ましくなく、融点の約２０℃以下の温度で硬化させると粒界１０６が複合材１０４の界面まで至り望ましくない。融点以上が好ましい。

（全体として）
なお、フッ素材料は上記に限定されない。粒界１０６が形成できるフッ素材料ならよい。

本発明の断熱材は、暖機完了後や冬季コールドスタート時のエンジンの保温による油温低下抑制のための断熱用途にも適用できる。

１０１ 断熱材
１０２ 不織布
１０３ エアロゲル
１０４ 複合材
１０５ 被覆物
１０６ 粒界
３０１ 多孔質体
３０２ 高分子被覆物

Claims (10)

1. 不織布にエアロゲルを内包した複合材と、
   前記複合材を被覆するフッ素樹脂を含む被覆物と、を含み、
   前記被覆物の表面は、複数の粒界を有する断熱材。
2. 前記粒界は、前記複合材まで至らない請求項１記載の断熱材。
3. 前記粒界の大きさは、１０μｍ以上５００μｍ以下である請求項１または２に記載の断熱材。
4. 前記粒界の溝幅は５μｍ以上１００μｍ以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の断熱材。
5. 前記被覆物は、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルコキシアルカンより選ばれる１種の重合体或いは２種以上の共重合体よりなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の断熱材。
6. フッ素樹脂よりなる微粒子を分散させた塗料を、不織布にエアロゲルを内包した複合材に、塗布する塗布工程と、
   前記複合材を熱処理し、前記塗料を焼結する工程と、を有し、
   前記塗料からできた被覆物の表面に、複数の粒界を有する断熱材の皮膜形成方法。
7. 前記熱処理の温度は、前記微粒子の融点より５０℃以上高い請求項６記載の断熱材の皮膜形成方法。
8. 前記熱処理の温度は、前記微粒子の融点＋１００℃以下である請求項６または７記載の断熱材の皮膜形成方法。
9. 前記塗料は、水に分散させた塗料である請求項６〜８のいずれか１項に記載の断熱材の皮膜形成方法。
10. 前記微粒子は、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルコキシアルカンより選ばれる１種の重合体或いは２種以上の共重合体よりなる微粒子である請求項６〜９のいずれか１項に記載の断熱材の皮膜形成方法。

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