JP7216010B2 - 耐火部材 - Google Patents
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Description
そこで、本発明の目的は、実用レベルでの耐火性試験であっても耐火性に優れる耐火部材であって、さらには、熱源接近時や接炎時に耐火部材が膨張し、断熱層を形成する事で、遮熱機能をも発現する耐火部材を提供することにある。
〔態様1〕
熱伝導率が4W/(m・K)以上(好ましくは6W/(m・K)以上、より好ましくは8W/(m・K)以上)の非連続強化繊維と難燃性熱可塑性樹脂とで少なくとも構成された耐火部材であって、前記非連続強化繊維が耐火部材中で分散し、
前記耐火部材の膨張後(好ましくは最大膨張後)の空隙率が、30%以上{好ましくは30~95%、より好ましくは40~93%、さらに好ましくは50%以上(例えば50~90%)、さらにより好ましくは60%以上、特に70%以上}である、耐火部材。
前記態様1の耐火部材の膨張後(好ましくは最大膨張後)の熱伝導率が、0.15W/(m・K)以下(好ましくは0.13W/(m・K)以下、より好ましくは0.11W/(m・K)以下)である、耐火部材。
前記耐火部材において、前記膨張後(好ましくは最大膨張後)の耐火部材の熱抵抗が0.05m2・K/W以上(好ましくは0.07m2・K/W以上、より好ましくは0.1m2・K/W以上)である、態様1または2に記載の耐火部材。
前記耐火部材の曲げ弾性率が3GPa以上(好ましくは3.5GPa以上、より好ましくは4.0GPa以上)および曲げ強度が50MPa以上(好ましくは55MPa以上、より好ましくは60MPa以上)である、態様1から態様3のいずれか一態様に記載の耐火部材。
前記難燃性熱可塑性樹脂の限界酸素指数が30以上(好ましくは32以上、より好ましくは35以上)である、態様1から態様4のいずれか一態様に記載の耐火部材。
前記耐火部材において、難燃性熱可塑性樹脂を含む樹脂マトリックス(樹脂成分)と非連続強化繊維との総量に対する非連続強化繊維比率が15~80重量%(好ましくは17~75重量%、より好ましくは20~70重量%)である、態様1から態様5のいずれか一態様に記載の耐火部材。
前記非連続強化繊維の平均繊維長が2~50mm(好ましくは3~50mm、より好ましくは5~35mm、最も好ましくは10~20mm)である、態様1から態様6のいずれか一態様に記載の耐火部材。
前記非連続強化繊維が、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、セラミックファイバー、玄武岩繊維、および金属繊維からなる群から選択された少なくとも一種で構成される、態様1から態様7のいずれか一態様に記載の耐火部材。
前記難燃性熱可塑性樹脂が、ポリエーテルイミド系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、およびポリエーテルエーテルケトン系樹脂からなる群から選択された少なくとも一種で構成される、態様1から態様8のいずれか一態様に記載の耐火部材。
粉粒状または繊維状の難燃性熱可塑性樹脂と、熱伝導率が4W/(m・K)以上(好ましくは6W/(m・K)以上、より好ましくは8W/(m・K)以上)の非連続強化繊維とで構成される混合不織布を一枚ないしは多数枚積層して、前記熱可塑性樹脂の流動開始温度以上の温度で加圧しながら加熱し、次いで、加圧しながら冷却する、態様1から態様9のいずれか一態様に記載の耐火部材の製造方法。
本発明で用いる非連続強化繊維は、熱伝導率が4W/(m・K)以上であり、好ましくは6W/(m・K)以上であってもよく、より好ましくは8W/(m・K)以上であってもよい。上限に関しては特に制限はないが、1000W/(m・K)以下であってもよく、950W/(m・K)以下であってもよく、900W/(m・K)以下であってもよい。
このような熱伝導率を有することにより、炎に接した場合であっても、熱が繊維配向方向に沿って拡散する事により、接炎部の局所的過熱を防ぎ、燃焼を抑制することができ、優れた耐火性を達成することが可能である。例えば、非連続強化繊維として熱伝導率が低いガラス繊維を用いた場合には、熱が拡散されず、接炎部が局所的に過熱されるため、このような優れた耐火性を達成することが不可能である。
なお、本発明における非連続強化繊維の熱伝導率は、後述する測定方法にて求められる。
非連続強化繊維は、本発明の効果を損なわない限り特に制限されず、例えば、非連続強化繊維としては、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、セラミックファイバー、玄武岩繊維、各種金属繊維(例えば、金、銀、銅、鉄、ニッケル、チタン、ステンレス等)などの無機繊維を例示することができる。これらの非連続強化繊維は、単独で、あるいは二種以上を組み合わせて用いてもよい。これらのうち、引張弾性率の温度依存性が小さい観点から、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、セラミックファイバー、玄武岩繊維、ステンレス繊維等が好ましい。
また、熱源接近時や接炎時において、良好な反発性を達成する観点から、非連続強化繊維は、400℃以下の温度領域で弾性率を保持しているものが好ましい。より好ましくは600℃以下の温度領域で、前記弾性率を保持しているものが好ましい。 なお、本発明における繊維の引張弾性率は、後述する測定方法にて求められてもよい。
なお、本発明における単繊維の平均繊維長は、後述する測定方法にて求められる。
この場合、難燃性熱可塑性樹脂とバインダー成分との割合(重量比)は、例えば、99.9/0.1~80/20であってもよく、好ましくは99/1~83/17、より好ましくは95/5~85/15であってもよい。
本発明で用いる難燃性熱可塑性樹脂は、熱源の接近により溶融して非連続強化繊維への拘束力を解き放ち、それにより、非連続強化繊維の反発力が発生して耐火部材を膨張させることが可能になる。難燃性熱可塑性樹脂の種類は、耐火部材として利用することができる限り特に限定されないが、難燃性を向上する観点から、難燃性熱可塑性樹脂の限界酸素指数(LOI)が30以上であることが好ましい。より好ましくは32以上であり、さらに好ましくは35以上である。上限は特に限定されないが、95であってもよい。
なお、本発明における難燃性熱可塑性樹脂の限界酸素指数(LOI)は、後述する測定方法にて求められる。
また、耐火部材が高温環境下でも構造を維持するための耐熱性の観点から、結晶性の熱可塑性樹脂であれば、融点が150℃以上であることが好ましく、175℃以上であることがより好ましく、200℃以上であることがさらに好ましい。非晶性の熱可塑性樹脂であれば、ガラス転移温度が100℃以上であることが好ましく、110℃以上であることがより好ましく、120℃以上であることがさらに好ましい。なお、上限に関しては特に制限はないが、結晶性の熱可塑性樹脂であれば融点が300℃以下であることが好ましく、非晶性の熱可塑性樹脂であればガラス転移温度が300℃以下であることが好ましい。
特に、難燃性熱可塑性樹脂を繊維形態で用いる場合は、難燃性熱可塑性繊維の製造においては、特に限定されるものではなく、公知の溶融紡糸装置を用いることができる。すなわち、溶融押出し機で前記難燃性熱可塑性樹脂のペレットや粉体を溶融混練し、溶融ポリマーを紡糸筒に導きギヤポンプで計量し、紡糸ノズルから吐出させた糸条を巻き取ることで得られる。難燃性熱可塑性樹脂の種類に応じて、その際の引取り速度は適宜決定することができ特に限定されるものではないが、紡糸線上で分子配向が起こると好ましくないので、500~4000m/分の範囲で引き取ることが好ましい。500m/分未満では生産性の点からは好ましくなく、一方、4000m/分を超えるような高速では、高温時の収縮を引き起こすに足る分子配向が進むばかりでなく、繊維の断糸が起こりやすくなるので好ましくない。
また、得られた難燃性熱可塑性繊維は、未延伸繊維であるのが好ましい。
なお、本発明における単繊維繊度は、後述する測定方法にて求められる。
なお、本発明における単繊維の平均繊維長は、後述する測定方法にて求められる。
本発明で用いる混合不織布は、混合不織布中の、樹脂成分(特に難燃性熱可塑性繊維などの難燃性熱可塑性樹脂)の割合が20~85重量%であることが好ましい。樹脂成分(特に難燃性熱可塑性繊維などの難燃性熱可塑性樹脂)の割合が少なすぎる場合、耐火部材にした場合の樹脂成分(特に難燃性熱可塑性樹脂量)が少なくなり、十分な力学特性が得られない可能性がある。また、樹脂成分(特に難燃性熱可塑性樹脂)の割合が多すぎる場合、非連続強化繊維の割合が低くなり、耐火部材の膨張率が低くなるため、十分な遮熱性が得られない可能性がある。より好ましくは25~83重量%であり、更に好ましくは30~80重量%である。
なお、本発明における目付けは、後述する測定方法にて求められる。
本発明の耐火部材は、非連続強化繊維と難燃性熱可塑性樹脂とで少なくとも構成された耐火部材(または耐火複合体)であって、前記非連続強化繊維が耐火部材中で分散している。耐火部材中に非連続強化繊維を分散するに当たり、公知または慣用に行われる製造方法により得ることができる。
例えば、前記混合不織布を一枚ないしは多数枚積層して、前記難燃性熱可塑性繊維の流動開始温度以上の温度で加圧、加熱し、さらに、加圧しながら冷却することで耐火部材を作製することができる。前記混合不織布を加熱成型する方法については特に制限はなく、スタンパブル成型や加圧成型、真空圧着成型、GMT成型のような一般的な圧縮成型が好適に用いられる。その時の成型温度は用いる難燃性熱可塑性繊維の流動開始温度や分解温度に合わせて設定すればよい。例えば、難燃性熱可塑性繊維が結晶性の場合、成型温度は難燃性熱可塑性繊維の融点以上、[融点+100]℃以下の範囲であることが好ましい。また、難燃性熱可塑性繊維が非結晶性の場合、成型温度は熱可塑性繊維のガラス転移温度以上、[ガラス転移温度+200]℃以下の範囲であることが好ましい。なお、必要に応じて、加熱成型する前にIRヒーターなどで予備加熱することもできる。
なお、本発明における膨張後の空隙率は、膨張した状態の耐火部材の空隙率をJIS K 7075「炭素強化プラスチックの繊維含有率及び空洞率試験」に準拠して算出した値であり、特に最大膨張後の空隙率は、厚み変化が無くなるまで加熱した後の耐火部材の空隙率である。これらは、後述する測定方法にて求められてもよい。
なお、本発明における最大膨張率は、後述する測定方法にて求められる。
なお、本発明における膨張後の熱抵抗は、膨張した状態の耐火部材について、膨張後の厚み(m)/膨張後の熱伝導率(W/(m・K))により算出した値であり、特に最大膨張後の熱抵抗は、厚み変化が無くなるまで加熱した後の耐火部材の熱抵抗である。これらは、後述する測定方法にて求めてもよい。
繊維の繊維軸方向の熱伝導率は下記手順により算出した。すなわち、繊維とエポキシ樹脂の一方向材を作製し、その繊維軸方向の熱伝導率を、JIS R 1611に準拠し、真空理工(株)製レーザーフラッシュ法熱定数測定装置「TC-3000」で測定した。得られた一方向の熱伝導率、エポキシ樹脂の熱伝導率、および繊維の体積含有率から、下記式により、繊維の繊維軸方向の熱伝導率を算出した。
λL=λfVf+λmVm
λL:一方向材の熱伝導率、λf:繊維の熱伝導率、λm:エポキシ樹脂の熱伝導率、Vf:繊維の体積含有率、Vm:エポキシ樹脂の体積含有率
JIS L 1015:2010「化学繊維ステープル試験方法」の8.5.1のB法に準じて、後述の方法で算出した平均繊維長を用いて、単繊維繊度を測定した。
ランダムに選択した100本の繊維について、その繊維長を測定し、その平均値を平均繊維長とした。
ランダムに選択した30本の繊維について、顕微鏡観察により繊維径を測定し、その測定値の平均値を平均直径とした。
繊維の繊維軸方向の引張弾性率は下記手順により算出した。すなわち、繊維とエポキシ樹脂の一方向材を作製し、JIS K 7165に準拠し、万能試験機で引張弾性率を測定した。得られた一方向の弾性率、エポキシ樹脂の弾性率、および繊維の体積含有率から、下記式により、繊維の引張弾性率を算出した。
EL=EfVf+EmVm
EL:一方向材の弾性率、Ef:繊維の弾性率、Em:エポキシ樹脂の弾性率、Vf:繊維の体積含有率、Vm:エポキシ樹脂の体積含有率
膨張前の耐火部材および膨張後の耐火部材について、それぞれ厚みを測定した。なお、厚みは中央部、および角から1cmずつ内側の部分(4箇所)、の計5箇所の平均値をその部材の厚みとした。
JIS K 7017「繊維強化プラスチック-曲げ特性の求め方」(A法、規定試験片クラスI)に準拠し、三点曲げ試験により、曲げ強度および曲げ弾性率を測定した。
耐火部材における難燃性熱可塑性樹脂が、非晶性樹脂であれば、ガラス転移点より100℃高い温度、結晶性樹脂であれば融点より30℃高い温度で、厚み変化が無くなるまで加熱した後の耐火部材において、下記の計算式より最大膨張率を算出した。
最大膨張率(%)=膨張後厚み(mm)/膨張前厚み(mm)×100
耐火部材における難燃性熱可塑性樹脂が、非晶性樹脂であれば、ガラス転移点より100℃高い温度、結晶性樹脂であれば融点より30℃高い温度で膨張させた耐火部材についてJIS A 1412-2「熱絶縁材の熱抵抗及び熱伝導率の測定方法-第2部:熱流計法(HFM法)」に準拠して膨張後の熱伝導率を算出できる。特に最大膨張後の耐火部材については、厚み変化が無くなるまで加熱した後の耐火部材において、JIS A 1412-2「熱絶縁材の熱抵抗及び熱伝導率の測定方法-第2部:熱流計法(HFM法)」に準拠して膨張後の熱伝導率を算出した。
耐火部材における難燃性熱可塑性樹脂が、非晶性樹脂であれば、ガラス転移点より100℃高い温度、結晶性樹脂であれば融点より30℃高い温度で膨張させた耐火部材について下記式により膨張後の熱抵抗を算出できる。特に最大膨張後の耐火部材については、厚み変化が無くなるまで加熱した後の耐火部材において、下記式より膨張後の熱抵抗を算出した。
膨張後の熱抵抗(m2・K/W)=膨張後の厚み(m)/膨張後の熱伝導率(W/(m・K))
耐火部材における難燃性熱可塑性樹脂が、非晶性樹脂であれば、ガラス転移点より100℃高い温度、結晶性樹脂であれば融点より30℃高い温度で膨張させた耐火部材についてJIS K 7075「炭素繊維強化プラスチックの繊維含有率及び空洞率試験」に準拠し、膨張後の空隙率を算出できる。特に最大膨張後の耐火部材については、目視による厚み変化が無くなるまで加熱した後の耐火部材において、JIS K 7075「炭素繊維強化プラスチックの繊維含有率及び空洞率試験」に準拠し、膨張後の空隙率を算出した。
熱可塑性樹脂および耐火部材の限界酸素指数(LOI)は、JIS K 7201-2「プラスチック-酸素指数による燃焼性の試験方法-第2部:室温における試験」(試験片の形IV)に準拠し、算出した。
オーブントースター(KOS-1012)の赤外線加熱部直下34mmの位置にステンレス製の網を設置し、その上に耐火部材を配置した。上面加熱モード(560W)にて加熱し、10分後に耐火部材の厚み方向の表面と裏面の温度を熱電対で測定し、その温度差を算出することで、遮熱性評価を行った。
50mm角の正方形に切り出した耐火部材を固定治具に設置し、耐火部材の厚み方向の裏面に熱電対を取り付けた。次いで、ガスバーナーの口を下に向けた状態で、耐火部材の厚み方向の表面から高さ50mmのところに固定した。一旦、固定治具をガスバーナーの火が当たらないところに移動させ、ガスバーナー(NB GT-9000F プリンス スネークファイヤー)の火の全長を100mm、空気量を最大に調整した。固定治具をガスバーナーの火の中央に設置し、耐火部材の表面に接炎した状態で、耐火部材の裏面の温度上昇を計測し、200℃まで到達するのにかかる時間を計測した。
(ポリエーテルイミド繊維の製造)
非晶性樹脂であるポリエーテルイミド(以下、PEIと略称することがある)系ポリマー(サビックイノベーティブプラスチックス社製「ULTEM9001」)を150℃で12時間真空乾燥した。前記PEI系ポリマーを紡糸ヘッド温度390℃、紡糸速度1500m/分、吐出量50g/分の条件で丸孔ノズルより吐出し、2640dtex/1200fのPEI系繊維のマルチフィラメントを作製した。得られたマルチフィラメントを15mmにカットし、PEI繊維のショートカットファイバーを作製した。得られた繊維の外観は毛羽等なく良好で、単繊維繊度は2.2dtex、平均繊維長は15.0mmであった。
(ポリエーテルエーテルケトン繊維の製造)
ポリエーテルエーテルケトン(以降PEEKと略称することがある)系ポリマー(Victrex社製「90G」)を80℃で12時間真空乾燥した。前記PEEK系ポリマーを紡糸ヘッド温度400℃、紡糸速度1500m/分、吐出量12.5g/分の条件で丸孔ノズルより吐出し、マルチフィラメントを作成した。得られたマルチフィラメントを15mmにカットし、PEEK繊維のショートカットファイバーを作成した。得られた繊維の外観は毛羽等なく良好で、単繊維繊度は8.8dtex、平均繊維長は15.1mmであった。
(PET系バインダー繊維の製造)
重合反応装置を用い、常法により280℃で重縮合反応を行い、テレフタル酸とイソフタル酸の共重合割合(モル比)が70/30、エチレングリコール100モル%からなる、固有粘度(η)が0.81であるPET系ポリマーを製造した。製造されたポリマーは、重合機底部よりストランド状に水中に押し出し、ペレット状に切断した。得られたPET系ポリマーを、270℃で加熱された同方向回転タイプのベント式2軸押し出し機に供給し、滞留時間2分を経て280℃に加熱された紡糸ヘッドに導き、吐出量45g/分の条件で丸孔ノズルより吐出し、紡糸速度1200m/分で引き取ることで2640dtex/1200fのPET系ポリマーからなるマルチフィラメントを得た。次いで得られた繊維を15mmにカットした。
得られた繊維の外観は毛羽等なく良好で、単繊維繊度は2.2dtex、平均繊維長は10.0mm、結晶化度は20%、極限粘度は0.8、および円形の断面形状を有していた。
難燃性熱可塑性繊維として15mmカットのPEI繊維を50重量%、非連続強化繊維として12.7mmカットの炭素繊維チョップド糸(東邦テナックス製HTS40 3K:平均繊維径7μm;熱伝導率10W/(m・K))を45重量%、5mmカットのPET系バインダー繊維を5重量%からなるスラリーを用いて、ウェットレイドプロセスにより目付け100g/m2の混合不織布を得た。
得られた混合不織布を31枚積層し、熱プレス機にて、クリアランスを2mmに設定して、積層方向に対して垂直な面に対して15MPaにて加圧しながら、340℃に加熱し、炭素繊維の間にPEI樹脂を含浸させた後、加圧を維持したまま、PEIのガラス転移温度以下である200℃まで冷却し、耐火部材を作製し、厚みは2.1mm、比重は1.45、空隙率は1%、目付けは3043g/m2であって、最大膨張率が511%、膨張後の耐火部材の厚みが10.7mm、膨張後の耐火部材の熱伝導率が0.09W/(m・K)である耐火部材を得た。また、膨張後の耐火部材の熱抵抗は、0.12m2・K/Wであり、膨張後の耐火部材の空隙率は81%であり、耐火部材のLOIは42であった。
得られた耐火部材の曲げ強度は360MPa、曲げ弾性率は27GPaと力学特性に優れるものであった。また、遮熱性試験における耐火部材の裏表の温度差は171℃と、遮熱性に優れるものであり、耐火性試験における裏面の200℃到達時間が95秒と、耐火性に優れるものであった。
混合不織布の積層枚数を22枚として、熱プレス機のクリアランスを1.5mmにした以外は、実施例1と同様にして耐火部材を作製し、厚みは1.5mm、比重は1.45、空隙率は2%、目付けは2166g/m2であって、最大膨張率が477%、膨張後の耐火部材の厚みが7.1mm、膨張後の耐火部材の熱伝導率が0.08W/(m・K)である耐火部材を得た。また、膨張後の耐火部材の熱抵抗は、0.09m2・K/Wであり、膨張後の耐火部材の空隙率は79%であり、耐火部材のLOIは41であった。
得られた耐火部材の曲げ強度は365MPa、曲げ弾性率は27GPaと力学特性に優れるものであった。また、遮熱性試験における耐火部材の裏表の温度差は144℃と、遮熱性に優れるものであり、耐火性試験における裏面の200℃到達時間が27秒と、耐火性に優れるものであった。
混合不織布の積層枚数を13枚として、熱プレス機のクリアランスを1mmにした以外は、実施例1と同様にして耐火部材を作製し、厚みは0.9mm、比重は1.46、空隙率は1%、目付けは1282g/m2であって、最大膨張率が447%、膨張後の耐火部材の厚みが3.9mm、膨張後の耐火部材の熱伝導率が0.08W/(m・K)である耐火部材を得た。また、膨張後の耐火部材の熱抵抗は、0.05m2・K/Wであり、膨張後の耐火部材の空隙率は78%であり、耐火部材のLOIは40であった。
得られた耐火部材の曲げ強度は370MPa、曲げ弾性率は28GPaと力学特性に優れるものであった。また、遮熱性試験における耐火部材の裏表の温度差は80℃と、遮熱性に優れるものであり、耐火性試験における裏面の200℃到達時間が15秒と、耐火性に優れるものであった。
混合不織布の積層枚数を21枚として、熱プレス機のクリアランスを2mmにした以外は、実施例1と同様にして耐火部材を作製し、厚みは2.0mm、比重は1.03、空隙率は39%、目付けは2066g/m2であって、最大膨張率が505%、膨張後の耐火部材の厚みが10.1mm、張後の耐火部材の熱伝導率が0.07W/(m・K)である耐火部材を得た。また、膨張後の耐火部材の熱抵抗は、0.14m2・K/Wであり、膨張後の耐火部材の空隙率88%であり、耐火部材のLOIは40であった。
得られた耐火部材の曲げ強度は122MPa、曲げ弾性率は5GPaと力学特性に優れるものであった。また、遮熱性試験における耐火部材の裏表の温度差は151℃と、遮熱性に優れるものであり、耐火性試験における裏面の200℃到達時間が40秒と、耐火性に優れるものであった。
難燃性熱可塑性繊維として15mmカットのPEI繊維を75重量%、非連続強化繊維として3mmカットの炭素繊維チョップド糸(東邦テナックス製HTS40 3K:平均繊維径7μm;熱伝導率10W/(m・K))を20重量%、5mmカットのPET系バインダー繊維を5重量%からなるスラリーを用いて、ウェットレイドプロセスにより目付け100g/m2の混合不織布を得た。
得られた混合不織布を27枚積層し、実施例1と同様にして耐火部材を作製し、厚みは2.0mm、比重は1.33、空隙率は1%、目付けは2679g/m2であって、最大膨張率が367%、膨張後の耐火部材の厚みが7.4mm、膨張後の耐火部材の熱伝導率が0.09W/(m・K)である耐火部材を得た。また、膨張後の耐火部材の熱抵抗は、0.08m2・K/Wであり、膨張後の耐火部材の空隙率73%であり、耐火部材のLOIは40であった。
得られた耐火部材の曲げ強度は232MPa、曲げ弾性率は13GPaと力学特性に優れるものであった。また、遮熱性試験における耐火部材の裏表の温度差は122℃と、遮熱性に優れるものであり、耐火性試験における裏面の200℃到達時間が29秒と、耐火性に優れるものであった。
難燃性熱可塑性繊維として15mmカットのPEI繊維を55重量%、非連続強化繊維として3mmカットの炭素繊維チョップド糸(東邦テナックス製HTS40 3K:平均繊維径7μm;熱伝導率10W/(m・K))を40重量%、5mmカットのPET系バインダー繊維を5重量%からなるスラリーを用いて、ウェットレイドプロセスにより目付け100g/m2の混合不織布を得た。
得られた混合不織布を30枚積層し、実施例1と同様にして耐火部材を作製し、厚みは2.1mm、比重は1.40、空隙率は3%、目付けは2960g/m2であって、最大膨張率が394%、膨張後の耐火部材の厚みが8.3mm、膨張後の耐火部材の熱伝導率が0.13W/(m・K)である耐火部材を得た。また、膨張後の耐火部材の熱抵抗は、0.06m2・K/Wであり、膨張後の耐火部材の空隙率75%であり、耐火部材のLOIは42であった。
得られた耐火部材の曲げ強度は258MPa、曲げ弾性率は19GPaと力学特性に優れるものであった。また、遮熱性試験における耐火部材の裏表の温度差は109℃と、遮熱性に優れるものであり、耐火性試験における裏面の200℃到達時間が31秒と、耐火性に優れるものであった。
難燃性熱可塑性繊維として15mmカットのPEI繊維を75重量%、非連続強化繊維として12.7mmカットの炭素繊維チョップド糸(東邦テナックス製HTS40 3K:平均繊維径7μm;熱伝導率10W/(m・K))を20重量%、5mmカットのPET系バインダー繊維を5重量%からなるスラリーを用いて、ウェットレイドプロセスにより目付け100g/m2の混合不織布を得た。
得られた混合不織布を27枚積層し、実施例1と同様にして耐火部材を作製し、厚みは2.0mm、比重は1.35、空隙率は0%、目付けは2687g/m2であって、最大膨張率が449%、膨張後の耐火部材の厚みが8.9mm、膨張後の耐火部材の熱伝導率が0.09W/(m・K)である耐火部材を得た。また、膨張後の耐火部材の熱抵抗は、0.10m2・K/Wであり、膨張後の耐火部材の空隙率78%であり、耐火部材のLOIは40であった。
得られた耐火部材の曲げ強度は260MPa、曲げ弾性率は14GPaと力学特性に優れるものであった。また、遮熱性試験における耐火部材の裏表の温度差は130℃と、遮熱性に優れるものであり、耐火性試験における裏面の200℃到達時間が38秒と、耐火性に優れるものであった。
熱可塑性結晶性繊維として15mmカットのPEEK繊維を50重量%、非連続強化繊維として3mmカットの炭素繊維チョップド糸(東邦テナックス製HTS40 3K:平均繊維径7μm;熱伝導率10W/(m・K))を45重量%、5mmカットのPET系バインダー繊維を5重量%からなるスラリーを用いて、ウェットレイドプロセスにより目付け100g/m2の混合不織布を得て、この混合不織布を31枚積層し、熱プレス機にて、クリアランスを2mmに設定して、積層方向に対して垂直な面に対して15MPaにて加圧しながら、380℃に加熱し、炭素繊維の間にPEEK樹脂を含浸させつつ、加圧を維持したまま、100℃まで冷却し、耐火部材を作製する場合、得られる耐火部材は、炭素繊維の熱伝導率に由来して、実施例1の耐火部材と同様に、放熱特性を発揮できると考えられる。
炭素繊維チョップド糸の繊維長を1mmとして、混合不織布の積層枚数を30枚とした以外は、実施例1と同様にして耐火部材を作製し、厚みは2.0mm、比重は1.47、空隙率は0%、目付けは2940g/m2であって、最大膨張率が130%、膨張後の耐火部材の厚みが2.6mm、膨張後の耐火部材の熱伝導率が0.25W/(m・K)である耐火部材を得た。また、膨張後の耐火部材の熱抵抗は、0.01m2・K/Wであり、膨張後の耐火部材の空隙率23%であり、耐火部材のLOIは42であった。
得られた耐火部材の曲げ強度は200MPa、曲げ弾性率は22GPaと力学特性に優れるものであった。一方、遮熱性試験における耐火部材の裏表の温度差は24℃と、遮熱性に劣るものであった。また、耐火性試験における裏面の200℃到達時間が9秒と、耐火性に劣るものであった。
炭素繊維チョップド糸の繊維比率を10重量%として、混合不織布の積層枚数を26枚とした以外は、実施例1と同様にして耐火部材を作製し、厚みは2.0mm、比重は1.31、空隙率は0%、目付けは2620g/m2であって、最大膨張率が110%、膨張後の耐火部材の厚みが2.2mm、膨張後の耐火部材の熱伝導率が0.17W/(m・K)である耐火部材を得た。また、膨張後の耐火部材の熱抵抗は、0.01m2・K/Wであり、膨張後の耐火部材の空隙率9%であり、耐火部材のLOIは38であった。
得られた耐火部材の曲げ強度は145MPa、曲げ弾性率は5GPaと力学特性に優れるものであった。一方、遮熱試験における耐火部材の裏表の温度差は25℃と、遮熱性に劣るものであった。また、耐火性試験における裏面の200℃到達時間が10秒と、耐火性に劣るものであった。
熱可塑性繊維を6mmカットのポリブチレンテレフタラート繊維(以下、PBTと略称することがある)とした以外は、実施例1と同様にして耐火部材を作製し、厚みは2.0mm、比重は1.52、空隙率は0%、目付けは3040g/m2であって、最大膨張率が450%、膨張後の耐火部材の厚みが9.0mm、膨張後の耐火部材の熱伝導率が0.08W/(m・K)である耐火部材を得た。また、膨張後の耐火部材の熱抵抗は、0.11m2・K/Wであり、膨張後の耐火部材の空隙率78%であり、耐火部材のLOIは22であった。
得られた耐火部材の曲げ強度は250MPa、曲げ弾性率は24GPaと力学特性に優れるものであった。一方、遮熱試験におけるサンプル裏表の温度差は150℃と、遮熱性に優れるものであった。また、難燃性が低い熱可塑性樹脂がマトリックスを形成しているため、耐火性試験において、接炎後10秒ですみやかに着火し燃え広がり、耐火性に劣るものであった。
射出成形機(油圧型締め360t、最大射出圧力2100/cm2)を用い、樹脂温度を400℃、金型温度を160℃に設定して、JD7201(サビックイノベーティブプラスチックス社製、20重量%炭素繊維入りポリエーテルイミド樹脂)の射出成形を行った。得られた成形体の厚みは2.0mm、比重は1.35、空隙率は0%、目付けは2700g/m2であって、最大膨張率が100%、膨張後の耐火部材の厚みが2.0mm、膨張後の耐火部材の熱伝導率が0.18W/(m・K)である耐火部材を得た。また、膨張後の耐火部材の熱抵抗は、0.01m2・K/Wであり、膨張後の耐火部材の空隙率0%であり、耐火部材のLOIは39であった。
得られた耐火部材の曲げ強度は157MPa、曲げ弾性率は6GPaと力学特性に優れるものであった。一方、遮熱試験における耐火部材の裏表の温度差は23℃と、遮熱性に劣るものであった。また、耐火性試験における裏面の200℃到達時間が8秒と、耐火性に劣るものであった。
熱可塑性繊維として15mmカットのPEI繊維を45重量%、非連続強化繊維として18mmカットのガラス繊維チョップド糸(日東紡製CS13C-897:平均繊維径10μm;熱伝導率1W/(m・K))を50重量%、5mmカットのPET系バインダー繊維を5重量%からなるスラリーを用いて、ウェットレイドプロセスにより目付け100g/m2の混合不織布を得た。
得られた混合不織布を34枚積層し、実施例1と同様にして耐火部材を作製し、厚みは2.0mm、比重は1.71、空隙率は0%、目付けは3382g/m2であって、最大膨張率が260%、膨張後の耐火部材の厚みが5.2mm、膨張後の耐火部材の熱伝導率が0.09W/(m・K)である耐火部材を得た。また、膨張後の耐火部材の熱抵抗は、0.06m2・K/Wであり、膨張後の耐火部材の空隙率62%であり、耐火部材のLOIは32であった。
得られた耐火部材の曲げ強度は240MPa、曲げ弾性率は11GPaと力学特性に優れるものであった。しかしながら、遮熱性試験における耐火部材の裏表の温度差は51℃と、実施例1~7と比べて劣っていた。また、難燃性熱可塑性樹脂がマトリックスを形成しているため、耐火性試験における裏面の200℃到達時間が23秒であったが、到達するとともに着火したため、耐火性に劣るものであった。
混合不織布の積層枚数を18枚にした以外は、比較例5と同様にして耐火部材を作製し、厚みは1.9mm、比重は0.97、空隙率は43%、目付けは1798g/m2であって、最大膨張率が363%、膨張後の耐火部材の厚みが6.7mm、膨張後の耐火部材の熱伝導率が0.06W/(m・K)である耐火部材を得た。また、膨張後の耐火部材の熱抵抗は、0.11m2・K/Wであり、膨張後の耐火部材の空隙率84%であり、耐火部材のLOIは30であった。
得られた耐火部材の曲げ強度は240MPa、曲げ弾性率は11GPaと力学特性に優れるものであった。また、遮熱性試験における耐火部材の裏表の温度差は、膨張前であっても空隙率が43%であったためか、比較例5と比べて96℃と、遮熱性に優れていた。しかしながら、同程度の空隙率を有する実施例4と比べると、遮熱性に劣っていた。また、難燃性熱可塑性樹脂がマトリックスを形成しているため、耐火性試験における裏面の200℃到達時間が21秒であったが、到達するとともに着火したため、耐火性に劣るものであった。
また、膨張後の耐火部材の熱伝導率が0.15W/(m・K)以下であると、高熱の伝導を抑制する力が高く、耐火部材の一方の面が高温に曝されていても、他方の面ではその影響を極力抑えることが可能である。そのような場合は、耐火性に優れるだけでなく、熱源接近時や接炎時に耐火部材が膨張し、断熱層を形成する事で、遮熱機能を発現し、内容物を保護する機能を有することが分かる。
一方、比較例1、2および4の耐火部材は、膨張後の空隙率が23%未満であり、その結果、耐火性および遮熱性が劣ることが分かる。比較例3は、使用した熱可塑性樹脂がPBTであり難燃性が低いため、耐火性が劣ることが分かる。
また、比較例5および6は、膨張することにより空隙を形成して、比較例1および2より高い遮熱性を示すものの、非連続強化繊維の熱伝導率が低いため、熱を内部に蓄積するため20秒程度で着火してしまい、耐火性が劣ることが分かる。
Claims (12)
- 熱伝導率が4W/(m・K)以上の非連続強化繊維と難燃性熱可塑性樹脂とで少なくと も構成された耐火部材であって、前記非連続強化繊維が耐火部材中で分散し、
前記耐火部材の最大膨張後の空隙率が、60%以上であり、最大膨張後の厚みが2~30mmであり、最大膨張率が250%以上である、耐火部材。 - 前記耐火部材の前記膨張後の熱伝導率が、0.15W/(m・K)以下である、請求項1に記載の耐火部材。
- 前記耐火部材において、前記膨張後の耐火部材の熱抵抗が0.05m2・K/W以上である、請求項1または2に記載の耐火部材。
- 前記耐火部材の曲げ弾性率が3GPa以上および曲げ強度が50MPa以上である、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の耐火部材。
- 前記難燃性熱可塑性樹脂の限界酸素指数が30以上である、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の耐火部材。
- 前記耐火部材において、難燃性熱可塑性樹脂を含む樹脂マトリックスと非連続強化繊維との総量に対する非連続強化繊維比率が15~80重量%である、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の耐火部材。
- 前記非連続強化繊維の平均繊維長が2~50mmである、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の耐火部材。
- 前記非連続強化繊維が、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、セラミックファイバー、玄武岩繊維、および金属繊維からなる群から選択された少なくとも一種で構成される、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の耐火部材。
- 前記難燃性熱可塑性樹脂が、ポリエーテルイミド系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、およびポリエーテルエーテルケトン系樹脂からなる群から選択された少なくとも一種で構成される、請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の耐火部材。
- 前記非連続強化繊維が屈曲した状態で前記難燃性熱可塑性樹脂によって拘束されている、請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の耐火部材。
- 熱源接近時または接炎時に膨張して断熱層を形成するための耐火部材である、請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の耐火部材。
- 粉粒状または繊維状の難燃性熱可塑性樹脂と、熱伝導率が4W/(m・K)以上の非連続強化繊維とで少なくとも構成される混合不織布を一枚ないしは多数枚積層して、前記熱可塑性樹脂の流動開始温度以上の温度で加圧しながら加熱し、次いで、加圧しながら冷却する、請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の耐火部材の製造方法。
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