JP7329405B2

JP7329405B2 - 再生無機繊維の製造方法及び無機繊維製品の製造方法

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Publication number: JP7329405B2
Application number: JP2019178304A
Authority: JP
Inventors: 慧石井; 龍之介今荘
Original assignee: Gun Ei Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Gun Ei Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2023-08-18
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: JP2021054673A

Description

本発明は、グラスウール、ロックウール、セラミック繊維等の無機繊維材料から、バインダーを除去する再生無機繊維の製造方法及び、得られた再生無機繊維を用いる無機繊維製品の製造方法に関する。

従来、グラスウール、ロックウール、セラミック繊維等の、無機繊維がバインダーで結合した無機繊維製品が、断熱材、吸音材、又はその他の各種成型品（自動車の屋根、ボンネットのライナー等）に用いられている。
無機繊維製品は、一般的に、無機繊維にバインダーを付着させ、集積して目的の無機繊維製品の形状の集積体とした後、加熱、成形し、バインダーを硬化することにより製造されている。バインダーとしては、一般にフェノール樹脂等の有機物のバインダーが使用されている。

無機繊維製品の製造に際しては、その製造工程において多量の端材が発生し、又、場合によっては不良品も発生する。また、建物、工場、車両等に使用された無機繊維製品は、これらの解体時に回収される。
これらの端材、不良品、回収物等の無機繊維材料（以下「回収無機繊維材料」という場合がある。）は、産業廃棄物として処理される物もあるが、環境保護等の観点から、再利用することが好ましい。

回収無機繊維材料の再利用方法としては、適当な大きさに粉砕して各種の建材や合成樹脂複合材の充填剤や補強材として使用する方法、及びグラスウール等の無機繊維製品の原料の一部として使用する方法がある。
しかし、粉砕しただけの回収無機繊維材料を、多量に使用した無機繊維製品等は製品特性が低下しやすい。

回収無機繊維材料の再利用方法としては、溶融炉に投入して溶融し、無機繊維の原料の一部とすることも試みられている。
しかし、回収無機繊維材料には、バインダーとして有機物が付着しているため、溶融過程で発泡、色調変化或は溶解エネルギーの変動等の好ましくない影響を及ぼす。このような問題を回避するためには、回収無機繊維材料から予めバインダーを除去することが必要である。

特許文献１では、無機繊維材料を１，１００～２，５００℃の火炎中に投入し、被覆された有機物を焼却除去することが提案されている。
しかし、火炎中に投入するためには、安全対策を厳重に行った燃焼炉を用意する必要があり、無機繊維材料を簡便に処理することができなかった。

そこで、本願発明者は、無機繊維材料を加熱炉で加熱することにより、バインダーを除去することを試みた。しかし、５５０℃程度で加熱した場合は、処理に長時間を要した。
また、処理時間を短くしようとして、７００℃程度に温度を上げて加熱すると収縮し、収縮した無機繊維材料内部にバインダーが包含されたまま残ってしまう恐れがあることがわかった。

特許第３６８３６９９号公報

本発明は、簡便に、かつ短時間で、無機繊維材料から、バインダーを充分に除去して良質な再生無機繊維を製造することができる再生無機繊維の製造方法を提供することを課題とする。また、得られた再生無機繊維を利用する無機繊維製品の製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、以下の態様を有する。
［１］無機繊維が有機物のバインダーで結合された無機繊維材料を過熱水蒸気に晒し、前記バインダーを除去する再生無機繊維の製造方法。
［２］前記無機繊維材料が、グラスウール又はロックウールである、［１］に記載の再生無機繊維の製造方法。
［３］３００℃以上、かつ前記無機繊維の溶融温度未満の温度で、前記無機繊維材料を過熱水蒸気に晒す、［１］又は［２］に記載の再生無機繊維の製造方法。
［４］有酸素条件下で、前記無機繊維材料を過熱水蒸気に晒す、［１］～［３］のいずれか一項に記載の再生無機繊維の製造方法。
［５］［１］～［４］のいずれか一項に記載の再生無機繊維の製造方法で再生無機繊維を製造し、得られた再生無機繊維を原料の一部として使用することを特徴とする無機繊維製品の製造方法。

本発明の再生無機繊維の製造方法によれば、簡便に、かつ短時間で、無機繊維製品等の無機繊維材料から、バインダーを充分に除去して、良質な再生無機繊維を製造することができる。
また、無機繊維製品の製造方法によれば、製品の品質を損なうことなく、再生無機繊維を利用して無機繊維製品を製造することができる。

本発明の再生無機繊維の製造方法に用いる過熱水蒸気処理装置の一例を示す概略構成図である。電気炉を用い、５５０℃で２０分間、次いで５５０℃で３０分間焼成した後のグラスウーマットの写真である。電気炉を用い、７００℃で所定時間焼成した後のグラスウーマットの写真である。過熱水蒸気処理前のグラスウーマットの写真である。過熱水蒸気処理後のグラスウーマットの写真である。

［再生無機繊維の製造方法］
本発明の再生無機繊維の製造方法において、原料となる無機繊維材料は、無機繊維が有機物のバインダーで結合された無機繊維材料である。なお、本発明における無機繊維に炭素繊維は含まれない。
無機繊維材料としては、グラスウール、ロックウール、セラミック繊維等の無機繊維製品の製造工程において発生する端材や不良品、及び建物、工場、車両等に使用され、これらの解体時に回収される回収無機繊維材料が挙げられる。

グラスウールは廃ガラスなどのガラスを、ロックウールは玄武岩、鉄炉スラグなどを、各々原料とする綿状の素材である。
いずれも溶融した原料を遠心力で吹き飛ばして空気中で固化させることにより製造される。また、綿状の無機繊維とした後、バインダーが添加されて、マット状などの適宜の形状に成形されて、断熱材、吸音材、その他各種成型品等の製品とされている。

グラスウールを構成する無機繊維は、二酸化ケイ素を主成分とし、酸化カルシウム、酸化アルミニウム等を含有する。ロックウールを構成する無機繊維は、二酸化ケイ素及び酸化カルシウム主成分とし、酸化アルミニウム等を含有する。
グラスウール、ロックウール等の無機繊維材料において、バインダーは、無機繊維に対して０．５～２０質量％程度付着している。樹脂中に無機繊維が分散している繊維強化プラスチックとは異なる。

バインダーとしては、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ポリビニルアルコール、糖由来の原料を主成分としたバインダー等の有機物のバインダーが使用される。でんぷん等の炭水化物のように、樹脂ではない有機物のバインダーを使用してもよい。中でもフェノール樹脂は、最も汎用されているバインダーであり、かつ本発明の方法により除去されやすいので好ましい。特にレゾール型フェノール樹脂が安価であるため、好ましい。

図１は、本発明に使用される過熱水蒸気処理装置の一例を模式的に示す概略構成図である。図１の装置は、装置本体１に配管２が通されている。また、配管２には複数のノズル３が接続されている。
配管２には、過熱水蒸気入口２ａから過熱水蒸気が導入され、ノズル３から過熱水蒸気が吐出され無機繊維材料４に吹き付けられるようになっている。また、余剰の過熱水蒸気は、過熱水蒸気出口２ｂから排出されるようになっている。
また、装置本体１には、空気入口１ａ、空気出口１ｂが設けられている。

ノズル３は、無機繊維材料４に満遍なく過熱水蒸気を吹き付けられるよう、二次元方向に複数配置することが好ましい。さらに満遍なく無機繊維材料４に吹き付けるためには、無機繊維材料４の上下にノズル３を配置する等、三次元方向に複数配置することが好ましい。
また、無機繊維材料４は、全体が過熱水蒸気に晒されるよう、ブロック状ではなく、薄いマット状として装置本体１に収容して処理することが好ましい。マット状の場合、密度は１０～１６ｋｇ／ｍ^３であることが好ましく、厚さは５０～１００ｍｍであることが好ましい。密度が低いほど、また厚さが薄い程、バインダーを除去しやすい。
また、ある程度細かくほぐしたブロー状とすることがより好ましい。

過熱水蒸気とは、飽和水蒸気に、さらに熱を加えた高温の水蒸気であり、常圧の場合、１００℃を超えて加熱された水蒸気である。
無機繊維材料を過熱水蒸気に晒すと、短時間でバインダーを除去できる。また、内部にバインダーが包含されたまま残ってしまう様な収縮も生じにくい。

本発明に使用する過熱水蒸気の温度（無機繊維材料が晒される際の温度）は、３００℃以上であることが好ましく、４００℃以上であることがより好ましく、５００℃以上であることがさらに好ましく、６００℃以上であることが特に好ましい。
過熱水蒸気の温度が好ましい下限値以上であれば、短時間でバインダーを除去できる。

また、過熱水蒸気の温度は、無機繊維の溶融温度未満であることが好ましく、１０００℃以下であることがより好ましく、９００℃以下であることがさらに好ましく、８００℃以下であることが特に好ましい。
過熱水蒸気の温度が好ましい上限値以下であれば、繊維状を保ったまま無機繊維を残すことができる。また、過剰なエネルギーを使用することなく、再生無機繊維を製造することができる。

本発明では、有酸素条件下で無機繊維材料を過熱水蒸気に晒すことが好ましい。有酸素条件下とすることにより、さらに、効率よくバインダーを除去することができる。
酸素は、無機繊維材料を過熱水蒸気に晒している間、連続的又は間欠的に補充されることが好ましい。
酸素が不足するとバインダーが炭化することにより、高い除去効率を得にくい。
無機繊維材料を構成する無機繊維は、酸素濃度が高くても劣化しにくい。

無機繊維材料を過熱水蒸気に晒す時間は、過熱水蒸気の温度や、酸素供給の状況にもよるが、０．１～１０分間が好ましく、０．３～５分間がより好ましく、０．５～３分間がさらに好ましい。
特に、バインダーとしてフェノール樹脂を用いた無機繊維材料を、酸素が連続的に供給される条件下で６００℃にて過熱水蒸気に晒した場合は、１分間程度で、ほぼ全量のバインダーを除去できる。

［無機繊維製品の製造方法］
本発明の無機繊維製品の製造方法は、本発明の再生無機繊維の製造方法で再生無機繊維を製造し、得られた再生無機繊維を原料の一部として使用する他は、公知の無機繊維製品の製造方法と同じである。
すなわち、本発明の再生無機繊維の製造方法で得られた再生無機繊維を含む原料を溶融し、遠心力で繊維化する。そして、バインダーとなる樹脂溶液を吹きつけ、乾燥炉で乾燥した後、用途に応じた形状に成形する。
本発明の無機繊維製品の製造方法によれば、簡便に、バインダーを充分に除去した再生無機繊維を使用できるので、低コストで、品質の安定した無機繊維製品を製造することができる。

［実験例１］
磁性るつぼに、バインダーとしてフェノール樹脂が種々の付着量で使用されたグラスウールマット製品（密度１６ｋｇ／ｍ^３、厚み１００ｍｍ）のｘ（ｇ）を、電気炉を用いて、５５０℃で所定時間（１分間、５分間、１０分間、又は２０分間）焼成する１回目の焼成を行った。
所定時間焼成後に室温まで冷却してからの質量ｙ（ｇ）を求めた。
その後、再度電気炉を用いて、さらに５５０℃で３０分間焼成する２回目の焼成を行い、室温まで冷却してからの質量ｚ（ｇ）を求めた。

表１に、ｘ（ｇ）、ｙ（ｇ）及びz（ｇ）と、これらから求めた１回目の焼成による質量減少量Ａ（ｇ）、１回目の焼成前からの２度の焼成による質量減少量Ｂ（ｇ）、Ｂに対するＡの比率（質量％）、及び焼成前のグラスウールマット製品に含まれる樹脂量（質量％）を示す。
また、図２に、１回目に２０分間焼成し、２回目に３０分間焼成した後のグラスウールマット製品の写真を示す。

表１のＮｏ．１－４で、２回目の焼成による質量減少が生じなかったことから、５５０℃の焼成では、２０分間でほぼ完全にバインダーの除去が完了することがわかった。
また、図２に示すように、Ｎｏ．１－４では、２回目に３０分間の焼成を行った後も、実質的な収縮は生じておらず、５５０℃の焼成では、無機繊維材料内部にバインダーが包含されたまま残ってしまう懸念は低いことが確認できた。
したがって、２回目の焼成（５５０℃で３０分間）を行えば、１回目の焼成時に残っていた樹脂も総て除去できることがわかった。

また、１回目の焼成前からの２度の焼成による質量減少量Ｂ（ｇ）は、１回目の焼成前のサンプルに含まれていた樹脂量（ｇ）にあたり、１回目の焼成前のサンプル量であるｘ（ｇ）に対するこのＢ（ｇ）の比率を求めれば、焼成前の樹脂量（質量％）を求められることがわかった。
また、Ｂに対するＡの比率（質量％）は、１回目の焼成による樹脂の除去率にあたる。このことから、５５０℃の焼成で９０質量％以上の樹脂を除去するためには、１０分間以上の処理時間が必要であることがわかった。

［実験例２］
磁性るつぼに、バインダーとしてフェノール樹脂が種々の付着量で使用されたグラスウールマット製品（密度１６ｋｇ／ｍ^３、厚み１００ｍｍ）のｘ（ｇ）を、電気炉を用いて、７００℃で所定時間（１分間、５分間、１０分間、又は２０分間）焼成する１回目の焼成を行った。
所定時間焼成後に室温まで冷却してからの質量ｙ（ｇ）を求めた。
その後、再度電気炉を用いて、さらに５５０℃で３０分間焼成する２回目の焼成を行い、室温まで冷却してからの質量ｚ（ｇ）を求めた。

表２に、ｘ（ｇ）、ｙ（ｇ）及びz（ｇ）と、これらから求めた１回目の焼成による質量減少量Ａ（ｇ）、１回目の焼成前からの２度の焼成による質量減少量Ｂ（ｇ）、Ｂに対するＡの比率（質量％）、及び焼成前のグラスウールマット製品に含まれる樹脂量（質量％）を示す。
また、図３に、１回目の焼成を行った後のグラスウールマット製品の写真を示す。

表２のＮｏ．２－１に示すように、７００℃、１分の焼成では、３０質量％程度の樹脂しか除去できないことがわかった。
また、図３に示すように、Ｎｏ．２－２～Ｎｏ．２－４では収縮が生じ、７００℃の焼成では、時間をかけても無機繊維材料内部にバインダーが包含されたまま残ってしまう懸念は高いことがわかった。

［サンプル］
実施例で使用したサンプルについては以下の略称で示す。
ＰＦ１：バインダーとしてフェノール樹脂（Ｍｗ３００程度のレゾール樹脂）を使用したマット状のグラスウール。密度１６ｋｇ／ｍ^３、厚み１００ｍｍ。
ＰＦ２：バインダーにフェノール樹脂を使用したブロー状（マット製品を細かく裁断した状態）のグラスウール。
Ｇ：バインダーとして糖由来の原料を主成分としたバインダーを使用したマット状のグラスウール。密度２４ｋｇ／ｍ^３、厚み１００ｍｍ。
アクリル：バインダーとしてアクリル樹脂を使用したマット状のグラスウール。密度２４ｋｇ／ｍ^３、厚み１００ｍｍ。
ＰＶＡ：バインダーとしてポリビニルアルコールを使用したマット状のグラスウール。密度１６ｋｇ／ｍ^３、厚み１００ｍｍ。

［樹脂量と除去率］
実験例１に基づき、電気炉を用いて５５０℃で３０分間焼成した際の質量減少量を用いて、樹脂量と除去率を求めた。
すなわち、過熱水蒸気による処理前のサンプル中の樹脂量（質量％）は、未処理のサンプルを、５５０℃で３０分間焼成した際の質量減少量を、未処理のサンプルの質量で除し、１００倍することにより求めた。
また、過熱水蒸気による処理後のサンプル中の樹脂量（質量％）は、過熱水蒸気による処理後のサンプルを、さらに５５０℃で３０分間焼成した際の質量減少量を、過熱水蒸気による処理前のサンプルの質量で除し、１００倍することにより求めた。
また、過熱水蒸気処理による樹脂除去率（質量％）は、過熱水蒸気による処理前後におけるサンプル中の樹脂量（質量％）の差を、過熱水蒸気による処理前のサンプル中の樹脂量（質量％）で除し、１００倍することにより求めた。

［実施例］
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
以下の実施例では、過熱水蒸気による処理を、（株）トクデン製の過熱蒸気ＵＰＳＳ－Ｗ２０（以下単に「処理装置」という。）を用いて行った。
また、扉の開閉により、処理装置内への酸素供給の影響を調べた。また、扉の開閉とノズルの加温の有無により、処理装置内の温度を変化させ、サンプルが過熱水蒸気に晒される雰囲気温度の影響を調べた。

（実施例１）
サンプルとしてＰＦ１の約１５ｇを、処理装置に入れ、７００℃の蒸気を、７００℃に加温したノズルから噴き出して３０秒間処理した。処理中、処理装置の扉を半開（薄く開けた状態）とし、内部に空気が供給される様にした。サンプルが過熱水蒸気に晒される雰囲気温度を熱電対で測定したところ、約６００℃であった。

（実施例２）
処理時間を１分間とした他は、実施例１と同様にしてＰＦ１の約１５ｇの処理を行った。サンプルが過熱水蒸気に晒される雰囲気温度を熱電対で測定したところ、約６００℃であった。

（実施例３）
処理時間を２分間とした他は、実施例１と同様にしてＰＦ１の約１５ｇの処理を行った。サンプルが過熱水蒸気に晒される雰囲気温度を熱電対で測定したところ、約６００℃であった。

（実施例４）
扉を閉じて、処理中新たな空気が供給されない様にすると共に、処理時間を５分間とした他は、実施例１と同様にしてＰＦ１の約１５ｇの処理を行った。サンプルが過熱水蒸気に晒される雰囲気温度を熱電対で測定したところ、約６００℃であった。

（実施例５）
扉を全開とし、処理時間を１分間とした他は、実施例１と同様にしてＰＦ１の約１５ｇの処理を行った。サンプルが過熱水蒸気に晒される雰囲気温度を熱電対で測定したところ、約５００℃であった。

（実施例６）
扉を全開とし、処理時間を２分間とした他は、実施例１と同様にしてＰＦ１の約１５ｇの処理を行った。サンプルが過熱水蒸気に晒される雰囲気温度を熱電対で測定したところ、約５００℃であった。

（実施例７）
扉を全開とし、処理時間を２分間とし、処理開始１分後に裏返すことにより、過熱水蒸気に晒される面を代えた。その他は、実施例１と同様にしてＰＦ１の約１５ｇの処理を行った。サンプルが過熱水蒸気に晒される雰囲気温度を熱電対で測定したところ、約５００℃であった。

（実施例８）
扉を全開とし、処理時間を５分間とした他は、実施例１と同様にしてＰＦ１の約１５ｇの処理を行った。サンプルが過熱水蒸気に晒される雰囲気温度を熱電対で測定したところ、約５００℃であった。

（実施例９）
ノズルの加温を行なわず、扉を全開とし、処理時間を２分間とし、処理開始１分後に裏返すことにより、過熱水蒸気に晒される面を代えた。その他は、実施例１と同様にしてＰＦ１の約１５ｇの処理を行った。サンプルが過熱水蒸気に晒される雰囲気温度を熱電対で測定したところ、約４００℃であった。

（実施例１０）
ノズルの加温を行なわず、扉を全開とし、処理時間を１０分間とし、処理開始５分後に裏返すことにより、過熱水蒸気に晒される面を代えた。その他は、実施例１と同様にしてＰＦ１の約１５ｇの処理を行った。サンプルが過熱水蒸気に晒される雰囲気温度を熱電対で測定したところ、約４００℃であった。

（実施例１１）
サンプルとしてＰＦ２の約１５ｇを用いた他は、実施例１０と同様にして処理を行った。サンプルが過熱水蒸気に晒される雰囲気温度を熱電対で測定したところ、約４００℃であった。

（実施例１２）
サンプルとしてＧの約１５ｇを用いた他は、実施例３と同様にして処理を行った。サンプルが過熱水蒸気に晒される雰囲気温度を熱電対で測定したところ、約６００℃であった。

（実施例１３）
サンプルとしてＧの約１５ｇを用いた他は、実施例１０と同様にして処理を行った。サンプルが過熱水蒸気に晒される雰囲気温度を熱電対で測定したところ、約４００℃であった。

（実施例１４）
サンプルとしてアクリルの約１５ｇを用いた他は、実施例１０と同様にして処理を行った。サンプルが過熱水蒸気に晒される雰囲気温度を熱電対で測定したところ、約４００℃であった。

（実施例１５）
サンプルとしてＰＶＡの約１５ｇを用いた他は、実施例１０と同様にして処理を行った。サンプルが過熱水蒸気に晒される雰囲気温度を熱電対で測定したところ、約４００℃であった。

各実施例のサンプルの種類及び過熱水蒸気による処理条件と、過熱水蒸気による処理前のサンプル中の樹脂量（質量％）、過熱水蒸気による処理後のサンプル中の樹脂量（質量％）及び過熱水蒸気処理による樹脂除去率（質量％）を表３に示す。
なお、表３における「ノズル加温」の欄の○は７００℃にノズルを加温したことを示し、×はノズルの加温を行わなかったことを示す。
また、表３における「裏返し」の欄の○は処理の途中でサンプルを裏返したことを示し、×はサンプルの裏返しを行わなかったことを示す。
また、実施例２のサンプルの過熱水蒸気による処理前の写真を図４に、過熱水蒸気による処理後の写真を図５に、各々示す。

表３の実施例１～３に示す様に、過熱水蒸気で処理することにより、３０秒程度で９０質量％近くの樹脂を除去することが可能であり、１分でほぼ完全に除去できることがわかった。すなわち、実験例１、２で用いた電気炉による処理と比較して、極めて迅速に除去できることがわかった。
また、図４、図５に示す様に、処理前後で殆ど収縮は生じておらず、無機繊維材料内部にバインダーが包含されたまま残ってしまう懸念は低いことがわかった。

また、空気の供給が遮断された実施例４では、実施例１～３と比較して処理時間が長いにもかかわらず、除去率が低かった。したがって、無機繊維に付着した樹脂を除去するにあたっては、有酸素条件下で処理することが好ましいことがわかった。

また、実施例５～８に示す様に、雰囲気温度を約５００℃に下げても、雰囲気温度が約６００℃である実施例１～３と比較して、遜色ない除去率が得られた。
一方、実施例９～１０に示す様に、雰囲気温度を約４００℃に下げた場合は、雰囲気温度が約６００℃である実施例１～３と比較して、多少除去率が低下した。

また、実施例６と実施例７との対比から、途中で裏返すことで、除去率が向上することがわかった。また、ブロー品を処理した実施例１１では、マット品を処理した実施例１０よりも除去率が高かった。
これらの結果から、サンプル全体を満遍なく過熱水蒸気に晒すことの重要性が確認できた。

また、実施例１２、１３に示す様に、バインダーが糖由来の原料を主成分としたバインダーである場合も、バインダーがフェノール樹脂である場合と比較して同等の除去率が得られることがわかった。
また、実施例１４、１５に示す様に、バインダーがアクリル樹脂やポリビニルアルコールである場合も、過熱水蒸気による処理が有効であることがわかった。

１…装置本体、２…配管、３…ノズル、４…無機繊維材料

Claims

無機繊維が有機物のバインダーで結合された無機繊維材料を、４００℃以上、かつ前記無機繊維の溶融温度未満の温度で過熱水蒸気に晒し、前記バインダーを除去する再生無機繊維の製造方法。
前記無機繊維材料が、グラスウール又はロックウールである、請求項１に記載の再生無機繊維の製造方法。
有酸素条件下で、前記無機繊維材料を過熱水蒸気に晒す、請求項１又は２に記載の再生無機繊維の製造方法。
請求項１～３のいずれか一項に記載の再生無機繊維の製造方法で再生無機繊維を製造し、得られた再生無機繊維を原料の一部として使用することを特徴とする無機繊維製品の製造方法。