JPH01112687A - 板状発熱体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、住宅用暖房や屋根融雪等に利用され、通電す
ることによって発熱する板状発熱体及びその製造方法の
改良に関するものである。

（従来の技術） 板状発熱体には、実開昭５３−２８９４１号公報に開示
されているような線状発熱体を埋設したものや、実開昭
５８−２５１４号公報に開示されているような導電性材
料を樹脂で固めたものがある。そして、これら板状発熱
体は住宅の壁や床等に設置して暖房用に、また屋根や道
路に設置して融雪用として使用されている。

これら板状発熱体のうち前者は安価であるという長所を
有するものの、面全体を均一に加熱することが難しく、
また発熱線の一箇所でも断線すると使用不可能になると
いう欠点を有するため、最近では後者のタイプが主流と
なりつつある。

そこで、本出願人らは後者のタイプの板状発熱体を更に
改良するものとして、セメントと珪砂を主成分とする無
機材料中にカーボンファイバーやカーボンブランクを分
散混合させたセメント系板状発熱体を特願昭６１−２８
００７５号で提案した。

ところで、−ｆｉにセメント系成形体の製造方法として
は、 ■　型への流し込み方法、 ■　孔型ノズルからの押し出し方法、 ■　水分を多くしたスラリーから抄造する方法、が用い
られている。

しかしながら、■の押し出し方法は、水分を少なくした
混練原料を使用しなければ押し出し成形後の保形性が得
られず、一方水分を少くすると炭素繊維の分散性が悪く
なり、発熱体として通電したときには発熱ムラが大きく
、温度分布の不均一なものとなるという欠点がある。

また■の抄造法では、水分の混合割合が多く、炭素繊維
にセメント、骨材等が十分に付着、捕捉されないために
成形体を形成できなかった。

従って、従来は■の流し込み方法によって製造されてお
り、本出願人らの提案した板状発熱体もこの方法によっ
て製造するものであった。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記■の流し込み方法によって得られる
本出願人らが先に提案したセメント系板状発熱体におい
ても次のような問題を内在していることがその後の研究
・実験によって判明した。

（ｉ）成型工程において、カーボンファイバー等の炭素
繊維やカーボンブラック等の導電性微粉末を十分に分散
させることができず、更に気泡の巻き込み等もあって成
品となった後の通電時の発熱による温度分布が不均一に
なる。

（ｉｉ　）炭素繊維の分散状態が三次元的なランダム配
向となるため、仮に発熱体の端面から通電した場合には
板面に対して垂直方向に向いた炭素繊維は発熱体として
作用せず、発熱効率が悪い。

本発明は上記したような問題点に鑑みて成されたもので
あり、本出願人らが先に特願昭６１−２８００７５号で
提案した板状発熱体の目的に加え、更に炭素繊維や導電
性微粉末の分散性を向上させることにより、板肉の発熱
温度のバラツキを減少せしめ、かつ炭素繊維を二次元配
向となして発熱効率を向上させ得る板状発熱体及びその
製造方法を提供せんとするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明者らは、上記した問題点を解決するには抄造法で
製造するのが最も良好であるとの考えのもと、種々検討
を重ねた結果、以下の本発明を成立させた。

すなわち本発明の第１は、セメントと骨材を主成分とす
る無機材料に炭素繊維と導電性微粉末を分散混入して成
形した板状発熱体において、前記セメントと骨材の混合
比をＣａＯ／ＳｉＯ□モル比が０．４〜１．５と成し、
更に所要量の石綿及び／又は叩解処理したパルプを混入
せしめたことを要旨とする板状発熱体である。

また本発明の第２は、セメントと骨材を主成分とする無
機材料に炭素繊維と導電性微粉末を分散混入した板状発
熱体を製造する方法において、前記セメントと骨材の混
合比がＣａＯ／ＳｉＯ□モル比で０．４〜１．５となる
ように調整した無機材料と、炭素繊維及び導電性微粉末
と、更に所要量の石綿及び／又は叩解処理したパルプに
、これら固体分の５〜１５倍の水を加え混練してスラリ
ーと成し、このスラリーを抄造法にて板状に成形した後
オートクレーブ養生することを要旨とする板状発熱体の
製造方法である。

ここで固体分とは、セメント、骨材、炭素繊維、導電性
微粉末、石綿及び／又は叩解パルプをいう。

本発明において、セメントと骨材の混合比をＣａＯ／Ｓ
ｉＯ２モル比で０．４〜１．５としたのは、本発明の板
状発熱体がオートクレーブ養生することを特徴としてお
り、このオートクレーブ養生の効果を発揮させるために
は前記混合比が最適だからである。

すなわち、骨材を混入しない場合、普通ポルトランドセ
メントのＣａＯ／ＳｉＯ２モル比は３．１５となる（第
２表参照）。このモル比３．１５の骨材を混入しないも
のをオートクレーブ養生をしないと、その曲げ強度は１
４２　ｋｇ／ｃｎｉとなり、オートクレーブ養生によっ
てこれより高強度となすには下記第１表の如くモル比０
．４〜１．５の範囲となすことが必要なことが明らかで
ある。これはオートクレーブ養生によりＣａＯと５ｉＯ
ｚが反応し、板状発熱体を高強度となし、かつ寸法変化
を小さくする範囲である。なお、高強度を必要とするの
は、板状発熱体自体を構造材として利用することも可能
とする為である。

第１表 〔炭素繊維　１．７５　重量％、ｈ−＃ンブラフク１重
量％〕また本発明において、水を固体分の５〜１５倍と
したのは、抄造によって炭素繊維を二次元的に配向させ
可及的均一に分散させるためである。

ところで、本発明にあっては石綿及び／又は叩解処理し
たパルプを混入し、抄造法と養生を併用するところに特
徴を有し、使用する各種材料の種類については特に限定
するものではない。

すなわち、セメントは発熱体を成形するための結合材で
あり、普通ポルトランドセメントが一般的であるが、早
強ポルトランドセメント、その他の混合セメントでもよ
い。

骨材は前記セメントと結合して成形体を構成すると共に
発熱体の強度と耐火性を高めるものであり、徽粉硅砂が
一般的であるが、その他の骨材でもよい。但し、強度を
高めるためには好ましくは粒径がｌｌ１１以下で、かつ
ＳｉＯ□分の含有率の大きなものの方がよい。

炭素繊維は通電により発熱させるために添加されるもの
で、発熱体として必須のものであるが、その種類はピッ
チ径、ＰＡＮ系のいずれでもよい。

しかし、集束タイプのものよりモノフィラメントタイプ
の方が好ましい。またこの炭素繊維は、発熱体の強度を
高め、特に耐衝撃性や耐ひび割れ性を向上させる作用を
もつためその長さは長いほどよいが、混練時の分散性を
考慮すると３〜１０１ｍが好ましい。しかし、必ずしも
その長さを限定するものではない。

導電性微粉末は、前記炭素繊維同士を電気的に結合させ
、安定した発熱特性を保つためのものである為、導電性
であればよい。例えばカーボンブラック、黒鉛粉、ニッ
ケル粉、鉄鉱石粉など種々対象となるものがある。その
粒径は使用する炭素繊維の直径よりも小さい方が好まし
い。これは導電性微粉末の役目がランダムに配向した炭
素繊維同士を電気的に結合させることにあり、炭素繊維
との接触の確率を高めるためには粒子が細かい方がよく
、その結果発熱特性が安定するためである。

石綿と叩解処理したパルプは抄造成型時にスラリー中の
固体分を捕捉し、炭素繊維の捕捉性を補うものである為
、抄造成型の際にスラリー中の固体分を十分捕捉するも
のであればその種類は特に限定しなくてもよい。パルプ
の叩解度は使用するセメント、骨材、導電性微粉末の種
類やその配合条件、また石綿との併用有無などにより異
なるが、−ｉ的には２０〜７０°ＳＲの範囲で使用され
る。

なお、石綿は抄造性を高めるものであるが、公害を引き
起す物質である為、使用は避ける方が好ましい。

本発明では、セメントと骨材の混合比を上記した範囲と
する他は各材料の配合割合等を特に限定するものではな
い。その理由を以下に述べる。

一般に発熱体の性能は発熱量で示される。したがって、
印加電圧と各発熱体の接続方法が決まれば発熱体に必要
な抵抗が得られるが、接続方法、印加電圧は板状発熱体
の使用条件によりそれぞれ異なることから、必要な抵抗
が必ずしも一定しないこと、さらに抵抗は板状発熱体の
大きさ、板厚によっても異なるため、この抵抗の大きさ
に直接影舌する炭素繊維及び導電性微粉末の混入率は限
定できないことになる。また、導電性微粉末はその種類
により導電性が異なることも、混入率を限定できない理
由の一つである。但し、炭素繊維の混入率は混練時の分
散性の面から考えると６重量パーセントが限度である。

また、板状発熱体の性能とは係りなく、炭素繊維がスラ
リー中で切断せずかつ均一に分散する炭素繊維の限界混
入率を調べたところ、固体分の５倍の水を加えた場合３
重量パーセント、固体分の１５倍の水を加えた場合６重
量パーセントとなった。なお、この場合の配合条件は炭
素繊維以外には叩解パルプ（３０°　ＳＲ）を５重量パ
ーセント、残部をセメントとし、混練機には７００ＰＰ
Ｍの回転羽を有するスラッシュパルパーを用いたが、こ
の限界混入率は使用材料、配合条件、混練機の性能によ
っても多少異なることが予想される。

一方、石綿と叩解パルプはそれぞれ単独で、あるいは両
者混合で使用できる。この石綿と叩解パルプには上記し
たようにセメント系無機材料、炭素繊維、導電性微粉末
等の固体分を抄造成型の際に捕捉する役割を課しており
、発熱体そのものの性能に寄与しないプロセス繊維とし
て位置付けている。

したがって、石綿を補強繊維として使用している石綿ス
レートや、パルプを補強繊維として使用しているパルプ
セメント板のように多量に混入する必要はなく、石綿と
叩解パルプは単独使用、両者併用を問わず、固体分の５
重量パーセント程度の混入率でよい。

しかし、この石綿、叩解パルプの混入率はセメント系無
機材料、炭素繊維、導電性微粉末の種類や混入率によっ
て異なること、さらに叩解パルプはその叩解度によって
固体分の捕捉効果が異なることから、−概に混入率を限
定することはできない。なお、石綿および叩解パルプは
それぞれ単独で使用した場合、固体分の２〜５重量パー
セントの範囲では板状発熱体の発熱特性には何ら影響を
与えないことが本発明者らの実験の結果明らかとなって
いる。

固体分のうちセメント系無機材料として使用されるセメ
ントと骨材は炭素繊維、導電性微粉末、石綿、叩解パル
プの残分として添加されるが前記したように炭素繊維、
温電性微細骨材、石綿、叩解パルプの総固体分に対する
混入率が限定できないので、これらセメントと骨材につ
いても混入率を定めることが出来ない。

本発明では板状発熱体を抄造機にて成型する。

抄造成型は周知のごとく、固体分に対し５〜１５倍の水
を加えたスラリーを用いる。したがって、セメント材料
の一般的な成型方法である流し込み成型をはじめ、特殊
成型である押し出し成型よりも多量の水を用いることか
ら固体分の分散が著しく改善されることになる。よって
、本発明では炭素繊維をセメント系無機材料と少量の水
とで混練する際、炭素繊維の分散性を向上させるために
必ず添加しなければならなかったメチルセルロースを用
いることなく炭素繊維が均一に分散することになり、経
済性からも有利である。

以上のように本発明の如（抄造成型にて板状発熱体を製
造すると、発熱に最も重要な役割を有している炭素繊維
を均一に分散させることが可能となり、板肉の発熱温度
のバラツキを小さくすることが出来る。さらに、抄造成
型では炭素繊維が二次元に配向することから、三次元配
向となる従来の流し込み成型で得られた板状発熱体より
炭素繊維を効率的に活用出来る。

板状発熱体はそれ自体が高強度であり、かつ供用時の寸
法変化の小さいものが望ましい。これは、従来の発熱体
は他の補強部材との組合わせで構成されることが多く、
強度を特に考慮する必要がなかったのであるが、本発明
の如く抄造法で作られたものは板厚の比較的薄いものが
得られ、発熱体単体で使用されることもあるからである
。

そこで、本発明ではセメントと骨材の混合比をモル比で
０．４〜１．５と調整した上、オートクレーブ養生を行
うのである。オートクレーブ養生の条件は１４０〜ｂ ましいのであるが、使用セメント、骨材種類、ＣａＯ／
ＳｉＯ□モル比により各々最適養生時間が異なることか
ら、本発明では特に限定しない。

（実　施　例） 以下、本発明の実施例について説明する。

長さ６１１のピッチ系炭素繊維、導電性微粉末であるカ
ーボンブラック、３０°ＳＲの叩解度を有する針葉樹叩
解パルプ、普通ポルトランドセメント、微粉珪砂からな
る固体分に１０倍の水を加えてスラリー化し、これを丸
網抄造機にて板厚５酊の板状体を得た。

このとき、前記炭素繊維は０．７５．１．１．１．５．
１．７５．２．２５．４．０重量パーセント、カーボン
ブランクは０．１重量パーセント、叩解パルプは３重量
パーセントとし、また残分は普通ポルトランドセメント
と微粉珪砂として、普通ポルトランドセメントと微粉珪
砂との混合比はＣａＯ／ＳｉＯ□モル比が０．８となる
よう調整して抄造を行った。

モル比の調整を具体的に示す。普通ポルトランドセメン
ト１に対し、微粉珪砂がχとなる重量割合において第２
表に示す組成より の式が成り立ち、χは０．７と求まる。すなわち普通ポ
ルトランドセメントに対する微粉珪砂の重量割合は０．
７となる。

第２表　材料の組成とモル （上段：重量ｔ％、下段…ｏｆ／ｋｇ）そして、抄造後
の板状体を１８０℃×５時間のオートクレーブ養生し、
その抵抗率を求めたところ下記第３表及び第１図に示す
ような結果が得られた。なお、比較例は実施例と同一材
料にて流し込み成型で得た板状体の結果である。

上記第３表及び第１図より、本発明で得られる板状発熱
体は流し込み成型で得られたものより同一配合の場合抵
抗率が小さくなることが判る。これは炭素繊維の配向に
起因しており、同一抵抗率を得る場合の炭素繊維の混入
率は本発明の抄造成型で得られる板状発熱体の方が流し
込み成型で得られるそれより少なくなり、炭素繊維が効
率的に利用できることが明らかである。

またカーボンブラックは下記第４表及び第２図に示す如
く混入した方が抵抗率が小さくなるが、カーボンブラッ
ク１重量パーセントと無添加では余り抵抗率に差がない
。ところが抄造成型で得られた板状発熱体の発熱温度バ
ラツキはカーボンブラック無添加のものは上１６〜±２
０％に対し、−カーボンブランクを１重量パーセント添
加したものは±８〜１０％と大幅に改善されていること
が明らかとなった。・なお、流し込み成型で得られた比
較例の板状発熱体の発熱温度バラツキは上２０〜±４０
％であった。

他方、寸法変化率は０．０９％と実用上問題のない値が
得られた。

次に本発明に係る板状発熱体の設計法の一例を示す。

ここで板状発熱体の寸法を幅６００　ｍｍ、長さ６００
酊、板厚５龍の板で発熱量４００Ｗ／ｍを得るとする。

なお、印加電圧を１００Ｖとし板状体１枚を発熱させる
と仮定すると、必要抵抗率は０．２３Ωｍとなるため、
第２図の結果から炭素繊維１．０型番パーセント、カー
ボンブランク１重量パーセントを配合すればよいことが
判る。

また、同様に板状発熱体の寸法を幅３００削、長さ６０
０　ｘｍ、板厚６鶴とし、必要発熱量を３００Ｗ／ｍと
すると必要抵抗率は０．５６Ωｍになる。したがって、
前記したように板状発熱体の大きさ、板厚、印加電圧、
接続方法等により必要抵抗率が異なり、さらに使用する
導電性微粉末の種類と混入率によって抵抗率が異なるこ
となどから、各種材料の配合条件は限定できないことが
判る。

（発明の効果） 以上説明したように本発明は、従来の配合に石綿及び／
又は叩解したパルプを混入することによって抄造成型が
可能となり、その結果、炭素繊維、カーボンブラック等
の導電性微粉末の疎密が流し込み成型に較べて少なくな
る為、発熱のバラツキが減少する。また本発明によれば
炭素繊維が二次元配向となる為、少量の炭素繊維で所望
の発熱量が得られ、かつオートクレーブ養生によって高
強度な坂が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の実験結果の一例を示す図面
である。 特許出願人　住友金属工業株式会社 同　　　　ナショナル住宅産業株式会社第１因 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）セメントと骨材を主成分とする無機材料に炭素繊
   維と導電性微粉末を分散混入して成形した板状発熱体に
   おいて、前記セメントと骨材の混合比をＣａＯ／ＳｉＯ
   ＿２モル比が０．４〜１．５と成し、更に所要量の石綿
   及び／又は叩解処理したパルプを混入せしめたことを特
   徴とする板状発熱体。
2. （２）セメントと骨材を主成分とする無機材料に炭素繊
   維と導電性微粉末を分散混入した板状発熱体を製造する
   方法において、前記セメントと骨材の混合比がＣａＯ／
   ＳｉＯ＿２モル比で０．４〜１．５となるように調整し
   た無機材料と、炭素繊維及び導電性微粉末と、更に所要
   量の石綿及び／又は叩解処理したパルプに、これら固体
   分の５〜１５倍の水を加え混練してスラリーと成し、こ
   のスラリーを抄造法にて板状に成形した後オートクレー
   ブ養生することを特徴とする板状発熱体の製造方法。