JPH04108115A - 高耐熱高強度アルミナシリカ質繊維 - 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］ 本発明は主成分がアルミナ及びシリカからなるアルミナ
シリカ質繊維に関する。

［従来の技術］ 従来、この種のアルミナシリカ質繊維は大量に生産され
、各種の用途に用いられている。

一般のアルミナシリカ質繊維は、アルミナ含有率が４０
〜６５％で、シリカ含有率が６０〜３５％である。この
ような基本組成を基にして、さらに酸化クロム、酸化ジ
ルコニウム、酸化硼素などの副成分が十数％ないし数％
添加されて、耐熱性の向上や繊維化の容易さについて改
善がなされることもある。

アルミナシリカ質繊維を製造する際には、通例、原料を
電気炉で溶融し、その溶融物を細い流れにして炉外に導
き繊維化する。

繊維化の１つの方法として、溶融物の細い流れに高速の
ガス体を当てて引伸ばす方法がある。この方法はブロー
イング法といわれている。

また、別の方法として、溶融物を高速で回転する回転体
に当て、遠心力で引伸しながら繊維化する方法がある。

この方法はスピニング法といわれている。

ブローイング法及びスピニング法のいずれの方法によっ
ても、得られる繊維は５０〜１００ミリメートルの平均
繊維長を持つ。このような短い繊維を一般に短繊維と呼
んでいる。

いずれの方法においても、高温の溶融状態から急冷しな
がら繊維状に引き伸ばすので、得られる繊維は室温では
非晶質である。

ここで非晶質とは結晶質ではないという意味で用いてお
り、ガラス質と言いかえてもよい。もっと具体的にいえ
ば、非晶質とはＸ線に対して結晶の回折を示さないこと
を意味している。

非晶質の繊維も、はぼ１０００℃以上で使用されると急
激に結晶質に転移する。

このような非晶質のアルミナシリカ質繊維は、高温にお
ける加熱収縮率が比較的小さい。

また、耐熱性か高い。そのため、この種の繊維は、ブラ
ンケットやフェルトに加工されて、一般工業炉の断熱材
として広く用いられている。

また、最近では、アルミナシリカ質繊維は金属、プラス
チック、その他の材料等と組合せて複合材として用いら
れている。こういった断熱材以外の用途では、単なる充
填材に止どまらず、補強繊維としても使用されるように
なってきた。

［発明が解決しようとする課題］ 補強繊維として使用されているアルミナシリカ質繊維は
断熱材として使用されているアルミナシリカ質繊維をそ
のまま流用するに過ぎなかったため、補強繊維として要
請されている特性を十分満足しているとは言えなかった
。例えば、耐熱性と強度に欠点があった。

とくに高温における強度か不十分であった。

さらに、比弾性率も不十分であった。例えば、アルミナ
シリカ質繊維をアルミニウムやアルミニウム合金などの
金属に混ぜて補強材として用いる場合、この種の繊維の
もつ特性を十分に生かせなかった。

従来のアルミナシリカ質繊維は、それが溶融アルミニウ
ムと接触する場合、約７５０℃の温度に加熱されるが、
その際、このような温度でも繊維の特性が劣化し、強度
が低下した。

また、従来のアルミナシリカ質繊維をクロスやロープと
して用いた場合、高温での強度低下が著しいので、用途
の拡大が著しく制限されていた。

上記欠点を克服すべく、本発明は耐熱性を改善し、かつ
高温で強度が低下しないアルミナシリカ質繊維を提供す
ることを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、請求項１の発明は、アルミ
ナの含有量が４０〜６５重量％の非晶質のアルミナシリ
カ質繊維か−らなり、この繊維中のＮａ及びＫの合計が
２５０ｐｐｍ以下の範囲としている高耐熱高強度アルミ
ナシリカ質繊維である。

Ｎａの混入は十分な配慮の下では最低限に押さえられる
が、一定量を越えると好ましくない。Ｋも同様である。

本発明の繊維中に許容できるＮａ及びＫの合計含有量の
範囲は重量分析値にて２５０ｐｐｍ以下の範囲である。

但し、１０ｐｐｍ未満の範囲は、原料の価格が高くなり
すぎ、また製造に手間がかかり過ぎるので好ましくない
。２５０ｐｐｍを越えると耐熱性及び高温時の引張強度
が低下する。

特に耐熱性に影響する。

また、請求項２の発明は、アルミナの含有率か４０〜６
５重量％の非晶質のアルミナシリカ質繊維からなり、こ
の繊維中のＮａ及びＫの合計が２５０ｐｐｍ以下の範囲
で、かつこの繊維に含まれるＦｅか５ｏｏｐｐｍ以下で
ある高耐熱高強度アルミナシリカ質繊維である。

Ｆｅの混入は十分な配慮の下では最低限に押さえられる
が、一定量を越えると好ましくない。本発明の繊維中で
推奨出来るＦｅの範囲はｓｏｏｐｐｍ以下であり、５Ｑ
Ｑｐｐｍを越えると耐熱性及び高温時の引張強度が低下
しやすくなる。特に引張強度が影響をうける。

要するに、本発明に係る繊維は、従来のアルミナシリカ
質繊維に比べ、Ｎａ及びＫの合計含有量及びＦｅ含有量
が著しく少ないことに特徴がある。本発明におけるＮａ
及びＫの合計含有量及びＦｅ含有量は従来品に比へ約１
／１０以下である。

本発明のアルミナシリカ質繊維は、アルミナ原料とシリ
カ原料を混合してから溶融し、その溶融物を急冷しなか
ら短時間で繊維化したものである。

なお、本発明において、副成分として酸化クロムや酸化
ジルコニウム、酸化硼素か少量含まれていてもよい。

［実施例］ 本発明によるアルミナシリカ質繊維の製造に当たり、高
純度のアルミナ原料及びシリカ原料を使用するのが望ま
しい。その他に、高純度のアルミナシリカ化合物を使用
することも出来る。

従来の非晶質アルミナシリカ質繊維でも、窯業原料とし
ては比較的純度の高いものが使用されてきた。例えば、
アルミナ原料としては比較的純度の高いバイヤー法アル
ミナを使用し、シリカ原料としては外国産の純度の高い
珪砂等を使用してきた。

このような原料においては、いずれも比較的不純物が少
ないものの、Ｎａ、に、Ｆｅの酸化物がそれぞれ０．０
１〜０．２％の範囲で含まれている。

このような範囲で不純物を含む原料は本発明に係る繊維
を製造する原料としては好ましくない。本発明に係る繊
維を製造する原料としては、さらにアルカリ金属酸化物
及びＦｅの酸化物の含有量の低いものが望まれる。

後述するように、現在の技術では不純物の少ない原料を
用いても、製造段階で新たに混入する不純物をゼロにす
ることは困難である。

製造段階での不純物混入を考慮したうえで、前述のよう
な厳しい要求を満たす原料を天然原料中に見出だすこと
は困難である。

したかって、通常はアルミナ原料およびシリカ原料のい
ずれも、合成原料を使用する。

アルミナ原料としては従来バイヤー法の合成アルミナを
使用していたが、バイヤー法のアルミナには、製法上、
Ｎａ２Ｏが０．１〜０．２含まれてしまう。

従って本発明で使用するアルミナ原料は普通のバイヤー
法以外の製法によるものが好ましい。例えば、アンモニ
ウムミョウバン法や有機金属加水分解法等によって得た
アルミナを使用するのが好ましい。

しかし、不純物の多い原料の使用を全く否定するもので
はない。不純物の多い原料を用いても、不純物を除去す
る工程を適用すれば、本発明の繊維は製造することが可
能である。

シリカ原料についても、天然珪砂は、不純吻合有量、特
にアルカリ金属の酸化物の含有量か多いので、本発明で
は使用しにくい。

したがって、本発明ではシリカ原料として合成原料の使
用が好ましい。このような原料として四塩化ケイ素や各
種アルキルシリケートを出発原料とした合成シリカが挙
げられる。

本発明で用いられる原料の例を第１表に示す。比較のた
めに、従来より多く用いられているバイヤー法アルミナ
及び天然珪砂（フラタリーサンド）の不純物分析値を示
す。

第１表のＡＣＬ−２７、ＣＡＨ−５０１はいずれも高純
度アルミナ原料の例である。これらのアルミナは不純物
含有量がいずれの元素についても重量でｉｏｏｐｐｍ以
下である。

この程度の純度であれは、本発明で使用しうる。Ｐ−３
は高純度シリカ原料の例で、不純物元素はほとんどゼロ
に近い。これも本発明で使用しうる。

Ａ　−Ｈは従来から多量に用いられているバイヤー法の
アルミナの例である。この例では、Ｎａ及びＦｅの含有
量か高い。フラタリーサンドはＦｅ、Ｎａ、Ｋがかなり
少ないか、Ｐ−３に較べれば著しく多い。

不純物の多い原料を多量に使用することはてきないが、
それを高純度の原料に混ぜて使用することは可能である
。

本発明に係る繊維を製造するには、まず高純度の原料を
所定の配合比で配合し、それを電気炉で溶融する。溶融
に使用する電気炉の型式はいずれの形式であってもかま
わないが、いずれの型式であっても原料以外の部分から
不必要な不純物が溶融物に混入するのを極力避けなけれ
ばならない。不純物の混入源は原料及び溶湯に直接接触
する物体の全てに及ぶ。

例えば、原料貯蔵タンク、原料混合機、原料輸送系、炉
殻、オリフィス、電極、高速ガス体、集綿室等である。

好ましくない不純物として、Ｎａ５Ｋの酸化物だけでな
く、さらにＦｅの酸化物を挙げることができる。これら
の不純物は出来るだけ少ないほうが望ましい。

最終的に繊維中に取込まれる不純物には、上述のように
、原料から入ってくるものと、それ以外のルートから入
ってくるものに分がれる。

後者のような不純物の例としては、Ｆｅまたはその酸化
物が特に顕著である。Ｎａ及びその酸化物の多くも後者
のルートで入ってくる。

ＮａやＦｅの混入は十分な配慮の下で最低限に押さえる
必要がある。

［実験例］ 以下、実験例を示して、さらに詳細に説明する。

第１表に示した高純度アルミナ及び高純度シリカを所定
の比率で配合した。配合物をアーク式電気炉で溶融し、
その溶融物を炉外へ細い流れとして導いた。この細い流
れに高速空気を当てて繊維化した。

目標の配合組成を第２表に示す。第２表の実験例１−ａ
ではアルミナ原料をＡＣＬ−２７とし、シリカ原料をＰ
−３とした。

実験例３−ａでは、アルミナ原料をＣＡＨ−５０１とし
、シリカ原料をＰ−３とした。

実験例２−ａでは、アルミナ原料をＡＣＬ２７とＣＡＨ
−５Ｑ　ｌを５０％ずつ混合して用い、シリカ原料をＰ
−３とした。

比較例１−ａでは、アルミナ原料をＡ−Ｈとし、シリカ
原料をフラタリーサンドとして繊維化した。

得られた繊維中の不純物の化学分析値を第３表に示す。

第３表によれば、いずれの繊維も、原料の配合組成から
予想される量よりも多い不純物か認められた。特にＮａ
、’Ｆｅの増加が著しい。

第３表に示した繊維について引張強度試験を行った。試
験条件は、常温て引張試験を行う場合と、予め８００℃
で３０分熱処理を施して引張試験を行う場合の２種類に
分けた。

試験方法はＪＩＳ　　Ｒ７６０１に準じて行った。１試
料につき５０本の繊維について、チャック間距離２５ｍ
ｍ、引張速度２ｍｍ／分で試験した。繊維径は破断部分
について顕微鏡測定を行って求めた。その結果を第４表
に示す。

第４表によれば、熱処理をしない場合の引張強度は実験
例１−ａ、２−ａ、３−ａの方が比較例１−ａに比べて
わずかに大きいが、または同程度である。引張弾性率に
ついてもほぼ同様のことがいえる。しかし、８００℃て
熱処理した繊維の引張強度は、本発明の各実験例では平
均１７０Ｋｇ／ｍｍ２を維持するか、比較例１−ａでは
９６Ｋｇ／ｍｍ２と低下している。

引張弾性率を比べると、本発明の各実験例の場合は、熱
処理によって全く低下しておらず、約１３０００Ｋｇ／
ｍｍ２を維持しティる。本発明の各実験例の繊維は、熱
処理により引張強度と引張弾性率があまり低下していな
いのである。これに比べ、比較例１−ａの弾性率は熱処
理によって約７０００Ｋｇ／ｍｍ２に低下した。すなわ
ち、比較例１−ａの方は熱処理によって引張強度と引張
弾性率の両方が著しく低下した。

次に第３表に示した繊維について耐熱試験を行った。ま
ず第３表に示した繊維から試験試料を作成した。試料の
作成方法について述べると、繊維を通常の水道水を満た
した水槽にいれ、繊維２００ｇｒに対して陽性デンプン
６ｇｒの割合で繊維に陽性デンプンを添加して良く攪拌
したあと、縦横１０１００ｘ１００．厚さ２０ｍｍに真
空成形した。真空成形品を十分に乾燥してから加熱試験
に供した。

加熱試験は電気炉を使い、試料の縦横の寸法について加
熱前後の変化から線収縮率を求めた。

耐熱試験の結果を第６表に示す。

耐熱試験に用いた成形体の一部を１０００℃で仮焼して
デンプンを消失させた後、化学分析を行った。その結果
を第５表に示す。

また、耐熱試験を行った後の試料についてＸ線回折試験
をした。試料中に検出されたムライト結晶（３Ａ１２０
３　・２ＳｉＯ２）とクリストバライト結晶（ＳｉＯｚ
）の回折ピーク強度を第７表に示す。

ここで、第３表〜第５表の各実験例と比較例の対応関係
について説明する。

第３表の実験例１　　ａ　％　２へａ　％　３　　ａか
ら作成した成形体の分析値及び加熱試験結果が第５表、
第６表、第７表の実験例１−ｄ１２’−ｄ、３−ｄに対
応し、同様に第３表の比較例１−ａの成形体の分析値及
び加熱試験結果は第５表、第６表、第７表の比較例１−
ｄに対応する。

第５表の成形品の分析値と第３表に示した元の繊維の分
析値を比較すると、Ｎａの含有量に著しい違いが認めら
れる。第３表の実験例１　　ａｓ２　　ａｓ３　　ａに
おけるＮａの値は１８〜６７ｐｐｍである。

この値は、Ｎａ２Ｏ％の表示に換算すると、０．０２４
〜０．００９％に相当する。同様に第３表の比較例１−
ａのＮａの値をＮａ２Ｏ％に換算すると、それは０．１
５％に相当する。

これに対し、第５表のＮａ２Ｏ％は実験例１−ｄ、２−
ｄ、３−ｄの成形体で０．１２〜０．１７％である。

また、比較例１−ｄは０．１８％である。

Ｎａ２Ｏ％について第３表と第５表を比較すると、各実
験例と比較例のいずれも第５表で大幅に増えている。つ
まり成形加工を受ける段階で第３表の繊維は著しく不純
物に汚染されたことを示す。

このように不純物に汚染された第５表の成形体について
は、各実験例と比較例の分析値は、それぞれの成分につ
いてほとんど同じである。

しかし、第５表に対応する成形体の耐熱試験の結果では
明確に差が出ている。すなわち第６表において実験例１
−ｄ、２−ｄ、３ｄは１３００℃と１４００℃のいずれ
の試験温度でも比較例１−ｄより加熱収縮率か小さかっ
た。

１３００℃で加熱した時の加熱時間に応じた試料中の結
晶量は第７表に示されている。

第７表によれは、各実験例は比較例に比べてクリストバ
ライトの析出量が極端に少ない。

この差が収縮率の差となっていると考えられる。

なお、微量成分の分析には各種の方法か適用できるが、
本発明の試験では炎光光度法を採用した。他にイオンク
ロマト法も可能である。

［発明の効果コ 前述のように、本発明に係るアルミナシリカ質繊維は高
温下におかれても引張強度や引張弾性率の低下か少なく
、また１３００℃以上の温度に長時間さらされても収縮
率が小さい。このような効果は成形に際して不純物に汚
染されても維持される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アルミナの含有率が４０〜６５重量％ の非晶質のアルミナシリカ質繊維からなり、この繊維に
   含まれるＮａ及びＫの合計が２５０ｐｐｍ以下の範囲で
   ある高耐熱高強度アルミナシリカ質繊維。 ２、アルミナの含有率が４０〜６５重量％ の非晶質のアルミナシリカ質繊維からなり、この繊維に
   含まれるＮａ及びＫの合計が２５０ｐｐｍ以下の範囲で
   、かつこの繊維に含まれるＦｅが５００ｐｐｍ以下であ
   る高耐熱高強度アルミナシリカ質繊維。