JPH0426194B2 - - Google Patents

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、通電することによつ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板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、セメントと硅砂を
主成分とする無機材料中にカーボンフアイバーや
カーボンブラツクを分散産合させたセメント系板
状発熱体を特願昭61−280075号で提案した。 ところで、一般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つた。 従つて、従来はの流し込み方法によつて製造
されており、本出願人らの提案した板状発熱体も
この方法によつて製造するものであつた。 （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つて
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・実験によつて判明した。 (i) 成型工程において、カーボンフアイバ等の炭
素繊維やカーボンブラツ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
き込み等もあつて成品となつた後の通電時の発
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、出本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、板内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／SiO₂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／SiO₂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／SiO₂モル比で0.44〜1.5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ブ養生をしないと、その曲げ
強度は142Kg／cm²となり、オートクレーブ養生に
よつ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SiO₂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
構造材としして利用することも可能とする為であ
る。

【表】 また本発明において、水を固体分の５〜15倍と
したのは、抄造によつて炭素繊維を二次元的に配
向させ可的及均一に分散させるためである。 ところで、本発明にあつては石綿及び／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、セメントは迫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、微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１mm以下で、かつSiO₂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、
その種類はピツチ径、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イラメント
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３〜10mm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
ラツク、黒鉛粉、ニツケル粉、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。バルブ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、一般的には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
がつて、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、さらな抵抗は板状発熱体の大きさ、板厚
によつても異なるため、この抵抗の大きさに直接
影響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つた。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700RPMの回転羽を有するスラツシユパルパ
ーを用いたが、この限界混入率は使用材料、配合
条件、混練機の性能によつ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。 したがつて、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
や混入率によつて異なること、さらに叩解パルプ
はその叩解度によつて固体分の捕捉効果が異なる
ことから、一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
なつている。 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、導電性微細骨材、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。したがつて、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。よつて、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つ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く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、板内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
がなかつたのであるが、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140〜1880℃×３〜10時間が程度が好ましいの
であるが、使用セメント、骨材種類、SaO／
SiO₂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６mmのピツチ系炭素繊維、導電性微粉末で
あるカーボンブラツク、30゜SRの叩解度を有する
鉢葉樹叩解パルプ、普通ポルトランドセメント、
微粉硅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５mm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、カーボンブラツ
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
ントと微粉硅砂として、普通ポルトランドセメン
トと微硅砂との混合比はCaO／SiO₂モル比が0.8
となるよう調整して抄造を行つた。 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、微粉硅砂がｘとなる重量割
合において第２表に示す組成より CaO／SiO₂＝11.29＋0.022x／3.58＋15.13x＝0.8 の式が成り立ち、ｘ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硅砂の重量
割合は0.7となる。

【表】 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、その抵孔率を求めたところ
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。

【表】

【表】 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。 またカーボンブラツクは下記第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、
カーボンブラツク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
ラツク無添加のものは±16〜±20％に対し、カー
ボンブラツクを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
となつた。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±20〜±40％
であつた。 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。

【表】 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600mm、長さ600
mm、板厚５mmの板で発熱量400W／m²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1.00重量パ
ーセント、カーボンブラツク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300mm、長
さ600mm、板厚６mmとし、必要発熱量を3000W／
m²とすると必要抵抗率は0.56Ωｍになる。したが
つて、前記したように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
率によつ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
つて抄造成型が可能となり、その結果、炭素繊
維、カーボンブラツ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つて
高強度な板が得られる。

【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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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／SiO₂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 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
   を特徴とする板状発熱体の製造方法。