JP5885799B2 - 断熱材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、無機繊維を使用した断熱材及びその製造方法に関し、更に詳しくは低熱伝導率であって放熱によるエネルギーロスを抑制することができ、耐水性に優れ、加工性が高く、且つ強度的にも優れた無機繊維質の断熱材及びその製造方法に関する。

近年、省エネルギー化の観点から放熱によるエネルギーロスを抑制するため、工業炉等の産業設備に使用する断熱材には益々低熱伝導率の断熱材が望まれている。また、例えば燃料電池やその改質器に使用されるような断熱材料として、数百度から８００℃程度までの中温域におけるエネルギーロスの抑制に加えて、低発塵性や、繰り返し加熱での形状安定性や強度を兼ね備える必要があり、これらの要求を満たす断熱材も求められている。

従来から、産業設備に使用する断熱材としては、無機繊維を母材として構成する断熱材が使用されてきた。例えば特許文献１には、シリカアルミナ繊維等の無機繊維を水に分散させたスラリーに無機粒子を加え、更にシリカゾルのような無機バインダーと凝集剤を添加して、脱水成形することにより製造された無機繊維質の断熱材が記載されている。この種の断熱材は、高温まで使用でき且つ強度的に優れているため素材そのままで使用できるが、６００℃での熱伝導率は０.１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超え、満足できる断熱性能とはいえなかった。

一方、特許文献２には、微粒子シリカ（粒径５０ｎｍ以下）を用いて粒子間の空隙サイズを小さくし、気体の伝導伝熱を抑制することで低熱伝導率化させ、補強のために無機繊維を混合して圧縮成形した断熱材が記載されている。この粒径５０ｎｍ以下の微粒子シリカを使用した断熱材は、微細な多孔構造を有することで、断熱性能が最大限になるように設計されている。このような断熱材はマイクロポーラス断熱材と称され、６００℃での熱伝導率が０.０４５Ｗ／（ｍ・Ｋ）を下回り、優れた断熱性能を有しているが、強度が低く、特に粉塵が発生しやすく、粉発ち（表面に微粉が付着し、また付着している微粉が飛散する現象）が多い、加工性が悪い、施工性に劣るなどの問題があった。

このようなマイクロポーラス断熱材の問題点を補うために、上記特許文献２では断熱材を金属容器に充填している。また、粉塵が発生しやすく、粉立ちが多いという問題点を解決する手段として、例えば特許文献３には、一般的な無機繊維を母材として構成する断熱材について、繊維製の被覆材で覆うことにより変形による崩壊や粉塵の発生を防止する方法が記載されている。

特開２０１２−１４０３１１号公報 特許第４８６０００５号公報 特開２０１２−１４９６５８号公報

上記したように、従来の無機繊維質の断熱材は、３点曲げ強度が０.４〜０.５ＭＰａと強度的には優れているが、６００℃における熱伝導率は０.１２０〜０.１４０Ｗ／(ｍＫ)であるため断熱性能が不十分であった。一方、マイクロポーラス断熱材は、６００℃における熱伝導率が０.０４５Ｗ／(ｍＫ)以下で優れた断熱性能を持つが、３点曲げ強度が０.１５ＭＰａ以下と低いためハンドリング時に欠けや割れなどが生じやすく、また脆いために加工性や施工性に劣っている。

また、従来の無機繊維質の断熱材及びマイクロポーラス断熱材は、表層が脆く発塵性があるため粉立ち（表面に微粉が付着したり、付着している微粉が飛散する現象）が起こりやすいこと、加熱線収縮が大きいことが問題となっており、特にマイクロポーラス断熱材では顕著である。断熱材を繊維製被覆材で被覆することで発塵を防止することは可能であるが、繊維製被覆材の作製には寸法精度や手間等の問題があり、被覆後の切断、穴あけ、研削などの加工ができないなど、コスト面や使用面での新たな課題も生じている。

特に最近では、工業炉、溶解炉、加熱炉のほか、燃料電池用の断熱材として上記無機繊維質の断熱材やマイクロポーラス断熱材が期待され、組み合わせや複合構造での低熱伝導率化が行われているが、それぞれの部材で低い熱伝導率と十分な強度とを同時に満足することはできず、発塵の抑制も不十分であった。また、燃料電池用の断熱材では更に耐水性や耐振動性が要求されるが、特にマイクロポーラス断熱材では満足し得るものではなかった。

本発明は、上記した従来の無機繊維質断熱材やマイクロポーラス断熱材の問題点に鑑みてなされたものであり、熱伝導率が低く断熱性能に優れていると同時に、強度が高く、加工性や施工性に優れ、低い発塵性と、耐振動性及び耐水性を兼ね備え、加熱線収縮率が極めて小さい断熱材を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明が提供する断熱材は、平均繊維径が１.５〜５.０μｍの無機繊維と、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナと、無機粉末粒子とからなる断熱材であって、無機繊維を２５〜４０重量％、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナを５〜４０重量％、無機粉末粒子を２０〜７０重量％含有し、かさ密度が３００〜６００ｋｇ／ｍ^３、３点曲げ強度が０.３ＭＰａ以上、６００℃における熱伝導率が０.０６０〜０.０９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であることを特徴とする。

上記本発明による断熱材においては、無機繊維として平均繊維径が１.５〜５.０μｍと小さいものを使用し、無機粒子として通常の無機粉末粒子と共に、平均粒子径が５０ｎｍ以下と小さい微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナを使用している。このように微小な材料を用いることによって、断熱材内部の気孔を小さくして気体の対流伝熱や気体分子の衝突による伝熱を抑制し、熱伝導率の低下を図っている。

上記本発明による断熱材においては、特に、無機繊維を３０〜４０重量％、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナを３０〜４０重量％、無機粉末粒子を３０〜４０重量％含有する場合には、微小な材料の含有量が相対的に増えるので、熱伝導率をより一層低下させることができ更に好ましい。

更に、上記本発明による断熱材においては、その断熱材が６５０℃以上の温度で加熱処理されていることが好ましい。断熱材を６５０℃以上で加熱処理することによって、断熱材が含有している無機繊維、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナ、及び無機粉末粒子の間で焼結が生じるため、全体的に硬化が進み、断熱材の強度の向上を図ることができる。

また、本発明による断熱材の製造方法は、平均繊維径１.５〜５μｍの無機繊維と、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナと、無機粉末粒子とからなる断熱材の製造方法であって、無機繊維２５〜４０重量％と、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナ５〜４０重量％と、無機粉末粒子２０〜７０重量％とを混合し、かさ密度が３００〜６００ｋｇ／ｍ^３となるように型を用いて圧縮成形することを特徴とする。

更に、断熱材の強度を向上させるためには、上記本発明による断熱材の製造方法により得られた断熱材を、６５０℃以上の温度で加熱処理することが好ましい。

本発明によれば、熱伝導率（６００℃）が０.０９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下と低く、マイクロポーラス断熱材と同等程度の優れた断熱性能を有すると同時に、３点曲げ強度が０.３ＭＰａ以上と高く、従来の無機繊維質断熱材と同程度の強度を備え、加工性や施工性に優れているうえ、低発塵性と、耐振動性及び耐水性を兼ね備えた断熱材を提供することができる。従って、本発明の断熱材は、工業炉等の産業設備用としては勿論のこと、燃料電池用としても極めて有用である。

一般に、断熱材の内部に大きな気孔が存在すると、気体の対流伝熱及び気体分子の衝突による伝熱が促進されるため熱伝導率は高くなるが、逆に断熱材内部の気孔が小さいと、比表面積が増大して熱反射効果が大きくなるため、熱伝導率が低下することになる。そこで本発明の断熱材では、無機繊維として平均繊維径が１.５〜５.０μｍと小さいものを使用し、無機粒子として通常の無機粉末粒子と共に、平均粒子径が５０ｎｍ以下と小さい微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナを使用することによって、内部の気孔を小さくし、気体の対流伝熱や気体分子の衝突による伝熱を抑制して、熱伝導率の低下を図っている。

即ち、本発明による断熱材は、平均繊維径が１.５〜５.０μｍの無機繊維と、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナ（共に平均粒子径５０ｎｍ以下）と、無機粉末粒子（平均粒子径０.１〜２０μｍ）とによって構成されている。これらの原料の配合割合を調整して、かさ密度が３００〜６００ｋｇ／ｍ^３の範囲となるように圧縮成形することで、０.０６〜０．０９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率（６００℃）と、０.３ＭＰａ以上の３点曲げ強度とを兼ね備えた断熱材となる。

更に具体的に説明すると、本発明の断熱材における熱伝導率と強度、加工性や施工性、発塵性、耐振動性及び耐水性などの向上、及び繰り返し加熱による亀裂や加熱線収縮の抑制には、原料である無機繊維、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナ、及び無機粉末粒子の配合割合と、断熱材のかさ密度とが大きく影響している。また、原料の圧縮成形においては、無機繊維の量が多く、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナや無機粉末粒子の量が少ないほど、得られる断熱材のかさ密度は小さくなり、逆の場合には断熱材のかさ密度は大きくなる。

この知見に基づいて検討した結果によれば、上記した熱伝導率及び強度などの優れた特性を得るためには、本発明の断熱材は、無機繊維（平均繊維径１.５〜５.０μｍ）を２５〜４０重量％、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナ（平均粒子径５０ｎｍ以下）を５〜４０重量％、無機粉末粒子（平均粒子径０.１〜２０μｍ）を２０〜７０重量％含有する必要がある。特に熱伝導率の低下を意図する場合には、無機繊維を３０〜４０重量％、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナを３０〜４０重量％、無機粉末粒子を３０〜４０重量％含有することが好ましい。

無機繊維が２５重量％未満か、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナが５重量％未満か、若しくは無機粉末粒子が７０重量％を超えると、かさ密度が６００ｋｇ／ｍ^３を超えてしまう。その結果、断熱材の強度は高くなるが、熱伝導率も０.０９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超えて高くなり、断熱材性能が悪くなるため好ましくない。一方、無機繊維が４０重量％を超えるか、無機粉末粒子が４０重量％を超え、又は無機粉末粒子が２０重量％未満になると、かさ密度が３００ｋｇ／ｍ^３未満となってしまう。その場合には、断熱材の強度が低くなり、ハンドリング性及び加工性や施工性等が悪くなるため好ましくない。

本発明において、微粒子シリカとは平均粒子径５０ｎｍ以下の酸化ケイ素粉末粒子を意味し、火炎加水分解法、アーク法、プラズマ法などにより得られる。また、微粒子アルミナとは平均粒子径５０ｎｍ以下の酸化アルミニウム粉末粒子を意味し、火炎噴霧熱分解法などの噴霧法により得られる。無機粉末粒子とは通常の平均粒子径０.１〜２０μｍの無機粉末粒子であり、例えばシリカ、アルミナ、二酸化チタン、ケイ酸ジルコニウム、酸化ジルコニウム、炭化ケイ素などがあり、これらを単独で又は混合して用いることができる。無機繊維としては、生体溶解性繊維、アルミナ繊維、シリカアルミナ繊維、シリカアルミナジルコニア繊維などを用いることができる。

上記本発明の断熱材は、６５０℃以上の温度で加熱処理されていることが好ましい。断熱材を上記温度で加熱処理することによって、更に強度が向上すると共に０.５％以下と極めて低い加熱線収縮率を有する断熱材となる。ただし、加熱処理温度が６５０℃未満では、強度の向上及び加熱線収縮率の低下が望めない。

次に、本発明の断熱材の製造方法について説明する。まず、原料である平均繊維径１.５〜５.０μｍの無機繊維と、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナと、無機粉末粒子とを混合し、得られた混合物を所定形状の型を用いて圧縮成形することによって、本発明の断熱材を製造することができる。各原料の配合割合は、圧縮成形後の断熱材のかさ密度が３００〜６００ｋｇ／ｍ^３となるように、無機繊維を２５〜４０重量％、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナを５〜４０重量％、無機粉末粒子を２０〜７０重量％とする。

本発明の断熱材は、上記の製造方法により製造することができ、熱伝導率（６００℃）が０.０６０〜０.０９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低く、断熱性能に優れている。同時に、３点曲げ強度が０.３ＭＰａ以上、１０％圧縮強度が１.０ＭＰａ以上という高い強度を有し、加工性や施工性にも優れている。更に、低発塵性及び耐振動性に優れるうえ、使用した微粒子及び無機粉末粒子は疎水性であるため、耐水性を兼ね備えた断熱材とすることができる。

ただし、断熱材を燃料電池の断熱材として用いる場合、繰り返し加熱後の厚み方向の収縮を小さくしなければならない部位がある。そのため、特に燃料電池の断熱材として用いる場合には、上記した本発明の断熱材を６５０℃以上の温度で加熱処理して予め焼結させておくことにより、厚さ方向の収縮率を大幅に低下させることができる。具体的には、上記の加熱処理によって、本発明による断熱材の加熱線収縮率を０.５％以下とすることができる。従って、本発明の断熱材は、工業炉等の産業設備用として好適であると同時に、燃料電池用としても極めて優れている。

無機繊維としてイソライト工業（株）製のシリカアルミナ繊維であるイソウール（商品名；Ａｌ_２Ｏ_３：４６重量％、Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ^２：９９重量％、平均繊維径：２.３μｍ、非繊維状粒子含有量：５３重量％）を使用し、微粒子シリカ（平均粒子径：５０ｎｍ以下）及び無機粉末粒子のシリカ粒子(平均粒子径：２０μｍ以下)を使用して、以下の実施例及び比較例により断熱材を製造した。

［実施例１］
原料の無機繊維７５ｇ（３０重量％）と、微粒子シリカ８７.５ｇ（３５重量％）と、シリカ粒子８７.５ｇ（３５重量％）とを混合した。得られた混合物を金型に挿入して圧縮成形を行い、縦１５０×横１５０×厚さ２５ｍｍの断熱材を作製した。得られた断熱材のかさ密度は、３９７ｋｇ／ｍ^３であった。尚、かさ密度は断熱材の重さと体積を測定して算出した。

この実施例１の断熱材について、熱伝導率（６００℃）、３点曲げ強度、１０％圧縮強度及び加熱線収縮率（９００℃×８時間）を測定した。また、耐水性試験により、断熱材を水に１０秒間浸漬した後表面状態を観察して、ひび割れ等の有無を調査した。得られた結果を表１に示した。

尚、熱伝導率（６００℃）はＪＩＳ Ａ１４１２（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）の付属書Ａ（規定）平板法）、３点曲げ強度はＪＩＳ Ｒ２６１９（耐火断熱れんがの曲げ強さの試験方法）、１０％圧縮強度はＪＩＳ Ｒ２６１５（耐火断熱れんがの圧縮強さ試験方法）、加熱線収縮率はＪＩＳ Ｒ３３１１（セラミックファイバーブランケット）に準拠して測定した。

［実施例２］
上記実施例１で得られた断熱材を、更に９００℃にて２時間加熱処理することにより、実施例２の断熱材を製造した。この実施例２の断熱材のかさ密度は４２５ｋｇ／ｍ^３であった。

また、この実施例２の断熱材について、上記実施例１と同様に、熱伝導率、３点曲げ強度、１０％圧縮強度及び加熱線収縮率を測定した。また、耐水性試験により、断熱材を水に１０秒間浸漬した後表面状態を観察して、ひび割れ等の有無を調査した。得られた結果を表１に示した。

［比較例１］
原料として、無機繊維３２ｇ（２０重量％）と微粒子シリカ１２８ｇ（８０重量％）とを混合した。得られた混合物を金型に挿入して圧縮成形を行い、縦１５０×横１５０×厚さ２５ｍｍの断熱材を作製した。得られた断熱材はマイクロポーラス断熱材であり、そのかさ密度は２５０ｋｇ／ｍ^３であった。

また、この比較例１の断熱材について、上記実施例１と同様に、熱伝導率、３点曲げ強度、１０％圧縮強度及び加熱線収縮率を測定した。また、耐水性試験により、断熱材を水に１０秒間浸漬した後表面状態を観察して、ひび割れ等の有無を調査した。得られた結果を表１に示した。

［比較例２］
原料として、無機繊維と無機バインダーのコロイダルシリカとを水に添加し、数分間撹拌することにより、無機繊維９５重量％と無機バインダー５重量％を含むスラリーを形成した。このスラリーに有機系高分子凝集剤として澱粉の水溶液を加えて凝集させ、型を用いて縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚み２５ｍｍの板状に吸引成形した。得られた板状の断熱材を１１０℃で乾燥させて、従来の無機繊維質の断熱材を製造した。この断熱材の乾燥後のかさ密度は２７０ｋｇ／ｍ^３であった。

また、この比較例２の断熱材について、上記実施例１と同様に、熱伝導率、３点曲げ強度、１０％圧縮強度及び加熱線収縮率を測定した。また、耐水性試験により、断熱材を水に１０秒間浸漬した後表面状態を観察して、ひび割れ等の有無を調査した。得られた結果を表１に示した。

〔表１の考察〕
本発明による実施例１及び２の断熱材は、比較例１のマイクロポーラス断熱材と比較して、熱伝導率については劣るものの、３点曲げ強度及び１０％圧縮強度は高く、加熱線収縮率は小さい。実施例１及び２のかさ密度は、比較例１に比べて大きいため、３点曲げ強度及び１０％圧縮強度が高くなっていると考えられる。
また、比較例２の従来の無機繊維質断熱材と比べると、熱伝導率は１／２程度まで小さくなっている。これは、内部の気孔を小さくし、気体の対流伝熱や気体分子の衝突による伝熱を抑制したためと考えられる。

これらの結果から分かるように、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナは熱伝導率向上に効果的であるが、その量が多くなるとかさ密度が高くならないため、強度が低くなってしまう。また、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナは粒子径が小さく、比表面積が大きいため、反応性に富んでいて焼結しやすい。そのため、比較例１の断熱材では、加熱線収縮率が他に比べて大きくなっている。

また、耐水性試験では、実施例１〜２及び比較例２の断熱材にひび割れ等の外観の変化は無かったが、比較例１のマイクロポーラス系断熱材では多数の大きなひび割れが認められた。

Claims (5)

1. 平均繊維径が１.５〜５.０μｍの無機繊維と、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナと、無機粉末粒子とからなる断熱材であって、無機繊維を２５〜４０重量％、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナを５〜４０重量％、無機粉末粒子を２０〜７０重量％含有し、かさ密度が３９７〜６００ｋｇ／ｍ^３、３点曲げ強度が０.３ＭＰａ以上、６００℃における熱伝導率が０.０６０〜０.０９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であることを特徴とする断熱材。
2. 前記無機繊維が、アルミナ繊維、シリカアルミナ繊維、シリカアルミナジルコニア繊維又は生体溶解性繊維であることを特徴とする、請求項１に記載の断熱材。
3. 前記無機粉末粒子が、シリカ、アルミナ、二酸化チタン、ケイ酸ジルコニウム、酸化ジルコニウム、炭化ケイ素から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の断熱材。
4. 平均繊維径１.５〜５.０μｍの無機繊維と、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナと、無機粉末粒子とからなる断熱材の製造方法であって、無機繊維２５〜４０重量％と、微粒子シリカ及び／又は微粒子アルミナ５〜４０重量％と、無機粉末粒子２０〜７０重量％とを混合し、かさ密度が３９７〜６００ｋｇ／ｍ ^３ となるように型を用いて圧縮成形することを特徴とする断熱材の製造方法。
5. 請求項４に記載の方法により得られた断熱材を、更に６５０℃以上の温度で加熱処理することを特徴とする断熱材の製造方法。