JP6920580B2

JP6920580B2 - 断熱窓とその製造方法

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Publication number: JP6920580B2
Application number: JP2017036239A
Authority: JP
Inventors: 大道光明寺; 一摩及川; 崇鶴田; 享和田; 茂昭酒谷; 秀規宮川
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2017-02-28
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2037-02-28
Also published as: JP2018141525A

Description

本発明は、断熱構造体とその製造方法に関する。

優れた断熱構造体として、エアロゲルを使用した断熱窓がある（特許文献１）。この断熱窓は、２枚のガラスの間に粒子状のエアロゲル入れ込んだものである。

特開平１１−３００８５号公報

しかしながら、この断熱窓では、エアロゲル以外に空気の層がある。結果、空気を伝わり、断熱性能が悪かった。

よって、本発明の課題は、空気の層のないエアロゲルを含む断熱構造体とその製造方法を提供することである。

上記目的を達成するために、第１部材と、第２部材と、上記第１部材と第２部材との間に形成されたエアロゲル膜と、を含む断熱構造体を用いる。

また、第１部材上にゾルを塗布する工程と、上記ゾルをゲルへゲル化する工程と、上記ゲルを疎水化する工程と、上記ゲルを乾燥させエアロゲル膜とする工程と、を含む断熱構造体の製造方法を用いる。

本発明によれば、断熱性能に優れた断熱構造体を実現できる。

実施の形態１の断熱構造体の断面図（ａ）〜（ｄ）本実施の形態１の断熱構造体の製造方法を示す断面図実施の形態２の断熱構造体の断面図実施の形態３の断熱構造体の断面図（ａ）実施の形態４の断熱構造体の断面図、（ｂ）実施の形態４のエアロゲル膜の斜視図

以下本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１に、実施の形態１の断熱構造体１０ａの断面図を示す。
第２部材１２と第１部材１１との間にエアロゲル膜１３が配置されている。
エアロゲル膜１３は、エアロゲルの層である。エアロゲル粒子でなく、エアロゲルからなる膜状の層である。エアロゲルの原料のゾル溶液を塗布して作製された膜である。

熱源５５の熱を、この断熱構造体１０ａで断熱する。

図２（ａ）〜図２（ｄ）の断面図で断熱構造体１０ａの製造方法を説明する。

図２（ａ）は、第１部材１１の断面である。図２（ｂ）で第１部材１１上に、以下のゾル溶液１５をノズル１８から塗布する。

＜ゾル溶液１５＞
高モル珪酸水溶液（東曹産業株式会社、ＳｉＯ_２濃度１４重量％）２２．２９重量部に、触媒として濃塩酸を０．３１重量部（１．４重量％）添加、攪拌し、ゾル溶液１５を調合する。

シリカの原料種は、高モル珪酸ソーダに限定されるものではなく、アルコキシシランや水ガラス（低モル比）を用いてもよい。高モル珪酸水溶液とは、ＳｉＯ_２の一次粒子の粒度分布がおよそ２〜２０ｎｍの範囲にあり、水ガラスとコロイダルシリカの中間サイズに位置するシリカ原料であり、通常の水ガラスよりもナトリウム成分が１重量％以下に低減されている。

ＳｉＯ_２濃度は、シリカキセロゲルの強度を維持させるために１０重量％以上が好ましい。固体の伝熱成分を減らして熱伝導率を小さくするために、ＳｉＯ_２濃度は１６重量％以下が好ましい。高モル珪酸水溶液中の珪酸の加水分解反応を促進させるため、酸触媒を添加することが好ましい。

使用する酸の種類としては、塩酸、硝酸、硫酸、フッ酸、亜硫酸、リン酸、亜リン酸、次亜リン酸、塩素酸、亜塩素酸、次亜塩素酸等の無機酸類、酸性リン酸アルミニウム、酸性リン酸マグネシウム、酸性リン酸亜鉛等の酸性リン酸塩類、酢酸、プロピオン酸、シュウ酸、コハク酸、クエン酸、リンゴ酸、アジピン酸、アゼライン酸等の有機酸等が挙げられる。使用する酸触媒の種類に制限はないが、得られるシリカキセロゲルのゲル骨格強度、疎水性の観点から、塩酸が好ましい。

酸の濃度は、例えば塩酸の場合は１〜１２Ｎが好ましく、６〜１２Ｎがより好ましい。酸の濃度が１Ｎ未満の場合、高モル珪酸水溶液を所望のｐＨに調整する際、より大量の希塩酸を添加する必要がある。このため、珪酸の濃度が減少し、シリカネットワークの構築が効果的に進行しない場合がある。

酸の濃度が６Ｎ以上であれば、例えば、１Ｎ塩酸を添加する場合に比べて、添加量が６分の１量で澄み、ＳｉＯ_２濃度の低下を免れることが可能となる。

酸触媒の添加量は、調整するｐＨ値にもよるが、塩酸の場合、ヒドロゲルの重量１００重量部に対して、１２Ｎ塩酸水溶液の場合は０．５〜６．０重量部が好ましく、１．０〜３．０重量部がより好ましい。

次に、図２（ｂ）の後、時間を置くと、図２（ｃ）のようにゾル溶液１５が第１部材１１上で平坦化される。第１部材１１を回転させ、ゾル溶液１５をレベリングで平坦化してもよい。

＜ゲル化＞
その後、ゾル溶液１５をゲル化させ、ゲル２５とする。

上記の酸触媒を高モル珪酸水溶液に添加して調製したゾル溶液１５のゲル化を行う。ゾル溶液１５のゲル化は、液体溶媒が揮発しないような密閉容器内で行うことが好ましい。

高モル珪酸水溶液に酸を添加してゾル溶液１５をゲル化させる場合、その時のｐＨ値は４．０〜８．０が好ましい。ｐＨが４．０未満の場合、あるいは、８．０より大きい場合、その時の温度にもよるが、高モル珪酸水溶液がゲル化しない場合がある。

ゾル溶液のゲル化温度は、常圧下の場合においては、０〜１００℃が好ましく、２０〜９０℃がより好ましい。

ゲル化温度が０℃未満であると、反応の活性種である珪酸モノマーに必要な熱が伝わらない。その結果、シリカ粒子の成長が促進されず、ゾル溶液のゲル化が十分に進行するまでに時間を要する。さらに、生成される湿潤状態のゲルの強度が低く、乾燥時に大きく収縮する場合がある。また、所望のシリカキセロゲルが得られない場合もある。

また、ゲル化温度が１００℃を越えると、容器を密閉していたとしても容器の中で水が揮発してゲルと分離する現象がみられる。これにより得られる湿潤ゲルの体積が減少して、所望のシリカキセロゲルが得られない場合がある。

ゲル化温度が２０〜９０℃の範囲であれば、生産性を損なうことなく、シリカ粒子の適度な成長とシリカネットワークの形成によるゲル化を促進できる。さらに、湿潤状態のゲルの水分を揮発させることなく、ゲル化を誘起することができるため、より好ましい。

なお、ゲル化時間は、ゲル化温度や後述するゲル化後の養生時間により異なる。しかし、ゲル化時間と後述する養生時間とを合計して、０．５〜７２時間が好ましく、さらに、２〜２４時間が好ましい。

このようにして、ゲル化及び養生を行うことで、ゲル２５の壁の強度や剛性が向上し、乾燥時に収縮し難い湿潤のゲル２５を得ることができる。

ゲル化時間と養生の合計時間が０．５時間未満であると、ゲル２５の壁の強度向上が不十分な場合がある。

また、ゲル化時間と養生の合計時間が７２時間より長いと、ゲル壁の強度の向上における養生の効果が乏しくなり、逆に生産性を損なう場合がある。ゲル化時間と養生の合計時間が２〜２４時間であれば、生産性を損なうことなく、ゲル２５の壁の強度向上を十分に行うことができるため、より好ましい。

＜養生＞
図２（ｃ）のゲル２５を有する第１部材１１を、温度８５℃、湿度８５％設定の恒温恒湿槽に３時間入れる。このことで、シリカ粒子を成長（シラノールの脱水縮合反応）させて多孔質構造を形成させる。

養生温度は、常圧下の場合においては、５０〜１００℃が好ましく、６０〜９０℃がより好ましい。

養生温度が５０℃未満であると、ゲル化工程同様に、反応の活性種である珪酸モノマーに必要な熱が伝わらず、シリカ粒子の成長が促進されない。結果、養生が十分に進行するまでに時間を要する上に、生成される湿潤ゲルの強度が低くなる。さらに、乾燥時に大きく収縮する場合があり、所望のシリカキセロゲルが得られない場合がある。

また、養生温度が１００℃を越えると、容器を密閉していたとしても、容器の中で水が揮発してゲルと分離する現象がみられる。これにより得られる湿潤ゲルの体積が減少して、所望のシリカキセロゲルが得られない場合がある。

一方、養生温度が６０〜９０℃の範囲であれば、生産性を損なうことなく、シリカ粒子の適度な成長を促進できる。また、シリカ粒子同士が点接触で連結しているネック部分の強化を図ることができる。尚且つ、湿潤ゲルの水分を揮発させることなく、養生を実施することが可能である。

養生時間は、養生温度にもよるが、０．５〜６時間が好ましく、１〜３時間がより好ましい。

養生時間が０．５時間未満であると、ゲル壁の強度向上が不十分な場合がある。

養生時間が６時間を越えると、ゲル壁の強度の向上における養生の効果が乏しくなり、逆に生産性を損なう。

養生時間が１〜３時間であれば、生産性を損なうことなく、ゲル壁の強度向上を十分に行うことができる。

養生条件として、養生温度と養生湿度と養生時間とはセットで考えなければならない。ゲル骨格強度向上と生産性のバランスを考慮すると、８５℃、８５％条件下で、養生時間は１〜３時間とするのが好ましい。

キセロゲルの細孔容積を大きくしたり、平均細孔径を大きくするためには、ゲル化温度や養生温度を上記範囲内で高めたり、ゲル化時間と養生時間の合計時間を上記範囲内で長くすることが好ましい。

また、シリカキセロゲルの細孔容積を小さくしたり、平均細孔径を小さくするためには、ゲル化温度や養生温度を上記範囲内で低くしたり、ゲル化時間と養生時間の合計時間を上記範囲内で短くすることが好ましい。

＜疎水化１（塩酸浸漬工程）＞
養生後の図２（ｃ）の第１部材１１を塩酸（６〜１２規定）に浸漬後、常温２３℃で４５分以上放置してゲルの中に塩酸を取り込む。

＜疎水化２（シロキサン処理工程）＞
疎水化１後の図２（ｃ）の第１部材１１を例えば、シリル化剤であるオクタメチルトリシロキサンとアルコールとして２−プロパノール（ＩＰＡ）の混合液に浸漬させて、５５℃の恒温槽に入れて２時間反応させる。

トリメチルシロキサン結合が形成され始めると、ゲルから塩酸水が排出され、２液分離する。上層にシロキサン、下層に塩酸水と２−プロパノールが、主に分布する。

＜乾燥＞
疎水化２後の図２（ｃ）の第１部材１１を１５０℃の恒温槽に移して２時間乾燥させる。エアロゲル膜１３の膜が完成する。

＜張り合わせ＞
乾燥後の図２（ｃ）の第１部材１１上のゲル２５上に第２部材１２を乗せる。周囲を封止などして完成する。

＜効果＞
第１部材１１上に直接、エアロゲル膜１３を形成したので、第１部材１１とエアロゲル膜１３とは密着性よい。結果、隙間無く、熱伝導を確実に防止できる。

第２部材１２と第１部材１１とをガラスとすると断熱構造体１０ａは、断熱窓となる。

（実施の形態２）
図３に、実施の形態２の断熱構造体１０ｂの断面図を示す。記載しない事項は実施の形態１と同様である。

実施の形態２の断熱構造体１０ｂは、エアロゲル膜１３にスペーサ４１を有する。図２（ｂ）で、ゾル溶液１５を第１部材１１に塗布する前に、スペーサ４１を第１部材１１にスペーサ４１を複数配置する。その後、ゾル溶液１５を塗布すると、スペーサ４１間で、ゾル溶液１５が保持され、ゾル溶液１５の膜厚が一定となる。結果できるエアロゲル３５が一定厚みになる。さらに、第２部材１２と第１部材１１間が、スペーサ４１により、均質な距離に保持される。

第２部材１２と第１部材１１間の距離が一定となり、断熱性能がより高くなる。

（実施の形態３）
図４に、実施の形態３の断熱構造体１０ｃの断面図を示す。記載しない事項は実施の形態１と同様である。

実施の形態３の断熱構造体１０ｃは、エアロゲル膜１３の一方の面に被覆膜４２を有する。図２（ｄ）で、第２部材１２の代わりに、被覆膜４２を配置する。

被覆膜４２は、用途により、異なる。酸、アルカリ溶液と接する用途では、フッ素樹脂が用いられる。熱流体と接する場合には、耐熱皮膜などが用いられる。
耐熱被覆として、株式会社オーデックのセラコート（商標）を用いてもよい。１０００℃から１５００℃の耐熱性がでる。

（実施の形態４）
図５（ａ）に、実施の形態５の断熱構造体１０ｄの断面図を示す。記載しない事項は実施の形態１と同様である。

実施の形態４の断熱構造体１０ｄは、パイプラインの例で、円筒管の形状ある。熱源５５に、石油などの液体が流れる。断熱構造体１０ｄは、熱源５５を断熱する構造体である。

熱源５５の周りに第２部材５２、その外側にエアロゲル膜１３、その外側に第１部材５１がある。第２部材５２と第１部材５１とは相似形状である。形状は筒状でなくとも密閉された形状でもよい。

製法は、実施の形態１と同様であるが、第１部材５１が円筒形状なので、第１部材５１のエアロゲル膜１３を形成する面の表面を多孔質化し、ゾル溶液１５を保持させる必要がある。その後の工程は実施の形態１と同様である。

また別の方法として、図５（ｂ）の斜視図で示すエアロゲルシート２３を用いるこおｔができる。エアロゲルシート２３は、ゾル溶液１５を繊維シートなどの多孔質シートに塗布し、ゲル化、養生、疎水化、乾燥まで行ったものである。エアロゲルシート２３を第１部材５１へ貼り付けることができる。

（全体として）
第２部材１２は、必須でない。エアロゲル膜
第２部材１２，第１部材１１は、金属材料、セラミック材料、樹脂、フラスチック、シリコンでもよい。

エアロゲルの製法は一例であり、他の製法でもよい。

本発明の断熱構造体は、自動車の窓、建物の窓など様々な窓として利用できる。また、パイプ、配管など熱流体を運搬、取り扱う熱構造体へも応用できる。

１０ａ断熱構造体
１０ｂ断熱構造体
１０ｃ断熱構造体
１０ｄ断熱構造体
１１第１部材
１２第２部材
１３エアロゲル膜
１４濃度
１５ゾル溶液
１８ノズル
２３エアロゲルシート
２５ゲル
３５エアロゲル
４１スペーサ
４２被覆膜
５１第１部材
５２第２部材
５５熱源

Claims

第１部材と、
第２部材と、
前記第１部材と第２部材との間に形成されたエアロゲル膜と、を含み、
前記第１部材及び前記第２部材は、それぞれ、第１ガラス板、及び、第２ガラス板であり、
前記エアロゲル膜が前記第１部材または前記第２部材に直接隙間なく形成された断熱窓。
前記第１部材と前記第２部材とに接する複数のスペーサを有し、
前記エアロゲル膜は、前記複数のスペーサ間を隙間なく満たす請求項１記載の断熱窓。
前記エアロゲル膜は、エアロゲル粒子の複合体でない請求項１または２に記載の断熱窓。
前記エアロゲル膜は、エアロゲルを含む多孔質体である請求項１または２に記載の断熱窓。
第１ガラス板上にゾルを塗布する工程と、
前記ゾルをゲルへゲル化する工程と、
前記ゲルを疎水化する工程と、
前記ゲルを乾燥させエアロゲル膜とする工程と、
前記エアロゲル膜に第２ガラス板を乗せる工程と、
を含み、
前記エアロゲル膜を前記第１ガラス板に直接隙間なく形成する断熱窓の製造方法。