JP3862045B2 - 高純度アルミナ繊維及び無機繊維製品 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、不純物の少ない高純度のアルミナ繊維と、この高純度アルミナ繊維を主成分とする無機繊維製品に関する。
【0002】
【従来の技術】
アルミナ繊維は、Al2 O3 (アルミナ)の含有率が70〜100重量%であり、アルミナとシリカを主成分とする直径2〜4μm、最大長さ5〜100mm程度の短繊維である。
【0003】
アルミナ繊維は、アルミナの含有率により、ムライトのみ、ムライトとコランダムと少量の中間アルミナ(θアルミナ、δアルミナ)の混合、またはコランダムのみの多結晶体である。これらの繊維が加熱されると、中間アルミナはコランダムに変化するが、新たな結晶の析出が少なく、繊維の劣化が少ない。そのため、このようなアルミナ繊維は、1500℃付近なら安定して使用できる。
【0004】
アルミナ繊維の用途は、いろいろであるが、主として、そのまま補強材料として使われたり、またはブランケット、ブロック、ボート、ペーパー、練物などの無機繊維製品に加工されて、各種の工業炉に広く使用されている。
【0005】
しかし、工業炉に長期間使用すると、繊維の結晶成長が進み、強度や耐熱性が低下したり、繊維が粉塵となって炉内の被加熱物を汚染する。
【0006】
このような問題を解消するため、繊維に含まれる不純物を少なくすることが試みられている。例えば、NaとKの合計が2000ppm以下、Feが500ppm以下、Cuが50ppm以下、更にNiが50ppm以下である無機繊維製品が知られている。(特開平5−215473号参照)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
最近は、一部で工業製品の高品質化が著しく進み、工業炉等においても汚染を完全に防止することが望まれている。
【0008】
特開平5−215473号公報の無機繊維製品では、それらに含まれる不純物を少なくし、不純物による汚染防止にある程度成功している。
【0009】
しかし、特開平5−215473号公報の無機繊維製品では、不純物の影響を十分に小さくできずに、被加熱物の汚染を満足に防止することができなかった。本発明は、被加熱物を汚染しない高純度のアルミナ繊維と、この高純度アルミナ繊維を主成分とする無機繊維製品を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の1つの解決手段は、原料となる溶液の粘性を調整して繊維化した後に 加熱して製造された高純度アルミナ繊維であって、Al 2 O 3 が70〜100重量%であり、NaとKの合計が500ppm以下であり、Feが300ppm以下であり、Caが50ppm以下であり、Caが50ppm以下であり、Cuが2ppm以下であり、Niが3ppm以下であることを特徴とする高純度アルミナ繊維である。
【0011】
本発明の他の解決手段は、前述の高純度アルミナ繊維を主成分とすることを特徴とする無機繊維製品である。
【0012】
本発明のさらに他の解決手段は、前述の高純度アルミナ繊維を主成分とし、他に必要に応じて、アルミナシリカ繊維と、耐火粉末と、有機バインダー及び無機バインダーの1種以上のバインダーを含み、NaとKの合計が500ppm以下であり、Feが300ppm以下であり、Caが200ppm以下であり、Cuが2ppm以下であり、Niが4ppm以下であることを特徴とする無機繊維製品である。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、アルミナ繊維及び無機繊維製品の加熱に伴う結晶成長による劣化が、主にNa、K、Fe、Ca、Ni、Cu等の不純物に起因することを知見して、本発明をなしたものである。
【0014】
アルミナ繊維及び無機繊維製品に含まれるCaは、Na、Fe、Kと同様に、ムライト或いはコランダムの結晶成長を著しく促進させる。また、アルミナ繊維に含まれるNiやCuの挙動は、明確に解明できていないが、繊維を製造する際に拡散移動して繊維表面に濃縮すると考えられる。そのため、ムライトあるいはコランダムの結晶成長が局部的に促進されるものと推定される。
【0015】
アルミナ繊維は、アルミナ原料、シリカ原料、繊維化助材を所定量混合し、粘性を調整して繊維化した後、約1300℃に加熱して製造できる。
【0016】
アルミナ原料としては、例えば塩基性塩化アルミニウムなどのアルミニウム塩化物、硝酸塩などの無機酸塩、酢酸塩などの有機酸塩、アルミニウムアルコキシド溶液などを使用することができる。
【0017】
シリカ原料としては、コロイダルシリカ、水溶性シリコーン、シリコンのアルコキシド溶液などを使用することができる。
【0018】
繊維化助材としては、乳酸やポリビニルアルコールなどの水分散性の有機重合体を使用することができる。
【0019】
アルコキシド溶液は、比較的不純物が少ないが、高価であるため、使用が制限される。一方、塩基性塩化アルミニウムやコロイダルシリカ、水溶性シリコーンなどは、不純物が多いが、安価であるために多く使用されている。
【0020】
不純物の多い原料から不純物を除去する方法としては、イオン交換樹脂法がある。この方法によると、アルカリイオンや金属イオンなどが除去できる。この除去処理は、原料を混合する前でも、混合した後でも良い。
【0021】
本発明のアルミナ繊維は、例えばアルコキシド溶液やイオン交換樹脂法を用いた原料を組合わせて製造できる。
【0022】
本発明の無機繊維製品の一例は、ブランケットやブロックである。これらの製品の製造に際しては、使用するニードル針や無機長繊維ヤーン及び木綿糸などから不純物が混入しないように注意して使用することが好ましい。
【0023】
本発明のアルミナ繊維に含有されている不純物は、NaとKの合計が500ppm以下、Feが300ppm以下が好ましい。更に好ましくは、Caが50ppm以下、Cuが2ppm以下、Niが4ppm以下である。これらの値を越えると、結晶成長が進み、繊維が劣化して粉塵となって、被加熱物を汚染する。また、被加熱物やヒーターなどの炉内物との反応性が大きくなる。
【0024】
ボードや練物などの無機繊維製品の製造に際して、使用するアルミナシリカ繊維、水、耐火粉末、バインダー(有機バインダーや無機バインダー)などは、不純物の混入について十分に注意を払って使用することが好ましい。特に、水、耐火粉末、バインダー(有機バインダーや無機バインダー)などは、繊維の表面や交点に凝集しやすいので、十分な注意が必要である。
【0025】
例えば、アルミナシリカ繊維は、Naが150ppm以下、Feが100ppm以下、Cuが1.5ppm以下、Niが2ppm以下であると、繊維の劣化が格段に防止できるので好ましい。
【0026】
水は、イオン交換水或いは蒸留水を使用すると、無機繊維製品に含まれるNa、Fe、Ca、K、Mgなどは減少するので、好ましい。
【0027】
耐火粉末は、アルコキシドを原料とする高純度品やアルカリの含有量を抑えた低ソーダ品のアルミナ粉末やムライト粉末などが好ましい。
【0028】
無機バインダーとしては、Na含有量の少ない低ソーダのコロイダルシリカ、アルミナゾル、或いは気相法で作られた高純度微粒シリカ(例えば商品名「アエロジル」)などを使用することが好ましい。これらは2種以上を混合して使用してもよい。
【0029】
有機バインダーとしては、澱粉、アクリル、セルロース等を使用できる。これらを使用する場合も、アルカリや他の不純物の少ない高純度品が好ましい。
【0030】
アルミナ繊維とアルミナシリカ繊維と耐火粉末と無機バインダーの配合構成は、次の重量比が好ましい。
【0031】
アルミナ繊維とアルミナシリカ繊維は100:0〜100:100であり、全繊維と耐火粉末は100:0〜20:80であり、全繊維と耐火粉末の合計と無機バインダーは100:0〜80:20である。
【0032】
本発明の無機繊維製品に含有される不純物は、NaとKの合計が500ppm以下、Feが300ppm以下、Caが200pm以下が好ましい。更に好ましくは、Cuが2ppm以下、Niが4ppm以下である。これらの値を越えると、使用の際に発生する粉塵が多くなって、被加熱物を汚染する。また、炉内物との反応性も大きくなる。
【0033】
アルミナシリカ繊維は、アルミナ及びシリカが共に40〜60重量%の非晶質繊維である。使用前に1000℃〜1100℃で加熱してムライト結晶を析出させておくと、耐熱性や耐久性が向上して好ましい。
【0034】
繊維に含まれるショットは、落下して被加熱物を汚染するので、予め処理をしてショットを少なくするのが好ましい。
【0035】
有機バインダーを除去するには、たとえば、800℃ないし1600℃で加熱すると良い。温度が800℃未満であれば、長時間の加熱を要し、1600℃を越えると、成形体の強度が低下する。
【0036】
無機繊維製品には、例えばアルミナゾル、アルミニウムのアルコキシド溶液、コロイダルシリカとアルミナゾルの混合物、コロイダルシリカを塗布或いは含浸すると、更に粉塵を防止できて好ましい。
【0037】
【実施例】
高純度アルミナ繊維の実施例(実施例1〜3)
塩基性塩化アルミニウム溶液(Al/Cl=1.7,Al2 O3 固形分23.5%)と、低ソーダのコロイダルシリカ(SiO2 固形分20.0%)と、これらの溶液をイオン交換樹脂法により高純度化した溶液と、乳酸(濃度50%)とをそれぞれ所定量配合して混合した。この混合液を濃縮して、粘度を約200ポイズに調整した。この液を既知の方法で繊維化し、1350℃で30分間加熱してアルミナ繊維を得た。
【0038】
塩基性塩化アルミニウム溶液、低ソーダのコロイダルシリカ、乳酸の不純物の分析値を表1に、アルミナ繊維の構成及び不純物の分析値を表2に、アルミナ繊維の特性を表3に示す。
【0039】
【表1】
【表2】
【表3】
特性値の試験方法を説明する。
【0040】
収縮率は、アルミナ繊維と陽性澱粉と水を分散したスラリーから、厚さ20mm,100mm角の成形品を製作して、この成形品を加熱処理し、加熱前後の寸法変化を測定して算出した。
【0041】
粉塵発生量は、アルミナ板の上に20mm離して前述の成形品を置き、1600℃−8時間の加熱を5回繰り返したときの、アルミナ板に落下した繊維の数を数えて算出した。
【0042】
汚染反応性は、粉砕したアルミナ繊維0.3gを石英ガラス板の上の約30mm角に置いて、1300℃で6時間加熱し、石英ガラスの失透を観察して求めた。失透の程度により、無、微小、小、中、大の5段階にわけて評価した。
【0043】
比較例1〜5
実施例1〜3と同様に製造した。但し、比較例1,2,3は、それぞれCa,Cu,Niを塩化物として少量添加した。
【0044】
比較例1は、Caが多い例である。比較例2は、Cuが多い例である。比較例3は、Niが多い例である。比較例4及び5は、Na,K,Fe,Ca,Cu,Niが多い例である。いずれの比較例1〜5も、収縮、粉塵発生量、汚染反応性が大きい。
【0045】
実施例2と比較例4のアルミナ繊維を1600℃で24時間加熱した後、繊維の表面をSEMにより観察した。その結果をそれぞれ図1と図2に示す。図1では、図2のものよりも結晶成長が抑制されているとともに、結晶が溶解し、ガラス状になっている部分も無い。
【0046】
無機繊維製品の実施例(実施例4〜6)
実施例1または2のアルミナ繊維、ほぼアルミナ53重量%でシリカ47重量%のアルミナシリカ繊維およびアルミナ粉の所定量を水100リットルに混合分散した。その後、陽性澱粉と低ソーダのコロイダルシリカをそれぞれ固形分で70g添加してスラリーを作り、真空成形法により厚さ20mmの無機繊維製品である成形品を製作した。
【0047】
アルミナシリカ繊維及びアルミナ粉の不純物の分析値を表4に示す。成形品の構成と不純物の分析値を表5に示し、その特性値を表6に示す。
【0048】
【表4】
【表5】
【表6】
特性値の試験方法を説明する。
【0049】
ヒーターとの反応性は、成形品の上に二珪化モリブデン(MoSiO4 )ヒーターを乗せて1500℃−12時間加熱した。反応の程度により、微小、小、中、大の4段階に分けて評価した。
【0050】
たわみ量は、大きさ20×70×200mmの成形品を、スパン120mmの上に置き、1600℃−12時間加熱して、最大たわみ量を測定した。
【0051】
実施例4に使用したアルミナシリカ繊維については、1000℃で10分間加熱してムライトを析出させた。
【0052】
実施例5については、成形品の表面に高純度のアルミナゾルを塗布した。
【0053】
実施例6については、1500℃で3時間加熱して、コロダイルシリカを反応させて、ムライトを生成させた。
【0054】
比較例6〜10
実施例4〜6と同様に比較例6〜10を作成した。比較例6は、Caが多い例である。比較例7は、Cuが多い例である。比較例8は、Niが多い例である。比較例9及び10は、Na,K,Fe,Cu,Ca,Niが多い例である。いずれの比較例6〜10も、収縮、粉塵発生量、汚染反応性、ヒーターとの反応性、たわみ量が大きい。
【0055】
【発明の効果】
本発明による高純度アルミナ繊維と、その高純度アルミナ繊維を用いた無機繊維製品は、加熱による繊維の結晶成長を抑制できて、耐熱性が向上する。さらに、繊維の粉化による粉塵の発生が極めて少なく、被加熱物との汚染反応性も少ない。この理由により、本発明の高純度アルミナ繊維と、その高純度アルミナ繊維を用いた無機繊維製品を使用すれば、被加熱物を汚染することがなく、被加熱物の品質向上と生産量の向上が顕著である。
【0056】
さらに、本発明の無機繊維製品は変形が少なく、安定した断熱性能が得られる。
【0057】
さらに、本発明の無機繊維製品は、電気炉に使用すると、ヒーターとの反応性が少なくて、ヒーターを長時間安定して使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のアルミナ繊維のSEM観察結果を示す図。
【図2】比較例のアルミナ繊維のSEM観察結果を示す図。
Claims (3)
- 原料となる溶液の粘性を調整して繊維化した後に加熱して製造された高純度アルミナ繊維であって、Al2O3が70〜100重量%であり、NaとKの合計が500ppm以下であり、Feが300ppm以下であり、Caが50ppm以下であり、Caが50ppm以下であり、Cuが2ppm以下であり、Niが3ppm以下であることを特徴とする高純度アルミナ繊維。
- 請求項1に記載の高純度アルミナ繊維を主成分とすることを特徴とする無機繊維製品。
- 請求項1に記載の高純度アルミナ繊維を主成分とし、他に必要に応じて、アルミナシリカ繊維と、耐火粉末と、有機バインダー及び無機バインダーの1種以上のバインダーを含み、NaとKの合計が500ppm以下であり、Feが300ppm以下であり、Caが200ppm以下であり、Cuが2ppm以下であり、Niが4ppm以下であることを特徴とする無機繊維製品。
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