JP5735046B2 - 断熱材 - Google Patents
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Description
このような断熱材は、1000℃以上の高温域において使用する断熱材として好適である。
このように、容積比熱が小さいことにより、断熱材の温度上昇に要する熱量を抑えることができ、該断熱材による断熱空間を、より少ない投入エネルギーで加熱することが可能となり、また、蓄熱量が少ないため、前記断熱空間内をより速く冷却させることができる。
したがって、本発明に係る断熱材は、1000℃以上の高温環境で高い断熱性が求められる各種構造材や耐火材、例えば、セラミックスやガラス、鉄鋼、非鉄等の炉等にも好適に適用することができる。
本発明に係る断熱材は、MgAl2O4からなる気孔率73%以上の多孔質焼結体からなる断熱材である。そして、孔径0.8μm以上10μm未満の気孔が全気孔容積のうちの60vol%以上80vol%未満を占め、かつ、孔径0.01μm以上0.8μm未満の気孔が全気孔容積のうちの10vol%以上30vol%未満を占め、さらに、1000℃以上1500℃以下における熱伝導率が、20℃以上1000℃以下における熱伝導率の1.5倍を超えないことを特徴とするものである。
本発明は、多孔質焼結体の気孔構成に着目し、特定の微細気孔が高温域での断熱性に影響を及ぼすことを見出したことに基づくものである。すなわち、本発明に係る断熱材は、前記多孔質焼結体において、上記のように特定の微細気孔の量を制御することにより、1000℃以上の高温域においても、熱伝導率の増加が少なく、優れた断熱性が保持されるものである。
また、炉壁等の大型設備に適用する場合、薄くても十分な断熱性が得られる。このため、設備の省スペース化を図ることができ、また、炉体の表面積の低減化により、炉体表面から放散する熱量が低減し、さらに、前記断熱材は、低熱容量であるため、従来の断熱煉瓦よりも優れた省エネルギー効果が得られる。
スピネル質の多孔質焼結体は、耐熱性が高く、高温での強度に優れているため、高温での粒成長や粒界の結合によって生じる気孔の形状や大きさの変動を低減させることができ、熱伝導率の変動を抑制する効果を長期間維持することができる。特に、MgAl2O4、すなわち、マグネシアスピネルは、1000℃以上の高温域での構造安定性が高く、等方的な結晶構造を有するため、高温に曝された場合でも特異な粒成長や収縮を示さないことから、本発明の特徴である気孔構造を維持することができ、高温で使用される断熱材に好適な材質である。
なお、前記化学組成及びスピネル質の構造は、例えば、粉末X線回折法により測定及び同定することができる。
前記気孔率が73%未満では、多孔質焼結体中においてMgAl2O4からなる基材部の占める割合が高く、固体伝熱が増加し、熱伝導率を低く抑えることが困難となる。
なお、気孔率が高いほど、固体伝熱の影響が小さくなり、熱伝導率を低くすることができるが、多孔質焼結体中においてMgAl2O4からなる基材部の占める割合が相対的に低下し、脆弱となり、断熱材としての使用に耐えられなくなることから、前記気孔率は90%未満であることが好ましい。
なお、前記気孔率は、JIS R 2614「耐火断熱れんがの比重及び真気孔率の測定方法」にて算出されるものである。
このように、前記多孔質焼結体の気孔は、ほとんどが孔径10μm未満の小気孔である。孔径10μm以上の気孔が多く存在する場合は、赤外線の散乱効果を低下させ、輻射の影響が大きくなり、高温における十分な断熱効果が得られず、また、断熱材の強度低下を招くおそれがある。
好ましくは、孔径0.8μm以上10μm未満の範囲内に少なくとも1つの気孔径分布ピークを有し、また、孔径0.01μm以上0.8μm未満の範囲内に少なくとも1つの気孔径分布ピークを有する。
孔径0.01μm以上0.8μm未満の微小気孔が上記のような割合で存在していることにより、単位体積当たりの気孔数を多くすることができ、赤外線の散乱効果を高めることができる。特に、高温域での熱伝導率に大きな影響を及ぼす輻射伝熱の抑制に有効であり、高温域における熱伝導率の増加を抑制する効果が得られ、これにより、優れた断熱性が得られる。
なお、前記多孔質焼結体中の気孔径分布は、JIS R 1655「ファインセラミックスの水銀圧入法による成形体気孔径分布試験方法」により測定することができる。
このように、高温域における熱伝導率の増加が抑制された断熱材は、1000℃以上1500℃以下の高温域においても、1000℃以下の低温域と同等の断熱効果が保持され、高温域で好適に適用することができるものである。
このような気孔径分布を有していることにより、強度を維持しつつ、該多孔質焼結体全体の気孔率がより高くなるため、より軽量で、固体伝熱の寄与が小さい低熱伝導率の断熱材が得られる。
容積比熱が1.2J/cm3・K以下と小さいことにより、断熱材の温度上昇に要する熱量を少なくすることができ、例えば、炉内等の該断熱材による断熱空間の加熱を、より少ない投入エネルギーで行うことが可能となる。また、容積比熱が小さいことは、蓄熱量が少ないことを意味し、炉内をより速く冷却させて、炉内の熱処理物を取り出すことができる。さらに、断熱効率が高いため、炉等の断熱対象をコンパクトに設計することが可能となる。
このように、結晶粒子の成長を抑制することにより、微小な気孔を維持することができ、高温断熱性を保つことができる。
水硬性アルミナ粉末(BK−112;住友化学株式会社製)11molに対して、酸化マグネシウム粉末(MGO11PB;株式会社高純度化学研究所製)9molの割合で混合し、これに純水を加え、さらに、バインダ加えて均一に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを乾燥し、粉砕した後、圧力5MPaにてプレス成形した。
得られた成形体を、乾燥後、最高温度1550℃で5時間焼成し、多孔質焼結体を作製した。
また、図1に、この多孔質焼結体の気孔径分布を示す。図1に示した気孔径分布のグラフから、孔径0.37μmと孔径2.52μmに、それぞれピークが確認された。
また、20℃以上1500℃以下における容積比熱は、0.64J/cm3・K以上1.08J/cm3・K以下であった。
水硬性アルミナ粉末(BK−112;住友化学株式会社製)11molに対して、酸化マグネシウム粉末(MGO11PB;株式会社高純度化学研究所製)9molの割合で混合し、水硬性アルミナと酸化マグネシウムの合計重量に対して1.5倍の重量の純水を加えてスラリーを調製して鋳込み成形した。
得られた成形体を、乾燥後、最高温度1550℃で5時間焼成し、多孔質焼結体を作製した。
実施例1において、プレス圧力、焼成温度及び焼成時間を適宜変更し、それ以外は実施例1と同様の方法により、下記表1の実施例3,4にそれぞれ示すような気孔構成を有する多孔質焼結体を作製した。
市販のファイバーボード断熱材(ムライト質)である。
実施例1において、プレス圧力、焼成温度及び焼成時間を適宜変更し、また、気孔調整用に有機物粒子を添加し、それ以外は実施例1と同様の方法により、下記表1の比較例3,4にそれぞれ示すような気孔構成を有する多孔質焼結体を作製した。
下記表1に各種評価結果をまとめて示す。
これに対して、実施例1,2は、熱伝導率が0.22〜0.26W/m・Kの範囲内にあり、1000℃以上1500℃以下における熱伝導率が、20℃以上1000℃以下における熱伝導率の1.2倍未満であり、1000℃以上の高温域でも熱伝導率の増加が抑制されていることが確認された。
一方、比較例3は、気孔率が低く、断熱性に劣り、また、ハンドリングによって欠けが生じやすい脆弱なものであった。また、比較例4は、孔径の大きい気孔の割合が多く、1000℃以上1500℃以下における熱伝導率が、20℃以上1000℃以下における熱伝導率の1.5倍を超え、高温断熱性が著しく劣っていた。
Claims (5)
- MgAl2O4からなる気孔率73%以上の多孔質焼結体からなり、
孔径0.8μm以上10μm未満の気孔が全気孔容積のうちの60vol%以上80vol%未満を占め、かつ、孔径0.01μm以上0.8μm未満の気孔が全気孔容積のうちの10vol%以上30vol%未満を占め、
1000℃以上1500℃以下における熱伝導率が、20℃以上1000℃以下における熱伝導率の1.5倍を超えないことを特徴とする断熱材。 - 1000℃以上1500℃以下における熱伝導率が0.3W/m・K以下であることを特徴とする請求項1記載の断熱材。
- 1000℃以上1500℃以下における熱伝導率が0.26W/m・K以下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。
- 1000℃以上1500℃以下における熱伝導率が、20℃以上1000℃以下における熱伝導率の1.2倍を超えないことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の断熱材。
- 容積比熱が1.2J/cm3・K以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の断熱材。
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