JP6018307B2 - 膨張パーライトを用いた無機質パウダー断熱材の製造方法 - Google Patents
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Description
このように製造された断熱材は、単独で使用したり、ガラス繊維などの外皮材で強度を補強して使用したりし、アルミニウム素材の多層フィルムの外皮材で密封して真空断熱材として使用される。
一般に、合成シリカ粒子を用いて断熱材を製造するとき、成形性を持たせるために、バインダーを使用するが、少量のバインダーを使用しても、バインダーにより内部比表面積が小さくなる。特に、合成シリカのように内部気孔が多い粒子は、液状バインダーの吸収が大きいため、均一に分布させることが容易でない。
このような問題を解決するために、無機質繊維系マットを外皮材として使用する製品などが実用化されているが、合成シリカ自体は 800〜900 ℃以上で使用可能であるが、無機質繊維は、その種類によっては使用温度に限界があり、材料費の上昇と追加的な加工のため、断熱材の費用上昇の要因となる。一般のガラス繊維は、使用温度が 650 ℃程度である限界があり、セラミック繊維は、800〜900 ℃以上で使用可能であるが、人体に安全な生分解性材質を使用しなければならないので、高価である。
一方、真空断熱材の核心は、長期耐久性(使用期間)に左右されるが、これは、内部真空が毀損されるかどうかである。真空度毀損は、外皮材の損傷とアウトガッシング(Out gassing)により発生し、アウトガッシングの場合、内部水分、有機物などによって発生する。もちろん、ゲッター剤(getter)で防止可能であるが、完璧であるとはいえない。
本発明は、バインダーを使用しないので、内部比表面積縮小を防止し、低密度で成形性を持たせることにより、経済的かつ良い物性を有するようにするのに寄与しようとするものである。
本発明により製造された断熱材は、合成シリカ 50〜98 重量%と膨張パーライト 2〜50 重量%を含み、微粒の合成シリカがガラス破片化された膨張パーライト表面にコーティング及び分散されつつ混合された状態で圧縮成形されることを特徴とする。
また、本発明において、膨張パーライドを用いて形状が不規則なガラス破片状のパーライト粒子を均等に分散させて、合成シリカの間で構造的骨組み(framework)を形成した後、圧縮ローラを介して圧縮された合材を作ることにより、一般成形機を利用するか、圧縮粒子を用いた断熱材を製造する方式も可能である。
本発明の効果をより詳しく説明すると、以下のとおりである。
内部に比表面積が全くない成形体に比べて、内部に比表面積を有している成形体が熱伝導率が低い。その理由は、芯材内部に形成された比表面積が対流の影響を遮断することにより、熱伝達が阻止されるためである。また、伝導は、物質自体の特性であるため、一定の値を有している。このような伝導の影響を最小化するためには、内部比表面積を形成している構造の面積縮小と密度を低くすることが最善である。
したがって、本発明は、バインダーによる内部比表面積の低下防止と繊維の限界を克服し、より低い密度の断熱材を製造するためのものである。
本発明において膨張パーライトは、真珠岩、松脂岩、黒曜石、軽石などの天然鉱物を高温の火炎で表面をガラス質化させ、内部に水分(結晶水)が蒸気化して膨張されることを通称する。膨張されたパーライトの粒子の形態は、膨張前の粒子のサイズと分布及び乾燥による結晶水の量によって特徴的になされ、製造された膨張パーライトは、その粒子内部の無数なセルで構成されており、広い比表面積を有しており、比重が低くて断熱素材として適した条件を備えている。
膨張パーライトは粒子が大きく、合成シリカは粒子が小さく、互いの粒子が有する密度の差があり、単純混合時、均一な分布よりは、粒子のサイズと密度によってかたまりや層分離現象を見せる。
合成シリカは、熱伝導率を低くするためのものであって、その粒子が数ナノメータから数十マイクロのフュームドシリカや多孔性シリカ、エアロゲル、ホワイトカーボンなどを使用し、その含量が全体重量に対して 50〜98 重量%であり、50 重量%以下である場合には、断熱性能が極めて低く、98 重量%以上である場合には、断熱物性に優れるも、成形強度が落ちることがある。
ミキサーは、種類と形態、その構造に対して制限しないが、混合時、円形及び楕円形のパーライトが粉砕されて破片化された形態の粒子になるようにし、合成シリカは、粒子間分離されて微粒の粒子が破片化されたパーライト粒子表面にコーティングされるか、分散及び混合されるように高速の rpmと力を有するミキサーのものを使用するのが好ましい。
断熱材は、使用条件及び環境によって疎水(撥水)の性能が要求される。断熱材は、水分の吸収や吸湿が発生すれば、熱伝導率が急激に悪くなり、断熱性能が落ちる。その理由は、水の熱伝導率がおよそ 0.6 W/mKと高く、内部水分によって対流現象等が増加するためである。(以下、疎水(撥水)を疎水と表現する)。
図2は、本発明による成形機の概略図である。図2に示すように、本発明での成形機は、上部プレート、下部プレート、及び側壁プレートを備える。
上部プレート10は、複数の穿孔が形成されている上部穿孔プレート11、その上部に位置する上部フィルタ12、及び上部フィルタ12の上部に位置する上部加圧板13を備え、これに対応する下部プレート20は、下部穿孔プレート21、その下部に位置する下部フィルタ22、及び下部フィルタ22の下部に位置する下部加圧板23を備える。
図4は、従来の圧縮成形機の作動概略図である。従来の圧縮成形機は、穿孔がない上部プレートと下部プレートとで構成されて圧縮成形をする。従来の圧縮成形機で圧縮成形する場合、加圧によってパウダーが圧縮されるとき、内部に含まれている空気が円滑に逃げ出せず、共に加圧されながら内部圧力が大気圧より高くて、構造的支持体として使用された膨張パーライトの効果が悪くなる。また、結局空気が上部プレートと側壁との間の隙間に逃げ出すが、このときに発生する空気の流れによって粒子のサイズや比重の差による分散偏差が発生し得る。
疎水性を与えるために、疎水処理された合成シリカと一般合成シリカとを使用するときにさらに効果的である。その理由は、疎水処理された合成シリカは、一般合成シリカより表面張力が低く、流動性が良くなるからである。ここで、流動性とは、外部の圧力に容易に反応し、動くことを表現する。
成形機の上部プレート10と下部プレート20とに使用されるフィルタ12、22は、効果的に内部空気を除去できる有機系繊維、無機系繊維、有機系発泡フォーム、無機系発泡フォーム、またはメタルフィルタを使用することができる。
まず、真空断熱材の芯材として使用が可能であるが、アルミニウムと有機素材フィルムが多層構造である外皮材が追加的に使用される。本発明では、有機素材フィルムの材質に対しては制限がないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ナイロン、EVOH(エチレンビニルアルコルコポリマー)などを使用することができる。外皮材を製造する方式は、蒸着や貼り合わせによって製造可能である。
外皮材フィルムは、10〜1000 μmの厚さを有することが好ましい。有機素材フィルムにアルミニウムフィルムを蒸着させるか、貼り合わせる方法に対しては格別の制限はない。1つの例として、有機素材フィルムとアルミニウムフィルムとを積層し、50〜300 ℃の温度条件及び 1〜300 kgf/cm2の圧力で加熱及び加圧して蒸着または貼り合わせする。
前記製造された上部外皮材と下部外皮材とを平行に位置させ、第2ステップで製造された無機質パウダー成形体を上下部外皮材の間に安着させる。次に、上部外皮材と下部外皮材の3面を熱融着プレートを用いて 50〜300 ℃の温度条件及び 1〜30 kgf/cm2の圧力で加熱及び加圧すれば、成形体が熱融着された袋のような形態内に挿入された形態で製造される。
真空度は、目的とする熱伝導率によって異なるが、真空度を高く取るほど、対流の影響が除去されるので、熱伝導率が良くなる。本発明では、1torr以上の真空圧力を想定する。
他の適用方法は、超低温断熱材用として使用可能である。その中でも、LNG船舶の断熱材として使用することができる。LNG船舶の断熱材として使用する形態は、大別してGTT社のMark IIIタイプとNo96タイプとがある。
仕上げ材は、真空断熱材用アルミニウムフィルムが蒸着または貼り合わせられた仕上げ材、無機質繊維で構成された仕上げ材、有機材料で構成された仕上げ材など、多様に使用可能である。
圧縮された合材を作るときに重要な点は、圧縮面を最小化して圧縮による空気の流れの発生を抑制することである。
このように製造された、圧縮された合材は、2つの効果がある。
以下、実施例によって詳しく説明する。
屈曲強度は、KS F 4714に基づいて測定し、断熱材の試験片3個を取って測定した後、平均値を求めて示した。
熱伝導率は、ASTM C 518平板熱流計法に基づき、試験片は、横×縦×高さが 300×300×10 mmのサイズの真空断熱材に製造して測定した。
フュームドシリカ 101.4 gと膨張パーライト 50.9 gを混合してブレードが装着されているミキサーに投入した。ミキサーは、2000 rpmの速度で 60 秒間運用し、混合が完了したパウダーを穿孔を有する上部プレートと下部プレートとで構成された圧縮成形機を使用して横×縦×高さが 300×300×10 mm(嵩 0.9 L)のサイズに成形して密度 170 kg/m3の断熱材を製造した。
フュームドシリカ 96.4 gと膨張パーライト 45.9 gを混合してブレードが装着されているミキサーに投入した。補強繊維としてガラス繊維 10 gを小型ミキサーで予め攪拌後、パウダーが入っているミキサーに添加した。ミキサーは、2000 rpmの速度で 60 秒間運用し、混合が完了したパウダーを穿孔を有する上部プレートと下部プレートとで構成された圧縮成形機を使用して横×縦×高さが 300×300×10 mm(嵩 0.9 L)のサイズに成形して密度 170 kg/m3の断熱材を製造した。
実施例2のように混合が完了したパウダーを製造する。このとき、パウダーは、42 kg/m3の密度(bulk density)を有しており、このパウダーを圧縮ローラを通過させて 155 kg/m3の密度(bulk density)である構造的骨組みを有する圧縮された合材に製造する。製造された、圧縮された合材を穿孔を有する上部プレートと下部プレートとで構成された圧縮成形機を使用して横×縦×高さが 300×300×10 mm(嵩 0.9 L)のサイズに成形して密度 170 kg/m3の断熱材を製造した。
実施例2のように混合が完了したパウダーを製造する。このとき、パウダーは、42 kg/m3の密度(bulk density)を有しており、このパウダーを圧縮ローラを通過させて 155 kg/m3の密度(bulk density)である構造的骨組みを有する圧縮された合材に製造する。製造された、圧縮された合材を穿孔がない上部プレートと下部プレートとで構成された圧縮成形機を使用して横×縦×高さが 300×300×10 mm(嵩 0.9 L)のサイズに成形して密度 170 kg/m3の断熱材を製造した。
フュームドシリカ 76.5 gと膨張パーライト 36.5 g、補強繊維としてガラス繊維 8.5 gを用いて実施例1と同様に横×縦×高さが 300×300×10 mm(嵩 0.9 L)のサイズに成形して密度 135 kg/m3の断熱材を製造した。
フュームドシリカ 56.7 gと膨張パーライト 27 g、補強繊維としてガラス繊維 6.3 gを用いて実施例1と同様に横×縦×高さが 300×300×10 mm(嵩 0.9 L)のサイズに成形して密度 100 kg/m3の断熱材を製造した。
フュームドシリカ 382.8 gと膨張パーライト 182.2 gを混合してブレードが装着されているミキサーに投入した。補強繊維としてガラス繊維 42.5 gを小型ミキサーで予め攪拌後、パウダーが入っているミキサーに添加した。ミキサーは、2000 rpmの速度で 60 秒間運用し、混合が完了したパウダーを穿孔を有する上部プレートと下部プレートとで構成された圧縮成形機を使用して上部と下部を同時に圧縮し、横×縦×高さが 300×300×50 mm(嵩 4.5 L)、密度 135 kg/m3の断熱材を製造した。24 時間 70 ℃、24 時間 140 ℃熱風乾燥後、断熱材を成形機の上板プレートの圧縮方向を基準として上から上板(実施例7)、中板(実施例8)、下板(実施例9)を厚さ 10 mmずつ切って3枚の断熱材を作った。
フュームドシリカ 382.8 gと膨張パーライト 182.2 gを混合してブレードが装着されているミキサーに投入した。補強繊維としてガラス繊維 42.5 gを小型ミキサーで予め攪拌後、パウダーが入っているミキサーに添加した。ミキサーは、2000 rpmの速度で 60 秒間運用し、混合が完了したパウダーを穿孔を有する上部プレートと下部プレートとで構成された圧縮成形機を使用して横×縦×高さが 300×300×50 mm(嵩 4.5 L)、密度 135 kg/m3の断熱材を製造した。24 時間 70 ℃、24 時間 140 ℃熱風乾燥後、断熱材を成形機の上板プレートの圧縮方向を基準として上から上板(実施例10)、中板(実施例11)、下板(実施例12)を厚さ 10 mmずつ切って3枚の成形体を作った。
フュームドシリカ 96.4 gと膨張パーライト 45.9 gを混合してブレードが装着されているミキサーに投入した。補強繊維としてガラス繊維 10 gを小型ミキサーで予め攪拌後、パウダーが入っているミキサーに添加した。バインダーとして液状のPVACを 10 g投入し、ミキサーは、300 rpmの速度で 60 秒間運用し、混合が完了したパウダーを横×縦×高さが 300×300×10 mm(嵩 0.9 L)のサイズに成形して密度 171 kg/m3の断熱材を製造した。
フュームドシリカ 96.4 gと膨張パーライト 45.9 gを混合してブレードが装着されているミキサーに投入した。補強繊維としてガラス繊維 10 gを小型ミキサーで予め攪拌後、パウダーが入っているミキサーに添加した。ミキサーは、900 rpmの速度で 60 秒間運用し、混合が完了したパウダーを穿孔を有する上部プレートと下部プレートとで構成された圧縮成形機を使用して横×縦×高さが 300×300×10 mm(嵩 0.9 L)のサイズに成形して密度 170 kg/m3の断熱材を製造した。
フュームドシリカ 96.4 gと膨張パーライト 45.9 gを混合してブレードが装着されているミキサーに投入した。補強繊維としてガラス繊維 10 gを小型ミキサーで予め攪拌後、パウダーが入っているミキサーに添加した。ミキサーは、2000 rpmの速度で 60 秒間運用し、混合が完了したパウダーを横×縦×高さが 300×300×10 mm(嵩 0.9 L)のサイズに成形して密度 170 kg/m3の断熱材を製造した。
<実験例1> 密度別の成形方法による物性の比較
実施例3と4は、構造的骨組みを有する圧縮された合材を使用して製造されたものであって、実施例2と比較するとき、格別の差異はみられなかった。特に、実施例4をみると、一般的な圧縮成形機を使用しても構造体の毀損無しに製造が可能であることが分かる。
また、比較例2、3は、本発明において、高速ミキサーと成形方法に対する相関関係が分かる。単に高速ミキサーで構造体を形成させても、内部圧力除去がなされず、その効果がないことを分かる。
<実験例2> パウダーの上部圧縮方式と、上部/下部同時圧縮方式との比較
本発明で提示した適用(application)方法に対する実施例を追加的に説明する。
フュームドシリカ 96.4 gと膨張パーライト 45.9 gを混合してブレードが装着されているミキサーに投入した。補強繊維としてガラス繊維10gを小型ミキサーで予め攪拌後、パウダーが入っているミキサーに添加した。ミキサーは、2000 rpmの速度で 60 秒間運用し、混合が完了したパウダーを穿孔を有する上部プレートと下部プレートとで構成された圧縮成形機を使用して横×縦×高さが 300×300×10 mm(嵩 0.9 L)のサイズに成形して密度 170 kg/m3の芯材を製造した。24 時間 70 ℃、24 時間 140 ℃熱風乾燥後、製造された芯材(強度測定用)と芯材をLDPEとナイロンとアルミニウムフィルムで蒸着された 90 μmの厚さで構成される 400×320 mmサイズの外皮材の間に投入し、真空状態で密封して 400 mm部分を畳んで真空断熱材を製造した。
実施例13のように混合が完了したパウダーを製造する。このとき、パウダーは、42 kg/m3の密度(bulk density)を有しており、このパウダーを圧縮ローラを通過させて 155 kg/m3の密度(bulk density)である構造的骨組みを有する圧縮された合材に製造する。圧縮粒子を 300×300×11 mmのポリプロピレン不織布封筒に入れ、LDPEとナイロンとアルミニウムフィルムで蒸着された 90 μmの厚さで構成される 400×320 mmサイズの外皮材の間に投入し、真空状態で密封して 400 mm部分を畳んで真空断熱材を製造した。
フュームドシリカ 289.2 gと膨張パーライト 137.7 gを混合してブレードが装着されているミキサーに投入した。補強繊維としてガラス繊維 30 gを小型ミキサーで予め攪拌後、パウダーが入っているミキサーに添加した。ミキサーは、2000 rpmの速度で 60 秒間運用し、混合が完了したパウダーを穿孔を有する上部プレートと下部プレートとで構成された圧縮成形機を使用して横×縦×高さが 300×300×30 mm(嵩 2.7 L)のサイズで密度 170 kg/m3の芯材を製造した。24 時間 70 ℃、24 時間 140 ℃熱風乾燥後、製造された芯材(強度測定用)と芯材をLDPEとナイロンとアルミニウムフィルムで蒸着された 90 μmの厚さで構成される 400×370 mmサイズの仕上げ材間に投入し、一般包装真空状態で密封して 400 mm部分を畳んで断熱材を製造した。
フュームドシリカ 289.2 gと膨張パーライト 137.7 gを混合してブレードが装着されているミキサーに投入した。補強繊維としてガラス繊維 30 gを小型ミキサーで予め攪拌後、パウダーが入っているミキサーに添加した。ミキサーは、2000 rpmの速度で 60 秒間運用し、混合が完了したパウダーを穿孔を有する上部プレートと下部プレートとで構成された圧縮成形機を使用して横×縦×高さが 300×300×30 mm(嵩 2.7 L)のサイズで密度 170 kg/m3の芯材を製造した。24 時間 70 ℃、24 時間 140 ℃熱風乾燥後、製造された芯材(強度測定用)と芯材をLDPEとナイロンとアルミニウムフィルムで蒸着された 90 μmの厚さで構成される 420×420 mmサイズの仕上げ材で包装して製造した。
フュームドシリカ 77.12g及び疎水性フュームドシリカ 19.28 gと膨張パーライト 45.9gを混合してブレードが装着されているミキサーに投入した。補強繊維としてガラス繊維 10gを小型ミキサーで予め攪拌後、パウダーが入っているミキサーに添加した。ミキサーは、2000rpmの速度で 60 秒間運用し、混合が完了したパウダーを穿孔を有する上部プレートと下部プレートとで構成された圧縮成形機を使用して横×縦×高さが 300×300×10 mm(嵩 0.9 L)のサイズで密度 170 kg/m3の断熱材を製造した。
ウレタンボードの横×縦×高さが 300×300×30 mmの内部を 254×254×30 mmのサイズに掘り出し、下部をアルミニウムフィルムで支え、膨張パーライト 107 gを 254×254×30 mmの空間に入れ、40 Hzに振幅 0.5 mmで 50 秒間振動を加えて充填し、上部をアルミニウムフィルムで支えて熱伝導率測定が可能なサンプル断熱材を製造した。(NO96は、膨張パーライト粒子を充填する方式であって、熱伝導率測定試片を上記のように製造する。)
熱伝導率は、ASTM C177保護熱板法によって測定した。特に、LNG船舶用断熱材は、超低温での熱伝導率まで比較した。疎水性能は、KS F4714撥水度測定方法で確認した。各項目別に関連のある数値のみ測定して挿入した。
11:上部穿孔プレート
12:上部フィルタ
13:上部加圧板
20:下部プレート
21:下部穿孔プレート
22:下部フィルタ
23:下部加圧板
Claims (14)
- 膨張パーライトを速度1000rpm以上のミキサーにより1〜300μmの粒子サイズに破砕しつつ、同時に破砕された膨張パーライト破片に微粒の合成シリカを混合、分散させて無機質パウダーを作る第1ステップと、
前記無機質パウダー内部の空気が均一に排出されるように前記無機質パウダーを圧縮成形して断熱材を製造する第2ステップと、
を含んで構成される膨張パーライトを用いた無機質パウダー断熱材の製造方法。 - 前記無機質パウダーは、全体重量に対して前記合成シリカを50〜98重量%、及び前記膨張パーライト 2〜50を重量%含んで構成されることを特徴とする、請求項1に記載の膨張パーライトを用いた無機質パウダー断熱材の製造方法。
- 断熱材を外皮材で包むステップと、
一定の真空度にまで真空を形成した後、前記外皮材の残りの一側面を熱融着するステップをさらに含んで構成される、請求項1に記載の膨張パーライトを用いた無機質パウダー断熱材の製造方法。 - 前記断熱材が仕上げ材をさらに含んで構成される、請求項1に記載の膨張パーライトを用いた無機質パウダー断熱材の製造方法。
- 前記外皮材は、アルミニウムと有機素材フィルムとが一重以上に蒸着または貼り合わせて構成されていることを特徴とする、請求項3に記載の膨張パーライトを用いた無機質パウダー断熱材の製造方法。
- 前記仕上げ材は、アルミニウムと有機素材フィルムとが蒸着された仕上げ材、アルミニウムと有機素材フィルムとが貼り合わせられた仕上げ材、無機質繊維で構成された仕上げ材、有機材料で構成された仕上げ材の中から選ばれたいずれか一つ以上であることを特徴とする、請求項4に記載の膨張パーライトを用いた無機質パウダー断熱材の製造方法。
- 前記断熱材が流体輸送用断熱材、または流体プラント(plant)用配管断熱材、或いは加熱炉のバックアップ材として使用されることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の膨張パーライトを用いた無機質パウダー断熱材の製造方法。
- 膨張パーライトを速度1000rpm以上のミキサーにより1〜300μmの粒子サイズに破砕しつつ、同時に破砕された膨張パーライト破片に微粒の合成シリカを混合、分散させて無機質パウダーを作る第1ステップと、
前記無機質パウダーを圧縮ローラで圧縮して圧縮合材からなる断熱材を製造する第2ステップと、
を含んで構成される、膨張パーライトを用いた無機質パウダー断熱材の製造方法。 - 前記無機質パウダーは、全体重量に対して前記合成シリカを50〜98 重量%、及び前記膨張パーライトを2〜50 重量%含んで構成されることを特徴とする、請求項8に記載の膨張パーライトを用いた無機質パウダー断熱材の製造方法。
- 前記断熱材を外皮材で包むステップと、
一定の真空度にまで真空を形成した後、前記外皮材の残りの一側面を熱融着するステップをさらに含んで構成される、請求項8に記載の膨張パーライトを用いた無機質パウダー断熱材の製造方法。 - 前記断熱材が仕上げ材をさらに含んで構成される請求項8に記載の膨張パーライトを用いた無機質パウダー断熱材の製造方法。
- 前記外皮材は、アルミニウムと有機素材フィルムとが一重以上に蒸着または貼り合わせて構成されていることを特徴とする、請求項10に記載の膨張パーライトを用いた無機質パウダー断熱材の製造方法。
- 前記仕上げ材は、アルミニウムと有機素材フィルムとが蒸着された仕上げ材、アルミニウムと有機素材フィルムとが貼り合わせられた仕上げ材、無機質繊維で構成された仕上げ材、有機材料で構成された仕上げ材の中から選ばれたいずれか一つ以上であることを特徴とする、請求項11に記載の膨張パーライトを用いた無機質パウダー断熱材の製造方法。
- 前記断熱材が流体輸送用断熱材、または流体プラント(plant)用配管断熱材、或いは加熱炉のバックアップ材として使用されることを特徴とする、請求項8〜13のいずれか1項に記載の膨張パーライトを用いた無機質パウダー断熱材の製造方法。
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