JP6188245B2 - 断熱材及び断熱材の製造方法 - Google Patents
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Description
上記構成を備えた本発明の断熱材は、通常の紙同様に嵩が低く、優れた加工性を有するのに加え、一定量配合された、低密度、低熱伝導率のエアロゲルにより、優れた断熱性を有する。また、本発明の断熱材は、主体繊維、エアロゲルに加え、バインダーとして、カチオン性ポリマー及び両性ポリマーからなる群から選択される少なくとも1つの水溶性ポリマー、及び/又は、低融点合成繊維を含有する。当該バインダーを含有することで、抄紙工程等でのエアロゲルの粒子形状の崩壊が生じにくく、その断熱性を保持しやすい、という効果を奏する。
なお、ここでいう「密度」は、粒子の状態で、25℃、1気圧の条件下で測定するものを指すものとする。また、ここでいう「エアロゲル」とは、ナノメートル規模の孔が多数あり、そこから空気が分散される固体材料の連続マトリクスを持つ微粒子である。さらに、本発明において、「重量部」とは、水以外においては、すべて乾燥重量に基づくものである。
また、ここでいう「低融点合成繊維」とは、少なくとも当該繊維の表面において、融点が140℃以下であって、主体繊維が融点を有する場合には当該融点よりも低い融点を有する合成繊維を指すものとする。
また、前記バインダーは、前記低融点合成繊維を含み、前記低融点合成繊維は、ビニロンバインダー繊維であることが好ましい。バインダーとして、ビニロンバインダー繊維を使用することで、効率よく断熱材を製造することができる。
本発明の断熱材は、主体繊維と、エアロゲルと、カチオン性ポリマー及び両性ポリマーからなる群から選択される少なくとも1つの水溶性ポリマー、及び/又は、低融点合成繊維を含むバインダーと、を含む断熱材であって、前記エアロゲルは、密度が0.5g/cm3未満、熱伝導率が0.02W/(m・K)以下であり、前記主体繊維100重量部に対して、前記エアロゲルが35〜210重量部配合された、ことを特徴とする。以下、前記断熱材の各配合成分について詳述する。
本発明の断熱材の主体繊維は、合成繊維及び天然繊維のいずれでも使用することができる。合成繊維を使用する場合、主体繊維としては、特に限定されるものではないが例えば、通常、不織布の原料として使用される合成繊維である、ポリエステル繊維、ビニロン繊維、オレフィン繊維、ポリウレタン繊維、アラミド繊維、アクリル繊維、ポリ乳酸繊維、ポリ塩化ビニル繊維、ビニリデン繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、セラミック繊維、アルミナ繊維、ガラス繊維を使用することができ、ポリエステル繊維が好ましく、ポリエチレンテレフタレート(以下、PETと称す)繊維がより好ましい。
また、天然繊維を使用する場合、主体繊維としては、特に限定されるものではないが例えば、パルプを使用することができる。パルプの種類は、特に限定されるものではなく、通常、紙の原料として使用される木材パルプ、非木材パルプ、脱墨パルプのいずれも使用可能であり、また、ケミカルパルプ、セミケミカルパルプ、メカニカルパルプのいずれも使用可能である。
各種主体繊維の選択は、断熱材の所望の柔軟性、耐熱性、難燃性、不燃性、可撓性、強度、重量に応じて適宜変更することができ、主体繊維には、上記の1種類のみの繊維を含有させることも、複数種類の繊維を含有させることもできる。
後述のエアロゲルを多量に含有する断熱材においては、エアロゲルの保持するため繊維径の細い合成繊維が望ましい。
本発明に使用するエアロゲルは、ナノメートル規模の孔が多数あり、そこから空気が分散される固体材料の連続マトリクスを持つ微粒子であり、例えば99%が空気で構成され、非常に軽く、効果的な断熱材になる。またエアロゲルとしては、シリカ、メチルシリケート、シリカ・アルミナ等の公知のシリカ化合物、レゾルシノール・ホルムアルデヒド、セルロース、セルロースナノファイバーエアロゲル等の多孔質粒子を使用できる。多孔率の程度にかかわらず、素材自体の熱伝導率が0.15W/(m・K)以下、特に、0.1W/(m・K)以下、さらには0.06〜0.018W/(m・K)のものを使用することが好ましい。特に、メチルシリケートモノマーを常圧乾燥又は臨界乾燥でエアロゲル化したものが、低密度での製造が容易であること、ナノレベルでの多孔構造又は中空構造を比較的容易に形成し得ること、水溶液中で崩壊しにくいこと、などから、好適に使用可能である。
また、主体繊維がパルプを含み、後述のバインダーがカチオン性ポリマー及び両性ポリマーからなる群から選択される少なくとも1つの水溶性ポリマーを含む場合には、同様な観点から、エアロゲルの配合量は、主体繊維100重量部に対して35〜75重量部とすることが好ましく、特に35〜60重量部、さらに38〜52重量部とすることが好ましい。
本発明の断熱材は、カチオン性ポリマー及び両性ポリマーからなる群から選択される少なくとも1つの水溶性ポリマー、及び/又は、低融点合成繊維を含むバインダーを含有する。即ち、本発明の断熱材が含有するバインダーは、カチオン性ポリマー及び両性ポリマーからなる群から選択される少なくとも1つの水溶性ポリマー、及び/又は、低融点合成繊維を含む。水溶性ポリマーとしては、デンプン、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリ酢酸ビニル、水性ウレタン等をカチオン化処理及び/又は両性化処理したものを好適に使用できる。特に、カチオン化デンプン及び両性デンプンの少なくとも一方が、抄紙時に水溶液に気泡等が生じにくく、安定した抄紙と、高い歩留まりを可能とすることから、より好適に使用できる。
カチオン化デンプン、両性デンプンは、例えば、特開2003−64101号公報(カチオン化デンプン)、特開2001−19701号公報(両性デンプン)等に記載される公知の方法を用いることで実施可能である。なお、カチオン性デンプンは、市販されているものを適宜使用することができ、例えば、日本食品化工株式会社製ネオタックシリーズ等が適用可能である。
低融点合成繊維としては、特にビニロンバインダー繊維が好ましく、当該繊維は、70℃で水中溶解するため、乾燥時にエアロゲルと繊維間を接着することができる。ビニロンバインダー繊維は、市販されているものを適宜使用することができ、例えば、株式会社クラレ製VPB105−1等が適用可能である。
また、バインダー繊維は芯が高融点成分で鞘が低融点成分である芯鞘繊維を用いてもよい。
なお、上記歩留まりは、さらにキチン・キトサン等を含む公知の凝集剤を用いることにより高めることが可能である。
また、主体繊維がパルプを含み、バインダーがカチオン性ポリマー及び両性ポリマーからなる群から選択される少なくとも1つの水溶性ポリマーを含む場合には、同様な観点から、水溶性ポリマーの配合量は、主体繊維100重量部に対して0.3〜33重量部とすることが好ましく、特に0.3〜18重量部とすることがより好ましい。
その他、特に限定されるものではないが、例えば製紙用添加剤として通常使用される、植物性ガム、水性セルロース誘導体、ケイ酸ソーダ等の紙力増強剤、ロジン、カルボキシルメチルセルロース、アルキルケテンダイマー、アルケニル無水コハク酸等のサイズ剤、ポリアクリルアミド、ケイ酸ソーダ等の歩留まり向上剤、染料、顔料等を、必要に応じて内添又はサイズプレスにより添加することができる。また、上記以外に、例えば、添加剤としては、水溶性ポリウレタン樹脂などの分散剤(例えば、吉村油化株式会社製、テキサノールPE―10Fなど)、消泡剤(例えば、明成化学工業株式会社製、フォームレスPニューなど)を用いることができる。
上記の成分よりなる断熱材の性状は、厚さ15μm〜1.2cm、坪量10〜480g/m2、密度0.5〜1.5g/cm3のシート状とすることができる。これらの数値は、一般的な紙と同様の範囲内であり、これにより、本発明の断熱剤に、紙と同様の外観、質感を有することが分かる。断熱材は、抄紙シートの一層のみである必要はなく、複数のシートを接着剤等で貼合した多層構造であってもよく、また、シートの片面又は両面にポリエチレン等の樹脂層を設けたラミネート構造であってもよい。特にラミネート構造とすることで、シートからのエアロゲルの脱落を防ぐことができ、また、断熱材全体の強度、断熱性を高めることができる。
1.抄紙用スラリーの調製
主体繊維100重量部と、上記のエアロゲル35〜210重量部と、上記のバインダー0.3〜125重量部とを水に添加混合して混合スラリーを調製し、抄紙用スラリー(混合スラリー)を調製する。
なお、バインダーとして、上記の水溶性ポリマーを含有するものを使用する場合には、水溶性ポリマー及びエアロゲルを、少なくとも主体繊維を水に懸濁したスラリーに、添加混合して抄紙用スラリーを調整することが好ましい。具体的には、例えば、主体繊維としてパルプ、エアロゲルとして多孔質シリカ粒子を使用し、バインダーが水溶性ポリマーを含有する場合には、パルプを水に懸濁したスラリーに、多孔質シリカ粒子と、バインダーとを添加混合して抄紙用スラリー(混合スラリー)を調製することが好ましい。
上記の抄紙用スラリーを、紙の製造において通常使用される公知の抄紙機を用いて抄紙する。抄紙機のスリット幅、ドラム径、ドラム回転速度、プレス圧、ドライヤー温度等は、断熱材シートの所望の性状によって、適宜変更可能である。
上記抄紙工程によって得られた抄紙シートについて、必要に応じて、複数のシートを接着剤を介して積層してもよく、また、片面又は両面にポリエチレン等の樹脂層を設けるラミネート加工を施してもよい。
本発明の断熱材について、目的の物品を包装する、目的の物品に貼付する等の手段により、目的の物品に対して断熱効果を奏することが可能である。ここで、目的の物品の素材については特に限定されず、紙、プラスチック、板材、金属等何れにも使用可能である。その使用の目的についても、食品、医薬品の容器や包装材、建築材等に使用可能である。
本発明の断熱材の効果を確かめるために以下の2つの実験を行った。
<断熱材の作成>
1.実施例1:断熱材
500mLビーカーに水300mLを入れ、ここに市販のケナフパルプを200g、メチルシリケートの臨界乾燥疎水ゲル粉末(平均粒径5μm、比表面積750m2/g、キャボット社製Aerogel Enova)を100g、カチオン性デンプン(日本食品化工株式会社製 #40T)を0.8g添加して、ハンディミキサーを用いて10,000rpmの回転数で全体が均一になるまで攪拌して、パルプスラリーを調製した。
次いで、上記パルプスラリーを抄紙用スクリーン(材質:ナイロン)を用いて手動にて抄紙し、金網状で室温で乾燥させることで、厚さ0.2mm、坪量200g/m2の断熱材(断熱シート)が得られた。なお、得られた断熱シートの外観、撓み性等は、市販の画用紙に類似するものであった。
実施例1と同様に抄紙したスクリーン上の乾燥前のシートを、3枚、5枚、7枚、10枚重ねて乾燥させて作成した断熱シートを、それぞれ実施例2、3、4、5とした。
比較対照として、厚さ0.2mm、坪量210g/m2の市販の画用紙を使用した。前記画用紙を1枚のみ使用したものを比較例1とし、3枚、5枚、7枚、10枚重ねて使用したものを、それぞれ比較例2、3、4、5とした。
市販の紙コップ(9オンス、口径77mm×高さ91mm、材質:バージンパルプ(外側)、ポリエチレン(内側))の外周表面を覆うように、実施例1〜5の断熱シート、比較例1〜5の紙をそれぞれ巻きつけた。その際、断熱シート及び紙は、接着剤等を使用せず、紙コップに密着するように、かつ、重ならないように巻きつけて境界線のみ1cm幅×約5cmのセロハンテープで外側表面をテープ止めした。
上記紙コップのそれぞれに95℃の熱湯を250mL入れ、入れた直後、10秒後、20秒後、30秒後のシート外側の表面温度を測定した。表面温度の測定結果を表1に示す。
<断熱材の作成>
1.実施例6:断熱材
1Lのハンディミキサーに水700mLを入れ、そこに市販のポリエステル繊維(PET繊維、帝人社製TA04PN SD 0.1dtex x 3mm)3.5gを入れ、10,000rpmの回転数で全体が均一になるまで攪拌する。これに、ビニロンバインダー繊維(株式会社クラレ製VPB105-1 x 3mm)1.2gを入れ撹拌した。このスラリーにメチルシリケートの臨界乾燥疎水ゲル粉末(平均粒径90μm、比表面積750m2/g、キャボット社製Aerogel Enova)を7.0g加え、同様に撹拌し抄紙用スラリーを調整した。
次いで実施例1と同様な方法で抄紙し、ロータリー式乾燥機で乾燥させることで、厚さ0.25mm、坪量100g/m2の断熱材(断熱シート)を得、当該断熱材を2枚のみ使用したものを実施例6とした(実施例6の断熱材の厚さは0.5mm)。なお、得られた断熱シートの外観、撓み性等は、市販の不織布に類似するものであった。
実施例6と同様な方法で製造した断熱材を4枚、6枚、8枚重ねて使用したものを、それぞれ実施例7、8、9とした(それぞれ実施例の断熱材の厚さは1.0mm、1.5mm、2.0mm)。
比較対照として、0.25mmの不織布(ポリエステル繊維(帝人社製TA04PN SD 0.1dtex x 3mm)100重量部、ビニロンバインダー繊維(株式会社クラレ製VPB105-1 x 3mm)33.3重量部)を使用した。前記不織布を2枚のみ使用したものを比較例6とし、4枚、6枚、8枚重ねて使用したものを、それぞれ比較例7、8、9とした。
1Lのハンディミキサーに水700mLを入れ、そこに市販のポリエステル繊維(PET繊維、帝人社製TA04PN SD 0.1dtex x 3mm)3.5gを入れ、10,000rpmの回転数で全体が均一になるまで攪拌した。これに、ポリエステルバインダー繊維(PETバインダー繊維、帝人社製TK08PN SD 0.2dtex x 3mm)1.2gを入れ撹拌した。さらに、カチオン性デンプン(日本食品化工株式会社製 #40T)3.1g、メチルシリケートの臨界乾燥疎水ゲル粉末(平均粒径90μm、比表面積750m2/g、キャボット社製Aerogel Enova)を7.0g加え、同様に撹拌し抄紙用スラリーを調整した。
次いで実施例1と同様な方法で抄紙し、ロータリー式乾燥機で乾燥させることで、厚さ0.25mm、坪量130g/m2の断熱材(断熱シート)を得、当該断熱材を2枚のみ使用したものを実施例10とした(実施例10の断熱材の厚さは0.5mm)。なお、得られた断熱シートの外観、撓み性等は、市販の不織布に類似するものであった。
実施例10と同様な方法で製造した断熱材を4枚、6枚、8枚重ねて使用したものを、それぞれ実施例11、12、13とした(それぞれ実施例の断熱材の厚さは1.0mm、1.5mm、2.0mm)。
比較対照として、0.25mmの不織布(ポリエステル繊維(帝人社製TA04PN SD 0.1dtex x 3mm)100重量部、ポリエステルバインダー繊維(PETバインダー繊維、帝人社製TK08PN SD 0.2dtex x 3mm)33重量部、カチオン性デンプン(日本食品化工株式会社製 #40T)36重量部)を使用した。前記不織布を2枚のみ使用したものを比較例10とし、4枚、6枚、8枚重ねて使用したものを、それぞれ比較例11、12、13とした。
約100℃に加熱したステンレス製の円柱(直径:47mm、高さ:57mm)の上に実施例6〜13の断熱シート(40mm×40mm)、比較例6〜13の不織布(40mm×40mm)を置いた。10秒後、20秒後、30秒後、60秒後のシート及び不織布の上面側(シート及び不織布と円柱が接触する側とは逆側)の表面温度を測定した。当該表面温度の測定結果を表2に示す。
Claims (9)
- 主体繊維と、エアロゲルと、カチオン性ポリマー及び両性ポリマーからなる群から選択される少なくとも1つの水溶性ポリマー、及び/又は、低融点合成繊維を含むバインダーと、を含む断熱材であって、
前記エアロゲルは、密度が0.5g/cm3未満、熱伝導率が0.02W/(m・K)以下であり、前記主体繊維100重量部に対して、前記エアロゲルが35〜210重量部配合された、ことを特徴とする断熱材。 - 前記バインダーは、前記水溶性ポリマーを含み、
前記水溶性ポリマーは、カチオン化デンプン及び両性デンプンの少なくとも一方である、請求項1に記載の断熱材。 - 前記バインダーは、前記低融点合成繊維を含み、
前記低融点合成繊維は、ビニロンバインダー繊維である、請求項1又は2に記載の断熱材。 - 前記エアロゲルは、メチルシリケートモノマーを常圧乾燥又は臨界乾燥でエアロゲル化した多孔質シリカ粒子である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の断熱材。
- 前記エアロゲルの平均粒径が2〜140μmであり、かつ、比表面積が400m2/g以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の断熱材。
- 厚さ15μm〜1.2cm、坪量10〜480g/m2、密度0.5〜1.5g/cm3のシート状である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の断熱材。
- 主体繊維100重量部と、密度が0.5g/cm3未満、熱伝導率が0.02W/(m・K)以下のエアロゲル35〜210重量部と、カチオン性ポリマー及び両性ポリマーからなる群から選択される少なくとも1つの水溶性ポリマー、及び/又は、低融点合成繊維を含むバインダー0.3〜125重量部と、を水に添加混合して混合スラリーを調製し、
前記混合スラリーを抄紙する、ことを特徴とする断熱材の製造方法。 - 抄紙時の前記混合スラリーをpH7〜8とする、請求項7に記載の断熱材の製造方法。
- 前記混合スラリーの前記バインダーが前記水溶性ポリマーを含み、
前記水溶性ポリマー及び前記エアロゲルを、少なくとも前記主体繊維を水に懸濁したスラリーに、添加混合して前記混合スラリーを調整する、請求項7又は8に記載の断熱材の製造方法。
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