JP6228461B2 - 無機繊維及びその製造方法 - Google Patents
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Description
このような状況下、本発明は、Al2O3−SiO2−CaO系であっても、安定した品質を有する無機繊維を簡便に製造する方法を提供することを第1の目的とするものであり、安定した品質を有するAl2O3−SiO2−CaO系無機繊維を提供することを第2の目的とするものである。さらに、表面に形成される細孔の有無を好適に制御しつつ簡便に無機繊維を製造する方法を提供することを第3の目的とするものである。
(1)無機繊維を製造する方法であって、
アルミニウム源と、カルシウム源と、ケイ素源と、紡糸助剤とを含み、固形分換算したときに、前記アルミニウム源と、前記カルシウム源と、前記ケイ素源との合計含有量100質量部に対し、前記紡糸助剤を3質量部以上含む紡糸原料液を調製した後、
該紡糸原料液をゾルゲル法により紡糸して粗無機繊維を得、
次いで、得られた粗無機繊維を焼成することにより、
35質量%〜88質量%のAl2O3、3質量%〜45質量%のCaO、5質量%〜40質量%のSiO2を含み、Al2O3、CaOおよびSiO2を合計した含有割合が全体の97質量%以上である無機繊維を製造することを特徴とする無機繊維の製造方法、
(2)得られる無機繊維が細孔を有さないものである上記(1)に記載の無機繊維の製造方法、
(3)アルミニウム源と、カルシウム源と、ケイ素源と、紡糸助剤とを含む紡糸原料液を調製した後、
該紡糸原料液をゾルゲル法により紡糸して粗無機繊維を得、
次いで、得られた粗無機繊維を焼成することにより、
35質量%〜88質量%のAl2O3、3質量%〜45質量%のCaO、5質量%〜40質量%のSiO2を含み、Al2O3、CaOおよびSiO2を合計した含有割合が全体の97質量%以上である無機繊維を製造する方法であって、
前記紡糸原料液を構成する、前記アルミニウム源と前記カルシウム源と前記ケイ素源との合計含有量に対する前記紡糸助剤の含有量を増減することにより、得られる無機繊維の細孔の有無を制御する
ことを特徴とする無機繊維の製造方法。
(4)前記アルミニウム源が水溶性アルミニウム化合物、前記カルシウム源が水溶性カルシウム化合物、前記ケイ素源が水溶性または水分散性のケイ素化合物であり、前記紡糸原料液が紡糸原料水性溶液である上記(1)〜(3)のいずれかに記載の無機繊維の製造方法、
(5)前記アルミニウム源が塩基性塩化アルミニウムである上記(1)〜(4)のいずれかに記載の無機繊維の製造方法。
(6)アルミニウム源と、カルシウム源と、ケイ素源と、紡糸助剤とを含む紡糸原料液を調製した後、
該紡糸原料液をゾルゲル法により紡糸して粗無機繊維を得、
次いで、得られた粗無機繊維を焼成することにより製造されてなる無機繊維であって、
35質量%〜88質量%のAl2O3、3質量%〜45質量%のCaO、5質量%〜40質量%のSiO2を含み、Al2O3、CaOおよびSiO2を合計した含有割合が全体の97質量%以上であり、細孔を有さないことを特徴とする無機繊維を提供するものである。
本発明に係る無機繊維の製造方法は、アルミニウム源と、カルシウム源と、ケイ素源と、紡糸助剤とを含む紡糸原料液を調製した後、該紡糸原料液をゾルゲル法により紡糸して粗無機繊維を得、次いで、得られた粗無機繊維を焼成することにより、35質量%〜88質量%のAl2O3、3質量%〜45質量%のCaO、5質量%〜40質量%のSiO2を含み、Al2O3、CaOおよびSiO2を合計した含有割合が全体の97質量%以上である無機繊維を製造する方法であって、前記紡糸原料液を構成する、前記アルミニウム源と前記カルシウム源と前記ケイ素源との合計含有量に対する前記紡糸助剤の含有量を増減することにより、得られる無機繊維の細孔の有無を制御することを特徴とするものである。
例えば、本発明の製造方法において、得ようとする無機繊維が細孔を有さないものである場合は、上記アルミニウム源と、上記カルシウム源と、上記ケイ素源との合計含有量100質量部に対し、上記紡糸助剤を3質量部以上含有するように制御すればよい。また、得ようとする無機繊維が細孔を有するものである場合は、上記アルミニウム源と、上記カルシウム源と、上記ケイ素源との合計含有量100質量部に対し、上記紡糸助剤の含有量が3質量部未満となるように制御すればよい。
これに対して本件発明者等が鋭意検討したところ、驚くべきことに、紡糸原料液中の紡糸助剤の量を金属元素源の量に対して増減することにより、得られる無機繊維の細孔の有無を制御し得ることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
表面に細孔を有さない繊維は、強度が必要となる断熱材や耐火材等に好適に使用することができ、表面に細孔を有するポーラスな無機繊維は、比表面積が大きなものが求められるフィルター材等に好適に使用することができる。
液体媒体としては、アルミニウム源と、カルシウム源と、ケイ素源と紡糸助剤とを分散ないし溶解させ得るものであれば特に制限されないが、水性媒体が好ましく、液体媒体として水性媒体を用いることにより、紡糸原料液として、ゾルゲル法による紡糸に好適な紡糸原料水性溶液を調製することができる。
水性媒体としては、水が好ましく、溶液の安定性を向上させたり、紡糸の安定性を向上させるために、水を主成分として水に可溶な他の媒体、例えばアルコール類、ケトン類、アミン類、アミド類、カルボン酸類などを添加したものであってもよい。また、これらの媒体に対して塩化アンモニウムなどの有機塩を添加したものであってもよい。
紡糸原料液の濃度が上記範囲内にあることにより、紡糸後の乾燥処理を好適に行うことができ、安定した繊維径を有する繊維を容易に得ることができる。
液糸時の乾燥温度が50℃未満であると、液糸原料液の延伸過多による平均繊維径の細径化や紡糸原料液の表面張力によるショットの生成や、粗無機繊維同士の接着が起こる恐れがある。液糸の乾燥温度が400℃超であると、液糸原料液が十分に延伸される前に乾燥固化されるため、平均繊維径が著しく太くなる場合がある。
焼成温度は、800℃以上液相生成温度未満が好ましく、900℃以上液相生成温度未満がより好ましく、1000℃以上液相生成温度未満がさらに好ましい。
具体的には、800℃以上1500℃以下であって液相生成しない温度であることが好適であり、800℃以上1350℃以下であって液相生成しない温度であることがより好適であり、900℃以上1350℃以下であって液相生成しない温度であることがさらに好適であり、1000℃以上1350℃以下であって液相生成しない温度であることがより一層好適である。
焼成温度が800℃未満であると、紡糸助剤として用いた有機高分子などの有機成分が得られる無機繊維中に残留し、また、焼成温度が1500℃超であると、結晶粒の成長が生じて得られる無機繊維が非常に脆くなったり、液相を生じて炉床と反応してしまう。
焼成時の雰囲気は、紡糸助剤等として用いた有機物を分解するために、大気または酸化性雰囲気とすることが好ましい。残留有機物の分解能を考慮しなくてよい場合には、窒素等の不活性雰囲気であってもよい。
本発明の製造方法で得られる無機繊維は、不可避的成分を3質量%未満含み得るものであり、ここで、不可避的成分とは、無機繊維の調製時に混入する不純物成分を意味する。
なお、得られる無機繊維にはバランス成分が含まれる場合があるが、この場合はバランス成分を除いた金属酸化物の合計値が100質量%となるように、補正計算を行うものとする。
なお、本出願書類において、無機繊維の平均繊維径は、走査型電子顕微鏡(日本電子製 JSM‐5800LV)により撮影した写真(倍率500〜2000倍)から無作為に100〜400本選定して繊維の幅を計測し、これ等の幅から算出した平均値を意味する。
なお、本発明の製造方法においては、製造時に気泡を巻き込んで破断面に気孔が形成される場合があるが、上記細孔数にこの気孔の数は含めないものとする。
なお、本出願書類において、無機繊維の面圧残存率は以下の方法により測定した値を意味するものとする。すなわち、0.094gの無機繊維を、圧縮盤上に静置した直径10.2mmの容器中に詰めた状態で、無機繊維の充填密度が0.30g/cm3に達するまで上部から圧縮棒により徐々に圧縮して、この際の圧縮盤と圧縮棒とのGap(距離)をX(mm)としたときに、上記圧縮棒による圧縮力を圧縮盤と圧縮棒との距離がX+0.125X(mm)になるまで(圧縮盤と圧縮棒とのGap開放率が12.5%になるまで)徐々に低減し、距離XおよびX+0.125Xにおける面圧(Pa)から、下記式により算出した値を意味するものとする。
面圧残存率(%)={(距離X+0.125Xにおける面圧(Pa))/(距離Xにおける面圧(Pa))×100
本発明の無機繊維は、アルミニウム源と、カルシウム源と、ケイ素源と、紡糸助剤とを含む紡糸原料液を調製した後、該紡糸原料液をゾルゲル法により紡糸して粗無機繊維を得、次いで、得られた粗無機繊維を焼成することにより製造されてなる無機繊維であって、35質量%〜88質量%のAl2O3、3質量%〜45質量%のCaO、5質量%〜40質量%のSiO2を含み、Al2O3、CaOおよびSiO2を合計した含有割合が全体の97質量%以上であり、細孔を有さないことを特徴とするものである。
また、本発明の無機繊維の組成および物性の詳細も、本発明の製造方法の説明で述べたとおりである。
アルミニウム源として塩基性塩化アルミニウム(多木化学(株)製タキバイン)、カルシウム源として硝酸カルシウム(和光純薬工業(株)製)、ケイ素源としてアニオン性コロイダルシリカ(日産化学工業(株)製スノーテックスO)、紡糸助剤として部分けん化ポリビニルアルコール((株)クラレ製PVA217)を用い、液体媒体として水を用いて紡糸原料水性溶液を調製した。
すなわち、得られる無機繊維が、Al2O360質量%、CaO10質量%、SiO230質量%を含むように、塩基性塩化アルミニウム、硝酸カルシウムおよびアニオン性コロイダルシリカの対応する量をそれぞれ水中に添加、混合するとともに、固形分換算したときに、上記塩基性塩化アルミニウム、硝酸カルシウムおよびアニオン性コロイダルシリカの合計含有量100質量部に対し、紡糸助剤を10質量部、消泡剤(サンノプコ(株)製SNデフォーマ)を0.1質量部混合し、5分間攪拌した後、40℃で減圧しながら濃縮することによって、固形分濃度56.4質量%、25℃での粘度3.6Pa・sの紡糸原料水性溶液を調製した。
上記無機繊維は、細孔を有さないものであった。本実施例で得られた結果を表1に併記する。
実施例1において、固形分換算したときに、上記塩基性塩化アルミニウム、硝酸カルシウムおよびアニオン性コロイダルシリカの合計含有量100質量部に対し、紡糸助剤の混合量を、それぞれ、15質量部(実施例2)、20質量部(実施例3)および30質量部(実施例4)に変更して紡糸原料液を調製したことを除けば、実施例1と同様にしてAl2O3を60質量%、CaOを10質量%、SiO2を30質量%含み、平均繊維径が3.5〜4.5μmである無機繊維をそれぞれ作製した。
実施例1と同様にして、得られた無機繊維の細孔の有無を確認した。結果を表1に記載する。
固形分換算したときに、上記塩基性塩化アルミニウム、硝酸カルシウムおよびアニオン性コロイダルシリカの合計含有量100質量部に対し、紡糸助剤の混合量を、それぞれ、0.5質量部(比較例1)および2質量部(比較例2)に変更して紡糸原料液を調製したことを除けば、実施例1と同様にしてAl2O3を60質量%、CaOを10質量%、SiO2を30質量%含み、平均繊維径は3.5〜4.5μmである無機繊維をそれぞれ作製した。
実施例1と同様にして、得られた無機繊維の細孔の有無を確認した。結果を表1に記載する。
アルミニウム源として塩基性塩化アルミニウム(多木化学(株)製タキバイン)、カルシウム源として硝酸カルシウム(和光純薬工業(株)製)、ケイ素源としてカチオン性コロイダルシリカ(日産化学工業(株)製スノーテックスAK)、紡糸助剤としてポリエチレンオキサイド(住友精化(株)製PEO−8Z)を用い、液体媒体として水を用いて、上記塩基性塩化アルミニウム、硝酸カルシウムおよびカチオン性コロイダルシリカの合計含有量100質量部に対し、紡糸助剤の混合量を、それぞれ、10質量部(実施例5)および30質量部(実施例6)に変更して紡糸原料液を調製したことを除けば、実施例1と同様にしてAl2O3を60質量%、CaOを10質量%、SiO2を30質量%含む無機繊維をそれぞれ作製した。それぞれの無機繊維の平均繊維径は4.0〜5.5μmであった。
実施例1と同様にして、得られた無機繊維の細孔の有無を確認した。結果を表2に記載する。
アルミニウム源として塩基性塩化アルミニウム(多木化学(株)製タキバイン)、カルシウム源として硝酸カルシウム(和光純薬工業(株)製)、ケイ素源としてカチオン性コロイダルシリカ(日産化学工業(株)製スノーテックスAK)、紡糸助剤としてポリエチレンオキサイド(住友精化(株)製PEO−8Z)を用い、液体媒体として水を用いて、上記塩基性塩化アルミニウム、硝酸カルシウムおよびカチオン性コロイダルシリカの合計含有量100質量部に対し、紡糸助剤の混合量を2質量部に変更して紡糸原料液を調製したことを除けば、実施例1と同様にして60質量%のAl2O3、10質量%のCaOおよび30質量%のSiO2を含む無機繊維をそれぞれ作製した。得られた無機繊維の平均繊維径は4.8μmであった。
実施例1と同様にして、得られた無機繊維の細孔の有無を確認した。本比較例で得られた結果を表2に併記する。
アルミニウム源として塩基性塩化アルミニウム(多木化学(株)製タキバイン)、カルシウム源として硝酸カルシウム(和光純薬工業(株)製)、ケイ素源としてカチオン性コロイダルシリカ(日産化学工業(株)製スノーテックスAK)およびシロキサン(信越化学工業(株)社製KF354L)(カチオン性コロイダルシリカ固形分重量:シロキサンの固形分重量=20:80)、紡糸助剤としてポリエチレンオキサイド(住友精化(株)製PEO−1)を用い、液体媒体として水を用いて、上記塩基性塩化アルミニウム、硝酸カルシウム、カチオン性コロイダルシリカおよびシロキサンの合計含有量100質量部に対し、紡糸助剤の混合量を1質量部に変更して紡糸原料液を調製したことを除けば、実施例1と同様にしてAl2O3を63質量%、CaOを11質量%、SiO2を26質量%含む無機繊維をそれぞれ作製した。
なお、本比較例で得られた無機繊維を構成する各成分の含有割合は、1000℃で焼成して得られた無機繊維をエネルギー分散型X線分析装置(EDS)(サーモフィッシャー社製「Noran SYSTEM7」)を用い加速電圧10kvで測定することにより求めたものである。得られた無機繊維の平均繊維径は4.0μmであった。
実施例1と同様にして、得られた無機繊維の細孔の有無を確認した。結果を表2に記載する。
面圧残存率(%)={(距離X+0.125Xにおける面圧(Pa))/(距離Xにおける面圧(Pa)}×100
また、充填密度0.30g/cm3に達するまで圧縮した際の面圧に対するGap開放率を、それぞれ3.2%、6.9%、10.8%、15.1%、19.7%とした際の面圧の割合(各Gap開放率における面圧残存率(%))は、上式の「距離X+0.125Xにおける面圧(Pa)」を、それぞれ「距離X+0.032Xにおける面圧(Pa)」、「距離X+0.069Xにおける面圧(Pa)」、「距離X+0.108Xにおける面圧(Pa)」、「距離X+0.151Xにおける面圧(Pa)」、「距離X+0.197Xにおける面圧(Pa)」に置き換えることにより求めたものである。
また、図3より、本発明の実施例で得られた無機繊維は、本発明の比較例で得られた無機繊維よりも面圧残存率の高いものであることが分かる。
実施例1において、固形分換算したときに、上記塩基性塩化アルミニウム、硝酸カルシウムおよびアニオン性コロイダルシリカの合計含有量100質量部に対し、紡糸助剤の混合量を、それぞれ、4質量部および10質量部に変更して紡糸原料液を調製したことを除けば、実施例1と同様にして、表3に示す組成比のAl2O3、CaO、SiO2を含み、平均繊維径が3.5〜4.5μmである無機繊維をそれぞれ作製した。
実施例1と同様にして、得られた無機繊維の細孔の有無を確認した。結果を表3に記載する。尚、表中で、◎は細孔が無く、○は細孔が僅かにあり、△は細孔が少なく、×は細孔が多い(比較例相当)ことを示す。
この明細書に記載の文献及び本願のパリ優先の基礎となる日本出願明細書の内容を全てここに援用する。
Claims (8)
- 無機繊維を製造する方法であって、
アルミニウム源と、カルシウム源と、ケイ素源と、紡糸助剤とを含み、固形分換算したときに、前記アルミニウム源と、前記カルシウム源と、前記ケイ素源との合計含有量100質量部に対し、前記紡糸助剤を3質量部以上含む紡糸原料液を調製した後、
該紡糸原料液をゾルゲル法により紡糸して粗無機繊維を得、
次いで、得られた粗無機繊維を焼成することにより、
50質量%〜88質量%のAl2O3、3質量%〜45質量%のCaO、5質量%〜30質量%のSiO2を含み、Al2O3、CaOおよびSiO2を合計した含有割合が全体の97質量%以上であり、無機繊維の垂直破断面全体に観察される直径40nm以上の細孔の数が10個以下であり、平均繊維径が4.5μm〜10μmである無機繊維を製造することを特徴とする無機繊維の製造方法。 - 無機繊維を製造する方法であって、
アルミニウム源と、カルシウム源と、ケイ素源と、紡糸助剤とを含み、固形分換算したときに、前記アルミニウム源と、前記カルシウム源と、前記ケイ素源との合計含有量100質量部に対し、前記紡糸助剤を8質量部以上含む紡糸原料液を調製した後、
該紡糸原料液をゾルゲル法により紡糸して粗無機繊維を得、
次いで、得られた粗無機繊維を焼成することにより、
35質量%〜88質量%のAl2O3、3質量%〜45質量%のCaO、5質量%〜40質量%のSiO2を含み、Al2O3、CaOおよびSiO2を合計した含有割合が全体の97質量%以上であり、無機繊維の垂直破断面全体に観察される直径40nm以上の細孔の数が10個以下である無機繊維を製造することを特徴とする無機繊維の製造方法。 - 前記紡糸原料液が、前記紡糸助剤を10質量部以上含む請求項1又は2に記載の無機繊維の製造方法。
- アルミニウム源と、カルシウム源と、ケイ素源と、紡糸助剤とを含む紡糸原料液を調製した後、
該紡糸原料液をゾルゲル法により紡糸して粗無機繊維を得、
次いで、得られた粗無機繊維を焼成することにより、
35質量%〜88質量%のAl2O3、3質量%〜45質量%のCaO、5質量%〜40質量%のSiO2を含み、Al2O3、CaOおよびSiO2を合計した含有割合が全体の97質量%以上である無機繊維を製造する方法であって、
前記紡糸原料液を構成する、前記アルミニウム源と前記カルシウム源と前記ケイ素源との合計含有量に対する前記紡糸助剤の含有量を増やすことにより、得られる無機繊維の細孔を減らして、前記紡糸助剤の含有量を増減することにより、得られる無機繊維の細孔の有無を制御する
ことを特徴とする無機繊維の製造方法。 - 前記アルミニウム源が水溶性アルミニウム化合物、前記カルシウム源が水溶性カルシウム化合物、前記ケイ素源が水溶性または水分散性のケイ素化合物であり、前記紡糸原料液が紡糸原料水性溶液である請求項1〜請求項4のいずれかに記載の無機繊維の製造方法。
- 前記アルミニウム源が塩基性塩化アルミニウムである請求項1〜請求項5のいずれかに記載の無機繊維の製造方法。
- 50質量%〜88質量%のAl2O3、3質量%〜45質量%のCaO、5質量%〜30質量%のSiO2を含み、Al2O3、CaOおよびSiO2を合計した含有割合が全体の97質量%以上であり、無機繊維の垂直破断面全体に観察される直径40nm以上の細孔の数が10個以下であり、平均繊維径が4.5μm〜10μmである
ことを特徴とする無機繊維。 - 前記平均繊維径が5.5μm〜10μmである
ことを特徴とする請求項7に記載の無機繊維。
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