JP7223523B2 - 断熱材 - Google Patents
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Description
一般にエアロゲルとは、湿潤ゲルを超臨界乾燥させて得られた低密度の乾燥ゲルを指す。一般的にエアロゲルの内部は網目状の微細構造となっており、2~20nm程度のエアロゲル粒子(エアロゲルを構成する粒子)が結合したクラスター構造を有している。このクラスターにより形成される骨格間には、200nmに満たない微細な細孔が存在し、三次元的に微細な多孔性の構造をしている。なお、本実施形態は、多孔質シリカを主成分とするシリカ複合材料である。
本実施形態の断熱材は、多孔質シリカと、カーボンナノチューブ(CNT)と、を含んで構成される。また、分散剤をさらに含んでいてもよい。本実施形態の断熱材は高結晶性のCNTを含むことで、一般的なエアロゲル断熱材と比較して機械的強度が向上している。さらに高結晶性のCNTはグラファイトと比較して、輻射熱をよりよく遮熱する効果があるため、断熱材の熱伝導率をさらに低下させることができる。
多孔質シリカ断熱材による熱伝導には、固体伝熱、輻射伝熱および気体伝熱の各熱伝導機構が寄与しており、総熱伝導率は各熱伝導機構による熱伝導率の総和で表される。即ち、断熱性能を向上させるためには、熱伝導機構ごとの熱伝導率の大小傾向を把握し、その総和が小さくなるような設計をすればよい。
本実施形態の断熱材の製造方法としては、多孔質シリカ中にCNTが分散した複合体が得られるものであれば特に限定されるものではなく、例えば以下に説明する湿式法により生産することができる。
上述の製造方法により、表1に示す実施例および比較例の断熱材を作製した。作製した各実施例および比較例に対して、強度試験として3点曲げ試験および圧縮試験を行い、さらに熱伝導率の測定を行った。
15×60×3mmの試験片を、15×60mmの矩形面を鉛直方向に向けて、幅40mmで配置される2つの支台上に跨るように載せ、その中間位置において鉛直上方から応力印加用の冶具を1mm/minの速度で降下させることで、試験片に3点曲げ応力を印加した。試験片破断時の印加応力を曲げ強度(MPa)とし、試験片ごとに比較した。また、破断時のひずみ量(%)についても評価した。実施例1~5については図3に、実施例6~9については図6に、それぞれ結果を示す。
20×20×3mmの試験片を、20×20mmの正方形面が鉛直方向に向くように平坦な支台の上に載せ、鉛直上方から圧縮用の冶具を1mm/minの速度で降下させることで、試験片に圧縮応力を印加した。圧縮ひずみが20%および40%となる応力(MPa)を測定し、試験片ごとに比較した。実施例1~5については図4に、実施例6~9については図7に、それぞれ結果を示す。なお、図7においては、圧縮ひずみが40%となる応力(MPa)を示している。
試験片を熱流束計上に載せ、さらに上方に熱源を配置することで、試験片中を透過する熱流束を測定した。さらに、試験片上部と下部の温度差を測定することで試験片中の温度勾配を求めた。これらの数値から、フーリエの法則により熱伝導率を算出し、試験片ごとに比較した。実施例1~5についての結果を図5に示す。なお、従来広く用いられる断熱材の一種である発泡スチロールの熱伝導率を本測定法で測定すると、0.06W/mK程度となる。
[考察]
実施例1~3について、断熱材中のCNT添加量の変動に伴う、強度および熱伝導率への影響を考察した。なお、実施例1~3ではCNTを分散させるために、CNT添加量の変動に伴いCMCの量も変動させた。
図3(b)に示すグラフによれば、実施例1~3において、CNT添加量の増加とともに曲げ強度が向上した。また図3(d)によれば、CNTの添加量が1.8wt%を超えると、破断時のひずみ量が大きく増大していた。繊維状のCNTが複雑に絡み合うことで、強度が向上したものとみられる。
図4(b)によれば、実施例1~3において、CNT添加量の増加とともに圧縮応力が増大していた。上記と同様に、高強度化したものと推定される。
図5(b)によれば、実施例1~3において、CNT添加量とともに熱伝導率が増大していた。CNTは熱伝導率が高く、多量に含有することで固体伝熱による熱伝導率が増大する。一方で、CNT含有量が増加していることで、輻射伝熱による熱伝導率は低下する。即ち、測定された熱伝導率は両者の影響が相殺されたうえで、固体伝熱による熱伝導率増大の寄与が大きく、総熱伝導率が増大したものと推定される。また、実施例1では0.05W/mK程度の熱伝導率を示し、従来の断熱材と比較しても遜色ない断熱性能を有している。
実施例4および5について、断熱材中のCMC添加量の変動に伴う、強度および熱伝導率への影響を考察する。なお、比較例1においては成形体を作製できなかった。
図3(a)および(c)に示すグラフによれば、実施例4および5の範囲において、CMC添加量の増加に対し、曲げ強度はあまり相関せず、破断時のひずみ量は増大した。CNTの分散性が向上したために、試験片全体が均一にひずむことが可能になり、ひずみ量が増大したものと推定される。
図4(a)によれば、実施例4および5において、CMC添加量の増加に対し、20%ひずみを示す圧縮応力はあまり相関せず、40%ひずみを示す圧縮応力は増大した。
図5(a)によれば、実施例4および5において、CMC添加量の増加に対し、熱伝導率はあまり相関がみられず、いずれも発泡スチロールと同程度の0.06W/mK程度であった。CNTの分散性は熱伝導率に大きく寄与しないことがわかった。
実施例6~9について、断熱材中のCNF添加量の変動に伴う、強度への影響を考察する。
図6によれば、実施例6~9において、CNFの添加が少ないときには曲げ強度が低下したが、添加量を増やしていくと曲げ強度が増大した。
図7によれば、実施例6~9において、CNF添加量の増加とともに圧縮強度は向上した。また図4(b)と比較しても、40%ひずみを示す応力が大きくなり、CNFの添加により強度が向上したことがわかった。実施例9においては、圧縮強度が0.1MPaを超える高耐圧性を備えた芯材が得られた。
2 …CNT
21…断熱材
Claims (7)
- 多孔質シリカと、カーボンナノチューブと、分散剤と、を含んで構成され、
前記多孔質シリカは、エアロゲルであり、主成分である、断熱材。 - 前記カーボンナノチューブは、直径10nm以下のカーボンナノチューブである、請求項1に記載の断熱材。
- 前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブであり、0.1~5重量%含まれる請求項1または2に記載の断熱材。
- 前記断熱材の密度は、0.20g/cm3以下である、請求項1~3のいずれか一項に記載の断熱材。
- 前記断熱材の密度は、0.01~0.15g/cm3である、請求項1~4のいずれか一項に記載の断熱材。
- 前記分散剤は、カルボキシメチルセルロースであり、前記断熱材中に0.1~20重量%含まれる、請求項1~5のいずれか一項に記載の断熱材。
- 前記断熱材はさらに、セルロースナノファイバーを5重量%以下含む、請求項1~6のいずれか一項に記載の断熱材。
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