JP7223557B2 - 断熱構造体およびその製造方法 - Google Patents
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Description
まず、本発明の断熱構造体の一実施形態を説明する。本実施形態において、本発明の断熱構造体は、配管として具現化されている。図1に、本発明の断熱構造体を適用した配管の断面図を示す。図1に示すように、配管1は、配管本体10と、断熱層20と、保護層30と、を備えている。配管本体10は、ポリエチレン製である。配管本体10の表面(外周面)には、火炎処理が施されている。配管本体10は、本発明における基材の概念に含まれる。断熱層20は、配管本体10の表面を被覆している。断熱層20は、表面および内部に疎水部位を有するシリカエアロゲルと、第一水性バインダーとしてのウレタン樹脂と、を有している。当該シリカエアロゲルは、本発明における多孔質構造体の概念に含まれる。断熱層20の厚さは、0.5mmである。保護層30は、断熱層20に積層されており、断熱層20の表面を被覆している。保護層30は、第二水性バインダーとしてのウレタン樹脂を有している。保護層30の厚さは、50μmである。
基材の材質、形状などは、断熱対象部材の種類に応じて適宜選択される。材質としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロンなどの樹脂の他、アルミニウム合金、ステンレス鋼、鉄などの金属が挙げられる。例えば、基材がアルミニウム合金などの熱伝導率が大きい材料からなる場合には、本発明による断熱効果、結露抑制効果が存分に発揮される。基材の形状は、板状、管状など特に限定されない。
断熱層は、基材の表面に配置され、多孔質構造体と第一水性バインダーとを有する。多孔質構造体は、複数の粒子が連結して骨格をなし、内部に細孔を有し、表面および内部のうち少なくとも表面に疎水部位を有する。骨格をなす粒子(一次粒子)の直径は、2~5nm程度、骨格と骨格との間に形成される細孔の大きさは、10~50nm程度であることが望ましい。細孔の多くは、50nm以下のいわゆるメソ孔である。多孔質構造体の形状は、球状、異形状の塊状など、特に限定されない。多孔質構造体の最大長さを粒子径とした場合、多孔質構造体の平均粒子径は、1~200μm程度が望ましい。多孔質構造体の粒子径が大きいほど、表面積が小さくなり細孔(空隙)容積が大きくなるため、断熱性を高める効果は大きくなる。例えば、平均粒子径が10μm以上のものが好適である。一方、断熱層を形成するための塗料の安定性および塗工のしやすさ、多孔質構造体の脱落抑制などを考慮すると、平均粒子径が100μm以下のものが好適である。また、粒子径が異なる二種類以上を併用すると、小径の多孔質構造体が大径の多孔質構造体間の隙間に入りこむため、充填量を多くすることができ、断熱性を高める効果が大きくなる。
保護層は、断熱層に積層され、その厚さは10μm以上100μm未満である。10μm未満の場合には、断熱層からの多孔質構造体の脱落を抑制する効果が小さくなる。保護層の好適な厚さは、30μm以上、さらには50μm以上である。反対に100μm以上の場合には、温度変化で膨張、収縮する際に生じる応力が大きくなるため、断熱層にクラックが生じやすくなる。また、多孔質構造体が白色を呈する場合、それによる遮熱性を阻害するおそれもある。保護層の好適な厚さは、95μm以下、さらには90μm以下である。
本発明の断熱構造体は、基材の表面に断熱層と保護層とを形成して製造すればよく、その形成方法は特に限定されるものではない。例えば、基材と断熱層との密着性を向上させるという観点から、以下に説明する本発明の製造方法が好適である。本発明の断熱構造体の製造方法は、表面処理工程と、断熱層形成工程と、保護層形成工程と、を有する。
本工程は、基材の表面処理を行う工程である。基材の材質、形状は上述したとおりである。表面処理は、基材の材質に応じて適宜選択すればよい。表面処理には、表面を清浄化、活性化する処理や、表面に水酸基、カルボキシル基、カルボニル基などの官能基を導入する処理があり、具体的には、火炎処理、プラズマ処理、紫外線照射処理、コロナ処理などが挙げられる。
本工程は、多孔質構造体および第一水性バインダーを有する第一塗料を、基材の表面処理された表面に塗布して断熱層を形成する工程である。第一塗料は、多孔質構造体、第一水性バインダー、必要に応じて多糖類、架橋剤などの他の成分を水に添加し撹拌して調製すればよい。なお、表面や内部に疎水部位を有する多孔質構造体は、水になじみにくい。また、比重が小さい場合には、水に浮きやすく分散しにくい。よって、多孔質構造体の分散性などを考慮して、第一塗料に多糖類を配合する場合には、水に第一水性バインダーおよび多糖類を加えて液の粘度を高めてから、多孔質構造体を添加するとよい。多糖類については、上述したとおりである。撹拌は、羽根撹拌でもよいが、積極的にせん断力を加えたり、超音波を加えたりしてもよい。自転公転撹拌装置や、メディア型撹拌装置を用いてもよい。第一塗料の塗布には、バーコーター、ダイコーター、コンマコーター(登録商標)、ロールコーターなどの塗工機や、スプレーなどを使用すればよい。あるいは、基材を第一塗料に浸漬してもよい。
本工程は、断熱層の表面に、第二水性バインダーを有する第二塗料を塗布して保護層を形成する工程である。第二塗料は、第二水性バインダー、必要に応じて架橋剤などの他の成分を水に添加し撹拌して調製すればよい。第二塗料の撹拌、塗布、乾燥については、断熱層形成工程における第一塗料と同じように行えばよい。
[サンプルの製造]
(1)基材の表面処理
ポリエチレン製の配管(管状の基材)の表面全体にバーナーの炎を当て火炎処理を施した。
水に、第一水性バインダーとしてのウレタン樹脂エマルジョン(三洋化成工業(株)製「パーマリン(登録商標)UA-368」、固形分50質量%)と、多糖類としてのカルボキシルメチルセルロース(CMC:SP値34.4、分子量38万)と、を添加して撹拌した。そこに、球状のシリカエアロゲル(平均粒子径10μm)を添加して撹拌し、第一塗料を調製した。シリカエアロゲルは、上述した特許第4960534号公報に記載されている方法に準じて製造されたものであり、表面および内部に疎水部位を有する。
水に、第二水性バインダーとしてのウレタン樹脂エマルジョン(同上)を添加して撹拌し、第二塗料を調製した。第二塗料のバインダーは、第一塗料のバインダーと同じである。
まず、火炎処理した配管の表面全体に第一塗料をスプレーで塗布し、その後、100℃下で20分間乾燥して、厚さ0.5mmの断熱層を形成した。次に、形成した断熱層の表面に、第二塗料をスプレーで塗布し、その後、100℃下で20分間乾燥して、厚さ0.05mm(50μm)の保護層を形成した。このようにして製造された配管を、実施例1の配管と称す。実施例1の配管は、本発明の断熱構造体の概念に含まれる。なお、断熱層におけるシリカエアロゲルの含有量は72.2質量%である。
実施例1の配管の内部に0℃以下に冷却した保冷剤を詰め、端部の開口部に栓をした。その状態で同配管を40℃、相対湿度80%の恒温槽に1時間静置した。この際、同配管の下方に受け皿を設置して、結露水の滴下の有無を調べた。比較のため、火炎処理を施さず、断熱層および保護層を形成していない配管(実施例1で使用した基材に相当。以下、比較例1の配管と称す。)についても、上記同様の条件で恒温槽に静置して、結露水の滴下の有無を調べた。
実施例1の配管については、結露水の滴下はなかったのに対して、比較例1の配管については、結露水の滴下が確認された。これにより、実施例1の配管においては、断熱性が高く、結露水の滴下が抑制されることが確認された。
[サンプルの製造]
(1)実施例2のサンプル
まず、ポリプロピレン製の板材(基材)の表面全体にバーナーの炎を当て火炎処理を施した。次に、実施例1の配管の製造に使用した第一塗料を、火炎処理した板材の表面全体にスプレーで塗布し、100℃下で20分間乾燥して、厚さ0.5mmの断熱層を形成した。続いて、形成した断熱層の表面に、実施例1の配管の製造に使用した第二塗料をスプレーで塗布し、100℃下で20分間乾燥して、厚さ0.095mm(95μm)の保護層を形成した。このようにして製造された「基材/断熱層/保護層」からなるサンプルを、実施例2のサンプルと称す。実施例2のサンプルは、本発明の断熱構造体の概念に含まれる。
実施例2のサンプルと同じ板材の表面全体(火炎処理済み)に、実施例1の配管の製造に使用した第一塗料をスプレーで塗布し、100℃下で20分間乾燥して、厚さ0.5mmの断熱層を形成した。このようにして製造された「基材/断熱層」からなるサンプルを、比較例2のサンプルと称す。
実施例2のサンプルの保護層の表面、および比較例2のサンプルの断熱層の表面に、ポリエチレンテレフタレート(PET)製の黒色の不織布を擦りつけ、粉落ち(シリカエアロゲルの脱落)の有無を調べた。
実施例2のサンプルについては、粉落ちはなかったのに対して、比較例2のサンプルについては、粉落ちが確認された。これにより、実施例2のサンプルにおいては、断熱層が保護層により被覆されているため、粉落ちが抑制されることが確認された。
[実験方法]
まず、ポリプロピレン製の板材(基材)の表面全体にバーナーの炎を当て火炎処理を施した。次に、実施例1の配管の製造に使用した第一塗料を、火炎処理した板材の表面全体にスプレーで塗布し、100℃下で20分間乾燥して、厚さ0.5mmの断熱層を形成した。続いて、形成した断熱層の表面に、実施例1の配管の製造に使用した第二塗料をスプレーで塗布し、100℃下で20分間乾燥して保護層を形成した。この際、塗布量を変更して、保護層の厚さが異なる四種類のサンプルを製造し、100℃下で乾燥した後(保護層を形成した後)に、断熱層にクラックが生じているか否かを調べた。
Claims (10)
- 基材と、該基材の表面に配置される断熱層と、該断熱層における該基材側とは反対側の表面に積層され該断熱層を被覆する保護層と、を備え、
該断熱層は、複数の粒子が連結して骨格をなす多孔質構造体と、第一水性バインダーと、カルボキシルメチルセルロースと、を有する非発泡体であり、
該多孔質構造体は、内部に該骨格間に形成される細孔を有し、表面および内部のうち少なくとも表面に疎水部位を有し、
該保護層は、第二水性バインダーを有し、該保護層の厚さは10μm以上100μm未満であることを特徴とする断熱構造体。 - 前記断熱層の厚さは、0.5mm以上5mm以下である請求項1に記載の断熱構造体。
- 前記第一水性バインダーおよび前記第二水性バインダーは、バインダー成分として樹脂またはゴムを有するエマルジョン状のバインダーである請求項1または請求項2に記載の断熱構造体。
- 前記第一水性バインダーのバインダー成分と前記第二水性バインダーのバインダー成分とは同じである請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の断熱構造体。
- 前記第二水性バインダーは、ウレタン樹脂エマルジョンである請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の断熱構造体。
- 前記多孔質構造体は、シリカエアロゲルである請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の断熱構造体。
- 前記基材は、樹脂製または金属製の管状体であり、
前記断熱層は該管状体の外側の表面に配置される請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の断熱構造体。 - 前記断熱層が配置される前記基材の表面は、表面処理されている請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の断熱構造体。
- 請求項1に記載の断熱構造体の製造方法であって、
基材の表面処理を行う表面処理工程と、
水、多孔質構造体、第一水性バインダー、およびカルボキシルメチルセルロースを有し、発泡剤を有しない第一塗料を、表面処理された該基材の表面に塗布して断熱層を形成する断熱層形成工程と、
該断熱層の表面に、第二水性バインダーを有する第二塗料を塗布して保護層を形成する保護層形成工程と、
を有することを特徴とする断熱構造体の製造方法。 - 前記表面処理は、火炎処理、プラズマ処理、紫外線照射処理、およびコロナ処理から選ばれる一種以上である請求項9に記載の断熱構造体の製造方法。
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