JPH0748457A - 有機−無機複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】有機質成分と無機質成分とが有機的に結合し、
それぞれの性質、特長を兼備した成形可能な有機−無機
複合材料の製造方法を提供する。 【構成】ケイ酸塩、アルミン酸塩およびアルミノケイ酸
塩からなる群の中から選ばれた少なくとも１種の無機酸
塩を包含する無機質成分と、カルボン酸基、ヒドロキシ
ル基、スルホン酸基およびアミノ塩酸基からなる群の中
から選ばれた少なくとも１種の反応開始基を有する有機
高分子化合物を包含する有機質成分とを混合し、上記無
機酸塩を上記反応開始基の作用によりポリマー化させ、
有機質成分と複合一体化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、有機−無機複合材料の
製造方法に係わり、特には、有機質成分と無機質成分と
が有機的に結合し、それぞれの性質、特長を兼備した有
機−無機複合材料を製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、複合材料の開発が盛んに行わ
れている。例えば、プラスチック等の有機材料に強度、
靭性等を付与するためにこれをガラス繊維、炭素繊維等
の繊維で強化した複合材料が知られている。また、プラ
スチックの耐火性、耐熱性を向上させるために無機材料
を混合することも行われている。

【０００３】他方、無機質を主とした材料を見ると、例
えば、セメントに高分子を加えて改質を図ることが行わ
れている。すなわち、セメントの引っ張り強度不足、ひ
び割れの発生、接着不良の改善策として、天然ゴム、合
成ゴムのラテックスやエマルジョンをセメントに添加す
るものである。

【０００４】しかしながら、これら従来の材料は、複合
材料とはいうものの、いずれも、有機質と無機質とが、
一方を主とし、他方がこれを補強、改善するという従の
関係となっている。また、両者の間には接着が存在する
が、全体としては、単なる混合物であるともいえる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、従来のような
主−従関係の混合型の有機−無機複合材料ではなく、有
機質と無機質とがミクロ的に有機的に結合した主−主関
係の相補型複合材料が得られれば、そのような複合材料
は、物性においても有機質、無機質双方の性質、特長を
兼備した材料となる。このような材料は、成形された形
態で製造されることが望ましい。

【０００６】従って、本発明の課題とするところは、有
機質成分と無機質成分とが有機的に結合し、それぞれの
性質、特長を兼備した成形可能な有機−無機複合材料を
製造する方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段および作用】上記課題を解
決するために、本発明によれば、ケイ酸塩、アルミン酸
塩およびアルミノケイ酸塩からなる群の中から選ばれた
少なくとも１種の無機酸塩を包含する無機質成分と、カ
ルボン酸基、ヒドロキシル基、スルホン酸基およびアミ
ノ塩酸基からなる群の中から選ばれた少なくとも１種の
反応開始基を有する有機高分子化合物を包含する有機質
成分とを混合し、該無機酸塩を該反応開始基の作用によ
りポリマー化させ、該有機質成分と複合一体化させるこ
とを特徴とする有機−無機複合材料の製造方法が提供さ
れる。

【０００８】無機質成分と有機質成分との混合物は、製
紙スラッジを含むことができる。以下、本発明をさらに
詳しく説明する。本発明者は、上に述べた成形可能な有
機−無機複合材料を製造すべく鋭意研究した結果、無機
質成分としてセラミック系物質の中からケイ酸塩、アル
ミン酸塩およびアルミノケイ酸塩を選び、これを複合材
料生成時にポリマー化するようにした。

【０００９】例えばケイ酸ナトリウム（水ガラス）は、
これを酸性化すると、シリカゲルの合成に使用されるよ
く知られたゾル−ゲル反応を生起してポリマー化する
（ポリシロキサン）。このポリシロキサンの生成反応
は、下記化１に示されるように、ケイ酸塩を酸性化し、
系中の水を除去することにより進行する。

【００１０】

【化１】

【００１１】本発明においては、このポリシロキサン生
成反応を、従来のゾル−ゲル反応とは異なり、上記無機
酸塩に水素イオン解離能を有する高分子化合物を添加す
ることにより達成している。すなわち、カルボン酸基、
ヒドロキシル基、スルホン酸基およびアミノ塩酸基から
なる群の中から選ばれた少なくとも１種の反応開始基を
有する高分子化合物を添加するのである。この添加によ
り無機酸塩は高分子化合物の有する反応開始基の作用に
よりポリマー化する。すなわち、上記反応式が右辺側
（無機ポリマー側）に進行し、無機ポリマーが生成す
る。この反応時に反応混合物を１００ないし２００℃程
度に加熱すると、系中の自由水は蒸発し系外へと導かれ
る。無機酸塩としてケイ酸塩を用いた場合には、−Ｓｉ
Ｏ−結合を有するポリシロキサンが生成し、アルミン酸
塩を用いた場合には、−ＡｌＯ−結合を有する無機ポリ
マーが生成し、またアルミノケイ酸塩を用いた場合に
は、シロキサン結合と−ＡｌＯ−結合とを組み合わせた
結合を有する無機ポリマーが生成する。

【００１２】従来のゾル−ゲル反応では、系中の水素イ
オン濃度は均一である。しかしながら、本発明において
は、ミクロ的に見ると、高分子化合物はいくつかのドメ
インを形成し、それが系中に局在的に分散した不均一状
態にある。そして上記無機ポリマーの生成は、この不均
一に系中に分散した各ドメインに存在する反応開始基
（側鎖）の作用（水素イオン解離作用）により開始さ
れ、従って生成する無機ポリマーは、有機高分子化合物
の持つ形状（情報）の影響を受け、有機高分子化合物と
より一体化の進んだ複合材料を生成する。従って、本発
明においては、本発明の有機高分子化合物を添加すれば
よく、低分子の酸（従来のゾル−ゲル法に使用される塩
酸や硫酸等）を用いる必要は全くない。また、このよう
な高分子を添加することにより系中のミクロの自由水の
動きが制限され、無機ポリマーが生成しやすい環境が生
じる。

【００１３】従って、本発明に使用する有機高分子化合
物は、上記反応開始基を持っていれば、単独重合体で
も、共重合体（交互、ランダム、ブロック、グラフトの
各共重合体を含む）でもよく、また直鎖状、分岐状また
は網目状でもよい。有機高分子化合物の持つ形態に応じ
て種々の結合形態を有する無機ポリマーが生成する。好
ましい有機高分子化合物としては、ポリメタクリル酸ま
たはその共重合体、ポリビニルアルコール、ポリスチレ
ンスルホン酸またはその共重合体、各種ポリアミノ酸塩
酸塩を挙げることができる。本発明の有機質成分には、
これら有機高分子化合物に加えて種々の有機物質を配合
することができる。

【００１４】また、本発明に使用する無機酸塩の金属イ
オンに特に制限はなく、アルカリ金属、アルカリ土類金
属、その他の金属を例示することができる。なお、本発
明の無機質成分は、上記無機酸塩に加えて、種々の無機
物質（金属も含む）を含んでいてもよい。

【００１５】有機質成分と無機質成分との配合割合に特
に制限はないが、通常、有機高分子化合物１０重量部に
対し、無機酸塩２ないし２０重量部、好ましくは５ない
し１０重量部となるような割合で配合される。

【００１６】有機成分と無機成分とを配合した後、約１
００ないし２００℃程度に加熱し、これを所望の型に入
れ、室温まで放置する。こうして、成形された有機−無
機複合材料が製造される。上記温度は、有機高分子化合
物を分解させない充分に低い温度である。また、水分は
反応系から容易に蒸発除去されるので、乾燥も問題とな
らない。

【００１７】本発明により製造された有機−無機複合材
料は、用いた有機高分子化合物と生成した無機ポリマー
が強固に結合し、それぞれの性質、特長を兼備したもの
となる。この複合材料は、軽量であり、また難燃性、断
熱性、遮音性を備えることができる。従って、本発明に
より製造された複合材料は、例えば、建材分野では、石
綿コンクリートボード、石膏ボード、パネル部材、床
材、その他の構造材、構成部材の代替品として利用で
き、さらには、触媒担体としても利用できる。また、ガ
ラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、高密度ポリエチレ
ン等の強化材を併用することにより、より高度の要求に
も応じることができる。さらにまた、この複合材料は、
各種の表面処理を施すことができる。例えば、通常の表
面コート材や塗料を塗布することができるし、また、ジ
イソシアナートを表面に適用し、これをアミン触媒で架
橋させ、皮膜を形成させることもできる。さらには、シ
ランカップリング剤で表面処理することもできる。

【００１８】本発明は、一般および産業廃棄物、スラッ
ジ等の処理にも都合よく適用できる。スラッジ、例えば
製紙スラッジは、有機物質と無機物質の混合物であり、
これを処理する場合、これらを分離する必要があるが、
それが非常に困難であり、費用も掛かる。そこで、本発
明により、スラッジそのままに本発明の有機高分子化合
物と無機酸塩を混合し、加熱することにより、スラッジ
を上記有用な有機−無機複合材料に変換させることがで
きるのである。

【００１９】

【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。 実施例 １ 平均分子量２０，０００のポリビニルアルコール１２０
ｇと酸化アルミニウム５０ｇを充分に混合し、２２０℃
まで加熱した後、１７０℃まで冷却し、保温した。これ
に水ガラス（ケイ酸ナトリウム）１００ｇを加え、素早
く撹拌し、３０分かけて１２０℃まで降温しながら型に
入れた。そのまま３時間かけて室温まで冷却して、ポリ
ビニルアルコールとポリシロキサンを複合した優れた物
性を有する固体の有機−無機複合材料成形体を得た。

【００２０】この複合材料の表面にヘキサメチレンジイ
ソシアナート８０ｃｃを適用し、トリエチルアミン５ｃ
ｃを触媒として３０分間反応させて、皮膜を形成した。
これを６０℃で２時間放置し、室温に戻し、表面皮膜化
複合材料を得た。

【００２１】実施例 ２ アルミン酸ナトリウム１００ｇに水ガラス１００ｇを加
え、混合した。これを９０℃まで加熱し、３時間かけて
７０℃まで冷却した。この混合物に実施例１のポリビニ
ルアルコール１００ｇを加え、１５０℃まで加熱し、混
練した。これに酸化マグネシウム５０ｇを添加し、１２
０℃で１０分間混練した。この混合物を型入れし、室温
まで冷却するまで放置した。型を取り外して、ポリビニ
ルアルコールとアルミノケイ酸ポリマーを複合化した優
れた物性を有する白色の複合材料成形体を得た。

【００２２】実施例 ３ アルミン酸ナトリウム１００ｇに酸化アルミニウム５０
ｇ、酸化マグネシウム８０ｇおよび水５０ｃｃを加え、
混合した。これを撹拌しながら９０℃まで加温し、スラ
リー化した。このスラリーに平均分子量５０，０００の
ポリメタクリル酸２００ｇを加えて混練した。この混合
物を型入れした後、１５０℃まで加熱した。これを４時
間かけて室温まで冷却して、ポリメタクリル酸とアルミ
ン酸ポリマーを複合化した優れた物性を有する複合材料
成形体を得た。

【００２３】実施例 ４ 実施例３のポリメタクリル酸１００ｇを水３０ｃｃとメ
タノール５０ｃｃの混合溶媒に溶かし、これに水ガラス
８０ｇおよび酸化アルミニウム２０ｇを添加して、充分
に撹拌した。この混合物をゆっくりと１２０℃まで加熱
した。ここで、軽くプレスし、２時間乾燥した。しかる
後、プレス強度を高め、１２０℃〜１５０℃で２時間乾
燥した。こうして、ポリメタクリル酸とアルミノケイ酸
ポリマーを複合化した複合材料成形体を得た。

【００２４】この成形体は、乾燥時のプレス強度にもよ
るが、圧縮強度２００ｋｇ／ｃｍ²に耐える（破壊しな
い）ものであった。 実施例 ５ 平均分子量９２，０００のポリ（ｐ−スチレンスルホン
酸）２００ｇを１２０℃に加熱し、これに水ガラス１０
０ｇを加え、ゆっくりと２００〜２５０℃まで加熱し
た。この混合物を充分に混練した後、型に入れた。その
まま放置して室温まで冷却し、型を外して、ポリ（ｐ−
スチレンスルホン酸）とポリシロキサンを複合化した優
れた物性を有する複合材料成形体を得た。

【００２５】実施例 ６ 製紙会社から入手した製紙スラッジを簡単に乾燥した
後、ボールミルで粉砕し、再度乾燥した。この乾燥スラ
ッジ２００ｇを実施例１のポリビニルアルコール１５０
ｇ、酸化アルミニウム５０ｇおよび酸化マグネシウム８
０ｇとともに充分に混合し、１５０℃まで加熱した。こ
れに水ガラス３００ｇを加え、素早く混練した。これを
１５０℃に保ちながら１時間混練を続けた後、型に入れ
た。そのまま放置して室温まで冷却し、型を外して優れ
た物性を有する所望の複合材料成形体を得た。

【００２６】また、ポリエステル８０ｇを１７０℃に加
熱し溶融させ、型の表面に分散配置し、上記混練した混
合物をこの型に入れてプレスし、室温まで冷却すること
によって表面にポリエステルの皮膜を有する複合材料成
形体を得た。

【００２７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、有
機質成分と無機質成分とが有機的に結合し、それぞれの
性質、特長を兼備した成形可能な有機−無機複合材料の
製造方法が提供される。この方法は、一般および産業廃
棄物、製紙スラッジ等のスラッジを有用な複合材料に変
換させることもできる。本発明により製造された複合材
料は、例えば建材分野において、軽量構造材、構成部材
等として利用できる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケイ酸塩、アルミン酸塩およびアルミノ
   ケイ酸塩からなる群の中から選ばれた少なくとも１種の
   無機酸塩を包含する無機質成分と、カルボン酸基、ヒド
   ロキシル基、スルホン酸基およびアミノ塩酸基からなる
   群の中から選ばれた少なくとも１種の反応開始基を有す
   る有機高分子化合物を包含する有機質成分とを混合し、
   該無機酸塩を該反応開始基の作用によりポリマー化さ
   せ、該有機質成分と複合一体化させることを特徴とする
   有機−無機複合材料の製造方法。
2. 【請求項２】 無機質成分と有機質成分との混合物が、
   製紙スラッジを含む請求項１記載の製造方法。