JPS6218516B2

JPS6218516B2 -

Info

Publication number: JPS6218516B2
Application number: JP57078171A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Shiraki; Akiro Kurata; Kozo Sugiura
Original assignee: KURATA KOKYU TAIKABUTSU SEIZOSHO KK
Current assignee: KURATA KOKYU TAIKABUTSU SEIZOSHO KK
Priority date: 1982-05-12
Filing date: 1982-05-12
Publication date: 1987-04-23
Also published as: JPS58199781A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はセラミツクフアイバー、焼結およびガ
ラス化部分、および空孔で構成される高温断熱用
複合材料成形体およびその製造方法にかかり、そ
の目的とするところは比較的大きな強度を有し、
しかも収縮や変形などの有害な挙動を伴わずに高
温度まで使用できる高温断熱用複合材料成形体を
提供することにある。ここに云うセラミツクフアイバーとは、アルミ
ナ、シリカなどを主成分とする原料を電気炉など
で溶融し、これを蒸気や空気などの高速気流を利
用するか、あるいは回転円盤の遠心力を利用して
繊維化するなどして得た耐火断熱材であり、広く
市販されているものはAl₂O₃40〜60％、SiO₂60〜
40％を主な成分とするガラス質のものであるが、
その他、近年市販されているAl₂O₃70％以上の組
成のものや、ジルコニア質のようなものでもよ
い。セラミツクフアイバーはバルク綿のままでも市
盤されているが、ボード、ブロツク、チユーブそ
の他各種モールド品などの成形体としてより多く
市販され、各種窯炉、その他の設備、特に高温ダ
クト、ボイラー燃焼室、高温パイプなどにライニ
ング材、バツクアツプ材、保温材などとして盛ん
に使用され、省エネルギーの国家的要求もあり、
近年その需要量は急激に伸長している。本発明はセラミツクフアイバー成形体に関係す
る。セラミツクフアイバーを種々の形状に成形する
方法としては、現在一般に次の方法が採られてい
る。セラミツクフアイバーを比較的多量の水の中
に投じ、これに解膠剤、結合材、場合によつては
消泡剤を添加して撹拌、混合してスラリーを調製
し、このスラリーを成形型中に流し込み、成形型
面上から吸引脱水することにより、セラミツクフ
アイバーの積層よりなる成形体とするが、このと
き必要ならば吸引中、あるいは吸引後積層上部よ
り加圧する。結合材としては一般に無機質のゾル
（シリカゾル、アルミナゾルなど）や、けい酸
塩、アルミン酸塩、りん酸塩などをそれぞれ主体
とするセメント類などが用いられ、また有機質の
糊剤も同時に用いられることもある。成形体は乾
燥させただけで製品として市販される。このよう
な方法で製造された市販の断熱用セラミツクフア
イバー成形体は諸産業部門における窯炉、その他
の高温部に使用され、そのすぐれた断熱性を発揮
し省エネルギーの面で重要な役割を果している
が、一方それらの製品は一般に次に記すような重
大な欠点を有していることが指摘されている。１ 1200℃以上の温度で使用すると成形体は俄か
に脆くなる。２ 1200℃以上の温度で使用すると成形体は大き
な収縮や変形を起す。これらの現象が生起する主な原因としては次の
ことがあげられる。ａ市販セラミツクフアイバー成形体は、上記の
ような温度に使用された場合、その結合部（無
機ヒドロゲル、有機糊剤）が著しく変質し、そ
のためにその結合が甚しく低下したり、大きな
収縮を起すこと。ｂガラス質セラミツクフアイバーが用いられた
成形体は上記のような温度に使用された場合、
その種のフアイバーの宿命的欠点とも云えるガ
ラスの結晶化が活発となり、そのためフアイバ
ー自身が急激に脆化し、また変形すること。本発明者らは、市販されているセラミツクフア
イバー成形体が使用時にあらわす上述の欠点を除
去した、新しいタイプの高温断熱用成形体を製造
することを目的とした研究をなが年にわたり行つ
てきた結果、相当高い温度まで上述の欠点を生じ
ることなく安心して使用できる、セラミツクフア
イバー、焼結およびガラス化部分、および空孔で
構成される断熱用複合材料成形体を開発し、さら
にその製造方法の確立に成功した。次に本発明の製造方法を示す。スラリー（）調製工程本複合材料成形体の主材料の一つである天然
鉱物、又は人工鉱物の１種以上からなる粉末状
物質しては、その構成成分の約50％（重量）以
上がに記述する焼成工程後においても残存す
る化学組成を有し、しかも微細な粒子からなる
天然のもの（例えば溶化性又は耐火性の粘土、
カオリンなどの水簸物、ボーキサイト粉砕物）
か人工のもの（例えばアルミナ粉、シヤモツト
粉砕物）を用いる。これらの粉末状物質の１種
類か２種類以上の混合物を水中に分散させてス
ラリー（）とする。このさい粉末状物質を分
散させるために必要な解膠条件は、云うまでも
なく、粉末状物質それぞれ個有の性質に適合さ
せねばならない。なお、に記述する成形、乾
燥、工程後、成形体の取扱い上、より高い乾燥
強度が必要な場合はこのスラリー（）調製の
さいか、あるいはに記述するスラリー（）
調整のさいに、有機糊剤を添加することが有効
である。セラミツクフアイバー前処理工程セラミツクフアイバーをスラリー（）中に
分散する粉末状物質を凝集させるに適した性状
を有する溶液、あるいはコロイド溶液で処理す
る。ここに云う「凝集させるに適した性状」と
は、用いた粉末状物質個有の性質を考慮して、
それに適合した性状を指すことは勿論である。
用いるセラミツクフアイバーはバルク綿の状態
が好ましいが、必ずしもそうでなくてもよい。
尚、バルク綿使用の場合には溶液を含浸せしめ
ることができる。また凝集剤（溶液又はコロイ
ド溶液）はに記述する焼成工程において全く
消失する性質のものでもよく、あるいは焼成工
程後においてもその溶質の一部又は全部が残存
する性質のものでもよい。スラリー（）調製工程に記述したように前処理されたセラミツク
フアイバーバルク綿をスラリー（）中に投入
し、スラリー（）を調製する。セラミツクフ
アイバーバルク綿の投入量は、スラリー（）
中に分散している粉末状物質の量が30〜100％
（重量）に相当するように調節する。投入中か
ら投入後にわたり充分撹拌することは必要であ
るが、その際セラミツクフアイバーが可及的に
折損しないで原繊維長を維持するような条件と
することが望ましい。成形、乾燥、焼成工程スラリー（）中の水分を増量、又は減量す
ることにより採用する成形方法に適した水分量
に調整してから成形し乾燥し、次に焼成する。
焼成は肉眼的に認められるセラミツクフアイバ
ーのもとの繊維組織が、かなり具体的には約50
％（半分）以上が消失し、さらにガラス質セラ
ミツクフアイバーバルク綿を使用した場合はそ
れが結晶化し、しかも成形体の形状を焼成前後
で概ね保持している（相似形を保持していると
いう意味であり、収縮自体は10〜20％位生ずる
ことが多い）温度−時間条件内に焼成する。但
し、焼成温度の下限は1000℃、特には1200℃と
する。以上〜の４工程により本発明の高温断熱用
複合材料成形体が製造される。本発明の高温断熱用複合材料成形体の長所は次
の通りである。 (1) 成形体中において、セラミツクフアイバーど
うし、あるいはセラミツクフアイバーとその表
面上に沈着し焼結している粉末状物質および場
合によつては凝集材の残存成分との間にセラミ
ツクボンドを形成しているため成形体としての
強度が大きく、しかも比較的高い温度に使用し
ても結合部は変質することがなく、安定であ
り、結合部の変質に原因した成形体の収縮や強
度の低下はない。 (2) セラミツクフアイバーは使用前概ね結晶化し
ているので、高温度で使用中、ガラス質セラミ
ツクフアイバーが結晶化するためにおこるフア
イバー自身の脆化や変形は無く、従つてそれら
に原因した成形体の脆化や変形は認められな
い。 (3) 成形体中には、残存する比較的長い繊維と部
分的に溶融、生成したガラスとで多くの空隙が
形成されているので、その断熱性は非常に高
い。すなわち、従来市販されているセラミツクフア
イバー成形体の欠点を除去し、高い温度まで安心
して使用できる高性能の高温断熱用複合材料であ
ると云うことができる。ここに主材料の一つである粉末状物質は、その
組成の一部として焼成工程時に分解、揮発する性
質の成分を約50％（重量）以下なら含有していて
も差支えないが、それ以上であると一般に焼成時
に収縮が大きすぎて亀裂を発生したり、形状を保
持することが、むずかしくなつたり、製品寸法の
精度維持も困難になることが多いから好ましくな
い。その粉末度は普通に入手できる範囲内では細か
い方がセラミツクフアイバーに対する結合力や成
形体の強度に関し良好であり、実験によると平均
粒径30μ（50％通過粒径）以下、好ましくは５μ
以下の場合、良い結果が得られた。しかし２種類
以上の粉末状物質を混合使用し、うち１種類が全
粉末状物質の30％以上を占めるときは、その１種
類以外は上記の平均粒径より大きくても差支えな
かつた。従つて２種類以上の粉末状物質を混合使
用するとき、うち１種類として空孔を包含した比
較的粗い小粒（例えばアルミナバブル）を使用す
ることも可能であり、そのことによつて、より高
性能の高温断熱用複合材料成形体を製造すること
もできる。セラミツクフアイバーに対する粉末状物質の割
合は、少なすぎると成形体の強度が不足し、多す
ぎると成形体の断熱性が不充分となる。種々の実
験を行つた結果、セラミツクフアイバーの30〜
100％（焼成前重量）に相当する粉末状物質を添
加することが実用的であることが判明した。また粉末状物質中に、焼成中ガスを発生する物
質を添加すれば、焼成中に成形体中の粉末状物質
部分が発泡して空孔を増加し、その断熱性をさら
に向上することができる。凝集材（溶液又はコロイド溶液）はスラリー
（）中に分散する粉末状物質の種類に応じ、そ
れを凝集させるに適した性状を有しなければなら
ないことは前述の通りであるが、それらの中には
焼成工程で完全に揮発消失してしまう種類のもの
（例えば多くの無機および有機酸）と焼成工程後
にも溶質の一部又は全部の成分が残存する種類の
もの（例えば多くの金属塩溶液、無機質ヒドロゾ
ル）があるが、何れでもよく、後者を用いた場合
は一般に焼成工程におけるセラミツクボンド形成
を助ける効果もある。焼成は成形体の強度、空孔の生成、増大、およ
び高温使用時での安定性を得ることを第１の目的
として行うが、焼成条件が低すぎては勿論この目
的を果すことができず、また高すぎては成形時の
形状を保持した焼成体を得ることが困難となる。
多くの実験を繰り返し行つた結果、実際上の目安
を、成形時の成形体に認められるセラミツクフア
イバーの繊維組織の約半分以上が消失し、しかも
成形体形状を保持している条件（温度、時間）内
で焼成すること、に置けば、上述の目的を果せる
ことが判明した。この選択される焼成条件は、セラミツクフアイ
バーの化学組成と寸法（径、長さ）、粉末状物質
の化学、および鉱物組成、セラミツクフアイバー
と粉末状物質との割合、無機添加剤を用いるなら
ばその性質と添加量、成形方法、製品の寸法と形
状、製品の品質目標などにより異なることは云う
までもない。何れにしても、上述の条件（温度、
時間）内で焼成すれば、可及的に原繊維長が維持
されたセラミツクフアイバーと粉末状物質とが焼
結し、あるいは小部分的に溶融してガラスを形成
し、それらに伴つて多くの空孔が生成する。また、ガラス質セラミツクフアイバーを用いた
場合は、それを結晶化して高温でも安定な性質に
することが成形体焼成の第２の目的である。この
目的は、上述の条件内での焼成でほとんどの場合
達成することができるが、なおこのことにも充分
留意して焼成条件を設定せねばならない。なお、焼成温度が低すぎると使用温度によつて
は欠点のあらわれることがあるから焼成温度の下
限は1000℃とし、それ以下であつてはならない。
望ましいのは1200℃以上である。次に実施例を示す。実施例１スラリー（）調製工程使用した市販の水簸カオリン(A)、および同(B)
の化学組成および粉末度を表１および表２に示
す。

【表】

【表】これらを市販のデキストリンおよびエチルア
ミンと共に下記の量的割合に水の中に投じ、撹
拌して充分解膠させて、スラリー（）を調製
した。水簸カオリン(A) 2500ｇ〃 (B) 2500ｇデキストリン 50ｇエチルアミン 10ｇ水 70 セラミツクフアイバー前処理工程使用した市販のセラミツクフアイバーバルク
綿の品質を表３に示す。

【表】上記のセラミツクフアイバーバルク綿を酸性
ヒドロゾルであるカタロイドSN（触媒化成(株)
製）の中に浸漬した。その量的割合は次の通り
である。カタロイドSN溶液 70 セラミツクフアイバーバルク綿 10Kg スラリー（）調製工程の工程で前処理されたセラミツクフアイバ
ーをスラリー（）中に撹拌を行いながら投入
し、なお適当に撹拌を続行し、カオリン粉末
と、セラミツクフアイバーとが均一、混然とな
つて水中に浮遊する状態を見屈けてから撹拌を
停止した。撹拌中はセラミツクフアイバーを可
及的に折損しないように特に留意した。セラミ
ツクフアイバー中にその一部が含浸しているカ
タロイドSNはスラリー（）中に解膠してい
る２種類のカオリンを擬集する性質を有してい
るので、本工程で得られたスラリー中のセラミ
ツクフアイバー表面にカオリンは擬集し、よく
密着していた。このスラリーをスラリー（）
とした。成形、乾燥、焼成工程スラリー（）を１面が金網となつている木
製型中に注入し、金網側から吸引、その反対側
をプレスすることにより約200×200×50mmの板
に成形し、これを105℃乾燥室中で乾燥したの
ち、焼成炉で最高1350℃（２時間）に焼成し
た。試製品は、焼成前の成形体に認められたセラ
ミツクフアイバーの繊維組織が肉眼的に半分以
上消失し、寸法は焼結による収縮はしたものの
外形は保持されていた。カオリンやカタロイド
SNの残存成分（シリカ）が、充分に結晶（ム
ライト＋コランダム）化したセラミツクフアイ
バーを包囲して焼結し、強固なセラミツク成形
体を構成していた。また原形が残存しているセ
ラミツクフアイバーは、ほとんど折損されてい
ないので、原繊維長が維持され、また部分的に
周囲のカオリンやカタロイドSNの残存成分
（シリカ）と共に溶融した部分は、その見掛容
積を特に縮小してガラスを生成し、これらの比
較的長い繊維とガラスとで成形体中には多くの
空孔が生成、あるいは増大していた。このようにして試製された高温断熱用複合材料
成形体の品質は次の通りである。

【表】すなわち、本試製品は強度において各社セラミ
ツクフアイバー成形体のカタログに見られる値を
遥かにしのぎ、これを加熱したとき、後者は未焼
成品であるがため1100℃ですでに著しい収縮を示
して変形も甚しく、ほとんど使用に耐えないのに
対し、前者は1400℃でも収縮を示さず、形状も使
用前とほとんど変化しなかつた。しかも熱伝導率
は各社セラミツクフアイバー成形体のカタログに
見られる値と同じか、むしろ幾分か小さい値を示
し、本試製品は良好な高温断熱性を有していると
云える。以上述べたように、本発明の方法で試製された
本発明の高温断熱用複合材料成形体は、比較的高
い強度を有するので取扱いやすく、しかも相当の
高温度まで安心して使用でき、使用中は高度の断
熱性を発揮する、優秀な品質の高温断熱用複合材
料成形体であると云える。

Claims

【特許請求の範囲】１ (イ) 天然鉱物、又は人工鉱物の中の１種以上
からなる粉末状物質を水中に分散させてスラリ
ー（）を調整すること、 (ロ) 予めセラミツクフアイバーを、スラリー
（）中に分散する上記粉末状物質を凝集させ
るに適した性状を有する溶液、あるいはコロイ
ド溶液で処理すること、 (ハ) 前記(ロ)の項に記述したようにして前処理され
たセラミツクフアイバーにスラリー（）を、
スラリー（）中の上記粉末状物質がセラミツ
クフアイバーの30〜100％（重量）に相当する
量となるように加え、撹拌してスラリー（）
を調整すること、 (ニ) スラリー（）を、その水分量が採用する成
形方法に適した値になるように調整後成形し、
乾燥し、次にこれを肉眼的に認められる繊維組
織の約半分以上が消失し、しかも成形体の形状
を焼成前後で概ね保持している温度−時間条件
内であつてかつ1000℃以上の温度で焼成するこ
と、の各工程からなることを特徴とする高温断熱用複
合材料成形体の製造方法。