(57)【要約】少なくとも１種のジオポリマーを取り込む成形ジオポリマー性粒子、繊維および物品が提供される；該ジオポリマー性粒子、繊維、および物品は、固体、泡、中空であるか、または１つもしくは複数の空洞を有する構造を有する。ジオポリマーは、アルミノシリケートおよび／またはアルミノホスフェート物質のアルカリ活性化によって形成される。その最終製品は、球体、フレーク、繊維、その集合体または物品として成形される。このような製品は、低温で形成され；ここで、形成する工程には、スプレー乾燥、溶融紡糸、またはブローイングなどの技術を用いて処理することが含まれる。該成形ジオポリマー性粒子および繊維は、高い化学的耐久性、高い機械的強度、用途目的化された流動性、およびパッキング特性を有し；複合材料、物品中に取り込まれるために、およびセメント質、ポリマー性のペイン（ｐａｉｎ）の使用；印刷、接着およびコーティング用途の使用のために特に適切である。空洞、中空または泡様構造を有する成形ジオポリマー性粒子、繊維、および物品は、１種または複数の発泡剤を添加することによって形成される。
2009518274.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの寸法における形状が、１．０を超えるアスペクト比を有する、ジオポリマーを含む成形ジオポリマー性粒子。
【請求項２】
３００ミクロン以下の平均断面直径を有する、請求項１に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項３】
成形ジオポリマー性粒子の全体の寸法が、約０．１μｍを超える、請求項１に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項４】
成形ジオポリマー性粒子の表面が、実質的に滑らか、実質的に粗い、スパイク、多孔性およびその様々な組合せからなる群から選択される、請求項１に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項５】
約２．０ｇ／ｃｃ未満の密度を有する、請求項１に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項６】
ジオポリマーの量が、成形ジオポリマー性粒子の少なくとも約５重量％であるか、または５重量％を超える、請求項１に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項７】
１種または複数の添加剤をさらに含む、請求項１に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項８】
中空である、請求項１に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項９】
その中に１つまたは複数の空洞を有する、請求項１に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項１０】
１つまたは複数の空洞が、中空、多孔性、泡様およびその様々な組合せからなる群から選択される構造を与える、請求項９に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項１１】
成形ジオポリマー性粒子の平均断面直径の約０．１から４５％の壁厚さを有する、請求項１に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項１２】
フレークである、請求項１に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項１３】
形状が、実質的に円形、ドーナツ形、卵形、長形、管状、四角形、多角形、実質的に平らおよびその様々な組合せからなる群から選択される、請求項１に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項１４】
多層である、請求項１に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項１５】
１つまたは複数の複合物品に取り込まれる、請求項１に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項１６】
形状が、型中で与えられる、請求項１に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項１７】
その中に１つまたは複数の空洞を有する、ジオポリマーを含む成形ジオポリマー性粒子。
【請求項１８】
３００ミクロン以下の平均断面直径を有する、請求項１７に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項１９】
全体の寸法が約０．１μｍを超える、請求項１７に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項２０】
表面が、実質的に滑らか、実質的に粗い、スパイク、多孔性およびその様々な組合せからなる群から選択される、請求項１７に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項２１】
約２．０ｇ／ｃｃ未満の密度を有する、請求項１７に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項２２】
ジオポリマーの量が、成形ジオポリマー性粒子の少なくとも約５重量％であるか、または５重量％を超える、請求項１７に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項２３】
添加剤をさらに含む、請求項１７に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項２４】
中空である、請求項１７に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項２５】
表面に１つまたは複数の空洞を有する、請求項１７に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項２６】
１つまたは複数の空洞が、中空、多孔性、泡様およびその様々な組合せからなる群から選択される構造を与える、請求項１７に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項２７】
成形ジオポリマー性粒子の平均断面直径の約０．１から４５％の壁厚さを有する、請求項１７に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項２８】
フレークである、請求項１７に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項２９】
形状が、実質的に円形、ドーナツ形、卵形、長形、管状、四角形、多角形、実質的に平坦およびその様々な組合せからなる群から選択される、請求項１７に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項３０】
多層である、請求項１７に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項３１】
１つまたは複数の複合物品中に取り込まれる、請求項１７に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項３２】
約２．０ｇ／ｃｃ未満の密度を有する、ジオポリマーを含む成形ジオポリマー性粒子。
【請求項３３】
３００ミクロン以下の平均断面直径を有する、請求項３２に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項３４】
全体の寸法が、約０．１μｍを超える、請求項３２に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項３５】
表面が、実質的に滑らか、実質的に粗い、スパイク、多孔性およびその様々な組合せからなる群から選択される、請求項３２に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項３６】
約２．０ｇ／ｃｃ未満の密度を有する、請求項３２に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項３７】
ジオポリマーの量が、成形ジオポリマー性粒子の少なくとも約５重量％であるか、または５重量％を超える、請求項３２に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項３８】
添加剤をさらに含む、請求項３２に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項３９】
中空である、請求項３２に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項４０】
その中に１つまたは複数の空洞を有する、請求項３２に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項４１】
１つまたは複数の空洞が、中空、多孔性、泡様およびその様々な組合せからなる群から選択される構造を与える、請求項３３に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項４２】
成形ジオポリマー性粒子の平均断面直径の約０．１から４５％の壁厚さを有する、請求項３２に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項４３】
フレークである、請求項３２に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項４４】
形状が、実質的に円形、ドーナツ形、卵形、長形、管状、四角形、多角形、実質的に平らおよびその様々な組合せからなる群から選択される、請求項３２に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項４５】
表面が、多層である、請求項３２に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項４６】
１つまたは複数の複合物品に取り込まれる、請求項３２に記載の成形ジオポリマー性粒子。
【請求項４７】
ジオポリマーを含む成形ジオポリマー性繊維。
【請求項４８】
３００ミクロン以下の平均断面直径を有する、請求項４７に記載の成形ジオポリマー性繊維。
【請求項４９】
全体の寸法が、約０．１μｍを超える、請求項４７に記載の成形ジオポリマー性繊維。
【請求項５０】
表面が、実質的に滑らか、実質的に粗い、スパイク、多孔性およびその様々な組合せからなる群から選択される、請求項４７に記載の成形ジオポリマー性繊維。
【請求項５１】
約２．０ｇ／ｃｃ未満の密度を有する、請求項４７に記載の成形ジオポリマー性繊維。
【請求項５２】
ジオポリマーの量が、成形ジオポリマー性粒子の少なくとも約５重量％であるかまたは５重量％を超える、請求項４７に記載の成形ジオポリマー性繊維。
【請求項５３】
添加剤をさらに含む、請求項４７に記載の成形ジオポリマー性繊維。
【請求項５４】
中空である、請求項４７に記載の成形ジオポリマー性繊維。
【請求項５５】
その中に１つまたは複数の空洞を有する、請求項４７に記載の成形ジオポリマー性繊維。
【請求項５６】
１つまたは複数の空洞が、中空、多孔性、泡様およびその様々な組合せからなる群から選択される構造を与える、請求項５５に記載の成形ジオポリマー性繊維。
【請求項５７】
成形ジオポリマー性繊維の平均断面直径の約０．１から４５％の壁厚さを有する、請求項４７に記載の成形ジオポリマー性繊維。
【請求項５８】
細断される、請求項４７に記載の成形ジオポリマー性繊維。
【請求項５９】
断面形状が、実質的に円形、ドーナツ形、卵形、長形、管状、四角形、多角形、実質的に平らおよびその様々な組合せからなる群から選択される、請求項４７に記載の成形ジオポリマー性繊維。
【請求項６０】
多層である、請求項４７に記載の成形ジオポリマー性繊維。
【請求項６１】
１つまたは複数の複合物品に取り込まれる、請求項４７に記載の成形ジオポリマー性繊維。
【請求項６２】
成形ジオポリマー性粒子を製造する方法であって、
ジオポリマーに変換できる物質を含むジオポリマー性前駆体を供給する工程と；
ジオポリマー性前駆体を処理して粒子を形成する工程と
を含む方法。
【請求項６３】
処理する工程が、成形、硬化および乾燥をさらに含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
硬化および乾燥をさらに含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６５】
処理する工程が、約５０（約１０℃）と６００°Ｆ（約３１５．６℃）の間の非高温温度で起こる、請求項６２に記載の方法。
【請求項６６】
処理する工程が、室温で起こる、請求項６２に記載の方法。
【請求項６７】
処理する工程が、熱スプレー、溶融紡糸およびブローイングからなる群の１つを介する、請求項６２に記載の方法。
【請求項６８】
供給する工程が、バッチ方式、連続方式、および半連続方式からなる群から選択される方式である、請求項６２に記載の方法。
【請求項６９】
供給する工程および処理する工程が、同時に起こる、請求項６２に記載の方法。
【請求項７０】
添加物が、ジオポリマー性前駆体に与えられる、請求項６２に記載の方法。
【請求項７１】
物質が、少なくとも１種のシリケート源、少なくとも１種のアルカリ源、１種または複数の発泡剤、レオロジー調整剤、カルシウム含有化合物、充填剤およびその組合せからなる群から選択される、請求項６２に記載の方法。
【請求項７２】
処理する工程が、実質的に円形、ドーナツ形、卵形、長形、管状、四角形、多角形、実質的に平らおよびその様々な組合せからなる群から選択される予め選択された形態を与える、請求項６２に記載の方法。
【請求項７３】
処理する工程が、ジオポリマー性前駆体のセルレーションをさらに含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項７４】
供給する工程が、ジオポリマー性前駆体のセルレーションを含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項７５】
物質が、少なくとも１種のシリケート源および少なくとも１種のアルカリ源を含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項７５】
成形ジオポリマー性繊維を製造する方法であって、
ジオポリマーに変換できる物質を含むジオポリマー性前駆体を供給する工程と；
ジオポリマー性前駆体を処理して繊維を形成する工程と
を含む方法。
【請求項７６】
処理する工程が、成形、硬化および乾燥をさらに含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
硬化および乾燥をさらに含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項７８】
処理する工程が、約５０（約１０℃）と６００°Ｆ（約３１５．６℃）の間の非高温温度で起こる、請求項７５に記載の方法。
【請求項７９】
処理する工程が、室温で起こる、請求項７５に記載の方法。
【請求項８０】
処理する工程が、熱スプレー、溶融紡糸およびブローイングからなる群の１つを介する、請求項７５に記載の方法。
【請求項８１】
供給する工程が、バッチ方式、連続方式、および半連続方式からなる群から選択される方式である、請求項７５に記載の方法。
【請求項８２】
供給する工程と処理する工程とが同時に起こる、請求項７５に記載の方法。
【請求項８３】
添加剤が、ジオポリマー性前駆体に与えられる、請求項７５に記載の方法。
【請求項８４】
物質が、少なくとも１種のシリケート源、少なくとも１種のアルカリ源、１種または複数の発泡剤、レオロジー調整剤、カルシウム含有化合物、充填剤およびその組合せからなる群から選択される、請求項７５に記載の方法。
【請求項８５】
処理する工程が、実質的に円形、ドーナツ形、卵形、長形、管状、四角形、多角形、実質的に平らおよびその様々な組合せからなる群から選択される予め選択された形態を与える、請求項７５に記載の方法。
【請求項８６】
処理する工程が、ジオポリマー性前駆体のセルレーションをさらに含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項８７】
供給する工程が、ジオポリマー性前駆体のセルレーションを含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項８８】
物質が、少なくとも１種のシリケート源および少なくとも１種のアルカリ源を含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項８９】
粒子が、ミクロスフェア（ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅ）である、請求項１７に記載の粒子。
【請求項９０】
粒子が、ミクロスフェア（ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅ）である、請求項３２に記載の粒子。
【請求項９１】
少なくとも１つの寸法における形状が１．０を超えるアスペクト比を有する、ジオポリマーを含む成形ジオポリマー性物品。
【請求項９２】
その中に１つまたは複数の空洞を有する、ジオポリマーを含む成形ジオポリマー性物品。
【請求項９３】
成形ジオポリマー性物品を製造する方法であって、
ジオポリマーに変換できる物質を含むジオポリマー性前駆体を供給する工程と；
ジオポリマー性前駆体を処理して物品を形成する工程と
を含む方法。
【請求項９４】
物品が型中で形成される、請求項９３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００５年１２月６日に出願された米国仮特許出願６０／７４８０３７号の利益を主張する。
連邦政府に支援された研究または開発に関する宣言
該当なし
本発明は、一般に、ジオポリマー性粒子および繊維、製造方法および使用、一般的な使用および複合材料への混合のためのこのような粒子および繊維、ならびに特に、球体、繊維、フレークおよびその集合体を含む、様々な形態に製造することができ化学的に耐久性で、安定したジオポリマー性粒子および繊維に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維セメントなどの複合材料は通常、その材料の特性または製造方法を強化および／または改良するために多くの成分および添加剤を取り込む。例えば、中空ミクロスフェアは、繊維セメントボードおよび軽量セメントスラリーを含む、多くの複合材のための密度調整剤および加工補助剤として使用することができる。固体ミクロスフェアも、充填剤およびレオロジー調整剤などの多くの用途に使用される。さらに、繊維（例えば、セルロース繊維およびガラス繊維）は、強化材として多くの複合材に使用される。
【０００３】
従来のミクロスフェアおよび強化繊維は通常、ガラス、ポリマー、金属、および／またはグラファイトから製造される。残念なことに、このような材料からのミクロスフェアおよび繊維の製造に関連していくつかの欠点が存在する。例えば、ガラスミクロスフェアの製造には通常、高温条件の使用を必要とし、これはコストを増加させるとともに、極めて非効率である。さらに、従来の繊維およびミクロスフェアを製造するために使用される多くの材料は通常、相当な劣化なしに高い使用温度に耐えることができない。
【０００４】
このような障害に照らして、改良されたミクロスフェアなどおよびそれらの製造方法についての必要性が依然として存在する。したがって、従来技術の１つまたは複数の欠点を克服または改善し、ならびに１つまたは複数の有用な代替物を提供することが本発明の目的である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の要約
本明細書に記載された発明によって、ミクロスフェアなどおよび製造方法に関連した１つまたは複数の欠点が克服される。さらに、このような従来のミクロスフェアおよび製造方法の有用な代替物が提供される。
【０００６】
本明細書において、一般に、および１つの形態で提供されるものには、迅速凝結および硬化無機材料（例えば、アルカリ活性化シリケート）、迅速凝結セメント（例えば、アルカリ土類リン酸塩）、および水硬性ペースト（例えば、カルシウム含有セメント）を含む前躯体配合物から加工される成形粒子、繊維、ならびに物品などがある。該成形粒子、繊維、および物品の共通の特性は、これらを製造する方法にあり、ここで、これらは、本明細書において低温加工という、低温（例えば、得られる組成物の融解温度未満）で加工される。前駆体は、例えば、球体、粒子、繊維およびフレークおよびその集合体、ならびに成形された形状を含む、任意の数の最終製品形態で構成することができる。この形成された形状は、好ましくはその機能的構築要素としてジオポリマーを含む。いくつかの実施形態において、形成された成形粒子、繊維または物品には、その中に少なくとも１つの空洞または孔空間が含まれる。このジオポリマー性粒子は通常、ジオポリマーを形成することができる物質を有する前駆体配合物；少なくとも１種のアルカリ活性化シリケート、例えばアルミナシリケートを含む前駆体配合物の重合によって製造される。粒子および物品は、実質的に円形、ドーナツ形、卵形、長形、管状、四角形、多角形、実質的に平ら、およびこの様々な組合せを含む形状を有する。繊維は、実質的に円形、ドーナツ形、卵形、長形、管状、四角形、多角形、実質的に平ら、およびこの様々な組合せを含む断面形状を有する。
【０００７】
もう１つの形態において、ジオポリマー性粒子および／または繊維は、１つまたは複数の複合材料または物品に取り込まれ；該ジオポリマー性粒子または繊維には、少なくとも１種のジオポリマーが含まれる。１つまたは複数の実施形態において、該複合物品は繊維強化セメント複合材である。複合物品は、パネル、ボード、柱（ｐｏｓｔ）、羽目板（ｓｉｄｉｎｇ）、プランク（ｐｌａｎｋ）、柱（ｐｏｓｔ）、容器、または建築用などの他の成形物品の形態とすることができる。ジオポリマー性粒子または繊維を含む軽量成形物品について、該粒子には通常、その中に少なくとも１つの空洞が含まれる。成形物品は、型によって規定されてもよいし、泡様の構造を含んでもよい。
【０００８】
さらにもう１つの形態において、形成されたジオポリマー性粒子または繊維は、研磨材、塗料、化学的および水硬性破砕用途に関して使用され、ここで、ジオポリマー性粒子および／または繊維は、その中に少なくとも１種のジオポリマーを取り込むことによって形成される。このような組成物が繊維の形態である場合、これらは例として、布、織物、スポンジまたはカーペットを形成するために使用してもよい。
【０００９】
さらにもう１つの形態において、少なくとも１種のジオポリマーを有する前駆体配合物は、粒子または繊維を含む、１つまたは複数の形状に製造される。このような形状を形成する方法には通常、前駆体配合物を供給する段階およびジオポリマー性粒子または繊維または物品を形成するために該前駆体を成形する段階が含まれる。該前駆体配合物には通常、少なくとも１種のシリケート源（例えば、アルミノシリケート）および１種のアルカリ源（通常、水酸化物、シリケートおよびその組合せなど）が含まれる。該前駆体配合物には、レオロジー調整剤も含まれ得る。さらに、または場合によって、該前駆体配合物には、１種または複数の好適な発泡剤、１種または複数のカルシウム含有化合物（例えば、セメント質化合物、炭酸カルシウム、石灰石）、１種または複数の充填剤物質（例えば、ポリマー、セルロース、カーボン系化合物、ガラス、セラミックファイバー、リン酸塩クレー）、着色剤、１種または複数の表面活性剤およびその組合せが含まれ得る。充填剤物質、着色剤、および／または表面活性剤は、該組成物の形成後に取り込まれてもよい。成形に好適な処理には、熱スプレー乾燥、スプレー乾燥、溶融紡糸またはブローイングなどがある。該前駆体配合物および処理パラメータは、該配合物の物質粘度を制御するために予め定めてもよく、それにより、得られるジオポリマー性粒子、繊維または物品の形状を制御し得る。
【００１０】
当業者であれば、以下に図面とともに続く詳細な説明を読めば、本発明の上記特徴および利点、および他のその重要な態様を理解するであろう。
図面の簡単な説明
本発明の特徴および利点のより完全な理解のために、これから、添付の図面とともに本発明の説明への言及がなされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
好ましい実施形態の詳細な説明
様々な実施形態を製造および使用することが以下に詳細に議論されるが、本発明は、広範で様々な文脈において具現化され得る多くの発明概念を提供することが理解されるべきである。本明細書において議論される特定の態様および実施形態は、本発明を製造および使用するための仕方を単に例証するものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【００１２】
以下に続く説明において、同様な部分は、本明細書および図面全体を通して、それぞれ、同じ参照数字で印を付けることができる。図面は、必ずしも縮尺で製図される必要はなく、ある種の特徴は、明瞭さおよび簡潔さの目的で、縮尺で強調され、またはいくらか一般化されたもしくは略図の形態で示すことができる。
【００１３】
本明細書において用いられるように、用語「ジオポリマー」は、広義の用語であり、その通常の意味を有し、限定なしに、シリコアルミネート（ｓｉｌｉｃｏａｌｕｍｉｎａｔｅ）骨格とともに合成のおよび実質的に無定形のポリマーを含むものとする。
【００１４】
用語「ジオポリマー性」は、広義の用語であり、その通常の意味を有し、限定されないが、少なくとも１種のジオポリマーを取り込む物質を含むものとする。
【００１５】
用語「アルカリ活性化」は、広義の用語であり、その通常の意味を与えられ、限定されないが、少なくとも１種のアルカリ化合物の存在下で１種または複数の架橋シリコアルミネートを形成する化学反応または化学反応の群を含むものとする。
【００１６】
用語「前駆体」（ジオポリマー性前駆体ともいう）は、広義の用語であり、通常の意味を与えられることができ、限定されないが、ジオポリマーに変換され得る開始または出発成分（物質、化合物）の混合物を含む。
【００１７】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、一般に成形された粒子および繊維ならびにその機能的構築要素としてジオポリマーを取り込むことが提供される。ジオポリマーの強度、化学的耐久性、および耐火性ならびにこのようなジオポリマー性粒子または繊維を製造するコストが低いことにより、このようなジオポリマー性物質は、複合材のための優れた強化物質として機能する。
【００１８】
ジオポリマーは、本質的に粘弾性特性を有しないが、本発明者らは、前駆体配合物に粘弾性様挙動を導入する方法を発見し、そして制御された工程によって、該前駆体を所定の形状、例えば、粒子、球体、フレーク、繊維など、およびその集合体に成形することができる。本発明者らはまた、該前駆体配合物を１つまたは複数の成形ジオポリマー性粒子または繊維に形成しながら、その中に１個または複数の空洞、孔、または空間を形成し、したがって有利に該ジオポリマー、該前駆体配合物および該形成された形状に関連する有益なすべての特性を有する低密度ジオポリマー性粒子または繊維を提供する方法を発見した。したがって、ジオポリマーに変換可能な１つまたは複数の化合物をその中に有する前駆体配合物を出発物質として供給することによって、該ジオポリマー性化合物の様々な特性、例えば、優れた強度、熱安定性、高い表面の滑らかさ、精度および硬度が、得られるジオポリマー性製品中に取り込まれる。
【００１９】
１９８０年代初期に最初に用いられた用語「ジオポリマー」は、通常シリコアルミネート（Ｓｉ−Ａｌ）骨格を有する合成無定形ポリマーをいう。ジオポリマーの化学式は、以下のように示すことができる：
Ｍn［−（ＳｉＯ2）2−ＡｌＯ2］n．ｗＨ2Ｏ      （１）
（式中、Ｍは、アルカリ化学種であり、ｎは重合度である）。これは、アルミニウムが主に４面体配位にあり、ケイ素が様々な配位構造を有するアルミノシリケート骨格である。アルカリ金属Ｍ（例えば、ナトリウムまたはカリウム）は、電荷の均衡を与える。この構造単位には、シアレート（ｓｉａｌａｔｅ）［−Ｓｉ−Ｏ−Ａｌ−Ｏ−］、シアレートシロキソ（ｓｉａｌａｔｅ  ｓｉｌｏｘｏ）［−Ｓｉ−Ｏ−Ａｌ−Ｏ−Ｓｉ−Ｏ−］および／またはシレートジシロキソ（ｓｉｌａｔｅ  ｄｉｓｉｌｏｘｏ）［−Ｓｉ−Ｏ−Ａｌ−Ｏ−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−Ｏ−］が含まれることができる。
【００２０】
ジオ重合（Ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｔｉｏｎ）には、高度にアルカリ性の環境におけるシリコアルミネートとアルカリシリケートとの間の化学反応が含まれる。ジオ重合のための形成反応は一般に、迅速凝結および迅速硬化の反応であることが知られている。ジオ重合の迅速凝結および迅速硬化の特徴のために、以前は、有用な製品、例えば、所定および所望の構成の粒子または繊維を製造するために、ミクロスケールレベルでジオポリマー性粒子または繊維を成形することはできなかった。
【００２１】
ジオ重合に関して、アルカリ性溶液は、特定の数のＳｉおよびＡｌの原子がアルミノシリケート原液から溶解または加水分解することを誘発し、溶液中にジオ−モノマーを形成させ、次いで、これはポリ縮合（ｐｏｌｙ−ｃｏｎｄｅｎｓｅ）して、加えられた熱の誘因下で硬い網状組織を形成する。架橋反応は、多様な種類のシリコアルミネートを組み合わせて使用する場合に、増強される。該ジオポリマー性粒子または繊維の強度は、架橋が増加すると増加する。
【００２２】
ジオポリマー性化合物は、化学的に耐久性、かつ安定である。ジオポリマー性化合物の前駆体には、好ましくはアルミノシリケートの形態で、少なくとも１種の無定形シリケートが含まれる。アルミナは、安定なジオポリマーを形成するために存在することができる。該シリケートは、好ましくは、水酸化物、シリケート、またはその組合せなどのアルカリ化合物によってアルカリ活性化することができる。アルカリ金属Ｒ対Ａｌのモル比は、５から０．１、より好ましくは３から０．２、さらに好ましくは２から０．５まで変わることができる。Ｒは、アルカリ金属（ナトリウム、カリウム、リチウム、およびその組合せを含む）の群から選択することができる。該好ましいジオポリマー中のＳｉ対Ａｌのモル比は、３００から１、好ましくは５０から１、より好ましくは１０から１まで変わることができる。一部の好ましい実施形態において、Ｓｉ対Ａｌのモル比は、約２を超える、より好ましくは約３を超える。Ｓｉ対Ａｌ比がより高いとより柔軟なジオポリマー生成物を生じ、これは特に繊維の形態の製品に特に有利であることが留意される。
【００２３】
好適なアルミノシリケートの例は、焼成カオリン型のクレー（２ＳｉＯ2．Ａｌ2Ｏ3）である。ホスフェート型のクレー、アルミナシリケート鉱物および粉末岩石型物質も、好適なジオポリマー前駆体を形成するために首尾良く用いることができる。さらに、他のクレー物質（焼成または非焼成）、フライアッシュ（ｆｌｙ  ａｓｈ）などの廃棄副産物、高炉スラグ（ｂｌａｓｔ  ｆｕｒｎａｃｅ  ｓｌａｇ）、および廃棄物ガラスも、ジオポリマー前駆体を配合するために用いることができる。出発前駆体物質はまた、ケイ質物質、例えば、珪藻土、シリカヒューム（ｓｉｌｉｃａ  ｆｕｍｅ）、グラウンドクォーツ（ｇｒｏｕｎｄ  ｑｕａｒｔｚ）とすることができ、そしてこれにアルミナを有する物質、例えば、ボーキサイト、アルミナ、アルミネートおよびアルミナ白を加えることができる。好適な物質は、大きさの減少、焼成および脱ヒドロキシル化によってアルカリ活性化に対してより反応性になる。したがって、これらの物質は、より高いジオ重合反応速度を有する。
【００２４】
アルミナホスフェートも、該ジオポリマー性前駆体として用いることができる。ここで、Ｐ対Ａｌのモル比は、１０から０．１、より好ましくは５から１まで変わることができる。酸化鉄含有化合物（例えば、水酸化鉄）およびホウ素含有化合物（例えば、ホウ酸またはホウ酸塩）も、ジオポリマー性前駆体配合物に加えることができる。Ｓｉ対ＦｅまたはＢのモル比は、変化してもよい。１つの形態において、それは３００から１とすることができる。
【００２５】
任意のアルミナシリケートまたはアルミナホスフェートのジオポリマー性前駆体を処理して１種または複数のジオポリマー性化合物を含む成形最終製品（例えば、粒子、繊維または軽量成形物品）を形成することができることが理解されるであろう。
【００２６】
該シリケートおよび／またはアルミノシリケート出発物質の平均粒径は、好ましくは３００ミクロン未満、好ましくは１００ミクロン未満、より好ましくは２０ミクロン未満であり、一部の実施形態において、５ミクロン未満である。
【００２７】
一部の好ましい実施形態において、該成形ジオポリマー性粒子または繊維の前駆体には、追加的および革新的に発泡剤が含まれる。発泡剤は一般に、特定の誘因条件下で気体を放出し、または気体容積を発生させる物質として知られる。ジオポリマー性前駆体中の発泡剤は、該ジオポリマー性粒子または繊維中の気体空洞、孔、空間または泡様構造の形成を促進する。したがって、空洞を有する得られたジオポリマー性製品は、実質的に固体構造（すなわち、気体空洞、孔、空間もしくは泡様構造を有しないか、または限定的に有する）を有するものより低い密度を有する。
【００２８】
本明細書において用いられる発泡剤は、好ましくは、該物質の特性、処理、またはその組合せの変化によって誘発されるように選択される。好適な誘因条件の例には、限定されないが、温度、ｐＨ、該物質の物理的特性（例えば、粘度、相変化）の変化、外部の物理的変化（例えば、せん断速度）および化学反応（内的または外的に誘起される）、またはその組合せなどがある。金属粉末、炭化水素および適切な有機物質、炭酸塩／重炭酸塩、硝酸塩／亜硝酸塩、硫酸塩／亜硫酸塩／硫化物、水、ならびに高いｐＨ、熱、または化学反応に暴露後、気体を発生することのできる他の化合物は、発泡剤として使用できる。微粉砕アルミニウム金属粉は、高ｐＨ溶液に暴露後、水素を発生する発泡剤の例である。発泡剤のもう１つの例は、加熱すると膨張する気孔（ｇａｓ  ｐｏｃｋｅｔ）である。発泡剤のさらにもう１つの例は、加熱すると蒸気に変換する化学的に結合された水である。
【００２９】
成形ジオポリマー性粒子および繊維を形成するのに好適な発泡剤は、他の種類の粒子組成物、例えば、高温炉で形成されるガラスミクロスフェアなどを形成するのに用いられる発泡剤と明らかに異なる基準で選択される。ジオ重合反応温度は溶融ガラスに用いられる温度よりかなり低いので、温度によって誘発される場合、本明細書における使用のための好適な発泡剤はまた、ガラスに対して必要とされる温度よりも非常に低い誘因温度を有しなければならない。例として、炭酸塩は、３００℃未満の温度で誘発され、これは通常約８００℃を超える温度を必要とするガラス溶融処理には適切でない。
【００３０】
ジオ重合反応に関して、ｐＨによって誘発される発泡剤は、ｐＨが、しばしば１２を超える、よりしばしば１４を超えるアルカリ性であることを必要とする。
【００３１】
本明細書に記載されるように、発泡剤はまた、該ジオポリマー性前駆体が、必要なとき、空洞が該最終製品中に形成および保存されるように、通常は凝結および硬化直前に粘弾性様挙動を経る間に、発泡剤が誘発されるように選択および制御されなければならない。
【００３２】
ジオポリマー性前駆体は、所定の粘度および硬化時間を有するように配合される。一部の好ましい実施形態において、該前駆体配合物は、レオロジー調整剤をさらに含む。レオロジー調整剤は、該物質の粘弾性様挙動、例えば、流動、変形、および／または展性を変えることが可能な添加剤である。該粘弾性様挙動は、該前駆体配合物それ自体に、または該形成過程の間に存在することができる。レオロジー調整剤の量および種類は、所定の時間に、および所定の時間の長さの間に該前駆体中の所定の粘弾性様挙動を達成するように選択される。レオロジー調整剤には、天然ゴム（例えば、グアー、デンプン）、変性天然ゴム（例えば、セルロース誘導体）、合成化合物（例えば、アクリルポリマー）、無機物質（例えば、クレーまたは水和もしくはヒュームドシリカの形態の無定形二酸化ケイ素）、および市販のレオロジー調整剤（例えば、スチレン／アクリレート、スチレンアクリルアミド、ポリアクリレート、例えば、ＡＣＵＳＯＬ（登録商標）、ＲＨＥＯＬＡＴＥ（登録商標）、ＣＡＲＢＯＳＯＬ（登録商標）などの商品名のもとで市販されているものを含む）、ならびにその組合せが含むことができる。さらに、水、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、およびケイ酸ナトリウムは有用なレオロジー調整剤とすることができる。ケイ酸ナトリウムに関して、該調整剤は通常、粒子または繊維を形成するのに使用される通常の量を超えて使用される。
【００３３】
一部の好ましい実施形態において、ジオポリマー性前駆体にはさらに、少なくとも１種のカルシウム含有物質、例えば、炭酸カルシウム、石灰石、石膏、高炉スラグ、キルンダスト（ｋｉｌｎ  ｄｕｓｔ）、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、セメント質物質およびその組合せが含まれる。さらに、充填剤物質も含むことができる。充填剤物質を取り込むと、コストを下げることによって経済性を改善し、該前駆体およびその結果得られる組成物の密度を減少させるだけでなく、機械的特性も改善することができる。充填剤物質の例は、ポリマー、セルロースまたは他の天然繊維、およびリン酸塩クレーである。必要な場合は、ジオ重合の間に完全に変換されない場合、１種または複数の初期前駆体物質、例えば、アルミノシリケートの一部が、充填剤の形態で得られるジオポリマー性製品（例えば、粒子または繊維）中にそのままの状態で存在する。
【００３４】
本明細書において記載される成形ジオポリマー性粒子または繊維は、ジオポリマー性前駆体配合物に由来するので、該成形最終製品は通常、乾燥ベースで該前駆体配合物と実質的に同じ化学組成を有する。これは、該重合反応を介する質量保存の結果である（蒸気相を介する水および少量のアルカリ金属の蒸発ならびに用いられる場合、発泡剤からの一部の気体の損失／漏れは除く）。同様に、成形ジオポリマー性粒子および繊維は、通常のアルカリ活性化アルミノシリケートの有利な特性を実質的にすべて受け継ぐ。本明細書において議論されるような成形製品は、酸性およびアルカリ性の両環境において優れた化学的耐久性を示す。特に、これらはコンクリートおよびセメント質複合材の使用に好適であることがわかる。
【００３５】
ジオ重合は架橋網状組織を与えるので、得られるジオポリマー性粒子または繊維は、その初期前駆体配合物とは異なる構造を有する。該得られる配合物中のジオポリマーの量は、５重量％を超え、より好ましくは１０重量％を超え、さらに好ましくは２０重量％を超え、さらに好ましくは３５重量％を超え、さらに好ましくは５０重量％を超え、そしてさらに好ましくは７０重量％を超え、最も好ましくは９０重量％を超える。アルミニウムが該前駆体配合物中に存在する場合、該得られるジオポリマー性組成物中のアルカリ金属Ｒ対Ａｌのモル比は、５から０．１、より好ましくは３から０．２、さらに好ましくは２から０．５まで変わることができる。Ｒには通常、アルカリ金属、例えば、ナトリウム、カリウム、リチウム、およびその組合せなどが含まれる。
【００３６】
一部の好ましい実施形態において、該成形ジオポリマー性粒子または繊維は異質な構造を有する。アルミニウムが該前駆体中に存在する場合、該アルミナシリケートの一部は一般に、未反応または不活性化のままである。一部の実施形態において、該得られるジオポリマー性粒子または繊維は、様々な結晶および／または無定形の相を有する多相形態にある。例えば、ゼオライトの一部の結晶相が、ジオポリマー性組成物、微粒子または繊維中に少量存在してもよい。
【００３７】
本明細書において製造される成形ジオポリマー性粒子および繊維は、任意の多数の形態、例えば、限定されないが、粉末、球体、繊維、フィラメント、実質的に円形の粒子、フレークなどおよびその集合体とすることができる。本明細書において製造される成形粒子および繊維の大きさは、好ましくは約０．１μｍを超え、より好ましくは１０μｍを超え、さらに好ましくは３０μｍを超え、さらに好ましくは１００μｍを超えてもよい。用語「ミクロ」を用いる場合、このような用語は、本明細書において製造される粒子または繊維のサイズをミクロンの大きさに限定しないことが留意される。一部の好ましい実施形態において、得られるジオポリマー性粒子および繊維は、５０ｍｍ以上の大きさを有することができる。他の好ましい実施形態において、本明細書において記載されるように製造されるジオポリマー性粒子および繊維は、１０ｎｍ以下程度の小さいサイズを有してもよい。一部の実施形態において、最終成形ジオポリマー性粒子または繊維、あるいは他の好ましい形状は、それらの全体の長さおよび／または大きさに限定されなくてよい。
【００３８】
ジオポリマーの存在は、任意の適切な技術により、最終成形製品において検出および定量化することができる。このような技術の１つには、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ）が含まれる。ジオポリマー性マトリックスが、〜４６０ｃｍ-1のピーク（Ａｌ−ＯおよびＳｉ−Ｏの結合の面内曲げに起因する）および〜１０００ｃｍ-1のピーク（両Ａｌ−ＯおよびＳｉ−Ｏの不斉伸縮の融合を表す）でＦＴＩＲによって同定されることが以前から見出されている。他のピークも有用であるが、これらの２つのピークが、ジオポリマーマトリックスを同定するための主要な特徴として機能し、ポリシアル化（ｐｏｌｙｓｉａｌａｔｉｏｎ）の程度を示し得る。
【００３９】
固体マジックアングルスピニング核磁気共鳴技術（ＭＡＳ−ＮＭＲ）もジオポリマーの重合を同定するのに好適である。ジオポリマー性化合物の27Ａｌスペクトルは、５８ｐｐｍ付近に強い共鳴を示し、これは秩序だったジオポリマー構造中の４面体Ａｌの優勢を示すものである。ＸＲＤも、該組成物中に存在する結晶および無定形の相の量を決定するために用いることができる。
【００４０】
１つまたは複数の実施形態において、本明細書において記載されるように製造される成形ジオポリマー性粒子および繊維は、中空であるか、または１つもしくは複数の空洞（通常、孔、空間または泡様構造を含む）を有する。空洞は中央に位置してもよいし、および／または中央の空洞付近に空気空洞を含んでもよい。空洞、中空または泡様構造を与えるために、ジオポリマー性前駆体配合物には、発泡剤（前に記載）が含まれる。空洞、中空または泡様の構造を有する成形ジオポリマー性粒子または繊維は、実質的に固体構造を有する同様の大きさの粒子よりも有利により低い密度、異なる音、熱および荷重の伝達機構を有する。したがって、空洞、中空または泡様の構造を有する成形ジオポリマー性粒子または繊維は、このような特性のために多機能を与え、それにより、広範な用途、例えば、密度調整、包装、防音、および断熱用などに好適である。固体ジオポリマー性物質は一般に、２．００ｇ／ｃｃを超える密度を有するが、本明細書において記載されるような１種または複数の空洞を有するジオポリマー性製品は、有利に、約１．７０ｇ／ｃｃ未満、より好ましくは１．００ｇ／ｃｃ未満、さらに好ましくは０．４５ｇ／ｃｃ未満，さらに好ましくは０．３５ｇ／ｃｃ未満、さらに好ましくは０．３０ｇ／ｃｃ未満、さらに好ましくは０．２５ｇ／ｃｃ未満の密度を与える。
【００４１】
成形ジオポリマー性粒子の１つの好ましい構成は、中空ミクロスフェアのものである。中空ジオポリマー性ミクロスフェアは、空洞空間を囲む壁によって規定される実質的に球形の形状を有することができる。この壁厚さは、該ミクロスフェア直径の好ましくは０．１から４５％、より好ましくは１から３５％、さらに好ましくは１０から２５％までの範囲である。該空洞空間は、該壁厚さが該ミクロスフェアのすべての周りで実質的に均一であって、用いられる場合に該ミクロスフェアに均等な荷重分布を与えるように、該ミクロスフェア内の好ましくは中央に、または中央ではない位置に存在することができる。
【００４２】
ジオポリマー性粒子のもう１つの好ましい構成は、１つを超える内部空洞を有する実質的に球形の形状である。一部の実施形態において、ジオポリマー性粒子または繊維は、泡構造を有してもよい。空洞は、開いたまたは閉じた構造であってもよい。中空および／または泡様の構造内に空洞空間を有すると、該成形ジオポリマー性粒子または繊維の密度（例えば、有効平均密度およびかさ密度）を直接、減少させる。実際、固体ジオポリマー性物質は一般に、２．００ｇ／ｃｃを超える密度を有するが、空洞、中空および／または泡様構造を有する成形ジオポリマー性物質は、有利に、約１．７０ｇ／ｃｃ未満、より好ましくは１．００ｇ／ｃｃ未満、さらに好ましくは０．４５ｇ／ｃｃ未満、さらに好ましくは０．３５ｇ／ｃｃ未満、さらに好ましくは０．３３ｇ／ｃｃ未満、最も好ましくは０．２５ｇ／ｃｃ未満の密度を有する。
【００４３】
本明細書において記載されるように製造される成形ジオポリマー性物質はまた、該アスペクト比が少なくとも１つの寸法の面で約１．０を超える非球形形状を有するように加工することができる。より好ましくは、該アスペクト比は１．１０を超え、さらに好ましくは１．２０を超え、さらに好ましくは１．４０を超え、さらに好ましくは１．７０を超え、さらに好ましくは２．１０を超え、さらに好ましくは２．５０を超える。例えば、ドーナツ形状は、熱スプレー処理を用いて形成することができる。該ドーナツ形状は、処理中に迅速で、大量の水の蒸発がある場合に形成され、これは、スプレー工程の入口および出口温度ならびに該前駆体配合物の水含量を制御することによって加工することができる。多辺形状（ｍｕｌｔｉ−ｅｄｇｅｄ  ｓｈａｐｅ）は、好適な多辺ダイデザインを用いる紡糸または押出工程を用いて最初に繊維を形成し、次いで第２に、該繊維を短い長さに細断し、該粒子を形成することによって得ることができる。多辺形状はまた、ジオ重合反応の終了直前に多角繊維形成ダイからマルチファイバーを交差させ；凝結および硬化させ、次いで交差し、相互に巻きついた繊維を短い多辺粒子に細断することによって形成することができる。連続繊維および細断された繊維の双方を製造することができる。
【００４４】
さらにもう１つの形状には、該形成されたジオポリマー性粒子または繊維の表面上にスパイクが含まれる。このような形状を形成する１つの方法には、最初にジオポリマー性ミクロスフェアを形成する工程、次いで該ミクロスフェアを高いｐＨ、高温および高圧の環境、例えば、オートクレーブ中の環境にさらす工程を含む。このような条件下で、該ジオポリマー性ミクロスフェアの一部は洗脱され、他の部分は、１つまたは複数の結晶相、例えば、ゼオライトの結晶相に変換することができ、スパイキーな形態および形状を有する粒子を残す。
【００４５】
予め選択された形態には、実質的に円形、球形、ドーナツ形、卵形、長形、管状、四角形、多角形およびその様々な組合せが含まれてよい。形状は、シート状でもよい。様々な加工された形状は、１つまたは多数の有用な用途に有利である。例えば、スパイクまたは多辺のジオポリマー状粒子は、マトリックス内に強化されたロッキング特性（ｌｏｃｋｉｎｇ  ｐｒｏｐｅｒｔｙ）を与える。粒子はしばしば、充填剤用途に有用である。
【００４６】
成形ジオポリマー性粒子および／または繊維は、層状構造において特に有用であり、ここで、層の少なくとも１つは、例えば、コーティングまたは被覆加工としての外層において、あるいは囲いシェルまたは芯層において該ジオポリマー性生成物を含む。もう１つの好ましい実施形態において、該ジオポリマー性化合物は少なくとも１層の異なる物質によって囲われるまたは被覆される芯層中に存在する。成形ジオポリマー性粒子および繊維は、それ自体、多層であってもよい。上記条件すべてにおいて、該得られる成形粒子または繊維は、該前駆体配合物に用いられるジオポリマー性化合物の固有の特性を実質的にすべて有する一方、他の有利な特性、例えば、形状それ自体によって与えられる特性も有する。例えば、一部の形状は、該物質中、複合体マトリックス中の優れたからみ合い特性、または表面不活性を与える。
【００４７】
１つまたは複数の成形ジオポリマー性粒子および／または繊維が、複合体に取り込まれた場合、該複合体は任意の望ましい形態、例えば、パネル、ボード、柱（ｐｏｓｔ）、羽目板（ｓｉｄｉｎｇ）、プランク（ｐｌａｎｋ）、または他の適切に成形された物品とすることができる。いくつかの例を与えるべく、成形ジオポリマー性粒子または繊維は、充填剤、コーティング、顔料（例えば、道路標識における着色剤）用基剤としての使用のために取り込まれることができるのみならず、それらの形状、特性のために取り込まれることができ、ならびにセメントスラリーに取り込まれることができる。繊維の形態における場合、成形ジオポリマー性製品は、繊維強化複合材料、例えば、ポリマー−マトリックス、金属−マトリックス、およびセメント−マトリックスの繊維強化複合材料に用いることができる。このような組成物は、必要に応じて、ガラス繊維、セラミック繊維および／または炭素繊維の代わりの使用に適している。
【００４８】
一部の好ましい実施形態によれば、１つまたは複数の機能的使用、例えば、研磨および／または水圧破砕用途のための研磨剤のために成形ジオポリマー性粒子および／または繊維が提供される。このようなジオポリマー組成物は、有利に、優れた流動性に適した、形状、大きさ、密度、および表面特性を有する。１つの例として、滑らかな表面領域および低い密度を有する球形または実質的に円形の微粒子は、液体研磨用途のための優れた流動性を与える。１つの好ましい実施形態において、１つまたは複数の繊維の形態のジオポリマー性組成物は、布地、織物、スポンジ、カーペットなどを製造するために取り込まれる。ジオポリマー性繊維を取り込む布地またはスポンジなどは、単独で、あるいは高温使用および／または耐火用途のためのパッキング、フィルター、ガスケット、断熱材用のさらなる材料と組み合わせて使用することができる。
【００４９】
それぞれが、その中に空洞を有するまたは有しない１つまたは複数の成形ジオポリマー性粒子および／または繊維を取り込む軽量成形物品も提供される。該空洞は、実質的に別個の空洞（例えば、孔、空間）、網状組織または泡様構造であってもよい。１つの好ましい実施形態において、軽量物品の使用のための前駆体配合物は、少なくとも１種の発泡剤を含み、該発泡剤は空洞、網状組織および／または泡様構造の形成を促進し、これは有利に、得られる物品の見掛け密度を減少させる。このような軽量物品は、任意の多数の形態、例えば、限定されないが、パネル、ボード、柱（ｐｏｓｔ）、プランク（ｐｌａｎｋ）、パイプ、容器、耐火金庫、ハードウェア、書類整理棚、乗り物または航空機用の外部シェルとすることができる。
【００５０】
本明細書において記載される成形ジオポリマー性粒子および繊維を製造する方法は、さらに議論され、ここには、迅速凝結および水硬性のセメントと一緒に、または一緒でなしに、アルカリ活性化シリケートが含まれる。成形ジオポイマー性粒子および繊維は、以下の２つの主要な段階で製造される：第１段階、ここでジオポリマー性化合物を有する前駆体配合物が供給される、および第２段階、ここで該前駆体配合物は、該成形ジオポリマー性最終製品を形成するために用いられる。
【００５１】
第１の段階において、前駆体配合物は、水酸化物、シリケート、またはその組合せの形態で少なくとも１種のアルミノシリケート源および１種のアルカリ源を組み合わせることによって供給される。所望の配合物を予め選択することによって、該粘度を制御し、それにより、得られる物質の形状を制御することができる。第２の段階において、ジオ重合反応が生じ、ここで、該ジオポリマー性前駆体配合物が、粘度、例えば、熱スプレー、溶融紡糸またはブロー処理をさらに制御する特定の方法によって処理される。成形および／または空洞の形成ならびに乾燥（硬化）が第２の段階の間に起こる。処理パラメータを予め選択すると、処理時間および硬化時間に影響することによって直接的に物質粘度を制御する。したがって、前駆体配合物および処理パラメータを予め決定し、所望の成形ジオポリマー性粒子または繊維を得る。一部の好ましい実施形態において、該物質粘度は第２の段階の間に十分に低い値に制御され、得られる製品の適切な成形を可能にする。さらに、硬化時間は、得られる製品が凝結および硬化する前に形成すべき形状を可能にするために十分に長い。
【００５２】
第１の段階において、該前駆体配合物が、該配合物を順々に形成し、成形し、そして固化させるために利用することができる粘弾性領域を有することが重要である。これは、粘弾性を示し、溶融状態で成形され、次いで固化されて、ガラス軟化温度未満に冷却時に実質的に同じ形状を保持するガラスと類似である。そして、これは、成形が、非常に低い粘度化合物を最終形状に成型することによって形成されるゾル−ゲル形成と異なる。ゾル−ゲル形成は、水および砂の混合物から成形された角氷（ｉｃｅ  ｃｕｂｅ）を形成するのに類似させることができる。該前駆体の粘弾性様挙動を制御する１つの仕方は、第２の段階の間に重合反応速度を低下させることによる。反応速度が遅いほど、得られる製品中により組織化されたポリマー構造を生じることが見出された。反応速度を制御する一つの方法は、反応温度を制御することによる。反応温度が高いほど、反応速度は高くなることが見出された。さらに、該反応速度は該前駆体配合物中の粒径分布を決定づけることによって制御できることも見出された。該前駆体中のより微細な粒径は、より高い表面積、したがって反応が起きるためのより高い接触面積を有し、これはより速い反応速度をもたらす。該反応速度は、活性化のために与えられるアルカリ溶液の濃度を制御することによっても制御することができる。該アルカリ濃度が高いほど、該反応速度は速くなることが見出された。
【００５３】
１つの好ましい実施形態において、該前駆体用の出発物質は、第１の段階において列を成して（ｉｎ  ｌｉｎｅ）別々にバッチ化および混合され、ここで、該出発物質には、アルミノシリケート、アルカリ活性化剤、および場合によって発泡剤が含まれる。一例として、アルミノシリケート物質は、部分Ａおよびアルカリ活性化剤は部分Ｂとして表すことができる。発泡剤は、部分Ｃとしてもう１つの原料物質ストリームから分離してバッチ化してもよい。代替として、該発泡剤は、場合によって、部分Ａまたは部分Ｂの成分であってもよい。発泡剤が含まれない場合、密度の高い固体組成物が形成される。
【００５４】
１つの好ましい方法において、部分Ａおよび部分Ｂは、１つのフィードラインにバッチ化され、インラインミキサーを介して均一化される。次いで、部分Ｃを部分Ａおよび部分Ｂの混合物に加える。第２の段階において、得られるスラリーは、中空球形または空洞を有する粒子を形成するために処理することができる（例えば、反応器中にスプレーされて、ブローイングおよび／または紡糸にさらされて）。別に、該得られるスラリーは、空気乾燥され、または当業者に知られた適切な技法を用いて乾燥され、次いで、該処理された製品は、製粉、粉砕、または当業者に知られた同様の適切な技法によって大きさを減少させることができ、ジオポリマー性最終製品、例えば、粉末形態の粒子を形成することができる。さらにもう１つの実施形態において、第２の段階には、該前駆体を加熱チャンバー内で繊維状にブローイングおよび／または紡糸して、過剰の水を除去し、該繊維を硬化させる工程を含むことができる。
【００５５】
本明細書において記載されたように、第２の段階は、バッチ方式、連続方式、または半連続方式で実施することができる。さらにもう１つの実施形態において、第１および第２の段階は、同時に実施することができる。
【００５６】
第２の段階において、ジオ重合は非高温温度で実施することができる。適切な温度範囲は、約５０（約１０℃）と６００°Ｆ（約３１５．６℃）の間である。該ジオ重合プロセスは、より低い温度、例えば、室温で実施することもできる。さらに、第２の段階は、さらに段階化する（ｓｔａｇｅｄ）ことができる（例えば、段階（ｓｔａｇｅｓ）において１つまたは多数の温度を用いる）。１つの実施例において、第２の段階には、粘弾性挙動および成形が生じる７０°Ｆ（約２１．１℃）の温度、次いで、成形後ジオポリマー形成を加速させる１１０°Ｆ（約４３．３℃）、その後、過剰の水を最終乾燥させるための３００°Ｆ（約１４８．９℃）を含むことができる。このように、１つまたは複数の温度が、ジオ重合速度の制御を助けるように選択される。
【００５７】
第２の段階の乾燥工程部分を行うときに、該ジオ重合反応は、まず完了していなければならない。これは、ジオ重合反応が、いくらかの水分の存在を好むからである。乾燥が生じるのが早すぎる場合（ジオ重合が完了する前）、該得られるジオポリマー組成物は、ジオポリマー性微粒子または繊維に形成されず、原料物質の細かく、乾燥して粉々になったものが形成されることが見出された。理論に拘束されることなしに、これは水分がアルカリ金属カチオンを動かし、これらが正しい位置に動き、該４面体配置中のアルミニウムの荷電と均衡させたためと考えられる。
【００５８】
１つの好ましい実施形態において、前駆体配合物は、第１の段階で供給される。場合によって、および代替として、前駆体配合物は、１種または複数のさらなる物質（例えば、添加剤）と一緒に提供され、これには、限定されないが、１種または複数の発泡剤、１種または複数のレオロジー調整剤（例えば、セルロース誘導体、アクリルポリマー、クレー、水和またはヒュームドシリカ、市販のレオロジー調整剤）、１種または複数のカルシウム含有化合物（セメント質化合物、炭酸カルシウム、石灰石、石膏またはその組合せから好ましく選択される）、および１種または複数の充填剤物質（例えば、ポリマー、セルロースまたは他の天然繊維、リン酸塩クレー鉱物、シリカヒュームなどの微細シリケート、カーボン系物質など）が含まれる。このような添加剤は、第１の段階または第２の段階で供給することができ、該アルミノシリケート源またはアルカリ源あるいはその組合せ中に存在させることができる。
【００５９】
前駆体および発泡剤を供給する場合、該発泡剤は、好ましくは、粘性ジオポリマー物質中に取り込まれる気体を発生させる誘因を含むように選択され、セルレーション（ｃｅｌｌｕｌａｔｉｏｎ）をもたらす。本明細書において用いられる用語「セルレーション（ｃｅｌｌｕｌａｔｉｏｎ）」は、１つまたは複数の空洞、孔構造または泡様構造の形成をいう。該セルレーション過程は、第２の段階の前または間に粘性ポリマーのバルク中で生じさせることができる。もう１つの実施形態において、セルレーションは、連続的な仕方、したがって、第１の段階および第２の段階に（すなわち、得られる製品の処理／形成の前、間、および後に）生じる。
【００６０】
本明細書において記載される改善された方法によれば、所望の形状および構造の別個のジオポリマー性最終製品（例えば、粒子、繊維）の形成に続けて、該製品は、これらの形状をその後に保持するためのジオ重合反応によって迅速に硬化し、さらに、その後の収集および取り扱いの操作を伴う。
【００６１】
成形ジオポリマー性粒子および繊維は、スプレーおよび熱スプレーなどの処理を用いて第２の段階で形成することができ、この処理は、前駆体スラリーを噴霧化し、別個の粒子または集合体を形成する。スプレー装置における噴霧化は、略円形で、略球形の粒子を生成させる。発泡剤の添加によって、中空成形粒子が形成される。発泡剤が用いられない場合、実質的に固体の球体が熱スプレーから生じる。驚くべきことに、熱スプレーは、現下の発明者らによって特に有用であることがわかったが、この理由は、該ジオポリマー性前駆体の粘度を、成形粒子を形成するために十分低く保つことができるためである。さらに、加えられた熱は、制御された仕方において、ならびに過剰な水の蒸発、該成形粒子の重合および硬化を促進する。熱スプレーによって、熱は該発泡剤（存在する場合）を誘発することもできる。１つの好ましい実施形態において、発泡剤が存在する場合、硬化は好ましくは、該発泡剤の誘発後、より好ましくは誘発直後に生じる。誘発後の硬化の制御されたタイミングは、任意の所望の空洞、孔網状組織または泡様構造が、得られる成形ジオポリマー性粒子中に保持され、したがって、該発泡剤を十分利用することを保証する。例えば、ジオポリマー性前駆体のスラリーは、スプレー乾燥機で噴霧化することができ、ここで、加えられた熱は、前駆体中の発泡剤を誘発して気体を形成し、したがって、該物質構造中に気体空洞または空間を生じる。加えられた熱はまた、該前駆物質の重合および硬化を活性化し、得られるジオポリマー性粒子または繊維中に空洞を保持する。該発泡剤の量および種類、ならびにスプレー条件は、該成形ジオポリマー性粒子または繊維中に所望の空洞構造を生じるように構成することができる。本発明者らは、該ジオポリマー性前駆体が粘弾性状況にある（例えば、発泡剤によって発生された大部分の気体がセルレーションする粒子内に捕捉される）場合に最も効率的なセルレーションが起こることを発見した。
【００６２】
スラリーの噴霧化された液滴は、所定の滞留時間の間、スプレー乾燥機中で乾燥される。該滞留時間は、得られる製品の平均粒径、粒径分布および水分含量に影響を与えることができる。該滞留時間は、好ましくは、上記されたように、１つまたは複数の好ましい特性を与えるように制御される。該滞留時間は、スラリーの水含量、スラリー液滴サイズ（総表面積）、乾燥気体入口温度、スプレー乾燥機内の気体流パターン、および該スプレー乾燥機内の粒子流経路によって制御することができる。好ましくは、該スプレー乾燥機内の滞留時間は、約０．１から１０秒の範囲にあるが、約２秒を超える比較的長い滞留時間が一般により好ましい。好ましくは、該スプレー乾燥機内の入口温度は、約２００から６００℃の範囲にあり、出口温度は、約９０から３５０℃の範囲にある。
【００６３】
該スプレー乾燥条件を制御することによって、該粒子の平均粒径および粒径分布を制御することができることが見出された。例えば、回転式噴霧器は、圧力ノズルよりも、より均一な粒径分布を生じることが見出された。さらに、回転噴霧器は、より高い供給速度を可能とし、ごくわずかな閉塞または目詰まりを有し、研磨材に好適である。一部の実施形態において、既知の噴霧技術の混成も所望の特性を有する粒子を得るために用いることができる。スプレー乾燥は有利に、狭い粒径分布を有する物質を生じる。その結果として、スプレー乾燥によって処理された得られた加工ジオポリマー性粒子は、狭い粒径分布を有し、その後の使用に相反しない特性を有する。本発明の特定の好ましい実施形態による粒子は、熱スプレーおよび硬化後に開いたまたは閉じた多孔性を有することができる。
【００６４】
さらに、制御された雰囲気チャンバー内で該ジオポリマーをスプレーし、液滴の硬化および成形を容易にすることも可能である。該チャンバー雰囲気は、重合を触媒する気体または蒸気に富んでもよい。例えば、チャンバー雰囲気は、ＣＯ2、または水蒸気に富んでもよい。
【００６５】
本発明のもう１つの方法によれば、多ジオポリマー性化合物、またはジオポリマー性化合物および他の物質は、共スプレーされて、多層複合粒子を形成する。これは、粘性カプセル化または弾性層の再配列によって得ることができ、密封スキンの中空、多孔性または固体の粒子を形成することができる。該共スプレー物質は好ましくは、異なる粘度を有する。１つの好ましい実施形態において、該発泡剤を含む粘性ジオポリマーは、第２のジオポリマーの固体被覆によって囲まれた多孔性コアを形成する。第２のジオポリマーは、さらに外層を成長させるために該コアジオポリマーよりも低い粘度を有することが好ましい。
【００６６】
１つの好ましい実施形態において、第２の段階は、第１の段階のジオポリマー性前駆体を繊維状にブローイング／紡糸／延伸する工程を含むか、またはフレークを製造するために該前駆体を処理する工程を含む。該繊維ストランドは、連続であっても、または細断されていてもよい。標準的な繊維形成技術を用いてジオポリマー性繊維を製造することができる。本発明の好ましい方法による形成機構は、再度の迅速乾燥および粘性ジオポリマー性化合物の重合による。１つの実施形態において、該粘性ジオポリマーは紡糸されて、短繊維を形成する。もう１つの実施形態において、該繊維は、ガラス繊維工業で日常的に用いられる従来の繊維ブローイング装置において粘性ジオポリマー液体の流れに対して圧縮空気を吹き付けることによって形成される。該繊維の寸法およびアスペクト比は、任意の特定の用途に対して完全に制御することができる。該繊維の寸法およびアスペクト比は、任意の特定の用途のために完全に制御することができる。
【００６７】
１つの好ましい実施形態において、第２の段階には、任意の適切な技術による第１の段階の前駆体物質配合物から軽量成形物品を形成する工程が含まれる。該前駆体物質は、好ましくは、少なくとも１種の発泡剤を含む。１つの好ましい実施形態において、該方法の段階２には、第１の段階の前駆体物質を型に注入し、次いで、空気乾燥またはオーブン乾燥して該成形物品を形成する工程が含まれる。もう１つの好ましい実施形態において、該前駆体物質は硬化され、次いで所望の形状および寸法に切断されて、該成形物品を形成する。もう１つの好ましい実施形態において、当業者に知られた適切な技術、例えば、場合によって加熱とともに、スクリュー押出機を用いて両段階を同時に実施する。１つまたは複数のジオポリマー性化合物と一緒に新規な発泡剤を使用することによって、空洞、孔網状組織および／または泡様構造の形成を促進し、有利に、得られる物品の見掛け密度を減少させる。該軽量ジオポリマー性成形物品は、様々な形態、例えば、限定されないが、パネル、ボード、プランク（ｐｌａｎｋ）、柱（ｐｏｓｔ）、パイプ、容器、耐火金庫、書類整理棚、および乗り物または航空機用の外部シェルとすることができる。
【００６８】
ジオポリマー性繊維を製造するために、該前駆体物質は、安定噴出長さを作るために適切なスラリーまたはペーストの形態で調製することが好ましい。従来の繊維用の安定噴出長さの条件も、ジオポリマー性繊維の形成に適用されることが見出された。従来の繊維形成用の安定噴出長さの既知の理論は、ウェーバー数およびレイノルズ数の組合せによって与えられ、これは、噴出速度、直径、スラリー密度、粘度、および表面張力によって特徴づけられる。スラリーの形態における前駆体は、所望の密度、粘度および表面張力を有するように配合され、選択された安定噴出長さ条件をもたらす。例えば、さらなる充填剤、例えば、粉末フライアッシュ（ｇｒｏｕｎｄ  ｆｌｙ  ａｓｈ）を加えて、該スラリー密度および粘度を変更することができる。界面活性剤または異なる流体を該スラリーに加えて、該スラリー表面張力および密度を変えることができる。ジオポリマー性繊維を製造するための前駆体スラリーは、約１５００未満、より好ましくは約１０００未満、最も好ましくは約８００未満のレイノルズ数を有することが好ましい。
【００６９】
中空ジオポリマー性繊維は、該成分がノズルを離れる時点で一緒に混合される精密ノズルによって形成することができる。繊維延伸において利用することのできる１つの事象には、紡糸流体中の圧力分布と静止基板との間の不均衡などがある。該基板に隣接する流体は、静止しており、したがって、遠心的に誘導される圧力勾配は該動きによって均衡されず；したがって、重い微粒子は該基板の中心に向かって移動する。このことは該固体を濃縮し、これらを一緒に近づけ、該反応が起こることを可能とする。
【００７０】
もう１つのノズルデザインが、図１に示されるようなジオポリマー性繊維を形成するのに使用することができる。示されるような該ノズルデザインは、空気噴射を囲むダイを介して該前駆体スラリーを噴射し、このようにして円形の中空繊維を形成する。図２および図３は、図１のノズルデザインから形成された繊維のいくつかの実施例を示す。
【００７１】
特に注目すべきは、本明細書において開示および製造されるようなジオポリマー性配合物は、ジオポリマー性フレークの形成をもたらすことができることである。本明細書において用いられるように、特に断りのない限り、フレークもある程度の幅および均一な厚さを有する粒子であり、ここで該幅は実質的に該厚さを超える。多くの実施形態において、フレークは平面図において不規則な外側輪郭を有する。
【００７２】
フレークは、例えば、薄いジオポリマー性シートを形成し、次いで該シートをより小さな粒子に分割することによって調製することができる。ジオポリマー性シートを形成する１つの方法は、ジオポリマー性前駆体を、逆回転ローラーを介して供給することによる。該工程は、熱をかけて、該ジオ重合反応を高めてもよい。１つの好ましい実施形態において、上記方法はジオポリマー性シートおよびその結果として得られる、ローラーの間隔に対応する断面寸法を有するフレークを生成させ、一部の場合には、約１〜３μｍ程度とすることもできる。
【００７３】
もう１つの好適な方法には、ジオ重合の好適な温度および雰囲気を用いて、適当な大きさとしたダイを介して該ジオポリマー性前駆体を押出す工程が含まれる。このような方法によって、該ジオポリマー性最終製品の厚さは、該ローラーの間隔または該ダイの形状によって決定される。ジオポリマー性フレークを製造するこのような方法によれば、該フレークの厚さは、無限に変えることができ、該フレークの最終使用要求に適する任意の所望の値であることができる。フレークの多くの用途は通常、約１０００μｍ未満の厚さを必要とする。このようなものとして、一般に約１０００μｍ未満の厚さを有するフレークが製造され、他の実施形態において、該厚さは、約５００μｍ未満、２５０μｍ未満、１００μｍ未満、５０μｍ未満、２０μｍ未満、１０μｍ未満、５μｍ未満、２μｍ未満、および１μｍ未満である。
【００７４】
ジオポリマー性フレークを製造するさらにもう１つの方法において、該ジオポリマー性前駆体のスラリーを空気中にスプレーする。例えば、該スラリーは、ジオポリマー性フレークを適切な形状に形成する適切な形をしたノズルを介してスプレーすることができる。
【００７５】
本明細書において記載される任意の好適な方法によって製造されるジオポリマー性フレークは、１つまたは複数の粉砕技術、例えば、ボールミル、例えば（または他の適切な処理）によって所望の寸法を生じさせるようにさらに処理することができ；この技法は一般に、該ジオポリマー性フレークをより小さい大きさに減少させるように設計される。１つの特定の実施形態において、フレークは、約１０と１０，０００μｍの間の幅および約１と１０μｍの間の厚さを有するように処理される。
【００７６】
ジオポリマー性フレークを製造するさらにもう１つの方法によれば、ジオポリマー性粒子または球体が製造され（本明細書において他に記載されるように）、該得られる粒子または球体は粉砕されるか、または別に破砕され、半球形のフレークをもたらす。半球形のフレークは、１つまたは複数の方向に自然に屈曲を有し；それのみならず、該フレークは、該フレークが所望の機能的または審美的特性を有するように寸法を合わせることができる。平面フレーク（例えば、ジオポリマー性の大きな平らなシートから製造されるもの）をシミュレートする１つの手法は、該フレークの幅を該出発球体直径に比較して小さい大きさに減少させることである。フレーク幅対球体直径の比がゼロに近づくにつれて、該フレークは平面形状に近づく。
【００７７】
１つの好ましい実施形態において、約３０と１０００μｍの間の直径を有する球体は破砕されて、約５と２００μｍの間の幅を有するフレークを生成する。得られるフレークの厚さは、該球体の壁厚さに依存し、多くの実施形態において、得られるフレークの厚さは、約０．５μｍから約１０μｍ程度であることができる。
【００７８】
有機ポリマーおよびガラスなどの材料からフレークを製造するいくつかの方法が、関連文献に教示され、これらの一部は本明細書において含むのに適切である。さらに、本明細書において開示されるような独特のジオポリマー性配合物およびジオ重合反応の制御は、独特のジオポリマー性フレークを提供するために含まれる。
【実施例】
【００７９】
実施例１
第１の実施例において、前駆体は、所与の意図された処理条件のための所定の硬化時間を有するように配合する。この実施例中のすべての前駆体は、メタカオリンクレー、水酸化ナトリウム、ケイ酸ナトリウムおよび水から配合したが、異なる比率で、異なる処理温度を用いて、および／または異なる硬化時間を有して供給した。
【００８０】
少なくとも４つのジオポリマー性前駆体配合物を、それぞれ、１５ｇの水酸化ナトリウムペレットと３２．５ｇの液体ＰＱ社Ｎ−タイプ  ケイ酸ナトリウムとを混合し、次いで水を加えて混合物を形成することによって調製した。それぞれの配合物に対する水の量を、表１に示す。水酸化ナトリムと水との発熱反応のために、熱が発生した。次いで、この混合物を、表１に示されるような、所与の温度に冷却し、次いで、４０ｇのメタカオリンクレーを加えた。ＸＲＦによって測定したこのクレーの組成を表２に示す。それぞれの配合物は、表３に示されるように、異なる硬化時間を示した。
【００８１】
【表１】
2009518274.tif 000003
【００８２】
【表２】
2009518274.tif 000004
【００８３】
【表３】
2009518274.tif 000005
【００８４】
上記に示されるように、ＢおよびＣ双方は、同じ配合であるが、メタカオリン添加時、異なる温度を示し、これは異なる硬化時間をもたらした。他方で、試料ＣおよびＤは、カオリン添加時、同じ温度を示したが、該配合中に異なる量の水を有し、これは異なる硬化時間をもたらした。したがって、この実施例において説明されるように、該配合および処理パラメータの双方を操作して、所定の硬化時間を得た。
【００８５】
実施例２
この実施例は、実質的に球形のジオポリマー性粒子を製造する方法を説明する。前駆体を、１５０ｇの水酸化ナトリウムペレットと３２５ｇの液体ＰＱ社Ｎ−タイプ  ケイ酸ナトリウムと混合し、次いで４００ｇの水を加えて混合物を形成することによって製造した。水酸化ナトリウムと水との発熱反応により熱が発生した。この混合物を２５℃に冷却し、次いで４００ｇのメタカオリンクレーを加えた。この混合物を、機械式混合機を用いて完全に混合した。該前駆体混合物は、スラリー形態にあり、スプレー乾燥機で別個の液滴粒子に噴霧した。該スプレー乾燥機において加えた熱が過剰の水を蒸発させ、重合および硬化を活性化した。該液滴粒子は、乾燥されたジオポリマー性の球形およびほぼ円形の粒子に変換した。得られたジオポリマー性粒子を図４に示す。得られたジオポリマー性粒子は、流動性、強度、および耐久性を含む優れた特性を有することが見出され、したがって優れた強化充填剤として機能する。
【００８６】
さらに、驚くべきことに、例えば、図５に示されるように、少しの粒子しかこれらの構造中に円形空洞を含まないことが観察された。この空洞の円形形状は、気体体積が創生されまたは増加し、次いで硬化作用によって抑制および保持されることを示唆した。理論に拘束されることなしに、化学的に結合された水が熱により放出され、蒸気空間を形成し、これは、該形成された粒子中に円形空洞空間として保持されたと推測することができる。このように、この実施例によりさらに、ジオポリマー性前駆体が１種または複数の発泡剤を取り込み、特定の中空度または泡様構造を有する軽量ジオポリマー性粒子を形成するように加工できることが示される。
【００８７】
実施例３
この実施例において、４ｇの亜鉛金属粉末を発泡剤として実施例１の前駆体配合物に意図的に取り込ませる。発泡剤として、亜鉛金属粉末は、水と自己生成的に反応し、水素ガスを放出する。実施例１と同じ製造方法に従って、得られた製品は軽量ジオポリマー性ミクロスフェアであり、大部分のスフェアは、これらの内部に円形空洞を有した。この実施例のジオポリマー性最終製品の代表例を図６に示す。
【００８８】
実施例４
この実施例は、発泡剤としてアルミニウム金属粉末を用いて、泡様構造を有するジオポリマー性粒子を製造する方法について説明する。１５ｇの水酸化ナトリウムペレットと３２．５ｇの液体Ｎ−タイプ  ケイ酸ナトリウムとを混合し、次いで２５ｇの水を加えて混合物を形成することによって、前駆体を調製した。水酸化ナトリウムと水との発熱反応により熱が発生した。この混合物を２５℃に冷却し、次いで４０ｇのメタカオリンクレーを加え、機械式混合機を用いて完全に混合した。次いで、アルカリシリケートを加えた５分後に、発泡剤（０．４ｇのアルミニウム金属粉末）を、この前駆体混合物に加えた。アルミニウム粉末は、水と激しく、発熱的に反応し、熱および水素ガスを放出した。したがって、この混合物は、あたかも沸騰するように泡立ち挙動を示したが、この理由は、一部の水素ガスが、該混合物の自由表面を破り、そこから逃れていっていたためである。さらなる熱を加えることなく、放出された熱により、重合および硬化は、自己生成的に生じた。硬化後、この前駆体混合物は、軽量ジオポリマー性粒子および集合体（泡様構造を有する粒子および集合体）に変換していた。アルミニウム粉末は、水との反応性が高く、水素ガスを激しく発生し、前駆体は、硬化しながら、小さい断片および個々の微粒子の集合体に細分化した。得られた泡様構造および粒子の実施例を、図７および図８にそれぞれ示す。
【００８９】
実施例５
この実施例は、その中に空洞を有する軽量ジオポリマー性成形物品の製造方法について説明する。アルミニウム粉末に代えて、０．４ｇの亜鉛金属粉末を発泡剤として用いたことを除いて、実施例３に記載されたとおりの同じ前駆体配合物を用いた。この前駆体混合物を型内に入れ、放置して、自原的に硬化させた。この実施例において、亜鉛粉末と水との反応は、実施例３のアルミニウム粉末のものより激しくなかった。このように、この前駆体物質は粉々にならなかったが、型によって設定されたとおりの所望の形状の物品を形成した。この物品は、その構造全体に多数の微小空洞を含むので軽量であり；この空洞は主に水素ガスの放出のためである。この成形物品の空洞含有構造は、図９に示されるとおりである。
【００９０】
実施例６
この実施例は、スプレー乾燥機を用いて、ジオポリマー性中空ミクロスフェアを製造する方法について説明する。この配合物は、２９．６５重量％のメタカオリンクレー、４．２７重量％のＮ−タイプ  ケイ酸ナトリウム、５．２４重量％のＤ−タイプケイ酸ナトリウム、８．５０重量％のＳＨＰ（ヘキサメタリン酸ナトリウム）、５．５８重量％の水酸化ナトリウム、１．１９重量％のアルミニウム粉末、１８．００重量％の水酸化ナトリウムからなる。この配合物を水に加えて、２７．３重量％の固体含量を有するスラリーを形成する。次いで、このスラリーをスプレー乾燥機の噴霧ノズルによってスプレー乾燥した。スプレー乾燥機は、５００℃の入口空気温度および２７０℃の出口空気温度を示した。スプレー乾燥機から収集された最終製品は、視像およびＳＥＭを用いて調べ、この実施例を図１０および図１１に示す。図から理解できるように、このジオポリマー性粒子は、中空ミクロスフェアの構成にある。メタカオリンおよび最終製品のＦＴＩＲスペクトルを得たが、原料物質からジオポリマー含有粒子への著しい変化を示した。
【００９１】
この実施例から形成されたミクロスフェアとしてのジオポリマー性粒子を、本質的にケイ砂、セメント、繊維および水を含む繊維セメント配合物中に取り込ませて繊維セメントパッド（ｆｉｂｅｒ  ｃｅｍｅｎｔ  ｐａｄ）を形成した。このパッドを型中で形成し、セメント水和、熟成、凝結および硬化をさせるために繊維セメント建築製品を形成するのに用いられるのと同じオートクレーブ条件下に置いた。このパッドを図１２に示されるようにＳＥＭ下で調べた。図１２は、このジオポリマー性ミクロスフェアがオートクレーブ条件に耐えて存続したことを示すとともに、繊維セメントマトリックス内の実質的に損なわれない中空球形の形態を示した。
【００９２】
粒子および繊維を製造するために、ガラス、従来のセラミック、およびポリマーに代えて、ジオポリマーの新規な使用に関連する多くの利点がある。このような利点の１つは、溶融方法およびその後の形成方法に関連した溶融および高温処理をなくすことである。もう１つの利点は、本明細書において記載されるようなジオポリマー性製品は、空気または還元もしくは酸化の雰囲気中にかかわらず、優れた強度を有するのみでなく、重大な劣化を有しないで、例えば、６００℃を超える高い使用温度に耐えることができることであり、これは、ポリマー、グラファイトおよび大部分の市販のガラスと違っている。結果として、本明細書において提供されるようなジオポリマー性製品は、化学的安定性、強度、高い汎用性と生産および他の製品への取込みについての経済的利点のみならず、耐火用途に優れている。
【００９３】
本明細書において示されるような本発明のさらなる目的、利点および新規な特徴は、上記の詳細な説明を読めば当業者に明らかであるか、または本発明の実施によって知ることができる。本発明の目的および利点は、本明細書に記載され、特に指摘された装置および組合せによって実現および達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】図１は、ジオポリマー性繊維を形成するために使用される代表的なノズルデザインを示す。
【図２】図２は、図１のノズルデザインから形成されるジオポリマー性繊維の視像を示す。
【図３】図３は、図１のノズルデザインから形成される２つのジオポリマー性繊維の視像を示す。
【図４】図４は、成形ジオポリマー性ミクロスフェアの視像を示す。
【図５】図５は、ジオポリマー性ミクロスフェアを含む磨かれた断面の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）像を示す。
【図６】図６は、ジオポリマー性粒子の視像を示す。
【図７】図７は、ジオポリマー性粒子の発泡構造の視像を示す。
【図８】図８は、発泡ジオポリマー性粒子の視像を示す。
【図９】図９は、低密度ジオポリマー性物品のマトリックスの視像を示す。
【図１０】図１０は、ジオポリマー性ミクロスフェアの視像を示す。
【図１１】図１１は、実施例６に記載のように製造されたジオポリマー性ミクロスフェアの磨かれた断面のＳＥＭ像である。
【図１２】図１２は、繊維セメントマトリックスに取り込まれたジオポリマー性ミクロスフェアを示す後方散乱電子像（ＢＥＩ）を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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2009518274.tif 000019
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