(57)【要約】【課題】  断熱性に優れ、かさ比重が小さく、且つハンドリング可能な程度の強度を有する断熱材を提供する。【解決手段】  好適には気孔径０.０１〜５μｍの気孔を有している多孔質構造の断熱骨材と、強化材としての耐火繊維と、これらを結合する結合材とからなる断熱材であって、焼成後はかさ比重が０.３〜０.５であって孔径１０〜３０μｍの気孔が全気孔の容積の４０〜７０容積％を占めており、且つ８００℃における熱伝導率が０.１８Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、１４００℃における熱伝導率が０.２６Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質構造の断熱骨材と、強化材としての耐火繊維と、これらを結合する結合材とからなる断熱材であって、焼成後はかさ比重が０.３〜０.５であって孔径１０〜３０μｍの気孔が全気孔の容積の４０〜７０容積％を占めており、且つ８００℃における熱伝導率が０.１８Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、１４００℃における熱伝導率が０.２６Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることを特徴とする断熱材。
【請求項２】
前記焼成後は曲げ強度が０.５ＭＰａ以上あることを特徴とする、請求項１に記載の断熱材。
【請求項３】
前記断熱骨材は、気孔径０.０１〜５μｍの気孔を有していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の断熱材。
【請求項４】
成形体又は不定形の形態を有していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の断熱材。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の断熱材が不定形の形態で成形体に被覆して一体化していることを特徴とする複合品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運転時に内部が高温になる工業炉等の機器に使用される断熱材に関し、特に、１４００℃程度の高温域での断熱性に優れた断熱材に関する。
【背景技術】
【０００２】
運転時に内部が高温状態になる工業炉等の高温用機器では省エネルギーのため断熱材が使われており、特に８００〜１４００℃の温度範囲で使用される機器には、耐火断熱れんが、不定形耐火組成物（キャスタブル）、繊維質断熱材等の断熱材が用いられている。これら断熱材には、８００℃程度の低温域のみならず１４００℃程度の高温域においても熱伝導率が小さく且つかさ比重の小さいものが一般的に望まれている。
【０００３】
しかしながら、一般的な耐火断熱れんがや不定形耐火組成物は、かさ比重が０.４以上であって蓄熱損失が大きく、また、熱伝導率が大きいので伝熱性が高いという問題をかかえている。特に高温になるほど熱伝導率が大きくなるので、より高温で使用する際に断熱性能が不足することがあった。その対策として、例えば特許文献１には、耐火断熱れんがの材料に可燃性の気孔付与材や発泡剤等を添加することによって小孔径側の気孔率を増やし、これにより熱伝導率を小さくする技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、不定形耐火組成物の材料に非多孔質の骨材の代わりにＣａＯ・６Ａｌ２Ｏ３を主成分とする断熱性骨材を用い、該断熱性骨材が有する小孔径の気孔群による多孔質構造によって、熱伝導率を小さくする技術が開示されている。一方、一般的な繊維質断熱材は、かさ比重が０.４未満であるため蓄熱損失が小さく、伝熱性も低いという利点を有している。
【０００５】
近年、かさ比重が小さくて熱伝導率の低い材料の研究開発が進められており、例えば特許文献３には、ナノ粒子、結晶転移抑制材、及びふく射散乱材を断熱材の原料に用いる技術が提案されている。また、より高温において熱伝導率を小さくできる材料として、特許文献４には高耐熱性の組成物を用いて多孔質焼結体からなる断熱材を形成する技術が開示されている。この特許文献４には、多孔質焼結体の気孔の大きさと割合を調整し、これにより伝導伝熱と赤外線の散乱による放射伝熱とを抑制することで、高温においても熱伝導率の増加を抑制できると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−０６２０１８号公報
【特許文献２】特開２００９−２０３０９０号公報
【特許文献３】特開２０１６−０４０２２６号公報
【特許文献４】特開２０１６−１０４６８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１や特許文献２に記載の耐火断熱れんがや不定形耐火組成物の熱伝導率は、一般に８００℃において０.３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、１４００℃においては０.５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。一方、繊維質断熱材は低温域では熱伝導率が小さいものの、高温域になると放射伝熱が増加するため高温域で使用する際に断熱性能が不足することがあった。すなわち、繊維質断熱材の熱伝導率は、一般に８００℃において０.１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、１４００℃においては０.５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。
【０００８】
また、上記特許文献３の断熱材は８００℃での熱伝導率が０.０５Ｗ／（ｍ・Ｋ）と優れた断熱性を示すものの、耐熱温度が１２００℃程度であるため、１４００℃程度の高温域では使用できなかった。特許文献４の断熱材の熱伝導率は８００℃で０.２１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、１４００℃で０.２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、高温域においても優れた断熱性を有している。しかしながら、特許文献４の多孔質焼結体からなる断熱材は、かさ比重が０.８と大きいため、８００℃では従来品である繊維質断熱材よりも熱伝導率が大きく、この熱伝導率を小さくするためにかさ比重を小さくすると強度が低下し、ハンドリング性の点において不具合を生じるおそれがあった。
【０００９】
本発明は上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、１４００℃程度の高温域においても断熱性に優れると共にかさ比重が小さく、且つハンドリング可能な程度の強度を有する断熱材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係る断熱材は、多孔質構造の断熱骨材と、強化材としての耐火繊維と、これらを結合する結合材とからなる断熱材であって、焼成後はかさ比重が０.３〜０.５であって孔径１０〜３０μｍの気孔が全気孔の容積の４０〜７０容積％を占めており、且つ８００℃における熱伝導率が０.１８Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、１４００℃における熱伝導率が０.２６Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、断熱性に優れると共にかさ比重が小さく、且つハンドリング可能な程度の強度を有する断熱材を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の断熱材の実施形態について説明する。本発明の実施形態の断熱材は、多孔質構造の断熱骨材と、強化材としての耐火繊維と、これらを結合する結合材とからなり、焼結後はかさ比重が０.３〜０.５であって孔径１０〜３０μｍの気孔が全気孔の容積の４０〜７０％を占めている。なお、かさ比重０.３〜０.５は、かさ密度で表示すると３００〜５００ｋｇ／ｍ３となる。このように、低温での伝熱性が低いが高温への昇温時の熱伝導率の増加割合が大きい耐火繊維と、低温での伝熱性が高いが高温への昇温時の熱伝導率の増加割合が小さい断熱骨材とを所定のかさ比重を有し且つ所定の気孔径を有する気孔群が所定の割合を占めるように混ぜ合わせることによって、低温での伝熱性が低く且つ高温への昇温時の熱伝導率の増加割合も小さい断熱材を得ることができる。
【００１３】
すなわち、耐火繊維及びその結合剤だけで構成される断熱材は、かさ比重が０.３未満と小さいため低温での伝導性は低いが、これらを混ぜ合わせて焼結した時に形成される気孔群は孔径が４０〜８０μｍ程度になるため放射伝熱が大きくなり、低温から高温への昇温時の熱伝導率の増加割合が大きくなってしまう。一方、高耐熱性の組成からなる微細な気孔を有する断熱骨材及びその結合剤だけで構成される断熱材は、気孔群の孔径が０.０１〜５μｍ程度であるため放射伝熱を抑制でき、よって低温から高温への昇温時の熱伝導率の増加割合を小さくできるが、低温での伝熱性が高くなってしまう。これに対して本発明の実施形態の断熱材は、上記したように断熱骨材と耐火繊維と結合材とを混ぜ合わせるので、８００℃程度の低温域から１４００℃程度の高温域までの広い温度範囲に亘って熱伝導率を低く抑えることができる。
【００１４】
より具体的に説明すると、本発明の実施形態の断熱材に使用する耐火繊維には、耐熱温度が１４００℃以上のものを用いる。例えば、アルミナ繊維、ムライト繊維、ＣａＯ・６Ａｌ２Ｏ３（カルシアアルミネート）繊維、及び生体溶解性繊維からなる群より選択される１種以上を使用する。これら繊維は発がん性の可能性がなく、特定化学物質に指定されていないので好ましい。これらの中ではアルミナ繊維（例えばＩＴＭ株式会社製のファイバーマックス１６００）がより好ましい。
【００１５】
上記耐火繊維は、平均繊維長が０.５ｍｍ以上３０ｍｍ以下であるのが好ましく、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるのがより好ましい。また、上記耐熱繊維は平均繊維径が１μｍ以上１０μｍ以下であるのが好ましく、２μｍ以上８μｍ以下であるのがより好ましい。なお、これら平均繊維長や平均繊維径は次の方法によって測定したものである。
（１）平均繊維長
測定対象となる繊維群を電子顕微鏡で撮影した後、この撮影により得た画像上の任意の１００本の繊維に対して、それらの長手方向の端から端までの直線距離を計測し、それらを算術平均して得た値を平均繊維長とした。この測定の際、２００μｍ以上は正確に測定できないので除外した。
（２）平均繊維径
測定対象となる繊維群を電子顕微鏡で撮影した後、この撮影により得た画像上の任意の２００本の繊維に対して、それらの任意の部分の幅を計測し、それらを算術平均して得た値を平均繊維径とした
【００１６】
上記の断熱材に使用する微細な気孔群を有する多孔質構造の断熱骨材には、耐熱温度が１４００℃以上の高耐熱性の組成で構成されているものを用いる。この断熱骨材はその気孔群の細孔径が０.０１〜５μｍであるのが好ましく、例えばスピネル質セラミックス（クアーズ株式会社製のＴｈｅｒｍｏｓｃａｔｔ（登録商標））、及びＣａＯ・６Ａｌ２Ｏ３（カルシアアルミネート）セラミックス（Ａｌｍａｔｉｓ株式会社製のＳＬＡ-９２）からなる群より選択される１種以上を使用すればよい。この断熱骨材を構成するセラミックス粒子は、粒径が０.５μｍ以上３０μｍ以下であるのが好ましく、１μｍ以上２０μｍ以下であるのがより好ましい。なお、上記の孔径は水銀ポロシメータによって測定したものであり、粒径はレーザ回折式粒度分布測定装置によって測定したものである。
【００１７】
本発明の実施形態の断熱材では、上記耐火繊維の含有率が少なすぎると該断熱材のかさ比重が大きくなりすぎ、伝導伝熱を抑制できない。逆に耐火繊維の含有率が多すぎると断熱材を構成する気孔の孔径が大きくなりすぎ、放射伝熱を抑制できず、昇温時の熱伝導率の抑制効果が十分に得られない。一方、本発明の実施形態の断熱材では上記断熱骨材の含有率が少なすぎると該断熱材のかさ比重が小さくなりすぎ、放射伝熱を抑制できない。逆に断熱骨材の含有率が多すぎるとかさ比重が大きくなりすぎ、伝導伝熱が大きくなって昇温時の熱伝導率の抑制効果が十分に得られない。
【００１８】
上記の耐火繊維や断熱骨材の含有率の好適な範囲は繊維の平均径やショット（非繊維粒子）の含有量等の繊維の特性によって主に変わりうる。よって、本発明の実施形態の断熱材では、焼結後において所定のかさ比重及び熱伝導率を満たすように、これら耐火繊維及び断熱骨材の混合割合を調整している。具体的には、焼結後のかさ比重が０.３〜０.５であり、８００℃における熱伝導率が０.１８Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、１４００℃における熱伝導率が０.２６Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下となるように混合比率を調整している。
【００１９】
上記混合比率の具体的な調整法としては、例えば断熱材の焼結後のかさ比重が所望の値より小さい場合は断熱骨材の含有率を多めに混合したり、圧縮成形時に加える圧力を高めに設定したりすればよく、かさ比重が所望の値より大きい場合はその逆のことを行えばよい。また、８００℃の熱伝導率が高すぎる場合は断熱骨材の含有率を少なめに混合し、１４００℃の熱伝導率が高すぎる場合は断熱骨材の含有率を多めに混合したり圧縮成形時に加える圧力を高めに設定したりすればよい。なお、かさ比重及び熱伝導率を上記の範囲内にすることで焼成後の断熱材の曲げ強度を０.５ＭＰａ以上にすることができる。ここで曲げ強度とは、測定対象の断熱材を長さ１５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ２５ｍｍの試験片に加工し、これを支点間距離１００ｍｍで支持してオートグラフを用いて３点曲げ試験を行い、破壊に至るまでの最大荷重から算出したものである。なお、焼成の条件は特に限定するものではないが、一般的には１３５０〜１４２０℃で３時間程度保持するのが好ましい。
【００２０】
本発明の実施形態の断熱材に使用する結合材は、耐熱温度が１４００℃以上であればその種類は特に制約はなく、例えばコロイダルシリカを用いることができる。この結合材を、上記した断熱材の熱伝導率、かさ比重、及び曲げ強さに悪影響を及ぼさない範囲内において適切な含有率となるように添加する。なお、この含有量は一般的には３〜１０質量％であるのが好ましい。更に断熱材の熱伝導率、かさ比重、及び曲げ強さに悪影響を及ぼさない限り、耐火繊維に複数の種類を用いたり、ナノ粒子を更に添加しても良い。
【００２１】
本発明の実施形態の断熱材の形態は、成形品でもよいし不定形品でもよい。あるいは、繊維質ボードやブランケットを本発明の実施形態の不定形品で被覆して一体化した複合品として用いても良い。また、断熱材は全体に亘って均質でなくてもよく、例えば粉立ちや稜線欠けの防止のため、表層部は耐火繊維の含有率が高くても良い。
【００２２】
これらの形態の断熱材の製造方法には、特に限定はなく、公知の製造方法を用いることができる。例えば成形品の場合は、乾式プレス成形、湿式成形プレス成形、真空成形、鋳込み成形等の成形法で作成することができ、不定形品の場合は湿式撹拌混合で作成することができる。また、不定形品で繊維質ボードやブランケットを被覆する場合は、不定形品に適量の水を加えてスラリーにした後、このスラリーをスプレー塗布等で塗布又は含浸すればよい。以上、本発明の断熱材について実施形態に基づいて説明したが、本発明はかかる実施形態によって限定されるものではない。
【実施例】
【００２３】
断熱骨材と耐火繊維と結合材とを様々な配合割合で混合して複数の断熱材の試料を作製し、それらを曲げ強度と熱伝導率の点から評価した。具体的には、断熱骨材には、クアーズ株式会社製のスピネル質セラミックス（Ｔｈｅｒｍｏｓｃａｔｔ、平均粒径１０μｍ）を用いた。この断熱骨材は気孔率が８５〜９１ｖｏｌ％であり、全気孔容積のうち孔径０.８〜１０μｍの気孔が１０〜４０ｖｏｌ％を占めており、孔径０.０１〜０.８μｍの気孔が５〜１０ｖｏｌ％を占めている。耐熱繊維には、ＩＴＭ株式会社製のムライト繊維（ファイバーマックス１６００、平均繊維径４μｍ、ショット含有率１５％）を用いた。結合材には、日産化学株式会社製のコロイダルシリカ（スノーテックス、ＥＮ４０）と高分子凝集剤を用いた。
【００２４】
これらを様々な含有率となるように秤量し、水を加えて湿式で混合し、脱水プレスで圧縮成形して試料１〜６の断熱材を作製した。なお、試料１〜３の断熱材については、圧縮成形時の脱水プレスの圧力を変えることによってかさ比重と後述する焼成後の全気孔中の孔径１０〜３０μｍの気孔の割合が異なるように調整した。また、高分子凝集剤の添加量は３〜１０質量％とした。
【００２５】
上記した試料１〜６の断熱材を１３５０℃にて３時間保持して焼成し、それらの細孔径の容積と分布を水銀ポロシメータで測定した。この測定結果に基づいて全気孔容積に対する孔径１０〜３０μｍの気孔の容積の割合を算出した。また、断熱材のかさ比重は、断熱材の重量をノギスによって測定し算出した体積で除して求めた。曲げ強度は、各試料の断熱材を長さ１５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ２５ｍｍの長方体形状に加工した後、オートグラフを用いてスパン１００ｍｍで曲げ強さを測定した。熱伝導率は、ＪＩＳ  Ｒ２６１６に準拠した熱線法によって８００℃から１４００℃までの温度範囲で測定を行った。上記の各種評価結果を断熱骨材、断熱繊維、及び結合剤の含有率と共に下記表１に示す。
【００２６】
【表１】
2018080094.tif 000002
【００２７】
上記表１の結果から分かるように、本発明の要件を満たす試料１〜３の断熱材は、いずれもかさ比重が０.５以下と軽いにもかかわらず曲げ強度がハンドリング可能な０.５ＭＰａ以上の強度を有しており、また、熱伝導率は８００℃で０.１８Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、１４００℃で０.２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下となり、８００〜１４００℃の温度範囲において優れた断熱性を有していた。
【００２８】
これに対して試料４は断熱骨材の含有量を試料１〜３よりも少なくしたので、かさ比重が０.３よりも低くなると共に孔径１０〜３０μｍ気孔の割合が７０容量％を超えたため、曲げ強度が試料１〜３よりも低くなり、１４００℃の熱伝導率が試料１〜３よりも高くなった。逆に試料５及び６は断熱骨材の含有量を試料１〜３よりも多くしたので、試料５の断熱材では孔径１０〜３０μｍの気孔の割合は３０〜７０容量％の範囲内に収まったが、かさ比重が０.５を超過し、試料６の断熱材は、かさ比重は０.３〜０.５の範囲内に収まったが、孔径１０〜３０μｍの気孔の割合が３０質量％よりも低かったため、いずれも８００℃及び１４００℃における熱伝導率が試料１〜３と比較して大きくなった。このように、かさ比重及び全気孔容積に占める孔径１０〜３０μｍの気孔の割合の少なくとも一方の要件が本発明の要件から外れる場合は、曲げ強度や熱伝導率が不十分になることが分かる。