(57)【要約】【課題】リベットを使用せず、シリカエアロゲルとコーティング層の密着性を向上させた断熱材およびその製造方法を提供すること。【解決手段】繊維とシリカエアロゲルを含む複合層と、上記複合層の表面を覆うコーティング層と、を含み、上記複合層の表面に亀裂が形成されている断熱材を用いる。繊維にシリカゾル液を用いて含浸させる含浸工程と、上記シリカゾルをシリカゲル化させるゲル工程と、上記シリカゲルを成長させる養生工程と、上記シリカゲルを疎水化する疎水化工程と、上記シリカゲル表面に亀裂を形成する亀裂工程と、上記シリカゲルを乾燥させる乾燥工程と、を含む断熱材の製造方法を用いる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維とシリカエアロゲルを含む複合層と、
前記複合層の表面を覆うコーティング層と、を含み、
前記複合層の表面に亀裂が形成されている断熱材。
【請求項２】
前記亀裂は、ライン状の凹部である請求項１記載の断熱材。
【請求項３】
前記亀裂は、５ｕｍ以上の幅がある請求項１または２記載の断熱材。
【請求項４】
前記亀裂の深さは、前記繊維の径より深い請求項１〜３のいずれか１項に記載の断熱材。
【請求項５】
前記亀裂は、前記繊維と相似形状である請求項１〜４のいずれか１項に記載の断熱材。
【請求項６】
前記亀裂の一部に前記繊維が露出している請求項１〜５のいずれか１項に記載の断熱材。
【請求項７】
前記コーティング層は、前記亀裂を埋めて形成されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の断熱材。
【請求項８】
前記亀裂は、表面の一部に存在し、前記亀裂は複数個存在する請求項１〜７のいずれか１項に記載の断熱材。
【請求項９】
繊維にシリカゾル液を用いて含浸させる含浸工程と、
前記シリカゾルをシリカゲル化させるゲル工程と、
前記シリカゲルを成長させる養生工程と、
前記シリカゲルを疎水化する疎水化工程と、
前記シリカゲルの表面に亀裂を形成する亀裂工程と、
前記シリカゲルを乾燥させる乾燥工程と、を含む断熱材の製造方法。
【請求項１０】
前記亀裂工程は、前記シリカゲルの表面を部分的に加圧し、前記加圧した部分に亀裂を生じさせる工程である請求項９記載の断熱材の製造方法。
【請求項１１】
前記乾燥工程の中に、前記亀裂工程を行なう請求項９または１０記載の断熱材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、断熱材およびその製造方法に関する。特に、本発明は、疎水性エアロゲルを用いた断熱材とその製造方法に関するものである
【背景技術】
【０００２】
機器表面の温度上昇を防ぐ方法として、電子機器の筐体内の狭いスペースにおいても十分な断熱効果を発揮する断熱材を用いる方法がある。この断熱材は、シリカエアロゲルと不織布繊維とを複合化したものである。この断熱材は、取扱性を改善され、かつ、薄くて均質なシート状である（特許文献１）。シリカエアロゲルとは図２に示すように、１ｎｍ程度の径をもつシリカ１次粒子２０１が集合して形成された１０ｎｍ前後の径を持つシリカ２次粒子２０２が、１０〜６０ｎｍ程度の粒子間距離の空隙２０３をもつ網目構造の集合体である。
【０００３】
この粒子間距離が空気（窒素分子）の平均自由工程以下であるため、熱伝導率は０．０１５〜０．０２４Ｗ／ｍＫと非常に低くなり、常温の静止空気の熱伝導率である０．０２６Ｗ／ｍＫ以下にすることができる。
【０００４】
しかしながら、不織布にナノサイズの多孔質構造を有するシリカエアロゲルを坦持させたシリカエアロゲルシートは、シリカエアロゲルのシリカ２次粒子２０２同士の結合力が小さく極めて脆弱である。このため、外部から応力が加わると、シリカエアロゲルシート表面の不織布の開口部に存在している１００μｍ〜２００μｍ角のシリカエアロゲル片が電子機器内に脱離する。
【０００５】
従って、エアロゲルシートの少なくとも片面、もしくは両面の表面において、不織布にナノサイズの多孔質構造を有するシリカエアロゲルを坦持させたものである不織布に外部応力が加わった際、シリカエアロゲルが脱離するのを抑制することが必要である。
【０００６】
問題を解決する方法として、シリカエアロゲル粒子の脆弱からくるシリカエアロゲルによる発塵との密着性が悪いため、積層体を貫通させリベットによる固定例も示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第６０６４１４９号公報
【特許文献２】特開２０１０−１６７６８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２では、エアロゲルシートの一面にコーティングされた層に対し、機械的に貫通口を設け、リベットにて結合させている。しかしながら、発熱部の熱が貫通したリベットを通じて表面に熱伝導するため断熱性が悪化するといった課題がある。また、リベットを用いることでエアロゲルシートと一面にコーティングされた層の厚みが変動する。その結果、発熱部とエアロゲルシートとの密着性が低下することで断熱性を悪化させる課題がある。
【０００９】
そこで、本発明の課題は、リベットを使用せず、シリカエアロゲルとコーティング層の密着性を向上させた断熱材およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、繊維とシリカエアロゲルを含む複合層と、上記複合層の表面を覆うコーティング層と、を含み、上記複合層の表面に亀裂が形成されている断熱材を用いる。
【００１１】
また、繊維にシリカゾル液を用いて含浸させる含浸工程と、上記シリカゾルをシリカゲル化させるゲル工程と、上記シリカゲルを成長させる養生工程と、上記シリカゲルを疎水化する疎水化工程と、上記シリカゲル表面に亀裂を形成する亀裂工程と、上記シリカゲルを乾燥させる乾燥工程と、を含む断熱材の製造方法を用いる。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本願発明の断熱材およびその製造方法によれば、繊維にシリカエアロゲルを担持させた断熱材とコーティング層の密着性が向上する。このため、断熱材の表面付近のシリカエアロゲル片が脱離・破壊するのを抑制することができる。結果、低コストで断熱材の厚みバラツキが抑制できるとともに、熱伝導率が低くかつシリカ微粉の脱離量を大幅に抑制できる断熱材を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態の断熱材の図
【図２】実施の形態のシリカエアロゲルの一部を拡大した模式図
【図３】実施の形態のシリカエアロゲルの亀裂表面の図
【図４】実施の形態のシリカエアロゲルの断面の図
【図５】実施の形態の断熱材の製造フローチャート図
【図６】（ａ）比較例の断熱材の表面図（ｂ）実施の形態の断熱材の表面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、実施の形態について、図を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態における断熱材の断面図を示したものである。
【００１５】
＜断熱材１００の構成＞
図１において、断熱材１００は、複合層１０１と、コーティング材１０５にて形成されたコーティング層１０６とで構成されている。
【００１６】
複合層１０１は、繊維１０３にナノサイズの多孔質構造を有するシリカエアロゲル１０２を坦持させている。任意のシリカエアロゲル１０２の表面には亀裂１０４があり、繊維１０３が露出しており、コーティング材１０５と接着されていることを特徴とする。
【００１７】
亀裂１０４は、シリカエアロゲル１０２の表面に複数のラインが交差するように網目状に裂けた凹部である。この亀裂１０４は、その一部が、シリカエアロゲルの裏面まで到達してもよい。
【００１８】
＜複合層１０１＞
複合層１０１は、シリカエアロゲル１０２の製造過程で、ゲル原料を繊維１０３に含浸させる。その後、ゲル原料を反応させて湿潤ゲルを形成する。最後に湿潤ゲル表面を疎水化、熱風乾燥することにより得られる。繊維１０３は、樹脂系のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やポリプロピレン（ＰＰ）、また安全性の観点から繊維に難燃処理を施した酸化アクリル、グラスウール、ガラスペーパーなどの無機系繊維が好ましい。
【００１９】
繊維１０３の径は、０．１〜３０ｕｍが望ましい。繊維１０３の径が３０ｕｍより大きくなると繊維１０３を通じて熱が伝達しやすくなるため、熱伝導率が上昇し、断熱性が悪化する。
【００２０】
＜シリカエアロゲル１０２＞
図２にシリカエアロゲルの構造について説明する。シリカエアロゲル１０２は、１ｎｍ程度の径をもつシリカ１次粒子２０１が集合して形成された１０ｎｍ前後の径を持つシリカ２次粒子２０２が、１０〜６０ｎｍ程度の粒子間距離の空隙２０３をもつ網目構造の集合体である。
【００２１】
シリカエアロゲル１０２は、水ガラスやテトラメトキシシランのような金属アルコキシドをゲル原料として、水やアルコールなどの溶媒と必要に応じて触媒を混合することで、溶媒中でゲル原料と反応させ湿潤ゲルを形成し、内部の溶媒を乾燥させたものである。
【００２２】
しかしながら、湿潤ゲルを普通に熱風乾燥させたものは、溶媒が乾燥するときの表面張力により、収縮してしまい空隙２０３を潰してしまい、断熱材として機能しない。従って、湿潤ゲルの表面のシラノール基をシリル化剤を用いてシリル化することにより疎水化した後に熱風乾燥することが必要になる。
【００２３】
＜亀裂１０４＞
図３にシリカエアロゲル１０２の亀裂１０４が入った状態の写真を示す。
図３は、断熱材１００の複合層１０１を上面より見た状態である。複合層１０１を製造する乾燥工程において、複合層１０１に加重を掛け乾燥を行ったものである。すなわち、複合層１０１の乾燥段階で表面を覆い加重を掛けることで乾燥不足が発生し、複合層１０１の表面に亀裂１０４によって凹凸が形成される。亀裂１０４によって発生した凹凸部にコーティング材１０５を塗布、染み込ませることで複合層１０１の繊維１０３にコーティング材１０５を密着させることができる。
【００２４】
亀裂１０４は、シリカエアロゲルの表面に複数のラインが交差するように網目状に裂けた凹部である。亀裂１０４は、加重を掛けた部位とその近傍に亀裂１０４が発生する。加重により亀裂面積は変化する。加重が軽ければ加重を掛けた面積より亀裂は小さくなり、加重が重ければ加重面積より大きくなる。また、亀裂の深さは、シリカエアロゲルの裏面に到達させてもよい。
【００２５】
なお、亀裂１０４は、繊維１０３と同様の形状である。同様とは、相似を意味する。亀裂１０４は、コーティング材１０５を染み込ませるため、５ｕｍ以上の幅が好ましく、その深さは繊維１０３の径より深い方が好ましい。つまり、表面の繊維１０３より深いところまでである。この結果、コーティング材１０５が繊維１０３を覆うことでコーティング材１０５が剥がれるのを防止することが出来るためである。亀裂１０４は、ライン状の凹部である。直線部、曲線部がある。
【００２６】
図４にシリカエアロゲルの亀裂１０４の断面構造を示す。
複合層１０１のシリカエアロゲルに入った亀裂１０４によって、繊維１０３の表面が現れる。この結果、コーティング材１０５が繊維１０３と接着することで密着強度が得られる。
単に、複合層１０１の表面であるシリカエアロゲル１０２表面に凹凸をつけても繊維１０３との密着性が無ければ効果はない。従って、亀裂１０４にて露出した繊維１０３の一部表面を覆うようにコーティング材１０５が存在することが望ましい。
【００２７】
また、加重は、０．８ｇ／ｃｍ２以上の加重が望ましい。重量が軽ければ乾燥工程にてシリル化剤が他の部位と同時に揮発するためである。すなわち、加重を掛けることでシリル化剤の揮発タイミングを遅延させる。この結果、加重を掛けた部位に亀裂１０４が発生する。
【００２８】
亀裂１０４を発生させる場所は複数個所に発生させ、発熱部を避ける方が望ましい。発熱部上に亀裂１０４を発生させると亀裂１０４に入り込んだコーティング材１０５の固体熱伝導により熱特性が低下する可能性があるためである。
【００２９】
＜コーティング材１０５＞
断熱材１００に外部応力が加わった際、シリカエアロゲル１０２が脱離するのを抑制するため、亀裂１０４を含めて、表面に、コーティング材１０５により、コーティング層１０６を形成する。
【００３０】
コーティング材１０５は、シリカエアロゲル１０２が脱離せず、耐熱性、難燃性、柔軟性、断熱性および厚みの均一性を考慮して、選定される。特に材料として、水性ポリエステル、フッ素樹脂などが望ましい。
【００３１】
コーティング層１０６の厚みは数ｕｍ〜５０ｕｍ程度がよい。厚みが薄いと曲げ加工時などに剥離し易く、厚みが厚いと熱伝導率が低下するためである。
【００３２】
＜断熱材１００の製造方法＞
図５に断熱材の製造フローチャート図を示す。含浸工程にて繊維１０３にゾル液を均質に含浸させる。
【００３３】
その後、ゾルをゲル化し、養生工程にて繊維１０３内でゲル（固体）を成長させる。
【００３４】
その後、疎水化工程において、ウエットゲル内のシリカナノ粒子表面を疎水化する。
【００３５】
疎水化処理した後、乾燥工程にて溶媒を加熱させることで除去する。本実施の形態では、乾燥工程の溶媒除去時に加重を掛けることで溶媒が揮発する過程で凝集破壊が生じることで亀裂１０４が発生する。
【００３６】
次工程であるコーティング工程にて樹脂を塗布することで亀裂１０４より露出した繊維１０３とコーティング材１０５が密着する。
【００３７】
断熱材１００の製造方法の一例を示す。
【００３８】
＜含浸工程＞
はじめに、繊維１０３（目付け量１２ｇ／ｍ２、厚み０．０７ｍｍ、寸法１２ｃｍ□）にゾル液を用いて含浸させる。ここで、ゾル液は、高モル珪酸ソーダ（珪酸水溶液、Ｓｉ濃度１４％）に触媒として濃塩酸（１２Ｎ）を１．４ｗｔ％添加し攪拌することにより調合する。
【００３９】
＜ゲル化工程＞
次に、室温２３℃で約２０分間放置し、ゾルをゲル化させる。このとき、ゲル化を促進し、時間短縮を行うため、ヒーター（約５０℃〜１３０℃）で加熱させてもよい。
【００４０】
次に、２軸ロール等を用いて所望の厚みに形成する。
【００４１】
＜養生工程＞
次に、容器に、乾燥防止のために純水を注ぎ、８０℃の恒温槽に１２時間入れて、シラノールの脱水縮合反応を促進することにより、シリカ粒子を成長させ、多孔質構造を形成する。
【００４２】
＜疎水化工程＞
次に、ゲルシートを塩酸（６〜１２規定）に浸漬後、常温２３℃で１時間放置してゲルシートの中に塩酸を取り込む。
【００４３】
次に、ゲルシートを、例えばシリル化剤であるオクタメチルトリシロキサンと２−プロパノール（ＩＰＡ）の混合液に浸漬させて、５５℃の恒温槽に入れて２時間反応さをせる。トリメチルシロキサン結合が形成され始めると、ゲルシートから塩酸が排出され、上層がトリシロキサン、下層が塩酸水に２液分離する。
【００４４】
＜亀裂工程＞
ゲルシートの表面を部分的に加圧して亀裂１０４を表面に形成する。なお、部分的に加圧とは、ゲルシートの表面の一部に加圧部材を押し当て、ゲルシートを圧縮することである。加圧部材は、金属板、ローラなどである。なお、加圧された部分に亀裂ができる。
【００４５】
＜乾燥工程＞
次に、ゲルシートを１５０℃の恒温槽に移して２時間乾燥させることにより、繊維１０３にナノサイズの多孔質構造を有する繊維にシリカエアロゲル１０２を坦持させた複合層１０１を有する断熱材１００が出来る。
【００４６】
なお、亀裂工程と乾燥工程を分けず、乾燥工程中において、部分的に加圧して亀裂１０４を表面に形成してもよい。
【００４７】
＜実施例＞
繊維にシリカエアロゲルを担持させた断熱材の製造工程において、ゲルシートを、シリル化剤であるオクタメチルトリシロキサンと２−プロパノール（ＩＰＡ）の混合液に浸漬させて、５５℃の恒温槽に入れて２時間反応させた。
【００４８】
トリメチルシロキサン結合が形成され始めると、ゲルシートから塩酸水が排出され、２液分離した状態となった（上層にシロキサン、下層に塩酸水、２−プロノール）。ゲルシートを１５０℃設定の恒温槽に移して大気雰囲気下２時間乾燥させることで断熱シートを得た。
【００４９】
乾燥前に任意の場所に単位面積当たり１ｇ／ｃｍ２の錘を複合層１０１の上にセットする。
セットした状態にて１５０℃〜２００℃に設定した恒温槽にて２時間乾燥させた。
【００５０】
図６（ａ）、図６（ｂ）に、乾燥後の表面状態の写真を示す。図６（ａ）は加重なし時の表面状態（錘なし）写真、図６（ｂ）は加重後の表面状態の写真である。加重後の表面状態から表面に亀裂１０４が入っており、亀裂１０４の内部にはシリカエアロゲル中の繊維１０３が露出する。そこに疎水性のコーティング材１０５（例えば、水性ポリエステル、フッ素樹脂など）を用いて表面が均一になるようにコーティング材１０５を用いてコーティング層１０６を形成する。その後、コーティング層１０６を硬化するため、１００℃から４００℃にて恒温槽にて乾燥させる。
【００５１】
（全体として）
シリカエアロゲルは、別の種類のエアロゲルでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の断熱材およびその製造方法は、広く電子機器内に利用される。車載機器、情報機器、携帯電話、ディスプレイなど、熱に関わる製品へ利用される。
【符号の説明】
【００５３】
１００    断熱材
１０１    複合層
１０２    シリカエアロゲル
１０３    繊維
１０４    亀裂
１０５    コーティング材
１０６    コーティング層
２０１    シリカ１次粒子
２０２    シリカ２次粒子
２０３    空隙
【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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