(57)【要約】【課題】１０００℃以上の高温域においても、熱伝導率の増加が抑制され、優れた断熱性が保持された断熱材を提供する。【解決手段】ＭｇＡｌ2Ｏ4からなる気孔率７３％以上の多孔質焼結体からなる断熱材において、孔径０．８μｍ以上１０μｍ未満の気孔が全気孔容積のうちの６０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％未満を占め、かつ、孔径０．０１μｍ以上０．８μｍ未満の気孔が全気孔容積のうちの１０ｖｏｌ％以上３０ｖｏｌ％未満を占め、１０００℃以上１５００℃以下における熱伝導率が、２０℃以上１０００℃以下における熱伝導率の１．５倍を超えないような構成とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭｇＡｌ2Ｏ4からなる気孔率７３％以上の多孔質焼結体からなり、
孔径０．８μｍ以上１０μｍ未満の気孔が全気孔容積のうちの６０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％未満を占め、かつ、孔径０．０１μｍ以上０．８μｍ未満の気孔が全気孔容積のうちの１０ｖｏｌ％以上３０ｖｏｌ％未満を占め、
１０００℃以上１５００℃以下における熱伝導率が、２０℃以上１０００℃以下における熱伝導率の１．５倍を超えないことを特徴とする断熱材。
【請求項２】
１０００℃以上１５００℃以下における熱伝導率が０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とする請求項１記載の断熱材。
【請求項３】
１０００℃以上１５００℃以下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請求項１又は２に記載の断熱材。
【請求項４】
１０００℃以上１５００℃以下における熱伝導率が、２０℃以上１０００℃以下における熱伝導率の１．２倍を超えない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】
容積比熱が１．２Ｊ／ｃｍ3・Ｋ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の断熱材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭｇＡｌ2Ｏ4の多孔質焼結体からなり、１０００℃以上の高温における断熱性に優れた断熱材に関する。
【背景技術】
【０００２】
多孔質無機材は、緻密な無機材に比べて嵩密度及び熱伝導率が低いことから、断熱材として広く用いられている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、超微細ヒュームド酸化物を主原料とし、セラミック超微粉等を含む原料を圧縮成形してなる断熱材であって、細孔径分布のグラフ上において、細孔径の大きさが０．０１〜０．１μｍの範囲及び１０〜１０００μｍの範囲には、それぞれ、山形のピークが存在するが、０．１〜１０μｍの範囲内には山形のピークがない細孔分布を示す粒子構造を有するものが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ＭｇＡｌ2Ｏ4からなる気孔率が４０〜９５体積％の多孔体セラミックスであって、１０〜３６５ｎｍの範囲に少なくとも１つの気孔径分布のピークを持つものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１２０４号公報
【特許文献２】特開２０１２−２２９１３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載された断熱材は、水分吸収後の乾燥時における収縮を抑制することを目的としたものであり、５００℃を超える程度の温度での耐熱性は備えているものの、１０００℃以上の高温域では、超微細ヒュームド酸化物の粒成長が生じて細孔が減少し、気孔率の低下や細孔径分布の変化による断熱性の低下、断熱材の変形や収縮が生じるものであった。
【０００７】
一方、上記特許文献２に記載された多孔体セラミックスは、１０〜３６５ｎｍの範囲に少なくとも１つの気孔径分布のピークを持つ、すなわち、微細な気孔を持つことを要件としているが、その微細な気孔がどの程度存在しているのか、また、熱伝導率については明らかではなく、したがって、どの温度域でどの程度の断熱能力を有するのかが、必ずしも明確にされていない。
【０００８】
本発明は、上記技術的課題に鑑みてなされたものであり、１０００℃以上の高温域においても、熱伝導率の増加が抑制され、優れた断熱性が保持された断熱材を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る断熱材は、ＭｇＡｌ2Ｏ4からなる気孔率７３％以上の多孔質焼結体からなり、孔径０．８μｍ以上１０μｍ未満の気孔が全気孔容積のうちの６０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％未満を占め、かつ、孔径０．０１〜０．８μｍの気孔が全気孔容積のうちの１０ｖｏｌ％以上３０ｖｏｌ％未満を占め、１０００℃以上１５００℃以下における熱伝導率が、２０℃以上１０００℃以下における熱伝導率の１．５倍を超えないことを特徴とする。
このような断熱材は、１０００℃以上の高温域において使用する断熱材として好適である。
【００１０】
前記断熱材は、高温域における熱伝導率が小さいほど、優れた断熱性が得られることから、１０００℃以上１５００℃以下における熱伝導率が０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましく、より好ましくは、０．２６Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。
【００１１】
また、高温域における熱伝導率の増加が抑制されているほど、優れた断熱性が得られることから、１０００℃以上１５００℃以下における熱伝導率は、２０℃以上１０００℃以下における熱伝導率の１．２倍を超えないことが好ましい。
【００１２】
また、容積比熱が１．２Ｊ／ｃｍ3・Ｋ以下であることが好ましい。
このように、容積比熱が小さいことにより、断熱材の温度上昇に要する熱量を抑えることができ、該断熱材による断熱空間を、より少ない投入エネルギーで加熱することが可能となり、また、蓄熱量が少ないため、前記断熱空間内をより速く冷却させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る断熱材は、１０００℃以上の高温域においても、熱伝導率の増加が抑制され、優れた断熱性が保持されているため、高温域で使用するための断熱材として好適である。
したがって、本発明に係る断熱材は、１０００℃以上の高温環境で高い断熱性が求められる各種構造材や耐火材、例えば、セラミックスやガラス、鉄鋼、非鉄等の炉等にも好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１に係る多孔質セラミックスの水銀ポロシメータによる気孔径分布を示したグラフである。
【図２】実施例１，２及び比較例１，２についての温度と熱伝導率の関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を、より詳細に説明する。
本発明に係る断熱材は、ＭｇＡｌ2Ｏ4からなる気孔率７３％以上の多孔質焼結体からなる断熱材である。そして、孔径０．８μｍ以上１０μｍ未満の気孔が全気孔容積のうちの６０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％未満を占め、かつ、孔径０．０１μｍ以上０．８μｍ未満の気孔が全気孔容積のうちの１０ｖｏｌ％以上３０ｖｏｌ％未満を占め、さらに、１０００℃以上１５００℃以下における熱伝導率が、２０℃以上１０００℃以下における熱伝導率の１．５倍を超えないことを特徴とするものである。
本発明は、多孔質焼結体の気孔構成に着目し、特定の微細気孔が高温域での断熱性に影響を及ぼすことを見出したことに基づくものである。すなわち、本発明に係る断熱材は、前記多孔質焼結体において、上記のように特定の微細気孔の量を制御することにより、１０００℃以上の高温域においても、熱伝導率の増加が少なく、優れた断熱性が保持されるものである。
【００１６】
したがって、本発明に係る断熱材は、例えば、同じ厚さであっても、従来の断熱材に比べて、より高い断熱性が得られ、省エネルギー効果に寄与し得る。
また、炉壁等の大型設備に適用する場合、薄くても十分な断熱性が得られる。このため、設備の省スペース化を図ることができ、また、炉体の表面積の低減化により、炉体表面から放散する熱量が低減し、さらに、前記断熱材は、低熱容量であるため、従来の断熱煉瓦よりも優れた省エネルギー効果が得られる。
【００１７】
本発明に係る断熱材の材質は、スピネル質のＭｇＡｌ2Ｏ4である。
スピネル質の多孔質焼結体は、耐熱性が高く、高温での強度に優れているため、高温での粒成長や粒界の結合によって生じる気孔の形状や大きさの変動を低減させることができ、熱伝導率の変動を抑制する効果を長期間維持することができる。特に、ＭｇＡｌ2Ｏ4、すなわち、マグネシアスピネルは、１０００℃以上の高温域での構造安定性が高く、等方的な結晶構造を有するため、高温に曝された場合でも特異な粒成長や収縮を示さないことから、本発明の特徴である気孔構造を維持することができ、高温で使用される断熱材に好適な材質である。
なお、前記化学組成及びスピネル質の構造は、例えば、粉末Ｘ線回折法により測定及び同定することができる。
【００１８】
また、本発明に係る断熱材を構成するＭｇＡｌ2Ｏ4からなる多孔質焼結体の気孔率は、７３％以上とする。
前記気孔率が７３％未満では、多孔質焼結体中においてＭｇＡｌ2Ｏ4からなる基材部の占める割合が高く、固体伝熱が増加し、熱伝導率を低く抑えることが困難となる。
なお、気孔率が高いほど、固体伝熱の影響が小さくなり、熱伝導率を低くすることができるが、多孔質焼結体中においてＭｇＡｌ2Ｏ4からなる基材部の占める割合が相対的に低下し、脆弱となり、断熱材としての使用に耐えられなくなることから、前記気孔率は９０％未満であることが好ましい。
なお、前記気孔率は、ＪＩＳ  Ｒ  ２６１４「耐火断熱れんがの比重及び真気孔率の測定方法」にて算出されるものである。
【００１９】
前記多孔質焼結体の気孔構成は、孔径０．８μｍ以上１０μｍ未満の気孔が全気孔容積のうちの６０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％未満を占め、かつ、孔径０．０１μｍ以上０．８μｍ未満の気孔が全気孔容積のうちの１０ｖｏｌ％以上３０ｖｏｌ％未満を占めている。
このように、前記多孔質焼結体の気孔は、ほとんどが孔径１０μｍ未満の小気孔である。孔径１０μｍ以上の気孔が多く存在する場合は、赤外線の散乱効果を低下させ、輻射の影響が大きくなり、高温における十分な断熱効果が得られず、また、断熱材の強度低下を招くおそれがある。
好ましくは、孔径０．８μｍ以上１０μｍ未満の範囲内に少なくとも１つの気孔径分布ピークを有し、また、孔径０．０１μｍ以上０．８μｍ未満の範囲内に少なくとも１つの気孔径分布ピークを有する。
【００２０】
特に、前記多孔質焼結体の気孔のうち、孔径０．０１μｍ以上０．８μｍ未満の気孔が全気孔容積のうちの１０ｖｏｌ％以上３０ｖｏｌ％未満を占めている。
孔径０．０１μｍ以上０．８μｍ未満の微小気孔が上記のような割合で存在していることにより、単位体積当たりの気孔数を多くすることができ、赤外線の散乱効果を高めることができる。特に、高温域での熱伝導率に大きな影響を及ぼす輻射伝熱の抑制に有効であり、高温域における熱伝導率の増加を抑制する効果が得られ、これにより、優れた断熱性が得られる。
【００２１】
前記微小気孔が全気孔容積に占める割合が１０ｖｏｌ％未満であると、単位体積当たりの気孔数が少なく、赤外線散乱効果が十分に得られない。一方、前記微小気孔が全気孔容積に占める割合が３０ｖｏｌ％以上では、断熱材の強度低下を招くおそれがある。
なお、前記多孔質焼結体中の気孔径分布は、ＪＩＳ  Ｒ  １６５５「ファインセラミックスの水銀圧入法による成形体気孔径分布試験方法」により測定することができる。
【００２２】
前記断熱材の熱伝導率は、具体的には、１０００℃以上１５００℃以下における熱伝導率が、２０℃以上１０００℃以下における熱伝導率の１．５倍を超えないものとする。
このように、高温域における熱伝導率の増加が抑制された断熱材は、１０００℃以上１５００℃以下の高温域においても、１０００℃以下の低温域と同等の断熱効果が保持され、高温域で好適に適用することができるものである。
【００２３】
なお、孔径１０μｍ以上の範囲内に気孔径分布ピークを有していても差し支えないが、粗大な気孔は輻射伝熱による断熱性の低下を招くため、孔径１０００μｍ超の気孔の存在は好ましくない。
このような気孔径分布を有していることにより、強度を維持しつつ、該多孔質焼結体全体の気孔率がより高くなるため、より軽量で、固体伝熱の寄与が小さい低熱伝導率の断熱材が得られる。
【００２４】
また、前記断熱材は、２０℃以上１５００℃以下における容積比熱が１．２Ｊ／ｃｍ3・Ｋ以下であることが好ましい。
容積比熱が１．２Ｊ／ｃｍ3・Ｋ以下と小さいことにより、断熱材の温度上昇に要する熱量を少なくすることができ、例えば、炉内等の該断熱材による断熱空間の加熱を、より少ない投入エネルギーで行うことが可能となる。また、容積比熱が小さいことは、蓄熱量が少ないことを意味し、炉内をより速く冷却させて、炉内の熱処理物を取り出すことができる。さらに、断熱効率が高いため、炉等の断熱対象をコンパクトに設計することが可能となる。
【００２５】
また、前記多孔質焼結体は、任意の断面において粒径が１００μｍより大きい一次粒子が観察されないことが好ましい。より好ましくは、粒径が５０μｍより大きい一次粒子が存在しないものである。
このように、結晶粒子の成長を抑制することにより、微小な気孔を維持することができ、高温断熱性を保つことができる。
【００２６】
上記のような本発明に係る断熱材の製造方法は、特に限定されるものではなく、公知の多孔質焼結体の製造方法を適用することができる。気孔構造の形成・調整は、例えば、造孔材や起泡剤の添加等により行うことができる。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例により制限されるものではない。
【００２８】
（実施例１）
水硬性アルミナ粉末（ＢＫ−１１２；住友化学株式会社製）１１ｍｏｌに対して、酸化マグネシウム粉末（ＭＧＯ１１ＰＢ；株式会社高純度化学研究所製）９ｍｏｌの割合で混合し、これに純水を加え、さらに、バインダ加えて均一に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを乾燥し、粉砕した後、圧力５ＭＰａにてプレス成形した。
得られた成形体を、乾燥後、最高温度１５５０℃で５時間焼成し、多孔質焼結体を作製した。
【００２９】
上記において得られた多孔質焼結体について、Ｘ線回折（Ｘ線源：ＣｕＫα、電圧：４０ｋＶ、電流：０．３Ａ、走査速度：０．０６°／ｓ）にて結晶相を同定したところ、マグネシアスピネル相が観察された。
また、図１に、この多孔質焼結体の気孔径分布を示す。図１に示した気孔径分布のグラフから、孔径０．３７μｍと孔径２．５２μｍに、それぞれピークが確認された。
また、２０℃以上１５００℃以下における容積比熱は、０．６４Ｊ／ｃｍ3・Ｋ以上１．０８Ｊ／ｃｍ3・Ｋ以下であった。
【００３０】
（実施例２）
水硬性アルミナ粉末（ＢＫ−１１２；住友化学株式会社製）１１ｍｏｌに対して、酸化マグネシウム粉末（ＭＧＯ１１ＰＢ；株式会社高純度化学研究所製）９ｍｏｌの割合で混合し、水硬性アルミナと酸化マグネシウムの合計重量に対して１．５倍の重量の純水を加えてスラリーを調製して鋳込み成形した。
得られた成形体を、乾燥後、最高温度１５５０℃で５時間焼成し、多孔質焼結体を作製した。
【００３１】
（実施例３，４）
実施例１において、プレス圧力、焼成温度及び焼成時間を適宜変更し、それ以外は実施例１と同様の方法により、下記表１の実施例３，４にそれぞれ示すような気孔構成を有する多孔質焼結体を作製した。
【００３２】
（比較例１，２）
市販のファイバーボード断熱材（ムライト質）である。
【００３３】
（比較例３，４）
実施例１において、プレス圧力、焼成温度及び焼成時間を適宜変更し、また、気孔調整用に有機物粒子を添加し、それ以外は実施例１と同様の方法により、下記表１の比較例３，４にそれぞれ示すような気孔構成を有する多孔質焼結体を作製した。
【００３４】
上記実施例及び比較例の各多孔質焼結体について、熱伝導率の測定を、ＪＩＳ  Ｒ  ２６１６を基礎として行った。
下記表１に各種評価結果をまとめて示す。
【００３５】
【表１】
2015000838.tif 000002
【００３６】
図２に示したグラフから分かるように、市販のファイバーボード（比較例１，２）は、温度上昇に伴って輻射伝熱の増加が見られ、熱伝導率が大きく上昇した。
これに対して、実施例１，２は、熱伝導率が０．２２〜０．２６Ｗ／ｍ・Ｋの範囲内にあり、１０００℃以上１５００℃以下における熱伝導率が、２０℃以上１０００℃以下における熱伝導率の１．２倍未満であり、１０００℃以上の高温域でも熱伝導率の増加が抑制されていることが確認された。
【００３７】
また、表１に示した評価結果から分かるように、実施例１〜４は、熱伝導率が０．３Ｗ／ｍ・Ｋ未満であり、また、１０００℃以上１５００℃以下における熱伝導率が、２０℃以上１０００℃以下における熱伝導率の１．５倍未満であり、特に、孔径０．０１μｍ以上０．８μｍ未満の気孔が多く存在する実施例１，２，４は、１０００℃以上１５００℃以下における熱伝導率が、２０℃以上１０００℃以下における熱伝導率の１．２倍未満であり、温度上昇による熱伝導率の増加がより抑制されていることが確認された。
一方、比較例３は、気孔率が低く、断熱性に劣り、また、ハンドリングによって欠けが生じやすい脆弱なものであった。また、比較例４は、孔径の大きい気孔の割合が多く、１０００℃以上１５００℃以下における熱伝導率が、２０℃以上１０００℃以下における熱伝導率の１．５倍を超え、高温断熱性が著しく劣っていた。
【図１】
2015000838.tif 000003
【図２】
2015000838.tif 000004