(57)【要約】  本明細書は、大部分またはすべてがセルロース繊維を用いて強化された同等の複合材料と比較して、改良された吸水特性、および、同一または改良された機械的特性を有する複合材料を提供するように選択された比でセルロースパルプおよび合成繊維を含む３モード繊維ブレンドが組み込まれた、繊維強化セメント複合材料を開示する。本明細書はまた、ハチェックプロセスおよびオートクレーブ養生によって製造されるセメント系複合材料製品の強化に適したセルロース繊維およびポリプロピレン繊維の組合せからなる繊維ブレンドを開示する。
2014514240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
約１０重量％〜８０重量％のセメント系結合剤、
約２０重量％〜８０重量％のシリカ、
約０重量％〜５０重量％の密度調整剤、
約０％〜１０％の添加剤、および
短く大きな表面積を有するセルロース繊維と、中程度の長さおよび表面積を有するセルロース繊維と、長く小さな表面積を有する合成繊維とを含む３モード繊維ブレンド約０．５重量％〜２０重量％を含むファイバーセメント複合材料。
【請求項２】
前記合成繊維がポリプロピレン繊維を含む請求項１記載のファイバーセメント複合材料。
【請求項３】
前記ポリプロピレン繊維が４ｍｍ〜１５ｍｍのあいだの平均長を有する請求項２記載のファイバーセメント複合材料。
【請求項４】
前記ポリプロピレン繊維が、親水性表面および疎水性のバルク部分を有するように設計されている請求項２記載のファイバーセメント複合材料。
【請求項５】
前記セルロース繊維の前記合成繊維に体する重量％比が３〜２４のあいだである請求項１記載のファイバーセメント複合材料。
【請求項６】
前記繊維ブレンドが、精製されたより短いセルロース繊維、未精製セルロース繊維、および、ＰＰ長繊維を含み、前記精製されたより短いセルロース繊維の平均長が未精製セルロース繊維の平均長より短く、ＰＰ長繊維の平均長が未精製セルロース繊維の平均長より長い請求項１記載のファイバーセメント複合材料。
【請求項７】
前記繊維ブレンドが、約６０％〜８０％の、２ｍｍ以下の平均長を有する精製されたより短いセルロース繊維、約１０％〜２５％の、２〜３ｍｍのあいだの平均長を有する未精製セルロース繊維、約１０％〜２５％の、４〜１５ｍｍのあいだの平均長を有するＰＰ長繊維を含む請求項６記載のファイバーセメント複合材料。
【請求項８】
前記材料が０．５％未満の水分移動（ＭＭ）を有する請求項１記載のファイバーセメント複合材料。
【請求項９】
前記複合材料の水分移動が、合成繊維を含まない同等のファイバーセメント複合材料の水分移動よりも少なくとも２５％少ない請求項１記載のファイバーセメント複合材料。
【請求項１０】
水硬性結合剤、
凝集剤、
セルロース繊維、および
ポリプロピレン繊維を含み、
前記セルロース繊維の前記ポリプロピレン繊維に対する重量％比が３〜２４のあいだである繊維強化セメント組成物。
【請求項１１】
前記組成物が、約４重量％〜１０重量％のセルロース繊維および約０．２５重量％〜２重量％のポリプロピレン繊維を含む請求項１０記載の繊維強化セメント組成物。
【請求項１２】
前記セルロース繊維が精製されたより短いセルロース繊維および未精製セルロース繊維を含む請求項１０記載の繊維強化セメント組成物。
【請求項１３】
前記精製されたより短いセルロース繊維の前記未精製セルロース繊維に対する重量比が２．４〜８のあいだである請求項１２記載の繊維強化セメント組成物。
【請求項１４】
水硬性結合剤、凝集剤、水、セルロース繊維およびポリプロピレン繊維を含み、前記セルロース繊維と前記ポリプロピレン繊維とのあいだの重量％比が３〜２４のあいだであるファイバーセメントスラリーを形成する工程、
ファイバーセメントスラリーを介して回転される複数のふるいシリンダー上にファイバーセメントスラリーを配置する配置工程であって、セルロース繊維およびポリプロピレン繊維がファイバーセメントスラリーをろ過してファイバーセメントの薄いフィルムを形成する配置工程、
より厚いファイバーセメント層を作製するためにファイバーセメントの薄いフィルムの一連の連続層をベルトへと移送する工程、
前記より厚いファイバーセメント層から水を除去する工程、および
オートクレーブ中、少なくとも１５０℃の温度で前記より厚いファイバーセメント層を養生する工程
を含む繊維強化セメント系製品を製造するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願に関する相互参照］
本出願は、２０１１年５月１２日に出願された米国特許仮出願番号第６１／４８５，２８０号を基礎とする、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく優先権の利益を主張し、その出願の開示内容は、それら全体を参照することによって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
［技術分野］
本発明の開示による実施態様は、主に建造物および建築業における使用のために開発された、改良された特性を有する、強化繊維が組み込まれたセメント系複合材料に関する。
【背景技術】
【０００３】
繊維強化セメント複合材料は、建造物建築において広範囲に使用されている。とりわけセルロース繊維が、それらが建築用製品としての好ましい特性を与えるために、様々なファイバーセメント建築用製品を強化するために使用されてきた。さらに、セルロース繊維は、ファイバーセメントシートおよびパネルを製造するための好ましい商業的プロセスであるハチェックプロセスに適した、固有の物理的および機械的特性を備えた固有の微細構造を有する。例えば、セルロース繊維中の微小繊維は、ハチェックプロセスのあいだに繊維状微粒子の薄いフィルムを形成するためにファイバーセメントスラリー中の微粒子を捕捉するための効率的なろ過システムを構築する助けとなる。微小繊維はまた、養生されたファイバーセメント複合材料中でアンカーとして機能する分枝として広がり、それにより、繊維とセメント系マトリックスとのあいだの界面での結合を強化する。
【０００４】
しかしながら、セメント系建築用製品を強化するためのセルロース繊維の使用に関連する問題点もまた存在する。例えば、セルロース繊維の微小繊維構造の化学組成および大きな表面積は、繊維を高親水性にする。セルロース繊維の親水性は、ファイバーセメント組成物の吸収性を増加させ得、この結果、いくつかの性能上の問題を引き起こし得る。さらに、セルロース繊維は一般的に、水により敏感であり、かつ、アルカリ抵抗性に乏しい。したがって、それらは時間とともに進行性の分解を起こし得る。
【０００５】
合成繊維がセメント系複合材料を強化するために使用されてきた一方、合成繊維を用いて強化されている先行技術の製品は、はるかに長い製造サイクルを必要とするだけでなく、セルロース繊維を用いて強化されている製品と比較した場合に、望ましい機械的特性に満たない特性しか有さない。例えば、合成繊維を用いて強化されているファイバーセメント複合材料は典型的には、セルロース繊維強化セメント複合材料を養生するために一般的に使用されるオートクレーブプロセスの高温条件において合成繊維が分解する傾向があるため、空気中養生プロセスに限定されている。空気中養生プロセスは、通常３日とかからないオートクレーブ養生プロセスと比較して、通常２８日などのはるかにより長い時間を必要とする。セルロース繊維の合成繊維による置換はまた、繊維−マトリックス界面のより弱い結合のため、ファイバーセメント複合材料の曲げ強度の低下をもたらし得る。さらに、非セルロース繊維は、ハチェックプロセスを使用する製造に追加の困難性を作り出し得る。したがって、セメント系複合材料に所望の機械特性を与え得、かつ、ハチェックプロセスおよびオートクレーブ養生に適合性のある改良された強化繊維の必要性が存在する。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の開示による複合材料、材料、製品および製造方法はそれぞれ、いくつかの態様を有しており、それらのうちの１つのみがその所望の特性の原因となるわけではない。
【０００７】
本明細書において直接的に定義されていないいずれの用語も、当該技術分野において理解されるように、それらと通常関連付けられる全ての意味を有していると理解されるべきである。いくつかの用語については以下で、または本明細書中の別の場所で、様々な実施態様の組成物、方法、システムなど、および、それらの製造方法または使用方法を記載する追加のガイダンスを当業者へ提供するべく議論される。当然のことながら、同じことが２以上の方法で述べられるかもしれない。結果として、代替の用語および同義語が、本明細書中で議論される任意の一またはそれ以上の用語に用いられ得る。用語が本明細書において詳細に述べられているか、または説明されているかどうかということに重きが置かれるべきではない。いくつかの同義語または代替可能な方法、材料などが提供される。１個または２，３個の同義語または等価物の参照は、明確に述べられない限り、他の同義語または等価物の使用を排除するものでない。本明細書における、用語の例を含む例の使用は、例示を目的とするものにすぎず、本明細書中における実施態様の範囲および意味を限定するものではない。
【０００８】
本発明の開示による一実施態様は、複合材料の機械的特性を強化および改良するように構成される新規の繊維ブレンド（３モードブレンド）が組み込まれたファイバーセメント複合材料を提供する。ファイバーセメント複合材料は、約１０重量％〜８０重量％のセメント系結合剤、約２０重量％〜８０重量％のシリカ、約０重量％〜５０重量％の密度調整剤、約０％〜１０％の添加剤、ならびに、精製セルロース繊維、未精製セルロース繊維および合成繊維を含む３モード繊維ブレンド約０．５重量％〜２０重量％を含む。精製セルロース繊維は通常、０．８〜２．０ｍｍのより短い長さおよび大きな表面積を有する。未精製セルロース繊維は、中程度の表面積を有する１．５〜３．０ｍｍの長さをもつ。合成繊維は、より長い繊維および最も小さな表面積を有する。精製セルロース繊維は、全繊維重量または全繊維数の５０〜７５％を占める。未精製セルロース繊維は、全繊維重量または全繊維数の１０〜２５％を占め、一方、合成繊維は、全繊維重量または全繊維数の１０〜２５％を占める。ある実施において、繊維ブレンドにおけるセルロース繊維の合成繊維に対する比は、３〜２４のあいだ、より好ましくは４〜１２のあいだである。別の実施において、合成繊維はポリプロピレン（ＰＰ）繊維を含む。別の実施において、合成繊維は実質的にＰＰ繊維からなる。ＰＰ繊維は、好ましくは、不規則的な形状にフィブリル化される。いくつかの実施において、ＰＰ繊維は４〜１５ミリメートル（ｍｍ）のあいだ、好ましくは６〜１２ｍｍのあいだの平均長を有する。他のいくつかの実施において、ファイバーセメント複合材料は、約３重量％〜１０重量％のセルロース繊維、および、約０．２５重量％〜２重量％のＰＰ繊維または好ましくは０．５重量％〜１．５重量％のＰＰ繊維を含む。
【０００９】
他の実施において、繊維ブレンドは、３つのモードの繊維長分布を含む。第一のモードは、精製されたより短いセルロース繊維（精製セルロース短繊維）を含み得る。第二のモードは、未精製セルロース繊維を含み得る。第三のモードは、ＰＰ長繊維を含み得る。好ましくは、精製されたより短いセルロース繊維の平均長は、未精製セルロース繊維の平均長よりも短く、そして、ＰＰ繊維の平均長は、未精製セルロース繊維の平均長よりも長い。ある実施において、第一のモードは、約５０％〜８０％の、２ｍｍ以下の平均長を有する精製されたより短いセルロース繊維を含み得る。第二のモードは、約１０％〜２５％の、２ｍｍ以上、好ましくは、２ｍｍ〜２．５ｍｍのあいだの平均長を有する未精製セルロース繊維を含み得る。第三のモードは、約１０％〜２５％の、４ｍｍ〜１５ｍｍのあいだの平均長を有するＰＰ長繊維を含み得る。さらに他の実施において、ＰＰ繊維は、ファイバーセメントグレードのＰＰ繊維を形成するように親水性表面および疎水性のバルク部分を有するように設計される。一実施態様において、繊維強化複合材料は、好ましくは、０．５％未満の水分移動を有する。別の実施態様において、材料は、同等のファイバーセメント材料と比較して少なくとも２５％少ない水分移動を有する。
【００１０】
本発明の開示による別の実施態様は、水硬性結合剤、凝集剤、セルロース繊維およびポリプロピレン繊維を含む繊維強化セメント組成物を提供する。好ましくは、ポリプロピレン繊維は、不規則な形状を有する。一実施において、セルロース繊維のポリプロピレン繊維に対する重量％比は、３〜２４のあいだ、好ましくは４〜１２のあいだである。別の実施において、組成物は、約２重量％〜１０重量％のセルロース繊維および約０．２５重量％〜２重量％のポリプロピレン繊維を含む。別の実施において、繊維強化セメント複合材料は、外壁のサイディングに適している。
【００１１】
本発明の開示によるさらに別の実施態様は、ハチェックプロセスおよびオートクレーブ養生に適切な繊維強化セメント系製品を製造するための方法を提供する。前記方法は、水硬性結合剤、凝集剤、水、セルロース繊維およびポリプロピレン繊維を含み得るファイバーセメントスラリーを形成する工程と、ファイバーセメントスラリーを介して回転される複数のふるいシリンダー上にファイバーセメントスラリーを配置する配置工程であって、セルロース繊維およびポリプロピレン繊維がファイバーセメントスラリーをろ過してファイバーセメントの薄いフィルムを形成する配置工程とを含む。前記方法はさらに、より厚いファイバーセメント層を作製するためにファイバーセメントの薄いフィルムの一連の連続層をフェルトへと移送する工程、より厚いファイバーセメント層から水を除去する工程、所望の最終の厚さを得るためにファイバーセメント層をサイズローラー上に移送するおよび巻きつける工程、コンベヤ上でファイバーセメントシートを切断するおよび巻き戻す工程、および、オートクレーブ中、少なくとも１５０℃の温度でファイバーセメントシートを養生する工程を含む。いくつかの実施において、前記方法はさらに、オートクレーブ養生されたファイバーセメントシートを建造物建築用パネルに形成する工程を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】本発明の開示によるある実施態様にもとづく、パールボンブ試験後の２つの異なる種類の合成繊維の写真である。
【図１Ｂ】本発明の開示によるある実施態様にもとづく、パールボンブ試験後の２つの異なる種類の合成繊維の写真である。
【図２Ａ】ある好ましい実施態様にもとづく、オートクレーブサイクル前のセメントマトリックス中の合成繊維の例を示している顕微鏡下での写真である。
【図２Ｂ】ある好ましい実施態様にもとづく、オートクレーブサイクル前のセメントマトリックス中の合成繊維の例を示している顕微鏡下での写真である。
【図３Ａ】図２Ａ〜Ｂ中に示されている、ファイバー複合材料中の合成繊維の様々な図である。
【図３Ｂ】図２Ａ〜Ｂ中に示されている、ファイバー複合材料中の合成繊維の様々な図である。
【図３Ｃ】図２Ａ〜Ｂ中に示されている、ファイバー複合材料中の合成繊維の様々な図である。
【図４】ある好ましい実施態様にもとづく、ファイバーセメント複合材料試料の、対照試料と比較した水分移動を示すチャートである。
【図５】ある好ましい実施態様にもとづく、ファイバーセメント複合材料試料の、対照の配合物と比較した吸水値を示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書においては、改良された機械的特性および／または化学的物性を有するファイバーセメント製品を提供するように予め選択された繊維ブレンドによって強化されたファイバーセメント製品が開示される。本明細書においてはまた、合成のおよび天然の繊維を予め選択された比で含む、セメント系複合材料を強化するための繊維ブレンドおよびそれらの製造方法が開示される。本明細書においてはまた、ハチェックプロセスおよびオートクレーブ養生によって製造されるセメント系複合材料製品の強化に適した合成繊維およびセルロース繊維のブレンドが開示される。本明細書においてはまた、大部分またはすべてがセルロース繊維を用いて強化された同等の建築用材料と比較して、改良された吸水特性、および、同一または改良された機械的特性を有する建築用材料を提供するように、選択された比でセルロースパルプおよび合成繊維を含む繊維強化セメント配合物が開示される。
【００１４】
例えばポリプロピレン（ＰＰ）繊維などの強化のための合成繊維を、ファイバーセメント複合材料中に組み込む際の課題の１つは、合成繊維が、セルロース繊維とは異なり、ハチェックプロセスのあいだにファイバーセメントの薄いフィルムを形成するために十分な量の微粒子をファイバーセメントスラリー中で捕捉するような形状となっていないことである。加えて、ＰＰ繊維などの大部分の合成繊維は、高温のオートクレーブ温度において分解する（disintegrate）であろう。したがって、合成繊維はファイバーセメント製品中に組み込まれてきたが、相当量のセルロース繊維の代替として十分な量で、とりわけ、ハチェックプロセスおよびオートクレーブ養生によって典型的には製造されるファイバーセメントパネルおよびシート中に合成繊維を添加することには成功していない。本発明者らは、ハチェックプロセスによって製造され、そして高温のオートクレーブ温度で悪影響なしに養生されるセメント系製品を強化するために選択される、合成繊維およびセルロース繊維を含む繊維ブレンドが組み込まれている特定の繊維強化複合材料組成物を開発した。
【００１５】
繊維ブレンド
本発明の開示による様々な実施態様は、ハチェックプロセスによって形成され、そして高温のオートクレーブ温度で養生される複合材料を強化するために、セメント系組成物中に組み込まれ得る、合成繊維およびセルロース繊維の新規の３モードブレンドを提供する。ある好ましい実施態様において、合成繊維は、ある特性をもつように設計されるポリプロピレン（ＰＰ）繊維を含む。ある実施態様において、ＰＰ繊維は、高い結晶化度、高い線密度および高い熱抵抗性を有する。いくつかの実施において、ＰＰ繊維は、少なくとも２．２±０．２２ｄｔｅｘの線密度および高い熱抵抗性を有する。ある実施態様において、ＰＰ繊維は、高温に耐えるために高い融点および狭い分子量分布を有するように設計される。いくつかの実施において、ＰＰ繊維は４〜１５ミリメートル（ｍｍ）のあいだの長さを有し、いくつかの実施態様においては好ましくは６〜１０ｍｍのあいだの単一フィラメントである。ＰＰ繊維は、単一フィラメントであってもよく、または、円形または不規則な形状を含む種々の形にフィブリル化されていてもよい。ＰＰ繊維の横断面は、偏心芯鞘または同心芯鞘、分割可能な、ジグザグ形の、波形の、またはらせん状の型の空洞を有し得る。不規則な形は、ファイバーセメントの破砕に抵抗するための機械的連結結合を改良するために役立ち得る。様々な好ましい実施態様におけるＰＰ繊維表面の不規則性は、ＰＰ繊維がハチェックプロセスのあいだにフィルム形成のためにフィルタードラム上に捕捉されるのに役立つであろう。
【００１６】
ＰＰ繊維およびセメントのあいだの親和性を改善するために、本発明の開示によるいくつかの実施態様のＰＰ繊維は、ファイバーセメントグレードのＰＰ繊維を製造するために、ＰＰ繊維の大部分を疎水性のまま保ちながら、親水性表面を有するように修飾されてもよい。いくつかの実施態様において、ＰＰ繊維の表面は、初めに化学的に繊維表面層を改変することによって親水性とされ、そして続いて、改変された繊維表面層の上に外来性の層が積層され、そしてこれによりシャープな界面が形成される。ＰＰ繊維表面の非反応性の特性により、ＰＰ繊維は、例えばラジカル、イオン、励起電子状態にある分子などのエネルギー的に高い種を生成する必要がある。物理的なコーティング処理自身が、材料表面上に積層される例えば原子または原子クラスターなどの基本の物質の、一般的には高エネルギー的な方法による生成を含んでいる。このような改変のための処理としては、例えば、火炎、コロナ、コールドプラズマ、ホットプラズマ、ＵＶ、レーザー、電子ビーム、イオンビームおよびスパッタリングなどが挙げられる。界面活性剤が含浸されたＰＰ繊維は、ＰＰ繊維表面上における追加の層の一例である。
【００１７】
いくつかの実施態様において、ＰＰ繊維表面は、例えばポリマー鎖の共有結合的付加などのウェット処理によって親水性にされる。ウェット処理としては、一般的に酸化を引き起こし、ポリマー表面上にカルボニル基、水酸基およびカルボン酸基を形成する例えばクロム酸、硝酸または過マンガン酸カリウムなどの酸化性ウェット化学物質にＰＰ繊維表面を暴露することが挙げられる。ＰＰ繊維表面へのポリマー鎖の共有結合的付加は、グラフト重合、または、ＵＶ，電子ビームおよびγ線照射による前処理の後のポリマーグラフティングのどちらかによって達成され得る。
【００１８】
好ましい実施態様によるＰＰ繊維は、束状の形状で供給され得る。繊維の表面は親水性となるように改変されているかもしれないが、繊維の適切な分散を確実なものとするために、適切な添加方法および混合方法および機器が使用され得る。
【００１９】
ＰＰ繊維は好ましくは、最適な性能が得られるように、予め選択された比率でセルロース繊維とブレンドされる。ある実施態様において、ファイバーセメント組成物中のＰＰ繊維のセルロース繊維に対する重量％比は、３〜２４のあいだ、または４〜１２のあいだである。セルロース繊維は好ましくは、０．５〜３ｍｍのあいだの長さを有する。セルロース繊維中の微小繊維構造は、ろ過プロセスに適しており、これはその後のハチェックプロセスにおけるフィルタードラム上でのフィルム形成にとって利益となる。単一フィラメント形状であるＰＰ繊維は、フィルム形成における微粒子を捕捉する能力に乏しい。本発明の開示における好ましい実施態様による、良好にブレンドされたＰＰ繊維およびセルロース繊維は、ハチェックプロセスにおける良好なフィルム形成を提供することとなる、相互に貫通した繊維ネットワークを構築するであろう。
【００２０】
図１Ａは、本発明の開示による一実施態様にもとづく高結晶性ＰＰ繊維を示す図である。図１Ｂは、一般的な市販のＰＰ繊維を示す写真である。図１Ａおよび１Ｂの両方に示されているＰＰ繊維は、ファイバーセメント材料のための高温のオートクレーブ養生条件を模倣したパールボンブ（Parr bomb）試験後のものである。ボンブセル（部品番号４７４４、総容量４５ｍＬ）はＰａｒｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  Ｃｏｍｐａｎｙ製である。０．５ｇの重さの合成繊維が、ｐＨ１３の水２５ｍＬで予め満たされたＰＴＦＥカップ中に入れられる。合成繊維は水に浸されるが、水の上面に浮かぶかもしれない。ＰＴＦＥカバーが戻され、そして、ボンブ体の内部を密封する。サンプルを含有するボンブが１６０℃のオーブンに入れられ、そして、室温に冷却される前までに１５時間、内部に静置される。ボンブ体は、室温まで冷却された後、顕微鏡下での繊維ダメージの観察のために開封される。高結晶性のＰＰ繊維は、良好で完全な繊維の姿を保持していたが、市販のＰＰ繊維は粉々になっており、そしてわずかに溶け合わさっていた。したがって、高結晶性のＰＰ繊維は、昇温された温度を用いる短時間の水和プロセスのためのオートクレーブに耐え得る。
【００２１】
いくつかの実施態様において、繊維ブレンドは、３つのモードの繊維を含む。繊維ブレンドは、最も大きな表面積を有する、好ましくは０．８〜２．０ｍｍのあいだである、精製されたより短いセルロース繊維、中程度の表面積を有する、好ましくは２〜２．５ｍｍのあいだである、未精製セルロース繊維、および、最も小さな表面積を有する、好ましくは４〜１５ｍｍのあいだである、ＰＰ長繊維の組合せを含む。３つのモードの繊維の組合せは、破断係数（ＭＯＲ）、靱性および釘打可能性（nalablity）における均衡のとれた製品性能を達成する助けとなる。いくつかの実施において、繊維ブレンドは、約５０〜８０％の精製されたより短いセルロース繊維、約１０〜２５％の未精製セルロース繊維、および、約１０〜２５％のＰＰ長繊維を含む。
【００２２】
ファイバーセメント組成物
繊維強化複合材料のある好ましい組成物は、様々な材料特性を改良するように構成される、セメント系結合剤、凝集剤、任意には密度調整剤、任意には様々な添加剤、および、セルロース繊維およびＰＰ繊維を含む繊維ブレンドを含む。これらの成分の全てが適切な建築用製品を形成するために必要なわけではなく、したがって、ある実施態様においては、配合物はセメント系結合剤およびブレンドされた繊維のみを含んでいてもよいことが理解されるであろう。
【００２３】
セメント系結合剤は、好ましくはポルトランドセメントであるが、また、これらに限定される訳ではないが、高アルミナセメント、石灰、高リン酸セメントおよび高炉水砕スラグセメント微粉末またはそれらの混合物であってもよい。凝集剤は、好ましくはケイ砂粉末であるが、また、これらに限定される訳ではないが、非晶質シリカ、シリカ微粉末、珪藻土、石炭燃焼フライアッシュおよびボトムアッシュ、もみ殻アッシュ、高炉スラグ、製鋼スラグ、鉱物酸化物、鉱物水酸化物、粘土、マグナサイトまたはドロマイト、金属酸化物および水酸化物、および高分子ビーズ、またはそれらの混合物であってもよい。
【００２４】
密度調整剤は、有機および／または無機の、１．５ｇ／ｃｍ3未満の密度である軽量材料であり得る。密度調整剤としては例えば、プラスティック材料、ガラスおよびセラミック材料、カルシウムシリケート水和物、マイクロスフィア、および、パーライト、軽石、シラス玄武岩を含む火山灰、および、拡張された形状であるゼオライトが挙げられる。密度調整剤は天然のまたは人工の材料であってもよい。
【００２５】
添加剤としては例えば、粘土調整剤、難燃剤、防水剤、シリカフューム、地熱シリカ、増粘剤、色素、着色剤、可塑剤、分散剤、起泡剤、綿毛状物質（flocculents）、排水助剤、湿潤および乾燥強化助剤、シリコン材料、アルミニウム粉末、粘土、カオリン、アルミナ三水和物、マイカ、メタカオリン、炭酸カルシウム、珪灰石およびポリマー樹脂エマルション、ならびに、それらの混合物、または他の材料が挙げられるが、これらに限定される訳ではない。
【００２６】
繊維ブレンド中のセルロース繊維は、様々な供給源、例えばこれらに限定される訳ではないが、晒、未晒、半晒のセルロースパルプなどからの、未精製／未フィブリル化の、または精製／フィブリル化のセルロースパルプであり得る。セルロースパルプは、軟材、硬材、農業用原料、リサイクル古紙、または他の任意の形状のリグノセルロース系材料から作製される。セルロース繊維は、様々な蒸解法によって作製され得る。蒸解法において、木材、または、ケナフ、麦わらおよび竹などの他のリグノセルロース系原材料が、リグノセルロース系材料の構造内の結合を破断する手段によって繊維性の塊へと破壊される。この作業は化学的、機械的、熱的、生物学的またはこれらの処理の組合せによって達成され得る。
【００２７】
繊維ブレンド中の合成繊維としては、これらに限定される訳ではないが、任意の種類のグラスファイバー、ポリエステル、ポリプロピレン、芳香性ポリアミドおよびアクリル繊維などが挙げられる。これらの種類の繊維は、より高温のオートクレーブサイクルに耐え得るように空気中養生または処理されている複合製品中で使用されるように作製され得る。このような繊維の例は例えば、米国特許第６，０１０，７８６（Ｔａｋａｉ）の記載に見出され得る。
【００２８】
一実施態様において、ファイバーセメント複合材料は、約１０重量％〜８０重量％のセメント系結合剤、約２０重量％〜８０重量％のシリカ（凝集剤）、約０重量％〜５０重量％の密度調整剤、約０重％〜１０重％の添加剤、ならびに、セルロース繊維およびＰＰ繊維を含む繊維ブレンド約０．５重量％〜２０重量％を含む。ある実施において、ファイバーセメント配合物は、約４．５〜９％の繊維ブレンドを含む。別の実施において、繊維ブレンドは、乾燥混合物の総重量を基準として３％〜１０％のセルロース繊維、または好ましくは４％〜８％のセルロース繊維を含む。
【００２９】
オートクレーブ養生に特に適した別の実施態様において、配合物は、約２０％〜５０％のセメント、約３０％〜７０％の粉末シリカ、約０％〜５０％の密度調整剤、約０％〜１０％の添加剤、ならびに、セルロース繊維およびＰＰ繊維を含む繊維ブレンド約２％〜１０％を含む。
【００３０】
予め選択されたＰＰ繊維によるセルロース繊維の置換
本発明の開示による特定の好ましい実施態様は、得られる製品の吸湿性を他の特性に悪影響を及ぼすことなしに低下させるために、ファイバーセメント組成物中のセルロース繊維留分をＰＰ繊維、好ましくはファイバーセメントグレードのＰＰ繊維で置換することに関する。一実施態様において、ファイバーセメント組成物中の５０％までのセルロース繊維が、ファイバーセメントグレードのＰＰ繊維で置換され得る。いくつかの実施において、ファイバーセメント組成物は、０．５％またはそれより多い疎水性ポリプロピレン（ＰＰ）繊維をまた含む。繊維ブレンドは、セルロース繊維およびＰＰ繊維の均衡のとれた恩恵を提供し、ここでセルロース繊維は、加工助剤、密度調整剤および補強材として働き、一方、ＰＰ繊維は、靱性を向上させるための第二の補強材として使用される。形成された複合材料の感水性は顕著に低下するであろう。
【００３１】
いくつかの実施態様において、０．８〜３．０ｍｍのあいだに分布される異なる長さを有するセルロース繊維の約５０％までを、少量の疎水性のＰＰ繊維の添加により置換することによって、ハチェックプロセスにおけるフィルム形成能は維持されつつ、ファイバーセメントスラリーおよび複合材料の親水特性が顕著に低下され得る。ブレンドされた（ＰＰ繊維およびセルロース繊維）ファイバーセメント組成物の長期性能または補強性は、ＰＰ繊維の安定性によって維持され得る。ＰＰ繊維の長さは、種々の強化の必要性にあうように設計され得る。例えば、より短くおよび大きな表面積を有する繊維は、複合材料の強さを改良し得、一方、より長い繊維は複合材料の延性をより高め得る。
【００３２】
図２Ａおよび２Ｂは、本発明の開示によるある好ましい実施態様にもとづくセメント系配合物中に組み込まれた繊維ブレンドの、偏光下での写真である。繊維ブレンドは、ファイバーセメントグレードのＰＰ繊維およびセルロース繊維を含む。図２Ａおよび２Ｂに示されるように、ＰＰおよびセルロース繊維の混合物は、ネットワーク間構造内に非常に良好に分散されていた。
【００３３】
図３Ａ〜３Ｃは、ある実施態様にもとづく、高温でのオートクレーブ養生後の、繊維ブレンドを用いて強化されたファイバーセメント組成物を示す写真である。繊維ブレンドはＰＰ繊維およびセルロース繊維の混合物を含む。図３Ａに示されるように、ＰＰ繊維はオートクレーブ養生の後でも完全に無傷のままである。図３Ｃは、試料破壊において、ＰＰ繊維が砕けることなく、試料マトリックス表面上に引き出されることを示しており、これは図３Ｂの写真で示されているセルロース繊維とは異なっている。この所見は、ＰＰ繊維がセルロース繊維と比較してより柔軟であるという事実と一致するものである。好ましい実施態様における水分移動（ＭＭ）は、炭酸化後の測定において、対照試料と比較して驚くべき低下を示した。炭酸化後、試料が試験され、そして、水分移動は、対照試料に対して大幅な改善を示すレベルまで低下された。図４は、試料（３〜６）および対照（１〜２）中での、本発明の開示にもとづく水分移動を示す。試料（３〜６）は、本明細書中で開示されるファイバーセメント組成物にしたがって作製された。示されているように、好ましい実施態様にしたがって作製された試料は、対照試料と比較してより少ない水分移動を有しており、約２１％まで改良されていた。水分移動の減少は、製品の使用中に、釘の周りの目地間隔および亀裂の伝播を抑制することが可能である。
【００３４】
吸水係数（water absorption coefficient）（ＷＡＣ）もまた、好ましい実施態様において顕著に低下されることが示されている。図５は、試料（５〜６）および対照（１）の吸水係数を示す。示されるように、本発明の試料では対照に対して約４１％の改善が見られる。より低い吸水係数は、より耐久性のあるファイバーセメント製品へとつながる。吸水特性の低下は、建築用材料の凍結融解および収縮においてより良好な性能への転換をもたらすことが判明した。ＷＡＣ試験方法は、ＩＳＯ  １５１４８：２００２（Ｅ）に基づくものである。セルロースパルプは４〜６％までで、および、ポリプロピレン繊維は０．２５〜１．５％までで、様々な組み合わせで試験された。繊維の組合せにおけるより下限側において、４．５％のセルロース繊維を伴う０．２５〜０．５０％のＰＰ繊維は、歪み特性の形としての補強性を十分に提供しなかった。１．５％のＰＰ繊維および６％のセルロース繊維を使用する上限側においては、吸水性の改善においてさらなる改善は見られなかったにも関わらず、コストが顕著に増大したことが判明した。耐久性のある製品を形成するために必要とされる歪みを達成するためには、少なくとも５％のセルロース繊維が必要とされることが判明した。フィルターパッド配合物の最初のスクリーニングは、全てがセルロース繊維である複合材料製品に匹敵する複合材料製品を提供した最終的な繊維ブレンドをとなった、スケールアップされたハチェックプロセス配合物の特性および特質と類似の結果を示した。
【００３５】
繊維含有量、およびより特意的にはセルロース繊維の含有量の、全体的な低下により、吸水および水分移動特性が改善され、これがファイバーセメント複合材料の全体的な耐久性の向上を導いたことが判明した。３モードでブレンドされたファイバー複合材料は、その物理的特性の多くを維持しながら、プロセスサイドにおける脱水の向上を提供し、これはハチェック機器をより速くかつより少ない負荷で作動させることとなる。繊維含有量の減少により密度がわずかに増加する一方、製品の釘打可能性および強度は設置条件を満たすものである。ブレンドされた複合材料製品にはプレドリルは必要とされない。
【００３６】
好ましい実施態様における水分移動（ＭＭ）は、炭酸化後の測定において、対照試料と比較して驚くべき低下を示した。炭酸化後、試料が試験され、そして、水分移動は、対照試料に対して大幅な改善を示すレベルまで低下された。図４において、対照試料と比較した、ブレンドされた複合材料である実施例１、２、３および４における水分移動の減少を見ることができる。
【００３７】
他の好ましい配合物が以下の表１記載の実施例において示され得る。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
【表２】
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【００４０】
【表３】
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【００４１】
ブレンドされた複合材料の密度は、上記の表２および３に見られ得るように、増加を示していた。表２は、より少ない密度調整剤を用いた実施例の配合物を示し、一方、表３は、密度調整剤を含まない配合物を示す。釘打試験結果は、対照試料に匹敵し得る値を与えた。機械的特性は、製品の耐久性および設置安定性を示しており、これは、性能の低下を被ることなしに、より低い原料コストで現在のファイバーセメント製品を置換することのできる複合材料を提供する。ＭＯＲ、密度およびＭＭ試験は、ＡＳＴＭ  Ｃ１１８６に準拠して行われた。
【００４２】
吸水係数（ＷＡＣ）が好ましい実施態様において顕著に低下することもまた示されている。図５は、実施例５および６の２つの複合材料の吸水速度を示している。吸水特性の低下が、建築用材料の凍結融解および収縮におけるより良好な性能に影響していることが判明した。ＷＡＣ試験は、ＩＳＯ  １５１４８：２００２（Ｅ）に基づくものである。好ましい実施態様はまた、製品の平滑度を１５％より大きく改善した。
【００４３】
本発明の開示による様々な好ましい実施態様は、他の基準における性能に適合性であるに、改良された破断係数（ＭＯＲ）、受容可能な密度範囲、およびより小さい水分移動（ＭＭ）を有するファイバーセメント建築用材料を提供する。ある実施態様において、ファイバーセメント建築用材料は、例えば７〜１０％のパルプ量および他の特性強化剤を使用した場合に、１００％セルロース繊維で作製された材料と比較して、例えば釘打可能性などの機械的および物理的特性を維持しつつ、凍結融解への改善された抵抗性および改善された寸法安定性を有する。高いセメント含有率である複合材料の脆性が釘打能力を妨げると考えられてきたので、この成果は予期され得ないものであった。
【００４４】
本発明の開示によるいくつかの実施態様は、セルロース繊維およびポリプロピレン繊維のブレンドを予め選択された比率で含む新規建築用材料を製造することに関する。配合物は、ハチェック製造プロセスを用いて繊維強化セメント複合材料を製造するために使用され得る。ハチェックプロセスにおいて、希釈された水性懸濁液が、タブ内に構成成分を均一に分布するための手段が備え付けられているタブに満たされる。フィルタードラムは、部分的にそれぞれのタブに浸され、そして、回転により、繊維、凝集剤、水硬性結合剤および添加剤からなる薄いフィルム層を構築するためにドラム表面上に積層体が作り出される。フィルムは、フェルトによってサイズローラー上へと運ばれ、ここで、フィルム厚みが構築される。その後、それはサイズロールから巻き戻すために切断され、そして、ファイバーセメントの一枚のシートが形成される。ファイバーセメントシートは続いて、１７５℃まで、好ましくは１６０℃までのオートクレーブ温度で、約７５ｐｓｉの圧力で、繊維の分解を伴わずに養生され得る。
【００４５】
上に説明および記載された実施態様は、本開示のある好ましい実施態様として提供されるものである。様々な変化および改変が、本発明の主旨および範囲から逸脱することなく当業者によって本明細書中に示されている実施態様からなされ得る。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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