(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
湿潤混合物を形成するステップであって、該湿潤混合物が、
水、
特定の粒径、０．２５μｍ〜５μｍの範囲内のｄ１０、５μｍ〜２０μｍの範囲内のｄ５０、および２５μｍ〜１００μｍの範囲内のｄ９０を有する、合成ウォラストナイト、擬ウォラストナイト、および、ランキナイトの１つ以上を含む、ケイ酸カルシウム粉末、
０．２５μｍ〜２００μｍの範囲内の粒径（ｄ５０）を有する酸化カルシウムまたはシリカを含む充填剤粒子、ならびに
気泡剤を含む、前記湿潤混合物を形成するステップと、
前記湿潤混合物を型に流し入れるステップと、
前記気泡剤によりガス状生成物を生成させ、これにより前記湿潤混合物の体積膨張をもたらすステップと、
前記膨張混合物を２０℃〜１００℃の範囲内の温度で、水およびＣＯ２の雰囲気下、十分な時間予備硬化させ、脱型および／または切断に必要な十分な初期強度を達成するのに適した予備硬化物をもたらすステップと、
前記予備硬化物を脱型および／または所望の寸法に切断するステップと、
前記脱型および／または切断予備硬化物を２０℃〜１００℃の範囲内の温度で、６時間〜６０時間、水蒸気およびＣＯ２の雰囲気下でさらに硬化させ、製品をもたらすステップとを含む、気泡複合材料の製品の製造プロセス。
【請求項２】
前記湿潤混合物が、
凝結制御混和剤、
気泡安定剤、および
分散／粘度調整剤
をさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記予備硬化物の硬化後、
残留水を除去するため、前記硬化物を２０℃〜１１０℃の範囲内の温度で、１２時間〜９６時間乾燥させるステップ
をさらに含む、請求項１または２に記載のプロセス。
【請求項４】
前記膨張混合物の硬化が周囲雰囲気圧〜周囲雰囲気圧の０．２０７ＭＰａ超の範囲内の圧力下および２５％〜９９．５％の範囲内のＣＯ２濃度下で行われ、気泡複合材料が製造される、請求項１〜３のいずれかに記載のプロセス。
【請求項５】
前記予備硬化およびさらなる硬化が動的ＣＯ２循環流動条件下で行われる、請求項１〜４のいずれかに記載のプロセス。
【請求項６】
湿潤混合物の形成が、次の成分の特定の添加順での混合：
所定分量の水の添加；
凝結制御混和剤の添加および混合；
分散／粘度調整剤の添加および混合；
ケイ酸カルシウム粉末の添加および混合；
均質なスラリーを形成するための前記充填剤粒子の添加および混合；ならびに
前記気泡剤の添加および混合
を含み、ならびに／または
前記湿潤混合物が特定のパーセントでの次の成分：
前記湿潤混合物の４０〜９５重量％での前記ケイ酸カルシウム粉末、
前記湿潤混合物の０〜３０重量％での前記充填剤粒子、
前記湿潤混合物の０〜０．０５重量％での前記凝結制御混和剤、
前記湿潤混合物の０．０５〜０．２５重量％での前記分散／粘度調整剤、および
前記湿潤混合物の０．０５〜０．３０重量％での前記気泡剤
の混合を含む、請求項２〜５のいずれかに記載のプロセス。
【請求項７】
前記予備硬化のステップが２０℃〜８０℃の範囲内の温度で１時間〜１０時間、水およびＣＯ２を含む蒸気下で行われ、ならびに／または
前記予備硬化物のさらなる硬化が５時間〜４０時間、水およびＣＯ２を含み、周囲雰囲気圧〜周囲雰囲気圧の０．２０７ＭＰａ超の範囲内の圧力を有する蒸気下で行われる、請求項１〜６のいずれかに記載のプロセス。
【請求項８】
前記ケイ酸カルシウム粉末が擬ウォラストナイト、および、ランキナイトから選択される、請求項１〜７のいずれかに記載のプロセス。
【請求項９】
前記気泡剤が粉末および／もしくはペースト形態の、アルミニウム、鉄、亜鉛、または液体形態の過酸化水素から選択される、請求項１〜８のいずれかに記載のプロセス。
【請求項１０】
凝結制御混和剤がグルコン酸塩およびスクロースから選択され、ならびに／または分散／粘度調整剤がポリカルボン酸塩系材料であり、ならびに／または前記硬化のステップの終わりに強度をもたらす成分が主に炭酸カルシウムおよび非晶質ケイ酸カルシウム相、ならびにケイ酸カルシウム水和物ゲルおよび水酸化カルシウムからなる、請求項２〜９のいずれかに記載のプロセス。
【請求項１１】
特定の粒径、０．２５μｍ〜５μｍの範囲内のｄ１０、５μｍ〜２０μｍの範囲内のｄ５０、および２５μｍ〜１００μｍの範囲内のｄ９０により特徴づけられる複数の結合要素であって、
主にケイ酸カルシウムを含むコアと、
シリカに富む第１層、すなわち内層と、
炭酸カルシウムに富む第２層、すなわち外層を含む、各前記結合要素；
０．５μｍ〜５００μｍの範囲内の粒径を有する複数の充填剤粒子；ならびに
複数の空隙を含む気泡複合材料において、
前記複数の結合要素および前記複数の充填剤粒子がともに１つ以上の結合マトリックスを形成し、前記複数の結合要素および前記複数の充填剤粒子がその中で実質的に均一に分散されて互いに結合し、
前記複数の空隙が前記気泡複合材料の５０体積％〜８０体積％を占める気泡形状および／または相互接続チャネルであり、これにより
３００ｋｇ／ｍ３〜１５００ｋｇ／ｍ３の密度、２．０ＭＰａ〜８．５ＭＰａの圧縮強度、および０．４ＭＰａ〜１．７ＭＰａの曲げ強度を示す、気泡複合材料。
【請求項１２】
前記充填剤粒子が０．５μｍ〜５００μｍの範囲内の粒径を有するフライアッシュ、ボトムアッシュ、スラグ、石灰石、マイクロシリカ、および石英、並びに２０μｍ〜５００μｍの範囲内の粒径を有する軽量骨材から選択される、請求項１１に記載の気泡複合材料。
【請求項１３】
前記複数の結合要素が、アルミニウム、マグネシウムおよび鉄の１つ以上を含む前駆体ケイ酸カルシウムから化学的に変換される、請求項１１または１２に記載の気泡複合材料。
【請求項１４】
前記複数の空隙が前記気泡複合材料の５０体積％〜８０体積％を占め、
４００ｋｇ／ｍ３〜１２００ｋｇ／ｍ３の密度、３．０ＭＰａ〜６．０ＭＰａの圧縮強度、および０．６６ＭＰａ〜１．３２ＭＰａの曲げ強度を示す、請求項１１〜１３のいずれかに記載の気泡複合材料。
【請求項１５】
分散またはレオロジー調整混和剤、顔料、凝結遅延剤、および凝結促進剤から選択される添加剤をさらに含む、請求項１１〜１４のいずれかに記載の気泡複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権の主張および関連特許出願）
本出願は２０１３年８月２１日出願の米国仮特許出願第６１／８６８，１５５号の優先権を主張し、その全開示が本明細書に、その全体において参照により組み入れられる。
【０００２】
本発明は一般的には気泡複合材料および気泡コンクリートに関する。より具体的には、本発明は新規気泡複合材料、それらの製造配合および方法ならびに使用に関する。これらの気泡複合材料は建設、耐火および防火、造園、ならびにインフラストラクチャーにおけるさまざまな用途に適している。
【背景技術】
【０００３】
オートクレーブ気泡コンクリートは、セメント、砂または他の充填剤材料のような細骨材、石灰、水、および気泡剤のような原材料を用いて高温および高圧下で形成される１つのタイプの軽量プレキャストコンクリートである。気泡剤はマトリックス中に空隙を形成させ、材料の多孔性を増加させ、これは密度の低減とともに材料の体積の増加を伴う。
【０００４】
気泡コンクリート製品は、従来のコンクリートに対して、それらの良好な強度、低い重量、耐火、耐食、耐蟻および耐かび性、ならびに良好な断熱および消音特性を含む多数の利点を提供する。その軽量および寸法精度のため、気泡コンクリートは最小限の廃棄で組み立てることができ、これにより建設および組立における追加の装置の必要性を低減する。それらは高い耐久性を提供し、最低限のメンテナンスを必要とする。気泡コンクリートの軽量性は輸送コストの削減も助ける。
【０００５】
コンクリートと比較される場合好ましいが、ほとんどの従来の気泡コンクリートは、多数の欠陥を抱えるプロセスにより調製される。従来の気泡コンクリートの製造プロセスは、特別な装置、大きなエネルギー消費、および過剰な二酸化炭素排出を伴い、好ましくないカーボンフットプリントをもたらす。例えば、気泡コンクリートは一般的にはオートクレーブにおいて１５０℃〜１９０℃の範囲内の温度および１１０ｐｓｉ〜１８０ｐｓｉの範囲内の圧力で硬化され、安定な形態のトバモライトを形成する。トバモライトは気泡コンクリートにおける主要な結合要素である。また、それらは高い仕上げコスト、再利用の難しさ、等のため比較的高価である。
【０００６】
より低コスト、向上したエネルギー消費、およびより望ましいカーボンフットプリントで大量生産することができる、気泡コンクリートの物理および性能特性に匹敵する、またはこれを超える新規気泡複合材料の継続的な必要性がある。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は部分的には、気泡コンクリートの優れた物理および性能特性を有する新規気泡複合材料の予想外の発見に基づく。これらの複合材料は、低減した装置の必要性、向上したエネルギー消費、およびより望ましいカーボンフットプリントでの大規模製造に適したプロセスにより、広く入手可能で低コストの原材料から容易に製造することができる。
【０００８】
本発明の気泡複合材料の配合は、最小限の環境影響を有する、ほとんど容易に入手可能で低コストの材料を必要とする。原材料は、粒子状ケイ酸カルシウム（例えば、ウォラストナイト（ＣＳ）、擬ウォラストナイト、ランキナイト（Ｃ３Ｓ２）、ゲーレナイト（Ｃ２ＡＳ）、ベライト（Ｃ２Ｓ）、およびアライト（Ｃ３Ｓ）粉末であり、セメント化学表記法（ＣＣＮ）によると、「Ｃ」は酸化カルシウムまたは石灰を指し、「Ｓ」は二酸化シリコンまたはシリカを指し、「Ａ」は酸化アルミニウムまたはアルミナを指す）のような前駆体材料とともに、結合要素となる特定の微量の不純物、および粒子状充填剤材料（例えば、石灰石、ゾノトライト、マイクロシリカ、および石英のような酸化カルシウム含有材料、パーライトもしくはバーミキュライトのような軽量骨材、またはフライアッシュ、ボトムアッシュおよびスラグのような産業廃棄物材料）を含む。高度に多孔質である材料を得るため、気泡剤（例えば、アルミニウム粉末またはペースト）が用いられる。液体水および／または水蒸気ならびに試薬、二酸化炭素（ＣＯ２）を含む、流体成分も反応媒体として提供され、これは製造において反応種として消費され、最終的には最終製品中に隔離される。結合要素は制御された温度および圧力で、水および蒸気の間で反応が起こる水和のプロセスを用い、または水蒸気およびＣＯ２を用いて反応する。
【０００９】
末端使用者の要求に応じて、分散、（混合粘稠度を向上させるための）レオロジー調整混和剤、着色顔料、凝結遅延剤および凝結促進剤のようなさまざまな他の添加剤がある。添加剤材料は、天然または再生材料、ならびに炭酸カルシウムに富むおよび炭酸マグネシウムに富む材料とともに、水溶性分散剤のような、流体成分への添加剤を含むことができる。
【００１０】
また、本発明の気泡複合材料は、低コスト、要求の少ない装置、ならびにかなり向上したエネルギー消費およびカーボンフットプリントで、効率的なガス補助水熱液相焼結（ＨＬＰＳ）プロセスを用いて製造することができる。
【００１１】
１つの態様において、本発明は一般的には、気泡複合材料の製品の製造プロセスに関する。プロセスは：（１）湿潤混合物を形成するステップであって、湿潤混合物が：水、ケイ酸カルシウム粉末、充填剤粒子、および気泡剤を含むステップ；（２）湿潤混合物を型に流し入れるステップ；（３）気泡剤によりガス状生成物を生成させ、これにより湿潤混合物の体積膨張をもたらすステップ；（４）膨張混合物を約２０℃〜約１００℃の範囲内の温度で、水およびＣＯ２の雰囲気下、十分な時間予備硬化させ、脱型および／または切断に必要な十分な初期強度を達成するのに適した予備硬化物をもたらすステップ；（５）予備硬化物を脱型および／または所望の寸法に切断するステップ；ならびに（６）脱型および／または切断予備硬化物を約２０℃〜約１００℃の範囲内の温度で、約６時間〜約６０時間、水蒸気およびＣＯ２の雰囲気下でさらに硬化させ、製品をもたらすステップを含む。ケイ酸カルシウム粉末は特定の粒径、約０．２５μｍ〜約５μｍの範囲内のｄ１０、約５μｍ〜約２０μｍの範囲内のｄ５０、および約２５μｍ〜約１００μｍの範囲内のｄ９０を有する。充填剤粒子は酸化カルシウムまたはシリカを含み、約０．２５μｍ〜約２００μｍの範囲内の粒径（ｄ５０）を有する。ケイ酸カルシウム粉末は合成ウォラストナイト、擬ウォラストナイト、ランキナイト、ゲーレナイト、ベライト、およびアライトの１つ以上を含む。
【００１２】
別の態様において、本発明は一般的には、本発明によるプロセスにより製造される製品に関する。
【００１３】
また別の態様において、本発明は一般的には：（１）特定の粒径、約０．２５μｍ〜約５μｍの範囲内のｄ１０、約５μｍ〜約２０μｍの範囲内のｄ５０、および約２５μｍ〜約１００μｍの範囲内のｄ９０により特徴づけられる複数の結合要素；（２）約０．５μｍ〜約５００μｍの範囲内の粒径を有する複数の充填剤粒子；ならびに（３）複数の空隙を含む、気泡複合材料に関する。各結合要素は：主にケイ酸カルシウムを含むコア、シリカに富む第１層すなわち内層、および炭酸カルシウムに富む第２層すなわち外層を含む。複数の結合要素および複数の充填剤粒子はともに１つ以上の結合マトリックスを形成し、結合要素および充填剤粒子はその中で実質的に均一に分散し、互いに結合する。複数の空隙は複合材料の約５０体積％〜約８０体積％を占める気泡形状および／または相互接続チャネルである。気泡複合材料は約３００ｋｇ／ｍ３〜１５００ｋｇ／ｍ３の密度、約２．０ＭＰａ〜約８．５ＭＰａの圧縮強度、および約０．４ＭＰａ〜約１．７ＭＰａの曲げ強度を示す。
本発明の目的および特徴は、以下に記載される図面、および特許請求の範囲を参照してより良く理解することができる。図面は必ずしも一定の比率の縮尺ではなく、代わりに一般的には本発明の原理を示すことに重きが置かれている。図面において、同じ数字はさまざまな図全体を通して同じ部分を示すのに用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】可逆反応ＣａＣＯ３＋ＳｉＯ２⇔ＣａＳｉＯ３（ウォラストナイト）＋ＣＯ２中に存在する位相を示す圧力−温度位相図である。
【図２】可逆反応３ＣａＣＯ３＋２ＣａＳｉＯ３⇔２Ｃａ２ＳｉＯ４・ＣａＣＯ３＋ＣＯ２中に存在する位相を示す圧力−温度位相図である。
【図３】１キロバールの圧力でのＣａＯ−ＳｉＯ２−ＣＯ２システムの位相図である。
【図４】可逆反応ＭｇＯ＋ＣＯ２⇔ＭｇＣＯ３中に存在する位相を示す圧力−温度位相図である。
【図５】不活性ガス中のＣＯ２の割合の関数としての可逆反応ＭｇＯ＋ＣＯ２⇔ＭｇＣＯ３の平衡曲線を示す圧力−温度位相図である。
【図６】ＣａＣＯ３−ＭｇＣＯ３システム中のさまざまな位相の安定領域を示す温度−組成位相図である。
【図７】化合物ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ２およびＣＯ２の間の位相関係を示す四面体図であり、Ｃｃ−Ｄｉ−ＷｏおよびＣｃ−Ｗｏ−Ｍｏ面（影付）の下のＣＯ２欠乏領域を示し、式中、Ｃｃはカルサイトを示し、Ｗｏはウォラストナイトを示し、Ａｋはオケルマナイトを示し、Ｄｉはジオプサイドを示し、Ｍｏはモンチセライト（ＣａＭｇＳｉＯ４）を示す。
【図８】化合物ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ２およびＣＯ２の間の位相関係を示す圧力−温度位相図であり、不変曲線はカルサイト（Ｃｃ）、ジオプサイド（Ｄｉ）、フォルステライト（Ｆｏ）、モンチセライト（Ｍｏ）、オケルマナイト（Ａｋ）、およびＣＯ２相を含む４要素を含む不変点から出る。挿入図はＣａＣＯ３、ＭｇＯおよびＳｉＯ２の３つの化合物システムの位相図である。
【図９】本発明の原理による加湿をもたらすＣＯ２複合材料硬化チャンバーの概略図である。
【図１０】本発明の原理による、複数の湿度制御方法を有し、一定の流量または圧力調整を用いてＣＯ２を制御および補充することができ、温度を制御することができる硬化チャンバーの概略図である。
【図１１】３つの例となるコア形態：（ａ）繊維状、（ｂ）楕円形、および（ｃ）等軸を含む、本発明の例となる実施形態による結合要素の概略断面図である。
【図１２】本発明の例となる実施形態による複合材料の概略側面および断面図であり、複合材料が結合マトリックスおよびポリマー、金属、無機粒子、骨材等のような充填剤成分を含む、（ａ）希薄結合マトリックス中の１Ｄ配向繊維形状結合要素（結合要素は接触していない）、（ｂ）希薄結合マトリックス中の２Ｄ配向平板形状結合要素（結合要素は接触していない）、（ｃ）希薄結合マトリックス中の３Ｄ配向平板形状結合要素（結合要素は接触していない）、および（ｄ）希薄結合マトリックス中のランダム配向平板形状結合要素（結合要素は接触していない）、（ｅ）マトリックスが３Ｄ配向である結合要素の濃縮結合マトリックス（浸透ネットワークを構築するのに十分な体積分率）、ならびにポリマー、金属、無機粒子、骨材等のような充填剤成分を含んでもよい（ｆ）ランダム配向結合要素の濃縮結合マトリックス（浸透ネットワークを構築するのに十分な体積分率）を示す。
【図１３】合成ウォラストナイトを用いて製造された切断気泡コンクリート試料（例示目的で４インチ×４インチ×４インチ）の一例を示す。
【００１５】
本発明は、気泡コンクリートに特徴的な優れた物理および性能特性を有するが、向上したエネルギー消費、低減した装置のニーズ（例えば、オートクレーブの必要なし）、およびより望ましいカーボンフットプリントでの大規模製造に適したプロセスにより、広く入手可能な低コストの原材料から容易に製造することができる、新規気泡複合材料ならびにそれから製造される製品を提供する。
【００１６】
本発明の気泡複合材料は、耐荷重または非耐荷重用途において用いることができる。それらの細孔構造の均質性は、従来の気泡コンクリートと比較して優れた断熱および遮音特性ももたらす。さらに、本発明の気泡複合材料は、大きな壁、床、または屋根パネルおよび造園ブロックのような大きな寸法で容易に調製することができる。
【００１７】
本発明の気泡複合材料は、優れた遮断性（熱および音の両方）とともに耐火性を示す。それらは従来の気泡コンクリートよりかなり向上したエネルギー効率およびより望ましいカーボンフットプリントで大規模製造することができる。
【００１８】
気泡複合材料の製造はＣＯ２を消費し、ＣＯ２正味隔離をもたらし、これによりカーボンニュートラルならびに財政的なおよび環境保全の観点から非常に効率的となる。加えて、これらの気泡複合材料の中身の詰まった均質な細孔構造は気密性建築物エンベロープを形成し、無制御の換気を最小化し、所望の室内温度の維持を補助しながら、ＨＶＡＣ装置の効率を最大化する。本発明の特有の気泡複合材料によりもたらされるさらなる利点は、材料使用量の低減、再生製品の使用可能性、および有毒物放出の回避である。
【００１９】
１つの態様において、本発明は一般的には気泡複合材料の製品の製造プロセスに関する。プロセスは：（１）湿潤混合物を形成するステップであって、湿潤混合物が：水、ケイ酸カルシウム粉末、充填剤粒子、および気泡剤を含み、湿潤混合物を形成するステップ；（２）湿潤混合物を型に流し入れるステップ；（３）気泡剤によりガス状生成物を生成させ、これにより湿潤混合物の体積膨張をもたらすステップ；（４）膨張混合物を約２０℃〜約１００℃の範囲内の温度で、水およびＣＯ２の雰囲気下、十分な時間予備硬化させ、脱型および／または切断に必要な十分な初期強度を達成するのに適した予備硬化物をもたらすステップ；（５）予備硬化物を脱型および／または所望の寸法に切断するステップ；ならびに（６）脱型および／または切断予備硬化物を約２０℃〜約１００℃の範囲内の温度で、約６時間〜約６０時間、水蒸気およびＣＯ２（必要に応じて）の雰囲気下でさらに硬化させ、製品をもたらすステップを含む。ケイ酸カルシウム粉末は特定の粒径、約０．２５μｍ〜約５μｍの範囲内のｄ１０、約５μｍ〜約２０μｍの範囲内のｄ５０、および約２５μｍ〜約１００μｍの範囲内のｄ９０を有する。充填剤粒子は酸化カルシウムまたはシリカを含み、約０．２５μｍ〜約２００μｍの範囲内の粒径（ｄ５０）を有する。ケイ酸カルシウム粉末は、合成ウォラストナイト、擬ウォラストナイト、ランキナイト、ゲーレナイト、ベライト、およびアライトの１つ以上を含む。
【００２０】
特定の実施形態において、湿潤混合物は：凝結制御剤、気泡安定剤および分散／粘度調整剤をさらに含む。特定の実施形態において、湿潤混合物は、分散、レオロジー調整混和剤、顔料、凝結遅延剤、および凝結促進剤から選択される添加剤をさらに含む。
【００２１】
特定の実施形態において、湿潤混合物の形成は、次の成分の特定の添加順での混合：所定の分量の水の添加；凝結制御混和剤の添加および混合；分散／粘度調整剤の添加および混合；ケイ酸カルシウム粉末の添加および混合；均一なスラリーを形成するための充填剤粒子の添加および混合；ならびに気泡剤の添加および混合を含む。
【００２２】
特定の実施形態において、湿潤混合物は、特定のパーセント（湿潤混合物の重量％）での次の成分：約４０重量％〜約９５重量％（例えば、約４０重量％〜約９５重量％、約５０重量％〜約９５重量％、約６０重量％〜約９５重量％、約７０重量％〜約９５重量％、約４０重量％〜約９０重量％、約４０重量％〜約８０重量％、約４０重量％〜約７０重量％、約４０重量％〜６０重量％）でのケイ酸カルシウム粉末、約０重量％〜約３０重量％（例えば、約０重量％〜約２５重量％、約０重量％〜約２０重量％、約０重量％〜約１５重量％、約０重量％〜約１０重量％、約５重量％〜約３０重量％、約１０重量％〜約３０重量％、約１５重量％〜約３０重量％、約２０重量％〜約３０重量％）での充填剤粒子、約０重量％〜約０．０５重量％（例えば、約０重量％〜０．０３重量％、約０重量％〜約０．０２重量％、約０．０１重量％〜約０．０５重量％、約０．０２重量％〜約０．０５重量％、約０．０３重量％〜約０．０５重量％）での凝結制御混和剤、約０．０５重量％〜約０．２５重量％（例えば、約０．０５重量％〜約０．２０重量％、約０．０５重量％〜約０．１５重量％、約０．０５重量％〜約０．１０重量％、約０．１０重量％〜約０．２５重量％、約０．１５重量％〜約０．２５重量％、約０．２０重量％〜約０．２５重量％）での分散／粘度調整剤、および約０．０５重量％〜約０．３０重量％（例えば、約０．０５重量％〜約０．２５重量％、約０．０５重量％〜約０．２０重量％、約０．０５重量％〜約０．１５重量％、約０．０５重量％〜約０．１０重量％、約０．１５重量％〜約０．３０重量％、約０．２０重量％〜約０．３０重量％、約０．２５重量％〜約０．３０重量％）での気泡剤の混合を含む。
【００２３】
特定の実施形態において、水の第１分量は湿潤混合物中の総含水量の約６０％〜約９５％（例えば、約６０％〜約９０％、約６０％〜約８０％、約６０％〜約７０％、約７０％〜約９５％、約８０％〜約９５％、約９０％〜約９５％）を占め、水の第２分量は約５％〜約４０％（例えば、約５％〜約３０％、約５％〜約２０％、約５％〜約１０％、約１０％〜約４０％、約１５％〜約４０％、約２０％〜約４０％、約３０％〜約４０％）を占める。特定の実施形態において、水の第１分量は湿潤混合物中の総含水量の約９０％を占め、水の第２分量は約１０％を占める。
【００２４】
特定の実施形態において、膨張混合物の予備硬化は、周囲雰囲気圧〜周囲雰囲気圧の約３０ｐｓｉ超の範囲内の圧力下および約２５％〜約９９．５％（例えば、約５０％〜約９９．５％、約６０％〜約９９．５％、約７０％〜約９９．５％、約８０％〜約９９．５％、約９０％〜約９９．５％、約２５％〜約９９％、約２５％〜約９０％、約２５％〜約８０％、約５０％〜約９０％、約５０％〜約８０％、約５０％〜約６０％）の範囲内のＣＯ２濃度下で行われ、気泡複合材料が製造される。
【００２５】
特定の実施形態において、予備硬化ステップは、約２０℃〜約８０℃（例えば、約２０℃〜約７０℃、約２０℃〜約６０℃、約３０℃〜約８０℃、約４０℃〜約８０℃、約５０℃〜約８０℃、約６０℃〜約８０℃）の範囲内の温度で約１時間〜約１０時間（例えば、約１時間〜約８時間、約１時間〜約６時間、約１時間〜約４時間、約２時間〜約１０時間、約４時間〜約１０時間、約６時間〜約１０時間）、水およびＣＯ２を含む蒸気下で行われる。特定の実施形態において、予備硬化ステップは、約６０℃の温度で約１時間〜約５時間（例えば、約２、３、４、５時間）、水およびＣＯ２を含む蒸気下で行われる。
【００２６】
特定の実施形態において、予備硬化物のさらなる硬化は、約２０℃〜約８０℃（例えば、約２０℃〜約７０℃、約２０℃〜約６０℃、約３０℃〜約８０℃、約４０℃〜約８０℃、約５０℃〜約８０℃、約６０℃〜約８０℃）の範囲内の温度で約５時間〜約４０時間（例えば、約５時間〜約３０時間、約５時間〜約２０時間、約５時間〜約１５時間、約１０時間〜約４０時間、約１５時間〜約４０時間、約２０時間〜約４０時間）、水およびＣＯ２を含み、約周囲雰囲気圧〜周囲雰囲気圧の約３０ｐｓｉ超（例えば、約周囲雰囲気圧〜周囲雰囲気圧の約２０ｐｓｉ超、約周囲雰囲気圧〜周囲雰囲気圧の約１０ｐｓｉ超、周囲雰囲気圧の約１０ｐｓｉ超〜周囲雰囲気圧の約３０ｐｓｉ超）の範囲内の圧力を有する蒸気下で行われる。
【００２７】
特定の実施形態において、予備硬化物のさらなる硬化は、約３０℃〜約７０℃（例えば、約３０℃〜約６０℃、約３０℃〜約５０℃、約３０℃〜約４０℃、約４０℃〜約７０℃、約５０℃〜約７０℃、約６０℃〜約７０℃、約３０℃〜約６０℃）の範囲内の温度で、約１０時間〜約３０時間（例えば、約１０時間〜約２５時間、約１０時間〜約２０時間、約１０時間〜約１５時間、約１５時間〜約３０時間、約２０時間〜約３０時間）、水およびＣＯ２を含み、約周囲雰囲気圧〜周囲雰囲気圧の約６０ｐｓｉ超（例えば、約周囲雰囲気圧〜周囲雰囲気圧の約６０ｐｓｉ超、約周囲雰囲気圧〜周囲雰囲気圧の約５０ｐｓｉ超、約周囲雰囲気圧〜周囲雰囲気圧の約４０ｐｓｉ超、約周囲雰囲気圧〜周囲雰囲気圧の約３０ｐｓｉ超、約周囲雰囲気圧〜周囲雰囲気圧の約２０ｐｓｉ超、周囲雰囲気圧の約１０ｐｓｉ超〜周囲雰囲気圧の約６０ｐｓｉ超、周囲雰囲気圧の約２０ｐｓｉ超〜周囲雰囲気圧の約６０ｐｓｉ超、周囲雰囲気圧の約３０ｐｓｉ超〜周囲雰囲気圧の約６０ｐｓｉ超、周囲雰囲気圧の約４０ｐｓｉ超〜周囲雰囲気圧の約６０ｐｓｉ超）の範囲内の圧力を有する蒸気下で行われる。
【００２８】
特定の実施形態において、予備硬化およびさらなる硬化は動的ＣＯ２循環流動条件下で行われる。
【００２９】
硬化プロセスの相対湿度環境は、所望の結果に適合するように、例えば、約５０％〜約９８％（例えば、約６０％〜約９８％、約７０％〜約９８％、約８０％〜約９８％、約９０〜約９８％、約５０％〜約９０％、約５０％〜約８０％、約５０％〜約７０％）の範囲内に調節し、均一、均質、および高度に多孔質な構造を示す気泡複合材料を製造してもよい。
【００３０】
特定の実施形態において、プロセスは、予備硬化物の硬化後、残留水を除去するため、硬化物を約２０℃〜約１１０℃（例えば、約２０℃〜約１００℃、約２０℃〜約９０℃、約２０℃〜約８０℃、約２０℃〜約７０℃、約２０℃〜約６０℃、約３０℃〜約１１０℃、約４０℃〜約１１０℃、約５０℃〜約１１０℃、約６０℃〜約１００℃）の範囲内の温度で、約１２時間〜約９６時間（例えば、約１２時間〜約７２時間、約１２時間〜約６０時間、約１２時間〜約４８時間、約１２時間〜約３６時間、約１２時間〜約２４時間、約２４時間〜約９６時間、約３６時間〜約９６時間、約３６時間〜約４８時間）乾燥させるステップをさらに含む。
【００３１】
特定の実施形態において、硬化プロセスの終わりに強度をもたらす成分は主に、非晶質ケイ酸カルシウム位相とともに炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３またはカルサイト）、ならびに少量のケイ酸カルシウム水和物（Ｃ−Ｓ−Ｈ）ゲルおよび水酸化カルシウム（ＣＨ）で構成される。
【００３２】
よって、さまざまな反応温度、圧力、反応の長さを含む、硬化条件のさまざまな組み合わせは、所望の製造プロセスを達成するように考案され得る。
【００３３】
特定の実施形態において、ケイ酸カルシウム粉末はウォラストナイト、擬ウォラストナイト、ランキナイト、ベライト、およびアライトから選択される。
【００３４】
特定の実施形態において、ケイ酸カルシウムまたは合成ウォラストナイト粉末は、特定の微量の不純物とともに当量、１：１、または２：１の割合でのウォラストナイト（ＣＳ）、擬ウォラストナイト、ランキナイト（Ｃ３Ｓ２）、ゲーレナイト（Ｃ２ＡＳ）、ベライト（Ｃ２Ｓ）、およびアライト（Ｃ３Ｓ）粉末で構成され、セメント化学表記法（ＣＣＮ）によると、「Ｃ」は酸化カルシウムまたは石灰を指し、「Ｓ」は二酸化シリコンまたはシリカを指し、「Ａ」は酸化アルミニウムまたはアルミナを指す。
【００３５】
ケイ酸カルシウム粉末は、約０．２５μｍ〜約５μｍ（例えば、約０．２５μｍ〜約４μｍ、約０．２５μｍ〜約３μｍ、約０．２５μｍ〜約２μｍ、約０．２５μｍ〜約１μｍ、約０．５μｍ〜約５μｍ、約１μｍ〜約５μｍ、約２μｍ〜約５μｍ）の範囲内のｄ１０、約５μｍ〜約２０μｍ（例えば、約５μｍ〜約１５μｍ、約５μｍ〜約１０μｍ、約１０μｍ〜約２０μｍ、約１５μｍ〜約２０μｍ）の範囲内のｄ５０、および約２５μｍ〜約１００μｍ（例えば、約２５μｍ〜約８０μｍ、約２５μｍ〜約７０μｍ、約２５μｍ〜約６０μｍ、約２５μｍ〜約５０μｍ、約４０μｍ〜約１００μｍ、約５０μｍ〜約１００μｍ、約６０μｍ〜約１００μｍ、約７０μｍ〜約１００μｍ）の範囲内のｄ９０により特徴づけられる。
【００３６】
いずれかの適切な充填剤粒子、例えば、酸化カルシウム含有またはシリカ含有材料を用いてもよい。例となる充填剤粒子としては、石灰、石英（砂を含む）、ウォラストナイト、ゾノトライト、焼成オイルシェール、フライアッシュまたは火山灰、炉からのスタックダスト、粘土粉末、軽石ダストが挙げられる。産業廃棄物材料（例えば、フライアッシュ、スラグ、シリカフューム）のような材料も充填剤として用いてもよい。特定の好適な実施形態において、パーライトまたはバーミキュライトのような軽量骨材も充填剤として用いてもよい。特定の好適な実施形態において、充填剤粒子は石灰粉末のような酸化カルシウムに富む材料から製造される。
【００３７】
本明細書において用いられる場合、「石灰」の語は、酸化カルシウムまたは水酸化カルシウムを主成分とする天然発生または合成無機材料を指す。
【００３８】
本明細書において用いられる場合、「石英」の語は、一般的な砂（建設および石工）、ならびにガラスおよび再生ガラスを含む、いずれかのＳｉＯ２系材料を指す。この語は、顕著な量のＳｉＯ２を含有するいずれかの他の再生天然および合成材料（例えば、ＫＡｌ２（ＡｌＳｉ３Ｏ１０）の化学式でも表される雲母）も含む。
【００３９】
充填剤粒子は酸化カルシウムまたはシリカを含み、約０．２５μｍ〜約２００μｍ（例えば、約０．２５μｍ〜約１５０μｍ、約０．２５μｍ〜約１００μｍ、約０．２５μｍ〜約５０μｍ、約０．２５μｍ〜約２０μｍ、約０．２５μｍ〜約１０μｍ、約０．５μｍ〜約２００μｍ、約１μｍ〜約２００μｍ、約５μｍ〜約２００μｍ、約１０μｍ〜約２００μｍ、約２０μｍ〜約２００μｍ、約５０μｍ〜約２００μｍ）の範囲内の粒径（ｄ５０）を有する。
【００４０】
特定の実施形態において、充填剤粒子は、約０．５μｍ〜約３００μｍ（例えば、約１μｍ〜約３００μｍ、約５μｍ〜約３００μｍ、約１０μｍ〜約３００μｍ、約５０μｍ〜約３００μｍ、約１００μｍ〜約３００μｍ、約０．５μｍ〜約２００μｍ、約０．５μｍ〜約１００μｍ、約０．５μｍ〜約５０μｍ、約０．５μｍ〜約２０μｍ、約０．５μｍ〜約１０μｍ、約０．５μｍ〜約５μｍ）の範囲内の粒径を有するフライアッシュ、ボトムアッシュ、スラグから選択される。
【００４１】
特定の実施形態において、充填剤粒子は、約１μｍ〜約５００μｍ（例えば、約１μｍ〜約４００μｍ、約１μｍ〜約３００μｍ、約１μｍ〜約２００μｍ、約１μｍ〜約１００μｍ、約１μｍ〜約５０μｍ、約１μｍ〜約３０μｍ、約５μｍ〜約５００μｍ、約１０μｍ〜約５００μｍ、約２０μｍ〜約５００μｍ、約５０μｍ〜約５００μｍ、約１００μｍ〜約５００μｍ、約２００μｍ〜約５００μｍ）の範囲内の粒径を有する石灰石、マイクロシリカ、および石英から選択される。
【００４２】
特定の実施形態において、充填剤粒子は、約２０μｍ〜約５００μｍ（例えば、約２０μｍ〜約４００μｍ、約２０μｍ〜約３００μｍ、約２０μｍ〜約２００μｍ、約２０μｍ〜約１００μｍ、約５０μｍ〜約５００μｍ、約１００μｍ〜約５００μｍ、約２００μｍ〜約５００μｍ、約３００μｍ〜約５００μｍ）の範囲内の粒径を有する軽量骨材から選択される。
【００４３】
特定の実施形態において、凝結制御混和剤はグルコン酸塩およびスクロースから選択される。特定の実施形態において、分散／粘度調整剤はポリカルボン酸塩系材料である。
【００４４】
例となる実施形態において、ケイ酸カルシウム粉末はウォラストナイト粉末であり、充填剤粒子は石灰石、およびシリカ粉末を含み、活性化剤は石灰粉末であり、凝結制御混和剤はグルコン酸塩であり、粘度調整剤はポリカルボン酸塩系材料であり、気泡剤はアルミニウムペーストである。
【００４５】
複数の空隙は、気泡複合材料の全体の密度を低減すると同時に、複合材料の均一かつ早期硬化を促進する三次元多孔質ネットワークをもたらすように作用する。複数の空隙は、所望の特性および利用可能な用途に応じて、気泡複合材料の全体の体積のいずれかの適切な分率を占めてもよい。例えば、複数の空隙は、気泡複合材料の全体の体積の約５０体積％〜約８０体積％（例えば、約６０体積％〜約８０体積％、約６５体積％〜約８０体積％、約６０％、約６５％、約７０％、約７５％、約８０％）を占めてもよい。
【００４６】
複数の空隙は気泡剤により生成されるガス状物質によりもたらされる。特定の好適な実施形態において、気泡剤は、酸と反応してガス状水素を生成することができる金属を含む。例となる気泡剤としては：アルミニウムの粉末もしくはペースト、鉄の粉末、亜鉛の粉末、炭化カルシウムの粉末、および過酸化水素、またはこれらの混合物が挙げられる。気泡剤は、例えば、約１０μｍ〜約５０μｍ（例えば、約１０μｍ〜４０μｍ、約１０μｍ〜３０μｍ、約１０μｍ〜２０μｍ、約１５μｍ〜４０μｍ、約１５μｍ〜３０μｍ、約２０μｍ〜４０μｍ、約４０μｍ超）の範囲内のいずれかの適切なサイズを有してもよい。
【００４７】
別の態様において、本発明は一般的には、本発明によるプロセスにより製造される製品に関する。
【００４８】
気泡複合材料および／または製品は、約３００ｋｇ／ｍ３〜約１５００ｋｇ／ｍ３（例えば、約３００ｋｇ／ｍ３〜１２００ｋｇ／ｍ３、約３００ｋｇ／ｍ３〜１０００ｋｇ／ｍ３、約３００ｋｇ／ｍ３〜９００ｋｇ／ｍ３、約４００ｋｇ／ｍ３〜１２００ｋｇ／ｍ３、約４００ｋｇ／ｍ３〜１０００ｋｇ／ｍ３、約４００ｋｇ／ｍ３〜９００ｋｇ／ｍ３、約５００ｋｇ／ｍ３〜１２００ｋｇ／ｍ３、約５００ｋｇ／ｍ３〜１０００ｋｇ／ｍ３）の密度により特徴づけられ得る。
【００４９】
本発明の気泡複合材料は優れた圧縮強度を示す。例えば、気泡複合材料および／または製品は、約２．０ＭＰａ〜約８．５ＭＰａ（例えば、約２．０ＭＰａ〜約６．０ＭＰａ、約２．０ＭＰａ〜約５．０ＭＰａ、約３．０ＭＰａ〜約８．５ＭＰａ、約３．０ＭＰａ〜約６．０ＭＰａ、約３．０ＭＰａ〜約５．０ＭＰａ、約４．０ＭＰａ〜約８．５ＭＰａ）の圧縮強度により特徴づけられ得る。
【００５０】
本発明の気泡複合材料は優れた曲げ強度も示す。例えば、気泡複合材料および／または製品は、約０．４ＭＰａ〜約１．７ＭＰａ（例えば、約０．７ＭＰａ〜約１．７ＭＰａ、約１．０ＭＰａ〜約１．７ＭＰａ、約１．２ＭＰａ〜約１．７ＭＰａ、約１．０ＭＰａ〜約１．５ＭＰａ、約１．２ＭＰａ〜約１．５ＭＰａ）の曲げ強度により特徴づけられ得る。
【００５１】
特定の例となる実施形態において、気泡複合材料は、約４００ｋｇ／ｍ３〜１２００ｋｇ／ｍ３の密度、約３．０ＭＰａ〜約６．０ＭＰａの圧縮強度、および約０．６６ＭＰａ〜約１．３２ＭＰａの曲げ強度を示す。特定の実施形態において、気泡複合材料は、約５００ｋｇ／ｍ３〜１０００ｋｇ／ｍ３の密度、約４．０ＭＰａ〜約６．０ＭＰａの圧縮強度、および約０．８８ＭＰａ〜約１．３２ＭＰａの曲げ強度を示す。
【００５２】
気泡複合材料は、所望の密度および（例えば、ＡＳＴＭ  Ｃ１６９３−１１による気泡コンクリートの強度クラスの仕様を満たすまたは超える）機械特性を示すように調製してもよい。
【００５３】
【表１】
0006479805.tif 000002
【００５４】
また別の態様において、本発明は一般的には：（１）特定の粒径、約０．２５μｍ〜約５μｍの範囲内のｄ１０、約５μｍ〜約２０μｍの範囲内のｄ５０、および約２５μｍ〜約１００μｍの範囲内のｄ９０により特徴づけられる複数の結合要素；（２）約０．５μｍ〜約５００μｍの範囲内の粒径を有する複数の充填剤粒子；ならびに（３）複数の空隙を含む気泡複合材料に関する。各結合要素は主にケイ酸カルシウムを含むコア、シリカに富む第１または内層、および炭酸カルシウムに富む第２または外層を含む。複数の結合要素および複数の充填剤粒子はともに１つ以上の結合マトリックスを形成し、結合要素および充填剤粒子はその中で実質的に均一に分散し、互いに結合する。複数の空隙は複合材料の約５０体積％〜約８０体積％を占める気泡形状および／または相互接続チャネルである。気泡複合材料は約３００ｋｇ／ｍ３〜１５００ｋｇ／ｍ３の密度、約２．０ＭＰａ〜約８．５ＭＰａの圧縮強度、および約０．４ＭＰａ〜約１．７ＭＰａの曲げ強度を示す。
【００５５】
特定の実施形態において、複数の結合要素は、制御された水熱液相焼結プロセスによってＣＯ２と反応させることによりウォラストナイト以外の前駆体ケイ酸カルシウムから化学的に変換される。特定の実施形態において、複数の結合要素は、アルミニウム、マグネシウムおよび鉄の１つ以上を含む前駆体ケイ酸カルシウムから化学的に変換される。
【００５６】
気泡複合材料は、製品の外観、物理または機械特性を調整するため、１つ以上の添加剤をさらに含んでもよい。例となる添加剤としては、レオロジー調整混和剤、顔料、凝結遅延剤および凝結促進剤が挙げられる。
【００５７】
特定の実施形態において、顔料は、所望の複合材料に応じて、結合マトリックス中に均一に分散または実質的に不均一に分散させてもよい。顔料は、例えば、さまざまな金属の酸化物（例えば、黒色酸化鉄、酸化コバルトおよび酸化クロム）を含む、いずれかの適切な顔料であってもよい。顔料は、例えば、黒、白、青、灰、ピンク、緑、赤、黄および褐色から選択される、いずれかの１つ以上の色を有してもよい。顔料は、所望の複合材料に応じて、いずれかの適切な量、例えば、約０．０重量％〜約１０重量％（例えば、約０．０％〜約８％、約０．０％〜約６％、約０．０％〜約５％、約０．０％〜約４％、約０．０％〜約３％、約０．０％〜約２％、約０．０％〜約１％、約０．０％〜約０．５％、約０．０％〜約０．３％、約０．０％〜約０．２％、約０．０％〜約０．１％）の範囲内の量で存在してもよい。
【００５８】
本発明の気泡複合材料は、例えば、標準ブロック、コアブロック、クラッドブロック、擁壁防火ブロック、まぐさブロック、さねはぎブロック、壁パネル、床パネル、屋根パネル、プレート、サイディング、フレーム、フェンス、装飾造園製品、車止め、等を含む、さまざまなサイズおよび寸法を有する広範囲の製品を製造するのに用いられ得る。多様な製品は、オートクレーブを必要とせず、連続的な大規模製造に適したプロセスにより、広く入手可能な低コストの原材料から製造することができる。製造方法は、従来の気泡コンクリートに対して、経済および環境影響の両方の点でかなり改善されている。
【００５９】
（結合要素、結合マトリックスおよび複合材料）
化学作用について
本発明は、主にＣＯ２消費反応により硬化される新規複合材料を製造するのに用いられる装置および方法を提供する。材料は有用な特性を示し、最小限の環境影響での大規模製造に適したプロセスにより広く入手可能な低コストの前駆体材料から容易に製造することができる。前駆体材料は、安価で豊富に存在するケイ酸カルシウムに富む材料、微粒子および粗粒子を含む。ケイ酸カルシウムに富む材料はウォラストナイト粉末からなってもよい。微粒子および粗粒子は、石灰石粉末または他の炭酸カルシウム系材料、石英粉末または他のＳｉＯ２系材料、砂および粉砕岩からなってもよい。微粒子および粗粒子はまた、花崗岩、雲母および長石のような粉砕鉱物からなってもよい。他のプロセス成分は水およびＣＯ２を含む。顔料（例えば、黒色酸化鉄、酸化コバルトおよび酸化クロム）、有色ガラスおよび／または有色石英の１つ以上から選択される添加剤のような、さまざまな添加剤を用い、得られる複合材料の物理外観および／または機械特性を調整および微調整することができる。水使用量低減およびレオロジー変化に関する添加剤を用いることもできる。
【００６０】
複合材料は、本明細書に開示されるように、複合材料のさまざまな成分を結合する結合要素を形成するエネルギー効率の良い水熱液相焼結（ＨＬＰＳ）プロセスを用いて製造することができる。複合材料は、低コストおよび好ましい環境影響で製造することができる。例えば本発明の好適な実施形態において、ＣＯ２は、製造した複合材料におけるＣＯ２の隔離および結合要素の形成をもたらす反応種として用いられ、カーボンフットプリントはいずれの現行の製造技術とも比べものにならない。ＨＬＰＳプロセスは、化学反応の自由エネルギーおよび結晶成長により引き起こされる表面エネルギー（面積）の低減により、熱力学的に駆動される。ＨＬＰＳプロセスの動態は、反応種を運ぶのに高融点流体または高温固体媒体を用いる代わりに溶液（水溶液または非水溶液）が用いられるため、低温で合理的な速度で進行する。
【００６１】
ＨＬＰＳのさまざまな特徴の説明については、米国特許第８，１１４，３６７号、米国特許出願公開第２００９／０１４３２１１号（出願番号１２／２７１，５６６）、米国特許出願公開第２０１１／０１０４４６９号（出願番号１２／９８４，２９９）、米国特許出願公開第２００９／０１４２５７８号（出願番号１２／２７１，５１３）、米国特許出願公開第２０１３／０１２２２６７号（出願番号１３／４１１，２１８）、米国特許出願公開第２０１２／０３１２１９４号（出願番号１３／４９１，０９８）、国際公開第２００９／１０２３６０号（ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８３６０６）、国際公開第２０１１／０５３５９８号（ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５４１４６）、国際公開第２０１１／０９０９６７号（ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２１６２３）、２０１２年１０月１日出願の米国仮特許出願第６１／７０８，４２３号、すべて２０１３年１０月３日出願の米国特許出願第１４／０４５，７５８号、第１４／０４５，５１９号、第１４／０４５，７６６号、第１４／０４５５４０号、２０１４年３月１２日出願の米国特許出願第１４／２０７，４１３号、第１４／２０７，４２１号、２０１４年３月１３日出願の米国特許出願第１４／２０７，９２０号、第１４／２０９，２３８号、２０１４年６月４日出願の米国特許出願第１４／２９５，６０１号、第１４／２９５，４０２号を参照することができ、これらのそれぞれはその全開示が参照により本明細書に明示的に組み入れられる。
【００６２】
本明細書において用いられる場合、「ケイ酸カルシウム」の語は、ＣＳ（ウォラストナイトまたは擬ウォラストナイト、ＣａＳｉＯ３またはＣａＯ・ＳｉＯ２の化学式でも表される）、Ｃ３Ｓ２（ランキナイト、Ｃａ３Ｓｉ２Ｏ７または３ＣａＯ・２ＳｉＯ２の化学式でも表される）、Ｃ２Ｓ（ベライト、β−Ｃａ２ＳｉＯ４、ラルナイト、β−Ｃａ２ＳｉＯ４、ブレディガイト、α−Ｃａ２ＳｉＯ４またはγ−Ｃａ２ＳｉＯ４、Ｃａ２ＳｉＯ４または２ＣａＯ・ＳｉＯ２の化学式でも表される）、ケイ酸カルシウムに富む非晶相を含むカルシウムシリコン含有化合物の群の１つ以上を含む天然発生鉱物または合成材料を指し、それらの材料のそれぞれは、１つ以上の他の金属イオンおよび酸化物（例えば、アルミニウム、マグネシウム、鉄またはマンガンの酸化物）、もしくはこれらのブレンド物を含んでもよく、または微量（１重量％）〜約５０重量％以上の範囲内の量の天然発生もしくは合成形態のケイ酸マグネシウムを含んでもよい。図１〜図８は記載される材料のいくつかの間のさまざまな位相関係を示す位相図である。
【００６３】
また、カルシウムシリコン含有化合物は、結晶および非晶質ケイ酸カルシウム相の両方を含んでもよく、また他の鉄、マグネシア、カリウム、ナトリウム、およびアルミナ系化合物を含んでもよい。
【００６４】
本明細書に開示される組成物および方法を用い、ケイ酸カルシウムの代わりに、またはこれに加えてケイ酸マグネシウムを用いることができることが理解されるべきである。本明細書において用いられる場合、「ケイ酸マグネシウム」の語は、例えば、Ｍｇ２ＳｉＯ４（別名「フォルステライト」）、Ｍｇ３Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）２（別名「タルク」）、およびＣａＭｇＳｉＯ４（別名「モンチセライト」）を含む、マグネシウムシリコン含有化合物の群の１つ以上を含む天然発生鉱物または合成材料を指し、それらの材料のそれぞれは、１つ以上の他の金属イオンおよび酸化物（例えば、カルシウム、アルミニウム、鉄またはマンガンの酸化物）、もしくはこれらのブレンド物を含んでもよく、または微量（１重量％）〜約５０重量％以上の範囲内の量の天然発生もしくは合成形態のケイ酸カルシウムを含んでもよい。
【００６５】
「石英」の語は、本明細書において用いられる場合、一般的な砂（建設および石工）、ならびにガラスおよび再生ガラスを含む、いずれかのＳｉＯ２系材料を指す。この語は、顕著な量のＳｉＯ２を含有するいずれかの他の再生天然および合成材料（例えば、ＫＡｌ２（ＡｌＳｉ３Ｏ１０（ＯＨ）２）の化学式でも表される雲母）も含む。
【００６６】
特定の好適な実施形態において、複数の結合要素は、ガス補助ＨＬＰＳプロセスによってＣＯ２とそれを反応させることにより、ガス補助ＨＬＰＳプロセスによってＣＯ２とそれらを反応させることにより、ケイ酸カルシウム粉末組成物から、化学変換により調製される。
【００６７】
特定の実施形態において、複合材料は、約９０ＭＰａ〜約１７５ＭＰａ（例えば、約９０ＭＰａ〜約１５０ＭＰａ、約９０ＭＰａ〜約１４０ＭＰａ、約９０ＭＰａ〜約１３０ＭＰａ、約９０ＭＰａ〜約１２０ＭＰａ、約９０ＭＰａ〜約１１０ＭＰａ、約１００ＭＰａ〜約１７５ＭＰａ、約１２０ＭＰａ〜約１７５ＭＰａ、約１３０ＭＰａ〜約１７５ＭＰａ、約１４０ＭＰａ〜約１７５ＭＰａ、約１５０ＭＰａ〜約１７５ＭＰａ、約１６０ＭＰａ〜約１７５ＭＰａ）の圧縮強度により特徴づけられる。
【００６８】
特定の実施形態において、複合材料は、約５ＭＰａ〜約３０ＭＰａ（例えば、約５ＭＰａ〜約２５ＭＰａ、約５ＭＰａ〜約２０ＭＰａ、約５ＭＰａ〜約１５ＭＰａ、約５ＭＰａ〜約１０ＭＰａ、約１０ＭＰａ〜約３０ＭＰａ、約２０ＭＰａ〜約３０ＭＰａ、約２５ＭＰａ〜約３０ＭＰａ）の曲げ強度により特徴づけられる。
【００６９】
特定の実施形態において、複合材料は、約１０％未満（例えば、約８％、５％、４％、３％、２％、または１％未満）の吸水率により特徴づけられる。
【００７０】
複合材料は、所望の質感、模様および物理特性、とくに天然石に特徴的なものの１つ以上を示し得る。特定の好適な実施形態において、複合材料は、天然石と同様の視覚的模様を示す。他の特徴は、色（例えば、黒、白、青、ピンク、（薄または濃）灰、緑、赤、黄、茶、シアン（青緑）または紫色）および質感を含む。
【００７１】
装置および処理について
ＣＯ２制御
記載される実施形態において、Ｐｒａｘａｉｒ，Ｉｎｃ．、Ｌｉｎｄｅ  ＡＧ、Ａｉｒ  Ｌｉｑｕｉｄｅ、等のような、さまざまな異なる工業ガス会社により提供される、約９９％純度の工業グレードＣＯ２が用いられる。この供給物は、大きな加圧保持タンクにおいて、約３００ＰＳＩＧの蒸気圧を維持するような温度に調節される液体二酸化炭素の形態で保持することができる。このガスは次にＣＯ２硬化エンクロージャまたはチャンバーまでパイプを通して送られる。もっとも簡単なシステムでは、ＣＯ２はエンクロージャを通って、エンクロージャ中の周囲空気を置換するのに十分な速度で流動する。一般には、パージ時間は、エンクロージャのサイズおよびＣＯ２ガスが供給される速度に応じて決まるだろう。多くのシステムでは、この空気のエンクロージャをパージするプロセスは、ＣＯ２濃度が合理的なレベルに達するまでの分で測定される時間で行うことができ、その後硬化を行うことができる。簡単なシステムでは、ＣＯ２ガスは次に、硬化反応を駆動するのに十分なＣＯ２の濃度を維持するように、所定の速度でシステム中に供給される。
【００７２】
１つの例として、我々はここで、もっとも高価な方法になりがちな「クローズドループ」プロセスであるが、非常に一定した濃度を保持するのに十分に適した、反応中の二酸化炭素濃度の維持方法について記載する。この方法は、システム中のＣＯ２濃度の測定値を直接用い、ＰＬＣのようなコントローラを用い、電子／自動制御弁でＣＯ２濃度を設定値に制御する。ＮＤＩＲのようなＣＯ２を直接測定する測定方法が好適には用いられるべきである。ＮＤＩＲ測定方法では、ガス試料ストリームは低流量ポンプによってシステムから取り出される。ＮＤＩＲ装置により試料が採取される前に、ガスストリームから湿気を除去するためチラーが用いられる。したがってアナライザにより提供される測定値は、ガスストリームの蒸気成分を欠いており、試験試料から除去された湿気を考慮するように調節する必要がある。システムガス流中の湿度の測定は、乾湿球湿度測定方法を用い、乾湿球湿度測定装置を用い、または異なるタイプの湿度センサを用いて行うことができる。真のＣＯ２濃度はコンピュータ制御システムまたはＰＬＣを用いて計算することができる。真のＣＯ２濃度が得られると、消費され、その時点で望ましい設定値を下回った場合、作動比例制御弁は、乾燥ＣＯ２をシステム中に添加することができる。さまざまな実施形態において、設定値は、複合材料試料についての、特定の硬化の組成、形状およびサイズにおける経験に基づき、必要に応じて、時間に伴い変動させることができる。
【００７３】
湿度制御
図９は本発明の原理による加湿をもたらすＣＯ２複合材料硬化チャンバーの概略図である。図９では、供給水が提供され、硬化チャンバー内を循環する雰囲気に水蒸気が添加される。水は飲料水のいずれかの便利な供給源とすることができる。いくつかの実施形態において、普通の水道水が用いられる。いくつかの実施形態において、水はミストノズルもしくは噴霧スプレーノズル、電気式蒸気発生器、ガス燃焼式蒸気発生器を通して流すことにより、またはチャンバーにおいてガス温度を超えて加熱し、液体供給水から蒸発させることにより、蒸気に変換することができ、例としては浸漬ヒーターを備えるドラム反応器がある。また別の実施形態において、流入ガスストリームの相対湿度を増加させるため、供給ＣＯ２は、加熱した供給水を通して気泡を生じさせた後、システム中に流入させることができ、例としては「フロースルー」または「オープンループ」処理用に構成したドラム反応器がある。
【００７４】
相対湿度は、従来のコンクリート硬化およびＣＯ２複合材料硬化の両方において、重要なパラメータである。従来の硬化チャンバーには、主に窒素、酸素、および水蒸気を含む湿った空気雰囲気が存在する。これらのシステムにおいて、相対湿度はほとんどの場合、標準的な静電容量センサ技術により測定される。しかしながら、ＣＯ２硬化チャンバーは、これらのセンサのいくつかのタイプとは非適合性である二酸化炭素を主成分とするガス雰囲気を有する。二酸化炭素および水蒸気の乾湿比を用いる乾湿球湿度測定方法、双極子分極水蒸気測定装置、鏡面冷却式湿度計または静電容量湿度センサのようなセンシング技術は、本明細書において記載されるＣＯ２複合材料硬化システムに用いることができる。
【００７５】
硬化させる製品のタイプおよび形状、チャンバーの設計、ならびにチャンバーにおける製品の充填効率に応じて、湿度は低下または上昇させ、特定の設定値に調整する必要があり得る。設定値は１％〜９９％の相対湿度の範囲内のいずれかであってもよい。単一のシステムに組み合わせることができるＣＯ２複合材料硬化プロセスには、３つの異なる湿度制御方法が存在し得る。ＣＯ２硬化システムの１つの実施形態における１つの加湿方法は図９に示される。別の方法は、システムから湿気を除去し、複合材料製品をＣＯ２で硬化させることを可能にする。相対湿度を低減する簡単な方法は、システム中の湿ったガスを乾いたガス、例えば二酸化炭素で置換することによる。また別の実施形態において、相対湿度を低減し、よって、非パージ方法によりガスから水蒸気を除去することができ、これは、１つの好適な実施形態では、水抽出を行う冷却した熱交換器である。
【００７６】
図１０は、本発明の原理により、複数の湿度制御方法を有し、一定の流量または圧力調整を用いてＣＯ２を制御および補充することができ、温度を制御することができる、硬化チャンバーの概略図である。このシステムは、クローズドループ制御またはフィードバックを用いる制御をもたらすことができるシステムの一例であり、プロセスサイクルにおける特定の時間で望ましいＣＯ２濃度、湿度、および温度のような作動パラメータの設定値が提供され、制御されるパラメータの実際値が所望値であるかどうかを確認するため測定値が得られる。所望値からの偏差が測定される場合、パラメータの値を所望値と一致させるように補正処理が行われる。こうした制御システムは高価かつ複雑となり得、高付加価値製品または非常に正確なプロセス条件を必要とする製品に関して有用であり得る。
【００７７】
温度制御
いくつかの実施形態において、温度は、熱電対またはＲＴＤのようなセンサを用いて測定される。測定信号は、熱交換器中に入るエネルギーを制御し、これにより時間に伴うシステム全体の温度を調節することができるコントローラまたはコンピュータに戻される。送風機は、熱エネルギーのガスへの移動を補助することができ、これは製品およびチャンバー自体へ移動し、これは試料の制御される湿気の重要な部分であるので、加熱システムの重要な構成要素である。加熱方法は電気またはガス燃焼式とすることができる。ジャケットヒーターを用い、加熱ジャケットに接したチャンバーを通って流れるＣＯ２の温度を制御してもよく、熱のいずれかの便利な供給源を用いることができる。外部加熱手段は、これらに限定されないが、電気加熱、熱水加熱、または熱油加熱を含んでもよい。ＣＯ２硬化チャンバーには、これまで間接ガス燃焼式システムが用いられ、直接燃焼式ガスバーナーは、燃焼空気および生成物をシステム中に引き込み、これによりＣＯ２を希釈し、ＣＯ２濃度の制御を困難にするので、回避されてきた。ドラム反応器のようないくつかのより小規模のシステムは、チャンバー内の加熱要素ではなく、電気ジャケットヒーターを用いてチャンバーの表面全体を加熱する。
【００７８】
ガス流制御
もう１つの制御パラメータは、システムにおいて硬化される材料にわたるガス流速である。ガス流速は、これらに限定されないが、チャンバー設計、バッフル設計、ファンサイズ、ファン速度／強度、ファンの個数、システム内の温度勾配、システム内のラック設計、およびシステム内の試料形状を含む、プロセス装置変数に非常に大きく依存し得る。チャンバー内のガス流速を制御するもっとも簡単な方法は、一般的には送風機モーター速度の制御を可能にする可変周波数ドライブの使用により行われる、送風機速度（ＲＰＭ）の調節による。送風機は硬化チャンバーにおいてガスを所望の流速で循環させるのに用いることができる。システム中のガス流速はシステムにおいて、これらに限定されないが、ピトー管測定およびレーザードップラー検出システムを含む、さまざまな異なる技術によって測定される。ガス流速の測定信号は、コンピュータシステムまたはプログラマブルロジックコントローラまで送り返し、硬化プロファイルにおける制御パラメータとして用いることができる。
【００７９】
複合材料の調製プロセス
複合材料の調製プロセスについて記載する。プロセスは：粒子状組成物および液体組成物を混合してスラリー混合物を形成するステップ；スラリーを型に流し入れる、型においてスラリーを押圧する、振動型においてスラリーを押圧する、スラリーを押出する、スラリーをスリップ形成する、またはコンクリート製造において一般的ないずれかの他の形状形成方法を用いることにより、スラリー混合物を所望の形状に形成するステップ；ならびに形成されたスラリー混合物を約２０℃〜約１５０℃の範囲内の温度で、約１時間〜約８０時間、水およびＣＯ２を含み、約周囲雰囲気圧〜周囲雰囲気圧の約５０ｐｓｉ超の範囲内の圧力を有し、約１０％〜約９０％の範囲内のＣＯ２濃度を有する蒸気下で硬化させ、質感および／または模様ならびに圧縮強度、曲げ強度、密度、分解抵抗、等に関連した所望の物理特性を示す複合材料を製造するステップを含む。
【００８０】
粒子状組成物は、約１μｍ〜約１００μｍの範囲内の中央粒径を有するケイ酸カルシウム粉末を含む。また、粒子状組成物は、約３μｍ〜約２５ｍｍの範囲内の中央粒径を有する炭酸カルシウムまたはＳｉＯ２含有材料粉末を含んでもよい。液体組成物は水を含み、水溶性分散剤を含んでもよい。
【００８１】
プロセスは、型に入れた混合物の硬化前に、型に入れた混合物を乾燥させるステップをさらに含むことができる。粒子状組成物は、本明細書において記載されるような顔料または着色料をさらに含む。
【００８２】
特定の実施形態において、形成されたスラリー混合物の硬化は約３０℃〜約１２０℃の範囲内の温度で、約１時間〜約７０時間、水およびＣＯ２を含み、約周囲雰囲気圧〜周囲雰囲気圧の約３０ｐｓｉ超の範囲内の圧力を有する蒸気下で行われる。
【００８３】
特定の実施形態において、形成されたスラリー混合物の硬化は約６０℃〜約１１０℃の範囲内の温度で、約１時間〜約７０時間、水およびＣＯ２を含み、約周囲雰囲気圧〜周囲雰囲気圧の約３０ｐｓｉ超の範囲内の圧力を有する蒸気下で行われる。
【００８４】
特定の実施形態において、形成されたスラリー混合物の硬化は約８０℃〜約１００℃の範囲内の温度で、約１時間〜約６０時間、水およびＣＯ２を含み、約周囲雰囲気圧〜周囲雰囲気圧の約３０ｐｓｉ超の範囲内の圧力を有する蒸気下で行われる。
【００８５】
特定の実施形態において、形成されたスラリー混合物の硬化は約６０℃以下の温度で、約１時間〜約５０時間、水およびＣＯ２を含み、周囲雰囲気圧を有する蒸気下で行われる。
【００８６】
例えば、いくつかの実施形態において、ケイ酸カルシウム粉末は、約１μｍ〜約１００μｍ（例えば、約１μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、２５μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、９０μｍ、１００μｍ）の中央粒径、約０．５ｇ／ｍＬ〜約３．５ｇ／ｍＬ（ルーズ、例えば、０．５ｇ／ｍＬ、１．０ｇ／ｍＬ、１．５ｇ／ｍＬ、２．０ｇ／ｍＬ、２．５ｇ／ｍＬ、２．８ｇ／ｍＬ、３．０ｇ／ｍＬ、３．５ｇ／ｍＬ）および約１．０ｇ／ｍＬ〜約１．２ｇ／ｍＬ（タップ）のかさ密度、約１５０ｍ２／ｋｇ〜約７００ｍ２／ｋｇ（例えば、１５０ｍ２／ｋｇ、２００ｍ２／ｋｇ、２５０ｍ２／ｋｇ、３００ｍ２／ｋｇ、３５０ｍ２／ｋｇ、４００ｍ２／ｋｇ、４５０ｍ２／ｋｇ、５００ｍ２／ｋｇ、５５０ｍ２／ｋｇ、６００ｍ２／ｋｇ、６５０ｍ２／ｋｇ、７００ｍ２／ｋｇ）のブレーン表面積を有する。
【００８７】
特定の好適な実施形態において、液体組成物は、水および液体組成物の約０．１％〜約２％ｗ／ｗの濃度を有するポリマー塩（例えば、アクリル酸ホモポリマー塩）を含む水溶性分散剤を含む。
【００８８】
本明細書に開示されるプロセスにより調製される複合材料は、約３．０ＭＰａ〜約３０．０ＭＰａ（例えば、約３ＭＰａ、５ＭＰａ、１０ＭＰａ、１５ＭＰａ、２０ＭＰａ、２５ＭＰａ、３０ＭＰａ）の圧縮強度および約０．３ＭＰａ〜約４．０ＭＰａ（例えば、約０．３ＭＰａ、０．５ＭＰａ、１．０ＭＰａ、１．５ＭＰａ、２．０ＭＰａ、２．５ＭＰａ、３．０ＭＰａ、３．５ＭＰａ、４．０ＭＰａ）の曲げ強度を示すことができる。
【００８９】
複合材料から製造される１つ以上の製品についても記載する。
【００９０】
例えば、ＣＳ（ウォラストナイトまたは擬ウォラストナイト、ＣａＳｉＯ３またはＣａＯ・ＳｉＯ２の化学式でも表される）、Ｃ３Ｓ２（ランキナイト、Ｃａ３Ｓｉ２Ｏ７または３ＣａＯ・２ＳｉＯ２の化学式でも表される）、Ｃ２Ｓ（ベライト、β−Ｃａ２ＳｉＯ４、ラルナイト、β−Ｃａ２ＳｉＯ４、ブレディガイト、α−Ｃａ２ＳｉＯ４またはγ−Ｃａ２ＳｉＯ４、Ｃａ２ＳｉＯ４または２ＣａＯ・ＳｉＯ２の化学式でも表される）、およびケイ酸カルシウムに富む非晶相から形成されるケイ酸カルシウム組成物粒子を含む、いずれかの適切な前駆体材料を用いてもよい。カルシウムカチオンはケイ酸カルシウム組成物粒子から浸出し、ケイ酸カルシウム組成物粒子の周縁部はカルシウム欠乏状態に変わると考えられる。カルシウムカチオンが粒子の周縁部から浸出し続けると、周縁部の構造はやがて不安定となって分解し、これにより粒子のカルシウム欠乏周縁部は主にシリカに富む第１層に変わる。一方、炭酸カルシウムを主成分とする第２層は水から沈殿する。
【００９１】
より具体的には、第１層および第２層は、水を試薬としてではなく、反応媒体として用いることができる（すなわち、水が消費されない）、下記反応（１〜３）により前駆体粒子から形成してもよい：
ＣａＳｉＯ３（ｓ）＋ＣＯ２（ｇ）→ＣａＣＯ３（ｓ）＋ＳｉＯ２（ｓ）（１）
Ｃａ３Ｓｉ２Ｏ７（ｓ）＋３ＣＯ２（ｇ）→３ＣａＣＯ３（ｓ）＋２ＳｉＯ２（ｓ）（２）
Ｃａ２ＳｉＯ４（ｓ）＋２ＣＯ２（ｇ）→２ＣａＣＯ３（ｓ）＋ＳｉＯ２（ｓ）（３）
【００９２】
例えば、ケイ酸カルシウム組成物とのようなケイ酸塩鉱物炭酸化反応において、ＣＯ２は、水のような、浸透流体中に溶解する気相として導入される。ＣＯ２の溶解は、溶液中のｐＨの低下をもたらす酸性炭酸種（例えば炭酸、Ｈ２ＣＯ３）を形成する。弱酸性溶液はケイ酸カルシウム相からのカルシウム種をインコングリュエント（不一致）に溶解させる。カルシウムは同様のメカニズムによってカルシウム含有非晶相から浸出し得る。放出されたカルシウムカチオンおよび分離された炭酸塩種は、不溶性炭酸塩の沈殿をもたらす。シリカに富む層はカルシウム欠乏層として鉱物粒子上に残ると考えられる。
【００９３】
よって、本発明の好適な実施形態によると、ＣＯ２はケイ酸カルシウム組成物前駆体コアのカルシウムカチオンと優先的に反応し、これにより前駆体コアの周縁部はシリカに富む第１層および炭酸カルシウムに富む第２層に変わる。また、コア上の第１および第２層の存在は、ケイ酸カルシウムおよび二酸化炭素の間のさらなる反応に対するバリアとして作用し、コア、第１層および第２層を有する結合要素をもたらす。
【００９４】
いくつかの実施形態において、Ｃａに加えて、またはＣａ以外の金属を有するケイ酸塩材料、例えばフォルステライト（Ｍｇ２ＳｉＯ４）、ジオプサイド（ＣａＭｇＳｉ２Ｏ６）、およびタルク（Ｍｇ３Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）２）は水に溶解した二酸化炭素と、上述したような、ケイ酸カルシウムの反応と同様に反応することができる。こうしたケイ酸塩材料は、本発明の原理により結合要素の前駆体として、単独で、組み合わせて、および／またはケイ酸カルシウムと組み合わせて用いることができると考えられる。
【００９５】
好適には、ガス補助ＨＬＰＳプロセスは、ガス拡散により、溶解したＣＯ２で多孔質予備成形物を急速に浸透させ、細孔中の薄い液体界面溶媒膜を飽和させることを可能にするように、部分的に浸透した細孔空間を用いる。ＣＯ２系種は純水中での低い溶解度（２５℃、１ａｔｍでの１．５ｇ／Ｌ）を示す。よって、顕著な炭酸塩変換を可能にするため、実質的な量のＣＯ２は多孔質予備成形物に継続的に供給し、その全体を通して分布させなければならない。気相拡散を用いると、液相での同等の時間での可溶性ＣＯ２の拡散に対して拡散長が大幅に（約１００倍）増加する。（“Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  ｐｈｙｓｉｃｓ”，Ｅｄｉｔｏｒ：Ｄ．Ｒ．Ｌｉｄｅ，Ｃｈａｐｔｅｒｓ  ６  ａｎｄ  ８，８７ｔｈ  Ｅｄｉｔｉｏｎ  ２００６−２００７，ＣＲＣ）この部分浸透状態は、固定時間での高度の炭酸化までの反応の進行を可能にする。
【００９６】
細孔中の液体水は、炭酸およびカルシウム種両方のイオン化の媒体をもたらすので、反応速度を加速させる。しかしながら、水レベルは、ＣＯ２ガスが細孔結合水相での溶解前に多孔質マトリックス中に拡散することができるように、十分に低い必要がある。さらに、多孔質予備成形物の積極的な溶解は膨張反応性結晶成長のテンプレートとして作用する。よって、結合要素およびマトリックスは、最小限の歪みおよび残留応力で形成することができる。これは、多数の他の用途に加えて、インフラストラクチャーおよび建築材料に必要なもののような、大きく複雑な形状をもたらすことを可能にする。
【００９７】
よって、さまざまな反応温度、圧力および反応の長さを含む、硬化条件のさまざまな組み合わせは、所望の製造プロセスを達成するように考案され得る。第１の例となる実施形態において、水は前駆体材料中に（例えば、以前の混合ステップからの残留水として）存在し、液体水はＣＯ２とともに（例えば、水レベルを維持および／または蒸発からの水の損失を制御するため）前駆体材料に提供され、硬化プロセスは約９０℃および約２０ｐｓｉｇ（すなわち、周囲圧力の２０ｐｓｉ超）で約２〜９０時間の範囲内の時間行われる。
【００９８】
第２の例となる実施形態において、水は前駆体材料中に（例えば、以前の混合ステップからの残留水として）存在し、水蒸気はＣＯ２とともに（例えば、水レベルを維持および／または蒸発からの水の損失を制御するため）前駆体材料に提供され、硬化プロセスは約９０℃および約２０ｐｓｉｇ（すなわち、周囲圧力の２０ｐｓｉ超）で約２〜９０時間の範囲内の時間行われる。
【００９９】
第３の例となる実施形態において、水は前駆体材料中に（例えば、以前の混合ステップからの残留水として）存在し、水蒸気はＣＯ２とともに（例えば、水レベルを維持および／または蒸発からの水の損失を制御するため）前駆体材料に提供され、硬化プロセスは約２５〜９０℃および０ｐｓｉｇ（周囲雰囲気圧）で約２〜７２時間行われる。
【０１００】
上記実施形態において、複合材料対象の硬化に必要な時間は、水蒸気およびＣＯ２ガスの対象全体を通した拡散能力により決まる。一般には、厚い対象は、薄い材料より硬化させるのに長い時間がかかる。同様に、高密度（およびより少ない開放細孔空間）を有する対象は、低密度（およびより多い開放細孔空間）を有する対象より硬化させるのに長い時間がかかる。下記の表は、どのように硬化時間が製造される対象の３つの寸法の最小厚さ（または壁厚さまたは断面厚さ）およびかさ密度に対して変動し得るかの例を提供する。
【０１０１】
【表２】
0006479805.tif 000003
【０１０２】
製造された微細構造物について
図１１（ａ）〜１１（ｃ）において概略的に示されるように、結合要素は、コア（黒い内側部分で表される）、第１層（白い中央部分で表される）および第２またはカプセル化層（外側部分で表される）を含む。第１層は単一の層または複数の副層を含んでもよく、コアを完全にまたは部分的に覆ってもよい。第１層は結晶相、非晶相またはこれらの混合物で存在してもよく、連続相または離散粒子として存在してもよい。第２層は単一の層または複数の副層を含んでもよく、また第１層を完全にまたは部分的に覆ってもよい。第２層は複数の粒子を含んでもよく、または最小限の離散粒子での、連続相であってもよい。
【０１０３】
結合要素は、意図される用途に応じて、いずれかのサイズおよびいずれかの規則的または不規則的な、中身の詰まった、または中空の形態を示し得る。例となる形態としては：立方体、直方体、角柱、円盤、角錐、多面体または多面粒子、円柱、球、円錐、輪、管、三日月状、針、繊維、長繊維、薄片、球、亜球、ビーズ状、ブドウ状、顆粒、楕円、棒、波紋、等が挙げられる。
【０１０４】
一般には、本明細書においてより詳述されるように、結合要素は、変換プロセスを通して反応性前駆体材料（例えば、前駆体粒子）から製造される。前駆体粒子は、意図される用途のニーズを満たす限り、いずれかのサイズおよび形状を有してもよい。変換プロセスは一般的には、前駆体粒子の同様のサイズおよび形状を有する対応する結合要素をもたらす。
【０１０５】
結合マトリックス内では、結合要素は、互いに対して、多数の配向のいずれか１つに配置してもよい。図１２（ａ）〜１２（ｆ）は、結合要素間の間隔により表されるように、場合によっては充填剤材料の組み込みにより希釈された、異なる配向の繊維または平板形状結合要素を含む、例となる結合マトリックスを概略的に示す。図１２（ａ）は、例えば、一方向（「１−Ｄ」）配向に整列（例えば、ｘ方向に対して整列）した繊維形状結合要素を含む結合マトリックスを示す。図１２（ｂ）は、二方向（「２−Ｄ」）配向に整列（例えば、ｘおよびｙ方向に対して整列）した平板形状結合要素を含む結合マトリックスを示す。図１２（ｃ）は、三方向（「３−Ｄ」）配向に整列（例えば、ｘ、ｙおよびｚ方向に対して整列）した平板形状結合要素を含む結合マトリックスを示す。図１２（ｄ）は、結合要素がいずれの特定の方向に対しても整列していない、ランダム配向の平板形状結合要素を含む結合マトリックスを示す。図１２（ｅ）は、３−Ｄ配向に整列した比較的高濃度の平板形状結合要素を含む結合マトリックスを示す。図１２（ｆ）は、ランダム配向（浸透ネットワーク）に配置された比較的低濃度の平板形状結合要素を含む結合マトリックスを示す。図１２（ｆ）の複合材料は、材料の端から端まで接触の連続ネットワークが形成されるように結合要素の大部分が互いに接触しているため、浸透閾値を達成する。浸透閾値は、これを超えると結合要素が規則的な配向、例えば、図１２（ｅ）、またはランダムな配向、例えば、図１２（ｆ）の結合要素との長距離結合を示す、臨界濃度である。結合パターンの例については、例えば、Ｎｅｗｎｈａｍ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ  ａｎｄ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ−ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ”，Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｂｕｌｌ．ｖｏｌ．１３，ｐｐ．５２５−５３６，１９７８を参照することができる。
【０１０６】
複数の結合要素は、いずれかの適切な前駆体材料から、例えば、いずれかの適切なケイ酸カルシウム組成物前駆体から、化学的に変換してもよい。前駆体ケイ酸カルシウム組成物は、アルミニウム、マグネシウムおよび鉄の１つ以上の化学元素も含んでもよい。
【０１０７】
複数の結合要素は、所望の複合材料に応じて、いずれかの適切な中央粒径および粒径分布を有してもよい。特定の実施形態において、複数の結合要素は、約１μｍ〜約１００μｍ（例えば、約１μｍ〜約８０μｍ、約１μｍ〜約６０μｍ、約１μｍ〜約５０μｍ、約１μｍ〜約４０μｍ、約１μｍ〜約３０μｍ、約１μｍ〜約２０μｍ、約１μｍ〜約１０μｍ、約５μｍ〜約９０μｍ、約５μｍ〜約８０μｍ、約５μｍ〜約７０μｍ、約５μｍ〜約６０μｍ、約５μｍ〜約５０μｍ、約５μｍ〜約４０μｍ、約１０μｍ〜約８０μｍ、約１０μｍ〜約７０μｍ、約１０μｍ〜約６０μｍ、約１０μｍ〜約５０μｍ、約１０μｍ〜約４０μｍ、約１０μｍ〜約３０μｍ、約１０μｍ〜約２０μｍ）の範囲内の中央粒径を有する。
【０１０８】
いくつかの場合、複合材料は：複数の結合要素および複数の充填剤粒子を含む。各結合要素は：主にケイ酸カルシウムを含むコア、シリカに富む第１または内層、および炭酸カルシウムに富む第２または外層を含む。複数の結合要素および複数の充填剤粒子はともに１つ以上の結合マトリックスを形成し、結合要素および充填剤粒子はその中で実質的に均一に分散し、互いに結合し、これにより複合材料は１つ以上の質感、模様および物理特性を示す。いくつかの場合、結合要素は、ケイ酸マグネシウムのコア、ならびにシリカに富む第１または内層、および炭酸マグネシウムに富む第２または外層を有してもよい。ケイ酸マグネシウムはアルミニウム、カルシウム、鉄またはマンガンの酸化物を含むことができる。
【０１０９】
複数の充填剤粒子は、いずれかの適切な中央粒径および粒径分布を有してもよい。特定の実施形態において、複数の充填剤粒子は、約５μｍ〜約７ｍｍ（例えば、約５μｍ〜約５ｍｍ、約５μｍ〜約４ｍｍ、約５μｍ〜約３ｍｍ、約５μｍ〜約２ｍｍ、約５μｍ〜約１ｍｍ、約５μｍ〜約５００μｍ、約５μｍ〜約３００μｍ、約２０μｍ〜約５ｍｍ、約２０μｍ〜約４ｍｍ、約２０μｍ〜約３ｍｍ、約２０μｍ〜約２ｍｍ、約２０μｍ〜約１ｍｍ、約２０μｍ〜約５００μｍ、約２０μｍ〜約３００μｍ、約１００μｍ〜約５ｍｍ、約１００μｍ〜約４ｍｍ、約１００μｍ〜約３ｍｍ、約１００μｍ〜約２ｍｍ、約１００μｍ〜約１ｍｍ）の範囲内の中央粒径を有してもよい。
【０１１０】
特定の好適な実施形態において、充填剤粒子は、石灰石（例えば、石灰石粉末）のような炭酸カルシウムに富む材料から製造される。特定の材料において、充填剤粒子は、石英、雲母、花崗岩、および長石（例えば、石英粉末、雲母粉末、花崗岩粉末、長石粉末）のようなＳｉＯ２系またはケイ酸塩系材料の１つ以上から製造される。
【０１１１】
特定の実施形態において、充填剤粒子は、ガラス、再生ガラス、石炭スラグ、炭酸カルシウムに富む材料および炭酸マグネシウムに富む材料のような天然、合成および再生材料を含んでもよい。
【０１１２】
（結合要素：充填剤粒子）の重量比は、所望の複合材料に応じて、いずれかの適切な比、例えば、約（１０〜５０）：約（５０〜９０）の範囲内であってもよい。
【０１１３】
特定の実施形態において、これらの複合材料は、さまざまな模様、質感および他の特徴、例えばさまざまな色の視覚的模様を示してもよい。また、本発明の複合材料は、従来のコンクリートまたは対応する天然材料と同様の圧縮強度、曲げ強度および吸水特性を示す。
【０１１４】
特定の実施形態において、複合材料は顔料をさらに含む。顔料は、所望の複合材料に応じて、結合マトリックス中で均一に分散または実質的に不均一に分散させてもよい。顔料は、例えば、さまざまな金属の酸化物（例えば、酸化鉄、酸化コバルト、酸化クロム）を含む、いずれかの適切な顔料であってもよい。顔料は、例えば、黒、白、青、灰、ピンク、緑、赤、黄および褐色から選択される、いずれかの１つ以上の色を有してもよい。顔料は、所望の複合材料に応じて、いずれかの適切な量、例えば、約０．０重量％〜約１０重量％（例えば、約０．０％〜約８％、約０．０％〜約６％、約０．０％〜約５％、約０．０％〜約４％、約０．０％〜約３％、約０．０％〜約２％、約０．０％〜約１％、約０．０％〜約０．５％、約０．０％〜約０．３％、約０．０％〜約０．２％、約０．０％〜約０．１％）の範囲内の量で存在してもよい。
【実施例】
【０１１５】
実施例１：合成ウォラストナイトを用いて製造される気泡複合材料
（原材料）
合成ウォラストナイト（ＳＣ−Ｃ２）、Ｄｏｎｇｈａｉ  Ｇｏｌｄｅｎ  Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ、東海、中国；酸化カルシウム、オースティン、テキサス州（Ｃａｐｉｔｏｌ  Ｂｒａｎｄ）；アルミニウムペースト、Ｅｃｋｒａｔ  Ａｍｅｒｉｃａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、ニュージャージー州；Ｇｌｅｎｉｕｍ  ７５００、ＢＡＳＦ、ニュージャージー州；充填剤材料およびグルコン酸塩、複数の供給業者
【０１１６】
【表３】
0006479805.tif 000004
（混合手順）
１：液体成分のすべてを実験室規模のミキサー中に測り入れる。
２：０．０１６ｋｇの粘度調整混和剤（Ｇｌｅｎｉｕｍ  ７５００）を水中に添加し、穏やかに撹拌する。
３：８．６３０ｋｇの第１固体成分、合成ウォラストナイト（ＳＣ−Ｃ２）を湿潤混合物中に測り入れる。
４：０．７０２ｋｇの第２固体成分、石灰（酸化カルシウム）をミキサー中に測り入れ、２つの成分を約４０ＲＰＭで均一なスラリーが形成されるまで５分間以上混合する。
５：残った０．００５ｋｇのグルコン酸塩をスラリー中に測り入れ、混合を同じ速度で約２分間継続する。
６：０．０２８ｋｇのアルミニウムペースト（最後の固体成分）をスラリー中に測り入れ、混合をより低いｒｐｍ速度（３０ＲＰＭ）で約３０秒間継続した後、さらに３０秒の混合をより高いｒｐｍ速度（５０ＲＰＭ）で行う。これは湿潤混合物を形成する。
（型入れ手順）
１：湿潤混合物および型の内面の間の摩擦を低下させるとともに、脱型中に湿潤混合物が型の表面に粘着する可能性を回避するため、各型の内面をＷＤ−４０またはグリースを用いて潤滑する。
２：湿潤混合物をミキサーから型中に型の約半分の高さまで注ぐ。ほとんどの場合、外部振動は必要ないが；型のサイズが小さい場合、混合物を均すのにわずかな震盪または撹乱が必要である。
３：湿潤混合物を入れた型を反応のため予備硬化チャンバーに移す。
（硬化手順）
１：試料を６０℃および０．３ｐｓｉのＣＯ２ガスに設定した予備硬化チャンバー中で３時間反応させる。
２：３時間の硬化後、試料を予備硬化チャンバーから取り出し、脱型し、直径７ｆｔ、長さ１２ｆｔ、水平な硬化チャンバー内に入れる。硬化チャンバーはＣＯ２ガスで１２分間パージする。硬化チャンバーの温度を次に６０℃に設定し、７０℃の熱水を硬化チャンバーの底部で循環させ、チャンバーの水蒸気での飽和を保持する。硬化チャンバー内の試料を次にこれらの条件下で２０時間硬化または反応させ、凝結または硬化セラミック体を形成する。
３：硬化した試料を次に硬化チャンバーから取り出す。試料を次に乾燥オーブンに入れ、９０℃に設定し、残留水をすべて除去する。反応度を反応中の重量増加に基づいて計算する。表３に記載された混合物割合を用いて調製された試料について、反応度は、アルミニウムの結合剤および石灰との完全反応を想定して、約４０％〜約６０％であった。
【０１１７】
写真：図１３は、合成ウォラストナイトを用いて製造された切断気泡コンクリート試料（例示目的で４インチ×４インチ×４インチ）の一例を示す。
【０１１８】
性能特性：
予備試験および配合試験から、気泡コンクリートは原材料および前記プロセスを用い、最大４ＭＰａの対応する圧縮強度のため約５２５〜７２５ｋｇ／ｍ３の最小密度を有して製造された。また、最大５．０ＭＰａの圧縮強度は約８５０ｋｇ／ｍ３の密度について示された。これらの密度および圧縮強度は気泡コンクリートには一般的であるが、特定の強度クラスに基づくこれらの材料の分類は限定されている。反応条件は、向上した機械および性能特性を達成するように、さらに最適化することができる。
【０１１９】
材料性能の評価のためのいくつかの試験を行うのに用いられる試料の寸法は、２インチおよび４インチの立方体、ならびに４インチ×４インチ×１４インチの角柱試料である。
【０１２０】
本明細書および添付の特許請求の範囲において、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、とくに文脈で明示されない限り、複数形を含む。
【０１２１】
別途定義されない限り、本明細書において用いられるすべての技術および科学用語は、当業者により一般的に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に記載されるものと同様または同等のいずれかの方法および材料も本開示の実施または教示において用いることができるが、好適な方法および材料がここで記載される。本明細書に引用される方法は、開示される特定の順序に加えて、論理的に可能であるいずれかの順序で行ってもよい。
【０１２２】
（参照による組み入れ）
本開示では、特許、特許出願、特許公報、雑誌、書籍、論文、ウェブコンテンツのような、他の文献の参照および引用が行われている。すべてのこうした文献は、これによりそれらの全開示が本明細書に参照により組み入れられる。本明細書に参照により組み入れられると記載されるが、現行の定義、説明、または本明細書において明記される他の開示資料と矛盾するいずれかの資料、またはその一部は、組み入れられる資料および本開示資料の間で矛盾が起こらない程度までのみ組み入れられる。矛盾が生じる場合、その矛盾は好適な開示として本開示を優先して解決されるものとする。
【０１２３】
（同等物）
本明細書に開示される代表的な実施例は、本発明の例示を補助することを意図し、本発明の範囲を限定することを意図せず、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。実際、本明細書において図示および記載されるものに加えて、本発明およびその多数のさらなる実施形態のさまざまな変更は、当業者には、記載される実施例および本明細書に引用される科学および特許文献の参照を含む、本明細書の全内容から明らかとなるだろう。記載される実施例は、そのさまざまな実施形態における本発明およびその同等物の実施に適合させることができる、重要な追加情報、適例および手引きを含む。
【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１２−１】
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【図１２−２】
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【図１３】
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