(57)【要約】【課題】静止した空気の熱伝導率以下である疎水性を有しかつ細孔を有する高性能な断熱材を、その断熱性能を悪化させずに、バインダにより固形化すること。【解決手段】熱伝導率が静止空気以下であるシリカキセロゲルのシリカ二次粒子３や無機バインダ７を水溶性バインダ粒子８で結合させ、その後水溶性バインダ粒子８を除去することにより、無機バインダ粒子がシリカ二次粒子３同士を結着させ固形化することができ、固形化した断熱材の熱伝導率を静止空気の熱伝導率以下に抑え、さらに高耐熱性を実現することができる。【選択図】　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
疎水性であり、かつ細孔を有する素断熱材と、水溶性バインダとを備え、熱伝導率が静止した空気の熱伝導率以下である固形断熱材。
【請求項２】
繊維状フィラーを有する請求項１記載の断熱材。
【請求項３】
疎水性を有しかつ細孔を有する素断熱材と水溶性バインダとを混合し混合物を作製する混合工程と、前記混合物に水を添加し混練し混練物を作製する混練工程と、前記水と前記水溶性バインダを除去する除去工程とを有し、前記混合工程または前記混練工程のいずれかの工程で、無機バインダを添加する固形断熱材の製造方法。
【請求項４】
混練工程と除去工程との間に、混練物の形状を変化させる加工工程を有する請求項３記載の固形断熱材の製造方法。
【請求項５】
素断熱材が、シリカキセロゲルである請求項１または２に記載の固形断熱材。
【請求項６】
素断熱材が、シリカキセロゲルである請求項３または４に記載の固形断熱材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、断熱材の断熱性能を悪化させることなく、固形化した断熱材と、固形化するための固形化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
疎水性かつ細孔を有する断熱材としては、エアロゲルやキセロゲルとよばれる断熱材表面や、シラスバルーンの表面にメチル基などの疎水基を修飾したものがある。図５は、各種断熱材の温度と熱伝導率の関係を示したものである。
これら断熱材の中でも、キセロゲルは静止空気より熱伝導率が小さく、非常に断熱性能が高い断熱材である。そして、断熱性の高いキセロゲルは通常、粉末状から粒状で作製されることが多い。従来の粉末状断熱材の使用方法としては、不織布などを袋状にしたものや、箱型に成形した樹脂容器や金属容器に詰めて使用する方法などがあるが、複雑な形に成形できない問題や、金属容器自身を伝ってもれる熱の問題などがある。
【０００３】
これらの課題を解決するために、断熱材を固形化し、用いる方法がある。従来の疎水性を有する断熱材の固形化方法としては、例えば特表平１０−５０８０４９号公報に記載されているようなものがあった。これによると、エアロゲル（キセロゲル含む）という高性能な疎水性断熱材を、有機ポリマーまたは無機バインダを用いて固形化を行い、３２〜４６ｍＷ／ｍ・Ｋ程度の熱伝導率をもつ固形化した断熱材を実現している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術で用いている方法では、断熱材表面が疎水性であるので、断熱材がバインダ分散水溶液をはじいてしまい、バインダの分散性を低下させ、固形化することが極めて困難であった。また、界面活性剤を入れることや溶剤に分散させることにより、断熱材表面とバインダ分散溶液を濡れやすくするが、界面活性剤を含んだ溶液や溶剤がエアロゲル内部の細孔部まで入り込み、細孔を破壊してしまい、固形化後の断熱性能を悪化させるという課題を有していた。
【０００５】
さらに、従来方法では多量のバインダを用いていないと固形化できなかったため、固形化後の断熱性能が非常に悪いという課題もあった。
【０００６】
本発明は、前記従来技術の課題を解決するもので、断熱材の断熱性能をほとんど悪化させることなく、断熱材を固形化する固形化方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明は、疎水性であり、かつ細孔を有する素断熱材と、水溶性バインダとを備え、熱伝導率が静止した空気の熱伝導率以下である固形断熱材であり、高性能な断熱材の断熱性能を悪化させることなく、固形化しているので、取り扱いにくい粉末状の断熱材を固形化したり、強度の弱い断熱材をいったん粉末状にした後に強固に固形化したりすることができる。またバインダは無機バインダであるので、耐熱性の高い固形化した断熱材を実現できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、疎水性であり、かつ細孔を有する素断熱材と、水溶性バインダとを備え、熱伝導率が静止した空気の熱伝導率以下である断熱材としたもので、高性能な断熱材の断熱性能を悪化させることなく、固形化しているので、取り扱いにくい粉末状の断熱材を固形化したり、強度の弱い断熱材をいったん粉末状にした後に強固に固形化したりすることができる。またバインダは無機バインダであるので、耐熱性の高い固形化した断熱材を実現できる。
【０００９】
また、請求項２記載の発明は、特に請求項１記載の発明において、繊維状フィラーを有したもので、フィラーを介して素断熱材粒子同士を結合させることができるため、断熱性能悪化の原因となるバインダ量を減らした、より強固に固形化された断熱材を実現することができる。
【００１０】
また、請求項３記載の発明は、疎水性を有しかつ細孔を有する素断熱材と水溶性バインダとを混合し混合物を作製する混合工程と、前記混合物に水を添加し混練し混練物を作製する混練工程と、前記水と前記水溶性バインダを除去する除去工程とを有し、前記混合工程または前記混練工程のいずれかの工程で、無機バインダを添加する固形断熱材の製造方法であり、水溶性バインダを用いることにより、無機バインダの分散性を上げるので、細孔を破壊せずに高い断熱性を維持したまま固形化することができる。また、水溶性バインダを例えば燃焼させることにより除去することで、熱伝導率が静止した空気の熱伝導率以下である高耐熱性の固形化した断熱材を実現できる。
【００１１】
また、請求項４記載の発明は、特に請求項３記載の発明において、混練工程と除去工程との間に、混練物の形状を変化させる加工工程を有したもので、水溶性バインダを用いることにより、無機バインダの分散性を上げるので、細孔を破壊せずに高い断熱性を維持したまま固形化することができる。その際、水を添加後の混練物は粘土状であり、自由に形状を変化させることができるので、目的の形状に加工した熱伝導率が静止した空気の熱伝導率以下である高耐熱性の固形化した断熱材を実現できる。
【００１２】
また、請求項５記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、素断熱材を、シリカキセロゲルとしたもので、シリカキセロゲル自身が高い断熱性を持つ断熱材であり、固形化した高性能な断熱材を実現でき、断熱材が必要とされる様々なところへ応用することができる。
【００１３】
また、請求項６記載の発明は、請求項３または４に記載の発明において、素断熱材を、シリカキセロゲルとしたもので、シリカキセロゲル自身が高い断熱性を持つ断熱材であり、固形化した高性能な断熱材を実現でき、断熱材が必要とされる様々なところへ応用することができる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１５】
（実施例１）
以下、本発明の第一の実施例を図１〜４に基づいて説明する。
疎水性かつ細孔を有する素断熱材としては、エアロゲルやキセロゲルとよばれる断熱材表面やシラスバルーンの表面にメチル基などの疎水基を修飾したもの等があるが、本実施例では疎水性かつ細孔を有する素断熱材の代表としてキセロゲルで説明を行う。疎水性エアロゲルやシラスバルーンを用いても、同様の効果が得られる。
【００１６】
各種断熱材の中でも、キセロゲルは静止空気より熱伝導率が小さく、非常に断熱性能が高い断熱材である。特に高断熱性のキセロゲル作製時には、その特性上、粒状もしくは粉状のキセロゲルで作製されることが多い。このキセロゲル作製時の乾燥工程において、超臨界乾燥を用いて作製したキセロゲルは、エアロゲルと称され、バルク体を作製することが可能であるが、その強度は非常に弱いため、実用的ではない。
【００１７】
次に、キセロゲルについて図１を用いて簡単に説明する。キセロゲルは、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、ある条件下でゲル化させ、内部の溶媒を蒸発乾燥させたものである。通常、熱風乾燥させたものは、溶媒が乾燥するときに発生する表面張力により、ゲル内部の細孔が収縮してしまい断熱材としては機能しない。しかしながら、超臨界乾燥させたものや、ゲル表面を疎水化し、さらに溶媒をトルエンやアセトンやヘキサンやポリプロピルアルコールなど表面張力の小さい溶媒に置換し、熱風乾燥させたものは、表面張力がほとんど働かず、図１に示すように１〜１０ｎｍ程度の径をもつシリカ一次粒子１が集合し、２０〜１００ｎｍ程度の粒子間距離２をもった集合体となる。
【００１８】
したがって、この粒子間距離２が細孔を形成し、多孔質体となる。この２０〜１００ｎｍが空気分子の平均自由行程と同程度の大きさであるため、空気分子間の衝突による熱伝導が小さくなり、キセロゲルは高い断熱性能を示す。そして、これら一次粒子の集合体が１μｍ〜２０ｍｍ程度の二次粒子を形成する。これが、粉状もしくは粒状の断熱材となる。
【００１９】
次に、粉末状の疎水性で多孔質な断熱材の固形化方法と固形化された断熱材について図２を用いて説明する。本実施例では、粉末状の疎水性で多孔質な断熱材として、シリカキセロゲル（以下、単にキセロゲルという）を用いた。
水分散型や溶剤系のバインダは接着力に優れ、手軽に粉末状物質を固形化することができるが、これらのバインダを用いて、キセロゲルを高い断熱性能を維持したまま固形化することは非常に難しい。なぜならば、溶剤系のバインダを用いると、溶剤に溶けたバインダが、細孔に浸入してしまい、断熱性能を悪化させる。また、石膏やケイ酸ソーダ、リン酸ソーダなど無機バインダを水に分散させた分散水溶液は、粘性が水とほぼ同程度と低いため、キセロゲルが水をはじいてしまい、混合できないからである。
【００２０】
したがって、図２のように、予め水溶性バインダ粒子４とキセロゲルのシリカ二次粒子３、石膏やケイ酸ソーダ、リン酸ソーダ、トリポリリン酸ソーダ、水ガラスなどの無機バインダ粒子５を均一に混合させておき、水を添加させながら混練することにより、図３のような状態を作り出し、水分を除去することで固形化することができる。ここで、キセロゲルと水溶性バインダと無機バインダと水との混合物の状態は、粘土状であるので、この時に自由に形作ることができ、目的とする形状に加工しておくことができる。また、無機バインダの添加は、キセロゲルと水溶性バインダを混合するとき、もしくは水を添加させるとき、もしくは混練時のいずれでも良い。
【００２１】
そして次に、水溶性バインダが有機物の場合、水溶性バインダを例えば燃焼により、除去することで粉末状のキセロゲルを無機バインダで固形化した断熱材を実現できる。これにより、耐熱性が３００℃〜５００℃と非常に高い耐熱性と、高い断熱性を併せ持つ固形化した断熱材を実現できる。
混合方法としては、キセロゲルと水溶性バインダあるいは無機バインダとを同じ容器に混合し、ミキサーまたはミックスロータなどを用い、できるだけ均一になるように混合させる。
【００２２】
また、混練方法は、キセロゲルと水溶性バインダあるいは無機バインダを練ることができれば、特に限定しない。添加する水の量は特に限定しないが、なるべく少ない方がよい。これは水の量が多すぎると、水を除去するときに気泡が残り、断熱性能悪化につながるからである。
【００２３】
水溶性バインダの種類については特に限定しないが、好ましくは、水への溶解度が大きいもの、溶解した水溶液の粘性が大きいもの、熱分解温度が小さいもの、熱伝導率が小さいものがよい。これらの例として、メチルセルロースやヒドロキシプロピルセルロース（以下、本実施例ではＨＰＣという）に代表される水溶性のセルロース類がある。
【００２４】
キセロゲルと水溶性バインダあるいは無機バインダと断熱材の混合割合は、特に限定するものではないが、両者とも好ましくはバインダ５ｗｔ％〜４０ｗｔ％程度がよい。無機バインダ量を多くすると、バインダを通って熱が流れるので断熱性能が悪化する。また、バインダ量を少なくすると、固形化できない、もしくは強度が小さくなってしまう。また、水溶性バインダ量を多くすると、除去された後に空間ができ、強度の弱いものとなったり、断熱性が低いものになったりする。
【００２５】
さらに混合工程もしくは混練工程のいずれかで、フィラーを添加することにより、断熱性能を悪化させずに強度を上げることができる。このときフィラーとしては、バインダと絡み付くように、繊維状のものが好ましい。水分と水溶性バインダ除去後の状態を図４に示す。キセロゲルのシリカ二次粒子３同士が無機バインダ８により結着していなくても、シリカ二次粒子３に結着した無機バインダ８同士をフィラー９により結着できるので、結果的にキセロゲルのシリカ二次粒子を結着させることができるため、フィラーを加えることにより強度を上げることができる。また、添加するフィラーの量は特に限定するものではないが、量が多くなるにつれ、その断熱性能は低下する。
【００２６】
繊維状フィラーとしては、ガラス繊維やポリエステル繊維、金属繊維、カイノール繊維、炭素繊維などがあるが、特にガラス繊維やカイノール繊維を用いると、固形化した断熱材を高温下で使用することができるようになり、さらにこれらは金属繊維より熱伝導率が小さいので、断熱材に用いるには最適である。また炭素繊維を用いると、赤外線を吸収するので、高温下での断熱性能をさらに上げることができる。
【００２７】
酸化チタンやＡＴＯ（酸化アンチモンドープ酸化スズ）やＩＴＯ（酸化インジウムドープ酸化スズ）などに代表される金属酸化物など赤外線を反射する物質を混合させたり、微粉炭やカーボンブラックなどの赤外線を吸収する物質を混合させたりすると、高温下での断熱性能をさらに上げることができる。添加する水に赤外線を吸収する染料などを予め溶解させておくと、混練時に、より均一に赤外線を吸収する物質を分散させることができる。
【００２８】
以下、断熱材の固形化に関する実験例を示す。
【００２９】
（実験例１）
断熱材に平均粒径４０μｍのシリカキセロゲル粉末（以下、本実験例ではキセロゲルという）を選び、水溶性バインダにＨＰＣ、無機バインダに粉末ケイ酸ソーダを選んだ。
【００３０】
キセロゲル７ｇとＨＰＣ１ｇと粉末ケイ酸ソーダ２ｇをミキサーにて混合したものを２つ用意した。うち一つのサンプルは、霧吹きで水を添加しながら混練した（以下、本実施例では水品という）。残り一つは、霧吹きでアセトンを添加しながら混練した（以下、本実施例ではアセトン品という）。そしてそれぞれ、キセロゲルと水溶性バインダと無機バインダとの粘土状の混合物を作製した。それぞれの添加した水とアセトンの量は１８ｇずつであった。次に、それぞれのサンプルを１５ｃｍ角に加工し、８０℃の恒温槽に入れ、熱風乾燥にて水分を除去することで、１５ｃｍ角の固形化した断熱材ができた。
【００３１】
また、キセロゲル７ｇと、粉末ケイ酸ソーダ３ｇを１８ｇの水に溶かした水溶液とをミキサーにて混練した（以下、本実施例では先水品という）。この先水品は、キセロゲルとケイ酸ソーダ水溶液が相分離し、固形化できなかった。
これら固形化した断熱材に加え、キセロゲル１０ｇをポリエチレンテレフタレートの不織布に詰めたもの（以下、本実施例では粉末品という）を用意した。
それらのうち先水品以外の熱伝導率を測定し、また粉末品以外の強度を確かめた。結果を（表１）に示す。
【００３２】
【表１】
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したがって、キセロゲルと水溶性バインダと無機バインダとの混合物に、水を添加しながら混練し、その後水分を除去することで、高い断熱性を維持した状態で、キセロゲルを固形化することができる。
【００３３】
（実験例２）
断熱材に平均粒径４０μｍのシリカキセロゲル粉末（以下、本実験例ではキセロゲルという）を選び、水溶性バインダにＨＰＣ、無機バインダに粉末ケイ酸ソーダを選んだ。
【００３４】
キセロゲル７ｇとＨＰＣ１ｇと無機バインダ２ｇとをミキサーにて混合したもの（本実験例では無機品という）、キセロゲル７ｇとＨＰＣ３ｇとをミキサーで混合したもの（本実験例では有機品という）を用意した。それぞれのサンプルに、霧吹きで水を添加しながら混練し、キセロゲルとバインダとの粘土状の混合物を作製した。それぞれの添加した水の量は１８ｇずつであった。次に、それぞれのサンプルを１５ｃｍ角に加工し、８０℃の恒温槽に入れ、熱風乾燥にて水分を除去することで、１５ｃｍ角の固形化した断熱材ができた。次に無機品を３００℃で１２時間保持することでＨＰＣを燃焼させた。
【００３５】
そして、それぞれ固形化した断熱材の熱伝導率を測定し、その後２５０℃の恒温槽へ１０日間入れた後に、その強度と熱伝導率を測定した。
また、予め熱伝導率を測定しておいた平均粒径４０μｍのシリカキセロゲル粉末１０ｇについても２５０℃の恒温槽へ１０日間入れた後、ポリエチレンテレフタレートの不織布に詰めたもの（本実験例では粉末品という）の熱伝導率を測定した。結果を（表２）に示す。
【００３６】
【表２】
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無機品は、耐熱試験後も強度を保ち、断熱性能が悪化することもなかった。有機品は、耐熱試験後、形状を保持できなくなっていたが、断熱性能の悪化は見られなかった。したがって、無機バインダを用いて固形化した断熱材は、高温下でも使用可能となる。
【００３７】
（実験例３）
断熱材に平均粒径４０μｍのシリカキセロゲル粉末（以下、本実験例ではキセロゲルという）を選び、水溶性バインダにＨＰＣ、無機バインダとして粉末ケイ酸ソーダを選んだ。さらにフィラーとして、ガラス繊維を選んだ。
キセロゲル７ｇとＨＰＣ１ｇと粉末ケイ酸ソーダ２ｇとをミキサーにて混合したもの（以下、本実施例ではフィラー無し品という）、キセロゲル７ｇＨＰＣ１ｇと粉末ケイ酸ソーダ２ｇとをミキサーにて混合し、さらにガラス繊維を０．５ｇ添加し、ミキサーにて混合したもの（以下、本実施例ではフィラー５％品という）、キセロゲル７ｇとＨＰＣ１ｇと粉末ケイ酸ソーダ２ｇとをミキサーにて混合し、さらにガラス繊維を２．２ｇ添加し、ミキサーにて混合したもの（以下、本実施例ではフィラー１８％品という）、キセロゲル７ｇとＨＰＣ１ｇと粉末ケイ酸ソーダ２ｇとをミキサーにて混合し、さらにガラス繊維を４ｇ添加し、ミキサーにて混合したもの（以下、本実施例ではフィラー３０％品という）、キセロゲル７ｇとＨＰＣ１ｇと粉末ケイ酸ソーダ２ｇとをミキサーにて混合し、さらにガラス繊維を１０ｇ添加し、ミキサーにて混合したもの（以下、本実施例ではフィラー５０％品という）、キセロゲル７ｇとＨＰＣ１ｇと粉末ケイ酸ソーダ２ｇとをミキサーにて混合し、さらにガラス繊維を２０ｇ添加し、ミキサーにて混合したもの（以下、本実施例ではフィラー６７％品という）とを用意した。
【００３８】
それぞれのサンプルに、霧吹きで水を添加しながら混練し、キセロゲルとそれぞれの水溶性バインダと無機バインダとフィラーとの粘土状の混合物を作製した。それぞれの添加した水の量は１８ｇずつであった。次に、それぞれのサンプルを１５ｃｍ角に加工し、８０℃の恒温槽に入れ、熱風乾燥にて水分を除去することで、１５ｃｍ角の固形化した断熱材ができた。その後、それぞれを３００℃の恒温槽で１２時間保持することでＨＰＣを燃焼させた。
それぞれの固形化した断熱材の熱伝導率を測定し、またその強度を確かめた。結果を（表３）に示す。
【００３９】
【表３】
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したがって、適度な量のフィラー添加により、断熱性を低下させることなく強度を上げ、固形化した断熱材を実現することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると、断熱性能が高い断熱材であるが粉末状のため取り扱いにくい断熱材を、断熱性能を悪化させることなく、様々な形状に固形化することができ、非常に断熱性、耐熱性ともに高い固形化した断熱材を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１におけるシリカキセロゲルの一部を拡大した模式図
【図２】本発明の実施例１における断熱材と水溶性バインダと無機バインダとが混合した状態を示す図
【図３】本発明の実施例１における固形化した断熱材の一部を拡大した模式図
【図４】本発明の実施例１における固形化した断熱材の一部を拡大した模式図
【図５】本発明の実施例１における各種断熱材の断熱性能を示した図
【符号の説明】
３　シリカ二次粒子（素断熱材）
４、６　水溶性バインダ粒子
５、７、８　無機バインダ粒子
９　フィラー
【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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