(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機繊維と無機粉体と結合材から成形された耐火断熱材において、平均繊維径１〜３．５μｍの無機繊維が３０重量％以上であり、無機繊維に含まれる粒径４５μｍ以上のショットが１０重量％以下であり、無機粉体は結晶質であり、断熱材の熱伝導率が１２００℃において０．２０Ｗ／ｍＫ以下であり、工業炉の炉壁材として使用され、無機粉体は、平均粒径が１〜４５μｍであり、無機粉体が、ムライト、石英、クリストバライト、コーディエライト、ジルコン、コランダム、ルチルの中から選ばれる１種類以上であることを特徴とする耐火断熱材。
【請求項２】
嵩密度が、０．１８〜０．５０ｇ／ｃｍ3 であることを特徴とする請求項１に記載の耐火断熱材。
【請求項３】
平均繊維径１〜３．５μｍの無機繊維が、アルミナシリカ繊維またはアルミナシリカジルコニア繊維から選ばれる１種類以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の耐火断熱材。
【請求項４】
耐火断熱材が湿式成形法により成形されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の耐火断熱材。
【請求項５】
請求項１又は３に記載の平均繊維径１〜３．５μｍの無機繊維が平均繊維径１〜３μｍの無機繊維であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の耐火断熱材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に工業炉の炉壁材として使用されるのに適した、耐熱性および断熱性に優れた耐火断熱材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境保全や省エネルギーのために、工業材料として優れた断熱性を有する耐火断熱材の要求が非常に高まっている。断熱材の使用温度域は広範囲であり、それぞれの使用温度域での優れた断熱性が要求される。例えば、建材用の断熱材は常温であり、燃料電池や工業炉などに使用される断熱材は中高温域において優れた断熱性が要求される。
【０００３】
中高温域で使用される断熱材として、無機繊維と無機粉体と結合材からなり、かつ湿式成形により成形された断熱材が知られている。例えば、特開平５−９０８３号公報には、無機繊維と酸化チタンと結合材より構成され、湿式成形法により成形された断熱材が開示されている。ここに使用される酸化チタンは、赤外線散乱効果を持ち、優れた断熱性を発現するとされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
工業材料として使用される、特開平５−９０８３号公報に示された断熱材は、１０００℃以下の中温度域では優れた断熱性を発現する。
【０００５】
しかしながら、ここに使用する酸化チタンは、平均粒径が０．４μｍ以下と微細粒であり、１０００℃以上の高温域では焼結による断熱材の収縮や撓みが顕著である。このため、高温域では、この断熱材は優れた断熱性を発現することが困難である。また、湿式成形法により成形する際には、濾過抵抗が大きく、成形に長時間を要し、厚い成形体を得ることが困難である。
【０００６】
本発明は、１０００℃以上の高温域においても優れた耐熱性および断熱性を発現する耐火断熱材を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決手段は、前掲の請求項１〜７に記載の耐火断熱材である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明者は、１０００℃以上の高温域においても優れた断熱性を発現する断熱材を開発するために鋭意研究した結果、特に優れた断熱性の発現を可能とする無機繊維の径、ショットの含有量及び無機粉末を見いだし、本発明を完成した。本発明は、無機繊維と無機粉体と結合材から成形した耐火断熱材である。
【０００９】
まず、本発明に使用する無機繊維について説明する。
【００１０】
本発明の耐火断熱材には、平均繊維径が１〜３．５μｍ（好ましくは１〜３μｍ）の無機繊維が３０重量％以上含まれるのが好ましい。
【００１１】
無機繊維は断熱材の中で微細なネットを形成する。この際、繊維径が小さいと、このネットの気孔が小さくなり、断熱材の気体の対流による伝熱、および気体分子の衝突による伝熱を抑制する。また、繊維径が小さいと、繊維同士および繊維と粉体との接触面磧が小さくなって、固体の伝導伝熱を抑制する。さらに、繊維径が小さいと、断熱材中の繊維数の割合が大きくなり、輻射を遮蔽する隔壁が多くなって、断熱性を向上させる効果をもたらす。
【００１２】
これらの理由により、繊維径は小さい方が好ましい。繊維径が３．５μｍ（好ましくは３μｍ）以下になると断熱材の断熱性が特に向上する。しかし、繊維径が１μｍより小さくなると、湿式成形の際に濾過抵抗が増大し、厚い断熱材を得るのが困難になる。この理由から、平均繊維径１〜３．５μｍ（好ましくは１〜３μｍ）の無機繊維を含むものが好ましい。
【００１３】
平均繊維径が１〜３．５μｍ（好ましくは１〜３μｍ）の無機繊維は、３０重量％以上含まれるのが好ましい。３０重量％未満では前述の効果が少ない。
【００１４】
次に、ショット含有率について説明する。
【００１５】
無機繊維に含まれるショットは、無機繊維を製造する際の副産物である。このショットは、無機繊維のネットによって保持されたまま、断熱材に含有される。粒径が４５μｍ以上の大きなショットは、断熱材に大きな気孔を生じ、気体の対流伝熱、気体分子の衝突による伝熱を促進する。この理由により、粒径が４５μｍ以上のショットは少ない方が好ましい。無機繊維に含まれる粒径４５μｍ以上のショットの含有率が１０重量％以下になると、断熱材の断熱性が特に向上する。したがって、無機繊維に含まれる粒径４５μｍ以上のショット含有率は１０重量％以下が好ましい。
【００１６】
平均繊維径が１〜３．５μｍ（好ましくは１〜３μｍ）の無機繊維としては、アルミナシリカ繊維またはアルミナシリカジルコニア繊維が好ましく使用できる。無機繊維としては、この他に、耐熱性を向上する目的で、例えばムライト繊維、アルミナ繊維およびジルコニア繊維が好ましく使用できる。
【００１７】
本発明において使用する無機粉体は、耐熱性を維持するために配合するものであり、１４００℃までの加熱によって大きな体積変化のない結晶質の無機粉体が好ましい。無機粉体が非晶質であると、高温において結晶化して体積変化が生じ耐熱性および断熱性が低下する。
【００１８】
例えば、非晶質シリカを無機粉体として使用すると、１０００℃以上で結晶化が生じる。その結果、断熱材に顕著な収縮が起こり、耐熱性および断熱性が低下する。
【００１９】
また、無機粉体が結晶質であっても、相転移により大きな体積変化を生じると、耐熱性および断熱性の低下を来す。故に、少なくとも１４００℃までの加熱において体積変化の少ない結晶質の無機粉体を使用することが好ましい。
【００２０】
このような無機粉体の好適な例としては、ムライト、石英、クリストバライト、コーディエライト、ジルコン、コランダム、ルチルなどが挙げられる。本発明にはこれらの結晶質無機粉体を１種類以上使用する。
【００２１】
また、カオリンクレーの焼成品は、その構成結晶相がムライトおよびクリストバライトである。このような無機粉体も好ましく使用できる。
【００２２】
ムライトやコーディエライトは、単成分酸化物であるアルミナやマグネシアよりも結晶構造が複雑であり、輻射伝熱の抑制だけでなく、フォノン伝導の抑制に極めて大きな役割を果たし、優れた断熱性を発現するので特に好ましい。
【００２３】
ルチルは高屈折率を有し、輻射熱の散乱、とくに赤外線の散乱効果があり、優れた断熱性を発現するのに有効である。
【００２４】
無機粉体の平均粒径は１〜４５μｍが好ましい。平均粒径が４５μｍより大きくなると、ショットと同様に断熱材中に大きな気孔を生じ、断熱性が低下する。また、平均粒径が１μｍより小さくなると、湿式成形の際の濾過抵抗が増大し、厚い断熱材を得ることが困難になる。
【００２５】
本発明の耐火断熱材の好ましい嵩密度は、０．１８〜０．５０ｇ／ｃｍ3 である。０．１８ｇ／ｃｍ3 未満では、対流および輻射による伝熱が大きくなり、０．５０ｇ／ｃｍ3 を越えると、固体伝導による伝熱が大きくなることがある。
【００２６】
本発明においては、高温での強度維持を目的として、無機結合材を１〜１０重量％使用するのが好ましい。無機結合材としては、例えば、シリカゾル、チタニアゾル、アルミナゾルなどのコロイド溶液が好ましい。使用方法は、スラリーに混合するか、あるいは得られた断熱材に含浸するのが好ましい。さらに、必要に応じて、有機結合材を３〜１０重量％の範囲で好ましく使用できる。有機結合材としては、例えば、アクリル樹脂エマルジョンや合成ゴムラテックスなどが挙げられる。
【００２７】
本発明の耐火断熱材は、湿式成形法により成形するのが好ましい。特に抄造法により成形するのが好ましい。抄造法は、水に原料を分散させ、これを抄造する。この際、凝集剤を添加するのが好ましい。凝集剤の好ましい例としては、ポリアクリルアミド、澱粉などがある。この抄造法によると、無機繊維および無機粉体の流動性が増大し、無機繊維および無機粉体が均一に充填されて、空隙が小さく均一な成形体が容易に得られる。さらに圧縮して脱水すると、空隙はさらに小さく均一になる。
【００２８】
【実施例】
実施例１〜４および比較例１
水に、無機繊維、無機粉体および結合材の所定量を投入し、撹拌混合し、さらに適宜凝集剤を添加してスラリーを調製した。このスラリーを１２０×１２０ｍｍの大きさの抄造用モールドにて、厚み２５ｍｍに抄造した。その後、１００℃で１２時間乾燥して成形体を得た。
【００２９】
無機繊維、無機粉体および結合材の配合割合（重量部）とそれらの成形体（耐火断熱材）の特性を表１に示す。表１において、繊維の（  ）内は平均繊維径を示し、粉体の（  ）内は平均粒径を示す。繊維に含まれる粒径４５μｍ以上のショットは、アルミナシリカ繊維１〜４は１重量％以下である。表１に示す成形体（耐火断熱材）は、アルミナシリカ繊維の平均繊維径が、それぞれ異なっている。
【００３０】
【表１】
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ムライト繊維は、粒径４５μｍ以上のショットが３重量％であり、平均繊維径は４．９μｍである。
【００３１】
熱伝導率は、１２００℃において非定常熱線法で測定した。熱伝導率が小さいほど断熱性に優れている。
【００３２】
実施例１〜４について、アルミナシリカ繊維の平均繊維径と、１２００℃における熱伝導率との関係を図１に示す。
【００３３】
図１より、平均繊維径が３．５μｍとくに３μｍ以下になると、熱伝導率が急激に小さくなることが明らかである。
【００３４】
比較例１は、平均繊維径１〜３．５μｍの無機繊維を含まない例であり、熱伝導率が大きい。
【００３５】
実施例５〜７および比較例２
実施例１と同様にして成形体（耐火断熱材）を作製して、実施例５〜７および比較例２を得た。
【００３６】
これらの配合割合（重量部）および特性を表２に示す。表２において、繊維の（  ）内は、繊維に含まれる粒径４５μｍ以上のショット含有率（重量％）を示す。また、アルミナシリカ繊維５〜８の平均繊維径は３μｍである。表２に示す成形体（耐火断熱材）は、繊維に含まれる粒径４５μｍ以上のショット含有率が、それぞれ異なっている。
【００３７】
【表２】
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実施例５〜７および比較例２について、アルミナシリカ繊維の粒径４５μｍ以上のショット含有率と、１２００℃における熱伝導率との関係を図２に示す。
【００３８】
図２より、使用するアルミナシリカ繊維の、粒径４５μｍ以上のショット含有率が１０重量％以下になると、得られる断熱材の熱伝導率は急激に小さくなることが明らかである。
【００３９】
実施例８〜１６および比較例３
実施例１と同様にして、実施例８〜１６および比較例３を作製した。これらの配合割合（重量部）および特性を表３に示す。表３において粉体の（  ）内は平均粒径を示す。
【００４０】
【表３】
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実施例１および比較例３の温度と熱伝導率の関係を図３に示す。
【００４１】
図３より次のことが明らかである。すなわち、比較例３は、非晶質シリカ粉体を使用したために、１０００℃以上では熱伝導率が急激に上昇した。これに対して、実施例１は、ムライト粉体を使用しているため、１０００℃以上においても熱伝導率の上昇が少ない。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、１０００℃以上の高温域でも断熱性に優れた耐火断熱材を容易に得ることができる。
【００４３】
本発明の耐火断熱材を使用すれば、その優れた断熱性によって、加熱炉の放散熱量を削減することができる。また、断熱材の厚みを、従来に比較して薄くすることが可能であり、結果として、加熱炉が軽量化され、サイズをコンパクトにすることができる。さらに、１０００℃以上の高温域においても優れた断熱性を発現するので、断熱性の向上によって生じる断熱材の温度上昇に対しても、優れた断熱性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１〜４におけるアルミナシリカ繊維の平均繊維径と１２００℃での熱伝導率との関係を示す。
【図２】実施例５〜８におけるアルミナシリカ繊維のショット含有率と１２００℃での熱伝導率との関係を示す。
【図３】実施例１および比較例３における熱伝導率と温度との関係を示す。
【符号の説明】
１  実施例１
２  実施例２
３  実施例３
４  実施例４
５  実施例５
６  実施例６
７  実施例７
８  比較例２
【図１】
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【図２】
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【図３】
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