(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の結合エレメントであって、該結合エレメントのそれぞれが
主としてケイ酸カルシウムを含むコアと、
シリカを含む内部層と、
炭酸カルシウムを含む外部層とを含む、前記複数の結合エレメントと、
０．１μｍから１ｍｍのサイズを有する複数の充填粒子と、
複数の空隙と、
レオロジー変性混和剤、ピグメント、遅延剤、および促進剤から選択される添加剤を含む、気泡複合材料であって、
前記複数の結合エレメントおよび前記複数の充填粒子がともに１以上の結合マトリクスを形成し、前記結合エレメントおよび前記充填粒子が実質的にその中に均一に分散されて互いに結合され、
前記複数の空隙が、前記複合材料の５０体積％から８０体積％を占める気泡形状のおよび／または相互接続チャネルであり、これにより、
前記気泡複合材料が、３００ｋｇ／ｍ３から１５００ｋｇ／ｍ３の密度、２．０ＭＰａから８．５ＭＰａの圧縮強度、および０．４ＭＰａから１．７ＭＰａの曲げ強度を呈する、気泡複合材料。
【請求項２】
前記複数の結合エレメントが、５μｍから１００μｍの範囲のメジアン粒径を有する、請求項１の気泡複合材料。
【請求項３】
前記充填粒子が、石灰および石英、産業廃棄材料、フライアッシュ、スラグ、並びにシリカフュームから選択される酸化カルシウムリッチ材料である、請求項１または２の気泡複合材料。
【請求項４】
前記充填粒子が石灰粒子である、請求項１または２の気泡複合材料。
【請求項５】
前記複数の結合エレメントが、１以上のアルミニウム、マグネシウム、および鉄を含む、請求項１または２の気泡複合材料。
【請求項６】
前記複数の空隙が、前記気泡複合材料の５０体積％から８０体積％を占める、請求項１から５のいずれかの気泡複合材料。
【請求項７】
４００ｋｇ／ｍ３から１２００ｋｇ／ｍ３の密度、２．０ＭＰａから６．０ＭＰａの圧縮強度、および０．６６ＭＰａから１．３２ＭＰａの曲げ強度を呈する、請求項１から６のいずれかの気泡複合材料。
【請求項８】
前記複数の空隙は気体水素であり、該気体水素は酸と曝気剤を反応させることにより産生され、前記曝気剤は、水素を生成するために、酸と反応することができる金属であり、前記曝気剤は、少なくとも１つのアルミニウム、鉄、亜鉛、炭化カルシウム、およびこれらの混合物を含む粉末である、請求項１から７のいずれかの気泡複合材料。
【請求項９】
湿潤混合物を形成することであって、該湿潤混合物は、
水と、
１０μｍから１ｍｍの範囲のメジアン粒径を有する酸化カルシウムまたはシリカを含む粒子状物質と、
１μｍから１００μｍの範囲のメジアン粒径を有する砕かれたケイ酸カルシウムと、
曝気剤と、
レオロジー変性混和剤、ピグメント、遅延剤、および促進剤から選択される添加剤を含み、前記湿潤混合物を形成することと、
鋳型で前記湿潤混合物を鋳造することと、
前記曝気剤が気体生成物を生成することにより、前記湿潤混合物の体積膨張を生じさせることと、
水およびＣＯ２の雰囲気下で６時間から６０時間までの間、２０℃から１００℃の範囲の温度で膨張された前記混合物を硬化させることと、
前記硬化が、気泡複合材料を産生するために、周囲大気圧から周囲を上回る３０ｐｓｉの範囲の圧力下で、および５０％から９９％の範囲のＣＯ２濃度下で行われることとを含む、気泡複合材料を産生するためのプロセス。
【請求項１０】
膨張された前記混合物を硬化させることが、周囲大気圧から周囲大気圧を上回る３０ｐｓｉの範囲の圧力を有し、水およびＣＯ２を含む蒸気下で、１０時間から４０時間、３０℃から９０℃の範囲の温度で行われる、請求項９のプロセス。
【請求項１１】
前記砕かれたケイ酸カルシウムは、珪灰石、偽珪灰石、ランカナイト、ビーライト、およびエーライトから選択される、請求項９のプロセス。
【請求項１２】
前記砕かれたケイ酸カルシウムは、砕かれた珪灰石を含み、
前記粒子状物質の酸化カルシウムは、砕かれた石灰を含み、
前記曝気剤は、アルミニウム粉末を含む、請求項９のプロセス。
【請求項１３】
スタンダードブロック、コアブロック、クラッドブロック、立坑壁およびファイアブロック、リンテルブロック、溝形ブロック、壁パネル、床パネル、ルーフパネル、プレート、サイディング、フレーム、フェンス、装飾および造園製品、並びにパーキングストップからなる群から選択される、請求項１から８のいずれかに記載の気泡複合材料から作られた製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権主張および関連する特許出願
本出願は、２０１３年３月１３日に出願された、米国仮出願第６１／７８０，７１９号の優先権の利益を請求し、その全体の内容が、本明細書にその全体を参照することにより組み込まれる。
【０００２】
本発明の分野
本発明は、概して、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、新規な気泡複合材料、並びにフォーミュレーションおよびそれらの製造方法および使用に関する。これらの気泡複合材料は、構造、耐火および断熱材、造園、並びにインフラストラクチャにおける種々のアプリケーションに適している。
【０００３】
本発明の背景
オートクレーブされた気泡コンクリートは、セメントのような原料、砂のような細骨材、または他の充填材料、石灰、水、および曝気剤を用いて、高温高圧下で形成される軽量のプレキャストコンクリートの１種である。曝気剤は、マトリクスにおいてエアボイドを形成させ、密度の減少とともに材料の体積の増加にともなう材料の空隙率を増加させる。
【０００４】
気泡コンクリート製品は、それらの十分な強度、低重量、火炎、腐食、シロアリ、およびかびに対する耐性、並びに十分な断熱および消音性能を含む、従来のコンクリートに対して多くの利点を提供する。その軽量性および寸法精度のために、気泡コンクリートは、最小の消耗で組み立てることができ、これにより構造および組み立てにおける追加の設備の必要性を低減する。それらは、高耐久性を提供し、最小限のメンテナンスを必要とする。また、気泡コンクリートの軽量性は、輸送のコストを下げるのに役立つ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
コンクリートと比較される場合に有利であるものの、最も慣習的な気泡コンクリートは、多くの欠損を被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、特別な設備、大きなエネルギー消費、および過剰な二酸化炭素排出量、望ましくない二酸化炭素排出量の残留を伴う。例えば、気泡コンクリートは、典型的には、トバモライトの安定した形成のために、１５０℃から１９０℃の範囲の温度で、０．８ＭＰａから１．２ＭＰａの範囲の圧力でのオートクレーブにおいて硬化される。トバモライトは、気泡コンクリートにおける主要な結合エレメントである。さらに、それらは、高い仕上げコスト、リサイクルの困難性等により比較的高価である。
【０００６】
向上されたエネルギー消費およびより望ましい二酸化炭素排出量で、低コストに大量生産が可能である、気泡コンクリートの物理的および性能特性にマッチするまたはそれを超える、新規な気泡複合材料についての継続的な必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、気泡コンクリートの優れた物理的および性能特性を有する新規な気泡複合材料の予期されない発見の一部に基づく。設備の必要性の低減、向上されたエネルギー消費、およびより望ましい二酸化炭素排出量とともに、大量生産に適したプロセスにより、市販の低コスト原料から、これらの複合材料を容易に産生することができる。
【０００８】
本発明の気泡複合材料のフォーミュレーションは、大部分が、すぐに利用でき、最小環境影響である低コストな材料であることを必要とする。原料は、結合エレメントとなる粒子状物質のケイ酸カルシウム（例えば、砕かれた珪灰石）、および粒子状物質の充填材料（例えば、石灰またはゾノトライトのような酸化カルシウム含有材料、パーライトまたはバーミキュライトのような軽量の凝集体、フライアッシュのような産業廃棄材料まで）のような前駆体材料を含む。高度に多孔性の材料を得るために、曝気剤が使用される（例えば、アルミニウム粉末）。また、液体成分は、液体の水および／または水蒸気並びに試薬を含む反応媒体として、生産時に消費される二酸化炭素（ＣＯ２）は、反応種として提供され、最終生成物において捕捉されて終了する。エンドユーザーの要求に応じて、レオロジー変性混和剤およびカラーリングピグメントのような種々の他の添加剤もまた、混合の一貫性および流れの向上のために添加され得る。
【０００９】
レオロジー変性混和剤およびピグメントのような、種々の添加剤は、得られた複合材料の物理的外観および機械的特性を微調整するために使用され得る。添加剤材料は、天然またはリサイクルされた材料、炭酸カルシウムリッチおよび炭酸マグネシウムリッチ材料、並びに水溶性分散剤のような液体成分への添加剤を含み得る。
【００１０】
また、本発明の気泡複合材料は、低コスト、低い設備の必要性、およびかなり向上されたエネルギー消費と二酸化炭素排出量で、効率的なガスアシスト水熱液相シンタリング（ＨＬＰＳ）プロセスを用いて産生され得る。
【００１１】
一態様では、本発明は、概して、気泡複合材料に関する。気泡複合材料は、複数の結合エレメント、複数の空隙、および約０．１μｍから約１ｍｍのサイズを有する複数の充填粒子を含む。各結合エレメントは、主としてケイ酸カルシウム、シリカリッチ第１または内部層を含むコア、および炭酸カルシウムリッチ第２または外部層を含む。複数の結合エレメントおよび複数の充填粒子はともに１以上の結合マトリクスを形成し、結合エレメントおよび充填粒子はその中に実質的に均一に分散されて互いに結合される。複数の空隙は、気泡複合材料の約５０体積％から約８０体積％を占める気泡形状のおよび／または相互接続チャネルである。気泡複合材料は、約３００ｋｇ／ｍ３から１５００ｋｇ／ｍ３の密度、約２．０ＭＰａから約８．５ＭＰａの圧縮強度、および約０．４ＭＰａから約１．７ＭＰａの曲げ強度を呈する。
【００１２】
別の態様では、本発明は、概して、気泡複合材料を産生するためのプロセスに関する。プロセスは、（ａ）湿潤混合物を形成することであって、該湿潤混合物は、水と、約１０μｍから約１ｍｍの範囲のメジアン粒径を有する酸化カルシウムまたはシリカを含む粒子状物質と、約１μｍから約１００μｍの範囲のメジアン粒径を有する砕かれたケイ酸カルシウムと、曝気剤とを含み、（ｂ）鋳型で湿潤混合物を鋳造することと、（ｃ）曝気剤が気体生成物を生成することにより、湿潤混合物の体積膨張を生じさせることと、（ｄ）水およびＣＯ２の雰囲気下で約６時間から約６０時間までの間、約２０℃から約１００℃の範囲の温度で膨張した混合物を硬化させることとを含む。
【００１３】
さらに別の態様では、本発明は、概して、本明細書に開示されるプロセスにより調製された気泡複合材料に関する。
【００１４】
さらに別の態様では、本発明は、概して、本明細書に開示される気泡複合材料から作られた製品に関する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１の（ａ）から（ｃ）は、本発明の代表的な実施形態に係る結合エレメントの断面の概略図であり、３つの代表的なコアの形態、（ａ）ファイバー、（ｂ）楕円形、（ｃ）等軸を含む。
【図２】図２の（ａ）から（ｆ）は、本発明の代表的な実施形態に係る複合材料の側面図および断面図であり、（ａ）希薄な結合マトリクスにおける一方向に配向されたファイバー形状の結合エレメント（結合エレメントは接触していない）、（ｂ）希薄な結合マトリクスにおける二方向に配向されたプレート形状の結合エレメント（結合エレメントは接触していない）、（ｃ）希薄な結合マトリクスにおける三方向に配向されたプレート形状の結合エレメント（結合エレメントは接触していない）、および（ｄ）希薄な結合マトリクスにおけるランダムに配向されたプレート形状の結合エレメント（結合エレメントは接触していない）であって、複合材料が、結合マトリクスおよび充填成分、例えば、ポリマー、金属、無機粒子、凝集体等を含むもの、（ｅ）マトリクスが三方向に配向された、結合エレメントの濃縮された結合マトリクス（濾過ネットワークを確立するために十分な体積分率を有する）、および（ｆ）ランダムに配向された結合エレメントの濃縮された結合マトリクス（濾過ネットワークを確立するために十分な体積分率を有する）を示し、ポリマー、金属、無機粒子、凝集体等のような充填成分が含まれることとしてもよい。
【図３】図３は、本発明の実施形態にしたがって作られた気泡コンクリートブロックの代表的な写真を示す。
【図４】図４は、気泡コンクリートブロックの代表的な拡大写真を示し、本発明の実施形態にしたがって作られた、構造における不連続の気孔を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、気泡コンクリートの優れた物理的および性能特性を有するが、向上されたエネルギー消費、低減された設備の必要性（例えば、オートクレーブの必要性がなく）、およびより望ましい二酸化炭素排出量で、大量生産に適したプロセスにより、市販の低コスト原料から容易に産生され得る、新規な気泡複合材料およびそれから製造された製品を提供する。
【００１７】
本発明の気泡複合材料は、耐荷重性または非耐荷重性アプリケーションにおいて使用され得る。また、それらの気孔構造の均一性の性質は、従来の気泡コンクリートと比較して、優れた断熱および防音特性を授ける。さらに、本発明の気泡複合材料は、大きな壁、フロア、またはルーフ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作ることができる。
【００１８】
本発明の気泡複合材料は、優れた遮蔽品質（熱および音の両方）並びに耐火性を呈する。それらは、従来の気泡コンクリートよりも、かなり向上されたエネルギー効率およびより望ましい二酸化炭素排出量で、大量に産生することができる。気泡複合材料の生産は、ＣＯ２の正味の分画をもたらすＣＯ２を消費することにより、二酸化炭素を排出させず、経済的および環境保全の両方の考え方から並はずれて効率的になる。また、これらの気泡複合材料の固体かつ均一な気孔構造は、気密の建造エンベロープを作成し、制御されない空気の交換の最小化し、一方で、ＨＶＡＣ設備の効率性を最大化にし、所望の内部温度を維持するのを補助する。本発明の特有の気泡複合材料によりもたらされる追加の利益は、使用する材料の減少、リサイクルされた製品の使用するための性能、および有毒物放出の回避である。
【００１９】
一態様では、本発明は、概して、気泡複合材料に関する。気泡複合材料は、複数の結合エレメント、複数の空隙、および約０．１μｍから約１ｍｍのサイズを有する複数の充填粒子を含む。各結合エレメントは、主としてケイ酸カルシウム、シリカリッチ第１または内部層を含むコア、および炭酸カルシウムリッチ第２または外部層を含む。複数の結合エレメントおよび複数の充填粒子はともに１以上の結合マトリクスを形成し、結合エレメントおよび充填粒子はその中に実質的に均一に分散されて互いに結合される。複数の空隙は、複合材料の約５０体積％から約８０体積％を占める気泡形状のおよび／または相互接続チャネルである。複合材料は、約３００ｋｇ／ｍ３から１５００ｋｇ／ｍ３の密度、約２．０ＭＰａから約８．５ＭＰａの圧縮強度、および約０．４ＭＰａから約１．７ＭＰａの曲げ強度を呈する。
【００２０】
あらゆる適切なケイ酸カルシウムが、結合エレメントの前駆体として使用されることとしてもよい。本明細書で使用されるように、「ケイ酸カルシウム」は、ＣａＳｉＯ３（「珪灰石」および偽珪灰石としても知られ、場合によってはＣａＯ・ＳｉＯ２と式化される）、Ｃａ３Ｓｉ２Ｏ７（ランキナイトとしても知られ、場合によっては３ＣａＯ・２ＳｉＯ２と式化される）、Ｃａ２ＳｉＯ４（「ビーライト」としても知られ、場合によっては２ＣａＯ・ＳｉＯ２と式化される）、Ｃａ３ＳｉＯ５（「エーライト」としても知られ、場合によっては３ＣａＯ・ＳｉＯ２と式化される）を含むカルシウムシリコン含有化合物の群の１以上を含む、天然由来の鉱物または合成材料を指し、これらの材料は、１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、または酸化マンガン）、またはこれらの混合物を含むこととしてもよく、または、重量％で痕跡量（１％）から約５０％以上の範囲で、天然由来または合成形態（複数を含む）でマグネシウムシリケートの量を含むこととしてもよい。
【００２１】
本明細書に開示される成分および方法は、ケイ酸カルシウムに代えて、またはこれに加えて、マグネシウムシリケートを使用するために採用されることが理解されるべきである。本明細書で使用されるように、用語「マグネシウムシリケート」は、例えば、Ｍｇ２ＳｉＯ４（「フォステライト（Fosterite）」としても知られる）およびＭｇ３Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）２）（「タルク」としても知られる）を含む、マグネシウムシリコン含有化合物の群の１以上を含む、天然由来の鉱物または合成材料を指し、これらの材料は、１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、または酸化マンガン）、もしくはこれらの混合物を含むこととしてもよく、または重量％で痕跡量（１％）から約５０％以上の範囲の天然由来もしくは合成形態（複数を含む）のケイ酸カルシウムの量を含むこととしてもよい。
【００２２】
複数の結合エレメントは、所望の複合材料に応じて、あらゆる適切なメジアン粒径およびサイズ分布を有することとしてもよい。所定の実施形態では、複数の結合エレメントは、約５μｍから約１００μｍ（例えば、約５μｍから約８０μｍ、約５μｍから約６０μｍ、約５μｍから約５０μｍ、約５μｍから約４０μｍ、約５μｍから約３０μｍ、約５μｍから約２０μｍ、約５μｍから約１０μｍ、約１０μｍから約８０μｍ、約１０μｍから約７０μｍ、約１０μｍから約６０μｍ、約１０μｍから約５０μｍ、約１０μｍから約４０μｍ、約１０μｍから約３０μｍ、約１０μｍから約２０μｍ）の範囲のメジアン粒径を有する。
【００２３】
所定の好ましい実施形態では、複数の結合エレメントは、砕かれた珪灰石から化学的に変化され、充填粒子は石灰粒子である。所定の好ましい実施形態では、複数の結合エレメントは、アルミニウム、マグネシウム、および鉄の１以上を含む前駆体ケイ酸カルシウムから化学的に変化される。所定の好ましい実施形態では、複数の結合エレメントは、珪灰石以外の前駆体ケイ酸カルシウムから化学的に変化される。
【００２４】
所定の好ましい実施形態では、複数の結合エレメントは、制御された水熱液相シンタリング（ＨＬＰＳ）プロセスを介してＣＯ２とそれを反応させることによって、砕かれた珪灰石からの化学的変化により調製される。所定の好ましい実施形態では、複数の結合エレメントは、制御されたＨＬＰＳプロセスを介して、ＣＯ２とそれを反応させることによって、珪灰石以外の前駆体ケイ酸カルシウムから化学的変化により調製される。
【００２５】
ＨＬＰＳの態様の種々の考察が、米国特許第８，１１４，３６７号、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２００９０１４２５７８号（出願番号１２／２７１，５１３）、ＷＯ２００９／１０２３６０（ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８３６０６）、ＷＯ２０１１／０５３５９８（ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５４１４６）、ＷＯ２０１１／０９０９６７（ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２１６２３）、２０１２年３月２日に出願された米国特許出願第１３／４１１，２１８号(Riman et al.)、２０１２年６月７日に出願された米国特許出願第１３／４９１，０９８号(Riman et al)、２０１２年１０月１日に出願された米国仮出願第６１／７０８．４２３号(Riman et al)でみられ、それらのそれぞれが、全ての目的のために、その全体において参照により本明細書に明示的に組み込まれる。
【００２６】
複数の空隙は、気泡複合材料の全体の密度を低減させる役割を果たし、一方、同時に、複合材料の均一性を促進させるおよび硬化を促進させる３次元の多孔性のネットワークを提供する。
【００２７】
複数の空隙は、手近に所望の特性およびアプリケーションに応じて気泡複合材料の全体の体積のあらゆる適切な分画を占めることとしてもよい。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％から約８０体積％（例えば、約５０％、約５５％、約６０％、約６５％、約７０％、約７５％、約８０％）を占めることとしてもよい。
【００２８】
複数の空隙は、曝気剤により生成された気体の材料により生じる。所定の好ましい実施形態では、曝気剤は、気体水素を生成するために酸と反応することができる金属を含む。代表的な曝気剤は、アルミニウムの粉末、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を含む。曝気剤は、例えば、約１０μｍから約５０μｍの範囲（例えば、約１０μｍから４０μｍ、約１０μｍから３０μｍ、約１０μｍから２０μｍ、約１５μｍから４０μｍ、約１５μｍから３０μｍ、約２０μｍから４０μｍ、約４０μｍより大きい）のようなあらゆる適切なサイズを有することとしてもよい。
【００２９】
あらゆる適切な充填粒子は、例えば、酸化カルシウム含有またはシリカ含有材料を使用することとしてもよい。代表的な充填粒子は、石灰、石英(砂を含む)、珪灰石、ゾノトライト、燃焼された油頁岩（burned oil shale）、飛灰または火山灰、キルン由来の積層された粉末、砕かれた泥、軽石粉末を含む。産業廃棄材料（例えば、フライアッシュ、スラグ、シリカフューム）のような材料は、また、充填剤として使用されることとしてもよい。所定の好ましい実施形態では、パーライトまたはバーミキュライトのような軽量の凝集体は、充填剤として使用されることとしてもよい。所定の好ましい実施形態では、充填粒子は、砕かれた石灰のような酸化カルシウムリッチ材料から作られる。
【００３０】
本明細書で使用されるように、用語「石灰」は、酸化カルシウムまたは水酸化カルシウムが主である天然由来または合成無機材料を指す。
【００３１】
本明細書で使用されるように、用語「石英」は、本明細書で使用されるように、一般的な砂（構造および組積）並びにガラスおよびリサイクルされたガラスを含む、あらゆるＳｉＯ２ベースの材料を指す。また、用語は、有意な量のＳｉＯ２（例えば、マイカ、場合によってはＫＡｌ２（ＡｌＳｉ３Ｏ１０）と式化される）を含む、あらゆる他のリサイクルされた天然および合成材料を含む。
【００３２】
複数の充填粒子は、あらゆる適切なメジアン粒径およびサイズ分布を有することとしてもよい。所定の実施形態では、複数の充填粒子は、約０．１μｍから約１ｍｍ（例えば、約０．１μｍから約５００μｍ、約０．１μｍから約２５０μｍ、約０．１μｍから約１００μｍ、約０．１μｍから約５０μｍ、約０．１μｍから約１ｍｍ、約２μｍから約１ｍｍ、約１０μｍから約１ｍｍ、約１０μｍから約５００μｍ、約２０μｍから約５００μｍ、約２０μｍから約３００μｍ、約５０μｍから約１ｍｍ、約１００μｍから約１ｍｍ、約２００μｍから約１ｍｍ）の範囲のメジアン粒径を有する。
【００３３】
気泡複合材料は、所望の密度および機械的特性（例えば、ＡＳＴＭ  Ｃ１６９３−１１にしたがって気泡コンクリートの強度の階級の仕様に合致するまたは上回る）を呈するように調製されることとしてもよい。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
例えば、気泡複合材料は、約３００ｋｇ／ｍ３から約１５００ｋｇ／ｍ３（例えば、約３００ｋｇ／ｍ３から１２００ｋｇ／ｍ３、約３００ｋｇ／ｍ３から１０００ｋｇ／ｍ３、約３００ｋｇ／ｍ３から９００ｋｇ／ｍ３、約４００ｋｇ／ｍ３から１２００ｋｇ／ｍ３、約４００ｋｇ／ｍ３から１０００ｋｇ／ｍ３、約４００ｋｇ／ｍ３から９００ｋｇ／ｍ３、約５００ｋｇ／ｍ３から１２００ｋｇ／ｍ３、約５００ｋｇ／ｍ３から１０００ｋｇ／ｍ３）の密度により特徴づけられることとしてもよい。
【００３６】
本発明の気泡複合材料は、優れた圧縮強度を有する。例えば、気泡複合材料は、約２．０ＭＰａから約８．５ＭＰａ（例えば、約２．０ＭＰａから約６．０ＭＰａ、約２．０ＭＰａから約５．０ＭＰａ、約３．０ＭＰａから約８．５ＭＰａ、約３．０ＭＰａから約６．０ＭＰａ、約３．０ＭＰａから約５．０ＭＰａ、約４．０ＭＰａから約８．５ＭＰａ）の圧縮強度により特徴づけられることとしてもよい。
【００３７】
本発明の気泡複合材料は、また、優れた曲げ強度を呈する。例えば、気泡複合材料は、約０．４ＭＰａから約１．７ＭＰａ（例えば、約０．７ＭＰａから約１．７ＭＰａ、約１．０ＭＰａから約１．７ＭＰａ、約１．２ＭＰａから約１．７ＭＰａ、約１．０ＭＰａから約１．５ＭＰａ、約１．２ＭＰａから約１．５ＭＰａ）の曲げ強度により特徴づけれられることとしてもよい。
【００３８】
気泡複合材料は、産生物の外観、物理的、または機械的特性を変更するための１以上の添加剤をさらに含む。代表的な添加剤は、レオロジー変性混和剤、ピグメント、遅延剤、および促進剤を含む。
【００３９】
所定の実施形態では、ピグメントは、所望の複合材料に応じて、結合マトリクスで均一に分散されまたは実質的に非均一に分散されることとしてもよい。ピグメントは、例えば、種々の金属(例えば、黒色酸化鉄、酸化コバルト、および酸化クロム)の酸化物を含む、あらゆる適切なピグメントであることとしてもよい。ピグメントは、例えば、ブラック、ホワイト、ブルー、グレー、ピンク、グリーン、レッド、イエロー、およびブラウンから選択されるあらゆる１つの色または複数の色であることとしてもよい。ピグメントは、例えば、約０．０％から約１０％重量％で（例えば、約０．０％から約８％、約０．０％から約６％、約０．０％から約５％、約０．０％から約４％、約０．０％から約３％、約０．０％から約２％、約０．０％から約１％、約０．０％から約０．５％、約０．０％から約０．３％、約０．０％から約２％、約０．０％から約０．１％，）の範囲の量で、所望の複合材料に応じてあらゆる適切な量で存在することとしてもよい。
【００４０】
所定の実施形態では、複合材料は、約１０％より低い（例えば、約８％、５％、４％、３％、２％、１％より低い）より低い水の吸収により特徴づけられる。
【００４１】
所定の実施形態では、複数の結合エレメントは、約５μｍから約１００μｍの範囲のメジアン粒径を有する。
【００４２】
所定の実施形態では、充填粒子は、酸化カルシウムリッチ材料である。
【００４３】
所定の実施形態では、充填粒子は、石灰および石英から選択される。
【００４４】
所定の実施形態では、充填粒子は、産業廃棄材料である。
【００４５】
所定の実施形態では、充填粒子は、フライアッシュ、スラグ、およびシリカフュームである。
【００４６】
所定の実施形態では、複数の結合エレメントは、砕かれた珪灰石から化学的に変化され、充填粒子は石灰粒子である。
【００４７】
所定の実施形態では、複数の結合エレメントは、珪灰石以外の前駆体ケイ酸カルシウムから化学的に変化される。
【００４８】
所定の実施形態では、複数の結合エレメントは、アルミニウム、マグネシウム、および鉄の１以上を含む前駆体ケイ酸カルシウムから化学的に変化される。
【００４９】
所定の実施形態では、複数の空隙は、気泡複合材料の約５０体積％から約８０体積％を占める。
【００５０】
所定の実施形態では、複数の空隙は、気泡複合材料の約６５体積％から約８０体積％を占める。
【００５１】
所定の実施形態では、複数の結合エレメントは、制御された水熱液相シンタリングプロセスを介してＣＯ２とそれを反応させることにより、砕かれた珪灰石から化学的変化によって調製される。
【００５２】
所定の実施形態では、複数の結合エレメントは、制御された水熱液相シンタリングプロセスを介してＣＯ２とそれを反応させることにより、珪灰石以外の前駆体ケイ酸カルシウムから化学的変化によって調製される。
【００５３】
所定の実施形態では、気泡複合材料は、約４００ｋｇ／ｍ３から１２００ｋｇ／ｍ３の密度、約２．０ＭＰａから約６．０ＭＰａの圧縮強度、および約０．６６ＭＰａから約１．３２ＭＰａの曲げ強度を呈する。
【００５４】
所定の実施形態では、気泡複合材料は、約５００ｋｇ／ｍ３から１０００ｋｇ／ｍ３の密度、約２．０ＭＰａから約６．０ＭＰａの圧縮強度、および約０．８８ＭＰａから約１．３２ＭＰａの曲げ強度を呈する。
【００５５】
所定の実施形態では、複数の空隙は、酸と曝気剤を反応させることにより産生される気体水素により生じる。
【００５６】
所定の実施形態では、曝気剤は、水素を生成するために酸と反応することができる金属である。
【００５７】
所定の実施形態では、曝気剤は、アルミニウム、鉄、亜鉛、炭化カルシウム、またはこれらの混合物の粉末である。
【００５８】
所定の実施形態では、気泡複合材料は、レオロジー変性混和剤、ピグメント、遅延剤、および促進剤から選択される添加剤をさらに含む。
【００５９】
所定の実施形態では、ピグメントは、黒色酸化鉄、酸化コバルト、および酸化クロムの１以上を含む。
【００６０】
別の態様では、本発明は、概して、気泡複合材料を産生するためのプロセスに関する。プロセスは、（ａ）湿潤混合物を形成することであって、該湿潤混合物は、水と、約１０μｍから約１ｍｍの範囲のメジアン粒径を有する酸化カルシウムまたはシリカを含む粒子状物質と、約１μｍから約１００μｍの範囲のメジアン粒径を有する砕かれたケイ酸カルシウムと、曝気剤とを含み、（ｂ）鋳型で湿潤混合物を鋳造することと、（ｃ）曝気剤が気体生成物を生成することにより、湿潤混合物の体積膨張を生じさせることと、（ｄ）水およびＣＯ２の雰囲気下で約６時間から約６０時間までの間、約２０℃から約１００℃の範囲の温度で膨張した混合物を硬化させることとを含む。
【００６１】
所定の好ましい実施形態では、膨張した混合物を硬化させるステップは、気泡複合材料を産生するために、周囲大気圧から周囲を上回る約３０ｐｓｉの範囲の圧力下で、および約５０％から約９９％の範囲のＣＯ２濃度下で行われる。
【００６２】
所定の好ましい実施形態では、湿潤混合物を形成するステップは、以下のように材料を特定の添加順で混合することであって、水を添加することと、砕かれたケイ酸カルシウムを添加し混合することと、均一なスラリーを形成するために酸化カルシウムまたはシリカを含む粒子状物質を添加し混合することと、曝気剤を添加し混合することとを含む。
【００６３】
硬化温度および時間は、例えば、約２０℃から約１００℃（例えば、約２０℃から約９０℃、約３０℃から約９０℃、約４０℃から約９０℃、約４０℃から約８０℃、約５０℃から約７０℃、約６０℃から約１００℃）の範囲の温度で、約６時間から約６０時間（例えば、約６時間から約６０時間、約１０時間から約６０時間、約６時間から約４０時間、約１０時間から約４０時間、約１０時間から約３０時間、約２０時間ｓから約３０時間）の間、水およびＣＯ２の雰囲気下で、所望の最終産生物にしたがって調製されることとしてもよい。
【００６４】
比較的高湿環境の硬化プロセスは、均一で、均質な、高度に多孔性の構造を呈する気泡複合材料を産生するために、例えば、約１０％から約９０％（例えば、約２０％から約９０％、約３０％から約９０％、約４０％から約９０％、約１０％から約７０％、約１０％から約５０％）の範囲のＣＯ２濃度を有し、約周囲大気圧から周囲大気圧を上回る約１００ｐｓｉ（例えば、約周囲大気圧から周囲を上回る約９０ｐｓｉ、約周囲大気圧から周囲を上回る約８０ｐｓｉ、約周囲大気圧から周囲を上回る約７０ｐｓｉ、約周囲大気圧から周囲を上回る約６０ｐｓｉ、周囲を上回る約２０から周囲を上回る約１００ｐｓｉ、周囲を上回る約３０から周囲を上回る約１００ｐｓｉ）の範囲のＣＯ２圧力で、約５０％から約９８％（例えば、約６０％から約９８％、約７０％から約９８％、約８０％から約９８％、約９０％から約９８％、約５０％から約９０％、約５０％から約８０％、約５０％から約７０％）の範囲の所望の結果物にフィットするように調節されることとしてもよい。
【００６５】
本発明のいくつかの実施形態における代表的な生産は、使用される材料が、主として砕かれた珪灰石である砕かれたケイ酸カルシウムであり、粒子状物質の酸化カルシウムが主として砕かれた石灰であり、および曝気剤がアルミニウム粉末である。
【００６６】
砕かれた珪灰石は、約５μｍから約５０μｍ（例えば、約５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、２５μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ）のメジアン粒径、約０．６ｇ／ｍＬから約０．８ｇ／ｍＬ（ゆるめ）、および約１．０ｇ／ｍＬから約１．２ｇ／ｍＬ（タップ）のかさ密度、約１．５ｍ２／ｇから約２．０ｍ２／ｇの表面積を有することとしてもよい。まず、砕かれた石灰岩は、約４０μｍから約９０μｍ（例えば、約４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、３０μｍ、９０μｍ）のメジアン粒径、約０．７ｇ／ｍＬから約０．９ｇ／ｍＬ（ゆるめ）および約１．３ｇ／ｍＬから約１．６ｇ／ｍＬ（タップ）のかさ密度を有する。第２の砕かれた石灰岩は、約２０μｍから約６０μｍ（例えば、約２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ）のメジアン粒径、約０．６ｇ／ｍＬから約０．８ｇ／ｍＬ（ゆるめ）、および約１．１ｇ／ｍＬから約１．４ｇ／ｍＬ（タップ）のかさ密度を有する。
【００６７】
所定の好ましい実施形態では、粒子状物質の成分は、約１０重量％から約９５重量％の砕かれた珪灰石（例えば、約２０重量％から約９５重量％、約３０重量％から約９５重量％、約５０重量％から約９５重量％、約６０重量％から約９５重量％、約２０重量％から約９０重量％、約２０重量％から約８０重量％、約２０重量％から約７０重量％、約３０重量％から約８０重量％、約５０重量％から約８０重量％）、約５重量％から約２５重量％の砕かれた石灰（例えば、約５重量％、約１０重量％、約１５重量％、約２０重量％  約２５重量％）、および約０．２％重量％から約１．５重量％のアルミニウム粉末（例えば、約０．２％から約１．５％、約０．２％から約１．２５％、約０．２％から約１．０％、約０．５％から約１．５％、約０．５％から約１．２５％、約０．５％から約１．０％）を含む。
【００６８】
あらゆる適切な前駆体材料が採用されることとしてもよい。例えば、主として珪灰石、ＣａＳｉＯ３から形成されるケイ酸カルシウム粒子は、水に溶解された二酸化炭素と反応し得る。カルシウムカチオンが珪灰石から浸出され、珪灰石コアの周辺部分をカルシウム欠損珪灰石に変化させる。カルシウムカチオンがコアの周辺部分から浸出されることが続くと、周辺部分の構造が最終的に不安定になり、崩壊し、これにより、コアのカルシウム欠損珪灰石の周辺部分を主としてシリカリッチ第１層へと変化させる。一方、主として炭酸カルシウム第２層は、水から沈殿させる。
【００６９】
より具体的には、第１層および第２層は、以下の反応（１）に従って前駆体粒子から形成されることとしてもよい。
CaSiO3 (s) + CO2(g) = CaCO3 (s) + SiO2 (s)   ΔHo = -87 kJ/mol CO2     (1)
例えば、珪灰石によるような、シリケート鉱物カーボネーション反応では、ＣＯ２は、水のような浸透流体に溶解する気相として導入される。ＣＯ２の溶解は、溶液におけるｐＨの低減をもたらす酸性カーボンの種を形成する。弱酸の溶液は、ＣａＳｉＯ３由来のカルシウム種とは一致せずに溶解する。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、不溶性の炭酸塩の沈殿を導く。シリカリッチ層は、空乏層として鉱物粒子で残ると考えられる。
【００７０】
このように、本発明の好ましい実施形態によれば、ＣＯ２は、珪灰石前駆体コアのカルシウムカチオンと優先的に反応することにより、前駆体コアの周辺部分をシリカリッチ第１層および炭酸カルシウムリッチ第２層に変化させる。また、コアでの第１および第２層の存在は、珪灰石および二酸化炭素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層を有する結合エレメントをもたらす。
【００７１】
好ましくは、ガスアシストＨＬＰＳプロセスは、気体の拡散が多孔性の予備成形物を迅速に浸透させ、溶解されたＣＯ２で気孔における薄い液体界面溶媒フィルムを飽和させるために、部分的に浸透された気孔スペースを利用する。ＣＯ２ベースの種は、純水において低可溶性である（２５℃、１ａｔｍで１．５ｇ／Ｌ）。よって、有意な炭酸塩変換を可能にするために、相当な量のＣＯ２が多孔性の予備成形物にわたって連続的に供給されかつ分配されなければならない。気相拡散を利用することは、液相における同等の時間での可溶性ＣＯ２のそれにわたる拡散の長さにおいて、莫大な（約１００倍）増加を提供する。（“Handbook of chemistry and physics”, Editor: D. R. Lide, Chapters 6 and 8, 87th Edition 2006-2007, CRC.）この部分的に浸透された状態は、反応が、一定の期間において高い効率でカーボネーションを進めることを可能にする。
【００７２】
気孔における液体の水は、炭酸とカルシウム種の両方でイオン化に必須であるのため、反応速度を高速化する。しかしながら、水のレベルは、ＣＯ２ガスが
気孔結合水相に溶解する前に、多孔性のマトリクス内に拡散し得るように十分低くする必要がある。さらに、多孔性の予備成形物を活動的に分解することが、膨張性反応性結晶成長のためのテンプレートとしての役割を果たす。よって、結合エレメントおよびマトリクスは、最小限の歪みおよび残留応力で形成され得る。このことは、多くの他のアプリケーションに加えて、インフラストラクチャおよび建築材料について必要とされるもののように、大きく複雑な形状をもたらすことができる。
【００７３】
よって、硬化条件の種々の組み合わせは、様々な反応温度、圧力、および反応の長さを含む、所望の生産プロセスを達成することが考案されることとしてもよい。第１の代表的な実施形態において、水は、そのなかに溶解されたＣＯ２とともに、液体の形態で前駆体材料に送達され、硬化プロセスは、約４８時間、約９０℃および約２０ｐｓｉｇ（つまり、周囲圧力を上回る２０ｐｓｉ）で行われる。第２の代表的な実施形態では、水は前駆体材料で存在し（例えば、混合ステップ前からの残余の水として）、および水蒸気は、ＣＯ２とともに前駆体材料に（例えば、水のレベルを維持するおよび／または蒸発することから水のロスを防止するために）提供され、硬化プロセスは、約１９時間、約６０℃および０ｐｓｉｇで（周囲大気圧で）行われる。第３の代表的な実施形態は、水が、ＣＯ２とともに蒸気の形態で前駆体材料に送達され、硬化プロセスは、約１９時間、約９０℃および２０ｐｓｉｇで（周囲大気圧を上回る２０ｐｓｉで）行われる。
【００７４】
所定の実施形態では、膨張した混合物を硬化させることは、気泡複合材料を産生するために、周囲大気圧から周囲を上回る約３０ｐｓｉの範囲の圧力下、および約５０％から約９９％の範囲のＣＯ２濃度下で行われる。
【００７５】
所定の実施形態では、湿潤混合物を形成することは、所定の添加の順に以下の材料を混合することであって、水の第１の部分を添加することと、均一なスラリーを形成するために酸化カルシウムまたはシリカを含む粒子状物質を添加し混合することと、砕かれたケイ酸カルシウムを添加し混合することと、水の第２の部分を添加し混合することと、曝気剤を添加し混合することとを含む。
【００７６】
所定の実施形態では、水の第１の部分は、湿潤混合物における総水含有量の約６０％から約９５％を占め、水の第２の部分は約５％から約４０％を占める。
【００７７】
所定の実施形態では、水の第１の部分は、湿潤混合物における総水含有量の約９０％を占め、水の第２の部分は約１０％を占める。
【００７８】
所定の実施形態では、湿潤混合物は、さらに、レオロジー変性混和剤、ピグメント、遅延剤、および促進剤から選択される添加剤を含む。
【００７９】
所定の実施形態では、膨張された混合物を硬化させることは、約周囲大気圧から周囲大気圧を上回る約３０ｐｓｉの範囲の圧力を有し、水およびＣＯ２を含む蒸気下で、約５時間から約４０時間、約２０℃から約８０℃の範囲の温度で行われる。
【００８０】
所定の実施形態では、注がれた混合物を硬化させることは、約周囲大気圧から周囲大気圧を上回る約６０ｐｓｉの範囲の圧力を有し、水およびＣＯ２を含む蒸気下で、約１０時間から約３０時間、約３０℃から約７０℃の範囲の温度で行われる。
【００８１】
所定の実施形態では、砕かれたケイ酸カルシウムは、珪灰石、偽珪灰石、ランカナイト（rankanite）、ビーライト、およびエーライトから選択される。
【００８２】
所定の実施形態では、粒子状物質の酸化カルシウムは、石灰および珪灰石から選択される。
【００８３】
所定の実施形態では、曝気剤は、粉末形態の、アルミニウム、鉄、亜鉛、炭化カルシウムから選択される。
【００８４】
所定の実施形態では、曝気剤は、液体形態の過酸化水素である。
【００８５】
所定の実施形態では、砕かれたケイ酸カルシウムは、砕かれた珪灰石を含み、
粒子状物質の酸化カルシウムは、砕かれた石灰を含み、曝気剤は、アルミニウム粉末を含む。
【００８６】
所定の実施形態では、粒子状物質成分は、約８３．５重量％から約９４．８重量％の砕かれた珪灰石、約５重量％から約１５重量％ｗ／ｗの砕かれた石灰、および約０．２重量％から約１．５重量％のアルミニウム粉末を含む。
【００８７】
さらに別の態様では、本発明は、概して、本明細書に開示されるプロセスにより調製された気泡複合材料に関する。
【００８８】
所定の実施形態では、気泡複合材料は、約３００ｋｇ／ｍ３から１５００ｋｇ／ｍ３の密度、約２．０ＭＰａから約８．５ＭＰａの圧縮強度、および曲げ強度約０．４ＭＰａから約１．７ＭＰａを呈する。
【００８９】
さらに別の態様では、本発明は、概して、本明細書に開示される気泡複合材料から作られた製品に関する。
【００９０】
本発明の気泡複合材料は、例えば、スタンダードブロック、コアブロック、クラッドブロック、立坑壁およびファイアブロック、リンテルブロック、溝形ブロック、壁パネル、床パネル、ルーフパネル、プレート、サイディング、フレーム、フェンス、装飾および造園製品、並びにパーキングストップ等を含む、種々のサイズおよび寸法の広範な製品を製造するために使用されることとしてもよい。多様な製品が、オートクレーブを必要としない、連続的な大量生産に適したプロセスにより市販の低コスト原料から生産され得る。生産方法は、経済性および環境への影響の両方に関し、従来の気泡コンクリートを超えてはるかに向上される。
【００９１】
結合エレメント、結合マトリクス、および複合材料
Ａ．結合エレメント
図１（ａ）から図１（ｃ）に概略的に図示されるように、結合エレメントは、コア（黒い内側部により示される）、第１層（白い中間部により示される）、および第２または被包層（外側部により示される）を含む。第１層は１つの層のみまたは複合的な副層（複数のサブレイヤー）を含むこととしてもよく、完全にまたは部分的にコアを覆うこととしてもよい。第１層は、結晶相、非晶相、またはこれらの混合物に存在することとしてもよく、連続相におけるまたは不連続の粒子としてあることとしてもよい。第２層は、１つの層または複合的な副層のみを含むこととしてもよく、完全にまたは部分的に第１層を覆うこととしてもよい。第２層は、複数の粒子を含むこととしてもよく、または最小の不連続の粒子を有する連続相であることとしてもよい。
【００９２】
結合エレメントは、意図されるプリケーションに応じて、あらゆるサイズおよびあらゆる規則的なまたは不規則な、個体のまたは中空形態を呈することとしてもよい。代表的な形態は、立方体、直方体、プリズム、ディスク、ピラミッド、多面体または多面的粒子、円柱、球体、錐体，リング、チューブ、半月体、ニードル、ファイバー、フィラメント、フレーク、球体、サブスフィア、ビーズ、ブドウ状、粒状、長楕円形、ロッド，リップル等を含む。
【００９３】
概して、本明細書でより詳細に述べられるように、結合エレメントは、変化プロセス通じて反応性前駆体材料（例えば、前駆体粒子）から産生される。前駆体粒子は、それらが意図されるアプリケーションのニーズに合致する限り、あらゆるサイズおよび形態を有することとしてもよい。変化プロセスは、概して、同様のサイズおよび形態の前駆体粒子を有する対応する結合エレメントへと導く。
【００９４】
前駆体粒子は、所望の結合エレメントを形成するための適切な変化を受け得るあらゆる適切な材料から選択され得る。例えば、前駆体粒子は、シリコン、チタン、アルミニウム、リン、バナジウム、タングステン、モリブデン、ガリウム、マンガン、ジルコニウム、ゲルマニウム、銅、ニオブ、コバルト、鉛、鉄、インジウム、ヒ素、タンタル、および／またはアルカリ土類金属（ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、およびラジウム）の酸化物および非酸化物を含むこととしてもよい。
【００９５】
代表的な前駆体材料は、シリケート、チタン酸塩、アルミン酸塩、リン酸塩、バナジン酸塩、タングステン酸塩、モリブデン酸塩、没食子酸塩、マンガン酸塩、ジルコニウム酸塩、ゲルマン酸塩（germinate）、銅酸化合物、スズ酸塩、ハフニウム酸塩、クロム酸塩、ニオブ酸塩、コバルト酸塩、鉛酸塩、フェライト、ヨウ素酸塩（indate）、ヒ酸塩、タンタル酸塩、およびこれらの混合物のような酸化物を含む。いくつかの実施形態では、前駆体粒子は、オルト珪酸塩、ソロ珪酸塩、環状珪酸塩、イノ珪酸塩、フィロ珪酸塩、立体網状珪酸塩および／またはケイ酸カルシウム水和物のようなシリケートを含む。
【００９６】
所定の廃棄材料は、いくつかのアプリケーションのために前駆体粒子として使用されることとしてもよい。廃棄材料は、例えば、鉱物、産業廃棄物、または産業化学材料を含むこととしてもよい。いくつかの代表的な廃棄材料は、珪酸塩鉱物、鉄鉱、ペリクレース、石膏、鉄（ＩＩ）水酸化物（huydroxide）、フライアッシュ、ボトムアッシュ、スラグ、ガラス、オイルシェル（oil shells）、赤泥、バッテリ廃棄物、リサイクルされたコンクリート、鉱くず、ペーパーアッシュ（paper ash）、または濃縮された逆浸透塩水由来の塩を含む。
【００９７】
追加の前駆体粒子は、カル‐シリケートロック、フイッチ（fitch）形成、ヘブロン片麻岩、層状の片麻岩、中間の部材、アージライト、石英岩、中間の先カンブリア時代の堆積物、少量の石灰岩ベッドを有する暗色のフェルドパシック（feldpathic）石英岩、ハイグレードな変堆積黒雲母片岩、黒雲母片麻岩（biotite gniss）、マイカ片岩、石英岩、フーザック（hoosac）層、パートリッジ（partridge）層、ワシントン片麻岩、デボン紀、シルル紀グリーンベール（greenvale）コーブ層、Ocoee累層群、メタサンドストーン（metasandstone）、メタグレイワッケ（metagraywacke）、レーンジリー（Rangeley）層、角閃岩、方解石および白雲岩の大理石、マンハッタン層、錆びたおよびグレーの黒雲母−石英−長石片麻岩、並びにウォーターフォード（waterford）群のような鉱物含むを異なるタイプの岩を含むこととしてもよい。
【００９８】
また、前駆体粒子は、火成岩、例えば、安山岩、アノーソサイト、ベイサナイト（basinite）、ボニナイト、カーボナタイト、およびチャーノッカイト（charockite）、堆積材料、例えば、限定されないが、アージライト、アルコーズ、角礫石、カタクラサイト、チョーク、粘土岩、チャート、フリント、ギットソーン（gitsone）、リグヒン（lighine）、石灰岩、泥岩、砂岩、頁岩、およびシルト岩（siltsone）、変成材料、例えば、限定されないが、角閃岩、変閃緑岩、片麻岩、グラニュライト、グリーンストーン, ホルンフェルス、大理石、泥質岩、千枚岩、石英岩、へんま岩（shist）、スカルン、粘板岩、タルク炭酸塩、および石鹸石、並びに他の様々な岩、例えば、限定されないが、アダメライト、アッピナイト、非顕晶質岩、ボロラナイト、青花崗岩、緑簾岩、フェルサイト、フリント、軟ケイ石、アイヨライト、硬玉岩、ジャスプロイド（jasproid）、ケニアイト、フォーゲサイト、ラルビカイト、リッチフィールド岩（litchfieldite）、電気石花崗岩（luxullianite）、マンゲル岩（mangerite）、ミネット、ノバキュライト、パイロライト（pyrolite）、ラパキビ花崗岩、菱長石斑岩、ションキナイト、タコナイト、テッシェナイト、テラライト、およびあばた石を含むこととしてもよい。
【００９９】
表２は、異なる前駆体材料を使用する場合に達成され得る第１および第２層についての異なるタイプの化学的性質についての代表的な実施形態を提供する。第１層に関し、異なる前駆体材料を用いることにより、シリカ、アルミナ、またはチタニアを得ることとしてもよい。また、第２層は、前駆体材料の選択で変更されることとしてもよい。例えば、第２層は、種々のタイプの炭酸塩、例えば、純粋な炭酸塩、複合的な陽イオン炭酸塩、水またはＯＨ基を有する炭酸塩、水またはＯＨ基を有する積層された炭酸塩、陰イオン含有炭酸塩、シリケート含有炭酸塩、および炭酸塩を支持する鉱物を含むこととしてもよい。
【０１００】
【表２】
0006370876.tif 000003
【０１０１】
第２層は、追加の陰イオンおよび／または陽イオンを導入することにより変更されることとしてもよい。このような追加の陰イオンおよび陽イオンは、耐火性または耐酸性のような、その物理的および化学的特性を増加させるために第２層を変更するために使用されることとしてもよい。例えば、表３に示されるように、第１層はシリカリッチ層として保持され、第２層はＰＯ４２−およびＳＯ４２−のような、反応に対して余分な陰イオンまたは陽イオンを加えることにより変更されることとしてもよい。結果として、第２層は、例えば、異なるリン酸塩、硫酸塩、フッ化物、またはその組み合わせを含むこととしてもよい。
【０１０２】
【表３】
0006370876.tif 000004
【０１０３】
Ｂ．結合マトリクスおよび複合材料
結合マトリクスは、複数の結合エレメントを含み、３次元のネットワークを形成する。結合マトリクスは、多孔性または非多孔性であることとしてもよい。空隙率の程度は、温度、リアクター設計、前駆体材料および変化プロセス中に導入される液体の量のような、空隙率を制御するために使用され得る多くの変数による。意図されるアプリケーションに応じて、空隙率は、約１体積％から約９９体積％までのほとんどのあらゆる空隙率に設定され得る。
【０１０４】
結合マトリクスは、複合材料を作成するための変化プロセス前またはその間に前駆体材料と混合される、１以上の充填材料を組み込むこととしてもよい。結合マトリクスにおける結合エレメントの濃度は、変化することとしてもよい。例えば、体積基準で結合エレメントの濃度は、比較的高いこととしてもよく、少なくともいくつかの結合エレメントが互いに接触している。この状況は、充填材料が結合マトリクスに組み込まれるが、結合エレメントの容積測定の希釈レベルが比較的低いような、充填材料のタイプおよび／または充填材料の量となっている場合に生じることとしてもよい。別の例では、体積基準での結合エレメントの濃度は比較的低く、結合エレメントが、あらゆる結合エレメントが互いに接触している場合がわずかとなるように、結合マトリクス内により広く分散される。この状況は、充填材料が結合マトリクスに組み込まれ場合に生じることとしてもよく、充填材料のタイプおよび／または充填材料の量は、希釈のレベルが比較的高くなるようになっている。
【０１０５】
概して、充填材料は、結合マトリクス内に組み込まれ得る多くのタイプの材料のいずれか１つを含むこととしてもよい。充填材料は不活性または活性があることとしてもよい。不活性材料は、変化中のあらゆる化学的反応を経ず、核形成部位として作用しないが、結合マトリクスと物理的または機械的に相互に作用することとしてもよい。不活性材料は、ポリマー、金属、無機粒子、凝集体等を含むこととしてもよい。特定の例は、玄武岩、花崗岩、リサイクルされたＰＶＣ、ゴム、金属粒子、アルミナ粒子、ジルコニア粒子、カーボン粒子、カーペット粒子、Ｋｅｖｌａｒ（商標）粒子、およびこれらの組み合わせを含むこととしてもよいがこれらに限定されない。活性のある材料は、変化が変化中のあらゆる化学反応を経て、および／または核形成部位として作用する間に結合マトリクスと化学的に反応する。例えば、マグネシウム水酸化物は、充填材料として使用されることとしてもよく、マグネシウム炭酸カルシウムを形成するために、結合マトリクスからカルシウムコンポーネント相を分解して化学的に反応することとしてもよい。
【０１０６】
結合マトリクスは、複合材料のほとんどのあらゆるパーセンテージを占めることとしてもよい。よって、例えば、結合マトリクスは、約１体積％から約９９体積％の複合材料を占めることとしてもよい（例えば、結合マトリクスの体積分率は、約９０体積％、７０体積％、５０体積％、４０体積％、３０体積％、２０体積％、１０体積％以下であり得る。）。結合マトリクスの体積分率についての好ましい範囲は、約８体積％から約９０体積％（例えば、約８体積％から約８０体積％、約８体積％から約７０体積％、約８体積％から約５０体積％、約８体積％から約４０体積％）、およびより好ましい範囲の約８体積％から３０体積％である。
【０１０７】
また、複合材料は、多孔性または非多孔性であることとしてもよい。空隙率の程度は、温度、リアクター設計、前駆体材料、変化プロセス中に導入される液体の量、およびどの充填剤が採用されるのかのような、空隙率を制御するために使用され得る多くの変数に依存する。意図されるアプリケーションに応じて、空隙率は、約１体積％から約９９体積％（例えば、約９０体積％、７０体積％、５０体積％、４０体積％、３０体積％、２０体積％、１０体積％以下）のほとんどあらゆる程度の空隙率に設定され得る。複合材料についての空隙率の好ましい範囲は、約１体積％から約７０体積％、高密度および耐久性のためにより好ましくは約１体積％から約１０体積％の間、並びに軽量および低熱伝導率のために約５０体積％から約７０体積％の間である。
【０１０８】
結合マトリクス内で、結合エレメントは、多くの配向のいずれか１つで、互いに対して配置されることとしてもよい。図２（ａ）〜図２（ｆ）は、結合エレメント間の間隔により示される、充填材料の組み込みにより希釈され得る、異なる配向でファイバーまたはプレート形状の結合エレメントを含む代表的な結合マトリクスを模式的に示す。図２（ａ）は、例えば、１方向（「１Ｄ」）配向に並べられた（例えば、ｘ方向に対して並べられた）ファイバー形状の結合エレメントを含む結合マトリクスを示す。図２（ｂ）は、２方向（「２Ｄ」）配向に並べられた（例えば、ｘおよびｙ方向に対して並べられた）プレート形状の結合エレメントを含む結合マトリクスを示す。図２（ｃ）は、３方向（「３Ｄ」）配向に並べられた（例えば、ｘ、ｙおよびｚ方向に対して並べられた）プレート形状の結合エレメントを含む結合マトリクスを示す。図２（ｄ）は、ランダムな配向でのプレート形状の結合エレメントを含む結合マトリクスを示し、結合エレメントは、あらゆる特定の方向に対して並べられていない。図２（ｅ）は、３Ｄ配向に並べられたプレート形状の結合エレメントの比較的高い濃度を含む結合マトリクスを示す。図２（ｆ）は、ランダムな配向に位置された（濾過ネットワーク）比較的低濃度のプレート形状の結合エレメントを含む結合マトリクスを示す。図２（ｆ）の複合材料は、連続的なネットワークのコンタクトが材料の一端から他端へと形成されるように、大きな割合の結合エレメントが互いに接触するため、濾過閾値を達成する。濾過閾値は、クリティカルな濃度であり、結合エレメントは、例えば図２（ｅ）のような規則正しい、または、例えば図２（ｆ）の結合エレメントのようなランダムな配向のいずれかを有する長範囲の連結性を示す。連結性パターンの例は、例えば、Newnham, et al., “Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites”, Mat. Res. Bull. vol. 13, pp. 525-536, 1978）でみられ得る。
【０１０９】
さらに、１または多段階の繰り返し階層的な構造は、他の潜在的な有用な、機能的な目的のなかでも強い材料を作成することを提供する、密詰めを促進し得る態様で達成され得る。階層は、どのような構造がいくつかの長さのスケールでパターンを形成するのかを記載する。異なるタイプの結合マトリクスは、マトリクス空隙率を変化させることにより、および異なるサイズのコアファイバーを組み込むことにより作成され得る。異なる種類の粒子状物質およびファイバーコンポーネントが、異なる連結性を有する異なる種類の構造を製作するために階層的な構造で使用され得る。
【０１１０】
結合エレメント、結合マトリクス、および複合材料を形成するプロセス
変化（硬化）プロセスは、反応性の液体に前駆体材料をさらすことにより進行する。液体に関連する反応物質は、前駆体粒子、より具体的には、前駆体粒子の周辺部分で化学的な反応物質を作成する化学材料と反応する。この反応は、最終的に、第１および第２層の形成をもたらす。
【０１１１】
いくつかの実施形態では、前駆体粒子は、２つ以上の化学元素を含む。変化プロセスの間、液体における反応物質が、少なくとも１つの第１の化学元素と優先的に反応し、液体における反応物質（例えば、ＣＯ２と溶液における関連される種）と少なくとも１つの第１の化学元素（例えば、カルシウム２＋）間の反応は第１および第２層の形成をもたらし、第１層は前駆体粒子の派生物を含み、概して少なくとも１つの第１の化学元素を排除し、他方では、第２層は、反応物質と少なくとも１つの第１の化学元素の組み合わせ（例えば、ＣａＣＯ３）を含む。比較すると、コアは、前駆体粒子として、同じまたはほとんど同じ化学成分を含む（例えば、ＣａＳｉＯ３）。例えば、コアの周辺部分は、コアからの特定の化学元素を選択的に浸出するため、前駆体粒子の化学成分から変化することとしてもよい。
【０１１２】
よって、コアおよび第２層は、前駆体粒子の少なくとも１つの第１の化学元素（例えば、カルシウム２＋）を共有し、コアおよび第１層は、前駆体粒子の少なくとも別の１つの化学元素を共有する（例えば、Ｓｉ４＋）。少なくとも１つの第１の化学元素は、コアおよび第２層により共有され、例えば、少なくとも１つのアルカリ土類元素（ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、およびラジウム）であることとしてもよい。少なくとも別の１つの化学元素は、コアおよび第１層により共有され、例えば、シリコン、チタン、アルミニウム、リン、バナジウム、タングステン、モリブデン、ガリウム、マンガン、ジルコニウム、ゲルマニウム、銅、ニオブ、コバルト、鉛、鉄、インジウム、ヒ素および／またはタンタルであることとしてもよい。
【０１１３】
いくつかの実施形態では、液相における反応物質と前駆体粒子の少なくとも１つの第１の化学元素との反応は、完了することが行われ、従って、結合エレメントのコアとなる第１層をもたらし、前駆体粒子のそれとは異なる化学成分を有し、少なくとも１つの追加のまたは第２のシェル層（shell layer）が、前駆体粒子の２つまたはそれ以上の化学元素の少なくとも１つの第１の化学元素を含むまたは含まない成分を含む。
【０１１４】
Ａ．ガスアシスト水熱液相シンタリング
結合エレメントは、例えば、ガスアシストＨＬＰＳに基づく方法により形成されることとしてもよい。このような方法では、複数の前駆体粒子を含む多孔性の固体のボディは、液体（溶媒）にさらされ、多孔性の固体のボディの気孔を部分的に飽和させ、つまり、気孔の体積が部分的に水で満たされる。
【０１１５】
炭酸塩を形成するものような所定のシステムでは、水で完全に気孔を満たすことは、反応性のガスが、気体の拡散によって内部の気孔の全てへと多孔性の固体のボディの外側の表面から拡散することはできなくなるため望ましくないと考えられる。代わりに、反応性ガスの反応物質は、液体において溶解し、かなりゆっくりと外側表面から内部気孔へと液相で拡散する。この液相拡散は、薄い多孔性の固体のボディを変化させるのに適しているかもしれないが、より厚い多孔性の固体のボディには適していないであろう。
【０１１６】
いくつかの実施形態では、反応物質を含むガスは、多孔性の固体のボディの部分的に飽和された気孔へと導入され、反応物質は溶媒により溶解される。溶解された反応物質はその後、前駆体粒子における少なくとも第１化学元素と反応し、第１層および第２層へと前駆体粒子の周辺部分を変化させる。反応の結果、溶解された反応物質は、溶媒から消耗される。一方、反応物質を含むガスは、溶媒に追加の反応物質を供給するために、部分的に飽和された気孔へと導入されることが続く。
【０１１７】
反応物質と前駆体粒子の少なくとも第１化学元素間の反応が進むと、前駆体粒子の周辺部分は、第１層および第２層へと変化する。コアの周辺での第１層の存在は、最終的に、反応物質と前駆体粒子の少なくとも第１化学元素を分離することによるさらなる反応を妨げ、これにより、効果的に反応を停止させ、前駆体粒子の反応しない中心としてのコア、コアの周辺の第１層、第１層の上の第２層を有する結合エレメントを残す。
【０１１８】
得られた結合エレメントは、コア、第１層、および第２層を含み、概して、前駆体粒子よりも大きなサイズであり、多孔性の固体のボディの周囲の多孔性領域を満たし、多孔性の固体のボディにおける隣り合う材料とおそらく結合する。その結果、産生物のネット形状の形成は、実質的に同じサイズと形状を有するが、多孔性の固体のボディよりも高い密度を有して形成されることとしてもよい。このことは、最初の密な粉末よりも高い密度材料を産生するために、質量輸送から収縮を生じさせる伝統的なシンタリングプロセスを超えて利点がある。
【０１１９】
Ｂ．オートクレーブでのＨＬＰＳ
ＨＬＰＳの方法の代表的な実施形態では、複数の前駆体粒子を含む多孔性の固体のボディがオートクレーブチャンバに配置されて加熱される。溶媒としての水が、チャンバにおける水を蒸発させることにより、多孔性の固体のボディの気孔内に導入される。多孔性の固体のボディの上の冷却プレートは、多孔性のボディで、多孔性の固体のボディの気孔へとその後滴下する蒸発した水を濃縮し、よって、多孔性の固体のボディの気孔を部分的に飽和させる。しかしながら、本実施例で水を導入する方法は、水が送達され得るいくつかの方法の１つである。例えば、水は、また、加熱されてスプレーされ得る。
【０１２０】
一方、反応物質としての二酸化炭素は、チャンバ内に吹き込まれ、二酸化炭素は、多孔性のボディの部分的に飽和された気孔内に拡散する。気孔で一度、二酸化炭素は水に溶解し、よって、前駆体粒子と二酸化炭素間の反応が、前駆体粒子の周辺部分を第１および第２層に変化することを可能にする。
【０１２１】
第２反応物質と第１層間の反応が進行するので、第２反応物質が第１層と反応することが続き、第１層の周辺部分が第２層へと変化する。第２層の形成は、第１層におけるコンポーネントの外部溶液（exo-solution）であることとしてもよく、このような第２層は勾配層であることとしてもよく、第２層を成す化学元素（陽イオン）の１つの濃度は、コア粒子の表面から第１層の端へと移動するため、高濃度から低濃度へと変化する。また、層が非晶質または不変のまたは変化する成分を有する固体の溶液からなる場合のように、第２層が同様に勾配成分とすることが可能である。
【０１２２】
前駆体コアの周辺で第２層の存在は、最終的に、第２反応物質と第１層を分離することによりさらなる反応を妨げ、効果的に反応を停止させ、コアを有する結合エレメント、コアの周辺の第１層、および第１層の上の第２層を残す。得られた結合エレメントは、概して、もとの前駆体粒子よりもサイズが大きく、これにより、多孔性の固体のボディの周囲の多孔性領域を満たし、多孔性の固体のボディの隣り合う材料と結合する。その結果、本方法は、もとの多孔性の固体のボディと実質的に同じ形状を有するが、これよりも高い密度を有する産生物のネット形状の形成を可能にする。このことは、最初の密な粉末よりも高い密度材料を産生するために、質量輸送から収縮を生じさせる伝統的なシンタリングプロセスを超えて利点がある。
【０１２３】
Ｃ．浸透媒体
少なくとも一部の多孔性のマトリクスへの移送のために使用される浸透媒体は、溶媒（例えば、水）および反応種（例えば、ＣＯ２）を含む。溶媒は、水溶性または非水溶性であり得る。溶媒は、１以上のコンポーネントを含み得る。例えば、いくつかの実施形態では、溶媒は、水およびエタノール、エタノールおよびトルエン、または種々のイオン性液体の混合物、例えば、ハロゲン化物またはトリハロゲノアルミン酸塩陰イオンを有する、アルキル置換イミダゾリウムおよびピリジニウム陽イオンによるイオン性液体であり得る。湿潤システムは、処理設備を簡略化するために、非湿潤システムを上回って好ましい。
【０１２４】
溶媒は、多孔性のマトリクスと化学的に反応すべきではないが、溶媒は、反応種と化学的に反応することとしてもよい。溶媒は、洗浄媒体によるバルクフロー、蒸発、昇華、もしくは溶解、または当業者に知られるあらゆる他の適切な分離方法のような種々の分離方法を介して除去され得る。
【０１２５】
より具体的には、溶媒は、溶解された反応種が多孔性のマトリクスと反応する温度で液体である。この温度は、特定の溶媒および選択された反応種に応じて変わるであろう。エネルギーを節約し、処理設備を簡略化するために、高いものを上回って低い温度が好ましく、これにより、製造コストを低減する。
【０１２６】
溶媒の役割は、例えば、ポートランドセメントのような反応性システムを含む先行技術と対比すると、水のような溶媒は、他の沈殿産生物のなかでも、金属水和物または金属水酸化物のような溶媒分子を含む製品を形成するために、多孔性のマトリクスと反応する。
【０１２７】
純粋な反応種の相に関わらず、反応種は、中性、陰イオン、または陽イオン種のような溶媒に溶解する。例えば、少なくとも１つの反応種は、ＣＯ２であり得、それは、中性のＣＯ２として水に溶解し得るが、Ｈ３Ｏ＋、ＨＣＯ３−、Ｈ２ＣＯ３、およびＣＯ３２−のような反応種を作成し得る室温で気体である。自然の状態における反応種および溶媒の初位相に関わらず、浸透媒体は、多孔性マトリクスの気孔（例えば、間質空間）で、液相である。
【０１２８】
例えば、毛管力は、自然に多孔性マトリクス内に浸透媒体を逃がす（wick）ために使用され得る。このタイプの湿潤は、浸透媒体が非常に低い接触角（例えば、９０度未満）を有する場合に生じる。この場合、媒体は、気孔を部分的に満たす（部分的に飽和させる）または完全に満たす（飽和させる）ことができる。浸透は、また、いくつかの気孔が満たされ、一方、他のいくつかが空のおよび／または部分的に満たされる態様で生じ得る。また、満たされているまたは飽和している気孔における、勾配により浸透された多孔性マトリクスは、毛管流を介して均一性であるものに後に変化され得ることを可能にする。また、湿潤は、浸透媒体の接触角が高い場合（例えば、９０度超）には自然に生じない。そのような場合に、流体は、外部の圧力がアプライされない限り、多孔性マトリクスに浸透しないであろう。このアプローチは、圧力の放出により浸透媒体を引き出すことが望ましい場合に（例えば、反応が、圧力により開始し、または停止される）、有用性がある。
【０１２９】
浸透が、気孔における自然な毛管流を用いてなされる場合、バルクフローは、気孔が満たされる（飽和される）と止まる。ＨＬＰＳ中に、反応種は、種々の反応により１以上の産生物を形成するために、マトリクスと反応する。少なくとも１つの反応種は、気孔スペース内から消耗され、よって、反応の途中で補充される必要がある。気孔が浸透媒体により完全に飽和すると、反応種は、マトリクス気孔を通って、外部の浸透媒体から多孔性のマトリクスへと移送されなければならない。静止状態の流体では、拡散は、移送が起こるプロセスである。よって、気孔内の反応が、全ての他の質量輸送プロセスと比較して速い、いくつかのＨＬＰＳ方法に関し、多孔性のマトリクスの厚さにおける大きな増加により、反応が制限される。このような場合、マトリクスの外側の部分のみが反応種と広範に反応するが、多孔性のマトリクスの内側の領域は、完全には反応しないまたは反応しない。これらのタイプの反応は、ＨＬＰＳプロセスの産生物の濃度が構造の内部に対して外側部分（外部の表面領域により近い）でより高い、勾配のある微細構造の作成に適している。
【０１３０】
Ｄ．プロセスの選択および制御
高度な放熱反応は、浸透媒体の移送に対してゆっくりと進行し、マトリクスは熱的に遮蔽し、捕捉された熱は、その内部よりも、プロダクト相（つまり、少なくとも１つの反応種と多孔性マトリクスの一部との間の反応の産生）をその内部が含むことができるように、マトリクス内部で、反応の速度を増加させ得る。反応が浸透媒体の質量輸送に対して中間的な速度で等温度に進行する、ＨＬＰＳプロセスに関し、拡散が反応種を気孔に供給するために継続し得、反応の程度（産生物濃度）における勾配が観察されないであろう。このような場合、一体式の構造またはボディの材料の内部から外部への化学的および／または相の成分における差異はほとんどない。
【０１３１】
多くの場合では、相および成分に関する均一な微細構造は、一体式の構造ボディにおけるものであることが望ましい。さらに、比較的短い時間フレームで、例えば、大きな厚い一体式のボディが、ＨＬＰＳ反応を行うことも望ましく、ロードやブリッジのようなアプリケーションが必要とされる。ＨＬＰＳプロセスについての反応の速度と質量輸送とのバランスがとれることが望ましい。前駆体の選択および浸透媒体を含むために前駆体を導入する方法についてのストラテジーが重要である。前駆体の選択および浸透媒体を導入する方法についての好ましい選択は、最も薄い方向でのサンプル厚さの少なくとも部分的な機能、プロセスのために許容可能に考えられたタイムスケール、並びに温度、圧力、および成分のような、商業的に実現可能なプロセスに必要とされる熱力学的および動態学的制約である。
【０１３２】
表４は、前駆体の選択およびストラテジーの導入の方法を要約する。多孔性マトリクスは、直接的に浸透され得、または多孔性マトリクスは、表４に記載されるあらゆる浸透の順の前に排気されることとしてもよい。方法は、前駆体として気体、前駆体として液体、または前駆体として固体を使用することが記載される。さらに、固体および液体、気体および液体、並びに気体および固体のような相の混合が全て使用され得る。例えば、ＣＯ２のような反応物質は、その純粋な状態での気体であるが、水に溶解された溶液の種に変換される。このような事象は、多孔性マトリクスへの気体の拡散および気孔が対面した場合のその後の凝縮により生じ得る。このタイプの前駆体システムは、炭酸塩相を有する微細構造が所望される場合に適する。前駆体（溶媒および反応種）の追加の順は、生じる反応および微細構造の材料に影響し得る。
【０１３３】
【表４−１】
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【表４−２】
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【表４−３】
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【０１３４】
いくつかの実施形態では、溶媒および反応種は、浸透媒体を形成するためにプレミキシングされ、その後、単一のステップでマトリクス内に導入されることとしてもよい。他の実施形態では、複合的な浸透順序を採用することが好ましいかもしれない。例えば、溶媒前駆体がまず導入され、その後、反応種の浸透が続くこととしてもよく、または逆もまた同様である。
【０１３５】
溶媒または反応種前駆体は、浸透媒体がマトリクスの気孔でみられる液体であるため、最初に同じ相であることを必要とする。例えば、溶媒前駆体は、１００℃の温度でまたは大気圧よりも高い気体である、水のような蒸気であり得、１００℃より低い温度でマトリクスを冷却することにより、またはケルビンの気孔サイズ範囲（１００ｎｍ未満）での気孔サイズを有する多孔性マトリクスを用いることによる表面エネルギーを利用することにより、液体へと濃縮され得る。気孔が大きい場合には、気体の種が熱的に濃縮され得るように温度が上昇され、少量の浸透溶液が必要とされまたは他の理由は本明細書で述べられず、潮解性化合物を用いて気孔における液体を形成することが望ましいかもしれない。このような化合物の例は、ホウ酸、硝酸鉄、および水酸化カリウムを含む。この場合、水のような蒸気は、気孔における潮解性の固体相を液体に変換し得、プロダクト相の結晶成長が気孔で進行し得る。これは、液体の浸透と拡散がＨＬＰＳにより作成された産生物の厚さを制限する場合に特に有用である。代替的には、気体の拡散は、マトリクスの気孔の内部でＨＬＰＳのために必要とされる浸透媒体を形成するために、非常に大きな距離にわたって種を移送するために使用され得る。
【０１３６】
種々の添加剤は、ＨＬＰＳプロセスおよび得られる製品を向上させるために組み込まれ得る。添加剤は、それらの純粋な状態で固体、液体、または気体であり得るが、溶媒相または浸透媒体の取り込み前に多孔性マトリクスと共処理されたもの（例えば、プレミキシングされたもの）において可溶性である。例は、核形成触媒、核形成抑制剤、溶媒コンディショナー（例えば、水軟化剤）、湿潤剤、非湿潤剤、セメントまたはコンクリート添加剤、建築材料についての添加剤、結晶形態制御添加剤、結晶成長触媒、結晶成長を遅延させる添加剤、ｐＨ緩衝液、イオン強度アジャスタ、分散剤、結合剤、流体力学的制御剤、反応速度触媒、静電気、立体、電気立体、高分子凝集剤およびボルド層（Vold-layer）分散剤、キャッピング剤、カップリング剤および他の表面吸着性の種、酸または塩基ｐＨ調節剤、気体、液体、または固体を生成する添加剤（例えば、加熱され、加圧され、抑制され、別の種と反応され、または本明細書で挙げられていないあらゆる作業変数にさらされる場合）、並びに生物学的または合成コンポーネント（例えば、上記の機能のいずれかおよび／または溶媒、反応種、もしくは多孔性マトリクスとして提供する）を含む。
【０１３７】
いくつかの実施形態では、潮解性の固体が使用されることとしてもよい。潮解性の固体は、多孔性マトリクスとプレミキシングされることとしてもよい。その後、溶媒の予混合物および少なくとも１つの反応種が、潮解性の固体多孔性マトリクスに導入され得る。予混合物における溶媒および少なくとも１つの反応種は、両方が気相のまたは両方が液相であり得る。いくつかの実施形態では、溶媒は液体であることとしてもよく、少なくとも１つの反応種は、予混合物において気相であることとしてもよく、逆もまた同様である。
【０１３８】
気体‐水蒸気の流れは、多孔性マトリクスにおける間質空間で、液相における浸透媒体を生成するために、多孔性マトリクスにおける潮解性塩にわたって通過し得る。例えば、高湿気体−水蒸気流は、ＣＯ２溶解およびイオン化のための溶媒としての役割を果たし得る。多くの塩が潮解性であることが知られており、塩表面にわたって湿り空気の流れから液体溶液を形成することに適して使用され得る。適切な塩の選択は、空気における湿度のレベルによる。いくつかの塩は、相対的に非常に低い湿度で操作し得る。潮解性塩の例は、Ｍｇ（ＮＯ３）２、ＣａＣｌ２、およびＮａＣｌを含む。
【０１３９】
浸透媒体の送達に関し、多孔性マトリクスを自然に湿潤させるバルク溶液として送達され得る。この溶液の送達に関する多くのオプションがある。まず、多孔性マトリクスは、液体に浸され得る。第２に、浸透溶液は、多孔性マトリクスに噴霧され得る。静止状態のシステムでは、多孔性マトリクスの気孔体積よりも大きな浸透溶液の体積である場合に、拡散は、反応種を気孔部位に送達することにより反応を伝搬する。
【０１４０】
代替的には、流体は、種々の方法により多孔性マトリクスを通って流れ得る（機械的に対流される）。加圧流、乾燥、電気浸透流、マグネト‐浸透流（magneto-osmosis flow）、並びに温度および化学勾配駆動流（chemical-gradient-driven flow）のような方法が、多孔性のボディを通って液体浸透媒体を流すために使用され得る。この動的フローは、拡散プロセスによるものと対照的に、新鮮な反応物質が多孔性マトリクスに近接することを可能にする。このアプローチは、マトリクスの気孔サイズ分布が、拡散プロセスよりも速く反応種を供給する、適度に高い流体の速度を可能にする限り有益であり、産生物形成の反応速度と同じまたはそれより速い供給速度である場合に最適である。また、浸透媒体のフロースルーは、高度な放熱反応に特に有用である。このことは、厚い一体式の構造に特に有益であり、一体式の構造を破砕することが可能な内部圧力を生成することができる熱を内部に生成し得る。
【０１４１】
材料の厚さがこの長さのスケールを超える多くのアプリケーションがある。この場合、当業者に知られるあらゆる適切な手段による流体の機械的対流が好ましい。代替策は、気体の種として溶媒または反応種を導入することである。また、超臨界条件は、液体と気体との間にある移送速度を達成するために採用され得る。気体の種は、多孔性マトリクスにわたって圧力勾配を付与することにより機械的に対流されることとしてもよい。気体が反応種である場合には、溶媒流体で満たされた気孔は、反応種の気体を吸収し得る気孔で、溶媒のフィルムに残る気孔から流れ出る。代替的には、部分的に満たされた気孔は、溶媒が流れる気体の一部を吸収するので、気体が気孔を通って流れることを可能にするであろう。
【０１４２】
システムは、低コストのプロセスを可能にする低温および低圧力で利用することとしてもよい。よって、反応種の気体の拡散を促進させるための、気孔における溶媒の分画を保持するプロセスは、産生物の大きな分画が所望される反応のために静止流体を利用するものを上回って好ましい。反応物質および溶媒種を気孔へと効果的に移送し得る多くの装置デザインがある。これらのデザインのいくつかは、フィルタープレス、噴霧チャンバ、オートクレーブ、およびスチーマーのような従来のリアクター設備を含む。
【０１４３】
実施例
実施例１：合成珪灰石を用いて作成される気泡複合材料
原料
合成珪灰石（ＳＣ−Ｃ２）、Donghai Golden Resources Industries, Donghai, China;酸化カルシウム、Austin, TX (Capitol Brand);アルミニウム粉末、Eckrat America Corporation, New Jersey
【０１４４】
【表５】
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【０１４５】
混合手順
１．液体コンポーネント（本実施例では、水道水の１．７５３ｋｇ）を測定して、実験室スケールのミキサーへロードする。
２．合成珪灰石（ＳＣ−Ｃ２）である２．９０６ｋｇの第１の固体コンポーネントを測定して、スラリーへロードし、約５分以上の間、同じ速さで混合を続ける。
３．石灰（酸化カルシウム）である０．３２５ｋｇの第２の固体コンポーネントを測定して、ミキサーへロードし、均一なスラリーが形成されて、混合物の温度が周囲のレベル近くに下がるまで、５分以上の持続時間で約４０ＲＰＭで２つのコンポーネントを混合する。
４．０．０１６ｋｇの３０ミクロンのサイズのアルミニウム粉末（最終的な固体のコンポーネント）を測定して、スラリーへロードし、約３０秒間より低いｒｐｍ速度（３０ＲＰＭ）で混合を続け、その後、より高いｒｐｍ速度（５０ＲＰＭ）でさらに３０秒の混合が続く。このように湿潤混合物を作成する。
鋳造手順
１．鋳型の湿潤混合物と内部表面との摩擦を低下させるために、並びに成型品の取出し中に鋳型表面に湿潤混合物が固着する可能性を防止するために、ＷＤ−４０またはグリースを用いて、各鋳型の内部表面をなめらかにする。
２．ミキサーから湿潤混合物をすくい出し、鋳型の高さの約半分まで、鋳型にそれを注ぐ。ほとんどの場合には、外部振動は必要とされないが、鋳型サイズが小さい場合には、その後、混合のレベルに対してわずかな振とうまたは揺動が必要とされる。
３．約３〜４時間、湿潤混合物を含む鋳型を脇に置き、エアレーションまたは体積膨張、および成型品の取出しに必要なグリーン強度を達成することを可能にする。
４．生の通気セラミックボディを露出するために、鋳型の４つの鉛直面を取り外す。
５．注記：成型品の取出し時間は、混合物の成分に応じて様々であり得る。
【０１４６】
硬化手順
生の通気セラミックボディは、そのベースプレートとともに、直径７ｆ、長さ１２ｆｔの水平な硬化チャンバ内に配置された。硬化チャンバは、１２分間、ＣＯ２ガスでパージされた。硬化チャンバの温度は、その後、６０℃に設定され、７０度の温水が、水蒸気で飽和されたチャンバを維持するために硬化チャンバの底で循環された。硬化チャンバ内の材料は、その後、強化されまたは硬化されたセラミックボディの作成を導く、２０時間の間、これらの条件下で硬化されまたは反応させた。
【０１４７】
硬化された材料は、その後、硬化チャンバから取り出され、底のプレートが取り外された。材料は、その後、乾燥オーブンに配置され、あらゆる残留水分を除去するために９０℃に設定された。反応の程度は、反応中の重量増加に基づいて算出された。表５で言及される混合割合を用いて調製されるサンプルに関し、反応の程度は、約４０％から約６０％であり、結合剤および石灰とアルミニウムとの完全な反応が想定された。
【０１４８】
写真：図３は、合成珪灰石を用いて作成された切断気泡コンクリートサンプル（デモンストレーション目的のための６インチ×６インチ×４インチ）の例を示す。
【０１４９】
密度測定：気泡コンクリートサンプルの乾燥密度が、サンプルが２４時間の期間オーブン乾燥された後に測定された。２インチまたは４インチ辺長の立方体の材料が、本測定のために概して好ましかった。
【０１５０】
表５で言及される混合割合を用いて調製されたサンプルの乾燥密度は、約５０ｋｇ／ｍ３（３．１ｌｂｓ／ｆｔ３）の標準偏差を有する約６５０ｋｇ／ｍ３（４０．５ｌｂｓ／ｆｔ３）となることが分かった。
【０１５１】
圧縮強度試験：それらの適切な鋳型で調製された硬化材料の圧縮強度が、ＡＳＴＭ  Ｃ−１６９３−１１のセクション６に従って測定された。２インチまたは４インチの立方体材料が、湿らせたのこぎりを用いて気泡コンクリートサンプルの硬化されたブロックから切り出された。
【０１５２】
これらの立方体材料の圧縮強度は、０．５ｍｍ／ｍｉｎの速度で変位制御された１５０ｋＮインストロン機械試験法の機械または５０から１００ｐｓｉ／秒の間の平均速度でギルソン万能材料試験機を用いて測定された。３つの材料の平均が圧縮強度について試験された。表５で言及される混合割合を用いて調製されたサンプルの圧縮強度は、１８０ｐｓｉ（１．３ＭＰａ）の標準偏差を有して７２０ｐｓｉ（５ＭＰａ）であることが分かった。
【０１５３】
曲げ強度試験：硬化された気泡コンクリート材料の曲げ強度は、ＡＳＴＭ  Ｃ−６７のセクション６に従って測定され得る。この測定のためには、０．５ｍｍ／分の歪み速度で３点曲げ強度を具備する、１５０ｋＮインストロンメカニカルテスターが好ましい。圧縮強度に対する曲げ強度の割合は、非常に低い密度の気泡コンクリートのために、通常、０．２２から０．２７まで変化するが、この値は、ほとんどの場合、ゼロにもなり得る。気泡コンクリートでのＲＩＬＥＭ推奨法は、式：ＦＳ＝０．２７＋０．２１ｆｃｔに従った曲げ強度（ＦＳ）の推定が推奨され、ここで、ＦＳは曲げ強度であり、ｆｃはＭＰａでの圧縮強度である。
【０１５４】
微細構造：気泡コンクリートサンプルの微細構造は、使用される曝気剤のタイプとともにそのフォーミュレーションのために使用される原料の機能である。微細構造を定量化するために使用されるいくつかの共通する技術は、空隙率および気孔サイズ分布の光学的評価のような直接測定、並びに多孔性の媒体の透過性のような間接的な測定を含む。図４は、気泡コンクリートブロックにおける不連続の気孔を示す代表的な拡大写真である。この直接的な測定を用いて、気泡コンクリートブロックの空隙率は、６０％から７０％の間であることが予想される。
【０１５５】
合成珪灰石を用いて作成される気泡コンクリートの微細構造の独特な態様は、硬化または反応した材料が、従来の気泡コンクリートとは異なる成分を有し、異なる結合エレメントを含むという事実である。有意な量の（従来の気泡コンクリートに、その機械的強度を付与する相である）トバモライトを有することに代えて、強化された産生物は主に炭酸カルシウムからなる。
【０１５６】
実施例２：合成珪灰石および非シリカベースの凝集体を用いて作成される気泡複合材料
本実施例は、合成珪灰石（ＳＣ−Ｃ２）の部分的な置換として、微細な石灰岩充填（３ミクロンのｄ５０の粒子サイズを有する）のような、非シリカベースの凝集体材料を用いて気泡コンクリートのフォーミュレーションを特定する。置換の量は、密度の必要性に応じて５％から６５％までの合成珪灰石に変化し得る。また、水の含有量または水と固体の割合は、置換レベルに応じて変化し得る。混合、鋳造し、硬化させる手順は、これまでに述べたものと同様であった。微細な石灰岩充填材による合成珪灰石の６０％の置換は、３５０ｋｇ／ｍ３から４５０ｋｇ／ｍ３まで（２１．８ｌｂｓ／ｆｔ３から２８．１ｌｂｓ／ｆｔ３まで）変化する、非常に乾燥した低密度を示した。
【０１５７】
本明細書および添付の請求の範囲では、単数形の「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が別途明確に規定しない限り、複数形を含む。
【０１５８】
別途の定義がない限り、本明細書で使用される全ての技術的および科学的な用語は、当業者により共通に理解される同じ意味を有する。本明細書で記載されるものと同様または同等であるあらゆる方法および材料が、本開示の実施または試験で使用され得るが、好ましい方法および材料がここに記載される。本明細書に記載される方法は、特定の順序の開示に加えて、理論上可能なあらゆる順序で行うこととしてもよい。
【０１５９】
文献の援用
特許、特許出願、特許公開公報、ジャーナル、本、論文、ウェブコンテンツのような他の文献に対する参考および引用が、本開示でなされている。全てのこのような文献は、全ての目的のために、その全体において、参照により本明細書に組み込まれる。本明細書で参照により組み込まれることとなるが、本明細書で明示的に示される既にある定義、ステートメント、または他の開示材料と矛盾する、あらゆる材料、またはその一部は、援用された材料と本開示の材料との間で矛盾が生じない程度でのみ援用される。矛盾する場合には、矛盾は、好ましい開示として本開示の利益となるように解決されることとする。
【０１６０】
均等物
本明細書に開示される代表的な実施例は、本発明を説明することを補助することが意図され、本発明の範囲を限定することは意図されず、またそれらはそのように解釈されるべきではない。実際に、本発明およびそのさらなる多くの実施形態の種々の変更は、本明細書に示されて開示されるものに加えて、本明細書で挙げられる科学および特許文献への参照および以下の実施例を含む本書類の全内容から、当業者にとって明らかとなるであろう。以下の実施例は、その種々の実施形態およびその均等物における本発明の実施に適合し得る重要な追加の情報、例示、およびガイダンスを含む。
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図３】
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【図４】
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