(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＯ２を６５〜８０重量％、ＭｇＯを１５〜３０重量％、酸化マンガンをＭｎＯ換算にて０．５〜２０重量％及びＣａＯを０〜０．３重量％含有し、かつＴｉＯ２及びＺｒＯ２を含まず、ＳｉＯ２，ＭｇＯ及びＭｎＯからなる非晶質部分を構造中に含むことことを特徴とする無機繊維。
【請求項２】
ＳｉＯ２を７０〜８０重量％、ＭｇＯを１５〜２８重量％、酸化マンガンをＭｎＯ換算にて４〜２０重量％含有することを特徴とする、請求項１記載の無機繊維。
【請求項３】
ＳｉＯ２を６５〜８０重量％、ＭｇＯを１５〜３０重量％、酸化マンガンをＭｎＯ換算にて０．５〜２０重量％及びＣａＯを０〜０．３重量％含有し、かつＴｉＯ２及びＺｒＯ２を含まない出発原料を、１７００〜２０００℃の温度に加熱して溶融し、得られた融液を急冷して繊維化することを特徴とする無機繊維の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は無機繊維に関し、より詳細には優れた耐熱性とともに、生体内に入り込んだ場合でも容易に溶解し、生体外に排出される無機繊維、並びにその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
耐熱ガラス繊維やセラミック繊維をはじめとする無機繊維は耐熱性能に優れることから、建築物をはじめとする各種構造物の断熱部位に広く使用されている。
【０００３】
一方で、この無機繊維は、製造や保管、運搬、あるいは施工に際してその一部が空中に浮遊し、この浮遊無機繊維の一部が呼吸等により人体に入り込むことがある。入り込んだ無機繊維の中で、比較的大きなものは鼻腔や口腔に捉えられ、鼻汁や唾液とともに体外へ排出されたり、胃等の消化器系に飲み込まれるが、微細な無機繊維は鼻腔や口腔を通り抜けて肺に到達し、肺胞(空気と血液との間で酸素や二酸化炭素のガス交換を行う風船状の器官)に沈着する。
【０００４】
一般に、肺胞内に異物が侵入すると、肺胞マクロファージ(食細胞)が異物を取り囲み、線毛がある場所(気管や気管支)まで運び痰とともに体外に排出したり、リンパ液・リンパ管を経て肺胞表面から排出したりする。しかし、異物の取り囲みにより肺胞マクロファージが刺激を受けたり、損傷を受けることもあり、それにより蛋白質分解酵素やコラーゲン繊維分解酵素が細胞から出て、これらの酵素の量が多くなると肺胞細胞が炎症を起こしたり、コラーゲン化を呈するようになる。炎症を起こした細胞は抵抗力が弱まっており、細胞内の核の中にあるＤＮＡが損傷されやすくなるとともに、細胞の破壊と再製過程とが頻繁になり、異常細胞が出現する機会が多くなる結果、ＤＮＡ細胞の変質や癌細胞が誘発されることがある。
【０００５】
そこで、近年では、この種の用途に使用される無機繊維には、耐熱性に加えて、肺液等の生理学的液体に溶解する、所謂生体分解性も要求されるようになってきており、各種の無機繊維が開発されている。例えば、特表平１０−５１２２３２号(ＷＯ９７／１６３８６)公報にはシリカ(ＳｉＯ2)、マグネシア(ＭｇＯ)、を必須成分とし、ジルコニア(ＺｒＯ2)を任意成分として含有する、少なくとも１２６０℃に耐え得る耐熱性を有し、かつ生理学的液体中で非耐性であるガラス繊維が記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特表平１０−５１２２３２号(ＷＯ９７／１６３８６)公報記載の無機繊維の含有成分であるシリカ(ＳｉＯ2)、マグネシア(ＭｇＯ)、ジルコニア(ＺｒＯ2)の内、生体内での溶出のし易さではマグネシウム(Ｍｇ)が最も高く、次いでシリコン(Ｓｉ)、ジルコニウム(Ｚｒ)の順となり、ジルコニウムは殆ど溶出しない。繊維を吸入した際の生体内における安全性を高めるためには、繊維の生体内における溶解度が高いほど良いのは当然である。繊維の溶解性を高めるためには、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ等のアルカリ金属酸化物やＣａＯ等のアルカリ土類金属酸化物を添加すればよいが、これらアルカリ分は繊維の耐熱性を著しく低下させる。これは、アルカリ分混入による低融点化合物の生成によるためである。
【０００７】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、１４００℃でも溶融しない高耐熱性と、従来に比べて優れた生体溶解性を兼ね備えた無機繊維、並びにその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、ＳｉＯ２を６５〜８０重量％、ＭｇＯを１５〜３０重量％、酸化マンガンをＭｎＯ換算にて０．５〜２０重量％及びＣａＯを０〜０．３重量％含有し、かつＴｉＯ２及びＺｒＯ２を含まず、ＳｉＯ２，ＭｇＯ及びＭｎＯからなる非晶質部分を構造中に含むことことを特徴とする無機繊維を提供する。
【０００９】
また、上記の目的を達成するために、本発明は、ＳｉＯ２を６５〜８０重量％、ＭｇＯを１５〜３０重量％、酸化マンガンをＭｎＯ換算にて０．５〜２０重量％及びＣａＯを０〜０．３重量％含有し、かつＴｉＯ２及びＺｒＯ２を含まない出発原料を、１７００〜２０００℃の温度に加熱して溶融し、得られた融液を急冷して繊維化することを特徴とする無機繊維の製造方法を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
本発明の無機繊維の基本組成は、ＳｉＯ2、ＭｇＯ及び酸化マンガンを必須成分として含有する。尚、本発明において、酸化マンガンはＭｎＯまたはＭｎＯ2の何れでもよく、以降の説明において「酸化マンガン」とはＭｎＯ、ＭｎＯ2の両方を含有する。
【００１２】
従来、無機繊維の溶解性は繊維中のアルカリ金属酸化物量若しくはアルカリ土類金属酸化物量に依存すると言われてきたが、これは無機繊維の製造方法に起因する。即ち、無機繊維は原料を熔解して融液状とし、該融液を適当な方法を用いて冷却して非晶質構造の繊維状態とするが、融液中には繊維の核となる成分（例えば、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3）の集合体が強固な網目状構造(以下、ネットワークと記す)を形成しており、融液を冷却した繊維もこの状態が維持されている。しかし、融液にＮａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ等のアルカリ金属酸化物、ＣａＯ等のアルカリ土類金属酸化物が混入すると、このネットワークが分断され、小さな集合体に分けられる。従って、このような無機繊維が生体内に入り、生体液中のＨ+やＯＨ-のアタックを受けると、ネットワークが分断され、無機繊維の各構成成分の繊維組織中での拘束力が弱まり、容易に溶出する。
【００１３】
上記の機構から、無機繊維の生体内での溶解性を高める成分として、従来では主にアルカリ金属酸化物やアルカリ土類金属酸化物が配合されており、その他Ｐ2Ｏ5、Ｆｅ2Ｏ3が一部配合されている。本発明の必須成分である酸化マンガンは、従来は不可避不純物として見なされていたが、我々は、酸化マンガンを所定量含有させると無機繊維の生体溶解性が大きく向上する事を見出した。
【００１４】
また、無機繊維の生体溶解性を高めるアルカリ金属酸化物若しくはアルカリ土類金属酸化物の中で、最も耐熱性が良好となる成分は、ＳｉＯ2との共晶温度で評価すると酸化ベリリウム(ＢｅＯ)である。しかし、ベリリウム化合物は毒性が強く、生体溶解性繊維としては適当では無い。次に共晶温度が高くなる成分はＭｇＯで、ＳｉＯ2との共晶温度は１５４３℃であり、例えばＳｉＯ2とＣａＯとの共晶温度よりも１００℃以上高い。よって、生体分解性とともに無機繊維の耐熱性を高めるには、ＳｉＯ2とＭｇＯとを組み合わせる事が必須である。しかし、このＳｉＯ2−ＭｇＯ系にＮａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、ＣａＯ、ＳｒＯ、Ｐ2Ｏ5、Ｆｅ2Ｏ3が含有されると耐熱性が損なわれ、何れも１４００℃以下の温度で溶融する。これは、これらの成分がＳｉＯ2、ＭｇＯ、若しくはＳｉＯ2及びＭｇＯの両方との間で、その溶融温度が１４００℃以下の低融点化合物を生成するためである。
【００１５】
これに対し、酸化マンガンを含有させることにより、ＳｉＯ2−ＭｇＯ系の高耐熱性を損なわず、更に生体溶解性を向上させることができる。これは、上記したＮａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、ＣａＯ、ＳｒＯ、Ｐ2Ｏ5、Ｆｅ2Ｏ3等の成分と異なり、酸化マンガンはＳｉＯ2、ＭｇＯ、若しくはＳｉＯ2及びＭｇＯの両方との間で前記低融点化合物を生成しないためである。
【００１６】
ＳｉＯ２とＭｇＯとを主成分とし、１４００℃でも溶融しない耐熱性と、ＳｉＯ２とＭｇＯとを主成分とした無機繊維よりも高い生体溶解性とを兼備するには、無機繊維の組成を、ＳｉＯ２が６５〜８０重量％、ＭｇＯが１５〜３０重量％、酸化マンガンがＭｎＯ換算にて０．５〜２０重量％とする。より好ましい組成範囲は、ＳｉＯ２が６５〜８０重量％、ＭｇＯが１５〜２８重量％、酸化マンガンがＭｎＯ換算にて２〜２０重量％である。更に好ましい組成範囲は、ＳｉＯ２が６５〜８０重量％、ＭｇＯが１５〜２８重量％、酸化マンガンがＭｎＯ換算にて４〜２０重量％である。最も好ましい組成範囲は、ＳｉＯ２が７０〜８０重量％、ＭｇＯが１５〜２８重量％、酸化マンガンがＭｎＯ換算にて４〜２０重量％である。
【００１７】
ＳｉＯ２は無機繊維の基本ネットワークを形成する成分であり、耐熱性能に大きく寄与するため、６５重量％未満の含有量では基本的な耐熱性能が劣るようになる。しかし、ＳｉＯ２の含有量が８０重量％を超える場合には、溶融粘度が高くなり過ぎて繊維化に支障を来すようになる。
【００１８】
ＭｇＯはＳｉＯ2よりも生理学的液体に対する溶解性が高く、無機繊維の生体溶解性に寄与する他、融液を急冷して製造する非晶質繊維の製造上ＳｉＯ2と同様に必須成分となる。このため、１５重量％未満の含有量では繊維の製造が困難となる。しかし、ＭｇＯの含有量が３０重量％を超える場合には他の成分量が相対的に減少するため、他の成分による効果が十分に発現しなくなる。
【００１９】
酸化マンガンは実験例でも示すように、生体溶解性の効果はＭｇＯよりも優れた成分であり、その効果は含有量に比例して高まるものである。また、酸化マンガンには融液の粘性を下げる効果があり、繊維化を円滑に行う上で好ましい成分でもある。従って、その効果を発現させるにはＭｎＯ換算で０．５重量％の含有量が必要となる。しかし、含有量が２０重量％を超えると繊維の製造上適正な粘度範囲から外れるため、繊維化に支障を来してくる。
【００２０】
本発明の無機繊維は、上記したような生体溶解性に加えて、従来の無機繊維と同等以上の耐熱性能を有する。即ち、上記の組成範囲にある無機繊維は、例えば１２００℃、８時間の加熱に対する収縮率が５％以下と低く、実用上十分な耐熱性能を有する。また、後述される実施例にも示すように、１４００℃、８時間の加熱に対しても繊維形状が維持されている。尚、耐熱性能は基本的にはＳｉＯ2が担うため、特に耐熱性能が求められる場合には、上記の組成においてＳｉＯ2の比率を高めればよい
【００２２】
尚、本発明においては、各成分の出発物質に制約はなく、出発物質に含まれる不純物が混入するのは避けられないが、特にＡｌ2Ｏ3は２重量％以下とすることが好ましく、ＣａＯは０．３重量％以下とする。Ａｌ2Ｏ3はＳｉＯ2との間でアルミノシリケートを形成し、繊維全体として生理学的液体に対する溶解性を低下させる。また、ＣａＯはＳｉＯ2との間で低融点化合物を形成し、繊維全体としての耐熱性能を低下させる。また、Ｎａ2ＯやＫ2Ｏ、ＢａＯ等のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の酸化物やＢ2Ｏ3は、その含有量が多いと繊維の耐熱性能を低下させるため、これらの酸化物は個別で０．５重量％以下、合計でも２重量％以下とすることが望ましい。
【００２３】
本発明の無機繊維は、上記の各成分を含む原料を１７００〜２０００℃という高温に加熱し、その融液を急冷して繊維化することにより得られる。この急冷繊維化は、例えばブロー方式またはスピナー方式を採用することにより実施できる。尚、各成分の出発物質としては、純物質の他にも珪砂(ＳｉＯ2源)、マグネサイト、マグネシアクリンカー、カンラン岩、オリビンサンド(以上ＭｇＯ源)、二酸化マンガン、土壌マンガン、マンガン鉱石、バラ輝石、テフロ石(以上ＭｎＯ源)等を使用することができる。
【００２４】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を更に説明する。
［実験−１］
(無機繊維の調整)
珪砂、酸化マグネシウム、二酸化マンガンを用い、これらを適量配合した原料を電気炉において１７００〜２０００℃に加熱して融液とし、ブロー方式により繊維化し、集綿した。各無機繊維の組成を表１及び表２に示す。表１及び表２のなかで「他」とあるのは出発物質に含まれる不純物であり、アルカリ金属またはアルカリ土類金属（Ｃａ、Ｍｇを除く）または鉄の酸化物である。尚、比較例１０は通常使用されている高耐熱性繊維であるセラミックファイバーであり、比較例１１は欧州での生体溶解性区分で「カテゴリー０(発癌性無し)」の認定を受けた繊維である。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
【表２】
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【００２７】
(溶解性試験)
表１及び表２に示す無機繊維について、３２５メッシュの篩を通過させショットを取り除いた繊維約０．１ｇを精秤し、濾紙上に置き、上部よりマイクロポンプを経由して表３に示す組成の生理食塩水を１分間当たり０．３ｍｌの割合で滴下させた。滴下された生理食塩水は濾紙上の繊維を通って下部に設けたタンクに溜まるが、その際、生理食塩水が繊維を通ることにより繊維成分の溶出反応が生じる。尚、生理食塩水は生体液の温度である３７℃に維持した。そして、タンクに溜めた繊維成分溶出液を９６時間後に取り出し、ＩＣＰ発光分析装置により繊維成分の溶出量を定量し、その値から溶解度を算出した。ここで、単純な溶解度では繊維径の違いによる繊維表面積の差がでてくるため、繊維径を別途計測して繊維表面積を求め、これと溶解度の測定値より単位時間当たり、繊維表面積当たりの溶解速度(単位：ng/cm2・h)を算出し、生体溶解性の評価に供した。
【００２８】
【表３】
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【００２９】
(耐熱性試験)
表１及び表２に示す無機繊維について、十分にほぐしショット(粒状物)を取り除いた繊維約１０ｇを、圧縮すること無く坩堝中に入れて電気炉内に収容し、１時間当たり２００℃の昇温速度で１４００℃迄昇温し、さらに８時間加熱を継続した。そして、冷却後坩堝を電気炉より取り出し、内部を目視及び触感による観察を行い、以下に示す４段階で耐熱性を評価した。
◎：繊維形状は保たれており、繊維自体の柔軟性も有していた。
○：繊維形状は保たれているが、繊維自体の柔軟性は劣っていた。
△：繊維形状は保たれているが、強く押すと崩れる状態にあった。
×：繊維が完全に溶融していた。
【００３０】
実施例の無機繊維の内、実施例７、８、比較例１２及び比較例２に示した、ＭｎＯ量が１０％を超えた無機繊維は、ＭｎＯ量が１０％以下の繊維と比較して製造性がやや劣るが、電気炉の通電量を制御する事により遜色無い繊維が得られた。しかし、比較例１に示すようにＭｎＯ量が２０％を超えると、繊維化が可能な粘度範囲を外れて製造が困難となった。上記の各試験結果を表４及び表５に併記するが、生理食塩水に対する溶解速度定数は、酸化マンガンを加えた方が高くなっている。但し、前述のように生体溶解性は無機繊維のネットワークの分断具合に大きく影響されるため、このネットワーク分断具合を指標化した。即ち、ネットワーク構成成分を繊維中のＳｉ(ＳｉＯ２)、Ａｌ(Ａｌ２Ｏ３)とし、ネットワーク分断成分を繊維中のＭｇ(ＭｇＯ)、Ｃａ(ＣａＯ)、Ｍｎ(ＭｎＯ)として、下記式で示すように両者の比をネットワーク分断指数(以下、分断指数と記す)と定義した。ネットワーク分断の考え方から、上記Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｍｎはモル換算した値となる。
分断指数＝(繊維中ｍｏｌ％Ｍｇ＋ｍｏｌ％Ｃａ量＋ｍｏｌ％Ｍｎ量)
／(ｍｏｌ％Ｓｉ量＋ｍｏｌ％Ａｌ量)
【００３１】
上記分断指数を用いた解析を、繊維化が可能で、１４００℃加熱でも溶融しない実施例１〜９及び比較例５〜９、１２．１３の無機繊維について行った。表６にこれら無機繊維の分断指数と溶解速度定数とを示す。また、両者の関係を図１に示す。図１に示すように、溶解速度定数は分断指数の影響が大きいが、酸化マンガンを含有した実施例の無機繊維と、酸化マンガンを含有しない比較例の無機繊維とでは、十分に有意な差が認められる。そこで、溶解速度定数に及ぼす分断指数の影響を除外するために、以下の手法を用いた。即ち、分断指数の影響度合いを図１の傾きである２５７５．４として、この値を用いて分断指数が０．８の場合の溶解速度定数(以下、分断指数補正溶解速度定数と記す)を以下の式により算出した。
分断指数補正溶解速度定数＝各溶解速度定数−２５７５．４×(各分断指数
−０．８)
【００３２】
上記分断指数補正溶解速度定数とＭｎＯ含有量の関係を解析する事により、酸化マンガンが溶解速度定数に及ぼす効果を見積る事ができる。表７にＭｎＯ含有量と分断指数補正溶解速度定数を示し、図２に両者の関係を示す。図２に示すように、分断指数補正溶解速度定数は酸化マンガンの影響が認められ、ＭｎＯ量で０．５％含有しただけでも効果はあり、更に４％以上含有すると効果は飛躍的に高まる。これは、無機繊維のネットワークを分断する効果がＭｇよりもＭｎの方が大きく、４％以上の含有でさらに分断効果が高まる事が考えられる。また、実施例の無機繊維は、比較例１０に示す通常使用されているセラッミクファイバーに比べても、これらの値が大幅に大きく、更に、比較例１１に示す「カテゴリー０(発癌性無し)」の認定を受けた無機繊維に比べても優位性を示している。
【００３３】
【表４】
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【００３４】
【表５】
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【００３５】
【表６】
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【００３６】
【表７】
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【００３７】
無機繊維の耐熱性に関しては、比較例１及び２に示すＳｉＯ２が６０重量％以下の無機繊維では、１４００℃加熱後には溶融していた。各実施例に示すように、ＳｉＯ２が６０重量％以上であれば１４００℃でも溶融はしないが、十分な耐熱性を発現させるには、ＳｉＯ２が６５重量％以上の無機繊維が良好であり、更なる高耐熱性を発現させるには、実施例１〜４、６及び９に示すＳｉＯ２が７０重量％以上の無機繊維とすればよいことがわかる。また、比較例１、比較例３及び比較例４に示す無機繊維は繊維化がかなり困難であり、実機製造には不向きである。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の無機繊維は、従来と同等以上の耐熱性能を有するとともに、繊維のネットワークの分断化が促進される事により、従来よりも優れた生体溶解性を示し、生体に対する影響を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験−１で得られた、繊維ネットワークの分断化と溶解速度定数の関係を示したグラフである。
【図２】実験−１で得られた、繊維ネットワークの分断化の影響を除外した溶解速度定数へのＭｎＯ含有量が及ぼす影響を示したグラフである。
【図１】
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【図２】
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