(57)【要約】少なくとも１層のアルカリケイ酸塩樹脂組成物層ならびに断熱層、膨張層、フォーム層、波形層、反射表面層および補強材料層のうちの少なくとも１つの層を含んでなる、防火障壁システムに関する。上記防火障壁システムは、木材、ポリマーのごとき材料とともに使用することにより、向上した防火性能、熱障壁、酸素障壁を与える。【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１層のアルカリケイ酸塩樹脂組成物層と、少なくとも１層の任意の材料の層とを含んでなり、
前記アルカリケイ酸塩樹脂組成物層は、
アルカリケイ酸塩および／もしくはアルカリケイ酸塩前駆体と、水と、任意に粘土および／もしくは酸化物充填剤との反応生成物を含んでなる無機樹脂組成物、または、
アルカリケイ酸塩および／もしくはアルカリケイ酸塩前駆体と、１種以上の酸性オキソアニオン性化合物と、水と、任意に周期律表の２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５もしくは１６族またはこれらの任意の組み合わせを含んでなる多価カチオンを含有する化合物を１種以上と、任意に粘土および／もしくは酸化物充填剤との反応生成物を含んでなる無機樹脂組成物、または、
アルカリケイ酸塩および／もしくはアルカリケイ酸塩前駆体と、反応性ガラスと、水と、任意に１種以上の酸性オキソアニオン性化合物と、任意に粘土および／もしくは酸化物充填剤との反応生成物を含んでなる無機樹脂組成物、
のいずれかを含んでなり、
前記任意の材料の層は、断熱材と、膨張材と、フォーム材と、反射材と、補強材と、波形材と、内部に空間を有する前記材料のうちのいずれか、またはこれらの任意の組み合わせを含んでなる、
ことを特徴とする多層防火障壁システム。
【請求項２】
前記アルカリケイ酸塩樹脂層は補強剤を含有し、そして前記補強剤は、少なくとも１種の繊維、シート、スクリーン、メッシュまたはこれらの組み合わせを含んでなる、請求項１に記載の多層防火障壁システム。
【請求項３】
前記樹脂組成物は、繊維、球体および粒子を含んでなる非粘土充填材を含んでなり、そして前記球体は、ミクロスフィア、マクロスフィアまたは中空球、およびガラス、セラミック、金属、鉱物、有機材料または無機材料を含んでなる固体球を含んでなる、請求項２に記載の多層防火障壁システム。
【請求項４】
補強繊維は、ニッケル繊維、ガラス繊維、炭素繊維、グラファイト繊維、鉱物繊維、酸化炭素繊維、酸化グラファイト繊維、酸化ポリアクリロニトリル繊維、鋼繊維、金属繊維、金属被覆炭素繊維、金属被覆ガラス繊維、金属被覆グラファイト繊維、金属被覆セラミック繊維、ニッケル被覆グラファイト繊維、ニッケル被覆炭素繊維、ニッケル被覆ガラス繊維、石英繊維、セラミック繊維、炭化ケイ素繊維、ステンレス鋼繊維、チタン繊維、ニッケル合金繊維、真ちゅう被覆鋼繊維、ポリマー繊維、ポリマー被覆炭素繊維、ポリマー被覆グラファイト繊維、ポリマー被覆ガラス繊維、セラミック被覆炭素繊維、セラミック被覆グラファイト繊維、セラミック被覆ガラス繊維、アラミド繊維、玄武岩繊維、耐アルカリ性ガラス繊維、Ｅ−ガラス繊維、Ｓ−ガラス繊維、玄武岩繊維、ポリエチレン繊維、ＳｉＣ繊維、ＢＮ繊維、またはこれらの組み合わせを含んでなる、請求項２に記載の多層防火障壁システム。
【請求項５】
前記補強繊維が、グラファイト繊維、Ｅ−ガラス繊維、Ｓ−ガラス繊維、玄武岩繊維、ステンレス鋼繊維、チタン繊維、ニッケル合金繊維、アラミド繊維、酸化ポリアクリロニトリル繊維、ポリエチレン繊維、ＳｉＣ繊維、ＢＮ繊維、またはこれらの組み合わせを含んでなる、請求項２に記載の多層防火障壁システム。
【請求項６】
前記アルカリケイ酸塩は、ケイ酸カリウム溶液、ケイ酸ナトリウム溶液、結晶質ケイ酸ナトリウム、結晶質ケイ酸カリウム、非晶質ケイ酸ナトリウム、非晶質ケイ酸カリウム、ケイ酸リチウムまたはこれらの混合物を含んでなり、
前記反応性ガラスは、下記式
ａ（Ａ’２Ｏ）ｘｂ（ＧｆＯ）ｙｃ（Ａ”Ｏ）ｚ
式中、Ａ’は溶剤として機能する少なくとも１種のアルカリ金属ガラス改質剤を表し、Ｇｆは少なくとも１種のガラス形成剤を表し、Ａ”は、任意的に使用することができる少なくとも１種のガラス網目改質剤を表し、ａは存在する剤の数を表し１〜約５の範囲内の値をとり、ｂは存在するガラス形成剤の数を表し１〜約１０の範囲内の値をとり、ｃはガラス網目改質剤の数を表し０〜約３０の範囲内の値をとり、ｘは溶剤のモル比率を表し約０．０５０〜約０．１５０の範囲内の値をとり、ｙはガラス形成剤のモル比率を表し約０．２００〜約０．９５０の範囲内の値をとり、ｚはガラス網目改質剤のモル比率を表し０．０００または約０．００１〜約０．５００の範囲内の値をとり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、そしてｘ＜ｙであり、
Ａ’は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウムまたはセシウムを含んでなり、
Ｇｆは、ホウ素、ケイ素、リン、硫黄、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、アルミニウムまたはバナジウムを含んでなり、
Ａ”Ｏは少なくとも１種の金属ガラス改質剤であり、かつ、酸化バナジウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化ネオジム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化ケイ素またはこれらの組み合わせを含んでなり、そして
前記酸性オキソアニオン性化合物は、ホウ酸、リン酸、硫酸、リン酸二水素ナトリウム、リン酸二水素カリウム、リン酸水素アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム、ホウ酸塩、硫酸塩、アルミン酸塩、バナジウム酸塩もしくはゲルマニウム酸塩を含有する金属および／もしくは非金属リン酸塩もしくは化合物、またはこれらの組み合わせを含んでなる、
によって表される化合物を含んでなる、請求項４に記載の多層防火障壁システム。
【請求項７】
前記充填剤は、ホウ素、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、ガリウム、チタン、ジルコニウム、マンガン、鉄、モリブデン、タングステン、ビスマス、鉛、ランタン、セリウム、ネオジム、イットリウム、カルシウム、マグネシウムまたはバリウムの酸化物のうちの少なくとも１種の酸化物を含んでなり、かつ、組成物の総重量に基づいて０．０重量％または約０．０１重量％〜約２０重量％の量で存在し、
前記粘土充填剤は、カオリン、焼成カオリン、雲母、蛭石および／またはメタカオリンを含んでなり、かつ、組成物の総重量に基づいて０．０重量％または約０．１重量％〜約２０重量％の量で存在し、そして
前記カチオンは、アルカリ土類または亜鉛カチオンである、請求項６に記載の多層防火障壁システム。
【請求項８】
前記樹脂組成物は、
約３０〜約８５重量％の少なくとも前記アルカリケイ酸塩と、
約０．０１〜約６０重量％の少なくとも前記反応性ガラスと、
約０または０．０１〜約２０重量％の少なくとも前記酸性オキソアニオン性化合物と、
０または約０．１〜約２０重量％の少なくとも前記粘土充填剤と、
０または約０．０１〜約２０重量％の少なくとも前記酸化物と、
約１５〜約６０重量％の前記水と、
の反応生成物を含んでなる、請求項６に記載の多層防火障壁システム。
【請求項９】
前記樹脂組成物は、
約３０〜約８５重量％の少なくとも前記アルカリケイ酸塩と、
約０．０１〜約２０重量％の、周期律表の２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５または１６族の少なくとも前記多価カチオンと、
約０．０１〜約２０重量％の少なくとも前記酸性オキソアニオン性化合物と、
０または約０．１〜約２０重量％の少なくとも前記粘土充填剤と、
０または約０．０１〜約２０重量％の少なくとも前記酸化物と、
約１５〜約６０重量％の前記水と、
の反応生成物を含んでなる、請求項６に記載の多層防火障壁システム。
【請求項１０】
前記樹脂組成物は、約１５℃〜１，０００℃の温度、常圧〜約２０，０００ｐｓｉの外圧下、および任意にほぼ常圧〜約１０−３ｔｏｒｒの真空下において樹脂を硬化させることによって形成される、請求項８に記載の多層防火障壁システム。
【請求項１１】
少なくとも１層の前記アルカリケイ酸塩樹脂組成物層と、前記少なくとも１層の断熱層とを含んでなる、請求項２に記載の多層防火障壁システム。
【請求項１２】
少なくとも１層の前記アルカリケイ酸塩樹脂組成物層と、前記少なくとも１層の断熱層とを含んでなり、そして前記断熱材は、ケイ酸化合物、アルミナ化合物、ケイ酸アルミナ化合物、セラミック、シリカ、ケイ酸塩、アルミナまたはアルミン酸塩を含有する金属酸化物、耐火材料、またはこれらの組み合わせを含んでなる、請求項４に記載の多層防火障壁システム。
【請求項１３】
少なくとも１層の前記アルカリケイ酸塩樹脂組成物層と、前記少なくとも１層の断熱層とを含んでなり、そして前記断熱材は、ケイ酸化合物、アルミナ化合物、ケイ酸アルミナ化合物、セラミック、シリカ、ケイ酸塩、アルミナまたはアルミン酸塩を含有する金属酸化物、耐火材料、またはこれらの組み合わせを含んでなる、請求項６に記載の多層防火障壁システム。
【請求項１４】
少なくとも１層の前記アルカリケイ酸塩樹脂組成物層と、前記少なくとも１層の断熱層とを含んでなり、そして前記断熱材は、ケイ酸化合物、アルミナ化合物、ケイ酸アルミナ化合物、セラミック、シリカ、ケイ酸塩、アルミナもしくはアルミン酸塩を含有する金属酸化物、耐火材料、またはこれらの組み合わせを含んでなる、請求項８に記載の多層防火障壁システム。
【請求項１５】
少なくとも１層の膨張性層を含んでなる、請求項１１に記載の多層防火障壁システム。
【請求項１６】
少なくとも１層の膨張性層を含んでなる、請求項１２に記載の多層防火障壁システム。
【請求項１７】
少なくとも１層の膨張性層を含んでなり、そして前記膨張性層は、膨張グラファイト、アルカリケイ酸塩、アルカリ土類ケイ酸塩、蛭石またはこれらの組み合わせを含んでなる、請求項１３に記載の多層防火障壁システム。
【請求項１８】
少なくとも１層の膨張性層を含んでなり、そして前記膨張性層は、膨張グラファイト、アルカリケイ酸塩、アルカリ土類ケイ酸塩、蛭石またはこれらの組み合わせを含んでなる、請求項１４に記載の多層防火障壁システム。
【請求項１９】
前記少なくとも１層の前記アルカリケイ酸塩樹脂組成物層と、前記少なくとも１層の膨張性層とを含んでなる、請求項２に記載の多層防火障壁システム。
【請求項２０】
前記少なくとも１層の前記アルカリケイ酸塩樹脂組成物層と、前記少なくとも１層の膨張性層とを含んでなる、請求項５に記載の多層防火障壁システム。
【請求項２１】
前記少なくとも１層の前記アルカリケイ酸塩樹脂組成物層と、前記少なくとも１層の膨張性層とを含んでなり、そして前記膨張性層は、膨張グラファイト、アルカリケイ酸塩、アルカリ土類ケイ酸塩、蛭石またはこれらの組み合わせを含んでなる、請求項６に記載の多層防火障壁システム。
【請求項２２】
前記少なくとも１層の前記アルカリケイ酸塩樹脂組成物層と、前記少なくとも１層の膨張性層とを含んでなり、そして前記膨張性層は、膨張グラファイト、アルカリケイ酸塩、アルカリ土類ケイ酸塩、蛭石またはこれらの組み合わせを含んでなる、請求項８に記載の多層防火障壁システム。
【請求項２３】
前記システムは少なくとも１層の外面木材層を含んでなる防火扉である、請求項１９に記載の多層防火障壁システム。
【請求項２４】
前記システムは少なくとも１層の外面木材層を含んでなる防火扉であり、そして前記システムは、少なくとも前記１層の膨張性層と、少なくとも２層の前記アルカリケイ酸塩樹脂層とを含んでなる、請求項２０に記載の多層防火障壁システム。
【請求項２５】
前記システムは少なくとも１層の外面木材層を含んでなる防火扉であり、前記システムは少なくとも２層の前記膨張性層と少なくとも３層の前記アルカリケイ酸塩樹脂層とを含んでなり、そして前記アルカリケイ酸塩樹脂層のうちの少なくとも１層は鋼補強マットを含んでなる、請求項２１に記載の多層防火障壁システム。
【請求項２６】
前記システムは少なくとも１層の外面木材層を含んでなる防火扉であり、前記システムは少なくとも２層の前記膨張性層と少なくとも３層の前記アルカリケイ酸塩樹脂層とを含んでなり、そして前記アルカリケイ酸塩樹脂層のうちの少なくとも１層は鋼補強マットを含んでなる、請求項２２に記載の多層防火障壁システム。
【請求項２７】
少なくとも１層の前記補強層を含んでなる、請求項２に記載の多層防火障壁システム。
【請求項２８】
少なくとも２層の前記補強層と、前記２層の補強層の間に位置する前記アルカリケイ酸塩樹脂層とを含んでなる、請求項５に記載の多層防火障壁システム。
【請求項２９】
少なくとも２層の前記補強層と、前記２層の補強層の間に位置する前記アルカリケイ酸塩樹脂層とを含んでなり、そして前記補強層が、ガラス、ガラス繊維、グラファイト繊維、玄武岩繊維、ステンレス鋼繊維、チタン繊維、ニッケル合金繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、酸化ポリアクリロニトリル繊維、ＳｉＣ繊維、ＢＮ繊維またはこれらの組み合わせである、請求項６に記載の多層防火障壁システム。
【請求項３０】
少なくとも２層の前記補強層と、前記２層の補強層の間に位置する前記アルカリケイ酸塩樹脂層とを含んでなり、そして前記補強層が、ガラス、ガラス繊維、グラファイト繊維、玄武岩繊維、ステンレス鋼繊維、チタン繊維、ニッケル合金繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、酸化ポリアクリロニトリル繊維、ＳｉＣ繊維、ＢＮ繊維またはこれらの組み合わせである、請求項８に記載の多層防火障壁システム。
【請求項３１】
少なくとも２層のアルカリケイ酸塩樹脂組成物層と、少なくとも１層のアルカリケイ酸塩樹脂層と、少なくとも１層の任意の材料の層とを含んでなり、
前記アルカリケイ酸塩樹脂層は、アルカリケイ酸塩および／もしくはアルカリケイ酸塩前駆体と、１種以上の酸性オキソアニオン性化合物と、水と、任意に周期律表の２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５もしくは１６族から選択される多価カチオンを含有する化合物を１種以上と、任意に粘土および／または酸化物充填剤およびこれらの組み合わせとの反応生成物を含んでなり、
前記アルカリケイ酸塩樹脂層は補強化合物を含んでなり、そして
前記任意の材料の層は、断熱材と、膨張材と、フォーム材と、反射材と、補強材と、波形材と、内部に空間を有する前記材料のうちのいずれか、またはこれらの任意の組み合わせを含んでなる、
ことを特徴とする多層防火障壁システム。
【請求項３２】
前記アルカリケイ酸塩材料の補強化合物は、繊維、複数の異なる種類の繊維、シート、スクリーンもしくはメッシュまたはこれらの組み合わせである、請求項３１に記載の多層防火障壁システム。
【請求項３３】
補強繊維は、ニッケル繊維、ガラス繊維、炭素繊維、グラファイト繊維、鉱物繊維、酸化炭素繊維、酸化グラファイト繊維、酸化ポリアクリロニトリル繊維、鋼繊維、金属繊維、金属被覆炭素繊維、金属被覆ガラス繊維、金属被覆グラファイト繊維、金属被覆セラミック繊維、ニッケル被覆グラファイト繊維、ニッケル被覆炭素繊維、ニッケル被覆ガラス繊維、石英繊維、セラミック繊維、炭化ケイ素繊維、ステンレス鋼繊維、チタン繊維、ニッケル合金繊維、真ちゅう被覆鋼繊維、ポリマー繊維、ポリマー被覆炭素繊維、ポリマー被覆グラファイト繊維、ポリマー被覆ガラス繊維、セラミック被覆炭素繊維、セラミック被覆グラファイト繊維、セラミック被覆ガラス繊維、アラミド繊維、玄武岩繊維、耐アルカリ性ガラス繊維、Ｅ−ガラス繊維、Ｓ−ガラス繊維、玄武岩繊維、ポリエチレン繊維、ＳｉＣ繊維もしくはＢＮ繊維またはこれらの組み合わせを含んでなる、請求項３２に記載の多層防火障壁システム。
【請求項３４】
前記アルカリケイ酸塩は、ケイ酸カリウム溶液、ケイ酸ナトリウム溶液、結晶質ケイ酸ナトリウム、結晶質ケイ酸カリウム、ケイ酸リチウム、非晶質ケイ酸ナトリウムもしくは非晶質ケイ酸カリウムまたはこれらの混合物を含んでなり、
前記反応性ガラスは、下記式
ａ（Ａ’２Ｏ）ｘｂ（ＧｆＯ）ｙｃ（Ａ”Ｏ）ｚ
式中、Ａ’は溶剤として機能する少なくとも１種のアルカリ金属ガラス改質剤を表し、Ｇｆは少なくとも１種のガラス形成剤を表し、Ａ”は、任意的に使用することができる少なくとも１種のガラス網目改質剤を表し、ａは存在する溶剤の数を表し１〜５の範囲内の値をとり、ｂは存在するガラス形成剤の数を表し１〜１０の範囲内の値をとり、ｃはガラス網目改質剤の数を表し０〜約３０の範囲内の値をとり、ｘは溶剤のモル比率を表し約０．０５０〜約０．１５０の範囲内の値をとり、ｙはガラス形成剤のモル比率を表し約０．２００〜約０．９５０の範囲内の値をとり、ｚはガラス網目改質剤のモル比率を表し約０．０００または約０．００１〜約０．５００の範囲内の値をとり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、そしてｘ＜ｙであり、
Ａ’は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウムまたはセシウムを含んでなり、
Ｇｆは、ホウ素、ケイ素、リン、硫黄、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、アルミニウムまたはバナジウムを含んでなり、
Ａ”Ｏは少なくとも１種の金属ガラス改質剤であり、かつ、酸化バナジウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化ネオジム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化ケイ素またはこれらの組み合わせを含んでなり、そして
前記酸性オキソアニオン性化合物は、ホウ酸、リン酸、硫酸、リン酸二水素ナトリウム、リン酸二水素カリウム、リン酸水素アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム、ホウ酸塩、硫酸塩、アルミン酸塩、バナジウム酸塩もしくはゲルマニウム酸塩を含有する金属および／または非金属リン酸塩もしくは化合物、またはこれらの組み合わせを含んでなる、
によって表される化合物を含んでなる、請求項３３に記載の多層防火障壁システム。
【請求項３５】
前記補強繊維は、グラファイト繊維、Ｅ−ガラス繊維、Ｓ−ガラス繊維、玄武岩繊維、ステンレス鋼繊維、チタン繊維、ニッケル合金繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、酸化ポリアクリロニトリル繊維、ＳｉＣ繊維、ＢＮ繊維またはこれらの組み合わせを含んでなり、そして
前記カチオンは、アルカリ土類または亜鉛カチオンである、請求項３４に記載の多層防火障壁システム。
【請求項３６】
前記樹脂組成物は、下記、すなわち、
約３０〜約８５重量％の少なくとも前記アルカリケイ酸塩と、
約０．０１〜約６０重量％の少なくとも前記反応性ガラスと、
約０．０１〜約２０重量％の少なくとも前記酸性オキソアニオン性化合物と、
０または約０．１〜約２０重量％の少なくとも前記粘土充填剤と、
０または約０．０１〜約２０重量％の少なくとも前記酸化物と、
約１５〜約６０重量％の前記水と、
の反応生成物を含んでなる、請求項３５に記載の多層防火障壁システム。
【請求項３７】
前記樹脂組成物は、
約３０〜約８５重量％の少なくとも前記アルカリケイ酸塩と、
約０．０１〜約２０重量％の、周期律表の２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５または１６族の少なくとも前記多価カチオンと、
約０．０１〜約２０重量％の少なくとも前記酸性オキソアニオン性化合物と、
０または約０．１〜約２０重量％の少なくとも前記粘土充填剤と、
０または約０．０１〜約２０重量％の少なくとも前記酸化物と、
約１５〜約６０重量％の前記水と、
の反応生成物を含んでなる、請求項３５に記載の多層防火障壁システム。
【請求項３８】
少なくとも２層の前記アルカリケイ酸塩樹脂層は隣接しており、そして前記システムは、少なくとも１層の前記任意の層を含んでなる、請求項３１に記載の多層防火障壁システム。
【請求項３９】
少なくとも２層の前記アルカリケイ酸塩樹脂層は隣接しており、そして前記システムは、少なくとも１層の前記任意の層を含んでなる、請求項３４に記載の多層防火障壁システム。
【請求項４０】
少なくとも２層の前記アルカリケイ酸塩樹脂層は隣接しており、そして前記システムは、少なくとも２層の前記任意の層を含んでなる、請求項３６に記載の多層防火障壁システム。
【請求項４１】
少なくとも１種の固定具によって一緒に固定されている少なくとも２つの層を含んでなる、請求項１に記載の多層防火障壁システム。
【請求項４２】
前記固定具が、ボルト、ステープル、リベット、ワイヤー、接着剤、磁石、エッジチャネル、ネジ、釘、またはこれらの組み合わせを含んでなる、請求項４１に記載の多層防火障壁システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、耐火性防壁について２００３年６月６日に出願された米国仮特許出願６０／４７６，６７１に基づく。さらに、本出願は、「無機マトリクス組成物、複合材料およびその製法」という表題のついた２０００年９月２０日に出願された米国仮特許出願６０／２３３，９５２の利益を主張する、２００１年６月１日に出願された米国特許出願０９／８７１，７６５の利益を主張する、「無機マトリクス組成物、そのマトリクスを取り入れた複合材料、およびその製法」という表題のついた２００４年２月１２日に出願された米国特許出願１０／７７７，８８５の一部継続出願である。米国特許出願１０／７７７，８８５は、「無機マトリクス組成物およびそのマトリクス組成物を取り入れた複合材料」という表題のついた２０００年９月２０日に出願された米国仮特許出願６０／２３３，９８５の利益を主張する、２００１年６月１日に出願された米国特許出願番号０９／８７１，９９８の利益も主張する。前記出願のすべての内容が本願明細書の一部を構成するものとして援用される。
【０００２】
本発明は、アルカリケイ酸塩から誘導される少なくとも１層の無機ポリマーマトリクス層、１種以上の非ケイ酸塩網目構造形成成分、および／または反応性ガラス、および任意に二次的な網目改質成分を含んでなる改良型防火障壁システムまたは多層システムに関する。他の層は、断熱層、膨張性層、フォーム材層、波形層、反射面層、および独立した層としてのあるいは前記層のいずれかの内部、好ましくは無機ポリマーマトリクス層の内部に組み込まれた状態での補強材のうちのいずれでもよい。さらに詳しくは、前記層は、コア、中間層、または木材、金属などのごとき所望の支持体を保護するための高温および／または火災環境に関する外部障壁層として機能することができる。
【背景技術】
【０００３】
無機マトリクスは、複合材料、バルク材、接着剤、フォーム材料のごとき気泡材料、または複合材料のための難燃性結合剤として有用である。バルク材は、硬化したときに構造材料となる成形物を形成するのに用いられる。複合材料として、マトリクス組成物は、織物に含浸させるのに用いられるが、前記織物は、他の同じように含浸させた織物と組み合わされてコンポジットレイアップを形成することができ、そして前記レイアップは、成形されて硬化されることによって、バルク材と似てはいるが前記織物によって補強されている成形物を形成する。
【０００４】
現時点で最も一般的な複合システムは、エポキシ／ガラス繊維、エポキシ／炭素繊維、ポリウレタン／ガラス繊維、ＰＶＣ／ガラス繊維、ポリイミド／石英繊維、ポリエステル／ガラス繊維およびナイロン／ガラス繊維のごとく、有機ポリマーマトリクスをベースにしている。有機ポリマー複合材料は優れた物理的性質および機械的性質を示すが、燃焼性、煙およびガスの発生性ならびに高い使用温度に関して限界がある。有機ポリマー系複合材料の燃焼性は、無機成分および／または添加剤を添加することによって低下させることができる。（塩素のごとき）ハロゲン原子で炭化水素および炭化水素ポリマー中の水素原子を置換することによって燃焼性および煙／ガス発生性を著しく低下させることができるが、２５０℃よりも高い温度では劣化し、４５０℃よりも高い温度では、結局は燃えて灰になってしまう。有機熱可塑性ポリマーも比較的低い温度（約１００℃〜３００℃）で変形し、それよりも高い使用温度用に考案された有機ポリマーは、一般に、材料費および加工費が非常に高い。
他の複合材料としては、金属マトリクス複合材料（ＭＭＣ）、セラミックマトリクス複合材料（ＣＭＣ）、炭素−炭素複合材料、および他の無機マトリクス複合材料が挙げられる。複合マトリクスは１００％無機物から形成されていても構わないが、ある程度の有機物を含有していてもよい。無機マトリクス網目としては、セラミック、酸化物をベースとするセラミック、ガラス、金属、合金、セメント系材料などが挙げられる。無機結合剤で包まれた無機粒子、無機充填剤が充填された有機樹脂、シリコーンのごとき無機−有機混成物および当業者らに知られている他の無機マトリクス材料といった材料も考えられる。
アルカリケイ酸塩は、手頃な無機マトリクス結合剤材料として用いられる。その例としては、Ｄａｖｉｄｏｖｉｔｓに対する米国特許第４，４７２，１９９号、４，５０９，９８５号、４，８８８，３１１号、５，２８８，３２１号、５，３５２，４２７号、５，５３９，１４０号もしくは５，７９８，３０７号、Ｗｏｏｌｕｍに対する米国特許第４，９３６，９３９号、またはＲａｕｃｈに対する米国特許第４，２８４，６６４号を参照されたい。
【０００５】
防火障壁の１つの形である防火扉は、北アメリカだけで数十億ドルの市場を形成しており、ヨーロッパにおいても同じ傾向が見られる。防火扉の市場は、９／１１の惨事に端を発する一層厳しい政府規制の履行および保険会社からの圧力に伴ってまだまだ成長すると予想される。防火扉を製造するのに用いられる技術は、前記扉が備える必要がある等級に依存する。これらの防火扉の性能は、前記扉が火災に耐えなおかつ十分な強度を維持することができる時間を測定する燃焼試験によって測定される。試験プロトコルには多くの種類があるが、米国では通常、Ｗａｒｎｏｃｋ−Ｈｅｒｓｅｙプロトコルが用いられている。このプロトコルは、試験の最後にホース水流がある場合またはない場合のＥ−１１９火災曲線で構成される。従って、扉は炉内において一定時間、例えば６０分間、炎に曝された後、ホース水流を当てられる。その完全性を維持できた扉が合格とされる。防火扉の等級は２０分間から数時間まで様々であるが、その大部分は、２０分、４５分、６０分および９０分と等級評価された扉である。９０分扉に対する２０分扉の構造および材料の違いは多岐にわたる。これは耐火性の等級評価のみならず、扉のコストにも反映される。
２０分扉は、前記扉を密閉するための膨張性ストリップを縁部に備える木製またはプラスチック製の扉のようにシンプルなものでもよい。６０分または９０分扉は、さらなる時間を得るために、縁部のストリップに加えて、ある種のコアを必要とする。前記コアは、扉の構造および材料に応じて、複数の目的を果たす。第一に、前記コアは、火炎が扉を貫通するのを防ぐ受動的防火材である。第二に、前記コアは、非火災側を断熱することによって、試験中に低い温度を維持する。第三に、前記コアは、火に曝された後のホース水流試験において扉の構造的完全性を保つのに役立つ。防火扉に用いられるコアは、これらのうちのすべてまたは１つもしくは２つの機能を発揮することができる。さらに、これらの３つの分野におけるコアの効果は、扉の材料および構造によって異なる。ほとんどの９０分扉は、鉱物材料からなるコアを有するメタルフラットドアである。これらの扉のコアは、防火障壁および燃焼試験の後のホース水流試験に合格するための強度保持材として機能する鋼と共に、主に断熱材として機能する。９０分等級を有する少数の（スタイルドアおよびレールドアと呼ばれる）パネルドアも存在する。ほとんどの場合、これらは、前記コア用の膨張性材料を備える。前記コアは、扉の非火災側のための防火障壁および断熱材として主に機能し、また、非常に限られた範囲内で構造材料として機能する。扉の非火災側の木材は、ホース水流に耐える主要な構造材料として機能する。
【０００６】
これらの従来技術の構造の例は、従来技術の特許に記載されている。例えば、Ｈｏｌｔｅｒらに対する米国特許第４，２７０，３２６号には、防火扉に用いられるセラミック繊維またはガラス繊維の織物であって、これら繊維が同じような針状繊維によってフェルト状に織られている織物が教示されているのに対し、Ｈａｓｔｉｎｇｓに対する米国特許第４，８７９，３２０には、様々な大きさの耐火性繊維が分散および浮遊している液体状の膨張性材料を含有する防火塗料が教示されている。Ｇｉｂｂに対する米国特許第４，７５６，９４５号および４，９３６，０６４号には、補強材がその内部または表面に埋め込まれている耐火材料のマトリクスを含んでなる耐火パネルが教示されている。Ｇｉｂｂの’９４５特許には、耐火性かつ多孔質の布になる無機繊維から作られる不燃性ブランケット材料が教示されており、熱膨張性で不燃性の層が前記支持体層の片側に形成されている。Ｂｕｃｈａｃｈｅｒに対する米国特許第４，８０１，４９６号には、グラファイト／エポキシまたはＫｅｖｌａｒ（登録商標）／エポキシの層と組み合わされた膨張性材料の防火層を含む材料の複合物から形成された防火壁が教示されている。
セメント系材料の例としては、膨張パーライト、石膏、固まった水硬セメントおよび無機結合剤とを含んでなる防火扉を教示しているＧｒｅｖｅらに対する米国特許第４，１５９，３０２号、難燃性プラスターボードを教示しているＦｕｋｕｂａらに対する米国特許第４，０６４，３１７号、セメント系材料から作られたフォームシートを含む複合パネルを教示しているＨｏｌｚｋａｅｍｐｅｒらに対する米国特許第６，２４０，６９１号が挙げられる。
Ｅｌｌｉｓに対する米国特許第４，８１８，５９５号および５，１３０，１８４号には、アルミナセメントおよびコロイダルシリカ分散液のペンキ状スラリーとして木製またはプラスチック製支持体の上または間に用いられる防火障壁が教示されている。Ｗｏｏｄに対する欧州特許ＥＰ０６７４０８９には、難燃性アルミン酸カルシウムセメントと無機繊維との混合物である断熱性耐火材料を含有する木製サンドイッチ構造の防火扉が記載されている。
【０００７】
膨張性組成物としては、熱に曝されると上昇発泡圧力に起因して膨張する傾向があり、そして熱に曝され続けると構造物を保護する炭化物を形成する傾向があるケイ酸ナトリウム組成物が挙げられる。数多くの膨張性組成物が、例えばＦｅｌｄｍａｎに対する米国特許第４，７２９，９１６号、Ｗｅｌｎａに対する米国特許第５，４７６，８９１号、Ｂａｔｄｏｒｆに対する米国特許第５，７８６，０９５号、Ｌｉｃｈｔに対する米国特許第４，６７５，５７７号、Ｎａｖａｒｒｏらに対する米国特許第５，４９８，４６６号およびＣａｓｔｌｅらに対する米国特許第５，５８０，６４８号に開示されており、耐火塗料に用いられている。前記Ｃａｓｔｌｅ特許には、Ｉ型梁のごとき構造部材に塗布することができるしっくい状の膨張性耐火塗料が教示されている。膨張性ラミネートシステムの他の例としては、Ｍｕｒｃｈらに対するに対する米国特許第３，９３４，０６６号、ｖｏｎＢｏｎｉｎらに対する米国特許第５，２５８，２１６号、Ｄｅｌｖａｕｘらに対する米国特許第５，０５３，２８８号、Ｃａｅｓａｒらに対する米国特許第４，２９７，２５２号、Ｋｌｕｓに対する米国特許第６，３４０，３８９号、Ｔｕｒｐｉｎらに対する米国特許第６，２７０，９１５号および６，１８２，４７０号、Ｌｕｃｋａｎｕｃｋらに対する米国特許第４，７９９，３４９号、ならびにＭｏｒｅｎｃｙに対する米国特許第５，７２２，２１３号が挙げられる。
防火またはドア構造物には、さらに、Ｂａｉｌｅｙに対する米国特許第５，２１５，８０６号に教示されているようなワイヤー補強、Ｃｈｅｅｔｈａｍらに対する米国特許第４，５０９，５５９号に教示されているような熱反射性金属層、およびＭｉｇｕｅｌらに対する米国特許第４，２２９，８７２号またはＣｈｅｅらに対する米国特許第４，７６７，６５６号のごときハニカム構造または間隙形成材料のごときさらなる構造的特徴も取り入れられている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
１層以上の防火障壁を含んでなる種々の多層防火障壁システムまたは多層積層物が開示されている。一般に、防火障壁は、少なくともアルカリケイ酸塩から誘導される無機ポリマーマトリクスである。１層以上の残りの層とともに構成される材料は、一般に、耐火性の強化、熱障壁、酸化障壁、補強、火災時および火災後の残留強度、溶け落ちの防止およびスモークレベルの低減などのうちの１つ以上を実現する。防火障壁システムの実際のデザインは、一般に、必要とされる性能に基づく。従って、前記各種層は、一般に、１種以上の断熱材、１種以上の膨張性材料、１種以上のフォーム材、１種以上の波形材料、１種以上の反射層など、および一般的には、独立した層として存在するかあるいは前記層のうちの１つに組み込むことができる繊維またはシートのごとき１種以上の補強材を含んでなる。
【０００９】
本発明の無機ポリマーマトリクスは、好ましくは、（１）アルカリケイ酸塩と、酸性オキソアニオン性化合物および／または反応性ガラスのごとき１種以上の非ケイ酸塩網目構造形成成分と、水と、任意に充填剤と、（アルカリ土類塩のごとき２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５または１６族から選択される多価カチオンのごとき）１種以上の二次的な網目結合ユニットとの反応生成物として、あるいは、（２）アルカリ塩基と、シリカ源と、水と、非ケイ酸塩網目構造形成成分および網目改質成分またはこれらの組み合わせとの反応生成物として調製することができる。さらに、アルカリケイ酸塩（またはその前駆体）と、反応性ガラスと、水と、ゲル化防止剤と、他の網目構造形成材料および改質成分とを含有する水性スラリーを用いて、改質された無機ポリマーマトリクスを得ることできる。これらの「基本構成要素」を変えることによって、製品の特性を数々の高温用途に合うように調整することが可能になる。前記組成物は、他の網目構造材料、改質成分および充填剤を含有してもよい。
【００１０】
アルカリケイ酸塩をベースとする複合材料は、改質されたアルカリケイ酸塩マトリクスの水性スラリーを、連続または不連続ガラス、炭素、めっき炭素、酸化炭素、ポリマーで被覆された炭素、ポリマーで被覆されたガラス、セラミックで被覆された炭素、セラミックで被覆されたガラス、金属で被覆された炭素、金属で被覆されたガラス、鋼、ステンレス鋼、めっき鋼、ポリマー、鉱物、または他の繊維屑または繊維マットのごとき補強媒体に被覆することによって調製することができる。その後任意的に、Ｂ−段階期および／または余剰の反応物質、非高分子生成物、汚染物質および／または他の好ましからざる物質を取り除くための分離を経た後、約１５℃〜約１，０００℃またはこれ以上の範囲の温度で、複合材料を固めるのに十分な圧力、通常は常圧〜約２，０００ｐｓｉの外圧下、およびほぼ常圧〜約１０−３ｔｏｒｒの真空下（例えば、真空バッギング下）において複合材料を硬化させる。好ましい温度範囲は、真空バッギングの有無にかかわらず、約２００または約２５０ｐｓｉよりも低い圧力において、５０℃〜２００℃である。「Ｂ−段階」という用語は、ポリマーマトリクス前駆体を反応させて、完全に硬化した高分子網目には達していない、部分的に重合した中間段階へと進ませることを説明するのに複合材料技術においてよく用いられる用語である。真空バッギングは、水分の除去および硬化を補助する目的で実施することができる。前記分離のための方法としては、水、溶液および／または溶媒による洗浄、化学蒸気浸透法および／または気体浸透法が挙げられる。複合材料は、圧縮成形および他の一般的な成形法といった種々の方法によって成形することができる。
【００１１】
得られる無機マトリクス組成物および／または複合材料は、処方および加工方法によって、約１，０００℃以上の熱安定性を示し、炎、煙および毒性に関して優れた特性を備える。さらに、本発明に従って作られた複合材料は、軽量であり、かつ、良好な断熱性および電気絶縁性を有する。
無機ポリマーマトリクスの代わりにあるいは無機ポリマーマトリクスに加えて使用できる他の好適な無機防火障壁化合物としては、酸化物をベースとするセメント、モルタル、耐火材料などが挙げられる。好適な酸化物としては、ケイ素、アルミニウム、マグネシウムおよびチタンの酸化物、ならびにケイ酸塩、アルミン酸塩などのごとき前記酸化物を組み入れた化合物が挙げられる。前記酸化物と共に組み入れてもよいさらなる酸化物としては、硫黄、カルシウムおよび鉄が挙げられる。さらに、組成が不明である天然の酸化鉱物も無機樹脂に組み入れることができる。好ましい無機樹脂組成物は、アルカリケイ酸塩樹脂組成物である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の重要な態様とは、通常は補強材と共に無機ポリマーマトリクス組成物を含有するシステムまたは積層物の少なくとも１層を使用することである。本発明の無機ポリマーマトリクス組成物は、アルカリケイ酸塩溶液と、非ケイ酸塩網目構造形成成分および／または反応性ガラスと、水と、任意にアルカリ土類金属塩のごとき周期律表の２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５または１６族から選択される多価カチオンのごとき１種以上の二次的な網目結合ユニットと、任意に１種以上の充填剤とを反応させることによって調製される。あるいは、シリカ源と、アルカリ塩基と、水と、非ケイ酸塩網目構造形成成分および／または酸性反応性ガラスと、任意に１種以上の網目改質成分と、および／または１種以上の充填剤との反応によって、高温無機ポリマーマトリクス組成物が得られる。必要に応じてまたは所望により、機能性および／または非機能性充填剤、他の網目構造形成材料および改質成分のごときさらなる成分を取り入れることも可能である。
【００１３】
得られる改質されたアルカリケイ酸塩組成物は、比較的低い温度（２００℃よりも低い温度）および低い圧力（２００ｐｓｉよりも低い圧力）で硬化させることによって、１，０００℃以上まで寸法安定性および熱安定性を有する無機高分子網目とすることができる。すなわち、本発明のマトリクス組成物を含む構造体は、７００℃以上の温度においても実質的に恒久的な寸法変化を示さない。しかしながら、低い温度または圧力には限定されず、必要に応じて高い加工温度（１，０００℃までおよびそれ以上）および高い圧力（２０，０００ｐｓｉまでおよびそれ以上）を用いて、および／または、後熱硬化処理を取り入れることによって、特性をさらに向上させることができる。
【００１４】
硬化して無機マトリクスを形成する前の水性混合物から誘導される出発材料の定性的表現である本発明のおおよその化学組成は、以下のように表すことができる。
（１−ｎ）（ａＡ２Ｏ：ＳｉＯ２：ｂＢ：ｃＣ：ｄＤｘ）・ｎＨ２Ｏ          式１
上記式中、
Ａは、（１−ｚ）Ｋ２Ｏまたは（ｚ）Ｎａ２Ｏであり、ｚは０〜１であり、Ｋ２Ｏは酸化カリウムであり、Ｎａ２Ｏは酸化ナトリウムであり、必要に応じてＬｉ２Ｏおよび／またはＬｉＯＨのごとき同等物も混入させることができ、
ＳｉＯ２は、Ｋａｓｉｌ−１、シリカヒューム、シリカ、シリカゲルまたはこれらの組み合わせのごときシリカ源から誘導することができるシリカであり、
Ｈ２Ｏは水であり、
ａは、Ａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比であって０．０５〜１．０の範囲であり、
ｂは、Ｂ：ＳｉＯ２のモル比であって０．００１〜０．５００の範囲であり、
ｃは、Ｃ：ＳｉＯ２のモル比であって０．０〜０．２５０の範囲であり、
ｄは、Ｄ：ＳｉＯ２のモル比であって０．０〜２．０００の範囲であり、
ｎは、配合されたＨ２Ｏのモル比であり、初期配合におけるｎの望ましい範囲は０．１０〜０．９０であり、０．１５〜０．３５が好ましく、そして硬化後のｎは０．２５よりも小さく、０．０５よりも小さいことが好ましく、
ｘは、基本配合物の加工および性能を補助するのに用いられる添加剤（Ｄ）の数であって約０〜約２０の範囲であり、
Ｂは、Ｈ３ＰＯ４、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ３ＢＯ３またはこれらの組み合わせのごとき酸性前駆体および／またはアルカリホウリン酸ガラスもしくはアルカリホスホホウ酸ガラスのごとき反応性ガラスから誘導される、リン酸基、硫酸基またはホウ酸基のごとき非ケイ酸塩網目構造形成成分であり、
Ｃは、Ｍｇ（ＮＯ３）２、ＺｎＣｌ２またはこれらの組み合わせのごとき多価典型金属および／または遷移金属化合物から誘導されるか、または反応性ガラスの金属成分としてのＭｇ２＋、Ｃａ２＋、Ｚｎ２＋、Ａｌ３＋、Ｔｉ４＋のごとき網目改質成分であり、そして
Ｄは、（ｉ）カオリン、スメクタイト、ホルマイト、雲母、蛭石、メタカオリン、金属酸化物またはこれらの組み合わせのごとき反応性および／または非反応性充填剤、
（ｉｉ）有機塩基（キノリン）および／または有機酸（乳酸）のごときゲル化改質剤、
（ｉｉｉ）アルキルアリールスルホン酸塩、第四アンモニウム塩、プロトン化オルガノアミン塩、シリコーンのごとき有機−無機混成物またはこれらの組み合わせのごときアニオン性、カチオン性および／または非イオン性界面活性剤のごとき界面活性剤、ならびに
（ｉｖ）樹脂、低分子量ポリマーおよび／または高分子量ポリマーの形態をとることができる有機系強化剤および／または可塑剤、
のうちの１種以上から選択され、任意的に使用することができる添加剤である。
【００１５】
必要に応じて、加工助剤を添加することもできる。その例としては、鉱油、植物油、動物油、シリコーン油、脂肪酸および脂肪酸塩、脂肪族アルコール、フッ素化アルコール、ワックス、ポリオレフィン（例えばポリエチレン、酸化ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレンのごときものであるがこれらに限られない）、グラファイト、界面活性剤およびこれらの混合物が挙げられる。
【００１６】
反応性ガラスを取り入れた本発明の化学組成のもう１つの表記は以下のように表すことができる。
（１−ｎ）（ａＡ２Ｏ：ＳｉＯ２：ｇＧ：ｆＦｘ）・ｎＨ２Ｏ          式２
上記式中、
Ａは、（１−ｚ）Ｋ２Ｏまたは（ｚ）Ｎａ２Ｏであり、ｚは０〜１であり、Ｋ２Ｏは酸化カリウムであり、Ｎａ２Ｏは酸化ナトリウムであり、必要に応じてＬｉ２Ｏおよび／またはＬｉＯＨのごとき同等物も混入させることができ、
ＳｉＯ２は、Ｋａｓｉｌ−１、シリカヒューム、シリカ、石英、シリカゲルまたはこれらの組み合わせのごときシリカ源から誘導することができるシリカであり、
Ｇは、アルカリホウリン酸ガラスまたはアルカリホスホホウ酸ガラスのごとき反応性ガラスであり、
Ｆｘは、（ｉ）Ｈ３ＰＯ４、Ｈ３ＢＯ３、Ｈ２ＳＯ４またはこれらの組み合わせのごとき酸性前駆体から誘導されるＰ２Ｏ５、Ｂ２Ｏ３またはＳＯ３、
（ｉｉ）Ｍｇ（ＮＯ３）２、ＺｎＣｌ２またはこれらの組み合わせのごとき多価主族金属および／または遷移金属化合物から誘導されるＭｇ２＋、Ｚｎ２＋、Ａｌ３＋、Ｔｉ４＋のごとき網目改質成分、
（ｉｉｉ）カオリン、スメクタイト、ホルマイト、雲母、蛭石、メタカオリン、金属酸化物またはこれらの組み合わせのごとき反応性および／または非反応性充填剤、
（ｉｖ）有機塩基（キノリン）および／または有機酸（乳酸）のごときゲル化改質剤、
（ｖ）アルキルアリールスルホン酸塩、第四アンモニウム塩、プロトン化オルガノアミン塩、シリコーンのごとき有機−無機混成物またはこれらの組み合わせのごときアニオン性、カチオン性および／または非イオン性界面活性剤のごとき界面活性剤、および
（ｖｉ）樹脂、低分子量ポリマーおよび／または高分子量ポリマーの形態をとることができる有機系強化剤および／または可塑剤、
のうちの１種以上から選択され、任意的に使用することができる添加剤および／または非ケイ酸塩網目構造形成成分であり、
Ｈ２Ｏは水であり、
ａは、Ａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比であって０．０５〜１．００の範囲であり、
ｇは、Ｇ：ＳｉＯ２のモル比であって０．０１〜０．５００の範囲であり、
ｆは、Ｆ：ＳｉＯ２のモル比であって０．０００〜２．０００の範囲であり、
ｘは、０〜約２０の範囲であって基本配合物の加工および性能を補助するのに用いられる添加剤（Ｆ）の数を表し、そして
ｎは、配合されたＨ２Ｏのモル比であり、初期配合におけるｎの範囲は０．１０〜０．９０であり、０．１５〜０．３５が好ましい実施態様であり、そして硬化後のｎは０．２５よりも小さく、０．０５よりも小さいことが好ましい。
【００１７】
必要に応じて、加工助剤を添加することもできる。その例としては、鉱油、植物油、動物油、シリコーン油、脂肪酸および脂肪酸塩、脂肪族アルコール、フッ素化アルコール、ワックス、ポリオレフィン（例えばポリエチレン、酸化ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレンのごときものであるがこれらに限られない）、グラファイト、界面活性剤およびこれらの混合物が挙げられる。
【００１８】
本発明で用いられるアルカリケイ酸塩は、広範囲のシリカ／アルカリ酸化物（ＳｉＯ２／Ａ２Ｏ）比および広範囲の固体％レベルを包含することができる。そのような溶液は、商業的供給源から購入することもできるし、あるいは、シリカ源およびアルカリ水酸化物、アルカリ酸化物、炭酸塩またはこれらの組み合わせのごとき前駆体から使用の直前に調製することもできる。前記アルカリケイ酸塩は、水酸化カリウムまたは水酸化ナトリウムのごときアルカリ塩基、カリ灰またはソーダ灰、およびシリカ源から誘導することができる。ＳｉＯ２源は、シリカ、シリカヒューム、沈殿シリカ、ヒュームドシリカ、マイクロシリカ、砂、微結晶性シリカ、シリカゲル、コロイダルシリカ、石英、石英粉末、ケイ酸ナトリウム溶液、ケイ酸カリウム溶液、ならびに固体のケイ酸ナトリウムおよび／またはケイ酸カリウムのごとき非晶質または結晶質ＳｉＯ２でもよい。市販のアルカリケイ酸塩の例として、ＰＱ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｖａｌｌｅｙ  Ｆｏｒｇｅ、ＰＡから入手可能なＫａｓｉｌ−１が挙げられる。様々なシリカ源が、好ましい特性のみならず好ましくはない特性も示す。例えば、一部のシリカヒューム源は、最終製品を変色させる原因となり得る微量の炭素を含有している。さらに、無機ポリマーマトリクス組成物の熱的性質および物理的性質は、シリカ源の性質に影響を受けることがある。例えば、高密度の結晶質α−石英網目構造を導入することによって寸法安定性を向上させることができるのに対し、開いた（ｏｐｅｎ）非晶質シリカ源を導入すると低密度の網目が形成される。
【００１９】
しかしながら、適切なアルカリケイ酸塩溶液が、様々なアルカリ源および／またはシリカ源の組み合わせによって得られる。アルカリケイ酸塩がアルカリ水酸化物およびシリカ源から誘導される場合、前記アルカリ水酸化物は、全組成物または混合物の重量に基づいて、約３〜約３０重量％、好ましくは約７〜約２０重量％の量で存在する。前記シリカ源は、約１０〜約８５または約９０または約９４重量％、好ましくは１５〜７０重量％の量で存在する。場合によって、例えばアルカリケイ酸塩溶液が用いられる場合、前記提供されるアルカリ水酸化物、シリカおよび水の一部が前記範囲内の量で含有される。
【００２０】
無機樹脂組成物の調製に用いられるアルカリケイ酸塩は、ケイ酸カリウム溶液、ケイ酸ナトリウム溶液、結晶質ケイ酸ナトリウム、結晶質ケイ酸カリウム、非晶質ケイ酸ナトリウム、非晶質ケイ酸カリウム、およびこれらの混合物である。あるいは、アルカリケイ酸塩前駆体は、アルカリ塩基およびシリカ源である。アルカリケイ酸塩中のシリカは、シリカ、シリカヒューム、マイクロシリカ、沈殿シリカ、砂、石英、石英粉末、シリカゲル、ヒュームドシリカおよびコロイダルシリカからなる群から選択される非晶質または結晶質シリカの形態である。好ましくは、前記アルカリケイ酸塩および／またはアルカリケイ酸塩前駆体は、約２．０：１．０〜２０．０：１．０のＳｉＯ２／Ａ２Ｏ比を有するが、ここでＡはＫ（カリウム）および／またはＮａ（ナトリウム）であり、アルカリ水酸化物は、水酸化カリウムおよび水酸化ナトリウムからなる群から選択される。
【００２１】
非ケイ酸塩網目構造形成成分は、必要に応じて、約２〜７０重量％の量で導入することができる。非ケイ酸塩網目構造形成成分は、酸性オキソアニオン性化合物として添加することができる。酸性オキソアニオン性化合物の例としては、ホウ酸、リン酸、硫酸、リン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸二水素カリウム、リン酸水素アンモニウム、金属および／または非金属のリン酸塩または化合物が挙げられる。金属および／または非金属のリン酸塩または化合物は、ホウ酸塩、硫酸塩、アルミン酸塩、バナジウム酸塩、ゲルマニウム酸塩およびこれらの組み合わせまたは混合物を含んでなる。非ケイ酸塩網目構造形成成分は、混合物のｐＨが他の手段で調整されるのであれば、リン酸三ナトリウム、リン酸カリウム、ホウ酸ナトリウムまたは同様の酸の塩のごとき非酸性オキソアニオン性化合物として添加することもできる。酸性オキソアニオン性化合物の好ましい混合物としては、リン酸二水素カリウムとホウ酸との混合物、リン酸二水素ナトリウムとホウ酸との混合物、リン酸二水素カリウムとリン酸二水素ナトリウムとホウ酸との混合物、ホウ酸ナトリウムとリン酸二水素カリウムとの混合物が挙げられる。これらの混合物は、任意の濃度で用いることができるが、含水率を最小限に抑えるために、より濃度の高い材料が好ましい。酸性オキソアニオン性化合物は、全組成物に対して、約０．０１〜２０重量％の量で存在する。酸性オキソアニオン性化合物の好ましい量は、約２〜約８重量％である。多価原子および酸性オキソアニオンを含有する化合物を含有させることもできる。その例としては、第一リン酸アルミニウム（Ａｌ（Ｈ２ＰＯ４）３）、メタリン酸アルミニウム（Ａｌ（ＰＯ３）３）、第一リン酸マグネシウム、リン酸水素マグネシウム、リン酸二水素亜鉛、第一リン酸カルシウム、リン酸水素カルシウム、第一リン酸バリウム、第二リン酸バリウム、リン酸二水素マンガン、リン酸水素マンガンおよび同様の金属リン酸塩が挙げられる。
【００２２】
あるいは、非酸性オキソアニオン性化合物を網目構造形成成分として用いることができる。そのような化合物の例としては、混合物のｐＨが他の手段で調整されるのであれば、リン酸三ナトリウム、リン酸カリウム、ホウ酸ナトリウムまたは同様の酸の塩が挙げられる。前記非酸性オキソアニオン性化合物は、酸性オキソアニオン性化合物と同様の量で添加することができると考えられる。
【００２３】
あるいは、反応性ガラスを前記アルカリケイ酸塩溶液と一緒に用いることによって前記組成物を形成することができる。「反応性ガラス」という語句は、硬化工程の最中に生じるアルカリケイ酸塩と酸性無機ガラスとの間の縮合反応に酸性基を寄与することができる様々な酸性無機ガラスを包含する。反応性酸性ガラスが好ましい。反応性酸性ガラスの例としては、ホウホスホケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、ホスホホウ酸塩ガラス、ホウリン酸塩ガラスおよびホウ酸塩ガラスが挙げられる。真に酸性ではないのだが同じように機能する反応性ガラスが存在する可能性がある。非酸性ガラス（ｐＨ：約７〜約１０）も用いることができるが、ただし前記反応性ガラスのｐＨがアルカリケイ酸塩成分および／またはその前駆体のｐＨよりも低いことが条件である。そのような組成物を固めるには、一層厳しい温度（＞２００℃）および／または一層高い圧力（＞２００ｐｓｉ）といった一層高い加工条件が必要になることがある。反応性ガラスは、ビーカーや飲料容器に用いられるような本質的に非反応性である構造ガラスや窓に用いられるような光学ガラスとは異なる。反応性ガラスは、一般的なガラス製造法に従って、酸化物原料を混ぜ合わせることによって製造される。アルカリホウリン酸塩ガラスの場合、Ｐ２Ｏ５、Ｂ２Ｏ３、および１種以上のアルカリ酸化物またはそれらの前駆体を粉末の状態で混ぜ合わせ、得られた混合物を約７００〜約１，５００℃のその融解温度まで加熱した後、融解物を急冷し、そして任意に、得られたガラスを硬くて脆い状態にまで焼きなます。アルカリ金属酸化物（Ａ２Ｏ）に対する酸化リンの比は、約６．１：１．０〜１．５：１．０である。アルカリホスホホウ酸塩ガラスの場合、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、および１種以上のアルカリ酸化物またはそれらの前駆体を粉末の状態で混ぜ合わせ、得られた混合物を約７００〜約１，５００℃のその融解温度まで加熱した後、融解物を急冷し、そして任意に、得られたガラスを硬くて脆い状態にまで焼きなます。アルカリ金属酸化物（Ａ２Ｏ）に対する酸化リンの比は、５．０：１．０〜１．１５：１．０である。アルカリ金属酸化物（Ａ２Ｏ）に対する酸化ホウ素の比は、約８．０：１．０〜１．５：１．０である。
【００２４】
好ましくは、ガラス固体は粉砕されて粉末にされる。反応性ホウリン酸塩ガラス粉末が好ましい粉末である。この好ましいガラス粉末を使用することによって、硬化速度およびマトリクスの非晶質性の制御が容易になる。無機ケイ酸塩／ガラスマトリクスの熱的性質および物理的性質は、反応性ガラスおよび／またはガラス前駆体（Ｇ）に対するＳｉＯ２の比を調節することによって変えることができる。前記Ｇ：ＳｉＯ２比は、重量で、０．０１〜５０．０である。反応性ガラスは、全混合物の約０．０１〜６０重量％、好ましくは３〜３５重量％、最も好ましくは５〜２０重量％の量で用いられる。
【００２５】
形成されるガラスは酸性であることが望ましいので、ガラスの組成物は、主にリン、ホウ素および任意にケイ素の酸化物のごときガラス形成剤で構成される。好ましいアルカリ酸化物は、酸化リチウムである。リンの含有量が高いガラスが必要とされる場合、融解前のガラス組成物は、約２０〜約８０モル％の五酸化リン（Ｐ２Ｏ５）またはその塩、酸もしくは他の前駆体形態を含有する。これらは、全ガラス配合物に基づいて適量または等量のリンおよび酸素を提供する。五酸化リンまたはその塩、酸もしくは他の形態の前駆体の含有量は、好ましくは３０〜７０モル％、さらに好ましくは３５〜６５モル％である。最も好ましくは６０〜６５モル％である。酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）は、前記ガラスの約１〜１５モル％、好ましくは２〜８モル％、さらに好ましくは４〜６モル％を構成する。アルカリ酸化物（Ａ２Ｏ）は、前記ガラスの約５〜５０モル％、好ましくは２０〜４０モル％、さらに好ましくは１５〜３０モル％を構成する。アルカリ土類酸化物（Ｍ’Ｏ）は、全ガラス混合物の約０．０１〜３０モル％、好ましくは５〜２０モル％、さらに好ましくは１０〜１５モル％の量で用いられる。必要に応じて、酸化アルミニウム、酸化鉄、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化モリブデンおよび二酸化ケイ素のごとき他の酸化物を導入することもできる。これらの酸化物は、最大２０モル％の量で添加される。
【００２６】
ホウ素の含有量が高いガラスが必要とされる場合、融解前のガラス組成物は、約１０〜約５０モル％の五酸化リン（Ｐ２Ｏ５）またはその塩、酸もしくは他の前駆体形態を含有する。これらは、全ガラス配合物に基づいて等量のリンおよび酸素を提供する。五酸化リンまたはその塩、酸もしくは他の形態の前駆体の含有量は、好ましくは２０〜４０モル％、さらに好ましくは２５〜３５モル％である。酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）は、前記ガラスの約１０〜７０モル％、好ましくは３０〜６０モル％、さらに好ましくは４５〜５５モル％を構成する。アルカリ酸化物（Ａ２Ｏ）は、前記ガラス組成物の約５〜４５モル％、好ましくは２０〜４０モル％、さらに好ましくは１５〜３０モル％を構成する。アルカリ土類酸化物（Ｍ’Ｏ）は、全ガラス混合物の約０〜３０モル％、好ましくは５〜２０モル％、さらに好ましくは１０〜１５モル％の量で任意に用いられる。
【００２７】
反応性ガラスが用いられる場合、その処方は、本発明の化学的性質および性能にとってきわめて重要である。ガラスがアルカリケイ酸塩混合物と反応することによって、得られるマトリクスの塩基度を低下させかつ複数の網目構造を形成させることが望ましい。大きく異なる網目、すなわちケイ酸塩をベースとする網目構造とリン酸塩をベースとする網目構造の組み合わせによって、非晶質無機ポリマーと、結晶質網目構造と、塩基性ケイ酸塩と−Ｓｉ−Ｏ−Ｐ−のごとき酸性リン酸塩との反応によって形成される新しい網目構造ユニットとのブレンドが得られる。ケイ酸塩種およびリン酸塩種は、共に優れた網目構造形成成分であることが知られており、本発明の基盤を形成する。
前記複合材料を形成するのに用いることができる反応性ガラスは、下記式によって簡潔に表すことができる。
【００２８】
【化１】
2006527152.tif 000002
【００２９】
式中、
ｎは、所望のガラス成分の数を表し、
Ｍは、ホウ素、ケイ素、リン、硫黄、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、アルミニウムおよびバナジウムのごとき少なくとも１種のガラス形成成分、ならびにリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウムおよびセシウムのごとき溶剤として機能する少なくとも１種のガラス改質成分、ならびに任意にバナジウム、アルミニウム、スズ、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、水銀、亜鉛、ツリウム、鉛、ジルコニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、アクチニウム、トリウム、ウラン、イッテリウム、ガリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、スズ、ビスマスおよびカドミウムのごときさらなる網目改質成分を表し、
Ｅは、酸素、カルコゲニド、および／または硫黄、セレン、テルルおよびフッ素のごときハロゲンを表し、
ｐは、一般にはＰ５＋またはＰ（Ｖ）のように表される、リンについての５のごとき、Ｍのカチオン価数を表し、
ｑは、一般にはＯ２−のように表される酸素についての２のごとき、Ｅのアニオン価数を表し、
ｑ’は、Ｐ２Ｏ５のリンについての２またはＳｉＯ２のケイ素についての１のごときｑ、またはｐおよびｑが偶数である場合にはより小さい整数ｑ／２に等しい網目構造ユニットに含有されているＭカチオンの数を表し、
ｐ’は、Ｐ２Ｏ５のリンについての５またはＳｉＯ２のケイ素についての２のごときｐ、またはｐおよびｑが偶数である場合にはより小さい整数ｐ／２に等しい網目構造ユニットに含有されているＥアニオンの数を表し、
ｒは、反応性ガラス成分中の各網目構造ユニットのモル分率を表し、
ｎは、反応性ガラス成分中の網目構造ユニットの総数を表す。
【００３０】
二成分ガラスは、｛（Ｍ１ｐ＋）ｑ’）（Ｅ１ｑ−）ｐ’｝ｒ１｛（Ｍ２ｐ＋）ｑ’）（Ｅ２ｑ−）ｐ’｝ｒ２、ｒ１＋ｒ２＝１で表すことができ、そして三成分ガラスは、一般に｛（Ｍ１ｐ＋）ｑ’）（Ｅ１ｑ−）ｐ’｝ｒ１｛（Ｍ２ｐ＋）ｑ’）（Ｅ２ｑ−）ｐ’｝ｒ２｛（Ｍ３ｐ＋）ｑ’）（Ｅ３ｑ−）ｐ’｝ｒ３、ｒ１＋ｒ２＋ｒ３＝１と表すことができる。従って、ソーダ石灰ガラスは、（ＣａＯ）ｒ１（ＳｉＯ２）ｒ２（Ｎａ２Ｏ）ｒ３、ｒ１＋ｒ２＋ｒ３＝１と表すことができる。ケイ素（Ｓｉ）は、酸素と共有結合してガラス網目を生じさせるガラス形成成分であり、ナトリウム（Ｎａ）およびカルシウム（Ｃａ）は、ケイ酸塩網目とイオン結合してガラス相の形成および耐久性を補助するガラス改質成分である。従って、Ｍは、一般に、ガラス配合における少なくとも１種のガラス網目構造形成成分（Ｍｇｆ）および少なくとも１種のガラス網目改質成分（Ｍｇｍ）を表す。
【００３１】
ガラスの精製時間および精製温度も、その物理的性質および機械的性質に影響を与える。一定組成の場合、精製温度および／または精製時間を上げることによってガラス網目がさらに緻密化され、Ｔｇ、ＴｓおよびＴｍが上昇し、網目活性およびガラスの水酸基／Ｈ２Ｏ含有量が低下する一方で耐久性が向上する。従って、ガラスの組成ならびにガラスの精製時間および精製温度を変えることによって、様々なガラス配合物を、反応性、耐久性、酸性度、加水分解安定性、強度および加工に関して大きく異なるようにすることができる。任意に適量のシリカおよび／またはアルミナを添加することによって、炉における不純物の取り込みを制限してもよいし、および／または、必要に応じてガラス網目を非常に高い温度（＞９００℃）に耐えられるように強化してもよい。ガラスおよびアルカリケイ酸塩の性質の適合、ブレンドおよび調整によって、新規かつ独特の性質を有する高温材料の調製が可能になる。換言すれば、これらの「基本構成要素」を変えることによって、製品の特性を数々の高温用途に合うように調整することが可能になる。
【００３２】
反応性ガラスの粒径は、さらなる材料の粒径と同様に、重要ではあるが、きわめて重要というほどではない。明らかに、粒径が小さくなるにつれて材料の反応性は高くなり、そして粒子が小さ過ぎると、材料の反応性が高くなり過ぎることがあるため、本発明の組成物を調製するのに用いられる成分の粒径を調整する必要があり得る。組成物の粉末成分（シリカ、反応性ガラス等）は、組成物の液状部分に添加する前に、小球化、粒状化、ペレット化または圧縮してもよい。
【００３３】
本発明は、アルカリシリカ源と非ケイ酸塩網目構造形成成分および／または反応性ガラスとの反応から生じる無機ポリマーマトリクス組成物であるが、マトリクスの機械的性質、物理的性質および加工特性は、所望により、さらなる成分によって向上させることができる。充填剤、他の網目構造形成材料および改質剤のごときさらなる成分を必要に応じて導入することができる。これらには、添加剤、網目構造形成剤、および当業者らによって一般的に用いられているかまたは当業者らに知られている無機、有機または複合充填剤が包含され、また、加工、製造および使用中の性能の向上を可能にする添加剤または充填剤が包含される。
【００３４】
任意の添加剤および／またはさらなる網目構造形成成分は、ホウ酸塩、硫酸塩、アルミン酸塩、バナジウム酸塩、ホウ酸、リン酸、硫酸、硝酸、五酸化リン、リン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸水素カリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸水素アンモニウム、他の金属および／または非金属リン酸塩、ゲルマニウム酸塩などのごとき化合物でもよい。前記任意の網目形成成分は、全組成物に基づいて０．０〜５０重量％の量で存在する。配合物に含有される場合、Ｆ１網目構造形成成分の好ましい量は、２〜約１０重量％である。
【００３５】
二次的な網目結合ユニットは、周期律表の２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５および１６族、好ましくは２、３、４、５、１１、１２、１３、１４、１５および１６族から選択される多価カチオンでもよく、全混合物に基づいて０〜約２０重量％、好ましくは約１．０〜約５重量％の量で用いられる。６、７、８、９および１０族の多価カチオンＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＰｄおよびＰｔも用いることができるが、他の族の多価カチオンが好ましい。多価カチオンを含有する化合物は、硝酸塩、硫酸塩および塩化物といった任意の典型金属の塩を含有していてもよいが、亜鉛、マグネシウムおよびカルシウムの塩が好ましい。任意の二次的な網目結合ユニットは、アルカリ土類金属、典型金属、遷移金属種、ランタニドおよび／またはアクチニド、およびこれらの任意の有用な組み合わせのごとき、オキソ種が配位するのに有用な多価カチオンでもよい。他の二次的な網目結合ユニットとしては、ホウ素、アルミニウム、鉛、ガリウム、カドミウム、チタン、ジルコニウム、ランタン、セリウム、ネオジム、イットリウム、ストロンチウム、バリウム、リチウム、ルビジウム、セシウムおよびフッ素を含有する化合物が挙げられる。
【００３６】
使用できる任意の添加剤としては、粘土充填剤、酸化物充填剤、ゲル改質剤、有機強化剤、可塑剤またはこれらの組み合わせが挙げられる。充填剤としては、カオリン、メタカオリン、モンモリロナイト、雲母、他のスメクタイトおよび他の粘土または鉱物充填剤が挙げられる。粘土充填剤が用いられる場合、焼成カオリンが好ましく、全組成物の重量に基づいて０〜２５重量％、好ましくは３〜５重量％の量で用いることができる。焼成カオリンは、ケイ酸塩マトリクス材料とある程度の反応性を有していてもよいが、粘土充填剤の反応性は必要ではなく、任意の市販の粘土充填剤を用いることができる。
【００３７】
使用できる任意の酸化物充填剤としては、ホウ素、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、ガリウム、チタン、ジルコニウム、マンガン、鉄、モリブデン、タングステン、ビスマス、鉛、ランタン、セリウム、ネオジム、イットリウム、カルシウム、マグネシウムおよびバリウムの酸化物が挙げられ、全組成物重量に基づいて約０．０〜約２０重量％の量で存在する。酸化マグネシウム（ＭｇＯが好ましい）は、組成物の総重量に基づいて、０〜１５重量％、好ましくは１〜１０重量％、さらに好ましくは２〜８重量％の量で用いられる。
【００３８】
改質剤としては、架橋剤およびゲル化防止剤または鉱酸、有機酸および塩基のごとき促進剤が挙げられる。前述のように、架橋剤も金属リン酸塩として導入することができる。これらの例としては、リン酸アルミニウム、リン酸マグネシウム、リン酸カルシウム、リン酸亜鉛、リン酸鉄、リン酸セリウム、リン酸ランタン、リン酸バリウム、第一リン酸アルミニウム（Ａｌ（Ｈ２ＰＯ４）３）、メタリン酸アルミニウム（Ａｌ（ＰＯ３）３）、第一リン酸マグネシウム、リン酸水素マグネシウム、リン酸二水素亜鉛、第一リン酸カルシウム、リン酸水素カルシウム、第一リン酸バリウム、第二リン酸バリウム、リン酸二水素マンガン、リン酸水素マンガンおよび同様の金属リン酸塩が挙げられる。
【００３９】
任意的に使用することができるゲル改質剤は、ヒドロキシ酸およびＮ系およびＰ系塩基からなる群から一般に選択される有機酸および／または有機塩基である。有機酸の例としては、乳酸およびクエン酸が挙げられる。好ましくは、α−ヒドロキシ酸、β−ヒドロキシ酸、置換ピリジンおよびキノリンが用いられる。これらは、全組成物の重量に基づいて、０〜１０重量％、好ましくは０．０５〜５重量％の量で用いられる。任意的に使用することができる界面活性剤は、アルキルアリールスルホン酸塩、シリコーン、第四アンモニウム塩、プロトン化オルガノアミン塩、水酸基含有ポリマー、シリコーンのごとき有機−無機混成物またはこれらの組み合わせのごときアニオン性、カチオン性および／または非イオン性界面活性剤であるがこれらに限られない。これらの添加剤は、全組成物の重量に基づいて、０〜１０重量％、好ましくは０．５〜５重量％の量で用いられる。
【００４０】
任意的に使用することができる有機強化剤および／または可塑剤は、有機系強化剤、可塑剤、またはこれらの組み合わせである。有機系強化剤は、樹脂、低分子量および／または高分子量ポリマーからなる群から選択することができる。これらは、全組成物の重量に基づいて、０〜１０重量％の量で用いられる。
【００４１】
未硬化組成物の残部は水であり、全組成物重量の約１０〜約７５重量％、好ましくは１５〜４０重量％を構成する。前記水は、アルカリケイ酸塩溶液の一部、アルカリ土類塩溶液の一部またはリン酸溶液の一部のごとき、ある成分の一部として導入することができる。本発明に導入される水は反応媒体、反応物質および反応生成物と考えることができるので、水の濃度を定量化することは一般に難しい。出発混合物中の水の初期量が約１０〜約７０重量％であるのに対し、Ｂ段階のプリプレグは、約５〜約３５重量％の水を含有し得る。無機結合剤自体の硬化サンプルおよび複合材料は、加工条件によって、約０〜約１０重量％の水を含有し得る。
【００４２】
前述のように、本発明の非常に重要な態様とは、アルカリケイ酸塩樹脂層に用いられる、好ましくは織られたおよび／または織られていない連続したおよび／または不連続な繊維でできた補強媒体の望ましい使用である。補強材は、約２〜約６０容量％である。補強繊維としては、ニッケル繊維、ガラス繊維、炭素繊維、グラファイト繊維、鉱物繊維、酸化炭素繊維、酸化グラファイト繊維、鋼繊維、金属繊維、金属被覆炭素繊維、金属被覆ガラス繊維、金属被覆グラファイト繊維、金属被覆セラミック繊維、ニッケル被覆グラファイト繊維、ニッケル被覆炭素繊維、ニッケル被覆ガラス繊維、石英繊維、セラミック繊維、炭化ケイ素繊維、ステンレス鋼繊維、チタン繊維、ニッケル合金繊維、真ちゅう被覆鋼繊維、ポリマー繊維、ポリマー被覆炭素繊維、ポリマー被覆グラファイト繊維、ポリマー被覆ガラス繊維、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）のごときポリマー被覆アラミド繊維、セラミック被覆炭素繊維、セラミック被覆グラファイト繊維、セラミック被覆ガラス繊維、酸化ポリアクリロニトリル繊維、玄武岩繊維、耐アルカリ性ガラス繊維、および／または当業者らに知られている他の繊維が挙げられる。これらの各種繊維の組み合わせも用いることができる。好ましくは、前記繊維は、グラファイト繊維、Ｅ−ガラス繊維、Ｓ−ガラス繊維、玄武岩繊維、ステンレス鋼繊維、チタン繊維、ニッケル合金繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、ＳｉＣ繊維およびＢＮ繊維である。これらの繊維も被覆および／または処理されていてもよい。前記繊維に用いられる好適な被覆材の例としては、蒸着金属および金属合金、化学析出金属および金属合金、溶融状態で被覆される金属および金属合金、電解によって被覆される金属および金属合金、有機ポリマー被覆材、無機−有機ポリマー混成被覆材、金属酸化物、リン酸塩、金属リン酸塩、ケイ酸塩、有機ポリマーケイ酸塩、有機ポリマー−シリカ混成物、および官能化シロキサンが挙げられる。
【００４３】
補強繊維は、ヤーン、麻屑、ウィスカー、連続繊維、短繊維、織物、織シート、編物、不織布、ランダムマット、ニードルドマット、スクリーン、フェルト、編布、巻麻屑、ワイヤーおよび／または当業者らに知られている他の形態などの数多くの形態をとってもよい。
【００４４】
ガラス繊維補強材（例えば、Ｅ−ガラス繊維、Ｓ−ガラス繊維または耐アルカリ性ガラス繊維）は、補強材として用いることができる。複合構造体は、ガラス、炭素、有機ポリマー、酸化物および／または金属繊維の組み合わせのごとき混成繊維補強材を導入することもできる。前記補強材は、織物、不織布、メッシュ、スクリーン、ウール、連続繊維または非連続繊維の形態をとることができる。異なる繊維および／または布をマトリクス全体にわたって混ぜ合わせることもきるし、独立した層に分けることもできる。その例としては、炭素とガラス繊維補強材の交互の層、およびガラスベール（ｖｅｉｌ）の間に挟まれたスチールスクリーンが挙げられる。ガラス繊維補強材および本発明のマトリクス結合剤を用いた複合材料は、一般的な加工装置を用いて低温で加工することができ、断熱性と構造品質とを備えた、安価で、不燃性で、熱的に安定な（例えば、７００℃に４８時間曝した後でも測定可能（＜０．２％）な恒久的寸法変化はない）複合材料である。通常の加工は、比較的低い温度（＜２００℃）および低い圧力（＜２００ｐｓｉ）で行うことができる。断熱性（例えば、名目上１．４Ｗ／ｍ−ｋの熱伝導率）、電気絶縁性（標準的な抵抗計で測定したときに検出可能な導電率がない）および適度な機械的性質（１８Ｍｓｉ以下の曲げ弾性率、２００ｋｓｉ以上の曲げ強度、および１．３％以下の最終曲げ歪み）を備えたクロス−プライ（ｃｒｏｓｓ−ｐｌｙ）ガラス繊維積層物を製造することができる。この性質の組み合わせは、多くの用途を可能にする技術であるはずである。
【００４５】
（炭化ケイ素繊維のごとき）セラミック繊維補強材は、他の好ましい補強材であり、特に７００℃を上回る高温用途に有用である。高価ではあるが、セラミック繊維は１，０００℃よりもずっと高い温度でも構造的完全性を維持する。炭素繊維補強材は、導電性、熱伝導性、高い強度および／または耐衝撃性が求められる場合に好ましい補強材である。
【００４６】
前記無機ポリマーマトリクス組成物を取り入れた複合構造体の機械的性質は、マトリクスと補強材との間に十分な相互作用があるのであれば、向上させることができる。前記無機ポリマーマトリクス組成物を取り入れた複合構造体は、補強材がマトリクスと補強材との界面においてある程度の親酸素性を示すのであれば、向上した機械的強度を示す。前記無機ポリマーマトリクス組成物とステンレス鋼補強材とを含んでなる複合構造体は、向上した機械的性能を示す。前記向上は、炭素繊維またはグラファイト繊維を補強材として用いたときの方がよく分かる。炭素および／またはグラファイト繊維は本質的に無極性かつ疎水性であるが、サイズ剤または他の被覆剤（一般にエポキシまたはオルガノシランのごとき有機ポリマー）の塗布あるいは界面活性剤の使用といった様々な方法で処理することによって、親水性の部分を作り出すことができる。一般に、繊維の親水性を強化すると、より親酸素性な表面も作り出され、かつ、補強材とマトリクスとの間の界面も改善されるが、補強材を他の手段によってより一層親酸素性にすることができる。繊維を金属化することによって、複合構造体の界面強度を著しく高める親酸素性表面を作り出すことができる。炭素補強材、グラファイト補強材および／またはポリマー補強材の化学酸化、熱酸化および電解酸化も親酸素性ひいては複合構造体の界面強度および機械的性質を向上させることができる。さらに、前記繊維は、ガラスフリット、反応性ガラスフリット、シリカ、アルミナ、ジルコニアおよび同様の酸化物をベースとする材料のごとき無機酸化物微粒子と混ぜ合わされた有機ポリマーによって大きさを変更することができる。これにより、補強材の表面に親酸素性が付与される。これらの概念は、アルカリケイ酸塩樹脂、金属リン酸塩樹脂、セメント系材料、耐火性化合物および他の酸化物をベースとする無機および／または無機／有機混成材料といった他のオキソ系マトリクス組成物にも適用することができる。補強媒体の表面が有益な機械的相互作用を促進するのに十分な不均一性または粗さを有するようにすることによっても、マトリクスと補強材との間の界面を強化することができる。
【００４７】
さらに、前記無機ポリマーマトリクス組成物は、当業者らによってよく用いられている様々な有機充填剤および無機充填剤を含有していてもよい。前記マトリクスは、セラミック粉末、鉱物粉末、金属粉末、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ケイ酸塩、窒化ホウ素、アルミノケイ酸塩、ケイ酸アルミニウム、ケイ酸ナトリウムアルミニウム、ケイ酸カリウムアルミニウム、炭素、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、モリブデンおよびその化合物、または当業者らに知られている他の充填剤のごとき充填剤を含有していてもよい。有機材料が燃焼してガスが発生するような用途においては、有機材料はあまり好ましくはない。充填剤は、ミクロスフィア、マクロスフィア、中空球および／もしくは中実球、ならびに／または円筒形、平形ならびに／または不均一形状もしくは均一形状粒子のごとき球体でもよい。
【００４８】
本発明の無機ポリマーマトリクス組成物は、酸性無機成分（例えば、リン酸、ホウ酸、リン酸二水素または反応性ガラスのごときプロトン化オキソアニオン）およびアルカリ土類塩のごとき酸性塩改質剤を導入することによって、アルカリケイ酸塩骨格を含有する溶液のｐＨに影響を与える。アルカリケイ酸塩溶液は、網目構造形成を調節するのに必要とされる高濃度の単量体ケイ酸アニオンを維持するために高いｐＨを必要とする。ｐＨを下げた後に適度な条件下において硬化する能力は、マトリクスのアルカリ性が引き起こすガラス繊維補強材への損傷を低減させる。無機マトリクス結合剤は、骨格からの水分の排除によって部分的に促進される縮合反応によって硬化し、結合剤中の過剰な水分は、寸法安定性の不足、低い物理的性質および低い加工性をもたらす。
【００４９】
理解されるように、本発明の無機ポリマーマトリクス組成物は、圧縮成形、バルク成形化合物、シート成形化合物、粉末および補強材、液体および補強材、プリプレグおよび焼結を用いて、複合材料へと加工することができる。さらなる方法としては、引出成形（断面が一定である製品を製造することができる自動工程）、ウェットレイアップ（安易な試作品および手頃な低性能製品のための簡易な手動工程）、フィラメントワインディング（回転体のための自動工程）、真空バッグ処理（高性能な航空宇宙用積層品のための一般的な処理）、オートクレーブまたは非オートクレーブ真空注入（大型で厚みのある高性能部品のための工程）、液体樹脂、フィルム注入または粉末注入、樹脂圧送成形（寸法再現性に優れたニアネットシェイプ成形工程）、押出成形（断面が一定である非構造短繊維製品を製造することができる工程）、射出成形（小型の非構造短繊維製品を製造することができる自動工程）、一体成形（バルク非構造製品のための工程）、回転成形（高品質の管を製造することができる工程）、捕捉エラストマー成形（変わった形状を製造することができる工程）およびこれらと同等の工程が挙げられる。
【００５０】
複合材料は、約１５〜約１，０００℃以上の温度および０〜約２，０００ｐｓｉの圧力、好ましくは約５０〜約２００℃の温度および約２００ｐｓｉよりも低い圧力で硬化される。
【００５１】
所望により、複合材料部分を後熱硬化および／または化学処理することによって、熱安定性、寸法安定性、加水分解安定性またはこれらの組み合わせをさらに向上させることができる。前記部分は、空気中、真空中または不活性雰囲気中において、約１５〜約１，０００℃の温度範囲内で熱処理することができる。前記複合材料部分を水または他の溶剤で洗浄することによって、余分な反応物質を取り除くことができる。さらに、これは、硬化工程が終了する前に無機ポリマー網目が部分的にのみ形成された後に実施することができる。前記複合材料部分は、酸性溶液、金属塩溶液、金属酸塩溶液、界面活性剤溶液、フッ素化物、ケイ素化合物、有機プレポリマー、アイオノマーおよびポリマーの溶液および／または疎水性を付与するための他の溶液と接触させることもできる。
【００５２】
例えば、複合構造体をリン酸の希釈液に浸漬するかまたは前記希釈液で被覆することによって、前記複合構造体の熱安定性と加水分解安定性の両方を向上させることができる。リン酸は、１種以上の金属塩を含有する溶液の形態でもよい。マグネシウム塩の希釈液を単独または前記リン酸溶液と組み合わせて用いても同様の向上を達成することができる。アルミニウム、カルシウム、亜鉛、セリウム、ランタンおよび／または同様の塩を含有するもののごとき他の溶解性多価金属塩を用いることもできる。水酸化リチウム、酢酸リチウム、塩化リチウムなどのごとき一価金属塩の溶液も、所望により、前記複合構造体と接触させることができる。
【００５３】
これらの工程には、高温無機ポリマー、すなわちセラミックおよびガラス、を製造する際に一般に用いられる硬化法と比較して、いくつかの利点がある。セラミックおよびガラスの加工は、一般に、（１，０００℃よりも高い）高温加工装置を必要とする。本発明の無機マトリクス配合物は、複合材料製造設備で用いられている慣用の装置で加工が可能な複合材料を与える。これらの工程は、一般的なセラミックプロセスよりも速い処理能力を可能にし、かつ、一般的なセラミックプロセスよりも大きな部品の容易な製造を可能にする。これらの工程を使用することによって、標準のコンクリート工程よりも優れた構造的完全性のための高い繊維容積が可能となる。
【００５４】
あるいは、本発明の無機ポリマーマトリクス組成物は、複合材料にのみ限定されるわけではない。前記組成物は、混ぜ物のない樹脂成分、被覆剤および接着剤を形成するのに用いることができる。
【００５５】
理解されるように、本発明は、不燃性となるように調製することができる。この望ましい安全性に関する特徴によって、火に曝されたときに燃焼して煙および／または有毒ガスを生じやすい（例えばプラスチック、木材またはゴムのごとき）ほとんどの有機材料と本発明とが区別される。さらに、本発明は、断熱材および／または電気絶縁材となるように調製することができる。この望ましい特徴によって、熱導体および導電体になりやすい（鋼、アルミニウムまたは銅のごとき）ほとんどの金属と本発明による組成物とが区別される。
【００５６】
本発明は、ごくわずかな恒久的寸法変化はあるものの（１，０００℃を上回る）高い温度で機能するように調製することができる。この望ましい特徴によって、（５００℃よりも高い温度に曝されたときに熱分解しやすい）ほとんどの有機材料、（３００℃よりも高い温度で砕けやすい）ほとんどのセメント配合物および７００℃で歪みまたは融解しやすい（アルミニウムのごとき）多くの金属と、本発明とが区別される。さらなる特徴として、本発明は、比較的低い温度（＜２００℃）および低い圧力（例えば＜２００℃および＜２００ｐｓｉ）で加工される一方で、高温性能（１，０００℃までおよびそれ以上）を実現することができる。この特徴は望ましい。というのも、低い温度および圧力で加工されうる能力は、本発明を一層手頃な装置および製造工程で加工できるようにするからである。この化学的特徴によって、成形物を作るのに一般に非常に高い温度および／または高い圧力を必要とするほとんどのセラミック、ガラスおよび金属と、本発明とが区別される。（もちろん、本発明は、より高い温度および圧力でも効率的に加工することができる。本発明の材料を、１０，０００ｐｓｉよりも高い圧力および１，５００℃よりも高い温度で加工したこともある。）
用途によっては、炎および／または高温に一回の使用期間の間だけ耐えることが要求されその後交換される熱障壁であったり、低い使用温度に適用されるため２００℃よりも高い極端な温度に耐える必要がなかったりするが、そのような用途には本発明に基づいた有機−無機混成物が有用となろう。有機成分はモノマー、オリゴマーまたはポリマーでもよく、混成組成物にさらなる強度、可塑性および可撓性を付与する。
【００５７】
本発明は、繊維に含浸させることによって硬質複合材料が形成されるように調製することができる。この望ましい特徴によって本発明がほとんどの材料と区別される。というのも、ほとんどの硬質材料は、繊維を湿潤させることができる低粘性液体として加工されていないからである。マトリクス材料内の繊維強化は、強度、剛性、破壊靭性、疲労、強度および耐衝撃性の向上をはじめとする多くの利益を与える。繊維強化複合材料は、自動車のダッシュボードからＦ−２２航空機構造物まで、様々な用途に普及しているが、圧倒的多数の複合材料は、可燃性である有機マトリクス材料で作られている。セラミックマトリクス複合材料および金属マトリクス複合材料のごとき不燃性複合材料は、高い加工温度を必要とするため、ほとんどの用途にとって桁違いの費用がかかることが多い。本発明は、ほとんどのセラミックまたは金属マトリクス複合材料よりもずっと低いコストで加工することができる。これらの望ましい特徴によって、様々な金属をはじめとする多くの材料と、本発明とが区別される。
【００５８】
本発明は、前述の様々な一般的な充填剤を含有することによってその性能を特定の用途に適合させることができるように、容易に調製することができる。中空球、導電性充填剤、摩擦および／または熱添加剤といったこれらの充填剤は、例えば密度、導電率、摩擦係数または熱的性能といった物理的性質を変えるために導入することができる。これらの望ましい特徴によって、様々な金属をはじめとする多くの材料と、本発明とが区別される。これらの特徴を所与のものとして、本発明は、防火障壁、遮熱材、高温断熱材、高温鋳型、摩擦製品、工作機械および高温環境における構造体といった多くの用途に適している。
【００５９】
前記無機ポリマーマトリクス組成物に加えて、各種有機および無機充填剤のごとき多くの他の化合物も用いることができ、そして前記無機ポリマーマトリクス組成物は、圧縮成形、バルク成形などのごとき様々な方法を用いて調製することができ、その後、硬化および処理されて様々な用途に用いることができる。前記無機ポリマーマトリクス組成物は、火熱試験用無機複合構造体に関して２００４年２月１２日に出願された米国特許第１０／７７７，８８５号に記載されている数々のＡＳＴＭに準じた試験において望ましい特性を有する。前記特許の内容は、その３９個の実施例すべてを含めて、ここに本願明細書の一部を構成するものとして援用する。
【００６０】
本発明の防火障壁システムまたは多層耐火システムは、一般に、２層以上の異なる材料を含んでなる。好ましくは、前記層のうちの少なくとも１層は、アルカリケイ酸塩から誘導される前記無機ポリマーマトリクスを含んでなり、そして任意ではあるが望ましくは繊維補強材を含有する。残りの１層以上は、少なくとも１種の断熱材、少なくとも１種の膨張性材、少なくとも１種のフォーム材、少なくとも１種の反射性材料、または補強層を含んでなる。また前記いずれかの層も、その内部に補強材を含有してもよい。さらに、波形状のガス含有層が、独立してまたは前記層のいずれかの内部に存在することができる。さらに他の防火障壁システムは、２層以上のアルカリケイ酸塩ポリマー樹脂を含んでなる。
【００６１】
良好な防火障壁特性を有する断熱材としては、一般に、文献および当該技術分野において公知である耐熱材料、例えば各種ケイ酸化合物、各種アルミナ化合物、あるいはケイ酸アルミナのごときそれらの組み合わせ、（ＲＣＦ）が挙げられる。そのような化合物は軽量であるため繊維の形態にあることが多く、数多くの用途を有するが、同化合物の固体層を用いることもできる。他の好適な断熱材としては、一般に多量（少なくとも約３０重量％または約５０重量％または約７０重量％）のアルミナ、シリカ、アルミン酸塩、ケイ酸塩、およびカルシウム、マグネシウムなどを含有する他の金属酸化物等の当該技術分野および文献において公知である各種鉱物または化合物が挙げられる。さらに他の断熱化合物としては、炭化ケイ素、炭素−炭素などのごとき各種耐火材料が挙げられる。例えばタイル、テラコッタなどの各種粘土、磁器、ほうろう、石灰、しっくい、石膏製品などから作られるような、文献および当該技術分野において公知である各種セラミック材料も用いることができる。
【００６２】
前記膨張性層は、一般に、その構造がセル形成を支持するときに、加熱中に揮発性物質、例えば水を発する任意の材料である。膨張グラファイトが非常に好ましい。他の化合物としては、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウムもしくはケイ酸リチウムのごとき各種アルカリケイ酸塩またはケイ酸カルシウムもしくはケイ酸マグネシウムのごときアルカリ土類ケイ酸塩が挙げられる。蛭石は、上記以外の有用な膨張材である。
【００６３】
前記反射層は、光を反射し、従ってシステムの非火災側から離れる方向に熱を発する材料で必然的に構成される。前記層は厚くてもよいが、薄い方が好ましく、耐熱材料でできている。好適な反射性材料は、一般に、入射日光の少なくとも約５０％または少なくとも約６５％および望ましくは少なくとも約８０％または少なくとも約９０％を反射する。その例としては、Ｍｙｌａｒ（登録商標）のごときポリエステルフィルム、アルミホイルまたはアルミ板などが挙げられる。より高温に耐性のある反射面としては、一般に、チタン、クロム、ニッケルなどの高反射性金属およびステンレス鋼などの高反射性合金が挙げられる。前記反射面は一般にシート状であり、積層または多層耐火システムの内側または外側に存在する。
【００６４】
補強材は本願明細書においてこれまで説明してきたため、以降は同じ説明は繰り返さない。連続であるか不連続であるか、織られた状態か織られていない状態かにかかわらず、補強材は一般に繊維の形態で用いられるが、シート、有孔シート、細片などの形態で用いることもできるので、個別または独立の層を形成することができる。望ましくは、前述のように、補強材は一般に繊維の形態で用いられて、本発明の無機樹脂複合層を補強する。しかしながら、前記各種補強材は、シートもしくは有孔シートの形態であっても、または繊維のごとき任意の他の形態であっても、断熱層、膨張性層、フォーム層および反射層のごとき前記層のいずれかを補強し、それらに強度および構造的完全性を付与するのに用いることができる。
【００６５】
前記波形層は、一般に、反射層の表面を除く前記層のいずれかの内部で耐火媒体として作用する空気のごとき数多くの閉込めガス領域を有する。従って、前記各種断熱材、膨張材および補強材は、内部に空気または他の気体のポケットを有することができる。あるいは、前記波形層は、断熱層の間の気体（例えば空気）層でもよい。
【００６６】
本発明で用いることができるフォーム材組成物のごとき気泡またはフォーム材料は一般に不燃性であり、温度管理、防火および他の高温用途に有用である。本発明の８００℃を超える温度に耐える能力によって、有機フォーム材料および／またはその誘導体では対応できない用途に本発明を使用できるようになる。炭素材料、ガラス材料またはセラミック材料でできたフォーム組成物のごとき無機気泡材料も同様の温度に耐えることができるが、大規模な温度管理のニーズおよび／または費用重視の用途への使用が費用の面で制限される。本発明のために調製された気泡材料も、要求に応じて複雑な形状や単純な形状に成形することができ、および／または慣用の機械加工装置を用いて特定の形状に成形することができる。フォーム材料のごとき気泡材料は構造的（一体的）でも非構造的でもよく、起泡剤を用いてあるいは用いないで形成することができる。本発明およびミクロスフィア、ミクロバルーンおよび／またはミクロカプセルのごとき適切な充填剤を用いて、シンタクチックフォーム材料を調製することもできる。
【００６７】
各種障壁または多層複合材料システムの調製において、一般に１層以上の外層が、アルカリケイ酸塩から誘導される無機ポリマーマトリクスのごとき炎および溶け落ちに対する良好な耐性を有する材料、または、酸化物をベースとするセメント、耐火材料、アルミニウムの酸化物などのごとき１種以上の無機材料で形成される。前記多層耐火システムは、１層以上の外層と１層以上のコア層との間に位置する中間層を任意に備えていてもよい。前記コア層は、低融点金属または木材のごとき可燃性材料または他の有機材料のごとき保護されることを求める支持体でもよい。あるいは、美観用途において、防火扉などにおける木材、木製単板面、プラスチック面などのごとき美的外観材料は、火または熱の浸透を妨げるまたは防止するために、断熱層、アルカリシリカ層のごとき中間層またはコア層を備えていてもよい。
【００６８】
異なる種類の積層物を形成するための前記様々な層の組み合わせは、耐火性無機薄板または積層板を積層などの方法によって有機複合コアに接合することによって作ることができる混成積層物または混成システムと呼ぶことができる。耐火性複合材料は、防火障壁、酸素障壁、および、それほどではないにせよ、断熱材として機能する。一般的な受動断熱材とは異なり、前記耐火性複合材料は、熱が有機樹脂を分解しないようにする断熱材としては主に機能しない。代わりに、前記耐火性無機樹脂は、防火障壁および酸素障壁として機能する。
【００６９】
非ケイ酸塩網目構造形成成分および／または反応性ガラス、水および任意に１種以上の二次的な網目改質材を反応させることによって得られるようなアルカリケイ酸塩から誘導される無機ポリマーマトリクスを含んでなる１層以上の層と、断熱層、膨張材料層、フォーム層、反射層、強化層または波形層のうちの少なくとも１層とを任意の順序で用いて、数多くのシステムまたは多層複合材料を製造することができる。前記層の１種以上が、一般には繊維などの補強材を含有していることが好ましい。本発明の耐火積層物またはシステムの層の数は広範囲にわたることができ、通常は約２〜約１０層、一般にまたは好ましくは約２〜約３層、または約４層、または約５層、または約７層である。
【００７０】
例えば補強材を含有するアルカリケイ酸塩樹脂またはその複合材料は、耐火性を向上させ、あるいは、炎の侵入、酸素の透過を防ぎ、熱の伝道を抑え（鋼よりも桁違いに低い）ならびに火災加熱の最中およびその後の強度を保持（火炎温度および時間に依存する保持の程度）することができる防火障壁を作ることを目的とするシステムを作る際に、種々の態様で用いることができる。例えば、０．０２０インチほどの薄いアルカリケイ酸塩樹脂層を、より厚い構造積層物において有機複合材料または木材を覆う防火障壁として用いることによって、システムの耐火性を向上させることができる。これらの性質は、様々な形態をとる高温断熱材の導入によって、より厳しい防火計画に対して、さらに最適化することができる。アルカリケイ酸塩樹脂層またはその複合材料と断熱材との組み合わせは、高温断熱材のみを使用した場合の様々な欠点に対処する。薄い非構造層（０．０２０”）は、耐久性を向上させ、対流熱の移動を低減させ、そして酸素障壁としての機能を果たすことができる。これらのシステムは、木材、鋼または複合材料のごとき支持体のための受動防火材として用いることができる。アルカリケイ酸塩樹脂層またはその複合材料と、断熱材とからなる複数の層は、火災に関する要件のみならず、大部分の防火システムの設計において重要な考慮すべき事項である物理的、機械的および熱的要件に関しても一層高性能な防火システムを構築できるように設計することができる。内側または内部のアルカリケイ酸塩樹脂層またはその複合材料の上に反射面を形成すると、放射熱伝導が下がり、システム性能がさらに向上する。単独でまたは硬質不燃性断熱コアと共に構造体を維持することができる一層厚みのあるアルカリシリカ樹脂または複合材料を使用することは、完全に不燃性である耐力構造体として機能することができる。構造的サンドイッチ構造用のコアになることができる硬質不燃性断熱材は一般的ではなく、より高性能の断熱材は高価であり、使いにくい。各種フォーム体は、アルカリケイ酸塩樹脂表面板に対する良好な接着能力があり、かつ、良好な性能を示す良好な断熱コアを提供する。
【００７１】
防火システムは、防火要件、前記システムに割り当てられた包装材料、機械的要件、物理的要件に基づいて、かつ、市場および費用に応じて設計される。ある防火障壁は、炎の侵入を妨げることを目的とし、厚さが０．０２０インチの簡素なアルカリケイ酸塩樹脂層またはその複合材料（アルカリケイ酸塩樹脂層／炭素積層物−エンジン室の防火用に用いられる２層）でもよい。他のシステムは、断熱、火の侵入の防止および長期間にわたる低温側の温度の維持を目的とし、複数の層（ＶＳＶ材料）から構成されていてもよい。すなわち、補強金属スクリーンを備えたアルカリシリカ樹脂層およびガラス製の外層は、セラミックブランケットを覆う被覆層として用いられ、対流熱の移動を低減させ、システムの耐久性を高める。また、防火扉コア内のＶＳＶ多層システムは、膨張材料がその内部で膨張するための外殻を形成し、対流熱の移動を低減させ、そしてホース水流試験に耐えるための強度を付与するために用いることができる。防火障壁は、様々な機構によって機能する。すなわち、火の侵入をなくし、酸素が透過して下層の可燃性材料を燃焼させることを防ぎ、および燃焼に必要な熱を低減させる。防火システムは、熱移動、材料の燃焼、火災時および火災後の強度の維持ならびに環境条件におけるシステムの材料特性、物理的性質および熱的性質に基づいて、非常に複雑になることがある。
【００７２】
アルカリケイ酸塩樹脂層またはその複合材料は、単独で、または、断熱材および／または反射面を備えたシステムの一部として、防火障壁において有用である。９０分木製防火扉用途は、ＶＳＶシステム（すなわち、ベール（ｖｅｉｌ）／スクリーン／ベール多層システム）を膨張材料と組み合わせて用いて、９０分間のＡＳＴＭ  Ｅ−１１９火災加熱を通じて低温側の木製パネルを保護し、その後ホース水流試験に合格する。ドアコア防火扉の火災加熱前の厚さはわずか５／８”であり、これは現在の市場で入手可能な最も薄い９０分防火扉を示している。より一層簡素なシステムを示す他の防火システムは、ジェット機のエンジン室に火が侵入しないようにするための防火材として用いられる２層アルカリシリカ樹脂／炭素強化複合材料である。この用途は、防火上の要求を満たすことに加えて、耐振性および耐薬品性を有する必要がある。
【００７３】
アルカリケイ酸塩樹脂複合材料の独自性は、材料、不燃性、低熱伝導率、高温特性、低温加工性および低コストである。これらの特徴が組み合わさって、様々な用途に用いることができる独特な材料を実現する。競合する材料は存在するが、前記アルカリケイ酸塩樹脂複合材料によって提供される特徴のすべてを備える材料は存在しない。
【００７４】
本発明の耐火性無機樹脂でできた層を少なくとも１層有する積層物すなわち多層耐火システムは、有機系支持体、積層物などを火災から所定の期間保護するのに用いることができる。前記無機樹脂システムは、有機積層物を断熱することに依存しないという点で独特である。代わりに、前記樹脂は、火災の三要素（ｆｉｒｅ  ｔｒｉａｎｇｌｅ）の異なる要素に対応する防火／酸素障壁として機能する。防火／酸素障壁として機能するので、これらの耐火性無機層は、有機材料の燃焼を防止するに留まり、その分解を防止することはない。従って、コア材料を断熱する方法に注意が払われているのであれば、混成積層物を用いて有機積層物の性能を向上させることが可能となる。
【００７５】
様々な効用および最終用途を以下に述べるが、重要な多層耐火システムとしては、アルカリケイ酸塩樹脂複合材料自体、ＶＳＶシステムおよび耐火扉が挙げられる。前記複合材料自体はほとんどすべての用途に用いられ、そしていずれも一般にアルカリケイ酸塩樹脂と呼ばれているアルカリシリカから作られた改質無機ポリマーマトリクス、１種以上の非シリカ網目構造形成成分、および／または反応性ガラス、および任意に１種以上の二次的な網目結合ユニットを含む。前記樹脂が、一般に炭素繊維のごとき補強繊維の形態で補強材を含有していることは重要な側面である。適切な厚さおよび構造的完全性を得るためには、このようなアルカリシリカ樹脂複合材料層を二層用いることができ、単に一方が他方の上に乗っかっていたり、あるいは、任意の方法で互いに融合または接着または付着していてもよい。
【００７６】
ＶＳＶシステムは、一般に、スクリーン、有孔シートなどのごとき金属補強要素を含有し、アルカリケイ酸塩樹脂内に埋め込まれて複合材料を形成する。１層以上の前記複合材料の片側には、薄いガラス断熱層が用いられる。この多層システムは、船殻の内部をはじめとする様々な用途に用いられる。
前記耐火扉の実施態様は、一般に、繊維を含有し、かつ、膨張層を一般にその両側に有するアルカリケイ酸塩樹脂複合材料を用いる。これらはいずれも木の羽目板などの内部に位置し、木製の耐火扉を形成する。必要とされる保護の程度に応じて、さらなる無機アルカリケイ酸塩樹脂複合材料層および膨張層を用いることができる。
【００７７】
本発明の各種積層物すなわち多層システムは、強化ミサイル格納庫、船の甲板、空母の突風遮蔽物および熱遮蔽物、防火障壁、高温ガスフィルター、保護被膜、（ＥＭＩシールドを備えたおよび備えていない）電気パネルおよび電気ボックス、エンジンカバー、あるいは、火および熱の移動による損傷からの保護、耐食性、ライフサイクルコストの削減ならびに重量の減少を有利に必要とする任意の用途のごとき様々な用途に適用することができる。さらに、この技術は、航空機のブレーキ用の断熱挿入物を強化するのに適用することができる。各ピストン内部の断熱材は、摩擦ヘッドを油圧システムから断熱する。４５０℃よりも低い温度で分解する一部の慣用の樹脂と比較して、本発明のマトリクスバインダーは（１，０００℃を上回る）一層高い熱安定性を有し、そして金属とは対照的に、本発明の複合材料は優れた断熱性能を有する。これによって油圧システムが保護され、重量および／または関連費用を削減することができる。本発明の複合材料は、補強繊維の存在により、セラミックよりも強度は高いが、用いられる材料および工程のために、セラミックマトリクス複合材料よりは安価である。
【００７８】
本発明の障壁システムは、セラミック複合材料が用いられる用途のごとき、良好な熱安定性および物理的安定性が求められる用途にも用いることができる。用途としては、航空宇宙用途、海運用途、大量輸送用途、構造用途および建築用途における使用が挙げられ、耐火性および／または熱安定性を必要とする単純な用途から、より高度な防火用途、例えば高温および長期防護、導管、ケーブルトレー、送電線、ガスおよびオイルのパイプラインの熱および火からの防護、構造用鉄骨柱、梁およびオープンウェブジョイストならびにボート、船、飛行機、バス、ケーブルカー、トローリーなどのための隔壁および他の表面の火および熱からの防護まで多岐にわたる。これらは、１，７００°Ｆまでの温度において、比較的軽量の構造体によって、６０分間または９０分間以上、防火を実現することができる。
【００７９】
本発明の概念に従って、表１は、本発明に従って用いることができる各種障壁システムの見本説明図としの役割を果たす。
下記表１は、本発明の用途を例証するものとして示されるが、本発明の使用を包括する、すなわち限定するものではない。
【００８０】
【表１】
2006527152.tif 000003
【００８１】
好適な積層物またはシステムのさらに他の例としては、表２の例１〜８が挙げられる。表２において、「複合材料」という材料の種類は、アルカリケイ酸塩樹脂と補強材料とを含有する無機ポリマー複合材料である。
【００８２】
【表２】
2006527152.tif 000004
【００８３】
材料コード
ＦＲ＝アルカリケイ酸塩から誘導された無機ポリマーマトリクス
Ｃ＝炭素繊維
Ｇ＝ガラス
Ａｎｙ＝任意の繊維
ＳＳ＝ステンレス鋼繊維
ＭＤＳ＝中密度木材
ＲＰ＝強化プラスチック
【００８４】
表１および表２から明らかなように、アルカリケイ酸塩材料を含んでなる少なくとも１層の無機ポリマー層と、少なくとも１層の断熱層、膨張層、フォーム層、波形層、補強材料層などのごとき他の層とで構成される数多くの異なる種類の積層物または構造体が存在することができる。
得られた複合材料は、最終的な配合および選択された加工に応じて、約９００℃までおよびそれ以上の寸法安定性を示し、かつ、炎、煙および毒性に関して優れた特性を有する。本発明の無機樹脂組成物を用いて作られた複合材料は軽量であり、かつ、良好な断熱性を有する。主として、複合材料の硬化は低い温度および圧力で足りることにより、様々な形状を製造するのは比較的安価である。
【００８５】
前記無機樹脂組成物は、耐火バインダー、バルク成形材料、シート成形組成物、接着剤、被覆剤、混ぜ物のない樹脂組成物、気泡材料、例えばフォーム樹脂組成物または耐火複合材料として有用である。複合材料として、前記無機樹脂組成物は、硬化したときに成形物にすることができる。あるいは、複合材料として、前記組成物は織物に含浸させるのに用いられる。前記織物は、他の、同様に含浸された織物と組み合わされてレイアップを形成することがあり、そして前記レイアップは成形および硬化されて、バルク材料と似てはいるが前記織物によって補強されている成形複合材料または成形物を形成する。本発明の組成物は、セラミック複合材料が用いられる用途のごとき、良好な熱安定性および物理的安定性が求められる用途に有用である。
【００８６】
一方向繊維を用いる場合、前記新規な耐火無機樹脂は、有機樹脂複合材料に匹敵する機械的性質を有する。前記樹脂システムを用いた織物複合材料は、繊維束を通過するのが難しいことから、もう少し問題がある。しかしながら、有機系構造成分を伴う前記無機システムのＦＳＴ性能は、ある程度の緩和を実現すると考えられる。
【００８７】
熱伝導率、熱膨張および比熱からなる熱的性質を、ガラス、ステンレス鋼および炭素強化耐火無機樹脂複合材料について評価した。これらの方法によって評価された熱性能は、新規な耐火無機複合材料の性能が室温から８００℃まで変わらないものであることを示した。これは、有機樹脂システムでは不可能である。
【００８８】
前記複合材料は、システムに必要とされる特性に応じて、無機高温接着または高強度有機接着のごとき標準的な積層法を用いて、積層することもできる。さらに、耐火無機複合材料または積層物を有機積層物または複合材料コアに、積層によって、結合させることによって、混成複合材料を作ることができる。耐火複合材料または積層物は、防火障壁、酸素障壁および、それほどではないにせよ断熱材として機能する。前記耐火複合材料は、受動断熱材とは異なり熱が有機樹脂を分解するのを防ぐ断熱材として主に機能するわけではない。前記耐火無機樹脂複合材料は、その代わりに防火障壁および酸素障壁として機能する。さらに、前記耐火複合材料は、混成複合材料の強度を高める。
【００８９】
耐火無機樹脂から作られた複合材料は、有機系複合材料および積層物を火災から所定の期間保護するのに用いることができる。前記複合材料を形成するのに用いられる無機樹脂組成物は、有機複合材料を断熱することに依存しないという点で独特である。代わりに、前記無機樹脂組成物は、火災の三要素の異なる要素に対応する防火／酸素障壁として機能する。防火／酸素障壁として機能するので、これらの耐火無機層は、燃焼は防止するが、分解は防止しない。従って、コア材料を断熱する方法に注意が払われているのであれば、混成複合材料を用いて有機複合材料の性能を向上させることができる。
【００９０】
耐火複合材料のみまたはコア材料を備えた耐火複合材料を、例えば、木製パネルと共に用いて、耐火扉を作ることができる。耐火複合材料は単独で障壁として用いることもできるし、波形のごとき空隙を含ませて形成することもできるし、あるいは、ハニカム構造または中空球を無機樹脂組成物に付与することによって、コア材料を付け加えることなく、耐火性能を強化し、断熱性能または構造性能を向上させることができる。さらに、前記耐火複合材料は、単一コアまたは複数コア構造体と共に用いて、様々な特性を向上させることができる。前記耐火複合材料は、耐火性ではない他の支持体に、例えばさらに積層するといった方法によって他の支持体に適用するかまたは一緒にすることで、全複合材料の性能を強化することができる。さらなる構造支持体を前記構造体に付与してもよい。その例として、例えばワイヤーメッシュ、メタルスクリーン、ガラススクリーンなどが挙げられるがこれらに限られない。本発明は、防火障壁としての役割を果たす任意の構造体に適用することができるが、防火扉における使用がその利益を示す一例である。前記無機耐火複合材料は、扉のごとき障壁がホース水流試験に合格できるように、また、極端に重くならずにコア保護外殻が維持されるように設計されるので、コアは、これまで無機耐火複合材料なしでは不可能であった性能特性を充たすことができる。障壁複合材料の重量対強度は、防火障壁を製造する際に重要である。前述のように、６０分および９０分燃焼等級を充たす、より軽量でより薄い障壁は、建築的な用途により用いられるであろう。
【００９１】
本発明の積層物すなわち障壁システムを２つの主要な方法によって試験した。一つ目の方法は、試験される材料の火災の三要素の燃料構成部分を測定するのに用いられる燃焼性試験である。燃焼性試験は、各種ＡＳＴＭ（米国材料試験協会）、ＮＦＰＡ（全国防火協会）、ＩＭＯ（国際海事機関）、ＩＳＯ（国際標準化機構）、ＵＬ（損害保険者研究所）および発火までの時間、火炎速度、放熱および維持可能性（煙）を測定するための他の標準プロトコルに記載されている。これらの試験は、材料のＦＳＴ性能を明らかにするために行なわれる。良好な熱特性を有するように改質された有機複合材料は、一般に、システムの他の特性が犠牲になっている。
【００９２】
二番目の方法では、材料を、実際の火災によって生じる温度の近似温度曲線に曝す。この種の試験では、材料は、一定時間、火災曲線に曝された後、いかによく火災をしのいだかに基づいて評価される。一般に、２つの一般的な火災曲線、ＡＳＴＭ  Ｅ−１１９およびＵＬ−１７０９が用いられている。ＡＳＴＭ  Ｅ−１１９はビル火災の温度分布を追跡することを目的とし、大部分の建築構造物を評価する際に用いられる。ＡＳＴＭ  Ｅ−１１１９火災曲線は、実際のビル火災を模倣するように設計されており、火災時の所定部分の耐久性を判断するための様々な故障基準と共に用いられる。木製部品は、所定の厚さに基づいて、場合によっては２０分間以上、Ｅ−１１９火災シナリオに耐える。防火性能を向上させるには、例えば、耐火断熱材の間に木材を挟んでもよいし、あるいは、防火障壁／断熱材を２つの木材層の間に用いてもよい。時間は、サンプルを特定の表面温度に曝した後、３０分、４５分、６０分および９０分で測定する。ＵＬ−１７０９は、燃料火災の温度変化を追跡し、航空宇宙用品および軍事品に用いられる。Ｉ型梁の評価の場合、故障基準は、完全なる構造破損の発生である。
【００９３】
図１は、本発明に従って製造することができる積層物の例を示す。図のように、積層物１は、例えば、扉または障壁である。積層物１は両側にアルカリケイ酸塩樹脂３の層が積層され、さらに所望の建築様相を提供する木材または他の材料である外層４を有する膨張材２の層から形成される。さらに、図２に示されているように、成形金属前面５および裏面６を積層物１の外層４に接合または積層することによって、さらなる表面材を付与してもよい。
【００９４】
図３および図４は、木材の耐火性を向上させるための２つの一般的な耐火性組立品を示す。図３に示されているように、耐火性積層物７は、２つの木製構造物８および９の間に積層されている。図４においては、耐火性積層物７は、木製構造物１０の表面に貼り付けられている。
【００９５】
図５は、有機複合材料コア１２が耐火性積層物１３に接合しているかまたは積層物１３によって覆われている混成積層物１１を示す。コア１２は、例えばエポキシまたはフェノール系複合材料または積層物であり、耐火性積層物１３は、例えば、アルカリケイ酸塩樹脂を含浸させた不織ガラス繊維マットである。前記マットは、性能ニーズまたは所望の形態に応じて、単一の層でもよいし、２層以上の積層物でもよい。
【００９６】
図６および図７は、本発明の概念を具現化したさらに他の形態を示す。本形態では、Ｉ型梁１５のごとき構造体が、例えば本発明に従ってアルカリケイ酸塩樹脂を含浸させた不織ガラス繊維マットのごとき耐火性積層物のスリーブを有し、このスリーブが前記梁の上に配置され、前記梁の形に成形されることによって、図７に示される耐火性Ｉ型梁が製造される。
【００９７】
本発明をさらに理解するために、複数の複合材料積層構造体を製造し、耐火材料としてのそれらの性能を評価した。コアは耐火無機樹脂から作られ、防火障壁および火災後の構造部材の２つの役割を果たすことができる材料である。新規なコアシステムの断熱性は、鋼よりもずっと良い（２．５  ＢＴＵ  ｉｎ／ｈｒ  ｆｔ２  Ｆ  ｖｓ．  ３２５  ＢＴＵ  ｉｎ／ｈｒ  ｆｔ  ２  Ｆ熱伝導率）。Ｅ−１１９低温側試験プロトコルを充たすほどの十分な断熱性を有するように、膨張材料をコア構造体に添加した。試験パネル構造に用いられた膨張材料は、断熱材および脱熱材として機能する。前記材料は燃焼試験中に膨張し、その結果、低温側の温度は木材の発火温度よりも低いままである。そのため、低温側の木材層は構造性を維持し、ホース水流試験に耐えることができる。膨張材料の欠点とは、火災継続時間が長くなるにつれて、その断熱材としての効果が、低温側の材料が分解するところまで低下するということである。その結果、低温側の木材は、ホース水流試験に耐えることができなくなる。
【００９８】
評価される耐火積層物は、２７〜６６℃で圧縮成形されたステンレス鋼マットに予め含浸させた無機樹脂（アルカリケイ酸塩樹脂）で構成される。前記マットは、縫い合わされて１層にされた０°および９０°の２つの層で構成される。前記マットの多孔性により、最終製品中に約８０容量％の樹脂が含まれていた。得られた積層物の厚さは０．１０２ｃｍであり、密度は２．５ｇｍｓ／ｃｍ３である（無機積層物「Ａ」）。さらなる耐火積層物は、ガラス布に含浸させた耐火無機樹脂であって０．０６４ｃｍの厚さおよび１．９０ｇｍｓ／ｃｍ３の密度を有する積層物（無機積層物「Ｂ」）と、ガラス繊維マットに含浸させた耐火無機樹脂であって０．０８９ｃｍの厚さおよび２．３ｇｍｓ／ｃｍ３の密度を有する積層物（無機積層物「Ｃ」）とで構成される。
【００９９】
この検査で評価されたシステムは、基本的に、防火障壁を挟む２つの木材層で構成されていた。試験対象の防火障壁は、単一成分材料システムとサンドイッチシステムの両方であった。全システムの防火性能を最適化するため、種々の防火障壁を試験対象とした。様々な構造体が異なるレベルの断熱および防火積層物を有するため、これらの２つの変数をシステムの性能に対して評価することができた。用いた膨張材料の厚さは０．３１８ｃｍであり、加熱時の膨張比は４：１であった。すべてのサンプルが、厚さは約４．４５ｃｍであった。高質繊維板（ＨＤＦ）を用いることもできたが、評価に用いた木材は中質繊維板（ＭＤＦ）であった。木材の厚みは、厚い部分で３／４インチ、薄い部分で１／４インチであり、所定の形に扉を機械加工した。扉の全厚は１．７５インチであり、コアは片側当たり１／２インチ、合計で１インチを機械で切除した。９０分扉のコア厚は約１／４インチであった。評価したサンプルは以下の通りである。
【０１００】
一回目の炉投入分は、
Ｉ．  コントロールサンプルとして用いられる木製パネル、
ＩＩ．  木材層／耐火積層物「Ａ」／木材層サンドイッチサンプル、
ＩＩＩ．  木材層／膨張層／木材層サンドイッチサンプル、および
ＩＶ．  木材層／耐火積層物「Ａ」／膨張層／耐火積層物「Ａ」／木材層サンドイッチサンプル
で構成した。
【０１０１】
二回目の炉投入分は、
Ｖ．  木材層／耐火積層物「Ａ」／膨張層／耐火積層物「Ａ」／木材層サンプル、
ＶＩ．  木材層／耐火積層物「Ｂ」／膨張層／耐火積層物「Ｂ」／木材層サンプル、および
ＶＩＩ．  木材層／耐火積層物「Ｃ」／膨張層／耐火積層物「Ｃ」／膨張層／耐火積層物「Ｃ」／木材層サンドイッチサンプル
で構成した。
【０１０２】
燃焼試験は、サウスウエスト研究所において、大きさが６１ｃｍ×６１ｃｍであるテストパネルに対して行った。初めに確認されたＥ−１１９火災曲線を用いて、燃焼している木材から発せられる熱は元の曲線を超えていることが観察された。より有効なデータを収集するために、温度を、観察された挙動をより精密に近似したＵＬ−１７０９曲線と比較した（図８）。この検討においては２３２℃の表面温度を用いた。
【０１０３】
熱電対を用いて、前記テストパネル上の複数の点において内部温度および低温側表面温度を観察した。炉の１回の稼動につき、４つのパネルに対して試験を行った。この試験手順を、試験中のすべてのパネルが脱落するまで行った。パネルは、火がサンプルを貫通したときに脱落とされた。その結果を図９および図１０にまとめる。
【０１０４】
１回目の炉の稼動時に、コアのない木材サンプルは２５：４５分で脱落したことが観察された。耐火積層物コアを備えた木材は２９：００分で脱落し、膨張コアは３２：４５分で脱落し、そして耐火積層物／膨張材／耐火積層物のサンドイッチは３９：００分で脱落した。
耐火無機コアは、火災時には防火障壁および気体の通過を防ぐ障壁として機能し、消火後には構造材料として機能する。前記コアは構造部品として働くから、木材が燃焼試験中に劣化したとしても、さらにホース水流試験に耐えることができる。さらに、耐火無機コアは、火災暴露の後期には膨張材を所定の位置に保ち、火災時には水蒸気の発生速度を下げる。従って、膨張材および耐火無機積層物のサンドイッチコアの相乗効果は、いずれかの材料が単独で用いられる場合に対して大きな利益を与える。さらに、膨張材は、抑制されていない膨張シートの場合と同様に、等方的に膨張するのではなく、無機積層物の拘束層の間で膨張する。
【０１０５】
断熱材を伴った耐火無機コアの使用は、火災暴露後に強度の維持を必要とする用途において、９０分間までＥ−１１９試験プロトコルを充たす。二回目の炉の稼動中に観察されたサンプルについての結果によって、無機／ステンレス鋼繊維コアに対する無機樹脂／ガラス繊維の性能が明らかとなった。試験によって、ガラス繊維積層物が、ステンレス鋼スクリーンを有する積層物よりも約１２分早く脱落したことが明らかとなった。ガラス／耐火積層物の低い熱的性質およびステンレス鋼強化サンプルと比較した温度に対する強度の損失が、性能に差が生じる理由だと考えられる。３層の耐火積層物と２層の膨張材とを備えるサンプルは、耐火積層物／膨張材／耐火積層物に対して、脱落するまでの時間を５０分間伸ばした。前記データは、厚さが０．０４０”である耐火積層物が可燃性木製材料の脱落までの時間を伸ばすことができることを示している。木材を断熱することが性能を向上させているわけではない。そうではなく、この結果は、積層物が酸素障壁として機能しかつ燃焼を遅らせることに起因していると考えられる。耐火積層物／膨張材／耐火積層物コアの組み合わせは、耐火積層物のみおよび膨張材のみのときに得られるデータから予想される結果を示した。膨張コアの使用時に見られた改善効果は、その木材を断熱する能力の機能であると考えられる。かくして、耐火積層物と膨張材の組み合わせは予想通りに機能した。サンプルが脱落するまでの時間が２０分間延びたことは、コア内部に複数の膨張材および耐火層を有することによる相乗効果を示している。
厚さが４．４５ｃｍの加工木製パネルに組み込まれた厚さが０．９５３ｃｍである複数層の膨張材との組み合わせである耐火積層物の複数層から構成されるコアは、９０分ＡＳＴＭ  Ｅ−１１９試験に合格することができる。耐火無機樹脂から作られた耐火積層物は、火災の３要素の異なる要素に対応する防火／酸素障壁として機能するという点で独特である。これらの耐火無機層は、防火／酸素障壁として機能するので、有機材料の燃焼を防止するに留まり、その分解を防止することはない。木製パネルの「低温側」を断熱することはＡＳＴＭ  Ｅ−１１９評価を得る際に重要であるため、膨張層の使用によって断熱機能性が強化される。さらに、膨張材は、拘束されていない膨張シートの場合のように等方的に膨張するのではなく、無機積層物の拘束層の間で膨張する。
【０１０６】
さらなる例として、混成複合積層物を評価した。用いた材料は、Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｂｏａｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＥＢＣ）が供給する有機複合構造体と、Ｇｏｏｄｒｉｃｈ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが供給する無機複合材料とで構成される。前記無機樹脂複合材料は、温度管理用途におけるＭＩＬ−ＳＴＤ−２０３１を充たすように開発された。混成フラットパネル積層物は、２層の無機樹脂複合材料で挟まれた有機樹脂複合材料からなる。以下に具体的に述べるように、厚さの異なる耐火無機積層物を用いて、エポキシ複合材料システムに対する燃焼性試験を行った。
【０１０７】
フラットパネル混成構造体に加えて、Ｉ型梁混成サンプルを作製および評価して、潜水艦に用いられる実際の格子のおよその性能を評価した。前記Ｉ型梁混成サンプルは、エポキシ複合材料またはフェノール系複合材料からの有機樹脂複合材料Ｉ型梁の磨耗面に無機樹脂複合材料を硬化させることによって作製した。両方の有機樹脂複合材料Ｉ型梁とも、縫布補強材を用いた引出成形を用いて作製した。無機複合材料は、炭素繊維ソック（Ｓｏｃｋ）に含浸させた後に梁を覆うことによって作製した。前記ソックは、含浸させた後にＩ型梁の上へと引っ張られてＩ型梁の表面を覆うことができる縫布である。耐火無機積層物の厚さは、約０．０７ｃｍであった。強化材をＩ型梁に挿入することによって、硬化中にＩ型梁の内部に十分な圧力が必ずかかるようにした。そして、混成複合材料を真空バッグに入れて、オートクレーブで硬化させた。
【０１０８】
評価した１組目の混成サンプルは、厚さの異なるフラットパネル無機積層物からなり、図５に示されるもののごときエポキシまたはフェノール系複合積層物を防護する能力について評価した。この評価で用いた補強材の種類は、ガラスおよび炭素に無機樹脂を含浸させたものであった。試験では、防火性能に対する厚さおよび補強材の種類の効果を評価した。選択した試験プロトコルは、発火までの時間、発熱速度、最高発熱速度、および煙の発生を測定する際に有用であるコーン熱量測定法であるＡＳＴＭ  １３５４であった。試験は、７５および１００ｋＷ／ｃｍ２における熱流試験である。
【０１０９】
耐火無機樹脂で保護された、厚さの異なる炭素／エポキシまたはガラス／エポキシ複合材料を用いて、フラットパネル混成複合材料システムに対する燃焼性試験を行った。すべてのサンプルが同じ厚さの可燃性材料を有していた。フェノール複合材料の燃焼性試験は、２層無機樹脂ガラス複合材料積層物のみを用いて行った。表２および表３に示されるように、これらの試験のすべてにおける性能は非常に良好であった。
【０１１０】
【表３】
2006527152.tif 000005
【０１１１】
【表４】
2006527152.tif 000006
【０１１２】
第２の試験プロトコルでは、Ｉ型梁を用いた混成積層物の耐火性を評価した。前記梁は、無機複合材料面で保護されたエポキシまたはフェノール系複合材料コアからなる（図６および図７）。この試験で用いた正確なプロトコルは、混成梁の耐久性に対する積層物の効果を最も良く評価するために導き出されたものである。Ｅ−１１９火災曲線およびＭＩＬ−Ｇ−１８０１５Ｂと同様の試験プロトコルを用いて、この試験は、荷重下における実際の火災状況を模倣する。火災試験の際、Ｉ型梁は、２０ポンドのおもりが前記梁からその長手方向に対して垂直に吊り下がった状態で、炉内部を横切るように設置されていた。試験が進行するにつれて、前記梁は最終的に燃焼し、破損した。
【０１１３】
図１１に見られるように、試験結果は、耐火無機強化混成梁の耐温度性および構造破損が生じるまでの時間がかなり向上していることを示している。さらに、耐火樹脂Ｉ型梁試験の最中に煙の存在は全く確認されなかった。
これらの試験のすべてにおける耐火無機樹脂の性能は同じ結果、すなわち不燃性を示した。これは、燃料源として機能しないという樹脂の設計による。有用なデータが提供されたのは混成積層物の一部を構成する可燃性コアと不燃性表面板との相乗効果による。ほとんどの場合、フラットパネルおよびＩ型梁混成積層物は予想通りに機能した。
【０１１４】
混成積層物について観察された挙動は、無機複合材料を通じた可燃性コアへの熱の移動から始まる。これによって分解が生じる。前記表面板の主たる機能として断熱材としての機能は意図されていないので、有機積層物はすぐにその分解温度に曝される。従って、積層物表面板の主な目的は、酸素が分解ガスに到達するのを防ぐことによって燃焼の発生を防ぐことである。このように、前記耐火無機シートは、火災の３要素うちの１つの重要な要素、すなわち酸素を排除する。耐火積層物を通じた熱の移動にもかかわらず、前記無機構造体は、火災に曝された後でもその強度の一部を維持する。
【０１１５】
理論的に言えば、しっかりと機能する混成積層物は、酸素を排除することによって有機積層物を完全に分解するのに必要な時間を伸ばす。分解は依然生じるが、ただ単に、より長い時間を必要とするようになるだけである。混成積層物についての発熱データは、より低い最高発熱速度を有する。これは燃焼に必要な酸素の不足によるものだと考えられる。耐火無機樹脂が防火障壁および酸素障壁として機能するという理論が成り立つのであれば、防火性能への耐火積層物の厚さの影響はほとんどないはずである。興味深いことに、データは、エポキシ混成積層物およびフェノール混成積層物の両方において、表面板の厚さと、発火までの時間および発熱速度との間に直接的な相関関係があることを示した。積層物の厚さに起因する断熱の向上がこの傾向の原因かもしれないが、このような結論はあり得なさそうである。もう１つの考えられる説明は、積層物の剛性の影響である。耐火シートの厚さが大きいほど、有機積層物への接着がよくなり、酸素障壁がより長く所定の位置に留まることができるようになる。
【０１１６】
エポキシ系コアを用いて作られたフラットシート混成積層物には、いずれも、表面板を接着するために高温接着剤を用いた。フェノール系コア混成積層物は接着剤は使わなかったが、代わりに、無機樹脂の硬化中にコアの研磨面に接合された。これら両方の接着方法からのデータは同じ傾向を示しており、これは混成物の性能への接着の影響はほとんどないことを示している。エポキシ系コアを用いて作られた混成積層物は、１層の場合の４倍から８層の場合の１０倍まで、発火までの時間が増加した。さらに、酸素障壁として機能する耐火無機樹脂表面板によって、最高発熱速度および５分間の発熱速度の双方が減少した。試験したすべてのサンプルの総発熱量はほぼ同じであった。フェノール系コア混成積層物は２層炭素の表面板から成り、発火までの時間の増加および発熱速度の低下の両方について、エポキシ系コア混成積層物と同程度の結果を残した。
【０１１７】
この評価の第２段階は、エポキシ／ガラスおよびフェノール／ガラスでできたＩ型梁を耐火無機積層物で保護する効果を調べることであった。この評価で用いた試験方法は、ＡＳＴＭ  Ｅ−１１９火災曲線を用いた実際の小規模火災試験であった。まず最初に、エポキシ／ガラスＩ型梁を試験したところ、Ｅ−１１９火災曲線によれば３分で脱落した。混成エポキシＩ型梁につき、２０ポンドのおもりを吊り下げた状態で試験したところ、Ｅ−１１９火災曲線において１２．５分で脱落した。フェノールＩ型梁が９分で脱落したのに対し、混成積層物で被覆されたＩ型梁は１９分まで持ちこたえた。理論上、前記積層物は、酸素が燃焼に使われるのを防ぐため、混成Ｉ型梁が脱落するまでの時間を伸ばすはずである。耐火無機樹脂の保護層によるＩ型梁の脱落までの時間の向上は、厚さが０．０３インチの薄い層が防火性能をかなり向上させることができることを示した。フラットパネルの脱落の仕方と同様に、Ｉ型梁も最終的には熱の分解効果のために脱落した。
【０１１８】
本発明の他の実施態様を図１２に示す。図１２の上段中央部に示されるように、アルカリケイ酸塩樹脂をガラス補強材、炭素補強材または鋼補強材のごとき任意の好適な種類の材料で補強してアルカリケイ酸塩強化複合材料を形成することができる。前記複合材料は、防火構造部品を形成するのに用いることもできるし、有機樹脂複合材料、木材、鋼などのごとき様々な支持体に適用することによって構造部品を形成することもできる。あるいは、アルカリケイ酸塩複合材料は、セラミック、鉱物などのごとき様々な種類の断熱材を加えることによって、断熱材システムを形成することができる。あるいは、アルカリケイ酸塩、膨張黒鉛、蛭石などのごとき様々な種類の膨張材をアルカリケイ酸塩複合材料に添加することによって、膨張材システムを形成することができる。同様に、ガラスまたは炭素のごとき様々な種類の無機発泡体をアルカリケイ酸塩複合材料に添加して、発泡体システムを形成することができる。これらのシステムおよび図示されていない他のシステムを、シンプルサンドイッチ、多層サンドイッチなどのごとき様々な種類の構造体にして、さらに他のシステムを形成することができる。このようなシステムを支持体に適用することによって、防火構造システムが形成される。
保護される支持体は、一般に、見栄えが良いことが多いが一般に低い燃焼点または発火温度を有する任意の種類の材料でよい。一般的な支持体としては、メープル、オーク、トネリコなどのごとき様々な種類の硬木、様々な種類の松材のごとき軟木、およびベニヤ板、積層材などの木材が挙げられる。他の支持体としては、ポリエステル、ポリエーテル、ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、エポキシ、ナイロン、フェノール系などのごとき様々な種類のポリマーを一般に包含する有機樹脂が挙げられる。さらに他の支持体としては、アルミニウム、真鍮、青銅および様々な種類の鋼のごとき低融点金属が挙げられる。２種以上のアルカリケイ酸塩複合材料は、互いに隣接していてもよいし、他の層などで分けられていてもよい。
【０１１９】
本発明から分かるように、耐火および／または防火積層物または複合材料は、様々な形状および材料で作ることができる。本発明の耐火アルカリケイ酸塩樹脂は、例えば薄い木板を用いることによって向上した火災安全性と美観を合わせて与える構造物またはその組み合わせである様々な形状に適用されるのに十分な可撓性を有する。
【０１２０】
本発明の他の実施態様によれば、前記様々な多層防火障壁システムは、少なくとも１種の固定具などによって一緒に固定することができる。代表的な固定具としては、ボルト、ステープル、リベット、ワイヤー、接着剤、磁石、エッジチャネル、ネジ、釘、またはこれらの組み合わせが挙げられる。
【０１２１】
本発明の前記実施態様は、説明を目的として示された。これらの説明および実施態様は、本発明を包括するまたは開示された通りの形態に限定することを目的としているわけではなく、前記開示内容を踏まえて様々な修正および変更が可能であることは明らかである。前記実施態様は、本発明の原理およびその実際の用途を最も良く説明し、それにより当業者らが本発明を、その様々な実施態様において、考えられる特定の用途に適するように様々な修正を加えて、最もうまく用いることができるように選択および説明した。本発明は、下記請求の範囲によって規定されるものである。
特許法に従って最良の形態および好ましい実施態様を説明してきたが、本発明の範囲は、これらに限定されるのではなく、むしろ添付の請求の範囲によって限定される。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明による耐火積層物の断面分解図である。
【図２】扉の構造を説明するための、さらなる層を加えて組み立てられた図１の積層物の断面図である。
【図３】耐火積層物の斜視図である。
【図４】耐火積層物の他の実施態様の斜視図である。
【図５】本発明による有機／無機複合材料の断面分解図である。
【図６】本発明による耐火性Ｉ型梁アセンブリの分解斜視図である。
【図７】図６の組み立てられたＩ型梁の斜視図である。
【図８】燃焼試験の性能温度対時間のグラフである。
【図９】炉内における積層物の性能の温度対時間のグラフである。
【図１０】炉内におけるさらなる積層物の性能の温度対時間のグラフである。
【図１１】炉内におけるＩ型梁積層物の性能の温度対時間のグラフである。
【図１２】本発明に従って製造することができる数多くの異なる種類のラミネートシステムの一部を示す流れ図である。
【図１】
2006527152.tif 000007
【図２】
2006527152.tif 000008
【図３】
2006527152.tif 000009
【図４】
2006527152.tif 000010
【図５】
2006527152.tif 000011
【図６】
2006527152.tif 000012
【図７】
2006527152.tif 000013
【図８】
2006527152.tif 000014
【図９】
2006527152.tif 000015
【図１０】
2006527152.tif 000016
【図１２】
2006527152.tif 000017
【図１１】
2006527152.tif 000018
【国際調査報告】
2006527152.tif 000019
2006527152.tif 000020