(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内層と中層と外層の３層からなる一体構造の成形品であり、内層は、無機繊維からなり、この無機繊維の大部分が成形品の層方向、または厚さ方向に配向した層であり、中層と外層は、無機繊維と結合材を含む層であり、中層の嵩密度が外層の嵩密度より大きいことを特徴とする無機繊維成形品。
【請求項２】
内層は、無機繊維ブランケットからなることを特徴とする請求項１に記載の無機繊維成形品。
【請求項３】
内層は、ニードリングによる繊維の絡み（ループ）が少なくとも成形品の表面側に存在する無機繊維ブランケット、または無機長繊維により縫製した無機繊維ブランケットからなり、大部分の繊維が成形品の層方向に配向していることを特徴とする請求項１に記載の無機繊維成形品。
【請求項４】
内層は、無機繊維ブランケットの小片からなり、大部分の繊維が成形品の厚さ方向に配向していることを特徴とする請求項１に記載の無機繊維成形品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内層と中層と外層の３層からなる無機繊維成形品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温用の耐火断熱材として無機繊維の製品が多く使用されている。そのような無機繊維製品の一つに成形品がある。
【０００３】
無機繊維成形品の多くは、真空成形法と呼ばれる方法により製造される。この方法においては、水に無機繊維と、結合剤と、必要に応じて耐火粉末とを分散させてスラリーを作り、メッシュを表面に設けたモールドを、そのスラリーに入れて、モールド内部を減圧し、これらの混合物をモールド上に堆積させる。
【０００４】
この他の成形方法としては、ペースト状にした混合物をプレスして成形するプレス法、押し出し成形機を使用する押し出し成形法などが知られている。
【０００５】
このようにして作られた無機繊維成形品は、均一な混合物で形成されている。無機繊維成形品の形状は、主に平板状であるボードや、円筒状であるスリーブである。無機繊維成形品は、一般に高温用の電気炉の耐火断熟材として使用されている。
【０００６】
しかし、無機繊維成形品は、過酷な条件で使用されると、劣化が著しい。そこで、劣化を抑制するために種々の工夫がされている。
【０００７】
例えば、特公平７−３９９０８号には、電気炉に使用される２層構造を持つ耐火断熱材が提案されている。この耐火断熱材の構造は、高密度の成形品の内層と低密度の成形品の外層を一体に成形した構造となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の無機繊維成形品には次のような欠点があった。
【０００９】
無機繊維成形品が加熱されると、膨脹或いは収縮を起こす。無機繊維成形品を断熱材として使用した際には、内側と外側に温度差を生じる。温度差によって膨脹率或いは収縮率が異なり、その結果、無機繊維成形品に応力が発生する。温度差が大きいと、応力が大きくなって、ついにはクラックが発生する。特に、高密度の無機繊維成形品や耐火粉末を含有した無機繊維成形品は、柔軟性に乏しく、クラックが発生しやすい。いわゆるスポーリングを起こしやすい。
【００１０】
均一な単層からなる成形品では、クラックが大きい場合には、内側から外側へ貫通したり破断したりして、断熱材としての性能が極端に低下する。
【００１１】
さらに、耐火粉末を含有した無機繊維成形品は、アルカリ等の不純物の多い炉に使用すると、表面が劣化して、剥離することもある。
【００１２】
特公平７−３９９０８号に提案された２層構造の成形品にも、次のような欠点がある。
【００１３】
内層は、耐火粉末を含んだ高密度の層であるため、クラックが発生しやすい。内層にクラックが発生すると、それが外層にも伝わり、クラックが内外層を貫通する。
【００１４】
また、アルカリ等の不純物が多い炉に使用すると、成形品の表面に不純物が凝集して、ついには表面が剥離する。
【００１５】
このような従来技術に鑑み、本発明は、スポーリングに強く、優れた断熱性を有し、さらに表面剥離を起こしにくい無機繊維成形品を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、内層と中層と外層の３層からなる一体構造の成形品であり、内層は、大部分の繊維が成形品の層方向、または厚さ方向に配向した無機繊維からなる層であり、中層と外層は、無機繊維と、結合材と、必要に応じて耐火粉末からなる層であり、結合材は、無機結合剤と、必要に応じて有機結合剤からなる無機繊維成形品を要旨としている。
【００１７】
ここで、内層とは、使用の際に、炉内（高温）側に位置する層を意味し、外層とは、使用の際に、炉外（低温）側に位置する層を意味する。中層は、内層と外層に挾まれた層を意味する。層方向とは、炉内面に平行な方向である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の無機繊維としては、アルミナシリカ繊維やアルミナ繊維が好ましい。アルミナシリカ繊維としては、Ａｌ2 Ｏ3 とＳｉＯ2 を主成分とする繊維、またはＡｌ2 Ｏ3 とＳｉＯ2 とΖｒＯ2 を主成分とする繊維が好ましい。これらの繊維は、１０００℃以上で熱処理すると、耐熱性が向上して好ましい。アルミナ繊維は、Ａｌ2 Ｏ3 が７０重量％以上であり、他にＳｉＯ2 を含有し、主にコランダムやムライトの多結晶繊維である。
【００１９】
本発明で使用する無機繊維ブランケットは、無機繊維の積層体にニードリングや無機長繊維製の糸により縫製したものが好ましい。
【００２０】
本発明で使用する耐火粉末は、例えばアルミナ、ムライト等の粉末である。
【００２１】
本発明で使用する有機結合剤としては、例えば澱粉、アクリル、ラテックスなどが好ましい。
【００２２】
本発明で使用する無機結合剤としては、シリカゾル、アルミナゾルが好ましい。
【００２３】
本発明の３層構造体は、真空成形法で作製するのが好ましい。この方法では、最初に、水に無機繊維と無機結合剤と必要に応じて耐火粉末および有機結合剤を加え、攪拌機で混合して分散させたスラリーを作る。一方、メッシュを設けたモールドを用意して、このモールドの表面に、内層を構成する材料（例えば、無機繊維ブランケット）を置く。そして、このモールドをスラリーの中に入れて、モールド内部を真空ポンプで吸引し、所定の厚さの無機繊維成形品を得る。スラリーは２種類を用意し、中層と外層を形成する。
【００２４】
内層として無機繊維ブランケットを用いる際に、ニードリングによる繊維の絡み（ループ）が、少なくとも炉内側に存在するように用いるか、或るいは、無機長繊維により縫製した無機繊維ブランケットを用いる。すると、ブランケット内の層剥離を防止して、強固な成形品が得られる。
【００２５】
スラリーを成形したときの嵩密度は、中層の嵩密度を大きくして、外層の嵩密度を小さくするのが好ましい。この理由は次のとおりである。
【００２６】
スラリーの成形体は、嵩密度が大きいと、低温での熱伝導が大きく、高温での熱伝導が小さい。そして、嵩密度が小さいと、低温での熱伝導が小さく、高温での熱伝導が大きい。従って、嵩密度の大きい成形体を高温側に使用し、嵩密度の小さい成形体を低温側に使用することにより、成形品全体の断熱性が向上する。
【００２７】
真空成形によると、各層の内部にスラリーが入り込むので、内層と中層と外層は強く接合する。
【００２８】
内層の厚さは、成形品の大きさにもよるが、２ｍｍ以上が好ましい。２ｍｍより薄いと、スポーリングを起こし易く、クラック防止の効果が少ない。
【００２９】
無機繊維としてアルミナ繊維を使用すると、耐熱性が向上して好ましい。
【００３０】
有機結合剤を嫌う炉などに使用する場合は、予め８００℃〜１６００℃で熱処理しておくと良い。温度が８００℃未満であれば、有機結合剤を処理するのに長時間を要する。１６００℃を越えると、無機繊維成形品の強度が劣化する。
【００３１】
１５００℃以上で熱処理すると、シリカとアルミナが反応して、成形品にムライトが生成する。この際、シリカが消費されて、無機繊維成形品の収縮が抑えられるので、耐熱性が向上する。
【００３２】
本発明の３層構造体によれば、耐スポーリング性に優れている内層が存在するために、内層にクラックが発生しにくい。また、内層が断熱性に優れているので、外層に生じる温度差を小さくして、クラックが発生するのを抑制できる。中層や外層にクラックが発生した場合でも、内層に柔軟性があるので、クラックが貫通せず、無機繊維成形品は破断しない。
【００３３】
本発明の無機繊維成形品によれば、アルカリ等の不純物が多い炉に使用しても、不純物が内層に浸透して拡散するので、表面が剥離することはない。内層が、大部分の繊維が成形品の厚さ方向に配向した無機繊維からなる層であれば、不純物の浸透及び拡散が一層促進される。
【００３４】
繊維が成形品の厚さ方向に配向した層は、例えば、真空成形において、細長く切断したブランケットの小片を、小片の切断面（端面）がモールドの表面に接するように置いて成形すれば、容易に得られる。
【００３５】
【実施例】
金属製のパンチング板を円筒状に加工して、その上に２００メッシュの網を取り付けた、外径２００ｍｍ，長さ３００ｍｍのモールドを使用して、真空成形法により、スリーブ形状の無機繊維成形品を成形した。
【００３６】
無機繊維ブランケットをモールドの表面に巻き付けた。但し、実施例３は、細長く切断した無機繊維ブランケットの小片を、小片の切断面（端面）がモールドの表面に接するように置いた。そして、あらかじめ作製したスラリーの中にモールドを浸漬して吸引した。次に、別のスラリーにモールドを浸漬して吸引し、厚さ５０ｍｍのスリーブ状の無機繊維成形品とした。その後、成形品を脱型して乾燥した。最後に、実施例１及び２、比較例１及び２は、１５００℃で３時間の熱処理をした。
【００３７】
スラリーの配合及び特性を表１に示す。配合は重量部であり、他に水を５０００重量部含む。
【００３８】
【表１】
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表１において、ＡＳは、無機繊維が、Ａｌ2 Ｏ3 ５３重量％、ＳｉＯ2 ４７重量％のアルミナシリカ繊維である。ＡＭは、無機繊維が、Ａｌ2 Ｏ3 ７２重量％、ＳｉＯ2 ２８重量％のアルミナ繊維である。Ａは、無機繊維が、Ａｌ2 Ｏ3 ９５重量％、ＳｉＯ2 ５重量％のアルミナ繊維である。
【００３９】
成形体密度及び熱伝導率は、各スラリーで成形した成形体の密度及び熱伝導率を示す。
【００４０】
本発明の無機繊維成形品の構成と特性を表２に示す。
【００４１】
【表２】
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表２の内層の無機繊維の種類を説明すると、ＡＢは、化学成分がＡｌ2 Ｏ3 ７２重量％、ＳｉＯ2 ２８重量％のアルミナ繊維ブランケットである。ＡＳＢは、化学成分がＡｌ2 Ｏ3 ５３重量％、ＳｉＯ2 ４７重量％のアルミナシリカ繊維ブランケットである。
【００４２】
耐スポーリング試験は、スリーブの内側に発熱体を入れて昇温速度４℃／分で１２００℃まで加熱して、クラック発生の温度、１２００℃でのクラック幅、クラックの状態および発煙の有無を測定及び観察した。
【００４３】
耐アルカリ試験に関しては、無機繊維成形品の内層の上にＮａ2 ＣＯ3 試薬５ｇを置き、１１００℃で２４時間加熱して、試薬の状態を観察した。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の無機繊維成形品は、柔軟性のある内層が存在するために、使用の際にクラックが発生しにくく、耐スポーリング性に優れ、安定した断熱性能を維持できる。アルカリ等の不純物の多い炉に使用しても、表面に剥離が生じない。
【００４５】
嵩密度の大きい中層と嵩密度の小さい外層を組み合わすと、優れた断熱性を有する無機繊維成形品が得られる。
【００４６】
熱処理した無機繊維成形品は、有機結合剤を含まないので、炉の雰囲気を汚染しない。
さらに、加熱による収縮が抑制できて、耐熱性が向上する。