日本ヒートアイランド学会論文集 Vol.2 (2007)
Journal of Heat Island Institute International Vol.2 (2007)

学術論文

高揚水性レンコン型多孔質セラミックス材料の作製とその蒸発冷却効果
Preparation of Lotus-type Porous Ceramics with High Water Pump-up Ability and Its Cooling
Effect by Water Vapor Evaporation
岡田 清*1
Kiyoshi Okada

亀島 欣一*1
Yoshikazu Kameshima

中島 章*1
Akira Nakajima

Chengala D. Madhusoodana*2
Chengala D. Madhusoodana*1 東京工業大学大学院理工学研究科材料工学専攻 Department of Metallurgy and Ceramics Science, Graduate School of Scienceand Engineering, Tokyo Institute of Technology*2 Ceramic Technological Institute, BHEL, India
Corresponding author: Kiyoshi Okada, kokada@ceram.titech.ac.jp
ABSTRACT
Porous cordierite (Mg2Al4Si5O18) ceramics with oriented through hole pores were prepared by an extrusion
method. A paste for the extrusion was prepared by mixing cordierite powder and nylon fibers as pore formers withcellulose binder and water, and extruded by a piston extruder. After drying, the extruded rods (400 mm×60 mmφ)
were heated at 1250oC for 4 h. The resulting porous ceramics had an apparent porosity of 46.6%, water absorptionof 34.9% and bulk density of 1.34 g/cm3 (relative density of 53.4%). The microstructure shows orientation ofcylindrical pores parallel to the extruded direction. The ceramics showed water pump-up ability of about 1 h for
400 mm height (h) by the capillary force. The possible pump-up height estimated from the pump-up rate
(h=61.3t0.438) is about 900 mm by 8 h and the pump-up height as high as 800 mm was confirmed by stacking of twopieces of ceramics rods. The wet ceramic rod pump-upped water showed 8.7oC lowering of the surface temperaturecompared with dry ceramics when its surface temperature is 38oC.
キーワード:ヒートアイランド,揚水能,レンコン型多孔質セラミックス,蒸発冷却効果
Key Words : Urban heat island, Water pump-up ability, Lotus-type porous ceramics, Evaporation cooling effect

レードオフの関係であるため，この方法では高機能かつ高１.はじめに強度の多孔体を作製することは困難である．これを実現す(1)

セラミックス材料の中には，ゼオライト のように非常るためには，多孔体中の気孔の大きさ，形状，分布などをに小さなミクロ細孔（国際純正化学・応用化学連合(IUPAC)

高度に制御する必要がある(2)の定義では≤2 nm の細孔） を持ち，触媒や吸着材としてそこで，著者らはセラミックス材料の製造に広く利用さ幅広く用いられているものから，自動車の排ガス浄化に用れている押出成形法を利用して，繊維形状の気孔が一次元いられているハニカムセラミックス(3)のように mm オーダ的に配向して貫通孔を形成した，“レンコン”型多孔質セラーの大きな孔を持ったものまで，多様な多孔体があり，広ミックスの作製について検討してきた．この方法では，セく環境浄化などに利用されている．通常，多孔質のセラミラミックス原料粉末に熱分解性の繊維を造孔材として混合ックスは，有機物などの熱分解性の粉末（造孔材）をセラして水，結合剤，分散剤などと混練してペーストを調製し，ミックスの粉末に混合し，これを焼成して作製される．ここれをピストンなどで押出成形する際に混合した繊維が一のため，有機物の熱分解によって導入される気孔は，セラ次元的に配向する現象を利用している．これまでに，炭素ミックス素地中にランダムに分布している．多孔質セラミ繊維やナイロン繊維を用いてレンコン型組織を有する多孔ックスを触媒，触媒担体，吸着材，フィルター材などとし質アルミナセラミックスが作製できることを報告した(4)(5)．て利用するためには貫通孔の存在が必要である．しかし，レンコン型多孔質アルミナセラミックスで得られた特性をそれらの機能性を高めるために気孔率を高くすると，材料通常の方法で作製した多孔質アルミナセラミックスと比較として重要な機械的な特性が低下する．一般に，両者はトすると，気孔率が約 40%の試料で，曲げ強度は 130 MPa と-1-

2 倍以上高く，一方，窒素ガスの透過率は 2000 倍以上高くいて測定した．

(6)

なった ．組織中での気孔の制御によりこれまで困難であった，高強度と高ガス透過率を両立できたことが分かる．

2.3

揚水試験

本多孔体の特長は，径が数～数 10μm で繊維形状の気孔サイホン式自動給水タンクをつけた水槽を用いて液面のが一方向に配向していることである．この多孔組織は，い高さを一定に保ちながら揚水実験を行った．長さ 400 mm

わば植物の茎や幹に見られる“道管”と類似している．ヒの試験体の下端部を 20 mm 程度水中に浸し，試験体に水がートアイランドの抑制には地表の緑化が有効なことは広く揚水されて行く様子を所定時間ごとにデジタルカメラで撮知られているが，この作用は，根から葉まで水を揚水して影した．なお，測定時の温度は 22oC，相対湿度は 50±3%でそれを水蒸気として蒸散させることによる効果である．揚あった．また，この試験体の上に薄く脱脂綿を敷き，その水作用には道管の毛細管張力が働いている．これらのこと

上に長さ 400 mm の試験体を乗せ，この状態で上に乗せたから，筆者らが開発したレンコン型多孔質セラミックスは試験体への揚水挙動を観察した．

その毛細管張力によりこれまでのセラミックスには乏しか2.4った揚水能（揚水高さと揚水量の両特性）が期待できると蒸発冷却効果試験

容積約 100m3 の室内の南に面した窓ガラス際で日射が当考えた．

たる場所に水を吸水させた試料と乾燥試料とを置き，所定

本論文では，ナイロン繊維を造孔材として混合したコーディエライト(Mg2Al4Si5O18)ペーストを調製し，これを押時間ごとにそれぞれの試験体の温度(試料表面から 1 cm の出成形後，焼成して繊維状気孔が一方向に配向したレンコ位置)を 0.1oC の温度表示のデジタル温度計(DE-20W, Der Ee

ン型多孔質セラミックスを作製した．そして，その揚水高Electrical Instrument, 台湾)で測定し，それらの温度差から本さを測定し，併せて蒸発冷却効果について検討した．

試料による蒸発冷却効果について調べた．

２.実験方法

３.結果と考察

2.1

3.1

試料の作製

試料のキャラクタリゼーション

炭酸マグネシウム(MgCO3)，カオリナイト(Al2Si2O5(OH)4)

まず，試料の体積と質量から求めたかさ密度は，1.34とケイ石(SiO2)粉末を Mg2Al4Si5O18 のコーディエライト組

g/cm3 で，開気孔と閉気孔の合計からなる見かけの気孔率は成になるよう調合し，これを固相混合，焼成して調製した

46.6%（相対密度=53.4%）となった．一方，水を溶媒としコーディエライト粉末（平均粒径 5 μm）を出発原料としてて求めた吸水率は 34.9%であったことから，本試料の開気用 い た ． こ の 粉 末 5 kg に 500 g の ナ イ ロ ン 繊 維

孔率は 34.9%，閉気孔率は 11.7%となる．これまでオーガ(800μm×14μmφ, 中部パイル工業㈱)と 250 g のセルロース(a)バインダー(LOBA Chemicals, インド)を加えて乾式混合した後，1200 ml の水を加えてミキサー混練してペーストを調製した．このペーストをピストン式押出機（AJ Walls, 米国）に入れて 5 分間真空脱気した後，内径が 60 mm の口金から押出し，400 mm の長さにワイヤーでカットした．この円筒状成形体を湿度制御した乾燥チャンバー中で 3 日間乾燥した後，大気中 110oC で 12 時間乾燥した．乾燥試料は1oC/min の速度で昇温して 1250oC で 4 時間焼成した後，3oC/min の速度で冷却した．なお，昇温時にはセルロース

100 μmの熱分解及び粘性流動などの焼結現象に伴う急激な収縮変(b)化を避けるため，600oC で 3 時間及び 1000oC で 4 時間保持しながら焼成した．
2.2

キャラクタリゼーション

作製した試料から 20×20×30 mm3 の大きさの試験体を切り出し，かさ密度，吸水率，相対密度を常法により測定した(7)．組織は走査型電子顕微鏡（SEM; JSM-531, 日本電子㈱）を用いて，押出方向に対して垂直面と平行面とを観察100 μmした．なお，観察は，試料表面に Pt 薄膜をスパッターコートし，加速電圧 20 kV で行った．試料中の気孔径分布は，

図1

水銀ポロシメーター（Autopore, Micromeritics, 米国）を用-2-

押出方向に垂直(a)及び平行面(b)の組織．

ー型（スクリュー式）の押出成形機を用いて作製したロー

1

タス型多孔質アルミナセラミックス(4)(5)(6)では，造孔材の繊ど貫通して開気孔となったのと比べて，本試料では閉気孔率がそれよりも大幅に高い．ピストン型押出機は，スクリュー式のオーガー型よりも配向効果が低いことが関係しているものと考えられる．
図 1 に試料の押出方向に対して垂直(a)及び平行な面(b)の SEM 写真を示す．図 1(a)の垂直面の組織には，繊維断面に対応する 10 μm 程度の大きさの丸い孔が多数観察される．
このことから，混合した繊維は押出方向に配向していることが分かった．一方，平行面の図 1(b)を観察すると，確か

Capillary height [m]維により形成される気孔はその高い配向状態によりほとん

0.80.60.40.2に繊維が観察面に平行に分布していることがその気孔形状から分かるが，一方向への配向の程度はあまり高くない．

0

そのため，本試料では閉気孔率が高くなったと解釈できる

4080120 160
Pore diameter [μm]ことが分かった．
図 2 に水銀ポロシメーターで測定した気孔径分布を示す．
累積曲線のデータから，全細孔容積は 0.4 ml/g であること

図3200

気孔径と毛細管張力による揚水高さの関係．

1000が分かる．一方，微分曲線には繊維径に相当する 10 μm 付

This work(2007)
Height=61.31t0.438
R2=0.9994

近に鋭いピークが観察された．このピークは過去の結果

800
Height [mm]Pore volume [ml/g]

0.4
0.3
0.15

0.2 0.12
0.09

Kubota et al.(2003)

600

Height=61.66t0.367
R2=0.9993

400
200

0.1 0.06
0.03
00100

10-2
図2101

0102

10-1100101
Pore diameter [μm]102

図460 120 180 240 300 360 420 480
t [min]

本試料及び久保田ら(9)の揚水高さと時間の関係．の接触角（酸化物セラミックスではほぼ 0o と近似できる），試料の気孔径分布（水銀圧入法）．

g は重力の加速度（9.8 m/s2），ρ は水の密度（1.0×103 kg/m3），(4)(5)(6)から考えて繊維同士が接触して形成された“連結径”

r は気孔の半径である．そこで揚水高さ（h）と気孔径（2r）に対応する．連結径は，原料粉末／繊維径が小さくなるととの関係を求め，図 3 に示す．毛細管張力だけを考えた単小さくなり，その比が大きくなると大きくなる関係(6)にあ純な条件では，本試料のように 10 μm の大きさの毛細管をる．本試料では比較的粒径の大きな原料粉末を使っている気孔として有する場合には，揚水高さは約 3 m となる．しため，その連結径は繊維径とほぼ同じ大きさになったもの

かし実際には，さまざまな抵抗力が働くと思われるため，と考えられる．

このような揚水高さが実現できるか否かは実測してみないと分からない．

3.2

図 4 に本試料及び久保田ら(9)によって報告されている揚試料の揚水能

Kelvin 式(8)から毛細管張力による揚水高さ（h）は式(1)

水高さとその時間依存性のグラフを示す．ここで，久保田で与えられる．

らの用いた試料は，連続気孔を有する“おこし”状の組織をした多孔質ボード（450×450×30 mm3）で，かさ密度が 1.05

h = 2γ⋅cosθ/(g⋅ρ⋅r)g/cm3，見掛け密度が 53.1%，吸水率が 47%である．ただし，(1)

気孔径のデータは報告されていない．グラフの比較から明ここで，γは水の表面張力（0.073 N/m），θ は水と気孔壁とらかなように，本試料の方が吸水率は 10%以上低いのにも-3-かかわらず，最初の数分以降は顕著な揚水スピードの違い

た気孔は押出方向にかなりの程度配向した組織を示した．

bが認められた．これらのデータは h=at （t：時間（min））

このセラミックスの揚水スピードを測定したところ，400の式で近似でき，図 4 のように良いフィッティング結果がmm の高さまで約 1 時間で揚水でき，8 時間後には約 900 mm得られた．そこで，これらの実験式から図に示すように 840時間後の揚水高さを見積もると，久保田らの試料が約 600

Temperature [oC]mm であるのに対して，本試料では 900 mm となり，有為に揚水能が優れていることが分かった．これは，繊維形状の気孔を配向させたことによる効果といえる．
現時点では，装置上の制限から 400 mm の長さの試料しか作製できないため，直接上記の推定揚水高さを確かめることはできない．そこで，400 mm の長さの試料にもう一つ同じ長さの試料を積み上げて揚水挙動を調べた．その結Dry ceramics
temp. (TD)35
30

Room temp.
(TR)

25

果，継ぎ目のところで揚水に少し時間を要するが，２本目Difference [oC]の上端部分まで自力で揚水することが確かめられた．このことから，図 4 で推定された揚水高さに見合う揚水高さが実現できることが分かった．
3.3

蒸発冷却効果吸水させていない乾燥試料の温度を乾燥試料温度（DryWet ceramics
temp. (TW)200-4-8-1201020ceramics temp., TD），揚水能を利用して自律吸水させた 400，mm の試料の温度を吸水試料温度（Wet ceramics temp., TW）

405060

図 5 乾燥試料温度(TD)，吸水試料温度(TW)，室温及び両日射の当たらない室内の温度を室温（Room temp., TR）とし温度差(TW-TD)．て測定した結果を吸水試料温度と乾燥試料温度の温度差と12併せて図 5 に示す．室温が日中で 26oC 程度の時に，日射があると乾燥試料温度は最高で約 38oC まで上昇した．このよDif (TD - TR)

8Δtemperature [oC]うに乾燥試料温度が高いときでも，吸水試料温度は 30oCを下まわり，期待通りに蒸発冷却の効果があることが分かった．
各温度差，(TW – TD)，(TD -TR)，(TW - TR)と乾燥試料温度（TD）との関係を図 6 に示す．乾燥試料温度が 20oC では
冷却効果は約 1.4oC しかないが，25→35oC と乾燥試料温度が高くなるに従い，吸水試料温度との差は大きくなり，本o

30Time [h]o

測定において最高温度であった 38 C では 8.7 C の冷却効果となる．真夏にはさらに乾燥試料温度が上昇すると予想さ

y = -26.2+0.990x(R2=0.9957)

Dif (TW - TR)

y = 2-18.3+0.541x(R =0.9593)

40-4
Dif (TW - TD)
y = 26.79-0.408x(R =0.9706)-8-12

れるが，これに見合う吸水量が可能であると仮定すれば，

2010oC 以上の冷却効果が期待できる．この冷却効果は屋上緑25化(10)や壁面緑化(11)で報告されている場合と同程度である．
本試料の場合，地中に貯水槽などを設置すれば，通常必要

303540Temperature [oC]45

図 6 乾燥試料及び吸水試料と室温との温度差と乾燥試料なポンプなどによる給水の必要が無く，維持管理も容易で温度との関係．

省エネ効果も大きい．
までの揚水高さに達するものと見積もられた．また，実際以上の結果から，本材料はヒートアイランド対策に資すに 400 mm の試料を２つ積み重ねて少なくとも 800 mm の高ることのできる有効な新機能性材料として期待できる．

さまで揚水可能なことを確かめた．
その蒸発冷却効果を測定したところ，日射温度が 38oC で４．まとめ8.7oC の冷却効果が実証され，屋上や壁面などの緑化で見レンコン型多孔質組織を有するコーディエライトられる冷却効果と遜色のないことが分かった．本材料は，(Mg2Al4Si5O18)セラミックスをナイロン繊維を造孔材とし材料自身が有する自律的な揚水能によりポンプなどの給水た押出法により作製した．得られたセラミックスは，見か設備を必要としないことから，省エネかつ維持管理が容易

け気孔率が 46.6%で開気孔率が 34.9%，閉気孔率は 11.7%でなヒートアイランド対策材料として有望であると考えられあった．造孔材によって焼成後のセラミックスに形成された．

-4-５．参考文献(1) 小野嘉夫・八嶋建明，ゼオライトの科学と工学(2000)，
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(2) K.S.W.Sing, D.H.Everett, R.A.W.Haul, L.Moscou, R.A.
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(8) 日本化学会（編），コロイド科学，1(1995)，東京化学同人.
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(10) 橋本幸博，屋上緑化の熱的評価に関する研究（第１報），空気調和・衛生工学会論文集，120-3 (2007), pp.33-40.
(11) 鈴木弘孝・三坂育正・田代順孝，蒸発散量の計測によるパネル型緑化の温熱環境改善効果，日本緑化工学会
誌，32-1 (2006), pp.80-85.
(Received July 2, 2007, Accepted August 1, 2007)-5-