特集ガラス技術と関連したゾル－ゲル法

SUFA：透明断熱材
ティエムファクトリ（株）

會澤守

SUFA : transparent thermal insulator
Mamoru Aizawa
R&D Department, tiem factory Inc.

１．SUFA
SUFA は常圧乾燥法で作製した PMSQ 有機−無機ハイブリッド透明断熱材である - 図 1 。
京都大学大学院理学研究科の中西先生，金森先生との共同研究で開発された［ 1 ］。現在使われている断熱材料の多く（例えばグラスウールや発泡ポリマーなど）は透明ではない。そのため，建物や自動車の窓といった透明でなければならない部分には断熱材を使うことができず，そこからの熱損失は，低エネルギー消費社会を実現

図１して行く上で大きな課題となっている。
*SUFA は Super Functional Air のアクロニム。

２．エアロゲルの定義

リカの湿潤ゲルを超臨界条件でゲルの構造を破壊することなく乾燥させることに成功し，その成果を Nature に発表している［ 2 ］。Brinker

エアロゲルは 1931 年に Steven Kistler が初と Scherer の著書［ 3 ］では超臨界乾燥条件でめて作製した。Kistler は水ガラスから作ったシ作製した乾燥ゲルがエアロゲルであるとして定義している。

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一方で，非超臨界条件で作製した乾燥ゲルであっても超臨界乾燥条件で作製したエアロゲルと同様の特性を有していればそれもエアロゲル
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であるという Hüsing と Schubert の定義もあ破壊応力はどれくらいなのであろうか。神戸製

り［ 4 ］，本稿では後者の定義を採用する。

鋼所の川上と上原は，エアロゲルの構造を柱状

３．常圧乾燥法と超臨界乾燥法
エアロゲルはその透明性と断熱性から理想的な断熱材として，例えば，建築分野では Holyの梁構造にモデル化して脆性圧壊機構により破壊応力を求めた［ 6 ］。彼らのモデルに基づいて計算すると密度 0.1g/cm3 程度のシリカ系ゲルの破壊応力は 0.5MPa 程度となる。

Grail（聖杯）と評される［ 5 ］などして高い評

通常のシリカ系湿潤ゲルは，常圧乾燥時の毛価を受けている。また，EU では 1998 年から細管力に全く耐えることができない。従って，2005 年 に か け て DNK，DEU，FRA，SWE，シリカ系のゲルをエアロゲル化するには高価でNOR から 8 つの機関が参加して，エアロゲルをあっても超臨界乾燥法を採用せざるを得ない。

窓ガラスに適用するためのプロジェクト

PMSQ 有機−無機ハイブリッドエアロゲル

HILIT* および HILIT+ プロジェクトを実施しは， 常 圧 乾 燥 時 の 毛 細 管 力 に 拮 抗 で き る，た。しかし，プロジェクトが終了して 10 年以上10MPa を超える破壊応力を有すので常圧乾燥が経過しているにも拘らずエアロゲルウィンド法で安価に作製することが可能となる。

ウが市場に現れる兆しはない。また建築分野でエアロゲルが広く用いられているという状況でもない。その原因は，超臨界乾燥法で作るエアロゲルが高価すぎたためと考えられる。

５．SUFA の特性
SUFA は空気のように軽く透明な高性能の断熱材である。炎に触れても燃えることはない。

超臨界乾燥法は高温高圧の製法であり高価な

SUFA が示す超撥水性は分子骨格中に結合す製造装置を必要とする。作製されるエアロゲル

る有機の親油性官能基に起因するもので，仮に2の価格は 1m （ 10mm 厚さとして）のモノリスクラックが発生したとしても新たに発生する界で お よ そ 100 万 円 に な る（ 例 え ば SWE の面は従前と変わらぬ超撥水性を示す。

AirGlass 社から購入するとおよそ 1 万 €）。

＊ SUFA の構造的な特性を表 1 にまとめて示す。

これに対し，常圧乾燥法は常温常圧で汎用装置を用いて作製できるので，SUFA の製造コス
トは超臨界乾燥法に比べほぼ 2 桁低くなっている。

４．エアロゲル作成時の課題−毛細管力との対峙−

６．SUFA のアプリケーション
SUFA はモノリスの他に，パウダー（グラニュール）-（図 2 ）或いは他のマトリックスと複合化させてブランケットや断熱塗料などに仕上げることができる。

湿潤ゲルから溶媒を蒸発により取り除こうとモノリスであれば窓や集熱パネル，パウダーするとき，問題になるのは毛細管力であり，次であれば半透明壁ユニットが開発のアイテムと式（ 1 ）で表される。

なる。窓に関していえば，HILIT・HILIT+ で

Pc = -4γLVcos（θ）/a （ 1 ）その有用性がすでに確認されているので，現在

ここで a は湿潤ゲルの細孔径，γ LV は溶媒の30cm 角まで大型化できているモノリスのサイ

表面張力，θは細孔内壁に対する溶媒の接触角ズをメートル角にまで拡大する検討を進めていである。例えば細孔径が 50nm，溶媒にヘキサる -（図 3 ）。また，独自に開発したエアロゲル

ン， 接 触 角 が 15 °と す る と 毛 細 管 力 Pc はの透明接合技術を用いて小サイズのモノリスの12.5MPa となる。

集積による大型化検討も行っている。

では，密度が 0.1g/cm3 程度のシリカ系ゲルの24

パウダーはモノリスよりも汎用性の高い素材

NEW GLASS Vol. 33 No. 124 2018が望ましい。弊社では分子骨格構造に一部手を加えることで従来品の SUFA よりも脆性の改善されたエアロゲルを作製できるようになった。20cm 角のモノリスで比較した場合，補強していない従来品 SUFA は少し曲げただけでも簡単に割れてしまうのに対し，改良品は曲率
半径 10cm を示すまで脆性が改善された -（図4 ）。
透明性はエアロゲルの微細構造の均質性に依るところが大きいと考えている。SUFA はメソ
図２

スコピック領域での相分離構造を界面活性剤の添 加 に よ っ て 制 御 す る こ と で， 平 均 細 孔 径なので製造コストの低減がより求められる。既50nm の均質な 3 次元ネットワーク構造を実現

存の乾燥法にとらわれない乾燥技術の確立が必している。相分離構造は，Si 原料の種類と使用要となる。

する界面活性剤の組み合わせで最適化され，よ複合材料は弊社がその製法や使い方を提案すり高い透明性が得られると考えている。標準的るというよりは，お客様が保有する基材に対しな SUFA の 透 明 性 は， 透 過 率 90% 10mmt@てお客様と協働でエアロゲル化するための検討

550nm である。

を進めさせていただいている。
SUFA のアプリケーションとして，SUFA の持つ機能的特性ではなく芸術的な側面を活かす共同研究も行っている。共同研究相手は，エアロ ゲ ル を 用 い た 彫 刻 で 著 名 な Dr.Ioannis
Michaloudis, である。Dr.Michaloudis は現在，オーストラリアの Charles Darwin Univesity に在籍して活動を続けている。将来的な計画ではあるが，複数のエアロゲルピースを透明接合技術を用いて組み上げ，イカロスの像を作製する予定である。

７．エアロゲルの欠点の解消

図３

エアロゲルは 2 つの欠点の存在が指摘されることが多い。その一つは脆性で，もう一つは透明性（ヘイズ）である。前者に関して，エアロゲル本来の特性を損なうことなくフィルムなどで補強することが可能である。また，脆性はモノリスの大型化を妨げているようにも考えられるが，乾燥条件などの正しい制御である程度は改良できる。とはいえ，ストレスフリーで乾燥を行おうとすると，やはり脆性は改善すること

図４25

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表１

シリカ系エアロゲルの特性ld]bp

2８．まとめエアロゲルは、地球上で最も断熱性能の高い素材である。そのため世界各国で国家プロジェクトが推進されており、市場の年平均成長率も30% 台と非常に高く、大きな注目を集めている新素材である。今後様々な分野において標準的に使われるようになることは確実であると言われており、弊社はその中で世界最大のエアロゲルメーカーとなるべく、量産化を実現させていく。

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文献［ 1 ］K.Kanamori, NEW GlASS.31, No.117, 19-23（ 2016 ）［ 2 ］S.S.Kistler, Nature.127, 741（ 1931 ）［ 3 ］C.J.Brinker, G.W.Scherer, in Sol-Gel Science:
The Physics and Chemstry of Sol-GelProcessing, Acdemic Press, SanDiego（ 1990 ）［ 4 ］N.Hüsing, U.Schubert, Angew.Chem.Int.
Ed.37,22-45（ 1998 ）［ 5 ］M.Dowson, International Journal of Smart andNano Materials.5, 284-303（ 2014 ）［ 6 ］N.Kawakami, K.Uehara, KOBE STEELENGINEERING REPORTS.52, 39-44（ 2002 ）