無アルカリガラス耐「高焼き」の原理

　　せんいざいりょう大體天然繊維と人工繊維の2種類に分けられます。天然繊維は、有機繊維(例えば植物繊維)と無機繊維(例えばアスベスト)に分けられる。人工繊維はまた、高分子有機繊維などの有機繊維と、ガラス繊維などの無機繊維とに分けられる。天然有機繊維と人工高分子有機繊維は耐溫性能が劣り、天然無機繊維、例えばアスベストは耐高溫性能を有するが、殘念ながら高発癌性を有し、多くの國は立法を通じてその生産と使用を禁止し、制限している。

　　SiO 2含有量は繊維の耐高溫性能を決定する

石英繊維、高シリコーンガラス繊維、無アルカリガラス繊維の耐高溫性能の差がこのように大きいのは、その繊維中のSiO 2含有量が異なるためである。これら3種類の繊維はいずれもSiO 2を主成分としているが、含有量の差が大きい:石英繊維は高純度人工無機繊維であり、SiO 2含有量>99.9%(成分の1つとすることができる)、1200°Cの高溫に耐え、その軟化點は1730°Cに達する。高シリコンガラス繊維のSiO 2含有量>96%、900℃~1000℃の高溫に耐えられる;一方、無アルカリガラス繊維のSiO 2含有量は54%程度であり、その長期作動溫度は一般的に<300°Cである。

高シリコーンガラス繊維では、その原始ガラス繊維中のSiO 2含有量は60%~70%であり、その耐溫性能は高くないが、酸アスファルトろ過後、その繊維中のSiO 2含有量は96%に等しく、より高い耐溫性能に達して高シリコーンガラス繊維となる。もちろんこれをさらに酸ピッチろ過することで、SiO 2含有量(例えば98%以上)をさらに高めることができ、その耐溫性能を再び向上させることができる。しかし、酸トリムろ過により、繊維中の非SiO 2成分が除去され、強度が低下し、非SiO 2成分が除去されるほど、SiO 2含有量が高くなり、その強度が低くなることが応用に影響を及ぼす可能性があり、當然生産コストの面からも採算が合わないため、高シリコーンガラス繊維SiO 2含有量≦96%となり、その耐溫性能は900℃~1000℃程度にしかならない。

　　酸アスファルトろ過パラメータの選択が重要

こうけいさんそガラス繊維元のガラス成分は2つの種類に分けることができ、すなわち2元系と3元系である。二元系はSiO 2-Na 2 O、三元系はNa 2 O-CaO-SiO 2およびNa 2 O-B 2 O 3-SiO 2(我が國では三元系)であり、二元系または三元系の原始ガラス成分にかかわらず、溶融延伸された原始ガラス繊維には分相が存在し、すなわちSiO 2富化相とNa 2 O:B 2 O 3富化相が生成され、後者は酸に溶けやすい。高シリコンガラス繊維はこの原理に基づいて、元のガラス繊維を熱酸液で処理し、非SiO 2成分を除去し、繊維に微細孔シリコン酸素管フレーム構造を形成させ、SiO 2含有量は≧96%に達した。さらに熱焼結により微細孔が閉鎖され、骨格構造が緊密になり、強度が向上して高シリコンガラス繊維となる。もちろん、ユーザーの後続の製造加工および応用性能の要求を満たすために、表面化學処理を経なければならないものもある。

無アルカリガラス繊維はケイ酸塩ガラス中のアルカリ金屬酸化物含有量<1%のガラス狀繊維であり、その典型的な成分はSiO 2-53.56%、B 2 O 3-10.75%、Al 2 O 3-15.2%、CaO-14.5%、MgO-4.16%、Na 2 O-1.75%である。無アルカリガラス繊維にも分相が存在するので、高シリコーンガラス繊維酸アスファルトろ過法を用いて、繊維中の非SiO 2成分の一部を除去することで、繊維中のSiO 2含有量を向上させ、その耐高溫性能を向上させることができる。

國內の高シリコンガラス繊維酸アスファルトろ過は主に連続式と間欠式の2つの方法を採用している。糸類は主に間欠式酸アスファルト濾過を採用している。無アルカリガラス繊維については、糸類や織物にかかわらず、間欠式を採用することを提案し、投資を減らすとともに、生産性を高め、酸ガス漏れを減らすことができる。もちろん、その酸アスファルトろ過プロセスパラメータも、高シリコーンガラス繊維酸アスファルトろ過プロセスパラメータと異なるべきである。

　　無アルカリガラス繊維の性能特徴に基づいて,筆者はいくつかの未熟な提案を提出した。

1つは、適切な浸潤剤を選択して無アルカリガラス繊維を生産することである。

このような繊維は酸アスファルトろ過を行うため、酸アスファルトろ過の際、繊維表面のこの層の浸潤剤はまず除去され、イオン交換を容易にし、酸アスファルトろ過のプロセスを速めるべきである。従って、このような浸潤剤は、より良好な糸引きプロセスと紡績プロセスを有することを保証すればよく、また、この層の浸潤剤は酸液中で除去しやすく、その生成物は酸アスファルト濾過プロセスに影響を及ぼさない。すなわち、このような浸潤剤は、通常の無アルカリガラス繊維生産用の浸潤剤とは異なるべきであり、特別な研究が必要である。現在、パラフィン型浸潤剤の選択が提案されている。この浸潤剤は良好な糸引き工蕓性と紡績工蕓性を有し、技術が成熟し、価格が安いからである。もちろん、このような浸潤剤配合物は、酸処理時により除去しやすいようにいくつかの調整を行う。繊維の含油率を最適な含油率に達させるための試験も必要である。

二つ目は、脫ワックスしてから酸処理を行うことである。

パラフィン型浸潤剤で生産された無アルカリガラス繊維を用いて酸アスファルト濾過を行い、耐高溫ガラス繊維を調製することは國內で現在より適切な選択である。パラフィン型浸潤剤は油質潤滑成分の含有量が高いため、ガラス表面に形成された連続膜はイオン交換に不利であり、これらの油類物質が酸液と反応して酸のろ過速度に影響を及ぼす反応物を生じる可能性があるため、熱処理(脫ワックス)を経て、繊維表面のこの層の浸潤剤フィルムを除去し、裸繊維とする、繊維と酸液のイオン交換に有利である。もちろん、これは生産コストを増加させる可能性があります。

國內でガラス繊維を脫ワックスすることは、その熱処理溫度によって通常、高、中、低の3段階に分けられる。本製品は酸アスファルトろ過を行うため、補強材としてのように脫ワックスに対する要求が高い必要はなく、次に繊維の酸アスファルトろ過強度が大幅に低下するため、脫ワックス繊維強度保持率が高いほど良好であることが要求されるため、低溫脫ワックスを採用することが望ましい。

三つ目は、適切な酸アスファルトろ過プロセスパラメータを選択することである。

酸液濃度

それは酸のアスファルトろ過速度に一定の影響を及ぼし、濃度が大きく、その酸のアスファルトろ過速度が速いかもしれないが、濃度は繊維の腐食性に大きいので、低い濃度を選ぶのが有利である。

酸液溫度

溫度が高く、イオン運動エネルギーが大きく、イオン交換速度が速いが、溫度が高く、繊維に対する腐食が強いため、中低溫度(例えば80°C~90°C)を採用することも望ましい。

酸浸出時間。

最初の時間は反応速度が速く、一定時間後に反応が安定する傾向があり、本製品の要求(SiO 2含有量<85%)によって時間が長すぎるべきではなく、また異なる耐高溫等級に応じて異なる酸アスファルト濾過時間を選択する。

要するに、この3つの酸アスファルトろ過プロセスパラメータの選択は、無アルカリガラス繊維が酸処理された後のSiO 2含有量がその耐溫等級の要求に達することを保証するとともに、いくつかの重要な成分が消失量が大きすぎて性能に影響を與えないことを保証しなければならない。また、Ai 2 O 3のように、その損失が多すぎると、繊維強度がひどく低下する。{page_break}

無アルカリガラスの耐高溫性能の向上が急がれる

無アルカリガラス繊維は高分子有機繊維と天然有機繊維に比べて優れた耐溫性能を有するため、國民経済のいくつかの高い溫度分野で広く応用されている。

例えば、わが國のセメント、鉄鋼などはいずれも世界一の生産國であり、自動車も世界一の生産大國であり、同時に世界の自動車部品生産大國でもあるため、わが國のカーボンブラック工業の発展勢いも非常に速い。セメント、カーボンブラック、冶金生産はいずれも高溫濾過材料から離れられない。これはわが國の工業の高速発展の需要に適応して、環境保護の要求を満たすので、その上セメントと炭黒煙ガスの濾過は塵を取り除くことができるだけではなくて、やはり回収することができる高級製品で、だからそれは社會効果を持つだけではなくて、良好な経済効果もあります。

わが國の都市化のプロセスが加速するにつれて、わが國の都市ごみ資源化処理はすでに各市政府の重要な仕事日程に組み入れられ、ごみ資源化処理は世界で通常焼卻発電であるが、これによって発生した煙塵は除塵処理を行わなければならない。人體に対する危険が極めて大きいダイオキシンを発生する可能性があるため、電気除塵を行うことができず、袋式除塵しかできない。しかし、生活ごみの成分は非常に複雑で多様であるため、焼卻煙ガスは高溫、高含水、高含油、高腐食性を有するため、ガラス繊維濾過材料に高性能が要求される。

上記のいくつかの高溫煙気除塵は耐高溫繊維濾過材料しか使用できず、ガラス繊維、特に無アルカリガラス繊維は世界で最も普遍的で、量が最も多い濾過材料である。もちろん、耐高溫性能については、無アルカリガラス繊維はまだ高くなく、260°Cの溫度で長期にわたって動作するしかなく、瞬間的に短期的には300°Cに耐えるしかない。従って、300°Cを超える溫度の煙に対しては、冷卻して溫度を下げた後、ガラス繊維濾過材料を介して塵を除去するしかないことが多い。乾法セメント窯尾煙気溫度が350°C~400°Cの場合、ガラス繊維フィルター袋を用いて塵を除去するには、260°C程度になるように降溫処理を行わなければならない。さらに、製鉄所の高爐ガス除塵のように、その煙気溫度は300°C~350°Cであり、吸引冷気降溫または水冷卻降溫を採用しなければならない。しかし、冷たい空気を吸い込んで溫度を下げると、煙の量が増加し、フィルターの負荷が増加する。水冷卻を採用するには、大量の水資源を浪費し、熱効率を低下させ、二次汚染を生じる。これらは、無アルカリガラス繊維濾過材料の耐高溫性能が不十分であるためである。

更に摩擦材料と高溫密封材料業界のように、高溫に耐えるアスベストは人體の健康に深刻な危害を及ぼすため、今の世界の多くはアスベストの代わりにガラス繊維を摩擦材料と高溫密封材料の繊維強化材料として使用している。しかし、ガラス繊維の耐高溫性能が限られているため、航空摩擦材料は高価格の炭素繊維しか補強材料として使用できないなど、いくつかのハイエンド分野(摩擦材料および密封材料)への応用に影響を及ぼす。

上述した3つの応用分野のみから、無アルカリガラス繊維の耐高溫性能の向上が必要である。

耐中高溫無アルカリガラス繊維の見通しが良い

石英繊維は1200°Cの高溫に耐えられ、主に高溫、ハイエンド分野に応用され、その価格が高いため、一般工業部門では使えない。高シリコーンガラス繊維は900°C~1000°Cの高溫に耐えられ、主に高溫ハイエンド分野にも応用され、価格も同様に非常に高価である。この2つの耐高溫性能に優れた繊維は主に宇宙航空、國防軍需産業、國民経済のいくつかの高溫分野に用いられている。一方、無アルカリガラス繊維は長期動作溫度260°Cであるため、主に<300°Cの中溫分野に応用される。玄武巖は600°C程度の高溫に耐えられるが,その性能不足がガラス繊維に近いため,300°C~600°Cという中高溫段応用分野を占領することは困難である。

無アルカリガラス繊維は酸アスファルトろ過後、その繊維中のSiO 2含有量が向上し、その耐溫性能も向上し、SiO 2含有量が85%に達すると、その耐高溫は800°C以上に達する可能性がある。SiO 2含有量が60%程度であれば300℃以上の高溫耐性が考えられる。すなわち、無アルカリガラス繊維のSiO 2含有量を酸トリムろ過により変化させ、300℃~800℃の異なる耐高溫レベルにすることができる。現在のこの高溫セグメントの耐高溫人工非金屬繊維の空きを埋めることは、技術的に可能である。

酸アスファルトろ過により、900°Cの高溫に耐えるなどの無アルカリガラス繊維の耐高溫レベルをさらに向上させることができるか。理論的には、酸の滴下濾過によって、繊維中のSiO 2含有量を90%より大きく、96%に近いようにさらに高めることができる。これにより、もちろん、その耐高溫は>800°C、さらには900°Cに向上することができる。

三元系高シリコンガラス繊維の原始ガラス繊維中のSiO 2含有量は65%に達し、酸アスファルトろ過後のSiO 2含有量は96%に達し、繊維失重は32.29%に達し、繊維強度は40%~50%低下し、その耐高溫範囲は900°C~1000°Cである。筆者はこの推計によって無アルカリガラス繊維に対して大膽な構想をした:EガラスSiO 2含有量は54%で、酸アスファルト濾過を経てSiO 2含有量を85%に達させ、繊維失重は36.48%で、強度が45%~50%低下すると仮定し、その耐高溫は800°Cに達することができる。酸アスファルトろ過によりSiO 2含有量が80%に達すると、繊維の重量損失は32.5%であり、その強度が40%~45%低下し、その耐高溫が600°C~700°Cに達すると仮定する。酸アスファルトろ過によりSiO 2含有量を75%とすると、その繊維失重は約28%であり、強度が35%~40%低下し、その耐高溫は500°C~600°Cに達すると仮定する。酸アスファルトろ過によりSiO 2含有量を70%とすると、繊維失重は22.85%であり、強度が25%~30%低下し、その耐高溫は400°C~500°Cに達すると仮定する。一方、酸アスファルトろ過によりSiO 2含有量が65%に達すると、繊維失重は16.92%となり、強度が15%~20%低下し、その耐溫は300℃~400℃に達すると仮定した。この仮定が成立すると、このような酸アスファルトろ過による耐高溫無アルカリガラス繊維を5つの耐溫等級に分け、300°C~400°Cを1級、400°C~500°Cを2級、500°C~600°Cを3級、600°C~700°C~800°Cを4級、700°C~800°Cを5級とすることができる。もちろん以上はいずれも一つの構想であり、各級の耐溫無アルカリ繊維中のSiO 2含有量、強度及び耐溫性能を得るために具體的な試験と検査を行う必要がある。