SPG膜素材について

ＳＰＧ膜
ＳＰＧ膜素材について
素材について
ＳＰＧテクノ株式会社
http://www.spg-techno.co.jp/
SPG とは、昭和 56 年、宮崎県工業試験場（現宮崎県工業技術センター）が南九州に豊富なシラスを主
原料に開発した新素材で Shirasu Porous Glass（シラス多孔質ガラス）の略称です。SPG は、ミクロンサ
イズの均一な細孔を無数に有し、その大きさを自由に変えられることから、機能性ガラスとして応用さ
れています。製造方法は、先ずシラス石灰やホウ酸を添加して 1350℃前後の温度で SPG の基礎ガラス
を合成、成形します。これを加熱するとガラスの繊細組織に「分相」という現象が生じますが、分相した
CaO・B2O3（酸化カルシウム・酸化ホウ素）部分は酸にとけやすい成分ですから、塩酸などで処理し溶か
し出して、酸に溶解しない Al2O3・SiO2（酸化アルミニウム・二酸化ケイ素）系ガラスを骨格とするガラス
多孔体が完成するという仕組みです。
カレット
SPG 細孔径分布例
SPG 膜表面
相対体積[vol%]
100
細孔径
1.45μm
気孔率
56％
50
0.01
0.1
1
10
100
細孔径[μm]
1
SPG 素材機械的強度など
素材機械的強度など
SPG 管膜
表１
SPG 管膜の強度（SPG 研究論文集「多孔質ガラスの機械的強度と耐熱性」中島忠夫より）
SPG
実験方法
(kgf/cm2)
Ａ：曲げ強度
810±20
Ｂ：外圧強度
2300±160
Ｃ：内圧強度
350±30
※サンプルＡＢ：細孔径 1.98μｍ気孔率 0.50
サンプルＣ：細孔径 1.46μｍ気孔率 0.54
Ｄｏ：SPG 管外径(cm) Ｄｉ：SPG 管内径(cm)
①外圧強度の計算
１-１式より
②内圧強度の計算
２-１式より
σｏ＝２ＰｏＤｏ２／（Ｄｏ２－Ｄｉ２）・・・・・・・・１-１
σｏ：外圧強度（kgf/cm2）
Ｐｏ：試験片が破壊したときの強度（kgf/cm2）
Ｐｏ＝σｏ（Ｄｏ２－Ｄｉ２）／（２Ｄｏ２）・・・・・・１-２
σｉ＝Ｐｉ（Ｄｏ２＋Ｄｉ２）／（Ｄｏ２－Ｄｉ２）・・・・２-１
σｉ：内圧強度（kgf/cm2）
Ｐｉ：試験片が破壊したときの強度（kgf/cm2）
Ｐｉ＝σｉ（Ｄｏ２－Ｄｉ２）／（Ｄｏ２＋Ｄｉ２）・・・・２-２
宮崎県工業技術センター試験より
１-２式に表１結果σｏ＝２３００を当てはめて
SPG 管膜の外圧破壊荷重Ｐｏは（管Ｄｏ１×Ｄｉ０.９cm）
Ｐｐ＝２３００・（１２－０.９２）／（２・１２）
＝２１８.５（kgf/cm２）
安全係数１０として
＝２１.９（kgf/cm２）
２-２式に表１結果σｏ＝３５０を当てはめて
SPG 管膜の内圧破壊荷重Ｐｉは（管Ｄｏ１×Ｄｉ０.９cm）
Ｐｐ＝３５０・（１２－０.９２）／（１２＋０.９２）
＝３６.７（kgf/cm２）
安全係数１０として
＝３.７（kgf/cm２）
2
SPG 板膜
表２ SPG 板膜の曲げ強度（SPG 研究論文集「多孔質ガラスの機械的強度と耐熱性」中島忠夫より）
強度
サンプル
細孔径
(kgf/cm2)
SPG
0.164μm（気孔率 0.56）
590±110
バイコール多孔質ガラス
0.004μm（気孔率 0.25）
380±20
SPG テクノ試験 SPG
1.1μm
810
試験方法：JIS R1601「ファインセラミックスの曲げ強さ試験方法」による。
Ｌｔ：長さ
試験用 SPG 板膜サイズ
ｔ：厚み
ｗ：幅
Ｌｔ：4cm
w：0.4cm
Ｌ：支点間長さ
③曲げ強さの計算（3 点曲げ）
２-１式より
σ３＝３ＰｐＬ／（２ｗｔ2）・・・・・・・２-１
σ３：曲げ強度（N/mm2）
Ｐｐ：試験片が破壊したときの最大荷重（N）
Ｐｐ＝σ３（２ｗｔ2）／（３Ｌ）・・・・・２-２
宮崎県工業技術センター試験より
２-２式に表２結果σ３＝５９０を当てはめて
SPG 板膜の破壊最大荷重Ｐは（板Ｌ３×ｗ０.４×ｔ０.０７cm）
Ｐｐ＝５９０・２・０.４・０.０７２／（３・３）
＝０.２６２（kgf）
有効表面積Ｓは３×０.４＝１.２（cm２）なので
＝０.２６２／１.２
＝０.２１８（kgf/cm２）
SPG テクノ試験より
２-２式に表２結果σ３＝８１０を当てはめて
SPG 板膜の破壊最大荷重Ｐｐは（板Ｌ３×ｗ０.６×ｔ０.０７cm）
Ｐｐ＝８１０・２・０.６・０.０７２／（３・３）
＝０.５２９（kgf）
有効表面積Ｓは３×０.６＝１.８（cm２）なので
＝０.５２９／１.８
＝０.２９４（kgf/cm２）
3
SPG 素材熱的特性など
素材熱的特性など
宮崎県工業技術センター（清水さんより）
①SPG の熱伝導度ｋ
ｋ＝ｋ0（1―ε）
ε：気孔率 50％～60％
ｋ0：ε＝０のガラス素材そのものの熱伝導度
表１ｋ0 熱伝導度参考値
温度 T［K］
300
500
800
1200
1600
比熱容量 c［kJ/(kg･K)］
0.6923
0.9063
1.049
1.130
1.249
熱伝導度 k0 [W/(m･K)]
1.38
1.62
2.17
4.00
―
②SPG の比熱
表１の比熱容量を参照
③SPG の真密度ρ、みかけ密度ρspg
ρ＝2.4～2.5g/cm3
※SPG のみかけ密度
多孔質なので、気孔率が例えば 55％であれば ρspg＝ρ（１－0.55）
ρspg＝2.4×0.45 ～
となり
2.5×0.45
ρspg＝1.08～1.125 g/cm3
④SPG 基礎ガラスの密度ρ
ρspg 基礎＝2.4～2.5g/cm3
⑤SPG 基礎ガラス、SPG の熱膨張係数
約 60×10-7/K
熱膨張係数は100～500℃の範囲で（転移点550℃以下）
※これは基礎ガラス、多孔質ガラスのいずれもおおよそ同じ値です。
熱膨張係数（線膨張係数）は組成によって決定される物性値であり、その材料が均質であれ
ば
多孔体であること、すなわち構造は影響しません。
4
SPG 細孔特性など
細孔特性など
SPG 細孔径は、「水銀圧入式自動ポロシメーター」㈱SIMADZU 製で測定します。
※参考 http://www.shimadzu.co.jp/powder/lecture/practice/p03/lesson02.html
当ポロシデータでは、細孔径と、細孔容積を確認します。
気孔率については、データ内で”かさ密度”、”見かけ密度”がありますので、SPG 本来の”かさ密度”、”
見かけ密度(=SPG の場合：真密度)”である以下の宮崎県工業技術センターデータ②と、例えば 0.5μm
ポロシデータ細孔容積 0.4688cm3/g から、
①"見かけ密度 2.4g/cm3"
→SPG の真比重(細孔を無くしてギュッと詰めた場合)
②"かさ密度 1.08～1.125g/cm3"
→SPG 多孔質状態の比重
気孔率は、
細孔容積 0.4688×かさ密度 1.08～1.125（SPG 本来）＝約 50.1％～52.7％
となります。
ここで参考ホームページにありますように、試料間の空隙などノイズが入
っている可能性があるためにかさ密度 0.6104（データ測定）となり、自動計
算されているポロシデータの気孔率は、
図1
真密度
図2
粒子密度
図3
かさ密度
細孔容積 0.4688×かさ密度 0.6104(データ内)=約 28.6％
などと自動計算されてしまう場合があります。
以上のように、ポロシデータでは、細孔径と、細孔容積は殆どぶれてない
ので細孔容積をよく参考にします。以上のように、「SPG 論文集（SPG 応用技
術研究会）」には、以下とされています。
Porosity
50～60％
Pore volume 0.4～0.6cm3/g
ひとくちに密度といっても、「真密度」「粒子密度」「かさ密度」など、定義の
異なる複数の密度が存在します。
真密度とは、物質自身が占める体積だけを密度算定用の体積とする密度
真密度
のことです。（
（図 1 参照）
参照）
粒子密度とは、表面に凹凸がある粒子の外周を体積とした場合の密度の
粒子密度
ことであり（
（図 2 参照）
参照）、以下の 3 種類の体積が含まれています。
(1) 粒子の物質自身の体積
(2) 粒子内の閉細孔の体積
(3) 粒子表面の凹凸部の空間の体積
かさ密度
かさ密度とは、一定容積の容器に粉体を目一杯充てんし、その内容積を体
密度
積としたときの密度のことです。（
（図 3 参照）
参照）したがってこの体積には、以下の
5 種類の体積が含まれています。
(1) 粒子の物質自身の体積
(2) 粒子内の閉細孔の体積
(3) 粒子表面の凹凸部の空間の体積
(4) 粒子と粒子の間隙の体積
(5) 粒子と容器の間隙の体積
5
図 4 見かけ密度
このため、当然のことながら粒子の充てんの仕方や、容器の大きさ・形状によって密度の値は変化す
るはずです。
このような定義の異なる密度の中で、アキュピック 1330 シリーズが測定できるのは、「真密度」になり
ます。ただし、サンプル内部に外部とつながっていない空間（閉細孔）がある場合には、その内部空間
にはガスが到達できないため、厳密にいえば測定結果は「真密度」にはなりません。この場合の測定結
果は、「見
見かけ密度
(図 4 参照)
かけ密度」と呼ばれるものになってしまいます。(
密度
参照)
なお、密度の定義は、測定手法、測定対象の大きさ、形状、用途、さらに業界、分野等によっても微妙
に異なる場合がありますので、上記の定義が絶対的なものではありません。ご注意ください。
以下に SPG10μm 孔径のポロシデータを示します。
SPG10μm 狙い(lot.P06E30)
SPG10μm狙い(lot.P06E30)
SPG10μm狙い(lot.P06E30)
0.50
10μm±2μm分布
0.45
0.40
細孔容積（0.45-0.02）
/全細孔容積0.4725
＝約 91％
0.40
0.30
積算細孔容積［cm3/g］
積算細孔容積［cm3/g］
0.50
0.20
0.10
0.00
1
10
細孔径［μm］
100
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
8
9
10
細孔径［μm］
6
11
12
SPG 汚染後の
汚染後の再生テスト
再生テスト
ディーゼルエンジン排ガスすすをＳＰＧ表面に塗ってＳＰＧフィルターを再生する確認実験。
初期状態
常温～400℃昇温２時間
500℃４時間目
400℃6 時間目
7
タバコの煙をＳＰＧ表面に吹きかけてＳＰＧフィルターを再生（クリーニング）する確認実験。
初期状
タバコのヤニを約 30 分間付着させた
クリーニング（４００℃発熱再生）開始 2 時間
クリーニング（４００℃発熱再生）開始 4 時間
クリーニング（４００℃発熱再生）開始 6 時間
8

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