Silica Aerogel as an Active Residue Modifier in Intumescent Coatings: Balancing Thermal Insulation, Adhesion and Char Evolution

鋼鉄造の建物の防火対策は、静かで目に見えない守護者、すなわち熱くなると膨らむ特殊な塗料に依存しています。火災が発生した際、この膨張型塗料（イントゥメッセント塗料）は単に焼き尽くされるのではなく、劇的な変化を遂げます。それはガスを放出し、厚く泡立った炭化層へと膨らみ、金属の下部に熱が伝わるのを遅らせる熱の毛布のような役割を果たします。鋼鉄は非常に強靭ですが、400度から500度の摂氏に達すると、荷重を支える能力を失ってしまいます。この保護障壁がなければ、建物の骨組みは火が消えるずっと前に崩落してしまう可能性があります。火災エンジニアの目標は、鋼鉄をできる限り長く冷たく保ち、人々が脱出するための時間と消防隊が到着するための時間を稼ぐことです。

数十年にわたり、科学者たちは熱を遮断する材料を添加することで、これらの保護塗料をさらに優れたものにしようと試みてきました。最も有望な材料の一つは、固体構造の中にほとんどが空気であることから「凍った煙」とも呼ばれるシリカエアロゲルです。これは驚異的に軽く、あらゆる物質の中でも極めて高い断熱性を備えています。考え方は単純でした。この超断熱性の粉末を防火塗料に混ぜれば、その結果として形成される層は、より長く鋼鉄を涼しく保てるはずだというものです。しかし、液体塗料に粉末を加えることは、単に材料を混ぜ合わせるだけのことではありません。それは塗料が金属への密着性をどう変えるか、そして火災時にどのようにフォーム（泡）を形成するかを変えてしまいます。もし塗料の密着性が悪ければ、保護層が剥がれ落ち、鋼鉄が露出してしまう可能性があります。もしフォームの構造が弱すぎれば、ひび割れて崩壊してしまうかもしれません。課題は常に、塗料の保持能力や適切な膨張能力を損なうことなく、この粉末をどの程度添加するかを見出すことでした。

ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンとブルネル大学・ロンドンの研究チームはこのパズルを解くために乗り出しました。彼らは、BSとSMとして知られる2種類の市販の防火塗料を取り上げ、そこに市販の疎水性シリカエアロゲルをさまざまな割合で混合しました。彼らは、混合物が機能しなくなるまでに、塗料がどれだけの粉末を保持できるかをテストしました。彼らは、塗料が金属にどの程度よく付着するか、熱をどの程度遅らせるか、そして800度の炉で焼成された後に塗料がどのような状態になるかを調査しました。彼らの研究により、エアロゲルの添加量と保護性能の向上との関係は、直線的なものではないことが明らかになりました。少量であれば効果がありますが、多すぎるとシステムが崩壊してしまうのです。

研究者たちは、エアロゲルを重量比で15パーセント添加したとき、断熱性能が劇的に向上することを発見しました。ある処方では熱伝導率が85パーセント近く低下し、もう一方の処方では77パーセント低下しました。この混合物を塗布した金属板を加熱したところ、背面の金属温度の上昇は、未改質の塗料と比較して大幅に抑制されました。あるテストでは、金属の温度上昇が未改質の塗料よりも10度近く遅延しました。この遅延は実際の火災において極めて重要であり、鋼鉄が致命的な崩壊点に達するまでの時間を延ばすことになります。しかし、この改善には代償が伴いました。エアロゲルの量が増えるにつれて、塗料の金属への密着性は低下しました。15パーセントの時点では、塗料は元の密着力の約半分を維持していました。量を20パーセントまで増やすと、密着力は危険なレベルまで低下し、塗料は元の強度のわずか15〜18パーセント程度しか保持できなくなりました。この高いレベルでは、塗料は火災のストレスに耐えるにはあまりにも弱くなり、保護層が単に剥がれ落ちてしまうリスクが生じました。

おそらく最も驚くべき発見は、エアロゲルが単なる不活性な充填剤としてそこに存在するのではなく、熱を受けた際に塗料の挙動を能動的に変化させたことでした。研究者たちは、エアロゲルを混合して加熱した際、2種類の異なる塗料が全く逆の反応を示すことを観察しました。最初の塗料では、エアロゲルがフォームの膨張を妨げました。ふわふわとした雪片のような層へと膨らむ代わりに、混合物は収縮し、緻密で硬化した残留物となりました。それは泡というよりも、固まった融合体のように見えました。二つ目の塗料では、エアロゲルは膨張を妨げませんでした。混合物は依然として膨らみ、穴やチャネルを持つ開いた繊維状の構造を維持しましたが、エアロゲルの粒子がこの膨張した網目の中に織り込まれていました。これは、同じ添加物が、混合される塗料の化学組成によって全く異なる影響を及ぼし得ることを示しています。エアロゲルは受動的な成分ではなく、最終的な火災障壁の形状と強度を決定する能動的な修飾因子だったのです。

この改良された新しい塗料が実際の建物で実際に機能するかどうかを理解するために、研究者たちはコンピュータ・シミュレーションを用いて、壁の中の鋼鉄梁の中でどのように機能するかをモデル化しました。彼らは特に、断熱材の隙間、通常は鋼鉄の接続部分の周囲から熱が忍び込む「熱橋（サーマルブリッジ）」現象に注目しました。シミュレーションの結果、新しい塗料は従来のプレーンな塗料に比べて大幅な改善が見られたものの、それが覆っている断熱材を代替できるほど十分に低温ではないことが示されました。塗料の熱伝導率は約0.09でしたが、それが保護対象としている鉱物ウール断熱材の熱伝導率は約0.035と、はるかに優れていました。塗料の方が断熱材よりも熱伝導性が高いため、塗料の層を厚くするほど、熱の流れが悪化するという結果になりました。シミュレーションによれば、塗料がエネルギー効率において純粋な利益をもたらすためには、その熱伝導率が覆っている断熱材よりも低くなる必要があることが示されました。

研究は、鋼鉄を冷却することと塗料を壁に付着させておくことの間の最善のバランスは、15パーセントの充填レベルで見出されると結論付けました。この量は、熱伝達を最大級に減少させつつ、塗料が壁に付着するための十分な強度を維持できる量でした。研究者たちは、より良い断熱を得るために単にエアロゲルを増やせばよいという考えは罠であると強調しました。15パーセントを超えると、塗料は実用性に欠けるほど弱くなり、混合物が不均一で欠陥に満ちたものになるため、断熱のメリットも衰退してしまうからです。この研究は、次世代の防火塗料を設計するには、熱性能、機械的強度、そして材料が極限の熱に対してどのように反応するかという間の、慎重なダンスが必要であることを確立しました。シリカエアロゲルは強力なツールですが、それは塗料に添加される際の独自の化学特性を尊重し、精密に使用される場合に限られることを示しました。これらの知見は、建物の構造的完全性を損なうことなく、火災から建物を保護するコーティングを作成するための明確な道筋を提供しており、より安全でエネルギー効率の高いインフラストラクチャの構築に寄与するものです。