JPH08259331A - 可塑成形用窒化ケイ素−水系組成物の調製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 射出成形用組成物の樹脂系バインダーに相当
する部分のほとんどを水に置き換えた可塑成形用組成物
を提供する。 【構成】 焼結助剤を含む窒化ケイ素系セラミック粉体
の高分散・高濃度水系スラリーに対し、多糖類高分子を
添加し、混練・熟成させることにより、その流動性を制
限し、保形性を発現させ、目的とする可塑成形用組成物
を調製する。 【効果】 可塑性をほとんど示さない窒化ケイ素粉体を
用いた成形方法に関与し、窒化ケイ素系セラミック粉体
の成形及び関連の生産技術の改良をもたらすことができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、可塑性をほとんど示さ
ない窒化ケイ素系セラミック粉体を用いた成形方法に関
するものであり、さらに詳しくは、窒化ケイ素系セラミ
ック粉体を含む特定の成分組成からなる高分散・高濃度
水系スラリーに対し、多糖類高分子を加え、混練・熟成
することにより、焼結時に、有機物の熱分解にともなう
成形体の膨れや亀裂等の不具合を生じることのない可塑
成形用組成物を調製する方法及び当該可塑成形用組成物
に関するものであり、窒化ケイ素系セラミック粉体の成
形及び関連の生産技術の改良をもたらすものである。

【０００２】

【従来の技術】窒化ケイ素系セラミック粉体の成形法と
して、従来、一般的には射出成形法が利用されている
（セラミックス，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．１，６２−６９
（１９８４））。しかし、この方法は成形後に脱脂工程
が必要となるが、この工程において成形体に膨れや亀裂
等の不具合が生じやすいため、脱脂の条件設定が難し
く、脱脂に長時間を要する。さらに、脱脂の際に発生す
る多量の分解物の処理費用もかかる。これらの問題点は
いずれも生産コストを引き上げ、ファインセラミックス
の実用化を妨げている。

【０００３】また、一般に、ファインセラミック粉体の
成形方法として種々の方法が開発されており、従来、ス
プレードライヤー粉末を用いた一軸式プレス成形、ＣＩ
Ｐ成形、スリップキャスティング成形、押出し成形など
が採用されているが、これらは、可塑性をほとんど示さ
ない窒化ケイ素系セラミックスの成形方法としては、成
形性、歩留り、生産コストなどの面で問題点があった。

【０００４】さらに、ファインセラミック粉体の成形方
法として、ファインセラミック粉体に可塑性付与剤とし
て有機バインダーを添加する方法も種々提案されている
が、従来の方法は、一般に、原料を、長時間に亘って湿
式混合処理したものを、一旦、乾燥し、解砕し、整粒し
た後に、直接、バインダーを加えて混練し、成形するも
のであり、添加剤は、あくまでも有機バインダー（結合
剤）としての使用であり、また、プロセスについても、
工程が複雑で、長時間及び多段階の処理を要するという
問題点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような状況の中に
あって、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、可塑性
をほとんど示さない窒化ケイ素系セラミック粉体を用い
た新しい成形方法を開発することを目標として鋭意研究
を積み重ねた結果、射出成形用組成物の樹脂系バインダ
ーに相当する部分のほとんどを水に置き換えることによ
って、上記従来技術の問題点を解決し、射出成形後にお
ける脱脂工程の簡略化を可能とすることができることを
見出し、本発明を完成するに至った。

【０００６】本発明は、上記した従来技術の問題点を解
決し、射出成形法の成形後における脱脂工程の簡略化を
可能とするため、射出成形用組成物の樹脂系バインダー
に相当する部分のほとんどを水に置き換えた、可塑成形
用組成物を提供するために完成されたものである。

【０００７】本発明は、可塑性をほとんど示さない窒化
ケイ素系セラミック粉体の高分散・高濃度水系スラリー
を用いた可塑成形組成物の調製法を提供することを目的
とするものである。

【０００８】また、本発明は、上記調製法によって調製
される可塑成形用組成物を提供することを目的とするも
のである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めになされた本発明は、焼結助剤を含む窒化ケイ素の高
分散・高濃度水系スラリーに対し、多糖類高分子を添加
することにより、その流動性を制限し、保形性を発現さ
せることを特徴とするものである。この場合、添加する
多糖類高分子量を固形分（窒化ケイ素粉体及び焼結助
剤）に対し３から５ｗｔ％とすることが好ましい。

【００１０】本発明において使用する窒化ケイ素系セラ
ミック粉体は、直接窒化法、シリカ還元法、イミド分解
法、気相合成法等の種々な方法によって合成され、一次
粒子が細かく、基本的には平均粒径が１μｍ以下のもの
であり、例えば、イミド分解法で合成された窒化ケイ素
（ＵＢＥ−ＳＮ−Ｅ１０；宇部興産（株））が好適なも
のとして使用されるが、これらのセラミック粉体であれ
ば如何なる性状のものであっても使用することができ
る。窒化ケイ素系セラミック粉体及び焼結助剤に分散剤
を添加し、水を溶媒として高分散・高濃度水系スラリー
を調製するが、この場合、焼結助剤としては、粉体表面
のシリカ及び窒化ケイ素と反応して液相を形成する酸化
物であればよく、基本的にはα−Ａｌ₂ Ｏ₃ 、Ｙ
₂ Ｏ₃ 、ＭｇＯ、ＣｅＯ₂ 、ＳｒＯ、ＢｅＯ、ＳｉＯ₂
等の酸化物を単独あるいは適切な配合条件で組み合わせ
て使用するが、その添加量や配合条件等は特に限定され
るものではない。分散剤としては、ポリカルボン酸アン
モニウム塩、ＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）−
Ｎａ塩、ＣＭＣ−アンモニウム塩、ポリカルボン酸型ア
ニオン系界面活性剤、アルギン酸ソーダ、ポリアクリル
酸ソーダ、縮合ナフタレン・スルホン酸ソーダ（または
アンモニウム塩）、アクリル酸（またはメタクリル酸、
及び混合物）オリゴマー及びそのアンモニウム塩、有機
酸、クエン酸、酒石酸、Ｌ−アスコルビン酸（ビタミン
−Ｃ）、ワックスエマルジョン、ポリビニルピロリド
ン、イソブチレンまたはスチレンと無水マレイン酸共重
合体のアンモニウム塩及びアミン塩、ブタジエンと無水
マレイン酸の共重合体のアンモニウム塩等が好適なもの
として例示されるが、これらについては、特に限定され
るものではない。また、溶媒としての水は、含水率が、
２５〜５０％になるように所定量の蒸留水を添加し、例
えば、８〜２４時間、湿式粉砕混合してスラリーを調製
するが、スラリー調製手段は特に限定されるものではな
く、適宜の手段を使用すれば良い。

【００１１】本発明においては、多糖類高分子が使用さ
れるが、当該多糖類高分子は、有機バインダー成分とし
てファインセラミックス粉体へ直接添加するものではな
く、あくまで、高分散・高濃度水系スラリーへ添加する
形で使用されるものであり、また、当該多糖類高分子と
しては、増粘性を示し、入手が容易で、比較的安価なも
のが好ましく、例えば、海藻や植物の樹液、果実皮、種
子等から採取できるもの（κ−カラギーナン、カラヤガ
ム、トラガントガム、ペクチン、アラビアガム、タマリ
ンドガム、ローカストビーンガム、グアガム等）、ある
いは微生物が生産するもの（デキストラン、ジュランガ
ム、キサンタンガム、プルラン、パラミロン、カードラ
ン、スクレノグルカン等）が挙げられる。とりわけ、発
酵による工業的生産が可能な微生物由来の多糖類高分子
で、保水性、可塑性等の面で好ましいβ−１，３−グル
コシドを有するβ−１，３−グルカンであるカードラ
ン、スクレノグルカン、パラミロン等が好適なものとし
て例示される。 当該多糖類高分子としては、上記β−
１，３−グルカンと同効のものであれば多糖類高分子の
種類にかかわらず同様に使用することが可能であること
は云うまでもない。

【００１２】上記の如く、高分散・高濃度水系スラリー
に、その固形分（窒化ケイ素系セラミック粉体及び焼結
助剤）に対し、３から５ｗｔ％の多糖類高分子を添加す
るが、この場合、３ｗｔ％より少ないと、可塑性が乏し
く成形が困難であり、また、５ｗｔ％より多いと、仮焼
により有機物の除去を行う際、地球温暖化現象の原因物
質であるＣＯ₂ の放出量が増加し、環境に悪影響を与え
る。それに、必要以上の多糖類高分子の添加はコスト的
にも不利であり好ましくない。

【００１３】上記高分散・高濃度水系スラリーに対し、
多糖類高分子を加えた後、混練・熟成させるが、この混
練・熟成工程は、多糖類高分子を均一に分散させ、成形
方法に敵した成形性（可塑性）を与えるための含水率調
整を行うものであり、真空土練機等を利用して高分散・
高濃度スラリーに多糖類高分子が均一に混ざるよう混練
し、恒温恒湿槽等を利用し、温度・湿度管理を行うこと
で含水率調整することにより可塑成形用組成物が調製さ
れる。

【００１４】上記により調整した可塑成形用組成物は、
押出成形、射出成形、湿式プレス成形、ローラーマシン
成形等の成形手段により適宜の形態の成形体に成形する
ことが可能であり、また、成形体を乾燥させた後、常法
に準じて、５００〜８００℃の大気中で、仮焼し、有機
物を除去し、次いで、ガス圧焼結等により焼結すること
により、焼結体とすることができる。

【００１５】本発明は、窒化ケイ素系セラミック粉体の
成形法として、一般的に利用されている射出成形法の成
形後の脱脂工程における前記したような問題点を解消す
ることを可能としたものであり、本発明によれば、上記
焼結助剤を含む窒化ケイ素の高分散・高濃度水系スラリ
ーに多糖類高分子を添加することにより、流動性と保形
性を制御することが可能であり、また、上記高分散・高
濃度水系スラリーの含水率、及び多糖類高分子の添加量
を適宜調節することによって、種々の性状の可塑成形用
組成物を簡便に調製することが可能であり、当該可塑成
形用組成物の流動性及び保形性を利用して様々な成形方
法にも適用することが可能である。

【００１６】本発明は、従来法のような複雑な処理工程
が必要とされず、また条件設定が簡単であり、しかも得
られる可塑成形用組成物の性状を簡便に制御することが
できるという優れた長所を有する。尚、本発明者らの知
るところによれば、従来、可塑性付与剤として有機バイ
ンダーを添加する方法は提案されているものの、本発明
のように、高分散・高濃度水系スラリーに対し、多糖類
高分子を加えることにより、処理工程の簡略化、条件設
定及び操作性の簡便化及び製品特性の改善を可能した方
法は、これまで報告された例は見当たらない。

【００１７】

【実施例】次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説
明するが、本発明は当該実施例のみに限定されるもので
はない。

【００１８】実施例１ イミド分解法で合成された窒化ケイ素を、焼結助剤とし
てはα−Ａｌ₂ Ｏ₃ とＹ₂ Ｏ₃ を用いた。粉体１Ｋｇ
（α−Ｓｉ₃ Ｎ₄ ；９２ｗｔ％，α−Ａｌ₂ Ｏ₃；４ｗ
ｔ％，Ｙ₂ Ｏ₃ ；４ｗｔ％）にポリカルボン酸アンモニ
ウム塩（分散剤）を固形分に対し０．２ｗｔ％になるよ
うに加え、含水率が４０ｗｔ％になるよう所定量の蒸留
水とともに、アルミナ製ポットミル（内容積３０００ｍ
ｌ）とアルミナボール（直径１０ｍｍ，１Ｋｇ）を用い
て１６時間湿式粉砕混合してスラリーを調製した。

【００１９】このスラリーに多糖類高分子としてカード
ラン（ビオポリーＰ−３；武田薬品工業（株））を固形
分に対し５ｗｔ％になるよう添加し、混練・含水率調整
することにより押出成形用組成物を調製した。調製した
押出成形用組成物を真空土練機で円柱状に押出成形し
た。成形体を十分に乾燥させた後、仮焼（６００℃−１
ｈｒ／大気中）により有機物を除去し、ガス圧焼結（１
８００℃−４ｈｒ／Ｎ₂０．９ＭＰａ）し、焼結体を得
た。

【００２０】乾燥体のかさ密度は１．３６ｇｃｍ^-3であ
ったが、仮焼体では１．２９ｇｃｍ^-3に低下した。仮焼
に伴う重量減少（５．３ｗｔ％）は成形時の有機物添加
量（５．２ｗｔ％）に相当していた。また、仮焼にとも
なう成形体の膨れ、亀裂発生等の不具合は認められなか
った。

【００２１】１８００℃−４ｈｒ，Ｎ₂ ０．９ＭＰａ
のガス圧焼結で得られた焼結体のかさ密度は３．２２ｇ
ｃｍ^-3であり、原料粉体の組成から計算された焼結体の
理論密度（３．２６３ｇｃｍ^-3）から、その相対密度は
９８．５％であり、従来のエンジニアリングセラミック
ス製品よりも緻密な焼結体を得ることができた。

【００２２】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明は焼結助
剤を含む窒化ケイ素水系スラリーに対し、多糖類高分子
を添加することにより、従来法のような複雑な処理工程
及び条件設定を必要とすることなく、流動性と保形性を
制御することに成功したものであり、含水率や多糖類高
分子添加量を調節し、組成物の成形性を制御すれば、可
塑性を利用する様々な成形方法にも適用することが可能
となる。本発明によれば、焼結時に、有機物の熱分解に
ともなう成形体の膨れや亀裂等の不具合を生じさせない
可塑成形用組成物を簡便に調製することができる。よっ
て、本発明は従来の問題点を解消した窒化ケイ素セラミ
ックスの成形方法を確立するための基礎的な技術とし
て、業界に寄与するところは極めて大きいものである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化ケイ素系セラミック粉体及び焼結助
   剤に分散剤を添加し、水を溶媒として調製した高分散・
   高濃度水系スラリーに対し、多糖類高分子を加え、混練
   ・熟成させることを特徴とする可塑成形用組成物の調製
   法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の調製法によって調製され
   る可塑成形用組成物であって、溶媒である水が乾燥工程
   中に蒸発し、成形体中に微細な空孔が形成されることに
   より、焼結時に、有機物の熱分解にともなう成形体の膨
   れや亀裂等の不具合を生じさせない可塑成形用組成物。