JPH107451A - セラミックス成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、セラミックス成形体の製造方法に
関し、固形鋳込み成形時間や乾燥時間を大幅に短縮し、
特に微細粒子から成る大型や複雑な形状の乾燥成形体で
も迅速かつ安全に製造できる方法を安価に提供する。 【解決手段】 化学反応で硬化する結合材を用いてセラ
ミックス泥漿を所定形状に固化させ、系内が大気圧以上
になると系外に系内ガスを放出できる構造を有する容器
に、そのセラミックス含水成形体を入れ、容器に水分を
導入することおよびまたはセラミックス含水成形体から
放出される水分で容器内の水蒸気分圧を大気圧に維持し
ながら１００℃以上に雰囲気温度を保持しつつセラミッ
クス含水成形体から脱水を行うことを特徴とするセラミ
ックス成形体の製造方法

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複雑な形状で大型
のセラミックス成形体を迅速かつ安全に製造する方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】複雑な形状で大型のセラミックス成形体
の製造には鋳込み成形が利用されているが、従来の石膏
型を用いた鋳込み成形方法では、成形時間が長くかかる
こと、乾燥時間が著しく長くかかる等その生産性は著し
く低く、そのことがセラミックス製品のコストアップ要
因となっていた。特に原料粉がサブミクロンとなると水
分移動係数が小さくなるので成形時の生産性が悪く、ま
た乾燥時に内部と表層の含水率の差が大きくなり乾燥割
れや乾燥変形が起こりやすいのでこれを防ぐためには乾
燥期間を著しく長くする必要があった。乾燥時の水分移
動係数を上げるため恒温恒湿器を用いた調湿度乾燥やマ
イクロ波乾燥が開発され実用化されているがまだ十分で
はない。

【０００３】また、大気圧での加熱蒸気乾燥法も提案さ
れており１００℃以上での乾燥速度は著しく速い利点が
あるが、成形体の温度を約１００℃まで昇温させる過程
での乾燥収縮による変形や割れを起こし安い欠点があっ
た。この問題は、乾燥器内に多数の成形体が入れられた
場合など成形体の温度むらが大きい場合には特に欠点が
強調される。これは成形体の低温部でも結露しない水蒸
気圧で乾燥する必要があるため、加熱源に近い高温の成
形体では乾燥が進むからである。実務上は温度むらが起
こらないようなゆっくりとした速度で１００℃まで時間
をかけて昇温する必要がある等の問題点があり、更に優
れた乾燥方法が要望されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明では、従来の
鋳込み成形により作製した成形体を加熱蒸気乾燥法によ
り乾燥させるプロセスの欠点を解消し、大型製品をすば
やく成形し、迅速な昇温を可能にした加熱蒸気乾燥技術
により成形・乾燥時間を大幅に短縮する技術を提供する
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】化学反応で硬化する結合
材を用いてセラミックス泥漿を所定形状に固化させ、系
内が大気圧以上になると系外に系内ガスを放出できる構
造を有する容器に、そのセラミックス含水成形体を入
れ、容器に水分を導入することおよびまたはセラミック
ス含水成形体から放出される水分で容器内の水蒸気分圧
を大気圧に維持しながら１００℃以上に雰囲気温度を保
持しつつセラミックス含水成形体から脱水を行うことに
より、セラミックス含水成形体の乾燥割れや変形を起こ
さずに迅速に乾燥させることができることを実験的に見
いだし本発明に至った。

【０００６】以下詳細に説明する。化学反応で硬化する
結合材を含んだセラミックス泥漿を、金型、木型、プラ
スチック型、ゴム型、ゲル型、従来の石膏型等に固形鋳
込みし、化学反応により固化させてセラミックス含水成
形体を作製する。ここで化学反応で硬化する結合材とし
ては、ρアルミナ、水硬性アルミナ、アルミナセメン
ト、セメント、石膏、アクリル、ウレタン、ＰＶＡ＋ホ
ウ酸など化学反応により泥漿を固化させ離型・ハンドリ
ングが可能なものならその種類は問わない。また、カー
ドラン、アガロース、寒天等のゲル化により形態付与で
きる材料も使用できる。

【０００７】得られた含水性成形体を、内部圧力が大気
圧以上でガス放出のできる容器に入れ、容器内に予め少
量の水を入れる等して容器内が飽和水蒸気圧に保たれる
状況でセラミックス含水成形体がその温度近傍に達する
まで容器を９０〜１００℃で保持する。次いで容器を水
の沸点以上の設定温度に保持し、大気圧を上回る容器内
の水蒸気圧を利用して容器外に水蒸気を放出させる。設
定温度での水蒸気放出が終了後、容器を常温まで冷却す
ると、冷却過程で被乾燥物内部の残留水分が容器壁に結
露し、脱水された乾燥体が得られる。

【０００８】この方法で用いる容器は、特別に製作され
たものである必要はなく、容器と蓋の間に明白な隙間が
できないものであれば容器に蓋を乗せた物や、容器開口
部をラップ等でシールし、ラップに針金で小穴をあけた
物で十分であり容器内部を大気圧と等しい厳密な水蒸気
分圧にする必要はない。また、１気圧以上で蒸気を外部
に放出できるようにした乾燥装置でもよいので特に容器
は限定されるものではない。また、被乾燥物であるセラ
ミックス含水成形体の容器へ収納方法は、容器底面にセ
ラミックボール等を置き、容器底面や壁面に被乾燥物が
直接接触しないようにすることが好ましい。

【０００９】容器の大きさに比較し被乾燥物が小さい場
合は昇温過程で急速な水分蒸発が起き乾燥割れや変形を
起こしやすいので、容器に予め少量の熱水や温水を入れ
ておくことや水蒸気を吹き込むことが重要である。

【００１０】この発明では、容器を水の沸点以上の設定
温度に保持し容器内の水蒸気圧を利用して容器外に水蒸
気を放出させることを特徴とするが、通常１０５℃〜１
５０℃が好ましい。例えばサブミクロンの微細な原料粉
体で構成された成形体の場合、原料粒子間の曲率半径の
小さい部分の水の沸点は高いので、設定温度は徐々に高
くすることが好ましい。１５０℃以上の場合には被乾燥
物内部への熱伝達量が多く水分の蒸発量が多いので内部
の蒸気圧が高くなることや、容器内雰囲気の水蒸気の乾
き度が高くなり、成形体表層部が乾燥しすぎ応力緩和し
にくい状況になることから割れや爆裂を起こしやすいの
で好ましくないが特に限定されるものでは無い。

【００１１】

【発明の実施の形態】この発明では、まず化学反応で硬
化する結合材を含んだセラミックス泥漿を、金型、木
型、プラスチック型、ゴム型、ゲル型、従来の石膏型等
に固形鋳込みし、化学反応により固化させてセラミック
ス含水成形体を作製することを特徴とするが、従来の固
形鋳込み鋳込み成形のように型による脱水により泥漿を
固化させる方式ではないため、成形体の固化時間は化学
反応速度に律速されており形状には律速されないので、
大型になっても成形固化時間は不変である。このため成
形体が大きくなればなる程成形時間短縮効果はより大き
くなる。

【００１２】つづく乾燥方法は過熱蒸気乾燥法の一種で
あるが、加熱蒸気乾燥法では一般にＨ₂Ｏが液体の場合
には水の突沸が起きることが常識化されている。しか
し、伝熱速度を突沸が起きる限界速度以下に制御するこ
とにより、水の蒸発潜熱と伝達熱量をバランスさせれば
突沸を起こさずに水蒸気の形で脱水を行うことが可能と
なることを実験で確認した。幸い、水の蒸発潜熱は大き
いので伝達熱量の選択幅が広いこと、さらに被乾燥材中
における熱伝導と拡散のそれぞれの偏微分方程式は同形
式であるので、乾燥の広範なステージにおいて蒸発潜熱
と伝達熱量のバランスが自動的にとれることから、被乾
燥物中で突沸を起こさずに水蒸気の形で脱水を容易に行
えることが理論的にも裏付けられる。

【００１３】セラミックスの場合、乾燥速度も重要であ
るが乾燥割れや乾燥変形無く乾燥させることが最も重要
である。大気圧下での過熱蒸気乾燥法をセラミックス含
水成形体に適応する場合、乾燥歪み・乾燥変形・乾燥割
れの大半は昇温過程に起こりその傾向は乾燥収縮率の大
きいもの程顕著である。昇温過程で容器内を成形体表面
温度の飽和水蒸気分圧に維持し続けることが可能なら
ば、成形体表面への結露や表面からの蒸発を防げるが、
実務上特に容器内に多くの製品を収納した場合には、成
形体に温度むらができるので高温部では蒸発がまた低温
部では結露が起きる。この傾向は昇温速度が速いほど助
長される。

【００１４】化学反応で硬化する結合材を用いてセラミ
ックス泥漿を所定形状に固化させた含水成形体の場合、
結露があっても問題が起こらないので、容器の受熱部や
加熱部温度の飽和水蒸気を用いることができる。成形体
の低温部への伝熱には水蒸気の結露に伴う潜熱も利用で
きることから調理用の蒸し器と同じ様に成形体表面から
の蒸発を抑制し温度むらの少なくかつ迅速な昇温が可能
である。また当該成形体の場合結合材で固化されている
ため、乾燥収縮が小さいことが特徴であり、万一昇温過
程で成形体表面から蒸発がおきた場合でも乾燥歪み・乾
燥変形・乾燥割れは起こりにくい。このため、成形体表
面と内部との温度差起因の応力による破壊が起きない限
界までの迅速な昇温を行うことが可能であり、直径１０
cm高さ１２cmの円柱状成形体でも容器の加熱部温度をい
きなり１００℃にセットしても昇温過程での割れ・変形
等の問題は認められなかった。

【００１５】昇温完了後、産業上の利点を鑑み減圧装置
や減圧容器および加圧容器等の装置上の制約の無い、大
気圧での加熱蒸気乾燥試験を行った結果、乾燥初期から
減率乾燥期にあることまた被乾燥物の中心部の温度は約
１００℃を長時間維持した後、乾燥後期に至り昇温を始
めることが認められた。このことから被乾燥物の外層は
水蒸気で内部は液状水の状態を保ちながら被乾燥物中の
液と水蒸気界面への伝達熱量と同じ蒸発潜熱に見合った
水が水蒸気の形で系外に出ていくとものと考えられる。
この条件で乾燥するとサブミクロンの原料粉体からなる
セラミックス含水成形体の場合でも従来の乾燥方法の１
／１０〜１／１００程度の極端な短時間で乾燥割れや乾
燥変形を起こさずに安全な乾燥ができることが実証され
た。このように、被乾燥物の外層は水蒸気で内部は液状
水という状態を保ちながら迅速に乾燥しても乾燥クラッ
クが発生しないことが認められた。環境水蒸気圧が約７
６０mmHgもあるので被乾燥物の構成粒子を覆う水膜が厚
く応力緩和を行いやすいこと及び毛細管力により粒子間
距離があまり短くならないことに起因するものと推定さ
れるが、乾燥の早い時期から減率乾燥期にあることはそ
の傍証であると考えられる。

【００１６】脱水乾燥したのち、直ちに容器を開け成形
体を取り出すと微粉原料を用いた大きいセラミックス成
形体の場合には、表層部にヘアークラックが入りやす
い。これは、高い水蒸気圧下で乾燥させているため、原
料粒子の接触点など曲率半径の小さい部分の水の沸点は
高いので、成形体が絶乾状態には至っておらず、成形体
取り出し時にその水が急速に蒸発するためと考えられ
る。わずかな水分量であるので大きなクラックにならず
ヘアークラックになるものと推定される。これを防ぐた
めには２つ方法があり、一つは脱水後更に高い温度まで
乾燥雰囲気温度を徐々に上げることにより成形体の脱水
度を高めることや焼結工程を必要とするなら容器が耐熱
材料の時はそのまま焼成工程に入ることである。二つ目
は、設定温度での水蒸気放出が終了後、容器ごと常温ま
で冷却すると、冷却過程で成形体内部の水蒸気が容器壁
に結露し、脱水された乾燥成形体が得られるという方法
である。どちらの方法を採用するかは、経済性や装置上
の観点から決定されるべきである。

【００１７】

【実施例】

（実施例１）平均粒子径０.４〜０.５μmのαアルミナ
（商品名ＡＥＳ１１Ｃ）３６００ｇｒと平均粒子径２μ
mの水硬性アルミナ（商品名ＢＫ１０３）４００ｇｒと
クエン酸４ｇｒ、純水４４０ｇｒおよびポリカルボン酸
アンモニウム系分散剤（商品名ＳＮディスパーサント５
４６８）１０ｇｒを混合し、１５℃の雰囲気下でアルミ
ナ製ポットミルを２時間用いて泥しょうを調製した。そ
のときの泥しょう粘度は７６０cＰであった。内径１０
ｃｍφ高さ２０ｃｍの金型に金型に泥しょうを注入し、
６０℃で１時間保持し、外形１０ｃｍφ高さ約１２ｃｍ
の円柱状の含水成形体を得た。内容積約１０リットルの
真空デシケーター底部に８０℃の熱水３０ｃｃ入れた
後、仕切板上に成形体を置き、開口部に内径５mmφのテ
フロンチューブを挿したゴム栓を入れた蓋をした。１０
０℃以下での水蒸気の飛散をできるだけ防止するため、
テフロンチューブの上に７mmφのセラミックビーズを置
いた。このデシケーターを９８℃にセットした乾燥器に
直接入れ１時間放置した後、１１０℃で１時間、１２０
℃で１時間、１３０℃で１５時間乾燥後、乾燥器から取
り出し４時間自然冷却させた後、約５０℃の成形体を取
り出した。検査の結果、乾燥割れは認められなかった。
成形から乾燥体取り出しまでの時間は約１日であった。
４８時間放置後も異常は認められず、重量測定したとこ
ろ逆に空気中の水分を吸着し０.２ｇｒ増量していた。
一方、対照として約２５℃で相対湿度約６０％の室内で
陰干した含水成形体は、５日間恒率乾燥しつづけ６日目
で減率乾燥に移ったが、そのとき円柱の上部外面にクラ
ックが観察された。それ以降クラックが大きくなるとと
もにクラックの数も増えた。１５日後には円柱外面のク
ラックの幅が小さくなりクラックが目立たなくなった。
２１日後円柱の上面の中心にクラックが発生し経時的に
クラックの幅と長さが大きくなった。

【００１８】（実施例２）平均粒子径０.４〜０.５μm
のαアルミナ（商品名ＡＥＳ１１Ｃ）３６００ｇｒと平
均粒子径２μmの水硬性アルミナ（商品名ＢＫ１０３）
４００ｇｒと、純水４４０ｇｒおよびポリカルボン酸ア
ンモニウム系分散剤（商品名ＳＮディスパーサント５４
６８）１０ｇｒを混合し、１５℃の雰囲気下でアルミナ
製ポットミルを２時間用いて泥しょうを調製した。その
ときの泥しょう粘度は８６０cＰであった。内径１０ｃ
ｍφ高さ２０ｃｍの金型に泥しょうを注入し、６０℃で
６０分保持し、外形１０ｃｍφ高さ約１２ｃｍの円柱状
の含水成形体を得た。内容積約３リットルのステンレス
容器の底面に７mmのセラミックスビーズを敷き成形体を
入れ、厚さ２mmのステンレス板で蓋をした。このステン
レス容器をを９８℃にセットした乾燥器に入れ２０分放
置した後、１１０℃で１時間、１２０℃で２時間、１３
０℃で１２時間乾燥後、２００℃で１時間保持してから
容器を乾燥器から取り出し直ちに蓋を開け自然冷却させ
た後、検査した結果、乾燥割れは認められなかった。

【００１９】（実施例３）５cm×１０cm×１８cmの市販
陶磁器杯土（テラコッタ用）を内容積約１０リットルの
真空デシケーター底部に５０℃の温水３０ｃｃ入れた
後、仕切板上にアルミナビーズを敷きその上に成形体を
置き、開口部に内径５mmφのテフロンチューブを挿した
ゴム栓を入れた蓋をした。１００℃以下での水蒸気の飛
散をできるだけ防止するため、テフロンチューブの上に
７mmφのセラミックビーズを置いた。このデシケーター
を９５℃まで１０時間で昇温後同温度で１時間放置し
た、１１０℃で８時間、１２０℃で５時間、１３０℃で
５時間乾燥後、乾燥器から取り出し自然冷却させた後、
約５０℃の成形体を取り出した。成形体の乾燥状況を目
視検査した結果、昇温過程後期ですでに成形体表面にク
ラックの発生が認められた。

【００２０】

【発明の効果】この発明のセラミックス成形体の製造方
法によれば、大型製品になっても成形時間が長くならな
いことや、ラフな昇温操作を行っても従来の乾燥時間の
１／１０〜１／１００程度の短時間で乾燥割れや乾燥変
形無しに安価で安全な製品の乾燥が可能となる。特に固
形鋳込み成形の離型時間や乾燥時間が長くかかりすぎ工
業的には生産が不可能であったサブミクロンの原料を用
いた大型鋳込み成形体の乾燥品が短時間で得られること
は、今後高品位ファインセラミックス大型部材の開発と
応用に光明を与えるものと考えられる。また、成形に用
いる型の制限もなく、乾燥用に減圧装置や減圧容器、加
圧装置や加圧容器、マイクロ波発生装置など特別な装置
が入らないので広範囲な適用が可能である。

【００２１】このように本発明によれば、特別な装置を
用いることなく大型製品や大型偏肉製品など従来技術で
は成形・乾燥が事実上不可能なセラミックス成形体を極
めて迅速かつ安全・安価に製造できるので、セラミック
ス成形の分野に広く応用でき産業上極めて有益である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】化学反応で硬化する結合材を用いてセラミ
   ックス泥漿を所定形状に固化させ、系内が大気圧以上に
   なると系外に系内ガスを放出できる構造を有する容器
   に、そのセラミックス含水成形体を入れ、容器に水分を
   導入することおよびまたはセラミックス含水成形体から
   放出される水分で容器内の水蒸気分圧を大気圧に維持し
   ながら１００℃以上に雰囲気温度を保持しつつセラミッ
   クス含水成形体から脱水を行うことを特徴とするセラミ
   ックス成形体の製造方法。
2. 【請求項２】化学反応で硬化する結合材として、ρアル
   ミナ、水硬性アルミナ、アルミナセメント、セメント、
   石膏、アクリル、ウレタン、ＰＶＡ＋ホウ酸 から選ば
   れた一種または二種以上を用いることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載セラミックス成形体の製造方法。