JP2006103072A - 押出成形機および成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 成形体内部にクラックの発生が殆どなく、強度が高い成形体を得られる押出成形機およびその押出成形機を用いた成形方法を提供する。
【解決手段】 供給用スクリュー１１と成形ダイス１３の間に可塑性材料の流れを整えるための筒状整流部２０を備えた押出成形機であって、整流部内２０に入口（ａ−ａ）と出口（ｂ−ｂ）を結ぶ複数の流路を形成して可塑性材料の流れを分割する。整流部入口（ａ−ａ）において中心部に流入する可塑性材料を整流部出口（ｂ−ｂ）において周縁部に、整流部入口（ａ−ａ）において周縁部に流入する可塑性材料を整流部出口（ｂ−ｂ）において中心部に、それぞれ変更する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、押出成形機およびその押出成形機を用いた成形方法に関し、特に、セラミックスハニカム成形体を高い寸法精度で押出成形することのできる押出成形機およびその押出成形機を用いた成形方法に関するものである。

従来、セラミツクス等を押出成形する場合、セラミツクス微粉末、バインダー、成形助剤、水などを所定の比率で調整し、混練した可塑性材料（以下、「坏土」または「捏和物」ということもある。）を押出成形機によって押出成形用金型から押し出すことによって行なわれ、押出成形機としては、坏土をスクリュ−を用いて連続的に押出成形するオーガー式押出成形機が周知である。
押出成形では、粘性を有する坏土に対してスクリューによる残留応力が発現したり、変形応力が加えられることにより、セラミツクス成形体に微小な歪や亀裂あるいは僅かなねじれ等が生じることがあった。

また、セラミツクス成形体の亀裂のなかには、ラミネーションクラックと呼ばれる成形体中心部の割れ現象が知られている（Eds.G et al著「Ceramics processing before firing, 29章 Extrusion defects」，1978年発行）。可塑性材料は金属抵抗が強く、その界面を移動し易くするために小さい粒子が集まる結果、押出成形機のスクリュー接触部とバレル接触部には、可塑性材料中の微粒成分が集まり易い。成形体において、外周部は分散して存在するので問題にならないが、中心部は一箇所に集中するため、その他の箇所と性質が明らかに異なり、ラミネーションクラックの原因となる。
さらに、セラミツクスハニカム触媒等の成形体であれば、肉薄の微細な断面形状になればなるほど、押出成形時の僅かな応力の残留によって完全な寸法精度を維持することが困難となるばかりか乾燥時に歪や反り等の変形が発生するという課題が残されている。

特開２００２−２５４４１９号公報（特許文献１）には、坏土流れをスムーズにでき発熱の心配がなく、薄壁でも正常のセラミックハニカムを押出成形可能とするために、坏土流れの上流側から、主要部が２軸スクリュー部、整流部、異物除去装置部、先金押出部で構成されるセラミックハニカム用押出機において、整流部を、上流側から、縮小部、円筒部および拡大部で構成し、縮小部の２軸スクリュー部側入口形状を２軸スクリュー部の出口形状と同一形状とするとともに、縮小部の円筒部側出口形状を円筒部の入口形状と同一形状とし、拡大部の円筒部側入口形状を円筒部の出口形状と同一形状とするとともに、拡大部の異物除去装置部側出口形状を異物除去装置部の入口形状と同一形状としたセラミックハニカム用押出機が開示されている。

また、特開平５−２５３９１４号公報（特許文献２）には、オーガー式連続押出成形機を用いてセラミック坏土を成形するに当り、坏土供給用スクリューと成形ダイスとの間に押出機の有するスクリューの溝方向と逆方向の傾斜孔を有する整流板を設けることによって、「くせ」のない坏土からセラミック成形体を成形する発明が開示されている。

しかしながら、上記従来の押出成形機では、排ガス処理用触媒のように大きな形状の触媒を押出成形する場合、ハニカム内部にクラック（ひび割れ）が多数生じ、触媒強度が弱くなるなどの問題が未解決であった。
特開２００２−２５４４１９号公報 特開平５−２５３９１４号公報

本発明の目的は、押し出された可塑性材料の回転履歴や層状構造を圧力負荷が小さい状態で解消して、曲りや反り、内部欠陥の少ない成形物を得ることのできる押出成形機およびその押出成形機を用いた成形方法を提供することにある。
また、本発明は特に、形状の大きなセラミックスハニカム成形体を押出成形しても成形体内部にクラックの発生が殆どなく、強度の強いハニカム成形体を得ることができる押出成形機およびその押出成形機を用いた成形方法を提供することにある。

本発明は、供給用スクリューと成形ダイスの間に可塑性材料の流れを整えるための筒状整流部を備えた押出成形機において、前記整流部内に入口と出口を結ぶ複数の流路を形成して可塑性材料の流れを分割し、整流部入口において中心部に流入する可塑性材料を整流部出口において周縁部に、整流部入口において周縁部に流入する可塑性材料を整流部出口において中心部に、それぞれ変更することを特徴とするものである。
前記流れを周縁部から中心部に変更する流路を直管群により形成し、整流部入口において該直管群の入口端を整流部の内壁に接触させて分散配置し、整流部出口において該直管群の出口端を整流部の中心部に集合配置したことが好ましい。
前記流れを周縁部から中心部に変更する流路が、４〜１６本のいずれか複数本の直管群により前記整流部内に軸対象に形成されてなることが好ましい。

本発明の押出成形方法は、前記押出成形機を用いて可塑性材料を押出成形するものであり、また、本発明のセラミックスハニカム成形体の押出成形方法は、前記押出成形機を用いてセラミックスハニカム成形体を押出成形するものである。

本発明の押出成形機によれば、強度が高く、内部にクラックのない成形体を成形することができる。
また、本発明の押出成形機によれば、整流部近辺の内圧を低く設定して押出成形することができ、捏和物への圧力負荷が軽減される。従って、特に圧力負荷に対し離水して固化し易い可塑性材料の押出成形に有効である。即ち、押し出された捏和物の回転履歴や層状構造を、圧力負荷が小さい状態で解消することができ、この結果、成形物の曲りや反り、内部欠陥を防止することができるものである。

さらに、可塑性材料は成形機スクリューおよびバレルにより、状況に応じ冷却あるいは加温されるが、オーガー式押出成形機の場合、押出方向に対し垂直面においては温度分布が発生するため成形体の押し出され方が不均一となる問題があった。しかしながら、本発明の押出成形機によれば、可塑性材料をバレル内で無理なく混合できるため、温度分布が小さく（緩やかに）なり成形体の押し出され方を均一にすることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。
図１は本発明に係る押出成形機１０の要部縦断側面図であり、可塑性材料は図面左方に位置する供給用スクリュー１１が設けられた供給部１２から、筒状の整流部２０を経由して、成形ダイス１３が設置された押出部１４へと流れるようになっている。供給部１２、整流部２０、押出部１４はフランジ接続されている。

本発明において可塑性材料の流れを整えるための整流部２０には、図１において複数本の矢印を以て示すように、整流部入口（ａ−ａ）と整流部出口（ｂ−ｂ）を結ぶ複数の流路を形成して可塑性材料の流れを分割する。即ち、整流部入口（ａ−ａ）において中心部に流入した可塑性材料は、整流部出口（ｂ−ｂ）において整流部２０の周縁部に流出させる。一方、整流部入口（ａ−ａ）において周縁部に流入した可塑性材料を整流部出口（ｂ−ｂ）において整流部２０の中心部に流出させる。

上記可塑性材料の流れを分割する流路は、例えば図２に示すように、４本の直管２２により形成し、整流部入口（ａ−ａ）では直管２２の入口端２２ａを整流部２０の内壁に接触させて分散配置し、整流部出口（ｂ−ｂ）では直管２２の出口端２２ｂを整流部２０の中心部に集合配置する。本実施形態によれば、整流部入口（ａ−ａ）において周縁部に供給された可塑性材料の一部は、直管２２群を流れて整流部出口（ｂ−ｂ）では整流部２０の中心部に集められる。一方、整流部入口（ａ−ａ）において中心部に供給された可塑性材料は、直管２２群の外周を迂回して整流部出口（ｂ−ｂ）では整流部２０の周縁部に分散する。直管２２群は整流部入口（ａ−ａ）から整流部出口（ｂ−ｂ）にかけて軸心部に絞られているので、中心部に供給された可塑性材料も周縁部に向けて流れ易くなっている。

供給部１２から整流部２０に導入される可塑性材料は、それ自身が流通してきた部分の履歴を有している。即ち、可塑性材料が押出成形機１０の供給部１２から整流部２０に入る際には、整流部２０の中心部（即ち、スクリュー接触部）と最外周縁部（即ち、バレル接触部）には可塑性材料中の小さい粒子が集まり易く、それ以外の部分（即ち、中心部と最外周縁部の中間層）には大きい粒子が集まり易い。本発明の押出成形機１０によれば、整流部２０において可塑性材料を均質にすることができ、特にラミネーションクラックの原因となる中心部の微粒成分を分散することができる。また、この結果、可塑性材料の履歴を無くすことができる。

直管２２の長さ、径、傾きは、使用する可塑性材料の性質を考慮して設計するが、特に、直管内部を流れる可塑性材料とそれ以外の部分を流れる可塑性材料の流れ速度が同じとなるようにすることが好ましい。また、直管の厚さは実用上強度的に問題のない程度まで薄くすること望ましい。
直管２２の本数は、整流部２０に導入される可塑性材料中心部の微粒成分の分散性および押出方向垂直面の均質性の点から出来る限り多い方が好ましいが、整流部の製造にかかるコストや技術的な点および可塑性材料への負荷低減の点において４〜１６本、特に、４本、８本、または１６本として、筒状整流部２０内に軸対象となるように配置することが好ましい。
図２に示す例では、直管２２群の出口端２２ｂは整流部２０の軸心側を、角度３０度程度に短くカットすることにより、可塑性材料の流れをスムーズにしている。この角度は３０〜６０度の範囲にするのが好ましい。

図３には、整流部２０の変形例が示されている。本実施形態では、整流部入口（ａ−ａ）にフランジ２３を設けた整流カセットとして、円筒形の整流部２０における交換・脱着を容易にしたものである。この整流カセットでは、正面図（図３（１））と背面図（図３（２））に示すように、入口周縁部から出口中心部に流路変更するための直管２４が、軸対象に４本配置されている。
直管２４は断面が略ホームベース形状である以外は、図２の実施形態と同じである。直管２４、２４同士の間隙２５は、可塑性材料を入口中心部から出口周縁部に流路変更するための流路である。なお、整流部入口（ａ−ａ）の周縁部に流入した可塑性材料の一部は、間隙２５をほぼ直線的に流れて整流部出口（ｂ−ｂ）の周縁部に排出される。
以下、実施例を示して本発明を更に具体的に説明する。

参考例１

捏和物（ａ−１）の調製
硫酸法による酸化チタンの製造工程より得られる硫酸チタン溶液を熱加水分解してメタチタン酸スラリーを得た。このメタチタン酸スラリーを酸化チタンとして２２．５ｋｇ取り出し、還流器付撹拌槽に仕込み、これにパラタングステン酸アンモニウム２．８２ｋｇを添加混合した後、１５重量％アンモニア水３０．５ｋｇを加えてｐＨを９．５に調整した後、９５℃で１時間に亘り十分な撹拌を行いつつ加熱熟成した。その後、冷却して該スラリーを取り出し、濾過、脱水、洗浄して、ＳＯ₄が０．３ｗｔ％、Ｎａ₂Ｏが０．０１ｗｔ％の洗浄ケーキを得た。該洗浄ケーキを１１０℃で２０時間乾燥した後、これを５５０℃で５時間焼成して、ＴｉＯ₂／ＷＯ₃重量比が９０／１０の複合酸化物（ａ）を調製した。
次いで、複合酸化物（ａ）２１．２５ｋｇに、モノエタノールアミン０．８１ｋｇにメタバナジン酸アンモニウム１．６１ｋｇを溶解した溶液を加え、次いでアンモニア水を加えてこの混合スラリーのｐＨを９とし、ニーダーにて加熱混練した。さらに、水およびグラスファイバー（以下、ＧＦと略記することがある。）１．９４ｋｇと粘土０．８３ｋｇを添加し、６０分間混練して捏和物（ａ−１）を調製した。

図３に示す整流カセットを内径１０５ｍｍφの整流部２０に組み込んだ真空押出成形機（宮崎鉄工（株）製、ＦＭ−１００）を用い、捏和物（ａ−１）を外径７３ｍｍ□、目開き２．２５ｍｍ、壁厚０．４５ｍｍ、長さ４５０ｍｍのハニカム状に押出成形した。成形時における整流部２０前後のバレル内圧力を、図１に示す圧力計Ｐ₁と圧力計Ｐ₂で測定した。測定結果を表１に示す。
得られた成形物を６０℃で２４時間乾燥後、５００℃で３時間焼成して、重量比でＴｉＯ₂−ＷＯ₃／Ｖ₂Ｏ₅／ＧＦ／粘土が８５／５／７／３の組成をもつハニカム触媒（Ａ−１）を調製した。
ハニカム触媒（Ａ−１）を貫通孔と平行に中心部で切断し内部を目視観察したところ、クラック（割れ）は認められなかった。

比較例１

図３に示す整流カセットに代えて、６．１ｍｍφの貫通孔が１５１個穿孔された厚さ２３ｍｍの鋼板製の整流板を、整流部２０に組み込んだ以外は実施例１と同様にして、ハニカム触媒（Ｂ−１）を調製した。圧力計Ｐ₁と圧力計Ｐ₂の測定結果を表１に示す。
ハニカム触媒（Ｂ−１）を貫通孔と平行に中心部を切断し、内部を目視観察したところ、４５個のクラック（割れ）が認められた。

比較例２

図３に示す整流カセットに代えて、図４に示すような厚さ２３ｍｍの鋼製リング３０の開口中央部に、幅２３ｍｍ、厚さ２ｍｍのフラットバー３１を格子状に組み込んだ整流板を、整流部２０にセットした以外は実施例１と同様にして、ハニカム触媒（Ｃ−１）を調製した。圧力計Ｐ₁と圧力計Ｐ₂の測定結果を表１に示す。
ハニカム触媒（Ｃ−１）を貫通孔と平行に中心部を切断し、内部を目視観察したところ、４０個のクラック（割れ）が認められた。

参考例２

捏和物（ｂ−１）の調製
メタチタン酸スラリーを酸化チタンとして２１．２５ｋｇ取り出し、還流器付撹拌槽に仕込み、これにシリカゾル（ＳｉＯ₂濃度２０ｗｔ％、商品名“カタロイドＳ−２０Ｌ”触媒化成工業（株）製）６．２５ｋｇを添加混合した後、１５重量％アンモニア水３０．５ｋｇを加えてｐＨを９．５に調整した後、９５℃で１時間に亘り十分な撹件を行いつつ加熱熟成した。次いで、パラタングステン酸アンモニウム２．８２ｋｇを添加し、更に、９５℃で１時間加熱熟成を行った。その後、冷却して該スラリーを取り出し、濾過、脱水、洗浄して、ＳＯ₄が０．３ｗｔ％、Ｎａ₂Ｏが０．０１ｗｔ％の洗浄ケーキを得た。該洗浄ケーキを１１０℃で２０時間乾燥した後、これを６５０℃で５時間焼成して、ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂／ＷＯ₃重量比が８５／５／１０の複合酸化物（ｂ）を調製した。
次いで複合酸化物（ａ）１９．８３ｋｇと複合酸化物（ｂ）３．７５ｋｇの混合物に、モノエタノールアミン０．２５ｋｇにメタバナジン酸アンモニウム０．２３ｋｇを溶解した溶液を加え、次いでアンモニア水を加えこの混合スラリーのｐＨを９とし、ニーダーにて加熱混練した。さらに、水およびグラスファイバー（ＧＦ）１．３９ｋｇを添加して６０分間混練し、捏和物（ｂ−１）を調製した。

図３に示す整流カセットを内径１０５ｍｍφの整流部２０に組み込んだ真空押出成形機（宮崎鉄工（株）製、ＦＭ−１００）を用い、該捏和物（ｂ−１）を外径８０ｍｍ□、目開き６．７０ｍｍ、壁厚１．２０ｍｍ、長さ４５０ｍｍのハニカム状に押出成形した。成形時における整流部２０前後のバレル内圧力を、図１に示す圧力計Ｐ₁と圧力計Ｐ₂で測定した。測定結果を表１に示す。
得られた成形物を６０℃で２４時間乾燥後、５００℃で３時間焼成して、重量比でＴｉＯ₂−ＷＯ₃／ＴｉＯ₂−ＷＯ₃−ＳｉＯ₂／Ｖ₂Ｏ₅／ＧＦが７９．３／１５／０．７／５の組成をもつハニカム触媒（Ａ−２）を調製した。
ハニカム触媒（Ａ−２）を貫通孔と平行に中心部で切断し、内部を写実したスケッチを図５（Ａ）に示す。また、該スケッチから数えたクラック（割れ）の個数を表１に示した。

比較例３

実施例２の整流カセットに代えて、比較例１で使用した鋼板製の整流板を整流部２０に組み込んだ以外は実施例２と同様にして、ハニカム触媒（Ｂ−２）を調製した。圧力計Ｐ₁と圧力計Ｐ₂の測定結果を表１に示す。
ハニカム触媒（Ｂ−２）を貫通孔と平行に中心部で切断し、内部を写実したスケッチを図５（Ｂ）に示す。また、該スケッチから数えたクラック（割れ）の個数を表１に示した。

比較例４

実施例２の整流カセットに代えて、比較例２で使用した鋼製整流板を整流部２０にセットした以外は実施例２と同様にして、ハニカム触媒（Ｃ−２）を調製した。圧力計Ｐ₁と圧力計Ｐ₂の測定結果を表１に示す。
ハニカム触媒（Ｃ−２）を貫通孔と平行に中心部を切断し、内部を目視観察したところ、６個のクラック（割れ）が認められた。

［表１］
ハニカム Ｐ ₁ Ｐ ₂ 割れ
(MPa) (MPa) （箇所）
実施例１ （Ａ−１） ４．０ ３．０ ０
比較例１ （Ｂ−１） ４．５ ３．１ ４５
比較例２ （Ｃ−１） ４．１ ３．０ ４０
実施例２ （Ａ−２） ３．０ １．９ ０
比較例３ （Ｂ−２） ３．２ ２．０ ５
比較例４ （Ｃ−２） ３．０ １．９ ６

上記比較例２および比較例４の結果から、図４に示すような整流板を使用することによって、供給部１２から整流部２０に導入される可塑性材料の押出方向垂直面の出速度（流れ）を、フラットバー３１で部分的に調節しても、比較例１および比較例３で使用した均一な貫通孔を穿孔した整流板と同様に、ハニカム内部にはクラック（割れ）が生じたことが分かる。

本発明の押出成形機は、プラスチック、セラミックスの押出成形に利用することができる。また、円筒、円柱、角筒、角柱、ハニカム、その他各種形状の成形体を押出成形することができる。

本発明に係る押出成形機の要部縦断側面図である。 本発明の整流部２０の内部説明図であり、ａ−ａは整流部入口の端面図であり、ｂ−ｂは整流部出口の端面図である。 整流部２０の変形態様を示しており、図３（１）は正面図、図３（２）は背面図、図３（３）は正面側斜視図、図３（４）は背面側斜視図である。 比較例２および比較例４で使用した鋼製整流板を、正面やや上方から見た斜視図である。 図５（Ａ）はハニカム触媒（Ａ−２）の内部を切断したスケッチ図であり、図５（Ｂ）はハニカム触媒（Ｂ−２）の内部を切断したスケッチ図である。

符号の説明

１０ 押出成形機の要部
１１ 供給用スクリュー
１２ 供給部
１３ 成形ダイス
１４ 押出部
２０ 整流部
２２ 流路としての直管
２２ａ 直管の入口端
２２ｂ 直管の出口端
２４ 流路としての直管
２５ 流路としての間隙

Claims (5)

1. 供給用スクリューと成形ダイスの間に可塑性材料の流れを整えるための筒状整流部を備えた押出成形機において、
   前記整流部内に入口と出口を結ぶ複数の流路を形成して可塑性材料の流れを分割し、
   整流部入口において中心部に流入する可塑性材料を整流部出口において周縁部に、整流部入口において周縁部に流入する可塑性材料を整流部出口において中心部に、それぞれ変更することを特徴とする押出成形機。
   
2. 前記流れを周縁部から中心部に変更する流路を直管群により形成し、
   整流部入口において該直管群の入口端を整流部の内壁に接触させて分散配置し、整流部出口において該直管群の出口端を整流部の中心部に集合配置したことを特徴とする請求項１記載の押出成形機。
   
3. 前記流れを周縁部から中心部に変更する流路が、４〜１６本のいずれか複数本の直管群により前記整流部内に軸対象に形成されてなる請求項１または２記載の押出成形機。
   
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の押出成形機を用いて可塑性材料を押出成形する押出成形方法。
   
5. 請求項４記載の方法によりセラミックスハニカム成形体を押出成形するセラミックスハニカム成形体の押出成形方法。
   
   

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