JP2006264237A - セラミックの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形用坏土の状態で質量を良好に管理し、安定した品質のセラミックを好適に製造することが可能なセラミックの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のセラミックの製造方法は、セラミック材料を含有する成形原料を混合・混練した後、土練機６によって坏土１を押出、坏土１を所望の長さに切断して成形用坏土１ａを得、成形用坏土１ａを成形機に充填して成形して成形体を得、成形体を焼成してセラミックを得るセラミックの製造方法であって、成形機に充填するための成形用坏土１ａの質量を測定し、測定した質量により成形用坏土１ａの品質管理を行うセラミックの製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックの製造方法に関する。さらに詳しくは、成形用坏土の状態で質量を良好に管理し、安定した品質のセラミックを好適に製造することが可能なセラミックの製造方法に関する。

セラミックからなる構造体は、フィルター、触媒担体等に広く用いられており、特にガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関や燃焼装置の排気ガス浄化用又は排気ガス処理用の触媒担体やフィルター等として広く用いられている。ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガスには、環境汚染の原因となるような炭素を主成分とするパティキュレート（粒子状物質）が多量に含まれているため、それらの排気系には、パティキュレートを捕集するためのフィルターが搭載されることがある。

一般に、このような目的で使用されるフィルターには、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、多孔質の隔壁１７により仕切られた軸方向に貫通する複数のセル（流通孔）９を有し、所定のセル１９ａの一方の端部がこのセル１９内に充填された封止材からなる目封止部２１により封止され、残余のセル１９ｂについては所定のセル１９ａとは反対側の他方の端部が同様に目封止部２１により封止されたセラミックのハニカム構造体が使用される。

排気ガスは、このようなハニカム構造体からなるフィルターの一方の端面１３から内部に流入し、ガス中に含まれるパティキュレート等が除去された後、他方の端面１５から流出する。具体的には、まず排気ガスは、このフィルターの流入側端面１３において端部が封止されておらず、流出側端面１５において端部が封止されたセル１９ｂに流入し、多孔質の隔壁１７を通って、流入側端面１３において端部が封止され、流出側端面１５において端部が封止されていないセル１９ａに移動し、このセル１９ａから排出される。そして、この際に隔壁１７が濾過層となり、排気ガス中のパティキュレートが隔壁１７に捕捉され隔壁１７上に堆積する。

このようなセラミックは、コージェライト等のセラミック材料、水の他、バインダや造孔材等を混合・混練した後、土練機によって坏土を押出、この坏土を所望の長さに切断して成形用坏土を得、得られた成形用坏土をハニカム形状に成形し、乾燥し、焼成することによって製造されている。

従来のセラミックからなる構造体の製造方法において、成形用坏土の品質管理は、例えば、土練機によって押出され、所望の長さに切断した、成形用坏土の一部を一定体積になるように裁断して得られたサンプル片が用いられている。具体的には、一定体積のサンプル片を採取して各種重量測定し、その後、サンプル片の体積で除して密度を算出する。このように算出した密度の値により、混合・混練した後、土練機によって押出された坏土の評価が行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３２７４８３号公報

しかしながら、このような従来のセラミックの製造方法において、一回の混合・混練した後、土練機によって押出された坏土の量は、一般的な成形機による成形が数回以上実現可能な量であるため、得られた坏土に関し、セラミック材料等の混ざり具合や、成形原料に含まれる造孔材の潰れ具合等が部分的に異なっていることがあり、また、時間の経過とともにそれらの状態が変化することがある。このため、坏土の一部からサンプル片を採取して坏土の評価を行ったとしても、この坏土を所望の長さに切断して得られる複数の成形用坏土全体の品質管理としては不十分であり、例えば、実際に製造したセラミックの気孔率等が予測していた値と異なることがあり、安定した品質のセラミックを製造することが困難であるという問題があった。

さらに、サンプリングにより原料ロスが発生する。また、採取したサンプル片はアルキメデス法によって、大気中、水中での各種重量測定が行われているが、このアルキメデス法では、水中での質量測定が必要なため、サンプル片に被覆処理が必要で、長時間を要する。被覆処理中に水分蒸発により、密度変化が起こり、正確な密度が測定できず、サンプル片の作製に長時間を要する。加工中に水分蒸発により、密度変化が起こる。また、さらに、土練機から押出された坏土の長さ方向に大きな密度分布が発生していると、サンプリング部位によっては、坏土全体の密度を充分把握することができないという問題がある。

本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、成形用坏土の状態で質量を良好に管理し、安定した品質のセラミックを好適に製造することが可能なセラミックの製造方法を提供する。

本発明は、以下のセラミックの製造方法を提供するものである。

［１］ セラミック材料を含有する成形原料を混合・混練した後、土練機によって坏土を押出、前記坏土を所望の長さに切断して成形用坏土を得、前記成形用坏土を成形機に充填して成形して成形体を得、得られた前記成形体を焼成してセラミックを得るセラミックの製造方法であって、前記成形機に充填するための前記成形用坏土の質量を測定し、測定した質量により前記成形用坏土の品質管理を行うセラミックの製造方法。

［２］ 前記成形用坏土の質量の範囲を設定し、所定範囲内の質量の前記成形用坏土を用いて成形を行う前記［１］に記載のセラミックの製造方法。

［３］ 得られる前記セラミックの焼成後の気孔率の値により、前記成形用坏土の質量の前記範囲を設定する前記［２］に記載のセラミックの製造方法。

［４］ 前記セラミック材料が、コージェライト、炭化珪素、窒化珪素、ムライト、アルミナ、及びシリカからなる群から選ばれる少なくとも１種である前記［１］〜［３］のいずれかに記載のセラミックの製造方法。

［５］ 前記セラミックがハニカム形状である前記［１］〜［４］のいずれかに記載のセラミックの製造方法。

［６］ 前記セラミックがパティキュレートフィルターである前記［１］〜［５］のいずれかに記載のセラミックの製造方法

［７］ 前記成形原料として造孔材を含有するものを用いる前記［１］〜［６］のいずれかに記載のセラミックの製造方法。

本発明のセラミックの製造方法によれば、実際に成形を行うための成形用坏土の質量を測定し、測定した成形用坏土の質量により成形用坏土の品質管理を行ってセラミックを製造することから、得られるセラミックの例えば気孔率を成形用坏土の状態で良好に管理し、安定した品質のセラミックを好適に製造することができる。このため、本発明のセラミックの製造方法は、成形用坏土を成形する前に、使用する成形用坏土の品質管理をより的確に行うことができる。

さらに、一回の混合・混練した後の土練機によって押出された坏土全体の評価を、その一部から取り出したサンプル片で判断する従来のセラミックの製造方法と比較して、成形機に充填するための成形用坏土毎での評価が可能なため、土練機によって押出された坏土の混合・混練の状態にムラがある場合には、成形用坏土毎に不適当な部分を含むものを排除することができる。また、さらには、リアルタイムでの測定が可能であるため、土練機の運転条件を調整し、適正範囲に成形用坏土の質量を調製することができる。

以下、図面を参照して、本発明のセラミックの製造方法の一例として、セラミックハニカム構造体の製造方法の実施の形態について詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。

本実施の形態のセラミックハニカム構造体の製造方法は、図１に示すように、セラミック材料を含有する成形原料４を混合・混練した後、土練機６によって所定の形状、例えば、円柱状の坏土１を押出す。次に、得られた坏土１を所望の長さに切断し、成形用坏土１ａを得、図２に示すように、得られた成形用坏土１ａを、成形機２に充填して成形体（本実施の形態においては、ハニカム状に成形してセラミックハニカム成形体３）を得、得られたセラミックハニカム成形体３を焼成してセラミックとしてのセラミックハニカム構造体を得るセラミックハニカム構造体の製造方法であって、図１及び図２に示すように、成形機２に充填するための成形用坏土１ａの質量を測定し、測定した質量により成形用坏土１ａの品質管理を行うセラミックハニカム構造体の製造方法である。通常、成形用坏土１ａの外径寸法は、土練機６の押出口径により一定であり、切断長さも成形機２のサイズにより、ほぼ一定である。本実施の形態のセラミックハニカム構造体の製造方法における質量による品質管理において、単位長さ当たりの質量とするのが好ましい。

このように、坏土１を所望の長さに切断して得られた、成形機２に充填するための成形用坏土１ａの質量を測定することにより、この成形用坏土１ａの状態で質量を良好に管理し、安定した品質のセラミック（本実施の形態においては、セラミックハニカム構造体）を好適に製造することができる。

さらに、一回の混合・混練した後の土練機６によって押出された坏土１全体の評価を、成形用坏土１ａの一部から取り出したサンプル片で判断する従来の製造方法と比較して、成形機２に充填するための成形用坏土１ａ毎での評価が可能なため、坏土１の混合・混練の状態にムラがある場合には、不適当な部分を含む成形用坏土１ａのみを排除することができる。さらには、リアルタイムでの測定が可能であるため、土練機６の運転条件を調整し、適正範囲に成形用坏土１ａの質量を調製することができる。

本実施の形態のセラミックハニカム構造体の製造方法は、上述したように、成形機２に充填するための成形用坏土１ａの質量により、この成形用坏土１ａの品質管理を行うことから、例えば、成形機２に充填するための成形用坏土１ａの質量の範囲を設定し、所定範囲内の質量の成形用坏土１ａを用いて成形を行うこともできる。成形用坏土１ａを構成する成形原料４の成分組成等が分かっていれば、所定形状（例えば、所定の長さ）の成形用坏土１ａの質量によって、例えば、得られるセラミックハニカム構造体の気孔率を予測することもできる。このことから、成形用坏土１ａの品質管理の一例として、得られるセラミックの焼成後の気孔率、即ち、狙いの気孔率により、成形用坏土１ａの質量の範囲を設定し、この成形用坏土１ａの品質管理を行うことができる。このように構成することによって、所定の気孔率のセラミックハニカム構造体を好適に製造することができる。

以下、本実施の形態のセラミックハニカム構造体の製造方法について、各工程毎にさらに詳しく説明する。

まず、図１に示すように、セラミック材料を含有する成形原料４を混合・混練した後、土練機６によって押出して坏土１を得る。成形原料４に含まれるセラミック材料については、従来公知のセラミックハニカム構造体を製造する際に用いられる材料を用いることができ、例えば、コージェライト、炭化珪素、窒化珪素、ムライト、アルミナ、及びシリカからなる群から選ばれる少なくとも１種を好適例として挙げることができる。

また、坏土１を構成する成形原料４には分散媒となる水を含有しており、さらに、必要に応じて造孔材、バインダ、分散剤、界面活性剤、等を含有していてもよい。造孔材は、セラミックハニカム成形体３（図２参照）を焼成する際に焼失して気孔を形成させることによって、気孔率を増大させ、高気孔率のセラミックハニカム構造体を得るための添加剤である。従って、造孔材としては、セラミックハニカム成形体３（図２参照）を焼成する際に焼失する可燃物、例えば、グラファイト、小麦粉、澱粉、フェノール樹脂、発泡樹脂、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレン、又はポリエチレンテレフタレート等が挙げられる。

混合・混練を行う混合機５や混練機及び土練機６については、従来公知の混合機、混練機及び土練機を好適に用いることができる。混合・混練の方法についても特に制限はなく、従来公知の方法を好適に用いることができる。土練機６から押出される坏土１は、成形機２（図２参照）を構成するシリンダー７（図２参照）の内径の形状に応じて円柱状に押出されたものである。

このようにして坏土１を得た後、坏土１を所望の長さに切断し、成形機２（図２参照）に充填するための成形用坏土１ａを得る。例えば、図２に示すようなプランジャー式の成形機２（図２参照）を構成するシリンダー７（図２参照）に適量充填することができるように、土練機６によって押出された坏土１を所望の長さに切断する。

次に、このようにして得られた成形用坏土１ａの質量を測定する。成形用坏土１ａの質量測定の方法については特に制限はなく、例えば、クレーンスケール、電子天秤等で測定する方法を挙げることができる。

さらに、従来のようにサンプル片の評価により、土練機６によって押出された坏土１全体の品質管理する場合には、例えば、坏土１の混合・混練の状態にムラがあり、採取したサンプル片に不適当な部分が含まれる場合には、この坏土１全てが不適当と判断されていたが、本実施の形態のセラミックハニカム構造体の製造方法においては、成形機２に充填するためのそれぞれの成形用坏土１ａ毎に質量を測定することから、成形用坏土１ａ毎に高精度な管理が可能であり、例えば、土練機６によって押出された坏土１の混合・混練の状態にムラがある場合には、不適当な部分を含む成形用坏土１ａのみを排除することができる。

次に、図２に示すように、成形用坏土１ａを成形機２に充填し、この成形用坏土１ａを成形して、成形体としてのセラミックハニカム成形体３を得る。図２においては、押出成形によりセラミックハニカム成形体３の成形を行っているが、成形の方法については特に限定されることはなく、従来公知の成形方法を好適に用いることができる。なお、図２においては、押出成形によりセラミックハニカム成形体３の成形を行っており、成形体としてのセラミックハニカム成形体３が、隔壁によって流体の流路となるセルが区画形成された成形体であることから、形成すべき隔壁と相補的な形状のスリットが形成された口金８から押出成形される。

なお、図示は省略するが、得られるセラミックハニカム構造体を、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルター等のフィルター用途に用いる場合は、上述した流体の流路となるセルの端部を、二つの端面部分で互い違いに目封止することが好ましい。目封止の方法については、例えば、セラミックハニカム成形体の一方の端面に、粘着シート等を貼着し、画像処理を利用したレーザ加工等によりその粘着シート等の目封止すべきセル（目封止セル）に対応する部分のみに孔開けをしてマスクとし、そのマスクが貼着されたセラミックハニカム成形体の端面をスラリー（セラミックスラリー）中に浸漬し、セラミックハニカム成形体の目封止セルにスラリーを充填して目封止し、これと同様の工程をセラミックハニカム成形体の他方の端面に付いても行う方法を挙げることができる。

セラミックハニカム成形体の全体形状としては特に制限はなく、例えば、円柱状、四角柱状、三角柱状等を挙げることができる。又はセル形状（セルの形成方向に対して垂直な断面におけるセル形状）についても特に制限はなく、例えば、四角形、六角形、三角形等を挙げることができる。

次に、上述したセラミックハニカム成形体（必要に応じて仮焼体）を焼成（本焼成）することによってセラミックハニカム構造体を得る。本焼成とは、成形原料を焼結させて、所定の形状、目標特性を確保するための操作を意味する。焼成条件（温度・時間・雰囲気）は、成形原料の種類により異なるため、その種類に応じて適当な条件を選択すればよい。

このように、本実施の形態のセラミックハニカム構造体の製造方法によれば、成形用坏土の状態で質量を良好に管理し、安定した品質のセラミックハニカム構造体を好適に製造することができる。

なお、これまで、セラミックハニカム構造体の製造方法を例に挙げて、本発明のセラミックの製造方法の実施の形態について説明してきたが、本発明のセラミックの製造方法は、押出成形により製造される、ハニカム形状構造体、パイプ形状構造体等、また、圧縮成形（丸ごて成形）により製造される、食器類、瓦、タイル、碍子等の土練機によって押出された坏土から得られた成形用坏土を用いる、様々な形状のセラミックを製造する方法に用いることができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

気孔率が５９％（管理幅５６〜６２％）となるように、コージェライト組成粉末、成形助剤、界面活性剤、増孔剤、水を含有する成形原料約６００ｋｇを混合・混練した後、土練機によって坏土３ロット（第一〜第三のロット）を押出して得た。このようにして得られた坏土から、端面形状が３００ｍｍの円形、長さが１３００ｍｍの円柱状の成形用坏土を各５個形成した。実施例１〜１５の成形用坏土の質量［ｋｇ／ｍ］を最大２００ｋｇのクレーンスケールで測定した。本実施例においては、実施例１〜１５の成形用坏土の単位長さ（１ｍ）当たりの質量を求めた。従来の製造方法において行われているように、同時に、得られた実施例１〜１５の成形用坏土からサンプル片をサンプリングし、アルキメデス法で密度を測定し、この実施例１〜１５の成形用坏土の質量［ｋｇ／ｍ］に換算した。気孔率が５６〜６２％となる成形用坏土の質量の範囲は、８８〜９５ｋｇ／ｍである。表１に測定結果を示す。

上記の実施例１〜１５のそれぞれの成形用坏土を成形機（押出成形機）に充填して成形を行い、端面形状が１６０ｍｍの円形、長さが２００ｍｍの円柱状であり、セル形状は１．１７ｍｍ×１．１７ｍｍの四角形、セル密度：２６０セル／平方インチ（約４０．３セル／ｃｍ²）、隔壁厚さ：１２ｍｉｌ（約３００μｍ）のセラミックハニカム成形体を得、得られたセラミックハニカム成形体を抜き取りで焼成して、実施例１〜１５のそれぞれの成形用坏土から１５個のセラミックハニカム構造体を得た。焼成体（セラミックハニカム構造体）を切断し水銀圧入式ポロシメーターで気孔率を測定した。表１に測定結果を示す。また、実施例１〜１５の成形用坏土の質量の測定によって得られた結果のバラツキ（質量測定のバラツキ（σ）［ｋｇ］）と、アルミメデス密度換算のバラツキ（σ）［ｋｇ］とを表１に示す。

表１で明らかなように、第一ロットと第三ロットは、ほぼ均一に成形原料が混ざっており、実施例１〜５及び実施例１１〜１５の成形用坏土の質量と、アルキメデス法換算のそれぞれの成形用坏土の質量とも、管理幅内であるが、実施例１〜５及び実施例１１〜１５の成形用坏土の質量のバラツキ（σ）に較べ、アルキメデス法換算の成形用坏土の質量のバラツキ（σ）が大きく、それぞれの成形用坏土の質量は、安定していた。第二ロットは、アルキメデス法では、ロットアウトを把握できなかった。実施例１〜１５の成形用坏土の質量と気孔率は、高い相関を示し、気孔率制御に有効であった。

本発明のセラミックの製造方法は、成形用坏土の状態で質量を良好に管理し、例えば、粒子状物質を除去するための捕集フィルターや触媒担体等として用いることが可能な、安定した品質のセラミックを好適に製造することができる。

本発明のセラミックの製造方法の一の実施の形態における成形用坏土を得る工程を模式的に示す説明図である。 本発明のセラミックの製造方法の一の実施の形態における成形用坏土を成形する工程を模式的に示す説明図である。 フィルターとして用いたセラミックハニカム構造体の構造を示す概要説明図であり、セラミックハニカム構造体の一端面側から見た平面図である。 図３（ａ）に示すセラミックハニカム構造体の断面図である。

符号の説明

１…坏土、１ａ…成形用坏土、２…成形機、３…セラミックハニカム成形体、４…成形原料、５…混合機、６…土練機、７…シリンダー、８…口金、９…セル、１３…端面（流入側端面）、１５…端面（流出側端面）、１７…隔壁、１９，１９ａ，１９ｂ…セル、２１…目封止部。

Claims (7)

1. セラミック材料を含有する成形原料を混合・混練した後、土練機によって坏土を押出、前記坏土を所望の長さに切断して成形用坏土を得、前記成形用坏土を成形機に充填して成形して成形体を得、前記成形体を焼成してセラミックを得るセラミックの製造方法であって、
   前記成形機に充填するための前記成形用坏土の質量を測定し、測定した質量により前記成形用坏土の品質管理を行うセラミックの製造方法。
2. 前記成形用坏土の質量の範囲を設定し、所定範囲内の質量の前記成形用坏土を用いて成形を行う請求項１に記載のセラミックの製造方法。
3. 得られる前記セラミックの焼成後の気孔率の値により、前記成形用坏土の質量の前記範囲を設定する請求項２に記載のセラミックの製造方法。
4. 前記セラミック材料が、コージェライト、炭化珪素、窒化珪素、ムライト、アルミナ、及びシリカからなる群から選ばれる少なくとも１種である請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックの製造方法。
5. 前記セラミックがハニカム形状である請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックの製造方法。
6. 前記セラミックがパティキュレートフィルターである請求項１〜５のいずれかに記載のセラミックの製造方法
7. 前記成形原料として造孔材を含有するものを用いる請求項１〜６のいずれかに記載のセラミックの製造方法。

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