JP2006315943A - セラミックス焼結体の製造方法 - Google Patents

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Yasuaki Tamura
泰章 田村
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Abstract

【課題】水にセラミックス粉末が分散されてなるセラミックススラリーを噴霧乾燥してセラミックス顆粒を得、得られたセラミックス顆粒を成形したのち、焼結させて、セラミックススラリーを調製したのち噴霧乾燥するまでの時間に拘わらず、密度の等しいセラミックス焼結体を製造しうる方法を提供する。
【解決手段】本発明の製造方法は、セラミックススラリーが、セラミックス粉末100質量部あたり0.01〜2質量部の金属塩、セラミックス粉末100質量部あたり0.2〜0.8質量部のアニオン系界面活性剤、セラミックス粉末100質量部あたり0.1〜10質量部のアクリルエマルジョンおよびアクリルエマルジョン100質量部あたり4部〜20質量部のノニオン系界面活性剤を含むことを特徴とする。セラミックス粉末は、例えばアルミナ粉末である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、セラミックス焼結体の製造方法に関する。
高い密度のセラミックス焼結体を製造する方法として、セラミックス粉末を水に分散させてセラミックススラリーとし、これを噴霧乾燥してセラミックス顆粒を得、得られたセラミックス顆粒を成形したのち焼結させる方法が知られており、このようなセラミックススラリーとして、特許文献1〔特開昭63−274647号公報〕には、さらに焼結助剤等として金属塩、高分子バインダーおよびアニオン系界面活性剤を含むセラミックススラリーが開示されている。
特開昭63−274647号公報
しかし、かかる従来のセラミックススラリーを用いた製造方法では、セラミックススラリーを調製した後、噴霧乾燥するまでの時間により、密度の異なるセラミックス焼結体が得られることがあった。
そこで本発明者は、セラミックススラリーを調製した後、噴霧乾燥するまでの時間が変わっても、密度の等しいセラミックス焼結体が得られる方法を開発するべく鋭意検討した結
果、本発明に至った。
すなわち本発明は、水にセラミックス粉末が分散されてなるセラミックススラリーを噴霧乾燥してセラミックス顆粒を得、得られたセラミックス顆粒を成形したのち、焼結させてセラミックス焼結体を製造する方法であり、
前記セラミックススラリーが、
セラミックス粉末100質量部あたり0.01質量部〜2質量部の金属塩、
セラミックス粉末100質量部あたり0.2質量部〜0.8質量部のアニオン系界面活性剤、
セラミックス粉末100質量部あたり0.1質量部〜10質量部のアクリルエマルジョンおよび
アクリルエマルジョン100質量部あたり4質量部〜20質量部のノニオン系界面活性剤を含むことを特徴とする前記セラミックス焼結体の製造方法を提供するものである。
本発明の製造方法によれば、セラミックススラリーを調製した後、噴霧乾燥するまでの時間に拘わらず、同じ密度のセラミックス焼結体を製造することができる。
本発明の製造方法に用いられるセラミックススラリーは、水にセラミックス粉末が分散さ
れてなるものである。セラミックス粉末としては、例えばアルミナ粉末、窒化珪素粉末、
炭化珪素粉末、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコニウム酸鉛粉末、シリカ粉末、アルミ
ニウムと窒素および酸素との化合物(AlON)の粉末、シリコンおよびアルミニウムと
窒素および酸素との化合物(SiAlON)の粉末などが挙げられる。セラミックス粉末
の粒子径は中心粒子径で通常5μm以下、好ましくは3μm以下である。セラミックスス
ラリーにおけるセラミックス粉末の含有量は、噴霧乾燥の条件により異なるが、通常はセ
ラミックススラリー1Lあたり200g〜2000g程度、好ましくは600g〜150
0g程度である。
本発明の製造方法で使用するセラミックススラリーは、金属塩、アニオン系界面活性剤、アクリルエマルジョンおよびノニオン系界面活性剤を含む。
金属塩は、焼結助剤、凝集剤、水素イオン濃度調整剤(pH調整剤)などとしてセラミッ
クススラリーに添加されるものであり、例えば硫酸アルミニウムなどのアルミニウムの塩
、塩化マグネシウム、硝酸マグネシウム、硫酸マグネシウムなどのマグネシウムの塩、オ
キシ塩化ジルコニウムなどのジルコニウムの塩、希土類の硝酸塩、硫酸塩、塩化物などの
塩が挙げられる。セラミックススラリーにおける金属塩の含有量は、該セラミックス粉末
100質量部あたり0.01質量部〜2質量部である。
アニオン系界面活性剤としては、例えばポリカルボン酸アンモニウム、ポリカルボン酸ナトリウム塩などのポリカルボン酸の塩などが挙げられる。セラミックススラリーにおけるアニオン系界面活性剤の含有量は、セラミックス粉末100質量部あたり0.2質量部〜0.8質量部、好ましくは0.3質量部〜0.6質量部である。
アクリルエマルジョンは、バインダーとして添加される添加剤であり、分子中にアクリル
基またはメタクリル基を有する化合物を重合させて得られる高分子化合物のエマルジョン
である。アクリル基を有する化合物としては、例えばアクリル酸、メチルアクリレート、
エチルアクリレート、n−ブチルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、イソ
オクチルアクリレート、アクリルアミド、N−イソプロピルアクリルアミド、2−ヒドロ
キシエチルアクリレート、4−ヒドロキシブチルアクリレートなどが挙げられる。メタク
リル基を有する化合物としては、例えばメタクリル酸、メチルメタクリレート、エチルメ
タクリレート、n−ブチルメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、イソオ
クチルメタクリレート、メタクリルアミド、N−イソプロピルメタクリルアミド、2−ヒ
ドロキシエチルメタクリレート、4−ヒドロキシブチルメタクリレートなどが挙げられる
。セラミックススラリーにおけるアクリルエマルジョンの含有量は、セラミックス粉末1
00質量部あたり0.1質量部〜10質量部である。
ノニオン系界面活性剤としては、例えばポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキ
シエチレンフェニルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンアルキルエーテ
ル、ポリオキシエチレンスチレン化フェニルエーテル、ポリオキシアルキレンアルキルエ
ーテルなどが挙げられる。かかるノニオン系界面活性剤のセラミックススラリーにおける
含有量は、アクリルエマルジョン100質量部あたり4質量部〜20質量部、好ましくは
15質量部以下である。
セラミックススラリーは、他の添加剤、例えば滑剤を含有していてもよい。滑剤としては、ワックス、ステアリン酸などが挙げられ、エマルジョン状であってもよい。
かかるセラミックススラリーは、水にセラミックス粉末、金属塩、アニオン系界面活性剤、アクリルエマルジョンおよびノニオン系界面活性剤を加えて混合することにより製造することができ、水にセラミックス粉末、金属塩、アニオン系界面活性剤、アクリルエマルジョンおよびノニオン系界面活性剤を加えた後、ボールミルなどの分散機を用いる方法、超音波を照射する方法などにより分散処理してもよい。
得られたセラミックススラリーを噴霧乾燥してセラミックス顆粒を得る。噴霧乾燥は、例
えばセラミックススラリーをノズルから噴霧して液滴とし、気流中で乾燥させることによ
り行われ、これにより、液滴として噴霧されたセラミックススラリー中の水分が蒸発し、
セラミックス粉末同士が凝集して、セラミックス顆粒が得られる。セラミックス顆粒の粒
子径は、通常20μm〜0.2mm程度である。粒子径は、例えばノズルから噴霧される
際の液滴径、セラミックススラリー中の水分量などによりコントロールすることができる
かくして、セラミックス粉末、セラミックス粉末100質量部あたり0.01質量部〜2質量部の金属塩、セラミックス粉末100質量部あたり0.2質量部〜0.8質量部のアニオン系界面活性剤、セラミックス粉末100質量部あたり0.1質量部〜10質量部のアクリルエマルジョンおよびアクリルエマルジョン100質量部あたり4質量部〜20質量部のノニオン系界面活性剤を含むセラミックス顆粒を得ることができる。
得られたセラミックス顆粒を成形する方法としては通常、セラミックス顆粒を成形型の中
に充填し、プレスして圧密させるプレス成形法が挙げられる。成形型は、金属製であって
もよいし、ゴム製であってもよい。セラミックス顆粒を圧密させることにより、セラミッ
クス粉末が互いに圧密されたセラミックス成形体を得ることができる。
成形により得られた成形体を焼結させることにより、目的のセラミックス焼結体を得る。
焼結条件は、セラミックス粉末が焼結しうる条件であればよく、例えばセラミックス粉末
としてアルミナ粉末を用いた場合には、通常1400℃〜1800℃程度の温度で焼成す
ることにより、アルミナ粉末同士を焼結させることができる。
かくして本発明の方法により製造されるセラミックス焼結体は、セラミックススラリーを
調製したのち、噴霧乾燥してセラミックス顆粒を得る間での期間に拘わらず、一定の密度
を示す。
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明は、かかる実施例により限定
されるものではない。
〔実施例1〕
粉末状の高純度αアルミナ〔住友化学(株)製、「AKP−53」、重量基準の中心粒子径0.2μm〕100質量部に、アニオン系界面活性剤〔ポリカルボン酸アンモニウム塩〕の水溶液(濃度40質量%)1.5質量部(固形分0.6質量部)、硝酸マグネシウム〔金属塩〕0.19質量部を加えたのち、水140質量部を加えてスラリーとし、次いでアクリルエマルジョン2.5質量部(固形分換算)、ノニオン系界面活性剤〔ライオン(株)製、「レオックス2010C」、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル、曇点基準のHLB値は13.0、計算値によるHLB値は11.5、曇点69.5℃、水酸基価77.8KOHmg/g、表面張力29.5mN/m、浸透力180(秒)以上〕0.25質量部、滑剤〔ステアリン酸〕0.5質量部を加えて攪拌した後、さらに攪拌下に硫酸アルミニウム0.15質量部を加えて、アルミナスラリーを得た。このアルミナスラリーにおける硝酸マグネシウムおよび硫酸アルミニウムの合計含有量は、0.34質量部である。
上記で得たアルミナスラリーを更に30分間攪拌した後、スプレードライして、粒子径が
20μm〜0.1mmの範囲にあるアルミナ顆粒を得た。
上記で得たアルミナ顆粒を金属製成形型内に充填し、30MPaでプレスして、直径20mm、厚み5mmのペレット状に成形したのち、このペレットをゴム製成形型内に装填し、100MPaでプレスして、直径20mm、厚み4mmのペレット状の成形体とした。次いでこの成形体を電気炉内で、大気中、1450℃、2時間の条件で焼結させて、アルミナ焼結体を得た。この焼結体の密度をアルキメデス法により測定したところ、3.928g/cm3であった。
上記で得たアルミナスラリーを更に3日間攪拌した以外は上記と同様に操作してアルミナ焼結体を得た。この焼結体の密度は3.924g/cm3であった。結果を第1表に示す
〔比較例1〕
ノニオン系界面活性剤〔レオックス2010C〕を添加することなくアルミナスラリーを
得た以外は実施例1と同様に操作してアルミナ焼結体を得た。結果を第1表に示す。
〔実施例2〕
高純度αアルミナ〔AKP−53〕に代えて粉末状の高純度αアルミナ〔住友化学(株)製
、「AKP−30」、重量基準の中心粒子径0.5μm〕100質量部を用い、
アニオン系界面活性剤〔ポリカルボン酸アンモニウム塩〕の水溶液の使用量を0.925質量部(固形分0.37質量部)とし、
硫酸アルミニウムの使用量を0.2質量部とし、
焼結温度を1550℃とした以外は実施例1と同様に操作してアルミナ焼結体を得、評価を行った。なお、用いたアルミナスラリーにおける硝酸マグネシウムおよび硫酸アルミニウムの合計含有量は、0.39質量部である。結果を第1表に示す。
また、第1表には、アルミナ顆粒を金属製成形型内に充填し、100MPaでプレスして、幅5mm、長さ50mm、厚み5mmの矩形状に成形したのち、3点曲げ試験により、成形体強度を測定した結果を併せて示す。
〔比較例2〕
ノニオン系界面活性剤〔レオックス2010C〕の使用量を0.075質量部とした以外
は実施例2と同様に操作してアルミナ焼結体を得た。結果を第1表に示す。
〔比較例3〕
アニオン系界面活性剤〔ポリカルボン酸アンモニウム塩〕の水溶液の使用量を2.5質量部〔固形分1質量部〕とした以外は実施例2と同様に操作して、アルミナ焼結体を得た。結果を第一表に示す。
〔比較例4〕
高純度アルミナ〔AKP−53〕に代えて、粉末状の高純度αアルミナ〔住友化学(株)製、「AKP−30」、重量基準の中心粒子径0.2μm〕100質量部を用い、ポリカルボン酸アンモニウムの水溶液を使用せず、水の使用量を520質量部とした以外は実施例1と同様に操作してスラリーを得、次いで硫酸アルミニウムの使用量を0.2質量部とした以外は実施例1と同様に操作して、アルミナスラリー〔硝酸マグネシウムおよび硫酸アルミニウムの合計含有量は0.39質量部〕を得た。
実施例1で得たアルミナスラリーに代えて上記で得たアルミナスラリーを用いた以外は実施例1と同様に操作して、アルミナ顆粒を得た。
実施例2で得たアルミナ顆粒に代えて上記で得たアルミナ顆粒を用いた以外は実施例2と同様に操作して矩形状の成形体を得、3点曲げ試験により、成形体強度を測定した。結果を第1表に示す。


第 1 表
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
ノニオン系 アニオン系 金属塩 攪拌時間 焼結体の密度 成形体強度
界面活性剤 界面活性剤
(質量部) (質量部) (質量部) (g/cm3) (MPa)
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
実施例1 0.25 0.60 0.34 30分 3.928 −
3日 3.924 −
比較例1 − 0.60 0.34 30分 3.905 −
3日 3.884 −
実施例2 0.25 0.37 0.39 30分 3.963 30
3日 3.961 34
比較例2 0.075 0.37 0.39 30分 3.963 31
3日 3.957 31
比較例3 0.25 1.0 0.39 30分 3.918 36
3日 3.918 32
比較例4 0.25 0 0.39 30分 ― 29
3日 − 23
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

Claims (4)

  1. 水にセラミックス粉末が分散されてなるセラミックススラリーを噴霧乾燥してセラミックス顆粒を得、得られたセラミックス顆粒を成形したのち、焼結させてセラミックス焼結体を製造する方法であり、
    前記セラミックススラリーが、
    セラミックス粉末100質量部あたり0.01質量部〜2質量部の金属塩、
    セラミックス粉末100質量部あたり0.2質量部〜0.8質量部のアニオン系界面活性剤、
    セラミックス粉末100質量部あたり0.1質量部〜10質量部のアクリルエマルジョン
    および
    アクリルエマルジョン100質量部あたり4質量部〜20質量部のノニオン系界面活性剤
    を含むことを特徴とする前記セラミックス焼結体の製造方法。
  2. セラミックス粉末がアルミナ粉末である請求項1に記載の製造方法。
  3. 水にセラミックス粉末が分散されてなり、
    セラミックス粉末100質量部あたり0.01質量部〜2質量部の金属塩、
    セラミックス粉末100質量部あたり0.2質量部〜0.8質量部のアニオン系界面活性剤、
    セラミックス粉末100質量部あたり0.1質量部〜10質量部のアクリルエマルジョン
    および
    アクリルエマルジョン100質量部あたり4質量部〜20質量部のノニオン系界面活性剤
    を含むことを特徴とするセラミックスラリー。
  4. セラミックス粉末、
    セラミックス粉末100質量部あたり0.01質量部〜2質量部の金属塩、
    セラミックス粉末100質量部あたり0.2質量部〜0.8質量部のアニオン系界面活性剤、
    セラミックス粉末100質量部あたり0.1質量部〜10質量部のアクリルエマルジョンおよび
    アクリルエマルジョン100質量部あたり4質量部〜20質量部のノニオン系界面活性剤を含むことを特徴とするセラミックス顆粒。
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