JP2019064172A - 固化体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】型にスラリーを注型して加圧する固化体の製造方法に関する。【解決手段】スラリー３はシリカ粉末及び水を有し、スラリー３に型２３を介してバイブレータ１７振動を加え、型２１は空気抜き２２を有し、型２１、２３、２５を容器内２７、２９に入れ、容器２７、２９内の圧力を負圧とする固化体１の製造方法である。また、容器２７、２９内の圧力を負圧と常圧を繰り返してもよい。スラリー３内に含まれる気泡及び水に溶解された空気を除去することができる。固化体１の物性値を改善し向上できる。【選択図】 図１

Description

本発明は、型にスラリーを注型して加圧する固化体の製造方法に関する。

焼成をしないセラミックスの固化体は、シリカ粉末等に水を混ぜスラリー化し、型にスラリーを注型して加圧して製造する。従来、高粘度のスラリーを用いて固化していたため、スラリーの注型（充填）、成型、脱水時の空孔欠陥発生が避けられなかった。

特許文献１には、スラリーの成型機において、スラリーに振動を加える方法が記載されている。これによりスラリーに含まれる気泡を除去することが可能である。しかし、スラリーの水の中に溶解された空気を除去することはできない。

特開平６−８２１８号公報

本発明の課題は上記のような従来の問題を解決し、スラリーの水の中に溶解された空気を除去する固化体の製造方法を提供することである。

以下の発明により、スラリーの水の中に溶解された空気を除去する固化体の製造方法を提供する。
発明１は、型にスラリーを注型して加圧する固化体の製造方法において、スラリーはシリカ粉末及び水を有し、スラリーに型を介して振動を加え、型は空気抜きを有し、型を容器内に入れ、容器内の圧力を負圧にすることを特徴とする固化体の製造方法である。
発明２は、容器内の圧力を負圧と常圧を繰り返すことを特徴とする発明１に記載する固化体の製造方法である。
発明３は、容器内の圧力は、―０．１ＭＰａ以下であることを特徴とする発明１又は２に記載する固化体の製造方法である。
発明４は、加圧の加圧力は、５ＭＰａ以上、１７ＭＰａ以下であることを特徴とする発明１乃至３のいずれか１つに記載する固化体の製造方法である。
発明５は、スラリーの含水率は、１３％以上１３．３％以下であることを特徴とする発明１乃至４のいずれか１つに記載する固化体の製造方法である。

本発明により、焼成をしないセラミックスの固化体の製造方法において、空孔が発生しない固化体が製造できる。即ち、本発明は、「スラリー混錬ープレス型への振動注型（充填）ー加圧成形」までの一連の工程を減圧環境下において実施する。振動注型（充填）したことにより、空気の巻込み防止が可能となる。また、スラリーは低粘度化ので、注型の時間が短縮でき生産性の向上が図れる。ここで、型は空気抜きを有し、型を容器内に入れ、容器内の圧力を負圧、又は負圧と常圧を繰り返すので減圧環境となる。減圧により、スラリーの水に溶解した空気が除去される。これにより、固化反応・乾燥時等に溶解されている空気によるボイドの発生をなくすことができる。

製造装置の模式的に示す図 製造装置のプロト機を示す図 プロセスを示す図 固化体を示す図 固化体の適正な製造条件を示す図

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

図１は、製造装置１０の模式図である。製造装置１０は、プレスを行う油圧シリンダー１１、上部の固定プレート１３、及び下部の稼働プレート１５を有し、固定プレート１３と稼働プレート１５の間にスラリー３を成形する型類を収納させている。即ち、固定プレート１３の下面に上ケ容器２７を取り付け、稼働プレート１５の上面に下容器２９を取り付ける。上容器２７と下容器２９は、Ｏリング等のシール３１を介して、気密性を保ちつつ摺動可能に勘合されている。下容器２９の内部には、下ポンチ２５およびダイス２１が勘合されて設置される。下ポンチ２５及びダイス２１で構成される内部の凹部に、スラリー３が注入される。スラリー３の上部には上ポンチ２３が、ダイス２１に勘合している。ダイス２１の上部には、上ポンチ２３との間に空気抜き２２を有する。空気抜き２２はスラリー３からの空気を抜くために設けられる。よって、ダイス２１の上部の全周ではなく間欠的に設けられる。これにより上ポンチ２３と当接される面もあり、この面が位置決めとして確保される。油圧シリンダー１１を稼働させて稼働プレート１５を上昇させると、図１に示すように上ポンチ２３の上面と上容器２７の内部の上面を当接される。よって、固定プレート１３の上面に当接させたバイブレータ１７を稼働させて固定プレート１３、上容器２９を介して上ポンチ２３を振動させる。これによりスラリー３には、圧縮力と振動が付与される。ここで、真空引き用のポンプ１９を稼働させると、上容器２７と下容器２９とは気密性を保って勘合されているので、真空に近い圧力になり大気圧に対して負圧となる。スラリー３は、下ポンチ２５、ダイス２１及び上ポンチ２３に内部に収納されているが、空気抜き２２にて負圧が付与される。

図２は、製造装置１０のプロト機を示す図である。図２は上より、バイブレータ１７、固定プレート１３、上容器２７、下容器２９、稼働プレート１５、油圧シリンダー１１、及びポンプ１９を示す。

図３はプロセスを示す図である。S１０１にて、原料粉体としてシリカ粉末を準備する。S１０２にて、シリカ粉末の活性化処理を行い、シリカ粉末の表面を溶出し易くする。S１０３にて、アルカリ水溶液を加える。S１０４にて、手混錬を行う。S１０５にて、機械を用いて混錬を行い、スラリー３を作成する。スラリー３は、高粘度で主に大小のシリカ粉末と水とで構成される。また、スラリー３には、空気が気泡及び水中に溶存されて取り込まれている。S１０６にて、スラリー３は、下ポンチ２５およびダイス２１で構成される内部の凹部に注型される。

この後、スラリー３に上ポンチ２３を当接させて油圧シリンダー１１を作動させて、スラリー３に圧縮力を付与する。同時に、バイブレータ１７を作動させてスラリー３に振動を付与する。S１０７は、スラリー３に圧縮力及び振動を付与しつつ、ポンプ１９を稼働させてスラリー３に負圧を付与する。ポンプ１９は、約１〜５分作動後、停止して常圧に戻す。負圧は、−０．１から―０．０８ＭＰａである。ポンプ１９は、吸引圧力５ＭＰａ、吸引流量１００ｌ/ｍｉｎのロータリーポンプを用いた。空気抜き２２近傍のスラリー３の水中の溶解された空気が減少し、空気抜き２２から離れたスラリー３の水中に溶解された空気は遅れて減少する。よって、常圧に戻すことでスラリー３の水（溶解された空気）の分布を均一化されるので、効率的にスラリー３の水中に溶解された空気を除去できる。よって、ポンプ１９の稼働、停止は、２回以上繰り返すのが良い。
ここで、振動は、主にスラリー３中の空気を抜くことに作用する。また、負圧は、水に溶存されている空気を気泡化させて除去することに寄与する。

S１０９にて、スラリー３の固化反応を行う。固化反応は、スラリー３を、下ポンチ２５、ダイス２１、及び上ポンチ２３で密閉された状態で行う。スラリー３が約５０ｃｍ^３ の場合、温度８０〜１００℃、時間６〜２４ｈである。S１１０にて、脱型を行いスラリー３のみの状態として乾燥させて固化体１とする。スラリー３が約５０ｃｍ^３ の場合、乾燥は、温度８０〜１３０℃、時間６〜２４ｈである。よって、スラリー３の水中に溶解された空気を除去するより、固化反応、乾燥における固化体１のボイドの発生を防ぐことができる。

下ポンチ２５、ダイス２１、及び上ポンチ２３は型である。型には、スラリー３を注型して、振動及び加圧力を加えることができ、空気抜き２２を有すればよい。減圧環境下において、空気抜き２２より、スラリー３の水中に溶解された空気を除去することができる。

摩砕したシリカ粉末を使用し、焼成をせずにセラミックス固化体を生成するにあたり、従来は混合した粉体を高粘度のスラリー１０３としてから固化体１０１にしていた。高粘度のスラリー１０３は、注型（充填）に時間を要する。また、空気の巻き込みも発生し易く、固化体１０１には欠陥（空孔、ボイド）も多くなり易い。
これに対し、本発明は、「スラリー混錬ープレス型への振動注型（充填）ー加圧成形」までの一連の工程を減圧環境下において実施する。振動注型（充填）したことにより、空気の巻込み防止が可能となる。また、スラリー３は低粘度化する。スラリー３の低粘度化により注型の時間が短縮でき生産性の向上が図れる。
更に、型は空気抜き２２を有し、型を容器内に入れ、容器内の圧力を負圧と常圧を繰り返すので、減圧環境となる。減圧により、スラリー３の水に溶解した空気が除去される。これにより、固化反応時に溶解されている空気によるボイドの発生をなくすことができる。

図４は、本発明の固化体１を示す。固化体１及び従来の固化体１０１の、外観及び断面を示す。固化体１は、図５における適正な製造条件おける加圧力１４．５ＭＰａ、含水率１３．０４％（物性確認）のサンプルである。固化体１０１は、振動注型（充填）及び減圧環境の操作は行っていない。
外観及び断面を目視で観察すると、固化体１０１には、大きな空孔５１、小さな空孔５３（ボイド）が存在するが、固化体１にはいずれもない。

図５は、固化体１の適正な製造条件を示す図である。縦軸はプレスの加圧力（ＭＰａ）、横軸はスラリー３の含水率（％）である。含水率は、スラリー３を、シリカ粉末に３Ｍ(濃度，ｍｏｌ/L)水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を加えて作製したが、その水の割合（％）である。
固化体１を２回に分けてサンプルを製作して、ワレと図４に示す空孔５１、５３の有無を確認した（表示：１回目：丸、２回目：四角）。白丸、白四角は、ワレ及び空孔５１、５３は発生していない。一方、黒丸はワレ、黒四角は小さな空孔５３（ボイド）が発生した。
ワレは、加圧力１９ＭＰａ、含水率１３．０２％で発生した。これは、加圧力が高いため粒子間強度が弱くなり、除荷した際のスプリングバックによる。よって、加圧力は、１７ＭＰａ以下が良い。また、成型に必要な加圧力は、５ＭＰａ以上である。
ボイドは、含水率１３．４２％で発生した。含水率が多いと固化反応・乾燥時に水蒸気が発生してボイドになる。よって、含水率は、含水率１３．３％以下が良い。また、含水率が小さいと高粘度になって使用できない。よって、含水率１３％以上が良い。
以上より、固化体１の適正な製造条件は、スラリー３の加圧力が５ＭＰａ以上、１７ＭＰａ以下であり、スラリー３の含水率が１３％以上、１３．３％以下である。

表１は、本発明の固化体１と従来法による固化体１０１の物性値を示す。固化体１は、図５における適正な製造条件おける加圧力１４．５ＭＰａ、含水率１３．０４％（物性確認）のサンプルである。
空孔５１、５３が無くなったことにより、熱伝導率、ショア硬さ、密度が大幅に改善され向上している。

本製造方法による固化体１は、物性値を改善し向上できる。特に、熱伝導率等が良いので、車載用ブレーキパッド、電気電子部品冷却用のヒートシンク材等に適用できる。

１ 固化体
３ スラリー
１０ 製造装置
１１ 油圧シリンダー
１３ 固定プレート（ブレス、上部）
１５ 稼働プレート（プレス、下部）
１７ バイブレータ
１９ ポンプ
２１ ダイス
２２ 空気抜き
２３ 上ポンチ
２５ 下ポンチ
２７ 上容器
２９ 下容器
３１ シール
５１ 空孔（大）
５３ 空孔（小）

Claims (5)

1. 型にスラリーを注型して加圧する固化体の製造方法において、
   前記スラリーはシリカ粉末及び水を有し、
   前記スラリーに型を介して振動を加え、
   前記型は空気抜きを有し、
   前記型を容器内に入れ、前記容器内の圧力を負圧にすることを特徴とする固化体の製造方法。
2. 前記容器内の圧力を負圧と常圧を繰り返すことを特徴とする請求項１に記載する固化体の製造方法。
3. 前記容器内の圧力は、―０．１ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載する固化体の製造方法。
4. 前記加圧の加圧力は、５ＭＰａ以上、１７ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載する固化体の製造方法。
5. 前記スラリーの含水率は、１３％以上、１３．３％以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載する固化体の製造方法。