JP2603974B2 - 多孔質セラミック焼結体およびその製造方法 - Google Patents

多孔質セラミック焼結体およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、保水性に優れた多孔質セラミック焼結体お
よびその製造方法に関し、特にバイオリアクター、固液
(気)分離や微量不純物除去用の材料として有用な低嵩
密度の通気性を有する多孔質セラミック焼結体およびそ
の製造方法について提案する。
(従来の技術) 従来、前記用途に供される多孔質セラミック焼結体
は、例えば特開昭60-195073号公報に開示されているよ
うな;セラミック原料にウレタンプレポリマーの如き樹
脂類を澱粉などの炭水化物または炭化水素系化合物など
の結合剤とともに混合した後、成形−乾燥−焼結するこ
とにより製造されていた。
その他、上記セラミック原料粉末に代えて無機質繊維
やフィラーを使う方法も提案されている。これらの方法
は、前記繊維類にアルミナスラッジをバインダーとして
調整したスラリーに対し,ポリアクリルアミドなどの高
分子凝集剤を添加して成形−乾燥−焼結する方法とし
て、特開昭59-169989号公報に開示されている。
(発明が解決しようとする問題点) 前述のようにして得られた多孔質セラミック焼結体
は、まず前者の場合、焼成時に有機,無機系物質の発泡
を導いて多孔質体としているために、空孔サイズが均一
で強度に優れているものの嵩密度が高く、またセラミッ
ク原料粉末を使用しているために保水率が極めて悪いと
いう欠点があった。さらに、セラミック粉末と発泡剤と
を混練して成形するので大型成形品の製造が難しく、大
型構造物の作製に障害となっていた。
一方、後者の場合、アルミナスラッジをバインダーと
して使うために、脱水成形時における脱水性に劣り、バ
インダーの添加量が制限され、成形品の強度発現が不充
分である、という欠点があった。
本発明の目的は、上述した各従来技術の欠点を克服で
きると共に極めて高い保水率を有する多孔質セラミック
焼結体と有利なその製造方法を提案するところにある。
(問題点を解決するための手段) 本発明者らは、上掲の解決を必要とする課題に対し鋭
意研究を進めた結果、保水機能を付与するために使う
“無機質繊維”および“焼結体形成物質の粉末を分散さ
せたバインダー”を、互いに接合させるべき方法をみつ
け出し、これらを含む水性スラリーを調製し、このスラ
リーを脱水成形した後加熱して乾燥し焼成することによ
り、従来技術が抱えている上記欠点を実質的に解決,若
しくは大幅に軽減し得る抄紙構造の焼結体が得られるこ
とを知見した。
すなわち、本発明は、 無機質繊維50〜95重量%と、この無機質繊維を結合保
持するための5〜10μmの粘土鉱物からなる焼結体形成
粉末5〜10重量%からなる嵩密度:0.3g/cm3以下,保水
率:350%以上の抄紙構造を有する多孔質セラミック焼結
体であって、上記各無機質繊維の表面が、カチオン系高
分子凝集剤の作用によって焼結体形成粉末にて被覆され
ていることを特徴とする多孔質セラミック焼結体、 を提案すると同時に、 無機質繊維を主体とする繊維物質50〜95重量部、5〜
10μmの粘土鉱物からなる焼結体形成粉末5〜50重量%
および水400重量部の配合物に対して、乾燥強度保持剤
0.1〜10重量部を添加混合したスラリーに、さらに0.01
〜1.0重量部のカチオン系高分子凝集剤を添加混合する
ことによって上記無機質繊維の表面に上記焼結体形成粉
末を定着被覆し、次いで抄造成形し、その後所定の温度
で焼結することを特徴とする多孔質セラミック焼結体の
製造方法、 を提案する。
要するに、本発明焼結体の特徴は、無機質繊維が前記
焼結体形成粉末によりランダムに結合保持されたもので
構成されているところにある。
(作用) 前述のように本発明の多孔質セラミック焼結体は、嵩
密度が0.3g/cm3以下で保水率が350%以上の抄紙構造を
有するものであることが必要である。その理由は、嵩密
度が0.3g/cm3より大きく、保水率が350%より小さい
と、微生物を固定して使用するバイオリアクターなどに
あっては微生物を充分に着床させることが困難であり、
また酵素を固定化して使用するバイオリアクターにあっ
ては、高い反応効率を得ることが困難となるからであ
る。
また、この焼結体は、無機質繊維50〜95重量%および
この無機質繊維を結合保持する無機質結合剤5〜50重量
%とから成分組成を有するものであることが不可欠であ
る。その理由は、無機質繊維が50重量%より少ないと嵩
密度を充分に低くすることができず、バイオクリアクタ
ーとして必要不可欠な通水性が劣化するからであり、一
方95重量%よりも多いと、実質的に結合剤の量が少なく
なるため焼結体の保形性が劣化するからである。
次に、本発明にかかる上記焼結体の製造方法について
説明する。
さて、本発明において、成形に先立って調整する無機
繊維質スラリーは、主として無機質繊維と焼結体形成粉
末とカチオン系高分子凝集剤との混合物を素材としたも
のである。
そのうち、上記無機質繊維としては、使用分野に応じ
て決定される気孔系などの各種の条件を充足し得るもの
であればよく、例えばアルミナ繊維,アルミナ・シリカ
繊維,ムライト繊維,シリカ繊維,ロックウール等の人
造無機繊維、また山皮繊維等の天然無機繊維を使用する
ことができるが、特に後者の場合は、人造無機繊維との
配合が望ましい。また、組成についての制限は特にな
く、直径が0.1〜3.0μmで繊維長が0.3〜20mm程度のも
のが好ましい。
また、前記焼結体形成粉末は、各無機質繊維を結合保
持して焼結体としての望ましい形態を付与するために使
用するものであって、その特性としては、500℃〜1300
℃の加熱により反応して有用な成品となるものがよく、
けい石,カオリン系粘土等の粘土鉱物が用いられるが、
特にコロイダルシリカのようなミリミクロンサイズのSi
O2粒子を安定的に分散させたものが好ましい。なお、該
粉末のミリミクロンサイズの粒子を使用すると、無機質
繊維間の細孔を塞ぐことが少ないのでより好ましく、従
って、該粉末の粒子径は5μm〜10μm程度のものが好
適である。
本発明は、上記無機質繊維と焼結体形成粉末の混合物
に対し、バインダーとして水を加えてよく混合すること
で均一化を図るが、なお無機質繊維の表面を焼結体形成
物で包囲するように定着させるためには、凝集剤:すな
わちカチオン系高分子凝集剤を使用しなければならな
い。さらに本発明にあっては、前記凝集剤に先立って前
記水性無機質繊維スラリーの脱水成形体についてその強
度保持(乾燥によく耐えるため)を図るために、乾燥強
度保持剤;すなわち抄紙業界で使用されている紙力増強
剤;例えばポリアクリルアマイド系,ポリアミン系など
の高分子系合成樹脂、その他熱可塑性樹脂系,デンプン
系として生デンプン,変性デンプン等が添加される。な
お、カチオン系ポリマー,例えば:ポロアクリルアマイ
ド系ポリマーを使用するのは、多孔質セラミック製造時
に使用する水性スラリーの分散性および均一性の効果を
高めるためである。
次に、各配合物の配合量について説明する。
前記無機質繊維100重量部に対し、前記焼結体形成粉
末は5〜50重量部、乾燥強度保持剤としての紙力増強剤
は0.1〜10重量部、及びスラリーの均一分散を得るため
のカチオン性凝集剤0.01〜1重量部程度配合する。
上記の配合において、焼結体形成粉末の配合量が5重
量部よりも少ない場合は、製造した多孔質セラミック焼
結体の強度が不十分となり、逆に配合量が50重量部以上
になると、無機質繊維量が相対的に少なくなり、繊維表
面積が減少する分だけ保水性が低下し、気孔率が減少す
る。また、前記乾燥強度保持用紙力増強剤が少ない場合
は、乾燥時の強度がなく脆くなり、逆に多すぎると焼成
時にガスの発生が多くなって焼成時にトラブルを引き起
こす。また、カチオン系高分子凝集剤が0.01重量部未満
だと成形体の気孔が塞がれて気孔率が低下し、逆に多す
ぎる場合は脱水成形が不可能となる場合が生ずる。
上記のような配合組成になる無機質繊維の水性スラリ
ーは、望ましくは固形分濃度が0.1〜3.0重量%程度とな
るように、水,乾燥強度保持剤、カチオン性凝集剤の量
を調整してから成形する。その成形は、例えば吸引成形
のごとく、減圧下に予備脱水しつつ行うのが好ましい。
そして、得られた成形体は使用する合成高分子樹脂等に
応じた温度で加熱し乾燥(110℃×4hr)させる。その
後、無機質繊維と焼結体形成物質の焼成温度に応じた温
度で焼結(1060℃×5hr)を行って多孔質セラミック焼
結体の成形物を得る。
上述のようにして得られるセラミック焼結体は、通気
性多孔質のセラミック焼結体であり、濾過速度110sec/1
00cc以上、保水率が420%の高い保水率を有し、かつ嵩
密度が0.3g/cc以下の抄紙構造を有するものである。
(実施例) 実施例−1 アルミナ・シリカ繊維350重量部と粘土,珪砂及び長
石からなる微粉末50重量部とを、水60000重量部中に分
散させ、乾燥強度保持剤としてポリアミン系樹脂5重量
部を添加し、さらに凝集剤としてカチオンポリマー(ポ
リアクリルアマイド)1重量部を添加して、アルミナ・
シリカ繊維表面に、前記微粉末を吸着凝集させることに
より、均一な無機質繊維スラリーを得た。
次いで、周囲に多数の吸引用小孔を設けた円筒状の成
形用型(外径50mm,長さ200mm)の内部から吸引を行いつ
つ該成形用型の周囲に上記水性スラリーを付着させた
後、形成された湿潤状態の中空円筒体(外径80mm,内径5
0mm,長さ200mm)を上記型から外し、110℃で240分間加
熱乾燥した。
その後、1060℃で30分間焼成し、円筒状の多孔質セラ
ミック成形体を得た。その物性は密度0.285g/cm3,保水
率420%,濾過速度110sec/100ccであった。
実施例−2 アルミナ繊維300重量部と、ガラス粉末50重量部及び
コロイダルシリカ50重量部とを、水60000重量部中に分
散させ、乾燥強度保持剤として変性デンプン20重量部を
添加し、さらに凝集剤としてカチオンポリマー(ポリア
クリルアマイド)0.8重量部を添加して、アルミナ繊維
表面に前記微粉末を吸着凝集させ、均一な無機質繊維ス
ラリーを得た後、実施例1と同様にして中空円筒状成形
体を作り、105℃で240分間加熱乾燥した。
次いで、900℃で30分間焼成し、円筒状の多孔質セラ
ミック成形体を得た。得られた焼結体の物性は、密度0.
20g/cm3,保水率510%,濾過速度48sec/100ccであっ
た。
(発明の効果) 以上説明したように本発明製造方法によれば、無機質
繊維が均一に分散したスラリーが得られやすいので、品
質の安定した焼結体を製造するのに有効である。また、
本発明にかかる方法では焼成を高温で行なっているた
め、成形体内部に有機質系の物質が残留しないし、しか
も強度ならびに保水率が高く、通気性及び通水性の良好
な焼結体が安定して製造できる。
なお、本発明製造方法によって得られた多孔質セラミ
ック焼結体は、その高い保水性特性を生かした液相にお
けるバイオリアクター(固定化酵素,固定化微生物)と
して使用でき、また液相,気相における固型分の濾過、
微量不純物除去等の分野で使うと有用である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−210563(JP,A) 特開 昭60−186453(JP,A) 特公 昭51−43485(JP,B2)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】無機質繊維50〜95重量%と、この無機質繊
    維を結合保持するための5〜10μmの粘土鉱物からなる
    焼結体形成粉末5〜50重量%からなる嵩密度:0.3g/cm3
    以下,保水率:350%以上の抄紙構造を有する多孔質セラ
    ミック焼結体であって、上記各無機質繊維の表面が、カ
    チオン系高分子凝集剤の作用によって焼結体形成粉末に
    て被覆されていることを特徴とする多孔質セラミック焼
    結体。
  2. 【請求項2】上記無機質繊維は、その繊維径が0.1〜30
    μmであり、嵩密度が0.15〜0.30g/cm3、保水率が400%
    以上である特許請求の範囲第1項記載の多孔質セラミッ
    ク焼結体。
  3. 【請求項3】無機質繊維を主体とする繊維物質50〜95重
    量部、5〜10μmの粘土鉱物からなる焼結体形成粉末5
    〜50重量部および水400重量部の配合物に対して、乾燥
    強度保持剤0.1〜10重量部を添加混合したスラリーに、
    さらに0.01〜1.0重量部のカチオン系高分子凝集剤を添
    加混合することによって上記無機質繊維の表面に上記焼
    結体形成粉末を定着被覆し、次いで抄造成形し、その後
    所定の温度で焼結することを特徴とする多孔質セラミッ
    ク焼結体の製造方法。
  4. 【請求項4】上記無機質繊維の表面に定着被覆した焼結
    体形成粉末は、固形分濃度が0.1〜30%のものであるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第3項に記載の製造方
    法。
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