JP4659642B2

JP4659642B2 - 吸液用セラミック部材

Info

Publication number: JP4659642B2
Application number: JP2006050962A
Authority: JP
Inventors: 純哉上舞; 浩一西村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2026-02-27
Also published as: JP2007230786A

Description

本発明は、加湿用途や芳香、消臭用途、殺虫用途として、水、芳香剤、消臭剤や殺虫剤などの液体を、毛細管現象を利用して吸液し、表面より蒸散させるための吸液用セラミック部材に関する。

近年、加湿用途や芳香、消臭用途、殺虫用途として、水、芳香剤、消臭剤や殺虫剤などの液体を蒸散させる方式として、液体中に多孔質体の一部を浸漬させて、該多孔質体の毛細管現象を利用して薬液を供給するとともに、該多孔質体の表面より蒸散させる蒸散方式が知られている。

これらの吸い上げ蒸散用多孔質体として、樹脂が一般的に用いられているが、加熱用ヒーターを備えたものはその温度安定性から安全面から、近年セラミックス製が好適に用いられるようになりつつある。

薬液の吸い上げ性能を向上させるためには、吸い上げ蒸散用ロッドの軸方向に気孔が配向することが望ましく、静磁場中に静置したセラミックスラリー中で金属磁性材料を配向せしめ、セラミックススラリーを乾燥固化後、真空または不活性雰囲気中で金属磁性材料とセラミックスが反応する温度以下で熱処理することによって、配向した結晶粒子を表面に有する貫通孔を得ることが特許文献１に示されている。

また、特許文献２では、金属磁性繊維を熱処理後セラミックスとなる物質で被覆し、静磁場中で静置し、一方向に配向させ、その上にセラミックススラリーを被着し、次いで、酸処理により金属磁性繊維を除去した後、再度加熱し結合強化することによって配向した結晶粒子を表面に有する貫通孔を備えた部材を得ることが示されている。また、特許文献３では、表面を金属磁性材料で被覆した有機繊維状物質を磁場中で配向せしめ、その上にセラミックススラリーを被着し、ついで加熱除去して配向した結晶粒子を表面に有する貫通孔を得ることが記載されている。
特開平１０−１３９５６３号公報特開平１１−１１６３５２号公報特開平１１−１７１６６３号公報

しかしながら、特許文献１の方法によると、セラミックスが反応する温度以下で金属磁性材料を熱処理しなければならないため、反応温度以上で熱処理される金属を使用することができない。また、配向の制御が磁界方向の一方向のみであり、磁界方向に直交する方向の配向は制御されていないため、一方向への流体の浸透速度は制御可能であるが、外周への浸透速度を制御することが困難であり、外周から流体を蒸散させる場合、その蒸散速度の制御が困難となる。また、特許文献２、特許文献３の方法においても同様の問題が懸念される。

特許文献１〜３では、配向工程、被着工程、熱処理工程、さらにもう一度熱処理工程が必要となり、生産性も著しく悪い上、生産コストも多大なものとなる。

また、材料の粒子径や気孔率等で液の供給速度が大きく変化するため、原料、焼成温度等の高度な管理が要求される。

本発明は、主成分として扁平状の結晶粒子からなる多孔質セラミックスから成る柱状または筒状体により構成され、軸に略平行方向の断面において、結晶粒子が軸に対して略平行に配向し、且つ軸に略垂直方向の断面において、中心部から外周部に向かって所定方向に配向する複数の結晶粒子からなる配向部を放射状に備えたことを特徴とする。

また、本発明は、主成分として扁平状の結晶粒子からなる多孔質セラミックスから成る柱状または筒状体により構成され、軸に略平行方向の断面において、結晶粒子が軸に対して略平行に配向し、且つ軸に略垂直方向の断面において、外周に沿って所定方向に配向する複数の結晶粒子からなる配向部を同心状に備えたことを特徴とする。

さらに、前記軸に略垂直方向の断面において、前記配向部の結晶粒子の配向率が６０％〜９０％であることを特徴とする。

またさらに、前記多孔質セラミックスは、その気孔率が２０〜６０％であることを特徴とする。

また、前記多孔質セラミックスは、ムライト質セラミックスであることを特徴とする。

本発明は、主成分として扁平状の結晶粒子からなる多孔質セラミックスから成る柱状または筒状体により構成され、軸に略平行方向の断面において、結晶粒子が軸に対して略平行に配向し、且つ軸に略垂直方向の断面において、中心部から外周部に向かって所定方向に配向する複数の結晶粒子からなる配向部を放射状に備えたことから、配向部により吸液用セラミック部材の毛細管現象による吸い上げを促進する作用があり液体の浸漬部から一定量の液体を安定して吸い上げ、吸液用セラミック部材の内部から外表面への液体の浸透速度を制御することが可能であり、容易に蒸散速度を制御することができ、さらには液体の不規則な供給を防ぐことができる。また、配向部を放射状とした場合、配向方向を中心部から外周部に向かうようにすることにより、外表面への浸透速度が速くなるため、液の供給量が増加し、高い蒸散速度が要求される場合に有効となる。

さらに、配向部を同心状にとすることにより、同様に、配向部の結晶粒子の配向方向を制御することで液体の浸透速度を制御することが可能となり、容易に蒸散速度を制御することができる。また、配向部を同心状とした場合、配向方向を外周に沿って配向させることにより、内部から外表面への浸透速度が遅くなるため、外表面からの蒸散量が少なくなり、蒸散量の殆どが吸液用セラミック部材の開放側の端面からとなるため、非常に安定した蒸散速度を得ることができる。

さらに、蒸散速度は配向部によって制御されるため、これまでのように蒸散量を増加させるために多孔質セラミックスの気孔率を大きくする必要がなく、気孔率を上げるための樹脂粉末や炭素粉末等の気孔形成剤を添加する必要がなくなり、高度な焼成温度管理が必要なくなり、気孔形成剤の分解時に発生する有害ガスや温室効果ガスを抑制できる。

またさらに、前記軸に略垂直方向の断面において、前記配向部の結晶粒子の配向率が６０％〜９０％であることにより、先ず６０％以上とすることで配向方向への液体の浸透速度の促進が十分に行われ、蒸散速度の促進効果を得ることができ、さらに配向率を９０％以下とすることで、配向部とそれ以外の部分の境界部において結晶粒子の異方性が強くなりすぎることはなく、境界部において結晶粒子が剥離するのを有効に防止でき、また、内部応力や内部欠陥の発生が生じることなく液体の浸透速度を制御することができる。

また、前記多孔質セラミックスは、その気孔率が２０〜６０％であることにより、気孔率が低すぎるために気孔が塞がれ、貫通孔を成さなくなる問題を回避するとともに、気孔率が高すぎるために強度が著しく低下し、操作や組立の際に破損する問題を回避することができる。

また、前記多孔質セラミックスは、ムライト質セラミックスであることにより、その液相焼結による焼結進行過程により、焼成温度により気孔率を操作することが容易であり、粉砕による粒子形状を変化させることが容易であり、結晶形態が針状結晶をとることにより比較的異方性を持った結晶への粉砕が容易であることから、結晶粒子の偏平具合を容易に操作することができる。

以下、本発明の吸液用セラミック部材の実施形態について説明する。

先ず、本発明の吸液用セラミック部材の第1の実施形態について説明する。

図１は、本発明の吸液用セラミック部材１の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は同図（ａ）の軸に略平行方向のＢ−Ｂ‘線における断面図、（ｃ）は同図（ａ）の軸に略垂直方向のＣ−Ｃ’線における断面図である。

本発明の吸液用セラミック部材１は、多数の気孔２を有する多孔質セラミックスから成る柱状または筒状体により構成され、アルミナ、ムライト、シリカ、ジルコニア、窒化珪素等の種々のセラミックスを主成分とし、特にムライト質セラミックスから成ることが好ましい。これは、その液相焼結による焼結過程により、焼成温度により気孔率を操作することが容易であるとともに、粉砕による粒子形状を変化させることが容易であることから、結晶粒子の偏平形状を容易に操作することができるためである。

また、吸液用セラミック部材１を成す多孔質セラミックスの結晶粒子は主に偏平状の結晶粒子３とするものである。結晶粒子全体のうち扁平状の結晶粒子は、５０重量％以上、さらに好ましくは７０重量％以上、より好ましくは９５重量％以上を結晶粒子３からなることが好ましい。また、扁平状の結晶粒子３は、偏平の状態においては、アスペクト比３以上、好ましくは５以上、さらには１０以上とすることがより好ましい。このアスペクト比は、軸に対して略垂直方向の断面で観察した偏平状の結晶粒子３の最も長い辺を最も短い辺で除した数値とする。これは、アスペクト比の高い偏平状粒子ほど、配向率を高くすることが容易になるためであり、さらにはその配合比が高くなるほどその配向率が大きくなるからである。配向性が高くなると、配向した方向へは液体の浸透速度が速く、それに略直交する方向への液体の浸透速度は遅くなり、この２方向への液体の浸透速度が著しく変化する。

また、吸液用セラミック部材１を構成する多孔質セラミックスの気孔率は、２０％〜６０％とすることが好ましい。

これは、気孔率を２０％以上とすることで、各気孔２同士が確実に連通して連通孔となるため、十分な吸い上げ性能を確保できる。また、気孔率が６０％以下とすることで、著しい強度低下を避けられるため、操作時や組立時などに要求される強度を確保することができ、破損することを回避することができる。より好ましくは３５％〜４５％である。なお、気孔率の測定方法としては、ファインセラミックスの焼結体密度・開気孔率の測定方法（ＪＩＳＲ１６３４）に準拠して求めることができる。

さらに、本発明の吸液用セラミック部材１は、図１（ｂ）に示すように、軸Ａに略平行方向の断面において、扁平状の結晶粒子３が軸Ａに対して略平行に配向しており、且つ図１（ｃ）に示すように、軸Ａに略垂直方向の断面において、所定方向に配向する複数の結晶粒子３からなる配向部４を放射状に備えることが重要である。

この配向部４を有することにより、吸液用セラミック部材１の内部から外表面部に向けて液体が浸透する速度を制御できるため、液体の蒸散速度を制御することができ、液体の蒸散速度を配向部４の数等を制御することによって制御することが可能となる。

また、配向部４の結晶粒子３を図２（ａ）の拡大断面図に示す。ここで、所定方向に配向する複数の結晶粒子３からなる配向部４とは、軸Ａに略平行方向の断面において、断面の中心より結晶の重点５に向けて引いた直線７に対して、結晶粒子内に最長となるようにとった線分６が成す角度θが−２０°〜２０°の範囲内である結晶粒子が観察断面積に対して５０％以上となる領域を言う。なお、結晶粒子３の配向は、前記断面を研磨加工した後、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）によって観察する。

特に、配向部４を放射状に備えた場合には、配向の方向を中心部から外周部に向かう方向、即ち前記角度θが−２０°〜２０°とすることにより、外表面への液体の浸透速度を速くすることができるため、液体の供給量が増加し、高い蒸散速度が要求される場合に有効となる。

また、配向部４の配向率は、軸Ａに略垂直方向の断面において、配向部４の結晶粒子３の配向率が６０％〜９０％であることが好ましい。

配向部４における配向率を６０％以上とすることで不規則に配向した部分が少ないため、吸液用セラミック部材１の内部から外表面部への液体の浸透速度の促進が可能となる。なお、配向率を制御するには、詳細は後述するが、用いる結晶粒子３のアスペクト比が高いほど配向率を大きくでき、押出成形時の配向制御用の口金より金型までの距離を短くすることによっても大きくすることができる。一方、配向率が９０％を超えると配向率が高すぎるために配向部４とそれ以外の部分の界面において結晶粒子３の剥離が生じるために、９０％以下とすることで防止することができる。

なお、配向率の測定方法は、軸Ａに略平行方向の断面において、研磨加工を施し、その面をＳＥＭ（走査電子顕微鏡）にて観察し、上述の定義による配向した結晶粒子３が観察領域の断面積に対して割合を算出したものである。

また、前記配向部４を放射状に備えた場合として、例えば、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、図３（ａ）に示すように放射状の配向部４を複数備えたもの、（ｂ）のように規則的に配向部４を備えたもの、（ｃ）のように一部に配向部４を備えたもの等がある。これは、用いる液体の特性や、蒸散速度の要求に合わせて設計するもので、蒸散速度が速いほど図３（ａ）のような全体に配向部４を備えたものを用いればよく、また、液体消費時間が定められている場合は、図３（ｂ）、（ｃ）のように、配向部４の状態を変化させて蒸散速度を制御し、液体消費時間を制御することが可能である。

次いで、本発明の第２の実施形態について図4を用いて説明する。

図４は、上述の第1の実施形態における吸液用セラミック部材１における配向部４を、軸Ａを中心に同心状に備えたものである。

第1の実施形態と同様、主成分として扁平状の結晶粒子３からなる多孔質セラミックスから成る柱状または筒状体により構成され、図４（ａ）に示すように軸Ａに略平行方向のＢ−Ｂ’線における断面において、結晶粒子３が軸Ａに対して略平行に配向し、且つ図４（ｂ）に示すように軸Ａに略垂直方向のＣ−Ｃ’線における断面において、所定方向に配向する複数の結晶粒子３からなる配向部４を同心状に備えたものである。

ここで、中心部から外周部に向けて所定方向に配向する複数の結晶粒子３からなる配向部４とは、上述の第1の実施形態と同様な方法で確認でき、軸Ａに略平行方向の断面において、断面の中心より結晶の重点５に向けて引いた直線７に対して、結晶粒子内に最長となるようにとった線分６が成す角度θが７０°〜１１０°の範囲内である結晶粒子が観察断面積に対して５０％以上となる領域を言う。なお、結晶粒子３の配向は、前記断面を研磨加工した後、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）によって観察する。

配向部４を同心状に備えた場合には、結晶粒子３の配向の角度θが７０°〜１１０°の範囲となるように外周方向に沿った方向とすることにより、内部から外表面部への浸透速度を遅くすることができるため、外表面部からの蒸散量が少なくなり、蒸散量の殆どが吸液用セラミック部材１の開放側の端面からとなり、非常に安定した蒸散速度を得ることができる。

また、前記配向部４を放射状と同心状を組み合わせたものとして、図４（ｃ）に示すように、放射状部を一定間隔で設け、その他の部位を同心状に設計すれば、目的の蒸散量且つバラツキの少ない物となる。放射状部の放射角や数は、蒸散速度に合わせて都度設計すればよい。

さらに、同心状に配向部４を有する場合、配向部４における配向率は第１の実施形態と同様であるが、６０％〜９０％とすることが好ましく、６０％以上としたことにより、結晶粒子３の配向方向に直交する方向への液体の浸透速度の抑制が十分に行われ、蒸散速度を安定化することができる。一方、配向率が９０％を超えると焼成時に十分収縮できなくなってしまい、内部残留応力の発生や、内部クラックなどの内部欠陥の発生が生じてしまうため、同心状の場合にも配向率を６０％〜９０％とすることにより、内部応力や内部欠陥の発生が生じることなく液体の浸透速度を制御することができる。

次いで、本発明の吸液用セラミック部材１の製造方法について説明する。

本発明の吸液用セラミック部材１は、偏平状の結晶粒子３としてアルミナ、ムライト、シリカ、ジルコニア、窒化珪素などの電融・粉砕して作製されたものや、タルク、マイカなどの層状結晶からなるもの等が挙げられる。偏平状の結晶粒子３は、平均粒径が０．０１μｍ乃至１０００μｍ、アスペクト比３以上のものからなる原料粉体に、メチルセルロースなどの有機結合剤粉末を添加、３０分間の乾式撹拌後に水、ワックスエマルジョンなどの潤滑剤、分散剤などの液体を添加し、３０分間湿式撹拌を行い、押出し成形用の原料坏土を得る。

次に、得られた原料坏土を押出成形にて成形する。図５に押出成形装置の略断面図を示す。成形においては、例えば、焼成後に直径８ｍｍとなるような金型８を用いて成形する。成形は、結晶粒子３を配向させるための口金９を金型８の直前に装着させ、配向形態の制御を行う。

図６（ａ）〜（ｃ）に放射状に配向部４を備えた図３（ａ）〜（ｃ）に対応する口金９の略図を示す。また、同心状に配向部４を備える場合は、図７（ａ）に示すような口金９を用いればよく、放射状、同心状の配向部４を備える場合は図７（ｂ）に示す口金９を用いればよい。

図６、７に示すように、配向部４を形成したい場所に対応して、配向制御板１０を形成しており、押し出し成形時に坏土内では配向制御板１０に対して略垂直に圧力が加わること、また圧力に対し略垂直に粒子は配向することより、結果的に配向制御板１０に対して略平行に粒子が配向することを利用して配向を制御している。

詳細には、図３に示すように、結晶粒子３が中心部から外周部に向かって配向する配向部４を放射状に備えた場合には、図６に示すように中心部から外周部に向かって放射状に配向制御板１０を形成することで、配向制御板１０の間に介在する坏土は配向制御板１０に対して略平行に結晶粒子が配向するため、得られた焼結体は結晶粒子３が中心部から外周部に向かって配向する配向部４を備えることとなる。また、図４（ｂ）に示すように結晶粒子３が外周方向に沿って配向する配向部４を同心状に備えた場合には、図７（ａ）に示すように同心状に配向制御板１０を形成することで、配向制御板１０の間に介在する坏土は配向制御板１０に対して略平行に結晶粒子が配向するため、得られた焼結体は結晶粒子３が外周方向に沿って配向する配向部４を備えることとなる。

次に、得られた成形体を室温にて１０時間自然乾燥を行った後、６０℃の熱風乾燥にて２４時間乾燥させ、焼成後に７０ｍｍの長さとなるように切断した。

次に、大気雰囲気下でバッチ炉にて４５０℃まで昇温した後、５時間保持して脱脂した後に、続けて１１５０℃まで昇温し、８時間保持して焼成を行い、得られた焼成体をセンタレス研削機において、外径が７ｍｍφとなるように外周を研削加工した。

最後に、研削加工したものを超音波洗浄機にて洗浄した後、６０℃にて１２時間乾燥させ、本発明の吸液用セラミック部材１を得ることができる。

このようにして得られた本発明の吸液用セラミック部材１は、主として毛細管現象を利用して、例えば芳香剤、消臭剤、殺菌剤、殺虫剤などを含んだ液体を吸い上げ、大気開放部より液体を蒸散させる、液体蒸散用の吸液部材や、水などを吸い上げ、大気開放部より蒸散させる加湿用途などの、吸水部材などとして好適に用いることができる。また、本吸液用セラミック部材は、その高温における信頼性より、大気開放部を加熱して蒸散する、加熱蒸散装置などの吸液部材としても好適に用いることができる。

本発明の吸液用セラミック部材の一実施形態を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は軸に平行な方向の断面図、（ｃ）は軸に垂直な方向の断面図である。（ａ）は図１（ｃ）の配向部における結晶粒子を示す拡大断面図であり、（ｂ）は配向率を求める際の説明図である。本発明の吸液用セラミック部材の軸に垂直な方向の種々の形態における断面図である。本発明の吸液用セラミック部材の他の実施形態を示す図であり、（ａ）は軸に平行な方向の断面図、（ｂ）、（ｃ）は軸に垂直な方向の断面図である。本発明の吸液用セラミック部材の製造工程に用いる押出成形装置の概略を示す断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、配向部を形成するために用いる口金を示した正面図である。（ａ）、（ｂ）は、配向部を形成するために用いる口金を示した正面図である。

符号の説明

１：吸液用セラミック部材
２：気孔
３：結晶粒子
４：配向部
５：結晶断面の重心点
６：結晶内の最長線分
７：部材断面中心点より結晶断面重心点に向かって引いた直線
θ：結晶内の最長線分と部材断面中心点より結晶断面重心点に向かって引いた直線の角度
８：金型
９：口金
１０：配向制御板

Claims

主成分として扁平状の結晶粒子からなる多孔質セラミックスから成る柱状または筒状体により構成され、軸に略平行方向の断面において、結晶粒子が軸に対して略平行に配向し、且つ軸に略垂直方向の断面において、中心部から外周部に向かって所定方向に配向する複数の結晶粒子からなる配向部を放射状に備えたことを特徴とする吸液用セラミック部材。
主成分として扁平状の結晶粒子からなる多孔質セラミックスから成る柱状または筒状体により構成され、軸に略平行方向の断面において、結晶粒子が軸に対して略平行に配向し、且つ軸に略垂直方向の断面において、外周に沿って所定方向に配向する複数の結晶粒子からなる配向部を同心状に備えたことを特徴とする吸液用セラミック部材。
前記軸に略垂直方向の断面において、前記配向部の結晶粒子の配向率が６０％〜９０％であることを特徴とする請求項１または２に記載の吸液用セラミック部材。
前記多孔質セラミックスは、その気孔率が２０〜６０％であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の吸液用セラミック部材。
前記多孔質セラミックスは、ムライト質セラミックスであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の吸液用セラミック部材。