JP5142270B2 - 粉末材料と有機バインダーを含有する成形体からそれに含まれる有機バインダーを抽出除去する方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス粉や金属粉などの成形体からそれに含まれる有機バインダーを除去する方法に関する。

一般に、セラミックス粉や金属粉を含む成形体を焼成して焼結成形品を製造するに当たっては、成形性と強度を与えるために、成形体にあらかじめ熱可塑性樹脂やワックス等の有機バインダーが添加されている。この有機バインダー含む成形品をそのまま焼成すると、成形体の膨れやクラックなどを生じるために、焼成前にこれらの有機バインダーを除去することが必要となる。

これまで、このような有機バインダー成分は加熱あるいは溶媒により抽出されていたが、効率的な脱脂法として、図３に示されるように、超臨界状態の二酸化炭素などを利用する方法が提案された（特許文献１、特許文献２）。
図３において、ボンベに蓄えられた液体二酸化炭素１は、高圧ポンプ２によって、脱脂槽３に送られる。脱脂槽３は、加熱ヒーター６により臨界点温度以上に加熱されているため、二酸化炭素は超臨界状態となり、成形体８のバインダー成分を抽出する。バインダー成分を溶かしこんだ二酸化炭素は減圧バルブ５で減圧され、減圧・分離槽４で抽出成分を放出する。減圧されて気体状態になった二酸化炭素は二酸化炭素液化ポンプ７で再び液化され、ボンベ１に蓄えられる。

この方法は、従来の単なる加熱法や溶媒抽出法に比べ優れたものである。しかし、臨界二酸化炭素は高い抽出力を持つものの、抽出成分の溶解度は小さいため、二酸化炭素を大量に循環使用する必要があり、このため、二酸化炭素の減圧槽、再加圧装置が必要となり、設備が大掛かりとなる。

そこで、図２に示されるような、脱脂高圧容器内に抽出有機バインダー成分を吸着するモレキュラーシーブや活性炭等の固体吸着剤を配置し、二酸化炭素に溶解した抽出成分をこの吸着剤で吸着することにより、二酸化炭素を循環しないで効率的に脱脂を行う方法が提案された（特許文献３）。
図２において、ボンベに蓄えられた液体二酸化炭素１は、高圧ポンプ２によって脱脂槽３に送られる。脱脂槽３は、加熱ヒーター６により臨界点温度以上に加熱されているため、二酸化炭素は超臨界状態となり、成形体８のバインダー成分を抽出する。抽出されたバインダーは活性炭、モレキュラーシーブ等からなる固体吸着剤４に吸着され、脱脂槽３内で対流してふたたびバインダーを吸着する。このように超臨界二酸化炭素は脱脂槽内で循環するため、減圧バルブ５は閉められており、二酸化炭素の減圧、加圧を繰り返す必要はない。脱脂処理後、二酸化炭素は減圧バルブ５で減圧されて外に放出される。

このような固体吸着剤を用いたシステムでは二酸化炭素を循環させる必要がないため、抽出操作中に改めて二酸化炭素を再加圧する必要がなく、抽出中も供給ポンプもほとんど作動させる必要がないといった利点がある。
しかしながら、実際にはモレキュラーシーブは吸着体としてほとんど効果がなく、また、活性炭は有効な吸着体となり得るが、更なる抽出効率の増大が望まれる。また、これらの吸着剤は、固体であるために、液体のように容易な取回しができず、抽出成分の分離も難しい。さらに、実際の生産工程では有機バインダー成分を吸着した活性炭の処分も問題となる。

特開昭６１−１５５２６５号公報 特開昭６１−２６１２７４号公報 特開平２−８３２６９号公報

本発明は、有機バインダー成分の吸着を容易にし、同時に環境への負荷を最小限にしながら吸着した成分の再処理を可能に、更には、脱脂効率の向上を図ることができる、工業的に極めて有利な粉末成形体からそれに含まれる有機バインダー成分を除去する方法を提供することを目的とする。

本発明者等は上記課題を解決するために鋭意検討した結果、液体吸着剤の存在下で、粉末材料と有機バインダーを含有する成形体に、超臨界流体を接触する方法が上記課題に対して極めて有効であることを知見し、本発明を完成するに至った。
すなわち、この出願は以下の発明を提供するものである。
〈１〉粉末材料と有機バインダーを含有する成形体からそれに含まれる有機バインダーを超臨界流体を用いて抽出除去する方法において、脱脂槽に貯留する液体吸着剤の存在下で、超臨界流体となる液体を高圧ポンプで脱脂槽に送って超臨界流体とし、該超臨界流体を成形体に接触させ、有機バインダーを液体吸着剤に溶出させることを特徴とする粉末材料と有機バインダーからなる成形体からそれに含まれる有機バインダーの抽出除去方法。
〈２〉有機バインダーが溶出された液体吸着剤を揮散もしくは蒸溜し、液体吸着剤から有機バインダーを分離回収することを特徴とする上記〈１〉に記載の有機バインダーの抽出除去方法。
〈３〉超臨界流体と成形体の接触が回分式であることを特徴とする上記〈１〉又は〈２〉に記載の有機バインダーの抽出除去方法。
〈４〉液体吸着剤が、アルコール、低級炭化水素およびモノテルペン系炭化水素から選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする上記〈１〉から〈３〉のいずれかに記載の有機バインダーの抽出除去方法。
〈５〉アルコールがエタノール、低級炭化水素がヘキサン及びモノテルペン系炭化水素がリモネンであることを特徴とする上記〈４〉に記載の有機バインダーの抽出除去方法。

本発明の方法によれば、有機バインダー成分の抽出除去が容易となり、同時に環境への負荷を最小限にしながら吸着した有機バインダー成分の再処理を可能とすることができる。また、二酸化炭素を循環させなくても効率的に脱脂処理を行うことができる。
更には、従来の固体吸着剤を用いた場合に比し、脱脂効率の向上を著しく高めることができる上、有機バインダーが溶出された液体吸着剤を揮発あるいは蒸留などの簡便な手段により抽出有機バインダー成分の再生が可能であり、抽出成分を再度、有機バインダーとして再利用することも可能である。

本発明に係る、粉末材料と有機バインダーを含有する成形体からそれに含まれる有機バインダーを、超臨界流体を用いて抽出除去する方法は、液体吸着剤の存在下で、超臨界ガスを成形体に接触させ、有機バインダーを液体吸着剤に溶出させることを特徴としている。

つぎに、本発明方法を図面により説明する。図１において、ボンベに蓄えられた液体二酸化炭素１は高圧ポンプ２によって脱脂槽３に送られる。脱脂槽３は加熱ヒーター６により臨界点温度以上に加熱されているため、二酸化炭素は超臨界状態となり、成形体８のバインダー成分を抽出する。抽出されたバインダーは ヘキサンやエタノール等の液体吸着剤４に吸着され脱脂槽内３で対流してふたたびバインダーを吸着する。このように超臨界二酸化炭素は脱脂槽内で循環するため減圧バルブ５は閉められており、二酸化炭素の減圧、加圧を繰り返す必要はない。脱脂処理後、二酸化炭素は減圧バルブ５で減圧されて外に放出される。放出二酸化炭素が大量である場合は気体状態になった二酸化炭素炭素を二酸化炭素液化ポンプ７で再び液化しボンベ１に蓄えればよい。
また、液体吸着体剤は処理後、脱脂槽内の残圧を利用して、液体吸着剤排出バルブ１０より排出される。
この本発明の抽出法では、二酸化炭素を循環する必要が無いため、二酸化炭素の消費は少なく、加圧・減圧にかかわるエネルギーの消費が少ない。また、固体吸着剤と異なり、液体吸着剤は容易に脱脂槽への装着・取り出しが可能である。液体吸着剤からの抽出成分の分離も、液体吸着剤を揮発させるだけで可能であり特別な分離機構は必要としない。さらに蒸留処理を行えば、バインダー成分、液体吸着剤双方の再利用が可能である。

本発明の対象とする成形体は粉末材料と有機バインダーを含有する。
粉末材料としては、この種の金属射出成形（ＭＩＭ）やセラミックス射出成形（ＣＩＭ）等で使用されている、金属粉末、金属酸化物粉末、セラミックス粉末あるいはこれらの混合物が用いられる。
また、有機バインダーもＭＩＭやＣＩＭで用いられている従来公知のものがいずれもできるが、粉末同士を結合する性質を有し、使用する超臨界流体と液体吸着剤に可溶な低分子有機バインダー（パラフィン、ステアリルアルコール、フタル酸エステル等）と成形体に機械的強度を付与する高分子有機バインダー（ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、エチレン酢ビ樹脂等）を併用することが好ましい。

超臨界流体としては、従来公知のものが使用できるが、常温常圧で気体であるものが好ましく、中でも二酸化炭素ガスが好ましく用いられる。

液体吸着剤としては、有機バインダー抽出成分を十分に吸着、溶解し、常温,大気圧で液体状態である、様々な有機溶媒の利用が可能であるが、環境等への負荷を考慮した場合、エチル、メチルアルコール等のアルコール類、ペンタン、ヘキサン等のベンゼン環をもたない低級炭化水素類、柑橘類植物から抽出されるリモネン等のモノテルペン系炭化水素を用いることが好ましい。この中でも、抽出効果が高い、エチルアルコール、ヘキサン、リモネンを用いることが望ましい。
本発明においては、これらの液体吸着体を用いることにより、溶解度を高くする効果と同時に抽出を促進させるエントレーナー効果も期待でき、その効果は活性炭を使用した場合より高くなる。また、有機バインダーが溶出された液体吸着剤を揮発あるいは蒸留することにより抽出有機バインダーの再生が可能であり、抽出成分を再度、有機バインダーとして利用することも可能である。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。

実施例１〜３、比較例１〜２
実際のMIM成型において脱脂を実施し、その脱脂効率を確認した。
使用した有機バインダーの成分はポリエチレン40wt%、パラフィンワックス等の油脂60wt%である。有機バインダー8wt%に対して鋼粉（SCM315）92wt%を混合したコンパウンドをダンベル形試験片形状に成型し、成形体を得た。
この成形体（試験片）を超臨界二酸化炭素による脱脂した。脱脂条件は圧力20MPa、温度55℃とし、脱脂時間は2,4,6時間として脱脂した。
脱脂中の吸着剤としては、活性炭（比較例１）、ゼオライト（比較例２）、エタノール（実施例１）、ヘキサン（実施例２）、リモネン（実施例３）を使用した。また、吸着剤を用いずに二酸化炭素を5ml/min.で循環させた脱脂例を比較例３とした。
脱脂には300mlの容器を使用し試験片3本を同時に脱脂した。脱脂するコンパウンドの総重量は120gとなる。また、同時に内封した吸着剤は、活性炭の場合20g、ゼオライトの場合40g、ヘキサン、エタノール、リモネンの場合40mlとした。また、吸着剤を使用した場合、脱脂中は二酸化炭素を循環させなかった。その結果を表１に示す。
この結果より液体吸着体によっては活性炭以上に効率的な脱脂効果をしめすことが解った。また、これら液体吸着剤を用いた実施例１〜３では、そのまま吸着剤を揮発させることによって、抽出されたパラフィンワックス等の油脂を回収できた。

本発明の有機バインダーの抽出除去方法の説明図 従来の有機バインダーの抽出除去方法の説明図 従来の有機バインダーの抽出除去方法の説明図

Claims (5)

1. 粉末材料と有機バインダーを含有する成形体からそれに含まれる有機バインダーを超臨界流体を用いて抽出除去する方法において、脱脂槽に貯留する液体吸着剤の存在下で、超臨界流体となる液体を高圧ポンプで脱脂槽に送って超臨界流体とし、該超臨界流体を成形体に接触させ、有機バインダーを液体吸着剤に溶出させることを特徴とする当該成形体からそれに含まれる有機バインダーの抽出除去方法。
2. 有機バインダーが溶出された液体吸着剤を揮散もしくは蒸溜し液体吸着剤から有機バインダーを分離回収することを特徴とする請求項１に記載の有機バインダーの抽出除去方法。
3. 超臨界流体と成形体の接触が回分式であることを特徴とする請求項１又は２に記載の有機バインダーの抽出除去方法。
4. 液体吸着剤が、アルコール類、低級炭化水素類およびモノテルペン系炭化水素類から選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の有機バインダーの抽出除去方法。
5. アルコールがエタノール、低級炭化水素がヘキサン及びモノテルペン系炭化水素がリモネンであることを特徴とする請求項４に記載の有機バインダーの抽出除去方法。