JP5352487B2 - 焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、焼結体に係り、詳しくは浄水場等において用いられるプラスチック製の焼結体の製造方法に関する。

水を浄化する砂は、浄水場等の濾過池で用いられる他、浴場やプール用水の循環濾過、工業用水の浄化、工場廃水の浄化等に用いられている。
河川等から取水した水を浄化して上水道へ供給するための一般的な浄水場においては、取水された水が、着水井、フロック形成池、沈殿池、急速濾過池、次亜塩素酸ナトリウム注入設備等を経て飲料水となるように浄化される。取水された水に含まれるフロック（粒子）や浮遊物質は沈殿池で沈殿されるようになっているが、そこで取りきれなかった細かなフロックや浮遊物質は、急速濾過池に設置されている濾過材を通過する間に、飲料用として許容されるレベルに浄化されている。前記濾過材としては、主に細かな濾過砂と濾過砂よりも比較的大きな濾過砂利がこの順に上下に積層されており、水は上から濾過砂に供給され、濾過砂利を通って下に流れ出るようになっている（非特許文献１参照）。濾過砂利には、濾過砂が水と共に下に流れ落ちないようにする働きと、濾過砂及び濾過砂利自体を洗浄（いわゆる逆洗）する為に下から供給される洗浄水が、濾過砂に捕集されたフロック等を濾過砂から満遍なく分離除去できるように流勢を平均化する働きがある。このような従来型の急速濾過池の濾過材は、上層と下層の間で砂及び砂利の平均粒径が小から大となるように分布されているが、定期的に実施される濾過材の洗浄作業において、その粒径の分布が乱れた場合は初期の分布状態に戻す必要があり、その作業が煩雑であった。そこで、その煩雑な作業を軽減する目的で、プラスチックのペレットを用いて空隙を有する板状に焼結した焼結体を、濾過砂利の替わりに使用する公用例が一部にみられる。

このプラスチックを板状に焼結した焼結体を、複数、支持床として敷き詰め、その上に濾過層を形成することが行われている（特許文献１参照）。
また、特許文献１には、スチレン・ブタジエン共重合体の直径がほぼ４ｍｍである球状粒子の材料を金型内で緩やかに加熱して多孔板を成形し、その多孔板を、ろ過装置においてろ過砂を支持する支持床として用いる実施例が開示されている。この多孔板は、球状粒子の相互が加熱溶着される際、ほぼ球状を維持した状態で形成されることが特徴とされており、平均空孔径がほぼ１０００μｍであり、空孔率がほぼ３３％とされている。

このほか、多孔質板を組み付けた集水装置および濾過装置が、特許文献３、４に記載されている。

特開２００１−７０７１０号公報（明細書［００１８］［００１９］［００２９］参照） 特開平１１−２７６８２４号公報（明細書［０００９］参照） 特開平４−３２６９０５号公報（明細書［００２７］［００２８］［図３］［図４］参照） 特開２００４−３４６５７４号公報（［請求項６］［請求項７］、明細書［００４０］［００４１］［００５４］参照）

日本水道協会規格ＪＷＷＡ Ａ１０３−１９８８

前記のように浄水場等で濾過砂利の替わりに用いられている焼結体も、特許文献２に開示されているフィルターエレメントも、熱プレス成形により製造されている。その方法は、プラスチックのペレットや、そのペレットよりも寸法において一桁小さなプラスチック製粒子からなる材料を金型内に充填して加圧し、加圧下で金型を直接又は間接に加熱し、その温度が高められた型面に接する材料を直接的に加熱すると共に金型内の雰囲気温度を高めて、材料の一部を溶融させて焼結する成形方法である。また、特許文献１においては、緩やかに加熱するとの記述から、上記加熱プレス方式と同様の技術を用い、比較的低温で時間をかけて加熱溶着させて成形しているものと思われる（段落００１８参照）。

ところで、上記加熱方式も含めて、プラスチックにより成形された板状の焼結体は、成形品のそれぞれにおいて板状体としての平面度及び焼結体としての通気性について、一定せずにばらつくという問題があることが判明した。特に通気性に関しては、一つの焼結体において通気性のよい部分と悪い部分が混在する場合があることが判明した。このように、通気性が部分的に異なる焼結体を用いた場合、洗浄水を平均化して通過させることは難しく、濾過砂を満遍なく洗浄することができないことになる。また、焼結体は、一定重量で一定の通気度を有していることが必要であるが、金型内に空隙がある状態で充填、焼結するため、重量や通気度それぞれにおいて、個体間のばらつきが生じやすく、一定の品質を確保することが難しかった。

本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、短時間に成形することでコストが低く抑えられる板状の焼結体を提供することである。更に、板状の焼結体としてそり等の歪が少なく、また重量や通気性において、焼結材間にばらつきが少なく、かつ一つの焼結体内で場所によるばらつきが少ない焼結体を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の焼結体の製造方法は、円柱形状をなし、アスペクト比が０．８〜２．０であるポリオレフィン系樹脂の非発泡性粒子状材料を、金型を閉じた状態のキャビティ内にエアにより投入、充填し、そのキャビティ内に水蒸気を注入して前記粒子状材料を加熱し、それぞれの粒子状材料を溶着して粒子状材料間に空隙を有する板状の焼結体を焼結した後、前記キャビティ内に冷却水の注入により冷却し、前記焼結体を前記金型から取り出すことを特徴とするものである。この発明のアスペクト比とは、粒子状物の縦横比を言い、円柱状物におけるＤ／Ｌを言う（図３参照）。アスペクト比が０．８〜２．０の範囲を外れる場合、焼結体の通気性が所望の範囲とならず濾過材として好ましくない。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の焼結体の製造方法において、前記ポリオレフィン系樹脂が高密度ポリエチレンであり、前記金型に冷却水用の配管を設け、水蒸気による前記粒子状材料を加熱焼結する際に、前記キャビティの型面温度を高密度ポリエチレンの軟化温度よりも上昇しないように温度調節することを特徴とするものである。

（作用）
本発明においては、ポリオレフィン系樹脂の円柱形状の粒子状材料は、金型内に投入されて板状の焼結体に形成される。より好ましくは、高温水蒸気により焼結される。その粒子状材料は、金型内に投入される前のアスペクト比が０．８〜２．０の範囲内にある。そのようなアスペクト比の粒子状材料が、閉じた金型内にエアーにより充填されれば、粒子状材料は金型内にほぼ均一に配置され、粒子状材料相互の空隙もほぼ均一に配置される。そのため、水蒸気はそれらの空隙に満遍なく入り込み粒子状材料を均一に加熱することができて、一部を過加熱することがない。高温水蒸気の加熱により、隣合う粒子状材料同士がその一部を溶着して、隣合う粒子状材料間に空隙を有する焼結体が形成されたとき、その空隙の分布もほぼ均一となる。したがって、金型接触面だけが溶着することなく、焼結体内部も均一に溶着することになる。また、冷却水をキャビティ内に注入すると、隣合う粒子状材料の空隙に入り込み、粒子状材料が焼結した成形品全体を急速にしかも均一に冷却することで、短時間の内に満遍なく冷却され、板状の焼結体に歪を発生させることはない。

更に、粒子状材料のアスペクト比が１に近い一定範囲内にあるため、粒子状材料間に材料収縮のばらつきが発生し難く、板状の支持床として敷きつめた場合、焼結体の継ぎ目で隙や反りがなく配置できる。

また、アスペクト比が、０．８〜２．０の範囲内にある粒子状材料を用いる本発明においては、高温水蒸気によりそれぞれの粒子状材料が均一に加熱される。そのため、金型面が所定温度以下になるよう温調されていれば、金型面に接する粒子状材料は、その表面が溶融して金型面に沿った平面部を形成することが少ない。即ち、平面部が増大して、焼結体表面の空隙が閉塞されることが起き難い。

本発明によれば、隣合う粒子状材料間に分布がほぼ均一な空隙を有する焼結体を浄水処理のための濾過材の支持床として用いることができ、濾過砂の洗浄工程において、濾過砂が均一に洗浄される。しかも濾過砂のうちの細粒が濾過材の空隙を通って下に流れ落ちることがないため濾過砂の浄化力が維持される。

本発明の実施形態である濾過材を組み込んだ濾過装置を模式的に示す断面図。 本発明の実施形態である焼結体を示す斜視図。 （ａ）は本発明の実施形態を（ｂ）及び（ｃ）は比較例の粒子状材料を示す斜視図。 本発明の実施形態である焼結体の表面付近の一部を模式的に示した拡大図。 本発明の比較例における、粒子状材料が偏在する焼結体を模式的に示す一部平面図。 本発明の実施形態である製造方法を模式的に示す金型構造等の一部断面図。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化したプラスチック製の焼結体の一実施形態を図１〜図５を用いて説明する。

図１に示すように、断面が中空の柱形状である外殻体の内部に、本実施形態の複数の焼結体１ａを支持床として敷き詰めた濾過装置１０には、装置下方から本実施形態の濾過材１、細かな砂で形成される濾過砂１２が、この順に上方に向かって積層されている。河川等から取水された水１１は、図示しない沈殿池でフロックや浮遊物質が沈殿され、そこで取りきれなかった細かなフロックや浮遊物質と共に、取水管１４を通って濾過装置１０に注がれる。水１１は、濾過砂１２及び濾過材１で濾過されるが、ほとんどの濾過が濾過砂１２により行われる。濾過装置１０で濾過された水１３は、配水管１５を経て、図示しない次亜塩素酸ナトリウム注入設備等に送られ消毒などの化学的処理を経て上水道へ供給される。なお、濾過砂１２に代えて、粒状活性炭、アンスラサイト、プラスチック製粒状体等の濾過媒体を用いることもできる。

図２に示すように、焼結体１ａは、非発泡性粒子状材料からなる粒子状材料２が隣合う粒子状材料２とその一部を溶着して全体が板状の焼結体となっており、粒子状材料２の間には空隙３が形成されている。本実施形態においては、厚さ＝２０ｍｍ、幅＝１３６ｍｍ、長さ＝２３７ｍｍである板状体として形成されている。本実施形態で用いられた粒子状材料２の材質は、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）である。ＨＤＰＥは、水蒸気による加熱に対して適度な軟化点と融点を有しているので粒子間を溶着して焼結体としたときの物理強度に優れ、好適に用いることができる。なお、本発明のポリオレフィン系樹脂としては、ＨＤＰＥ以外にも、中密度又は低密度のポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブテン樹脂等があげられる。また、ポリエチレン樹脂としてＨＤＰＥ単独で用いるばかりでなく、中密度又は低密度のポリエチレンと混合して用いてもよい。

前記粒子状材料２の形状は、図３（ａ）に示すように直径と長さがほぼ同等の形状（円柱状）をしており、粒子の平均アスペクト比（長さＬ／直径Ｄ）は１．０である。そのため、焼結体１ａにおける空隙３の分布は均一になっている。比較例として図３（ｂ）（ｃ）を用いて、アスペクト比が０．８〜２．０の範囲を外れる場合の円柱状の粒子状材料３１及び粒子状材料３２を示す。図３（ｂ）で示す粒子状材料３１は直径に比べ長さが長い円柱状をしており、アスペクト比は２．０よりも大きく、また、図３（ｃ）に示す粒子状材料３２は直径に比べ長さが短い円盤状をしており、アスペクト比は０．８よりも小さいものである。

図５は、平均アスペクト比が０．５の円盤状の粒子状材料３２の一部が同様の姿勢で偏在したまま焼結された様子を模式的に示すものである。図５において、符号７で示すものは、粒子状材料３２の姿勢が、直径方向を紙面に対して立たせた状態になっている様を表し、符号６で示すものは、粒子状材料３２の姿勢が、直径方向を紙面に対して平行にさせた状態になっている様を表している。符号７で示す複数の粒子状材料３２が同じ姿勢で偏在する部分には、空隙３が他の部分に比べて小さくなっている。このように粒子状材料３２の間の空隙３の大きさが部分的に変化すれば、空隙３が比較的大きな部分では、濾過砂１２の洗浄工程において洗浄水がその連通する空隙３を通って勢いよく通る。そのため、濾過砂１２の間に留まっていたフロック等は取り除かれ、濾過砂１２は洗浄される。ところが、空隙３が比較的小さい部分では洗浄水が通り難くなり、濾過砂１２の洗浄が不十分なままに終わる虞がある。アスペクト比が２．０を超える円柱状の粒子状材料３１の場合も同様の状態となる。

従って、アスペクト比が０．８〜２．０の範囲内にある粒子状材料２を用いることで、粒子状材料２が均一に配置され、粒子状材料２相互の空隙３もほぼ均一に配置されて形成された濾過材１により、濾過砂１２の均一な洗浄が可能となる。

図４に模式的に示したように、金型の型面近くに存在する粒子状材料２１は、型面からの加熱により一部が軟化又は溶融されて平面部５を形成している。また、型面から離れている粒子状材料２２および型面に接している粒子状材料２３が別に存在する。このように、３種類の状態に区分けされる粒子状材料２は、それぞれがお互いに一部を溶着して相互の位置関係を維持している。しかし、金型の温調を適切に行わない場合は、高温水蒸気に加熱されて型面の温度が上がるため、平面部５は増大し、焼結体１ａの表面における通気性を低下させることになる。そのため、本実施形態においては金型に冷却水用の配管を施し、金型の型面温度をＨＤＰＥの軟化温度よりも上昇しないように温調している。

（製造方法）
図６を用いて、本実施形態の焼結体１ａの製造方法を説明する。図６は本実施形態の焼結体１ａの製造装置６０が型開されている状態を模式的に示す一部断面図である。

本実施形態の製造装置６０は、固定型６１及び可動型６２が横方向に配置されるものである。可動型６２には図示しない油圧シリンダーのロッド６２ｃが連結され、油圧シリンダーにより可動型６２の固定型６１に対する開閉が行われる。固定型６１及び可動型６２の上面にはコネクター６４が設けられ、そのコネクター６４に連結された図示しないパイプを通じて、水蒸気及び冷却水が図示しない切換弁により切り替えられて、金型内に供給されるようになっている。固定型６１のフレーム６１ａの内部は空洞になっており、その空洞内には冷却水管６３が配管され、冷却水管６３内の冷却水が分岐管６３ｂを介してノズル６３ａから空洞内にスプレーされキャビティ面６１ｂの裏面などを冷却できるようになっている。フレーム６１ａの二ヶ所に設けられているキャビティ面６１ｂのうち下部のキャビティ面６１ｂに対応する２本のエジェクターピン６６及び材料供給管６７が描かれているが、上部のキャビティ面６１ｂに対応して設けられているエジェクターピン６６及び材料供給管６７の図示は省略してある。本実施形態の粒子状材料２は、材料供給管６７から空気流と共に、可動型６２が閉じてキャビティ面６１ｂとコア面６２ｂとで形成されたキャビティに供給・充填される。可動型６２のフレーム６２ａの内部も空洞となっており、固定型６１の場合と同様に冷却水管６３が配管され、分岐管６３ｂを介してノズル６３ａから空洞内に冷却水がスプレーされコア面６２ｂの裏面などを冷却できるようになっている。また、固定型６１及び可動型６２の下部には冷却水や水蒸気を製造装置６０外に排出するドレンコネクター６５が設けられており、図示しないパイプを通じて冷却水や水蒸気を製造装置６０外に排出するようになっている。

次に、製造装置６０を用いた焼結体１ａの製造方法を簡単に説明する。先ず、固定型６１と可動型６２とが閉じられて形成されたキャビティに空気流と共に粒子状材料２を充填し、図示しない供給口からキャビティ内に水蒸気を注入する。その水蒸気が、隣合う粒子状材料２の空隙３を満たし粒子状材料２を加熱して、その一部を溶着させる。粒子状材料２が溶着して焼結体１ａを形成した後、図示しない切換弁の操作によりドレンコネクター６５から水蒸気を排気する。次に、図示しない注入孔から冷却水をキャビティ内に注入する。すると冷却水は、隣合う粒子状材料２の空隙３に入り込み、粒子状材料２が焼結した成形品全体を急速にしかも均一に冷却する。同時にキャビティ面６１ｂ及びコア面６２ｂの裏面も冷却水のスプレーによって冷却される。このように、短時間の内に満遍なく冷却され、板状の焼結体１ａに歪を発生させることはない。

上記実施形態の焼結体によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、金型内に投入される前の粒子状材料２のアスペクト比が０．８〜２．０の範囲内にある。そのようなアスペクト比の粒子状材料２は金型内にほぼ均一に配置され、粒子状材料２相互の空隙３もほぼ均一に配置される。そのため、高温水蒸気がそれらの空隙３に満遍なく入り込み粒子状材料２を均一に加熱することができて、空隙３が均一に分布する焼結体が形成される。その空隙３の大きさは必ずしも均一とはならず、また、形状においても必ずしも一様となるわけではない。しかし、その均一性や一様性がないために、その焼結体１ａを支持床として用いれば、濾過砂１２のうちの細粒が濾過材１の空隙３を通過して落下することが防止される。

（２）上記実施形態では、金型内に投入される前の粒子状材料２のアスペクト比が０．８〜２．０の範囲内にある。その粒子状材料２を用いる本実施形態においては、高温水蒸気によりそれぞれの粒子状材料２が均一に急速に加熱される。そのため、粒子状材料２に対する金型面からの加熱は不要となり、金型面が所定温度以下になるよう温調されているので、金型面に接する粒子状材料２は、その表面が溶融して金型面に沿った平面部５を形成することが少ない。即ち、平面部５が増大して、焼結体表面の空隙３が部分的に閉塞されることが起き難い。従って、焼結体１ａを支持床として用いた濾過装置１０において、濾過砂１２を洗浄する場合、洗浄水の流勢が平均化されて濾過砂１２の洗浄に供され、濾過砂１２は均一に洗浄されることになる。

（３）上記実施形態では、金型内に投入される前の粒子状材料２のアスペクト比が０．８〜２．０の範囲内にある。そのようなアスペクト比の粒子状材料２は金型内にほぼ均一に配置され、粒子状材料２相互の空隙３もほぼ均一に配置される。そのような状態で形成された焼結体は、成形品の脱型前の冷却工程において金型内に冷却水が注入されれば、その冷却水による均一な冷却が可能である。更に、粒子状材料のアスペクト比が１に近い一定範囲内にあるため、粒子状材料２の材料収縮は一様となり、歪の少ない板状の焼結体の濾過材１を提供することができる。

（４）上記実施形態では、高密度ポリエチレンの粒子状材料２を用いたので、耐薬品性があり曲げ強度がある板状焼結体の濾過材１を提供できる。
（変更例）
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では濾過材１の所定面積に対する平面度を規定したが、規定値以上の平面度の濾過材１を規定値以内に入るように機械加工したものであってもよい。
・上記実施形態では金型を所定温度以下に温調するようにしたが、特に金型に冷却水用の配管を設けず、焼結体を冷却するために金型内に冷却水を注入する際、その注入時間を多くとることで、焼結体ばかりでなく金型面を十分冷却するようにしてもよい。
・上記実施形態では金型内の容積を縮小することで、金型内に充填されている粒子状材料２間の距離を狭めているが、金型に適宜振動を与えることで粒子状材料２間の距離を狭めるようにしてもよい。

１…濾過材、１ａ…焼結体、２，２１，２２，２３，３１，３２…粒子状材料、３…空隙、５…平面部、１０…濾過装置、１２…濾過砂、６１…固定型、６２…可動型。

Claims (2)

1. 円柱形状をなし、アスペクト比が０．８〜２．０であるポリオレフィン系樹脂の非発泡性粒子状材料を、金型を閉じた状態のキャビティ内にエアにより投入、充填し、そのキャビティ内に水蒸気を注入して前記粒子状材料を加熱し、それぞれの粒子状材料を溶着して粒子状材料間に空隙を有する板状の焼結体を焼結した後、前記キャビティ内に冷却水の注入により冷却し、前記焼結体を前記金型から取り出すことを特徴とする焼結体の製造方法。
2. 前記ポリオレフィン系樹脂が高密度ポリエチレンであり、前記金型に冷却水用の配管を設け、水蒸気による前記粒子状材料を加熱焼結する際に、前記キャビティの型面温度を高密度ポリエチレンの軟化温度よりも上昇しないように温度調節することを特徴とする請求項１に記載の焼結体の製造方法。

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