JP5771074B2 - 押出成形装置及びこれを用いた成形体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、成形体の製造技術に関するものであり、より詳細にはセラミックス成形体を製造するための押出成形装置及びこれを用いた成形体の製造方法に関する。

従来より、ハニカムフィルタ構造体が、ＤＰＦ（Diesel particulate filter）用等として広く知られている。このハニカムフィルタ構造体は、多数の貫通孔を有するハニカム構造体の一部の貫通孔の一端側を封口材で封じると共に、残りの貫通孔の他端側を封口材で封じた構造を有する。特許文献１，２には、ハニカム構造体の製造に使用されるダイス及び押出成形装置が開示されている。

特開昭６１−５９１５号公報 特許第４０９９８９６号公報

ところで、ＤＰＦ用のハニカムフィルタ構造体は一般に剛性を有するケースに収容された状態で使用される。ハニカムフィルタ構造体の寸法精度が低いと熱応力等によってハニカムフィルタ構造体に亀裂が入るなどの不具合が生じやすくなる。そのため、焼成前のグリーン成形体に対して高い寸法精度が要求される。また、ハニカム構造体は、狭いセルピッチ（例えば１．１〜２．８ｍｍ程度）を有するものもあり、多数の貫通孔を画成する隔壁の厚さについても高い寸法精度が要求される。

ハニカム構造体を押出成形によって製造する場合、押出成形装置内を流れるペースト状の原料組成物の圧力損失をなるべく小さくすることが望ましい。原料組成物の圧力損失が大きいと、押出成形装置への負荷が大きくなったり部品が摩耗するなどの不具合を招来し、また原料組成物の粘度を低く設定せざるを得ないなどの制約が生じる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ペースト状の原料組成物の移送に伴う圧力損失を十分に小さくでき、寸法精度が十分に高い成形体を製造できる押出成形装置及びこれを用いた成形体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る押出成形装置は、ペースト状の原料組成物を移送する流路と、流路の上流側に設けられ、原料組成物を混練すると共に下流側へと移送するスクリューと、流路の下流側に設けられ、原料組成物からなる成形体が押し出されるダイと、流路とダイを連通する抵抗管と、スクリューとダイの間に設けられた整流板とを備える。上記整流板は、上流側の面から下流側の面にかけて貫通する複数の貫通孔を有し、上流側の面における貫通孔の開口は下流側の面における開口よりも開口面積が大きい。

本発明によれば、整流板の上流側の面における開口を下流側の面における開口よりもサイズ（開口面積）を大きくしたことにより、ペースト状の原料組成物が整流板の貫通孔を通過しやすくなり、整流板における圧力損失を十分に小さくできる。圧力損失を小さくすることで、押出成形装置への負荷を低減でき、整流板の摩耗を十分に抑制できる。なお、整流板は、整流効果を高めるために網状の抵抗体を有していてもよい。

また、本発明によれば、保形性に優れた成形体を製造できる。

本発明に係る装置は、上述の通り、整流板の上流側の面における貫通孔の開口が下流側の面における開口よりも開口面積が大きいという構成を具備する。整流板の貫通孔は上流側にザグリ穴（ｓｐｏｔ ｆａｃｉｎｇ）を有する。

本発明は、上記押出成形装置を用いた成形体の製造方法を提供する。本発明の方法によれば、保形性に優れた成形体を製造できる。

押し出されてくる成形体や押出成形装置の流路内の圧力をチェックし、何らかの不具合が認められたときには整流板の交換及び／又は原料組成物の粘度の変更を実施することが好ましい。例えば、押し出されてくる成形体の保形性が不十分であるような場合には原料組成物の配合等を調整してその粘度を高くする。この場合、必要に応じて整流板を交換することが好ましい。原料組成物の粘度の調整及び整流板の交換を実施することにより、押出成形装置に対する負荷を軽減できると共に寸法精度が十分に高い成形体を長期にわたって継続的に製造できる。

本発明によれば、ペースト状の原料組成物の圧力損失を十分に小さくでき、寸法精度が十分に高い成形体を製造できる。

（ａ）はハニカム構造体用グリーン成形体の一例を示す斜視図、（ｂ）はグリーン成形体の部分拡大図である。 本発明に係る押出成形装置の一実施形態を示す概略断面図である。 図２に示す押出成形装置の内部構造を模式的に示す部分断面図である。 （ａ）は整流板の一例を示す平面図であり、（ｂ）は貫通孔の一態様を示す部分断面図である。 整流板が有する貫通孔の他の態様を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。まず、本発明に係る押出成形装置の説明に先立ち、ハニカム構造体用のグリーン成形体について説明する。

＜グリーン成形体＞
図１に示すグリーン成形体７０は、原料組成物を押出成形することによって得られたものである。図１の（ａ）に示すように、グリーン成形体７０は多数の貫通孔７０ａが略平行に配置された円柱体である。貫通孔７０ａの断面形状は、図１の（ｂ）に示すように正方形である。これらの複数の貫通孔７０ａは、グリーン成形体７０において、端面から見て、正方形配置、すなわち、貫通孔７０ａの中心軸が、正方形の頂点にそれぞれ位置するように配置されている。貫通孔７０ａの断面の正方形のサイズは、例えば、一辺０．８〜２．５ｍｍとすることができる。なお、グリーン成形体７０を所定の温度で焼成することによってハニカム構造体が製造される。

グリーン成形体７０の貫通孔７０ａが延びる方向の長さは特に限定されないが、例えば、４０〜３５０ｍｍとすることができる。また、グリーン成形体７０の外径も特に限定されないが、例えば、１００〜３２０ｍｍとすることできる。

グリーン成形体７０をなす原料組成物は特に限定されないが、ＤＰＦ用のハニカム構造体を製造する場合にあっては、セラミクス原料である無機化合物源粉末、及び、メチルセルロース等の有機バインダ、及び、必要に応じて添加される添加剤を含む。ハニカム構造体の高温耐性の観点から、好適なセラミクス材料として、アルミナ、シリカ、ムライト、コーディエライト、ガラス、チタン酸アルミニウム等の酸化物、シリコンカーバイド、窒化珪素等が挙げられる。なお、チタン酸アルミニウムは、更に、マグネシウム及び／又はケイ素を含むことができる。

例えば、チタン酸アルミニウムのグリーン成形体を製造する場合、無機化合物源粉末は、αアルミナ粉等のアルミニウム源粉末、及び、アナターゼ型やルチル型のチタニア粉末等のチタニウム源粉末を含み、必要に応じて、更に、マグネシア粉末やマグネシアスピネル粉末等のマグネシウム源粉末及び／又は、酸化ケイ素粉末やガラスフリット等のケイ素源粉末を含むことができる。

有機バインダとしては、メチルセルロース、カルボキシルメチルセルロース、ヒドロキシアルキルメチルセルロース、ナトリウムカルボキシルメチルセルロースなどのセルロース類；ポリビニルアルコールなどのアルコール類；リグニンスルホン酸塩が挙げられる。

添加物としては、例えば、造孔剤、潤滑剤及び可塑剤、分散剤、溶媒が挙げられる。

造孔剤としては、グラファイト等の炭素材；ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメタクリル酸メチル等の樹脂類；でんぷん、ナッツ殻、クルミ殻、コーンなどの植物材料；氷；及びドライアイス等などが挙げられる。

潤滑剤及び可塑剤としては、グリセリンなどのアルコール類；カプリル酸、ラウリン酸、パルミチン酸、アラキジン酸、オレイン酸、ステアリン酸などの高級脂肪酸；ステアリン酸Ａｌなどのステアリン酸金属塩、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル（ＰＯＡＡＥ）などが挙げられる。

分散剤としては、例えば、硝酸、塩酸、硫酸などの無機酸；シュウ酸、クエン酸、酢酸、リンゴ酸、乳酸などの有機酸；メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール類；ポリカルボン酸アンモニウム、ポリオキシアルキレンアルキルエーテルなどの界面活性剤などが挙げられる。

溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、ブタノール、プロパノールなどのアルコール類；プロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、エチレングリコールなどのグリコール類；及び水などを用いることができる。

＜押出成形装置＞
図２〜４を参照しながら、本発明に係る押出成形装置の実施形態について説明する。図２に示す押出成形装置１０は、粉末状又はペースト状の原料組成物からグリーン成形体７０を製造するためのものである。

押出成形装置１０は、ハウジング１内の上段に設けられたスクリュー２Ａ及び下段に設けられたスクリュー２Ｂを備える。スクリュー２Ａ，２Ｂは、入口１ａから供給された原料組成物を混練すると共に流路１ｂを通じて下流側へと移送するためのものである。スクリュー２Ａ，２Ｂの間には、真空室３が設けられており、真空室３内を減圧することによって原料組成物を脱気処理できるようになっている。真空室３内の原料組成物はローラ３ａによって下段のスクリュー２Ｂに導入される。

押出成形装置１０は、スクリュー２Ｂの下流側に設けられた整流板５と、原料組成物からなる成形体７０Ａが押し出されるダイ８と、流路１ｂとダイ８を連通する抵抗管９とを更に備える。抵抗管９は、内部の流路がテーパ状になっており、上流側から下流側に向けて流路断面積が徐々に小さくなっている。なお、スクリュー２Ｂの径よりも径が大きい成形体７０Ａを製造する場合などには、抵抗管９は上流から下流に向けて流路断面が大きくなる拡大部を有してもよい。ダイ８から押し出された成形体７０Ａが変形しないように、押出成形装置１０の隣には成形体７０Ａを支持するための支持台１５が設置されている。

整流板５は、ダイ８に原料組成物を導入するに先立ち、その流速分布の均一化を図るためのものである。通常、流路１ｂの内壁面の近傍を流れる原料組成物は流速が低く、他方、流路１ｂの中央部を流れる原料組成物は流速が高い。仮に、この流速分布のまま原料組成物をダイ８から押し出してハニカム構造体用のグリーン成形体を作製すると、グリーン成形体の中央部分の隔壁が他の部分と比較して厚くなったり、隔壁が湾曲したりするといった不具合が生じる。また、ダイ８を通過する原料組成物の流速が不均一であると、ダイ８を構成する材料が不均一に摩耗してこれが成形体の寸法精度の低下の原因となるだけでなく、ダイ８の一部分が優先的に摩耗することにより、ダイ８の寿命が著しく短くなる場合もある。

整流板５は、ハウジング１に対して着脱自在に設けられており、スクリュー２Ｂとダイ８の間に配置されている。なお、整流板５は、流量調整の効果を高めるために網状の抵抗体（図示せず）を有していてもよい。

ハウジング１から流量調整板５Ａを外すときは、まず、下方の押さえ板１ｃを取り外し、上方のねじ穴１ｄから工具をねじ込んで整流板５を下方にスライドさせる（図３参照）。なお、整流板５をスライドさせる機構は、工具を使用するタイプ以外に、油圧を利用するタイプなどが挙げられる。

整流板５は、上流側から圧力を受けてもほとんど歪みを起こさない構造体であることが好ましい。かかる観点から、整流板５の材質としては、例えば、炭素鋼等が好ましい。炭素鋼以外の好適な材質として、ニッケル、クロム、タングステン等を含有する特殊鋼を例示できる。整流板５の厚さは、十分の強度を確保する観点から、１０〜１００ｍｍであることが好ましい。

図４の（ａ）は整流板５を示す正面図であり、図４の（ｂ）は整流板５の貫通孔６の構成を示す部分断面図である。図４に示す通り、整流板５は、上流側の面Ｆ１から下流側の面Ｆ２にかけて貫通する複数の貫通孔６を有する。貫通孔６は、上流側開口６ａから下流側に向けて内径が小さくなるテーパ部６ｂを有し、その下流側に直管部６ｃを有する。これにより、貫通孔６の上流側開口６ａの開口面積は、下流側開口６ｄの開口面積よりも大きくなっている。

原料組成物の圧力損失を十分に低減する観点から、貫通孔６の上流側開口６ａは直径が３〜１２ｍｍであることが好ましい。他方、貫通孔６の下流側開口６ｄは直径が１〜１０ｍｍであることが好ましい。

整流板５の上流側の面Ｆ１の開口率は６０〜１００％であることが好ましく、９８％以下であることがより好ましく、９５％以下であることが更に好ましい。他方、整流板５の下流側の面Ｆ２の開口率は５０〜８０％であることが好ましい。面Ｆ１又は面Ｆ２の開口率が小さすぎる整流板５を使用した場合、上流側の圧力を過度に高くしないと、単位時間当たり十分な量の原料組成物を通過させることができず、圧力が装置の許容圧力以上となりやすい。他方、面Ｆ２の開口率が大き過ぎる整流板５は強度が不十分となりやすい。

ここでいう「開口率」とは、整流板５の一方面（面Ｆ１又は面Ｆ２）における開口の面積の合計を当該一方面の面積（ハウジングによって覆われる周縁部を除く）で除すことによって算出される値を意味する。

ダイ８は、原料組成物から図１に示す形状の成形体を製造するためのものであり、これに対応する格子状の流路（図示せず）を有する。グリーン成形体７０のようなセル構造の成形体の製造に用いられるダイは、流路の設定を緻密に行う必要があり、また一般的に高価である。このため、ダイの交換作業の頻度はなるべく低くすることが望ましい。本実施形態においては、整流板５によって原料組成物の流量の均一化することで、ダイ８の長寿命化が図られ、その交換頻度を低くできる。

＜グリーン成形体の製造方法＞
次に、押出成形装置１０を用いてグリーン成形体７０を製造する方法について説明する。まず、原料組成物を入口１ａから流路１ｂ内に導入する。スクリュー２Ａ，２Ｂ及びローラ３ａを作動させることによって原料組成物を混練すると共に下流側に移送する。混練物を整流板５の貫通孔６を通過させて流速分布を均一化させた後、抵抗管９を通じてダイ８に導入する。ダイ８の下流側における原料組成物の線速度は１０〜１５０ｃｍ／分程度とすることができる。

流速分布の均一化が図られた原料組成物をダイ８から押し出し、支持台１５上に成形体７０Ａを回収する。成形体７０Ａを所定の長さに切断することによってグリーン成形体７０を得る。

成形体の保形性が不十分であるような場合には、粘度を高くした原料組成物を押出成形装置１０に供給することが好ましい。これにより成形体の保形性を向上できる。原料組成物の粘度を高くしたことに伴い、押出成形装置１０内における原料組成物の圧力損失が高くなり過ぎるような場合は、整流板５を交換することが好ましい。適した開口率を有する整流板に交換することにより、押出成形装置１０への負荷を軽減できる。

原料組成物の流量分布の不均一性が原因と考えられる不具合が認められたときに以下の工程を実施してもよい。例えば、整流板５をハウジング１から取り外し、１つ又は複数の貫通孔６にピン（図示せず）を装着して貫通孔６を閉塞することにより流量の調整を行う工程である。このような工程を実施することで、ダイ８の設定の変更や交換を実施しなくても寸法精度が十分に高いグリーン成形体７０を長期にわたって継続的に製造できる。この工程は、押出成形装置に原料組成物を供給するのを一旦停止して実施してもよいし、あるいは、停止することなく実施してもよい。

本実施形態によれば、上記態様の貫通孔６を整流板５に設けたことにより、整流板５における原料組成物の圧力損失を十分に小さくできる。圧力損失を小さくすることで、押出成形装置１０への負荷を低減でき、整流板５の摩耗を十分に抑制できる。また、本実施形態によれば、比較的粘度が高い原料組成物を使用しても圧力損失の過度な増大を防止できるため、高い保形性を有する成形体を得るのに適した粘度の原料組成物を使用できる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態においては、テーパ部６ｂを有する貫通孔６を例示したが、貫通孔はテーパ部６ｂの代わりに上流側にザグリ穴を有するものであってもよい。図５の（ａ）はザグリ穴を有する貫通孔７が形成された整流板を示す部分正面図であり、図５の（ｂ）は貫通孔７の構成を示す部分断面図である。図５に示す通り、貫通孔７は、矩形の上流側開口７ａと、ザグリ穴７ｂと、流路断面が略円形の直管部７ｃと、略円形の下流側開口７ｄとを有する。なお、ザグリ穴７ｂの形状は矩形に限られず、円形、楕円形又は多角形であってもよい。

また、上記実施形態においては、整流板５が有する全ての貫通孔６について上流側開口６ａのサイズ（開口面積）を下流側開口６ｄのサイズ（開口面積）よりも大きく設定した場合を例示したが、かかる構成の貫通孔６と直管状の貫通孔とを併用してもよい。通常、流路の内壁面の近傍を流れる原料組成物は流速が低く、他方、流路の中央部を流れる原料組成物は流速が高いため、流量の均一化の観点から整流板５の中央領域に直管状の貫通孔を設け、他方、整流板５の周縁領域にテーパ部６ｂ又はザグリ穴７ｂを有する貫通孔を設けてもよい。また、整流板５の中心位置を円の中心とした場合、所定の中心角の範囲に偏在するように、直管状の貫通孔あるいはテーパ部６ｂもしくはザグリ穴７ｂを有する貫通孔を整流板に設けてもよい。

上記実施形態においては、ハウジング１に対して整流板５をスライドさせる機構を例示したが、ハウジング１に対して整流板５を脱着自在とする機構はこれに限定されない。例えば、ハウジング１の整流板５板を設置する箇所を開閉自在とし、ボルト及びナットなどの固定手段によって整流板５をハウジング１内に固定できるようにしてもよい。

また上記実施形態においては、円柱体のグリーン成形体７０を例示したが、成形体の形状や構造はこれに限定されない。グリーン成形体７０の外形形状は、例えば、四角柱等の角柱や楕円柱でもよい。また、貫通孔７０ａの配置も、正方形配置でなくてもよく、例えば、略三角配置、略六角配置等でも構わない。更に、貫通孔７０ａの形状も、正方形でなくてもよく、例えば、略三角形、略六角形、略八角形、略円形であってもよい。

本発明によれば、ペースト状の原料組成物の圧力損失を十分に小さくでき、寸法精度が十分に高い成形体を製造できる。

１…ハウジング、１ｂ…流路、２Ｂ…スクリュー、５…整流板、６，７…貫通孔、６ａ，７ａ…上流側開口、６ｂ…テーパ部、６ｃ，７ｃ…直管部、６ｄ，７ｄ…下流側開口、７ｂ…ザグリ穴、８…ダイ、９…抵抗管、１０…押出成形装置、７０…グリーン成形体、７０Ａ…成形体、Ｆ１…整流板の上流側の面、Ｆ２…整流板の下流側の面。

Claims (4)

1. ペースト状の原料組成物を移送する流路と、
   前記流路の上流側に設けられ、前記原料組成物を混練すると共に下流側へと移送するスクリューと、
   前記流路の下流側に設けられ、前記原料組成物からなる成形体が押し出されるダイと、
   前記流路と前記ダイを連通する抵抗管と、
   前記スクリューと前記ダイの間に設けられた整流板と、
   を備え、
   前記整流板は、上流側の面から下流側の面にかけて貫通する複数の貫通孔を有し、上流側の面における前記貫通孔の開口は下流側の面における開口よりも開口面積が大きく、
   前記貫通孔は上流側にザグリ穴を有する、押出成形装置。
2. 請求項１に記載の押出成形装置を用いた成形体の製造方法。
3. 前記押出成形装置の整流板を交換する工程を備える、請求項２に記載の方法。
4. 前記原料組成物の粘度を変更する工程を備える、請求項２又は３に記載の方法。

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