JP7272562B2 - 珪藻土入り造形用材料及び珪藻土製品の製造方法 - Google Patents
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例えば、コンロや七輪の耐熱性や断熱性を活かしたピザ窯や、左官技術を応用したバスマット、切出し珪藻土を活用した珪藻土ブロックシリーズなどが開発されている。しかし、一方で、従来技術である切出し成形、プレス成形、シリコン型成形等では、珪藻土を用いて自由で複雑なデザインの製品開発は一般的には難しいと考えられている。
そこで、石膏などの粉状の造形用材料に、珪藻土を混合することができれば、これまでにない自由で複雑な形状の開発が期待できる。しかし、珪藻土は、吸水性が高くインクジェット粉末積層法の3Dプリンタでは固着性に課題を有するために、単に石膏系材料に珪藻土を加えても、珪藻土の吸放湿性・吸水性等を活かした自由で複雑な形状の珪藻土製品を製造することはできない。
特許文献1と2は、融点が1000℃を超えるような高融点金属を注湯可能な粉末固着積層法における造形用材料であるが、珪藻土は800~1000℃程度で焼成すると、その多孔質性の特長である吸放湿性が失われることが知られており、好ましくない。
本発明によれば、3Dプリンタでの固着性に課題を有する吸水性の高い珪藻土を主原料としても、珪藻土に対する樹脂製接着剤等の割合を調整することで、多孔質の珪藻土の特長を有する造形物が製造できるようになる。
ここで、珪藻土31~43vol%以下に対して樹脂製接着剤等を24~32vol%の割合で調整することが好ましい。本願発明者等の実験によれば、焼成珪藻土の量を43vol%よりも多くすると、固着性が十分に確保することができなかった。しかし、樹脂製接着剤等を24vol%以上に調整することで、粉末との固着性が確保でき、吸放湿性や吸水性も十分な珪藻土製品を製造することができた。樹脂製接着剤が32vol%より多くなると、焼成珪藻土より配合割合が多くなり多孔質の珪藻土の特長に影響を及ぼすことと、骨材より配合割合が多くなりインクを塗布した際の粘性が上がり(べた付きが生じて)、粉末の積層性に影響を及ぼす可能性がある。
本発明によれば、珪藻土を主原料としても(珪藻土の割合を骨材より多くしても)、多孔質の珪藻土の特長(吸放湿性、断熱性、吸水性など)を有する造形物が製造できるようになる。石膏3Dプリンタで造形試験を行った結果、問題なく造形でき、造形後粉の中から造形物を破損なく取り出すことができた。また、手に粉が付着しなくなる効果を有する。
本発明によれば、ウレタンに浸漬させると、切り出し珪藻土と比較して、吸放湿量を同程度に維持して、かつ曲げ強度を約3倍と大幅に向上させることができた。これら珪藻土製品は、吸放湿性に優れ、曲げ強度も実用化できるものが製造できた。また、水に浸漬しても崩壊するようなことはなかった。
ここで、前記珪藻土が焼成珪藻土の粉末であり、前記骨材が石膏系材料の粉末であり、前記流動性改善剤がフュームドシリカ(FS)であり、FSはCarrの流動性指数が前記焼成珪藻土の粉末及び前記石膏系材料の粉末の流動性指数よりも高いことを特徴とする。FSの添加量を増やすと、流動性指数が高くなるとともに噴流性指数も高くなり飛散しやすい状態となるので4~9vol%が好ましい。また、FSの流動性としては、焼成珪藻土の粉末や石膏系材料の粉末である骨材よりも流動性指数が高いことにより、FSの添加量を少なくして、珪藻土の流動性指数を3D石膏粉末と同程度の流動性指数にすることができる。なお、焼成珪藻土の粉末の流動性指数と石膏系材料の粉末の流動性指数は、同じ程度か、又は、石膏系材料の流動性指数の方が高いものが好ましい。
本発明によれば、石膏3Dプリンタで造形試験を行った結果、上記製品のいずれも問題なく造形でき、造形後、粉の中から造形物を破損なく取り出すことができた。これら珪藻土製品(A-1、A-2、B-1、B-2)は、吸放湿性や吸水性に優れ、曲げ強度も実用化できるものが製造できた。また、水に浸漬しても崩壊するようなことはなかった。
また、本発明の珪藻土製品の製造方法によれば、上記珪藻土入り造形用材料により製造された珪藻土製品にウレタンを含有させると、切出し珪藻土と比較して、吸放湿量を同程度に維持して、曲げ強度として約3倍と大幅に向上させることができる。
第1の実施の形態では、石膏3Dプリンタに代表されるインクジェット粉末積層法で造形する装置に使用される珪藻土入り造形用材料の開発を行った。図1に示すようにこの方法は、粉末を0.1mmずつ積層しインクジェットのノズルからインクが吐出された部分が固まることにより造形していく方法である。従ってこの方法での粉末の材料開発における課題は、粉末の積層性と、粉末とインクとの固着性となる。本発明は、この3Dプリンタで造形可能な粉末の材料開発を行い、珪藻土製品を制作した。図2は、本発明の実施形態である珪藻土製品の製造工程を説明する図である。
珪藻土として能登産の焼成珪藻土、骨材としてサンエス石膏株式会社製の石膏系材料、流動性改善剤として株式会社トクヤマ製のFSを使用した。また樹脂製接着剤は、メジアン径の違うBASFジャパン株式会社製のPVP1とPVP2、株式会社日本触媒製のPVP3、デンカ株式会社製のPVAなどの水溶性高分子材料を使用した。
第1の実施の形態で用いた樹脂製接着剤のメジアン径を図4に示す。表1に示すように実施例1-1と1-4は、固着性が良好であり粉の中から破損なく造形物を取り出すことができた。しかし実施例1-2と1-3においては、固着性が悪く、粉の中から造形物を取り出すことができないほど脆いものであった。実施例1-2では、PVPの量が22vol%と少なかったことが原因としてあげられる。実施例1-3では、PVPの量が24vol%であるが、メジアン径が100±10μm以上であったことが原因としてあげられる。
また、実施例1-5においては、メジアン径が82μmであっても、PVAの量が20vol%と少ないと、固着性が悪く粉の中から造形物を取り出すことができなかった。従って、前記樹脂製接着剤がメジアン径で100±10μm以下であり、24vol%以上含むことが好ましい(実施例1-1と実施例1-4)。
第2の実施の形態は、珪藻土として焼成珪藻土、流動性改善剤としてFS、骨材として3D石膏粉末を使用し、表2に示す配合割合で混合した粉末材料の流動性指数と噴流性指数を粉体特性評価装置(ホソカワミクロン株式会社・パウダテスタPT-X)で求めた。流動性指数は、粉体の流動性(=流れ性)、噴流性指数は、粉体の噴流性(=排出性)に関して総合的に把握しようとするもので、Carr(カー).R.Lが実験研究した方法に準拠する。
また、噴流性指数も実施例2-2、2-3、2-4、2-5では、流動性改善剤の配合量が増えるとともに高くなる傾向を示している。実施例1-1では噴流性指数が74.0になり、噴流性指数から分類される噴流性の程度は、「かなり強い(60~79)」に分類される。これ以上流動性改善剤が増えると噴流性の程度が、「非常に強い(80~100)」に分類され飛散しやすい状態になるため、流動性改善剤の配合割合は9vol%以下が好ましい。
第3の実施形態は、焼成珪藻土60mass%と3D石膏粉末40mass%の配合試料に対して、流動性改善剤としてステアリン酸カルシウム、ステアリン酸マグネシウム、FSをそれぞれ1~5mass%添加した粉末材料の流動性指数を粉体特性評価装置で求めた。
造形物の曲げ強度は、オートグラフ(株式会社島津製作所・AG-5kNXplus)を使用し、幅8mm、厚さ6mm、長さ70mmの試験片をスパン60mm試験速度0.5mm/minの条件で3点曲げ試験を行った。試験はn=3で行い、その平均値を求めた。
造形物の熱伝導率は、50mm角で厚さ6mmの試験片を定常法熱伝導率測定装置(アルバック理工株式会社・GH-1)で測定し、かさ比重は同じ試験片の重量と体積から算出した。造形物の吸放湿性は、曲げ試験後の試験片を相対湿度84.7%と53.5%に調整した容器の中に静置して24時間周期で重量を測定した。相対湿度は、容器の底に塩飽和溶液として塩化カリウムと硝酸マグネシウムを入れ23℃の恒温槽に静置することで調整した。試料の養生は、相対湿度53.5%で重量が恒量に達するまで行った。
造形物の吸水率は、曲げ試験後の試験片を100℃で乾燥後、蒸留水中に浸漬させ24時間後の重量変化から算出した。
以上のように、骨材である石膏系材料よりも多く珪藻土を含ませても、多孔質の珪藻土の特長を活かした、吸放湿性、断熱性、吸水性などの特徴を有する造形物が製造できるようになる。
B-1、B-2 珪藻土製品
Claims (10)
- 珪藻土、骨材、樹脂製接着剤、及び、流動性改善剤をこれらの順に多く含む混合割合とするとともに、31~43vol%の珪藻土に対して、骨材として石膏又はシリカ、樹脂製接着剤としてポリビニルアルコール(PVA)、又は、ポリビニルピロリドン(PVP)、及び流動性改善剤としてフュームドシリカ(FS)の割合を調整することを特徴とする粉末固着積層法に使用される珪藻土入り造形用材料。
- 31~43vol%の珪藻土に対して、骨材を24~36vol%、樹脂製接着剤を24~32vol%、流動性改善剤を4~9vol%の割合で調整することを特徴とする請求項1記載の粉末固着積層法に使用される珪藻土入り造形用材料。
- 前記珪藻土が焼成珪藻土の粉末であり、前記骨材が石膏系材料の粉末であり、前記流動性改善剤がフュームドシリカ(FS)であり、FSはCarrの流動性指数が前記焼成珪藻土の粉末及び前記石膏系材料の粉末の流動性指数よりも高いことを特徴とする請求項1記載の粉末固着積層法に使用される珪藻土入りの造形用材料。
- 前記樹脂製接着剤であるポリビニルアルコール(PVA)、又は、ポリビニルピロリドン(PVP)のメジアン径が20±10~100±10μmであることを特徴とする請求項1記載の粉末固着積層法に使用される珪藻土入りの造形用材料。
- 前記珪藻土が焼成珪藻土の粉末であり、前記骨材が石膏系材料の粉末であり、前記流動性改善剤がフュームドシリカ(FS)であり、前記樹脂製接着剤がポリビニルアルコール(PVA)、又は、ポリビニルピロリドン(PVP)であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項記載の粉末固着積層法に使用される珪藻土入り造形用材料。
- 珪藻土、骨材、樹脂製接着剤、及び、流動性改善剤をこれらの順に多く含む混合割合とする粉末固着式積層法で使用する珪藻土入り造形用材料を用いて、31~43vol%の珪藻土に対して、骨材として石膏又はシリカ、樹脂製接着剤としてポリビニルアルコール(PVA)、又は、ポリビニルピロリドン(PVP)、及び、流動性改善剤としてフュームドシリカ(FS)の割合を調整して、珪藻土製品に表面硬化剤として8.5~18.5mass%のウレタンを含有させたことを特徴とする珪藻土製品。
- 珪藻土を31~43vol%以下に対して、骨材、樹脂製接着剤、及び、流動性改善剤の割合を調整することを特徴とする請求項6記載の珪藻土製品。
- 前記珪藻土が焼成珪藻土の粉末であり、前記骨材が石膏系材料の粉末であり、前記流動性改善剤がフュームドシリカ(FS)であり、FSはCarrの流動性指数が前記焼成珪藻土の粉末及び前記石膏系材料の粉末の流動性指数よりも高いことを特徴とする請求項6ないし7のいずれか1項記載の珪藻土製品。
- 珪藻土、骨材、樹脂製接着剤、及び、流動性改善剤をこれらの順に多く含む混合割合とする珪藻土入り造形用材料を用いて、31~43vol%の珪藻土に対して、骨材として石膏又はシリカ、樹脂製接着剤としてポリビニルアルコール(PVA)、又は、ポリビニルピロリドン(PVP)、及び、流動性改善剤としてフュームドシリカ(FS)の割合を調整して、粉末固着式積層法で珪藻土製品を製造してから、その珪藻土製品に表面硬化剤としてウレタンを含有させることを特徴とする珪藻土製品の製造方法。
- 前記珪藻土製品に、前記ウレタンをハケ塗りで塗布するか、又は、気泡が出なくなるまでウレタンに浸漬させることを特徴とする請求項9記載の珪藻土製品の製造方法。
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