JPH06220505A - 高強度、高空隙率金属粉末焼結体および金属製分離用ろ材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 強度が高く、耐有機溶剤性に優れ、かつ脆さ
を解消した精密ろ過あるいは限外ろ過に使用されるろ材
およびこのろ材の担体として適当な高強度、高空隙率金
属粉末を焼結体を提供する。 【構成】 概略形状が球状およびまたは不規則形状の粒
子と、扁平状粒子との混合粉末が互いに結合してなるこ
とを特徴とする高強度、高空隙率金属粉末焼結体、なら
びに、概略形状が球状およびまたは不規則形状の粒子
と、扁平状粒子との混合粉末が互いに結合してなること
を特徴とする高強度、高空隙率金属粉末焼結体層および
該焼結体層の表面に冶金的に結合して形成された金属粉
末焼結体分離層からなることを特徴とする金属製分離用
ろ材である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、食品・薬品工業におけ
る菌体処理、電気・機械工業における廃液処理あるいは
一般の雑用水における排水浄化処理などに使用される分
離用ろ材およびこの分離用ろ材の構成体である担体（本
発明で基盤材と記す）として好適な高強度、高空隙率金
属粉末焼結体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】醤油、ビールあるいは酒などの食品製造
における菌体の除去、医薬培養液のろ過、あるいはビル
排水の再利用における雑菌の除去など、いわゆる精密ろ
過（ポアサイズ 10〜0.1μm)あるいは限外ろ過(ポアサ
イズ 0.1〜0.001)と呼ばれる分離・精製技術は、近年ま
すます重要な技術となりつつある。このような分野、特
に限外ろ過のように0.1μｍ以下の大きさの微粒子を抽
出・分離するろ過膜としては、これまでは高分子膜が使
われることが多かった。しかし、この高分子膜は強度が
弱いため、低速・低圧力でしか原液が流せず、ろ過速度
が低いという欠点や、有機溶剤に侵され易いという欠点
があった。これに対し、最近、高分子膜よりも強度の高
いセラミックスろ材が開発され高速ろ過が可能となり、
また、高温殺菌あるいは薬液洗浄にも強いという特徴を
生かし次第に広く使われるようになってきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このセ
ラミックろ材には、脆いという大きな欠点があり、曲げ
応力や引張り応力の加わる使われ方、あるいはろ材の形
状として切り欠きのような鋭角部が必要な使われ方をさ
れる場合などには信頼性の面で大きな不安があった。こ
れら両者の欠点を補うろ材として金属製ろ材の必要性が
叫ばれるようになってきた。従来より、金属粉末を焼結
することにより製造されたろ材、たとえばステンレス鋼
フィルターあるいは黄銅フィルターなど各種のものが市
場に供給され、ごく一般的に使用されている。しかしな
がら、これらはいずれも空孔径が１μｍ以上の粗いろ材
であり、精密ろ過あるいは限外ろ過のような微粒子のろ
過には使用できなかった。これは、金属粉末の場合、セ
ラミックス粉末に比して数μｍ級の微粉末の製造がコス
ト的に困難なためであり、これまでにも極微細金属繊維
を圧密して焼結する方法などが提案されていた。しかし
ながら、このような方法によっても、空孔径はせいぜい
0.1μｍが限度であり、かつ非常に高価なものであり、
それ以下の超微細ろ材を得ることは困難であった。

【０００４】本発明は精密ろ過あるいは限外ろ過等に使
用されるろ材における前述のような欠点、つまり、強度
が弱く温度や有機溶剤に侵され易いという高分子膜の欠
点、脆弱であるというセラミックス膜の欠点、および従
来の金属製分離膜の高価である点を解決した金属製分離
ろ材、ならびにこの構成要素である基盤材に好適な高強
度、高空隙率の金属粉末焼結体を提供することを目的と
する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、球状または不
規則形状の粒子と、扁平状の粒子を混合して焼結するこ
とにより、高空隙率でかつ高強度の多孔質金属焼結体を
得ることができ、該焼結体は前記特性から、精密ろ過や
限外ろ過での分離層の担体として適していることを見出
したことによるものであり、また、蒸発法等による極微
粒粉末を適当な条件で焼結することにより、その粉末よ
り大きい平均空孔径の多孔質焼結体を得ることができる
ことを確認してなされたものである。すなわち、本発明
は、概略形状が球状およびまたは不規則形状の粒子と、
扁平状粒子との混合粉末が互いに結合してなることを特
徴とする高強度、高空隙率金属粉末焼結体、ならびに概
略形状が球状およびまたは不規則形状の粒子と、扁平状
粒子との混合粉末が互いに結合してなる高強度、高空隙
率金属粉末焼結体層および該焼結体層、および表面に冶
金的に結合して形成された金属粉末焼結体分離層からな
ることを特徴とする金属製分離用ろ材である。

【０００６】

【作用】セラミックの脆さ、高分子膜の低強度、高温度
や有機溶剤に弱い点は、これらを金属に置換することで
回避できる。しかし、分離・精製の対象となる原液は必
ずしも中性の液体ばかりではなく、弱酸性あるいは弱ア
ルカリ性である場合が多い。したがって本発明で分離層
または基盤材に使用する原料はステンレス合金等とする
ことが望ましい。特に、食品や薬品の分離・精製に関し
ては、ろ材からの金属イオンの溶出は許されず、できる
だけ耐食性の良い合金の使用が望ましい。

【０００７】ろ過、特に限外ろ過等空孔径の小さいろ過
においては特に、分離用ろ材の構造が非常に重要であ
る。すなわち、実際にろ過を行なうろ過層は、空孔径が
適切であることの外に、ろ過に必要な差圧を小さくする
ために、高い空隙率と薄いろ過層厚さであること、した
がって、このろ過層厚みのみでろ過差圧に耐えることは
不可能であるから、適当な基盤材で支持され、かつこの
基盤材に強固に結合していることが必要である。また、
上記基盤材は、ろ過圧力のみならず、構造部材として種
々の応力に耐えるために、十分な強度を有し、かつろ液
の透過抵抗が十分小さいこと、つまり高い空隙率と大き
い空孔径を有するものでなければならない。粉末焼結体
において、この強度と空隙率は、互いに矛盾する関係に
ある。

【０００８】発明者は、このような基盤材の製造方法と
して、ガスアトマイズ法等による球状粒子粉末や水アト
マイズ法等による不規則形状粒子粉末（以下球状等の粉
末と記す）と前記球状等の粉末をボールミル等の機械的
粉砕手段で処理して得られる扁平状粉末とを混合して焼
結するという新規な方法を見いだした。これにより、強
度と空隙率を両立させることが可能となった。球状等の
粉末だけではタップ密度、したがって焼結体の密度が高
くなり十分な空隙率が得られないが、これと扁平状の粉
末とを混合することによりタップ密度を下げ、焼結体の
空隙率を大きくかつ高強度とすることができるのであ
る。この際、扁平状粉末の混合比率を高くするほど空隙
率は大きくなるが、その比率が過度に高すぎると焼結体
の機械的強度が低くなる。したがって、用途にもよるが
扁平状粉末の混合比率は概略２５％〜７５％程度が好ま
しい。

【０００９】基盤材の製造に使用する原料粉末の粒径等
に関しては、ろ液の流通抵抗を小さくするためには粒径
の大きい粉末を使用し、空孔径を大きくした方が良い
が、逆に空孔径が大きくなりすぎると、それによる焼結
体の表面へのろ材層用微粉末を薄層状に塗布することが
難しくなる。ろ材層用微粉末の粒径が0.1μm以下の場
合、基盤材または該基盤材とろ材層との間に中間層を設
ける時、これに用いる球状等の粉末は、基盤材への微粉
末の塗布のし易さの点からは平均粒径100μm以下が、ま
たある程度の空孔径を確保するためには、平均粒径10μ
m以上がそれぞれ望ましい。また、扁平状粉末について
は、厚さが3μmを越えるとタップ密度が高くなりすぎ空
隙率向上への寄与が小さくなるため3μm以下とするこ
と、また、扁平粉の効果を発揮させるためには、アスペ
クト比を10以上とすることがそれぞれ望ましい。

【００１０】一般に、粉末焼結分離用ろ材の製造におい
て、用いる原料粉末の粒径は、焼結後のろ材の空孔径を
決定するもっとも大きな因子であり、本発明の分離用ろ
材のろ過層では、0.1μm以下の平均空孔径を得るため、
ろ過層を形成する粒子の平均粒径は0.1μm以下程度とす
るとよい。球状粉末を想定した場合、一般的には目標と
する空孔径の約３倍の粒径の原料粉末を使用すれば良い
とされているが、できるだけ低温で焼結が行えるよう、
また、焼結条件の変更により空孔径を1μm以下のできる
だけ広い範囲で自由に設定できるようにするため、本発
明では構成粒子粉末の平均粒径を0.1μm以下とすること
が望ましい。前述のように数μm級の金属粉末は、セラ
ミックス粉末に比しコスト的に高価であるが、本発明の
分離用ろ材は、蒸発法等により比較的得やすい0.1μm以
下の粉末を用いるものであり、入手の困難性はない。

【００１１】なお、焼結温度は焼結後のろ材の強度、空
孔径、空隙率を決定する第二の因子であり、原料粉末の
粒径にも左右されるものであるが、650℃未満では原料
粉末表面の酸化膜の還元が進行しないため十分な焼結強
度が得られず、また逆に、900℃を越えると焼結が過度
に進行して密度が上がりすぎ、ろ材としての十分な空隙
率を確保することができなくなる。このため、焼結温度
を650〜900℃とすることで、十分な強度、空隙率を有す
るろ過層を形成することができる。本発明の分離用ろ材
は、上記ろ過層が基盤材に冶金的に、したがって十分な
結合力をもって結合されている。

【００１２】

【実施例】

（実施例１）まず、平均粒径32μmのＳＵＳ３０４Ｌ製
球状粉末と、この粉末をアトライターで機械的に粉砕し
て得た厚さ2μm，平均粒径(レーザー散乱法による。こ
の方法は、観測方向に対し平面方向をランダムとする多
数の扁平状粒子の平均投影面積によるものである。本発
明において、扁平粉末の平均粒径はこの方法による。)4
4μmの扁平状粉末とを用い、要すれば、これらをＶブレ
ンダーにて混合したのち、アルミナセラミックス製の容
器（内径１００mm，深さ５０mm）に充填した。これを水
素雰囲気中にて８００〜１３００℃の温度で焼結したの
ち機械的強度および空隙率を測定した。表１に処理条件
および測定結果を示す。

【００１３】

【表１】

【００１４】表１から次のことがわかる。焼結温度８０
０℃では焼結が十分に進行せず、分離膜の基盤材として
の実用的な機械的強度が得られていない。900℃以上
で、ある程度の機械的強度が得られるようになるが、球
状粉末 100%では空隙率が低く、また、扁平状粉末 100%
ではやはり強度が不足である。この傾向は焼結温度を高
温としても同様である。焼結温度が高くなるにつれ機械
的強度は大きくなるが、空隙率は小さくなる。また、球
状粉末100%では、いずれの焼結温度についてもせいぜい
35%程度の空隙率しか得られないが、これに扁平状粉末
を混合することにより、機械的強度はやや低下するが、
空隙率は大幅に増大する。そして、機械的強度の低下
は、焼結温度をやや上昇することにより、補償すること
ができる。したがって、球状粉末と扁平粉末とを混合し
て焼結することにより、空隙率と機械的強度を両立させ
ることができることが明らかである。十分な空隙率と機
械的強度とを兼備するためには、扁平状粉末の混合比率
は25〜75%程度、焼結温度は1200〜1300℃とすることが
望ましい。

【００１５】（実施例２）蒸発法により製造した平均粒
径0.08μmのＳＵＳ３０４製超微粒子を、エチルアルコ
ールで希釈したリン酸エステル系分散剤に分散させてス
ラリー状としたのち、アルミナセラミックス製の容器
（内径100mm,深さ20mm）に流し入れ、真空中で乾燥し
た。この乾燥体を真空中にて500〜1000℃の温度で焼結
し、得られた焼結体の酸素含有量、機械的強度、平均空
孔径および空隙率を測定した。その結果を表２に示す。
焼結温度600℃以下ではほとんど焼結は進行せず、機械
的強度も得られず、試料を取り扱いできる状態ではな
い。650℃あたりから焼結が進行しはじめ、酸素含有量
は下がり機械的強度も得られるようになる。

【００１６】

【表２】

【００１７】精密ろ過あるいは限外ろ過用の分離層とし
て、使用できるか否かの最も重要な判断基準となるの
は、平均空孔径および空隙率であるが、焼結温度650〜9
00℃の範囲では平均空孔径0.03〜0.45μm(使用した粉末
の平均粒径の5.6倍)、空隙率40〜20%であり分離用ろ過
層として十分使用可能なレベルである。また、この温度
範囲内で焼結温度を適当に選ぶことにより平均空孔径を
0.03から0.45μmまで変えることができ、用途に応じた
使い分けが可能である。焼結温度が900℃を越えると焼
結が進みすぎて空隙率が20%を下回るようになり分離層
としての効率が大幅に低下する。ろ過層に必要とされる
機械的強度は、使用状況により大きく変化するが、逆洗
に対して0.1kgf/mm²以上あれば十分である。

【００１８】（実施例３）次に、扁平状粉末混合比25
%、焼結温度1200℃の材料（実施例１の試料番号１９）
の表面にリン酸エステル系分散剤に溶いたＳＵＳ３０４
製超微粒子（平均粒径；0.08μm）を100μmの厚さに塗
布し乾燥させたのち800℃で焼結した。これにより、68%
という大きな空隙率と十分な機械的強度を有する基盤材
の表面に平均空孔径0.45μmの分離層を形成することが
できた。次に、該実施例で製作した分離用ろ材を減圧ろ
過器を用い、ろ過特性を簡易的に評価した。その結果、
0.1μm径のアルミナ粒子の捕集効率が98%以上であり、
精密ろ過あるいは限外ろ過用の分離膜として適用可能で
あることが確認された。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、従来精密ろ過あるいは
限外ろ過に使用されていた高分子製分離膜およびセラミ
ックス製分離膜の両者それぞれの欠点を解決し、耐薬品
性に優れ、機械的強度にも優れた分離用ろ材を提供する
ことができ、大幅な信頼性の向上が達成できる。

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【手続補正書】

【提出日】平成５年２月２２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００３

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このセ
ラミックろ材には、脆いという大きな欠点があり、曲げ
応力や引張り応力の加わる使われ方、あるいはろ材の形
状として切り欠きのような鋭角部が必要な使われ方をさ
れる場合などには信頼性の面で大きな不安があった。こ
れら両者の欠点を補うろ材として金属製ろ材の必要性が
叫ばれるようになってきた。従来より、金属粉末を焼結
することにより製造されたろ材、たとえばステンレス鋼
フィルターあるいは黄銅フィルターなど各種のものが市
場に供給され、ごく一般的に使用されている。しかしな
がら、これらはいずれも空孔径が１μｍ以上の粗いろ材
であり、精密ろ過あるいは限外ろ過のような微粒子のろ
過には使用できなかった。これは、金属粉末の場合、セ
ラミックス粉末に比して数μｍ級の微粉末の製造がコス
ト的に困難なためであり、これまでにも極微細金属繊維
を圧密して焼結する方法などが提案されていた。しかし
ながら、このような方法によっても、空孔径はせいぜい
１μｍが限度であり、かつ非常に高価なものであり、そ
れ以下の超微細ろ材を得ることは困難であった。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 概略形状が球状およびまたは不規則形状
   の粒子と、扁平状粒子との混合粉末が互いに結合してな
   ることを特徴とする高強度、高空隙率金属粉末焼結体。
2. 【請求項２】 概略形状が球状およびまたは不規則形状
   の粒子と、扁平状粒子との混合粉末が互いに結合してな
   る高強度、高空隙率金属粉末焼結体層および該焼結体層
   の表面に冶金的に結合して形成された金属粉末焼結体分
   離層からなることを特徴とする金属製分離用ろ材。