JPH0633191B2 - 空隙率の大きなセラミツクス焼成体及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、機能材料として優れた性質を発揮する高い空
隙率をもつセラミックスの製造方法に関する。

〔従来の技術〕

断熱作用を受け持つ多孔質構造のセラミックスを製造す
るには、これまで、セラミックス粉末に混入した紙屑，
木屑等を燃焼させることによりセラミックス体の内部に
空孔を形成する方法（特公昭32-7785号公報），発泡さ
せたセラミックススラリーを凝結，乾燥，焼成する方法
(特公昭31-86号公報),中空状のセラミックス骨材とセラ
ミックス粉末とを組合せて焼成体を得る方法等が採用さ
れている。

また、通気性を有する多孔質セラミックスを製造するに
は、三次元網目状構造を有する有機質多孔体の骨格部表
面にセラミックス粉を付着させ、焼成時に有機質多孔体
を分解除去することにより三次元網目状セラミックス体
を得る方法（特開昭59-3059 号公報，特開昭59-39782号
公報等参照），押し出し成形によりセラミック・ハニカ
ム構造体を得る方法等もある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、前者の多孔質構造をもつセラミックスを製造す
る方法によるとき、目的とする性質を備えた多孔質構造
を得ることは困難であった。

たとえば、発泡させたセラミックススラリーを使用する
方法にあっては、気泡と気泡との間にセラミックスが形
成される。しかし、多数の気泡が集合した個所或いは気
泡相互の間の距離が大きい個所においては比較的大きな
空所が生じ、その空所にセラミックスが詰まった状態と
なる。このように、生成したセラミックス層の厚さは気
泡の隣接状態に応じて変わり一様でない。また気泡自体
の大きさが不均一であり、且つ気泡がセラミックス体内
に一様に分布していないため、その気泡に沿って形成さ
れるセラミックス膜も均一に分布したものにはならな
い。その結果、得られたセラミックス焼成体は、かさ比
重の割には強度が小さく、断熱性に劣り、しかも強度及
び断熱性共にバラツキが大きいものとなり、信頼性に優
れた製品とはいえない。

また、紙屑，木屑等を燃焼させる方法により得られたセ
ラミックス焼成体は、その空孔率がいずれも70％以下で
あり、しかもセラミックス体の内部に形成した空孔は連
続したものとなっている。そのため、製品の断熱性が比
較的悪く、強度が低いので、それを構造材として使用す
ることには問題があった。

また、三次元網目状セラミックス体を製造する方法にお
いては、三次元網目状構造をもつ有機質多孔体を原料と
しているので、製品に形成された孔径はこの有機質多孔
体に依存する。しかし、微細な孔を均等な径で有機質多
孔体に形成することは難しいことから、現在の技術によ
るとき、その有機質多孔体に設けられる孔の最大孔径は
５mmと制限されている。そのため、得られた製品は、そ
の用途に制限がある。

また、押し出し成形法でセラミック・ハニカム構造体を
製造するとき、その成形法に起因する制約からして大き
な構造体を得ることは不可能であった。すなわち、この
方法は、大型構造の多孔質セラミックス体が必要とされ
る用途には向かないものである。

そこで、本発明は、これら従来の問題点を解消すべく案
出されたものであり、強度及び空隙率に優れ、サイズに
制約を受けないセラミックスの製造方法を提供すること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のセラミックスの製造方法は、三次元網目構造又
はスポンジ状構造を有する有機質多孔体を気泡剤すなわ
ち表面活性剤の機能を持った粘稠性の大きい液状セラミ
ックスに接触させることにより、該有機質多孔体の三次
元網目構造又はスポンジ状構造を形成している単位セル
中の多面体構成面上にセラミックス膜を形成し、該セラ
ミックス膜を破損することなく、前記有機質多孔体を乾
燥させ、得られた乾燥品を焼成することを特徴とする。

このとき、三次元網目構造又はスポンジ状構造を有する
有機質多孔体に、三次元網目構造又はスポンジ状構造を
構成しているセルサイズより大きい穴径の貫通孔を穿設
し、且つその穴径間の最小間隔を１セルサイズ以上にす
ることにより、貫通孔が設けられた有機質多孔体を、前
記有機質多孔体として用いても良い。或いは、所望形状
の金型等を未発泡の有機質材料に埋設した後で、該有機
質材料を発泡させることにより、貫通孔が設けられた有
機質多孔体を、前記有機質多孔体として用いても良い。

〔作用〕

本発明のセラミックス焼成体は、セラミックスの膜で囲
まれた中空状多面体の集合体であることから、種々の機
能が発揮される。

たとえば、該セラミックス焼成体がその構成単位のセル
中の多面体の約70％以上がセラミックス膜で完全に包ま
れている場合は、これらのセル内の空気の移動はセラミ
ックスの膜によって抑制される。しかも、全空孔率が70
％以上の高い形状を維持することができるので、非常に
優れた断熱性をもつセラミックス焼成体が得られる。ま
た、構成単位のセル中の多面体がセラミックス膜で包ま
れているので、外部雰囲気に触れる個所が表面部のみと
なり、耐蝕性に優れたセラミックス焼成体となる。更
に、このセラミックス焼成体は、その特異な構造からし
て従来にない優れた強度を有しており、構造材としての
使用に充分耐える。

また、予め所望の形状を有機高分子化合物の多孔体に与
えておく方法により、無数の貫通孔が内部に形成された
セラムミックス焼成体は、その貫通孔をガス，液状等の
流体通路とすることにより、加熱炉等における伝熱変換
素子，内燃機関，各種工業用燃焼炉等における排ガス浄
化触媒担体，汚水処理におけるバクテリア担持用担体，
溶融金属濾過材等として使用される。

このようなセラミックスの膜で囲まれた中空状多面体の
集合体からなるセラミックス焼成体は、粘稠性の大きな
液状セラミックスから作られる。この液状セラミックス
は、セラミックス粉末，分散剤，結合剤，気泡剤，増粘
剤及び水からなる組成をもつ。これに対し、三次元網目
状セラミックス焼成体を製造する際の原料は、セラミッ
クス粉末，分散剤，結合剤，消泡剤及び水からなる組成
をもつ。すなわち、本発明で使用する液状セラミックス
は、後者に比較して流動性が小さく、且つ起泡性の強い
ものである。また、分散剤の含有量も低く抑えており、
大きな粘稠性に調整されている。

この液状セラミックスにポリウレタンフォーム等の有機
質多孔体を浸漬するとき、その有機質多孔体の個々のセ
ルに液状セラミックスが液膜として保持される。このと
き、生成する液膜の厚さは使用した液状セラミックスの
濃度に依存する。

液膜が生成した有機質多孔体は、その液膜が突沸等によ
り破損しないように、ゆっくりした速度で乾燥される。
この乾燥時に、液膜の厚さにバラツキが生じたり、その
組成が局部的に変動したりすることがないように、有機
質多孔体を徐々に回転させることが好ましい。

乾燥したセラミックス膜は、次いで昇温され、焼成され
る。このとき、有機質多孔体を分解しセラミックス膜の
外部に逸散させるため、昇温過程において温度管理を行
う。たとえば、有機質多孔体としてポリウレタンフォー
ムを使用する場合、その分解温度が300〜500℃である。
そこで、セラミックス膜が形成されたポリウレタンフォ
ームに対する昇温を、上部に向かって高くなるような温
度勾配を付けて前記分解温度域を通過させる。この段階
では、セラミックス膜が依然としてガス透過性を有して
いるので、ポリウレタンフォームが分解して発生したガ
スは、上部のセラミックス膜を介して系外に排出され
る。また、この分解温度域における昇温速度は、ガスの
排出を完全に行うために充分小さくする。

このようにして、有機質多孔体が分解除去されたセラミ
ックス膜が生成する。このセラミックス膜は、有機質多
孔体の初期形状を正確になぞっており、且つ生物細胞に
おける細胞膜のように、隣接するセルの間の仕切壁のよ
うな形態を持っている。しかし、この状態のセラミック
ス膜は、未だ脆弱である。そこで、このセラミックス膜
を高温で焼成する。この焼成温度は、使用するセラミッ
クスの組成により定められるものである。また、焼成
は、セラミックス膜の各部が均一に加熱されるように、
均一な温度分布の下で行われる。この焼成により、セラ
ミックス膜は焼き固められ、強固なものとなる。このよ
うにして生成されるセラミックス膜の緻密度及びガス透
過性は、使用したセラミックス原料の粒度，揮発性添加
材の種類や添加量，焼成条件等により、製品の使用目的
に応じて調整することができる。たとえば、微細なセラ
ミックス原料から生成したセラミックス膜を充分に焼成
するとき、焼成時に約10％程度の体積収縮が起こり、緻
密でガス不透過性の製品が得られる。

このようにして得られたセラミックス焼成体に対して、
必要に応じその表面部におけるセラミックス膜の厚さを
大きくし、強度，耐蝕性，断熱性等の性質を更に向上さ
せる場合もある。このセラミックス膜の厚さを大きくす
るには、たとえばセラミックス焼成体を再度液状セラミ
ックスに浸漬し、新たにセラミックス膜を表面部に形成
し、それを焼成すれば良い。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明の特徴を具体的に説明する。
なお、以下の例においてはアルミナ系及びジルコニア系
の液状セラミックスを用いているが、このセラミックス
原料の種類は得られたセラミックス焼成体の用途に応じ
て適宜定められるものであり、使用可能な液状セラミッ
クスがアルミナ系及びジルコニア系に限られるというも
のではない。

−実施例１：断熱セラミックスの製法− 210×110×75mmの三次元網目状ポリウレタンフォーム(3
0セル／インチ)を多孔質構造形成材として用いた。他
方、次の組成の配合物をミキサーで撹拌して、セラミッ
クススラリーを調合した。

このセラミックスラリー中に先述の三次元網目状ポリウ
レタンフォームを浸漬した後、余分なスラリを三次元網
目状ポリウレタンフォームから流出させた。次いで、ポ
リウレタンフォームを構成しているセル中の多面体面に
存在するセラミック膜を破損することがないように、乾
燥スピードを制御しながらセラミックスラリー含浸ポリ
ウレタンフォームを乾燥した。そして、乾燥品を1600℃
で焼成した。このようにして得られた焼成体の特性は、
第１表の通りである。なお、第１表中、従来の断熱レン
ガとして掲げた及びは、それぞれオガクズの燃焼及
び発泡により多孔質構造を形成したものである。

第１表から明らかなように、本発明品は、従来の断熱レ
ンガとほとんど同じかさ比重をもつものであるにも拘ら
ず、その圧縮強度が２倍以上に高くなっている。しか
も、その圧縮強度にはバラツキがなかった。更に、本発
明品の熱伝導率は、低い値を示している。このように、
従来の断熱レンガに比較して、本発明品の優秀性が第１
表に示されている。

−実施例２− 加熱した一辺10mmの四角筒状の金属を用いて、500×500
×40mmのポリウレタンフォーム（30セル／インチ）の50
0×500mmの面に対して直角に、多数の穴を１mm間隔であ
けた。他方、次の組成をもつ配合物をミキサーで撹拌し
て、セラミックススラリーを調合した。

平均粒径３μｍのアルミナ粉末 100 重量部 ポリアクリル酸（解膠材） 1 重量部 ポリアクリル酸エステル（気泡材剤として機能を有する
結合剤） 1.5 重量部 水 16 重量部 このセラミックススラリーに前記の貫通孔を設けたポリ
ウレタンフォームを浸漬した後、余分なスラリを流出さ
せ、ポリウレタンフォームのセル中の多面体表面に形成
されたセラミックス膜が破損されないよう徐々に乾燥
し、これを1600℃で焼成した。

このようにして、かさ密度0.21、空隙率80％、セラミッ
ク膜形成率60％の多孔性セラミックスを得た。

これを加熱炉の伝熱変換素子として使用したところ、１
年経過後も目詰まりすることなく、充分に初期の機能が
維持された。また、汚水処理におけるバクテリア担持用
担体として用いたところ、バクテリアの付着性が優れ、
目詰まりもない優れた性能が維持されることが、約半年
間にわたる実験から判明した。

−実施例３− 一辺７mmの六角柱状の金属棒を用いて、300 ×300×20m
mのポリウレタンフォーム(50セル／インチ)の300×300
の面に対して直角に、0.7mm間隔で多数の穴をあけた。
他方、次の組成の配合物をミキサーで撹拌して、セラミ
ックススラリーを調合した。

このセラミックススラリーに前記の貫通孔を設けたポリ
ウレタンフォームを浸漬した後、余分なスラリをポリウ
レタンフォームから流出させた。そして、ポリウレタン
フォームのセル中の多面体表面に形成されたセラミック
ス膜が破損されないように徐々ち乾燥させたもの(Ａ
群)、乾燥速度を速め大部分の膜が破損したもの(Ｂ群)
の２種類を作製し、それぞれを1600℃で焼成した。

以上のようにして得られたＡ群のセラミックス製品は、
かさ密度0.40〜0.43，空隙率70〜80％及びセラミックス
膜形成率50〜90％の多孔質構造をもっていた。他方、Ｂ
群のセラミックス製品は、かさ密度0.38〜0.41，空隙率
75〜90％及びセラミックス膜成形率10〜40％の多孔質構
造をもっていた。

これらを用いて圧縮テストを行った結果、セラミックス
膜形成率20％を境として強度に大幅な低下が起きること
が判った。その結果を第２表に示すが、この第２表から
明らかなように、セラミックス膜形成率は約19％以上必
要である。

〔発明の効果〕 以上に説明したように、本発明のセラミックス焼成体
は、セラミックスの膜で囲まれた中空状多面体の集合体
であるので、この特異な構造を活用し断熱材，耐蝕材，
防音材，軽量骨材，伝熱変換素子，フィルター，逆浸透
膜，限外濾過膜，排ガス浄化触媒担体，汚水処理におけ
るバクテリア担持用担体，選択透過膜，溶融金属濾過材
等の機能材料として使用される。また、セラミックス膜
形成率を適宜変えることにより、その機能材料としての
性質を調整することができる。更に、得られたセラミッ
クス焼成体のサイズは、三次元網目状セラミックスの製
法と同様、元の形状となる三次元網目状有機質多孔体の
外枠のサイズによって定まる。したがって、その大きさ
を任意に選定することができる、また、適度なセルサイ
ズの有機高分子多孔体を選ぶことにより、多孔体として
の貫通気孔径も調整することができるため、前述の三次
元網目状セラミックス及びハニカム構造体の両者が有し
ている全ての欠点を補い得る非常に優れたセラミックス
多孔体となる。このように、本発明のセラミックス焼成
体は、その特異な多孔質構造のために、種々の分野にお
いて優れた効果を発揮する機能材料として広く使用され
る。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】三次元網目構造又はスポンジ状構造を有す
   る有機質多孔体を気泡剤の機能を持った粘稠性の大きい
   液状セラミックスに接触させることにより、該有機質多
   孔体の三次元網目構造又はスポンジ状構造を形成してい
   る単位セル中の多面体構成面上にセラミックス膜を形成
   し、 該セラミックス膜を破損することなく、前記有機質多孔
   体を乾燥させ、 得られた乾燥品を焼成することを特徴とする空隙率の大
   きなセラミックスの製造方法。
2. 【請求項２】三次元網目構造又はスポンジ状構造を有す
   る有機質多孔体に、三次元網目構造又はスポンジ状構造
   を構成しているセルサイズより大きい穴径の貫通孔を穿
   設し、且つその穴径間の最小間隔を１セルサイズ以上に
   することにより、貫通孔が設けられた有機質多孔体を得
   て、 該有機質多孔体を、気泡剤の機能を持った粘稠性の大き
   い液状セラミックスに接触させることにより、該有機質
   多孔体の三次元網目構造又はスポンジ状構造を形成して
   いる単位セル中の多面体構成面上にセラミックス膜を形
   成し、 該セラミックス膜を破損することなく、前記有機質多孔
   体を乾燥させ、 得られた乾燥品を焼成することを特徴とする空隙率の大
   きなセラミックスの製造方法。
3. 【請求項３】所望形状の金型等を未発泡の有機質材料に
   埋設した後、該有機質材料を発泡させることにより、貫
   通孔が設けられた有機質多孔体を得て、 該有機質多孔体を、気泡剤の機能を持った粘稠性の大き
   い液状セラミックスに接触させることにより、該有機質
   多孔体の三次元網目構造又はスポンジ状構造を形成して
   いる単位セル中の多面体構成面上にセラミックス膜を形
   成し、 該セラミックス膜を破損することなく、前記有機質多孔
   体を乾燥させ、 得られた乾燥品を焼成することを特徴とする空隙率の大
   きなセラミックスの製造方法。