JPH1148222A - 粉体成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 セラミック粉体、ガラス粉体あるいは金属粉
体からなる任意形状の成形体を容易に作製することので
きる粉体成形方法を提供する。 【解決手段】 セラミック、ガラス、あるいは金属から
選ばれた一種以上の粉体を分散剤を用いて分散媒に分散
させて作製したスラリーに、分散剤と反応して分散剤の
分散能を消失もしくは低下させる反応物質を添加するこ
とにより、スラリーを硬化させ、任意形状の粉末成形体
を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、セラミック粉体
や金属粉体等の成形方法に関し、さらに詳しくは、分散
剤によりこれらの粉体が高濃度に解膠した状態にあるス
ラリーに特定の反応物質を添加し、解膠状態を崩してス
ラリーを硬化させる粉体成形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】 従来、セラミック粉体や金属粉体、あ
るいはこれらの粉体を混合したサーメット材料や傾斜機
能材料といった材料の成形には、プレス成形法、押出成
形法、射出成形法、鋳込成形法等が用いられ、種々の耐
熱性、耐摩耗性に優れた高強度材料が作製されている。

【０００３】 これらの成形方法には種々の利点がある
ことは言うまでもないことであるが、その一方で、例え
ば、プレス成形法では、成形体形状は円板や角柱といっ
た単純な形状に限られ、押出成形法においても、棒状や
ハニカム状といった押出方法に垂直な面での断面形状が
一定のものしか作製できないといった欠点がある。した
がって、これらの方法を用いて複雑な形状の製品を作製
するためには、成形体を適度な強度を有する仮焼体とし
た後に機械的に加工を施し、そして焼成するといった工
程を採る必要がある。

【０００４】 また、射出成形法においては、原料粉体
量に対して多くの樹脂およびバインダーを混合する必要
があることから、成形体密度が低く、脱脂工程に長時間
を要し、焼成収縮が大きくなるという問題があるため、
一般的にその用途は比較的小さくて複雑な形状の製品の
作製に限られる。

【０００５】 さらに、鋳込成形は、排泥法による場合
は成形体の機械的強度が小さいことやスラリーの管理状
態により肉厚の一定な複数の製品を作製することが困難
であることや、固形法による場合には引け巣といった内
部欠陥が発生しやすいといった問題があり、いずれの方
法においても、スラリーの解膠状態を常に一定の良好な
状態に保つ必要がある。

【０００６】 このような従来法の問題を解決するた
め、成形と複雑な形状への加工が容易であり、焼成によ
る収縮も小さく、均一な製品が得られる粉体成形方法が
検討されている。高濃度の粉体を分散させたスラリーを
硬化させるニアネット成形法もその一つであり、ニアネ
ット成形法によれば、スラリーにおける粉体の均一な分
散状態がそのまま成形体に引き継がれ、容器形状により
複雑な形状の製品を作製することが可能であり、さら
に、成形体における粉体充填率が高くなるといった利点
がある。

【０００７】 このようなニアネット成形法の一つとし
て、発明者らは、特開平８−１２７０８７号公報に開示
されているような、高濃度を粉体を含む水系スラリーに
種々の吸水性物質を添加して硬化させ、弾性を有する成
形体を得る方法を開発した。また、特公平５−４８７２
４号公報には、スラリーの分散剤を凍結させる成形方法
が開示され、特公平７−２２９３１号公報には、スラリ
ーに樹脂とその硬化剤を添加して成形体を得る方法が開
示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、上述
の吸水性物質あるいは樹脂とその硬化剤を用いる粉体成
形法においては、最終製品に不要な樹脂類をスラリーに
添加することから、成形体密度を高くするにも限界があ
る。また、樹脂類の添加によりスラリーの粘度が急激に
増加し、成形作業性が悪くなることがあるといった問題
があり、さらに改良のための検討を行う余地がある。さ
らに、スラリー中の分散剤を凍結させる方法において
は、成形時および得られた成形体の温度管理を厳重に行
う必要があり、この成形体を凍結乾燥する前に加工する
場合には、成形体が固体形状を有する温度条件にて行う
必要がある等の問題がある。

【０００９】 本発明は、このような従来の粉体成形方
法の問題点およびニアネット成形法の改良が望まれる点
に鑑みてなされたものであり、大量の樹脂類を添加する
ことなくスラリーを硬化させ、しかも硬化作業時の温度
管理に厳重さを要しない新しい粉体成形方法を提供する
ことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】 すなわち、本発明によ
れば、セラミック、ガラスあるいは金属から選ばれた一
種以上の粉体を分散剤を用いて分散媒に分散させて作製
されたスラリーに、当該分散剤との相互作用により当該
分散剤の分散能力を消失もしくは低下させる反応物質を
添加することにより、当該スラリーを硬化させることを
特徴とする粉体成形方法、が提供される。

【００１１】 ここで、本成形方法においては、分散媒
として有機溶剤が好適に用いられ、分散剤としてアミン
化合物、水酸基を有する有機化合物、アルコール系エス
テルまたは有機金属錯体のうちいずれか一つが好適に用
いられる。また、分散剤と反応する反応物質として、イ
ソシアネート、エポキシ系化合物、ラクトン系化合物、
アミン化合物、酸無水物、イソチオネートのいずれか一
つが好適に添加される。

【００１２】

【発明の実施の形態】 上述した本発明の粉体成形方法
によれば、粉体が高濃度に分散したスラリーに分散剤と
反応する少量の反応物質を添加することによりスラリー
が硬化し、成形体を作製することができるので、簡単な
装置により成形が行え、また、成形体における有機物含
有量が少ないので脱脂が容易である等の利点を有する。
以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明は
これらの実施形態に限定されるものではない。

【００１３】 セラミックや金属等の粉体を分散媒に懸
濁させてスラリーを作製する場合、粉体量が少ない低濃
度スラリーにおいては粉体どうしの接触頻度が小さく、
スラリーの流動はニュートン流動を示す。しかし、粉体
濃度が高くなると、次第に流動性はニュートン流動から
外れ、チクソトロピー流動や可塑性流動等の異常流動を
示すようになる。

【００１４】 そこで、スラリーの粉体濃度を上げ、し
かも上述の異常流動を起こさない低粘度のスラリーを作
製するために、一般的にスラリーには分散剤（解膠剤）
が添加される。例えば、ニュートン流動を示すスラリー
を分散剤を用いずに作製するために６５％の分散媒を必
要としたものが、少量の分散剤を用いることにより分散
媒の量を４０％にまで低減することができるようにな
る。

【００１５】 ここで、スラリーを一定形状の容器に充
填した後に分散剤を除去するか、あるいは分散能を消失
させることができれば、従来のニアネット成形の場合の
ように多量の樹脂類を添加する必要がなく、スラリーを
硬化させ、粉体が均一に充填された成形体を得ることが
できると考えられた。

【００１６】 しかし、スラリー中から分散剤のみを除
去することは、不可能であろうと考えられる。そこで、
発明者は、分散剤のスラリー中での挙動や電気的性質に
着目し、分散剤と、分散剤の粉体分散能力を消失させる
かあるいは低下させるように反応する物質との特定の組
み合わせにおいて、分散剤の量と同等の少ない反応物質
をスラリーに添加することにより、粉体の凝析を促進し
てスラリーを硬化させることができるのではないかと考
えた。

【００１７】 したがって、本発明においては、まず、
粉体を分散剤を用いて分散媒に分散させたスラリーを作
製する必要があり、粉体として酸化物あるいは窒化物や
炭化物等の各種のセラミック粉体やガラス粉体、金属粉
体が好適に用いられる。また、セラミック粉体と金属粉
体とを混合したサーメット材料用の粉体や、複合材料に
おける添加成分（少量成分）や構造強化成分として繊維
状粉体やウィスカー等を用いた繊維強化セラミック（通
称、ＦＲＣ）あるいは繊維強化金属（通称、ＦＲＭ）等
を作製するための混合粉体もまた、好適に使用すること
ができる。

【００１８】 スラリーの作製に使用される分散媒は、
大きく水系と有機溶媒系とに分けられるが、有機溶媒系
としては、具体的には、パラフィン、イソパラフィン、
トルエン、キシレン、石油エーテル等が挙げられる。

【００１９】 分散剤は、後述する反応物質との反応性
を考慮して決定され、アミン化合物、水酸基（−ＯＨ
基）を有する有機化合物、アルコール系エステルあるい
は一般式ＲＯ−Ｍｅ（Ｒ：アルキル基、Ｍｅ：金属）で
示される有機金属錯体が好適に用いられる。但し、有機
金属錯体を用いた場合には、金属成分が最終的な製品に
残留する可能性が大きいために、製品に材料の純度が要
求される場合には用いるべきではない。

【００２０】 上述した粉体、分散媒および分散剤を混
合してスラリーを作製するが、その作製方法は特に限定
されない。例えば、ボールミルポットを用いる方法は分
散性が良好であり、また、凝集した二次粒子等を一次粒
子に破砕処理することができ、粒度分布の整ったスラリ
ーを得るのに適している。また、分散性のよい粉体、例
えば、鋳込成形用に表面処理された粉体等を用いる場合
には、ホモジナイザーやディスパーザ等の乳化機を用い
ることもできる。

【００２１】 次に、作製したスラリーに分散剤と反応
する反応物質を添加してよく混合し、成形を行う。ここ
で、スラリーに添加された分散剤の量は、粉体と分散媒
との合計の体積に対して高々数％であり、しかも反応物
質の添加量はこの少量の分散剤に対して反応すればよい
ので、特定の反応物質を選択することにより、反応物質
の添加量を分散剤と同等程度の少量に抑えることが可能
である。したがって、得られるスラリー硬化体は、容易
に乾燥除去できる分散媒以外に焼成時に焼失する有機物
の含有量が少ないために脱脂が容易である。

【００２２】 また、この反応物質の添加は、成形する
容器において行ってもよいし、反応物質添加後であって
スラリーが硬化するまでの間に成形型に流し込んで固化
させることも可能である。一般的に、スラリーは撹拌・
混合処理を経て作製されるため、通常、多くの気泡を含
有しており、このような気泡は、成形時における空孔欠
陥の原因となるので成形前に除去する必要がある。した
がって、脱泡処理は反応物質添加後でスラリーが硬化す
る前に素早く行うか、あるいは脱泡処理中に反応物質を
添加するかして行うことが好ましい。

【００２３】 また、反応物質添加前にスラリー単独で
脱泡処理しておくことも、反応物質添加後の脱泡処理時
間を短縮できることもあり、好ましい。このような脱泡
処理は、一般的に減圧雰囲気下においてスラリーをゆっ
くり攪拌することで行うことができる。

【００２４】 スラリーに添加する反応物質としては、
−ＮＣＯ基を有するイソシアネートモノマーあるいはイ
ソシアネートポリマーが最も好適に用いられる。なお、
−ＮＣＯ基は、水と反応して炭酸ガスを発生するととも
に−ＮＨ₂基に変化する性質を有するため、本発明にお
ける分散媒として水を用いることは避けなければならな
い。また、イソシアネートの他にも、エポキシ系化合
物、ラクトン系化合物、アミン化合物、酸無水物、イソ
チオネートにおいても活性な官能基が存在するため、イ
ソシアネートと同様にスラリーを硬化させることができ
る。

【００２５】 このような反応物質を分散剤とほぼ同量
の少量ほどスラリーに添加することにより、スラリーが
流動性をなくす理由は、後述する比較例に示すように、
分散剤を添加しないスラリーにこのような反応物質を添
加してもスラリーの硬化は起こらないことを考慮する
と、分散剤と反応物質間の化学的な反応や、粉体への吸
着能力の差等によって分散剤の分散能が低下あるいは消
失するものと考えられる。

【００２６】 例えば、イソシアネートは、エタノール
のように水酸基を有する物質と反応して−ＮＣＯＯ−で
表されるウレタン結合を有する化合物を形成する性質が
ある。このとき、エタノールの代わりに多価アルコール
を使用すると、一種のウレタンポリマーを形成するの
で、本発明においても、スラリー中で分散剤と反応物質
との間で新たな有機化合物やポリマーが形成されること
で、分散剤の分散能が消失し、スラリーが流動性を失う
のではないかと推測される。

【００２７】 但し、後述する比較例に示すように、分
散剤が必要とされない比較的粗大な粒子を高濃度に分散
させたスラリーに分散剤と反応物質を添加してもスラリ
ーは硬化しないことから、このようなポリマーの形成が
起こったとしても、分散剤の分散能が機能していない状
態においては固化しない。

【００２８】 あるいは、−ＮＣＯ基のような活性な官
能基がスラリー中に解膠した粉体表面に吸着し、それま
で粉体表面に吸着していた分散剤を分散媒中に放出させ
るか、あるいは粉体表面とこれらの有機分子の結合状態
が変化することで分散剤の分散能が低下して粉体の凝析
がおこり、スラリーが硬化するものとも考えられ、さら
に、これら上述した反応が同時に並行して起こっている
可能性もある。

【００２９】 上述の通り、反応物質の添加によるスラ
リー硬化の詳細なメカニズムは明らかではないが、分散
剤と反応物質および粉体の相互作用により本発明の粉体
成形方法が達成されることは紛れもない事実である。以
下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本
発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

【００３０】

【実施例】 実施例１〜４のスラリーの作製条件につい
て表１に示す。実施例１〜４においては、粉体として平
均粒径が０．９μｍの高純度アルミナを用い、分散媒と
して石油エーテルを使用した。また、分散剤としては、
アルコール系ノニオンおよびアミン系カチオン分散剤を
用いた。さらに、反応物質としては３種類のイソシアネ
ート樹脂Ａ・Ｂ・Ｃを使用した。なお、表１中、反応物
質の添加の量は、他の成分の合計を１００としたときの
外比にて表示している。

【００３１】

【表１】

【００３２】 実施例１〜４においては、全ての場合に
おいて、良好な低粘度のスラリーを作製することができ
た。そして、得られたスラリーに所定の反応物質を添加
して２００ｍｌのポリエチレン製のビーカーに流し込
み、硬化の様子を観察した。その結果を表１に併記す
る。実施例１では、反応物質添加後３分でスラリーは硬
化し、２５ｍｍ×５０ｍｍφの形状を有する硬化体をビ
ーカーから取り出して電気炉にて、脱脂速度が６００℃
まで５０℃／ｈｒ、最高温度１６５０℃で焼成したとこ
ろ、得られた焼結体の線収縮率が１６％、密度は３．９
４ｇ／ｃｍ³を示した。

【００３３】 また、実施例２においては実施例１より
も早い３０秒で硬化し、実施例３においては硬化に１５
分を要した。さらに、実施例４においては室温に放置し
ただけでは３日経過してもスラリーの硬化が観られなか
ったので、１４０℃に加熱したところ、３０分で硬化し
た。

【００３４】 次に、比較例１〜３として、表１に併記
した条件にてスラリーの作製とスラリーの硬化を試み
た。比較例１では分散剤を用いずに実施例相当の粉体濃
度のスラリーの作製を試みたが、粉体が凝結して粘度状
となり、スラリーとすることができなかった。この結
果、分散剤を用いずにスラリーを作製するために、粉体
濃度を低濃度にした比較例２では、作製したスラリーに
反応物質であるイソシアネートを添加したが、スラリー
の硬化は起こらなかった。さらに、粉体として、０．５
ｍｍφのガラスビースを使用した場合には、分散剤なし
でもスラリーを作製することができたので、得られたス
ラリーに分散剤と反応物質の両方を添加してみたとこ
ろ、３日経過後にはスラリー粘度が若干上昇したもの
の、スラリーの硬化には至らなかった。

【００３５】 以上の実施例および比較例の実験結果か
ら、分散剤が存在しなければ反応物質のみを添加しても
スラリーの硬化は起こらないことが明らかとなった。さ
らに、分散剤と反応物質が共存しても、分散剤が、分散
剤として機能している状態でなければ反応物質を添加し
てもスラリーの硬化は起こらないことがわかった。した
がって、本発明におけるスラリーの硬化には、分散剤と
反応物質のみならなず、スラリーに分散した粉体もま
た、この硬化現象に関与しているものと考えられた。

【００３６】 また、分散剤と反応物質との組み合わせ
により硬化速度が異なる、すなわち、反応速度に差が生
じていることから、分散剤と反応物質との反応は、分子
の形状や官能基の種類によって異なってくることが明ら
かとなった。したがって、上述した分散剤と反応物質と
を任意に組み合わせてスラリーの硬化までの時間を調節
することにより、脱泡処理に時間をかけて十分にスラリ
ーから気泡を除去し、欠陥のない均質な硬化成形体を得
ることが可能となる。

【００３７】

【発明の効果】 以上、本発明の粉体成形方法は、粉体
が凝集しやすく造粒を行わなければ成形が困難な１μｍ
以下といった微粉体の成形に効果を発揮し、安価な装置
を用いて簡単に行うことができることから、製品の製造
コストの低減に寄与する。また、本発明においては、粉
体が高濃度に均一に分散したスラリーに、少量の反応物
質を添加するだけで、スラリーを硬化させることができ
るので、得られた成形体は焼成時に焼失する樹脂の含有
量が少なく、粉体が高密度に均一に充填され、焼成に際
しての変形が抑制され、脱脂に長時間を要しないという
優れた特徴を有する。また、流動性のあるスラリーを複
雑な形状の型に流し込んで硬化させることも可能である
ことから、従来、射出成形に頼らなければ作製できなか
った製品や機械的な加工を必要とした製品の製造に広く
応用することができるといった優れた効果を奏する。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミック、ガラスあるいは金属から選
   ばれた一種以上の粉体を分散剤を用いて分散媒に分散さ
   せて作製されたスラリーに、当該分散剤との相互作用に
   より当該分散剤の分散能力を消失もしくは低下させる反
   応物質を添加することにより、当該スラリーを硬化させ
   ることを特徴とする粉体成形方法。
2. 【請求項２】 当該分散媒が有機溶剤であり、かつ当該
   分散剤がアミン化合物、水酸基を有する有機化合物、ア
   ルコール系エステルまたは有機金属錯体のいずれか一つ
   であることを特徴とする請求項１記載の粉体成形方法。
3. 【請求項３】 当該反応物質が、イソシアネート、エポ
   キシ系化合物、ラクトン系化合物、アミン化合物、酸無
   水物、イソチオネートのいずれか一つであることを特徴
   とする請求項１または２記載の粉体成形方法。