(57)【要約】  特に、油相材料を含有するバッチ組成物を使用して製造されたセラミック物品および前駆体の欠陥を低下させる方法。この方法は、バッチ組成物における非水溶性石鹸の濃度を増加させる工程を含み、これによって、油相の凝集強さを増加させることができ、セラミック物品および前駆体の欠陥の発生率の低下を導く。
2015507586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック物品および前駆体における欠陥の存在を低下させる方法であって、
複数のセラミック物品または前駆体における欠陥の発生率を決定する工程と、
前駆体バッチ組成物における非水溶性の石鹸の濃度を増加させる工程と、
前記前駆体バッチ組成物から製造した複数のセラミック物品または前駆体における欠陥の発生率を決定する工程と、
を含んでなることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記非水溶性石鹸がアルカリ土類石鹸であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記アルカリ土類石鹸が、カルシウム石鹸およびマグネシウム石鹸からなる群から選択されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記アルカリ土類石鹸がカルシウム石鹸であることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記アルカリ土類石鹸が、オレイン酸カルシウム、ラウリン酸カルシウム、オレイン酸マグネシウム、ラウリン酸マグネシウム、ステアリン酸カルシウム、パルミチン酸カルシウム、ステアリン酸マグネシウムおよびパルミチン酸マグネシウムからなる群から選択されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、米国特許法第１２０条に基づき、２０１１年９月１６日出願の米国特許出願第１３／２３４５９８号明細書の優先権の利益を主張する。上記特許出願の内容はその全体が本明細書に依存し、参照によって組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、概して、セラミック物品および前駆体における欠陥を低下させる方法、特に、油相材料を含有するバッチ組成物を使用して製造されるセラミック物品および前駆体の欠陥を低下させる方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
移動発生用途における基材およびフィルターとして使用されるハニカム形状の物品などのセラミック物品の製造において、厳しさの増している納入先規格を満たすために、破損を生じるレベルまで達する品物における欠陥の存在を最小化することが望ましい。そのような欠陥には、焼成後に観察されるもののみではなく、未焼成亀裂などの押出成形後および乾燥段階号に観察されるものも含まれ得る。そのような品物を廃棄することは、材料利用の低下をもたらし、望ましくない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
未焼成亀裂などの欠陥は、多くの原因から生じ得る。移動発生制御のための薄壁基材などの特定のセラミック物品の製造において、脂肪酸または油などの疎水性材料が潤滑剤としてバッチにしばしば添加される。しかしながら、メチルセルロースなどの典型的に適用される結合材は、油相に一般に不溶性であることが多く、この相は、水性相より実質的に低い凝集強さを有することが多い。このような油相における凝集強さの不足は、押出成形の間にバッチのバルクから皮膜領域に移行する、局所的に濃縮した油の筋を特徴とする油亀裂と呼ばれることの多い一種の未焼成亀裂をもたらすおそれがある。そのような亀裂によって生じる欠陥が十分に激しい場合、材料利用の実質的な損失、ならびに、問題に対処することを試みるため、生産設備において大きなダウンタイムが生じるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一実施形態は、セラミック物品および前駆体における欠陥の存在を低下させる方法に関する。この方法は、複数のセラミック物品または前駆体における欠陥の発生率を決定する工程を含む。またこの方法は、前駆体バッチ組成物における非水溶性の石鹸の濃度を増加させる工程を含む。加えて、この方法は、前駆体バッチ組成物から製造した複数のセラミック物品または前駆体における欠陥の発生率を決定する工程を含む。
【０００６】
追加的な特徴および効果は、以下の詳細な説明において明かにされ、部分的には、その説明から当業者にとって容易に明らかとなるか、本明細書の説明および請求項、ならびに添付の図面に記載される実施形態を実施することによって認識されるであろう。
【０００７】
上記の一般的な説明および以下の詳細な説明は、単に例示であることを理解すべきであり、請求項の性質および特徴を理解するための概要またはフレームワークを提供することを目的とする。
【０００８】
添付の図面は、さらなる理解をもたらすために含まれ、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。図面は、１つ以上の実施形態を例示し、説明と合わせて、様々な実施形態の原理および操作を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、いくつかの実験において様々な量で炭酸カルシウムがセラミック前駆体バッチ組成物に添加された、４回の実験に対する引張特性を示す。
【図２】図２は、いくつかの実験において様々な量で塩化カルシウムがセラミック前駆体バッチ組成物に添加された、４回の追加の実験に対する引張特性を示す。
【図３】図３は、いくつかの実験においてオレイン酸またはリノール酸がトール油と置換された、４回の追加の実験に対する引張特性を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の様々な実施形態は、図面がある場合、図面に関して詳述される。
【００１１】
本明細書に使用される場合、「前駆体」という用語は、「セラミック物品および前駆体」との関連において使用される場合、その後燃焼されて、セラミック物品を生じることが可能である、湿潤または未焼成状態のものなどの成形または押出成形された材料を指す。
【００１２】
本明細書に使用される場合、「非水溶性石鹸」は、一般式ＲＣＯＯＸ（式中、Ｒは、一般に、油相に溶解性を与える有機成分を表し、かつＸは金属を表す）の種を指し、この石鹸は、１リットルあたり０．００１未満のモルの２５℃における水中溶解性限界を有する。
【００１３】
本明細書に使用される場合、「非水溶性石鹸の塩」は非水溶性石鹸の金属イオンを含有する塩を指す。
【００１４】
本明細書に使用される場合、「アルカリ土類石鹸」は一般式ＲＣＯＯＸ（式中、Ｒは、一般に、油相に溶解性を与える有機成分を表し、かつＸは、アルカリ土類金属（ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムまたはラジウム）を表す）の種を指す。
【００１５】
本明細書に使用される場合、「前駆体バッチ組成物」という用語は、セラミック物品および前駆体を製造するために使用される材料の組成物を指す。
【００１６】
セラミック物品、特に油相材料を含有する前駆体バッチ組成物から製造されるセラミック物品の製造において、油亀裂を含む未焼成亀裂などの特定の欠陥は、油相における凝集強さの不足によって、しばしば生じる。出願人は、驚くべきことに、一般に油相に溶解性である特定の非水溶性石鹸のバッチ濃度を増加させることによって、油相の凝集強さを増加させることができることを見出した。このようにして、油相の凝集強さを増加させることによって、油亀裂を含む未焼成亀裂などの特定の欠陥の発生率は有意に低下し得る。
【００１７】
特に１つ以上の欠陥の発生率は、複数のセラミック物品または前駆体の欠陥の発生率を決定することによって、例えば、製造されるセラミック物品または前駆体の群の範囲内で特定の欠陥を有するセラミック物品または前駆体のパーセントまたはフラクションを決定することによって、低下し得る。セラミック物品において見られる欠陥のレベルに応じて、前駆体バッチ組成物における非水溶性石鹸の濃度は増加してもよい。非水溶性石鹸の濃度が増加した前駆体バッチ組成物から製造される複数のセラミック物品の欠陥の発生率を次いで決定することができる。必要に応じて、例えば、非水溶性石鹸の濃度が増加した前駆体バッチ組成物から製造されるセラミック物品または前駆体における欠陥（および他の考慮すべき事柄）の発生率次第で、非水溶性石鹸の濃度を調節することができるか、または少なくとも２回増加させることができる。
【００１８】
前駆体バッチ組成物における非水溶性石鹸の濃度は、多数の異なるアプローチの少なくとも１つによって増加させることができる。例えば、非水溶性石鹸の濃度は、前駆体バッチ組成物に、ある量の非水溶性石鹸の一般的な金属イオン塩を添加することによって増加させることができる。また、非水溶性石鹸の濃度は、前駆体バッチ組成物に、ある量の非水溶性石鹸を添加することによって増加させることもできる。さらに非水溶性石鹸の濃度は、前駆体バッチ組成物における脂肪酸および非水溶性石鹸金属イオンの全体的な溶解度積を低下させることによって増加させることができる。
【００１９】
非水溶性石鹸は、油中で少なくともいくらかの量の溶解性を有する非水溶性無機脂肪酸錯体を一般に形成することが可能であるキレート性無機イオンを含んでなるように選択することができる。無機イオンは、６７℃で１０−１６〜１０−１２の溶解度積（Ｋｓｐ）を有する有機脂肪酸の塩を製造するアルカリ土類元素、希土類元素、第ＶＩＩＩＢ群元素および第ＩＩＢ群元素から選択されるものを含むことができる。
【００２０】
特定の例示的な実施形態において、非水溶性石鹸は、少なくとも１種のアルカリ土類石鹸から選択される。特定の例示的な実施形態において、アルカリ土類石鹸は、カルシウム石鹸およびマグネシウム石鹸の少なくとも１種である。例示的なカルシウムおよびマグネシウム石鹸には、オレイン酸カルシウム、ラウリン酸カルシウム、オレイン酸マグネシウム、ラウリン酸マグネシウム、ステアリン酸カルシウム、パルミチン酸カルシウム、ステアリン酸マグネシウムおよびパルミチン酸マグネシウムが含まれる。
【００２１】
特定の例示的な実施形態において、前駆体バッチ組成物における非水溶性石鹸の濃度は、前駆体バッチ組成物に、ある量の非水溶性石鹸の一般的な金属イオン塩を添加することによって増加させることができる。例えば、前駆体バッチ組成物における非水溶性石鹸の濃度は、前駆体バッチ組成物に、ある量の少なくとも１種の適切なアルカリ土類塩を添加することによって増加させることができる。例示的なアルカリ土類塩には、炭酸カルシウム、酸化カルシウムおよび塩化カルシウム、炭酸マグネシウム、酸化マグネシウムおよび塩化マグネシウムが含まれる。
【００２２】
非水溶性石鹸の塩は、次の平衡関係に従って非水溶性石鹸の濃度を増加させるために有効な量で添加することができる。
【００２３】
【数１】
2015507586.tif 000003
【００２４】
（式中、［ＲＣＯＯＸ］は非水溶性石鹸の濃度を表し、［ＲＣＯＯ−］はアニオン脂肪酸濃度を表し、［Ｘ＋Ｎ］は非水溶性石鹸の金属イオンの濃度を表し、かつＮは金属イオンの正味の正電荷を表す）
特定の例示的な実施形態において、前駆体バッチ組成物に添加される適切なアルカリ土類塩などの非水溶性石鹸の一般的な金属イオン塩の量は、前駆体バッチ組成物の乾燥成分の少なくとも０．０５重量％、例えば少なくとも０．１０重量％、そしてさらには例えば少なくとも０．１５重量％、そしてなおさらには例えば少なくとも０．２０重量％であることができる。
【００２５】
特定の例示的な実施形態において、前駆体バッチ組成物に添加した非水溶性石鹸の一般的な金属イオン塩の量が、例えば、熱膨張係数（ＣＴＥ）などのその組成物から製造されるセラミック物品の他の特性に実質的に悪影響を与えないことを確実にするように配慮がされなければならない。したがって、特定の例示的な実施形態において、適切なアルカリ土類塩などの非水溶性石鹸の一般的な金属イオン塩は、前駆体バッチ組成物の乾燥成分の０．０５〜０．４０重量％、例えば０．１０〜０．３５重量％、そしてさらには例えば０．１５〜０．３０重量％の範囲の量で前駆体バッチ組成物に添加される。
【００２６】
特定の例示的な実施形態において、前駆体バッチ組成物における非水溶性石鹸の濃度は、前駆体バッチ組成物に、ある量の非水溶性石鹸を添加することによって増加させることができる。例えば、前駆体バッチ組成物における非水溶性石鹸の濃度は、前駆体バッチ組成物に、ある量の少なくとも１種の適切なアルカリ土類石鹸を添加することによって増加させることができる。例示的なアルカリ土類石鹸には、オレイン酸カルシウム、ラウリン酸カルシウム、オレイン酸マグネシウム、ラウリン酸マグネシウム、ステアリン酸カルシウム、パルミチン酸カルシウム、ステアリン酸マグネシウムおよびパルミチン酸マグネシウムが含まれる。
【００２７】
特定の例示的な実施形態において、前駆体バッチ組成物に添加される適切なアルカリ土類石鹸などの非水溶性石鹸の量は、前駆体バッチ組成物の乾燥成分の少なくとも０．０５重量％、例えば少なくとも０．１０重量％、そしてさらには例えば少なくとも０．１５重量％、そしてなおさらには例えば少なくとも０．２０重量％であることができる。
【００２８】
特定の例示的な実施形態において、前駆体バッチ組成物の非水溶性石鹸の濃度は、脂肪酸および非水溶性石鹸の金属イオンの全体的な溶解度積（Ｋｓｐ）を低下させることによって増加させることができる。
【００２９】
【数２】
2015507586.tif 000004
【００３０】
（式中、［ＲＣＯＯ−］はアニオン脂肪酸濃度を表し、［Ｘ＋Ｎ］は非水溶性石鹸の金属イオンの濃度を表し、かつＮは金属イオンの正味の正電荷を表す）これは、脂肪酸と金属イオンとの適切な組み合わせを選択することによって、かつ／または前駆体バッチ組成物に適切な脂肪酸を添加することによって、かつ／または前駆体バッチ組成物における適切な脂肪酸をもう１種の脂肪酸と完全に、もしくは部分的に置換することによって実行可能である。
【００３１】
例えば、前駆体バッチ組成物の非水溶性石鹸の濃度は、前駆体バッチ組成物における脂肪酸および適切なアルカリ土類金属イオンの全体的な溶解度積（Ｋｓｐ）を低下させることによって増加させてもよい。
【００３２】
特定の例示的な実施形態において、前駆体バッチ組成物の６７℃の脂肪酸およびアルカリ土類金属イオンの全体的な溶解度積（Ｋｓｐ）は、１０−１１未満、例えば１０−１２未満、そしてさらには例えば１０−１３未満、そしてなおさらには例えば１０−１４未満、例えば１０−１１〜１０−１６となるまで低下させることができる。
【００３３】
前駆体バッチ組成物に適切な脂肪酸を添加することによって、および／または前駆体バッチ組成物における適切な脂肪酸をもう１種の脂肪酸と完全に、もしくは部分的に置換することによって、脂肪酸およびアルカリ土類金属イオンなどの金属イオンの全体的な溶解度積を、少なくとも５０％、例えば少なくとも９０％、そしてさらには例えば少なくとも９５％、そしてなおさらには例えば少なくとも９９％低下させることができる。
【００３４】
特定の例示的な実施形態において、アルカリ土類金属イオンはカルシウムであり、そして脂肪酸およびカルシウムイオンの全体的な溶解度積は、１０−１２以下のカルシウムイオンとの６７℃の溶解度積を有する脂肪酸を添加することによって低下する。
【００３５】
特定の例示的な実施形態において、アルカリ土類金属イオンはマグネシウムであり、そして脂肪酸およびカルシウムイオンの全体的な溶解度積は、１０−１２以下のマグネシウムイオンとの６７℃の溶解度積を有する脂肪酸を添加することによって低下する。
【００３６】
特定の例示的な実施形態において、脂肪酸およびアルカリ土類金属イオンなどの金属イオンの全体的な溶解度積は、前駆体バッチ組成物に、オレイン酸、ステアリン酸、パルミチン酸およびラウリン酸の少なくとも１種を添加することによって、そして／または前駆体バッチ組成物におけるこれらの酸の少なくとも１種をもう１種の脂肪酸と置換することによって低下する。
【００３７】
本開示および添付の請求の範囲は、以下の実施例によってさらに明らかにされる。下記の実施例の全てにおいて、タルクは不純物として約０．１〜０．２重量％のカルシウム塩を含有した。
【実施例】
【００３８】
実施例１
表１に明示される成分を有する菫青石前駆体バッチ組成物から、４回の異なる実験を実施した。
【００３９】
【表１】
2015507586.tif 000005
【００４０】
組成物は、特定の実験において、重量パーセント基準で乾燥成分として異なる量でさらに加えられた炭酸カルシウムの量を除いて、同一であった。特に、実験２および３において、炭酸カルシウムは、それぞれ、０．１６および０．３２重量パーセントの量で組成物に添加された。組成物への炭酸カルシウムの添加によって、組成物の油相のカルシウム石鹸の量の増加がもたらされる。
【００４１】
表１に明示される組成物からハニカム形状の品物を押出成形し、そしてエアチェックおよび亀裂などの皮膜欠陥の評価が実施された。皮膜品質結果は表１に明示される通りであり、炭酸カルシウムの添加が皮膜品質を改善したことを示している。図１は、実験の押出成形された材料の引張特性を示す。見られるように、（炭酸カルシウムを含む）実験２および３の破断時の歪みの値は、（炭酸カルシウムを含まない）実験１および４の値よりも高かった。理論によって限定されることを望まないが、炭酸カルシウムの添加による破断時の歪みの改善は、油相の凝集強さの増加の結果であると考えられ、押出成形された材料における欠陥低下の観察と合致する。
【００４２】
実施例２
表２に明示される成分を有する菫青石前駆体バッチ組成物から、４回の追加実験を実施した。
【００４３】
【表２】
2015507586.tif 000006
【００４４】
組成物は、特定の実験において（炭酸カルシウムの代わりに）塩化カルシウムが乾燥成分として異なる量でさらに加えられたことを除いて、互いに、そして実施例１に明示される組成物と同一であった。特に、実験６および７において、塩化カルシウムは、それぞれ、０．０８および０．１６重量パーセントの量で組成物に添加された。組成物への塩化カルシウムの添加によって、組成物の油相のカルシウム石鹸の量の増加がもたらされる。
【００４５】
表２に明示される組成物からハニカム形状の品物を押出成形し、そしてエアチェックおよび亀裂などの皮膜欠陥の評価が実施された。皮膜品質結果は表２に明示される通りであり、塩化カルシウムの添加が皮膜品質を改善したことを示している。図２は、実験の押出成形された材料の引張特性を示す。見られるように、（塩化カルシウムを含む）実験６および７の引張最大荷重の値は、（塩化カルシウムを含まない）実験５および８の値よりも高かった。理論によって限定されることを望まないが、塩化カルシウムの添加による引張最大荷重の改善は、油相の凝集強さの増加の結果であると考えられ、押出成形された材料における欠陥低下の観察と合致する。
【００４６】
実施例３
表３に明示される成分を有する菫青石前駆体バッチ組成物から、４回の追加実験を実施した。
【００４７】
【表３】
2015507586.tif 000007
【００４８】
組成物は、特定の実験においてオレイン酸およびリノール酸がトール油と置換されたことを除き、互いに同一であった。特に、実験１０においてはオレイン酸がトール油と置換され、そして実験１１においてはリノール酸がトール油と置換された。オレイン酸は、６７℃で約１０−１０のＫｓｐを有することが知られており、そしてリノール酸は、６７℃で約１０−１２のＫｓｐを有することが知られている。トール油は、オレイン酸およびリノール酸の混合物であることが知られており、これらの２つの値の間のＫｓｐを有することが予想される。したがって、オレイン酸をトール油と置換することは、組成物の油相のカルシウム石鹸の量の増加をもたらし、それに対して、リノール酸をトール油と置換することは、組成物の油相のカルシウム石鹸の量の低下をもたらす。
【００４９】
表３に明示される組成物からハニカム形状の品物を押出成形した。図３は、実験の押出成形された材料の引張特性を示す。見られるように、（オレイン酸を含む）実験１０の引張最大荷重および破断時の歪みの値が最大であり、それより低いのは実験９および１２（トール油を含む）、そして最も低いのは実験１１（リノール酸を含む）であった。理論によって限定されることを望まないが、オレイン酸による引張最大荷重および破断時の歪みの改善は、油相の凝集強さの増加の結果であると考えられ、押出成形された材料における欠陥低下の観察と合致する。
【００５０】
他に明白に明示されない限り、本明細書に明示されるいずれの方法も、その工程が特定の順番で実行されることを必要とするものとして解釈されることは決して意図されない。したがって、方法の請求項が、その工程が後に続く順番を実際に列挙しない、またはその工程が特定の順番に限定されることが請求項または説明において他に特に明示されない場合、いずれかの特定の順番が推測されることは決して意図されない。
【００５１】
添付の請求項に明示される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更を実行することができることは当業者に明白であろう。開示の精神および実体を組み込む、開示された実施形態の修正形態の組み合わせ、部分的組み合わせおよび変更を当業者は想起することができ、本開示は、添付の請求項およびそれらの均等物の範囲内の全てを含むように解釈されなければならない。
【図１】
2015507586.tif 000008
【図２】
2015507586.tif 000009
【図３】
2015507586.tif 000010
【国際調査報告】
2015507586.tif 000011
2015507586.tif 000012
2015507586.tif 000013