(57)【要約】【課題】  長尺かつ小径の管状多孔質体の製造性を改善し、優れたフィルター特性を確保できる管状多孔質体を提供する。【解決手段】  本発明は、押出成形法により得られる成形体の金属粉末焼結体でなる管状の基体と、該基体の外周面に形成された厚さ０．１ｍｍ以下かつ平均孔径で２μｍ以下の表面層を有し、前記基体の平均孔径が前記表面層の平均孔径の２〜１０倍であって、全体厚さＴ≦２ｍｍ、管長Ｌと平均外径Ｄが、Ｌ／Ｄ≧２０、Ｄ≦３０ｍｍの関係を満たす管状多孔質体である。好ましくは空孔率を４０〜８５％とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
押出成形法により得られる成形体の金属粉末焼結体でなる管状の基体と、該基体の外周面に形成された厚さ０．１ｍｍ以下かつ平均孔径で２μｍ以下の表面層を有し、前記基体の平均孔径が前記表面層の平均孔径の２〜１０倍であって、全体厚さＴ≦２ｍｍ、管長Ｌと平均外径Ｄが、Ｌ／Ｄ≧２０、Ｄ≦３０ｍｍの関係を満たすことを特徴とする管状多孔質体。
【請求項２】
空孔率が４０〜８５％であることを特徴とする請求項１に記載の管状多孔質体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種流体の濾過、浸透等に使用する管状多孔質体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
種々の流体のごみ等の分離（濾過）には、樹脂、繊維、セラミック粉末、金属短繊維、金属粉末等を素材とした多孔質体がフィルターとして使用されている。それぞれに特徴が有り、使用目的に合わせて選択されている。特に金属を使用した多孔質体は強度、靭性に優れており、耐久性にすぐれ逆洗再生も可能である事が知られている。
この様な金属多孔質体は、例えば特許文献１に開示されるように、キャンドルタイプと呼ばれるような管状のフィルターとして用いられる。一般には、管状体の外周面から内周面に向かって処理液が通過する際に、外周面側で、固形分等を捕捉するものである。
【０００３】
特許文献１には、単純な１層構造の多孔質体構造ではなく、内側に基層、外側に皮層を設け、皮層部分を基層に比べて、薄くかつ微細な空孔を持つものとすることによって皮層部で確実に固形分等を捕捉するようにして、目詰まりを防止できる構造が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−３２７９２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した利点のある特許文献１に開示される多孔質体には、以下の改良すべき点が予想される。
管径は処理する流体に対する単位体積当りの接触面積を多くする、すなわち処理装置をコンパクトにするため、小径化と長尺化が所望されている。具体的には、管径Ｄとしては３０ｍｍ以下が要求される。管径Ｄに対して管長Ｌは２０倍以上、例えば３０ｍｍのもので、６００ｍｍ、さらには、１ｍ以上のものまで要求される。また、圧力損失の関係から、層自体を薄くしたいという要求もある。
特許文献１に記載される具体的技術では、筒状の内型と外型を使い、間隙にステンレス粉を充填し変形可能な内型から高圧をかけて管状に成形する。
【０００６】
この方法では、長尺な管を製造する場合、ステンレス粉末を均一に充填しにくいという問題がある。これは、層厚さを薄くする場合に特に問題となる。
また、径方向のみの圧力でステンレス粉末を直接成形するため、径方向に圧縮され、粉末が周方向に変形したり、変形することはなくても、不定形粉末の長手方向が周方向に揃う傾向となる。こうなると、外周面から内周面に向かう流体の流路を阻害する事となり、圧力損失が大きくなることが懸念される。
本発明の目的は、長尺かつ小径の管状多孔質体の製造性を改善し、優れたフィルター特性を確保できる管状多孔質体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、製造性の問題を検討し、金属粉末押出成形焼結体の技術を適用することで、均質な基体が得られ、それに伴い外周部に形成する表面層をより薄くかつ微細な空孔を持つものとすることが出来ることを見いだし本発明に到達した。
【０００８】
すなわち本発明は、押出成形法により得られる成形体の金属粉末焼結体でなる管状の基体と、該基体の外周面に形成された厚さ０．１ｍｍ以下かつ平均孔径で２μｍ以下の表面層を有し、前記基体の平均孔径が前記表面層の平均孔径の２〜１０倍であって、全体厚さＴ≦２ｍｍ、管長Ｌと平均外径Ｄが、Ｌ／Ｄ≧２０、Ｄ≦３０ｍｍの関係を満たす管状多孔質体である。
また、本発明において、管状多孔質体の空孔率は、好ましくは４０〜８５％、より好ましくは５０〜８５％とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、金属粉末押出成形焼結体の適用により、製造性良く、フィルター特性の優れた小径、且つ長尺である細孔を有する表面層を形成した管状多孔質体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
上述したように、本発明の重要な特徴は多孔質基体として金属粉末押出成形焼結体を採用したことにある。
金属粉末押出成形焼結体とは、粉末冶金技術として知られており、有機あるいは無機のバインダを含む金属粉末を所定の間隙を有する型（ダイ）を通過させつつ押し出すことにより、同一断面の長尺品を成形し成形体とし、これを加熱等により脱バインダ処理を行い、次いで焼結することで、焼結体としたものである。
この技術においては、成形体の状態では、金属粉末同士は結合されておらず、脱バインダから焼結にかけて、成形体がほぼ等方的に収縮しつつ、金属粉末同士の結合が進行していくものとなる。そのため、機械的に圧縮成形する場合と違い、金属粒子の空隙率の制御が容易であり、より大きなまた機械的圧縮による金属粉末の変形等の問題もないものとなる。そして、等方的な収縮のため、なめらかな表面形態が得られ、これにより、薄い表面層の形成が可能になるという利点がある。
【００１１】
本発明の管状多孔質体の形状について、図３を用いて説明する。本発明においては、管長Ｌと平均外径Ｄが、Ｌ／Ｄ≧２０、Ｄ≦３０ｍｍの関係を満たす管状多孔質体としている。これは、Ｌ／Ｄが２０未満、かつＤが３０ｍｍを超えるような大径、短尺な成形体では、押出成形をする必要性が少ないためである。押出成形の特徴を生かすためには、好ましくは、Ｌ／Ｄ≧５０、５ｍｍ≦Ｄ≦２０ｍｍを満たす形状への適用とする。
また、本発明においては、基体管部は表面層の多孔質体の平均孔径に対して２〜１０倍の平均孔径を有する多孔質体に形成する必要がある。これは、表面の細かな粉末の層を保持することと表面層を透過した流体に余分の透過抵抗を付与することを少なくする相反する特性を満足させるためである。
【００１２】
本発明において基体の外周面に形成する表面層は、厚さ０．１ｍｍ以下、平均孔径で２μｍ以下とした。厚さ０．１ｍｍ以下としたのは出来る限り、圧力損失を低減するためであり、平均孔径で２μｍ以下としたのは、従来の固液分離技術のひとつである沈降式の分離と同等以上の清浄度あるいは大腸菌程度の大きさの菌類を捕捉除去するのに必要な孔径のためである。
【００１３】
本発明においては、管状多孔質体の厚さＴ≦２ｍｍとするのは、管状多孔質体としての圧力損失を低減することができるためである。このように薄い肉厚で金属でなるフィルターが実現できたことは、押出成形焼結体の一つの大きな特徴である。
【００１４】
本発明においては、空孔率を４０〜８５％とすることが望ましい。基体の空孔率が４０％未満であると各種流体の通過する空孔の数が少なくなるため透過抵抗が大きくなることによって効率が悪くなり、また流体を送る装置の負荷が増加することになる。より好ましくは５０％以上である。また、８５％を超えると多孔質体を構成する粉末の接触点が減少することにより多孔質体の強度が低下し破損の原因となるからである。
なお、空孔率を５０％以上にする方法として粉末に造孔剤と呼ぶワックス、樹脂類を添加し成形した後に加熱又は有機溶剤に浸漬する事で樹脂類を除去し焼結する方法が適用できる。造孔剤としては典型的にはパラフィンワックスを利用できるが、特にこれに限るものではなく、焼結時に造孔剤の残存成分が本来の材質の成分に悪影響を与えず、実質的に粉末の焼結が開始する前に除去可能な物質であればよい。
【実施例１】
【００１５】
平均粒径が２０μｍの水アトマイズ製のＳＵＳ３１６Ｌ粉末１００重量部に対して、バインダとしてメチルセルロースを３．０重量部、滑剤としてグリセリン、界面活性剤を３．０重量部、純水を８．０重量部添加した材料を混合機で混合した後、連続式のニーダを通して成形材料とした。
小型の押出し成形機に内径φ１０．５ｍｍのダイスと外径φ７．５ｍｍの内径ピンを取付け上記の材料を用いて全長７５０ｍｍと２０００ｍｍの成形体を成形した。
乾燥装置で４８Ｈｒの乾燥後に真空焼結炉で６００℃まで脱脂処理を行い連続して１０５０℃で２Ｈｒの焼結を行った。焼結後の焼結体は径方向で５．２％、長さ方向で３．３％の収縮が認められた。
【００１６】
焼結した基体管の表面の汚れ、付着物等を純水にエタノールを１０重量％添加した液体を満たした槽に入れ、超音波洗浄する事によって除去した後に清浄な室内で乾燥した後、平均粒径が３μｍのガスアトマイズ製のＳＵＳ３１６Ｌ粉末１００重量部に対してバインダとしてポリビニルアルコールを０．７部、純水を４２部添加したスラリーを調合し、塗装用のスプレーを用いて５０μｍの厚みになる様に塗布した。
６時間の自然乾燥の後に真空焼結炉で６００℃まで脱脂処理を行い連続して８５０℃で２Ｈｒの焼結を行い基体部が平均孔径４．３６μｍで図３に示す寸法として、外径（Ｄ）が９．９５ｍｍ、肉厚（Ｔ）１．４２ｍｍ、表層部（ａ）が平均孔径１．１３μｍで厚みが４６μｍの２層構造で全長（Ｌ）が７２５ｍｍと１９３４ｍｍの管状多孔質体を得た。得られた基体管はＬ／Ｄがそれぞれ  ７２．８および１９４．４であり、基体管を構成する多孔質体の平均孔径が表面層の平均孔径の３．８倍であった。平均孔径はバブルポイント法（ＡＳＴＭ  Ｆ３１６−８６，ＪＩＳ  Ｋ３８３２）に基づく自動測定装置を用いて測定を行った。更に管状多孔質体を５０ｍｍ切断し、その重量と体積を測定して得られた空孔率はいずれも４３％であった。得られた管状多孔質体の一部を破壊し表層と基体管部の境界を走査顕微鏡で観察した写真を図１に示す。また、その構造の模式図を図２に示す。
【００１７】
得られた管状多孔質体の流量特性を、上水を用い供給圧力と透過流量を測定した結果、濾過抵抗は目標の２．０×１０１０（１／ｍ）以下の１．７×１０１０（１／ｍ）であった。
更に実際の処理を想定して行った水道法に基づく上水試験方法で測定された濁度の期間平均値が１２の懸濁液を原水としての連続濾過試験では、濾過時間１７７０ｓｅｃ後、逆流洗浄３０ｓｅｃのサイクルに３日毎の薬液洗浄を施すことで３０日以上の連続使用が可能であった。
比較の為に同様の条件で製造した基体管に表層を塗布しない１層構造の管状多孔質体を用い、同様の懸濁液を用いて試験を行ったところ、５Ｈｒの連続処理の後に濾過抵抗が上昇し、３回連続して薬液洗浄を行っても濾過抵抗が使用可能範囲に回復しないようになったため使用を断念した。
【実施例２】
【００１８】
平均粒径が２０μｍの水アトマイズ製のＳＵＳ３１６Ｌ粉末１００重量部に対して、空孔率を増加させるための造孔剤として平均外径がφ０．３ｍｍの顆粒状のパラフィンワックスをＳＵＳ３１６粉末の体積に対して１００体積部とバインダとしてメチルセルロースを３．０重量部、滑剤としてグリセリン、界面活性剤を３．０重量部、純水を１０．０重量部添加した材料を混合機で混合した後、連続式のニーダを通して成形材料とした。
【００１９】
次に上記の成形材料を使用して小型の押出し成形機に内径φ１０．５ｍｍのダイスと外径φ６．５ｍｍの内径ピンを取付けて全長７５０ｍｍと２０００ｍｍの成形体を成形した。
成形後に６０℃に加熱した溶媒に１Ｈｒ以上浸漬してパラフィンワックスを除去した後、乾燥装置で４８Ｈｒの乾燥後に真空焼結炉で６００℃まで脱脂処理を行い連続して１０５０℃で２Ｈｒの焼結を行った。焼結後の焼結体は径方向で５．３％、長さ方向で２．７％の収縮が認められた。
更に基体管の表面の汚れ、付着物等を実施例１と同一の方法で除去した後に、平均粒径が３μｍのガスアトマイズ製のＳＵＳ３１６Ｌ粉末１００重量部に対してバインダとしてポリビニルアルコールを０．７部、純水を４２部添加したスラリーを調合し、塗装用のスプレーを用いて５０μｍ程度の厚みになる様に塗布した。
【００２０】
約６時間の自然乾燥の後に真空焼結炉で６００℃まで脱脂処理を行い連続して８５０℃で２Ｈｒの焼結を行い基体部が平均孔径７．０μｍで肉厚（Ｔ）１．９６ｍｍ、表層部が平均孔径１．２μｍで厚みが５２μｍの２層構造で外径（Ｄ）が９．９４ｍｍ、全長（Ｌ）が７３０ｍｍと１９４６ｍｍの管状多孔質体を得た。得られた基体管はＬ／Ｄがそれぞれ７３．４および１９５．８であり、基体管を構成する多孔質体の平均孔径が表面層の平均孔径の５．８倍であった。実施例１と同様に管状多孔質体の空孔率を測定したところ空孔率が７２％と実施例１の４３％に比べ大幅に増加していた。
得られた管状多孔質体の流量特性を、上水を用い供給圧力と透過流量を測定した結果、濾過抵抗は１．０×１０１０（１／ｍ）と実施例１に比べ大幅に改善された。
これは基体部の平均孔径が大きくなったことと空隙が多くなったことの効果と考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明は、濾過抵抗の低い管状多孔質体を容易に提供できるため、水処理装置等の小型化に極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の管状多孔質体の断面ミクロ組織の一例を示す写真である。
【図２】図１に示す断面ミクロ組織の模式図である。
【図３】本発明の管状多孔質体の寸法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２３】
Ｌ．管状多孔質体の全長
Ｄ．管状多孔質体の外径
Ｔ．管状多孔質体の基体部と表層部を合わせた肉厚
ａ．管状多孔質体の表層部
ｂ．管状多孔質体の基体部
【図２】
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【図３】
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【図１】
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