(57)【要約】【課題】成形用粒子が凝集、粗大化することなく、粒子径が分散液中の分散粒径に近い状態で成形することが可能であり、しかも、均質性及び緻密性が高い成形体を容易に得ることが可能な成形体の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の成形体の製造方法は、成形用粒子を水に分散してなる分散液を成形用型に投入し、次いで、この分散液が投入された成形用型を有機溶媒中に浸漬、前記分散液が投入された成形用型に有機溶媒を充填、のいずれかを行い、前記分散液中の水分を抽出して前記有機溶媒中に移動させることにより、成形体を形成する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形用粒子を水に分散してなる分散液を成形用型に投入し、次いで、この分散液が投入された成形用型を有機溶媒中に浸漬、前記分散液が投入された成形用型に有機溶媒を充填、のいずれかを行い、前記分散液中の水分を抽出して前記有機溶媒中に移動させることにより、成形体を形成することを特徴とする成形体の製造方法。
【請求項２】
前記有機溶媒への前記水分の溶解度は、前記水分への前記有機溶媒の溶解度より大であることを特徴とする請求項１記載の成形体の製造方法。
【請求項３】
前記分散液中の水分を抽出する際に、前記分散液及び前記有機溶媒を加圧することを特徴とする請求項１または２記載の成形体の製造方法。
【請求項４】
前記加圧の際に、前記分散液及び前記有機溶媒を加熱または冷却し、前記水の前記有機溶媒への溶解度を制御することを特徴とする請求項３記載の成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形体の製造方法に関し、更に詳しくは、セラミックスや粉末冶金にて好適に用いられ、強度のバラツキが小さくかつ純度の高いセラミックスや金属からなる成形体を、簡易な工程で得ることが可能な成形体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、セラミックスや金属の成形体を製造する方法としては、成形用粉体を用いる乾式プレス成形法と、成形用粉体のスラリーを用いる湿式成形法とに大別され、湿式成形法としては、射出成形法や鋳込み成形法等が知られている。
（１）乾式プレス成形法
成形用粉体を成形用型に充填し、その後加圧することにより、成形体を得る方法である。
この方法では、成形体の密度をより高くするために、スプレードライヤー等の噴霧乾燥装置により得られた平均粒径が数１０μｍ程度の顆粒状の成形用粉体が用いられている。また、プレス成形時の圧力は数百ｋｇ／ｃｍ２程度あるいはそれ以上である。
【０００３】
（２）射出成形法
成形用粉体、バインダー、水や有機溶媒等を混合して、成形用粉体の含有率が比較的高くかつ粘度が高いスラリーとし、このスラリーを射出成形することにより、成形体を得る方法である。
（３）鋳込み成形法
成形用粉体を水や有機溶媒等の溶媒中に分散させた比較的粘度が低いスラリーを、石膏等の多孔性の成形用型に流し込み、このスラリー中の溶媒を多孔性の成形用型を介して除去することにより、成形体を得る方法である。
【０００４】
また、成形体の強度のバラツキの低減、高純度化、さらには、この成形体を焼成して得られる焼結体の強度向上等の観点から、ゾルゲル法により成形用粉体を得る方法が提案されている。
このゾルゲル法は、金属アルコキシドや金属塩等を加水分解等によりゾル化し、その後このゾルをゲル化し、このゲルを乾燥・細粉化して成形用粉体とする方法である（特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開平６−１３５７０４号公報
【特許文献２】特開２００２−２７４９５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の乾式プレス成形法では、平均粒径が数１０μｍ程度の乾燥した成形用粉体を加圧成形しているために、得られた成形体の成形密度を十分に高くすることができないという問題点があった。また、この成形体中に空隙や空孔が生じ易く、しかも、この空隙や空孔は成形体中に不均一に分布し、その大きさも数μｍ程度と大きいことから、この成形体を焼成する等によりセラミックスや金属の焼結体を作製すると、この焼結体の中に空隙やマイクロクラック等が生じ易く、焼結体の密度が低下し、強度等の機械的特性等も低下する等の問題点があった。
また、この成形体を焼成して緻密な焼結体とするためには、１０００℃あるいはそれ以上の温度で焼成する必要があるが、焼成温度が高過ぎると、焼成過程で異常粒成長等が生じることとなり、焼結体の機械的特性等が低下する等の問題点があった。
【０００６】
また、従来の射出成形法においても、上記の乾式プレス成形法と同様、成形体中に空隙や空孔が不均一に分布し、その大きさも数μｍ程度と大きいという問題点があった。
また、従来の鋳込み成形法では、スラリー中の溶媒を多孔性の成形用型を介して除去しているために、スラリー中の成形用粉体の大きさを成形用型の孔径（数μｍ程度）よりも大きくする必要があり、成形用粉体の大きさを数μｍ程度以下とすることが難しい。したがって、上記の乾式プレス成形法と同様、得られる成形体中の空隙の大きさをさらに小さくすることができないという問題点があった。
さらに、これら射出成形法や鋳込み成形法では、水等の溶媒を用いているために、得られた成形体を乾燥して水等の溶媒を除去する必要があるが、この乾燥過程で成形体が収縮することにより、この成形体に亀裂やマイクロクラックが生じ、歩留まりを低下させる等の問題点があった。
【０００７】
また、従来のゾルゲル法では、１μｍ以下の成形用粉体を得ることができることから、成形体の強度のバラツキの低減、高純度化、焼結体の強度向上等を図ることができるものの、ゾルのゲル化、ゲルの乾燥、乾燥したゲルの解砕、粉砕等、成形用粉体を得るまでの工程数が多く、また、出発原料に金属アルコキシドや金属塩等を用いているために、原料コストが高く、したがって、製造コストを低減することが難しいという問題点があった。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、成形用粒子が凝集、粗大化することなく、粒子径が分散液中の分散粒径に近い状態で成形することが可能であり、しかも、均質性及び緻密性が高い成形体を容易に得ることが可能な成形体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、上記の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、成形用粒子を水に分散してなる分散液が投入された成形用型を有機溶媒中に浸漬、または成形用粒子を水に分散してなる分散液が投入された成形用型に有機溶媒を充填、のいずれかを行うことにより、この分散液と有機溶媒とを接触させ、この有機溶媒により分散液から分散媒である水のみを抽出して有機溶媒中に移動させれば、成形用粒子が凝集、粗大化することがなく、この粒子の粒子径が分散液中の分散粒径に近い状態で成形することができ、しかも、得られた成形体の均質性及び緻密性が高いことを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明の成形体の製造方法は、成形用粒子を水に分散してなる分散液を成形用型に投入し、次いで、この分散液が投入された成形用型を有機溶媒中に浸漬、前記分散液が投入された成形用型に有機溶媒を充填、のいずれかを行い、前記分散液中の水分を抽出して前記有機溶媒中に移動させることにより、成形体を形成することを特徴とする。
【００１１】
前記有機溶媒への前記水分の溶解度は、前記水分への前記有機溶媒の溶解度より大であることが好ましい。
前記分散液中の水分を抽出する際に、前記分散液及び前記有機溶媒を加圧することが好ましい。
前記加圧の際に、前記分散液及び前記有機溶媒を加熱または冷却し、前記水の前記有機溶媒への溶解度を制御することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の成形体の製造方法によれば、成形用粒子を水に分散してなる分散液を成形用型に投入し、次いで、この分散液が投入された成形用型を有機溶媒中に浸漬、前記分散液が投入された成形用型に有機溶媒を充填、のいずれかを行い、前記分散液中の水分を抽出して前記有機溶媒中に移動させるので、分散液中の水分が有機溶媒中に移動することにより、成形用粒子が分散した状態のまま徐々に成形体を形成することとなり、その結果、成形用粒子が凝集、粗大化することなく、粒子の径が分散液中の分散粒径に近い状態の成形体を容易に形成することができる。したがって、均質性及び緻密性が高い成形体を容易に作製することができる。
また、この成形体を焼成すれば、均質性及び緻密性が高い焼結体を容易に作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の成形体の製造方法を実施するための最良の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
【００１４】
本発明の成形体の製造方法は、成形用粒子を水に分散してなる分散液を成形用型に投入し、次いで、この分散液が投入された成形用型を有機溶媒中に浸漬、前記分散液が投入された成形用型に有機溶媒を充填、のいずれかを行い、前記分散液中の水分を抽出して前記有機溶媒中に移動させることにより、成形体を形成する方法である。
【００１５】
この分散液は、基本的には成形用粒子を水に分散した分散液である。
成形用粒子としては、特に限定することはないが、金属酸化物粒子、金属粒子、金属酸化物粒子と金属粒子との混合物が好適である。
【００１６】
金属酸化物としては、酸化ケイ素および／またはその化合物、酸化アルミニウムおよび／またはその化合物、酸化ジルコニウムおよび／またはその化合物、酸化チタンおよび／またはその化合物、酸化セリウムおよび／またはその化合物、酸化亜鉛および／またはその化合物、酸化インジウムおよび／またはその化合物、酸化スズおよび／またはその化合物、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等の遷移金属酸化物および／またはその化合物、希土類酸化物および／またはその化合物等が挙げられる。
【００１７】
金属としては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等の遷移金属および／またはその合金、金および／またはその合金、銀および／またはその合金、白金族（Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ）および／またはその合金等が挙げられる。
【００１８】
この成形用粒子の平均粒子径は、１μｍ以下が好ましく、より好ましくは０．５μｍ以下である。その理由は、平均粒子径を１μｍ以下とすることにより、分散液における安定性が向上し、成形体を形成する過程で該成形用粒子が沈降する等の不具合が生じ難くなるからである。
特に、透明な成形体を形成する場合には、成形用粒子の平均粒子径は５０ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは２０ｎｍ以下である。
【００１９】
この分散液における成形用粒子の含有率は、５重量％以上が好ましく、より好ましくは１０重量％以上である。その理由は、含有率が５重量％を下回ると、成形過程で抽出する水の量が多くなってしまい、その結果、成形体の製造に要する時間が長くなり過ぎてしまい、成形体の生産効率が低下するからである。
【００２０】
この分散液は、その特性を損なわない範囲において、分散剤、水溶性バインダー等を含有していてもよい。
分散剤としては、陰イオン系界面活性剤、陽イオン系界面活性剤、両性イオン界面活性剤等のイオン系界面活性剤、あるいは非イオン系界面活性剤が好適に用いられる。これらの界面活性剤は、使用する成形体用粒子の種類や粒子径により適宜選択すればよい。
【００２１】
水溶性バインダーとしては、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルピロリドン、ヒドロキシセルロース、ポリアクリル酸等を用いることができる。
このような水溶性バインダーの添加量は、製造される成形体の取扱時における欠け破損等の防止、あるいは、成形体を焼成して多孔質の焼結体を製造する等、その目的に応じて適宜設定すればよい。
【００２２】
この分散液は、所定量の成形用粒子と、純水と、必要に応じて分散剤や水溶性バインダーとを混合し、次いで、この混合物にサンドミル、ホモジナイザー等の分散機を用いて分散処理を施すことにより、得ることができる。
このようにして得られた分散液を、成形用型に投入し、次いで、この分散液が投入された成形用型を有機溶媒中に浸漬、この分散液が投入された成形用型に有機溶媒を充填、のいずれかを行う。
【００２３】
この有機溶媒としては、この有機溶媒への水（水分）の溶解度が、この水（水分）への有機溶媒の溶解度より大である有機溶媒を選択する必要がある。
このような有機溶媒としては、例えば、１−ブタノール、２−ブタノール、２−メチル−１−プロパノール、２−メチル−２−プロパノール、１−ペンタノール、２−ペンタノール、３−ペンタノール、２−メチル−１−ブタノール、３−メチル−１−ブタノール（イソペンチルアルコール）、２−メチル−２−ブタノール（ｔ−ペンチルアルコール）、３−メチル−２−ブタノール、２，２−ジメチル−１−プロパノール（ネオペンチルアルコール）、１−ヘキサノール、２−メチル−１−ペンタノール、４−メチル−２−ペンタノール、２−エチル−１−ブタノール、１−ヘプタノール、２−ヘプタノール、３−ヘプタノール、２−オクタノール、２−エチル−１−ヘキサノール、１−ノナノール、３，５，５−トリメチル−１−ヘキサノール、１−デカノール、ベンゼンメタノール（ベンジルアルコール）、シクロヘキサノール、２−メチルシクロヘキサノール、α−テレピネオール、２−エチル−１，３−ヘキサンジオール、プロピレンオキシド、メチルエチルケトン、２−エチル酪酸、酢酸プロピル、酢酸イソブチル、トルイジン、エチレングリコールモノヘキシルエーテル、エチレングリコールモノベンジルエーテル等が好適に用いられ、これらの溶媒のうち１種または２種以上を用いることができる。
【００２４】
この分散液と有機溶媒の比率は、特に限定するものではないが、水と有機溶媒との相互溶解度において、有機溶媒への水の溶解度と水への有機溶媒の溶解度との差が、分散液中の水分量を超える程度の量となるように、有機溶媒の量を設定することが望ましい。
ここで、有機溶媒への水の溶解度と水への有機溶媒の溶解度との差が、分散液中の水分量よりも著しく小さい場合には、分散液からの水の抽出が不十分となるために、所望の成形体を得ることができないからである。
【００２５】
この成形用型を有機溶媒中に浸漬、成形用型に有機溶媒を充填、のいずれかを行うことにより、この分散液中の水分が抽出されて有機溶媒中に移動するとともに、この分散液に含まれる成形用粒子がその粒子径を保ったまま成形用型内に充填され、その結果、緻密な成形体が形成されることとなる。
【００２６】
この成形用型を有機溶媒中に浸漬、成形用型に有機溶媒を充填、のいずれかを行う際に、圧力容器を用いる等して、これら分散液及び有機溶媒を加圧することにより、分散液中の水分を速やかに抽出することができる。この方法では、加圧しない場合と比べて、より短時間で、より緻密な成形体を得ることができる。
また、この加圧の際に、これら分散液及び有機溶媒を加熱または冷却することにより、水の有機溶媒への溶解度を制御することができる。
【００２７】
このようにして得られた成形体は、その種類や用途に応じた焼成プロセスを用いることにより、セラミックスからなる焼結体、焼結金属等の構造体とすることができる。
このようにして得られた焼結体の用途としては、成形用粒子の種類にもよるが、各種の機能部品、電子部品、電気用構造部品、光学部品、化学機能部品、機械部品等が挙げられる。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態の成形体の製造方法によれば、成形用粒子を水に分散してなる分散液を成形用型に投入し、次いで、この分散液が投入された成形用型を有機溶媒中に浸漬、前記分散液が投入された成形用型に有機溶媒を充填、のいずれかを行い、前記分散液中の水分を抽出して前記有機溶媒中に移動させることにより、成形体を形成するので、成形用粒子が凝集、粗大化することなく、粒子の径が分散液中の分散粒径に近い状態の成形体を容易に形成することができる。したがって、均質性及び緻密性が高い成形体を容易かつ安価に作製することができる。
【実施例】
【００２９】
以下、実施例、及びそれに対する比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
【００３０】
（実施例）
粒子径が３ｎｍのジルコニア粒子を水に分散した分散液（粒度分布における平均粒子径：８ｎｍ、ジルコニア固形分：２５重量％、住友大阪セメント（株）製）３０ｇを、テフロン（登録商標）製の容器（内径４０ｍｍ、高さ３０ｍｍ）に注入した。
次いで、この容器を、予め用意しておいた２−ブタノール２００ｇを貯留した耐圧容器に入れ、２−ブタノール中に浸漬させた。
【００３１】
次いで、この耐圧容器を密閉し、この耐圧容器内を窒素ガスにより０．９８ＭＰａ（１０ｋｇ／ｃｍ２）の圧力にて加圧し、室温にて７日間、保持した。
７日間経過した後、この耐圧容器内の圧力を常圧（１気圧）に戻し、この耐圧容器から容器を取り出した。
次いで、この容器内の２−ブタノールを取り除き、その後、真空乾燥機にて５０℃で５時間、乾燥し、実施例の成形体を得た。
【００３２】
得られた成形体の大きさは、直径４０ｍｍ、高さ１．８７ｍｍであった。
その後、この成形体を５００℃にて３時間、焼成し、ジルコニア焼結体を得た。
得られた焼結体は、亀裂が発生することもなく、透明な焼結体であった。
このジルコニア焼結体の結晶子径をＸ線回折により求めたところ、７ｎｍであった。
また、このジルコニア焼結体の実測密度の理論密度に対する比を定容積膨張法により求めた。ここでは、密度測定器 アキュピック１３３０（島津製作所（株）製）を用いてジルコニア焼結体の密度を測定し、この密度を正方晶ジルコニアの理論密度（６．０５ｇ／ｃｍ３）と比較した。その結果、理論密度の９６％であった。
【００３３】
（比較例）
粒子径が３ｎｍのジルコニア粒子を水に分散した分散液（粒度分布における平均粒子径：８ｎｍ、ジルコニア固形分：２５重量％、住友大阪セメント（株）製）３０ｇを、テフロン（登録商標）製の容器（内径４０ｍｍ、高さ３０ｍｍ）に注入した。
次いで、この容器を、真空乾燥機を用いて、５０℃にて２４時間、真空乾燥させ、比較例の成形体を得た。
この成形体には、真空乾燥の際の乾燥収縮による亀裂が多数発生していた。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の成形体の製造方法は、成形用粒子を水に分散してなる分散液を成形用型に投入し、次いで、この分散液が投入された成形用型を有機溶媒中に浸漬、前記分散液が投入された成形用型に有機溶媒を充填、のいずれかを行い、前記分散液中の水分を抽出して前記有機溶媒中に移動させることにより、均質性及び緻密性が高い成形体を容易に作製することができたものであるから、この成形体を焼成して得られる焼結体の均質性及び緻密性が求められる各種の機能部品、電子部品、電気用構造部品、光学部品、化学機能部品、機械部品等の分野においてもその効果は大であり、その工業的効果は極めて大きなものである。