(57)【要約】【課題】ベントナイトを含む使用済み鋳物砂を、新たな生砂型の造形に再利用するための簡便な方法を提供することを目的とする。【解決手段】ベントナイトを含む使用済み鋳物砂に、ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、アルコール、ケトン、およびそれらの２種以上の組み合わせから選択される添加剤を含む水を加えて混錬し、該混錬物を用いて生砂型を造形する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベントナイトを含む使用済み鋳物砂に、ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、アルコール、ケトン、およびそれらの２種以上の組み合わせから選択される添加剤を含む水を加えて混錬し、該混錬物を用いて生砂型を造形することを含む、鋳物砂の再利用方法。
【請求項２】
添加剤が、ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、およびそれらの２種以上の組み合わせから選択され、添加剤の水中濃度が０．３質量％以上である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
添加剤が、アニオン系界面活性剤、またはアニオン系界面活性剤とキレート剤の混合物である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
アニオン系界面活性剤が酸性リン酸エステルもしくはその塩、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩またはα−オレフィンスルホン酸塩であり、キレート剤がポリカルボン酸系キレート剤である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
添加物が、アルコール、ケトン、およびそれらの２種以上の組み合わせから選択され、添加物の水中濃度が１５質量％以上である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、およびそれらの２種以上の組み合わせから選択される添加剤を水中に０．３質量％以上の濃度で含む、ベントナイトを含む使用済み鋳物砂の再生用組成物。
【請求項７】
アルコール、ケトン、およびそれらの２種以上の組み合わせから選択される添加物を水中に１５質量％以上の濃度で含む、ベントナイトを含む使用済み鋳物砂の再生用組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳物砂を再利用するための技術に関し、特に鋳物砂に含まれるベントナイトを再活性化させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な鋳物用砂型として、自硬性砂型と生砂型とが挙げられる。自硬性砂型は、乾燥させた砂に粘結剤を加えたものを用いて造形したあと硬化処理することによって硬化する砂型である。一方、生砂型は乾燥させていない砂にベントナイトと石炭粉を加えて水で練ったものを用いて造形したものである。
【０００３】
ベントナイトは層状ケイ酸塩鉱物であるモンモリロナイトを主成分とした鉱物であり、モンモリロナイトの結晶粒子は大きさで約０．２μｍ、厚さで約１０Åである。ベントナイト中のモンモリロナイトは、この結晶間に介在している陽イオンが水和することにより膨潤され、そこに剪断力を加えることにより結晶がバラバラになり粘土質に変化する。生砂型の強度は、粘土質になったベントナイトと石炭粉とが石英である砂粒を被覆し、その被覆膜が個々の砂粒を粘結させることにより生じるものである。
【０００４】
鋳造時、鋳型には１５００℃以上の溶湯が入れられるため、鋳型の溶湯と接触する部分は高温に曝されることとなる。生砂がそのような高温に曝された場合、ベントナイト中の水分が蒸発すると共に、結晶構造がダメージを受けてしまう。そのため、一度鋳型に使用した生砂は、水分を加えて再利用しようとしても上手く水分が浸透せず、再生砂を用いて造形した鋳型は強度が低くなるという問題がある。従って、そのようなダメージを受けたベントナイトは、何らかの手段により水分を含ませて再活性化させる（本来の粘性を有する状態にする）必要がある。
【０００５】
鋳物砂の再生に関する技術としては、例えば特許文献１および２に記載されているようなものが知られている。特許文献１および２には、自硬性鋳型に使用した砂を再利用して造形した鋳型の強度を向上させるための粘結剤組成物が開示されている。しかし、特にベントナイトの劣化の問題に着目した、ベントナイトを含む使用済み鋳物砂の再生方法はこれまで知られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２１５７８８号公報
【特許文献２】特開平５−２３７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ベントナイトを含む使用済み鋳物砂、例えば注湯後の生砂型を型ばらしした際に得られる使用済み鋳物砂を、新たな生砂型の造形に再利用するための簡便な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】
【０００８】
本発明者らは上述したような問題を検討した結果、ベントナイトを含む使用済み鋳物砂は、特定の添加物を加えた水を加えて混錬することで、水分が速やかに浸透してベントナイトが再活性化し、新たな生砂型の造形に用いても十分な強度が得られることを見出した。本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）ベントナイトを含む使用済み鋳物砂に、ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、アルコール、ケトン、およびそれらの２種以上の組み合わせから選択される添加剤を含む水を加えて混錬し、該混錬物を用いて生砂型を造形することを含む、鋳物砂の再利用方法。
（２）添加剤が、ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、およびそれらの２種以上の組み合わせから選択され、添加剤の水中濃度が０．３質量％以上である、（１）に記載の方法。
（３）添加剤が、アニオン系界面活性剤、またはアニオン系界面活性剤とキレート剤の混合物である、（２）に記載の方法。
（４）アニオン系界面活性剤が酸性リン酸エステルもしくはその塩、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩またはα−オレフィンスルホン酸塩であり、キレート剤がポリカルボン酸塩である、（３）に記載の方法。
（５）添加物が、アルコール、ケトン、およびそれらの２種以上の組み合わせから選択され、添加物の水中濃度が１５質量％以上である、（１）に記載の方法。
（６）ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、およびそれらの２種以上の組み合わせから選択される添加剤を水中に０．３質量％以上の濃度で含む、ベントナイトを含む使用済み鋳物砂の再生用組成物。
（７）アルコール、ケトン、およびそれらの２種以上の組み合わせから選択される添加物を水中に１５質量％以上の濃度で含む、ベントナイトを含む使用済み鋳物砂の再生用組成物。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、簡便な方法でベントナイトを含む使用済み鋳物砂を生砂型の造形に再利用できるようになる。従って、本発明は生砂型を用いた鋳造工程のコストダウンに貢献する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】添加剤（モノブチルリン酸ナトリウムとジブチルリン酸ナトリウムの同量混合物）の濃度を様々に変えて、混錬回数（９０秒／回）と抗圧力の関係を調べた結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、ベントナイトを含む使用済み鋳物砂の再利用方法に関する。本明細書において「使用済み鋳物砂」とは、少なくとも一度、鋳物用砂型の造形に用いられ、注湯後に型ばらしした際に回収される鋳物砂を意味する。本発明が対象とする使用済み鋳物砂は、ベントナイト（注湯時の熱により変性したベントナイトを含む）を含むものであれば、生砂型に用いたものであっても、自硬性砂型に用いたものであっても、あるいはその他の鋳物用砂型に用いたものであっても構わない。しかしながら、生砂型に用いた使用済み鋳物砂であれば、含有成分などの観点から、それを再利用して新たな生砂型を造形するのに好都合である。生砂型に用いた使用済み鋳物砂は、通常、主に石英からなる砂と、石炭粉と、ベントナイトとを含み、自硬性砂型の造形に用いるような合成樹脂などからなる粘結剤は含まないものである。
【００１２】
本発明で再利用する使用済み鋳物砂は、型ばらしの際に回収した後、特に分別などすることなく、添加物を含む水を加えて混錬する工程に付してよい。分別などの工程を省くことにより、鋳物砂の再利用にかかるコストを抑えることができる。ただし、必要に応じて金属類を分離する工程や、不純物などを洗浄する工程に付してもよい。
【００１３】
本発明の使用済み鋳物砂の再利用方法は、ベントナイトを含む使用済み鋳物砂に、ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、アルコール、ケトン、およびそれらの２種以上の組み合わせから選択される添加剤を含む水を加えて混錬することを特徴とする。
【００１４】
ノニオン系界面活性剤としては、例えばポリオキシアルキレンアルキルエーテル（ＡＥ）、ポリオキシアルキレンアルキルフェニルエーテル（ＡＰＥ）、アルキルグルコシド（ＡＧ）、ポリオキシアルキレン脂肪酸エステル、ショ糖脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシアルキレンソルビタン脂肪酸エステル、脂肪酸アルカノールアミドなどが挙げられる。これらのノニオン系界面活性剤におけるポリオキシアルキレン部分は、オキシエチレン単位および／またはオキシプロピレン単位からなることが好ましく、その繰り返し単位数は５〜３０モルであることが好ましい。また、上記のノニオン系界面活性剤に含まれる炭素鎖の炭素原子数は８〜２４、特に１０〜１６であることが好ましい。これらのノニオン系界面活性剤のうち、特に好ましいものはポリオキシアルキレンアルキルエーテルであり、中でも炭素数１０〜１６の脂肪族アルコールのエチレンオキサイド７〜２０モル付加物である。
【００１５】
アニオン系界面活性剤としては、例えばモノアルキルリン酸エステル塩（ＭＡＰ）を含む酸性リン酸エステルおよびその塩、アルキル硫酸エステル塩（ＡＳ）、アルキルエーテル硫酸エステル塩（ＡＥＳ）、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩（ＬＡＳ）、アルカンスルホン酸塩（ＳＡＳ）、ジアルキルスルホコハク酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩（ＡＯＳ）、高級脂肪酸塩（石鹸）などが挙げられる。ここで、上記のアニオン系界面活性剤に含まれる炭素鎖の炭素原子数は、酸性リン酸エステルおよびその塩の場合には１〜４個であることが好ましく、その以外のアニオン系界面活性剤の場合には８〜２４個であることが好ましい。これらのアニオン系界面活性剤のうち、特に好ましいものは酸性リン酸エステルおよびその塩、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩、ならびにα−オレフィンスルホン酸塩であり、中でもメチルリン酸およびその塩、エチルリン酸およびその塩、ドデシルベンゼンスルホン酸塩、炭素鎖の炭素数が８〜１８のα−オレフィンスルホン酸塩である。
【００１６】
キレート剤としては、例えばエチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸（ＨＥＤＴＡ）、ジヒドロキシエチルエチレンジアミン二酢酸（ＤＨＥＤＤＡ）、１，３−プロパンジアミン四酢酸（１，３ＰＤＴＡ）、ジエチレントリアミン五酢酸（ＤＴＰＡ）、トリエチレンテトラミン六酢酸（ＴＴＨＡ）、ニトリロ三酢酸（ＮＴＡ）、ヒドロキシエチルイミノ二酢酸（ＨＩＭＤＡ）、Ｌ−アスパラギン酸−Ｎ，Ｎ−二酢酸（ＡＳＤＡ）およびそれらの塩などのポリカルボン酸系キレート剤、アミノトリメチレンホスホン酸（ＮＴＭＰ）、ヒドロキシエタンホスホン酸（ＨＥＤＰ）などのホスホン酸およびそれらの塩などのホスホン酸系キレート剤、ならびにグルコン酸などのその他のキレート剤が挙げられる。これらのキレート剤のうち、特に好ましいものはポリカルボン酸系キレート剤であり、中でもＥＤＴＡ、ＤＴＰＡおよびそれらの塩である。
【００１７】
アルコールとしては、直鎖または分岐鎖の炭素数１〜１２のアルコール、例えばメタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、ｓｅｃ−ブタノール、イソブタノール、ｔ−ブタノール、１−ペンタノール、１−ヘキサノールなどが挙げられる。これらのアルコールの中でも、特にエタノールおよびイソプロパノールが好ましい。
【００１８】
ケトンとしては、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンなどが挙げられる。これらのケトンの中でも、特にアセトンが好ましい。
【００１９】
添加剤としてノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、またはそれらの２種以上の組み合わせを用いる場合、添加剤の水中濃度は０．３質量％以上、さらに０．５質量％、特に１．５質量％以上、とりわけ３．０質量％以上とすることが好ましい。添加剤が上記のものである場合、このような濃度であれば使用済み鋳物砂に含まれるベントナイトへの水の浸透性を十分向上させることができる。なお、これらの添加剤は過剰に加えても、コスト高の原因となったり、臭気による作業環境が悪化したりすることが懸念されるため、添加剤の水中濃度は１０質量％以下、特に７．５質量％以下、とりわけ５．０質量％以下とすることがより好ましい。
【００２０】
添加剤としてアルコール、ケトン、またはそれらの２種以上の組み合わせを用いる場合、添加剤の水中濃度は１５質量％以上、特に１７．５質量％以上、とりわけ１９質量％以上とすることが好ましい。また、これらの添加剤の水中濃度は、２５質量％以下、特に２２．５質量％以下、とりわけ２１質量％以下とすることが好ましい。
【００２１】
添加剤としては、アニオン系界面活性剤、またはアニオン系界面活性剤とキレート剤の混合物が特に好ましく、アニオン系界面活性剤とキレート剤の混合物がとりわけ好ましい。添加剤をアニオン系界面活性剤とキレート剤の混合物とする場合、その混合比は質量比で３０：７０〜７０：３０、特に４０：６０〜６０：４０、とりわけ５０：５０とするのが好ましい。アニオン系界面活性剤とキレート剤との組み合わせは、例えば酸性リン酸エステル（特にメチルリン酸、エチルリン酸）またはその塩とポリカルボン酸系キレート剤（特にＥＤＴＡ、ＤＴＰＡおよびそれらの塩）の組み合わせとするのが好ましい。なお、添加剤を含む水のｐＨは９以上、特に９〜１２であることが好ましい。
【００２２】
使用済み鋳物砂に添加剤を含む水を加えて混錬する際には、注湯や型ばらしの過程において損失した分の未使用の鋳物砂をさらに加えてもよい。また、未使用の鋳物砂以外にも、必要に応じて他の添加物を追加してもよい。
【００２３】
使用済み鋳物砂の混錬、および得られた混錬物を用いた生砂型の造形は、当業者に公知の従来の方法を利用することができる。添加剤を含む水の、鋳物砂中のベントナイトに対する比率は、質量比で１５：１００〜４００：１００の範囲とするのが好ましい。本発明の方法により製造した使用済み鋳物砂を再利用した生砂型は、十分な強度を有し、全て未使用の鋳物砂を用いて造形した生砂型と同様に通常の鋳造工程で用いることができる。
【００２４】
本発明はさらに、上述した方法に用いる使用済み鋳物砂の再生用組成物に関する。本発明の組成物は、ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、およびそれらの２種以上の組み合わせから選択される添加剤を水中に０．３質量％以上の濃度で含むものであるか、あるいはアルコール、ケトン、およびそれらの２種以上の組み合わせから選択される添加物を水中に１５質量％以上の濃度で含むものである。添加剤およびその水中濃度については、上述のとおりである。
【００２５】
本発明の組成物はまた、鋳物砂以外の技術分野において、高熱などにより結晶構造がダメージを受けたベントナイトまたはモンモリロナイトに水分を与えて再活性化する用途にも用いることができる。本発明の組成物は、例えば化粧品分野、止水分野、土木分野、農薬加工分野などで用いられるベントナイトまたはモンモリロナイトの再活性化に利用することができる。
【実施例】
【００２６】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２７】
１．ベントナイトへの水浸透性および混錬性に関する基礎試験
（１）水浸透性試験
ベントナイト１２ｇに、各種添加剤を約３．５質量％の濃度で含む水溶液２ｇを添加し、３０秒後の濡れ性を目視で判断した。判断基準は次のとおりである。５：１００％浸透、４：７５％程度浸透、３：５０％程度浸透、２：２５％程度浸透、１：ほとんど浸透なし。
【００２８】
（２）混錬性試験
ベントナイト１２ｇに、各種添加剤を約３．５質量％の濃度で含む水溶液１２ｇを添加し、３０秒間手で混錬した後の形状を目視で判断した。判断基準は次のとおりである。５：ダンゴ状、４：ダンゴ状〜スラリー状、３：スラリー状、２：スラリー状〜粘液状、１：粘液状。
【００２９】
（３）結果
水浸透性試験および混錬性試験の結果を表１にまとめた。
【００３０】
【表１】
2013022629.tif 000002
【００３１】
添加剤を含まない水を用いた場合、混錬後のまとまり性には優れていたものの、混錬しない状態では加えた水はほとんど浸透しなかった。一方、添加物としてノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、無機塩基、無機酸、または無機塩を水に加えた場合、水の浸透性が向上した。水浸透性向上作用と、混錬後のまとまり性とのバランスを考慮すると、添加剤としてはアニオン系界面活性剤またはアニオン系界面活性剤とキレート剤の混合物が優れており、アニオン系界面活性剤とキレート剤の混合物が最も優れていると判断された。
【００３２】
３．５質量％の添加量では好ましい結果が得られなかったエタノール、イソプロパノールおよびアセトンについて、添加量を２０質量％に増やして上記（１）および（２）と同様に試験を行った。その結果を表２にまとめた。エタノール、イソプロパノールおよびアセトンについては、水への添加量を増やすことで、水浸透性および混錬後のまとまり性を向上させる添加剤となり得ることがわかった。
【００３３】
【表２】
2013022629.tif 000003
【００３４】
２．抗圧力試験−１
使用済みの砂８００ｇに、仮定損失分を補填する未使用の砂１８３．２ｇ、ベントナイト１２．８ｇ、水４１．５ｇを加えて、ホバートミキサー混錬機を用いて４００ｒｐｍで混錬した（対照）。試験例１では、水の代わりに、メチルリン酸ナトリウム（モノメチルリン酸ナトリウムとジメチルリン酸ナトリウムの同量混合物）の３．５質量％水溶液を４１．５ｇ添加した。試験例２では、水の代わりに、メチルリン酸ナトリウム（モノメチルリン酸ナトリウムとジメチルリン酸ナトリウムの同量混合物）とジエチレントリアミン五酢酸五ナトリウム（ＤＴＰＡ・５Ｎａ）を５０：５０の質量比で配合したものを３．５質量％含む水溶液を４１．５ｇ添加した。
【００３５】
得られた再生砂混合物を用いて試験片を作成し、ＪＩＳ Ｚ ２６０１「鋳物砂の試験方法」に従って抗圧力試験を行った。標準試験片を作成し、これを圧縮試験機に取り付けて所定の荷重速度で圧縮し、破壊したときの荷重を試験片の断面積で除した値を求めた。混錬時間と抗圧力の関係を表３にまとめた。
【００３６】
【表３】
2013022629.tif 000004
【００３７】
水のみを用いた対照では、ある程度の混錬時間をかけなければ満足な強度が得られなかった。一方、メチルリン酸ナトリウム、またはメチルリン酸ナトリウムとＤＴＰＡ・５Ｎａを加えた試験例１および２では、同じ混錬時間であっても対照と比較して強度が高くなった。特に試験例２では、短時間の混錬で高い強度が得られた。
【００３８】
３．抗圧力試験−２
アジテータータイプ混錬機を用いて２１６０ｒｐｍで攪拌した以外は上記２と同様にして再生砂混合物を調製した。添加剤（モノブチルリン酸ナトリウムとジブチルリン酸ナトリウムの同量混合物）の濃度を様々に変えて、混錬回数（９０秒／回）と抗圧力の関係を調べた。その結果を図１のグラフに示す。
【００３９】
グラフ中、破線は水のみを用いて混錬した場合の抗圧力の変化（混錬回数２回、１０回および２０回の結果から想定されるもの）を示す。添加剤を含まない水のみの場合、混錬に時間をかければ高い抗圧力を得ることは可能であるが、逆にいえば、混錬に時間をかけなければ抗圧力を高めることができない。一方、添加剤を含む水を用いた場合、少ない混錬回数でも抗圧力がすぐに向上することがわかる。これは、添加剤により水の浸透速度が向上した効果と考えられる。なお、添加剤の濃度が高くなるほど抗圧力が低くなる傾向がみられるが、必要とされる抗圧力は製造する鋳物の形状などに依存するものであるため、添加剤の濃度は、水の浸透速度と抗圧力のバランスを考慮して適宜設定すればよい。
【図１】
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