(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末と有機バインダーとを混合して射出成形してなる成形体から、水または水を主成分とする溶媒により前記有機バインダーを抽出脱脂する粉末射出成形体の水溶媒抽出方法であって、
前記溶媒中に成形体を浸漬させた状態で、成形体全体を包むように泡を噴出させながら超音波照射を行うことを特徴とする粉末射出成形体の水溶媒抽出方法。
【請求項２】
有機バインダーの抽出時に溶媒を撹拌して流動化させる請求項１に記載の粉末射出成形体の水溶媒抽出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉末と有機バインダーとを混合して射出成形してなる成形体から、水または水を主成分とする溶媒により前記有機バインダーを抽出脱脂する粉末射出成形体の水溶媒抽出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、粉末の射出成形においては、金属粉末、セラミック粉末、サーメット粉末等の粉体に流動性および加圧成形性を付与するために有機バインダーが混合され、この有機バインダーは、射出成形後に焼結工程に先立って脱脂により除去される。従来の脱脂方法としては、
１）成形体を加熱することによって有機バインダーを溶解、蒸発または分解して気化させる方法、
２）溶媒を用いて成形体から有機バインダーを抽出させる方法、
がある。
【０００３】
前記１）の方法においては、まず粉体をコーティングしているバインダーの溶解が起こって射出成形体の自重も加わり、射出成形体が構造上不安定な状態となり、この状態に更にバインダーが分解して気化する際の圧力が加わって荷崩れを起こし、成形体の変形の原因となる。また、脱バインダーの促進を図って加熱の際の温度を上げると、バインダーが沸騰気化して膨れやクラック等が発生する。したがって、脱脂工程における欠陥の発生を防止するためにバインダーの除去を緩慢に進行させる必要があり、非常に長い脱脂時間が必要になるという問題点がある。
【０００４】
一方、前記２）の方法においては、成形体の変形温度以下の低温にて有機バインダーの一部を溶媒によって抽出除去することから、除去された有機バインダーの部分から残りの有機バインダーの蒸発ガスが抜け易くなって、膨れや亀裂が生じにくくなるという利点がある。しかしながら、一般に溶媒として用いられている炭化水素、ハロゲン化炭化水素等の有機溶媒は高価であるとともに、人体に有害であるという問題点がある。
【０００５】
そこで、このような問題点を解消するために、特公平６−５３８８４号公報においては、有機バインダーとして、水溶性の熱可塑性有機ポリマーと、水に不溶の熱可塑性有機ポリマーとを含む有機バインダーを用い、脱脂処理として、射出成形体と水とを接触せしめて水溶性の熱可塑性有機ポリマーを抽出した後、残りの有機バインダーを加熱除去するようにした脱脂方法が提案されている。
【０００６】
また、この特公平６−５３８８４号公報に記載のような方法において、水溶性の熱可塑性有機ポリマーの抽出速度を速めて、短時間で脱脂を行うために、溶媒の水を一部排出しながら低濃度の水を系内に供給するようにしたもの（特公平６−８９３７１号公報）や、成形体と接する水を撹拌、流水、超音波等によって流動化させるようにしたもの（特公平６−８９３７２号公報）などが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特公平６−８９３７１号公報に記載の低濃度の水を系内に供給する方法および前記特公平６−８９３７２号公報に記載の水の撹拌もしくは流水による方法では、多数のワーク（成形体）を均一に低濃度溶媒処理するのが困難であるほか、特にワークが厚肉品の場合に、ワーク内部の物質移動が遅くなって、抽出速度を上げるのにどうしても限界があるなどの問題点がある。また、前記特公平６−８９３７２号公報に記載の超音波による方法では、次のような問題点がある。
（１）超音波の脱気効果により、溶媒が部分的に蒸発して泡になり、この泡が壊れるときに強いキャビテーションが発生して大きな負圧効果をもたらす。この負圧効果によって抽出が促進されるものであるが、この抽出促進効果が期待できる音圧レベルは比較的高く、この音圧レベルではワークの破損を招いてしまう。また、ワークが破損しない程度のレベルではキャビテーションも発生しにくく抽出促進効果も期待できない。
（２）実用上超音波発生装置の個数には限りがあり、ワークや治具等の陰になる部分が生じたり、超音波の干渉、共鳴の影響により、多数のワークについて、あるいは一つのワークの各部位について均一な強度レベルで超音波を照射することは不可能である。したがって、音圧レベル分布にばらつきが生じることになり、超音波のみで抽出促進効果を得るのは困難である。
【０００８】
本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、水または水を主成分とする溶媒により有機バインダーを抽出するに際して、成形体を破損させることなく、迅速に抽出することのできる粉末射出成形体の水溶媒抽出方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前記目的を達成するために、本発明による粉末射出成形体の水溶媒抽出方法は、
粉末と有機バインダーとを混合して射出成形してなる成形体から、水または水を主成分とする溶媒により前記有機バインダーを抽出脱脂する粉末射出成形体の水溶媒抽出方法であって、
前記溶媒中に成形体を浸漬させた状態で、成形体全体を包むように泡を噴出させながら超音波照射を行うことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明によれば、溶媒による抽出に際して、その溶媒中に成形体を浸漬させた状態で、成形体全体を包むように泡を噴出させながら超音波照射が行われる。したがって、溶媒中には多くの溶存気体が共存した状態となるために、泡が壊れるときに発生するキャビテーションは、溶存気体や泡の弾性圧縮効果により弱められ、成形体に対しては比較的小さな負圧効果がもたらされることになる。言い換えれば、超音波のみを用いることにより溶媒が脱気液となる場合に比較して、キャビテーション発生の音圧レベルは低くなる。これにより、成形体を破損しないレベルのキャビテーションを発生させることが可能となり、このキャビテーションの負圧効果で成形体内部の高濃度液が吸い出されるので、成形体内部の濃度勾配を大きくして迅速な抽出を行うことが可能となる。また、抽出槽の各所に分布する泡がキャビテーションの発生源となるので、多数個の成形体について、あるいは成形体の各部位について比較的均一にキャビテーションの効果を与えることができる。
【００１１】
本発明において、有機バインダーの抽出時に溶媒を撹拌して流動化させるのが好ましい。このように溶媒の撹拌による流動化を併用することで、抽出槽内の各所に細かい泡をより確実に充満させることができ、抽出効果をより高めることができる。
【００１２】
【実施例】
次に、本発明による粉末射出成形体の水溶媒抽出方法の具体的な実施例について、図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
（実施例１）
カルボニル鉄粉（ＩＳＰ社Ｓ−１６４１、平均粒径４μｍ）１００部に次の成分よりなるバインダー９．５部を１５０℃で加熱混練し、冷却して粉砕したものを射出成形用の原料とした。
＜バインダー＞
0004115022.tif 000002
【００１４】
射出成形機として、型締め力５０トン、スクリュー径２８ｍｍのインラインスクリュー式成形機を用い、シリンダ温度１５０℃、射出圧力８００ｋｇ／ｃｍ２、射出速度（スクリュー前進速度）２０ｍｍ／ｓｅｃにて、図１に示される断面形状の成形体１を成形した。
【００１５】
次に、図２に示されるような水溶媒抽出装置２を用い、前記成形体１を３０個水に浸漬し、撹拌しながら７０℃×４時間、下記の各水準１〜４で抽出脱脂した。この水溶媒抽出装置２においては、水槽３が超音波発生装置４に接続されることにより、この水槽３の底面より超音波が発生するように構成されるとともに、水槽３の底部に、エアポンプ５から供給される空気（０．２ｋｇ／ｃｍ２）を噴出させることにより泡を生成する多数の散気管６（空孔径０．３ｍｍ）が配されて構成されている。そして、水槽３内にはステンレス製のバスケット７が支持され、このバスケット７上に３０個の成形体１が載置されている。また、水槽３内の水溶媒は撹拌装置８によって撹拌されるようになっている。なお、防錆のため、水槽３内の水溶媒中には防錆剤（大塚化学製ＣＳ１０００）が５％添加されている。
水準１：２００Ｗの出力で超音波を照射するとともに、散気管６より泡を噴出させた。
水準２：泡噴出のみを行った。
水準３：超音波照射のみを行った。
水準４：泡噴出も超音波照射も行わなかった。
【００１６】
この結果が表１に示されている。ここで、抽出率は次のようにして算出した。抽出率：初期重量および抽出後５０℃で乾燥したワークの重量を計測し次式により算出する。
抽出率（％）＝（初期重量−抽出後乾燥重量）／初期バインダー重量
また、脱脂後の外観において、目視にて割れや膨れが認められたものを×、認められないものを○とした。なお、「抽出率最大値」とは３０個のうち抽出率が最大のものの値、「抽出率最小値」とは３０個のうち抽出率が最小もののの値である。
【００１７】
【表１】
0004115022.tif 000003
【００１８】
また、図３には、各水準１〜４について、３０個の成形体における抽出率のばらつき（昇順）を示すグラフが示されている。
【００１９】
これらの結果から明らかなように、水準１では成形体１の設置位置によるばらつきがほとんどなく、一定した高い抽出率が得られている。これに対して、水準２，３では個体間のばらつきが大きく、また抽出率も水準１のものに比べて劣っている。また、水準４ではばらつき、抽出率ともに水準２，３よりもさらに劣っている。
【００２０】
（実施例２）
水アトマイズ製法で作られたステンレス鋼微粉末（ＳＵＳ４３０、平均粒径１０μｍ）１００部に次の成分よりなるバインダー９．４部を１５０℃で加熱混練し、冷却して粉砕したものを射出成形用の原料とした。
＜バインダー＞
0004115022.tif 000004
【００２１】
射出成形機として、型締め力５０トン、スクリュー径２８ｍｍのインラインスクリュー式成形機を用い、シリンダ温度１５０℃、射出圧力８００ｋｇ／ｃｍ２、射出速度（スクリュー前進速度）２０ｍｍ／ｓｅｃにて、図１に示される断面形状の成形体１を成形した。
【００２２】
次に、前記水溶媒抽出装置２を用い、前記成形体１を４個水に浸漬し、撹拌しながら８０℃×４時間、下記の各水準１，２にて抽出脱脂した。
水準１：６００Ｗの出力で超音波を照射するとともに、散気管６より泡を噴出させた。
水準２：超音波照射のみを行った。
【００２３】
この結果が表２に示されている。なお、得られた脱脂体の評価は実施例１と同様である。
【００２４】
【表２】
0004115022.tif 000005
【００２５】
この結果から明らかなように、水準１では抽出率が大きく、しかも外観異常が認められなかったのに対し、水準２では、成形体１は破損し、抽出率の測定もできなかった。
【００２６】
（実施例３）
水アトマイズ製法で作られたステンレス鋼微粉末（ＳＵＳ４３０、平均粒径１０μｍ）１００部に次の成分よりなるバインダー９．４部を１５０℃で加熱混練し、冷却して粉砕したものを射出成形用の原料とした。
＜バインダー＞
0004115022.tif 000006
【００２７】
射出成形機として、型締め力５０トン、スクリュー径２８ｍｍのインラインスクリュー式成形機を用い、シリンダ温度１５０℃、射出圧力８００ｋｇ／ｃｍ２、射出速度（スクリュー前進速度）２０ｍｍ／ｓｅｃにて、丸棒引っ張り試験片（チャック部φ１２ｍｍ、供試部φ８ｍｍ、全長１００ｍｍ）の成形体に成形した。
【００２８】
次に、前記水溶媒抽出装置２を用い、前記成形体３０個を水に浸漬し、撹拌しながら８０℃×４時間、下記の各水準１〜４で抽出脱脂した。
水準１：２００Ｗの出力で超音波を照射するとともに、散気管６より泡を噴出させた。
水準２：泡噴出のみを行った。
水準３：超音波照射のみを行った。
水準４：泡噴出も超音波照射も行わなかった。
【００２９】
得られた脱脂体の評価は実施例２と同様に行った。この結果が表３に示されている。
【００３０】
【表３】
0004115022.tif 000007
【００３１】
この結果から明らかなように、実施例１の結果と同様、水準１では成形体１の設置位置によるばらつきがほとんどなく、一定した高い抽出率が得られている。これに対して、水準２，３では個体間のばらつきが大きく、また抽出率も水準１のものに比べて劣っている。また、水準４ではばらつき、抽出率ともに水準２，３よりもさらに劣っている。
【００３２】
（実施例４）
水アトマイズ製法で作られたステンレス鋼微粉末（ＳＵＳ４３０、平均粒径１０μｍ）１００部に次の成分よりなるバインダー１０．５部を１５０℃で加熱混練し、冷却して粉砕したものを射出成形用の原料とした。
＜バインダー＞
強度成分（非抽出成分）：ポリエチレン…３４部
滑材    ：ステアリン酸…１１部
抽出成分：ポリエチレンオキサイド
（ＵＣＣ社ｐｏｌｙｏｘＷＳＲ３０１）…５５部
【００３３】
射出成形機として、型締め力５０トン、スクリュー径２８ｍｍのインラインスクリュー式成形機を用い、シリンダ温度１２５℃、射出圧力８００ｋｇ／ｃｍ２、射出速度（スクリュー前進速度）２０ｍｍ／ｓｅｃにて、丸棒引っ張り試験片（チャック部φ１２ｍｍ、供試部φ８ｍｍ、全長１００ｍｍ）の成形体に成形した。
【００３４】
次に、前記水溶媒抽出装置２を用い、前記成形体４個を水に浸漬し、撹拌しながら５０℃×８時間、下記の各水準１〜４で抽出脱脂した。
水準１：２００Ｗの出力で超音波を照射するとともに、散気管６より泡を噴出させた。
水準２：泡噴出のみを行った。
水準３：超音波照射のみを行った。
水準４：泡噴出も超音波照射も行わなかった。
【００３５】
得られた脱脂体の評価は実施例２と同様に行った。この結果が表４に示されている。
【００３６】
【表４】
0004115022.tif 000008
【００３７】
この結果から明らかなように、水準１〜４において成形体の外観上はほとんど変わりがないが、水準１では高い抽出率が得られている。これに対して、水準２，３，４では水準１のものに比べて抽出率が劣っている。
【００３８】
以上の結果から、泡を噴出させながら超音波照射を行うと、迅速な抽出が可能になるだけでなく、多数個の成形体に対して負圧を均一に作用させることが可能になることがわかる。これに対して、超音波照射のみの場合には、その照射出力を上げると成形体が破損するという不具合が発生する。この理由は、超音波のみの場合には、超音波の脱気効果により溶媒が部分的に蒸発して泡になり、この泡が壊れるときに強いキャビテーションが発生して大きな負圧効果をもたらすのに対して、泡と超音波とを併用すると、泡の弾性圧縮効果によりキャビテーションが弱められ、成形体に対しては比較的小さな負圧効果がもたらされることになるためであると考えられる。こうして、泡と超音波とを併用することによって、成形体を破損しないレベルのキャビテーションを発生させることが可能になり、このキャビテーションの負圧効果で成形体内部の高濃度液が吸い出されるので、成形体内部の濃度勾配を大きくして迅速な抽出を行うことが可能となる。また、抽出槽の各所に分布する泡がキャビテーションの発生源となるので、多数個の成形体について、あるいは成形体の各部位について比較的均一にキャビテーションの効果を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、実施例１における成形体の断面図である。
【図２】図２は、水溶媒抽出装置の構成図である。
【図３】図３は、実施例１における抽出率のばらつきを示すグラフである。
【符号の説明】
１      成形体
２      水溶媒抽出装置
３      水槽
４      超音波発生装置
５      エアポンプ
６      散気管
７      バスケット
８      撹拌装置
【図１】
0004115022.tif 000009
【図２】
0004115022.tif 000010
【図３】
0004115022.tif 000011