８） ファイン部材の押出成形技術に関する研究
古田祥知子
アルミナ及び YSZ を用い、原料種の違いによる坏土特性の違いを調べた。同じ添加剤の配合でも原料の違いによって坏土の保形性、流動特性は異なり、YSZ の方がより少ない水分量で流動性の良い坏土が得られることが分かった。また同じ配合であっても YSZ の方が潤滑性は良好であったが、一方で粒子同士の接着力は小さく、乾燥時のひび割れが起こりやすかった。

1.はじめに2.2 坏土の調製

押出し成形法は、各種セラミックス製品の製造に多く用原料粉末に対し、成形助剤を 10～12mass％、溶媒としいられている。最近では燃料電池関連部材をはじめとして水を 12～22mass％添加してミキサーで予備混合を行って製品の利用分野は多様化・高度化している。本研究でた後、混練機（宮﨑鉄工製MP-30）に 3 回通して坏土を調は、セラミックス成形の基礎となる、種々の原料特性に対製した。成形助剤はメチルセルロースなどの有機物を多く応した配合条件、成形条件と成形体特性の傾向等に関す含有しており、混練による発熱でゲル化すると良好な坏る技術データを集積するとともに、ファイン部材を成形す土が得られないため、ジャケットに冷却水を流し 7±1℃る際の製造条件を確立し、製品製造現場における新製品に保ちながら混練を行った。ただし、混練温度の違いに開発に貢献することを目指す。

よる坏土特性の変化を確認するため、冷却温度を 14±昨年度は、アルミナ粉末を原料に用いて成形助剤の種類の違いによる坏土特性及び成形性の変化を調べた。で1℃とした場合、冷却を行わなかった場合（室温22℃時）、の条件でも同様に混練を行った。

きるだけ少ない成形助剤と溶媒（水分）の使用で良好な成形体を得るために、結合剤（バインダー）や潤滑剤など各2.3 坏土の特性評価

種添加剤の使用による坏土特性の改善を試みたところ、調製し た坏土は 、レ オメ ー タ ( 島津製作所製

成形助剤の一部をより接着力の強いバインダーに置き換

CFT-100D）でせん断応力とせん断速度の相関から流動えたり潤滑剤を添加することによって、成形助剤及び水分特性を評価した。

量をおさえることが可能であり、粒子同士の結合力不足に成形時の特性としては、前年度に行ったのと同様の方よるひび割れや潤滑性の不足による成形体表面のささく法 1)で、簡易押出成形機で 5mmφのノズルから水平にれを防止することができた 1)。

20mm 押出した時の垂直方向への変形量によって、◎本年度は、アルミナ及び YSZ を原料に用い、原料の種（2mm 以下）、○（2－4mm）、△（4－8mm）、×（8mm 以類による坏土特性、成形特性の変化を調べるとともに、坏上）の 4 段階で保形性の評価を行った。また、成形体中の土調製時の温度の違いによる流動特性の変化、成形体原料粒子同士の結合性及び潤滑性の評価として、原料粒特性の変化についても調べた。

子同士の結合力不足による成形体のひび割れが生じた
場合を△、潤滑性が不足してノズルに坏土が粘着し、成2.実験方法

形体表面がささくれた場合を×、良好な成形体が得られ2.1 使用原料た場合を○とした。

原料粉末にはアルミナ（住友化学製、AES-21）及びYSZ（第一稀元素、UZY-8H-4000、以下 UZY-8H と略紀）3. 結果と考察を用いた。坏土を調製するための成形助剤にはユケン工

AES-21 及び UZY-8H に対し、成形助剤として YB-154

業製 YB-132A、YB-154 を使用した。

を用いて調製した坏土の流動特性を図 1～5 に示す。同じ調合比であっても原料の違いにより流動特性は大きく異佐賀県窯業技術センター 平成21年度研究報告書

1/5

なり、図 1 からわかるように、同一の配合において流速の0.25変化に対するせん断応力の変化は UZY-8H より AES-21いる。図2 と 3 の比較から、助剤添加量10mass％の場合、
AES-21 で水分 16mass％の坏土と UZY-8H で水分12mass％の坏土が同程度の流動性をもつことがわかる。
すなわち、UZY-8H の方がより少ない水分量で流動性の12mass%
14mass%16mass%0.2
せん断応力/MPaの方が若干大きく、UZY-8H の方が高い流動性を示して0.150.10.05高い坏土を得ることができるといえる。助剤添加量
012mass％の場合においても同様の傾向で、図 4 と 5 の比0較から、同一の配合ではUZY-8Hの方が高い流動性を示

500

1000

せん断速度/s-1

した。

図 3 UZY-8H に成形助剤 YB-154 を 10mass％加えて調製した坏土の流動特性． 水分：12～16mass％．

0.20.250.150.2
せん断応力/MPa

せん断応力/MPa

0.250.1
AES-210.05

UZY-8H001002003000.1

000.20.2
せん断応力/MPa

0.250.1
12mass%14mass%16mass%400600800-1

図 4 AES-21 に成形助剤 YB-154 を 12mass％加えて調製した坏土の流動特性． 水分：16～18mass％．

0.25

0.15

200

せん断速度/s

図 1 AES-21 及び UZY-8H に YB-154 を 10mass％加えて調製した坏土の流動特性． 水分： 12mass％．

0.05

16mass%18mass%0.05

400

せん断速度/s-1

せん断応力/MPa

0.1514mass%15mass%16mass%

0.15
0.1
0.05
000200

400

600

800

せん断速度/s-1
図 2 AES-21 に成形助剤 YB-154 を 10mass％加えて調製した坏土の流動特性． 水分：12～16mass％．

佐賀県窯業技術センター 平成21年度研究報告書

0500

1000

せん断速度/s-1
図 5 UZY-8H に成形助剤 YB-154 を 12mass％加えて調製した坏土の流動特性． 水分：14～16mass％．

2/5

AES-21 及び UZY-8H に YB-154 を用いて調製した坏

次に、成形助剤として YB-132A を用い、AES-21 及び土で簡易成形を行ったときの成形体の保形性比較を表 1

UZY-8H で調製した坏土の流動特性を図 6 に示す。原料に、成形体中粒子同士の結合力（密着性）、潤滑性の比種の違いと流動性の傾向は YB-154 を成形助剤に用いた

較を表2 に示す。坏土の流動性が高かった UZY-8H では、ときと同様に、AES-21 の方が同一配合においてはせん

AES-21 と比較して同じ水分量でも保形性が全体的に小さ断速度に対してのせん断応力の変化が大きく、UZY-8Hいことがわかる。特に助剤10mass％で水分量が16mass％の方が高い流動性を示した。簡易成形を行ったときの成まで高くなると、成形時変形量は 4mm 以上となった。一方形体の保形性比較を表 3 に、成形体中粒子同士の結合で、粒子同士の結合力、潤滑性についてはUZY-8Hの方力（密着性）、潤滑性の比較を表4 に示す。YB-132A は坏が良好で、水分量が多いときに AES-21 で見られるような、土調製のために YB-154 より多くの水分を必要とするが、ベタつきによる成形体表面のささくれは見られなかった。

保形性は優れていた。原料として AES-21、UZY-8H のい

表 1 で◎、表 2 で○の条件を両方満たす配合を選択する

ずれを用いた場合でも、調製した坏土の簡易押出変形量ことで、それぞれの原料において適した成形体を得ることは2mm以下で保形性は極めて良好であった。一方、成形ができた。

体中粒子の結合力は、AES-21 と比べて UZY-8H では小さく、乾燥時に密着不足によるひび割れが生じた。潤滑表 1 AES-21 及び UZY-8H に YB-154 を添加して調製した坏土で性についてはいずれも問題なかった。

簡易成形を行ったときの成形体の保形性比較．
◎ 押出時変形量 2mm 以下、 ○ 押出時変形量 2－4mm、0.25△ 押出時変形量 4－8mm、 × 押出時変形量 8mm 以上、－ 坏土調製不可．

助剤添加量(mass%)

水分量（mass%）

AES-21UZY-8H

1010121212◎○13○－○14○

◎

○

◎15○◎

○○16○○△○

0.2
せん断応力/MPa

原料0.150.1
AES-21UZY-8H

0.05
00500

1000

15002000

せん断速度/s-1
図6 AES-21 及び UZY-8H に YB-132A を 12mass％加えて調製した坏土の流動特性． 水分： 22mass％．

表2AES-21 及び UZY-8H に YB-154 を添加して調製した坏土で簡易成形を行ったときの成形体中粒子の結合力及び潤滑性の比較．
○：良、 △：結合力不足によるひび割れ有り、
×：潤滑性不足によるささくれ有り、 －：坏土調製不可．

原料
助剤添加量(mass%)

水分量（mass%）

表3 AES-21 及び UZY-8H に YB-132A を 12mass%添加して調製しAES-21

UZY-8H

10101212◎ 押出時変形量 2mm 以下、 ○ 押出時変形量 2－4mm、△ 押出時変形量 4－8mm、 × 押出時変形量 8mm 以上、－ 坏土調製不可．

原料

12○

○

13○－○

14×

○

○

○15×

○

○

○

16×

○○

○

佐賀県窯業技術センター 平成21年度研究報告書た坏土で簡易成形を行ったときの成形体の保形性比較．

水分量（mass%）

AES-21UZY-8H18◎◎20◎◎22◎

◎

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0.25
AES-21 及び UZY-8H に YB-132A を 12mass 添加して調製した坏土で簡易成形を行ったときの成形体中粒子の結合力及び潤滑性の比較．
○：良、 △：結合力不足によるひび割れ有り、
×：潤滑性不足によるささくれ有り、 －：坏土調製不可．

原料AES-21

UZY-8H18○△20○

△22○

△0.2
せん断応力/MPa

表40.15
0.1
冷却なし
14±1℃
7±1℃

0.05

水分量（mass%）

00500

1000

1500

せん断速度/s-1
図 8 UZY-8H に YB-132A を 12mass％、水を 18mass％加えて調製した坏土の流動特性の混練温度による変化．

次に、混練時のジャケット冷却温度が 7±1℃、14±1℃、及び冷却を行わなかった場合（室温 22℃時）、で作製し1.E+04

た坏土の流動特性を評価した結果を図 7、図 8 に示す。
AES-21、UZY-8H のいずれにおいても、冷却なしのときに変化はないが、せん断応力の大きさとしては 7±1℃に冷却した場合が最も大きい。せん断応力と粘度の関係で粘度/Pa・sが最もせん断応力が小さく、せん断速度に対しての傾き

1.E+03

1.E+02
冷却なし
14±1℃
7±1℃

1.E+01

みると、冷却温度が低い方が粘度が高くなっており、混練時に冷却を行うことによって成形助剤のもつ粘性が発現

1.E+00することが確認できる（図 9、10）。

00.1

0.2

せん断応力/MPa
図 9 AES-21 に YB-132A を 12mass％、水を 22mass％加えて調製した坏土の粘性に及ぼす混練温度の影響．

0.25

1.E+040.15

1.E+030.1

粘度/Pa・s

せん断応力/MPa0.2

冷却なし
14±1℃
7±1℃

0.05

1.E+02
冷却なし
14±1℃
7±1℃

1.E+0100500
せん断速度/s

1000-11.E+000

図 7 AES-21 に YB-132A を 12mass％、水を 22mass％加えて調製した坏土の流動特性の混練温度による変化．

0.05 0.1 0.15 0.2
せん断応力/MPa0.25

図10 UZY-8H に YB-132A を 12mass％、水を 18mass％加えて調製した坏土の粘性に及ぼす混練温度の影響．

佐賀県窯業技術センター 平成21年度研究報告書

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UZY-8H を原料にして調製した坏土で 5mm ペレット状成有無と坏土の特性、成形体の特性について評価し、良好形したサンプルの 1400℃焼成体の気孔分布（微分曲線）な坏土を得るための温度管理の重要性が確認された。

を図 11 に示す。坏土調製の混練時に冷却を行わなかっこれまでに得られた配合条件と坏土特性の傾向に関すたものは、冷却を行ったものと比較して気孔の分布が若る知見については、今後、燃料電池部材関連の部材の成干ではあるが気孔サイズが大きいほうに広がっており、分形の研究を行う中で活用していく予定である。さらに、布のピークトップも気孔サイズが大きいほうにシフトしてい様々な原料を用いたケースにおいても成形条件に関するることがわかる。これは、冷却を行った場合には混練時にデータを収集していく必要があるので、実際の開発研究

成形助剤が完全に擂り潰され、原料粒子の周囲に均一にの中で得られるデータを今後ともさらに蓄積していく予定

分布しているのに対し、冷却を行わなかった場合にはゲである。

ル化によって大きな粒で残存している部分もあり、原料粒子の周囲への分布に不均一が起こったものと推測され、参考文献

混練時の温度コントロールの重要性が確認された。

1) 古田祥知子、佐賀県窯業技術センター平成 20 年度研究報告書、31-34 (2009).

0.7
冷却なし

微分気孔容積/cm g

3 -10.6冷却(7±1℃)

0.50.40.30.20.100.1110100

気孔直径/μm
図 11UZY-8H で調製した坏土で成形・焼成したサンプルの気孔特性における、混練温度の影響．
調合条件 YB-132A：12mass％、水：18mass％、焼成温度：1400℃．

4.まとめ
アルミナ及び YSZ を用い、原料種の違いによる坏土特性の違いを調べた。同じ添加剤の配合でも原料の違いによって坏土の保形性、流動特性は異なり、YSZ の方がより少ない水分量で流動性の良い坏土が得られることが分かった。また同じ配合であっても YSZ の方が潤滑性は良好であったが、一方で粒子同士の接着力は小さく、乾燥時のひび割れが起こりやすかった。また、混練時の冷却の佐賀県窯業技術センター 平成21年度研究報告書

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