JP2020075849A - セラミックビーズの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ビーズミル等の粉砕用メディアとして用いた場合にも被粉砕物への歪なビーズの混入を防止することができる、形状の揃ったセラミックビーズを製造する。【解決手段】成形後のセラミック粒子を分級する分級工程を１回または複数回有するセラミックビーズの製造方法であって、分級工程のうち少なくとも１回において、セラミック粒子の質量差を利用した質量分級を行うことを特徴とするセラミックビーズの製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、粉砕用メディア等に使用されるのに適したセラミックビーズの製造方法に関するものである。

無機粉末等を混合・粉砕する方法としてビーズミル法が知られている（例えば、特許文献１参照）。ビーズミルに用いるセラミックビーズ（以下、単にビーズという場合がある）は、原料となるセラミック粉末を球状に成形することで得られる。

セラミックビーズの成形法としては、噴霧乾燥法、液中造粒法、あるいは転動造粒法などが用いられる。このような成形法で得られるビーズは、一般に粒径に分布が生じるため、そのままでは被粉砕物を安定して混合・粉砕を行うことができない。そのため、成形後のビーズの粒子径を均一に揃えることが必要である。

セラミックビーズの粒子径を揃える手段としては、メッシュ状の篩にかけて粒子径により分級する篩式分級が主に用いられてきた（特許文献２）。

特開２００９−１５５１４２号公報 特開２００２−２９８２４号公報

セラミックビーズを粉砕用メディアとして用いる場合、複数のビーズが結合した凝集体や、球形のビーズが割れて生じた破片等の歪なビーズが混在していると、ビーズの表面に部分的に力が集中して加わる。その結果、ビーズが欠けて微細な破片が発生しやすくなり、被粉砕物に混入する場合がある。また、ビーズの摩耗が早くなるため、目的とする被粉砕物を工業的に安定して生産することが困難な場合がある。しかし、従来の篩式分級だけでは、このような凝集体であっても形状によっては篩を通過することによって、また破片であっても形状によっては篩を通過しないことによって、いずれも最終的に製品とするために次の工程に供するビーズの画分に混入する場合があり、最終製品への歪なビーズの混入を防止することが困難であった。

本発明者らは、質量による分級、すなわち粒子の質量差を利用した分級をセラミックビーズの製造工程に組み込むことで、歪なビーズが効果的に除去され、形状の揃ったビーズを製造できることを見出した。

すなわち、上記課題を解決するための本発明は、セラミック粒子を分級する分級工程を１回または複数回有するセラミックビーズの製造方法であって、分級工程のうち少なくとも１回において、セラミック粒子の質量差を利用した質量分級を行うことを特徴とするセラミックビーズの製造方法である。

なお、本明細書においては、原料粉末を成形して得られた成形体、当該成形体を焼成して得られる製造段階における焼結体、最終製品としてのセラミック焼結体等を含め、成形後のセラミック成形体を総称して「セラミック粒子」または単に「粒子」と呼称し、その中で特に最終製品としてのセラミック焼結体を「セラミックビーズ」と呼称するものとする。

本発明により、歪なビーズが除去され、形状の揃ったセラミックビーズを製造することができ、ビーズミル等の粉砕用メディアとして用いた場合にも被粉砕物への歪なビーズの混入を防止することができる。

実施例１のセラミックビーズの製造方法を説明するためのフロー図 実施例２のセラミックビーズの製造方法を説明するためのフロー図 実施例３のセラミックビーズの製造方法を説明するためのフロー図 実施例４のセラミックビーズの製造方法を説明するためのフロー図 比較例１のセラミックビーズの製造方法を説明するためのフロー図

本発明で製造されるセラミック粒子は、セラミック粉末を造粒した粉末であることが望ましい。造粒法に制限は無いが、噴霧乾燥法、液中造粒法、あるいは転動造粒法などが好ましい。噴霧乾燥法は特に限定されるものではないが、噴霧乾燥機を用いることが好ましく、ディスク方式やノズル方式等である通常の噴霧乾燥機で乾燥することで粒子を成形することができる。造粒条件は特に限定されるものではないが、生成する粒子の形状や成形体強度を考慮し、スラリーを調整して噴霧することが望ましい。転動造粒法においては傾斜した円柱状を有するドラムを回転させておき、このドラム内にセラミック粉末と結合剤および水分を含む液体バインダーを交互に添加することにより粉末と粉末の間に液体バインダーの架橋を形成し、球状の粒子を形成する。その後、ドラムを回転させながら粒子にセラミック粉末を与えることでセラミック粒子を成長させ、球状の成形体を得ることができる。

本発明は、１回または複数回の分級工程のうち少なくとも１回において、成形後のセラミック粒子の質量差を利用した分級、すなわち質量分級を行う。質量分級の方法は特に限定されないが、気流式分級機により分級を行うことが好ましい。

気流式分級機は、質量差によりセラミック粒子を分離できるものであれば特に限定はない。気流式分級機としては、重力分級機、慣性力分級機、遠心力分級機があるが、分級精度の高い遠心力分級機が好適に用いられる。遠心力分級機としては、装置内部のローターが回転する力によって被分級物に遠心力を働かせる一方、装置内部を通過する内向きの空気の流れによって被分級物に抗力を働かせる強制渦遠心式分級機や、装置内部にローターを持たずに案内羽根等を設けて空気の旋回流を作り、その旋回する動きで被分級物に遠心力を働かせる一方、旋回の流れそのもので被分級物に抗力を働かせる半自由渦遠心式分級機を用いることができる。

中でも、本発明における質量分級には、強制渦遠心式分級機を用いることが好ましい。強制渦遠心式分級機においては、粒子をローターに投入し、ローターの回転から生じる遠心力によって質量の大きい粒子を分離させ、一方渦流に内向きに打ち込む空気で質量の小さい粒子を分離させることで、粒子の質量に応じた分級が可能となる。特に、平均粒子径１０〜１５４μｍのセラミックビーズの製造には、強制渦遠心式分級機による質量分級を好適に用いることができる。また、質量分級に供する粒子の平均粒子径は１０〜１５４μｍが好ましい。平均粒子径を１０μｍ以上とすることにより、強制渦遠心式分級機のローターに粒子を投入する粒子供給装置における粒子の詰まりを抑制し、安定して投入することができる。粒子をより安定して投入する観点から、平均粒子径は２０μｍ以上がより好ましい。なお、平均粒子径が１０μｍ以上２０μｍ未満の場合において、粒子供給装置のホッパー内において粒子がブリッジを形成したり、ラットホール状に固まる場合には、ノッカー、バイブレーター、エアーパルスなどの詰まり抑制手段により、詰まりを抑制することが好ましい。一方、平均粒子径を１５４μｍ以下とすることにより、粒子の質量を適度に軽くし、渦流に打ち込む空気の流速を調整することにより、所望の質量の粒子を容易に分級することができる。粒子径は、後述する測定例１に従って測定することができる。

気流式分級機への粒子の供給方法に制限は無いが、振動フィーダー、ベルトフィーダー、サークルフィーダー、あるいはスクリューフィーダーで投入するのが好ましい。

本発明において、質量分級は１回のみ行ってもよいし、２回以上行うこともできる。例えば、１回目の質量分級によって相対的に質量の大きい粒子（以下、本明細書において、分級後の相対的に質量またはサイズが大きい画分の粒子を「粗粉」と呼ぶ）を取り除き、得られた相対的に質量の小さい粒子（以下、同様に、相対的に質量またはサイズが小さい画分の粒子を「微粉」と呼ぶ）を対象に再度質量分級を行って、一次分級で選別された微粉の中でさらに相対的に質量の小さい微粉を取り除き、粗粉を選別することで、粒子径および形態の揃ったセラミック粒子を得ることができる。粗粉、微粉を取り除く順序は上記に限定されず、適宜設計され得る。

本発明の製造方法において、質量分級の対象とするセラミック粒子は、金属酸化物を成形し、さらに焼結した後の粒子であっても、金属酸化物を成形した後、焼結する前の粒子であってもよいが、焼結した後の粒子であることがより好ましい。

本発明のセラミックビーズの製造方法において、セラミック粒子を焼成するための工程を有することが好ましい。セラミック粒子を焼成することにより、緻密なセラミック粒子を得ることができる。セラミック粒子を焼結するための焼成温度は、原料粉末の種類によって様々であるが、十分に緻密化ができる温度であればよい。例えばアルミナであれば１５５０℃〜１６５０℃、部分安定化ジルコニアであれば１３５０℃〜１５００℃で焼成することができる。

また、本発明の製造方法においては、質量分級に加え、さらに粒子径の差を利用して分級する従来同様の粒子径分級を併せて行うことがより好ましい。粒子径分級を行うことで、質量分級で除去しやすい歪な形状と粒子径分級で除去しやすい歪な形状の両方を取り除くことができ、形状が揃ったセラミックビーズを得ることができる。粒子径分級は、焼成工程にて形状が歪なセラミック粒子が生成されやすいことから、焼成工程後のセラミック粉末について行うことが好ましい。

粒子径分級の方法は特に限定されないが、篩分級機を用いることが好ましい。篩分級機は、篩を２段重ねて、相対的に粒子径の大きい粗粉と相対的に粒子径の小さい微粉を１回の操作で取り除くよう構成しても良い。

本発明は、いかなる金属酸化物を原料とするセラミックビーズにも適用できる。金属酸化物としては、アルミナ、ジルコニア、シリカ、イットリア、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、窒化珪素、炭化珪素、窒化チタン、ゼオライト、ジルコン等が挙げられ、単独でもよいし適宜混合して用いてもよい。中でも、ジルコニアを原料とするセラミックビーズに適用することが特に好ましい。

本発明のセラミックビーズの製造方法により製造されたセラミックビーズは、被粉砕物への歪なビーズの混入を防止することができることから、粉砕用メディアとして好適に使用される。

［測定例１：平均粒子径・針状比］
デジタルマイクロスコープＶＨＸ−２０００（キーエンス社製）を用いて、約１００個のセラミック粒子を撮影した。測定のバラツキを無くし、精度良く評価するために、一視野ごとに撮影した複数の画像を結合し、測定用画像を得た。画像解析・計測ソフトウェアＷｉｎＲＯＯＦ（登録商標：三谷商事社製）を用いて測定用画像の明度を基準として２値化することでセラミック粒子部と基材部を分離し、二値化画像を得た。二値化画像を円形図形分離し、分離したそれぞれの円の直径を測定し、セラミック粒子の平均粒子径を求めた。

また、
・絶対最大長：セラミック粒子の直径において、最も大きい径となる値。
・対角幅：絶対最大長に対して垂直となる直径で最も大きい径となる値。
を求め、
針状比＝絶対最大長／対角幅
から針状比を求めた。針状比が小さいほど、セラミック粒子の形状が揃っていることを示す。

［実施例１］
図１に示す手順でセラミックビーズを作製した。

まず、ジルコニア粉末を噴霧乾燥法で成形することによりセラミック粒子（１）を作製した。このセラミック粒子（１）を、目開き９０μｍの篩網を有する円型振動篩機（ダルトン社製振動篩４０１）に通し、篩網を通過しなかった粗粉を取り除き、篩網を通過した微粉を選別した（粒子径分級）。その後、当該微粉を１４００℃で焼結し、平均粒子径６０μｍ、針状比１．３０のセラミック粒子（２）を得た。

続いて、気流式分級機として強制渦遠心式分級機（日清エンジニアリング社製ＴＣ−１５）を用い、回転数５００ｒｐｍ、風量８．５ｍ^３／ｍｉｎとして気流式分級（１）を行い、相対的に質量が大きい粗粉を取り除いた。更に、残った微粉を選別して、回転数６５０ｒｐｍ、風量を８．５ｍ^３／ｍｉｎの条件で気流式分級（２）を行って相対的に質量の小さい微粉を取り除くことで、平均粒子径５０μｍ、針状比は１．１４のセラミック粒子（３）を得た。

次に、円型振動篩機（ダルトン社製振動篩４０１）に目開き６６μｍと目開き３５μｍの篩網を２段に取り付け、篩分級機による分級（粒子径分級）を行うことで、目開き６６μｍの篩を通過しなかった粗粉と、両方の篩を通過した微粉を取り除き、目開き３５μｍの篩上からセラミック粒子（４）を得た。得られたセラミック粒子の平均粒子径は５０μｍ、針状比は１．０４であった。

［実施例２］
図２に示す手順でセラミックビーズを作製した。

ジルコニア粉末を転動造粒法で造粒することによりセラミック粒子（１）を作製した。このセラミック粒子（１）を、目開き１５４μｍの篩を有する円型振動篩機（ダルトン社製振動篩４０１）に通し、篩を通過しなかった粗粉を取り除き、篩を通過した微粉を選別した（粒子径分級）。当該微粉を１４００℃で焼結し、平均粒子径１１０μｍ、針状比１．２８のセラミック粒子（２）を得た。

続いて、気流式分級機として強制渦遠心式分級機（日清エンジニアリング社製ＴＣ−１５）を用い、回転数４００ｒｐｍ、風量を９．０ｍ^３／ｍｉｎとして気流式分級（１）を行い、相対的に質量が大きい粗粉を取り除いた。更に残った微粉に対して回転数５００ｒｐｍ、風量を８．７ｍ^３／ｍｉｎの条件で気流式分級（２）を行って相対的に質量の小さい微粉を取り除くことで、平均粒子径１００μｍ、針状比が１．１３のセラミック粒子（３）を得た。

次に振動式篩分級機による粒子径の分級として円型振動篩機（ダルトン社製振動篩４０１）に目開き１３２μｍと目開き７７μｍの篩網を２段に取り付け、篩分級機による分級（粒子径分級）を行うことで、目開き７７μｍの篩上からセラミック粒子（４）を得た。得られたセラミック粒子の平均粒子径は１００μｍ、針状比は１．０３であった。

［実施例３］
図３に示す手順でセラミックビーズを作製した。

まず、ジルコニア粉末を噴霧乾燥法で造粒することによりセラミック粒子（１）を作製した。このセラミック粒子（１）を、目開き９０μｍの篩網を有する円型振動篩機（ダルトン社製振動篩４０１）に通し、篩を通過しなかった粒子を取り除き、篩を通過した微粉を選別した（粒子径分級）。その後、当該微粉を１４００℃で焼結し、平均粒子径６０μｍ、針状比１．３０のセラミック粒子（２）を得た。

続いて振動式篩分級機による粒子径による分級の手段として円型振動篩機（ダルトン製振動篩４０１）に目開き６６μｍと目開き３４μｍの篩網を２段に取り付け、篩分級機による分級（粒子径分級）を行うことで、目開き３４μｍの篩網上からセラミック粒子（３）を得た。得られたセラミック粒子（３）は平均粒子径５０μｍ、針状比が１．１８であった。

次に気流式分級機として強制渦遠心式分級機（日清エンジニアリング社製ＴＣ−１５）を用い、回転数５００ｒｐｍ、風量８．５ｍ^３／ｍｉｎとして気流式分級（１）を行い、相対的に質量が大きい粗粉を取り除いた。更に、残った微粉に対して回転数６５０ｒｐｍ、風量を８．５ｍ^３／ｍｉｎの条件で気流式分級（２）を行って相対的に質量の小さい微粉を取り除くことで、平均粒子径５０μｍ、針状比は１．０５のセラミック粒子（４）を得た。

［実施例４］
図４に示す手順でセラミックビーズを作製した。

ジルコニア粉末を転動造粒法で造粒することによりセラミック粒子（１）を作製した。このセラミック粒子（１）を、目開き９０μｍの篩網を有する円型振動篩機（ダルトン社製振動篩４０１）に通し、篩網を通過しなかった粒子を取り除き、篩を通過した微粉を選別した（粒子径分級）。その後、当該微粉を１４００℃で焼結し、平均粒子径６０μｍ、針状比１．３０のセラミック粒子（２）を得た。

次に気流式分級機として強制渦遠心式分級機（日清エンジニアリング社製ＴＣ−１５）を用い、回転数５００ｒｐｍ、風量８．５ｍ^３／ｍｉｎとして気流式分級（１）を行い、相対的に質量が大きい粗粉を取り除いた。更に、残った微粉に対して回転数６５０ｒｐｍ、風量を８．５ｍ^３／ｍｉｎの条件で気流式分級（２）を行って相対的に質量の小さい微粉を取り除くことで、平均粒子径５０μｍ、針状比は１．１５のセラミック粒子（４）を得た。

更に同強制渦遠心式分級機を用い、回転数５００ｒｐｍ、風量８．５ｍ^３／ｍｉｎとして気流式分級（３）を行い、相対的に質量が大きい粗粉を取り除いた。更に、残った微粉に対して回転数６５０ｒｐｍ、風量を８．５ｍ^３／ｍｉｎの条件で気流式分級（４）を行って相対的に質量の小さい微粉を取り除くことで、平均粒子径５０μｍ、針状比は１．１０のセラミック粒子（４）を得た。

［比較例１］
図５に示す手順でセラミックビーズを作製した。

ジルコニア粉末を転動造粒法で造粒することによりセラミック粒子（１）を作製した。このセラミック粒子（１）を、目開き９０μｍの篩網を有する円型振動篩機（ダルトン社製振動篩４０１）に通し、篩網を通過しなかった粒子を取り除き、篩を通過した微粉を選別した（粒子径分級）。その後、当該微粉を１４００℃で焼結し、平均粒子径６０μｍ、針状比１．３０のセラミック粒子（２）を得た。

次に振動式篩分級機による粒子径の分級として円型振動篩機（ダルトン製振動篩４０１）に目開き６６μｍと目開き３４μｍの篩網を２段に取り付け、篩分級機による分級（粒子径分級）を行うことで、目開き３４μｍの篩網上からセラミック粒子（３）を得た。得られた粒子の平均粒子径は５０μｍ、針状比は１．２０であった。

更に円型振動篩機（ダルトン社製振動篩４０１）で同じ条件による分級をもう一度繰り返し行い、３４μｍの篩網上からセラミック粒子（４）を得た。得られた粒子の平均粒子径は５０μｍ、針状比は１．１９であった。

Claims (10)

1. セラミック粒子を分級する分級工程を１回または複数回有するセラミックビーズの製造方法であって、前記分級工程のうち少なくとも１回において、前記セラミック粒子の質量差を利用した質量分級を行うことを特徴とするセラミックビーズの製造方法。
2. 前記質量分級を気流式分級機により行う、請求項１に記載のセラミックビーズの製造方法。
3. 前記気流式分級機として強制渦遠心式分級機を用いる、請求項２に記載のセラミックビーズの製造方法。
4. 前記質量分級に供されるセラミック粒子の平均粒子径が１０〜１５４μｍである、請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックビーズの製造方法。
5. 前記質量分級に供されるセラミック粒子は、金属酸化物を成形し、さらに焼結を行った後のセラミック粒子である、請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックビーズの製造方法。
6. 前記質量分級に供されるセラミック粒子は、金属酸化物を成形した後、焼結を行う前のセラミック粒子である、請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックビーズの製造方法。
7. 前記分級工程を複数回有し、前記質量分級に加え、さらに粒子径の差を利用した粒子径分級を行う、請求項１〜６のいずれかに記載のセラミックビーズの製造方法。
8. 前記粒子径分級を篩分級機により行う、請求項７に記載のセラミックビーズの製造方法。
9. 粉砕用メディアとして使用されるセラミックビーズを製造する、請求項１〜８のいずれかに記載のセラミックビーズの製造方法。
10. ジルコニアを原料とするセラミックビーズを製造するための、請求項１〜９のいずれかに記載のセラミックビーズの製造方法。

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