JPH10506340A - スクリーン印刷法による付形物品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 セラミック前駆体の寸法安定性のある分散系を表面上にスクリーツ印刷して所望の形状とし、得られたスクリーン印刷になる付形物を乾燥し、それを焼成し、付形されたセラミック物品とすることによって、付形されたセラミック物品を作成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 スクリーン印刷法による付形物品 発明の背景 本発明は、高度の融通性と生産性を有して、例えば研磨材粒子のような付形さ れたセラミック物品を製造するプロセスに関する。本発明は、特には、αアルミ ナ前駆体の分散系から得られる付形物品に関する。 種晶（seeded）ゾルゲル法から得られるフィラメント状研磨材粒子の形態の付 形アルミナ物品は、米国特許第5009676号明細書に示されており、圧潰された研 磨材の大きめの断片を選別することによって得られるランダムな形状を有する粒 に勝る、ある重要な特長を有する。このような付形された粒の製造法は米国特許 第5090968号明細書、同5201916号明細書に開示されている。また、ゾルゲルアル ミナから得られるディスク、ファイバー、薄いシートのような別な種類の付形物 品も開示されている。しかしながら、これらのプロセスの殆どは、非常に細かい 付形研磨材粒子の製造にはあまり適合しない。 前駆体材料の分散系から非常に迅速で効率的な生産を可能にする、付形された アルミナ物品の新規で非常に融通性のある製造プロセスが新たに提案された。本 発明のプロセスは、容易に自動化される技術によって非常に細かい粒子を製造す るのに特に首尾よく適する。 本発明は、製造される付形物の性状に関して非常に融通性があるが、特には、 付形された研磨材粒子の製造に適する。 発明の概要 本発明のプロセスは、スクリーン印刷プロセスによる付形セラミック物品の製 造であり、寸法安定性のある前駆体分散系を、スクリーンを通して受け面に施す ことを含む。 好ましいプロセスは、受け面の上に支持された孔開きスクリーンの１つの面に αアルミナ前駆体の分散系を施し、スクリーンの開孔を充填し、その面からスク リーンを除去し、その面の上に残ったスクリーン印刷の付形物を乾燥・焼成し、 αアルミナの焼結・付形された物品を作成することを含む。 スクリーンが除去されたとき、本発明のスクリーン印刷プロセスにおいて、分 散系から得られた単なる付形物が、乾燥・焼成されるのに十分な長い期間にわた って形状を保持しなければならないといった意味において、使用される分散系は 寸法安定性がなければならない。この安定性は、前駆体のゲルが容易に得られな い場合、添加剤の使用によって達成されることもできる。添加剤の使用によって 形状保持性が得られない場合、分散系の固形分は重要な因子である。割合に低い 固形分においては、スクリーンが除去されたときの付形物のロスを防ぐために粘 度の調節が必要なことがある。このことは、粘度調節剤の添加によって行なうこ とができる。分散系がゲルの場合、好ましい技術は、硝酸のような酸を使用した 解凝固である。ここで、分散系が過度に高い固形分を有する場合、スクリーンの 開孔にむらなく充填することが難しいことがある。 好ましいプロセスに使用される分散系は、最も便宜よくはベーマイトゲルであ り、さらに好ましくは、アルミナ前駆体からαアルミナへの転化を成核すること ができる、微細に分散された種晶粒子を含むベーマイトゲルである。 開孔スクリーンは、任意の適切な材料の例えばステンレス鋼、プ ラスチックの例えばPTFE，EVA、ポリエステル、ナイロン、又は重包装紙などか ら作成されることができる。スクリーン印刷は周知の方法であり、スクリーンを 作成するための一般に適切な材料は、本発明にも一般に有用である。 開孔の形状はそれ程重要ではなく、物品の性状に応じて選択されてよい。ここ で、本方法は、実質的に同じ付形物、又は所望によりいろいろな付形物の所定の 混合物を大量に製造する方法を提供することが明らかであろう。本発明の方法の 好ましい適用は、付形されたセラミック研磨材粒子の製造である。これらの付形 物は角張っても丸くてもよいが、あるアスペクト比を有する普通の長方形が最も 有用であり、即ち、長さと最長横断面寸法の比が約２：１〜約50：１であり、最 も好ましくは約５：１〜約25：１である。寸法の変化上の制約はスクリーンの厚 さに課されることが認識されるであろう。厚みが過度に大きいと、スクリーンが 除去されたときに分散系が開孔から容易に離脱しない。このため、シリコーン、 フルオロカーボン、又は炭化水素誘導体のような離型剤でスクリーン処理するこ とをしなければ、印刷スクリーンの最大厚さは一般に約10mmであり、より典型的 には３mm以下ある。ここで、平坦な形状が望まれる場合、スクリーン印刷のこの 制約は重要ではないことがある。 発明の詳細な説明 本プロセスに使用される分散系は、セラミック前駆体の任意の分散系でよく、 このことは、本プロセスに供されると付形されたセラミック物品の形態となる、 微細に分散された材料であればよいことを意味する。この前駆体は化学的な前駆 体であることができ、例えばベーマイはαアルミナの化学的前駆体であり、又は 形態的前駆体であることができ、例えばαアルミナはαアルミナの形態的前駆体 であり、また、αアルミナの微細に分割された形態が付形物にされ、焼結される とその形状を保持するといった意味で同時に（又はあるいは）物理的前駆体であ ることもできる。 この分散系は、本願における用語の意味において物理的又は形態的前駆体であ り、この前駆体は微細に分割された粉末粒子の形態であり、一緒に焼結されると 、通常の固定砥粒や研磨布紙の用途に有用な研磨材粒子のようなセラミック物品 となる。このような材料は、一般的に約20ミクロン未満、好ましくは約10ミクロ ン未満、最も好ましくは約１ミクロン未満の平均サイズを有する粉末粒子を含ん でなる。 物理的又は形態的前駆体の分散系の固形分は、好ましくは約40〜65％であるが 、約80％にも及ぶ高い固形分が用いられてもよい。このような分散系においては 、微細に分割された粒子と一緒に有機化合物が使用されることが多く、沈殿防止 剤として、また多くは粒子が乾燥されてその形状を十分に保持するまでの一時的 バインダーとして使用される。これらは、そのような目的に広く知られる任意の ものでよく、例えばポリエチレングリコール、ソルビタンエステルなどが挙げら れる。 加熱すると最終的な安定したセラミック形態に変化する化学的前駆体の固形分 は、乾燥・焼成して粒子を焼結させる際に前駆体から遊離する水を考慮する必要 がある場合がある。このような場合、固形分は一般にやや低めであり、例えば約 75％以下、より好ましくは約30％〜約50％である。ベーマイトゲルの場合、約60 ％あるいは場合により40％の最大固形分が好ましく、解凝固された約20％の僅か な固形分のゲルが使用されることもある。 物理的前駆体から得られる物品は、一般に、種晶（seeded）化学的前駆体から 得られるものよりも高い温度で焼成される必要がある 。例えば、種晶ベーマイトゲルの粒子が約1250℃未満の温度で本質的に十分緻密 化されたαアルミナを生成したとしても、αアルミナのゲルから得られる粒子は 、十分な緻密化のためには約1400℃を超える温度で焼成することが必要である。 本プロセスを用いて付形セラミック物品にされ得る材料には、αアルミナ、炭 化ケイ素、アルミナ／ジルコニア、CBNなどの公知のセラミック材料の微細に分 割された粒子のような物理的前駆体が挙げられる。また、アルミニウム三水和物 、ベーマイト、γアルミナその他の遷移相アルミナ、ボーキサイトなどの化学的 及び／又は形態的前駆体が挙げられる。上記の中で最も有用なものは、一般に、 アルミナ及びその物理的又は化学的前駆体を主成分とするものであり、本発明に したがった特定の説明を、特にアルミナに関して説明する。ここで、本発明はそ れらに限定されるものではなく、様々な前駆体材料についても適用可能であると 理解すべきである。 アルミナを主成分とする物品を製造するための特定の条件において望ましいこ とが分っているその他の成分には、核生成剤の例えば微細に分割されたαアルミ ナ、酸化第二鉄、酸化クロム、及び前駆体形態からαアルミナ形態への変態にお いて核生成をすることができるその他の物質、また、マグネシア、チタニア、ジ ルコニア、イットリア、及び希土類酸化物が挙げられる。このような添加剤は、 多くは結晶成長抑制剤又は境界相改質剤として作用する。前駆体中のこのような 添加物の量は、一般に約10重量％未満であり、多くは５重量％未満である（固体 基準）。 また、αアルミナの化学的又は形態的前駆体の代わりに、微細に分割されたα アルミナそのもののスリップを使用することもでき、このスリップは、サスペン ジョンを保持して粒子が本質的に十分に緻密化する際の一時的バインダーとして 作用する有機化合物を含む ことができる。この場合、サスペンジョン中に、焼成すると異質な相を形成する 物質、あるいは乾燥・焼成中又は焼成後に付形粒子の構造的保全性を維持する助 剤として作用することができる物質を含めることが、多くの場合に可能である。 このような物質は不純物のように存在することができる。例えば前駆体が微細に 分割されたボーキサイトの場合、粉末粒子が相互に焼結して付形粒子を形成する と同時に二次相を形成する少量のガラス質物質が存在することができる。 スクリーン印刷工程に使用される開孔スクリーンは、バッチ方式又は連続方式 で使用するのに容易に適応することができる。スクリーンの厚さがある範囲（約 10mm）の上限である場合、通常そのスクリーンは、スクリーンがベルト状である 連続プロセスに使用するには十分な可撓性がない。しかし、このような場合を除 く殆どの実施において、好ましい操作は連続製造方式である。自動化された運転 の場合、開孔スクリーンは一般に駆動ベルトの形態であり、このことは、ベルト の支配的応力は長手方向であることを意味し、即ち、それは伸長される傾向にあ る。開孔がベルトの運動方向に整列された場合、この伸長の傾向は、粒子の横断 面の有意な変形をもたらさないであろう。したがって、これは、本プロセスに使 用されるベルトの好ましい態様である。このような形状は、ベルトが作成される 比較的多くの材料が長手方向に配向されることを可能にし、その方向におけるベ ルト強度の最適化に寄与するといった付加的な長所を有する。 使用に際し、スクリーン印刷用開孔ベルトは、適用ゾーンを通過するときに可 撓性ベルトと接触する。したがって、この可撓性ベルトは、ゲルの水分又は酸に 影響されないように、耐水性材料からなることが好ましい。また、ベルトは駆動 されるため、割合に非伸長 性であることが好ましい。また、ベルトの材料に浸入したゲルの分離が難しくな らないように、実質的に滑らかであることが好ましい。多くのアルミナゲルは酸 性pHを有し、特に酸の添加によって解凝固された場合はそうであり、このため、 適切なベルトは実質的に耐蝕性を有するべきである。これらの多くの基準に合致 する適切な材料はステンレス鋼であるが、クロムメッキのニッケル、ポリテトラ フルオロエチレン、フッ化エチレンモノマー成分を含むコポリマー、ポリプロピ レンのような材料が、適当な条件下では置き換えられることができる。 多くの場合、スクリーン印刷用開孔ベルトが作成される材料を離型コーティン グで被覆し、スクリーンからの粒子の除去を容易にすることが望ましい。離型コ ーティングは、例えばデュポン社より商標「テフロン」として市販されている焼 付用フルオロポリマーであることができる。あるいは、使用の前にコーティング を吹き付けることもできる。このような吹き付けコーティングには、オクタノー ル、デカン、ヘキサデカンなどの有機物の潤滑剤が挙げられる。当然ながら、バ ッチ方式の操作で例えば簡単なシートの形態の開孔スクリーンを設計するときで も、同じ配慮をすることが適当であることを理解すべきである。 多くの同じ基準が、スクリーン印刷用開孔ベルトが作成される材料の選択にも あてはまるため、多くの場合、同じ材料から支持プレートを作成することが適切 である。プロセスの間にスクリーン印刷用開孔ベルトと支持プレートが供される 条件は、一般に、耐蝕性金属を好ましい選択とする。 焼成されて研磨材粒子を形成した付形物品は、砥石のような結合砥粒製品、研 磨ディスクや研磨ベルトのような研磨布紙に用いられることができる。 図面の説明 図１は、連続方式の操作に適する本発明によるスクリーン印刷プロセスの概略 図である。 図２は、本発明によるバッチ方式のスクリーン印刷プロセスに使用するのに適 切なスクリーンの上面の写真である。 図３は、図２に示したスクリーンと本プロセスを用いて作成した研磨材粒子の 写真である。 本発明の特定の態様の説明 本願明細書のこの段落で説明する主な事項は、付形された研磨材粒子の製造に おける本プロセスの実施である。本願明細書の教示は、フラットディスク、ボー ルミルの粉砕媒体などのその他の付形物の製造にも適用可能である。 次に本発明を、特に図面を参照しながら説明する。これは例示の目的に過ぎな く、基本的な本発明の範囲に何らかの特定事項を含めることを意図するものでは ない。 連続ベルトの形態の印刷用スクリーン１は、一連の４本のロール２、３、４、 及び５の周りを通り、ここで、ロール２と３の間に適用ゾーン６を画定するスペ ース、ロール３と４の間に離脱ゾーン７を画定するスペース、ロール４と５の間 に洗浄ゾーン８を画定するスペース、ロール５と２の間に処理ゾーン９を画定す るスペースが存在する。 適用ゾーン６において、スクリーン１は、連続したステンレス鋼10ベルトの外 側面にそってしっかりとした接触を保持し、双方のベルトは実質的に同じ速度で 同じ方向に移動し、研磨材粒子の前駆体の分散系が、ドクターブレード11の前方 でスクリーンの内側面に施される（適用機構は図示していない）。ドクターブレ ードの直ぐ下 における通過は、スクリーン印刷用ベルトの開孔に分散系を強制的に押し込み、 その箇所でスクリーン印刷用ベルトは連続したステンレス鋼ベルト10と緊密に接 触する。 離脱ゾーン７において、スクリーン印刷用ベルトは、連続したステンレス鋼ベ ルトから離れ、ベルト10の表面上にスクリーン印刷された付形物を残存させる。 この付形物はベルトによって乾燥ゾーン12に輸送され、そこで、付形物をハンド リング時に構造的保全性を保持する粒子まで変化させるのに少なくとも必要な程 度まで、付形物から水分が除去される。次いで、乾燥された粒子が連続ステンレ ス鋼ベルトから取り出され、適切な炉の中で焼成され、それらを研磨材粒子に変 化させる。ベルトが焼付離型層を付与される前処理をされていない場合、ベルト がスクリーン印刷用ベルトと接触する適用ゾーンに進入する前に、離型処理を施 されることもできる（例えば、フルオロカーボンのスプレー）。 スクリーン印刷用ベルトは、離脱ゾーンを通り過ぎた後、洗浄セクション８を 通過する途中で、先ず乾燥され、次いで適切に案内されたブラシ、空気吹き付け 、空気吹き付けとブラシの併用などによって全ての残存物質が除去される。 スクリーン印刷用ベルトは、洗浄ゾーンから処理ゾーン９を通り、その過程で 、離脱ゾーンにおいてスクリーン印刷用ベルトから付形物が離脱することを容易 にさせるため、離型剤が所望により施される。 図面に記載の構成においては、多くの態様があり得る。例えば、スクリーン印 刷用ベルトへの分散系の適用は、ベルトが水平ではなくて垂直に移動するときに 行なわることができる。また、スクリーン印刷用ベルトは、ドラムの周りの種々 のセグメントによって与えられるゾーン６からゾーン９を有する１つの中空ドラ ムの表面によ って提供されることもできる。このようないろいろな態様はいずれも本発明の本 質的な範囲に包含されるものである。例１ この例は、バッチ方式で操作される本プロセスの１つの態様の実施を例証する 。このプロセスにおいて、長さ１mm×幅0.1mmの複数の開孔が設けられ、図３に 示したものと実質的に同様な平坦な厚さ0.1mmのステンレス鋼スクリーン印刷用 シートに、炭化水素系離型剤をスプレーし、平坦なステンレス鋼支持レートの上 に置いた。次いで固体物30〜35％の種晶ベーマイトゲルをスクリーン印刷用シー トの上に堆積させ、ドクターブレードを用いて開孔の中に押し込んだ。スクリー ン印刷用シートを除去し、支持シートの上にゲル付形物を残存させた。ゲル付形 物を載せた支持シートをオーブンの中に入れ、80℃で５分間加熱し、次いで1325 ℃で３分間加熱した。図３に示すような研磨材粒子が得られた。 焼成した粒子の密度は3.92ｇ／cc（ヘリウム法で測定）、修正切断法による平 均結晶サイズは0.15ミクロン、硬度は18.3GPa(50ｇの荷重下)、荒充填密度は0.9 ｇ／ccであった。横断面が実質的に正方形である粒子の最終的な寸法は、長さ69 7ミクロン、横断面の辺の平均長さは79ミクロンであり、アスペクトは8.7：１で あった。粒子の荒充填密度は0.9であり、粒子の等価直径は79ミクロンであった 。 本発明の研磨材粒子は、ガラス質結合の砥石に使用された場合、極めて効果が あることが実証された。例２ 上記の例１に記載の例と同様なもう１つの例として、開孔ステンレス鋼プレー トを、テフロン FEPフルオロポリマーコーティングで 焼付処理をした。スクリーンは厚さ0.2mmで、孔は幅約0.2mm×長さ約6.4mmの四 角形であった。上記と同じ適用、乾燥、及び焼成工程を行ない、下記の特性を有 するフィラメント状研磨材粒子を作成した。 特性 密 度（水） 3.88〜3.93g／cc 結晶サイズ 0.18ミクロン 硬度（ビッカーズ、荷重200ｇ） 22.5GPa 等価直径（長方形） 90ミクロン×135ミクロン アスペクト比 25：１ 荒充填密度 約0.5 上記の装置とプロセスの別な態様も、本発明の基本的技術思想から逸脱するこ となく提案することができるが、そのような変更はいずれも請求の範囲に記載の 本発明の範疇に含まれるものと理解すべきである。

【手続補正書】 【提出日】１９９７年５月１６日 【補正内容】 (1)(イ)明細書４頁８行の二箇所、同９行、１０頁１６行、同１８行、同１９行 、同２０行、１１頁９〜１０行の「ミクロン」を『μｍ』と補正します。 (ロ)明細書１頁１３行の「る。ま」を「る。このような付形された砥粒を含 む研磨布紙は、欧州特許出願第０３９５０８８公開明細書に記載されている。ま 』と補正します。 (2)請求の範囲及び図面（第１図）を別紙の通り補正します。 請求の範囲 １．支持面と接触する開孔スクリーンの１つの面に寸法安定性のあるセラミッ ク前駆体の分散系を施し、そのスクリーンの開孔を充填し、その支持面からスク リーンを除去し、次いでその支持面の上に残存したスクリーン印刷された付形物 を乾燥・焼成し、焼結付形セラミック物品を作成することを含む付形セラミック 物品の製造方法。 ２．分散系がベーマイトゲルである請求項１に記載の方法。 ３．ベーマイトアルミナゲルが、核生成剤、マグネシア、ジルコニア、チタニ ア、イットリア、及び希土類金属酸化物からなる群より選択された添加剤を10重 量％（固体基準）まで含む請求項２に記載の方法。 ４．連続した開孔ベルトを用いて粒子がスクリーン印刷され、開孔が、２：１ 〜50：１のアスペクト比を有する印刷付形物を生成する寸法を有する請求項１〜 ３のいずれか１項に記載の方法。 【図１】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カバナウ，マイケル ディー. アメリカ合衆国，マサチューセッツ 01536，ノース グラフトン，セカンド ストリート 12

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複数の開孔を有するスクリーンを通して、寸法安定性のあるセラミック前 駆体分散系を受け面に施すことを含む、スクリーン印刷法による付形セラミック 物品の製造方法。 ２．支持面と接触する開孔スクリーンの１つの面にαアルミナ前駆体の分散系 を施し、そのスクリーンの開孔を充填し、その支持面からスクリーンを除去し、 次いでその支持面の上に残存したスクリーン印刷された付形物を乾燥・焼成し、 αアルミナの焼結付形物品を作成することを含む請求項１に記載の方法。 ３．前駆体が化学的前駆体である請求項１に記載の方法。 ４．分散系がベーマイトゲルである請求項２に記載の方法。 ５．ゲルが約30〜約60％の固形分を有する請求項４に記載の方法。 ６．開孔スクリーンが酸と水に対して耐久性がある請求項１に記載の方法。 ７．開孔スクリーンが駆動ベルトの形態である請求項１に記載の方法。 ８．ベルトの開孔が、付形されたフィラメント状セラミック研磨材粒子を製造 するのに適する請求項１に記載の方法。 ９．支持面の上に、寸法安定性のあるベーマイトアルミナゲルの付形物をスク リーン印刷し、乾燥し、次いでアルミナがα相に転化するのに十分な温度でその 付形物を焼成することを含む、付形されたアルミナセラミック研磨材粒子の製造 方法。 １０．ベーマイトアルミナゲルが、核生成剤、マグネシア、ジルコニア、チタ ニア、イットリア、及び希土類金属酸化物からなる群より選択された添加剤を10 重量％（固体基準）まで含む請求項９に 記載の方法。 １１．粒子が連続した開孔ベルトを用いてスクリーン印刷され、開孔が、約２ ：１〜約50：１のアスペクト比を有する印刷付形物を生成する寸法を有する請求 項９に記載の方法。