陶芸

3.1.1 スラリーの調製

スプレードライ造粒プロセスでは、スラリーの調製が重要な鍵となります。スラリーの固形分含有量、粒度、流動性は、乾燥粉末の収量と粒子径に直接影響します。

この種のアルミナ磁器の粉末は不毛であるため、ブランクの成形性能を向上させるには、適切な量のバインダーを添加する必要があります。一般的に使用される有機物質には、デキストリン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ポリスチレンなどがあります。この実験では、水溶性バインダーであるポリビニルアルコール（PVA）を選択しました。これは環境湿度に敏感であり、周囲湿度の変化は乾燥粉末の特性に大きな影響を与えます。

ポリビニルアルコールには多くの種類があり、加水分解度と重合度が異なり、噴霧乾燥プロセスに影響を与えます。その一般的な加水分解度と重合度は噴霧乾燥プロセスに影響を与えます。その投与量は通常0.14〜0.15wt％です。添加量が多すぎると、噴霧造粒粉末が硬い乾燥粉末粒子を形成し、プレス中に粒子が変形するのを防ぎます。プレス中に粒子特性を除去できない場合、これらの欠陥はグリーンボディに蓄積され、焼成後に除去できず、最終製品の品質に影響を与えます。バインダーの添加量が少なすぎると、グリーン強度が増大します。実験では、適切な量のバインダーを添加すると、グリーンビレットの断面を顕微鏡で観察できます。圧力が3Mpaから6Mpaに増加すると、断面が滑らかに増加し、球状粒子が少数あることがわかります。圧力が9Mpaのとき、断面は滑らかで、基本的に球状粒子はありませんが、高圧はグリーンビレットの層別化につながります。PVAは約200℃で開きます。

燃焼を開始し、約 360 ℃ で排出します。有機バインダーを溶解してビレット粒子を湿らせ、粒子間に液体の中間層を形成し、ビレットの可塑性を向上させ、粒子間の摩擦および材料と金型間の摩擦を減らし、プレスされたビレットの密度の増加と圧力分布の均一化を促進し、また、適切な量の可塑剤を添加します。一般的に使用されるのは、グリセリン、エチルシュウ酸などです。

バインダーは有機高分子ポリマーであるため、スラリーへのバインダーの添加方法も非常に重要です。調製したバインダーを、必要な固形分濃度で均一な泥土に添加するのが最適です。これにより、未溶解・未分散の有機物がスラリーに持ち込まれるのを防ぎ、焼成後の欠陥発生の可能性を低減できます。バインダーを添加すると、ボールミル粉砕や撹拌によってスラリーを容易に生成できます。液滴に巻き込まれた空気は乾燥粉末内に存在し、乾燥粒子を中空にすることで体積密度を低下させます。この問題を解決するために、消泡剤を添加することができます。

経済的および技術的な要件により、高い固形分濃度が求められます。乾燥機の生産能力は1時間あたりの蒸発水量を指すため、固形分濃度の高いスラリーは乾燥粉末の生産量を大幅に増加させます。固形分濃度が50%から75%に増加すると、乾燥機の生産量は2倍に増加します。

固形分含有量の低さは、中空粒子が形成される主な原因です。乾燥の過程で、水は液滴の表面に移動し、固体粒子を運び、液滴の内部を中空にします。液滴の周囲に低透過性の弾性膜が形成されると、蒸発速度が低いため、液滴の温度が上昇し、内部から水が蒸発して液滴が膨らみます。どちらの場合も、粒子の球形が崩れ、中空の環状またはリンゴ形または洋ナシ形の粒子が生成され、乾燥粉末の流動性と嵩密度が低下します。さらに、固形分含有量の高いスラリーは、

乾燥工程を短縮することで、水分とともに粒子表面に移行する接着剤の量を減らすことができ、粒子表面のバインダー濃度が中心部よりも高くなるのを防ぎ、粒子の表面が硬くなり、加圧成形工程における粒子の変形や破砕を防ぎ、ビレットの質量を低減することができます。したがって、高品質の乾燥粉末を得るためには、スラリーの固形分濃度を高める必要があります。

噴霧乾燥に使用するスラリーは、十分な流動性を持ち、水分はできる限り少なくする必要があります。より多くの水を導入してスラリーの粘度を下げると、乾燥のエネルギー消費が増加するだけでなく、製品の嵩密度も低下します。したがって、凝固剤の助けを借りてスラリーの粘度を下げる必要があります。乾燥したスラリーは、数ミクロン以下の粒子で構成されており、コロイド分散系と見なすことができます。コロイド安定性の理論によると、懸濁液の粒子には、ファンデルワールス力（クーロン力）と静電反発力という2つの力が作用します。力が主に重力である場合、凝集と凝集が発生します。粒子間の相互作用の全ポテンシャルエネルギー（VT）はそれらの距離に関連しており、その間、ある時点でのVTは重力エネルギーVAと反発エネルギーVRの合計です。粒子間のVTが最大の正のポテンシャルエネルギーを示す場合、それは解重合のシステムです。与えられた懸濁液に対してVAは一定であるため、システムの安定性はVRを制御する機能、つまり粒子の表面電荷と二重電気層の厚さです。二重層の厚さは、価電子結合と平衡イオンの濃度の平方根に反比例します。二重層の圧縮は凝集のポテンシャル障壁を減らすことができるため、溶液中の価電子結合と平衡イオンの濃度は低くなければなりません。一般的に使用される解乳化剤は、HCI、HNO3、NaOH、（CH）3noh（第四級アミン）、GAなどです。

95アルミナセラミック粉末の水系スラリーは中性でアルカリ性であるため、他のセラミックスラリーに対して優れた希釈効果を持つ多くの凝集剤が機能を失います。そのため、高固形分で流動性に優れたスラリーを調製することは非常に困難です。両性酸化物に属する不毛のアルミナスラリーは、酸性またはアルカリ性媒体中で異なる解離過程を示し、異なるミセル組成および構造の解離状態を形成します。スラリーのpH値は解離および吸着の程度に直接影響し、ζ電位の変化とそれに伴う凝集または解離を引き起こします。

アルミナスラリーは、酸性またはアルカリ性媒体中で正および負のζ電位の最大値を示します。このとき、スラリーの粘度は脱凝結状態の最低値にあり、スラリーが中性状態にあるときは粘度が増加し、凝集が発生します。適切な抗乳化剤を添加することにより、スラリーの流動性が大幅に向上し、スラリーの粘度が低下して、その粘度値が水の粘度に近づくことがわかりました。簡易粘度計で測定した水の流動性は3秒/ 100 mlですが、スラリーの流動性は4秒/ 100 mlです。スラリーの粘度が低下するため、スラリー中の固形分を60％まで増加させることができ、安定したパッキングを形成できます。乾燥機の生産能力は1時間あたりの水の蒸発量を指すため、懸濁液も同様です。

3.1.2 噴霧乾燥プロセスにおける主要パラメータの制御

乾燥塔内の気流パターンは、液滴の乾燥時間、滞留時間、残留水分、壁面付着に影響を及ぼします。本実験では、液滴空気混合プロセスは混流、つまり高温ガスが上部から乾燥塔に入り、乾燥塔の下部に噴霧ノズルが設置されて噴水状の噴霧を形成し、液滴は放物線を描くため、空気と混合する液滴は向流となり、液滴がストロークの頂点に達すると下流流となり、円錐状に噴霧されます。液滴は乾燥塔に入るとすぐに最大乾燥速度に達し、定速乾燥段階に入ります。定速乾燥段階の長さは、液滴の水分含有量、泥の粘度、乾燥空気の温度と湿度によって異なります。定速乾燥段階から急速乾燥段階への境界点Cは臨界点と呼ばれます。このとき、液滴表面は水分の移動によって飽和状態を維持できなくなり、蒸発速度の低下に伴い液滴温度が上昇し、D点の液滴表面が飽和状態となり、硬い殻層が形成されます。蒸発は内部へと移行し、乾燥速度はさらに低下します。水分の更なる除去は、硬い殻の透湿性と関連しています。したがって、適切な運転パラメータを制御する必要があります。

乾燥粉末の水分含有量は、主にスプレードライヤーの出口温度によって決まります。水分含有量は乾燥粉末の嵩密度と流動性に影響を与え、プレスされたブランクの品質を決定します。PVAは湿度に敏感です。異なる水分含有量条件下では、同じ量のPVAでも乾燥粉末粒子の表面層の硬度が異なり、プレス工程中に圧力の測定が変動し、生産品質が不安定になります。したがって、乾燥粉末の水分含有量を確保するために、出口温度を厳密に制御する必要があります。一般的に、出口温度は110℃に制御し、入口温度をそれに応じて調整する必要があります。入口温度は400℃以下で、一般的には約380℃に制御されます。入口温度が高すぎると、塔の上部の熱風温度が過熱します。ミスト滴が最高点まで上昇し、過熱された空気に遭遇すると、バインダーを含むセラミック粉末の場合、バインダーの効果が低下し、最終的に乾燥粉末の圧縮性能に影響を及ぼします。次に、入口温度が高すぎると、ヒーターの耐用年数にも影響し、ヒーターのスキンが剥がれて熱風とともに乾燥塔に入り、乾燥粉末を汚染します。入口温度と出口温度が基本的に決定されていることを前提として、出口温度は、供給ポンプの圧力、サイクロンセパレーターの圧力差、スラリーの固形分などの要因によっても調整できます。

サイクロンセパレーターの圧力差。サイクロンセパレーターの圧力差が大きいと、出口温度が上昇し、微粒子の収集が増加し、乾燥機の収量が低下します。

3.1.3 スプレー乾燥粉末の特性

スプレードライ法で製造されたアルミナセラミック粉末の流動性と充填密度は、通常法で製造されたものよりも概して良好です。手作業で造粒した粉末は振動なしでは検出装置を通過できませんが、スプレー造粒した粉末は振動なしでは検出装置を通過できます。金属粉末の流動性と嵩密度の試験に関するASTM規格を参照し、異なる水分含有量条件下でスプレードライ法で得られた粒子の嵩密度と流動性を測定した。表1を参照。