日本カラー工業では、「流動性の高いセラミックス顆粒」の生産を実現します。
スプレードライ法を用いた顆粒化技術を中心に、顆粒化事例、セラミックス対応・耐摩耗性設備の改善事例をご紹介します。

セラミックスとは？

セラミックスとは、一般的に金属元素と非金属元素の組み合わせによるイオン結合、あるいは共有結合によってできる材料です。
プラスチックなどの樹脂や金属と比較して、耐熱性・耐食性・耐摩耗性に優れています。日常的には、セラミックス素材の成形体として目にすることが多く、人口歯や茶わん、セラミックス包丁などがあります。当社のような化学工場における粉体加工現場でも、湿式粉砕に使う粉砕メディア（ビーズ）や撹拌機のローターなど、多くの場面でセラミックスが使われています。

セラミックスの製造工程

セラミックスの製造工程は、大きく粉体調整→成形→焼成の3工程に分かれます。
まず、粉体調整では、原料粉末を均一に混合し、必要に応じてバインダーや溶媒を加えて加工しやすいセラミックス顆粒（粉体）にします。成形に使われるセラミックス顆粒には、成形不良を起こさないために、粒度の均一性・流動性などが求められます。次に、成形では、押出成形や射出成形などの方法が用いられ、成形体へ整えます。最後に、焼成によって高温で加熱し、粉末粒子を焼結させて強度や耐久性を向上させます。この3つの工程は、密接な関係を持ち、どの工程が欠けても、求める特性のセラミックスを得ることができません。

成形工程に適した顆粒とは？

セラミックスの成形工程では、型の隅々までセラミックス顆粒を充填し、そこに圧力をかけることで、成形体を作りだします。加圧とともに、顆粒内および顆粒間の気孔（下図黄色い丸）は減少していきますが、残留気孔が多い場合、次工程である焼成工程中のクラック発生要因となります。

このような加圧成形後の残留気孔を減らすための、顆粒における2つのポイントをご説明します。

ポイント①：顆粒の形状

なるべく顆粒が球形であれば、成形型へ粒子を均一に流し込むことができ、加圧成形時に均一に圧力をかけることができます。

ポイント②：顆粒の強度

顆粒の強度が弱すぎる場合、成形型へ充填途中に顆粒が崩壊しやすく、顆粒形状が均一ではなくなるため、流動性・充填効率が悪化します。一方、顆粒の強度が強すぎる場合、加圧成形時に加圧崩壊（圧力伝達）しないため、均一な成形ができなくなってしまいます。

セラミックス顆粒の製造事例

当社では、ビーズミルによる湿式粉砕とスプレードライによる噴霧乾燥・造粒により、加圧成形に適したセラミックス顆粒が製造可能です。
当社独自のテストデータを元に、流動性の高いセラミックス顆粒（ハイドロキシアパタイト）の製造事例をご紹介します。

工程１：ビーズミルによる湿式粉砕

対応設備：ピコミル、フリッチュミル

工程2：スプレードライヤーによる噴霧乾燥・造粒

対応設備：研究開発向けスプレードライヤー（5号機）、試作～少量生産向けスプレードライヤー（1号機）、4流体ノズル対応スプレードライヤー（6号機）

セラミックス対応・耐摩耗性設備の改善事例

セラミックスの顆粒化における課題としてよくあげられるのが、スプレードライ装置自体の摩耗です。
下記写真は、天然ゼオライトをスプレードライしたときのアトマイザディスク（遠心力により液滴を作る箇所）ですが、数時間の運転でも激しく摩耗していることが分かります。摩耗が広がると、設備への影響だけでなく、液滴化・顆粒化ができず、摩耗したステンレスが異物となって製品へ混入するケースもあります。

耐摩耗性の高い設備へ改善

当社では、このような設備の摩耗防止策として、セラミックスを原料とする場合、摩耗が激しくなる箇所の接液部は、
同じセラミックス製または耐摩耗性の高いUHMW（高密度ポリエチレン）製の耐摩耗性設備を使用しています。

 

セラミックス製（接液部）のアトマイザディスク

ＵＨＭＷ（高密度ポリエチレン）製の撹拌羽根

セラミックス製・ＵＨＭＷ製の給液ポンプ用部品