JP2011042544A - セラミックスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】乾燥時間を大幅に短縮した上で、歪み、亀裂、爆裂等を抑えることが可能なセラミックスの製造方法を提供する。
【解決手段】火山ガラス発泡体が添加されたセラミックス素地を準備する工程と、前記セラミックス素地を成形して、成形体とする工程と、前記成形体を焼成して、焼結体とする工程とを含むセラミックスの製造方法であって、焼成前の成形体の含水率が10〜30質量％であることを特徴とするセラミックスの製造方法である。火山ガラス発泡体としては、発泡パーライト、発泡松脂岩、発泡黒曜石、発泡シラス等が好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、セラミックスの製造方法に関し、特には、成形体の乾燥時間を大幅に短縮することが可能なセラミックスの製造方法に関するものである。

従来、セラミックスは、素地の調製、成形、乾燥、素焼き、施釉、本焼き、冷却の手順を経て製造されるが、セラミックス素地を成形した後の成形体の乾燥工程においては、その成形体の歪みを最小限に抑えるため、成形体の乾燥をゆっくり行い、また、焼成中の温度上昇時に起こる成形体の爆裂を回避するため、含水率が5質量％程度に低下したことを確認した上で、成形体を焼成する必要があった。また、乾燥条件は、セラミックスの形状、大きさ等を勘案した上で決定する必要があるため、経験に基づいた職人それぞれの技能に頼っているのが現状である。そして、天候任せの自然乾燥、エネルギー源を用いる強制乾燥等のあらゆる乾燥手段と技術とを用いて、セラミックスの歪み、亀裂等の欠点を最小限に抑える努力もなされている。セラミックスの大きさ、形状等の多様性や、素地厚の不均一性によっては、細心の注意を払って製造工程を進める必要があり、乾燥期間が数ヶ月に及ぶ場合もある。一般には、セラミックスの製造過程における全所要時間の70％以上が、乾燥工程に費やされる。

そのため、製造過程における乾燥・焼成工程で起きる収縮や応力を見越して、セラミックス素地を選定することが、製品デザインを決定する上での重要な要因となるが、該選定についても、経験に基づく職人の技能に頼っているのが現状である。また、乾燥時間が短縮できる乾式工法等では、加圧を余儀なくされ、形状の制約を受けた製品デザインを開発する必要がある。

一方、セラミックスの成形工程においては、形状を賦与する手法の一つとして、顆粒又は粉末を金型やゴム型に充填し、圧力を加えて成形する手法が知られており、この手法を一般に粉末プレス成形法と呼ぶ。また、この成形法は、半乾式プレス成形と乾式プレス成形に区別される。半乾式プレス成形は、通常、素地粉末の中に粘土を含んでおり、その可塑性を導き出すために水分が10〜15％含有されている。そのため、得られる成形体は乾燥収縮が生じることになる。この成形方法は、寸法精度は劣るが、素地コストが安く、従来から低電圧、低周波用の電気磁器や、壁タイルの成形に用いられている。一方、乾式プレス成形は、粘土による可塑性に依存せず、適当な有機物の結合材や潤滑材の助けを借りて成形を行うもので、生産性が良いためセラミックスの成形法として最も広く普及している。しかしながら、乾式プレス成形では、自由な形状の制作が困難であった。

特開２００７−０４５６５１号公報 特開２００６−３２７９０８号公報 実用新案登録第３０７８４０９号公報

ところで、成形体から水分が抜ける前にそれを焼成することは、現在の技術では不可能とされていた。それは、水分を含んだ状態での成形体の焼成が、歪み、亀裂、爆裂等を引き起こすためである。その原因としては、（１）焼成に至るまでの乾燥工程で起こる収縮に起因した成形体へのストレスと、（２）不十分な乾燥状態での焼成に起因する成形体へのストレスとの二つが考えられる。従って、これらのストレスを回避するため、成形体を十分に乾燥させる必要があり、成形から焼成が完了するまでの間に、通常、一週間から一ヶ月以上の期間を費やすため、乾燥時間が全所要時間の70％以上を占めることになっていた。なお、セラミックスの製造総時間数の押し上げは、結果として納期の延長やコストの上昇を招き、競争力の低下に結びついている。

他方では、歪み、亀裂、爆裂等の問題や、長期間に亘る製造時間の問題が、デザイン企画、模型製作、専門家による芸術作品制作の他、情操教育、芸術教育、ものつくり教育の一環として行われる幼児・小・中・高での美術教育、生涯学習教育等の分野において、陶磁器等のセラミックスの利用を妨げる原因ともなっている。それは、いずれの分野においても、製作された作品は唯一のものであり、貴重性、希少性のある作品となるため、亀裂、爆裂等の発生は致命傷となるからである。これらの分野における従事者の負担は大きく、特に教育の分野において情操・表現能力、感覚育成に重要な役目を果たす粘土制作の取り組みを断念するケースも多くなっている。従って、作品制作後の製品管理の負担を軽減するためにも、セラミックスの製造時間を短縮した上で、歪み、亀裂、爆裂等を回避する技術が必要である。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題を解決し、歪み、亀裂、爆裂等を抑えつつ、成形体の乾燥時間を大幅に短縮することが可能なセラミックスの製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、火山ガラス発泡体が添加されたセラミックス素地からなる成形体を10〜30質量％の含水率で焼成することにより、成形体の乾燥時間を大幅に短縮した上で、歪み、亀裂、爆裂等の発生を抑制できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明のセラミックスの製造方法は、
火山ガラス発泡体が添加されたセラミックス素地を準備する工程と、
前記セラミックス素地を成形して、成形体とする工程と、
前記成形体を焼成して、焼結体とする工程と
を含むセラミックスの製造方法であって、
焼成前の成形体の含水率が10〜30質量％であることを特徴とする。

本発明のセラミックスの製造方法において、前記火山ガラス発泡体としては、発泡パーライト、発泡松脂岩、発泡黒曜石、及び発泡シラスが好ましい。

本発明のセラミックスの製造方法においては、前記セラミックス素地中の火山ガラス発泡体の含有量が、固形分量で1〜40質量％であることが好ましい。

本発明のセラミックスの製造方法においては、前記火山ガラス発泡体の粒子径が5mm以下であることが好ましい。

本発明のセラミックスの製造方法においては、前記火山ガラス発泡体の見かけ嵩密度が0.04〜0.6g/mlであることが好ましい。

本発明のセラミックスの製造方法においては、成形体を焼成するまでの乾燥時間が24時間以内であることが好ましい。

本発明によれば、火山ガラス発泡体が添加されたセラミックス素地からなる成形体を10〜30質量％の含水率で焼成することにより、成形体の乾燥時間を大幅に短縮できると共に、歪み、亀裂、爆裂等の発生を抑えることが可能なセラミックスの製造方法を提供することができる。

以下に、本発明のセラミックスの製造方法を詳細に説明する。本発明の製造方法においては、まず、火山ガラス発泡体が添加されたセラミックス素地を準備する。ここで、セラミックス素地とは、セラミックス原料を調製したものである。また、該セラミックス原料としては、特に限定されず、陶磁器、タイル、煉瓦、瓦、セメント等のセラミックス製品全般に利用される粘土をいずれも使用できる。該粘土は、カオリナイト、アロフェン、モンモリロナイト、セリサイト、クロライト等の各種粘土鉱物と水分とからなり、例えば、陶土等が挙げられる。なお、瀬戸、信楽、益子等の粘土の産地や、黄土、赤土、白土等の粘土の種類の違いにかかわらず、火山ガラス発泡体を粘土に添加すれば、亀裂、歪み、破壊（例えば、爆裂）等の発生が激減するという効果が得られる。

本発明の製造方法においては、例えば、上記粘土に、火山ガラス発泡体を配合して、混練することにより、火山ガラス発泡体が添加されたセラミックス素地を調製することができる。ここで、混練方法としては、例えば、湿粘土に火山ガラス発泡体を混ぜ入れて均一になるように土練機等を使用して混練する手法を採用してもよいし、手による混練を採用することもできる。また、粘土と火山ガラス発泡体とを粉体の状態で均質に攪拌混合してから、混水し、セラミックス素地を調製することもできる。

本発明の製造方法において、火山ガラス発泡体は、火山ガラス粉砕物を加熱発泡させることで製造でき、具体的には、発泡パーライト、発泡松脂岩、発泡黒曜石、発泡シラス等が挙げられる。これら火山ガラス発泡体は、一種単独で用いてもよいし、二種以上を組み合わせて用いてもよい。また、火山ガラスとは、酸性の溶岩が地上又は地下において海水若しくは湖水又は地下水と接触することで急冷固化し、ガラス質の火成岩となった物の総称をいう。一般には、火成岩となった時点で、火成岩中に含まれる結合水が2質量％以下であるものを黒曜石、2質量％を超え且つ5質量％未満のものをパーライト（真珠岩）、5質量％以上のものを松脂岩として分類されており、結合水の含量の違いにより、性状・物性が共に異なる火山ガラスとなる。なお、火山ガラス発泡体をセラミックス原料に添加する場合、火山ガラス発泡体に水分を軽く湿る程度含ませることで、セラミックス原料との混合が容易になり、また、発塵を抑制することもできる。

また、上記火山ガラス発泡体の粒子径は、5mm以下が好ましく、1mm以下が更に好ましい。火山ガラス発泡体の粒子径が5mmを超えると、作業性を低下させることがあり、また、亀裂等の原因となる場合もある。なお、火山ガラス発泡体の粒子径は、乾式篩いにより測定される。

更に、上記火山ガラス発泡体の見かけ嵩密度は、0.04〜0.6g/mlの範囲が好ましい。火山ガラス発泡体の見かけ嵩密度が上記特定した範囲内であれば、本発明の目的を達成した上で、更に製造されるセラミックスの軽量化を達成することも可能である。該見かけ嵩密度が0.04g/ml未満では、ガラス発泡体自体の強度が不足し、粘土との混練時に発泡構造が破壊されることがあり、一方、0.6g/mlを超えると、発泡構造が不十分となる。なお、火山ガラス発泡体の見かけ嵩密度は、ＪＩＳ Ａ５００７に準拠した単位容積質量測定法により測定できる。

本発明の製造方法において、火山ガラス発泡体を含有するセラミックス素地中に占める該火山ガラス発泡体の含有量は、固形分量で1〜40質量％の範囲が好ましく、5〜30質量％の範囲が更に好ましい。上記火山ガラス発泡体の含有量が固形分量で1〜40質量％の範囲内であれば、水分が所定量残存したままの成形体を焼成させることができ、これにより、製造過程中の乾燥時間を極めて大幅に短縮し、更には乾燥に関わる燃料コストの大幅な削減につながる。また、該火山ガラス発泡体の固形分量での含有量が1質量％未満では、生産性及びコストに対する向上効果が十分に得られないことがあり、一方、40質量％を超えると、作業性を低下させることがある。なお、セラミックス素地中には、粘土にもともと含まれている水分の他、成形効率を向上させるために追加の水分を加えることもあるため、該水分を除いた固形分量を基準として火山ガラス発泡体の含有量を決定している。ここで、該水分を除いた固形分量は、例えば、105℃で2時間乾燥し、乾燥後の試料量から求められる。

次に、本発明の製造方法においては、上記火山ガラス発泡体が添加されたセラミックス素地を成形して、成形体とする。なお、該セラミックス素地を成形するには、特に制限されず、既知の方法を利用することができる。例えば、ロクロ成形、ハンドビルド成形、板成形、型成形等の成形方法が挙げられる。ここで、本発明の製造方法においては、焼成前の成形体の含水率が10〜30質量％の範囲であることを要し、10〜25質量％の範囲であることが好ましい。焼成前の成形体とは、焼成工程に移行する前の成形体である。火山ガラス発泡体含有セラミックス素地の成形体の含水率を10〜30質量％の範囲に調整することで、乾燥時間を大幅に短縮することができ、更には、それによって亀裂、歪み、破壊（例えば、爆裂）等の問題が発生することもない。その結果、セラミックスの生産性や製造コストを大幅に改善することになる。加えて、乾燥工程や焼成工程での歪みが抑制されるため、最終製品の寸法をほぼ正確に予測でき、それにより、製品設計が容易となる。また、本発明によれば、乾燥時間を大幅に短縮することができるため、乾燥等による成形体の形状の制約がなくなり、セラミックス産業界や美術芸術界における様々な製品デザインの創作が期待できるようになる。

ここで、焼成前の成形体の含水率が10質量％未満では、乾燥時間の短縮を達成できないか、又はセラミックス素地中に含まれる水分量が低すぎで作業性を著しく低下させることになる。一方、焼成前の成形体の含水率が30質量％を超えると、セラミックス素地の成形が著しく困難になる。また、本発明の製造方法によれば、成形体の乾燥を行わずに焼成工程に移行することが可能であるが、乾燥工程を設けてもよく、この場合、セラミックス素地を成形してからその成形体を焼成するまでの乾燥時間は24時間以内が好ましく、5時間以内が更に好ましい。

次に、本発明の製造方法においては、上記成形体を焼成して、焼結体とする。なお、成形体を焼成するには、特に制限されず、既知の方法を利用することができる。例えば、素焼き、本焼き等の複数の焼成工程により段階的に焼成させる手法、昇温条件下で焼成させる手法等が挙げられる。

以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。なお、粘土及び火山ガラス発泡体に使用する質量部の表記は、水分を除いた状態での質量部を意味する。

＜レンガ状＞
なお、レンガの形状は、厚みのある塊状であり、一般に、水分が抜けるのに自然乾燥で１ヶ月以上は必要とされている。
（実施例１）
信楽産の粘土70質量部に、火山ガラス発泡体［発泡パーライト，最大粒子径1mm，見かけ嵩密度0.5g/ml］30質量部を加えて、均一に分散するように攪拌し、その全体量（100質量部）に対して水を25質量部加え、混練し、セラミックス素地（混練物）を調製した。その混練物を、素地厚6cm、幅21cm、深さ10cmの塊状に成形し、20℃で12時間放置した。このときの成形体中の残留水分は18.5質量％であった。該成形体を電気炉内にて温度1100℃、1200℃及び1300℃（昇温速度100℃／時間）の条件下で焼成し、焼結体を得た。上記の方法を繰り返し、焼結体を複数製造したが、いずれの場合においても、亀裂・歪みは観察されず、また、焼成中に破壊されることもなかった。

（比較例１−１）
信楽産の粘土70質量部と火山ガラス発泡体30質量部とを、信楽産の粘土100質量部のみに変更した以外は、実施例１と同様にして、焼結体を製造した。ここで、20℃で12時間放置（乾燥）したときの成形体中の残留水分は18.5質量％であった。得られた焼結体には、大きな亀裂が入ったり、破壊が生じており、その形状を保つことができなかった。

（比較例１−２）
20℃で12時間の乾燥工程を、20℃で20日間の乾燥工程に変更した以外は、比較例１−１と同様にして、焼結体を製造した。ここで、20℃で20日間放置（乾燥）したときの成形体中の残留水分は5質量％であった。しかしながら、得られた焼結体には、比較例１−１と同様に、大きな亀裂が入ったり、破壊が生じており、その形状を保つことはできなかった。

＜タイル状＞
（実施例２）
信楽産の粘土70質量部に、火山ガラス発泡体［発泡パーライト，最大粒子径1mm，見かけ嵩密度0.5g/ml］30質量部を加えて、均一に分散するように攪拌し、その全体量（100質量部）に対して水を25質量部加え、混練し、セラミックス素地（混練物）を調製した。その混練物を、素地厚1.5cm、幅15cm、深さ15cmの塊状に成形し、20℃で12時間放置した。このときの成形体中の残留水分は18質量％であった。該成形体を電気炉内にて温度1100℃、1200℃及び1300℃（昇温速度100℃／時間）の条件下で焼成し、焼結体を得た。上記の方法を繰り返し、焼結体を複数製造したが、いずれの場合においても、亀裂・歪みは観察されず、また、焼成中に破壊されることもなかった。

（比較例２）
信楽産の粘土70質量部と火山ガラス発泡体30質量部とを、信楽産の粘土100質量部のみに変更した以外は、実施例２と同様にして、焼結体を製造した。ここで、20℃で12時間放置（乾燥）したときの成形体中の残留水分は18質量％であった。成形体が焼成中に爆裂したため、得られた焼結体は、径が5mm〜2cmの小塊であり、窯全体に飛散していた。

＜ロクロ成形＞
（実施例３）
信楽産赤土粘土60質量部及び益子産白土粘土40質量部に、火山ガラス発泡体［発泡パーライト，最大粒子径1mm，見かけ嵩密度0.5g/ml］8質量部を加えて、均一に分散するように混練し、その全体量（108質量部）に対して水を25質量部加え、混練し、セラミックス素地（混練物）を調製した。その混練物をロクロ成形し、素地厚0.5cm、高さ13cm、直径10cmの形状のマグカップ（成形体）を制作した。該マグカップの高台削りを行った後、20℃で5時間放置し、窯入れした。窯入れ時のマグカップ中の残留水分は18質量％であった。該マグカップを17.5時間で温度1250℃まで焼成した。得られた焼結体には、亀裂や歪みが観察されず、また、焼成中に破壊されることもなかった。

（比較例３−１）
信楽産赤土粘土60質量部、益子産白土粘土40質量部及び火山ガラス発泡体8質量部を、信楽産赤土粘土108質量部のみに変更した以外は、実施例３と同様にして、焼結体を製造した。ここで、窯入れ時のマグカップ中の残留水分は18質量％であった。得られた焼結体には、亀裂が入り、一部に歪みが観察された。

（比較例３−２）
高台削り後の乾燥工程を20℃で5時間から20℃で4日間に変更した以外は、比較例３−１と同様にして、焼結体を製造した。ここで、窯入れ時のマグカップ中の残留水分は4質量％であった。なお、成形体が十分に乾燥されたため、得られた焼結体には、亀裂や歪みが観察されなかった。

＜ハンドビルド成形＞
（実施例４）
信楽産赤土粘土100質量部に、火山ガラス発泡体［発泡パーライト，最大粒子径1mm，見かけ嵩密度0.5g/ml］6質量部を加えて、均一に分散するように混練し、その全体量（106質量部）に対して水を25質量部加え、混練し、セラミックス素地（混練物）を調製した。その混練物をハンドビルド成形し、素地厚0.8cm、高さ90cm、幅50cm、奥行き45cmの形状の成形体を制作した。20℃で24時間乾燥した。このときの成形体中の水分は22質量％であった。該成形体を30時間で1250℃まで焼成した。得られた焼結体には、亀裂や歪みが観察されず、また、焼成中に破壊されることもなかった。

（比較例４−１）
信楽産赤土粘土100質量部及び火山ガラス発泡体6質量部を、信楽産赤土粘土106質量部のみに変更した以外は、実施例４と同様にして、焼結体を製造した。ここで、20℃で24時間乾燥したときの成形体中の水分は18質量％であった。得られた焼結体には、大きな亀裂が入り、一部に歪みが観察された。

（比較例４−２）
20℃で24時間の乾燥工程を、20℃で21日間の乾燥工程に変更した以外は、比較例４−１と同様にして、焼結体を製造した。ここで、20℃で21日間乾燥したときの成形体中の水分は4質量％であった。しかしながら、得られた焼結体は、一部に亀裂が観察された。

＜セラローラによる板状成形＞
（実施例５）
益子産赤土粘土100質量部に、火山ガラス発泡体［発泡パーライト，最大粒子径1mm，見かけ嵩密度0.5g/ml］8質量部を加えて、均一に分散するように混練し、その全体量（108質量部）に対して水を25質量部加え、混練し、セラミックス素地（混練物）を調製した。その混練物をセラローラで板状に成形し、更に貼り合わせ成形を行い、素地厚2cm及び高さ60cmの円筒（成形体）を制作した。これを20℃で24時間乾燥したところ、成形体中の水分は22質量％であった。該円筒を24時間で1100℃まで焼成した。得られた焼結体には、亀裂や歪みが観察されず、また、焼成中に破壊されることもなかった。

（比較例５−１）
益子産赤土粘土100質量部及び火山ガラス発泡体8質量部を、益子産赤土粘土108質量部のみに変更した以外は、実施例５と同様にして、焼結体を製造した。ここで、20℃で24時間乾燥したときの成形体中の水分は22質量％であった。得られた焼結体には、大きな亀裂が入り、一部が破壊されていた。

（比較例５−２）
20℃で24時間の乾燥工程を、20℃で16日間の乾燥工程に変更した以外は、比較例５−１と同様にして、焼結体を製造した。ここで、20℃で16日間乾燥したときの成形体中の水分は7質量％であった。しかしながら、得られた焼結体には、一部に亀裂が入り、歪みも観察された。

実施例１〜５では、様々な形状の成形体を制作したにもかかわらず、いずれの場合においても、一定値以上の水分を含んだままの状態で成形体を焼成することができた。これにより、成形体の乾燥時間を大幅に短縮できることが分かる。また、粘土の産地や種類、又は成形方法にも左右されず、火山ガラス発泡体を添加さえしていれば、一定値以上の水分を含んだままの状態で成形体を焼成できることが分かる。更に、粘土の一部を火山ガラス発泡体に代えることで、セラミックス製品の軽量化を行うことができる。

本発明のセラミックスの製造方法は、陶磁器、タイル、煉瓦、瓦、セメント等のセラミックス製品全般の製造方法に利用することができる。

Claims (6)

1. 火山ガラス発泡体が添加されたセラミックス素地を準備する工程と、
   前記セラミックス素地を成形して、成形体とする工程と、
   前記成形体を焼成して、焼結体とする工程と
   を含むセラミックスの製造方法であって、
   焼成前の成形体の含水率が10〜30質量％であることを特徴とするセラミックスの製造方法。
2. 前記火山ガラス発泡体が、発泡パーライト、発泡松脂岩、発泡黒曜石、及び発泡シラスよりなる群から選択される少なくとも一種類であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックスの製造方法。
3. セラミックス素地中の火山ガラス発泡体の含有量が、固形分量で1〜40質量％であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックスの製造方法。
4. 前記火山ガラス発泡体の粒子径が5mm以下であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックスの製造方法。
5. 前記火山ガラス発泡体の見かけ嵩密度が0.04〜0.6g/mlであることを特徴とする請求項１に記載のセラミックスの製造方法。
6. 成形体を焼成するまでの乾燥時間が24時間以内であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックスの製造方法。