JP2003012384A - 高強度の軽量多孔質磁器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】軽量でしかも高強度であって、自動食器洗い機
で食器洗いをした場合にも破損することがなく、また断
熱性が良好で手に持っても熱くなく、また温かいままで
食事をすることのできる給食用食器に適用して好適な高
強度の軽量多孔質磁器の製造方法を提供する。 【解決手段】気孔形成材としてのコーンスターチ又はコ
ーンスターチとシラスバルーンとを座標点Ａ，Ｂ，Ｃ，
Ｄで囲まれた領域Ｓの範囲内で含有した磁器原料を所定
形状に成形して成る磁器基体の成形体表面に気孔形成材
を含有していない泥漿状態の磁器原料をコーティング
し、その後焼成を行って気孔形成材を焼失させ、気孔が
独立微細気孔から成り且つ気孔率が１５％以上の多孔質
の磁器基体の表面に緻密な磁器コーティング層を積層形
成した形態の高強度の軽量多孔質磁器を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は高強度の軽量多孔
質磁器及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、多くの小中学校や保育園，病院等
では給食用の食器としてプラスチック製の食器，金属ア
ルミニウム製の食器が多く採用されている。これら小中
学校や保育園，病院等においては自動食器洗い機にて食
器を洗うことが多く、その際プラスチック製の食器や金
属アルミニウム製の食器は破損する恐れがなく、また軽
量であるため取扱いし易い利点がある。

【０００３】一方でこれらプラスチック製の食器や金属
アルミニウム製の食器は以下のような問題点を有してい
る。例えば前者のプラスチック製の食器の場合、食器と
しての使用感が十分満足できないといった問題の外、環
境ホルモンその他様々な成分の溶出の問題が指摘されて
いる。他方後者の金属アルミニウム製の食器の場合、プ
ラスチック製の食器と同様に食器としての使用感の点で
満足できない問題がある外、取扱い中に傷付いたり変形
したりし易い問題がある。特にこのように変形した食器
をそのまま使い続けたとき、使用感を大きく損なってし
まう。

【０００４】従来、これらプラスチック製の食器や金属
アルミニウム製の食器の他に、給食用の食器として強化
ガラス製の食器も用いられている。しかしながらこの強
化ガラス製の食器は、使用することにより強度低下が著
しく、また破損したときの破片が鋭利で危険であるなど
の欠点がある。

【０００５】食器としての使用感の点からすれば、或い
はまた様々な成分の溶出の問題、取扱い時の変形等の問
題を考えれば、従来一般家庭で用いられている磁器製の
食器が望ましいといえる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら磁器製の
食器を給食用の食器として用いる場合、以下のような様
々な問題点がある。即ち磁器製の食器の場合、重い，割
れ易い，冷め易い等といった問題があり、自動食器洗い
機を用いて食器洗い等をしたとき破損し易く、また比較
的高齢者が食器洗い等をする際、重量が重いために負担
が大きいといった問題がある。

【０００７】磁器製の食器の壊れ易いといった問題を解
決する手段として、磁器素地中にアルミナを添加したア
ルミナ添加強化磁器も提案されている。しかしながら添
加材としてのアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）は比重が約４．０
もあるため、これを添加した一般のアルミナ添加強化磁
器の場合、かさ密度は２．８５ｇ/ｃｍ^３と通常の磁器
のかさ密度（２．４ｇ/ｃｍ^３程度）に比べて相当大き
くなり、使用時にはかなり重く感じて使用感の点で不十
分なだけでなく、比重が大きい分だけ慣性による衝撃が
大となり、そのため高強度にも拘らず衝撃破損を引き起
し易く、特に他の一般の陶磁器と混用した場合に一般の
陶磁器を破損する傾向が増大するといった欠点がある。

【０００８】磁器製の食器を軽量化する方法として、こ
れを多孔質化することが考えられる。しかしながら磁器
製の食器を単に多孔質化しただけであると、これに伴っ
て強度が低下してしまう問題が生じ、更にまた気孔の形
態によっては、具体的には気孔が連続した連続気孔であ
る場合には吸水性が生じてしまうといった問題が生ず
る。以上食器を中心として述べたが、食器以外の他の磁
器製品についても同様の問題が内在している。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の高強度の軽量多
孔質磁器及びその製造方法はこのような課題を解決する
ために案出されたものである。而して請求項１は軽量多
孔質磁器に関するもので、気孔が独立微細気孔から成り
且つ気孔率が１５％以上の多孔質の磁器基体の表面に緻
密な磁器コーティング層を積層形成して成る積層構造の
ものであることを特徴とする。

【００１０】請求項２は軽量多孔質磁器の製造方法に関
するもので、気孔形成材としてのコーンスターチ又は該
コーンスターチとシラスバルーンとを図１の座標点Ａ，
Ｂ，Ｃ，Ｄで囲まれた領域Ｓの範囲内で含有した磁器原
料を所定形状に成形して成る磁器基体の成形体表面に、
該気孔形成材を含有していない泥漿状態の磁器原料をコ
ーティングし、その後焼成を行って該気孔形成材を焼失
させ、気孔が独立微細気孔から成り且つ気孔率が１５％
以上の多孔質の磁器基体の表面に緻密な磁器コーティン
グ層を積層形成した形態の軽量多孔質磁器を得ることを
特徴とする。

【００１１】請求項３のものは、請求項２において、前
記磁器基体の成形体を前記気孔形成材を含有しない前記
泥漿状態の磁器原料中にディッピングすることを特徴と
する。

【００１２】請求項４のものは、請求項２，３の何れか
において、前記シラスバルーンとして粒径５０μｍ以上
の粗粒子を除去したものを用いることを特徴とする。

【００１３】請求項５のものは、請求項２〜４の何れか
において、前記緻密な磁器コーティング層の熱膨張率が
前記多孔質の磁器基体の熱膨張率よりも小であることを
特徴とする。

【００１４】請求項６のものは、請求項２〜５の何れか
において、前記磁器コーティング層を５０μｍ〜１５０
μｍの厚みでコーティングすることを特徴とする。

【００１５】請求項７のものは、請求項２〜６の何れか
において、前記軽量多孔質磁器が食器用のものであるこ
とを特徴とする。

【００１６】

【作用及び発明の効果】上記のように請求項１の発明
は、独立微細気孔から成り且つ気孔率が１５％以上の多
孔質の磁器基体の表面に緻密な磁器コーティング層を積
層形成して高強度の軽量多孔質磁器を構成したもので、
本発明によれば、磁器基体における多孔質構造に基づい
て磁器製品を軽量化することができ、また多孔質構造に
よる軽量化に起因して磁器製品が低強度となるのを、表
面の磁器コーティング層にてカバーすることができる。
即ち磁器基体の表面に緻密な磁器コーティング層を積層
形成することによって、磁器製品を高強度化することが
できる。

【００１７】また磁器基体の気孔が独立微細気孔から成
り且つ磁器基体の表面には緻密な磁器コーティング層が
積層形成してあるため、吸水性の問題も併せて解決する
ことができる。尚、本発明において磁器基体における気
孔率は、気孔形成に基づく強度低下を考えて２５％以下
としておくことが望ましい。

【００１８】本発明の磁器製品は、その多孔質構造に基
づいて断熱性を有しており、従って熱が伝わり難く、ま
た持っても熱くなく、しかもこれを食器として用いた場
合温かいまま食事ができる等の利点も得られる。

【００１９】次に請求項２のものは、気孔形成材として
のコーンスターチ又はコーンスターチとシラスバルーン
とを図１の座標点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで囲まれた領域Ｓの範
囲内で含有した磁器原料を成形し、その表面に気孔形成
材を含有していない泥漿状態の磁器原料をコーティング
し焼成を行って、気孔が独立微細気孔から成り且つ気孔
率が１５％以上の多孔質の磁器基体の表面に緻密な磁器
コーティング層を積層形成して成る高強度の軽量多孔質
磁器を得るものである。

【００２０】従来、気孔形成材としておが屑や発泡スチ
ロール粒子を素地原料中に含有させ、焼成によって多孔
質構造とするといったことが行われている。しかしなが
ら前者のおが屑を気孔形成材として用いた場合、焼結体
は極めて吸水性となってしまう。他方後者の発泡スチロ
ール粒子を気孔形成材として用いた場合、この発泡スチ
ロール粒子は加熱により軟化収縮するため、焼成過程で
気孔形成材が膨張して素地成形体を破壊するといったこ
とがない利点を有する反面、素地原料中への分散性が悪
く、このため連結状態で素地成形体中に存在してその焼
失により焼結体中に連続気孔を形成し易く、この場合焼
結体が吸水性となるのみならず、気孔が連続しているこ
とによって強度が著しく低下してしまうといった問題が
ある。

【００２１】本発明者等の研究によると、気孔形成材と
してでんぷん粒子を用いた場合、そのでんぷん粒子は温
度が５０℃以下では比較的安定にその形状を保ち、また
親水性であるため磁器原料のスラリー中に独立して分散
し易く、均一な分散状態が得られ易いことが分った。こ
こででんぷん粒子の大きさは母体となる植物の種類によ
って異なり、粒径２μｍ〜１７０μｍの範囲のものが得
られるが、実験の結果、粒径５μｍ〜３０μｍの範囲の
でんぷん粒子が強度維持のために適当であることが分っ
た。

【００２２】３０μｍを超える大きさのでんぷん粒子
は、焼成過程で膨張によって磁器基体の成形体を傷め、
また生成残留する気孔が大きく、それが破壊源となって
焼結体の強度を低下させる。また一方５μｍ未満のでん
ぷん粒子は、効果的な独立気孔として残留する割合が少
なく、気孔形成材として有効に作用しない。

【００２３】実験を行った範囲では、コーンスターチが
粒径約１０μｍ〜１５μｍ程度で２０μｍ以上の粒子を
殆ど含有せず、強度維持に適していることが分った。気
孔形成材としてこのようなコーンスターチを用いた場
合、５μｍ〜２５μｍの微細気孔を焼結体、詳しくは磁
器基体中に独立微細気孔として形成することが可能であ
る。

【００２４】但し気孔形成材としてコーンスターチを用
いた場合であっても、多量に添加すると焼成時に炭化し
て製品が不良となり、しかも気孔が相互に連続して吸水
性を生じることがある。従ってコーンスターチを気孔形
成材として添加するに際し、その添加量を規制すること
が必要である。研究の結果、本発明ではコーンスターチ
を単独で添加する場合、その添加量をコーンスターチ添
加前の磁器原料を基準として、即ち外割で１３〜２４重
量％の範囲で添加する必要のあることが分った。

【００２５】本発明では、火山灰を急激加熱して製造さ
れるシラスバルーンを気孔形成材としてコーンスターチ
と併用することも有効である。但しこのシラスバルーン
は低温で溶融し易い化学組成のため、多量に添加すると
軟化変形が著しく、従ってこれを外割で（コーンスター
チ及びシラスバルーン添加前の磁器原料を基準として）
１６重量％を超えて添加することは困難である。即ち本
発明においてはコーンスターチとシラスバルーンとを併
用して添加することが有効であり、且つその際シラスバ
ルーンを１６重量％以下の量で含有させるのが良いとの
知見を得た。

【００２６】但し市販のシラスバルーンの場合粒径５０
μｍ以上の粗粒子を大量に含んでいるため、これをその
まま用いるとその粗粒子が破壊源となる問題を孕んでい
る。従って本発明においては、シラスバルーンを気孔形
成材として用いる場合において、５０μｍ以上の粗粒子
を除いた上で用いるのが望ましい（請求項４）。

【００２７】本発明では、磁器基体の成形体を気孔形成
材を含有していない泥漿状態の磁器原料中にディッピン
グすることによって、多孔質の磁器基体の表面に緻密な
磁器コーティング層を良好に積層形成することができる
（請求項３）。

【００２８】本発明においては、上記緻密な磁器コーテ
ィング層の熱膨張率を磁器基体の熱膨張率よりも小とな
しておくことができる（請求項５）。このようにするこ
とで、焼結体における磁器コーティング層に圧縮応力が
十分作用し、これによって磁器製品の曲げ強度が効果的
に高められる。

【００２９】ここで磁器コーティング層の厚みは５０μ
ｍ〜１５０μｍの範囲となしておくことが好適である
（請求項６）。また本発明は様々な目的，用途の磁器製
品に適用可能であるが、特に食器用の磁器製品に好適に
適用可能である（請求項７）。

【００３０】以上のような本発明によれば、気孔率が１
５％以上でしかも換算強度（換算強度については後に詳
述する）で１．３倍程度の強度を有する高強度の軽量多
孔質磁器製品を得ることが可能となる。ここで食器等の
磁器製品の実際使用時の破損率は、かさ密度を加味した
換算強度に依存する。

【００３１】

【実施例】次に本発明の実施例を以下に詳しく説明す
る。 ＜実施例１＞石英３０重量％，長石３０重量％，蛙目粘
土１０重量％，カオリン３０重量％を配合して成る磁器
原料を１２時間ボールミル粉砕し、これより１０ｍｍ×
５ｍｍ×７０ｍｍの角柱状試験片を成形し磁器基体の成
形体を得た。この磁器基体の成形体を１２７５℃で焼成
したところ、焼結体（磁器）の曲げ強度は１０２ＭＰａ
であった（かさ密度は２．４６ｇ/ｃｍ^３，換算強度は
１６．９ＭＰａ/(ｇ/ｃｍ^３)^２）。

【００３２】この磁器原料の粉砕物の泥漿に気孔形成材
としてのコーンスターチを外割で１５重量％添加して、
これより１０ｍｍ×５ｍｍ×７０ｍｍの角柱状試験片を
成形した。更にこの角柱状試験片（磁器基体の成形体）
の一部を、コーンスターチを添加していない上記磁器原
料の泥漿にディッピングし、約１００μｍの厚さにコー
ティングした。

【００３３】十分に乾燥させた後これらを１２７５℃で
焼成したところ、コーティングしていない試験片の曲げ
強度は７０ＭＰａであった（かさ密度は２．０３ｇ/ｃ
ｍ^３，軽量化率は１７．５％，換算強度は１７ＭＰａ/
(ｇ/ｃｍ^３)^２）。また一方、コーティングした試験片
の曲げ強度は１０５ＭＰａであった（かさ密度は２．１
ｇ/ｃｍ^３，換算強度は２３．８ＭＰａ/(ｇ/ｃ
ｍ^３)^２，軽量化率は１５％，熱膨張率は磁器基体５．
１×１０^−６/℃に対しコーティング層は４．９×１０
^−６/℃）。

【００３４】磁器の重さを考慮して強度を比較する場合
には、その曲げ強度をかさ密度の二乗で割った値を使用
するのが正確である。この値を換算強度と定義する。一
般の市販磁器の換算強度は１０〜１５ＭＰａ/(ｇ/ｃｍ
^３)^２であるのに対して、上記の試験片はコーティング
していないものでは１７ＭＰａ/(ｇ/ｃｍ^３)^２、コーテ
ィングしたものでは２３．８ＭＰａ/(ｇ/ｃｍ^３)^２であ
った。但しコーンスターチを外割で２４重量％を超えて
多量に添加すると、焼成過程でコーンスターチが炭化し
て焼結体中に残り易くなる。従ってこの添加量は２４重
量％以下が望ましい。

【００３５】＜実施例２＞石英３０重量％，インド長石
３０重量％，蛙目粘土１０重量％，カオリン３０重量％
を配合して成る磁器原料を１２時間ボールミル粉砕し、
これより１０ｍｍ×５ｍｍ×７０ｍｍの角柱状試験片を
成形し磁器基体の成形体を得、且つその磁器基体の成形
体を１２７５℃で焼成した。その際の焼結体（磁器）の
曲げ強度は１０２ＭＰａであった（かさ密度は２．４６
ｇ/ｃｍ^３，換算強度は１６．９ＭＰａ/(ｇ/ｃ
ｍ^３)^２）。

【００３６】一方この磁器原料の粉砕物の泥漿に気孔形
成材としてのコーンスターチを外割で１０重量％，気孔
形成材としてのシラスバルーン（平均粒子径２０μｍ）
を外割で１５重量％添加して、上記と同様に１０ｍｍ×
５ｍｍ×７０ｍｍの角柱状試験片を成形した。更に、石
英１５重量％，インド長石３７．５重量％，蛙目粘土１
０重量％，カオリン３７．５重量％配合の磁器原料を１
２時間ボールミル粉砕して得た泥漿に上記の角柱状試験
片（磁器基体の成形体）の一部をディッピングし、約１
００μｍの厚さにコーティングした（熱膨張率は磁器基
体５．１×１０^−６/℃に対しコーティング層は４．６
×１０^−６/℃）。

【００３７】そしてそれら試験片を１２７５℃で焼成し
たところ、コーティング処理していない試験片の曲げ強
度は５１ＭＰａで、かさ密度が１．９４ｇ/ｃｍ^３、換
算強度は１３．６ＭＰａ/(ｇ/ｃｍ^３)^２（軽量化率は２
１％）であったのに対し、コーティングした試験片の曲
げ強度は６５．５ＭＰａで、かさ密度が２．０ｇ/ｃｍ
^３、換算強度は１６．４ＭＰａ/(ｇ/ｃｍ^３)^２であっ
た。

【００３８】上記シラスバルーンには粒径５０μｍ以上
の粗粒子が少なからず含まれており、このことがコーテ
ィング層の積層によっても強度を十分に高めることがで
きていないことの理由であることが、曲げ強度測定後の
試験片の破断面観察結果から分った。

【００３９】そこで予め５３μｍの篩で粗粒子を除去し
たシラスバルーン１０重量％と、コーンスターチ１０重
量％とを併せて添加し、上記と同様緻密な磁器コーティ
ング層を積層形成したところ、曲げ強度９５ＭＰａが得
られ、またかさ密度は２．０７ｇ/ｃｍ^３で、これから
計算される換算強度は２２．２ＭＰａ/(ｇ/ｃｍ^３)^２で
あった（気孔率は１６％，熱膨張率は磁器基体４．７×
１０^−６/℃に対しコーティング層は４．４×１０^−６/
℃）。

【００４０】このようにシラスバルーン中の粗粒子を除
去したものを気孔形成材として用いた場合、かさ密度は
２．４６ＭＰａ/(ｇ/ｃｍ^３)^２から２．０７ＭＰａ/(ｇ
/ｃｍ^３)^２に低下し、１６％の軽量化が達成されるとと
もに、換算強度が１６．９から２２．２まで増加し、軽
量化と高強度化がコーンスターチとシラスバルーンとの
同時添加により達成された。

【００４１】実施例１，２において、気孔形成材を添加
し且つ緻密な磁器コーティング層を積層形成したもの
は、気孔形成材を添加することなくそのまま焼成し且つ
コーティングをしていないものに比べて、換算強度で
１．３倍程度の強度があった。

【００４２】この実施例１，２の製造方法で実際に製品
を試作したところ、コーンスターチの炭化も生じること
なく、見掛け気孔率の０．５％以下で性能的には従来の
磁器製品と殆ど相違ない製品を生産できることが分っ
た。

【００４３】以上本発明の実施例を詳述したがこれはあ
くまで一例示であり、本発明はその主旨を逸脱しない範
囲において種々変更を加えた形態，態様で構成，実施可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明において用いる気孔形成材の添加量範囲
を示す図である。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気孔が独立微細気孔から成り且つ気孔率
   が１５％以上の多孔質の磁器基体の表面に緻密な磁器コ
   ーティング層を積層形成して成る積層構造の高強度の軽
   量多孔質磁器。
2. 【請求項２】 気孔形成材としてのコーンスターチ又は
   該コーンスターチとシラスバルーンとを図１の座標点
   Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで囲まれた領域Ｓの範囲内で含有した磁
   器原料を所定形状に成形して成る磁器基体の成形体表面
   に、該気孔形成材を含有していない泥漿状態の磁器原料
   をコーティングし、その後焼成を行って該気孔形成材を
   焼失させ、気孔が独立微細気孔から成り且つ気孔率が１
   ５％以上の多孔質の磁器基体の表面に緻密な磁器コーテ
   ィング層を積層形成した形態の軽量多孔質磁器を得るこ
   とを特徴とする高強度の軽量多孔質磁器の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記磁器基体の成形
   体を前記気孔形成材を含有しない前記泥漿状態の磁器原
   料中にディッピングすることを特徴とする高強度の軽量
   多孔質磁器の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項２，３の何れかにおいて、前記シ
   ラスバルーンとして粒径５０μｍ以上の粗粒子を除去し
   たものを用いることを特徴とする高強度の軽量多孔質磁
   器の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項２〜４の何れかにおいて、前記緻
   密な磁器コーティング層の熱膨張率が前記多孔質の磁器
   基体の熱膨張率よりも小であることを特徴とする高強度
   の軽量多孔質磁器の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項２〜５の何れかにおいて、前記磁
   器コーティング層を５０μｍ〜１５０μｍの厚みでコー
   ティングすることを特徴とする高強度の軽量多孔質磁器
   の製造方法。
7. 【請求項７】 請求項２〜６の何れかにおいて、前記軽
   量多孔質磁器が食器用のものであることを特徴とする高
   強度の軽量多孔質磁器の製造方法。