JP2005272281A

JP2005272281A - 多孔質セラミックスの製造方法および多孔質セラミックスの製造装置

Info

Publication number: JP2005272281A
Application number: JP2004092427A
Authority: JP
Inventors: Akira Ishiguro; 明石黒
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】気孔率６０％以上の軽量化が可能で、また、焼成時に大きな変形を起こすことなく、さらに、意匠性にも優れ、且つ、比較的安価に多孔質窯業建材を製造し得る方法を提供することを目的とする。
【解決手段】セラミック原料と水と界面活性剤を含む混合物を発泡槽に送るスクリュー式フィーダと、上記発泡槽に気体を供給する気体配管を有し、また、上記発泡槽には、上記混合物と上記気体を撹拌混合し泡立てるミキサーを有し、上記ミキサーで泡立てた混合物を、直接、上記スクリュー式フィーダの圧力で押出して成形する。

【選択図】図１

Description

本発明は、多孔質セラミックスの製造方法及びその装置、特に、タイルや瓦などの窯業建材の軽量化に適した製造方法及びその装置に関するものである。

窯業建材は、耐久性に優れ、且つ、高い質感、多様な意匠性等も発揮できるため、広く利用されている。
近年、躯体への負荷低減、施工の容易性、または、断熱性、防音性等を図るため、窯業建材の軽量化が望まれている。
多孔質窯業建材の製造方法としては、例えば、ガラス粉や炭化珪素等を原料中に混合して成形し、それらが焼結時に発泡させることにより、多孔体を得る方法や、パーライトなどの軽量中空バルーンを原料に混合し、これを成形し焼成して軽量建材を得る方法などが知られている。（例えば、特許文献１参照。）
特開２００１−３０２３６９号公報

ところが、焼結時の発泡を利用した方法は、高気孔率にすると、発泡による焼成時の変形が大きく、また、中空バルーンを利用したものは気孔率を６０％以上にすることが困難で、狙いとする軽量化や防音、断熱などの効果が十分得られなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、気孔率６０％以上の軽量化が可能で、また、焼成時に大きな変形を起こすことなく、さらに、意匠性にも優れ、且つ、比較的安価に多孔質窯業建材を製造し得る方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明は、セラミック原料と水と界面活性剤を含む混合物を発泡槽に送るスクリュー式フィーダと、上記発泡槽に気体を供給する気体配管を有し、また、上記発泡槽には、上記混合物と上記気体を撹拌混合し泡立てるミキサーを有し、上記ミキサーで泡立てた混合物を、直接、上記スクリュー式フィーダの圧力で押出して成形することを特徴とする。

発泡槽で泡立てたセラミック原料と水と界面活性剤の混合物を、スクリュー式フィーダの圧力で直接押出して成形することにより、均質な成形体が得られるようになる。

発泡槽で泡立てた混合物を、いったん排出して押出成形機で成形するなど、泡立てから成形までの間にエアを巻き込む場所があると、押出成形体断面の中央付近にエアだまりができ、均質な成形体にならない。
また、泡立てた混合物を、泡立て後に真空土練押出成形機などで真空引きすると、気泡が消滅する。
また、発泡槽で泡立てた混合物を、押出成形機のスクリュー等で、低速の強いせん断力が加わると、泡同士が結合し、気泡が粗大化または減少することがある。
さらに、気泡の量は時間の経過と共に減少するため、泡立てた混合物をいったん排出して長時間放置すると、狙った気孔率の成形体にならなくなる。

また、本発明の請求項２に示すように、押出した成形体を受けるベルトコンベアを有し、上記ベルトコンベアの上または上記ベルトコンベアの手前または後方上下に、１本または２本以上のローラーを設け、上記ローラーで押し広げる方法をとることにより、タイルなど押出成形体の厚みの精度を上げることができる。

発泡槽で泡立てた混合物は、あまり高粘性であると泡立てできなくなるため、通常のセラミックスの押出成形で使用する練土よりも軟らかい。そこで、通常の押出成形よりと比べると、押出された成形体も軟らかく変形し易くなる。
そこで、寸法精度が要求されるタイルなどについては、図１及び図２に示すような、押出した成形体を受けるベルトコンベアを有し、上記ベルトコンベアの上または上記ベルトコンベアの手前または後方上下に、１本または２本以上のローラー、を設けて、上記ローラーで押出成形体の厚みの精度を上げることが良い。

また、本発明の請求項３に示すように、押出した成形体を受けるベルトコンベアを有し、上記ベルトコンベアの上または上記ベルトコンベアの手前または後方上下に、１本または２本以上のローラーを設け、また、上記ローラーの少なくとも１本は凹凸をつけ、上記ローラーで厚みを揃えると共に、押出成形体に凹凸の模様を付けることにより、タイルなど押出成形体の意匠性を上げることや、裏足を付けることもできる。

また、本発明の請求項４に示すように、上記ローラーに加え、上記ベルトコンベアの上に先端をシャープエッジにしたガイドを設け、上記ローラーで厚みを揃えると共に、上記先端をシャープエッジにしたガイドで横幅を揃えることにより、タイルなど押出成形体の幅寸法や厚みの精度を上げることもできる。

本発明によれば、気孔率６０％以上の軽量化が可能で、また、焼成時に大きな変形を起こすことなく、さらに、意匠性にも優れ、且つ、比較的安価に多孔質窯業建材を製造し得る方法を提供できるようになる。

以下に本発明の製造方法及び装置について、より詳しく説明する。
本発明における、セラミック原料と水と界面活性剤を含む混合物のうち、セラミック原料の種類には限定無く、粘土、長石、珪砂等の陶磁器原料の他、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素等も利用できる。
また、界面活性剤も特にその種類を限定されるものではない。起泡性、安定性の高いものが好ましく、アルキル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルフォン酸塩、ポリオキシエチレンアルキル硫酸エステル塩、脂肪酸塩等を例示することができる。
本発明における、セラミック原料と水と界面活性剤を含む混合物は、他に、バインダ等の添加剤を必要に応じて混合しても良い。

セラミック原料と水と界面活性剤を含む混合物は、アイリッヒミキサー等によって混合するが、セラミック原料の粒度が粗い場合には、あらかじめボールミル等によって狙いの粒度になるまで粉砕しておく。
セラミック原料と水と界面活性剤を含む混合物は、粘性が高すぎると泡立ち難くなり、また、粘性が低すぎると成形体の保形性が劣ることに合わせ、スクリュー式フィーダの押出し圧が弱く成形体が押出せなくなる。
そこで、セラミック原料と水と界面活性剤を含む混合物の粘度は、Ｂ型粘度計、Ｎｏ．４ローター、３ｒｐｍで測定した場合で３０〜４００Ｐａｓ程度が適当である。
なお、セラミック原料と水と界面活性剤を含む混合物は、アイリッヒミキサー等での混合によっても多少泡立つが、粘度が３０〜４００Ｐａｓの範囲では気泡の大きさは微細であり、このような泡は多少あっても特に問題にはならない。

アイリッヒミキサー等で混合した混合物は、スクリュー式フィーダ１に供給し発泡槽２に送る。ここで、スクリュー式フィーダ１は、可変速モータやインバータ等によっての回転速度が可変できるようにし、気泡量や押出速度、押出圧力等を制御するために回転速度を調節する。
押出圧力は０．０５ＭＰａ以下では成形体の詰りが悪く、押出圧力が高いとミキサー２ａの負荷が大きくなるため、０．０５〜８ＭＰａ、さらに好ましくは０．１〜５ＭＰａが良い。

発泡槽２の中のミキサー２ａは、特にその形状・回転数等を限定するものではないが、高粘度のセラミック原料と水と界面活性剤を含む混合物を泡立てられるよう、混合物に高いせん断力を与える撹拌機が必要となる。例えば、ピン状等の突起物を付けたローターを、周速１〜５ｍ／ｓ程度で高速回転し、混合物を高いせん断力で撹拌することにより、泡立てる方法が取られる。
また、気体の種類には限定無いが、特に原材料に影響がなければエアを使用する。

発泡槽２で泡立てたセラミック原料と水と界面活性剤を含む混合物は、スクリュー式フィーダ１の圧力で、発泡槽２の出口側に連結した口金３から押出して成形される。
押出される成形体の形状は、板状の他、円柱状や半円柱状等、また、中空形状やハニカム形状等、成形用口金の交換により簡単に成形できる。

押出された成形体を受けるベルトコンベア４は、特にその種類を限定するものではないが、図１に示すような乾燥炉７を通し、成形体がハンドリングできるまで乾燥することが良い。

ベルトコンベア４は１台でも良いし、２台以上にして、ローラー５・ガイド６等を設置したコンベアと、乾燥コンベア等を分けて連動させる方法でも良い。

本発明におけるローラー５は、図１に示すように、ベルトコンベア４の上でも良いし、あるいは、図３に示すように、ベルトコンベア４の手前または後方の上下に設け、ローラー５で上下から押しつぶしても良い。また、ローラー５をベルトコンベア４の上に設けた場合にはベルトからの高さ、あるいは、ローラー５をベルトコンベア４の手前または後方の上下に設けた場合には上下のローラー５の間隔が換えられるようにし、成形体の厚みが調節できるようにするのが良い。
また、ベルトコンベア４の上に設けるローラー５の位置は、乾燥炉の手前でも良いし、あるいは、多少乾燥した後でも良い。また、ベルトコンベア４の上に設けるローラー５の数は1本でも良いし、２本以上で段階的に厚みを揃えても良い。

また、本発明における凹凸を付けたローラー５は、前述したように、ベルトコンベア４の上でも良いし、あるいは、ベルトコンベア４の手前または後方の上下に設けても良い。ローラー５を上下に設ける場合には、上下共に凹凸を付け、例えば、タイルのレリーフ模様と裏足等のように、成形体の上下に凹凸を付けても良い。但し、成形体の下面に凹凸をつける場合には、自重で変形することのない程度の保形性を有することが必要となる。

また、先端をシャープエッジにしたガイド６はベルトよりも０〜０．５ｍｍの高さに浮かせて設置する。また、設置位置は、ローラー５で厚みを揃えた後にするが、ローラー５の直後でも良いし、ローラー５から離れていても良い。

窯業原料として使用されている蝋石４５重量％、粘土３５重量％、及び、タイル屑１５重量％、釉薬汚泥５重量％に対して、水を外比で５０重量％加えポットミルで粉砕し、平均粒径８μｍのスラリーを調製した。次に、このスラリーを水分が外比で約３０重量％になるまで乾燥脱水しケーキ状にした。このケーキに、界面活性剤を１．２％、バインダを１．０％、及び、粘性調整用の水を加え、アイリッヒミキサーにて混練し、混合物を調製した。
アイリッヒミキサーにて混練した混合物は、すでに多少の気泡が混合している。そこで、気泡を含んだ同混練後の混合物の密度と、また、これを真空脱機した時の混合物の密度を測定、比較し、アイリッヒミキサー混練後の気泡量が約２０％であることを計算した。
この混合物を、図１に示したスクリュー式フィーダ１に投入して、１．３５Ｌ／ｍｉｎで発泡槽２に送った。合わせて、エアを気体配管２ｂから１．０Ｌ／ｍｉｎで発泡槽２に供給した。発泡槽２にはピン状の突起物を配列したミキシングローターを設置して、ミキシングローターを周速３ｍ／ｓで高速回転させて泡立てた。泡立てた混合物は、発泡槽２の出口側に連結した板状成形体成形用の口金３から約０．５ＭＰａの圧力で板状成形体を押出した。
口金３から押出された混合物の密度を測定し、気泡の量が約６０％あることを確認した。
同押出成形体を乾燥した後、１１５０℃で焼成した。
同焼成体の嵩比重、気孔率を測定したところ、嵩比重は約１．０、気孔率は約６０％と、極めて軽量な多孔体であった。また、同多孔体の気孔は、微細で均一に分散していた。

比較例

実施例１と同様の方法で調製し、発泡槽２で泡立て、気泡量が約６０％になった混合物を、発泡槽２の出口側から取り出した。
これを、窯業原料用のオーガー押出成形機に投入し、真空脱気しないで成形した。
その後、実施例１と同様の方法で乾燥、焼成して多孔体を得た。
このように発泡槽２と押出成形機を分離して得た多孔体は、押出成形機の供給口でエアを巻き込むため、図４に示すように、押出成形体断面の中央付近にエアだまりを生じていた。

実施例１と同様の方法で調製した混合物を、スクリュー式フィーダ１の送り速度、エアの供給量を振って試験した。
スクリュー式フィーダ１の送り速度を１．３５Ｌ／ｍｉｎ、エアの供給量を１．５Ｌ／ｍｉｎにした時の多孔体は、嵩比重が約０．８、気孔率が約６８％であった。
また、スクリュー式フィーダ１の送り速度を０．９Ｌ／ｍｉｎ、エアの供給量を１．０Ｌ／ｍｉｎにした時の多孔体も、嵩比重が約０．８、気孔率が約６８％であった。
以上のように、スクリュー式フィーダ１の送り速度とエアの供給量で、容易に多孔体の気孔率を調節できた。

廃ガラス５５重量％、粘土３５重量％、アルミナを主成分とする廃棄物１０重量％に対して、水を外比で５０重量％加え、ポットミルで粉砕し、平均粒径１０μｍのスラリーを調製した。次に、このスラリーを水分が外比で約３０重量％になるまで乾燥脱水しケーキ状にした。このケーキに、界面活性剤を１．２％、バインダを２．０％、及び、粘性調整用の水を加え、アイリッヒミキサーにて混練し、混合物を調製した。
アイリッヒミキサーにて混練した混合物は、すでに多少の気泡が混合しており、同混合物の密度を測定し、アイリッヒミキサー混練後の気泡量が約８％であることを計算した。
この混合物を、図１に示したスクリュー式フィーダ１に投入して、１．３５Ｌ／ｍｉｎで発泡槽２に送った。合わせて、エアを気体配管２ｂから１．５Ｌ／ｍｉｎで発泡槽に供給した。発泡槽２にはピン状の突起物を配列したミキシングローターを設置して、ミキシングローターを周速３ｍ／ｓで高速回転させて泡立てた。
泡立てた混合物は、発泡槽２の出口側に連結した板状成形体成形用の口金３から約１ＭＰａの圧力で板状成形体を押出し、ベルトコンベア４に受けた。
ベルトコンベア４の上には図５に示す凹凸を付けたローラー５を設け、成形体の厚みを揃えると共に、レリーフ模様を付けた。
その後、１２０℃の乾燥コンベアを４分間通しハンドリングできる状態になった後、適当な長さに切断した。その後、乾燥機で完全乾燥をした後、１０３０℃で焼成した。
焼成体は、気孔率が約６４％と極めて軽量な多孔体で、且つ、微細な気泡が均一に分散していた。また、タイルの意匠性としても優れたものになった。

本発明の方法を実施する装置を示す説明図である。本発明のローラー及びガイドの設置を示す説明図である。本発明のローラー及びガイドの設置を示す説明図である。本発明の方法で製造した成形体と本発明の方法を用いないで製造した成形体の比較を示す説明図である。本発明のローラーの形状の例及び同ローラーを用いたときの成形体断面図を示す説明図である。本発明のローラーの形状の例及び同ローラーを用いたときの成形体断面図を示す説明図である。

符号の説明

１…スクリュー式フィーダ
２…発泡槽
２ａ…ミキサー
２ｂ…気体配管
３…口金
４…ベルトコンベア
５、５ｂ…ローラー
６…ガイド
７…乾燥炉
８…成形体

Claims

セラミック原料と水と界面活性剤を含む混合物を発泡槽に送るスクリュー式フィーダと、前記発泡槽に気体を供給する気体配管と、前記発泡槽には、前記混合物と前記気体とを撹拌混合し泡立てるミキサーを有し、上記ミキサーで泡立てた混合物は、上記発泡槽の出口側に連結した口金から直接、上記スクリュー式フィーダの圧力で押出して成形体を得ることを特徴とする多孔質セラミックスの製造方法。
前記成形体を受けるベルトコンベアを有し、前記ベルトコンベアの上または前記ベルトコンベアの手前または後方上下に、１本または２本以上のローラーを設け、前記ローラーで厚みを揃えることを特徴とする請求項１に記載の多孔質セラミックスの製造方法。
前記ローラーの少なくとも１本は表面に凹凸を付け、前記ローラーで厚みを揃えると共に、押出成形体に凹凸の模様を付けることを特徴とする請求項２に記載の多孔質セラミックスの製造方法。
前記ベルトコンベアの上に先端をシャープエッジにしたガイドをさらに設け、前記ローラーで厚みを揃えると共に、上記先端をシャープエッジにしたガイドで横幅を揃えることを特徴とする請求項２または３に記載の多孔質セラミックスの製造方法。
セラミック原料と水と界面活性剤を含む混合物を発泡槽に送るスクリュー式フィーダと、前記発泡槽に気体を供給する気体配管と、さらに、前記混合物と前記気体を撹拌混合し泡立てるミキサーを有する前記発泡槽と、前記発泡槽の出口側に直接連結した口金とを備え、上記スクリュー式フィーダの圧力で押出して成形するようにしたことを特徴とする多孔質セラミックスの製造装置。