JP2005343777A - 既存のセラミックス調合を共通の原料で改良する多用途用素地の調合技法。 - Google Patents

Abstract

【課題】 現行調合をベースにして、低温焼成化と軽量化を図る素地調合を開発する。ついで製造設備に手を加えないで、これを更に低温焼成して外熱遮断用と汚染ガス吸着用セラミックを得る素地調合。
【解決の手段】 使用している素地調合の長石等熔融原料を屑ガラスなどの熔融材等に、珪石などを珪藻土等の多孔質系軽量材に置換える。また、必要に応じてセピオライトなど多孔質軽量可塑材を用いる素地調合を開発。次に、調合のたびにその三成分示性式鉱物量を求め、熔倒温度（ＳＫ）推測用三角図により開発調合の焼結温度を予測する。
上記により、焼結幅を安定化させた開発調合を用いることで低温焼成軽量セラミックスを得るが、焼成炉や設備を変えないで、外熱遮断用と汚染ガス吸着用セラミックスができる、言わば、三種共用のし易い素地調合を得る。
【選択図】図１ 熔倒温度（ＳＫ）推測用三角図

Description

本発明は，セラミックス用の素地調合にかかる技術分野に属する。

従来の長石・石灰・陶石・珪砂・粘土等を主原料とするセラミックス製品は、その調合を如何様に調整しても重量が嵩むために高温焼成を必要とし、多量の燃料を消費する一方、使用する原料の入出荷ならびに製品の搬送に多大な費用がかかっている。また、新たに新製品を開発する際、現在使用中の原料とは異なる新たな原料を購入し、その新製品専用の調合を開発するのが一般的である。

本発明が解決しようとしている課題

本発明が解決しようとする課題は、まず、より低温度焼成で、かつ、より軽量なセラミックスを製造できる素地調合の開発と、時代の要請に応えて外熱遮断用セラミックスや室内汚染ガス吸着用呼吸性セラミックス等の省エネやエコ製品を開発したいとき、共通の原料による素地調合を用い、焼成温度や焼成時間を変更するだけで製造できる素地調合を開発することである。

課題を解決するための手段

本発明の課題を解決するために、長石その他の一般熔融材を

請求項Ｉ

の熔融材に置換えて焼成温度の低温化を図り、重い原料を軽量材に置換えて軽量化を図る。また必要に応じて、多孔質の可塑材を用いて改善する調合の可塑性を維持すると同時にその軽量化を図る。
また、開発調合の特性を活用して、調合あるいは原料の種類と機械設備はそのままで、焼成温度を引下げてゆくだけで外熱遮断用セラミックスあるいはガス吸着用呼吸性セラミックスが得られる技法を開発する。
然るに、

請求項Ｉ

の熔融材・軽量材および可塑材はやや特異な性質をもつ、言わば、一般の窯業界においては不慣れな原料である。
例えば、屑ガラスは長石にくらべて焼成時の熔融性は優れているがその粘ちょう性が高く、珪藻土は珪石にくらべて比重は軽いがその微細孔のゆえに反応面積が広くて焼成反応が珪石より敏感である。
従って本発明においては、テスト着手以前あるいは荷口化以前に、基礎調合の長石、珪石、石灰、陶石、カオリンあるいは粘土の全部または一部を置換えてゆきながら、その三成分示性式の鉱物量を求め、アルカリ・アルカリ土類に対するアルミナ・シリカのバランスを最適状態に保つことで焼成による焼結幅を安定化させる。
また、得られた三成分示性式の鉱物量から、熔倒温度（ＳＫ）推測用の三角図により、置換えを試みた開発調合の焼結温度下降具合を、前以って予測しながら低温軽量セラミックスの製造可能な開発調合を、現在使用中の基礎調合をベースにして改善してゆく。
このようにして、焼結幅を安定させた開発調合を用い、成型・焼成して低温軽量セラミックスを得るが、同じ焼成炉や設備を使って、単に焼成温度のみを引下げることで外熱遮断性に富むセラミックスを製造する。また、同様に焼成温度をこれより更に一段引下げて室内汚染ガスの吸着できる呼吸性セラミックスを製造する…等々、多種類のセラミックス用調合を開発するものである。

成型あるいは湿式成型したものを、各種焼成炉によって焼成する一般セラミックスの低温焼成軽量化を目的とするものであるが、本実施例においては、磁器質タイル用ローラーハースキルンを活用する高速焼成を前提とし、この開発調合によって、焼成炉や機械設備を変えることなく容易かつ低コストで得られる他用途のセラミックスについて具体的に述べる。
なお、本発明の軽量材は高温帯で熔融材に長時間曝されると発泡現象が起き易い。これを軽量材と熔融材の粉砕粒度と配合割合その他によって調整するが、本実施例においては、裸やき・直火型ローラーハースキルンの高速焼成によりこれを避けられるので発泡対策の説明はこれを省略する。
Ｉ．低温軽量セラミックス用素地調合の開発。
１．基礎調合と開発調合の三成分示性式鉱物量の変化。
本発明の基礎となる基礎調合と、改良した開発調合の、正長石・曹長石・灰長石の長石類合計とカオリナイトならびに石英の示性式鉱物量は以下の通りである。

即ち、上記開発調合の鉱物配分は、下記に示すようにそれぞれ

請求項１

の範囲内に当て嵌まる。

なお、上記三成分の示性式（Ｉ−１）は、基礎調合および開発調合の下記する酸化物化学分析値に、石英、カオリナイトおよび正長石・曹長石・灰長石のモル当量を乗じて得たものである。
２．熔倒温度（ＳＫ）の変化。
これらの改良しようとする調合は、三成分示性式の三角図（図１）を用いてその熔倒温度（ＳＫ）の移動傾向からその焼結温度の逓減具合を推測することができる。

即ち、この降下温度は（−）ＳＫ５の約（−）９０℃になることが推測される。
基礎調合の焼成は炉長５５ｍ、入出炉間の焼成時間６０分、焼成温度１，２００℃で行われているから、これから９０℃を減じた１，１１０℃前後において、開発調合による素地の焼結具合が基礎調合のそれに近いことを暗示している。
３．基礎調合と開発調合の化学分析値の変化。

４．製品の軽量化逓減率の変化。
基礎調合の比重を１００％として、開発調合のそれは９０．３％になり製品の軽量化逓減率は（−）９．７％になる。なお、この逓減率は使用した原料鉱物の比重にその調合％を乗じて試算したもので実験値ではない。
４．基礎調合と開発調合のゼーゲル式の変化。

ゼーゲル式のアルミナ・シリカバランスが合理的であるか、アルミナリッチであるか、あるいはシリカリッチであるかは素地の安定焼結幅に影響する。焼成温度の低温化のためには、アルカリ・アルカリ土類が増加するにつれてシリカに対するアルミナ比を下げることが望ましいが、この開発調合ではこの比率が１９％を示し、基礎調合の３５％から見て理想的に低温化が図られていることが判る。
この開発調合では、屑ガラスの増加によってシリカ分が不足する事態が生じたときは、多珪酸系の珪藻土を用いてこれを補う。また、珪藻土等の分量が多くなると素地の可塑性が減少したときは、セピオライト・アタプルガイト等の粘土系かつ多孔質系の可塑性原料に一部置換えて、粘性を補うとともに軽量化の効果を挙げる。
ＩＩ．開発調合を利用する外熱遮断ならびに汚染ガス吸着用調合。
また、本発明の

請求項１

の範囲内の開発調合を用いて、低温軽量セラミックス焼成ローラーハースキルンの焼成帯最高温度１，１１０℃から、これを４０℃引下げて９７０℃前後で焼成して、焼成素地に含まれる珪藻土等の微粒子表面の微孔口のみを熔融材でコーティングした状態で真空状態のマイクロホールを生じせしめ、かつ、焼成素地本体の焼結度を少し低めて外熱遮断用セラミックを得る。
また、更にこれより４０℃引下げて９３０℃前後で焼成して、素地に含まれる珪藻土等のもつマイクロチューブの開口部を温存して通気性を持たせ、かつ、半磁化させた素地本体も通気性を維持させることで汚染ガス吸着用セラミックスを得る。

発明の効果

本発明の調合素地を活用すれば、低温軽量タイルの製造ばかりでなく、焼成温度を変えるだけで他機能を発揮する製品を製造できる汎用性を持たせることができる。
Ｉ．外熱遮断用および室内汚染ガス吸着用セラミックの製造が可能。
ｉ．本発明の発想は、Ｃ国・Ｉ社において安価なセメント原料として大量に使用されているゼオライトを活用して、室内環境汚染ガスを吸着用タイルの開発をしていた基礎知識が、Ｍ国・Ｃ社の低温・高速焼成・軽量タイル開発依頼により触発されたことによる。
Ｉ社において汚染ガス吸着用タイルのガス吸着量と焼成温度の相関関係の上限をテストしているとき、当該ゼオライト系呼吸性タイルの焼成温度９４０℃を１，０５０℃前後に昇温することで外熱遮断に適応できるタイルが得られることを発見した。また、これをそのまま昇温し続けると１，１６０℃前後で焼結した。この実体験が本発明の低温軽量タイルの開発を発想した源泉である。
即ち、ゼオライトを多量のＮａ_２ＯやＣａＯを含む屑ガラスに置換えて、より低温化を図り、ゼオライトの代替として多孔質多珪酸系の珪藻土を用いれば、アルミナ過剰になり易い調合のアルミナ・シリカのバランス調整が容易であると考えた。
ｉｉ．このような経過の中で見えてきたのが、本発明の成型素地を、１，０５０℃前後で焼成すれば、本発明の基礎となる低温焼成軽量タイルが得られ、これを設備や製造過程を変更せず、単に焼成温度を５０℃前後引下げるだけで、素地本体の焼結度を維持しながら、ナノメーター級の多孔質鉱物が、焼成によって真空状態のマイクロボール化し、外熱遮断に効果的な外熱遮断用セラミックが製造できることである。
同じく、この外熱遮断用の焼成温度を、さらに５０℃前後引下るだけで、屑ガラスを主体とする素地本体が半磁気化して通気性をもちながら、珪藻土やゼオライトそれ自体の鉱物組成の微細管口が塞がれることなく、この製品はそのまま室内汚染ガスを吸着する呼吸性セラミックが製造できることである。
ｉｉｉ．このように、本発明では製造設備の追加や、新たに別の原料を手当てすることなく、ただ焼成温度を変えるだけで、時代の要請する省エネ関連やエコ関連の新製品を、ローコスト・ローリスクで開発できる効果が期待できる。
ＩＩ．廃ビンのリサイクルによる環境改善効果と雇用増大効果。
ｉ．本発明に使用する屑ガラスは雑色廃ビンの使用を原則可とする。
わが国の、年間廃ビン回収量の１１０万トンのうち、雑色廃ビン３０万トンの仕向け先が用意されていないといわれるが、本発明によりそのリサイクル事業に貢献できる可能性が大である。
たとえば、本発明の基礎となる低温・高速焼成・軽量タイルの開発支援を要請してきた先述Ｍ国・Ｃ社のローラーハースキルン１８基による年間生産量は２，２００万ｍ^２で、その原料使用量は３３万トンに達し、調合率が平均４０％とすればその需要量は１３万トンの廃ビン消費に相当する。Ｃ社の三社分でわが国の雑色廃ビンのリサイクル処理が可能なのである。
しかもＣ社規模の生産量をもつ会社はアジア地域内だけでも数十社を下まわらないと考えられる。
中国だけで１，０００基あるいは２，０００基とも言われるローラーハースキルンは欧米先進国をはじめ、ブラジル、インド、東欧と際限なく拡大発展しており、ローラーシステムを開発した本家本元のイタリーのプラントメーカーも、世界中に何万基あるのかその実数を把握しきれないでいるのが実情である。
Ｃ社のローラーハースキルン１８基から勘案すれば雑色廃ビンの排出量は取るに足らない量であると言えよう。
ｉｉ．東南アジア地域においては、主要な熔融原料である長石はおもにインド、オーストラリア・タイ等から供給されているが、もしも廃ビンが長石に代替できるとすれば、膨大な人口を擁するアジアに捨てられている大量の雑色廃ビンがリサイクルでき、環境問題に好影響を及ぼすことが考えられる。
仮に、世界中のそれぞれの国や地域において、タイルの原料として廃ビンが活用できれれば、その回収や、栓・ラベル除去、洗浄、粉砕、運搬等にかかる小規模企業が生まれて雇用機会の増大も期待されよう。
ｉｉｉ．米国ならびに中国の石油需要急増による逼迫事情と、イラク戦後処理の躓きに加えて、サウジアラビアにおけるアルカイダの石油施設爆破テロ等により原油価格は２００３年の約倍、１バレルＵＳ＄４０を超える高値に張りつき、今後２・３年間に従前価格に戻る見通しはないと言われている。
世界的エネルギー事情の将来が暗い折柄、本発明は焼成熱源と運搬燃料の節減に直接結びつくので有益な効果をもたらすものと確信する。
次に、本発明の効果に最も重要な諸原価の削減がある。
Ｉ．製造部門におけるコストの削減。
本発明の最も顕著な効果はコストの削減に直接結びつくことにある。
以下、これを具体的に述べる。
ｉ・素地の軽量化は購入原単位の、重量あたりの製造できる面積増につながり原料費の間接的削減ができる。
ｉｉ．原料の軽量化による比容積の増加は調合素地の間接的増量につながり、製品単位面積あたりに占める原料搬入運賃の削減、即ち到着原料原価が削減できる。
ｉｉｉ．低温焼成にかかる燃料消費量の削減による単位面積あたりの燃費が直接削減できる。
ｉｖ．低温焼成化によりアルミナパイプの汚損や破損ならびに炉内壁等窯材の損傷が減少する。
ｖ．軽量材による発泡を予防する可及的高速焼成が望まれ、これによる生産量の増大による固定費の相対的逓減と生産性の向上による付加価値の増加が見込まれる。
ｖｉ．適切なアルミナ・シリカバランスのもとで、アルカリの増加によってシンター化しやすくなり、素地の弾性率が向上して製品の厚さを薄くすることができる。即ち、製品厚カットによる軽量化が期待される。
ＩＩ．販売部門におけるコストの削減
ｉ．製品の軽量化による単位面積あたりの市場向け陸上・海上運賃の削減あるいは都市部における配達費用の削減ができる。
ｉｉ．製品厚さの減少は単位面積あたりの梱包容積を減らし倉庫保管費用が削減が期待できる。
ＩＩＩ．製品の品質差別化による販売価格と付加価値の向上。
ｉ．焼成温度の低温化により新感覚の製品が得られ、他社製品と比較して非競争的製品を生みやすくする。この結果、現場プロジェクト等の受注競争力の向上が期待される。
ｉｉ．技術の差別化は、市場における信用度を強化し同業他社に対する競争力を高めることになる。
ｉｉｉ・将来製造特許を所得した場合の独占的製造による販売価格の安定化が期待できる。

三成分示性式計算の手法で算出された調合素地の熔倒温度（ＳＫ）を推測するために用いる三角図であって、破線の６角形は「請求項１」の範囲を示す。

符号の説明

１は「請求項１」に示された開発調合の、鉱物組成である長石の下限の３０．０％、２はその上限の７０．０％である。３はカオリナイトの下限の５．０％、４はその上限の３０．０％であり。また、５は石英の下限の１５．０％、６はその上限の４５．０％である。７は基礎調合のゼーゲルコーン熔倒温度（ＳＫ１８〜ＳＫ１９）であり、
８は改善調合のゼーゲルコーン熔倒温度（ＳＫ１３〜ＳＫ１４）である。

Claims (1)

1. 現在使用中の素地調合（以下基礎調合という）に含まれる、
   （イ）長石分を屑ガラス・無鉛フリット・クリオライト・コレマナイト・ウレキサイト等の塩基性熔融促進材（以下，熔融材という）に置換える。
   （ロ）珪石分を珪藻土・ゼオライト・アロフェン・軽石・火山灰等の、多孔質珪酸系軽量化材（以下、軽量材という）に置換える。また、
   （ハ）カオリン・粘土分をセピオライト・アタプルガイト等の多孔質粘土系可塑材（以下、可塑材という）に置換えてゆく。
   以上の熔融材、軽量材あるいは可塑材の種類または量の全部または一部を置換えた素地調合（以下開発調合という）の三成分示性式に占める鉱物量を求め、その長石の分量が下限３０．０％から上限７０．０％、カオリナイトの分量が下限５．０％から上限３０．０％、また、石英の分量が下限１５．０％から上限４５．０％の範囲内（図Ｉ；破線六角形の範囲内）に収まることを特徴とする、基礎調合をベースにして改善する低温焼成化および軽量化調合、あるいは低温焼成化と軽量化の両機能を備えた素地調合（以下、開発調合という）を開発する。ついで、「請求項１」の範囲内で上記開発調合をベースにして、焼成炉や機械設備を変えないで焼成温度を調整することによって、外熱遮断化機能あるいは室内汚染ガス吸着機能を付与したセラミックスを得られる様にした素地の調合技法。

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