JP2011132058A - 軽量窯業品用粒材および軽量窯業品 - Google Patents

Abstract

【課題】窯業品原料に混合するときに、粒子が壊れ難く、かつ部分的に亀裂などが生じても中空状態の機能を保持することができ、陶磁器等の表面平滑性が良好であり、しかも従来品よりも少ない添加量で十分な軽量効果を得ることができる窯業品用粒材とその軽量窯業品を提供する。
【解決手段】窯業品原料に配合されるシリカ質の中空微粒子であって、該中空微粒子の平均粒径が１〜５００μｍであり、内部空間が隔壁によって区切られた複数の独立気泡によって形成されていることを特徴とする窯業品用粒材であり、好ましくは、中空微粒子の８MPa静水圧浮揚残存率７０％以上、容重０.１６〜０.３５g/cm³であって、隔壁によって区切られた複数の独立気泡によって形成されている内部空間を有する中空微粒子を１００個中６０個以上含む窯業品用粒材、および該窯業品用粒材を含有してなる軽量窯業品。
【選択図】なし

Description

本発明は、陶磁器などの窯業品に混合して該窯業品を軽量化する粒材と、その軽量窯業品に関する。

陶磁器の軽量化方法として、陶磁器原料（粘土等）に気泡を混合させたり、無機質の中空微粒子を混合する方法が知られている。無機質としては中空微粒子であるフライアッシュバルーンを用いる方法（特許文献１）や、デンプンなどの発泡性粉末を添加して軽量化する方法が知られている（特許文献２）。

陶磁器を軽量化するには、陶磁器の内部に空洞が含まれるようにすればよい。この内部空洞は微細かつ均一であることが求められる。過大かつ不均一な空洞を有すると、ここに応力がかかって強度低下を引き起こす。また、部分的に大きな空洞は、焼結時に膨張してヒビの原因になる。

陶磁器原料にフライアッシュバルーンを添加する方法は、フライアッシュバルーンを陶磁器原料に添加して混練するときに破損しやすいため、十分な軽量化が難しい。このため、フライアッシュバルーンを大量に添加する必要がある。しかし、フライアッシュバルーンの添加量が多いと、フライアッシュバルーンの成分が陶磁器の成分に影響え与え、特にフライアッシュは成分のばらつきが大きいため、陶磁器の品質低下を招く問題がある。

一方、デンプンのような発泡性の粉末を添加する方法は、適切な添加量や発泡状態の制御が難しく、部分的に大きな空洞が生じる場合があり、強度低下の要因になる。

特開２００７−２１０８７２号公報 特開２００７-２４６３３５号公報

本発明は、陶磁器などの軽量化における上記問題を解決したものであり、窯業品原料に混合するときに、粒子が壊れ難く、かつ部分的に亀裂などが生じても中空状態の機能を保持することができ、陶磁器等の表面平滑性が良好であり、しかも従来品よりも少ない添加量で十分な軽量効果を得ることができる窯業品用粒材とその軽量窯業品を提供する。

本発明は、以下に示す構成によって上記問題を解決した軽量窯業品用粒材と該粒材を含有する軽量窯業品に関する。
〔１〕窯業品原料に配合されるシリカ質の中空微粒子であって、該中空微粒子の平均粒径が１〜５００μｍであり、内部空間が隔壁によって区切られた複数の独立気泡によって形成されていることを特徴とする窯業品用粒材。
〔２〕中空微粒子の８MPa静水圧浮揚残存率が７０％以上である上記[１]に記載する窯業品用粒材。
〔３〕中空微粒子の容重が０.１６〜０.３５g/cm³である上記[１]〜上記[２]の何れかに記載する窯業品用粒材。
〔４〕隔壁によって区切られた複数の独立気泡によって形成されている内部空間を有する中空微粒子を１００個中６０個以上含む上記[１]〜上記[３]の何れかに記載する窯業品用粒材。
〔５〕上記[１]〜上記[４]の何れかに記載する窯業品用粒材を含有してなる軽量窯業品。
〔６〕単位重量が１.２ｇ/cm³以下である上記[５]に記載する軽量窯業品。
〔７〕窯業品原料１００質量％に対して、上記[１]〜上記[６]の何れかに記載する窯業品用粒材を１０〜５０質量％含有し、焼結してなる軽量窯業品。

本発明の窯業品用粒材（中空微粒子）は、粒子の内部空間に隔壁を有するので、隔壁のない単一空間からなる中空粒子に比較して粒子の強度が大きい。このため、窯業品原料（粘土等）に上記窯業品用粒材を混合して攪拌する際に、強度の低い粒材は攪拌によるせん断によって破壊され易いが、本発明の窯業品用粒材は強度が大きいので破壊され難く、中空状態を維持したまま均一に混合することができ、軽量性および耐久性に優れた軽量窯業品を得ることができる。

また、本発明の窯業品用粒材は、隔壁によって区切られた独立気泡からなる複数の内部空間を有するので、粒材に局部的な亀裂や破損が生じても、残りの内部空間によって中空状態が維持されるので、軽量性を維持することができる。

以下、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明する。
本発明の窯業品用粒材は、窯業品原料に配合されるシリカ質の中空微粒子であって、該中空微粒子の平均粒径が１〜５００μｍであり、内部空間が隔壁によって区切られた複数の独立気泡によって形成されていることを特徴とする窯業品用粒材である。

本発明の中空微粒子（粒材）は、粒子の内部空間が隔壁によって隔てられた互いに連通しない独立気泡によって形成されているので、部分的に亀裂が生じても、窯業品原料が内部に入り込む範囲が限定される。また、上記独立気泡は粒子表面に開口しない密閉気泡であるので、加圧下においても粘土等が内部に入り込まず中空状態を維持することができる。

加圧下の指標として静水圧浮揚残存率が知られている。静水圧浮揚残存率は、加圧していない常圧下における水中浮揚率（浮水率）Ｗ１に対する静水圧で加圧した粒子の加圧後の常圧下における水中浮揚率Ｗ２の比率〔浮揚残存率＝Ｗ２/Ｗ１×１００（％）〕である。

本発明の中空微粒子（粒材）は、具体的には、例えば、８MPa静水圧下での浮揚残存率が７０％以上であるものが好ましい。窯業品原料に混合する場合には上記浮揚残存率は５０％以上が適当であり、６０％以上が好ましいが、窯業品原料は混練時に樹脂よりも一般に抵抗が大きいので、粒材の上記浮揚残存率は７０％以上であるものが好ましい。この浮揚残存率が７０％を下回るものは相対的に粒子強度が低く、かつ粒子の内部空間が独立気泡によって形成されている割合が低下する。なお、本発明の中空微粒子について、粒子の内部空間が密閉された独立気泡によって形成されているとは、例えば、８MPa静水圧下での浮揚残存率が７０％以上であることを云う。

本発明の中空微粒子は、粒子内部の空間が表面に開口のない独立気泡によって形成されているので吸水率が小さい。本発明の粒材は、好ましくは、吸水率が３％以下ある。また、本発明の中空微粒子は大きな内部空間を有するので軽量であり、水中での浮揚率が高い。さらに、強度が大きいので加圧下でも亀裂が生じ難く、部分的に亀裂が生じても内部空間が隔壁によって区切られているので水が浸透する範囲が限られ、加圧水下での浮揚残存率が格段に高い。

本発明の中空微粒子は、内部空間に隔壁を有する粒子の割合が、１００個中６０個以上（約６０％以上）であるものが好ましく、約７０％以上がより好ましい。内部空間に隔壁を有する粒子数がこれより少ないと、粒子の強度が低いので樹脂に混合したときに破損する割合が多くなり適当ではない。

さらに、本発明の中空微粒子は内部空間の隔壁が２個以上あるものが好ましい。複数の隔壁を有することによって、粒子の強度がさらに向上する。具体的には、例えば、圧縮強度１５MPa以上である。従って、この中空微粒子からなる本発明の粒材は、窯業品原料と混合する際、特に工業的な生産規模で機械的に混合する場合でも、粒子の強度が大きいので壊れ難く、中空構造が維持されるので、軽量性を維持することができる。なお、強度が小さい粒材は窯業品原料と混合する際に壊れやすく、中空構造を維持できないので、軽量効果を得るためには粒材の使用量を多くしなければならず、また壊れた粒子やその破片が窯業品の性能を低下させる懸念がある。

本発明に係る中空微粒子（粒材）はシリカ質微粒子であり、シリカ（SiO₂）を主成分とする無機系材料から製造することができる。具体的には、シラス、真珠岩、黒曜石、松脂岩などのシリカ含有量７０〜９０％の天然ガラス質岩石を平均粒径１００μｍ以下の微粒子に粉砕し、該岩石微粒子を９００℃〜１５００℃に加熱して発泡させて中空微粒子にし、この中空微粒子から内部空間が隔壁によって区切られたものを選択することによって製造することができる。また、本発明の窯業品用粒材は、上記天然ガラス質岩石に限らず、例えば、岩石粉末に発泡原料を混合して造粒し、加熱発泡させることによって製造することができる。

本発明のシリカ質の中空微粒子は、化学成分としてのＳｉＯ₂含有量（シリカ含有量）が６５〜９０質量％のものが好ましく、７０〜８０質量％のものがより好ましい。シリカ含有量が６５質量％未満であると、高強度で発泡し難く、ガラス質の中空構造体を得るのが難しくなる。さらに不純物が多く含有されやすくなるため、均一な発泡もできなるので好ましくない。一方、シリカ含有量が９０質量％を超えると融点が高くなるため発泡温度が高くなり、もしくは高温でも発泡しなくなるため適当ではない。

なお、内部空間が隔壁によって区切られた複数の独立気泡によって形成されており、内部に大きな空間を有するシリカガラス質の粒子は、光学顕微鏡によって内部空間や隔壁構造を確認することができる。

本発明の粒材は、隔壁によって区切られた複数の内部空間を有するので、窯業品原料に添加して混合する際に、せん断によって表面の一部が破壊されても、残りの内部空間によって中空構造が維持されるので、軽量性を維持することができる。

一方、粒子表面に開口しない閉口気孔を有する粒子であっても、内部空間が連続気泡によって形成されている粒子は、部分的に亀裂が生じると、粒子内部の空間全体に窯業品原料が浸透して充満し、中空状態を維持できなくなるので窯業品の軽量化が不十分になる。

本発明の粒材の粒子径は平均粒径１〜５００μｍが適当であり、５〜１００μｍが好ましい。平均粒径が５００μｍより大きいと窯業品表面の平滑性が損なわれるので好ましくない。また、平均粒径が１μｍより小さいと粒子どうしの凝集が起こりやすく、均一に分散し難くなる。

本発明の窯業品用粒材は、容重０.１６〜０.３５g/cm³であるものが好ましい。容重が０.１６g/cm³より小さいと粒子の強度が小さくなり、一方、容重が０.３５g/cm³より大きいと粒子の単位重量が増して軽量化が不十分になる。

本発明の粒材は窯業品原料に混合して用いられる。窯業品原料に混合する粒材の量は、例えば、窯業品原料１００質量％に対して、上記粒材を１０〜５０質量％が適当である。

本発明において上記粒材を含有する窯業品は陶磁器およびガラスを含む。上記粒材を混合する窯業品原料は焼成前の粘土やガラス原料である。窯業品原料は公知の粘土を使用することができる。主成分としてカオリナイトやモンモリロナイトを含む粘土を挙げることができる。また、公知のガラス原料を用いることができる。

窯業品原料に本発明のシリカ質中空微粒子の適当量を添加して混合成形し、高温で焼成することによって、上記粒材を含有する軽量窯業品が製造される。焼成温度は例えば１０００〜１４００℃であればよい。

以下、本発明を実施例によって具体的に示す。なお、粒子の平均粒径、容重および陶器の曲げ強度等の測定方法を以下に示す。

〔容重〕
一定容積Ｓ(cm³)の容重枡に試料を充填し、開口からはみ出た部分をすり切り、全体の重量Ｇ１を測定し、これから容器の重量Ｇ２を差し引いて粉末重量Ｇ３(ｇ)を求め、上記容積Ｓに対する粉末重量Ｇ３〔Ｇ３/Ｓ〕ｇ/cm³を容重とした。
〔平均粒径〕
レーザー回折粒度分布測定装置を用い、日機装社製測定器（マイクロトラック）によって測定した。
〔静水圧浮揚残存率〕
試料を試料容器と共に水で満たされた加圧容器内へ入れ、８ＭＰaで１分間加圧する。加圧後、加圧した試料の全量を取り出してメスシリンダー入れ、水２００mlを加えて静置する。静置後、水の濁りが無くなってきたら、上記浮水率測定方法に準じた方法で浮いた試料粒子の体積を計測し、８ＭＰa加圧下での加圧浮揚率（浮水率）Ｗ２とする。加圧試料と同量の試料について、加圧せずに常圧下とした以外は同様の測定方法で測定し、非加圧下の浮揚率（浮水率）Ｗ１とする。加圧試料浮揚率Ｗ２／非加圧浮揚率Ｗ１×１００の式に基づいて静水圧浮揚残存率を算出した。
〔単位重量〕焼成品の容積と質量から密度を算出した。
〔曲げ強度〕JIS A 5209に準拠して測定した

〔実施例１〕
表１に示す中空微粒子を用い、市販の陶器用粘土（瀬戸土：白）に対し、体積比１：１の割合で中空微粒子を混合して坏土を作成し、これを型枠に押し込んで成形した。この成形体を電気炉で１２５０℃で焼成した。この焼成品の状態を観察し、曲げ強度、陶器密度を測定した。また、破断面を実体顕微鏡で観察し、ひびの有無を調べた。結果を表１に示した。なお、中空微粒子を含まない焼成品の曲げ強度、単位重量を比較対照として示した。

〔比較例１〕
中空バルーンであるフライアッシュバルーン(Ｂ１)を用い、有機系の中空微粒子として松本油脂社製品（商品名マイクロスフェア：Ｂ２)を使用した。両者ともに隔壁を持たず、粒子内部の空洞が単一気泡によって形成されている。これらの中空微粒子を市販の陶器用粘土（瀬戸土：白）に体積比１：１の割合で混合して坏土を作成し、これを型枠に押し込んで成形した。この成形体を電気炉で１２５０℃で焼成した。この焼成品の状態を観察し、曲げ強度、陶器密度を測定した。また、破断面を実体顕微鏡で観察し、ひびの有無を調べた。結果を表２に示した。

表１に示すように、容重０.１６〜０.３５g/cm³、平均粒径１９〜４９０μmの中空微粒子（Ａ１〜Ａ４）を含有する焼成品は、ひびが無く、曲げ強度０.２０MPa以上であって十分な強度を有し、単位重量が１.０５g/cm³以下であって十分に軽量化されている。また、焼成品の断面観察によれば、中空微粒子の殻壁および内部隔壁が焼成品と一体化しており、分散状態も均一であった。一方、平均粒径６００μｍの粒材（Ａ５）を含有する焼成品は僅かにひびが発生していた。

単一気泡のフライアッシュバルーンを含有する焼成品（Ｂ１）は単位重量が大きく、軽量化されていない。内部を観察すると中空が壊れているものが観察されており、混練時に壊れたと考えられる。また、有機系の中空微粒子を含有する焼成品（Ｂ２）も単位重量が大きく、軽量化されていない。これは添加した中空微粒子が焼結時に燃焼して消滅したと考えられる。

Claims (7)

1. 窯業品原料に配合されるシリカ質の中空微粒子であって、該中空微粒子の平均粒径が１〜５００μｍであり、内部空間が隔壁によって区切られた複数の独立気泡によって形成されていることを特徴とする窯業品用粒材。
   
2. 中空微粒子の８MPa静水圧浮揚残存率が７０％以上である請求項１に記載する窯業品用粒材。
   
3. 中空微粒子の容重が０.１６〜０.３５g/cm³である請求項１〜請求項２の何れかに記載する窯業品用粒材。
   
4. 隔壁によって区切られた複数の独立気泡によって形成されている内部空間を有する中空微粒子を１００個中６０個以上含む請求項１〜請求項３の何れかに記載する窯業品用粒材。
   
5. 請求項１〜請求項４の何れかに記載する窯業品用粒材を含有してなる軽量窯業品。
   
6. 単位重量が１.２ｇ/cm³以下である請求項５に記載する軽量窯業品。
   
7. 窯業品原料１００質量％に対して、請求項１〜請求項６の何れかに記載する窯業品用粒材を１０〜５０質量％含有し、焼結してなる軽量窯業品。