JP4129695B2

JP4129695B2 - 多孔質吸水性セラミックスの製造方法

Info

Publication number: JP4129695B2
Application number: JP2006357074A
Authority: JP
Inventors: 美則小木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2026-12-05
Also published as: JP2008143766A

Description

本発明は、水質保全の為の機械器具や気化熱による地球温暖化防止に役立てる建設物等の用途をはじめとした各種セラミックスを提供するための、多孔質で軽量、保水性、吸水性、透水性を有し、耐候性の優れたセラミックスの製造方法に関する。

従来の多孔質セラミックスは、発泡剤、気泡剤の使用、添加物の溶出、消出、多孔性物品添加などの手段によって多孔質化されたもので、原材料として粘土質材料やガラス質材料の他、産業廃棄物を利用したものも多く、多孔質化の方法と原材料の組成の組み合わせなどにより種々のものがある。例として、材料の加熱収縮を利用したものとして、焼却灰からできるガラス質スラグなどの加熱膨張性珪酸塩質原料と粘土質原料に焼結調節原料を添加混合した加熱収縮性珪酸塩質原料を焼結結合したものがあり、多孔質焼結体の特徴として、加熱によって骨材粒子の容積を膨張、収縮させて粒子間に多数の剥離貫通空隙が生成された材料構造を有する道路舗装材に関するものである。（例えば、特許文献１参照）また、発泡を利用したものとして、鋳物ダストを煉瓦やタイル等の焼結焼成体の成型用原料とし、鋳物砂ダストの分量比を多くすることによって、透水性、保水性に優れた焼結焼成体を得るものがある。（例えば、特許文献２参照）ただし、鋳物砂ダストには比重の高い金属が含まれるので軽量用途には適切ではない。また、無機系廃棄物を利用し、骨材としてフライアッシュ、結合材として廃ガラス粉末、成形助材や結合促進剤として低級粘土あるいは採石廃泥を原料としたものがある。（例えば、特許文献３参照）また、多孔質セラミックスの組成物として、炭酸カルシウムを添加したものがある。（例えば、特許文献４参照）しかし、炭酸カルシウムの添加量増加に伴い可塑性が著しく減少し、成形性が低下してしまう欠点がある。
特開平８−３１９１７９号公報特開平７−１０６４９号公報特開２００５−６０１５９号公報特開２００５−８２４１０号公報

従来の多孔質セラミックスは、水資の保全や気化熱による地球温暖化防止に役立つ建設物等の用途をはじめとした各種セラミックスを提供する本発明の目的に対し、軽量で保水性、吸水性、透水性、耐候性を併せ持つセラミックスとしては十分ではない。これらの特性を併せ持ちながら、吸水率が重量比３０％に達するものはない。
発明者は、粘土に水酸化カルシウム（消石灰）を混合して焼成することにより、軽量で、高い保水性と吸水性を併せ持つ多孔質セラミックスを製造できることを見いだした。ただし製造条件によっては消化現象により崩壊することがあり、製品の安定化には工夫が必要であった。
また、前述したように、多孔質セラミックスの組成物として、炭酸カルシウムを添加した例があるが、炭酸カルシウムの添加量増加にともない可塑性が著しく減少し、成形性が低下してしまう欠点がある。また、炭酸カルシウムを２５〜３０重量％添加し焼成した場合は消化現象により崩壊する。

発明を解決するための手段

組成百分率が粘土質材料４０〜４５重量％に水酸化カルシウム５５〜６０重量％を添加して湿式微粉砕混合した組成物を、適度な水分率に調整した後、プレス成形機など、一般窯業製品製造に用いられる成形法を用いて成形し、１１００〜１３００℃の温度で焼成することにより、該焼成体が３０〜５５％の吸水率を有する多孔質セラミックスの製造方法を得ることができる。また、必要に応じて、該焼成体を水洗し未反応カルシウム分を除去することもできる。

発明の効果

本発明は、課題解決のため多孔質セラミックスの組成物として、粘土質材料に水酸化カルシウム（消石灰）を添加することを特徴とする。多孔質化の手段としては、焼成による水酸基の放出と、焼成後、水への余剰生成物の溶出によるものと考えられる。従来、窯業の分野では、石灰質原料は釉薬に使われ、粘土に含有されていると、溶融・発泡を起こす理由から、原材料の粘土に水酸化カルシウムを多量に添加することは想定外のことであった。本発明は、この従来の窯業分野の知見からは、逆転の発想ともいうべきものである。
前記（特許文献４）で指摘したように、炭酸カルシウムは、添加量増加に伴い可塑性を著しく減少させるが、本発明で取り上げる水酸化カルシウムは添加量が増加しても可塑性を失わず、良好な成形性を有する。これは炭酸カルシウムが有する炭酸基よりも水酸化カルシウムが有する水酸基の方が水に対して親和性が高いためと考えられる。水酸化カルシウムは、熱分解により水蒸気を発生し微細な空隙を作り軽量化に寄与するとともに、カルシウム分が粘土成分と結びつき強度向上にも寄与する。

本発明の多孔質化の原理は次の通りと推察される。粘土に多量の水酸化カルシウムを混合し水分調整して焼成すると、６００℃までに水酸化カルシウムは熱分解して水酸基を放出し酸化カルシウムを生成する。この放出により、微細な気孔を形成する。さらに、１０００℃〜１２５０℃で酸化カルシウムは粘土と化合してゲーレナイト（Ｃａ_２Ａｌ_２ＳｉＯ_７）やワラストナイト（α−ＣａＳｉＯ_３）等の鉱物を生成する。焼成後、過剰な酸化カルシウムは空気中の水分と結合（消化）し、水酸化カルシウムとなり水洗によって溶出され、溶出部分が多孔質化をより促進する。このとき水酸化カルシウムの粒子が小さいほど小さな気孔となることが期待される。

本発明は、重要な要素の一つとして、粘土質材料に水酸化カルシウムを添加する際、ミルによる湿式微粉砕混合を必要とする。この湿式微粉砕混合処理により、焼成時に粘土とカルシウム分との反応性が高まり、焼成後の余剰カルシウム分の消化による体積膨張とこれによる崩壊を防止することができる。粘土質材料の耐火度によって好ましい焼成温度が決定され、一般の粘土では、１１５０〜１２５０℃が望ましい。本製造方法によれば、焼成収縮は安定しており、定形的な製品の量産が可能である。
本発明は、多量の水酸化カルシウムを添加することを特徴とするが、これ故に粘土成分と結び付けなかった余剰カルシウム分（酸化カルシウム）は時間の経過とともに空気中の水分を吸収し水酸化カルシウムとなる（消化現象）。このため、本発明の多孔質セラミックスは吸水、保水及び透水時に水分にカルシウムが溶出し塩基性（アルカリ性）となる。この塩基性（アルカリ性）は吸水、保水及び透水を目的とした機械器具や建設物等に利用する際、カビ、細菌の発生を押さえ衛生面で有効に作用する。また、水洗工程で溶出沈殿した水酸化カルシウムは再利用が可能である。
なお、必要に応じて原料組成物に金属酸化物や顔料等を混合しカラーブロックを製造することも可能である。

実施の一例を示す。原材料の組成百分率が粘土（粘土の組成百分率がシリカ６５〜７０重量％、アルミナ１５〜２０重量％、灼熱減量５〜１０重量％）４５重量％、水酸化カルシウム５５重量％に、外割で水３０重量％を加えて調合した原料を、ポットミルで粉砕・混合し、約１５重量％の水分率まで乾燥させた後、プレス成形し、１１０ｍｍ×６０ｍｍ×１０ｍｍのタイル形状の試料を作製した。この試料を毎時２００℃で所定の温度まで昇温した後、一定時間保持し、焼成試料を得た。その試料の基本物性を表１に示す。

なお、吸水率は、沸騰水中に試料を３時間浸せきさせたときの吸水質量と全乾質量との差を全乾質量で除したものである。また、見かけ気孔率、かさ比重は通常のアルキメデス法により測定した。曲げ強さは、ＪＩＳＡ５２０９の３点曲げ試験（スパン９０ｍｍ）に準じて測定した。
この結果によると、本試験で得られた多孔質吸水セラミックスは、比重１．２〜１．４の軽量であり、吸水率は３９〜４９％の高吸水性を持つ。曲げ強度についても建築構造物として使用可能な値と考えられる。

上記焼成試験の、ポットミルによる湿式微粉砕混合の代わりに、原料をＶ型混合機内で乾式混合した後、適度な水分を添加した以外は実施例と同様の製造条件でタイル形状の試料を作製した。その結果、いずれの試料も焼成後数日以内で消化現象のために崩壊している。

上記の実施例をはじめ幾つかの焼成試験によると、粘土に対する水酸化カルシウムの比率が高いほど吸水率は高くなるが強度は低くなり極端には消化現象によって崩壊に至る。このため粘土質材料に対する水酸化カルシウムの比率は、実現可能な範囲として５５〜６０重量％である。また、焼成温度については、粘土質材料の耐火度によって１１００〜１３００℃の範囲で好ましい焼成温度が決定され、この温度範囲で焼成温度が低いほど吸水率は高くなるが強度は低下する。

本発明の粘土質材料は、広範囲な組成の粘土（粘土の組成百分率がシリカ４０〜７５重量％、アルミナ１５〜４０重量％，灼熱減量５〜１５重量％）の他、砕石廃泥など廃棄物の原料の利用も可能性がある。水酸化カルシウムは天然の石灰を消化したものを粉砕して使用するのが一般的であるが、産業廃棄物や副産物等のカルシウムスラッジを消化したものであっても良い。
本発明では粘土質材料に水酸化カルシウムを添加して水分を加え粉砕機等で湿式微粉砕混合することとしている。この場合、次にこの組成物を成形に適した目標の水分率にするため、水分不足の場合は水を加えて混練し、水分過多の場合はフィルタープレス等による脱水などで水分率を下げて水分調整する。
粘土質材料に水酸化カルシウムを添加し、粉砕機で乾式微粉砕混合してから適度な水分を加え混練機等で混練することも可能である。また、粘土質材料と水酸化カルシウムを個々に粉砕機で乾式微粉砕しておき、両者を配合し適度な水分を加え混練機等で混練することも可能である。いずれも均一な混合がされる方法であれば問題はない。微粉砕混合の結果、原材料の粒度は６０〜８０メッシュ以下になるのが望ましい。
次に、これを自由成形する他、型によるプレス成形、押出成形などにより成形し、窯業用の焼成炉などで、粘土質材料の耐火度によって１１００〜１３００℃の適正な温度まで、時間当たりの適正な温度で昇温し、一定時間保持して焼成する。
必要に応じて本焼成体は、強制的に水洗するなどして未反応カルシウム分の除去ができる。また自然の雨や水に暴露されても未反応カルシウム分の除去が促進する。

本発明による多孔質セラミックスは、水質の保全や気化熱による地球温暖化防止に役立つ建設物等の用途をはじめとした各種セラミックスを提供する目的に対して、保水性、吸水性、透水性、耐候性を併せ持つセラミックスとして、比重が１．２〜１．４であって軽量であり、吸水率が３０〜５５％に達し、上記目的に十分な性能を持つ。
水質保全の目的に対しては適宜、機械器具に対応した形状に成形し、また、気化熱利用の建設物等には適切なブロック形状に焼成するなどして、製造的に量産が可能で、かつ、経済的にも安価な製品を提供可能である。

Claims

組成百分率が粘土質材料４０〜４５重量％に水酸化カルシウム５５〜６０重量％を添加して湿式微粉砕混合した組成物を、水分調整して成形し、１１００〜１３００℃の温度で焼成し、該焼成体が重量比３０〜５５％の吸水率を有する多孔質セラミックスの製造方法。