JP5441006B2

JP5441006B2 - 軽量陶器

Info

Publication number: JP5441006B2
Application number: JP2010025111A
Authority: JP
Inventors: 隆博日野; 紘幸和田; 博彰雨森; 佳奈松本; 智康一木
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2010-02-08
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2030-02-08
Also published as: JP2011162376A

Description

本発明は、軽量陶器に関し、特に、大便器、小便器、洗面器などに代表される衛生陶器に好適に利用できる軽量陶器に関する。

例えば、衛生陶器は脆性材料であるため、取り扱いに注意を要する上、通常の便器は２０〜５０ｋｇと非常に重いため、生産者、施工業者ともに大きな負荷となっている。よって、陶器の軽量化が期待されており、従来から陶器の軽量化に関する提案が数多くなされている。例えば、陶器を低比重化する手法として、無機中空体のフライアッシュバルーンを添加したり(例えば、特許文献１参照)、陶器用泥漿に人工発泡ガラスを混合し、陶器を製造したり(例えば、特許文献２参照)、中空の樹脂粉末を陶器素地に添加して、陶器の焼成温度で熱分解又は気化して消失した部分を多孔質化としたりする提案(例えば、特許文献３参照)がなされている。しかしながらこれらの陶器は、どれも吸水性を持ち、そのままの状態では水回りの製品へは展開できず。用途が限定される問題がある。

また、例えば、特許文献４のように、リン酸アルミニウム起因の酸素がガス状に放出され自己発泡により、ガラス相中に微細気孔が多数形成され、吸水性が無く、高強度の磁器も出来ているが、１２００℃以上の還元焼成が必要であり、こちらも一般的な衛生陶器としての利用には制限がある。

特開２００７−２１０８７２公報特開平４‐２６７９号公報特開平１０‐１３００７３号公報特開２００２−２５５６２７号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、軽量で、且つ吸水性が低い陶器を容易に提供することである。

請求項１記載の発明によれば、少なくともムライト、石英、アノーサイトを主成分とする結晶相と、ＳｉＯ _２、Ａｌ _２Ｏ _３を主成分とするガラス相と、からなる焼成体素地において、焼成体素地中にはアノーサイトに周りを取り囲まれた独立気孔が多数形成され、嵩密度が２．０〜２．４ｇ／ｃｍ ^３である軽量陶器であって、アノーサイトは、ワラストナイトとＳｉＯ _２及びＡｌ _２Ｏ _３によって形成されたものであり、ワラストナイトの平均最大長が５０μｍ以上２５０μｍ以下であって、ワラストナイト添加量が５重量％以上２０重量％以下であることを特徴とする。
本発明によれば、アノーサイトに周囲を囲まれた独立気孔によって、嵩密度を低減でき、且つ、独立気孔は、閉じた独立気孔になっているので、吸水率を低減できる。
さらに、ワラストナイトは焼成途中においてガスの放出がないため、アノーサイトの緻密化を速やかに行うことができる。
さらに、平均最大長が５０μｍ以上かつ２５０μｍ以下のワラストナイトを用いるため、陶器中に均一に分散して多数の独立気孔を効率よく形成できる。
さらに、ワラストナイト添加量が５重量％以上２０重量％以下であることにより、強度を保ったまま焼成体素地を軽量化することができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の構成に加えて、焼成体素地のインク浸透度が３ｍｍ未満であることを特徴とする。

請求項３記載の発明によれば、請求項１又は請求項２記載の構成に加えて、独立気孔の気孔径が５０μｍ以下であることを特徴とする。
本発明によれば、独立気孔径を５０μｍ以下にすることで、気孔が陶器内に均一に分散形成できるので、局部的な強度の劣化を回避でき、また、開気孔が形成されてしまった場合の吸水率の低下を最小限にとどめることができる。

本発明によれば、軽量で、且つ吸水性が低い陶器を容易に提供できる。

本発明における実施例２で作製した軽量衛陶の断面構造を示す走査型電子顕微鏡（１００倍）写真である。図1の部分拡大模式図である。

本発明の陶器は、出発原料として、粘土質鉱物、ワラストナイトなどのＣａを含む化合物を必須成分とし、その他に石英、１価金属含有原料、２価金属含有原料、強熱減量の小さな原料が添加されていてもよい。前記粘土質鉱物は、粘土成分及び陶石成分となるカオリナイト、ディッカイト、ハロイサイト、セリサイト、パイロフィライトから選ばれた少なくとも１種類を含む鉱物である。１価金属含有原料としては、熔剤成分となるセリサイト、長石、ネフェリンが好適に利用できる。同様に熔剤成分となる２価金属含有原料としては、石灰石、ドロマイトが好適に利用できる。強熱減量の小さな原料としてはシャモットが好適に利用できる。

例えば、衛生陶器に利用する場合には、粘土成分としては、２０重量％〜６０重量％、好ましくは、３０〜４０重量％、陶石成分としては、２０重量％〜６０重量％、好ましくは、３０〜４０重量％、熔剤成分としては、５〜２５重量％、好ましくは、５〜１５重量％として、配合すればよい。

以下、Ｃａを含む化合物として、最も好適に利用できるワラストナイトを用いて説明するが、ワラストナイトに限らず、焼成によって陶器中にアノーサイトを形成する化合物であれば、同様に適用できるものである。
本発明の出発原料として使用するワラストナイトは、化学式でCaSiO3と記される天然産のケイ酸カルシウムである。ワラストナイトは、焼成時、SiO2、およびAl2O3を含む化合物と反応しアノーサイトへ相変態するが、その際、近くにあるものと連結し気孔を形成する。その気孔は長石の溶融によりガラス相が形成される以前に起こるため、アノーサイトが気孔へのガラス相の侵入を防ぎ、素地中に多くの閉気孔を形成でき、吸水性がない状態で低比重な素地が得られる。

ワラストナイトとしては、繊維状であり、最大長５μｍ以上であることが望ましい。ワラストナイトの最大長が５μｍ以下の場合は、長石との反応性が促進されるため、閉気孔にガラスが入り込み、軽量効果が失われる問題が生じる。

また、ワラストナイトの最大長が２５０μｍ以上の場合は、成形時、それらが着肉方向に配向してしまうため、ワラストナイトからアノーサイトへ反応する際、縦方向のアノーサイトの連結が難しく、気孔の形成が起こりづらくなり、十分な軽量効果を得ることができない。加えて、気孔サイズが大きくなるため、強度が低下する問題も生じる。
従って、ワラストナイトの最大長としては、５μｍ以上２５０μｍ未満であることが望しい。

また、ワラストナイトの含有量が多ければ多いほど、軽量効果は高くなり、５重量％未満では、十分な軽量効果が期待できないので、５重量％以上は必要である。５重量％以上のワラストナイトを含有させるには、焼結助剤の増量が必要である。この時の焼結助剤としては、焼結助剤としても効果が高いドロマイトを主要成分とするのが好適である。含有量は、ワラストナイトに対して、３０％程度とする。
また、ワラストナイトをさらに増量すると、形成される閉気孔は増え、軽量化が進むが、それらが連結することで開気孔を形成し易くなるため、添加率は２０重量％未満とする。

ワラストナイトの粒径と添加量を上記した範囲に設定することで、焼成後にアノーサイトによって囲まれた閉気孔は、素地内に分散配置され、それらの粒径は、５０μｍ以下で、陶器の強度の低下を引き起こさないで軽量化を達成することが可能となる。

次に、上記した原料を、鋳込み成形、プレス成形などの成形方法にあった原料に調整、する。
例えば、鋳込み成形では、前記陶器原料を、所定の陶器組成となるように評量し、水を加え、ボールミルで湿式粉砕することで、泥漿に調製する。この場合の泥漿の含水率は、３５％〜５０％で、泥漿中の粒子の大きさは、個数基準による５０％平均粒径で、１〜１５μｍであり、好ましくは、１〜１０μｍである。
なお、上記したワラストナイトは、最大長が５μｍ未満であると長石と反応してしまうので、その他の陶器原料と一緒に添加する際には、最大長が５μｍ未満にならないように調整する。また望ましくは、予め適切に粒径を調整したものを、後で添加することで、不必要な破砕による粒径の低下を防ぐようにする。
次に、泥漿を鋳込み成形法等により成形し、脱型、乾燥後、必要部分に施釉し焼成する。なお焼成は、大気中、１１００〜１３００℃の温度で行うことができる。

得られた焼成体は、一般的な、衛生陶器の嵩比重が２．４ｇ／ｃｍ^３程度なので、それ以下に調整される。
また、インキ浸透度は、JIS A5207の熔化素地質の基準である３ｍｍ未満に調整される。

実施例に利用するワラストナイトは、表１に化学成分を示す天然産のものを用いた。なお、ＸＲＤによる調査の結果、前記原料中にはワラストナイト以外の結晶は確認されなかった。

表２に本発明で用いたワラストナイトの平均最大長、および平均直径を示す。最大長と直径はランダムに２０点ほどの粒子についてそれぞれの測定を行い、その平均値を求めた。ＡとＢのワラストナイトは納入された状態の粉砕品を、ＣについてはＢを湿式粉砕し、サンプルを作製した。

表３に表１のワラストナイトが様々に添加された場合の諸物性を示す。比較例１は、一般的な衛生陶器を示すもので、骨格形成材料である陶石、蝋石を約５０重量％、および可塑性材料であるカオリン、蛙目粘土を約３８重量％、焼結助剤である長石を約１０重量％、ドロマイトを約２重量％秤量し、水と解膠剤として珪酸ソーダを適量添加したものを一括してポットミル中で平均粒径が約８μｍになるまで湿式粉砕し、衛生陶器用原料を調整した。た。また、比較例２、３、実施例１〜６では比較例の泥漿にＡ〜Ｃのワラストナイト、水、解膠剤を所定量添加し、攪拌機にて十分混合し、泥漿に調製した。次に、泥漿を物性測定用サンプルの所定形状に成形可能な石膏型に流し込み、着肉成形後に脱型し、テストピースを成形した。テストピースは、４５℃で２４ｈｒ乾燥した後、トンネル窯で、１２００℃で１時間焼成した。

嵩比重は、アルキメデス法で測定した値である。焼成体サンプルを１１０℃で２４ｈｒ乾燥し、冷却したのち質量Ｗ１を測定する。次にサンプルをデシケータ中で減圧に保ち、比重ρの白灯油を十分浸透させる。次にサンプルを油中に自由に吊した状態で秤量し、この値Ｗ２を求める。その後、サンプルを油中から取り出し、湿布で表面の油滴をぬぐい去り、直ちに質量Ｗ３を測定する。これらの数値から次の式によって、嵩比重を求める。
嵩比重＝Ｗ３×ρ／（Ｗ１−Ｗ２）
なお、白灯油を使用する理由は、水を使用すると成形体サンプルが膨潤して崩壊するためである。

軽量効果は、ワラストナイトを添加していない比較例１の嵩比重ρ_０と各実施例の嵩比重ρを用いて、次の式によって求める。
軽量効果＝（ρ_０−ρ）／ρ_０

吸水率は、JIS A1509-3に則して測定した値である。焼成体サンプルを１１０℃で２４ｈｒ乾燥し、冷却したのち質量Ｗ１を測定する。次にサンプルをデシケータ内で水中に浸漬し、真空状態で１ｈｒ保持することで、強制的に開気孔を水で飽和させ、このときの質量Ｗ２を測定する。これらの数値から次の式によって、吸水率を求める。
吸水率＝（Ｗ２−Ｗ１）／Ｗ１

インキ浸透度は、JIS A5207に則して測定した値である。焼成体サンプルを濃度１％のエオシンＹ溶液に１ｈｒ浸漬し、これを割って赤インキの素地浸透度を測る。

焼成体の平均気孔径は、鏡面研磨した焼成体をＳＥＭ観察し、約４００μｍ×３００μｍの視野範囲で、最も大きい気孔から順番に１０個の気孔について、長径と短径の平均値を算出し、それらの値の平均とした。

図１は実施例２で作製した軽量衛陶素地の断面構造を示す走査型電子顕微鏡（１００倍）写真である。写真より、焼成体素地中に微細な閉気孔が多数形成されている様子が確認できる。閉気孔のサイズは５０μｍ以下と非常に微細であり、このため実用レベルの焼成強度を維持できていると考えられる。また、化学分析の結果、ほとんどの気孔周りにＣａ成分が多く偏斥していることがわかり、一方でＸＲＤよりＣａを含む結晶としてアノーサイトが確認されたため、閉気孔はワラストナイトがアノーサイトに反応する際に形成されていると考えられる。図２に図１の部分拡大模式図である。参照符号１は気孔、２はアノーサイトを示す。それ以外のマトリクスは基本的にムライト、石英およびガラス相を示す。

Claims

少なくともムライト、石英、アノーサイトを主成分とする結晶相と、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするガラス相と、からなる焼成体素地において、前記焼成体素地中には前記アノーサイトに周りを取り囲まれた独立気孔が多数形成され、嵩密度が２．０〜２．４ｇ／ｃｍ^３である軽量陶器であって、
前記アノーサイトは、ワラストナイトとＳｉＯ _２及びＡｌ _２Ｏ _３によって形成されたものであり、
前記ワラストナイトの平均最大長が５０μｍ以上２５０μｍ以下であって、前記ワラストナイト添加量が５重量％以上２０重量％以下であることを特徴とする軽量陶器。
前記焼成体素地のインク浸透度が３ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１記載の軽量陶器。
前記独立気孔の気孔径が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の軽量陶器。