JPH09286658A

JPH09286658A - セラミックス球状中空体の製造方法およびセラミックス球状中空体を構成要素とするセラミックスパネルの製造方法

Info

Publication number: JPH09286658A
Application number: JP13104596A
Authority: JP
Inventors: Akio Fukunaga; 昭夫福永; Hisao Abe; 久雄阿部; Kazuo Kobayashi; 和夫小林; Yasuo Uchiyama; 休男内山; Hideaki Sano; 秀明佐野
Original assignee: Nagasaki Prefectural Government
Current assignee: Nagasaki Prefectural Government
Priority date: 1996-04-25
Filing date: 1996-04-25
Publication date: 1997-11-04

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】セラミックス球状中空体を構成要素とするセ
ラミックスパネルの製作する際に、マトリックス部の乾
燥に伴って発生する亀裂を防止するために、そのマトリ
ックス部の乾燥収縮率を著しく小さくする。【解決手段】練土状態にあるセラミックスのはい土を
成形型１，２により半球状に成形した後、同様に成形し
た半球成形体３と赤道部において接合し、これを乾燥あ
るいは焼成してセラミックス球状中空体５となし、これ
をパネル成形用の型に配置した後、マトリックス部６と
なるセラミックス粉粒体を泥しょう状態または乾燥状態
でパネル成形型内のセラミックス球状中空体５の周囲に
着肉または充填して、該中空体５を構成要素とするセラ
ミックスパネル成形体を作り、さらに所定温度で焼成し
てセラミックス球状中空体５を含有するセラミックスパ
ネル７を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として耐熱性の
建材及び構成材に用いるセラミックスパネルの製造方法
に係り、特に、セラミックスパネルに含有させるセラミ
ックス球状中空体の製造方法およびセラミックス球状中
空体を構成要素とするセラミックスパネルの製造方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、無機系の球状中空体としてはガラ
スバルーンおよびアルミナやジルコニアのバブルが市販
されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ガラスバルーンは微小
粒子の発泡によって作られるため、１００μｍあるいは
それ以下の大きさのものしかなく、数mmを越えるような
大きさのものはなかった。またアルミナバブル、ジルコ
ニアバブルは５〜１０mmのものがあるが、これらは溶融
物を吹き飛ばして作られるため、構造的に脆弱で大きな
圧縮荷重に耐えることができない。また球状中空体の中
空部の容積や球殻の厚みは、上記製造法によって制約を
受けるため、任意の容積及び厚みを予め設計することは
不可能であった。また球状中空体の大きさには分布があ
り、しかもその真球の度合いにも球状中空体毎に大きな
ばらつきが伴う。さらにこのような球状中空体を建材、
構造材であるセラミックスパネルの骨材として使用しよ
うとすると、軽量化には効果があるものの、その機械的
強度が弱いために全体の構造物の強度を低下させること
になる。

【０００４】さらにこのセラミックス球状中空体を構成
要素とするセラミックスパネルの製作する際に、マトリ
ックス部はセラミックス球状中空体に比べてその乾燥収
縮率が大きいために、乾燥に伴ってセラミックス球状中
空体との間で亀裂を生じ易かった。

【０００５】本発明はこのような点を解決するためにな
されたもので、任意に設定された球殻の厚みをもち、均
一な大きさで、真球に近いセラミックス中空球を作成す
ることを目的とする。またその構造を基本的に緻密なも
のとすることにより、セラミックス本来の強度をもた
せ、また構造体の骨材として機能するような大きさにす
ることによって、全体の構造物の強度を低下させずに軽
量化することを目的とする。さらにこのセラミックス球
状中空体を構成要素とするセラミックスパネルの製作す
る際に、マトリックス部の乾燥に伴って発生する亀裂を
防止するために、そのマトリックス部の乾燥収縮率を著
しく小さくすることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１のセラミックス球状中空体の製造方法に
係る発明は、練土状態にあるセラミックスのはい土を成
形型により半球状に成形した後、同様に成形した半球成
形体と赤道部において接合し、これを乾燥又は焼成して
製造する手段よりなるものである。

【０００７】ここで、好ましい態様として、セラミック
ス球状中空体のはい土にセルロース粉末及びカーボン繊
維を混在させることにより、焼成後に該中空体の球殻に
微少な気孔を形成させるのがよい。

【０００８】また、請求項３のセラミックス球状中空体
を構成要素とするセラミックスパネルの製造方法に係る
発明は、練土状態にあるセラミックスのはい土を成形型
により半球状に成形した後、同様に成形した半球成形体
と赤道部において接合し、これを乾燥あるいは焼成して
セラミックス球状中空体となし、これをパネル成形用の
型に配置した後、マトリックス部となるセラミックス粉
粒体を泥しょう状態または乾燥状態でパネル成形型内の
セラミックス球状中空体の周囲に着肉または充填して、
該中空体を構成要素とするセラミックスパネル成形体を
作り、さらに所定温度で焼成してセラミックス球状中空
体を含有するセラミックスパネルを製造する手段よりな
るものである。

【０００９】ここで、セラミックスパネルのマトリック
ス部に用いるセラミックスの原料粒子に粒径１〜２mmの
粗粒子を嵩容積で１０〜２５vol ％添加し、パネル全体
の乾燥線収縮率を２％以下にすることにより、乾燥およ
び焼成時の亀裂を防止するものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面に記載の発明の実施の
形態に基づいて、この発明をより具体的に説明する。こ
こで、図１はセラミックス球状中空体の成形に用いる成
形型の断面構造の模式図、図２は成形した半球状成形体
を赤道部で接着し球状中空体にしたことを示す模式図、
図３（Ａ）（Ｂ）はセラミックス球状中空体を構成要素
とするセラミックスパネルの２層までの内部構造を示す
平面図及び側面図である。

【００１１】本発明においては球状中空体を作成するに
際しては、原料のセラミックス原料の練土を所定量秤り
とり、これを表面が半球状の凹型成形下型１に載せ、次
に凹型成形下型１と対応する表面が半球状の凸型成形上
型２で上から押さえることにより半球状成形体３を得
る。さらに同様に成形した半球状成形体３と赤道部分の
接着部４で接着し球状の中空成形体とし、また場合によ
ってはこれを所定の温度で加熱して、セラミックスの球
状中空体５を得る。このようにして得られたセラミック
ス球状中空体５をセラミックスパネル成形型に充填し、
マトリックス部６となる粉粒体をセラミックス球状中空
体５の周囲に充填した後、充分に乾燥し所定温度で焼成
してセラミックスパネル７となす。上記のセラミックス
球状中空体５の成形に当たり、所定の厚みとはおよそ１
〜５mmの厚みであり、セラミックス球状中空体５の所望
の内容積および強度に応じて決められる。セラミックス
球状成形体５の成形に用いる型１，２の材質は、石膏
型、金属型が用いられるが、必要に応じて樹脂型を用い
ることもできる。半球状成形体３の接着に当たってはセ
ラミックス球状中空体５の作成に用いたものと同じ原料
の泥しょうを用いる。セラミックス球状中空体５の成形
品を焼成する際の所定温度とは、セラミックスの原料粒
子が基本的に焼結・緻密化する温度である。すなわち、
本法において原料粒子は基本的には焼結・緻密化する
が、セラミックス球状中空体５の球表面を微小な気孔が
存在する多孔質組織とするために、セルロースやカーボ
ン繊維のごとき焼成時に燃焼によって消失し気孔を形成
するような、いわゆる気孔形成材を添加した後において
は、焼成温度は気孔以外の部分が緻密に焼結するような
温度を意味する。セラミックス球状中空体５をセラミッ
クスパネル成形型に充填する際には、マトリックス材料
の乾燥および焼成時の収縮率を配慮して、予め、一定の
隙間をおいて充填することもある。マトリックス部６と
なるセラミックスは、セラミックスパネル成形型内で充
填・乾燥した後の乾燥収縮を最小にとどめるために、粒
径１〜２mmの素粒子が１０〜２５vol ％添加されてい
る。

【００１２】本発明によるセラミックス球状中空体５
は、成形型１，２によって製作されるため、大きさがい
ずれもほぼ同一となる。また、中空球成形時の凹型成形
下型１および凸型成形上型２の隙間を変えることによっ
て球状中空体の球殻の厚みを制御することが可能とな
り、それにともなって中空部の容積も制御することがで
きる。このようにして目的とする球状中空体の製作が可
能になる。このセラミックス球状中空体５は基本的には
緻密に焼成され、欠陥も少なく、比較的強い機械的強度
が得られる。この中空球を多孔質にする目的で原料はい
土にセルロースや炭素繊維を添加すると、焼成後の中空
球表面には微小な気孔が生成するが、気孔以外の組織は
基本的に緻密になるために、その機械的強度は本質的に
は強い強度に保たれる。セラミックスパネル成形時には
その組織のマトリックス部６に１〜２mmの粗粒子が添加
される。この粗粒子はマトリックス組織中の骨材粒子と
して充填構造を作り、マトリックス部６の乾燥収縮を最
小に抑制する。この方法によりマトリックス部６の乾燥
収縮は２％以下に抑えられ、したがってセラミックス球
状中空体５とマトリックス部６の乾燥収縮の違いから、
セラミックスパネル７に亀裂などの欠陥が生じることは
ない。

【００１３】

【実施例１】火山噴出物の粉体４０mass％に木節粘土１
０mass％と水５０mass％を混合し、トロンミルで２４時
間粉砕・混合した。この配合原料を５０メッシュの篩を
通して粗粒子を除去したのちフィルタープレスで脱水
し、さらに真空土練機で混練して成形用の練土とした。
この練土の所定量（２５ｇ）を図１に示す金型（凹型内
部の直径１６mm、凸型の直径１２mm）にとり、上下方向
から押さえて半球状に成形した。離型剤には灯油を適量
用いた。同様に成形したもう一つの半球状成形品と図２
に示すように赤道部において接着した。接着は半球状成
形体の成形に用いた練土を、予め水分３１mass％、ポリ
アクリル系分散材を１mass％添加して調製した泥しょう
を用い、これをそれぞれの赤道部に塗布してこれらをあ
わることで行った。このようにして作成した球状中空体
を室温で収縮のなくなるまで乾燥した後、１０５℃の乾
燥器にいれ充分に乾燥した。この球状中空体の成形体を
９００℃で１ｈ焼成し、素焼きのセラミックス球状中空
体を得た。

【００１４】

【実施例２】木節粘土を配合して作成した上記の混合は
い土の乾燥物に、１〜２mmの火山噴出物粗粒子を１０、
２０、３０および４０mass％加えた粗粒子配合はい土を
作成した。これに水２６mass％、ポリリン酸系の分散剤
を０．４mass％、ポリアクリル酸系のバインダーを３ma
ss％添加して、粗粒子配合はい土の泥しょうを調製し、
これを縦１５０mm、横１００mm、深さ４０mmの内寸法の
石膏型に注ぎ着肉させた。離型剤にはタルクを用いた。
得られた成形体を１１００℃で焼成し焼成体を得た。グ
リーン成形体および焼成体について乾燥収縮および焼成
収縮を求めた。その結果、粗粒子の添加量が無添加、１
０、２０、３０mass％と増加するのにともなって、乾燥
収縮率は５．８、４．９、２．０、１．４％に、また焼
成収縮率は７．２、６．２、３．１、１．７％にそれぞ
れ大幅に減少した。４０mass％添加した試料では乾燥時
において試料のほぼ全面に亀裂が生じた。これは添加し
た粗粒子が多すぎるために、粗粒子とそれ以外の泥しょ
う成分との間に収縮率の差が生じた結果である。また素
地全体の収縮も小さく、離型性が著しく損なわれた。粗
粒添加量４０mass％以外の試料では成形体、焼成体いず
れも亀裂は観察されなかった。なお、粗粒添加量１０、
２０、３０、４０mass％はそれぞれ６、１３、２０、２
９vol ％に相当する。

【００１５】

【実施例３】実施例１に記載の方法で作成したセラミッ
クス球状中空体を離型材（生タルク）を塗布した石膏型
に１mmの間隔をおいて並べ、セラミックス球状中空体が
埋まってしまうまで、実施例２に記載の粗粒子添加量１
０、２０および３０mass％のセラミックス泥しょうをそ
れぞれ注いだ。セラミックス球状成形体と泥しょうの添
加の操作を３回繰り返し、泥しょうを型および球状成形
体に着肉させて、３層のセラミックス球状成形体が充填
されたパネルグリーン体を作成した。なお、軽量化の効
果を見るために球状成形体を含まないパネルグリーン体
も併せて作成した。このパネルグリーン体のうち粗粒子
添加量１０mass％のものは、球状中空体と泥しょうが固
化してできるマトリックス部の収縮率が合わないため
に、脱型後において試料に亀裂が生じていた。次に粗粒
子添加量２０、３０mass％の試料を大気中、１１００
℃、１ｈで焼成しパネル焼成体を得た。これらの焼成体
には亀裂は認められず、健全な状態であった。粗粒子添
加量が２０mass％のパネル焼成試料から１３mm×１３mm
×１００mmの寸法の角柱を切り出して、その曲げ強さを
測定したところ２４．５ＭＰａの値が得られた。これは
球状成形体を加えずに同様に作製したパネルにおいて求
められた２７．４ＭＰａに比べて約１０．６％の強度低
下である。一方、試料の密度は球状成形体を含む場合が
１．９２で、含まないときの２．５３に比べて２４．１
％の軽量化が生じている。このように本法によるセラミ
ックスパネルは、そのマトリックス部の収縮率を減少さ
せることによって、球状中空体を加えた状態でも焼成後
に亀裂を生じることなく、また強度の著しい低下を招く
ことなく軽量化を実現することができる。

【００１６】

【実施例４】実施例１に記載の方法で調製した原料はい
土に、トロンミルよりとりだした懸濁液の段階で、結晶
性のセルロースおよび炭素繊維（ＰＡＮ系繊維）を１
０、２０、３０mass％の割合（原料の乾燥重量に対し内
割り）でそれぞれ添加した。ここに結晶性セルロースお
よび炭素繊維は焼成時に焼成によって失われ、そのあと
に気孔を生じさせる目的で添加している。上記懸濁液を
小型のフィルタープレスを用いて脱水した後、卓上型の
ニーダー装置によって混練し、成形用のはい土を作成し
た。これを実施例１と同様な方法で石膏型（図１と同じ
構造）を用いて成形した後、赤道部で接着した。これを
よく乾燥した後９００℃で焼成した。これらの球状中空
体をさらに１１００℃で焼成し、得られた焼成体の破面
の組織を電子顕微鏡で観察した。その結果、いずれの気
孔形成材を用いた場合でも、気孔形成材の添加量の増加
にともなって、形成される気孔の量は増加した。気孔の
大きさはいずれの場合でも１０μｍ以下であった。密度
測定から求めた開気孔率は添加量１０、２０、３０mass
％に対し、結晶性セルロース添加のときそれぞれ５、１
７、２５％であった。また炭素繊維添加の場合には、
６、１８、２７％であった。

【００１７】

【実施例５】実施例４で成形し９００℃で焼成した球状
中空体（結晶性セルロース３０mass％のもの）を、前出
（実施例２）のパネル成形用の石膏型に充填した後、火
山噴出物の１〜２mmの粗粒子７０mass％に水を３０mass
％、ポリアクリル酸系のバインダーを外割りで５mass％
加えて予め調製した泥しょうを注ぎ、これを石膏型およ
び球状中空体によって脱水させて、粗粒のマトリックス
を上記の多孔質な球状中空体の周辺に充填した。離型
後、１０５℃で乾燥し１１００℃で１ｈ焼成して、セラ
ミックスパネルを作成した。このセラミックスパネルは
実施例４で述べたように多孔質な球状中空体を含有して
いるが、球状中空体の周囲にあるマトリックス部分もさ
らに大きな気孔を有する多孔質体である。光学顕微鏡で
観察すると、その気孔径はおよそ１００〜５００μｍで
あった。

【００１８】

【実施例６】平均粒径０．７μｍのアルミナ粉体にコロ
イダルグレードのセルロース粉を５mass％添加し、これ
に水を２５mass％加えプラネタリミキサで混練して成形
用のはい土を作成した。このはい土を用いて実施例１と
同様の方法で球状中空体を成形した。これを充分に乾燥
した後１１００℃で焼成し素焼き状態の球状中空体を作
成した。次に平均粒径０．７μｍの上記アルミナ粉体８
０mass％に、粒径１〜２mmの焼結アルミナを２０mass％
添加して、乾式で予めよく混合した。この混合粉体に内
割りで水３０mass％、ポリアクリル酸系分散剤を１mass
％を加えて、プラネタリミキサで混合し粗粒配合のアル
ミナ泥しょうを調製した。上記の球状中空体およびアル
ミナ泥しょうを、実施例３と同様に操作してセラミック
スパネルの成形体を作成した。これを１６００℃で１ｈ
焼成しセラミックスパネルの焼成体とした。成形体、焼
成体いずれも大きな亀裂の発生は認められず、健全な状
態であった。

【００１９】

【実施例７】平均粒径約１０μｍの市販の陶土（水分２
４mass％）を実施例１と同様の方法で球状中空体に加工
した。これを１０００℃で１ｈ焼成し素焼きの球状中空
体とした。次に同じ陶土に水および水ガラス０．３mass
％を加えて水分３１mass％の陶土の泥しょうを作成し、
これに陶磁器のセルベン（焼成体の破砕片、１〜２mm）
を陶土に対して内割りで３０mass％添加し、更に少量の
水を加えて水分３１mass％の粗粒子配合の陶土泥しょう
を調製した。上記の陶土の球状中空体および粗粒子添加
の陶土泥しょうを用いて、実施例３と同様に操作しセラ
ミックスパネル成形体を得た。これを９００℃で１ｈ焼
成し素焼き状態とした後、ガス窯により１３００℃で１
ｈ焼成しセラミックスパネル焼成体とした。成形体およ
び焼成体いずれにも大きな亀裂は認められず、健全なセ
ラミックスパネルが得られた。

【００２０】なお、この発明は上記発明の実施の形態に
限定されるものではなく、この発明の精神を逸脱しない
範囲で種々の改変をなし得ることは勿論である。

【００２１】

【発明の効果】本発明は、上記のような方法によるため
に次のような効果を有している。請求項１の発明に係る
セラミックス球状中空体の製造方法によれば、セラミッ
クス中空球は成形型によって製作されるため、大きさが
いずれもほぼ同一である。したがって、セラミックスパ
ネルの組織内における充填構造を予め正確に設計するこ
とができる。セラミックス球状中空体の球殻の厚みは、
中空球成形時の練土の厚みを変えることによって調整す
ることができる。すなわち、中空球の中空部の容積と強
度を必要に応じて制御することができる。上記のよう
に、セラミックス球状多孔体の大きさ、厚みをほぼ同一
に製作することができるため、製品の歩留りの向上に貢
献する事ができる。

【００２２】また、請求項２の構成の場合には、セラ
ミックス球状中空体はその焼成時に燃焼によって消失す
る気孔形成材を用いることにより、多孔質体とすること
ができ、これは徐放性の吸収体や調湿材等へ利用するこ
とができる。

【００２３】また、請求項３の発明に係るセラミックス
球状中空体を構成要素とするセラミックスパネルの製造
方法によれば、セラミックス球状中空体は既述のように
基本的には緻密に焼成されるため、発泡や吹き飛ばしに
よる方法から得られる中空球と比較して強い強度が得ら
れる。したがってセラミックスパネルの強度を損なわず
に軽量化することに貢献している。

【００２４】また、請求項４の構成の場合には、セラミ
ックスパネル成形時にはその組織のマトリックス部に１
〜２mmの骨材粒子が添加されているために、乾燥収縮は
２％以下に抑えることができる。そのため乾燥時の収縮
に伴う亀裂の発生を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態を示すセラミックス球状
中空体の成形に用いる成形型の断面構造の模式図であ
る。

【図２】この発明の実施の形態を示す成形した半球状成
形体を赤道部で接着し球状中空体にしたことを示す模式
図である。

【図３】（Ａ）はこの発明の実施の形態を示すセラミッ
クス球状中空体を構成要素とするセラミックスパネルの
２層までの内部構造を示す平面図である。（Ｂ）はこの
発明の実施の形態を示すセラミックス球状中空体を構成
要素とするセラミックスパネルの２層までの内部構造を
示す側面図である。

【符号の説明】

１半球状の凹型成形下型２半球状の凸型成形上型３半球状成形体４接着部５セラミックス球状中空体６マトリックス部７セラミックスパネル

フロントページの続き (72)発明者内山休男長崎県長崎市文教町１番14号長崎大学工学部内 (72)発明者佐野秀明長崎県長崎市文教町１番14号長崎大学工学部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】練土状態にあるセラミックスのはい土を
成形型により半球状に成形した後、同様に成形した半球
成形体と赤道部において接合し、これを乾燥又は焼成し
て製造することを特徴とするセラミックス球状中空体の
製造方法。
【請求項２】セラミックス球状中空体のはい土にセル
ロース粉末及びカーボン繊維を混在させることにより、
焼成後に該中空体の球殻に微少な気孔を形成させること
を特徴とする請求項１記載のセラミックス球状中空体の
製造方法。
【請求項３】練土状態にあるセラミックスのはい土を
成形型により半球状に成形した後、同様に成形した半球
成形体と赤道部において接合し、これを乾燥あるいは焼
成してセラミックス球状中空体となし、これをパネル成
形用の型に配置した後、マトリックス部となるセラミッ
クス粉粒体を泥しょう状態または乾燥状態でパネル成形
型内のセラミックス球状中空体の周囲に着肉または充填
して、該中空体を構成要素とするセラミックスパネル成
形体を作り、さらに所定温度で焼成してセラミックス球
状中空体を含有するセラミックスパネルを製造すること
を特徴とするセラミックス球状中空体を構成要素とする
セラミックスパネルの製造方法。
【請求項４】セラミックスパネルのマトリックス部に
用いるセラミックスの原料粒子に粒径１〜２mmの粗粒子
を嵩容積で１０〜２５vol ％添加し、パネル全体の乾燥
線収縮率を２％以下にすることにより、乾燥および焼成
時の亀裂を防止したことを特徴とする請求項３記載のセ
ラミックス球状中空体を構成要素とするセラミックスパ
ネルの製造方法。