JPS6086081A - 軽量、断熱、不透水性セラミツクス材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、新規なセラミックス材料およびその製造方法
に関するのもである。

近年になって、優れた断熱性と不透水性を有すると同時
に、化学的あるいは物理的な種々の外的要因に対しても
申し分ない耐久性を示し、しかもそれ自体が高い機械的
強度を兼ね備えており、これらの特性が広い温度範囲に
亘って（冷凍温度から耐火温度に至って）維持されなけ
ればならない材料の必要性が次第に増してきている。特
にセラミックス産業に於いては、その他の特性を更に備
えた稠密で軽い材料による製品がめられている。

［従来の技術］ 優れた断熱材料としては絶縁耐火コンクリート、プラス
チック材料発泡体（膨張させたポリスチレン、ポリウレ
タン発泡体等）、セラミックス宛泡祠料、その池数種類
のものが公知である。

然し乍らこれらの材料は、一般的にそれ以上に必要とさ
れる特性は有していない欠点がある。すなわちコンクリ
ートあるいはセラミックスに不透水性を付与するために
は、金属、フェス、エナメル等を用いてこれを被覆する
か、あるいは重合可能な材料を含浸さ垂なければならな
い。またプラスチック材料は概して非常な低温や高温に
は耐久性を呈さないものである。

［発明の目的］ 本発明は、叙上の不都合を解消してあらゆる要求に答え
る材料を供給することである。本発明に従った材料は多
孔質の絶縁セラミックスであって、その表面の少なくと
も一部分が稠密な不透水性の表皮によって構成され、か
かる不透水性の表皮を析出させるために充分な温度によ
って鋳造品全体を少なくとも１回焼成し、その成分が大
かれ少なかれガラス化されるものである。

［発明の構成］ 鋳造品の多孔質部分は２０％以上の、好ましくは５０％
以上の孔隙率を有するセラミックス材料によって形成さ
れる。ここでセラミックス材料とは、金属酸化物あるい
はその混合物、時には炭化物、窒化物、珪素化合物、硼
化物等を各々の焼結温度に少なくとも等しいか、使用温
度よりも幾分高い温度にて焼成して得られる材料を意味
している。

この発明による産業上利用可能なセラミックス材料を開
示した参考文献としてはＧｉｏｖａｎｎｉ　ＡＬＩＰＲ
ΔＮＤＩ著「耐火材料とセラミックス技術（Ｍａｔ５ｒ
ｉａｕｘｒｅｆｒａｃｔａｉｒｅｓ　ｅｔ　ｃ５ｒａｍ
ｉｑｕｅｓ　ｔｅｃｈｎｉｑｎｅ＝　）　Ｊ　−Ｅ］６
ｍｅｎｔｓ　ｄｅ　Ｃ５ｒａｍｕｒｇｉｅ　ｅｔ　ｄｅ
　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ第７版１９７９年、第１１頁
〜第１４頁、およびＬＥＶＩＮ、　ＲＯＢＢＩＮＳ、　
ＭｃＭＵＲＤＩＥ共著［セラミソクスノ位相線図（Ｐｈ
ａｓｅ　ｄｉａｇｒａｍｓ　ｆｏｒ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ
　）　Ｊ　−Ｅｄｉｔｉｏｎｓ　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｃ
ｅｒａｍｉｃ　５ｏｃｉｅｔｙ第２版１９６４年（追補
も含む）が挙げられる。

これらの材料は、若しその使用目的に従って適当に選択
されるならば物理的あるいは化学的な種々の外部要因に
対して著しい耐久性を示すものである。多孔質部分の孔
隙率は所望する断熱特性に鑑みて選択される。それ故に
この孔隙率は材料自体の重量軽減につながり、゛特に大
きな製品を作成する場合、重量が軽いということば大切
なメリットとなる。

また亀裂が生ずることを阻止するべく堰層を形成させて
材料の変形伝播を制限し、稠密な材料に比して機械的特
性を変えることも可能であり、衝撃に対する耐久性も著
しく改善される。

多孔質部分の孔隙率は、例えば０．５〜５ｍｌあるいは
０．０５〜０．５ｆｌ程の直径を有する小胞を一連に含
んだものであり、これらの小胞は気泡発生剤の添加によ
って簡単に得られる。特に絶縁あるいは軽量化を意図す
る場合、多孔質部分が大きな気泡あるいは多くの気泡を
含んだ材料を用いればよい訳であるが、これには同時に
複数の添加剤あるいは方法を用いることが得策である。

この明細書において小胞の直径に関する記載をする場合
、勿論それば統計学的デ「夕に基づくものであることに
留意されたい。実際に多孔質セラミックス材料を生成す
る場合、小胞の寸法は統計学の法則に従って割当てられ
るものである。その直径の範囲の表示は、大多数におい
て小胞がこの範囲の大きさのものであるという意味であ
って、材料が当該範囲から逸脱した直径を有する小胞を
全く含んでいないということではない。

表皮の厚さは製品の品質の重要な要素である。

最適値は、種々の要素、特に製造法と用途によって定ま
る。余りに薄い表皮であれば、製造過程中や取扱い中又
は製品の使用中において破損するおそれがある。余りに
厚い表皮であれば、製品の重量を増加させ、空洞部の減
少により断熱性を低下させる。さらに、表面の微小部分
に衝撃が加えられると、比較的厚い表皮をもつ製品では
破損や亀裂が生じやすいが、かなり薄い表皮の製品では
割れ目や亀裂は発生せず局部的な変形が生しることが知
られている。

両面に表皮を有し、４０鰭乃至４００１の厚さの平面や
曲面形状を有する工業製品に対しては、５乃至１２龍の
表皮の厚さが適当であると認められている。より小形の
製品では、より低い外力しか加えられないので、この表
皮の厚さはより薄くしてよい。ただし、１ｍ以上とする
。

この発明による材料を得るためには先ず多孔質部分を調
整し、次にこの部分の表面に表皮を形成するべく被ＮＮ
を析出させることが可能である。

この操作は特にエナメルの上塗りを施した物品を製造す
るためセラミック業界では一般的なものであって、先づ
焼結あるいは長期間の乾燥によって多孔質部分を硬化さ
せ、被覆層の析出を支持できるようにする。この操作は
若し製品の全ての表面を被覆しなければならない場合に
は、特に複数なものが要求され、また多孔質部分が気泡
をより多く含んでいて脆いものであればある程、その硬
化もより早く行わなければならない。

しかるにこの発明の目的はこれらの操作を簡略化し、特
に硬化中の中間作業を省いてしまうことができる新規な
方法を提供することである。

この方法によれば、気泡発生剤を用いずに鋳型壁を適宜
なる材料の層で被覆し、必要ならばこの層を冷却硬化さ
せ、次に気泡を含んだ、あるいは気泡発生剤を含んだ同
一材料を充填して鋳込みを完了し、硬化させた後に型抜
きし、製品全体の耐久性と表皮の不透水性を得るために
熱処理することを特徴としている。

軽量製品を得るためのこの発明による方法は、気泡発生
剤（発泡剤）を含まない液状粘土（陶器製造用ねり物）
の層で型の壁が覆われており、型の他の部分は気泡発生
剤を含んだ同し物で充填され、型の内の物は固化され、
離型され、乾燥され、熱処理され、その表面は、要すれ
ば、ガラス状又はエナメル状にされるのであるが、前記
発泡剤を含まない層が、その他の物が型に注入される以
前に固化するということに特徴がある。

前記液状粘土層を固化させるために、少くとも部分的に
多孔質である型が使用され、型内に液状粘土が注入され
、型の多孔質壁の付近にある部分は、この壁によって液
状粘土から水分を吸収して固化する。また、多孔質壁か
ら離れた所にある液状粘土は固化しないので、取り去ら
れる。

発泡剤を含まない層は５乃至１２龍の厚さとされる。

製品を乾燥させるために、加熱されるが、その温度は３
０乃至１２０℃であり、加熱時間は厚さによって増加し
、その時間は、製品の全厚さが４０ｔ＊であり、両表面
に発泡剤を含まない層を有する場合は１日間程度とする
。同様な製品で全厚さが７０＋＋ｎのものでは、温度を
３５“Ｃとして２０日間程度とする。

製品を乾燥させるため、超短波加熱技術を利用して、３
０乃至１２０℃の温度に加熱する。

この方法の好ましい実施形態としては、少なくとも一部
分が多孔質の鋳型を使用し、この鋳型に陶器製造用ねり
物を充填し、鋳型の多孔質壁に近接して位置する前記ね
り物の部分は、この多孔質壁によって水分が吸収されて
硬化し、次に前記多孔質壁から離れて位置しており硬化
しなかった前記ねり物の部分を排出し、その後に同一の
ねり物であるが軽量のものを充填して鋳込みを完了する
。

前記熱処理は３０〜１２０℃の温度にて乾燥させた後、
材料の一部分を熔解させて焼結させるに充分な温度で焼
結させることによって行う。鋳造品の表皮は焼結されな
い状態では稠密ではないため、必要とあらば前記の乾燥
をゆっくりと行う。

特に製品の全表面あるいは広範囲に亘って表皮を被覆す
る場合には、この乾燥時間をより長くさせる。また乾燥
時間は表皮の厚みと鋳造品自体の厚みにも関係している
。例えば鋳造品全体の厚さが４０■濃で５〜１２龍の厚
みを呈する表皮では乾燥時間は３５℃の温度にて約１日
程度必要であり、鋳造品全体の厚さが７０帥ある場合に
は同じ厚みの表皮でも２０日間の乾燥日数を充てなけれ
ばならない。然し乍らマイクロ波による加熱技術を用い
れば一度に高い温度を鋳造品のかたまり全体に均一に分
散させることが可能なため、前記乾燥日数は極めて短縮
される。

焼結温度は使用する材料によって異なってくる。

現今のセラミックス材料では１２５０℃前後でなされて
いる。

［発明の実施例］ 以下この発明を、実施例に沿って詳説するがこれらの実
施例にのみ限定されるものではない。

第１実施例 下記の原料を混合して陶器製造用ねり物を調整した。

粗粘土　５０％ テラコッタ　５０％ 水　粘土総重量の２８％ このねり物を、７０顛の間隔を以って離間された平行な
２つの主要な面からなる隙間を有する石膏の鋳型に流し
込んだ。６時間経過した時点で鋳型の中で凝結したねり
物を抜き取ったところ、鋳型の内壁上に、ねり物の表面
部分の水分が鋳型によって吸収された結果、８關の厚み
の表皮層となって残存していることが確認された。

そこで前記鋳型に、１０００ｇのねり物に対して１００
０ｃ＋ｄの割合で気泡が含まれるように、直ｉ￥１〜２
．５ｍ＋＋の膨張させたポリスチレンの気泡を添加した
前記と同一組成のねり物を更に鋳込んだ。そして鋳型全
体を１８時間放置して硬化させた。

型はずしされた鋳造品は、外気に晒しながら３５℃に保
たれた恒温器の中で２０日間乾燥された。更にこの製品
は２００℃／ｈから１２５０℃まで温度上昇する１時間
の焼成を経て操作を完了した。

しかして焼成された生成物を化学分析すると以Ｆの如き
結果が得られた。

ＳｉＯ６５％ Ａ、１２０３　３０％ ＴｉＯ２１，５％ Ｆｅ２Ｏ３１，，８％ に２０　０．７％ その他の不純物　１％ 鉱物学的分析を行うとシャモットの結晶粒およびガラス
質相によって膠結された石英の結晶粒が確認された。

第２実施例 下記の原料を混合して別の陶器製造用ねり物を調製した
。

粘土　５０％ 二酸化珪素　２５％ 長石　２５％ 水　固形材料の３７％ 二酸化珪素の粒径分布は下記の如くまとめることができ
る。

２ミクロン以下　１０％ ６ミクロン以下　３０％ １３ミクロン以下　５０％ ２５ミクロン以下　８０％ ８０ミクロン以下　１００％ 前記ねり物を第１実施例と全く同し方法で鋳込んだとこ
ろ、１５分経過した時点で５鮪の厚みを呈する表皮が形
成された。そして更に次の鋳込みを行って製品を成形し
、硬化させたが、製品全体が硬化するまでには４時間を
費した。

製品の乾燥は出力ＩＫｗのマイクロ波炉の中で、６０時
間に亘って行った。これに続く焼成は第１実施例と同一
の条件で行われた。

しかして焼成された生成物を分析し試験したところ、以
下のような結果が得られた。

化学的分析 ５ｉ０２　７１％ Ａｌ２Ｏ３２３％ Ｎａ２Ｏ２，２％ に２０　１．８％ その他の不純物　２％ 鉱物学的分析 ムル石　１５〜２０％ 石英　１５〜２０％ ガラス質相　６５％ 「表皮」部分の分析 見かけ上の密度　２．３ｇ／ｃ／ 全体的な孔隙率　１０％ 表面の孔隙率　０．５％ 屈曲破壊係数　５０ＭＰａ 圧縮破壊係数　４２０ＭＰａ 静的弾圧係数　６０ＧＰａ 「多孔質」部分の分析 見かけ上の密度　０　、　８　ｇ　／ｃａ全体的な孔隙
率　６８％ 線膨張率　６×１０℃ ２０℃に於ける熱伝導率　０．２Ｗｍ’°に一１３００
℃に於ける熱伝導率　０．３Ｗｍ−１°に一１７５０℃
に於りる熱伝導率　０　、　４３　Ｗｍ−”Ｋ−１屈曲
破壊係数　５ＭＰａ 圧縮破壊係数　２０ＭＰａ 静的弾性係数　１．５０Ｐａ 衝撃に対する耐久性 衝撃に対する製品の耐久性は、この製品上にｌ＋ｔｇの
鋼鉄球を３６ｃｍの高さから落下させることによって観
察された。表皮も同一材料で形成したセラミックス製品
上に前記の球を落下させたところ、星形の破損（ガラス
板に小石を投げつけて出来る破損に近似したもの）が生
じた。

前記第２実施例の製品（５鰭の表皮と多孔質部分を有す
るもの）でこの実験を行った結果、表皮上で球が衝突し
た箇所に軽い破壊が認められたが、亀裂あるいは大きな
崩壊は蒙らなかった。在来のセラミックス表皮であって
も物理的あるいは化学的な外部要因に対して、同じ耐久
特性を示した。

室温において６．５ＭＰａの水中に浸した第２実施例の
製品は、２３日間の浸漬後に重量増加は全くなかった。

より優れた不透水性を得るため、すなわち表皮部分で外
気に晒される表面の孔隙率を０．５％以下にするために
は、生成物のガラス質相を増加させるか、製品表面にエ
ナメルを上塗りする。

以上２つの実施例について説明したが、この発明による
材料の調製方法は勿論これらだけに限定されるものでは
ない。すなわち多孔質な材料の鋳型に水分を吸収させて
表皮部分を成形するのではなく、多孔質でないねり物を
鋳型に量を少なくして鋳込み、このねり物には予め膨張
剤を添加しておいて、鋳型を移動させるが振り動がして
鋳型壁の所望箇所が表皮で被覆されるようにすることも
可能である。また更には鋳型壁に材料を蒸着させるか、
あるいはスパフタリングすることによって表皮を形成す
ることもできるが、このような方法は特に最終製品の表
面全体に表皮が被覆されるべきものではない場合には好
適である。

然しこの発明に従った生成物は、以上申し述べた方法以
外の在来の製造方法によっても得ることは可能である。

例えば焼成されていない多孔質部分に生の粘土を貼り付
けて表皮を形成したり、表皮材料や多孔質部分の材料を
電気泳動あるいは同期押出しする如き他の方法によって
も同様な製品が得られるものである。

多孔質部分に関しては、ポリスチレンの気泡を用いて適
当な孔隙率を得ることを実施例で説明した。この多孔質
を得る方法も前記実施例以外に在来のものを採用できる
ことは当然である。例えば焼成時に程好く分散する種々
の添加剤を用いて形成することも考えられる。またねり
物中に界面活性安定剤を添加しておいて、ねり物を強く
攪拌しながら空気を導入するか、あるいは化学反応や物
理化学反応によって気泡全発生させることもできる。当
然のこと乍ら、前述した軽量化方法をこれらと組合せる
ことも可能である。

多孔質部分の孔隙率については、一方では所望すべき断
熱性と軽量化を考慮して、そして他方では機械的な耐久
性を計算に入れて最も適当なものを選択して製造する。

［作用］ 焼成された最終製品の外面は全体的あるいは部分的に、
この発明に従って多孔質な内部分と結合した表皮を有し
ている。そして表皮が製品の全体を被覆していない場合
でも、「表皮」と内部の多孔質部分は同一材料によって
構成される故、同一の熱特性を有している。これによっ
て表皮と内部との材料の違いから引き起こされる熱特性
の差による不都合は、製品を実際に使用し°ζも全く解
消される訳である。

叙上のごとくこの発明による材料とその製造方法は下掲
のような製品を所望する際に、非常に有利なものとして
再認識されるであろう。

（１）断熱性と不透水性に優れたもの （２）　軽量でしかも不透水性のもの 特にこの発明による材料は、厳しい物理的あるいは化学
的な外的条件下で使用される製品には適したものである
。かかる条件下で使用される製品の一例としては衛生陶
器製品が挙げられる。

代理人　弁理士　西郷義美 代理人　弁理士　原田幸男

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１鋳型壁を多孔質形成剤の添加なしに陶器製造用ね
   り物の層で被覆し、次に多孔質形成剤を含んだ同一組成
   のねり物混合物を鋳型の残りの部分に充填し、前記鋳型
   の内容物を硬化させ後に型抜きし、鋳造品を乾燥させ焼
   成し、必要であれば更にその表面をガラス化するかある
   いはエナメルを上塗りして軽量な材料を得る方法に於い
   て、前記ねり物の層を、同一組成のねり物混合物を鋳型
   の残りの部分に充填する前に、多孔質形成剤を用いず硬
   化させることを特徴とする方法。 （２）前記特許請求の範囲第１項に記載の方法に於いて
   、前記ねり物の層を硬化させるために少なくとも一部分
   が多孔質の鋳型を使用し、前記鋳型に陶器製造用ねり物
   を充填し、鋳型の多孔質壁に近接して位置する前記ねり
   物の部分は、この多孔質壁によって水分が吸収されて硬
   化し、次に前記多孔質壁から離れて位置しており硬化し
   なっかた前記ねり物の部分を排出することを特徴とする
   方法。 （３）前記特許請求の範囲第１項あるいは第２項に記載
   の方法に於いて、前記ねり物の層を多孔質形成剤を使用
   せずに５〜１２１１にの厚さに形成することを特徴とす
   る方法。 （４）前記特許請求の範囲第１項乃至第３項のいづれか
   １項に記載の方法に於いて、鋳造品を乾燥させるために
   ３０〜１２０℃の温度にて、鋳造品の厚みが増すと共に
   長時間加熱し、その加熱時間は、鋳造品全体の厚さが４
   ０ｗｍで且つ相対する２つの表面に多孔質形成剤を添加
   していない層を有する場合には７日程度であって、鋳造
   品全体の厚さが７０龍の同様なものの場合には２０日間
   程度、夫々３５℃にて加熱することを特徴とする方法。 （５）前記特許請求の範囲第１項乃至第３項のいづれか
   １項に記載の方法に於いて、鋳造品を乾燥させるために
   マイクロ波による加熱技術を用いて３０〜１２０℃の温
   度にて１これを加熱することを特徴とする方法。 （６）前記特許請求の範囲第１項乃至第５項のいづれか
   １項に記載の方法によって得られる軽量・断熱・不透水
   性セラミックス材料。