JPS6291448A - 焼成中空セラミツク球体 - Google Patents

焼成中空セラミツク球体

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JPS6291448A
JPS6291448A JP61213694A JP21369486A JPS6291448A JP S6291448 A JPS6291448 A JP S6291448A JP 61213694 A JP61213694 A JP 61213694A JP 21369486 A JP21369486 A JP 21369486A JP S6291448 A JPS6291448 A JP S6291448A
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hollow ceramic
paste
silicate
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JP61213694A
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デビツド ケネス ドウデン
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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】 (技術の分野) 本発明はとりわ()]]ンクリーへの充てん物に有用ぐ
ある中空てパ無機の焼成した球体く扁球体、擬球体を含
む)の分野に関する。
(背顕) 制御された気孔率を持った中空のpラミック球体をある
種の■1ンクリー1〜利用にお(Jる充てん物どして使
用したい要求がある。そのJ:うな充てん物を含有する
一lンクリー1への一つの応用【ま海中のガスパイプラ
インに用いられるパイプ部分を囲むコンクリ−1〜であ
る。ぞのようなパイプ部分は1ンクリートの浦で覆われ
た金属芯パイプから(2つている。]ンクリート内の中
空で多孔質の球体が初期にはパイプラインを中空の充て
ん物を含ま2iいバイアよりt)軽くり−るが、時tm
がたつに従い11ンクリーi〜中の多孔質中空球体に浸
透づろ水がパイプラインの巾さを増して、パイプライン
を敷設したあとで尚武1−て・それを安定静置さl!る
ことになる。その上うイj用途に対しては気孔率と強電
が比較的安定した状態にある中空球体を用い(パイプラ
イン周囲の]ンクリートの性能が予測で・きることが望
ましい。
中空の焼成した球体にλ1りる他の可能f11ある用途
とし□−Cは高温強度を持った低密度のシンタクシ−イ
ック体の形成がある。そのようなシンタフl、イック体
は耐熱絶縁体とじrbh用であるかもしれない。シンタ
クjイツクフA−ムは沖合いでの穿孔繕装や他の水上輸
送容器に対する浮17材料とし= 5− Cも有用である。
中空セラミック球体についでは多くの特許があり、微小
球体(m1crosphere )と1%、別するため
に人球体(l1lacrosphere )と呼ぶこと
がある(人球体とは一般に直径500ミクロンよりも大
きく一方微小球体は一般にその人きさよりも小さいもの
をいう)。米用特許第4,111,713号および第C
393,901号明1l1書のベック(Beck)人球
体は結合剤物質と粒状のM型剤(例えば中空のガラス微
小球体)を混ぜることによってつくられる。結合剤中に
空洞形成剤を含ませでIl造中にベツタ大球体の中空の
中心を形成させる。
ある可燃性物質(例えば可塑性樹脂あるいは木材粉)の
小球あるいは含浸粒子をレラミツク物質ひ」−ティング
し、可燃性有機物を分解しさらに[ラミックの殻を焼成
することによって球体をつくる方法がやはり知られCお
り、例えば米国特許第2,553,759号、第4,0
39,480号および3,792,136号の各明細書
を参照のこと。
= 6− (発明の開示) 新しい方法でつくられて特巽な構造を持つ中空球体を開
発し、無機の大球体の実用↑1を人いに広めることにな
る製造」ス1への低減という明らかな利点を提供しlこ
。発明した球体は   。
A、 リン酸アルミニウム(△1[)04)、ケイ酸す
トリウム(Na20×18iO2)おJ:びケイ酸カリ
ウム(K20x2S i O2)からなる群から選んだ
物質からできた連続相、および B、 焼成中に連続相と結合して水に不溶の連続相をつ
くる不溶化剤 からなる焼成した中空の球体と要約されるものであって
、該焼成した中空球体は細胞状の殻を右する。
X はソーダ(Na20)に対するシリカ(SiO2)
のモル比であり、×2は酸化J」リウム(K、、O)に
対するシリカのモル比である。
発明の球体は!It!型的には直径が約2へ・20mm
の範囲にあり、約0.1〜1.2g/ccの密度を持ち
、少イ1くとも400℃まで安定である。説明したJ:
うに球体や殻は細胞状であり、それはケイ酸ナトリウム
(連続相)と粘土(不溶化剤)のような安価な原石から
つくることができる。
曲型的には、発明の球体はケイ酸すトリウムを粘土(例
えば水和したカオリナイ1〜)と混ぜてしイj・やかで
01塑性の塊あるいはペーストを形成することによって
つくる。この塊は大ぎさ約2〜10Mの範囲のペレット
にする。これらのペレットは、しばしば離型剤を存在さ
せて加熱(例えば150へ・200℃)4ることにより
それらの元の大ぎさの1.5−2倍まで膨張する。球体
の形となった膨張したペレットは炉内でさらに400℃
に加熱すなわち焼成し、その間に粘土はケイ酸ナトリウ
lいと反応しCそれを水に、不溶にする。
図は本発明の球体の断面写真(倍率18倍)である。中
空の内部と細胞状の殻が明瞭にわかる。
(詳細な記述) 発明の球体の殻は少なくともいくぶんかの気孔を14つ
でいるので、液体置換法による密度測定は容易ではない
。密度の測定は、多数の球体の直径を測ってそれらの体
積を露1粋するか40メツシ、1(425ミクロン)の
ガラスピーズの置ぎ換えにより体積を山号かして、それ
らの呻聞を体積で割ることによって行う。殻をエポキシ
の封着剤で閉じてピクノメーターで体積を測ると、上記
の方法で測った体積と良く一致した。球体を196のに
最良の柔軟性は密度が0.3〜0.5g/ccの範囲の
際にある。
本発明は純粋に模範例であることを意図した次の実施例
を考慮することによってさらに明らかになろう。
実施例■ 37.6重間パー」!ントノIイ酸ツートリウム(x1
=3.22)水溶液20グラムを10グラムのカオリン
粘土(リーイブラスミネラルネ1の13−3粘土として
得られたもの)と混ぜ、il1合物を42%ケイ酸ツー
トリウムまで濃縮して可塑性の跣をつくった。可塑性の
塊から手で直径2〜10#lのペレットをつくり、40
メツシユ(425ミク[1ン)5の多量のガラスピーズ
を含む300dのビーカーにペレツ1−を一麿に数個ず
つ落とし込んだ。
ガラスピーズの吊はそれが静置状態でビーカー内で約1
 tンチメー1〜ルの高さになるほどとした。
ぺ1ノツトをビーノJ−中に落とし込みながら、離型剤
および熱移動媒体としての上記の吊のガラスピーズを入
れたビーカーを振りしかもビーズを熱板の上で約130
〜150℃に保持した。ガラスピーズの床は約200℃
までの渇疫に保ってもよい。
の球体を形成した、さらにそれらは加熱したビーカー内
で約2〜3分間保持して球体を固まらせた。
次に炉内で球体を400℃に加熱して不活性の発明の生
成物をつくった。本生成物は800〜1250℃に焼い
てガラス質の相を発生させてもよい。
この実施例の生成物はt1篩すると0.3〜0.5の範
囲の密度であった。
実施例■ 実施例■で用いた同じケイ酸ナトリウム20gを約42
車吊パーセン1〜固形分く18g全重量)に濃縮し、実
施例FC゛使用した同じ粘−1−10qと機械的混合機
e混合してペーストをつくりイれを実施例丁のJ、うに
fて゛球体に形づくつl、=。ガラスピーズの床の中C
中空の球体を形成しI、−の#)、C・きた球体は薄い
&Ii e−cあり、約(”r ・−7mm (f’)
 j’+径と硬い滑らかな外皮および中空の中心を囲む
細胞状の殻を右しIご。殻は気孔があり水に可溶(’J
’ <jわちケイ酸塩部分)であった。この時点で球体
の密度は約0.3−0. /Ig/ccぐあった。これ
らの球体は4〜6分間400て]に加熱して水に不溶性
にしてもよい、しかしながら水に2・〜3週間さらした
あとではそれら1.Lまだ水の浸透により弱くなる。も
し球体を4〜6分間600”Or焼成Jるならば、得ら
れる!1成物は5週間水にさらしたあとでも浸出t)強
度の低十すみられ/iい、しかしイI′から初期の球体
の耐粉砕竹はこの比較的高温の曽1成によって低トする
。()シ球体を800℃に加熱するhらば、成分物質が
いくぶんか融解してガラス状になった構造が/Iじる。
上記の′ri法において、Ill!へり的な組成範囲は
−11= ペースl−中の重用パーセン1〜水:35〜45%s 
i o  : N a 20のΦ品用:2.75〜3.
65 ケイP112塩[111形分対粘土の重都比:O,B〜
3後の一者の変数の生成物畜石に対Jる効果は以下のよ
うである、 Si(’)  :Na2O比が増Jと密度は増し、? ケイ酸塩固形分の粘土に対する割合が増すと密度番よ減
少する。
ケイ酸カリウlいに対して、割合×2は典型的には2.
!〕−4の範囲にある。
クイ酎11〜リウl\の粘1にλ1する比率は約1:1
−!−) : 1の範囲でゆ化した。比較的小さい比率
では、強度の高い密度の大きい球体(0,6〜0.8の
比Φ)が形成される。比較的高い比率では、むしろ低密
IQ(0,1〜0.5の比重)の球体が形成され弱くて
いくぶん形が不規則である。
1小量部の粘Zt、 (実施例■で用いた型のもの)に
対しC0,755mm部のケイ酸塩固形分を用いて種々
のケイ酸を評価した。実施例■のケイ酸ナトリウ11と
約3.85のSiO対N a 20比を持つもう一つの
等級のケイ酸ノー1ヘリウムとの配合を試みた、イして
これらの実験から、使用できる最大のSiO:Na2O
比は約3.7であるということがわかった。6つと畠い
比率では殻にはとんとあるいは全く気孔ができず、球体
が膨張+1.’tに爆発する。約3.0より小さい比率
では気孔の大きさが大きくイ1り過ぎる。実施例■のケ
イ酸ノトリウムを×2が約3.29のケイ酸カリウムと
配合して1i11′価りると、600℃で焼成後は比較
的高い初期強度に加えて長時間の水安定性がわずかに改
善されることがわかった。
ドーパ−と第1番ピアレスの両方のカオリン粘土(それ
ぞれアール・イー・力ロル礼とアール・ティー・ヴアン
デルビル1−社のものである)を実施例■の8−3カオ
リン粘土の直接代昔として用いた。これらの代峠物て゛
つくった生成物は600℃焼成後密mと水への安定性が
ほぼ等しかったが、ドーパ−粘土ぐつくった(l酸物の
方がよりJ、い球体強度を示した。
粘土の代りに使用できる他の不溶化剤は、酸化鉄、二酸
化チタン、アルミナ3水和物 (A10 ・3日20)および酸化曲鉛である。
これらの化合物を用いてつくった球体は少なくと660
0 ’C1一般的には600〜1000℃の範囲の温度
で焼成すべきである。
実施例■ 実施例1て・使用したのと同じケイ酸ナトリウム(約/
II%固形分に濃縮したbの)2.5!l?を0.69
の酸化鉄(Fe203 )試薬等級および0.2gの粉
砕したシリカ(75ミク[1ン未満の粒径)と混合して
均一なペース1〜を作製した。このペース]・から手ぐ
直径約/lmInの球体ペレットをつくった。ペースト
のペレツ1−は実験室用のバー−j −1−F回転して
いる容器内で加熱した。得られる膨張した球体は約6〜
7Mnの直径と約0.39の比重をイJした。これら未
焼成の球体は675℃に電気的に加熱した炉内に10分
間冒さ、ぞの後球体を取り出J前に炉を10〜12分間
で550°0まで冷IJlさせた。得られる焼成した球
体は約7− 14  = 〜8履の直径と約0.26の比重をイjし、赤みがかっ
た色であつIJo焼成■稈中に球体どうしがくっつかな
いようにするにはタルクあるいは粘1−のような粉末物
質が役にrrつ。
実施例■ 前の例の41%固形分のケイ酸す1〜リウム1.8gを
1.3gのアルミノ−3水和物(liJ [Iの大きさ
で150ミクロン未満)および()、3シの微細なアル
ミナ3水和物粉末(約1ミクロンの粒径)と混合しIC
。ペースI・がら手で約4媚の直径の球状ペレツ1へを
つくつIこ。これらのペレッ1へは実施例■で用いたの
と同じ方法によって膨張さl!て直径約611111+
1比小約0.5の中空球体を得た。
これらの中空球体(よ、30分間以トかけて675℃か
ら1100℃に−1−げ、10分間1100℃に保ちさ
らに約1000℃に冷7jlさ口る炉内にそれらを置く
ことに」、って焼成し、1000℃に炉11Aが下った
時点で球体を取り出しI、:o得られる焼成した球体は
約0.44の比重を41し白色であつIこ。
種々の反応竹添加物を粘土およびケイ酸塩とどもに使用
した。結束は次の表に示すが、表中の数値は、特にこと
わらない限り、ダラムである。
= 16− 、LD 上に表記した物質のうちでも、 Ca3 (PO4>2が最も有望であった。400℃で
焼成したー炉分から強くて不活性の球体が生じlこ。し
かしながら、600℃で焼成した一炉分は反応性添加物
なしでつくった制御試料よりも、水に5週間さらしたあ
とでは容易に浸出されしかも強電も弱かった。
反応竹添加物に加えて、種々の不活性充てん物をやはり
利用した。その代表的な例を球体に及ぼす効宋とともに
下に表記した。
=  19 − 一般に、粗い不活性の充てん物は球体の強度と畜[αを
増りが、非常に細かい(1ミク[]ン以下)不γ1う1
/I充−Cん物はペース1へを濃くし膨張を遅らせる。
ペース[・の調製(ま、受入れIζ二ままの原石を混合
しC適当な固形分濃度に濃縮することによるか、あるい
はまずケイMj島を濃縮(例えば40〜42小品パー1
!ン(−固形分に)し次に粘土と111合することにJ
、るかのいずれかにJ−って実施することができる。接
菌の方法はより困難<Z渥合T程を必要と1するが、水
の除去が相当面11になる。
ペーストのぺEフッ1〜の膨張は6i+述のM型剤なし
−(” f−iつ(t)J:い、しかしながら温度制御
はもつと困難になる。li )l’j剤はねばつくペー
ストのペレットに対してJ、り望ましい。ガラスピーズ
鮒型剤に対り−る代りはタルクでペース1ヘペレツトに
打ち粉を覆る(dust)ことである。
膨張tよ市販の球状化用事(7ベをまね−C傾斜させ、
ガスバーツーで++U熱した回転Jるステンレス鋼の深
なべの中で行ってbよい。兇に目には、表皮を形成しし
かもペレツ1〜が球体へ膨張するJ、(パに東する時間
は約15秒〜1分間ぐあり、11;1水和に約2分間必
要である。
発明の球体の気孔率番ま制御できる。気孔率を制御する
一つの方法は用いる不活性充C’ /v物の品と粒径を
変えることを通」〕てぐある。不活f[充てん物は連続
相原料(例えば//イ酸−ノトリウム)と不溶化剤(例
えば帖−1)どの況合物に膨張T稈の前に加える。
膨張]二枚に供給される未焼成のペース1〜粒子は球状
である必要はない。用い−U bよい他の形状には円柱
、円板、あるいはでこぼこの球体がある。
例えば、ペーストを実際に19さ3mの厚板に1F延し
て、厚板から]ルクボーラーを用いて直径41rrxr
の円柱を切り出してもよい。これらの小さな円+1は満
足できるほど膨張して現実に直径約6〜81Mの中空球
体を形成する。
発明の球体は不浸透性の]−ティング、例えば二成分系
のエポキシ樹脂で]−ディングして気孔を取り除いても
よい。す(型内には、2〜10重h1パーセン1〜(球
体の手植を10(’)%)の二成分系のエル4シを球体
上に、液体丁ポキシ(これはトル1−ンのような溶媒で
希釈しでもよい)中で球体を転勤させI、:りかきまぜ
たりすることにより、さらに撹拌を続しJ <Kがら熱
で丁ポキシ]−ティングを硬化ざ1!ることによって]
−ティングする。かきまぜている間に離型剤としてタル
クを加えて球体間を分離さけておいてもよい。ここに参
考として引用するが、中空球体に関する同様なコーティ
ング方法は米国特許第4,393,901号明細書の欄
4066行〜欄5021行に教示されている。
トル1ンあるいは酢酸ブチルのような適当な溶媒で焼成
球体を湿らせさらにエポキシ樹脂粉(例。
ミネソタ マイニング アンド マニュファクチ(7リ
ング カンパニー製のスコッチカスト#5300粉)の
床の中で球体を転勤させることによって、可融解性二[
ボキシ樹脂粉で球体をやはり]−ティングしてもよい。
粉末で被覆した球体はふるい分けによって過剰の粉末を
分離ししかも空気乾= 22 = 燥にかけて残留する溶媒を除去する。二しポキシ樹脂粉
末でコーティングした球体は次にある形に注入して少な
くと(j 115℃に加熱して樹脂を硬化させる。
実施例V 実施例■のようにペースhを調製しそれから玉をつくっ
た、そしてペース]−玉を実験用バーナー上で回転平底
鋼に入れて加熱し、次Ij炉内で225℃で16時間乾
燥しIご。得られる膨張した球体′の直径は約5.5〜
7 urrtrの範、囲にあり昂均約6.25mInで
あった。Il:ΦG;L’il iI−すると約0.3
7であった。膨張した球体試料を400℃の炉内に置い
て温度を22分間で600℃に上げ、た。球体は600
℃に5分間保ち羨に室側に冷IJIした。この■程で約
10%の小品損失が生じた。 、得られる球体は前と同
じ直径であったが、′比重は約0.33に減少した。こ
れらの球体はスコッチカスト#5二成分液体■ボキシ樹
脂で4回に分【」でコーティングし、各回ごとに元の球
体の車間の5%に相当する開のエポキシ樹脂を使いエポ
キシの被膜を室温でそれが粘性がなくなるまで硬化させ
た。コーティングのやり方は二成分系エポキシ樹脂に関
して前記したようにした。4回目のエポキシ樹脂]−テ
ィングの後で生成物は135℃1n、y開破化さ口た。
この段階で、球体は前と同じ測定直径とη1算およびヘ
リウム立体ピクノメータにより測定した0、42の比重
を有した。生成物のかさ密度゛は約0 、.22g/c
cであった。
゛ ・本発明はその範囲内に多数の中空セラミック球体
からなる物体を含み、球体は物体内の球体の接触点でn
いに固着している。
、 そのような球体の固着した物体を1qる一つの方法
は、ペーストを希釈しく例えば水で10重聞パーセント
濃度を下げる)希釈したペーストを球体を固着させてお
くセメントとして用いることによってペレツ1〜がつく
られるそのペーストを用いることである。球体はペース
トセメントでコーティングでき、互いに接触して問いて
炉内で乾燥(例。
150〜200℃で1/2時間)し、次に焼成(例、1
100℃で10〜15分間)して堅い、軽石の、多孔質
体の固着球体を生じることかて゛さる。
そのような球体の固着した物体をつくる802の方法は
、エポキシ樹脂を硬化する前に、1ボー1ニジ樹脂で]
−ティングした球体をゆるく詰めた物体をある形あるい
は型に入れて球体がnいに接触しているようにすること
である。この方法では次にエポキシ樹脂が融解して硬化
する温度(例えば115℃より高い)に物体を加熱して
低密疫の多孔質体を形成する。
(産業上の応用性) 本発明の焼成中空球体はいくつかの産業りの用途がある
。それらはシンタフティクな泡においであるいは多孔質
充てん物として、本発明の背順の節で説明したように、
大洋中に敷設されたパイプラインに使うコンクリートに
おいて用いてもよい。
発明の球体はそのようなパイプラインに予測されるべき
大洋の水圧でちょうど正しい程度の浸透Hを持つように
つくることができる。
発明の球体はまた基板に接着させて有用な製品を供給し
てもよい。例えば、均一な大きさの球体からなる密な甲
一層を多孔質の担体、例えば目の荒い丈夫な布、に接着
して強化合成樹脂製品において41用なシート材料をつ
くってもよい。そのようなシー]へ材料を心棒のまわり
に一枚以−F巻きつけて樹脂を含浸してパイプをつくる
こともできる。
ボー]・船体、にわか山小屋および家具部品もまたその
J二つなシート材穿1を用いてつくってもよい。
本発明の他の実施態様はこの明細書を考慮するかまたは
ここに開示した本発明を実施することにより当業者に明
らかである。説明した原理に対する種々の省略、改変お
よび変更は特許請求の範囲に示す本発明の真の範囲と精
神から逸脱せずに一当業者によってなされてもよい。
【図面の簡単な説明】
図は本発明の中空球体粒子構造の断面写真(倍率18倍
)を示す。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)焼成した中空のセラミック球体であつて、A、リ
    ン酸アルミニウム、ケイ酸ナトリウムNa_2Ox_1
    SiO_2およびケイ酸カリウムK_2Ox_2SiO
    _2からなる群から選んだ物質からつくられた連続相、
    ここでx_1は SiO_2のNa_2Oに対するモル比、x_2はSi
    O_2のK_2Oに対するモル比である、および B、焼成中に連続相と結合して水に不溶の連続相をつく
    る不溶化剤 からなり、該中空セラミック球体が細胞状の殻を有する
    上記中空セラミック球体。
  2. (2)不溶化剤をカオリン粘土、鉄酸化物、二酸化チタ
    ン、アルミナ三水和物および酸化亜鉛からなる群から選
    ぶ、特許請求の範囲第1項に記載の焼成した中空のセラ
    ミック球体。
  3. (3)x_1が約2.75と3.7の間にありしかもx
    _2が約2.5と4の間にある、特許請求の範囲第1項
    に記載の焼成した中空のセラミック球体。
  4. (4)ガラスバルブ、シリカ粉末、タルク、二酸化チタ
    ン、およびアルミニウムフレークからなる群から選ぶ少
    なくとも一つの不活性の添加物をさらに含む、特許請求
    の範囲第1項に記載の焼成した中空のセラミック球体。
  5. (5)樹脂でさらに被覆されている、特許請求の範囲第
    1項に記載の焼成した中空のセラミック球体。
  6. (6)堅い物体に一緒に結合されている多数の特許請求
    の範囲第1項に記載の中空セラミック球体。
  7. (7)焼成した中空のセラミック球体の製造方法であつ
    て、 i)次の原料 (a)リン酸アルミニウム、ケイ酸ナトリウム、および
    ケイ酸カリウムからなる群から選ん だ連続相物質、および (b)焼成工程中に連続相と組み合わさつて水に溶けな
    い連続相をつくる不溶化剤 からペーストをつくり、 ii)工程i)のペーストからペレットをつくり、ii
    i)工程ii)でつくったペーストのペレットを加熱す
    ることによつて膨張させ、それによつて未焼成の中空球
    体を形成し、さらに iv)連続相を不溶性にするのに十分な温度と時間をか
    けて未焼成の球体を焼成する 工程からなる上記方法。
  8. (8)不溶化剤を もし焼成工程が約400℃と1000℃の間の温度で行
    われるならば、カオリン粘土、 酸化鉄、二酸化チタン、アルミナ三水和物および酸化亜
    鉛、ただし、後者の三つの化合物にあつてはもし工程(
    iv)の焼成温度が約600℃と1000℃の間にある
    場合、 からなる群から選ぶ、特許請求の範囲第7項に記載の方
    法。
  9. (9)連続相がケイ酸塩でありしかも不溶化剤がカオリ
    ン粘土でありそれがさらに、ホウ酸、硫酸カルシウム、
    酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、ホウ酸ナトリウム
    、リン酸カルシウム、アルミナ三水和物、ホウ酸カルシ
    ウム、酸化亜鉛およびオキシ塩化マグネシウムからなる
    群から選んだ反応性の添加物を工程(i)のペースト中
    に含むことからなる、特許請求の範囲第7項に記載の方
    法。
  10. (10)連続相がケイ酸塩でありしかも不溶化剤がカオ
    リン粘土でありそれがさらに、ガラスバブル、シリカ粉
    末、タルク、二酸化チタン、およびアルミニウムフレー
    クからなる群から選んだ不活性充てん物を工程(i)の
    ペースト用の原料内に含むことからなる、特許請求の範
    囲第7項に記載の方法。
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