(57)【要約】【課題】  衛生陶器の薄肉軽量化に適した、高強度、低焼成変形、高耐熱衝撃性を兼ね備えた衛生陶器用素地を提供すること。  【解決手段】  ガラス相と結晶相からなり、結晶相の主成分を石英とする衛生陶器用陶磁器素地であって、前記衛生陶器用陶磁器素地の切断面をレーザー顕微鏡（対物レンズ１０倍）を用いて１ｍｍ２以上の大きさの視野で１０画面以上観察したときの８０μｍ以上の石英粒子の存在確率が１ｍｍ２あたり１個以下であることを特徴とする衛生陶器用陶磁器素地とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス相と結晶相からなり、結晶相の主成分を石英とする衛生陶器用陶磁器素地であって、前記衛生陶器用陶磁器素地の切断面をレーザー顕微鏡（対物レンズ１０倍）を用いて１ｍｍ２以上の大きさの視野で１０画面以上観察したときの８０μｍ以上の石英粒子の存在確率が１ｍｍ２あたり１個以下であることを特徴とするが衛生陶器用陶磁器素地。
【請求項２】
前記衛生陶器用陶磁器素地の吸水率が３wt%以下であることを特徴とする請求項１に記載の衛生陶器用陶磁器素地。
【請求項３】
前記衛生陶器用陶磁器素地の無釉曲げ強度が１００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の衛生陶器用陶磁器素地。
【請求項４】
前記衛生陶器用陶磁器素地を構成する主成分の組成がＳｉＯ２：４５〜６９ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３：２０〜４５ｗｔ％であり、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏからなる群から選ばれた少なくとも１種の成分とＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯからなる群から選ばれた少なくとも１種の成分との和：３〜６ｗｔ％であり、結晶相主成分として前記石英とムライトを、あるいは石英とムライトとコランダムを含み、該石英の含有量が５〜３０ｗｔ％であり、該ムライトの含有量が１０〜３０ｗｔ％であり、該コランダムの含有量が０〜２０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１乃至３のいずいれかに記載の衛生陶器用陶磁器素地。
【請求項５】
前記コランダムが、前記衛生陶器要陶磁器素地の原料として用いられる焼成したばん土頁岩に含まれるものであることを特徴とする請求項４に記載の衛生陶器用陶磁器素地。
【請求項６】
無釉曲げ強度が１００ＭＰa以上であり、耐熱衝撃性が１６０℃以上であることを特徴とする衛生陶器用陶磁器素地。
【請求項７】
前記衛生陶器用陶磁器素地の製造工程における焼成工程での無釉テストピースによる焼成変形量が１７ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずいれかに記載の衛生陶器用陶磁器素地。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛生陶器用陶磁器素地および衛生陶器の製造法に係り、特に衛生陶器の薄肉軽量化を可能とする、焼成強度が大きく、焼成時の熱変形量が小さく、耐熱衝撃性が優れ、また吸水率が小さい衛生陶器用陶磁器素地に関する発明である。 
【背景技術】
【０００２】
衛生陶器は陶磁器製品の中では特に大型複雑形状であることを特徴としている。このような大型複雑形状品においては焼成時における熱変形を小さくするため、またボルト締め固定などにより部分的に加重がかかる部分があるのでその強度を確保するために、その肉厚は９〜１２ｍｍ程度が必要とされていた。そのため衛生陶器は重く施工負荷がかかるという問題があり、その薄肉軽量化が求められている。衛生陶器を薄肉軽量化するためには、曲げ強度は厚みの２乗に比例すると推定できるため素地の焼成強度を大きくすることと、焼成変形量は厚みの２乗に反比例すると推定できるため素地の焼成変形量をを小さくすることの両方の課題をまず解決しなければならない。
【０００３】
このような陶磁器素地の焼成強度を大きくする方法や焼成変形を小さくする方法には種々の手法が考えられるが、衛生陶器特有の制約条件として素地に高い耐熱衝撃性が要求されることがあげられる。ここであげる熱衝撃には洗面器に熱湯を注ぐ場合のような熱衝撃もあるが、それ以上に重要なのは焼成中の熱衝撃である。焼成中の熱衝撃とは特に温度下げの段階で発生するものであり、例えば製品の内部はまだ高温であるにもかかわらず、製品の表面の温度が低下し、この温度差により発生する熱衝撃を指しており、衛生陶器のような大型複雑形状品においてはこの熱衝撃に起因するクラック（窯サメ）の発生の防止は大きな課題である。
【０００４】
従来の衛生陶器用陶磁器素地とは石英、ムライトをその主要結晶相としており、これらの結晶相とその隙間を埋めるＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、およびアルカリ金属酸化物・アルカリ土類金属酸化物を主成分とするガラス相からなっている。このような陶磁器素地は陶石珪石・珪砂・粘土・長石類等の焼成フラックス原料を主成分とする陶磁器素地原料粒子を成形・焼成することにより、石英以外の原料が溶融してＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、およびアルカリ金属酸化物・アルカリ土類金属酸化物を主成分とするガラス相を形成し、このガラス相が粒子隙間を埋めていくことにより形成される。また焼成工程においては石英の一部はガラス相に溶解し、またガラス相からムライトが析出することにより、結果的に溶け残りの石英とムライトをその結晶相としその隙間を埋めるガラス相、および気孔からなる素地構造ができることになる。
【０００５】
素地中に溶け残った石英粒子は、焼成の冷却過程において石英とガラス相の熱膨張差によってガラス相との界面に大きな引っ張り応力が発生する。この応力により石英粒子内もしくは界面に微小なクラック（マイクロクラック）が形成され、このマイクロクラックは原料中のごく微量の粗大石英粒子の存在により発生して素地強度を大きく損なうことが知られている。（非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）。しかしながらこのマイクロクラックの発生には衛生陶器のような大型複雑形状品の製造においては利点もある。即ち従来の衛生陶器用素地ではマイクロクラックを伴う石英粒子が多数存在しており、このマイクロクラックは素地強度を低下させる反面、熱衝撃応力をを緩和する役割を果たすことにより、優れた対熱衝撃性を発現させるものと考えられている。したがって従来の衛生陶器用素地においては無釉曲げ強度は４０〜８０ＭＰa程度であった。
【０００６】
このような素地強度の低下を招く石英をコランダムに代替することにより素地強度の向上をはかる研究が磁器の世界では行われており、既に食器や碍子の世界では一部実用化されている。具体的には磁器原料中にコランダム（αアルミナ）を１０〜６０ｗｔ％程度配合するものであり、機械的強度は無釉曲げ強度で１００ＭＰａ以上になる（例えば特許文献１参照）。この強度はコランダム含有量が多いものほど大きくなる。
【０００７】
一方素地の焼成変形量を小さくする方法としては、前述のようなコランダムを配合した素地において、素地原料を微粒化する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この方法では素地原料の微粒化により素地の焼結性が向上するのを利用して、添加する焼成フラックス量を減らし、焼成時の素地の軟化による変形を低減させている。
しかしながらこの方法では素地中の石英粒子も微粒になるため石英粒子に発生するマイクロクラック量が減少し、素地の耐熱衝撃性が低下する。なお石英粒子が小さくなるとマイクロクラックが発生しなくなる理由は、ガラス相との熱膨張率差により発生する応力も小さくなるためであると考えられている。この耐熱衝撃性の低下を防ぐ方法として、粒径が調整された珪砂等の石英原料を後添加して混合することにより、素地中の石英の微粒化を防ぐ方法も開示されている（例えば特許文献２参照）。
【０００８】
また素地原料を微粒化する方法は素地の強度向上にも効果があることが知られている。素地原料の微粒化による強度向上のメカニズムについては、素地中に残留する粗大粒子や気孔などの欠陥が減少することによるものがひとつであり、さらに素地中の石英粒子の関与が考えられている。陶石、粘土、長石を原料とする素地のように、素地中に石英を含む素地においては、素地原料の微粒化にともない石英粒子中または石英粒子とガラス相の界面におけるマイクロクラックが減少する。マイクロクラックは素地中に存在する１種の欠陥であり、素地強度を低下させるものである。したがってマイクロクラック量の減少は素地強度の向上につながる。またマイクロクラックの減少によって、マイクロクラックの発生により解放されなかった、石英とガラス相の熱膨張差によって生じた応力が石英とガラス相の界面に残留することになり、この残留応力が素地強度を向上させる働きをするものと考えられている。したがって素地中の石英粒子の存在は、素地原料の微粒化によってよりいっそうの強度向上の効果をもたらす。ただしこれは耐熱衝撃性の低下という問題点と裏腹の効果である。
【０００９】
上述のようなコランダム配合による強度向上手段では、コランダム配合量が多いほど強度は向上する反面、次の２点の問題が発生する。第一の問題点はコランダムは石英やガラス相に比べるとその重量が大きいため、せっかく高強度にして薄肉軽量化しようとしても、素地の比重が大きくなって実質的にはそれほどの軽量化にはつながらないという点である。また第二の問題点はアルミナのようなコランダムを大量に含む原料は高価であるということである。これらの問題点を解決するためにコランダムを含む原料として焼成するとコランダムおよびムライトを生成する天然鉱石原料またはそれをか焼してコランダムおよびムライトを生成させた原料を用いる方法も開示されている（例えば特許文献３、特許文献４参照）。しかしながらこの方法をもってしてもやはりコランダムの混合による重量増は避けられないし、またこのような天然原料はアルミナよりは安価であるものの、衛生陶器に通常用いられる原料である、陶石・粘土・長石等に比べるとまだ高価である。
【００１０】
また原料の微粒化とフラックス量の調整により強度の向上と焼成時の変形量を低減させる方法には、素地の耐熱衝撃性が低下するため、焼成時に冷却過程におけるヒートショックのため窯サメが発生しやすくなり、またコランダム配合素地のような高い強度発現の効果は得られないという問題点がある。
【００１１】
このような問題点を解決するために焼成時の変形量を小さくすると共に素地の熱膨張係数を小さくする方法も開示されている（例えば特許文献５参照）。この方法では比重増・価格増につながるコランダムの配合量をそれほど大きくすることなく、高強度でかつ焼成変形が小さな素地を製造することが可能となっているが、耐熱衝撃性の向上という意味では充分ではなく、天然原料の銘柄・ロット差などのバラツキの要因により、窯サメは発生しやすくなっている。
【００１２】
また焼成時の変形量を低減させる別の方法としては強熱減量の小さい材料を使用することによりガラス相の量を減らし、焼成収縮を小さくすると共に焼成時の変形を抑える方法も開示されている（例えば特許文献６参照）。しかしながらこの方法を採用するとシャモットのような素地を焼き締めるのが難しくなるような原料を使用せざるを得なくなるため焼成素地の吸水率は１５〜２０％程度と非常に大きく、これを水廻りの衛生陶器として用いるには凍害や耐汚染性に問題がある。
【００１３】
【特許文献１】特開平２−２７５７５３号公報（第２−４頁、第３表）
【特許文献２】特開平６−５６５１６号公報（第４−６頁、第１表）
【特許文献３】再公表特許ＷＯ９６／０９９９６（第６−１１頁）
【特許文献４】再公表特許ＷＯ９７／２６２２３（第１７−２２頁）
【特許文献５】再公表特許ＷＯ９９／４３６２８
【特許文献６】特開２００２−１１４５６５（第５−６頁、図９）
【非特許文献１】日本セラミックス協会学術論文誌１９９１年２月号第１５３−１５７頁
【非特許文献２】日本セラミックス協会学術論文誌１９９１年１１月号第１１１０−１１１３頁
【非特許文献３】日本セラミックス協会学術論文誌１９９２年８月号第１０６６−１０６９頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、本発明の課題は、特に薄肉軽量化に適した高強度で焼成変形量が小さく、また窯サメの発生がない高い耐熱衝撃性を持つ衛生陶器素地を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明によれば、ガラス相と結晶相からなり、結晶相の主成分を石英とする衛生陶器用陶磁器素地であって、前記衛生陶器用陶磁器素地の切断面をレーザー顕微鏡（対物レンズ１０倍）を用いて１ｍｍ２以上の大きさの視野で１０画面以上観察したときの８０μｍ以上の石英粒子の存在確率が１ｍｍ２あたり１個以下であることを特徴とする衛生陶器用陶磁器素地を提供することにより、素地の耐熱衝撃性を損なうような石英粒子全体の微粒化を伴うことなしに、マイクロクラック発生による強度低下を防ぐことができるため、高強度でありながら焼成変形量が小さく、また高い耐熱衝撃性を持つ衛生陶器の製造が可能となった。
【００１６】
また、請求項２記載の発明によれば、吸水率を大きくするシャモットのような原料を使うことなしに前記衛生陶器用陶磁器素地の吸水率が３wt%以下であることを特徴とする衛生陶器用陶磁器素地を提供することができるため、高強度であることと耐汚染性・耐凍害性の両立が可能となった。
【００１７】
また、請求項３記載の発明によれば、粗粒石英分の除去によりマイクロクラックの発生による強度低下を防止することができるため、前記衛生陶器用陶磁器素地の無釉曲げ強度が１００ＭＰａ以上であることを特徴とする衛生陶器用陶磁器素地を提供することができ、衛生陶器の薄肉化を破損などの危険性なく達成することが可能となった。
【００１８】
また、請求項４記載の発明によれば、前記衛生陶器用陶磁器素地を構成する主成分の組成がＳｉＯ２：４５〜６９ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３：２０〜４５ｗｔ％であり、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏからなる群から選ばれた少なくとも１種の成分とＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯからなる群から選ばれた少なくとも１種の成分との和：３〜６ｗｔ％であり、結晶相主成分として前記石英とムライトを、あるいは石英とムライトとコランダムを含み、該石英の含有量が５〜３０ｗｔ％であり、該ムライトの含有量が１０〜３０ｗｔ％であり、該コランダムの含有量が０〜２０ｗｔ％であることを特徴とする衛生陶器用陶磁器素地を提供することにより、さらに高強度でありながら焼成変形量が小さく、また高い耐熱衝撃性を持つ衛生陶器の製造が可能となった。
【００１９】
また、請求項５記載の発明によれば、前記コランダムが、前記衛生陶器要陶磁器素地の原料として用いられる焼成したばん土頁岩に含まれるものであることを特徴とする衛生陶器用陶磁器素地を提供することにより、より低コストで耐熱衝撃性に優れた衛生陶器の製造が可能となった。
【００２０】
また、請求項６記載の発明によれば、無釉曲げ強度が１００ＭＰa以上であり、耐熱衝撃性が１６０℃以上であることを特徴とする衛生陶器用陶磁器素地を提供することにより、薄肉化しても窯サメの発生がない耐熱衝撃性に優れた軽量の衛生陶器の製造が可能となった。
【００２１】
また、請求項７記載の発明によれば、前記衛生陶器用陶磁器素地の製造工程における焼成工程での無釉テストピースによる焼成変形量が１７ｍｍ以下であることを特徴とする衛生陶器用陶磁器素地を提供することにより、薄肉でシャープな形状の衛生陶器の製造が可能となった。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、高強度で焼成変形が小さくかつ耐熱衝撃性に優れた衛生陶器要素地、及びその製造方法を提供することにより、薄肉軽量の衛生陶器を可能とするという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明における衛生陶器用陶磁器素地はガラス相と結晶相からなる。そして結晶相の主成分としては石英を含んでおり、１ｍｍ２あたりの８０μｍ以上の石英粒子が１個以下であることをその特徴としている。石英粒子の粗粒分として、８０μｍ以上の石英粒子の存在確率が１ｍｍ２あたり１個を超えると、素地強度が低下する不具合が生じる。なお好ましい１ｍｍ２あたりの８０μｍ以上の石英粒子の個数に下限はなく０個であっても差し支えないが、工業的には０．０１個以下にするのはコストアップの要因となる。
【００２４】
ここで定義する粗粒石英粒子の存在確率は、素地の切断面を顕微鏡で１ｍｍ２以上の大きさの視野で１０画面以上観察し１辺が８０μｍ以上の石英粒子の数を数えることにより決定するものとする。即ち、１ｍｍ２の大きさの顕微鏡視野を１００画面観察して、８０μｍ以上の石英粒子が合計２００個観察されたとすると、存在確率は１ｍｍ２あたり２個であると計算できる。
なお石英粒子は不定形をしているのでそのさしわたしで最大の距離を石英粒子の粒径とする。例えば９０μｍ×１０μｍの長方形の粒子が顕微鏡視野で観察されたとするとこれも８０μｍ以上の粒子とカウントする。
【００２５】
本発明における衛生陶器用陶磁器素地の吸水率は好ましくは３ｗｔ％以下、さらに好ましくは０．１ｗｔ％以下である。吸水率が好ましい値より大きくなると衛生陶器の使用環境において吸水が発生して凍害が発生したり、耐汚染性に問題が生じたりする。なお好ましい吸水率に下限はないが、工業的には０．００１％以下にするのはコストアップの要因となる。このように吸水率が小さく焼き締めるためにはシャモットのような仮焼粘土を用いることは好ましくなく、また後述するようにフラックス成分の量を調節する必要がある。
【００２６】
本発明における衛生陶器用陶磁器素地の無釉曲げ強度は好ましくは１００ＭＰa以上である。無釉曲げ強度が１００ＭＰａより小さいと衛生陶器の薄肉軽量化を行うのに十分な
強度を確保することができない。なお好ましい無釉曲げ強度には上限はないが、工業的には３００ＭＰa以上のものは経済的に生産することが難しい。この曲げ強度を上げる手段として、本発明においては石英粒子の粗粒分をなるべく少なくする手段を採用している。
【００２７】
本発明における好ましい衛生陶器素地の構成は、主成分の組成がＳｉＯ２：４５〜６９ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３：２０〜４５ｗｔ％であり、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏからなる群から選ばれた少なくとも１種の成分とＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯからなる群から選ばれた少なくとも１種の成分との和：３〜６ｗｔ％であり、結晶相主成分として前記石英とムライトを、あるいは石英とムライトとコランダムを含み、該石英の含有量が５〜３０ｗｔ％であり、該ムライトの含有量が１０〜３０ｗｔ％であり、該コランダムの含有量が０〜２０ｗｔ％である構成である。ＳｉＯ２の比率が好ましい上限以上になると、粘土やフラックスなどの必要成分を十分な量調合できなくなるので素地の可塑性が低下したり焼結が十分に進まなくなったリする。またＳｉＯ２の比率が好ましい下限以下になると十分な石英分を素地に配合できなるなるため、焼成変形量が大きくなり過ぎる。Ａｌ２Ｏ３の比率が好ましい上限以上になると素地中に含まれるコランダムの量が多すぎるようになり、素地コストが上昇したり比重が大きくなりすぎて軽量化につながらなくなる。Ａｌ２Ｏ３の比率が好ましい下限以下になると、粘土の配合量が少なくなり過ぎて成形時の素地の可塑性に悪影響を及ぼす。Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏからなる群から選ばれた少なくとも１種の成分とＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯからなる群から選ばれた少なくとも１種の成分との和が好ましい上限を超えると、素地の焼成変形が大きくなりすぎ、好ましい下限を超えると焼き締りが低下する。本発明における好ましい結晶相の成分は前記石英を必須とし、またガラス相から析出するムライトも必須である。石英が好ましい上限を超えると素地の焼結性が低下し、また好ましい下限を超えると素地の焼成変形が大きくなりすぎる。またムライトの量は粘土分の量の相関があり、ムライト量が好ましい上限を超えると素地の乾燥収縮量が大きくなり過ぎ、また好ましい下限を超えると素地の可塑性が不充分となる。本発明における結晶相成分としてはさらにコランダムを含んでも良い。コランダムは大量に加えると強度は大きくなるもののコストアップや比重増大につながる。そこでコランダムの含有量は好ましくは０〜２０ｗｔ％であるがさらに好ましくは０〜１０ｗｔ％であり、必要な強度を確保できる限り、なるべく少ないことが好ましく、０であっても差し支えない。
【００２８】
本発明における衛生陶器素地の構成は以上に述べた通りであるがこの素地の最大の特性は高強度であると共に、耐熱衝撃性に優れていることである。即ち従来技術においては素地の微粒化により石英を微粒化してマイクロクラックの発生を抑えることは素地の高強度化には効果があるが、この手法では素地の耐熱衝撃性が低下するため、窯サメの発生には悪影響が出るとされていた。しかしながら本発明においては８０μｍ以上の石英粒子の存在確率を１ｍｍ２あたり１個以下に抑えることによりマイクロクラックの発生を極力抑えて高強度であるというメリットを保持しながら、耐熱衝撃性を同時に向上させることができた。
【００２９】
本発明における衛生陶器素地の好ましい耐熱衝撃性温度は１６０℃以上であり、この耐熱衝撃性温度は８０μｍ以上の石英粒子の存在確率をなるべく小さくすることにより大きくすることが可能である。なお耐熱衝撃性の測定方法・評価方法については後述の実施例において詳述する。
【００３０】
以上のように従来相反する要素とされてきた強度と耐熱衝撃性の両立を可能とした本技術は、無釉曲げ強度で１００ＭＰa以上で耐熱衝撃性が１６０℃以上というこれまでの衛生陶器では達成不可能な高いレベルで高強度化と高耐熱衝撃性化を達成し、薄肉軽量の衛生陶器の生産が可能となった。
【００３１】
このような衛生陶器用陶磁器素地は陶石、珪石、珪砂、粘土、コランダム含有原料、焼結フラックス原料等から選ばれた陶磁器素地原料を、焼成後の素地中の石英粒子が１ｍｍ２あたりの８０μｍ以上の該石英粒子が１個以下になるように水中に分散混合・粒度調整を施したスラリーを調製し、該スラリーを鋳込成形し、成形体を乾燥後、必要な部分に施釉し、１１００〜１３００℃で焼成することにより製造することができる。陶石・珪石・珪砂・粘土・焼結フラックス原料等はその原料中に含まれる石英分を除いて溶融してガラス相を形成し、そのガラス相中からムライトが析出する。また珪石・珪砂はその大部分が、また陶石・粘土・焼結フラックス原料等はその一部が石英結晶からなっており、その石英結晶の一部はガラス相中に溶解する。したがって原料中に含まれる石英の粒径は焼成体中に含まれる石英の粒径とは一致せず、焼成体中の石英粒子は原料中の石英粒子の周辺部分がガラス相中に溶解して径が小さくなり、原料中の微粒の石英粒子はガラス相中に完全に溶解してしまう。
【００３２】
したがって石英粒子の粒度コントロールは原料中の粒度コントロールではなく、焼成条件等を考慮して焼成体中の石英の粒度を測定することにより行わなければならない。８０μｍ以上の粗粒分をなるべく少なくする手段としては、まずは陶石・長石・粘土・フラックス原料などの石英結晶を含む原料を用いる場合、なるべく粗粒の石英を含まない銘柄を選ぶことである。粗粒の石英を含む原料を粉砕工程において細かくする手段を用いては、全体的な平均粒度が細かくなりすぎて、素地の耐熱衝撃性が低下してしまう結果になる。
【００３３】
また、全体的な平均粒度を細かくしすぎると素地の成形時の可塑性が低下するという不具合も生じる。なお好ましいスラリーの平均粒径は４μｍ以上８μｍ以下である。また粗粒石英源となる石英分を多く含む原料については、別途粉砕工程を設けて細かくしておいてからスラリーに混合する手段を用いることもできる。
【００３４】
また、石英分を陶石・粘土・フラックス原料等に含まれる石英分から採るのではなく粒度コントロールされた珪砂から採ることもできる。しかしながら陶石・粘土・フラックス原料として石英分を実質的に全く含まないものは高価な銘柄が多いので経済性を考慮しながら使用を検討する必要がある。
【００３５】
ただすべての石英分を粒度コントロールされた珪砂から採る場合においても、その粒度コントロールされた珪砂はそのごく一部に粗粒の石英分を含む場合がある。したがって石英分をすべて粒度コントロールされた珪砂を用いる場合でも、また石英分を陶石・珪石・粘土・フラックス原料等からとる場合においても、篩い通しにより粗粒分を除くことは確実な方法である。これはスラリー中の粗粒分の大半は石英分であることから有効な手段であるが、ただし前述のように原料中の石英の粒径と焼成体中の石英の粒径は異なるし、また特に陶石を粉砕した時に生じる粗粒石英分は高いアスペクト比を持つので中止しなければならない。例えば目開き８０μｍ以下の篩を用いれば、焼成時に石英粒子の周囲がガラス相に溶けて径が小さくなるために焼成体中には８０μｍ以上の粒子は絶対に存在しないかというとそうではない。アスペクト比が高い粒子、例えば１００μｍ×３０μｍ×３０μｍの粒子は８０μｍの篩の目開きを簡単に通過してしまう。また一般的にふるいの目開きが小さい篩にスラリーを通すのは篩に目詰まりが生じるので工業的には難しく、好ましい篩の目開きは９０μｍ以上である。
【００３６】
また、本発明における衛生陶器用素地の原料であるコランダム含有原料として好ましいのは焼成したばん土頁岩である。焼成したばん土頁岩は主成分としてコランダム結晶とムライト結晶を含み、アルミナをコランダム結晶として単独で加える場合と比較して強度は若干低下するものの耐熱衝撃性は向上する。なお原料として用いられるコランダム結晶は石英結晶の場合と異なりガラス相中にはほとんど溶解しないため、原料中の粒子結晶径がほぼそのまま焼成体中の結晶径となる。好ましいコランダム粒子の平均系は２μｍ〜２０μｍであり、２０μｍを超えると強度向上の効果が十分ではなく、２μｍより小さくなると分散性が悪くなる。
【００３７】
本発明において用される素地原料を構成する石英・コランダム以外の鉱物を以下にあげる。セリサイト、カオリナイト、パイロフィライト、ディッカイト、ハロイサイトといった粘土鉱物は成形時の可塑性向上のために加えられ、粘土・陶石の主要構成成分である。フラックス鉱物としてはカリ長石、ソーダ長石、カルシウム長石、ドロマイト、ウォラストナイト、ネフェリンサイアナイト、タルク、ペタライト、カルサイト、マグネサイト、炭酸バリウム等をあげることができ、これらはＮａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯなどの焼結助剤として働くフラックス成分源となる鉱物である。
【００３８】
また、本発明における衛生陶器用素地の成形方法はスラリーを用いた鋳込成形であるが、そのスラリーを製造するにおいては原料粉体を水中に分散させる必要があり、そのためには解膠剤が用いられる。解膠剤としては水ガラス、炭酸ナトリウム、フミン酸ナトリウム、ポリアクリル酸ナトリウム、アクリル酸オリゴマーアンモニウム塩などを用いることができる。また成形体の強度が特に必要な場合にはスラリーにバインダーを加えることもでき、各種エマルジョン系バインダー、カルボキシルメチルセルロースナトリウム、ポリビニルアルコール、デキストリン、アラビアゴム、トラガガントゴム、メチルセルロース、ペプトン、水溶性デンプン、コロイダルシリカなどのバインダーを用いることができる。
【００３９】
スラリーの調製方法はシリンダーミル・ビーズミルなどを用いた湿式粉砕工程でも、粒度コントロールされた原料を用いたブランジャー混合でも良いが、前述のような粗粒石英分の管理を行う必要がある。調製が終了したスラリーは石膏鋳込成形や加圧鋳込成形を用いて成形され、その後乾燥・施釉・１１００〜１３００℃の温度で焼成という従来技術の工程を経て衛生陶器になる。
【００４０】
この焼成工程における好ましい焼成変形量は１７ｍｍ以下であり、好ましい範囲を超えると十分な薄肉軽量化が難しくなる。なお好ましい焼成変形量には下限値はないが、工業的には焼成変形量を５ｍｍ以下にすることは難しい。なおここで言う焼成変形量の測定方法については実施例において詳述する。このように焼成変形量を小さく抑えるためには前述のように平均粒径を小さくすることによりフラックス成分量を抑えても焼結が進むようにする必要があるが、単純に粉砕により平均粒径を小さくしていくと耐熱衝撃性が悪化する。そこで本発明における技術である、粗粒石英粒子の存在確率を小さくすることにより、強度・焼成変形・耐熱衝撃性の３つの値を薄肉軽量化衛陶に適した値にコントロールすることが可能となり、現行の衛生陶器から２０〜３０％の薄肉軽量化が可能となる。
【実施例】
【００４１】
以下に本発明の実施例を説明する。
表1は、実施例で使用した原料の化学組成を示す。これらはすべて天然原料であり、示した化学組成は代表値である。また含有鉱物はXRD定量分析により推定したものであり、それぞれの鉱物の純粋な化学組成の合計とは誤差がある。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
陶石はセリサイト系、カオリナイト系で低純度と高純度のものを用い、高純度のものはほぼ純粋な粘土鉱物であるセリサイト、カオリナイトであるが、低純度のものは大量に石英分を含んでいる。蛙目粘土、長石も石英分を含んでいる。焼成ばん土頁岩は天然原料であるばん土頁岩を仮焼してコランダム約８０ｗｔ％、ムライト約１０ｗｔ％、ガラス成分約１０ｗｔ％の組成にしたものである。カオリン鉱物とは、カオリナイト以外にデイカイト、パイロフィライト、ハロイサイトも含めたものであり、このカオリン鉱物とセリサイトの総量が全原料に含まれる粘土鉱物量である。
【００４４】
表２及び表３に本発明における比較例及び実施例にかかる素地の使用原料、原料中の含有組成鉱物、原料平均粒子系、焼成温度、素地組成、粗粒石英量、及び素地物性を示す。それぞれの表示方法、調合方法、測定方法、評価方法は下記の通りである。
表２、表３における原料調合有無とは、表１に示す各原料を用いたことをあらわしており、それぞれの調合比を合計すると表２・表３に示す原料中鉱物組成の比になっている。
それぞれの組成の原料に水と解膠剤として粘性が２００−４００CPの範囲となるように解膠剤としての水ガラスを添加し、ボールミルで粉砕してスラリーを調製した。なおスラリーの体積濃度はスラリー中の粉の体積濃度で４９−５２vol%である。スラリー中の原料の平均粒径はレーザー散乱方式の粒度分布測定装置(日機装(株)製マイクロトラックMT-3000)で測定し、累積体積５０％の粒径で表示した。
【００４５】
【表２】
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【００４６】
【表３】
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【００４７】
次にこのスラリーを石膏型に流し込み、後述する所定の形状のテストピースを作成した。それぞれのテストピースは乾燥後、１２００℃、ソーキング時間３０分にて焼成した。
それぞれの素地の化学組成は焼成素地のXRF分析により行い、各酸化物の量を定量した。各焼成素地のXRD分析においては石英・ムライト・コランダム以外のピークは観察できず、またコランダムのピークが観察できたものは原料としてコランダムを加えたものだけであった。そこでXRD分析により、焼成素地中のムライト・石英・コランダムを定量した。素地組成における結晶相の量はムライト・石英・コランダムの量の総計で表示しガラス相の量は１００％から上記結晶相の量を差し引いた量として表示した。また焼成フラックス量は素地の化学組成のうちＮａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＣａＯ、ＭｇＯの量の総計として表示した。
【００４８】
粗粒石英量は以下のようにして求めた。テストピースの切断面をラップし、フッ酸０．５ｗｔ％溶液に１時間浸漬した。洗浄・乾燥後サンプルを共焦点レーザー顕微鏡（オリンパスOLS1100）を用いて石英粒子を観察した。なお観察条件は対物レンズ１０倍で視野範囲は１．２８ｍｍ×０．９６ｍｍ（１．２３ｍｍ２）とした。なお図１に実施例２の、図２に比較例１の観察例を示す。黒く見えるマトリックス相がガラス相であり、白い粒子が石英結晶粒子である。なおムライト結晶粒子はガラス相に覆われているためにこの写真では観察できないがフッ酸によるエッチング条件をもっと厳しくしてガラス相を溶解させると観察することができる。なお実施例２における白い粒子には微量含まれているコランダム粒子も含まれるが、コランダム粒子はすべて３０μｍ以下の粒径まで微粉砕されている。それぞれの視野におけるさしわたしの最大径で８０μｍ以上の石英粒子の数をカウントした。そしてそれぞれのサンプルで任意の１０箇所以上を測定し、その平均から１ｍｍ２あたりの８０μｍ以上の石英粒子の個数を計算した。
【００４９】
素地物性のうち吸水率は、完全乾燥したテストピースを２時間煮沸し、さらに２４時間放置したときの重量増加率で評価した。焼成収縮率は焼成前後でのテストピースの径方向の長さ変化より求めた。強度は、φ13×130mmのテストピースにより、スパン100mm、クロスヘッドスピード2.5mm/minの条件で3点曲げ方法で測定した。焼成変形量は、幅30mm、厚み15mm、長さ260mmの未焼成の試験片を焼成時にスパン200mmで支持しておき、焼成後のたわみ量と試験片の厚みを測定した。このときのたわみ量は焼成後の試験片の厚みの二乗に反比例するので、次の式で、厚みが10mmの時に換算したたわみ量を焼成変形量とした。
焼成変形量＝たわみ量測定値×(焼成後の試験片の厚み)2/102
【００５０】
耐熱衝撃性は、幅25×厚み10×長さ110mmの焼成したテストピースを、所定温度で３時間保持した後、水中に投入して急冷し、クラック発生の有無をチェックし評価した。そして１０℃ずつ急冷温度を上げていき、クラックが生じない最大温度差を耐熱衝撃性として示した。
【００５１】
比較例１は、従来より衛生陶器の生産に使用されている一般的な素地である。このような素地では、衛生陶器のような大型複雑形状品を薄肉にて試作した場合、製品の変形が大きく生産に不適当である。
【００５２】
比較例2は、比較例１を微粒化することにより素地強化と焼成変形の低減を図った、従来技術の素地である。このような素地では、耐熱衝撃性が大幅に低下するために窯サメが発生しやすくなり、また素地の可塑性が悪く加工性の悪化、乾燥キレの発生が大きいこと等から生産性が悪いという問題がある。
【００５３】
比較例３は、高純度セリサイト陶石、高純度カオリン陶石および高純度の石英粒子を用い、90μm目開きの篩通しにより粗粒を除去した素地である。この素地では石英粒子が粗いため篩通しをしてもアスペクト比が大きな粗粒石英粒子を除くことができず、また平均粒径も粗いため強度が低く、焼成変形が大きくなるため、薄肉衛生陶器の作製に不適である。
【００５４】
比較例４は、比較例１の調合比をベースとした素地ににばん土頁岩を添加し、素地の高強度化を図った素地である。この素地では、コランダムの添加効果により強度は向上するものの、粗粒石英の存在により薄肉化による軽量効果が得られるほどの強度は得られておらず、また平均粒径も粗いため焼成変形も大きい。
【００５５】
比較例５は、比較例２と同様に比較例１を微粒化したものであるが、素地の可塑性が悪化しないよう粒度をやや粗く設計してある。この場合は強度の向上効果があまり得られない。
【００５６】
比較例６は、粗粒石英を90μm目開きの篩通しにより除去した素地であるが、平均粒径が粗いため粗粒石英を充分に除くことができず、強度の向上効果があまり得られない。
【００５７】
比較例７は、比較例３の素地に含まれる高純度石英を、調合前にあらかじめ粉砕し微粒化しておき、素地を作製したものである。この素地では、やや強度の向上が見られるが、100Mpa以上の高い強度は得られていない。
【００５８】
以上のようにすべての比較例の素地は８０ミクロン以上の粗粒石英のの存在確率は１ｍｍ２あたり３個以上あり、また耐熱衝撃性も低い。また耐熱衝撃性、強度、焼成変形量を総合して評価して衛生陶器の薄肉化には向いていない。
【００５９】
実施例１は、比較例７をベースにして、粗粒石英を90μm目開きの篩通しにより除去した素地である。
【００６０】
実施例２乃至４は、ばん土頁岩を原料として添加している。
実施例２は、比較例３を微粒化してばん土頁岩を添加したものであるが、素地の可塑性が悪化しないよう粒度が細かすぎないように調節している。
実施例３は、実施例２を90μm目開きの篩通しにより粗粒石英をさらに除去した素地である。
実施例４は実施例３中の陶石に含まれる石英を用いず、高純度セリサイト陶石、高純度カオリン陶石および粉砕により微粒化した高純度の石英粒子を用い、さらに90μm目開きの篩通しにより粗粒石英を除去した素地である。
【００６１】
ばん土頁岩に含まれるコランダムは素地強化になり、また耐熱衝撃性の向上にも効果があるが、粗粒石英分の除去と組み合わせることにより、コストアップ、比重増大につながるコランダム量を10wt%未満に抑え、コランダムによる素地強化の効果を効率よく引き出すことが出来る。
【００６２】
以上のようにすべての実施例の素地は８０μｍ以上の粗粒石英の存在確率が１ｍｍ２あたり１個以下であり、高い耐熱衝撃性を呈する。また耐熱衝撃性、強度、焼成変形量を総合して評価して衛生陶器の薄肉化には向いている素地であって、現行の衛生陶器から２０〜３０％の薄肉軽量化を可能とする。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明の衛生陶器用陶磁器素地は、焼成強度が大きく、焼成時の熱変形量が小さく、耐熱衝撃性に優れているため、衛生陶器の薄肉軽量化に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の衛生陶器素地の微構造を示す顕微鏡写真である。
【図２】従来の衛生陶器素地の微構造を示す顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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