(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも酸化物基準で二酸化珪素２５〜６０重量％、アルミナ３０〜６０重量％、五酸化リン５〜２０重量％、アルカリ金属酸化物１〜７重量％、アルカリ土類金属酸化物０〜２重量％からなる焼成体素地からなり、該焼成体素地中には径が１〜５μｍの微細独立気孔が多数形成され、該焼成体素地の嵩密度が２．６ｇ／ｃｍ3 以下で、平均曲げ強度が１２０ＭＰａ以上であることを特徴とする軽量強化磁器。
【請求項２】
少なくとも酸化物基準で二酸化珪素２５〜６０重量％、アルミナ３０〜６０重量％、五酸化リン５〜２０重量％、アルカリ金属酸化物１〜７重量％、フッ素１７７／１００．０９〜６重量％、アルカリ土類金属酸化物０〜２重量％からなる焼成体素地からなり、該焼成体素地中には径が１〜５μｍの微細独立気孔が多数形成され、該焼成体素地の嵩密度が２．５ｇ／ｃｍ3 以下で、平均曲げ強度が１００ＭＰａ以上であることを特徴とする軽量強化磁器。
【請求項３】
珪石、粘土類、長石類、酸化アルミニウムから選ばれると共にリン酸アルミニウムを含有する原料を１２００〜１４００℃で焼成し、少なくとも酸化物基準で二酸化珪素２５〜６０重量％、アルミナ３０〜６０重量％、五酸化リン５〜２０重量％、アルカリ金属酸化物１〜７重量％、アルカリ土類金属酸化物０〜２重量％からなり、該焼成体素地中には径が１〜５μｍの微細独立気孔が多数形成され、該焼成体素地の嵩密度が２．６ｇ／ｃｍ3 以下で、平均曲げ強度が１２０ＭＰａ以上である焼成体素地とすることを特徴とする軽量強化磁器の製造方法。
【請求項４】
珪石、粘土類、長石類、酸化アルミニウムから選ばれると共にリン酸アルミニウムおよびフッ化アルミニウムを含有する原料を１２００〜１４００℃で焼成し、少なくとも酸化物基準で二酸化珪素２５〜６０重量％、アルミナ３０〜６０重量％、五酸化リン５〜２０重量％、アルカリ金属酸化物１〜７重量％、フッ素１７７／１００．０９〜６重量％、アルカリ土類金属酸化物０〜２重量％からなり、該焼成体素地中には径が１〜５μｍの微細独立気孔が多数形成され、該焼成体素地の嵩密度が２．５ｇ／ｃｍ3 以下で、平均曲げ強度が１００ＭＰａ以上である焼成体素地とすることを特徴とする軽量強化磁器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度で、かつ軽量化した軽量強化磁器及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
強化磁器を製造するには、磁器の組成に微細な粒子径のアルミナ粒子を２０％〜４０％程度、磁器素地中に分散して配合し、磁器素地の強度を増加させる方法が一般にとられている。しかしながら、アルミナ粒子の添加は、アルミナ自身の密度が約４ｇ／ｃｍ3もあるためアルミナの配合量が増加するに伴い、磁器素地の嵩密度が増加し、一般に使用されている強化磁器の嵩密度は約２．８ｇ／ｃｍ3〜２．９ｇ／ｃｍ3と、一般磁器の嵩密度約２．４ｇ／ｃｍ3と比べかなり大きくなっている。また、多量のアルミナ粒子が素地中に分散しているため、素地の透光性が大きく減少し、磁器としての美的な付加価値が大きく損なわれる。さらに磁器製品自体の重量が増加し、レストランやホテルで使用されている業務用食器など、また、航空機内で使用される機内食用の食器など磁器製品の運搬や移動時及びその取り扱いにおいて大きな欠点となっている。
【０００３】
そのため、それらの欠点を解決し、素地の軽量化を実現するため、焼成中に燃焼し素地中に気孔を形成させる目的で有機物を混入したり、気孔をあらかじめ素地中に形成させる目的で、無機物で耐火性の中空粒子を混入したりしている。しかし、有機物を混入すると陶土の保管期間が長くなった場合、有機物が腐敗して悪臭を放ったり、カビやコケが生えたりして使用できなくなることがある。また、無機物で耐火性の中空粒子を混入した場合は、中空部分すなわち気孔径が大きく十分な素地の強度が得られず、さらに、強度を増加させるために多量のアルミナ粒子を素地中に分散させると、磁器素地の透光性が得られないという問題も生じる。
【０００４】
そのため、レストランやホテルで使用されている業務用食器など、また、航空機内で使用される機内食用の食器など強化磁器製品のニーズが増える中、磁器製品の高強度と軽量化の両立、さらに美的付加価値を持った磁器が望まれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、嵩密度が一般の磁器と同程度もしくはそれ以下であり、しかも平均曲げ強度が一般の磁器より大きい１００ＭＰａ以上の物性を有し、高い透光性を持った軽量強化磁器の提供とその製造方法の提供を課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の軽量強化磁器は、少なくとも酸化物基準で二酸化珪素２５〜６０重量％、アルミナ３０〜６０重量％、五酸化リン５〜２０重量％、アルカリ金属酸化物１〜７重量％、アルカリ土類金属酸化物０〜２重量％からなる焼成体素地からなり、該焼成体素地中には径が１〜５μｍの微細独立気孔が多数形成され、該焼成体素地の嵩密度が２．６ｇ／ｃｍ3 以下で、平均曲げ強度が１２０ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の第２の軽量強化磁器は、少なくとも酸化物基準で二酸化珪素２５〜６０重量％、アルミナ３０〜６０重量％、五酸化リン５〜２０重量％、アルカリ金属酸化物１〜７重量％、フッ素１７７／１００．０９〜６重量％、アルカリ土類金属酸化物０〜２重量％からなる焼成体素地からなり、該焼成体素地中には径が１〜５μｍの微細独立気孔が多数形成され、該焼成体素地の嵩密度が２．５ｇ／ｃｍ3 以下で、平均曲げ強度が１００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の第１の軽量強化磁器の製造方法は、珪石、粘土類、長石類、酸化アルミニウムから選ばれると共にリン酸アルミニウムを含有する原料を１２００〜１４００℃で焼成し、少なくとも酸化物基準で二酸化珪素２５〜６０重量％、アルミナ３０〜６０重量％、五酸化リン５〜２０重量％、アルカリ金属酸化物１〜７重量％、アルカリ土類金属酸化物０〜２重量％からなり、該焼成体素地中には径が１〜５μｍの微細独立気孔が多数形成され、該焼成体素地の嵩密度が２．６ｇ／ｃｍ3 以下で、平均曲げ強度が１２０ＭＰａ以上である焼成体素地とすることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第２の軽量強化磁器の製造方法は、珪石、粘土類、長石類、酸化アルミニウムから選ばれると共にリン酸アルミニウムおよびフッ化アルミニウムを含有する原料を１２００〜１４００℃で焼成し、少なくとも酸化物基準で二酸化珪素２５〜６０重量％、アルミナ３０〜６０重量％、五酸化リン５〜２０重量％、アルカリ金属酸化物１〜７重量％、フッ素１７７／１００．０９〜６重量％、アルカリ土類金属酸化物０〜２重量％からなり、該焼成体素地中には径が１〜５μｍの微細独立気孔が多数形成され、該焼成体素地の嵩密度が２．５ｇ／ｃｍ3 以下で、平均曲げ強度が１００ＭＰａ以上である焼成体素地とすることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の軽量強化磁器におけるアルミナは、長石、ペタライト、粘土、イングランドカオリン、オクムラセリサイト、リン酸アルミニウム、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム由来のものとするとよい。
【００１１】
アルミナ成分は、焼成後にアルミナ結晶としてそのまま存在して強度の増加に寄与し、またムライト結晶の生成に寄与する。さらに、本発明の軽量強化磁器は、焼成時にリン酸ガラスが形成されることを特徴とするが、アルミナ成分はリン酸ガラス中に熔融してリン酸アルミニウムと共にガラス相形成に寄与し、また、ガラス相の飽和により再結晶化するリン酸アルミニウムの生成に寄与する。本発明の軽量強化磁器にあっては、このリン酸アルミニウムの再結晶化により、強度が増加するものと考えられる。焼成後におけるアルミナ量は、酸化物基準組成で３０〜６０重量％、好ましくは３０〜５０重量％、さらに好ましくは３５〜４５重量％含有させると良い。３０重量％未満であると必要な強度が得られず、６０重量％以上であると焼結温度が高くなり、素地が磁器化しないという問題が生じる。
【００１２】
また、アルミナ源の一部として、粒径１μｍ〜１０μｍの酸化アルミニウム粒子を使用すると焼成後にアルミナ結晶としてそのまま存在して強度の増加に寄与するので好ましい。しかしながら、アルミナ成分における酸化アルミニウム粒子の含有量は５重量％〜５０重量％、好ましくは１０重量％〜４０重量％とするとよく、多すぎるとリン酸ガラス相の形成に寄与せず、好ましくない。また、軽量強化磁器の酸化物組成における酸化アルミニウム粒子の含有量は５重量％〜３０重量％、好ましくは１０重量％〜２０重量％とするとよい。多すぎると嵩密度が増大して好ましくない。
【００１３】
アルカリ金属酸化物は、長石類、ペタライト等のアルカリ金属含有物由来のものとするとよく、リン酸アルミニウムと共にガラス相形成に寄与する。含有量は、焼成後の酸化物基準組成で１〜７重量％、好ましくは、１〜６重量％、さらに好ましくは、１〜５重量％するように含有させると良い。１重量％未満であると十分にガラス相が形成されず素地が焼結しなくなり、７重量％以上であると焼成中の軟化変形が大きくなるという問題が生じる。
【００１４】
軽量強化磁器における素地中に含有される五酸化リンは、リン酸アルミニム由来のものとするとよいが、アルカリ土類金属リン酸塩以外の不水溶性リン酸塩のものであれば使用できる。アルカリ土類金属リン酸塩は、リン酸アルミニウムの再結晶化形成を阻害し、気泡発生機構を阻害するので好ましくなく、また、水溶性リン酸塩は、軽量強化磁器の製造方法として原料を水と混合して陶土泥漿とし、水を除去して陶土とされる際に水と共に除去されるので好ましくない。リン酸アルミニムは焼成に際してアルカリ金属やアルミナ成分と共にリン酸ガラス相の形成に寄与する。そして、ガラス相の飽和現象によりリン酸アルミニウムが再結晶化し、強度の増大が生じるものと考えられる。また、同時に、リン酸ガラス相が形成する際にアルミニウムの配位数やリンの原子価数が変化し、余分な酸素がガス状として放出され、ガラス相中に微細気孔が多数形成され、素地の嵩密度を小さくする作用を示す。焼成後にあって、五酸化リンは酸化物基準組成で５〜２０重量％、好ましくは５〜１５重量％、さらに好ましくは、５〜１０重量％含有させると良い。５重量％未満であると効果が少なく、２０重量％以上であるとガラス相が多量に生成し、焼成軟化変形が大きくなり、また、形成される気孔径が大きくなって開気孔となり、素地に吸水性が発生するという問題が生じる。
【００１５】
二酸化珪素は、アルミナ源としての長石、ペタライト、粘土、イングランドカオリン、オクムラセリサイトを使用する際に含有されるに至るものであるが、ほとんどが二酸化珪素からなる珪石由来のものとしてもよい。二酸化珪素は、ガラス相の形成やムライト結晶の生成に寄与する。二酸化珪素は、焼成後の酸化物基準組成で２５〜６０重量％、好ましくは３０〜５０重量％、さらに好ましくは３５〜４５重量％含有させると良い。２５重量％未満であるとガラス相やムライトの生成が阻害され、素地が磁器化しにくいという問題があり、また、６０重量％以上であるとガラス相が生成しすぎ、焼成物の焼成変形が大きくなるという問題が生じる。
【００１６】
また、アルカリ土類金属酸化物は、炭酸塩由来のもの又は天然鉱物及び天然鉱物の不純物由来であり、ガラス相形成の補助的な目的として必要に応じて含有させてもよい。含有量は、焼成後の酸化物基準組成で０〜２重量％、好ましくは０〜１重量％、さらに好ましくは０〜０．５重量％含有させると良い。２重量％以上であると焼成中の軟化変形が大きくなり、また、焼成温度幅が狭くなる。
【００１７】
また、酸化第二鉄及び酸化チタンは、含有しないことが好ましいが、天然鉱物に不純物として含有されるため１重量％未満とすることが好ましい。１重量％以上含有すると、素地の呈色が灰色または薄い茶色となって美的価値を損なうという問題が生じる
本発明の軽量強化磁器の作製に際して使用できる原料について、生の状態での酸化物組成を表１に、また、１１００℃で焼成後の状態での酸化物組成を表２に示しておく。なお、表中、ＡＰは燐酸アルミニウム、Ａｌ2 Ｏ3 は酸化アルミニウム粒子、ＡＦはフッ化アルミニウムを示す。
【００１８】
【表１】
0003926110.tif 000002
【００１９】
【表２】
0003926110.tif 000003
【００２０】
本発明の第１の軽量強化磁器は、酸化物基準で二酸化珪素２５〜６０重量％、アルミナ２５〜６０重量％、五酸化リン５〜２０重量％、アルカリ金属酸化物１〜７重量％からなる基本構成を有し、必要に応じてアルカリ土類金属酸化物０〜２重量％を含有するものであるが、本発明におけるリン酸ガラス相の形成と共にリン酸アルミニウムの再結晶化現象を発現させるためには、リン酸アルミニウム１００重量部に対して、アルカリ金属酸化物由来の原料をアルカリ金属酸化物換算で５重量部〜６０重量部、アルミナ由来の原料をアルミナ換算で１３５重量部〜９１０重量部の割合で混合し、焼成するとよい。
【００２１】
次に、本発明の第２の軽量強化磁器は、上述した第１の軽量強化磁器における基本組成において、更に、微細気孔量を増加させ素地の嵩密度を減少させる目的として、フッ素成分を含有させるものである。フッ素成分はフッ化アルミニウム由来のものを原料として使用するとよく、含有量は焼成後の酸化物基準組成で０〜６重量％、好ましくは０〜５重量％、さらに好ましくは０〜４重量％含有させると良い。６重量％以上含有させると素地中に気孔が多量に発生し、十分な強度が得られないという問題が生じる。
【００２２】
本発明の軽量強化磁器は、原料を水と混合して陶土泥漿とし、水を除去して陶土とされ、成形された後、１２００℃〜１４００℃の焼成温度で焼成される。通常の磁器の強度は８０ＭＰａ程度であるのに対して、本発明の第１の軽量強化磁器にあっては１２０ＭＰａ〜２４０ＭＰａの強度のものとでき、また、第２の軽量強化磁器にあっては１００ＭＰａ〜１９０ＭＰａの強度のものとできる。
【００２３】
また、本発明の軽量強化磁器には多数の独立微細気泡を有するものとできるが、独立微細気泡としては、その径が１〜５μｍとされるとよい。通常の磁器の嵩密度は２．４ｇ／ｃｍ3 程度であるのに対して、第１の軽量強化磁器にあっては２．２〜２．６ｇ／ｃｍ3 の嵩密度のものとでき、また、第２の軽量強化磁器にあっては２．２〜２．５ｇ／ｃｍ3 の嵩密度のものとできる。
【００２４】
焼成後の磁器素地は、厚みを１ｍｍ〜４ｍｍ程度とされるが、磁器特有の透光性を有するものとできる。
【００２５】
次に、本発明の軽量強化磁器の製造工程を説明する。
（１）  珪石、長石類及び粘土類又は、リン酸アルミニウム、酸化アルミニウム及び水酸化アルミニウム等の原料や、フッ化アルミニウム等の添加剤を素地組成となるように配合し、ボールミルで平均粒子径が約２μｍとなるように粉砕及び混合を行って陶土泥漿とし、調製した泥漿は、フィルタープレスなどで脱水して陶土とする。
（２）  陶土は、ローラーマシン成形などのロクロ成形や、鋳込み成形または、プレス成形等の成形方法で成形し、乾燥後その成形体を約８００℃、８時間で素焼きを行い、それに下絵付けなどの加飾を行った後、施釉して１２００〜１４００℃、好ましくは１２５０℃〜１３５０℃、更に好ましくは１２８０℃〜１３３０℃で３時間〜２４時間で本焼き焼成される。本焼き焼成品は、イングレーズや上絵付けの加飾をされて軽量強化磁器製品となる。
【００２６】
また、成形体を１２００℃〜１４００℃の焼成温度で締め焼きした後、施釉して釉焼を行い軽量強化磁器製品とすることもできるが、下絵とイングレーズや上絵は、加飾を行わない場合もある。
【００２７】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
（実施例１〜３４）
下記の表３〜表８に記載の割合でそれぞれ配合し、ポールミルにて湿式法で粉砕・混合し、平均粒子径２μｍとした後、フィルターでプレスして陶土を調製した。調製した陶土を鋳込み成形し、自然乾燥させた後、ローラーハースキルンを使用して、焼成温度１３００℃、還元雰囲気中で４．５時間本焼き焼成して、本発明の第１及び第２の軽量強化磁器を作製した。
【００２８】
なお、下記の表３〜表５における蛙目粘土は土岐口蛙目粘土特級粘土、ペライトはブラジル・ビキタ産ペタライト、アルミナはアルミナ粒子（平均粒子径４μｍ、日本軽金属（株）製「Ａ−３４」）、リン酸アルミニウムはリン酸アルミニウム（太平窯業薬品（株）製「タイボリーＬ２）、イングランドカオリンはイングランドカオリンＳＰ、益田長石は益田長石ＦＧグレード、フッ化アルミニウムはフッ化アルミニウム（森田化学工業（株）製）である。
【００２９】
【表３】
0003926110.tif 000004
【００３０】
【表４】
0003926110.tif 000005
【００３１】
【表５】
0003926110.tif 000006
【００３２】
得られた軽量強化磁器における酸化物組成をそれぞれの原料の酸化物組成と配合量から計算して求めた結果を下記表６〜表１１に示す。
【００３３】
また、得られた軽量強化磁器の曲げ強度（三点曲げ強度）はＪＩＳ  Ｒ  １６０１−１９９５（ファインセラミックスの曲げ強さ試験法）に準拠し、試料寸法を縦７ｍｍ×横５０ｍｍ×高さ５ｍｍとし、（株）島津製作所製「オートグラフＡＧＳ−５ｋＮＤ」により測定し、同様に下記表６〜表１１に示す。
【００３４】
また、吸水率と嵩密度をＡＳＴＭ  Ｃ  ３７３−８８（和訳名、陶器製品の吸水率、嵩密度、見掛け気孔率、見掛け比重の標準試験法）を使用して測定し、同様に下記表６〜表１１に示す。
【００３５】
また、図１に実施例１で作製した軽量強化磁器断面の粒子構造についての走査型電子顕微鏡（３０００倍）写真を示す。図１からわかるように、本発明の軽量強化磁器は、気泡が粒子状に多数点在するものであることが看取される。
【００３６】
【表６】
0003926110.tif 000007
【００３７】
【表７】
0003926110.tif 000008
【００３８】
【表８】
0003926110.tif 000009
【００３９】
【表９】
0003926110.tif 000010
【００４０】
【表１０】
0003926110.tif 000011
【００４１】
【表１１】
0003926110.tif 000012
【００４２】
【発明の効果】
本発明の軽量強化磁器は、焼成体素地が、少なくとも二酸化珪素、アルミナ、五酸化リン、アルカリ金属酸化物からなるか、または、さらに該組成に加えてフッ素からなるものであり、焼成体素地中には微細独立気孔が多数形成されることにより、従来の強化磁器と同等の強度、嵩密度及び高い透光性を兼ね備えたものとできる。すなわち、本発明の軽量強化磁器は、従来の強化磁器と同等以上の平均曲げ強度を有しながら、従来の強化磁器よりも小さい２．６ｇ／ｃｍ3以下の嵩密度を持つため、強化磁器製品の重量を軽量化することができ、しかも美しい透光性を持った軽量強化磁器とできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明における実施例１で作製した軽量強化磁器の断面の粒子構造を示す走査型電子顕微鏡（３０００倍）写真である。
【図１】
0003926110.tif 000013