強化磁器製給食食器の高度化に関する研究
蒲地伸明

強化磁器陶土の開発を行った結果､通常の磁器と同じ 1300℃の焼成で 230MPa を超える曲げ強さを持つ強化磁器陶土の開発に成功した｡また釉薬も同時に開発した｡これらの陶土釉薬を用いて製品を作り衝撃強さ試験を行い衝撃強さの測定結果の分布や試料数と精度の関係などを調査した｡その結果､製品の衝撃強さの測定値は正規分布することが明らかになった｡また試料数は 10 個以上が適切であることが明らかとなった｡
1.はじめに

2.

実験方法

学校給食の現場において強化磁器はアルマイト、 2.1 坏土調製プラスチックに変わる素材として普及が進んでい表 1 に使用原料と調合割合を示す。表中の天草る。この背景には磁器素材の化学的な安定性への陶石は乾式ボールミルによってあらかじめ粉砕さ評価や、情操教育への関心の高まりがある。しかれたものを用いた。各原料を所定の調合割合となしながら強化磁器食器の普及に伴いアルマイト食るように秤量した後、ポットミルに解膠剤および器やプラスチック食器に比べ破損が多く、重いと水を共に投入し粉砕混合した。得られた泥漿は真いう問題点が注視されるようになり、強化磁器製空脱法後 2 時間以上静置したのち鋳込泥漿として食器の強度への関心が高くなってきている。現在使用した。

行われている強化磁器に関する強度試験は、主にローラーマシン成形用坏土は各原料を所定の割素材の強度に関する曲げ強さ試験と製品に関する合で 50kg 調合し同重量の水と共に 50kg ボールミ

衝撃強さ試験の 2 つがある。このうち曲げ強さにルにより 13 時間粉砕混合した。得られた泥漿は関する試験は日本セラミックス協会規格 JCRS

200 メッシュの振動篩を通した後フィルタープレ203「食器用強化磁器の曲げ強さ試験法」に規スにより脱水した。含水率を 21％に調整した後、定されており、測定精度などに関する論文も多く真空土練機を用いて混練しローラーマシン成形用報告されている。1-5）一方製品強度に関する衝撃坏土とした。

強さ試験は国内に規格はなく米国材料試験協会規格 ASTM C368 に準じた方法が用いられること

表1

使用原料と調合割合が多い。しかしながら製品衝撃強さの測定精度に原料名

調合割合 wt%

関する報告はなく試料数と精度の関係が明確では

天草陶土

20～40

蛙目粘土

10～20

ﾆｭｰｼﾞｰﾗﾝﾄﾞｶｵﾘﾝ

0～10SP カオリン

0～10

益田長石

20～30

アルミナ(AL-170)

30～40

ない。
そこで本年度は従来よりも曲げ強度の高い強化磁器陶土の開発を行うとともに、多数の製品を試作し衝撃試験を行うことにより試料数と衝撃強さの精度の関係を調査した。

2.2モーメント 0.576J である。試料への打面は円柱成形および焼成

曲げ強さ試験用の試料は鋳込成形によって曲げ面を用い、試験開始時の初期衝撃値 0.100J、衝撃強さ試験用試料(9×5×80mm)を成形した。乾燥値増分は 0.010J の条件で試験を行った。

後、水ブキ仕上げを行い、電気炉を用いて 1300℃3.

で焼成した。

3.1 曲げ強さ

結果と考察

衝撃強さ試験用の試料はローラーマシン成形に

表 2 に比較的良好な曲げ強さを得ることのできたより直径 164mm 高さ 67mm の碗を成形した。使試料の調合および曲げ強さを示す。酸化焼成でか用した型の図面を図 1 に示す。成形体は乾燥後につ無釉状態の試料で 180MPa 以上の曲げ強さを縁仕上げを行った後電気炉を用いて 900℃の素焼持つこれらの調合は、施釉し還元焼成を行えばきを行った。施釉後強制対流式ガス炉を用い1300℃16 時間の本焼成を行った。なおリファサ

表2ーモ測定による温度分布は 1277℃～1297℃であった。
また使用した釉薬のゼーゲル式を下に示す。

0.22 K 2O 
0.13Na2O 
0.60 Al2O3 }5.50SiO2
0.50 MgO 0.15ZnO 2.3

曲げ強さ測定曲げ強さの測定は JCRS 203 によって行った。

調合割合と曲げ強さ
原料名KY10KY11

天草陶土

3025

蛙目粘土

1520

KY1530ﾆｭｰｼﾞｰﾗﾝﾄﾞｶｵﾘﾝ

5益田長石

202025アルミナ(AL-170)

353540

曲げ強さ（MPa）

183

194

1902.4 衝撃強さ測定
衝撃強さの測定は ASTM C368 型衝撃試験機

99（RA-112 型：リサーチアシスト製）をもちいて90行った。使用ハンマーは軸長さ 377mm ハンマー
破壊確率 (%)

70
50
30

105
無釉（平均206MPa)
施釉（平均238MPa)
1150

175

200

225

250275

破壊応力 (Mpa)

図1

碗図面

図2

曲げ強さのワイブルプロット

200MPa を超える曲げ強度を有すると期待される。
99

この 3 種調合のうち強度と可塑性の優れた KY1190を衝撃試験用の坏土とした。一般にファインセラ

イブル統計解析法（JIS R1625）によって解析される。図 2 に KY11 を 50kg 調合したときの曲げ破壊確率 (%)

ミックスにおける曲げおよび引張試験データはワ70強さのワイブルプロットを示す。試料は施釉、無5030105

釉それぞれ 40 本用意し試料の焼成条件および使用した釉薬は衝撃試験用試料を作成した条件と同1様である。還元焼成時の曲げ強さは無釉試験片で0.150.200.250.300.35

衝撃強さ （J)206MPa、施釉試験片で 238MPa であった。ワイブルプロットも比較的直線的であり今回の試験の

図3

衝撃強さのワイブルプロット精度に問題はないと考えられる。なお無釉、施釉試験片の標準偏差はそれぞれ 13.0、15.8、ワイブル係数はそれぞれ 15.8、16.8 であった。

3.2 衝撃強さ
図 3 に碗試料 100 個に対して行った衝撃強さの測定結果のワイブルプロットを示す。一般にセラミックスの曲げ強度の場合ワイブルプロットは S型の曲線となることが多いが衝撃値のプロットは凸型の曲線となっている。データが正規分布に近い形をしている場合ワイブルプロットにこのよう

図4正規分布を持つデータのワイブルプロットな傾向が表れる。例を図 4 に示す。
図 5 に図 3 の衝撃強さ測定結果の正規確率用紙
99直線となっており測定結果は正規分布していると959080仮定出来る。確認のためχ2 検定による数値検定を行った結果､有意水準 5％の条件において正規分布とみなしてさしつかえないという結果が得られた。
今後､衝撃強さの測定結果は正規分布とみな破壊確率(%)

へのプロットを示す。図より明らかなようにほぼ

50201051して検討を進める。
衝撃値がワイブル分布よりも正規分布に近い分

0.10.20.250.30.35

衝撃強さ （J)布となったのは曲げ強度以外に製品の厚みのばらつきなどの要因が衝撃強さに大きな影響をあたえ0.15

図5

衝撃強さの正規確率紙プロット

0.4

ているためと推測される。

今回の試験では試料数が約 100 と度数分布が取れるほどの数がある。このような場合母集団と標本間での平均値の差はほとんど無いのでそのまま平均値を母平均と考えてよい。なお信頼率 99％で0.100

衝撃強さ平均の差（J）

3.3 衝撃強さの区間推定

0.120の母平均の信頼区間を推定は標本平均±0.01（J）

0.080
0.060
0.0400.020であった。
0.000
0246810

試料数

3.4 測定数と試験結果の精度
図6

測定試料の個数と試験結果の関係についてシミュレーションを行った。今回の測定データ 100 個

試料数と衝撃値平均の差

0.35

より 3 個､5 個､7 個､10 個を抜き出す作業を 200回繰返し平均値の最大値、最小値の比較を行った。

が 3 の試験においては平均値の最大値と最小値の間に 0.1J 近くの開きがあった。標本数が大きくなるに従い最大値と最小値の差は小さくなり標本数

衝撃強さ平均（J）

結果を図 6 に示す。図から明らかなように標本数0.3が 10 の場合は 0.056J となった。一般的な衝撃試

0.25

0.2

最大値
最小値0.15

験の標本数は 3~5 個であるが試料の選び方によっ0.1てこの程度のばらつきがあることは考慮すべきで0204060

試料数80100ある。
図7

コンピューターを用いて標本数と平均値の関係の0.25シミュレーションをおこなった。母集団分布 N（0.25,0.0332）（平均 0.25：標準偏差 0.033）から 2000 個のデータを作成し 0.027+n0.014(n=0,1,2…)の単位で切り上げることによりシミュレーション用データを作成した。このデータより標本数 3,5,7,10,30,50,80,100 の抽出をそれぞれ200 回行い標本数と平均値の関係を調べた。図 7にシミュレーションの結果を示す。平均値の最大衝撃強さ平均値の差（J）

実データを用いた場合母数に限界があるので、試料数と衝撃値平均の最大､最小値

0.03
0.05
0.07

0.2
0.150.10.05
0020406080

試料数値と最小値は標本数が 3 から 10 へ増えるに従い急激に全体平均へと近づき,その後も標本数の増

図8

試料の標準偏差と測定精度

100加と共に緩やかに平均値付近へと収束していくの

3)

Kobayashi, Y., Ohira, O., Ohashi, Y. andがわかる。100 回抽出時の平均値は母集団の平均

Kato,E., J. Ceram. Soc. Japan, Vol.95, pp.

0.257J から±0.01J の範囲に全て含まれており標887-92 (1987)

本数 100 個の衝撃試験データは十分な精度を持っ4)Kato,E., J. Ceram. Soc. Japan, Vol.98, pp.ていると改めて確認できた。
同様のシミュレーションを標本数 2000、母標準偏差が 0.03、0.05、0.07 の場合においても行った。

Kobayashi, Y., Ohira, O., Ohashi, Y. and504-09 (1990)
5)

Kobayashi, Y., Hirai, T., Ohira, O., Isoyama,

結果を図 8 に示す。母標準偏差が大きくなるに従H. and Kato,E., J. Ceram. Soc. Japan,

い同じ試料数での平均値の差が大きくなっている

Vol.104, pp. 604-609 (1996)のが判る。これは母集団のばらつきが大きい場合衝撃試験結果の精度には限界があることを示して関連資料いる。しかしながらいずれの母標準偏差において

1) Kamochi,N.,Terasaki,M.,Katsuki,H,.Kobay

も試料数の増加と精度の関係は同じ様な曲線を示

ashi,Y.,J.

しており経済性と精度の観点から 10 個程度の試

pp.229-233 (2004)

料数が衝撃強さの測定で有効な試料数であると考えられる｡統計処理に関する詳細は関連資料 1 も参照のこと｡

4.まとめ
本年度は強化磁器陶土の開発を行い､1300℃焼成で施釉曲げ強さ 230MPa を超える陶土の開発に成功した｡
またこの陶土を用いて製品の衝撃強さ測定値に統計を用いて検討を加えた結果､製品衝撃強さの測定値は正規分布を示すことが明らかとなった｡
また試料数と精度の関係の調査では､衝撃強さを精度よく求めるためには試料数は最低でも 10 個程度必要であることが明らかとなった｡

参考文献
1)

Kobayashi, Y.

andSoc. Japan, Vol.106
2)

Kato,E., J. Ceram.
pp. 938-941 (1998)

Kobayashi, Y., Ohira, O., Ohashi, Y. andKato,E., J. Ceram. Soc. Japan, Vol.99, pp.
495-502 (1991)

Ceram.

Soc.

Japan,Vol.112,