産業廃棄物を活用したリサイクル製品の開発
志波雄三

堤靖幸

蒲地伸明

吉田秀治

寺﨑信

有田焼の製造工程から発生する太白屑、ハマ、素焼屑を合計 21wt%使用していわゆるリサイクル磁器素地を開発した。ひとつは配合陶土で焼き腰が現行天草撰中より約 40%強く、耐熱性は試験温度差 180℃熱衝撃試験を合格できた。二つめは天草陶石使用陶土で焼き腰が現行品よりわずかに強く、耐熱性は試験温度差 150℃熱衝撃試験を合格できる前者より低い物性であったが上絵加飾が可能な熱膨張係数 7.1×10-6/K(30℃―700℃)の素地が得られた。前者の陶土をスケールアップ調製し、製品試作、展示会で発表した。
1.はじめにという事業を立ち上げた。これは廃棄物を活用して地球環境問題は昨今の最大関心事であり、日常生食器を開発するというものである。当センターは開活や産業界にとって避けて通れない重要事項となっ発から製品化まで技術的な支援を担うことになった。ている。このため廃棄物の減量化推進とか循環型シ

本報告では目標素地について開発の着眼点、経緯、ステムといった取り組みが官民ともに行われている。

素地の物性などについて報告する。

本県有田町は日本を代表する陶磁器産地であり、この業界も製造工程等から発生する陶磁器屑やハマ等の窯業廃棄物の処分問題が表面化しつつある。また製造商社間では廃棄物を活用したリサイクル製品の必要意識も高まっている。

2.製品目標と開発指針
本事業では製品目標として次のようにいくつかの仕様を挙げられた。
①産地内廃棄物を配合した白色磁器であること

こうした状況に対応するため大有田焼振興協同組②現行品より焼腰が強いこと

合は環境を配慮しかつ地場産業活性化という目的の③素地が耐熱性を持つ

もと『循環型社会に対応したリサイクル商品の開発』④現行品と同様に上絵加飾ができること

表1 窯業廃棄物の発生量および処理量 1)

廃棄物名称

発生量(kg) 件数

再資源化量

最終処分量

(kg) 再資源化率(%)(kg) 最終処分率(%)

碍子110,000

100 110,000100磁器屑(上絵無)183,737 70

51,35127.9 132,385

72.1

窯道具屑(ハマ)106,803 59

56,22052.6

50,04447.4

素焼屑

86,264 63

26,06830.2

60,19669.8

廃土

363,050 14 256,035

70.5 107,015

29.5

底土

258,270 21 255,890

99.1

2,380

0.9

58.3 462,020

41.7

合計 1,108,124 228

645,564

以上の四つの仕様を満足する要件をそれぞれ考える配合陶土、二つめは②、③の目標を前者より若干ると、まず①については有色の廃棄物は利用できな低くして、上絵加飾ができる天草陶石使用陶土といい。廃棄物の配合量の検討データとして佐賀県陶磁

う、2 種類の素地開発を行うことにした。

器工業協同組合が行った廃棄物調査をもとにした。
その結果を表 1 に示す。碍子屑は発生量が多く全て

3.実験方法

再資源化されずにあるが、色や化学組成の問題から3.1 使用した窯業廃棄物除外した。磁器屑は発生量が碍子屑より多くなって前述したように陶磁器の製造工程から発生する廃いるが下絵加飾を施したものや、有色釉薬のものも棄物 3 種類を使用することとした。上絵加飾および含まれている。加飾のない白磁屑はこのうちわずか

下絵加飾のない磁器屑(太白屑)については、製品の裏な量と考えられる。したがって廃棄物の種類と配合面に下絵で窯名が書かれている程度は使用可とした。

割合(陶土中 wt%)は次のように決定した。

またここで有色でない窯道具とは、本焼成時に製品の変形を防ぐため、製品の素地とほぼ同じ組成で直・上絵及び下絵加飾のない磁器屑(太白屑)---------------------1wt%
・有色でない窯道具屑(ハマ)----------------------10wt%
・下絵具加飾のない素焼屑------------------------10wt%

接製品に下に敷く通称ハマと呼ぶものがある。ハマは 1 度焼成してしまうとその役割は終わり処分されている。
これら廃棄物の化学組成を蛍光 X 線分析(理学電機 ZSX100e)により、また結晶相を X 線回折法(理学②については天草撰中陶土より強くすることを目電機 RAD-ⅡB)により調べた。

標とした。
③について JIS S2400 に熱衝撃強さ 150℃以上と3.2 廃棄物以外の使用原料ある。これから試験温度差(加熱温度と水の温度廃棄物成分は合計21wt%と決定した。
ほか79wt%差)150℃の熱衝撃試験において欠点がないことを合については磁器を通常構成する３つの要素成分(骨格とした。しかしながら耐熱性については製品保証材、融剤、粘土)となる原料、焼腰と耐熱性向上を目を掲げる予定であるので、さらに温度差を大きくし的にアルミナも用いた。骨材成分として珪石、融剤

試験温度差 180℃を合格することも目標とした。

成分として益田長石、粘土成分として本山蛙目粘土④については素地熱膨張係数が 6.5×10-6/K(30℃(特級)、ニュージーランドカオリン(以下 NZ カオリ―700℃)程度以上でないと達成できないことから開ンと略称)、マレーシアカオリン(以下 M カオリンと発素地は、天草陶石を使用しなければならない。天略称)、アルミナは日本軽金属 A-31 を使用した。ま草陶石を用いると予想されることとして素地の焼腰

た、天草陶石は共立マテリアル天草 2 等石粉砕物を強さは現行品より大きく改善されることはあまり期用いた。

待できない。また温度差 180℃の耐熱性を合格することも困難と考えられる。

3.3 配合試験

したがって本研究において②、③の仕様は目標設

配合割合は廃棄物量を固定して 3 要素成分、アル定に差をつけて、ひとつは②、③の仕様についてでミナ、天草陶石の量を変化させた。配合割合を表 2

きるだけ高い目標(耐熱性は試験温度差 180℃)とすおよび 3 に示す。表 2 は高特性を目標とする素地の3.4 焼結体の評価

表2 高特性素地の配合比
12345678太白屑

11111111ハマ1010101010101010素焼屑

1010101010101010※

珪石

138138001520が、温度差 180℃の熱衝撃試験を合格することは容益田長石20252020202024191818181818182020

易ではないと考えられる。このため表 2 にあたる各NZｶｵﾘﾝ
Mｶｵﾘﾝ

9999991010本山蛙目粘土

99999141010た。二つめの上絵加飾可能素地は表 3 であるが、こアルミナ
10 10 10 15 23 1800※珪石についてNo.1と2は本文説明の粉砕物、No.3と4は5hr粉砕物、No.7と8は未粉砕物

こではまず焼腰が比較的強い配合割合を見つけ、次表3 上絵加飾可能素地の配合比することにした。また、耐熱性は温度差 150℃の熱No.

本研究は 2 種類の素地開発という指針を掲げた。
ひとつは焼腰、耐熱性とも高い目標値の配合陶土とした。焼腰強さはある程度期待できると考えられる焼結体の評価試験は主に熱衝撃試験を重点的に行っに熱膨張係数、結晶相などを調べ適当かどうか判断

91011121314151617太白屑

111111111ハマ101010101010101010素焼屑

101010101010101010示す。なお各焼結体について下記全項目の評価は行

天草陶石

746969646459645954っていない。

益田長石

0051055000珪石

000051051015本山蛙目粘土5105555101010・耐熱性-----温度差 150℃または 180℃の熱衝撃試験

配合比で、表 3 は上絵加飾可能を目標とする素地で[温度保持乾燥機に試験体投入 1hr→水中天草陶石使用の配合比である。なお全て重量%であに投入→ひび有無のチェック]No.

衝撃試験を合格すればよいことにした。
焼結体の評価項目と測定方法または装置名を次に・焼腰強さ-----スパン 10cm の焼曲試験による焼きる。

下がり量

各原料の混合はミキサーを用いて行った。このとき粘土以外の原料はあらかじめ 20kg ボールミルに・熱膨張率-----マックサイエンス TMA4020て 10～15hr 微粉砕後、200mesh 振動篩いを通過さ・結晶相--------X 線回折法 理学電機 RAD-ⅡBせた。配合量は合計重量が乾粉ベース 500g で秤量

・吸水率--------煮沸法

した。泥しょうは水分率 28～30wt%、水ガラス 0.2・収縮率--------石こう型に刻印し焼成後のテストピー～0.3wt%の条件で調製し、石こう型により 20×7スを測定
・白色度--------日本電色工業 SZ-Z80-Ⅱ×125 の成形体を作製した。焼成は SK10 還元雰囲気で 8～10hr 火止めの条件で行った。

表4 窯業廃棄物の化学組成と結晶相

Ig.loss SiO2

Al2O3 Fe2O3 TiO2CaO

MgO Na2OK2Ototal

結晶相
α-石英、ムライト、ガラス相

太白屑－78.40 16.56

0.43

0.02

0.63

0.07

0.44

3.26

99.81

ハマ－71.97 23.86

0.70

0.10

0.18

0.15

0.40

2.24

99.60 α-石英、ムライト、クリストバライト

素焼屑

0.69

75.89 18.54

0.68

0.08

0.15

0.090.55

2.9199.58

α-石英、セリサイト

4.結果と考察るため行ったがアルミナ 23wt%含む No.5 でも温度4.1 窯業廃棄物の諸特性

差 180℃は合格できなかった。そこで No.７、8 は珪表４に廃棄物の化学組成と同定された結晶相を示石をさらに粗粒化し、アルミナ無しで調べてみた。

す。いずれの廃棄物も K2O を 2.2～3.3wt%含有し、その結果、No.7 では温度差 150℃は合格し、180℃

太白屑は釉成分から起因すると考えられる CaO がは不合格であった。No.8 において温度差 150℃と0.63wt%とやや高い。CaO は融剤成分としての効果180℃両方のとも熱衝撃試験を合格できた。
したがっが非常に大きいため、太白屑の多量使用は焼腰を低てアルミナを使用しなくても珪石の粒径と長石配合下させる恐れがある。いずれにしろ 1wt%程度の使量により耐熱性が高い素地を開発できることが分か用量であれば、問題ないと考えられる。ハマの結晶った。詳しい調査、検討が必要であるが耐熱性が目相にクリストバライトが比較的低いピークではある標に到達できたのは素地中における結晶質相とガラが生成が認められた。クリストバライトは 200℃付ス相の生成割合が影響していると考えられる。No.8

近で異常な熱膨張変化が起こるので、素地中に生成の他の物性について、吸水率は粗粒硅石の使用からさせてはならない。融剤成分の調整に注意を要する

0.10%程度を予想したが、0.04%と十分焼締まっていことが分かった。

た。クリストバライトは生成せず、焼腰強さは4.2mm と天草撰中と比較して約 40%強い素地が開4.2 素地開発の経緯と諸特性
4.2.1発できた。(天草撰中の焼き下がり量は 7.5～8.0mm)

高特性素地の開発

表 5 に各焼結体の諸特性および試験結果を示す。

4.2.2

上絵加飾可能素地の開発

まず No.1～No.6 について、アルミナ添加で耐熱性窯業廃棄物の使用で可塑性低下が考えられるので向上を目指し、珪石と長石の配合量および珪石粒径蛙目粘土を添加し、天草陶石、珪石量と長石量の調の影響を調べてみた。結果は No.3～5 が温度差整でまず焼腰をみることとした。当初の試験が No.9150℃を合格したのみで、残りと温度差 180℃は全て～No.14 でその結果は表 5 の通りである。No.10 の不合格であった。No.1、2 から No.3、4 では長石量焼き下がり量が一番小さかった。クリストバライト低減と珪石粒径の粗粒化でガラス相の生成量が低下の生成はなく、熱膨張係数は 6.6×10-6/K(30℃―していると考えられる。このため温度差 150℃は合700℃)と大きな問題はなかったので、この配合比を格したと思われる。No.5、6 は珪石なしの影響をみ基準に上絵加飾が十分可能となるよう熱膨張係数を表5 各焼結体の諸特性

100

さらに高めにする配合試験を行うことにとした。

はこれ以上焼腰を低下させないためである。No.16と 17 には結晶相としてクリストバライトが認めら

重量% / ｗｔ%

No.15～17 がそれである。長石を使用しなかったの50れたため、結局 No.15 の配合比に決定した。熱膨張係数は 7.1×10-6/K(30℃―700℃)であり、上絵加飾

001020304050

粒子径 / μmが十分可能な素地が開発できた。

図1 開発陶土の粒度分布

4.2.3

開発陶土のスケールアップと素地諸特性本事業の進行の緊急性から量産可能な陶土の必要性が高まっていた。そこで 4.2.1 で開発した No.8 について量産化を想定してセンター所有機器で開発陶・白色度(Lab)-------------------------------------------84.3
また、この開発陶土でローラーマシンあるいは鋳込み成形により製品を試作し、展示会で発表した。図2 にその模様を示す。

土をスケールアップ調製した。原料は全て同一であるが、未粉砕物であるので粉砕は材料の硬度の違いから方法を考慮する必要があった。まず窯業廃棄物と益田長石と粘土 1 種類のみをマキノ製 50kg ボールミルに投入(水は合計重量の 1.2 倍程度)して、廃棄物類がよく擦れるまで粉砕した。その後残りの粘土類と珪石を投入した。このとき珪石はあまり粉砕は進めず混合程度とした。
粉砕終了後は 200mesh 振動
篩いを通過させ、フィルタープレスまたは真空土練機で陶土を調製した。以下、陶土および焼結素地の諸特性を示す。なお耐熱性については温度差 180℃
熱衝撃試験を 100%合格できる程度には達成できなかった。

図2 試作品の展示会発表模様

5.まとめ
有田焼製造工程から発生する窯業廃棄物(太白屑、陶土

ハマ、素焼屑)を 21wt%使用して、磁器用陶土を調・耐火度------------------------------------------SK27

製し、次の仕様を持つ、いわゆるリサイクル磁器素・粒度分布(X 線透過式 重量沈降法)----図 1地が開発できた。

焼結素地①産地内廃棄物を配合した白色磁器であること

・吸水率------------------------------------------------0.05%②現行品より焼腰が強いこと

・焼き腰 スパン 10cm の焼き下がり量-----3.5mm③素地が耐熱性を持つ・結晶相--------------------クリストバライト生成せず④現行品と同様に上絵加飾ができること

・熱膨張係数---------------6.2×10-6/K(30℃―700℃)

ひとつは①、②、③のうち②、③が高い特性を持・収縮率-------------------------------------------------11.5%

つ配合陶土によるもので、二つめは①、②、③、④・温度差 150℃の熱衝撃試験----------全品ひびなし

を全て満足するが②、③の特性が前者より低く天草陶石使用による陶土であった。前者については、スケールアップ粉砕して陶土調製、試品試作を行った。
本研究では耐熱性などがテストピースでは達成できたが、スケールアップするとまだ安定的とはいえない。今後はもう一度テストピースレベルで原料の配合比や粒径による焼成素地中の結晶相等の生成量や微構造などの関係を調べ、目標に達成できた要因を解明し、スケールアップしても素地特性が安定化することを目指す。

参考文献
1) 大有田焼振興協同組合，平成 13 年度佐賀県地場産業等活性化事業報告書，p20(2002)