JP2013249219A

JP2013249219A - 多孔質焼結体とその製造方法

Info

Publication number: JP2013249219A
Application number: JP2012123382A
Authority: JP
Inventors: Hideo Igami; 英雄居上
Original assignee: Assist KK
Current assignee: Assist KK
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2013-12-12

Abstract

【課題】建築用タイルなど従来、低吸水、高強度が技術開発のキーワードであったが近時ヒートアイランド抑止が世界のテーマとなり欧州で伝統的に広く使われている「テラコッタ」のように多孔質、軽量である地球にやさしい機能と表情をもつセラミックス材を安価に製造することが求められている。
【解決手段】多孔質骨材成分または発泡性骨材成分、硫酸塩化合物加えた粘土成分及び熱量を発生する燃料成分を含む焼成原料組成物として焼結し多孔質焼結体を提供する。
【選択図】なし

Description

本発明は、保水性を有する建築用多孔質セラミックスに関する。

従来のセラミックスタイルなどは高強度、無吸水の製品を求めて技術開発が進められてきたが近時ヒートアイランド抑止は世界のテーマとなり古くから欧州などで広く使われている吸水率を持つ「テラコッタ」のように軽量であり断熱性を持つ質量の小さい材料に対する市場ニーズの認識が高まっている。

軽量化することによる原料資源の節約、熱エネルギーの減少、運搬コスト、施工コストの軽減ができるものであり、本発明者により平成７年に開発した保水性セラミックス舗装材は当時の通産省より地球にやさしい商品として平成８年グッドデザイン特別賞を受賞したが更にコスト面で新規な発想による大幅なコストダウンが求められている。これ等の材料のヒートアイランド抑止効果は埼玉大学等から学会論文として発表されている（非特許文献）。

これ等保水性材料として道路舗装板としての本発明者による特許及び最近改良技術として特許申請した技術がある（特許文献）。

開発当時の競合市場製品はセメント系製品であるがセラミックスは製造原価に占める燃料コストや減価償却コストのウエイトが高く公共の大量使用の予算価格には適合せず市場の拡大が制約されたため、以来画期的な大幅のコストダウンが必要であった。

特許第２７５６９３４号特許第３１５８０８６号特願２０１１−０３０１２１

「廃棄物再生セラミックス建材による都市環境の緩和効果」埼玉大学浅枝隆、他著、（社）土木学会地球環境委員会第７回シンポジウム１９９９年７月１５日

大幅なコストダウンは燃料消費と生産スピードがキーポイントである。本発明の第１の特徴は従来タブーとされてきた炭素系材料を組成物に内蔵し圧密状態の成形体の中で燃焼させる事である。

１１００℃程度で焼成するセラミックスの熱量原単位は１２００Ｋｃａｌ／ｋｇであり熱効率は最高の装備の炉でも４０％以下であるがこれ等の原因は粘土質による４５０℃から７００℃の間に起こる吸熱反応であり、炉の昇温速度はこの温度範囲では５℃／分以下と約１／４に減速して加熱しないと収縮亀裂が発生する。本発明はコークス微粉または石炭灰クリンカーやキューポラダストなどに多量に含まれるコークス成分を利用するものである。

コークスの着火燃焼は４５０℃から着火して遠赤外線放射体となり更に６００℃になると燃焼して少なくとも６５００Ｋｃａｌ／ｋｇ程度の熱量を供給するが、これ等コークスは粘土の吸熱反応で発生する過熱水蒸気によりコークスの燃焼をすることを助成することを発見した。

本発明のコストダウン対策としての第２の特徴はコストウエイトの高い高価な可塑性粘土を排除する技術である。本発明の製造プロセスに於いてはこれ等の粘土は最低４０％が必要であるがこれ等の代わり低コストのベントナイト及び瓦等に使用される雑粘土の組み合せに於いて可塑性の支配要因である凝集力を調整する為、硫酸塩化合物を加えるものである。特に廃棄物として大量に排出される石膏は還元雰囲気では１０００℃以下の温度で分解を起こし酸化力の強いＳＯ_２を発生し、先述のコークスの燃焼を更に完全に燃焼させるものである。

更にコークスは疎水性であり微粒子の炭素質は押出成型の減摩作用を示すものである。

本発明の目的とする製品は従来から広く使用されている屋根瓦或いは磁器質外装材として使用されている材料を約３０％〜４０％軽量化し、且つ保水性の持つヒートアイランド抑止機能を持つ気孔率３０％程度で曲げ強度１５０ｋｇ／ｃｍ２以上の物性をもつ製品と更に気孔率５０％以上で熱伝導率１．２〜１，３Ｋｃａｌ／ｍ／ｈｒ／℃の断熱機能をもつ大型の材料である。

本発明の課題は大幅なコストダウンでありこれ等の要因として変動原価に於ける原料コストと燃料コストであり、生産スピードを上げて設備をコンパクトとし減価償却コストを下げることである。

第１の課題は、高価な可塑性粘土（蛙目粘土）を改質して低コストの粘土に必要な可塑性と結合強度を高めることである。真空土練機押出し条件の他、圧延成形による「ちぎれ」を防止する為の補強材の選択である。更に主成分となる粗粒子の骨材成分は従来溶融スラグ等硬度の高い原料は粉砕に於ける消耗品コストが著しくコスト負担となるがこれ等骨材を多孔質であり且つ容易に粉砕出来る原料と置換することである。

第２の課題は、組成物に内蔵する燃焼成分としてのコークスの含有率の上限である。押出し、圧延工程に於ける条件の範囲を確立することである。

可塑性粘土の改質は、低コストで飽和水量が多く流動性の良いベントナイトを主として補強剤としてガラス繊維を配合し凝集剤は硫酸塩化合物を用いるが、硫酸アルニミウム、硫酸マグネシウム及び硫酸カルシウム（石膏）について実験を繰り返したところ最も低コストで入手できる石膏を選択した。石膏の水溶性は０．２％〜０．３％と小さいがアルカリ性のナトリウムベントナイトと共存すると溶出は良くなりＣａＯとＳＯ_３イオンが生成され特にＣａＯはベントナイトのＡｌ_２Ｏ_３成分と反応して少量ながら
カルシウムアルミネートが生成され極めて効果的である事を発見した。更に０．２５以下の微粒子コークスはこれ等の条件に適合するものであった。又、石膏は還元雰囲気内では１０００℃以下の温度で分解して発生するＳＯ２ガスは強い酸化力により内蔵炭素の完全な燃焼に役立つ事も認められた。又、少量のガラス繊維を加え「つなぎ」効果とした。

第２の課題は、疎水性であり可塑性条件に好ましくない燃料物質のコークスは、粒度０．２５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲の粗粒子骨材成分中コークスは骨材分と置換する事により最大２０％までは可能である事を実験により確認した。

以上の実施例に示すように段落０００７に於いて設計したように焼成時間は約１／２となり、原料のコストダウンを含めて大幅なコスト削減を達成するものであった。

本発明の組成物は、骨材として粒度０．２５ｍｍ〜１．０ｍｍの原料と粒度０．１ｍｍ以下の可塑性粘土成分とによって構成され骨材成分重量比４０％〜６０％、粘土成分４０％〜６０％の範囲で調製されるが、（Ａ）骨材成分は火山礫（スコーリア）、煉瓦や陶器瓦等のシャモット類、石炭灰クリンカーと燃料物質であるコークスの中から選択するが何れも粒度５ｍｍ以下で入手し粉砕して使用する。（Ｂ）可塑性粘土成分はベントナイト重量比２５％〜３０％と雑粘土２０％〜２５％、石膏５％〜１０％であるが、特に天然の雑粘土は重量比２０％〜３０％の砂質分を含む含水率２０％〜３０％で入荷したものは更に水を加えてボールミルにより約１時間程度粉砕した泥状物とし、０．１ｍｍの篩を通して砂質分を除去した泥漿として秤量しミキサーへ投入しベントナイト及び石膏は乾物秤量したものを用いる。（Ｃ）コークスは石炭灰クリンカーやキューポラダストなどから篩分別されたものを、好ましくは０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲で入手し骨材成分として配合する。（Ｄ）高気孔率の製品には骨材成分に１０５０℃〜１１００℃の焼成で発泡膨張する黒曜石、火山灰類を粒度０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲に粉砕調製した物に置換する。

成形は、含水率１５％〜１８％の範囲の杯土を真空土練機により円筒状に押出し切開して厚さ３０ｍｍ〜３５ｍｍの平板としたものをローラー圧延機により所望の厚さに圧延した大型の成形体とし、乾燥は遠赤外線空間を通して含水率３％以下としてローラーハースキルンへ送り込む。

焼成はローラーハースキルンにより送り速度を調整して予熱、焼結、冷却速度を最も生産性の高い且つ目的製品の物性条件に適合する温度、速度を決める。

焼成された大型板は製品目的により切断加工して製品とする。

低気孔率外装材の原料配合率を（Ａ）骨材成分は火山礫（スコーリア）粒度＜０．５ｍｍ重量比５０％、粘土成分はベントナイト重量比２５％、瓦粘土粒度＜０．１ｍｍ重量比１５％、ガラス繊維重量比５％、石膏重量比５％、（Ｂ）骨材成分は火山礫（スコーリア）粒度＜０．５ｍｍ重量比３０％、コークス粒度＜０．５ｍｍ重量比２０％、粘土成分はベントナイト重量比２５％、瓦粘土重量比１５％、ガラス繊維重量比５％、石膏重量比５％とした。

混合はベントナイト、ガラス繊維、石膏は乾物秤量し、瓦粘土はボールミルで水分５０％〜６０％の泥状物を水分換算したものを乾物１５％分加えて更に水分を５％〜７％を加えたものをアイリッヒミキサーで混合し、軟練状の杯土を真空土練機にて直径２５０ｍｍφ、肉厚２５ｍｍの円筒状に押出たものを切開して平板状とし、ローラー圧延機にて厚さ６ｍｍの生地成形板とし遠赤外線にて含水率３％以下とした。

焼成はローラーハースキルンを用いて最高焼成温度１１００℃に５分キープした後急冷して焼成した。焼成時間はローラー移送スピードによる調整し燃料物質コークスによる焼成時間の短縮にて実証した。

焼成速度と焼成品の物性を表１に示す。

以上の様にコークス２０％含有の（Ｂ）素地は焼結物性に於いて約１／２の焼成時間で可能である。

高気孔率断熱材として原料配合率を、骨材成分は黒曜石粒度＜１．０ｍｍ重量比４０％、コークス粒度＜０．５ｍｍ重量比１０％、粘土成分はベントナイト重量比２５％、瓦粘土粒度＜０．１ｍｍ重量比２０％、ガラス繊維重量比５％とした。混合、成形及び乾燥は実施例１と同じとした。焼成はローラーハースキルンを用い、焼成温度は１１００℃で５分間キープした後冷却し４０分とした。物性：焼成品の膨張は垂直方向（厚さ方向）に１．５倍となり９ｍｍの製品となり物性は、かさ比重１．１５、気孔率６５％、曲げ強度５．５Ｎ／ｍｍ２、熱伝導率１．２Ｋｃａｌ／ｍ／ｈｒ／℃となった。

Claims

少なくとも火山礫、石炭灰クリンカー、ＡＬＣの何れか１つを含む多孔質骨材成分または少なくとも黒曜石、真珠岩、火山灰の何れか１つを含む発泡性骨材成分、硫酸塩化合物を加えた粘土質成分、並びに、熱量を発生する燃料成分を含む焼成原料組成物を焼結したことを特徴とする多孔質焼結体。
熱量を発生する燃料成分は５００Ｋｃａｌ／ｋｇ以上の熱量を持つカーボンを含むことを特徴とした請求項１記載の多孔質焼結体。
熱量を発生する燃料成分は少なくともコークス微粉、キューポラダスト、未燃カーボンを含む石炭灰の何れか１つを含むことを特徴とした請求項１記載の多孔質焼結体。
粘土成分はベントナイトを主成分とし、更に可塑性調整成分として採石廃泥粘土、陶器瓦粘土などの雑粘土、凝集剤となる石膏及び圧延成形のつなぎ材となるガラス繊維を加えて調整したことを特徴とした請求項１記載の多孔質焼結体。
骨材成分は粒度０．２５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とし粘土質成分中の雑粘土類は含水率５０％の泥漿状に解こうし、０．１ｍｍ以下に篩分別した微粒子とし、石膏及びガラス繊維を加え水分規正して混合したものである多孔質焼結体の製造方法。
焼成原料組成物を水分１５％〜１８％の練土状としたものを真空土練機を用いて円筒状に押出し、切開して平板としたものをローラー圧延装置により所望の厚さに成形した板状の成形体を遠赤外線により含水率３％以下としたものを１０５０℃〜１１００℃の温度範囲でローラーハースキルンを用いて焼成焼結した後切断加工して成る多孔質焼結体の製造方法。