JP4273227B2 - マイクロ波発熱体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ波を吸収して熱に変換する機能を有するセラミックスに関するものである。
一般に酸化物セラミックスは電気の絶縁体であるが、金属あるいは金属と複合することによって電磁誘導のジュール熱を利用できるため、最近は電磁調理器用のセラミック製品が開発されている。
通常の一般的な日用陶磁器製品に使用されている組成のセラミックスであっても、マイクロ波の照射によっていくらかは発熱することが知られているが、発熱効果が低いためにその効果を積極的に利用した製品は開発されていない。
マイクロ波を用いてセラミックスを加熱させる方法や製品への応用としては、
特開平6-13174では素地中にカーボンブラックを混合分散させたセラミック基材を加熱室内に装備した電子レンジ。
特開平5-121165では炭化珪素のような多孔質セラミックスの片面に金属導電材をメッキした発熱体。
特開平8-309276では、セラミックスに酸化チタン、フェライト等の発熱物質をを樹脂をバインダーとして塗布した発熱体。
特開平10-50473では容器中に粒状の炭化珪素のような半導体あるいは誘電体等を混合充填させた発熱体。
等があるが、いづれも導電材料あるい半導体を単に混合、分散、メッキもしくは塗布する方法であるし、発熱体の組織構造も本発明と異なっている。
焼成によって発熱セラミックスを得るという本発明に類似した方法としては、
特公平8-10620では、セラミックスを基材とした面状発熱体の製造方法として、セラミックス基材上に半導電層あるいは導電層を1200℃以上の高温焼成によって一体的に得るセラミックスとその製造方法。
特開平2-82484ては、有機ポリマーを塗布して焼成によって表面に炭化珪素被膜を形成する方法。
等があるが、特許文献５は、手段として通電することで発熱効果を得るものであり、1200℃以上の高温を必要とするほか、マイクロ波の吸収効果や詳細な製造方法等については全く言及していないし、特許文献６と本発明とは根本的に発熱体の組成が異なる。
従来法の直接通電で抵抗発熱させる場合、人体の感電や水で濡れた場合は漏電の恐れがある。また、誘導加熱ではセラミックスの焼成後に金属のような導電層を表面に形成する必要があるし、セラミックスが熱衝撃で破壊されやすい。
特許文献１の電子レンジの部品に応用するカーボンブラック分散発熱セラミックスについても、カーボンの燃焼の恐れから使用時間や温度、雰囲気等が制限されるし、素地の熱衝撃による破壊も懸念される。
特許文献２の金属をメッキ処理した発熱体では、発熱はするものの、電子レンジ中ではスパークするために使用に耐えない。
特許文献３の樹脂を用いて発熱層を得る方法では発熱温度が高いと樹脂が溶融あるいは分解することから用途が制限されるし、特許文献４では、粒状のマイクロ波吸収発熱体を混在させるのであって、任意の形状の緻密な発熱セラミックスを一体焼成で得るものではない。
特許文献５によるセラミックスを基材とした面状発熱体の製造方法では1200℃の高温が必要であるほか、マイクロ波加熱に応用する場合、通常の焼成方法では冷却過程でセラミックス表面が再酸化されやすく、αFe２O３が厚く生成してマイクロ波の吸収発熱効果が低い。
特許文献６の有機ポリマーを塗布して焼成によって表面に炭化珪素被膜を形成する方法があるが、これは基材との反応を防ぐためにアルミナのようなセラミック基材でなければならないし、表面の発熱層との密着度が低いという問題がある。
このように従来の技術では、マイクロ波の吸収発熱効果が高く、しかも基材と発熱部の密着性が良好で、高温になっても酸化や破損を生じにくい発熱セラミックスが得られていない。
本発明は、それらの課題を解決するために、通常の陶磁器製造方法と同様、成形された基材に釉薬あるいは釉薬様のものを施して焼成することによって、セラミック基材の焼結と同時に、マイクロ波吸収物質をガラス化した釉層中や表面に多量に生成させる。
また、このことによって基材と発熱層を一体化させ、使用の際の熱衝撃や取り扱い上の外力による発熱層の剥離や割れ等の欠点を発生しにくくする。
なお、基材上に施す釉薬物質の原料としては、様々な金属もしくは金属酸化物を用いることも可能であるが、低廉な原料でしかもガラス質物中やその表面に析出し易い金属として、金属鉄もしくは鉄酸化物、あるいは金属鉄化合物を使用する。
通常鉄酸化物を主成分とする釉薬から金属鉄やマグネタイトを析出させるには、1200℃の焼成温度と強還元雰囲気が必要であるとされているが、より低温で釉薬原料を溶融させてガラス融液から金属鉄結晶を生成析出させるために、焼成過程で非晶質ケイ酸を生成する粘土鉱物のようなケイ酸塩鉱物を、基材原料もしくは釉薬原料に配合する。
マイクロ波吸収物質として知られている金属あるいはその化合物を、釉薬原料として配合して大気中で通常の方法で焼成しても、焼成過程での酸化や基材との反応等によって金属としては残留しないので、焼成においては冷却過程も還元雰囲気を保持する。
金属鉄または鉄化合物を主原料とするケイ酸を含む釉薬、あるいは金属鉄または鉄化合物のみでケイ酸を含まない釉薬をセラミックス基材に施して焼成すると、窯内の雰囲気が還元の場合に1150℃付近の温度で酸化鉄と活性なケイ酸が反応してファヤライト（2FeO・SiO2）組成の融液となる。
釉薬層に酸化鉄の含有量が多い組成の場合、冷却過程において融液からマグネタイト結晶が析出するが、高温下で酸化雰囲気であると表面が銀白色を呈する酸化第二鉄の結晶が発達して鉄元素の一部はこれにも消費される。
しかし、冷却過程も還元雰囲気であると再酸化されずに鉄元素はマグネタイトや金属鉄として多く残り、マイクロ波の吸収能が高い層を形成する。
これにマイクロ波が照射されれは、セラミックス表面のガラス化した釉層中あるいは表面に生成した金属鉄やマグネタイトは電子運動によってエネルギーが熱に変換される。
照射される時間が長くなれば熱は蓄熱されて釉層は温度上昇を続けるが、結晶
はガラス中に担持され酸化されないので、発熱機能は長期的に持続し、しかもセラミック基材と釉層の間に焼成過程で必然的に形成される中間層が熱ストレスを緩和するために、剥離や割れを生じにくい効果を発揮する。
はガラス中に担持され酸化されないので、発熱機能は長期的に持続し、しかもセラミック基材と釉層の間に焼成過程で必然的に形成される中間層が熱ストレスを緩和するために、剥離や割れを生じにくい効果を発揮する。
釉薬原料として、酸化鉄が主成分である弁柄（酸化第二鉄・αFe2O3が主成分）が最も廉価で取り扱いやすいのでこれを主原料とし、副原料としては基材への付着や反応生成温度の低温化にも有効な粘土鉱物を用いるのが望ましい。
釉薬原料を施すセラミックス素地としては、低温で融液化させるために反応性の高いケイ酸塩鉱物を含むものが必要であるので、粘土鉱物を使用している通常の陶磁器素地が望ましい。
焼成条件は、金属鉄やマグネタイトが再酸化しないようにガラス化した釉薬層中に取り込まれることが必要なので、最高温度は１１５０℃以上で冷却中も還元雰囲気が良い。
酸化第二鉄を20〜100重量％、アルミナ微粉を０〜20重量％、ケイ石微粉を０〜80％の範囲の配合物に、ベントナイトをそれぞれに外割で５重量％加えたものを釉薬として粘土質の陶器素地に施し、最高温度1150℃〜1200℃の範囲で焼成実験を行った。
焼成はガス窯を使用し、炉内の焼成雰囲気制御はプロパンガスの空気比を変える方法により、還元開始温度は1150℃〜1200℃の範囲で冷却中も還元雰囲気を保持した場合としない場合を比較検討した。
表１は、得られた試験体に周波数2.45ギガヘルツの電子レンジを用いてマイクロ波を30秒照射し、迅速に施釉面の表面温度を測定した結果である。
その結果、素地部の温度はさほど変わらず、釉薬中に含まれるアルミナや酸化ケイ素の配合割合も発熱温度との有意差が見られなかったが、酸化第二鉄を80％以上含む釉薬を施して1150℃以上で焼成した施釉面の温度が著しく上昇することを見出した。
また、冷却中も還元雰囲気を保持した場合は最高温度が400℃以上に達し、従来から高い発熱効果を有することが知られている炭化珪素より発熱温度が高くなった。
発熱の良好であったセラミックスの釉面を熱分析とＸ線回折分析した結果、結晶として、マグネタイトと金属鉄の存在が確認された。
また、結晶生成量が多いものや冷却中も還元雰囲気を保持する方法によって金属鉄が釉層中に析出していたものが、より高温まで発熱することが確認された。
焦げ面を得られる電子レンジ調理用食器、雪に接している必要な箇所だけを迅速に加熱できる効率的な融雪タイル、耐久性に優れた建築用電磁波吸収タイル等、広範な分野において活用できる。
１ 施釉層
２ 金属鉄
３ マグネタイト
４ セラミックス基材（素地）
５ 中間層
２ 金属鉄
３ マグネタイト
４ セラミックス基材（素地）
５ 中間層
Claims (1)
- ケイ酸塩鉱物を含むセラミックス基材の表面に酸化第二鉄を８０重量％以上含む釉薬を施す工程と、プロパンガスを用いた還元雰囲気中において釉薬が施されたセラミックス基材を最高温度が１１５０℃以上１２００℃以下の範囲で焼成した後冷却過程においても還元雰囲気を保持することで焼成したセラミックス表面のガラス化した釉層中に担持されるように金属鉄及びマグネタイトの結晶が生成する工程とを備え、マイクロ波を照射することで金属鉄及びマグネタイトの結晶がマイクロ波を吸収して前記釉層を４００℃以上に発熱させるマイクロ波発熱体を製造することを特徴とするマイクロ波発熱体の製造方法。
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