陶瓷工艺基础(日文版)

陶瓷工艺

はじめに

セラミック技術はまさに当社の基盤であるといえるでしょう。構造体としてのセラミックス、それに加えて機能性を持たせたセラミックスの製造へと事業を展開する中で、多くの経験やさまざまな知識が蓄積されてきました。これらのノウハウやこれからのモノづくりについて、生産工程に沿って解説していきます。

これまで当社は、大きなものをつくる技術や、高品質の製品を大量につくる技術を強みとしてきました。世界最大の陶磁器である100万ボルトブッシング用のがい管や、また世界同一品質で累計約５億個以上も生産してきたハニセラム。これらが当社の発展を担ってきた偉大な成果であることは言うまでもありません。現在ではこれらに加えて、インクジェットプリンター用圧電セラミックスのように微細なものや、半導体製造装置用セラミックヒーターのように機能性も持たせたセラミックスでの事業を展開しています。

そしてこれからは、製品の品質や機能は当然ながら、多品種少量への対応や環境負荷の低い製造プロセスについても考えていかなければいけません。そこで私たちは「安く、早く、小さく、確実なモノづくり」を合言葉として取り組んでいます。早く開発し、小さな設備で、安く早く小さく確実につくれば、納期の早さや充実した機能、価格の安さでお客様に喜んでもらえることはもちろん、廃棄物やCO2の削減にもつながり、在庫や仕掛りも減少できるでしょう。まさに当社が掲げる4つの行動指針、「スピーディー」、「タイムリー」、「グリーン」、「リーン」に沿った方向性です。私たちのものづくりは、いま確かに変わりつつあるのです。

混合

セラミック製品にとって「混ぜる」とは製品の出来を左右する重要なプロセスのひとつです。混ぜ方が不十分だと原料成分が部分的に偏り、その後の製造プロセスでさまざまな不良の原因になります。たとえば押出成型品の場合、押し出す材料の流れに不均一が生じて形状不良が発生したり、乾燥や構成のプロセスで収縮の違いによって割れたり変形したりしてしまいます。

「混ぜる」技術は「混合」「混練」「分散」の3つに分類できます。日本ガイシでは製品によってこれらの方法を使い分けたり組み合わせるなど原料をより均一に混ぜるためいろいろな工夫をしています。

お菓子づくりでは、粉と水分、つなぎにする卵などをすべて同時に混ぜるとだまが出来てしまい、手順にそって丁寧に少量ずつ混ぜれば均一に混ざることを経験上知っている人は多いと思います。しかし、製菓工場での量産となると、すばやく均一に混ぜなければなりません。セラミックスを混ぜる場合も同じ技術が必要です。多種類の粉、原料に、つなぎ、バインダーと水を均一に混ぜるため、まずは粉体だけを混合し、それに水を加えて、混練しています。これを効率よく行うために、特殊な装置を導入して短時間で均一に混ぜる工夫をしています。

小さくて機能性が要求される製品の場合は、分散技術を要することが多くなります。この技術は原料を液体中に粒子単位でバラバラにするもので、ファンデーションなど、なめらかで伸びのよい化粧品の製造に応用されています。粒子の細かい原料粉体を混ぜるときには、粉体が液体をはじいてダマになる傾向があります。これを防ぐため、分散剤を液体に混ぜて粉体になじむようにします。さらに、細かくて凝集しやすい粒子は集合魂状になっているので、機械的な力を加えてバラバラにします。バラバラになった粒子の表面は、分散剤によって覆われ、再び凝集しないようになります。

これらの技術を実現するため、当社では材料に適した解砕技術や分散剤などの選択はもちろん、これらの効果を最大限に発揮させるため、分散剤の適正添加量や温度条件の設定などの環境調査についての研究を進めています。

今後は、さらに小さく、高機能で高精度な製品の増加が予想されることから、これらに展開可能な技術を開発していかなければなりません。そのためには「混ぜる」プロセスとして、今まで以上に細かく凝集しやすい粒子を均一に混ぜる技術や、混ぜると同時に原料粒子の表面を性質の異なる微粒子でコーティングすることで新たな機能を持った複合粉体を作る技術、また省エネを意識した装置の研究などへの取り組みが必要になってくると考えています。

次回は「練る」がテーマです。

参考文献食品工学基礎講座4混合と成形矢野俊正/桐栄良三監修（株）光琳

混练

成型が自在で、くっつきやすい原料を作ることが「練る」工程の大事な点です。碍子やハニセラムの製造だけでなく、陶芸やパン作りでも、原料の粒子一つ一つの滑りがよくなければ思うように形作れません。一方、粘りがなければ、あんパンを作るときにうまく閉じられなかったり、陶芸でカップを作るときに取っ手がなかなか付かなくなってしまいます。うまく着かないとそこに隙間を残すことになり、焼いたときに割れる原因になります。

原料に滑りや粘りを出すためには、粘土やバインダーが欠かせません。当社では製品に合わせて、この2つを使い分けたり組み合わせたりしています。「練る」工程では、混ぜることで均質に分散させた粘土やバインダー、水、その他の原料に力をかけてなじませ、さらに原料内の空気を抜いて、成型しやすいように一つの塊にします。粘土粒子の隙間やバインダーに水が入り込み、潤滑油のような働きをして、滑りを出すと同時に、水と密着して粘りを出し、他の原料粒子同士をくっつけるのです。このとき、原料に粉体が多い場合には、粉同士の摩擦力に打ち勝つ力が必要になります。

では大きな力でとにかく練り続ければいいのかというと、そうでもないのが難しいところです。お持ちもパン生地もただ力を込めて長時間練ると、味も風味も損なわれる上に、乾燥し始めてしまいます。セラミック原料の場合は、練り続けることで原料の硬さや粘り強さがどんどん変化していきます。製品それぞれの成型方法に合わせた硬さと粘り強さのバランスをとるため、微妙な力加減と時間の調整が重要なのです。バインダーが入ったセラミック原料の場合では、練り続けることで粒子同士の滑りやすさは上がるものの、バインダーがズタズタに切られて乾燥後の糊としての性能が落ちてしまうことが知られています。つまり、せっかく形づくった製品が、乾燥後にバリバリに割れてしまうという現象が起こるのです。

そのため当社でも、つくりたいものに応じて、餅つき機のような小さい力のものから、周りから圧力をかけながら２軸の大きな羽根でかき回すという強い力のものまで機械の使い分けをしています。

「練る」工程で重要なのは、成形時に型の形状にそって形を変えやすいくらい柔らかく、なおかつ成形後にその形を保持できるくらい硬い土にすること。原料粒子と水やバインダーを隙間なくなじませて密着させるほどの強さで、なおかつバインダーを壊さない程度の力を最適な時間をかけて加える。文章にするとたったこれだけのことですが、そのメカニズムはまだ十分に解明されていません。特に「滑りやすい」、「粘り強い」という相反する特性のバランスが土の優劣を決めるのですが、数値化が難しく、従来は職人の触感に頼るところでした。