セラミックスの乾燥は、セラミックス生産技術において非常に重要な工程の一つであり、不適切な乾燥はセラミックス製品の品質欠陥の大部分を引き起こします。乾燥は比較的簡単な技術プロセスですが、広く応用されており、セラミックスの製品品質と歩留まりに影響するだけでなく、セラミック企業のエネルギー消費量全体にも影響します。乾燥技術に求められる基本的な条件は、乾燥速度が速いこと、省エネルギーであること、品質が高いこと、無公害であることなどです。

(1) セラミック乾燥プロセスのメカニズム

セラミックボディの含水率は一般的に5%～25%です。セラミック本体と水分の結合形態、乾燥過程における材料の変化、乾燥速度に影響する要因は、乾燥機を分析・改善するための理論的基礎となります。セラミック体がある温度と湿度の静止空気と接触すると、必然的に水分を放出または吸収し、セラミック体の含水率がある平衡値に達します。空気の状態が変化しない限り、セラミック体内で達成される含水率は接触時間が長くなっても変化しません。この値が、その空気の状態におけるセラミック体の平衡含水率です。平衡に達した際に湿ったセラミック体から失われる水分は、自由水分と呼ばれます。言い換えれば、セラミック体の含水率は平衡水分と自由水分から構成されています。特定の空気条件下では、セラミック体を平衡含水率にすることが乾燥の限界です。

体内に含まれる水分は、物理的水分と化学的水分に分けられる。乾燥プロセスには物理的な水分しか含まれず、さらに結合水と非結合水に分けられる。未結合水は身体の大きな毛細血管に存在し、身体とゆるやかに結合している。体内の未結合水の蒸発は、自由液面上の水の蒸発と似ており、体表面上の水蒸気分圧はその表面温度における飽和蒸気圧に等しい。結合していない水分が体外に排出されると、物質の粒子同士が接近し、体積が収縮するため、結合していない水分は収縮水とも呼ばれる。結合水とは、体内の微小毛細血管（直径0.1㎛以下）やコロイド粒子の表面に存在する水分で、（物理化学的相互作用により）より強固に結合している。したがって、結合水が排出されると、体表面の水蒸気分圧は、体表面温度における飽和蒸気圧よりも小さくなる。乾燥過程において、体表面の水蒸気分圧が周囲の乾燥媒体中の水蒸気分圧と等しくなると、乾燥プロセスは停止し、水分は排出され続けることができなくなります。この時、体内に含まれる水分は平衡水と呼ばれる結合水の一部であり、その量は乾燥媒体の温度と相対湿度に依存する。結合水が排出されると、体積は収縮しないので比較的安全である。

(2) セラミックボディの乾燥工程

対流乾燥を例にとると、セラミックボディの乾燥プロセスは、熱伝導、外部拡散、内部拡散の3つの同時かつ相互に関連するプロセスに分けることができます。

熱伝導プロセス：乾燥媒体の熱は対流によってワークの表面に伝わり、表面からワークの内部に伝導する。ワーク表面の水分は熱を受けて気化し、液体から気体に変化する。

外部拡散プロセス：セラミック体表面で発生した水蒸気は、濃度差の影響下、層流層を拡散することにより、表面から乾燥媒体へと移動する。

内部拡散プロセス：濡れたボディの表面から水分が蒸発することにより、内部に湿度勾配が生じ、濃度の高い内側の層から濃度の低い外側の層への水分の拡散が促進される。

安定した乾燥条件下では、セラミック本体の表面温度、含水率、乾燥速度、時間は一定の関係にあります。これらの関係の変化特性に基づいて、乾燥工程は加熱段階、一定速度乾燥段階、降下速度乾燥段階の3段階に分けることができます。

加熱段階では、単位時間内に乾燥媒体から本体表面に移動する熱量は、表面水分の蒸発によって消費される熱量よりも大きいため、加熱された表面の温度は、乾燥媒体の湿球温度に等しくなるまで徐々に上昇します。この時点で、表面によって得られる熱と蒸発によって消費される熱は動的平衡に達し、温度は一定に保たれる。この段階で、ボディの含水率は低下し、乾燥速度は増加する。

一定速度の乾燥段階では、結合していない水分を排出し続ける。身体の含水率は比較的高いので、表面から蒸発した水分量は内部から補充することができ、内部水分の移動速度（内部拡散速度）は表面の水分蒸発速度に等しく、外部拡散速度にも等しいため、表面は湿った状態に保たれます。さらに、媒体から体表面へ移動する熱は、水分の気化に必要な熱に等しい。したがって、体表面温度は一定のままであり、媒体の湿球温度に等しい。体表面での水蒸気分圧は、表面温度での飽和水蒸気分圧に等しく、乾燥速度は安定します。従って、一定速度乾燥段階と呼ばれる。この段階は、結合していない水分を排出することに重点を置いているため、身体は体積収縮を起こし、収縮量は含水率の減少に比例する。適切な操作を行わないと、乾燥が早すぎてボディが変形したりひび割れたりしやすくなり、乾燥廃棄物が発生する。一定の乾燥段階が終わると、材料の含水率は臨界値まで低下する。この時点で、材料の内部水分はまだ自由水であるが、結合水が表層に現れ始める。

減率乾燥の段階では、ボディの含水率が低下し、内部拡散速度が表面水分の蒸発速度と外部拡散速度に追いつかなくなる。表面の水分はなくなり、乾燥速度は徐々に低下していきます。表面水分の蒸発に必要な熱量が減少するにつれて、素材の温度は徐々に上昇し始める。素材表面の水蒸気の蒸気圧は、表面温度における水蒸気の飽和蒸気圧よりも小さくなる。この段階では、結合した水分が排出され、本体は体積収縮を起こさず、乾燥廃棄物も発生しない。材料から排出された水分が平衡水分に等しくなると、乾燥速度はゼロとなり、乾燥工程は終了する。乾燥時間を長くしても、素材の水分は変化しなくなります。この時、材料の表面温度は媒体の乾球温度に等しく、表面の蒸気圧は媒体の蒸気圧に等しくなります。低速乾燥段階の乾燥速度は内部拡散速度に依存するため、内部拡散制御段階とも呼ばれます。この時、材料の構造、形状、大きさなどの要因が乾燥速度に影響する。

(3) 乾燥速度に影響する要因

乾燥速度に影響を与える要因には、熱伝導、外部および内部拡散速度が含まれる。

熱伝達速度を速める。 第一に、乾燥炉内の高温ガスの温度を上げる、熱風炉の温度を上げるなど乾燥媒体の温度を上げるが、セラミックボディの表面温度は、ひび割れを避けるために急激に上昇しないようにする。第二に、伝熱面積を増やす。例えば、片面乾燥から両面乾燥に変更する、セラミックボディを層状に積み重ねる、または層数を減らし、高温ガスとの接触面積を増やす。第三に、対流熱伝達率を向上させる。

外部拡散率を上げる。 乾燥が定率乾燥の段階になると、外部拡散抵抗が全体の乾燥速度に影響を与える主な矛盾となる。したがって、外部拡散抵抗を減らし、外部拡散速度を上げることが、乾燥サイクル全体の短縮に最も大きな影響を与える。外部拡散抵抗は主に境界層で発生するため、次の3点に対処する必要がある。第1に、媒体の流量を増やして境界層の厚さを薄くし、対流熱伝達率を向上させる。

水分の内部拡散速度は、水分の拡散と熱拡散によって共同で影響される。水分拡散とは、材料内の湿度勾配によって引き起こされる水分の移動のことである。一方、熱拡散は、材料内の温度勾配によって引き起こされる移動である。内部拡散率を高めるには、以下の5点に対処する必要がある：第一に、熱拡散と水分拡散の方向を一致させること、つまり遠赤外線加熱やマイクロ波加熱などにより、素材の中心部の温度を表面部の温度よりも高くするようにすること；第2に、熱拡散と水分拡散の方向が一致している場合は、熱伝達を促進して材料内の温度勾配を大きくし、熱拡散の抵抗は大きくなりますが、温度勾配を大きくすることで熱伝達を促進し、材料温度を上昇させ、水分拡散を促進することができます。第3に、本体の厚さを薄くし、片面乾燥から両面乾燥に変更します。第4に、媒体の全圧を低くし、水分拡散係数を増加させることで水分拡散速度を増加させます。

(4) 乾燥技術の分類

乾燥は、乾燥システムによってコントロールされるかどうかによって、自然乾燥と人工乾燥に分けられる。人工乾燥は人が乾燥をコントロールするため、強制乾燥とも呼ばれます。

乾燥方法の違いにより4種類に分類される。

• 対流乾燥。 その特徴は、乾燥媒体として気体を使用し、ワークの表面を一定の速度で吹き付けて乾燥を促進することである。

• 放射線乾燥。 赤外線やマイクロ波などの電磁波エネルギーを照射して乾燥させる方法である。

• 真空乾燥。 セラミック本体を真空（負圧）下で乾燥させる方法である。グリーンボディを加熱する必要はないが、一定レベルの負圧を発生させるためのポンプ設備が必要なため、密閉式にする必要があり、連続生産は難しい。

• 複合乾燥。 その特徴は、2つ以上の乾燥方法を包括的に使用することで、それぞれの長所を生かし、互いに補い合い、理想的な乾燥効果をもたらすことが多い。

乾燥方式によっては、乾燥工程が連続的であるかどうかに基づいて、バッチ式乾燥機と連続式乾燥機に分けることもできる。連続式乾燥機はさらに、乾燥媒体と被乾燥物の移動方向によって、同流式、向流式、混流式に分類することができます。また、その形状からチャンバー型乾燥機、トンネル型乾燥機などにも分類される。