CN1501831A - 蜂窝型陶瓷过滤器 - Google Patents

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野口康
之
西英明
末信宏之
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Abstract

一种蜂窝型陶瓷过滤器，该过滤器的平均气孔径X(μm)和间隔壁厚度W(μm)满足10≥W/X的关系。使用这种过滤器，在维持规定捕集效率的同时，即使长期使用其压力损失也不会大到预定值以上。

Description

蜂窝型陶瓷过滤器
技术领域
本发明涉及具有蜂窝形状的蜂窝型陶瓷过滤器。更详细涉及一种蜂窝型陶瓷过滤器，使用这种过滤器虽然多少牺牲一些微颗粒等的捕集效率，但在由排气孔抽出由于柴油发动机的油品燃烧所产生的灰分时，长期使用其压力损失也不会大到预定值以上。
背景技术
近年来，作为除去排放气中微颗粒的装置，使用多孔型的蜂窝陶瓷过滤器，该过滤器的结构具有多个开口于排放气流入侧端面和排放气的排出侧端面的贯通孔，这些穿孔在两个端面之间交错地被封闭，由排放气流入侧端面流入的排放气，被强制通过各个贯穿孔之间的间隔壁(具有许多细孔)，从而捕集和除去排放气中的微颗粒。
在这样的陶瓷过滤器中，鉴于在各个贯穿孔之间的间隔壁形成的细孔的气孔径等的程度和排放气中微颗粒的粒径之间的关系不同，而使捕集效率、压力损失等性能不同，因此过去一直进行开发的是要得到对微颗粒(比如煤烟等)捕集效率高的产品。
但是，高捕集效率的过滤器，由于其气孔径小，由柴油发动机的燃料油燃烧所产生的灰分会聚集在过滤器的气孔内，由于长期使用，压力损失会达到预定值以上而产生问题。在过滤器气孔径小的情况下，在捕集微颗粒(比如煤烟等)时的压力损失加大，希望能够将其降低。
可是，由于近年来对柴油发动机的改进，由发动机产生的煤烟等微颗粒比过去大幅度降低。因此，本发明人经过锐意的研究发现，为了能通过未来排放气标准的规定值，并没有必要达到很高的捕集效率，为了防止由灰分向气孔内积蓄而引起的压力损失的上升，增大气孔的孔径以便能够使排放气由间隔壁通过反而是重要的，由此实现了本发明。
因而，本发明的目的是提供一种蜂窝型陶瓷过滤器，使其维持预定的捕集效率，同时，在由气孔抽出由柴油发动机由于油料燃烧而产生的灰分时，即使长期使用，其压力损失也不会大到预定值以上。
发明的公开
按照本发明，提供一种蜂窝型陶瓷过滤器，其特征在于，该蜂窝型陶瓷过滤器的平均气孔径X(μm)和间隔壁厚度W(μm)满足以下的关系式：
10≥W/X
在本发明的陶瓷过滤器中，上述过滤器的平均气孔径X(μm)和间隔壁厚度W(μm)优选满足7≥W/X≥3的关系式，上述过滤器的平均气孔径X(m)和间隔壁厚度W(m)更优选满足5≥W/X≥3的关系式。
在本发明的陶瓷过滤器中，其气孔率优选为55～75％，作为陶瓷，希望是以堇青石和/或碳化硅为主要成分的陶瓷。特别是在本发明的陶瓷过滤器中，在40～800℃的热膨胀系数优选为1.0×10-6/℃以下。本发明的陶瓷过滤器优选具有蜂窝的形状，其间隔壁的厚度W为350μm以下，蜂窝室的密度为250个室/in2以上。
实施本发明的最佳形态
下面具体说明本发明的实施形态，但本发明不限于这些实施形态。
本发明是一种蜂窝型陶瓷过滤器，其结构要控制其气孔径和间隔壁厚度，使得该过滤器的平均气孔径X(μm)和间隔壁厚度W(μm)满足10≥W/X的关系式。
如上所述，本发明人发现，为了防止由于在气孔内聚集灰分致使压力损失升高，扩大气孔径使得达到排放气能够从间隔壁穿过的程度是很重要的。具体说来，本发明人对气孔径和间隔壁厚度之间的关系进行了锐意的研究，结果发现，由于气孔径相对于蜂窝结构体的间隔壁厚度的比例大到预定值以上，多少会降低煤烟等微颗粒的捕集效率，但能够降低捕集颗粒时的压力损失，而且能够由该气孔抽出聚集在形成于间隔壁内部的气孔里的灰分，其结果是，即使长期使用其压力损失也不会大到预定值以上，能够得到其功能可长期稳定的蜂窝型陶瓷过滤器。
在本发明中，在过滤器的平均气孔径X(μm)和间隔壁厚度X(μm)之间的关系W/X大于10的情况下，排放气体难以穿过间隔壁，不能从气孔中抽出聚集在该气孔内的灰分。
在本发明中，为了实现上述气孔，平均气孔径X(μm)和间隔壁厚度W(μm)之间的关系优选满足7≥W/X≥3，5≥W/X≥3是更优选的。
在本发明的蜂窝型陶瓷过滤器中，在达到上述本发明的目的方面，其平均气孔径X一般为20～70μm，优选为30～70μm，而其间隔壁厚度W，优选350μm以下，更优选在200～300μm的范围内。
作为本发明陶瓷过滤器的主要成分没有特别的限定，只要是陶瓷就可以使用各种类型，但优选以堇青石和/或碳化硅作为主要成分。作为堇青石，无论是取向的、非取向的、α结晶的、β结晶的都是可以的。而作为碳化硅，α结晶的、β结晶的也都是可以的。
含有富铝红柱石、锆石、钛酸铝、黏土粘接的碳化硅、氧化锆、尖晶石、印度石、假蓝宝石、刚玉、氧化钛等其他成分的陶瓷也是可以的。
从减小压力损失和捕集效率的观点出发，气孔率优选为55～75％，特别优选为60～70％。从提高在高温时使用的耐热冲击性的观点出发，在40～800℃的热膨胀系数优选1.0×10-6/℃以下，特别优选0.8×10-6/℃以下。
本发明的陶瓷过滤器是蜂窝型的，通常具有的结构是，开口于排放气流入侧的端面和排放气排出侧的端面的多个开口的贯穿孔，在两个端面上交互地被封闭，但是对于蜂窝型过滤器的形状没有特别的限制，比如其端面的形状是正圆形或椭圆形的圆柱体、端面形状是三角形、四边形等多角形的棱柱体、这些圆柱体、棱柱体的侧面呈ㄑ字状弯曲的形状等都是可以的。对贯穿孔的形状也没有特别的限制，比如其断面形状是四边形、八角形等多角形、正圆形、椭圆形等都是可以的。从排放气的捕集性能出发，过滤器蜂窝室的密度优选大于250个室/in2，特别优选在300～400个室/in2的范围内。
本发明的蜂窝型陶瓷过滤器可按照如下所述的方法制造。
首先，在使用堇青石化的原料作为过滤器原料的情况下，为了配合各个成分使得此堇青石化原料成为具有理论组成的堇青石结晶，有必要把硅石(SiO2)源成分以及高岭土、滑石等氧化镁(MgO)源成分、氧化铝、氢氧化铝等氧化铝(Al2O3)成分进行配合。
作为氧化铝(Al2O3)源成分，在杂质少这一点上优选氧化铝或者氢氧化铝当中的任何一种或者使用两种，其中也优选含有氢氧化铝的物质。
氧化铝(Al2O3)源原料，在堇青石化原料中，优选含有氢氧化铝15～54质量％，氧化铝的含量为0～20质量％是优选的。
作为氧化镁(MgO)源成分，可以举出滑石、菱镁矿等，其中优选滑石。滑石优选占堇青石化原料中的37～40质量％，从热膨胀系数低的观点出发，滑石的粒径优选为5～40μm，更优选为10～30μm。
在本发明中使用的滑石等氧化镁(MgO)源成分，也可以含有Fe2O3、CaO、Na2O、K2O等作为杂质。但是在氧化镁(MgO)源成分中的Fe2O3含量优选为0.1～2.5质量％，如果含量在此范围内，既能够降低热膨胀系数，也能够得到高的气孔率。
从降低热膨胀系数的观点出发，在氧化镁(MgO)源成分中CaO、Na2O、K2O的合计含量优选在0.35质量％以下。
在本发明中，作为过滤器的原料可以以碳化硅作为主要成分。所谓以碳化硅作为主要成分的情况，包括以碳化硅(SiC)为主要成分，也包括以碳化硅(SiC)和金属硅(Si)作为主要成分两种情况。
在制造本发明的过滤器时，可在以堇青石化原料和/或碳化硅作为主要成分的原料中，根据需要配合各种添加剂，作为添加剂可以举出比如发泡树脂、粘料、促进在液体介质中分散的分散剂、为了形成气孔的成孔材料等。
作为发泡树脂，可以举出比如丙烯酸系列的微胶囊等，作为粘料，可以举出比如羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、聚乙烯醇等。作为分散剂，可以举出比如乙二醇、糊精、脂肪酸皂、多元醇等。作为成孔剂，可以举出比如石墨、小麦粉、淀粉、酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等。
根据不同的目的，可以单独使用一种或者组合使用两种以上的这些添加剂。
在本发明中，可以使用上述的原料，在如下所示的制造工序中制造蜂窝型陶瓷过滤器。
首先，相对于100重量份的上述原料，加入3～5重量份粘料、3～40重量份成孔剂、0.5～2重量份分散剂和10～40重量份水，然后进行混炼成为具有可塑性的物质。
然后，可用挤出成型法、注射成型法、模压成型法和将陶瓷原料成型为圆柱状后再形成贯穿孔的方法等，将此可塑性原料成型，其中从既容易连续成型，又能够将比如堇青石结晶取向产生低热膨胀性的观点出发，优选用挤出成型法进行成型。
然后可用热风干燥、微波干燥、感应干燥、减压干燥、真空干燥、冷冻干燥等方法将得到的成型体进行干燥，其中从整体迅速而均匀地干燥的观点出发，优选在将热风干燥和微波干燥或者感应干燥组合的干燥工序中进行干燥。
最后，干燥成型体的煅烧与干燥成型体的尺寸有关，但在堇青石化原料的情况下，通常在大气的气氛下，优选在1,410～1,440℃的温度下煅烧3～7小时。在以碳化硅作为主要成分的情况下，为了防止SiC的氧化，要在N2、Ar等非氧化性气氛下进行煅烧。在用氮化硅等结合SiC的情况下，煅烧温度就是氮化硅粉末的软化温度，优选在1,550～2,000℃的温度下进行煅烧。在用重结晶法使SiC粒子互相结合的情况下，在至少1,800℃以上的温度下煅烧是有必要的。特别是在以SiC和Si作为主要成分的情况下，优选在N2、Ar等非氧化性气氛下，在1,400～1,800℃的温度下进行煅烧。干燥工序和煅烧工序也可以连续地进行。
下面通过实施例具体说明本发明，但本发明不限于这些实施例。
1.评价方法
对在如下所述的实施例1～13以及在比较例1～5中得到的蜂窝型陶瓷过滤器用如下所示的方法进行评价。
(1)平均气孔径
用マイクロメリテイツクス公司制造的水银压入式孔隙计测定平均气孔径。
(2)气孔率
取堇青石的真比重为2.52g/cm3，由全部细孔的容积计算出气孔率。在SiC的情况下，真比重取3.05g/cm3。
(3)捕集效率
由煤烟发生器产生煤烟的排放气，在尺寸为：直径φ144mm×152mm(长度)，具有如在表2中所示的平均气孔径X、间隔壁厚度W、气孔率、蜂窝室密度以及热膨胀系数的过滤器上通过2分钟，用滤纸捕集通过过滤器以后的排放气中所含的煤烟，测定煤烟的重量(W1)。同时，用滤纸捕集没有通过过滤器的产生煤烟的排放气，测定煤烟的重量(W2)。然后将得到的各个重量(W1)、(W2)代入如下所示的公式，求出捕集效率。
(W2-W1)/(W2)×100
(4)捕集煤烟压力损失评价
使用尺寸为φ144mm×152mm(长度)的蜂窝型陶瓷过滤器，把内径φ130mm的环压到蜂窝过滤器的前后，在实质上内径φ130mm下进行。由煤烟发生器产生煤烟，在蜂窝过滤器上捕集到10g煤烟。在此状态下通过2.27Nm3/min的空气，测定过滤器前后的压力差。
(实施例1～12)
按照如表1所示的平均粒径和配合比例，将主要原料和成孔材料混合，配制各种堇青石化原料。
然后相对于100g各种堇青石化原料，分别加入4g羟丙基甲基纤维素、0.5g月桂酸钾皂和30g水，进行混炼形成可塑性，将该可塑性原料在真空捏合机上成型为圆柱状的坯土，送入挤出成型机成型为蜂窝状。
然后通过感应干燥后、热风干燥从而将得到的各种成型体彻底干燥，按照预定的尺寸切断两端面。
然后，用由同样组成的堇青石化原料浆料，对这样的蜂窝状干燥体，在贯穿孔开口的两个端面上相互交错地封闭住贯穿孔。
最后，在1420℃下煅烧4小时，得到实施例1～12，比较例1～5的蜂窝型陶瓷过滤器，其尺寸为：φ144mm×152mm(长度)。
(实施例13)
使用在表1上所示的主要原料(SiC和Si)和成孔材料，用与实施例1～12相同的方法一直进行到干燥和封孔，在直到400℃的温度下时在大气压氧化气氛下，在400℃以上的温度下时在大气压氩气气氛下，最高温度1450℃下煅烧1小时，得到蜂窝型陶瓷过滤器的尺寸是：φ144mm×152mm(长度)。
对实施例1～13以及比较例1～5的各自评价结果显示在表2中。
表1
                                       主原料                                                                             成孔材料     成孔材料
    滑石(％)     高岭土(质量％)        石英(质量％)    熔融硅石(质量％)   氧化铝(质量％)   氢氧化铝(质量％)     石墨(质量％)    发泡树脂(质量％)
    实施例1     40(15μm)     19(10μm)     12(39μm)     0     14(7μm)     15(2μm)     15(51μm)     2(52μm)
    实施例2     40(15μm)     19(10μm)     12(39μm)     0     14(7μm)     15(2μm)     15(51μm)     2(52μm)
    实施例3     40(15μm)     19(10μm)     12(39μm)     0     14(7μm)     15(2μm)     15(51μm)     2(52μm)
    实施例4     40(15μm)     0     21(10μm)     0     16(7μm)     23(3μm)     20(29μm)     4(35μm)
    实施例5     40(15μm)     0     21(10μm)     0     16(7μm)     23(3μm)     20(29μm)     4(35μm)
    实施例6     40(15μm)     0     21(10μm)     0     16(7μm)     23(3μm)     20(29μm)     4(35μm)
    实施例7     40(15μm)     0     21(10μm)     0     16(7μm)     23(3μm)     20(29μm)     4(35μm)
    实施例8     40(7μm)     0     0     21(78μm)     16(5μm)     23(1.5μm)     20(29μm)     4(64μm)
    实施例9     40(20μm)     0     21(89μm)     0     16(10μm)     23(1.5μm)     0     3(64μm)
   实施例10     40(20μm)     0     21(89μm)     0     16(10μm)     23(1.5μm)     0     3(64μm)
   实施例11     40(20μm)     0     0     21(54μm)     16(10μm)     23(2μm)     0     2(52μm)
   实施例12     40(15μm)     19(10μm)     0     12(32μm)     14(7μm)     15(2μm)     20(29μm)     4(35μm)
   实施例13     SiC(35μm)：80质量％，Si(6μm)：20质量％     0     3(52μm)
    比较例1     40(15μm)     0     21(10μm)     0     16(7μm)     23(3μm)     20(29μm)     4(35μm)
    比较例2     40(15μm)     19(10μm)     12(10μm)     0     14(7μm)     15(2μm)     15(51μm)     3(52μm)
    比较例3     40(15μm)     19(10μm)     12(10μm)     0     14(7μm)     15(2μm)     15(51μm)     3(52μm)
    比较例4     40(15μm)     19(10μm)     12(10μm)     0     14(7μm)     15(2μm)     15(51μm)     3(52μm)
    比较例5     40(15μm)     19(10μm)     12(10μm)     0     14(7μm)     15(2μm)     15(51μm)     3(52μm)
表中括弧内的数字是原料的平均粒径。
表2
    No 间隔壁厚度W(μm) 蜂窝室密度(/in2)   气孔率(％)   平均气孔孔径X(μm)     W/X 热膨胀系数(10-6/℃) 捕集煤烟压力损失(KPa) 捕集效率(％)
实施例1     300     300     59     32     9.4     0.6     9.4     86
实施例2     250     300     59     32     7.8     0.6     8.6     71
实施例3     200     300     59     32     6.3     0.6     7.3     59
实施例4     200     350     70     24     8.3     0.7     5.2     79
实施例5     150     350     70     24     6.3     0.7     4.9     58
实施例6     150     400     70     24     6.3     0.7     4.2     52
实施例7     100     400     70     24     4.2     0.7     3.5     45
实施例8     300     300     75     45     6.7     1.0     7.6     63
实施例9     300     300     61     61     4.9     1.0     9.3     48
实施例10     350     300     61     61     5.7     1.0     10.3     50
实施例11     200     300     55     45     4.4     0.5     7.9     45
实施例12     100     400     68     32     3.1     0.8     3.7     42
实施例13     300     250     58     31     9.7     4.1     7.3     89
比较例1     250     300     70     24     10.4     0.7     7.1     91
比较例2     200     300     68     15     13.3     0.8     6.8     94
比较例3     300     300     68     15     20.0     0.8     8.6     96
比较例4     400     300     68     15     26.7     0.6     10.3     97
比较例5     300     200     68     15     20.0     0.6     10.7     95
产业上利用的可能性
正如以上所说明的，用间隔壁厚度除以平均气孔径所得到的值是与捕集效率相关的，按照本发明，通过控制间隔壁厚度除以平均气孔径的值就能够自由地控制捕集效率。由于认为煤烟的捕集效率和灰分的捕集效率相关，按照本发明就能够提供蜂窝型陶瓷过滤器，在维持规定捕集效率的同时，即使长期使用由于灰分聚集所造成的压力损失也不会大到预定值以上。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
基于条约19条(1)的说明书
在权利要求的第一项中，明确地规定了蜂窝型陶瓷过滤器是以堇青石作为主要成分的，其热膨胀系数小于0.8×10-6/℃，明确了和所引参考文献的区别。
权利要求的第二项和第三项与原申请相同，不改变。
权利要求的第五项和第六项，伴随着权利要求第一项的修改而删除。
权利要求的第七项和第八项，随着权利要求第五项和第六项的删除而修改了从属关系。
1.(修改后)蜂窝型陶瓷过滤器，其特征在于，所述蜂窝型陶瓷过滤器以堇青石作为主要成分，在40～800℃的热膨胀系数为0.8×10-6/℃以下，而且所述过滤器的平均气孔径X(μm)和间隔壁厚度W(μm)满足以下的关系：
10≥W/X。
2.如权利要求1的蜂窝型陶瓷过滤器，其中所述过滤器的平均气孔径X(μm)和间隔壁厚度W(μm)满足以下的关系：
7≥W/X≥3。
3.如权利要求1的蜂窝型陶瓷过滤器，其中所述过滤器的平均气孔径X(μm)和间隔壁厚度W(μm)满足以下的关系：
5≥W/X≥3。
4.如权利要求1～3中任何一项的蜂窝型陶瓷过滤器，其中气孔率为55～75％。
5.(删除)
6.(删除)
7.(修改后)如权利要求1～3中任何一项的蜂窝型陶瓷过滤器，其中间隔壁厚度W为350μm以下。
8.(修改后)如权利要求1～3和7中任何一项的蜂窝型陶瓷过滤器，其中蜂窝室的密度为250个室/in2以上。

Claims (8)

1.蜂窝型陶瓷过滤器，其特征在于，所述过滤器的平均气孔径X(μm)和间隔壁厚度W(μm)满足以下的关系：
10≥W/X。
2.如权利要求1的蜂窝型陶瓷过滤器，其中所述过滤器的平均气孔径X(μm)和间隔壁厚度W(μm)满足以下的关系：
7≥W/X≥3。
3.如权利要求1的蜂窝型陶瓷过滤器，其中所述过滤器的平均气孔径X(μm)和间隔壁厚度W(μm)满足以下的关系：
5≥W/X≥3。
4.如权利要求1～3中任何一项的蜂窝型陶瓷过滤器，其中气孔率是55～75％。
5.如权利要求1～4中任何一项的蜂窝型陶瓷过滤器，其中的陶瓷以堇青石和/或碳化硅为主要成分。
6.如权利要求1～5中任何一项的蜂窝型陶瓷过滤器，其中在40～800℃下的热膨胀系数为1.0×10-5/℃以下。
7.如权利要求1～6中任何一项的蜂窝型陶瓷过滤器，其中间隔壁厚度W为350μm以下。
8.如权利要求1～7中任何一项的蜂窝型陶瓷过滤器，其中蜂窝室的密度为250个室/in2以上。
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