DE102019001997A1

DE102019001997A1 - Poröser Keramikkörper und Verfahren zu dessen Herstellung und Staubsammelfilter

Info

Publication number: DE102019001997A1
Application number: DE102019001997.0A
Authority: DE
Inventors: Hiroaki NOGUCHI; Shuichi Ichikawa; Akifumi KAWAKAMI; Mitsuhiro Ito
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2019-10-02
Also published as: US20190300445A1; JP6906468B2; CN110317074A; JP2019178044A; US10882796B2; CN110317074B

Abstract

Ein poröser Keramikkörper, umfassend: Gerüstabschnitte, umfassend ein Aggregat und zumindest ein Bindematerial; und Porenabschnitte, die zwischen den Gerüstabschnitten gebildet sind, wobei ein Fluid durch die Porenabschnitte strömen kann. Bei dem porösen Keramikkörper haben die Porenabschnitte einen Porenvolumenanteil von Poren mit einem Porendurchmesser von 1 bis 10 µm von 45 % oder mehr und der Anteil der Kontaktfläche zwischen dem Aggregat und dem Bindematerial an der Oberfläche des Bindematerials ist von 20 bis 60 %.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen porösen Keramikkörper und ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie einen Staubsammelfilter.
STAND DER TECHNIK
Eine große Menge an partikulären Substanzen wie Ruß (hierin nachstehend auch als „Feststoffteilchen“ oder „PM“ bezeichnet) ist in Abgasen enthalten, die aus Verbrennungsmotoren wie Dieselmotoren und Benzinmotoren und verschiedenen Verbrennungsvorrichtungen ausgestoßen werden. Werden die PM direkt in die Atmosphäre entladen, wird die Umwelt verschmutzt. Daher ist eine Abgasanlage mit einem Staubsammelfilter (hierin nachstehend auch als „Partikelfilter“ bezeichnet) zum Sammeln der PM ausgestattet. Beispielsweise umfasst der Staubsammelfilter, der zum Reinigen von Abgasen verwendet wird, die aus Dieselmotoren oder Benzinmotoren ausgestoßen werden, einen Dieselpartikelfilter (DPF), einen Benzinpartikelfilter (GPF) und dergleichen. In einem solche DPF und GPF wird ein poröser Keramikkörper mit einer Wabenstruktur verwendet, bei der mehrere Zellen, die von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche verlaufen, so dass Strömungswege für ein Abgas gebildet werden, von Trennwänden definiert werden.
Ferner enthält das Abgas, wie oben angegeben, außerdem schädliche Substanzen wie NOx, CO und HC. Üblicherweise wird beim Verringern der Menge schädlicher Substanzen in dem Abgas zur Reinigung des Abgases eine katalytische Reaktion verwendet. Bei der Reinigung des Abgases unter Verwendung einer solchen katalytischen Reaktion wird ein poröser Keramikkörper mit der obigen Wabenstruktur auch als ein Katalysatorträger zum Tragen eines Katalysators verwendet.
Übrigens werden, wenn der poröse Keramikkörper, der für den Staubsammelfilter verwendet wird, verwendet wird, Feststoffteilchen wie Ruß an einer Oberfläche oder einer Innenseite des porösen Keramikkörpers gesammelt. Dies führt zu einem erhöhten Druckabfall des porösen Keramikkörpers und daher einer verschlechterten Funktion als Staubsammelfilter.
Daher wird, um die Funktion als Staubsammelfilter zu regenerieren, eine Behandlung durchgeführt, bei der die an der Oberfläche oder Innenseite des porösen Keramikkörpers abgeschiedenen Feststoffteilchen bei regelmäßigen Intervallen verbrannt und entfernt werden.
Der herkömmliche poröse Keramikkörper birgt jedoch dahingehend Probleme, dass aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit lokale Wärmeentwicklung auftritt, wenn die an der Oberfläche oder Innenseite des porösen Keramikkörpers abgeschiedenen Feststoffteilchen verbrannt werden und die Feststoffteilchen nicht ausreichend entfernt werden können.
Daher hat der Anmelder, um die Wärmeleitfähigkeit des porösen Keramikkörpers zu erhöhen, in Patentdokument 1 einen porösen Keramikkörper vorgeschlagen, umfassend: Gerüstabschnitte, umfassend ein Aggregat wie Siliciumcarbidteilchen und ein Bindematerial wie metallisches Silicium; und Porenabschnitte, die zwischen den Gerüstabschnitten gebildet sind, wobei ein Fluid durch die Porenabschnitte strömen kann.
Der in Patentdokument 1 offenbarte poröse Keramikkörper hat jedoch möglicherweise keine gute Benetzbarkeit zwischen dem Bindematerial und dem Aggregat und kann im Ergebnis einer verringerten Kontaktfläche zwischen dem Bindematerial und dem Aggregat zu einer verringerten Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit führen.
Daher hat der Anmelder in Patentdokument 2 einen porösen Keramikkörper mit erhöhter Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit durch Verbessern der Benetzbarkeit zwischen dem Bindematerial und dem Aggregat vorgeschlagen.
ZITATENLISTE
Patentliteratur

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 2002-201082 A
Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 2002-356383 A

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Der in Patentdokument 2 offenbarte poröse Keramikkörper hat eine Struktur, bei der sekundäre Gewebeteilchen (Bereiche) mit einer großen Zahl von Aggregaten, die mit einem Bindematerial in Kontakt stehen, aneinander gebunden sind, und daher Poren mit jeweils einem erhöhten Durchmesser aufgrund von Hohlräumen zwischen den Bereichen. Der poröse Keramikkörper kann jedoch eine unzureichende Porenverknüpfung aufweisen und bei der Verwendung als Filter zu einem Anstieg des Druckabfalls führen. Daher wird, wenn der poröse Keramikkörper mit einer solchen Struktur als ein Staubsammelfilter verwendet wird, der Druckabfall während der Verwendung rasch erhöht, und in einigen Fällen muss häufig eine Regenerationsbehandlung durchgeführt werden. Im Allgemeinen wird der für den Staubsammelfilter verwendete poröse Keramikkörper häufig dann verwendet, wenn Feststoffteilchen abgeschieden werden. Daher besteht der Bedarf, einen Anstieg des Druckabfalls zu unterbinden, wenn die Feststoffteilchen abgeschieden werden.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die obigen Probleme zu lösen. Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines porösen Keramikkörpers, der eine höhere Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufweist und einen Anstieg des Druckabfalls während der Verwendung unterbinden kann, und eines Verfahren zu dessen Herstellung sowie eines Staubsammelfilters.
Lösung für das Problem
Die betreffenden Erfinder haben herausgefunden, dass bei einem porösen Keramikkörper, umfassend: Gerüstabschnitte, umfassend ein Aggregat und ein Bindematerial; und Porenabschnitte, die zwischen den Gerüstabschnitten gebildet sind und durch welche ein Fluid strömen kann, ein Porenvolumenanteil von Poren mit einem Porendurchmesser von 1 bis 10 µm und ein Anteil der Kontaktfläche zwischen dem Aggregat und dem Bindematerial an der Oberfläche des Bindematerials eng mit der Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und dem Druckabfall des porösen Keramikkörpers in Verbindung stehen. Basierend auf diesen Entdeckungen haben die betreffenden Erfinder herausgefunden, dass die obigen Probleme gelöst werden können, indem der Porenvolumenanteil und der Anteil der Kontaktfläche innerhalb vorbestimmter Bereiche kontrolliert werden, und haben die vorliegende Erfindung vervollständigt.
Daher betrifft die vorliegende Erfindung:

einen porösen Keramikkörper, umfassend: Gerüstabschnitte, umfassend ein Aggregat und zumindest ein Bindematerial; und Porenabschnitte, die zwischen den Gerüstabschnitten gebildet sind, wobei ein Fluid durch die Porenabschnitte strömen kann,
wobei die Porenabschnitte einen Porenvolumenanteil von Poren mit einem Porendurchmesser von 1 bis 10 µm von 45 % oder mehr haben und der Anteil der Kontaktfläche zwischen dem Aggregat und dem Bindematerial an der Oberfläche des Bindematerials von 20 bis 60 % ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch:

ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Keramikkörpers, umfassend die Schritte:
- Bilden eines Grünkörpers zur Bereitstellung eines Formkörpers, wobei der Grünkörper umfasst: ein Aggregat; zumindest ein Bindematerial; zumindest ein Sinterhilfsmittel, enthaltend zwei oder mehr Komponenten; und zumindest ein Bindemittel, wobei das Massenverhältnis des Aggregats zum Bindematerial 65 : 35 bis 85 : 15 beträgt; und
- Brennen des Formkörpers bei einer Temperatur, die höher als oder gleich dem Schmelzpunkt des Bindematerials und niedriger als oder gleich dem Schmelzpunkt des Bindematerials + 50 °C ist, für 1 bis 4 Stunden;
- wobei das Sinterhilfsmittel während des Brennens Oxide bildet, der Anteil eines binären Oxids mit dem niedrigsten Schmelzpunkt innerhalb der Oxide 25 bis 50 Masse-% beträgt und das binäre Oxid einen Schmelzpunkt hat, der niedriger als die oder gleich der Brenntemperatur ist.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Staubsammelfilter, umfassend den porösen Keramikkörper.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung können ein poröser Keramikkörper, der eine höhere Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufweist und einen Anstieg des Druckabfalls während der Verwendung unterbinden kann; und ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie ein Staubsammelfilter bereitgestellt werden.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht eines porösen Keramikkörpers gemäß Ausführungsform 2, betrachtet von einer ersten Endflächenseite aus.
2 ist eine Querschnittsansicht, die einen Querschnitt entlang der Linie A-A' in 1 zeigt.
3 ist eine Draufsicht eines porösen Keramikkörpers gemäß Ausführungsform 3, betrachtet von einer ersten Endflächenseite aus.
4 ist eine Querschnittsansicht, die einen Querschnitt entlang der Linie B-B' in 3 zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen eines porösen Keramikkörpers und ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie ein Staubsammelfilter gemäß der vorliegenden Erfindung genauer beschrieben, die vorliegende Erfindung soll jedoch nicht als darauf beschränkt ausgelegt werden, und es können verschiedene Modifikationen und Verbesserungen basierend auf den Kenntnissen eines Fachmanns vorgenommen werden, ohne vom Sinn der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Mehrere der in jeder Ausführungsform offenbarten Elemente können durch richtige Kombinationen verschiedene Erfindungen bilden. Beispielsweise können einige Elemente aus allen in den Ausführungsformen beschriebenen Elementen gelöscht werden, oder Elemente anderer Ausführungsformen können gegebenenfalls kombiniert werden.
(Ausführungsform 1)
Der poröse Keramikkörper der vorliegenden Ausführungsform umfasst: Gerüstabschnitte, umfassend ein Aggregat und ein Bindematerial; und Porenabschnitte, die zwischen den Gerüstabschnitten gebildet sind und durch welche ein Fluid strömen kann.
Hier stehen der Porendurchmesser und der Porenvolumenanteil der Porenabschnitte mit dem Druckabfall und der Festigkeit des porösen Keramikkörpers in Verbindung. Durch Erhöhen des Porenvolumenanteils der Poren mit einem größeren Porendurchmesser kann ein Anstieg des Druckabfalls unterbunden werden, die Festigkeit verringert sich jedoch gewöhnlich. Daher müssen der Porendurchmesser und der Porenvolumenanteil der Porenabschnitte so kontrolliert werden, dass ein Gleichgewicht zwischen dem Druckabfall und des Festigkeit des porösen Keramikkörpers erhalten wird.
Daher wird bei dem porösen Keramikkörper gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Porenvolumenanteil von Poren mit einem Porendurchmesser von 1 bis 10 µm (kann hierin nachstehend als „Porenvolumenanteil“ abgekürzt werden) so kontrolliert, dass es 45 % oder mehr beträgt.
Hier ist der Grund, warum der Porendurchmesser 1 bis 10 µm beträgt, der, dass er den Druckabfall und die Festigkeit des porösen Keramikkörpers signifikant beeinflusst.
Durch den Porenvolumenanteil von 45 % oder mehr kann sowohl ein Unterbinden des Anstiegs des Druckabfalls als auch eine Verbesserung der Festigkeit erreicht werden. Insbesondere kann der Anstieg des Druckabfalls nicht nur hinsichtlich eines anfänglichen Druckabfalls (vor der Verwendung), sondern auch hinsichtlich eines Druckabfalls während der Verwendung (ein Druckabfall während der Rußabscheidung) unterbunden werden. Der Porenvolumenanteil kann vorzugsweise 50 % oder mehr und stärker bevorzugt 55 % oder mehr betragen, im Hinblick auf einen stabilen Erhalt der obigen Effekte. Andererseits ist die Obergrenze des Porenvolumenanteils nicht besonders eingeschränkt, sie kann jedoch allgemein 90 % und vorzugsweise 85 % und stärker bevorzugt 80 % betragen.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der „Porendurchmesser“ auf einen Porendurchmesser einer Porenverteilung, bestimmt durch ein Quecksilber-Intrusionsverfahren gemäß JIS R 1655: 2003.
Ferner steht die Kontaktfläche zwischen dem Aggregat und dem Bindematerial in dem Gerüstabschnitt mit der Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und dem Druckabfall des porösen Keramikkörpers in Verbindung. Beispielsweise wird, wenn die Kontaktfläche kleiner ist, die Festigkeit verringert, und auch der Wärmeleitungsweg wird eng, so dass die Wärmeleitfähigkeit ebenso verringert wird. Andererseits wird, wenn die Kontaktfläche größer ist, die Verknüpfung der Poren verringert, so dass sich der Druckabfall erhöht.
Daher wird bei dem porösen Keramikkörper gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Anteil der Kontaktfläche zwischen dem Aggregat und dem Bindematerial an der Oberfläche des Bindematerials (was hierin nachstehend als „Kontaktflächenanteil“ bezeichnet werden kann) so kontrolliert, dass er 60 % oder weniger beträgt. Durch Kontrollieren des Kontaktflächenanteils innerhalb des obigen Bereiches kann der Anstieg des Druckabfalls unterbunden werden, indem die Kommunikationsfähigkeit der Poren verbessert wird. Andererseits wird bei dem porösen Keramikkörper gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Kontaktflächenanteil so kontrolliert, dass er 20 % oder mehr beträgt, im Hinblick auf die Verhinderung einer Verringerung der Festigkeit. Der Kontaktflächenanteil kann vorzugsweise 30 % oder mehr betragen, im Hinblick auf die Verhinderung einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit. Die Untergrenze des Kontaktflächenanteils liegt stärker bevorzugt in einem Bereich von 35 bis 45 %, im Hinblick auf ein Gleichgewicht zwischen der Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und dem Druckabfall bei Ruß.
Wie hierin verwendet, kann „der Anteil der Kontaktfläche zwischen dem Aggregat und dem Bindematerial an der Oberfläche des Bindematerials“ mit dem folgenden Verfahren berechnet werden. Zunächst wird ein Probestück mit einer Schnittfläche in einer Richtung parallel zur Strömungsrichtung eines Fluids aus dem porösen Keramikkörper geschnitten. Dann wird, nach dem Einbetten der Schnittfläche des Probestücks in einem Harz, die Schnittfläche poliert und mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) betrachtet, und es wird eine Bildanalyse der betrachteten Aufnahme durchgeführt. Auf der Basis der erhaltenen analytischen Aufnahme wird die Bildanalyse durch Messen einer gekrümmten Linie eines Kontaktabschnitts zwischen dem Aggregat und dem Bindematerial bzw. einer Länge der gekrümmten Linie eines Außenrandabschnitts des Bindematerials durchgeführt, und die gekrümmte Linie des Kontaktabschnitts zwischen dem Aggregat und dem Bindematerial wird als „eine Kontaktfläche zwischen dem Aggregat und dem Bindematerial“ bewertet, und die Länge der gekrümmten Linie des Außenrandabschnitts des Bindematerials wird als „die Oberfläche des Bindematerials“ bewertet. Dann wird, gemäß der Gleichung: „Länge der gekrümmten Linie des Kontaktabschnitts zwischen dem Aggregat und dem Bindematerial (Kontaktfläche zwischen dem Aggregat und dem Bindematerial) / Länge der gekrümmten Linie des Außenrandes des Bindematerials (Oberfläche des Bindematerials) × 100“, der Kontaktflächenanteil berechnet.
Das für die Gerüstabschnitte verwendete Aggregat ist nicht besonders eingeschränkt, und es können die im technischen Bereich bekannten Aggregate verwendet werden. Unter diesen ist das Aggregat vorzugsweise Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Mullit, Titanoxid oder ein Verbundoxid, enthaltend dasselbe (beispielsweise Aluminiumtitanat). Durch die Verwendung eines solchen Materials als ein Aggregat kann ein poröser Keramikkörper mit verbesserter Festigkeit und verbesserter Wärmeschockbeständigkeit erhalten werden.
Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Aggregats beträgt vorzugsweise 40 µm oder weniger und stärker bevorzugt 30 µm oder weniger. Durch die Verwendung des Aggregats mit einem solchen durchschnittlichen Teilchendurchmesser können grobe Gerüstabschnitte nur schwer gebildet werden, und die Porenabschnitte mit guter Kommunikationsfähigkeit werden zwischen den Gerüstabschnitten leicht gebildet. Die Untergrenze des durchschnittlichen Teilchendurchmessers des Aggregats ist nicht besonders eingeschränkt, sie kann jedoch vorzugsweise 10 µm und stärker bevorzugt 15 µm betragen.
Der „durchschnittliche Teilchendurchmesser“, wie hierin verwendet, bezieht sich auf den Teilchendurchmesser bei einem Integralwert von 50 % bei einer Teilchengrößenverteilung, erhalten mit dem Laserdiffraktions/-streuungsverfahren.
Das für die Gerüstabschnitte verwendete Bindematerial ist nicht besonders eingeschränkt, und es können die im technischen Bereich bekannten Bindematerialien verwendet werden. Unter diesen ist das Bindematerial vorzugsweise zumindest eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus metallischem Silicium, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid und einem Verbundoxid, enthaltend dasselbe (beispielsweise Cordierit). Durch die Verwendung eines solchen Bindematerials mit einem geeignet gewählten Verhältnis zu dem Aggregat kann ein poröser Keramikkörper mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit erhalten werden.
Obgleich Siliciumcarbid auch als das Aggregat verwendet wird, fungiert es auch als das Bindematerial, in Abhängigkeit der Art der zusammen verwendeten Aggregate und der Brenntemperaturen. Beispielsweise fungiert, wenn ein organisches Material, enthaltend Si und C, als ein Rohmaterial zusammen mit Siliciumcarbid als ein Aggregat verwendet wird, Siliciumcarbid, das durch reaktives Sintern des organischen Materials bei etwa 1800 °C erzeugt wird, als ein Bindematerial.
Jeder Gerüstabschnitt kann ferner Oxide enthalten, abgeleitet von einem Sinterhilfsmittel, enthaltend zwei oder mehr Komponenten. Hier kann die Art der Oxide, abgeleitet von dem Sinterhilfsmittel, aus der Art des zu verwendenden Sinterhilfsmittels und der Brenntemperatur identifiziert werden.
Bei den Oxiden beträgt der Anteil eines binären Oxids mit dem niedrigsten Schmelzpunkt vorzugsweise 25 bis 50 Masse-%. Beträgt der Anteil des binären Oxids mit dem niedrigsten Schmelzpunkt mehr als 50 Masse-%, werden wahrscheinlich grobe Gerüstabschnitte gebildet, so dass die Kommunikationsfähigkeit der Poren möglicherweise nicht ausreichend sichergestellt wird. Andererseits kann, wenn der Anteil des binären Oxids mit dem niedrigsten Schmelzpunkt kleiner als 25 Masse-% ist, die Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufgrund einer Verringerung des Kontaktflächenanteils möglicherweise nicht ausreichend sichergestellt werden.
Hier kann der Schmelzpunkt des Oxids, abgeleitet von dem Sinterhilfsmittel, aus einem Gleichgewichtszustandsdiagramm der Oxide der Metallelemente, die in dem Sinterhilfsmittel enthalten sind, spezifiziert werden. Ferner kann der Anteil des binären Oxids mit dem niedrigsten Schmelzpunkt durch Einstellen der Art und des Anteils der Komponenten, die in dem Sinterhilfsmittel enthalten sind, kontrolliert werden. Ferner kann der Anteil des binären Oxids mit dem niedrigsten Schmelzpunkt mittels Durchführen einer qualitativen Analyse mit Fluoreszenz-Röntgenanalyse (XRF) des Rohmaterials, Erhalten eines Massenverhältnisses eines jeden Oxids, abgeleitet von dem Sinterhilfsmittel, aus einer eingeführten Menge des Rohmaterials und dann Berechnen eines Massenverhältnisses des binären Oxids mit dem niedrigsten Schmelzpunkt in diesen Oxiden bestimmt werden.
Die Komponenten, die in dem Sinterhilfsmittel enthalten sind, sind nicht besonders eingeschränkt, und es können die im technischen Bereich bekannten verwendet werden. Das Sinterhilfsmittel enthält im Allgemeinen eine Verbindung, enthaltend (ein) Erdalkalimetallelement(e). Beispiele der Verbindung, enthaltend (ein) Erdalkalimetall(e) umfassen Fluoride, Carbide, Chloride, Silicide, Carbonate, Hydroxide, Oxide, Salze anorganischer Säuren und Salze organischer Säuren von Calcium, Magnesium oder Strontium. Diese können allein oder in Kombination aus zwei oder mehr verwendet werden. Das Sinterhilfsmittel kann ferner eine Verbindung enthalten, die (ein) andere(s) Element(e) als das Erdalkalimetallelement enthält, im Hinblick auf die Kontrolle des Schmelzpunktes des Sinterhilfsmittels.
In einer Ausführungsform ist das Sinterhilfsmittel ein Gemisch aus einer Verbindung, enthaltend Strontium, einer Verbindung, enthaltend Aluminium, und einer Verbindung, enthaltend Silicium. Hier kann jede Verbindung zwei oder mehr Metallelemente enthalten. Beispielsweise kann die Verbindung, enthaltend Silicium, Aluminium enthalten. Unter diesen ist ein bevorzugtes Sinterhilfsmittel ein Gemisch aus Strontiumoxid, Siliciumdioxid und Aluminiumoxid, oder ein Rohmaterial, welches das Gemisch während des Brennens liefert. Ein Beispiel des Rohmaterials, welches Strontiumoxid während des Brennens liefert, umfasst Strontiumcarbonat. Beispiele des Rohmaterials, das Siliciumdioxid während des Brennens liefert, umfassen Quarz und kolloidales Siliciumdioxid. Beispiele des Rohmaterials, welches Aluminiumoxid während des Brennens liefert, umfassen Aluminiumhydroxid. Beispiele des Rohmaterials, welches gleichzeitig Siliciumdioxid und Aluminiumoxid liefert, umfassen Silicatverbindungen, beispielsweise Tonmineralien wie Bentonit, Montmorillonit, Kaolin und Sepiolith. Wird das Sinterhilfsmittel aus einem solchen Gemisch oder einem solchen Rohmaterial, welches das Gemisch liefert, verwendet, werden ein binäres Oxid von Strontium und Silicium (Si-Sr-basiertes Oxid) und Al₂O₃ während des Brennens erzeugt, und das Si-Sr-basierte Oxid wird das binäre Oxid mit dem niedrigsten Schmelzpunkt sein.
Die Porosität des porösen Keramikkörpers ist nicht besonders eingeschränkt, sie kann jedoch vorzugsweise 30 % oder mehr und stärker bevorzugt 35 % oder mehr und noch stärker bevorzugt 39 % oder mehr betragen. Liegt die Porosität in einem solchen Bereich, kann das leichte Strömen eines Fluids sichergestellt werden (Filtrationsgeschwindigkeit), wenn der poröse Keramikkörper als ein Filter verwendet wird. Die Porosität des porösen Keramikkörpers kann vorzugsweise 50 % oder weniger und stärker bevorzugt 45 % oder weniger betragen. Liegt die Porosität in einem solchen Bereich, kann der Anstieg des Druckabfalls unterbunden werden, wenn der poröse Keramikkörper als ein Filter verwendet wird.
Die „Porosität“, wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine Porosität, gemessen mit Quecksilberporosimetrie gemäß JIS R 1655: 2003.
Der poröse Keramikkörper mit den obigen Merkmalen kann mit einem Verfahren zur Herstellung eines porösen Keramikkörpers hergestellt werden, umfassend die Schritte Bilden eines Grünkörpers zur Bereitstellung eines Formkörpers, wobei der Grünkörper umfasst: ein Aggregat; zumindest ein Bindematerial; zumindest ein Sinterhilfsmittel, enthaltend zwei oder mehr Komponenten; und zumindest ein Bindemittel, wobei das Massenverhältnis des Aggregats zum Bindematerial 65 : 35 bis 85 : 15 beträgt; und Brennen des Formkörpers bei einer Temperatur, die höher als oder gleich dem Schmelzpunkt des Bindematerials und niedriger als oder gleich dem Schmelzpunkt des Bindematerials + 50 °C ist, für 1 bis 4 Stunden. Insbesondere kann durch Einbringen des Sinterhilfsmittels und Brennen des Grünkörpers bei einer vorbestimmten Brenntemperatur für einen vorbestimmen Brennzeitraum der Kontaktflächenanteil innerhalb eines vorbestimmten Bereiches kontrolliert werden, in Abhängigkeit des Erzeugungsverhältnisses von Glasphasen und Kristallphasen eines Oxids (beispielsweise einer Silicatverbindung), erzeugt durch Umsetzen des Sinterhilfsmittels während des Brennens. In den Oxiden des Sinterhilfsmittels, gebildet während des Brennens, sollte das binäre Oxid mit dem niedrigsten Schmelzpunkt einen Schmelzpunkt haben, der niedriger als oder gleich der Brenntemperatur ist, und der Anteil des binären Oxids sollte 25 bis 50 Masse-% betragen, um eine solche Funktion des Sinterhilfsmittels zu erhalten. Der Schmelzpunkt und Anteil des binären Oxids kann durch Kontrollieren der Art und des Mischverhältnisses der Komponenten, die für das Sinterhilfsmittel verwendet werden, eingestellt werden. Beispielsweise kann, wenn das Sinterhilfsmittel, enthaltend drei Komponenten, verwendet wird, das Mischverhältnis einer verbleibenden Komponente im Vergleich zu dem zweier Komponenten, die das binäre Oxid mit dem niedrigsten Schmelzpunkt liefern, erhöht werden, wodurch der Anteil der Kristallphasen des Oxids erhöht wird. Daher kann mittels Durchführens des Brennens unter den obigen Bedingungen der Kontaktflächenanteil innerhalb des vorbestimmten Bereiches kontrolliert werden, und die Kommunikationsfähigkeit der Poren kann verbessert werden.
Der Schmelzpunkt des binären Oxids ist nicht besonders eingeschränkt, er kann jedoch vorzugsweise 1300 °C oder mehr betragen. Ist der Schmelzpunkt kleiner als 1300 °C, bleibt die Glasphase des Oxids üblicherweise nur schwer in den Gerüstabschnitten in einer gewünschten Form, selbst wenn die Glasphase während eines Temperatursteigerungsprozesses während des Brennens erzeugt wird. Im Ergebnis kann es schwierig sein, den Porenvolumenanteil und den Kontaktflächenanteil so zu kontrollierten, dass sie in den obigen Bereichen liegen. Andererseits wird es, wenn der Schmelzpunkt höher als 1450 °C ist, schwierig, die Glasphase des Oxids während des Brennens zu bilden, und es wird schwierig, dass die Glasphase in einer gewünschten Form in den Gerüstabschnitten vorliegt. Im Ergebnis kann es schwierig sein, den Porenvolumenanteil und den Kontaktflächenanteil so zu kontrollieren, dass sie innerhalb der obigen Bereiche liegen.
Die Menge des eingebrachten Sinterhilfsmittels ist nicht besonders eingeschränkt, sie beträgt jedoch im Allgemeinen 5 Masse-% oder weniger, bezogen auf die Gesamtmenge des Aggregats und des Bindematerials.
Das Bindemittel ist nicht besonders eingeschränkt, und es können die im technischen Bereich bekannten Bindemittel verwendet werden. Beispiele des Bindemittels umfassen organische Bindemittel wie Methylcellulose und Hydroxypropoxylmethylcellulose. Diese können allein oder in Kombination aus zwei oder mehr verwendet werden.
Die Menge des eingebrachten Bindemittels ist nicht besonders eingeschränkt, sie beträgt jedoch im Allgemeinen 5 bis 8 Masse-%, bezogen auf die Gesamtmenge des Aggregats und des Bindematerials.
Ferner kann zum Einstellen der Porosität des porösen Keramikkörpers ein Porenbildner zu dem Rohmaterial für den Grünkörper zugegeben werden. Der Porenbildner ist nicht besonders eingeschränkt, und es kann jeder beliebige im technischen Bereich bekannte Porenbildner verwendet werden. Beispiele des Porenbildners umfassen Graphit, Weizenmehl, Stärke, Phenolharze, Polymethylmethacrylat, Polyethylen, Polyethylenterephthalat und dergleichen. Diese können allein oder in Kombination aus zwei oder mehr verwendet werden.
Die Menge des zugegebenen Porenbildners kann nach Bedarf gemäß seiner Art und dem Grad der Porosität eingestellt werden und ist nicht besonders eingeschränkt.
Der Grünkörper kann durch Mischen und Kneten der obigen Rohmaterialien erhalten werden. Das Verfahren zum Mischen und Kneten der Rohmaterialien ist nicht besonders eingeschränkt, und es kann ein in der Technik bekanntes Verfahren ausgeführt werden. Beispielsweise kann das Mischen und Kneten der Rohmaterialien unter Verwendung eines Kneters, eines Vakuum-Grünkörper-Kneters oder dergleichen ausgeführt werden.
Ebenso ist das Verfahren zur Bildung des Grünkörpers ist nicht besonders eingeschränkt, und es kann mit einem in der Technik bekannten Verfahren ausgeführt werden.
Der Formkörper kann vor dem Brennen kalziniert werden, um das in dem Formkörper enthaltene Bindemittel zu entfernen (Entfetten). Die Kalzinierung wird vorzugsweise bei einer Temperatur durchgeführt, die niedriger als die Temperatur ist, bei der metallisches Silicium geschmolzen wird. Stärker bevorzugt kann er einmalig bei einer vorbestimmten Temperatur von etwa 150 bis 700 °C gehalten werden, oder er kann kalziniert werden, indem die Rate des Temperaturanstiegs auf 50 °C/Stunde oder weniger in dem vorbestimmten Temperaturbereich verlangsamt wird.
Das Verfahren des einmaligen Haltens bei der vorbestimmten Temperatur kann das Halten nur bei einem Temperaturniveau oder das Halten bei mehreren Temperaturniveaus sein, in Abhängigkeit der Art und Menge des verwendeten Bindemittels. Ferner können im Falle des Haltens bei mehreren Temperaturniveaus die Haltezeiten dieselben oder voneinander verschiedene sein. Ebenso kann das Verfahren des Verlangsamens der Rate des Temperaturanstiegs das Verlangsamen nur innerhalb einer bestimmten Temperaturzone oder in mehreren Zonen sein. Ferner können im Falle der mehreren Zonen die Raten dieselben oder voneinander verschiedene sein.
Die Kalzinierungsatmosphäre kann eine oxidierende Atmosphäre sein. Enthält der Formkörper eine große Menge Bindemittel, brennt das Bindemittel mit Sauerstoff während der Kalzinierung jedoch kräftig aus, und die Temperatur des Formkörpers kann rasch erhöht werden. Daher kann die Kalzinierung in einer inerten Atmosphäre wie N₂ und Ar durchgeführt werden, um einen anomalen Temperaturanstieg des Formkörpers zu unterbinden. Das Unterbinden des anomalen Temperaturanstiegs ist eine wichtige Kontrolle, wenn ein Rohmaterial mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten (d. h., der schwach gegenüber Wärmeschock ist) verwendet wird. Wird das Bindemittel in einer Menge von 20 Masse-% oder mehr basierend auf der Gesamtmenge der wichtigsten Rohmaterialien (das Aggregat und das Bindematerial) beigemischt, wird die Kalzinierung vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre ausgeführt. Neben dem Fall, wo es sich bei dem Aggregat um Siliciumcarbidteilchen handelt, selbst in dem Fall, wo die Oxidation bei erhöhter Temperatur betroffen ist, wird die Kalzinierung vorzugsweise in der inerten Atmosphäre durchgeführt, zumindest bei einer Temperatur, die höher als oder gleich einer Oxidation initiierenden Temperatur ist, um die Oxidation des Formkörpers zu unterbinden.
Die Kalzinierung und das anschließende Brennen können in verschiedenen Schritten in demselben Ofen oder in unterschiedlichen Öfen durchgeführt werden oder können kontinuierliche Schritte in demselben Ofen sein. Obgleich das bisherige Verfahren auch ein bevorzugter Ansatz ist, wenn die Kalzinierung und das Brennen in unterschiedlichen Atmosphären durchgeführt werden, ist letzteres Verfahren hinsichtlich der Gesamtbrenndauer, Betriebskosten des Ofens und dergleichen bevorzugt.
Die Brennatmosphäre kann gemäß der Art des Aggregats bestimmt werden. Beispielsweise ist, wenn ein Aggregat verwendet wird, dessen Oxidation bei einer erhöhten Temperatur befürchtet wird, eine nicht-oxidierende Atmosphäre wie N₂ und Ar bevorzugt, zumindest in einem Temperaturbereich von mehr als oder gleich einer Oxidation initiierenden Temperatur.
Bei dem wie oben beschrieben hergestellten porösen Keramikkörper gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind der Porenvolumenanteil und der Kontaktflächenanteil innerhalb des geeigneten Bereiches kontrolliert, so dass er eine höhere Festigkeit und höhere Wärmeleitfähigkeit hat und den Druckabfall während der Verwendung unterbinden kann.
(Ausführungsform 2)
Ein poröser Keramikkörper gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat eine Wabenstruktur, bei der mehrere Zellen, die von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche unter Bildung von Fluidströmungswegen verlaufen, von Trennwänden definiert werden. Bei dem porösen Keramikkörper mit einer solchen Wabenstruktur entsprechen die Trennwände dem porösen Keramikkörper. Ferner bezieht sich bei dem porösen Keramikkörper mit der Wabenstruktur „eine Richtung parallel zur Strömungsrichtung eines Fluids“ auf eine Richtung orthogonal zur Zellenverlaufsrichtung, und „eine Strömungsrichtung eines Fluids“ bezieht sich auf eine Dickenrichtung der Trennwand.
Der poröse Keramikkörper gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist derselbe wie der poröse Keramikkörper von Ausführungsform 1, abgesehen davon, dass ersterer eine vorbestimmte Wabenstruktur hat. Daher wird hier auf die Beschreibungen der mit Ausführungsform 1 gemeinen Ausgestaltung verzichtet, und es werden nur die Abschnitte beschrieben, die sich von denen von Ausführungsform 1 unterscheiden.
1 ist eine Draufsicht des porösen Keramikkörpers gemäß der vorliegenden Ausführungsform, betrachtet von der ersten Endflächenseite aus. 2 ist eine Querschnittsansicht, die einen Querschnitt entlang der Linie A-A' in 1 zeigt.
Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, umfasst ein poröser Keramikkörper 10 Trennwände 3, die mehrere Zellen 2 definieren, die von einer ersten Endfläche 1a zu einer zweiten Endfläche 1b verlaufen, wodurch Fluidströmungswege gebildet werden. Ferner ist eine Außenumfangswand 4 auf einer Außenumfangsfläche des porösen Keramikkörpers 10 gebildet.
Die Dicke jeder Trennwand 3 ist nicht besonders eingeschränkt, sie kann jedoch vorzugsweise 100 bis 500 µm und stärker bevorzugt 150 bis 400 µm und noch stärker bevorzugt 150 bis 350 µm betragen. Die Trennwand mit einer solchen Dicke gestattet das Unterbinden eines Anstiegs des Druckabfalls, während die Festigkeit der Trennwände 3 sichergestellt wird.
Die Zelldichte in dem porösen Keramikkörper 10 ist nicht besonders eingeschränkt, sie kann jedoch vorzugsweise 15 bis 100 Zellen/cm² und stärker bevorzugt 30 bis 65 Zellen/cm² und noch stärker bevorzugt 30 bis 50 Zellen/cm² betragen. Eine solche Zelldichte gestattet die Verbesserung der Auffangeffizienz von Feststoffteilchen, während ein Anstieg des Druckabfalls unterbunden wird, wenn der poröse Keramikkörper als ein Staubsammelfilter verwendet wird.
Die Form der Zelle 2 ist nicht besonders eingeschränkt, und es kann sich um eine in der Technik bekannte Form handeln. Wie hierin verwendet, bezieht sich „die Form der Zelle 2“ auf die Form jeder Zelle 2 in einem Querschnitt in einer Richtung orthogonal zur Verlaufsrichtung der Zelle 2. Beispiele der Form der Zelle 2 umfassen ein Viereck, ein Sechseck, ein Achteck und dergleichen.
Die Form des porösen Keramikkörpers 10 ist nicht besonders eingeschränkt, und es kann sich um eine Säulenform, bei der die Endflächen (die erste Endfläche 1a und die zweite Endfläche 1b) kreisförmig sind (eine zylindrische Form); eine Säulenform, bei der die Endflächen oval sind; und eine Säulenform, bei der die Endflächen polygonal sind (beispielsweise pentagonal, hexagonal, heptagonal, octagonal, usw.); und dergleichen handeln.
Die Länge von der ersten Endfläche 1a zur zweiten Endfläche 1b des porösen Keramikkörpers 10 und die Größe des Querschnitts orthogonal zur Verlaufsrichtung der Zelle 2 kann optional gemäß den Arbeitsbedingungen und der beabsichtigten Verwendung des porösen Keramikkörpers festgelegt werden und ist nicht besonders eingeschränkt.
Bei dem porösen Keramikkörper gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann ein Katalysator zum Reinigen eines Abgases auf zumindest einem von der Oberfläche jeder Trennwand 3 und den Poren jeder Trennwand 3 getragen sein. Der Katalysator, der verwendet werden kann, ist in der Technik bekannt. Beispiele des Katalysators umfassen Edelmetalle, wie Platin, Palladium, Rhodium, Iridium und Silber; und Oxide, wie Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid, Titandioxid, Cerdioxid und Eisenoxid. Diese können allein oder in Kombination aus zwei oder mehr verwendet werden.
Der poröse Keramikkörper 10 mit den obigen Merkmalen kann mit demselben Verfahren hergestellt werden, wie der von Ausführungsform 1, abgesehen davon, dass ein Formkörper durch Extrudieren hergestellt wird. Das Extrudieren kann unter Verwendung einer Düse mit einer gewünschten Zellenform, Trennwanddicke und Zelldichte durchgeführt werden. Der Formkörper mit einer so erhaltenen Wabenstruktur kann vor dem Brennen getrocknet werden. Ein nicht einschränkendes Trocknungsverfahren kann Heißlufttrocknung, Mikrowellentrocknung, dielektrische Trocknung, Trocknung unter vermindertem Druck, Vakuumtrocknung, Gefriertrocknung und dergleichen sein. Unter diesen können die dielektrische Trocknung, die Mikrowellentrocknung und die Heißlufttrocknung allein oder in Kombination miteinander durchgeführt werden. Das Trocknen kann unter den Bedingungen einer Trocknungstemperatur von 30 bis 150 °C für eine Trocknungszeit von 1 Minute bis 2 Stunden durchgeführt werden, ist jedoch nicht speziell darauf beschränkt. Wie hierin verwendet, bezieht sich die „Trocknungstemperatur“ auf eine Temperatur einer Atmosphäre, in der das Trocknen durchgeführt wird.
(Ausführungsform 3)
Der poröse Keramikkörper gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von dem porösen Keramikkörper gemäß Ausführungsform 2 dahingehend, dass die Wabenstruktur des ersteren ferner offene Abschnitte vorbestimmter Zellen auf der ersten Endfläche und verschlossene Abschnitte, die an den offenen Abschnitten der verbleibenden Zellen auf der zweiten Endfläche vorgesehen sind, umfasst. Daher wird hier auf die Beschreibungen der mit Ausführungsform 2 gemeinen Ausgestaltung verzichtet, und es werden nur die Abschnitte beschrieben, die sich von denen von Ausführungsform 2 unterscheiden.
3 ist eine Draufsicht des porösen Keramikkörpers der vorliegenden Ausführungsform, betrachtet von der ersten Endflächenseite auf. 4 ist eine Querschnittsansicht, die einen Querschnitt entlang der Linie B-B' in 3 zeigt.
Wie in den 3 und 4 gezeigt ist, umfasst der poröse Keramikkörper 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform offene Abschnitte vorbestimmter Zellen 2 auf einer ersten Endfläche 1a und verschlossene Abschnitte 5, die an den offenen Abschnitten der verbleibenden Zellen 2 auf einer zweiten Endfläche 1b vorgesehen sind. Der poröse so ausgebildete Keramikkörper kann als ein Partikelfilter zur Reinigung von Abgasen, die aus Verbrennungsmotoren oder verschiedenen Verbrennungsvorrichtungen ausgestoßen werden, verwendet werden.
Beim Herstellen des porösen Keramikkörpers 10, der mit den verschlossenen Abschnitten 5 versehen ist, werden die offenen Abschnitte der Zellen 2 eines Formkörpers mit einer Wabenstruktur oder eines getrockneten Körpers, erhalten durch Trocknen des Formkörpers, mit einem Verschlussmaterial verschlossen. Als das Verfahren zum Verschließen der offenen Abschnitte der Zellen 2 kann ein Verfahren zum Füllen der offenen Abschnitte der Zellen mit dem Verschlussmaterial eingesetzt werden. Das Verfahren zum Füllen mit dem Verschlussmaterial kann gemäß einem allgemein bekannten Verfahren für eine Wabenstruktur, die mit verschlossenen Abschnitten 5 versehen ist, durchgeführt werden. Als ein den verschlossenen Abschnitt bildendes Rohmaterial kann zur Bildung des verschlossenen Abschnitts 5 ein den verschlossenen Abschnitt bildendes Rohmaterial verwendet werden, das für ein allgemein bekanntes Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur verwendet wird.
BEISPIELE
Hierin nachstehend ist, obgleich die vorliegende Erfindung unter Bezug auf die Beispiele ausführlicher beschrieben wird, die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt.
(Beispiel 1)
Zu 100 Masseteilen eines keramischen Rohmaterials mit einem Massenverhältnis von Siliciumcarbid (Aggregat) mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 25 µm und metallischem Silicium (Bindematerial) von 75 : 25 wurden 1,62 Masseteile eines Gemisches (Sinterhilfsmittel) aus Strontiumoxid, Siliciumdioxid und Aluminiumoxid, 7,0 Masseteile Methylcellulose (Bindemittel) und Wasser zugegeben, in einem Kneter geknetet und dann in einem Vakuum-Grünkörper-Kneter geknetet, wodurch ein Grünkörper erhalten wurde. Es versteht sich, dass das Massenverhältnis von Strontiumoxid, Siliciumdioxid und Aluminiumoxid 0,49 : 0,19 : 0,95 beträgt. Der so erhaltene Grünkörper wurde zu einer viereckigen säulenförmigen Wabenstruktur mit einer Länge einer Seite der Endfläche von 38 mm, einer Dicke der Trennwand von 300 µm und einer Zelldichte von 45 Zellen/cm² mittels eines Extruders geformt. Der resultierende Formkörper wurde dann Mikrowellentrocknung unterzogen und dann mit Heißluft bei 80 °C getrocknet, wodurch ein getrockneter Körper erhalten wurde. Der resultierende getrocknete Körper wurde dann in Luft bei 450 °C für 5 Stunden entfettet. Der entfettete getrocknete Körper wurde dann in einer Ar-Atmosphäre bei 1430 °C für 2 Stunden gebrannt, wodurch ein poröser Keramikkörper erhalten wurde.
(Beispiel 2)
Es wurde ein poröser Keramikkörper mit demselben Verfahren wie dem von Beispiel 1 erhalten, abgesehen davon, dass der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Aggregats zu 33 µm verändert wurde.
(Beispiel 3)
Es wurde ein poröser Keramikkörper mit demselben Verfahren wie dem von Beispiel 1 erhalten, abgesehen davon, dass der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Aggregats zu 23 µm verändert wurde.
(Beispiel 4)
Es wurde ein poröser Keramikkörper mit demselben Verfahren wie dem von Beispiel 1 erhalten, abgesehen davon, dass das Mischverhältnis des Sinterhilfsmittels zu 1,35 Masse-% und das Massenverhältnis von Strontiumoxid, Siliciumdioxid und Aluminiumoxid zu 0,21 : 0,19 : 0,95 verändert wurden.
(Beispiel 5)
Es wurde ein poröser Keramikkörper mit demselben Verfahren wie dem von Beispiel 4 erhalten, abgesehen davon, dass der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Aggregats zu 33 µm verändert wurde.
(Beispiel 6)
Es wurde ein poröser Keramikkörper mit demselben Verfahren wie dem von Beispiel 4 erhalten, abgesehen davon, dass der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Aggregats zu 23 µm verändert wurde.
(Beispiel 7)
Es wurde ein poröser Keramikkörper mit demselben Verfahren wie dem von Beispiel 1 erhalten, abgesehen davon, dass die Brenntemperatur zu 1410 °C verändert wurde.
(Beispiel 8)
Es wurde ein poröser Keramikkörper mit demselben Verfahren wie dem von Beispiel 1 erhalten, abgesehen davon, dass die Brenntemperatur zu 1450 °C verändert wurde.
(Beispiel 9)
Es wurde ein poröser Keramikkörper mit demselben Verfahren wie dem von Beispiel 1 erhalten, abgesehen davon, dass die Brenndauer zu 1 Stunde verändert wurde.
(Beispiel 10)
Es wurde ein poröser Keramikkörper mit demselben Verfahren wie dem von Beispiel 1 erhalten, abgesehen davon, dass die Brenndauer zu 4 Stunden verändert wurde.
(Vergleichsbeispiel 1)
Zu 100 Masseteilen eines keramischen Rohmaterials mit einem Massenverhältnis von Siliciumcarbid (Aggregat) zu metallischem Silicium (Bindematerial) von 80 : 20 wurden 2,07 Masseteile eines Gemisches (Sinterhilfsmittel) aus Strontiumoxid, Siliciumdioxid und Aluminiumoxid, 7,0 Masseteile Methylcellulose (Bindemittel) und Wasser zugegeben, in einem Kneter geknetet und dann in einem Vakuum-Grünkörper-Kneter geknetet, wodurch ein Grünkörper erhalten wurde. Unter Verwendung des Grünkörpers wurde ein poröser Keramikkörper mit demselben Verfahren wie dem von Beispiel 1 erhalten. Es versteht sich, dass das Massenverhältnis von Strontiumoxid, Siliciumdioxid und Aluminiumoxid 0,98 : 0,62 : 0,47 beträgt.
(Vergleichsbeispiel 2)
Es wurde ein poröser Keramikkörper mit demselben Verfahren wie dem von Vergleichsbeispiel 1 erhalten, abgesehen davon, dass der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Aggregats zu 23 µm verändert wurde.
(Vergleichsbeispiel 3)
Es wurde ein poröser Keramikkörper mit demselben Verfahren wie dem von Beispiel 1 erhalten, abgesehen davon, dass der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Aggregats zu 15 µm verändert wurde, das Mischverhältnis des Sinterhilfsmittels zu 1,21 Masse-% verändert wurde und das Massenverhältnis von Strontiumoxid, Siliciumdioxid und Aluminiumoxid zu 0,07 : 0,19 : 0,95 verändert wurde.
Die wie oben beschrieben in den Beispielen und Vergleichsbeispiele erhaltenen keramischen porösen Körper wurden den folgenden Bewertungen unterzogen.
(Anteil an binärem Oxid mit dem niedrigsten Schmelzpunkt)
Basierend auf dem Sinterhilfsmittel und der Sintertemperatur, die in jedem der Beispiele und Vergleichsbeispiele, wie beschrieben, verwendet wurden, wurden ein binäres Oxid von Strontium und Silicium (Si-Sr-basiertes Oxid: Schmelzpunkt von 1350 °C) und Al₂O₃ (Schmelzpunkt von 2072 °C) als von dem Sinterhilfsmittel abgeleitete Oxide hergestellt. Daher wurde Fluoreszenz-Röntgenanalyse (XRF) des Rohmaterials zur Bestimmung des Massenverhältnisses des Si-Sr-basierten Oxids und Al₂O₃, enthalten in den Oxiden, hergestellt nach dem Brennen, aus der Menge des eingebrachten Rohmaterials durchgeführt. Der Anteil des Si-Sr-basierten Oxids in diesen Oxiden wurde dann berechnet.
(Kontaktflächenanteil)
Jeder poröse Keramikkörper wurde in einer Richtung orthogonal zur Verlaufsrichtung der Zelle unter Erhalt eines Probestücks geschnitten. Dann wurde, nach dem Einbetten der Schnittfläche des Probestücks in einem Harz, die Schnittfläche unter Erhalt eines Innenquerschnitts poliert. Dieser wurde dann mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) betrachtet, und es wurde eine Bildanalyse der betrachteten Aufnahme durchgeführt. Die REM-Betrachtung erfolgte bei einer Vergrößerung von 500. Bei der erhaltenen analytischen Aufnahme wurden die Krümmung eines Kontaktabschnitts zwischen dem Aggregat und dem Bindematerial bzw. die Länge der gekrümmten Linie eines Außenrandabschnitts des Bindematerials gemessen. Der Anteil der Länge der gekrümmten Linie des Kontaktabschnitts zwischen dem Aggregat und dem Bindematerial an der Länge der gekrümmten Linie des Außenrandes des Bindematerials wurde als der Kontaktflächenanteil bestimmt.
(Porenvolumenanteil)
Der Porenvolumenanteil von Poren mit einem Porendurchmesser von 1 bis 10 µm wurde unter Verwendung eines Quecksilberporosimeters (Autopore IV9500, erhältlich von Micromeritics) gemessen.
(Porosität)
Die Porosität wurde unter Verwendung eines Quecksilberporosimeters (Autopore IV9500, erhältlich von Micromeritics) gemessen.
(Differenz des Anstiegs des Druckabfalls bei Ruß)
Unter der Differenz des Anstiegs des Druckabfalls bei Ruß ist ein Differenzwert (P2 - P1) zwischen einem Druckabfall (P1), wenn der Ruß nicht abgeschieden wird, und einem Druckabfall (P2), nachdem der Ruß abgeschieden wurde, zu verstehen.
Die Differenz des Anstiegs des Druckabfalls bei Ruß wurde wie folgt gemessen. Zunächst konnte Luft bei 0,15 mm³/min durch jeden porösen Keramikkörper strömen, wenn der Ruß noch nicht aufgefangen war, und jeder poröse Keramikkörper wurde hinsichtlich der Druckdifferenz danach/davor (Druckabfall P1) gemessen. Von einem Rußerzeuger („CAST 2“, erhältlich von TOKYO DYLEC CORP.) erzeugter Ruß wurde in jedem porösen Keramikkörper in einer Menge von 0,1 g/l abgeschieden. Luft wurde dann bei 0,15 mm³/min durch jeden porösen Keramikkörper geleitet, in dem der Ruß abgeschieden war, und die Druckdifferenz (Druckabfall P2) zu diesem Zeitpunkt wurde gemessen. Anschließend wurde die Differenz des Anstiegs des Druckabfalls bei Ruß aus der Gleichung: P2 - P1 berechnet. Wenn Luft strömen konnte, wurde jeder poröse Keramikkörper zuvor verschlossen, so dass Luft in einer Richtung parallel zur Dickenrichtung der Trennwand strömte.
(Wärmeleitfähigkeit)
Die Wärmeleitfähigkeit wurde mit einer Methode des quasistationären Zustands (einem Wärmestrommessverfahren unter Verwendung eines Wärmestrommessers) gemessen.
(Isostatische Festigkeit)

Die Messung der isostatischen Festigkeit erfolgte basierend auf einem isostatischen Bruchfestigkeitstest, wie in M505-87 des Automobilstandards (JASO-Standard), ausgegeben von der Society of Automotive Engineers in Japan, Inc. definiert. Der isostatische Bruchfestigkeitstest wird durchgeführt, indem ein poröser Keramikkörper in einem zylindrischen Behälter aus Gummi platziert und dieser mit einer Aluminiumplatte abgedeckt wird und isotrope Druckkompression in Wasser durchgeführt wird. Das heißt, der isostatische Bruchfestigkeitstest soll die Last der Druckbelastung auf einen Zylinderkörper simulieren, wenn die Außenumfangsfläche des porösen Keramikkörpers gegriffen wird. Die mit dem isostatischen Bruchfestigkeitstest gemessene isostatische Festigkeit wird als ein ausgeübter Druckwert (MPa), wenn der poröse Keramikkörper bricht, angegeben. Bei dieser Bewertung wurde ein poröser Keramikkörper, dessen isostatische Festigkeit (MPa) mehr als 1,5 MPa betrug, als „O“ angegeben, und ein poröser Keramikkörper, dessen isostatische Festigkeit (MPa) 1,5 MPa oder weniger betrug, wurde als „X“ angegeben.
Die obigen Bewertungsergebnisse sind in Tabelle 1 und Tabelle 2 gezeigt. [Tabelle 1]

	Aggregat Bindematerial (Massenverhältnis)	durchschn. Teilchendurch messer des Aggregats (µm)	Brenntemperatur (°C)	Brenndauer (Stunden)	binäres Oxid [Si-Sr-basiertes Oxid] (Masseteile)	verbleibendes Oxid [Al₂O₃] (Masseteile)	prozentualer Anteil des binären Oxids (%)
Beispiel 1	75/25	25	1430	2	0,68	0,95	42
Beispiel 2	75/25	33	1430	2	0,68	0,95	42
Beispiel 3	75/25	23	1430	2	0,68	0,95	42
Beispiel 4	75/25	25	1430	2	0,40	0,95	30
Beispiel 5	75/25	33	1430	2	0,40	0,95	30
Beispiel 6	75/25	23	1430	2	0,40	0,95	30
Beispiel 7	75/25	25	1410	2	0,68	0,95	42
Beispiel 8	75/25	25	1450	2	0,68	0,95	42
Beispiel 9	75/25	25	1430	1	0,68	0,95	42
Beispiel 10	75/25	25	1430	4	0,68	0,95	42
Vergleichsbeispiel 1	80/20	28	1430	2	1,60	0,47	77
Vergleichsbeispiel 2	80/20	23	1430	2	1,60	0,47	77
Vergleichsbeispiel 3	75/25	15	1430	2	0,26	0,95	21

[Tabelle 2]

	Kontaktflächenanteil (%)	1-10-µm-Durchmesser-Porenvolumenanteil (%)	Porosität (%)	Differenz des Anstiegs des Druckabfalls bei Ruß (kPa)	Wärmeleitfähigkeit (W/mK)	isostatische Festigkeit
Beispiel 1	40	70	41	0,36	24	○
Beispiel 2	40	45	41	0,45	26	○
Beispiel 2	40	80	41	0,35	23	○
Beispiel 4	25	75	41	0,38	21	○
Beispiel 5	25	50	41	0,47	23	○
Beispiel 6	25	85	41	0,37	20	○
Beispiel 7	35	75	41	0,36	23	○
Beispiel 8	45	60	41	0,35	24	○
Beispiel 9	35	65	41	0,37	24	○
Beispiel 10	45	75	41	0,36	23	○
Vergleichsbeispiel 1	65	40	41	0,50	23	○
Vergleichsbeispiel 2	62	80	41	0,48	21	○
Vergleichsbeispiel 3	15	90	41	0,10	9	×

Wie in den Tabellen 1 und 2 gezeigt ist, hatte jeder der porösen Keramikkörper gemäß den Beispielen 1 bis 10, bei denen die Porenvolumenfraktion 45 % oder mehr betrug und der Kontaktflächenanteil 20 bis 60 % betrug, die geringere Differenz hinsichtlich des Druckabfalls bei Ruß und auch die höhere Wärmeleitfähigkeit und isostatische Festigkeit. Andererseits hatte jeder der porösen Keramikkörper gemäß den Vergleichsbeispielen 1 bis 3, bei denen der Porenvolumenanteil und/oder der Kontaktflächenanteil solchen Bereichen nicht genügte, die höhere Differenz hinsichtlich des Druckabfalls bei Ruß oder die niedrigere Wärmeleitfähigkeit und isostatische Festigkeit.
Wie aus den obigen Ergebnissen ersichtlich ist, kann die vorliegende Erfindung einen porösen Keramikkörper, der eine höhere Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit hat und einen Anstieg des Druckabfalls während der Verwendung unterbinden kann; ein Verfahren zu dessen Herstellung und einen Staubsammelfilter liefern.
Bezugszeichenliste

1a: erste Endfläche
1b: zweite Endfläche
2: Zelle
3: Trennwand
4: Außenumfangswand
5: verschlossener Abschnitt
10: poröser Keramikkörper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2002201082 A [0005]
JP 2002356383 A [0005]

Claims

Poröser Keramikkörper, umfassend: Gerüstabschnitte, umfassend ein Aggregat und zumindest ein Bindematerial; und Porenabschnitte, die zwischen den Gerüstabschnitten gebildet sind, wobei ein Fluid durch die Porenabschnitte strömen kann, wobei die Porenabschnitte einen Porenvolumenanteil von Poren mit einem Porendurchmesser von 1 bis 10 µm von 45 % oder mehr haben und der Anteil der Kontaktfläche zwischen dem Aggregat und dem Bindematerial an der Oberfläche des Bindematerials von 20 bis 60 % ist.
Poröser Keramikkörper nach Anspruch 1, wobei das Aggregat Siliciumcarbid, Titanoxid oder ein Gemisch davon ist.
Poröser Keramikkörper nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bindematerial zumindest eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus metallischem Silicium, Aluminiumoxid und Cordierit, ist.
Poröser Keramikkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jeder der Gerüstabschnitte ferner Oxide umfasst, abgeleitet von einem Sinterhilfsmittel, enthaltend zwei oder mehr Komponenten, und wobei der Anteil eines binären Oxids mit dem niedrigsten Schmelzpunkt innerhalb der Oxide 25 bis 50 Masse-% beträgt.
Poröser Keramikkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der poröse Keramikkörper eine Porosität von 30 bis 55 % hat.
Poröser Keramikkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der poröse Keramikkörper eine Wabenstruktur aufweist, bei der die Trennwände mehrere Zellen definieren, wobei die Zellen von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche verlaufen, so dass Fluidströmungswege gebildet werden.
Poröser Keramikkörper nach Anspruch 6, wobei die Wabenstruktur offene Abschnitte von einigen der Zellen auf einer ersten Endfläche und verschlossene Abschnitte, die an den offenen Abschnitten der verbleibenden Zellen auf einer zweiten Endfläche vorgesehen sind, umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines porösen Keramikkörpers, umfassend die Schritte: Bilden eines Grünkörpers zur Bereitstellung eines Formkörpers, wobei der Grünkörper umfasst: ein Aggregat; zumindest ein Bindematerial; zumindest ein Sinterhilfsmittel, enthaltend zwei oder mehr Komponenten; und zumindest ein Bindemittel, wobei das Massenverhältnis des Aggregats zum Bindematerial 65 : 35 bis 85 : 15 beträgt; und Brennen des Formkörpers bei einer Temperatur, die höher als oder gleich dem Schmelzpunkt des Bindematerials und niedriger als oder gleich dem Schmelzpunkt des Bindematerials + 50 °C ist, für 1 bis 4 Stunden; wobei das Sinterhilfsmittel während des Brennens Oxide bildet, der Anteil eines binären Oxids mit dem niedrigsten Schmelzpunkt innerhalb der Oxide 25 bis 50 Masse-% beträgt und das binäre Oxid einen Schmelzpunkt hat, der niedriger als die oder gleich der Brenntemperatur ist.
Verfahren zur Herstellung des porösen Keramikkörpers nach Anspruch 8, wobei das binäre Oxid einen Schmelzpunkt von 1300 bis 1450 °C hat.
Staubsammelfilter, umfassend den porösen Keramikkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7.