DE102021000810A1

DE102021000810A1 - Säulenförmige Wabenstruktur und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102021000810A1
Application number: DE102021000810.3A
Authority: DE
Inventors: Shuji Ueda; Shungo Nagai; Hiroaki Hayashi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2021-02-16
Publication date: 2021-09-30
Also published as: CN113464245B; US11511268B2; JP2021159868A; CN113464245A; JP7217722B2; US20210299646A1

Abstract

Säulenförmige Wabenstruktur mit einer äußeren Umfangsseitenwand, einer Vielzahl von ersten Zellen, die an einer inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand vorhanden sind, wobei sich die ersten Zellen von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstrecken, wobei sich jede der ersten Zellen an der ersten Endfläche öffnet und einen Verschlussabschnitt mit einem durchschnittlichen Hohlraumanteil von 4 % oder weniger an der zweiten Endfläche aufweist, und eine Vielzahl von zweiten Zellen, die an der inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand vorhanden sind, wobei sich die zweiten Zellen von der ersten Endfläche zu der zweiten Endfläche erstrecken, wobei jede der zweiten Zellen einen Verschlussabschnitt mit einem durchschnittlichen Hohlraumanteil von 4 % oder weniger an der ersten Endfläche aufweist, und sich an der zweiten Endfläche öffnet, wobei die ersten Zellen und die zweiten Zellen abwechselnd nebeneinander angeordnet sind, wobei eine Trennwand dazwischen angeordnet ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine säulenförmige Wabenstruktur und ein Verfahren zu deren Herstellung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Abgas, das von einem Verbrennungsmotor wie zum Beispiel einem Dieselmotor ausgestoßen wird, enthält eine große Menge an Partikeln auf Kohlenstoffbasis (Feststoffe), die Umweltverschmutzung verursachen. Daher ist in der Regel ein Abgassystem eines Dieselmotors oder dergleichen mit einem Filter (Dieselpartikelfilter: DPF) zum Abscheiden der Partikel ausgestattet. In den letzten Jahren sind auch die von Ottomotoren emittierten Partikel zu einem Problem geworden, und Ottomotoren wurden ebenfalls mit einem Filter (Gasoline Particulate Filter: GPF) ausgestattet.
Als Filter ist eine säulenförmige Wabenstruktur vom Wandströmungstyp bekannt, die eine äußere Umfangsseitenwand, eine Vielzahl von ersten Zellen, die sich von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstrecken, sich an der ersten Endfläche öffnen und einen Verschlussabschnitt an der zweiten Endfläche aufweisen, und eine Vielzahl von zweiten Zellen, die sich von der ersten Endfläche zu der zweiten Endfläche erstrecken, einen Verschlussabschnitt an der ersten Endfläche aufweisen und sich an der zweiten Endfläche öffnen, wobei die ersten Zellen und die zweiten Zellen abwechselnd nebeneinander angeordnet sind und eine Trennwand dazwischen angeordnet ist, umfasst.
Wenn eine säulenförmige Wabenstruktur mit den Verschlussabschnitten als Filter verwendet wird, wird die säulenförmige Wabenstruktur normalerweise mittels eines Polstermaterials in einem Metallgehäuse untergebracht (Canning). Bei diesem Unterbringungsprozess (Canning-Prozess) kann ein starker Druck (Spannung) auf die äußere Umfangsseitenwand der säulenförmigen Wabenstruktur ausgeübt werden. Dadurch wird eine Scherspannung an der Schnittstelle zwischen den Verschlussabschnitten und den Trennwänden erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt nimmt die Scherspannung allmählich vom zentralen Abschnitt in Richtung der äußeren Umfangsseitenwand der verschlossenen Wabenstruktur zu, und wenn die Spannung die Scherfestigkeit der Trennwände übersteigt, treten Risse vom äußeren Umfang in Richtung der Innenseite an der Schnittstelle zwischen den Verschlussabschnitten und den Trennwänden auf, und Defekte, wie das Ablösen der Verschlussabschnitte, treten in der Nähe der äußeren Umfangsseitenwand der säulenförmigen Wabenstruktur auf. Dementsprechend ist, um Defekte wie das Ablösen der Verschlussabschnitte während des Canning-Prozesses zu verhindern, ein Verfahren zur Erhöhung der Porosität der Verschlussabschnitte bekannt (Patentliteratur 1: Veröffentlichung der Japanische Patentanmeldung 2018-126869 ).
In einem Filter mit einer säulenförmigen Wabenstruktur, die Verschlussabschnitte aufweist, sorgen die Verschlussabschnitte außerdem dafür, dass das Austreten (Erosion) der abgeschiedenen Partikel aus dem Filter verhindert wird. Daher ist es für die Sicherstellung der Abscheideleistung wichtig, dass die Verschlussabschnitte an vorgegebenen Positionen und in einer vorgegebenen Tiefe ausgebildet sind. Einige der Verschlussabschnitte haben üblicherweise eine vertiefte äußere Endfläche, weisen unregelmäßig große Luftblasen innerhalb der Verschlussabschnitte auf oder haben eine ungleichmäßige Verschlusstiefe der Verschlussabschnitte. Dementsprechend kann sich beim Anheben und Absenken der Temperatur des Filters die thermische Belastung auf Teilbereiche des Filters konzentrieren, und der Wabenfilter kann beschädigt werden.
Daher wurde in Patentliteratur 2 ( WO 2011/040145 ) eine säulenförmige Wabenstruktur vorgeschlagen, bei der die äußere Endfläche der Verschlussabschnitte flach ist und die Verschlussabschnitte keine Luftblasen mit einem Durchmesser von 0,3 mm oder mehr aufweisen, und bei der außerdem ein Wert, der durch Dividieren der Standardabweichung der Verschlusstiefe der Verschlussabschnitte durch die durchschnittliche Verschlusstiefe der Verschlussabschnitte erhalten wird, 0,15 oder weniger beträgt. Gemäß dieser Literatur können aufgrund dieser Eigenschaften Schwankungen der Wärmekapazität, der thermischen Ausdehnung (Rate), des Elastizitätsmoduls und dergleichen der Verschlussabschnitte extrem reduziert werden, und wenn eine Temperaturveränderung oder dergleichen auftritt, kann das Auftreten von Teilbereichen, an denen sich die Spannung konzentriert, unterdrückt werden. Daher kann das Auftreten von Rissen, Verformungen oder dergleichen in der Wabenstruktur unterdrückt werden, wenn eine Temperaturveränderung oder dergleichen auftritt.
ZITATLISTE
Patentliteratur

[Patentliteratur 1] Veröffentlichung der Japanische Patentanmeldung 2018-126869
[Patentliteratur 2] WO 2011/040145

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Patentliteratur 1 wird vorgeschlagen, die Porosität der Verschlussabschnitte zu erhöhen, um Defekte wie das Ablösen der Verschlussabschnitte während des Canning-Prozesses zu verhindern. In Patentliteratur 1 wird auch eine Lösung vorgeschlagen, um die Bildung von groben Agglomeraten zu verhindern, die ein Nebeneffekt der Erhöhung der Porosität der Verschlussabschnitte ist. Die Erosion, bei der die Partikel aus den Verschlussabschnitten austreten, ist jedoch nicht ausreichend untersucht worden.
In Patentliteratur 2 wird zwar erwähnt, dass das Auftreten von Rissen, Verformungen oder dergleichen in der Wabenstruktur bei Temperaturveränderungen oder dergleichen unterdrückt werden soll, das Problem der Erosion wurde jedoch nicht ausreichend diskutiert. Außerdem gibt es keine ausreichenden Überlegungen zu Defekten wie zum Beispiel dem Ablösen der Verschlussabschnitte während des Canning-Prozesses.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Umstände gefunden, und in einer Ausführungsform ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine säulenförmige Wabenstruktur bereitzustellen, die zur Unterdrückung von Defekten, wie zum Beispiel dem Ablösen der Verschlussabschnitte während des Canning-Prozesses, beitragen kann und die auch bei der Verhinderung von Erosion wirksam ist. In einer weiteren Ausführungsform ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen säulenförmigen Wabenstruktur bereitzustellen.
Als Ergebnis sorgfältiger Untersuchungen zur Lösung der obigen Aufgaben haben die vorliegenden Erfinder gefunden, dass es zur Lösung der obigen Aufgaben wichtig ist, den Hohlraumanteil, der die innere Struktur der Verschlussabschnitte definiert und der makroskopischer als die Porosität ist, zu kontrollieren. Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage der obigen Erkenntnisse vervollständigt und wird nachfolgend beispielhaft dargestellt.
[1] Säulenförmige Wabenstruktur, umfassend eine äußere Umfangsseitenwand, eine Vielzahl von ersten Zellen, die an einer inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand vorhanden sind, wobei sich die ersten Zellen von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstrecken, wobei sich jede der ersten Zellen an der ersten Endfläche öffnet und einen Verschlussabschnitt mit einem durchschnittlichen Hohlraumanteil von 4 % oder weniger an der zweiten Endfläche aufweist, und eine Vielzahl von zweiten Zellen, die an der inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand vorhanden sind, wobei sich die zweiten Zellen von der ersten Endfläche zu der zweiten Endfläche erstrecken, wobei jede der zweiten Zellen einen Verschlussabschnitt mit einem durchschnittlichen Hohlraumanteil von 4 % oder weniger an der ersten Endfläche aufweist, und sich an der zweiten Endfläche öffnet, wobei die ersten Zellen und die zweiten Zellen abwechselnd nebeneinander angeordnet sind, wobei eine Trennwand dazwischen angeordnet ist.
[2] Die säulenförmige Wabenstruktur gemäß [1], wobei die durchschnittliche Porosität der Verschlussabschnitte sowohl auf der ersten Endfläche als auch auf der zweiten Endfläche 65 % bis 75 % beträgt.
[3] Verfahren zur Herstellung einer säulenförmigen Wabenstruktur, die eine äußere Umfangsseitenwand, eine Vielzahl von ersten Zellen, die auf einer inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand vorhanden sind, wobei sich die ersten Zellen von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstrecken, wobei sich jede der ersten Zellen an der ersten Endfläche öffnet und einen Verschlussabschnitt an der zweiten Endfläche aufweist und eine Vielzahl von zweiten Zellen, die an der inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand vorhanden sind, wobei sich die zweiten Zellen von der ersten Endfläche zu der zweiten Endfläche erstrecken, wobei jede der zweiten Zellen einen Verschlussabschnitt an der ersten Endfläche aufweist, und sich an der zweiten Endfläche öffnet, wobei die ersten Zellen und die zweiten Zellen abwechselnd nebeneinander angeordnet sind, wobei eine Trennwand dazwischen angeordnet ist, wobei das Verfahren das Füllen eines Öffnungsabschnitts der ersten Zellen und der zweiten Zellen, in denen ein Verschlussabschnitt gebildet werden soll, mit einer Aufschlämmung und das anschließende Trocknen und Brennen der eingefüllten Aufschlämmung zur Bildung jedes der Verschlussabschnitte umfasst,
wobei die Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte 0,1 bis 0,5 Gewichtsteile eines Verdickungsmittels, 0,2 bis 1,0 Gewichtsteile eines Bindemittels, 7 bis 15 Gewichtsteile eines Porenbildners und 30 bis 50 Gewichtsteile Wasser, bezogen auf 100 Gewichtsteile eines keramischen Rohstoffs, umfasst.
[4] Verfahren zur Herstellung einer säulenförmigen Wabenstruktur gemäß [3], wobei die Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte 0,2 bis 0,4 Gewichtsteile des Verdickungsmittels, 0,2 bis 0,5 Gewichtsteile des Bindemittels, 7 bis 15 Gewichtsteile des Porenbildners und 35 bis 40 Gewichtsteile Wasser, bezogen auf 100 Gewichtsteile des keramischen Rohstoffs, umfasst.
[5] Verfahren zur Herstellung einer säulenförmigen Wabenstruktur gemäß [3] oder [4], wobei eine Viskosität der Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte, gemessen bei einer Scherrate von 1,04 sec^-1 bei 25 °C durch ein Viskositätsmessverfahren gemäß JIS R1652: 2003 unter Verwendung eines Brookfield einfach Rotationsviskosimeters vom B-Typ, 250 bis 350 dPa·s beträgt.
[6] Verfahren zur Herstellung einer säulenförmigen Wabenstruktur gemäß einem von [3] bis [5], wobei der Porenbildner ein geschäumtes Harz ist.
[6] Verfahren zur Herstellung einer säulenförmigen Wabenstruktur gemäß einem von [3] bis [6], wobei der Porenbildner ein Pulver mit einer D80 von mehr als 55 µm und einer D90 von mehr als 70 µm in einer volumenbasierten kumulativen Partikelgrößenverteilung ist, die durch ein Laserbeugungs-/Streuungsverfahren gemessen wurde.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine säulenförmige Wabenstruktur bereitgestellt werden, die zur Unterdrückung von Defekten, wie zum Beispiel dem Ablösen der Verschlussabschnitte während des Canning-Prozesses, beitragen kann und die auch wirksam ist, um Erosion zu verhindern.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine säulenförmige Wabenstruktur vom Wandströmungstyp zeigt.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer säulenförmigen Wabenstruktur vom Wandströmungstyp bei Betrachtung aus einem Querschnitt parallel zur Richtung, in der sich die Zellen erstrecken.
3 ist eine erläuternde Ansicht, die schematisch ein Beispiel für ein Verfahren zur Bildung von Verschlussabschnitten durch eine Rakeltechnik zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen eingeschränkt ist, und jede Änderung, Verbesserung oder dergleichen der Konstruktion basierend auf den gewöhnlichen Kenntnissen des Fachmannes, in geeigneter Weise hinzugefügt werden kann, ohne vom Sinn der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
(Säulenförmige Wabenstruktur)
1 und 2 zeigen eine schematische, perspektivische Ansicht und eine Querschnittsansicht einer säulenförmigen Wabenstruktur (100), die als Abgasfilter vom Wandströmungstyp und/oder Katalysatorträger für Kraftfahrzeuge verwendet werden kann. Die säulenförmige Wabenstruktur (100) umfasst eine äußere Umfangsseitenwand (102), eine Vielzahl von ersten Zellen (108), die an einer inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand (102) vorhanden sind, wobei sich die ersten Zellen (108) von einer ersten Endfläche (104) zu einer zweiten Endfläche (106) erstrecken, sich an der ersten Endfläche (104) öffnen und einen Verschlussabschnitt an der zweiten Endfläche (106) aufweisen, und eine Vielzahl von zweiten Zellen (110), die an der inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand (102) vorhanden sind, wobei sich die zweiten Zellen (110) von der ersten Endfläche (104) zu der zweiten Endfläche (106) erstrecken, einen Verschlussabschnitt an der ersten Endfläche (104) aufweisen und sich an der zweiten Endfläche (106) öffnen. In dieser säulenförmigen Wabenstruktur (100) sind die ersten Zellen (108) und die zweiten Zellen (110) abwechselnd nebeneinander angeordnet, wobei eine Trennwand (112) dazwischen angeordnet ist.
Wenn das Abgas, das Feststoffe wie Ruß enthält, der ersten Endfläche (104), die sich auf der stromaufwärtigen Seite des säulenförmigen Filters mit Wabenstruktur (100) befindet, zugeführt wird, wird das Abgas in die ersten Zellen (108) eingeleitet und strömt stromabwärts in den ersten Zellen (108). Da die ersten Zellen (108) an der zweiten Endfläche (106), die sich auf der stromabwärtigen Seite befindet, Verschlussabschnitte (109) aufweisen, durchdringt das Abgas die porösen Trennwände (112), die die ersten Zellen (108) und die zweiten Zellen (110) trennen, und strömt in die zweiten Zellen (110). Da die Feststoffe die Trennwände (112) nicht durchdringen können, werden sie gesammelt und in den ersten Zellen (108) abgelagert. Nachdem die Feststoffe abgeschieden wurden, strömt das saubere Abgas, das in die zweiten Zellen (110) geströmt ist, in den zweiten Zellen (110) stromabwärts und strömt aus der zweiten Endfläche (106), die sich auf der stromabwärtigen Seite befindet, aus.
In einer Ausführungsform beträgt der durchschnittliche Hohlraumanteil der Verschlussabschnitte 4 % oder weniger, bevorzugt 3 % oder weniger, noch bevorzugter 2 % oder weniger, und zum Beispiel 2 bis 4 %, sowohl auf der ersten Endfläche als auch auf der zweiten Endfläche. Durch Einstellen des durchschnittlichen Hohlraumanteils auf 4 % oder weniger ist es möglich, Defekte wie das Ablösen der Verschlussabschnitte während des Canning-Prozesses zu unterdrücken und Erosion zu verhindern.
In der vorliegenden Beschreibung wird der durchschnittliche Hohlraumanteil der Verschlussabschnitte durch das folgende Verfahren gemessen. Zunächst wird der Verschlussabschnitt, für den der Hohlraumanteil gemessen werden soll, mit einer Schnittfläche parallel zur Höhenrichtung (Richtung, in der sich die Zellen erstrecken) der säulenförmigen Wabenstruktur halbiert, um einen Querschnitt des Verschlussabschnitts herauszuschneiden. Jeder der herausgeschnittenen Querschnitte des Verschlussabschnitts wird mit einem Lasermikroskop (z.B. einem von KEYENCE CORPORATION erhältlichen konfokalen 3D Lasermikroskop (shape analysis laser microscope) VK X250 / 260) vollständig fotografiert, um ein Querschnittsbild des Verschlussabschnitts zu erzeugen. Aus dem erzeugten Querschnittsbild wird nur der Verschlussabschnitt ausgewählt und mit der Bildverarbeitungssoftware, die am Lasermikroskop angebracht ist, analysiert, und eine Fläche A, die von dem Hohlraum in einer Tiefe von 230 µm eingenommen wird, wird unter Verwendung des Querschnitts als horizontale Bezugsebene festgelegt. Die Tiefe wird auf 230 µm festgelegt, um zu vermeiden, dass feine Poren als Hohlräume erkannt werden. Außerdem wird die Querschnittsfläche B des Verschlussabschnitts wie folgt berechnet: Querschnittsfläche B des Verschlussabschnitts = Zellenzwischenraum x Tiefe des Verschlussabschnitts. Der Zellenzwischenraum bezieht sich auf den Abstand zwischen einem Paar von Trennwänden, die die Zelle unterteilen, in der der Verschlussabschnitt, für den der Hohlraumanteil gemessen wird, im Querschnittsbild gebildet wird. Die Tiefe des Verschlussabschnitts bezieht sich auf die Länge des Verschlussabschnitts, für den der Hohlraumanteil im Querschnittsbild in der Richtung, in der sich die Zellen erstrecken, gemessen wird. Insbesondere bezieht sie sich auf die Länge in der Richtung, in der sich die Zellen erstrecken, von dem Ende der Zelle, in der der Verschlussabschnitt, für den der Hohlraumanteil gemessen wird, ausgebildet ist, bis zu der tiefsten Stelle, an der der Verschlussabschnitt vorhanden ist. Der Hohlraumanteil des Verschlussabschnitts wird wie folgt dargestellt: Hohlraumanteil (%) = A / B x 100 (%). Der Hohlraumanteil des Verschlussabschnitts wird an 10 beliebigen Stellen an jeder Endfläche gemessen, und der Durchschnittswert wird als der durchschnittliche Hohlraumanteil an jeder Endfläche definiert.
In einer Ausführungsform beträgt die durchschnittliche Tiefe der Verschlussabschnitte 3 bis 7 mm, sowohl an der ersten Endfläche als auch an der zweiten Endfläche. Wenn die durchschnittliche Tiefe des Verschlussabschnitts 3 mm oder mehr beträgt, kann die Festigkeit des Verschlussabschnitts gewährleistet werden. Die durchschnittliche Tiefe des Verschlussabschnitts beträgt bevorzugt 4,2 mm oder mehr. Wenn die durchschnittliche Tiefe des Verschlussabschnitts außerdem 7 mm oder weniger beträgt, kann verhindert werden, dass der Bereich der Trennwand, der die Partikel in der Zelle sammelt, klein wird. Die durchschnittliche Tiefe des Verschlussabschnitts beträgt bevorzugt 6 mm oder weniger. Die Tiefe des Verschlussabschnitts wird an 20 beliebigen Stellen an jeder Endfläche gemessen, und der Durchschnittswert wird als die durchschnittliche Tiefe der Verschlussabschnitte an jeder Endfläche definiert.
In einer Ausführungsform beträgt die durchschnittliche Porosität der Verschlussabschnitte 65 % bis 75 %, sowohl an der ersten Endfläche als auch an der zweiten Endfläche. Wenn die durchschnittliche Porosität des Verschlussabschnitts 65 % oder mehr beträgt, ist dies vorteilhaft für die Unterdrückung von Defekten, wie zum Beispiel das Ablösen der Verschlussabschnitte während des Canning-Prozesses. Die durchschnittliche Porosität der Verschlussabschnitte beträgt bevorzugt 70 % oder mehr. Außerdem ist es vorteilhaft, die durchschnittliche Porosität der Verschlussabschnitte auf 75 % oder weniger einzustellen, um Erosion zu verhindern. Durch die Steuerung der durchschnittlichen Porosität der Verschlussabschnitte in Kombination mit dem obigen durchschnittlichen Hohlraumanteil der Verschlussabschnitte innerhalb vorbestimmter Bereiche werden daher die Unterdrückung von Defekten während des Canning-Prozesses und die Unterdrückung von Erosion verstärkt.
Da es schwierig ist, nur den Verschlussabschnitt zu prüfen und direkt zu vermessen, kann die Porosität des Verschlussabschnitts nach folgendem Verfahren mit der in JIS 1655: 2003 spezifizierten Quecksilberporosimetrie gemessen werden.

-Ein Prüfkörper wird aus einer Trennwand, bei der kein Verschlussabschnitt ausgebildet ist, herausgeschnitten, und die Porosität P₁ (Porosität der Trennwand) des Prüfkörpers wird gemessen.
-Ein Prüfkörper wird aus einer Trennwand, bei der ein Verschlussabschnitt ausgebildet ist, herausgeschnitten, und die Porosität P (Porosität der Trennwand + des Verschlussabschnitts) des Prüfkörpers wird gemessen.
-Das Volumen V₁ (einschließlich der Poren) der Trennwand im Prüfkörper der Trennwand, bei der ein Verschlussabschnitt ausgebildet ist, wird gemessen.
-Volumen V₂ (einschließlich der Poren) des Verschlussabschnitts im Prüfkörper der Trennwand, bei der ein Verschlussabschnitt ausgebildet ist, wird gemessen.

Angenommen, die Porosität des Verschlussabschnitts ist P₂, dann erfüllen P, P₁, P₂, V₁ und V₂ die Gleichung (1). $P = P_{1} \times V_{1} / (V_{1} + V_{2}) + P_{2} \times V_{2} / (V_{1} + V_{2})$
Daher kann P₂ durch die Gleichung (2) erhalten werden. $P_{2} = P \times (V_{1} + V_{2}) / V_{2} - P_{1} \times V_{1} / V_{2}$
Die Porosität P₂ des Verschlussabschnitts wird an 20 beliebigen Stellen an jeder Endfläche gemessen, und der Durchschnittswert wird als die durchschnittliche Porosität der Verschlussabschnitte an jeder Endfläche definiert.
Zusätzlich kann in dem Prüfkörper der Trennwand, bei der ein Verschlussabschnitt ausgebildet ist, unter der Annahme, dass der Volumenanteil des Volumens V₁ (einschließlich der Poren) der Trennwand v₁ ist und der Volumenanteil des Volumens V₂ (einschließlich der Poren) des Verschlussabschnitts v₂ ist, dann kann P₂ auch durch die Gleichung (3) erhalten werden. $P_{2} = P \times (v_{1} + v_{2}) / v_{2} - P_{1} \times v_{1} / v_{2}$
Das Material, aus dem die Verschlussabschnitte bestehen, ist nicht besonders eingeschränkt, aber Keramik ist unter dem Gesichtspunkt der Festigkeit und Wärmebeständigkeit zu bevorzugen. Als Keramik wird bevorzugt ein keramisches Material verwendet, das mindestens eines der folgenden enthält: Cordierit, Mullit, Zirkon, Aluminiumtitanat, Siliciumcarbid, Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff, Siliciumnitrid, Zirkoniumdioxid, Spinell, Indialit, Sapphirin, Korund und Titandioxid. Von diesen Keramiken kann eine Sorte allein enthalten sein, oder es können zwei oder mehr Sorten gleichzeitig enthalten sein. Der Verschlussabschnitt ist bevorzugt aus einem Material hergestellt, das insgesamt 50 Gew.-% oder mehr dieser Keramiken enthält, und noch bevorzugter aus einem Material, das insgesamt 80 Gew.-% oder mehr dieser Keramiken enthält. Noch bevorzugter ist es, dass die Verschlussabschnitte die gleiche Materialzusammensetzung wie die Trennwände aufweisen, da der Ausdehnungskoeffizient während des Brennens der gleiche sein kann und die Festigkeit verbessert wird.
Die Form der Endfläche des säulenförmigen Filters mit Wabenstruktur ist nicht eingeschränkt und kann zum Beispiel ein Kreis, eine Ellipse, eine Rennbahnform, eine ovale Form oder eine polygonale Form wie ein Dreieck oder ein Viereck oder unregelmäßige Formen sein. Die dargestellte säulenförmige Wabenstruktur (100) hat eine kreisförmige Endfläche und ist als Ganzes zylindrisch.
Die Form der Zellen im Querschnitt senkrecht zur Richtung, in der sich die Zellen erstrecken, ist nicht eingeschränkt, aber bevorzugt ein Viereck, ein Sechseck, ein Achteck oder eine Kombination aus diesen. Unter diesen sind Vierecke und Sechsecke bevorzugt. Indem die Zellen derartig geformt werden, ist es möglich, den Druckverlust, wenn ein Fluid durch die säulenförmige Wabenstruktur geströmt wird, zu reduzieren, und die Abscheideleistung wird ausgezeichnet.
Die Zelldichte (die Anzahl an Zellen pro Querschnittsflächeneinheit) ist nicht besonders eingeschränkt, kann aber zum Beispiel 6 bis 2000 Zellen/Quadratzoll (0,9 bis 311 Zellen/cm²), bevorzugter 50 bis 1000 Zellen/Quadratzoll (7,8 bis 155 Zellen/cm²), besonders bevorzugt 100 bis 600 Zellen/Quadratzoll (15,5 bis 92,0 Zellen/cm²) betragen. Hier wird die Zelldichte berechnet, indem die Gesamtzahl der Zellen (einschließlich der verschlossenen Zellen) durch die Fläche einer Endfläche der säulenförmigen Wabenstrukturen, mit Ausnahme der äußeren Umfangsseitenwand, geteilt wird.
Die Trennwände können porös sein. Die durchschnittliche Porosität der Trennwände kann je nach Verwendung entsprechend angepasst werden, beträgt jedoch bevorzugt 40 % oder mehr, bevorzugter 50 % oder mehr und noch bevorzugter 60 % oder mehr unter dem Gesichtspunkt der Unterdrückung des Druckverlusts des Fluides. Außerdem beträgt die durchschnittliche Porosität der Trennwände bevorzugt 80 % oder weniger, bevorzugter 75 % oder weniger und noch bevorzugter 70 % oder weniger, unter dem Gesichtspunkt der Sicherstellung der Festigkeit des säulenförmigen Filters mit Wabenstruktur. Die Porosität der Trennwände wird mit einer Quecksilberporosimetrie gemäß JIS-R1655: 2003 gemessen. Insbesondere werden 20 Prüfkörper der Trennwände gleichmäßig gesammelt, einschließlich des zentralen Bereichs und des äußeren Umfangsbereichs der säulenförmigen Wabenstruktur, die Porosität von jedem wird gemessen, und der Durchschnittswert dieser Messungen wird als die durchschnittliche Porosität definiert.
Es ist wünschenswert, den durchschnittlichen Porendurchmesser der Trennwände je nach Verwendung in einem geeigneten Bereich einzustellen. Bei Verwendung der säulenförmigen Wabenstruktur für den Filtereinsatz beträgt der durchschnittliche Porendurchmesser der Trennwände beispielsweise bevorzugt 24 µm oder weniger, bevorzugter 22 µm oder weniger und noch bevorzugter 20 µm oder weniger. Wenn der durchschnittliche Porendurchmesser der Trennwände im obigen Bereich liegt, wird die Abscheideleistung von Feststoffen deutlich verbessert. Darüber hinaus beträgt der durchschnittliche Porendurchmesser der Trennwände bevorzugt 5 µm oder mehr, bevorzugter 10 µm oder mehr und noch bevorzugter 15 µm oder mehr. Wenn der durchschnittliche Porendurchmesser der Trennwände im obigen Bereich liegt, ist es möglich, den Druckverlustabfall zu unterdrücken. Die durchschnittliche Porengröße der Trennwände bezieht sich auf den Wert, der mit der Quecksilberporosimetrie gemäß JIS-R1655: 2003 gemessen wurde. Insbesondere werden 20 Prüfkörper der Trennwände gleichmäßig gesammelt, einschließlich des zentralen Bereichs und des äußeren Umfangsbereichs der säulenförmigen Wabenstruktur, der durchschnittliche Porendurchmesser von jedem wird gemessen, und der Durchschnittswert dieser Messungen wird als der durchschnittliche Porendurchmesser der gesamten säulenförmigen Wabenstruktur definiert.
Die Dicke der Trennwände ist bevorzugt 150 µm oder mehr, bevorzugter 170 µm oder mehr, und noch bevorzugter 190 µm oder mehr, unter dem Gesichtspunkt der Erhöhung der Festigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur und des Abscheidegrads im Falle des Filtereinsatzes. Außerdem beträgt die Dicke der Trennwände bevorzugt 260 µm oder weniger, bevorzugter 240 µm oder weniger und noch bevorzugter 220 µm oder weniger unter dem Gesichtspunkt der Unterdrückung des Druckverlusts.
Die Höhe der säulenförmigen Wabenstruktur (die Länge von der ersten Endfläche zur zweiten Endfläche) ist ebenfalls nicht besonders eingeschränkt, sondern kann zum Beispiel 40 mm bis 300 mm betragen.
Das Material, aus dem die Trennwände und die äußere Umfangsseitenwand bestehen, ist nicht besonders eingeschränkt, aber Keramik ist unter dem Gesichtspunkt der Festigkeit und Wärmebeständigkeit zu bevorzugen. Als Keramik wird bevorzugt ein keramisches Material verwendet, das mindestens eines der folgenden enthält: Cordierit, Mullit, Zirkon, Aluminiumtitanat, Siliciumcarbid, Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff, Siliciumnitrid, Zirkoniumdioxid, Spinell, Indialit, Sapphirin, Korund und Titandioxid. Von diesen Keramiken kann eine Sorte allein enthalten sein, oder es können zwei oder mehr Sorten gleichzeitig enthalten sein. Die Trennwände und die äußere Umfangsseitenwand sind bevorzugt aus einem Material hergestellt, das insgesamt 50 Gew.-% oder mehr dieser Keramiken enthält, und noch bevorzugter aus einem Material, das insgesamt 80 Gew.-% oder mehr dieser Keramiken enthält.
Wenn die säulenförmige Wabenstruktur als Katalysatorträger verwendet wird, kann die Oberfläche der Trennwände, je nach Verwendung, mit einem Katalysator beschichtet werden. Beispiele für den Katalysator sind unter anderem ein Oxidationskatalysator (DOC) für die oxidative Verbrennung von Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) zur Erhöhung der Abgastemperatur, ein PM-Verbrennungskatalysator, der die Verbrennung von PM wie Ruß unterstützt, ein SCR-Katalysator und ein NSR-Katalysator zur Entfernung von Stickoxiden (NOx) sowie ein Dreiwegekatalysator, der Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) gleichzeitig entfernen kann. Der Katalysator kann in geeigneter Weise beispielsweise Edelmetalle (Pt, Pd, Rh und dergleichen), Alkalimetalle (Li, Na, K, Cs und dergleichen), Erdalkalimetalle (Mg, Ca, Ba, Sr und dergleichen), Seltene Erden (Ce, Sm, Gd, Nd, Y, La, Pr und dergleichen), Übergangsmetalle (Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sc, Ti, Zr, V, Cr und dergleichen) enthalten.
(Herstellungsverfahren)
Eine säulenförmige Wabenstruktur mit den Verschlussabschnitten kann durch ein bekanntes Herstellungsverfahren hergestellt werden, mit Ausnahme des Verfahrens zur Bildung der Verschlussabschnitte, aber ein solches Verfahren wird im Folgenden beispielhaft beschrieben. Zunächst wird ein Grünkörper durch Kneten einer Rohstoffzusammensetzung hergestellt, die einen keramischen Rohstoff, ein Dispersionsmittel, einen Porenbildner und ein Bindemittel umfasst. Anschließend wird der Grünkörper extrudiert, um eine säulenförmige Wabenstruktur nach Wunsch herzustellen. Der Rohstoffzusammensetzung können je nach Bedarf Additive, wie zum Beispiel ein Dispergiermittel, zugesetzt werden. Für die Extrusion kann eine Düse mit der gewünschten Gesamtform, Zellform, Trennwanddicke, Zelldichte und dergleichen verwendet werden.
Der keramische Rohstoff ist ein Rohstoff, wie zum Beispiel ein Metalloxid und ein Metall, das nach dem Brennen bestehen bleibt, um das Gerüst des wabenförmigen gebrannten Körpers als Keramik zu bilden. Der keramische Rohstoff kann zum Beispiel in Form von Pulver bereitgestellt werden. Beispiele für den keramischen Rohstoff umfassen einen Rohstoff zur Gewinnung von Keramik wie Cordierit, Mullit, Zirkon, Aluminiumtitanat, Siliciumcarbid, Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff, Siliciumnitrid, Zirkoniumdioxid, Spinell, Indialit, Sapphirin, Korund, Titandioxid und dergleichen. Spezifische Beispiele hierfür sind unter anderem Siliciumdioxid, Talkum, Aluminiumoxid, Kaolin, Serpentin, Pyrophyllit, Brucit, Böhmit, Mullit, Magnesit und Aluminiumhydroxid. Als keramischer Rohstoff kann eine Sorte allein verwendet werden, oder es können zwei oder mehr Sorten in Kombination verwendet werden.
Bei Filteranwendungen wie DPF und GPF kann bevorzugt Cordierit als Keramik verwendet werden. In diesem Fall kann als keramischer Rohstoff ein Cordierit-bildender Rohstoff verwendet werden. Der Cordierit-bildende Rohstoff ist ein Rohstoff, der durch Brennen zu Cordierit wird. Es ist wünschenswert, dass der Cordierit-bildende Rohstoff eine chemische Zusammensetzung von Aluminiumoxid (Al₂O₃) (einschließlich der Menge an Aluminiumhydroxid, die sich in Aluminiumoxid umwandelt): 30 bis 45 Gew.-%, Magnesia (MgO): 11 bis 17 Gew.-% und Siliciumdioxid (SiO₂): 42 bis 57 Gew.-% aufweist.
Der Porenbildner ist nicht besonders eingeschränkt, solange er nach dem Brennen zu Poren wird, und Beispiele dafür sind Weizenmehl, Stärke, geschäumtes Harz, wasserabsorbierendes Harz, Silikagel, Kohlenstoff (zum Beispiel Graphit), Keramikballon, Polyethylen, Polystyrol, Polypropylen, Nylon, Polyester, Acrylharz, Phenol und dergleichen. Als Porenbildner kann eine Sorte allein verwendet werden, oder es können zwei oder mehr Sorten in Kombination verwendet werden. Unter dem Gesichtspunkt der Erhöhung der Porosität der säulenförmigen Wabenstruktur nach dem Brennen beträgt die Menge des Porenbildners bevorzugt 0,5 Gewichtsteile oder mehr, bevorzugter 2 Gewichtsteile oder mehr und noch bevorzugter 3 Gewichtsteile oder mehr, bezogen auf 100 Gewichtsteile des keramischen Rohstoffs. Unter dem Gesichtspunkt der Gewährleistung der Festigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur nach dem Brennen, beträgt die Menge des Porenbildners bevorzugt 10 Gewichtsteile oder weniger, bevorzugter 7 Gewichtsteile oder weniger und noch bevorzugter 4 Gewichtsteile oder weniger, bezogen auf 100 Gewichtsteile des keramischen Rohstoffs.
Beispiele für das Bindemittel umfassen organische Bindemittel wie Methylcellulose, Hydroxypropoxylmethylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Carboxymethylcellulose und Polyvinylalkohol. Außerdem beträgt unter dem Gesichtspunkt der Erhöhung der Festigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur vor dem Brennen die Menge des Bindemittels bevorzugt 4 Gewichtsteile oder mehr, bevorzugter 5 Gewichtsteile oder mehr und noch bevorzugter 6 Gewichtsteile oder mehr, bezogen auf 100 Gewichtsteile des keramischen Rohstoffs. Unter dem Gesichtspunkt der Unterdrückung des Auftretens von Rissen aufgrund anormaler Wärmeentwicklung während des Brennprozesses beträgt die Menge des Bindemittels bevorzugt 9 Gewichtsteile oder weniger, bevorzugter 8 Gewichtsteile oder weniger und noch bevorzugter 7 Gewichtsteile oder weniger, bezogen auf 100 Gewichtsteile des keramischen Rohstoffs. Als Bindemittel kann eine Sorte allein verwendet werden, oder es können zwei oder mehr Sorten in Kombination verwendet werden.
Als Dispergiermittel können Ethylenglykol, Dextrin, Fettsäureseife, Polyetherpolyol und dergleichen verwendet werden. Als Dispergiermittel kann eine Sorte allein oder zwei oder mehr Sorten in Kombination verwendet werden. Die Menge des Dispergiermittels beträgt bevorzugt 0 bis 2 Gewichtsteile bezogen auf 100 Gewichtsteile des keramischen Rohstoffs.
Beispiele für das Dispersionsmittel sind Wasser oder ein Lösungsmittelgemisch aus Wasser und einem organischen Lösungsmittel wie Alkohol, wobei Wasser besonders bevorzugt verwendet werden kann.
Der Wassergehalt der säulenförmigen Wabenstruktur vor dem Trocknen beträgt bevorzugt 20 bis 90 Gewichtsteile, bevorzugter 60 bis 85 Gewichtsteile und noch bevorzugter 70 bis 80 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile des keramischen Rohstoffs. Wenn der Wassergehalt der säulenförmigen Wabenstruktur 20 Gewichtsteile oder mehr in Bezug auf 100 Gewichtsteile des keramischen Rohstoffs beträgt, ist es einfach, den Vorteil zu erhalten, dass die Qualität der säulenförmigen Wabenstruktur leicht stabilisiert wird. Wenn der Wassergehalt der säulenförmigen Wabenstruktur 90 Gewichtsteile oder weniger in Bezug auf 100 Gewichtsteile des keramischen Rohstoffs beträgt, kann die Menge der Schrumpfung während des Trocknens reduziert und Verformung unterdrückt werden. In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Wassergehalt der säulenförmigen Wabenstruktur auf den Wert, der durch einen Trocknungsverlusttest gemessen wird.
Für das Trocknen der säulenförmigen Wabenstruktur können herkömmlich bekannte Trocknungsverfahren wie Heißgastrocknung, Mikrowellentrocknung, dielektrische Trocknung, Dekompressionstrocknung, Vakuumtrocknung und Gefriertrocknung eingesetzt werden. Unter diesen ist eine Trocknungsmethode, die Heißgastrocknung mit Mikrowellentrocknung oder dielektrischer Trocknung kombiniert, insofern zu bevorzugen, da die gesamte säulenförmige Wabenstruktur dadurch schnell und gleichmäßig getrocknet werden kann.
Nachdem die säulenförmige Wabenstruktur getrocknet wurde, werden die Verschlussabschnitte an beiden Endflächen der säulenförmigen Wabenstruktur gebildet. Jeder der Verschlussabschnitte kann durch ein Verfahren gebildet werden, bei dem eine Öffnung der ersten Zellen und der zweiten Zellen, in denen ein Verschlussabschnitt gebildet werden soll, mit einer Aufschlämmung gefüllt wird, und die eingefüllte Aufschlämmung dann getrocknet und gebrannt wird. In einer Ausführungsform enthält die Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte 0,1 bis 0,5 Gewichtsteile eines Verdickungsmittels, 0,2 bis 1,0 Gewichtsteile eines Bindemittels, 7 bis 15 Gewichtsteile eines Porenbildners und 30 bis 50 Gewichtsteile Wasser, bezogen auf 100 Gewichtsteile des keramischen Rohstoffs.
Die Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte mit der obigen Zusammensetzung hat einen geringeren Anteil des Porenbildners als herkömmliche Aufschlämmungen. Die Porosität des Verschlussabschnitts kann durch Reduzierung des Mischungsverhältnisses des Porenbildners unterdrückt werden. Eine einfache Reduzierung des Mischungsverhältnisses des Porenbildners neigt jedoch dazu, große Hohlräume in den Verschlussabschnitten zu erzeugen, und der Effekt, Erosion zu verhindern, ist nicht so sehr zu erwarten. Durch eine zusätzliche Reduzierung des Mischungsverhältnisses des Verdickungsmittels im Vergleich zu den herkömmlichen Verdickungsmitteln wird der Hohlraumanteil in den ausgebildeten Verschlussabschnitten klein, was zu bevorzugen ist. Infolgedessen wird das Auftreten von Defekten während des Canning-Prozesses unterdrückt und Erosion kann verhindert werden. Daher beträgt die Menge des Verdickungsmittels in der Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte bevorzugt 0,5 Gewichtsteile oder weniger, und noch bevorzugter 0,4 Gewichtsteile oder weniger, bezogen auf 100 Gewichtsteile des keramischen Rohstoffs. Wenn jedoch die Menge an Verdickungsmittel zu gering ist, wird die Fluidität der Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte verringert, und es wird schwierig, die Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte in die Öffnungen der ersten Zellen und der zweiten Zellen, in denen Verschlussabschnitte gebildet werden sollen, einzufüllen. Daher beträgt das Verdickungsmittel in der Aufschlämmung zum Bilden der Verschlussabschnitte bevorzugt 0,1 Gewichtsteile oder mehr, und noch bevorzugter 0,2 Gewichtsteile oder mehr in Bezug auf 100 Gewichtsteile des keramischen Rohstoffs.
Daher enthält in einer bevorzugten Ausführungsform die Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte 0,2 bis 0,4 Gewichtsteile eines Verdickungsmittels, 0,2 bis 0,5 Gewichtsteile eines Bindemittels, 7 bis 15 Gewichtsteile eines Porenbildners und 35 bis 40 Gewichtsteile Wasser, bezogen auf 100 Gewichtsteile des keramischen Rohstoffs. Die Aufschlämmung zum Bilden der Verschlussabschnitte mit der obigen Zusammensetzung kann den Hohlraumanteil der Verschlussabschnitte vorteilhafter machen, und das Auftreten von Defekten während des Canning-Prozesses und die Erosion können effektiver unterdrückt werden.
In einer Ausführungsform beträgt die Viskosität der Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte, gemessen bei einer Scherrate von 1,04 s^-1 bei 25 °C durch ein Viskositätsmessverfahren gemäß JIS R1652: 2003 unter Verwendung eines Brookfield einfach Rotationsviskosimeters vom B-Typ, 250 bis 350 dPa·s, bevorzugt 270 bis 320 dPa·s. Durch Einstellen der Viskosität der Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte innerhalb dieser Bereiche ist es einfach, die Öffnungen der Zellen mit der Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte in der gewünschten Tiefe zu füllen.
Beispiele für einen keramischen Rohstoff, der für die Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte verwendet wird, umfassen zum Beispiel ein Rohstoff zur Gewinnung von Keramik wie Cordierit, Mullit, Zirkon, Aluminiumtitanat, Siliciumcarbid, Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff, Siliciumnitrid, Zirkoniumdioxid, Spinell, Indialit, Sapphirin, Korund, Titandioxid und dergleichen. Spezifische Beispiele hierfür sind unter anderem Siliciumdioxid, Talkum, Aluminiumoxid, Kaolin, Serpentin, Pyrophyllit, Brucit, Böhmit, Mullit, Magnesit und Aluminiumhydroxid. Als keramischer Rohstoff kann eine Sorte allein verwendet werden, oder es können zwei oder mehr Sorten in Kombination verwendet werden.
Beispiele für das Verdickungsmittel, das in der Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte verwendet wird, sind Pektin, Guarkernmehl, Xanthangummi, Propylenglykol und Polyethylenoxid. Unter diesen ist Polyethylenoxid, das schon bei niedriger Konzentration eine hohe Viskosität aufweist und eine fluiditätsverändernde Wirkung hat, bevorzugt. Als Verdickungsmittel kann eine Sorte allein verwendet werden, oder es können zwei oder mehr Sorten in Kombination verwendet werden.
Beispiele für das Bindemittel sind organische Bindemittel wie Methylcellulose, Hydroxypropoxylmethylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxyethylmethylcellulose, Carboxymethylcellulose und Polyvinylalkohol. Als Bindemittel kann eine Sorte allein verwendet werden, oder es können zwei oder mehr Sorten in Kombination verwendet werden.
Der Porenbildner ist nicht besonders eingeschränkt, solange er nach dem Brennen zu Poren wird, und Beispiele dafür sind Weizenmehl, Stärke, geschäumtes Harz, wasserabsorbierendes Harz, Silikagel, Kohlenstoff (zum Beispiel Graphit), Keramikballon, Polyethylen, Polystyrol, Polypropylen, Nylon, Polyester, Acrylharz, Phenol und dergleichen. Als Porenbildner kann eine Sorte allein verwendet werden, oder es können zwei oder mehr Sorten in Kombination verwendet werden.
Die Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte kann zweckmäßigerweise ein Dispergiermittel enthalten. Vom Dispergiermittel kann zum Beispiel 5 bis 15 Gewichtsteile, bevorzugt 8 bis 12 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile des keramischen Rohstoffs, enthalten sein. Beispiele für das Dispergiermittel sind Ethylenglykol, Dextrin, Fettsäureseife, Polyetherpolyol und dergleichen. Als Dispergiermittel kann eine Sorte allein verwendet werden, oder es können zwei oder mehr Sorten in Kombination verwendet werden.
Als Wasser kann allgemein bekanntes gereinigtes Wasser, ionenausgetauschtes Wasser o. ä. verwendet werden.
Das Einfüllen der Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte in die Öffnungen der Zellen kann zum Beispiel durch die folgende „Rakeltechnik“ erfolgen. Wie in 3 dargestellt, wird nach dem Trocknen ein Film (121) an der oberen Endfläche (hier die zweite Endfläche (106) in der Zeichnung) einer säulenförmigen Wabenstruktur (100), die mit Hilfe eines Spannfutters (120) fixiert wird, angebracht und der Film (121) wird mit einem Laser an Positionen bestrahlt, die der gewünschten Anordnung (zum Beispiel „Schachbrettmuster“) der Verschlussabschnitte entsprechen, und eine Vielzahl von Löchern (126) werden in dem Film (121) gebildet.
Anschließend wird eine Aufschlämmung (124) zur Bildung der Verschlussabschnitte auf den Film (121) aufgetragen, und die Rakel (122) wird entlang des Films (121) in Pfeilrichtung in 3 bewegt. Dadurch werden die Zellen (125), die sich an den Positionen öffnen, die den Löchern (126) des Films (121) entsprechen, mit einer bestimmten Menge der Aufschlämmung (124) zur Bildung der Verschlussabschnitte gefüllt.
Die Tiefe der Verschlussabschnitte kann durch die Anzahl der Bewegungsvorgänge der Rakel (122), den Kontaktwinkel zwischen der Rakel (122) und des Films (121), den Anpressdruck der Rakel (122) gegen den Film (121), die Viskosität der Aufschlämmung (124) zur Bildung der Verschlussabschnitte und dergleichen verändert werden.
Nach dem Einfüllen der Aufschlämmung (124) zur Bildung der Verschlussabschnitte wird der Film (121) abgezogen und die gesamte säulenförmige Wabenstruktur (100) getrocknet. Dadurch wird die in die Zellen (125) eingefüllte Aufschlämmung (124) zur Bildung der Verschlussabschnitte getrocknet, und die Verschlussabschnitte vor dem Brennen werden gebildet. Das Trocknen kann zum Beispiel bei einer Trocknungstemperatur von 100 bis 230 °C für ca. 60 bis 100 Sekunden durchgeführt werden. Nach dem Trocknen ragen die Verschlussabschnitte um die Dicke des Films aus der Endfläche der säulenförmigen Wabenstruktur heraus, so dass diese bei Bedarf abgeschabt werden können.
Das Material des Films ist nicht besonders eingeschränkt, ist aber bevorzugt Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyimid oder Teflon (eingetragenes Warenzeichen) aufgrund der einfachen thermischen Verarbeitung zur Bildung von Löchern. Außerdem hat der Film bevorzugt eine Klebeschicht, und das Material der Klebeschicht ist bevorzugt ein Acrylharz, ein Kautschuk (zum Beispiel ein Kautschuk, der einen natürlichen oder synthetischen Kautschuk als Hauptbestandteil enthält), oder ein Harz auf Silikonbasis. Als Film kann zum Beispiel bevorzugt ein Klebefilm mit einer Dicke von 20 bis 50 µm verwendet werden.
Zusätzlich zu der obigen „Rakeltechnik“ kann eine „Intrusionstechnik“ als Verfahren zum Einfüllen der Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte in die Öffnungen der Zellen erwähnt werden. Bei der „Intrusionstechnik“ wird der Endflächenabschnitt der säulenförmigen Wabenstruktur mit einem angebrachten Film mit perforierten Löchern in einen Flüssigkeitstank, der eine Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte enthält, eingetaucht so dass die Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte in die Zellen eingefüllt wird. In diesem Fall kann die Tiefe der Verschlussabschnitte durch die Tiefe, in der die säulenförmige Wabenstruktur in die Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte eingetaucht wird, verändert werden.
Anschließend wird die säulenförmige Wabenstruktur üblicherweise durch Entfetten und Brennen als gebrannter Körper bereitgestellt. Die Brenntemperatur des Bindemittels liegt bei ca. 200 °C, die Brenntemperatur des Porenbildners bei ca. 300 bis 1000 °C. Daher kann der Entfettungsprozess durch Erhitzen des Wabenformkörpers im Bereich von ca. 200 bis 1000 °C durchgeführt werden. Die Erhitzungszeit ist nicht besonders eingeschränkt, beträgt aber üblicherweise etwa 10 bis 100 Stunden. Der Wabenformkörper wird nach dem Entfettungsprozess als kalzinierter Körper bezeichnet. Der Brennprozess hängt von der Materialzusammensetzung der säulenförmigen Wabenstruktur ab, kann aber zum Beispiel durch Erhitzen des kalzinierten Körpers auf 1350 bis 1600 °C und Halten der Temperatur für 3 bis 10 Stunden durchgeführt werden.
BEISPIELE
Nachfolgend werden Beispiele zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Beispiele eingeschränkt.
Herstellung einer säulenförmigen Wabenstruktur
Zu 100 Gewichtsteilen des Cordierit-bildenden Rohstoffs wurden 3,5 Gewichtsteile Porenbildner, 65 Gewichtsteile Dispersionsmittel, 6 Gewichtsteile organisches Bindemittel und 1,0 Gewichtsteile Dispergiermittel hinzugefügt, gemischt und geknetet, um einen Grünkörper herzustellen. Als Cordierit-bildenden Rohstoff wurden Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid, Kaolin, Talkum und Siliciumdioxid verwendet. Als Dispersionsmittel wurde Wasser verwendet. Beispiele für den Porenbildner sind organische Porenbildner wie Kohlenstoff wie Graphit, Weizenmehl, Stärke, Phenolharz, Acrylharz (zum Beispiel Polymethylmethacrylat), Polyethylen und Polyethylenterephthalat. Beispiele für das organische Bindemittel sind Hydroxypropylmethylcellulose, Methylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Carboxymethylcellulose, Polyvinylalkohol und dergleichen. Als Dispergiermittel können zum Beispiel Ethylenglykol, Dextrin, Fettsäureseife, Polyalkohol, Kaliumlauratseife und dergleichen geeignet sein.
Dieser Grünkörper wurde in eine Extrusionsformmaschine gefüllt und durch eine Düse mit einer vorbestimmten Form extrudiert, um eine säulenförmige Wabenstruktur mit einer zylindrischen Form herzustellen. Die hergestellte säulenförmige Wabenstruktur wurde einer dielektrischen Trocknung und einer Heißlufttrocknung unterzogen, und dann wurden beide Endflächen so zugeschnitten, dass sie vorbestimmte Abmessungen hatten, und anschließend bei 120 °C für 1 Stunde getrocknet.
Die Spezifikationen der säulenförmigen Wabenstruktur nach dem Trocknen waren wie folgt.
Gesamtform: zylindrisch mit einem Durchmesser von 117 mm und einer Höhe von 122 mm
Zellform im Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung der Zelle: quadratisch
Zelldichte (Anzahl der Zellen pro Querschnittsflächeneinheit): 300
Zellen/Quadratzoll
Trennwanddicke:203 µm (Nennwert basierend auf den Spezifikationen der Düse)
Vorbereitung der Aufschlämmung für die Verschlussabschnitte
Es wurden Aufschlämmungen zur Bildung der Verschlussabschnitte jedes der Beispiele und Vergleichsbeispiele mit den in Tabelle 1 dargestellten Zusammensetzungen hergestellt. Als Bindemittel wurden Methylcellulose und Hydroxyethylmethylcellulose verwendet. Polyethylenoxid wurde als Verdickungsmittel verwendet. Als Dispergiermittel wurde Polyalkohol verwendet. Als Porenbildner wurde Acrylharz verwendet.
Für jede Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte wurde die Viskosität bei einer Scherrate von 1,04 s^-1 bei 25 °C durch ein Viskositätsmessverfahren gemäß JIS R1652: 2003 unter Verwendung eines Brookfield einfach Rotationsviskosimeters vom B-Typ (Modell VT-06, erhältlich bei Rion) gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Bildung von Verschlussabschnitten
Unter Verwendung der obigen „Rakeltechnik“ wurden beide Endflächen mit der Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte gefüllt, so dass die ersten Zellen und die zweiten Zellen abwechselnd nebeneinander angeordnet waren. Anschließend wurde sie in einer Luftatmosphäre bei 100 bis 230 °C für 100 Sekunden oder weniger getrocknet. Anschließend wurde sie durch Erhitzen auf ca. 200 °C in einer Luftatmosphäre entfettet und anschließend in einer Luftatmosphäre bei einer Temperatur von 1410 bis 1450 °C für 3 bis 10 Stunden gebrannt, um eine säulenförmige Wabenstruktur mit den Verschlussabschnitten herzustellen.
Eigenschaften der Verschlussabschnitte
Für jede säulenförmige Wabenstruktur nach dem Brennen wurden die durchschnittliche Tiefe und der durchschnittliche Hohlraumanteil der Verschlussabschnitte mit einem von KEYENCE CORPORATION erhältlichen konfokalen 3D Lasermikroskop VK X250 / 260 nach dem obigen Verfahren gemessen. Außerdem wurde für jede säulenförmige Wabenstruktur nach dem Brennen die durchschnittliche Porosität der Verschlussabschnitte nach dem obigen Verfahren mit einem Porosimeter (Modell Auto Pole IV, erhältlich von Micromeritics) gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Erosionseigenschaften
Die Erosionseigenschaften wurden durch das folgende Verfahren bewertet. Jede der hergestellten säulenförmigen Wabenstrukturen wurde nach dem Brennen in einem Canning-Körper gecannt (untergebracht), und die gecannte säulenförmige Wabenstruktur wurde in einem Gasbrennertester platziert. Als nächstes wurden Schleifkörner aus SiC durch den Gasbrennertester mit einer Endfläche der säulenförmigen Wabenstruktur zur Kollision gebracht. Die Bedingungen für die Kollision der Schleifkörner waren wie folgt.
Eingespeiste Menge der Schleifkörner: 30 g
Temperatur des Gases, das in die säulenförmige Wabenstruktur strömt: 700 °C
Strömungsrate des Gases, das in die säulenförmige Wabenstruktur strömt: 10 Nm³ / min
Die Testzeit betrug 30 Minuten, in denen die Schleifkörner nach und nach eingespeist wurden.
Für das Ausmaß der Erosion wurde die Erosionstiefe des Verschlussabschnitts aller Zellen an der Endfläche, an der die Schleifkörner auftrafen, mit einem industriellen CT gemessen und der Durchschnittswert als Ausmaß der Erosion genommen. Die gemessene Erosionstiefe des Verschlussabschnitts jeder Zelle wurde als die maximale Tiefe (der Abstand von der Endfläche in der Richtung, in der sich die Zellen erstrecken) definiert, in der der Verschlussabschnitt tatsächlich von den Schleifkörnern in der Querschnittsansicht durch die CT-Messung abgeschabt wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. In Vergleichsbeispiel 1 betrug das Ausmaß der Erosion 2,5 mm, während in Vergleichsbeispiel 2 beobachtet wurde, dass die Verschlussabschnitte vollständig durchdrungen wurden. Im Vergleichsbeispiel 3 betrug das Ausmaß der Erosion dagegen 2,5 mm. In Beispiel 1, Beispiel 2 und Beispiel 3 wurde bestätigt, dass das Ausmaß der Erosion auf 1,0 mm unterdrückt wurde.
Canningeigenschaften
Ein Canning-Simulationstest wurde durch einen Wickeltest durchgeführt. Eine Matte wurde um die äußere Umfangsseitenwand jeder säulenförmigen Wabenstruktur gewickelt, und eine Metallplatte (SUS304) mit einer Dicke von ca. 1 mm wurde um die Matte gewickelt. In diesem Zustand wurde die säulenförmige Wabenstruktur in einen Wickeltester gegeben, und ein Draht wurde um den äußeren Umfang der Metallplatte gewickelt, und der Draht wurde allmählich angezogen, während der Druck erhöht wurde, um zu bestätigen, ob die Verschlussabschnitte abgelöst wurden oder nicht. Es wurde bestätigt, dass in Vergleichsbeispiel 1, Vergleichsbeispiel 2, Vergleichsbeispiel 3, Beispiel 1, Beispiel 2 und Beispiel 3, ein Ablösen der Verschlussabschnitte bei einem Druck von bis zu 1,1 MPa nicht auftrat.
Diskussion
Wie aus den obigen Testergebnissen ersichtlich ist, hatte Vergleichsbeispiel 1 keine ausreichende Wirkung, um Erosion zu verhindern. In Vergleichsbeispiel 2 wurde im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 1 die durchschnittliche Porosität der Verschlussabschnitte verringert, indem die Menge des Porenbildners in der Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte reduziert wurde. Im Gegensatz dazu wurde jedoch der durchschnittliche Porenanteil groß, und die Erosionseigenschaften verbesserten sich nicht. Bei der Betrachtung des Querschnitts der Verschlussabschnitte von Vergleichsbeispiel 1 wurden im Inneren viele Hohlräume beobachtet.
Andererseits wurde in Vergleichsbeispiel 3 die Menge des Verdickungsmittels in der Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 2 weiter reduziert. Dadurch wurde der durchschnittliche Hohlraumanteil in den Verschlussabschnitten deutlich reduziert und der Effekt der Erosionsverhinderung verbessert. Außerdem wurden keine Defekte, wie zum Beispiel das Ablösen der Verschlussabschnitte während des Canning-Prozesses, beobachtet. In Vergleichsbeispiel 3 wurden jedoch Einfallstellen am inneren Ende der Verschlussabschnitte bestätigt.
In den Beispielen 1, 2 und 3 wurde die Menge des Verdickungsmittels in der Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 3 weiter reduziert. Dadurch wurde der durchschnittliche Hohlraumanteil in den Verschlussabschnitten weiter reduziert, und es wurden keine Einfallstellen beobachtet. Dadurch wurde der Effekt der Erosionsverhinderung weiter verbessert. Außerdem wurden keine Defekte, wie zum Beispiel das Ablösen der Versiegelungen während des Canning-Prozesses, beobachtet.
Bezugszeichenliste

100: Säulenförmige Wabenstruktur
102: Äußere Umfangsseitenwand
104: Erste Endfläche
106: Zweite Endfläche
108: Erste Zelle
109: Verschlussabschnitt
110: Zweite Zelle
112: Trennwand
120: Spannfutter
121: Film
122: Rakel
124: Aufschlämmung zur Bildung des Verschlussabschnitts
125: Zelle
126: Loch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018126869 [0004, 0006]
WO 2011/040145 [0006]

Claims

Säulenförmige Wabenstruktur, umfassend eine äußere Umfangsseitenwand, eine Vielzahl von ersten Zellen, die an einer inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand vorhanden sind, wobei sich die ersten Zellen von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstrecken, wobei sich jede der ersten Zellen an der ersten Endfläche öffnet und einen Verschlussabschnitt mit einem durchschnittlichen Hohlraumanteil von 4 % oder weniger an der zweiten Endfläche aufweist, und eine Vielzahl von zweiten Zellen, die an der inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand vorhanden sind, wobei sich die zweiten Zellen von der ersten Endfläche zu der zweiten Endfläche erstrecken, wobei jede der zweiten Zellen einen Verschlussabschnitt mit einem durchschnittlichen Hohlraumanteil von 4 % oder weniger an der ersten Endfläche aufweist und sich an der zweiten Endfläche öffnet, wobei die ersten Zellen und die zweiten Zellen abwechselnd nebeneinander angeordnet sind, wobei eine Trennwand dazwischen angeordnet ist.
Säulenförmige Wabenstruktur gemäß Anspruch 1, wobei die durchschnittliche Porosität der Verschlussabschnitte sowohl auf der ersten Endfläche als auch auf der zweiten Endfläche 65 % bis 75 % beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer säulenförmigen Wabenstruktur, die eine äußere Umfangsseitenwand, eine Vielzahl von ersten Zellen, die an einer inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand vorhanden sind, wobei sich die ersten Zellen von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstrecken, wobei sich jede der zweiten Zellen an der ersten Endfläche öffnet und an der zweiten Endfläche einen Verschlussabschnitt aufweist, und eine Vielzahl von zweiten Zellen, die an der inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand vorhanden sind, wobei sich die zweiten Zellen von der ersten Endfläche zu der zweiten Endfläche erstrecken, wobei jede der zweiten Zellen einen Verschlussabschnitt an der ersten Endfläche aufweist und sich an der zweiten Endfläche öffnet, wobei die ersten Zellen und die zweiten Zellen abwechselnd nebeneinander angeordnet sind, wobei eine Trennwand dazwischen angeordnet ist, wobei das Verfahren das Füllen eines Öffnungsabschnitts der ersten Zellen und der zweiten Zellen, in denen ein Verschlussabschnitt gebildet werden soll, mit einer Aufschlämmung und das anschließende Trocknen und Brennen der eingefüllten Aufschlämmung zur Bildung jedes der Verschlussabschnitte umfasst, wobei die Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte 0,1 bis 0,5 Gewichtsteile eines Verdickungsmittels, 0,2 bis 1,0 Gewichtsteile eines Bindemittels, 7 bis 15 Gewichtsteile eines Porenbildners und 30 bis 50 Gewichtsteile Wasser, bezogen auf 100 Gewichtsteile eines keramischen Rohstoffs, umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer säulenförmigen Wabenstruktur gemäß Anspruch 3, wobei die Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte 0,2 bis 0,4 Gewichtsteile des Verdickungsmittels, 0,2 bis 0,5 Gewichtsteile des Bindemittels, 7 bis 15 Gewichtsteile des Porenbildners und 35 bis 40 Gewichtsteile Wasser, bezogen auf 100 Gewichtsteile des keramischen Rohstoffs, umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer säulenförmigen Wabenstruktur gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die Viskosität der Aufschlämmung zur Bildung der Verschlussabschnitte, gemessen bei einer Scherrate von 1,04 s^-1 bei 25 °C durch ein Viskositätsmessverfahren gemäß JIS R1652: 2003 unter Verwendung eines Brookfield einfach Rotationsviskosimeters vom B-Typ, 250 bis 350 dPa·s beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer säulenförmigen Wabenstruktur gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Porenbildner ein geschäumtes Harz ist.
Verfahren zur Herstellung einer säulenförmigen Wabenstruktur gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Porenbildner ein Pulver mit einer D80 von mehr als 55 µm und einer D90 von mehr als 70 µm in einer volumenbasierten kumulativen Partikelgrößenverteilung ist, die durch ein Laserbeugungs-/Streuungsverfahren gemessen wird.