DE102023107358A1

DE102023107358A1 - Säulenförmige wabenstruktur

Info

Publication number: DE102023107358A1
Application number: DE102023107358.3A
Authority: DE
Inventors: Shuji Muramatsu; Yasuhiro Shiga
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2022-03-31
Filing date: 2023-03-23
Publication date: 2023-10-05
Also published as: US20230311112A1; CN219815857U; JP2023151167A; CN116889796A

Abstract

Eine säulenförmige Wabenstruktur enthält eine äußere Umfangsseitenwand und mehrere Trennwände, die mehrere Zellen abteilen, wobei ein mittlerer Porendurchmesser der Trennwände, gemessen durch ein in JIS R1655: 2003 spezifiziertes Quecksilberintrusionsverfahren, im Bereich von 3 bis 10 µm ist, und wenn ein Querschnitt der mehreren Trennwände mit einem Röntgenmikroskop beobachtet wird und eine Porosität (%) in einer Dickenrichtung von einer Oberfläche zur anderen Oberfläche jeder Trennwand gemessen wird, unter der Annahme, dass PAVEeine mittlere Porosität jeder Trennwand ist, P1MINeine kleinste Porosität von der einen Oberfläche bis zu einer Dicke von 5 % der Trennwand ist und P2MINeine kleinste Porosität von der anderen Oberfläche bis zu einer Dicke von 5 % der Trennwand ist, 40 % ≤ PAVE≤ 70 %, und {(P1MIN+ P2MIN) / 2} / PAVE≤ 0,9 erfüllt sind.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
Die vorliegende Erfindung beansprucht die Priorität der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2022-060626 , eingereicht am 31. März 2022 beim japanischen Patentamt, deren Inhalt hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine säulenförmige Wabenstruktur. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine säulenförmige Wabenstruktur zur Abgasreinigung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Abgase, die von Brennkraftmaschinen wie z. B. Kraftfahrzeugmaschinen ausgestoßen werden, enthalten Schadstoffe wie z. B. Ruß, Stickoxide (NOx), lösliche organische Bestandteile (SOF), Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO). Aus diesem Grund ist es üblich, in einem Abgassystem von Brennkraftmaschinen eine säulenförmige Wabenstruktur zu installieren, die gemäß dem Schadstoff einen geeigneten Katalysator (Oxidationskatalysator, Reduktionskatalysator, Dreiwegekatalysator und dergleichen) trägt, um das Abgas zu reinigen.
Eine säulenförmige Wabenstruktur umfasst eine äußere Umfangsseitenwand und mehrere poröse Trennwände, die an einer inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand angeordnet sind, und mehrere Zellen, die Strömungswege von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche bilden, abteilen. Auf den Oberflächen der porösen Trennwände kann eine Katalysatorschicht, die einen der vorstehend beschriebenen Katalysatoren enthält, gebildet sein.
In den letzten Jahren wurde die Entwicklung einer säulenförmigen Wabenstruktur, die in der Lage ist, die Temperatur der Katalysatorschicht in kurzer Zeit nach dem Starten der Kraftmaschine auf eine Aktivierungstemperatur zu erhöhen, vorangetrieben. Um die Katalysatorschicht in kurzer Zeit auf die Aktivierungstemperatur zu bringen, ist es notwendig, das Gewicht der säulenförmigen Wabenstruktur zu reduzieren. Das heißt, es ist notwendig, die Wärmekapazität der Trennwände zu reduzieren, indem die Trennwände dünner gemacht werden oder die Porosität erhöht wird. Auf diese Weise kann die Temperatur der Trennwände in kurzer Zeit nach Beginn der Abgasströmung erhöht werden, und die Temperatur der auf der Oberfläche der Trennwände gebildeten Katalysatorschicht kann in kurzer Zeit auf die Aktivierungstemperatur erhöht werden. Da es jedoch eine Grenze dafür gibt, wie dünn die Trennwände sein können, wird die Erhöhung der Porosität als ein Verfahren zur Gewichtsreduktion betrachtet. In diesem Fall kann eine Abnahme der Festigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur als ein Problem betrachtet werden.
Vor diesem Hintergrund wird in der Patentliteratur 1 ( Japanische Patentanmeldung Nr. 2016-204208 ) die folgende Erfindung beschrieben, um eine Wabenstruktur bereitzustellen, bei der die Temperatur der Katalysatorschicht in kurzer Zeit auf eine Aktivierungstemperatur erhöht werden kann und Risse selbst nach wiederholten Erwärmungs- und Abkühlungszyklen weniger wahrscheinlich auftreten und die Abgasreinigungsleistung weniger wahrscheinlich abnimmt.
Eine Wabenstruktur, die polygonale gitterartige Zellwände, mehrere Zellen, die von den Zellwänden umgeben sind, und eine Katalysatorschicht, die auf einer Oberfläche der Zellwände gebildet ist, umfasst, wobei

mehrere Aussparungen an den Zellwänden ausgebildet sind; und
wenn ein Querschnitt der Zellwände betrachtet wird,
ein Öffnungsverhältnis der Öffnungen der tiefen Aussparungen, die die Aussparungen mit einer Tiefe von 10 µm oder mehr von der Oberfläche der Zellwände sind, 10 % oder größer ist,
eine Anzahl schmaler Aussparungen, die die tiefen Aussparungen sind, deren Öffnung eine Länge von 8 µm oder kleiner aufweisen, 10 % oder mehr der Gesamtzahl der tiefen Aussparungen ausmachen, und
eine Anzahl breiter Aussparungen, die die tiefen Aussparungen sind, deren Öffnung eine Länge von 20 µm oder größer aufweisen, 10 % oder mehr der Gesamtzahl der tiefen Aussparungen ausmachen.

Zusätzlich können die Patentliteratur 2 ( Japanische Patentanmeldung Nr. 2016-190198 ) und die Patentliteratur 3 ( Japanische Patentanmeldung Nr. 2019-505365 ) als frühere Literatur, die die Porosität von Wabenstrukturen offenbart, genannt werden.
In der Patentliteratur 2 ist die folgende Erfindung beschrieben.
Eine Wabenstruktur, die polygonale gitterartige Trennwände, die mehrere Zellen abteilen, die sich von einer Stirnfläche zur anderen Stirnfläche erstrecken und Strömungswege für ein Fluid bilden, umfasst,
wobei die Trennwände mit einem Aggregat und einem vom Aggregat verschiedenen Bindematerial porös gebildet sind,
eine Oberflächenporosität eines Oberflächengebiets der Trennwände von einer Oberfläche der Trennwände bis zu einer Tiefe von 15 % der Dicke der Trennwände und eine innere Porosität eines inneren Gebiets ab der Tiefe von 15 % der Dicke der Trennwände ab der Oberfläche der Trennwände bis zu einer Tiefe von 50 % der Dicke der Trennwände voneinander verschieden sind, und
eine Differenz, die durch Subtrahieren der Oberflächenporosität von der inneren Porosität ergibt, größer als 1,5 % ist.
In der Patentliteratur 3 ist die folgende Erfindung beschrieben.
Ein Partikelfilter mit wenigstens einer porösen Keramikwand, wobei die Wand eine Mikrostruktur aufweist mit:

einer mittleren Volumenporosität von mehr als 55 %, gemessen mit einem Quecksilberporosimeter;
einen d50 (Porendurchmesser) von mehr als 16 µm,
einem d90 (Porendurchmesser) von weniger als 37 µm und
einer durch Röntgentopographie gemessene Oberflächenporosität von 10 % oder weniger der Volumenporosität an einem Mittelpunkt der Wand.

STAND DER TECHNIK
Patentliteratur

[Patentliteratur 1] Japanische Patentanmeldung Nr. 2016-204208
[Patentliteratur 2] Japanische Patentanmeldung Nr. 2016-190198
[Patentliteratur 3] Japanische Patentanmeldung Nr. 2019-505365

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die in der Patentliteratur 1 beschriebene Erfindung richtete die Aufmerksamkeit auf mehrere auf Zellwänden (synonym „Trennwänden“) gebildete Aussparungen, steuert die Tiefe und Breite der Aussparungen und soll die Ablösung der Katalysatorschicht von den Zellwänden verhindern. Sie ist keine Technik zum Steuern der Verteilung der Porosität der Trennwände.
Die in der Patentliteratur 2 beschriebene Erfindung steuert das Verhältnis zwischen der Oberflächenporosität des Oberflächengebiets von der Oberfläche der Trennwände bis zu einer Tiefe von 15 % der Dicke der Trennwände und den inneren Poren des inneren Gebiets von der Tiefe ab 15 % der Dicke der Trennwände ab der Oberfläche der Trennwände bis zu einer Tiefe von 50 % der Dicke der Trennwände. Zusätzlich beschreibt die Patentliteratur 2, dass die Oberflächenporosität im Bereich von 10 % bis 50 % ist und die innere Porosität im Bereich von 20 % bis 75 % ist und dass ein breites Spektrum an Porositäten eingesetzt werden kann. Die in der Patentliteratur 2 beschriebene Erfindung zielt jedoch nicht darauf ab, das Gewicht der säulenförmigen Wabenstruktur zu reduzieren, sondern zielt vielmehr darauf, die Wärmekapazität zu erhöhen, indem die mittlere Porosität niedrig gehalten wird. Sie offenbart daher nicht spezifisch eine säulenförmige Wabenstruktur mit einer hohen Gesamtporosität.
Da die in der Patentliteratur 3 beschriebene Erfindung darauf zielt, den Druckverlust zu reduzieren, erfordert sie eine durchschnittliche Volumenporosität von mehr als 55 % und einen relativ großen Porendurchmesser mit einem d50 von mehr als 16 µm. Das gleichzeitige Vorhandensein einer hohen Porosität und eines großen Porendurchmessers wirkt sich tendenziell negativ auf die Festigkeit aus. Außerdem kann, falls die Porosität zur Gewichtsreduzierung erhöht wird, der Katalysator leicht in das Innere der Trennwände eindringen. Falls der Katalysator in das Innere der Trennwände eindringt, verringert sich die Häufigkeit des Kontakts zwischen dem Abgas, das auf der Oberfläche der Trennwände strömt, und dem Katalysator, und es besteht die Möglichkeit, dass die gewünschte Reinigungsleistung nicht gezeigt werden kann.
Somit ist in den in der Patentliteratur 1 bis 3 beschriebenen Erfindungen noch Raum für eine Verbesserung in Bezug auf das Ziel, ein gutes Gleichgewicht zwischen den drei Funktionen der Gewichtsreduzierung der säulenförmigen Wabenstruktur, der Erhöhung der Festigkeit und der Unterdrückung des Eindringens des Katalysators in das Innere der Trennwände zu erreichen. Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehenden Umstände gemacht, und in einer Ausführungsform ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine säulenförmige Wabenstruktur mit einer Trennwandstruktur, die geeignet ist, die drei Funktionen hinsichtlich Gewichtsreduzierung, hoher Festigkeit und Unterdrückung des Eindringens des Katalysators in die Trennwände auszugleichen, zu schaffen.
Als Ergebnis intensiver Untersuchungen zur Lösung der vorstehend genannten Probleme haben die Erfinder herausgefunden, dass es in Bezug auf die Trennwände, die die säulenförmige Wabenstruktur bilden, bei gleichzeitiger Erhöhung der mittleren Porosität zur Gewichtsreduzierung vorteilhaft ist, die Porosität der Oberfläche der Trennwände, wo wahrscheinlich Belastungen auftreten, lokal zu reduzieren und ferner den mittleren Porendurchmesser zu reduzieren, um eine hohe Festigkeit zu gewährleisten und das Eindringen des Katalysators in das Innere der Trennwände zu unterdrücken. Die vorliegende Erfindung, die basierend auf diesen Erkenntnissen fertiggestellt ist, wird anhand von Beispielen wie folgt dargestellt.

[1] Säulenförmige Wabenstruktur, die eine äußere Umfangsseitenwand und mehrere Trennwände, die an einer inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand angeordnet sind und mehrere Zellen, die Strömungswege von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche bilden, abteilen, umfasst, wobei ein mittlerer Porendurchmesser der Trennwände, gemessen durch ein in JIS R1655: 2003 spezifiziertes Quecksilberintrusionsverfahren im Bereich von 3 bis 10 µm ist, und wenn ein Querschnitt der mehreren Trennwände mit einem Röntgenmikroskop beobachtet wird und eine Porosität (%) in einer Dickenrichtung von einer Oberfläche zur anderen Oberfläche jeder Trennwand gemessen wird, unter der Annahme, dass P_AVE eine mittlere Porosität jeder Trennwand ist, P_1MIN eine kleinste Porosität von der einen Oberfläche bis zu einer Dicke von 5 % der Trennwand ist und P_2MIN eine kleinste Porosität von der anderen Oberfläche bis zu einer Dicke von 5 % der Trennwand ist, 40 % ≤ P_AVE ≤ 70 %, und {(P_1MIN + P_2MIN) / 2} / P_AVE ≤ 0,9 erfüllt sind.
[2] Säulenförmige Wabenstruktur nach [1], wobei 0,6 ≤ {(P_1MIN + P_2MIN) / 2} / P_AVE ≤ 0,9 erfüllt ist.
[3] Säulenförmige Wabenstruktur nach [1] oder [2], wobei eine mittlere Dicke der mehreren Trennwände im Bereich von 50 bis 150 µm ist.
[4] Säulenförmige Wabenstruktur nach einem aus [1] bis [3], wobei eine nach JIS R1664: 2004 gemessene Biegefestigkeit 6,0 MPa oder größer ist.
[5] Säulenförmige Wabenstruktur nach einem aus [1] bis [4], wobei 50% ≤ P_AVE ≤ 60% erfüllt ist.
[6] Säulenförmige Wabenstruktur nach einem aus [1] bis [5], wobei die Volumendichte im Bereich von 0,15 g/cc bis 0,25 g/cc ist.
[7] Säulenförmige Wabenstruktur nach einem aus [1] bis [6], wobei die Trennwände aus Keramik, die zu 90 Massenprozent oder mehr Cordierit umfasst; gebildet sind.
[8] Säulenförmige Wabenstruktur nach einem aus [1] bis [7], wobei auf den Oberflächen der Trennwände eine Katalysatorschicht vorgesehen ist.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine säulenförmige Wabenstruktur geschaffen, die eine Trennwandstruktur aufweist, die geeignet ist, die drei Funktionen der Gewichtsreduzierung, der hohen Festigkeit und der Unterdrückung des Eindringens des Katalysators in die Trennwände auszugleichen. Dementsprechend ist es beispielsweise durch Verwenden der säulenförmigen Wabenstruktur als Katalysatorträger möglich, die Funktion zum Erhöhen der Katalysatortemperatur auf eine Aktivierungstemperatur in kurzer Zeit zu erhalten, während die gewünschte Festigkeit gewährleistet ist. Zusätzlich kann, da der auf den Trennwänden getragene Katalysator nicht leicht in das Innere der Trennwände eindringt, der Katalysator effizient genutzt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen säulenförmigen Wabenkörper vom Wanddurchlasstyp zeigt.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines säulenförmigen Wabenkörpers vom Wanddurchlasstyp, gesehen aus einer Richtung orthogonal zur Richtung, in der sich die Zellen erstrecken.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen säulenförmigen Wabenkörper vom Wandstromtyp zeigt.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines säulenförmigen Wabenkörpers vom Wandstromtyp, gesehen aus einer Richtung orthogonal zur Richtung, in der sich die Zellen erstrecken.
5 ist eine schematische teilweise vergrößerte Ansicht einer säulenförmigen Wabenstruktur in einem Querschnitt orthogonal zur Richtung, in der sich die Zellen erstrecken.
6 ist ein Beispiel für ein Porositätsprofil, wenn die Porosität (%) entlang der Dickenrichtung D einer Trennwand von einer Oberfläche zur anderen Oberfläche gemessen wird.
7 ist ein konzeptionelles Diagramm, das ein Verfahren zum Spezifizieren der Position einer Oberfläche der Trennwand in einem Querschnittsbild erläutert;

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend werden jetzt Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genau beschrieben. Es ist zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen eingeschränkt werden soll, und jede Änderung, Verbesserung oder dergleichen der Konstruktion kann in geeigneter Weise basierend auf dem normalen Wissens von Fachleuten hinzugefügt werden, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
<1. Säulenförmige Wabenstruktur>
Im Allgemeinen weist eine säulenförmige Wabenstruktur einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt auf, der eine äußere Umfangsseitenwand und mehrere Trennwände, die an einer inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand angeordnet sind und mehrere Zellen, die Strömungswege von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche bilden, abteilen, umfasst.
1 und 2 stellen eine schematische perspektivische Ansicht bzw. eine Querschnittsansicht einer säulenförmigen Wabenstruktur 100 dar, die als Abgasfilter von Wanddurchlasstyp und/oder Katalysatorträger für Kraftfahrzeuge verwendet werden kann. Die säulenförmige Wabenstruktur 100 umfasst einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt, der eine äußere Umfangsseitenwand 102 und Trennwände 112, die an der inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand 102 angeordnet sind, umfasst, wobei die Trennwände 112 mehrere Zellen 108 abteilen, die Strömungswege für ein Fluid von einer ersten Stirnfläche 104 zu einer zweiten Stirnfläche 106 bilden. In dieser säulenförmigen Wabenstruktur 100 sind beide Enden jeder Zelle 108 offen, und Abgas, das von der ersten Stirnfläche 104 in eine Zelle 108 strömt, wird gereinigt, während es die Zelle durchströmt, und strömt an der zweiten Stirnfläche 106 aus.
3 und 4 stellen eine schematische perspektivische Ansicht bzw. eine Querschnittsansicht einer säulenförmigen Wabenstruktur 200 dar, die als Abgasfilter von Wandstromtyp und/oder Katalysatorträger für Kraftfahrzeuge angewandt werden kann. Die säulenförmige Wabenstruktur 200 umfasst einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt, der eine äußere Umfangsseitenwand 202 und Trennwände 212, die an der inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand 202 angeordnet sind, umfasst, wobei die Trennwände 212 mehrere Zellen 208a, 208b abteilen, die Strömungswege für ein Fluid von einer ersten Stirnfläche 204 zu einer zweiten Stirnfläche 206 bilden.
In der säulenförmigen Wabenstruktur 200 können die mehreren Zellen 208a, 208b in mehrere erste Zellen 208a, die an der inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand 202 angeordnet sind und sich von der ersten Stirnfläche 204 zur zweiten Stirnfläche 206 erstrecken, sich an der ersten Stirnfläche 204 öffnen und Abdichtungsabschnitte 209 an der zweiten Stirnfläche 206 aufweisen, und mehrere zweite Zellen 208b, die an der inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand 202 angeordnet sind, sich von der ersten Stirnfläche 204 zur zweiten Stirnfläche 206 erstrecken, Abdichtungsabschnitte 209 an der ersten Stirnfläche 204 aufweisen und sich an der zweiten Stirnfläche 206 öffnen, klassifiziert werden. Ferner sind in dieser säulenförmigen Wabenstruktur 200 die ersten Zellen 208a und die zweiten Zellen 208b abwechselnd einander benachbart angeordnet, wobei die Trennwand 212 dazwischen liegt.
Wenn ein Abgas, das Feinstaub (PM) wie z. B. Ruß enthält, der ersten Stirnfläche 204 auf der stromaufwärts gelegenen Seite der säulenförmigen Wabenstruktur 200 zugeführt wird, wird das Abgas in die ersten Zellen 208a eingeleitet und bewegt sich stromabwärts in den ersten Zellen 208a. Weil die ersten Zellen 208a an der zweiten Stirnfläche 206 auf der stromabwärts gelegenen Seite Abdichtungsabschnitte 209 aufweisen, durchdringt das Abgas die porösen Trennwände 212, die die ersten Zellen 208a und die zweiten Zellen 208b abteilen, und strömt in die zweiten Zellen 208b. Da Feinstaub (PM) die Trennwände 212 nicht passieren kann, wird er abgefangen und in den ersten Zellen 208a abgelagert. Nachdem der Feinstaub (PM) entfernt worden ist, strömt das gereinigte Abgas, das in die zweiten Zellen 208b geströmt ist, in den zweiten Zellen 208b stromabwärts und strömt an der zweiten Stirnfläche 206 auf der stromabwärts gelegenen Seite aus.
Die Form der Stirnflächen der säulenförmigen Wabenstrukturen 100, 200 ist nicht eingeschränkt und kann beispielsweise eine runde Form, wie eine kreisförmige, elliptische, rennbahnförmige und gestreckte kreisförmige Form, eine polygonale Form, wie eine dreieckige und viereckige Form, und andere unregelmäßige Formen sein. Die dargestellten säulenförmigen Wabenstrukturen 100, 200 besitzen eine kreisförmige Stirnfläche und weisen insgesamt eine zylindrische Form auf.
Die Höhe der säulenförmigen Wabenstruktur (die Länge von der ersten Stirnfläche bis zur zweiten Stirnfläche) ist nicht besonders eingeschränkt und kann je nach Anwendung und gewünschter Leistung auf geeignete Weise festgelegt werden. Es gibt keine besondere Beschränkung für das Verhältnis zwischen der Höhe der säulenförmigen Wabenstruktur und dem größten Durchmesser jeder Stirnfläche (bezogen auf die maximale Länge der Durchmesser, die durch den Schwerpunkt jeder Stirnfläche der säulenförmigen Wabenstruktur verlaufen). Daher kann die Höhe der säulenförmigen Wabenstruktur länger sein als der größte Durchmesser jeder Stirnfläche, oder die Höhe der säulenförmigen Wabenstruktur kann kürzer sein als der größte Durchmesser jeder Stirnfläche.
Beispiele für das Material, aus dem die Trennwände und die äußere Umfangsseitenwand der säulenförmigen Wabenstruktur bestehen, enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Keramik. Als die Keramik können Cordierit, Mullit, Zirkonphosphat, Aluminiumtitanat, Siliziumkarbid (SiC), Silizium-Siliziumkarbid-Gemisch (z. B. Si-gebundenes SiC), Cordierit-Siliziumkarbid-Gemisch, Zirkoniumdioxid, Spinell, Indialit, Saphir, Korund, Titandioxid, Siliziumnitrid und dergleichen genannt werden. Ferner kann für diese Keramik ein Typ allein enthalten sein, und zwei oder mehr Typen können enthalten sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind Trennwände aus Keramik gebildet, die zu 90 Massenprozent oder mehr Cordierit umfasst. Dies bedeutet, dass der Gesamtmassenanteil von Cordierit (2MgO · 2Al₂O₃ · 5SiO₂) in 100 Massenprozent des Materials, aus dem die Trennwände bestehen, 90 Massenprozent oder mehr ist. Das Massenverhältnis von Cordierit in 100 Massenprozent des Materials, aus dem die Trennwände bestehen, ist weiter bevorzugt 95 Massenprozent oder mehr und noch weiter bevorzugt 99 Massenprozent oder mehr. Es ist auch möglich, dass das Material, aus dem die Trennwand besteht, zu 100 Massenprozent Cordierit ist, abgesehen von den unvermeidlichen Verunreinigungen.
Die mittlere Dicke der Trennwände in der säulenförmigen Wabenstruktur ist aus dem Gesichtspunkt der Gewährleistung der Festigkeit vorzugsweise 50 µm oder mehr, weiter bevorzugt 60 µm oder mehr und noch weiter bevorzugt 70 µm oder mehr. Zusätzlich ist aus dem Gesichtspunkt der Unterdrückung eines Druckverlusts die mittlere Dicke der Trennwände vorzugsweise 150 µm oder kleiner, weiter bevorzugt 130 µm oder kleiner und noch weiter bevorzugt 100 µm oder kleiner. 5 zeigt eine schematische teilweise vergrößerte Ansicht der Trennwände 112 (212) der säulenförmigen Wabenstruktur 100 (200), betrachtet in einem Querschnitt orthogonal zu der Richtung, in der sich die Zellen 108 (208a, 208b) erstrecken. In der vorliegenden Spezifikation bezieht sich die Dicke der Trennwand auf die Kreuzungslänge eines Liniensegments L, das die Trennwand kreuzt, wenn die Schwerpunkte C benachbarter Zellen durch dieses Liniensegment in einem Querschnitt orthogonal zu der Richtung, in der sich die Zellen erstrecken, (der Höhenrichtung der säulenförmigen Wabenstruktur) verbunden sind. Die mittlere Dicke der Trennwände bezieht sich auf die mittlere Dicke aller Trennwände.
In der säulenförmigen Wabenstruktur können die Trennwände porös sein. Die Untergrenze des mittleren Porendurchmessers der Trennwände der säulenförmigen Wabenstruktur ist vorzugsweise 3 µm oder größer unter dem Gesichtspunkt des Tragens des Katalysators. Zusätzlich ist die Obergrenze des mittleren Porendurchmessers der Trennwände vorzugsweise 10 µm oder kleiner, weiter bevorzugt 8 µm oder kleiner und noch weiter bevorzugt 6 µm oder kleiner, unter dem Gesichtspunkt des Verhinderns, dass der Katalysator in das Innere der Trennwände eindringt. Daher ist der mittlere Porendurchmesser der Trennwände beispielsweise vorzugsweise im Bereich von 3 bis 10 µm, weiter bevorzugt 3 bis 8 µm, noch weiter bevorzugt 3 bis 6 µm.
Wie in der vorliegenden Spezifikation verwendet bedeutet der mittlere Porendurchmesser der Trennwände den Median des Durchmessers (D50) der Porendurchmesser, gemessen nach dem in JIS R1655: 2003 spezifizierten Quecksilberintrusionsverfahren unter Verwendung eines Quecksilberporosimeters. Das Quecksilberintrusionsverfahren ist ein Verfahren, in dem die Probe in einem Vakuum in Quecksilber getaucht und ein gleichmäßiger Druck angewandt wird, so dass Quecksilber in die Probe injiziert wird, während der Druck allmählich erhöht wird, und die Porendurchmesserverteilung aus dem Druck und dem Volumen des in die Poren eingedrungenen Quecksilbers berechnet wird. Wenn der Druck allmählich erhöht wird, dringt das Quecksilber in der Reihenfolge ab den Poren mit größerem Durchmesser ein, und das angesammelte Quecksilbervolumen nimmt zu. Wenn schließlich alle Poren mit Quecksilber gefüllt sind, erreicht das angesammelte Volumen ein Gleichgewicht. Das zu diesem Zeitpunkt angesammelte Volumen ist das Gesamtporenvolumen (cm³/g), und der Porendurchmesser (D50) zu dem Zeitpunkt, an dem Quecksilber in 50 % des Gesamtporenvolumens eingedrungen ist, ist als der mittlere Porendurchmesser definiert.
Bei der Messung des mittleren Porendurchmessers der Trennwände werden Proben der Trennwände (Querschnittsgröße (Länge 10 mm × Breite 10 mm) × Tiefe 10 mm), bei denen der Querschnitt orthogonal zur Erstreckungsrichtung der Zellen freiliegt, in der Nähe der Mittelachse, in der Nähe der Mitte in radialer Richtung (in der Nähe der Mitte zwischen der Mittelachse und der äußeren Umfangswand) und in der Nähe der äußeren Umfangsseitenwand (jedoch ohne die äußere Umfangsseitenwand) entnommen, und zwar jeweils für die Nähe der ersten Stirnfläche, die Nähe der Mitte in Höhenrichtung und die Nähe der zweiten Stirnfläche der säulenförmigen Wabenstruktur. Der mittlere Porendurchmesser jeder Probe wird gemessen. Dann wird der Mittelwert der insgesamt neun Proben als „mittlerer Porendurchmesser der Trennwände“ der zu messenden säulenförmigen Wabenstruktur genommen.
Ferner ist, wenn ein Querschnitt mehrerer Trennwände 112 (212) der säulenförmigen Wabenstruktur mit einem Röntgenmikroskop betrachtet und die Porosität (%) in der Dickenrichtung von einer Oberfläche 112a (212a) zur anderen Oberfläche 112b (212b) jeder Trennwand 112 (212) gemessen wird, unter der Annahme, dass P_AVE die mittlere Porosität jeder Trennwand 112 (212) ist, P_1MIN die kleinste Porosität von der einen Oberfläche bis zu einer Dicke von 5 % der Trennwand 112a (212a) ist und P_2MIN die kleinste Porosität von der anderen Oberfläche bis zu einer Dicke von 5 % der Trennwand 112b (212b) ist, es vorzuziehen, dass {(P_1MIN + P_2MIN) / 2} / P_AVE ≤ 0,9 erfüllt ist. Obwohl die Untergrenze des Wertes von {(P_1MIN + P_2MIN) / 2} / P_AVE nicht besonders festgelegt ist, ist es vom Gesichtspunkt der einfachen Herstellung üblich, dass 0,6 < {(P_1MIN + P_2MIN) / 2} / P_AVE ≤ 0,9 erfüllt ist, und typischerweise 0,7 ≤ {(P_1MIN + P_2MIN) / 2} / P_AVE ≤ 0,9 erfüllt ist, und noch typischer 0,8 ≤ {(P_1MIN + P_2MIN) / 2} / P_AVE ≤ 0.9 erfüllt ist.
Unter dem Gesichtspunkt der Gewichtsreduzierung der säulenförmigen Wabenstruktur ist die Untergrenze der mittleren Porosität (P_AVE) jeder Trennwand 112 (212) vorzugsweise 40 % oder größer, weiter bevorzugt 45 % oder größer und noch weiter bevorzugt 50 % oder größer. Unter dem Gesichtspunkt der Gewährleistung der Festigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur ist die Obergrenze der mittleren Porosität (P_AVE) jeder Trennwand 112 (212) vorzugsweise 70 % oder kleiner, weiter bevorzugt 65 % oder kleiner und noch weiter bevorzugt 60 % oder kleiner. Dementsprechend ist die mittlere Porosität (P_AVE) jeder Trennwand 112 (212) beispielsweise vorzugsweise im Bereich von 40 bis 70 %, weiter bevorzugt 45 bis 65 % und noch weiter bevorzugt 50 bis 60 %.
Das Beobachtungsverfahren jeder Trennwand mit einem Röntgenmikroskop und die Messung von P_AVE und {(P_1MIN + P_2MIN) / 2} / P_AVE jeder Trennwand werden gemäß den folgenden Prozeduren ausgeführt.
Zuerst werden Proben der Trennwände (Querschnittsgröße (Länge 20 mm × Breite 2 mm) × Tiefe 0,3 mm), bei denen der Querschnitt orthogonal zur Richtung, in der sich die Zellen erstrecken, freiliegt, in der Nähe der Mittelachse, in der Nähe der Mitte in radialer Richtung (in der Nähe der Mitte zwischen der Mittelachse und der äußeren Umfangswand) und in der Nähe der äußeren Umfangsseitenwand (jedoch ohne die äußere Umfangsseitenwand) entnommen, und zwar jeweils für die Nähe der ersten Stirnfläche, die Nähe der Mitte in Höhenrichtung und die Nähe der zweiten Stirnfläche der säulenförmigen Wabenstruktur. Als Nächstes wird nach der Betrachtung des Querschnitts jeder Probe mit einem Röntgenmikroskop und CT-Abtastung das erhaltene dreidimensionale Querschnittsbild basierend auf der Helligkeit binarisiert und in eine große Anzahl von Voxeln aus räumlichen Abschnitten und Grundmaterialabschnitten unterteilt (Größe eines Voxels = ein Würfel mit einer Länge in Wandflächenrichtung der Trennwand (Y-Richtung): 0,8 µm, einer Länge in Dickenrichtung der Trennwand (X-Richtung): 0,8 µm, und einer Länge in Tiefenrichtung der Trennwand (Z-Richtung): 0,8 µm).
Die Messbedingung des Röntgenmikroskops ist eine 4-fache Vergrößerung.
Der Binarisierungsprozess wird mit dem Otsu-Binarisierungsverfahren ausgeführt.
Dann wird für ein vorbestimmtes Gebiet (einer Länge in Richtung der Wandoberfläche der Trennwand (Y-Richtung): 340 µm, einer Länge in Dickenrichtung der Trennwand (X-Richtung): eine Länge, die die gesamte Dicke enthält und einen Raum von 50 µm oder mehr auf beiden Seiten der Trennwand aufweist, und einer Länge in Tiefenrichtung der Trennwand (Z-Richtung): 300 µm) einer beliebigen Trennwand auf dem dreidimensionalen Querschnittsbild basierend auf den binarisierten Voxeldaten alle 0,8 µm entlang der Dickenrichtung (X-Richtung) der Trennwand von einer Oberfläche zur anderen Oberfläche ein Profil der Porosität (%) erhalten (siehe 6). Für das Gebiet mit einer Dicke von 0,8 µm (einer Länge in Richtung der Wandoberfläche der Trennwand (Y-Richtung): 340 µm, einer Länge in Richtung der Dicke der Trennwand (X-Richtung): 0,8 µm, und einer Länge in Richtung der Tiefe der Trennwand (Z-Richtung): 300 µm) wird die Porosität in der Dicke von 0,8 µm gemäß der folgenden Formel berechnet: Porosität = (Anzahl der Voxel des räumlichen Abschnitts) / (Gesamtzahl der Voxel in dem Gebiet) × 100(%). Durch Ausführen der Berechnung für das gesamte vorbestimmte Gebiet alle 0,8 µm vom linken Ende des Bildschirms aus, wird das Profil der Porosität (%) in Abständen von 0,8 µm entlang der Dickenrichtung (X-Richtung) der Trennwand von einer Oberfläche zur anderen Oberfläche erhalten.
Zu diesem Zeitpunkt ist, wie in 7 gezeigt, die Position einer Oberfläche der Trennwand als die Position einer Mode bei der Messung des Abstands M in der Dickenrichtung D (X-Richtung) von einem Liniensegment parallel zur Richtung der Wandoberfläche der Trennwand zu einer zu messenden Oberfläche der Trennwand definiert. Der Abstand M wird in Abständen von 0,8 µm über eine Länge von 340 µm in Richtung der Wandoberfläche (Y-Richtung senkrecht zur Dickenrichtung (X-Richtung)) der Trennwand auf dem binarisierten Bild gemessen. Die Position der anderen Oberfläche der Trennwand wird auf die gleiche Weise spezifiziert.
Auf diese Weise wird das Porositätsprofil einer beliebigen Trennwand aus jeder Probe erhalten, und P_AVE und (P_1MIN + P_2MIN) / 2 der Trennwand werden aus dem Profil erhalten, und {(P_1MIN + P_2MIN) / 2} / P_AVE wird berechnet. Dann wird der Mittelwert von P_AVE der insgesamt neun Proben als P_AVE der zu messenden säulenförmigen Wabenstruktur genommen. Ferner wird der Mittelwert von {(P_1MIN + P_2MIN) / 2} / P_AVE der insgesamt neun Proben als {(P_1MIN + P_2MIN) / 2} / P_AVE der zu messenden säulenförmigen Wabenstruktur genommen.
Ferner wird das Porositätsprofil einer beliebigen Trennwand von jeder Probe erhalten, und (P_1MIN + P_2MIN) / 2 der Trennwand wird aus dem Profil erhalten, und der Mittelwert von (P_1MIN + P_2MIN) / 2 der insgesamt neun Proben wird als (P_1MIN + P_2MIN) / 2 der zu messenden säulenförmigen Wabenstruktur genommen. Zu diesem Zeitpunkt ist unter dem Gesichtspunkt der Gewährleistung der Festigkeit und Unterdrückung des Eindringens des Katalysators in das Innere der Trennwände die Obergrenze von (P_1MIN + P_2MIN) / 2 vorzugsweise 70 % oder kleiner, weiter bevorzugt 60 % oder kleiner. Obwohl die Untergrenze von (P_1MIN + P_2MIN) / 2 nicht besonders festgelegt ist, ist sie unter dem Gesichtspunkt der Einfachheit der Herstellung im Allgemeinen 20 % oder größer, typischerweise 25 % oder größer.
Für die Anwendung als Abgasfilter und/oder Katalysatorträger für Kraftfahrzeuge ist die Biegefestigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur vorzugsweise 6,0 MPa oder größer, weiter bevorzugt 7,0 MPa oder größer und noch weiter bevorzugt 8,0 MPa oder größer. Obwohl die Obergrenze der Biegefestigkeit ist nicht besonders festgelegt ist, ist sie üblicherweise 15,0 MPa oder kleiner und typischerweise bei 12,0 MPa oder kleiner. Wie hier verwendet bezieht sich die Biegefestigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur auf die nach JIS R1664: 2004 gemessene Vier-Punkt-Biegefestigkeit. Es wird darauf hingewiesen, dass die Probengröße Breite w 20 mm × Dicke t 10 mm × Gesamtlänge h etwa 100 mm ist, der Abstand zwischen den inneren Stützpunkten (innere Spannweite) 20 mm ist und der Abstand zwischen den äußeren Stützpunkten (äußere Spannweite) 60 mm ist. Außerdem ist die Richtung der Gesamtlänge der Probe die Richtung, in der sich die Zelle erstreckt. Die Probe wird an einem Ort in der Nähe der Mittelachse und in der Nähe der Mitte in Höhenrichtung der säulenförmigen Wabenstruktur entnommen.
Die Form der Öffnung der Zellen im Querschnitt orthogonal zur Richtung, der sich die Zellen erstrecken, ist nicht eingeschränkt, und sie ist vorzugsweise viereckig, sechseckig, achteckig oder eine Kombination davon. Unter diesen sind Vierecke und Sechsecke bevorzugt. Durch Herstellen der Form der Öffnungen der Zelle wie vorstehend beschrieben wird der Druckverlust beim Durchströmen der Wabenstruktur durch Abgase reduziert, und die Reinigungsleistung bei Verwendung als Filter ist hervorragend. Außerdem wird durch Herstellen der Form der Öffnung der Zellen wie vorstehend beschrieben der Druckverlust beim Durchströmen der säulenförmigen Wabenstruktur durch ein Fluid reduziert, und die Reinigungsleistung des Katalysators ist hervorragend.
Die Zellendichte (Anzahl der Zellen pro Querschnittsflächeneinheit) der säulenförmigen Wabenstruktur ist nicht besonders eingeschränkt und kann beispielsweise im Bereich von 6 bis 2000 Zellen/Quadratzoll (0,9 bis 311 Zellen/cm²), weiter bevorzugt 50 bis 1000 Zellen/Quadratzoll (7,8 bis 155 Zellen/cm²) und besonders bevorzugt 100 bis 600 Zellen/Quadratzoll (15,5 bis 92,0 Zellen/cm²) sein. Hier wird die Zellendichte berechnet, indem die Anzahl der Zellen der säulenförmigen Wabenstruktur durch die Stirnfläche auf einer Seite der säulenförmigen Wabenstruktur mit Ausnahme der äußeren Umfangsseitenwand dividiert wird.
Die Volumendichte der säulenförmigen Wabenstruktur ist vorzugsweise so klein wie möglich, um die gewünschte Festigkeit zu gewährleisten. Die Volumendichte der säulenförmigen Wabenstruktur ist vorzugsweise im Bereich von 0,15 g/cc bis 0,25 g/cc, weiter bevorzugt 0,15 g/cc bis 0,23 g/cc und noch weiter bevorzugt 0,15 g/cc bis 0,20 g/cc. In dieser Spezifikation wird die Volumendichte der säulenförmigen Wabenstruktur nach folgender Formel gemessen: Volumendichte (g/cc) = Masse (g) der säulenförmigen Wabenstruktur / Volumen (cc) der säulenförmigen Wabenstruktur basierend auf äußeren Abmessungen.
Wenn die säulenförmige Wabenstruktur als Katalysatorträger verwendet wird, kann die Oberfläche der Trennwände je nach Zweck mit einem Katalysator beschichtet sein. Der Katalysator ist nicht eingeschränkt, es können jedoch ein Oxidationskatalysator (DOC) zur Erhöhung der Abgastemperatur durch oxidative Verbrennung von Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO), ein PM-Verbrennungskatalysator, der die Verbrennung von PM wie z. B. Ruß unterstützt, ein SCR-Katalysator und ein NSR-Katalysator zum Entfernen von Stickoxiden (NOx) und ein Dreiwegekatalysator, der Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) gleichzeitig entfernen kann, genannt werden. Der Katalysator kann 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) und dergleichen enthalten.
<2. Verfahren zum Herstellen einer säulenförmigen Wabenstruktur>
Nachstehend wird ein Verfahren zum Herstellen einer säulenförmigen Wabenstruktur als Beispiel beschrieben. Zunächst wird eine Ausgangsmaterialzusammensetzung, die ein Keramikausgangsmaterial, ein Dispersionsmedium, ein porenbildendes Mittel und ein Bindemittel enthält, geknetet, um einen Grünkörper zu bilden. Dann kann durch Extrudieren und Trocknen des Grünkörpers ein säulenförmiger Wabenkörper hergestellt werden. Zusatzstoffe wie z. B. ein Dispergiermittel können der Ausgangsmaterialzusammensetzung bei Bedarf zugesetzt werden. Beim Strangpressen kann eine Form mit einer gewünschten Gesamtform, Zellenform, Trennwanddicke, Zellendichte und dergleichen verwendet werden.
In dem Trocknungsschritt können herkömmlich bekannte Trocknungsverfahren wie z. B. Heißgastrocknung, Mikrowellentrocknung, dielektrische Trocknung, Unterdrucktrocknung, Vakuumtrocknung und Gefriertrocknung verwendet werden. Unter diesen ist ein Trocknungsverfahren, die Heißgastrocknung mit Mikrowellentrocknung oder dielektrischer Trocknung kombiniert, vorzuziehen, weil der gesamte Formkörper schnell und gleichmäßig getrocknet werden kann. Die Abdichtungsabschnitte können durch Bilden der Abdichtungsabschnitte an vorbestimmten Positionen an beiden Stirnflächen des getrockneten wabenförmigen Körpers und dann Trocknen der Abdichtungsabschnitte gebildet werden.
Das Keramikausgangsmaterial ist ein Ausgangsmaterial für einen Abschnitt eines Metalloxids, eines Metalls oder dergleichen, der nach dem Brennen zurückbleibt und das Gerüst des säulenförmigen Wabenkörpers (der säulenförmigen Wabenstruktur) nach dem Brennen als Keramik bildet. Das Keramikausgangsmaterial kann beispielsweise in Form von Pulver bereitgestellt werden. Beispiele für das Keramikausgangsmaterial enthalten Materialien zum Erhalten einer Keramik wie z. B. Cordierit, Mullit, Zirkonat, Aluminiumtitanat, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Zirkoniumdioxid, Spinell, Indialit, Saphir, Korund und Titandioxid. Insbesondere enthalten Beispiele, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Siliziumdioxid, Talkum, Aluminiumoxid, Kaolin, Serpentin, Pyroferrit, Bluesit, Böhmit, Mullit, Magnesit und Aluminiumhydroxid. Als Keramikausgangsmaterial kann ein Typ allein verwendet werden, oder eine Kombination aus zwei oder mehreren Typen kann verwendet werden. Unter dem Gesichtspunkt der Reduktion der Porosität der Oberfläche der Trennwände bei gleichzeitiger Verkleinerung des Porendurchmessers ist der Median-Durchmesser (D50) der Siliziumdioxidpartikel vorzugsweise relativ groß, beispielsweise im Bereich von 15 bis 30 µm. Andererseits ist es bei anderen Keramikausgangsmaterialien vorzuziehen, feine Partikel mit einem Median-Durchmesser (D50) nahe dem angestrebten mittleren Porendurchmesser der Trennwände, beispielsweise im Bereich von 2 bis 10 µm, zu verwenden.
Im Fall von Filteranwendungen wie DPF und GPF kann vorzugsweise Cordierit als Keramik verwendet werden. In diesem Fall kann ein Cordierit-bildendes Ausgangsmaterial als Keramikausgangsmaterial verwendet werden. Ein Cordierit-bildendes Ausgangsmaterial ist ein Ausgangsmaterial, das durch Brennen zu Cordierit wird. Es ist wünschenswert, dass das Cordierit-bildende Ausgangsmaterial eine chemische Zusammensetzung aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) (das die Menge an Aluminiumhydroxid, die sich in Aluminiumoxid umwandelt, enthält): 30 bis 45 Massenprozent, Magnesiumoxid (MgO): 11 bis 17 Massenprozent und Siliziumdioxid (SiO₂): 42 bis 57 Massenprozent aufweist.
Beispiele für das Dispersionsmedium enthalten Wasser oder ein gemischtes Lösungsmittel aus Wasser und einem organischen Lösungsmittel wie z. B. Alkohol, wobei Wasser besonders bevorzugt verwendet werden kann.
Der Porenbildner ist nicht besonders eingeschränkt, solange es nach dem Brennen zu Poren wird, und Beispiele dafür enthalten Weizenmehl, Stärke, Schaumharz, wasserabsorbierendes Harz, Kieselgel, Kohlenstoff (beispielsweise Graphit, Koks), Keramikballon, Polyethylen, Polystyrol, Polypropylen, Nylon, Polyester, Acryl und Phenol und dergleichen. Als porenbildendes Mittel kann ein Typ allein verwendet werden, oder eine Kombination aus zwei oder mehreren Typen kann verwendet werden. Der Gehalt des Porenbildners ist unter dem Gesichtspunkt der Erhöhung der Porosität des wabenförmigen Körpers vorzugsweise 0,5 Masseteile oder mehr, weiter bevorzugt 2 Masseteile oder mehr und noch weiter bevorzugt 3 Masseteile oder mehr, bezogen auf 100 Masseteile des Keramikausgangsmaterials. Der Gehalt des Porenbildners ist unter dem Gesichtspunkt der Gewährleistung der Festigkeit des wabenförmigen Körpers vorzugsweise 10 Masseteile oder weniger, weiter bevorzugt 7 Masseteile oder weniger und noch weiter bevorzugt 4 Masseteile oder weniger, bezogen auf 100 Masseteile des Keramikausgangsmaterials. Unter dem Gesichtspunkt der Reduktion der Porosität der Oberfläche der Trennwände und gleichzeitigen Verkleinern des Porendurchmessers ist es vorzuziehen, den Median-Durchmesser (D50) des Porenbildners auf einen relativ großen Wert, beispielsweise im Bereich von 20 bis 30 µm, festzulegen.
Beispiele für das Bindemittel enthalten organische Bindemittel wie z. B. Methylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Carboxymethylcellulose, Polyvinylalkohol und dergleichen. Insbesondere ist es vorzuziehen, Methylcellulose und Hydroxypropylmethylcellulose in Kombination zu verwenden. Ferner ist der Gehalt des Bindemittels unter dem Gesichtspunkt der Erhöhung der Festigkeit des wabenförmigen Körpers vor dem Brennen vorzugsweise 4 Masseteile oder mehr, weiter bevorzugt 5 Masseteile oder mehr und noch weiter bevorzugt 6 Masseteile oder mehr, bezogen auf 100 Masseteile des Keramikausgangsmaterials. Der Gehalt des Bindemittels ist unter dem Gesichtspunkt der Unterdrückung des Auftretens von Rissen aufgrund anormaler Wärmeerzeugung im Brennprozess vorzugsweise 9 Masseteile oder weniger, weiter bevorzugt 8 Masseteile oder weniger, und noch weiter bevorzugt 7 Masseteile oder weniger, bezogen auf 100 Masseteile des Keramikausgangsmaterials. Als Bindemittel kann ein Typ allein verwendet werden, oder eine Kombination aus zwei oder mehreren Typen kann verwendet werden.
Als Dispergiermittel können Ethylenglykol, Dextrin, Fettsäureseife, Polyetherpolyol und dergleichen verwendet werden. Als Dispergiermittel kann ein Typ allein verwendet werden, oder eine Kombination aus zwei oder mehreren Typen kann verwendet werden. Der Gehalt des Dispergiermittels ist vorzugsweise im Bereich von 0 bis 2 Masseteile, bezogen auf 100 Masseteile des Keramikausgangsmaterials.
Der säulenförmige Wabenkörper kann an beiden Enden aller Zellen offen sein, wie in 1 und 2 gezeigt. Ferner kann der säulenförmige Wabenkörper eine Zellenstruktur aufweisen, bei der ein Ende der Zellen abwechselnd abgedichtet ist, wie in 3 und 4 gezeigt. Das Verfahren zum Abdichten der Stirnfläche des säulenförmigen Wabenkörpers ist nicht besonders eingeschränkt, und es kann ein bekanntes Verfahren eingesetzt werden.
Das Material der Abdichtungsabschnitte ist nicht besonders eingeschränkt, unter dem Gesichtspunkt der Festigkeit und Wärmebeständigkeit ist jedoch Keramik bevorzugt. Die Keramik ist vorzugsweise eine Keramik, die wenigstens eines umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Cordierit, Mullit, Zirkon, Aluminiumtitanat, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Zirkoniumdioxid, Spinell, Indialit, Saphir, Korund und Titandioxid besteht. Die Abdichtungsabschnitte sind vorzugsweise aus einem Material gebildet, das insgesamt 50 Massenprozent oder mehr dieser Keramik enthält, und sind weiter bevorzugt aus einem Material gebildet, das insgesamt 80 Massenprozent oder mehr dieser Keramik enthält. Es ist noch weiter bevorzugt, dass die Abdichtungsabschnitte die gleiche Materialzusammensetzung wie der Hauptkörperabschnitt des wabenförmigen Körpers besitzen, da der Ausdehnungskoeffizient zum Zeitpunkt des Brennens gleich gemacht und die Haltbarkeit verbessert werden kann.
Ein Verfahren zum Bilden des Abdichtungsabschnitts wird als Beispiel beschrieben. Eine Abdichtungsaufschlämmung wird in einem Vorratsbehälter gehalten. Als Nächstes wird eine Maske mit Öffnungen an Positionen, die den Zellen entsprechen, auf denen die Abdichtungsabschnitte gebildet werden sollen, an einer der Stirnflächen angebracht. Die Stirnfläche, an der die Maske angebracht ist, wird in den Vorratsbehälter eingetaucht, und die Öffnungen werden mit einer Abdichtungsaufschlämmung gefüllt, so dass die Abdichtungsabschnitte gebildet werden. Die Abdichtungsabschnitte können auf die gleiche Weise auf der anderen Stirnfläche gebildet werden.
Eine säulenförmige Wabenstruktur kann durch Ausführen von Entfetten und Brennen des getrockneten säulenförmigen Wabenkörpers hergestellt werden. Als Bedingungen für den Entfettungsprozess und den Brennprozess können je nach Materialzusammensetzung des Wabenkörpers bekannte Bedingungen eingesetzt werden, und obwohl keine besondere Erläuterung erforderlich ist, sind im Folgenden spezifische Beispiele für die Bedingungen gegeben.
Der Entfettungsprozess wird beschrieben. Die Verbrennungstemperatur des Bindemittels ist etwa 200 °C, und die Verbrennungstemperatur des Porenbildners ist im Bereich von 300 bis 1000 °C. Daher kann der Entfettungsschritt durch Erwärmen des Wabenkörpers in dem Bereich von etwa 200 bis 1000 °C durchgeführt werden. Die Erwärmungszeit ist nicht besonders eingeschränkt, ist jedoch üblicherweise im Bereich von etwa 10 bis 100 Stunden. Der Wabenkörper nach dem Entfettungsschritt wird als kalzinierter Körper bezeichnet.
Der Brennprozess hängt von der Materialzusammensetzung des Wabenkörpers ab, kann jedoch beispielsweise durch Erwärmen des kalzinierten Körpers auf 1350 bis 1600 °C und Halten der Temperatur für 3 bis 10 Stunden ausgeführt werden.
BEISPIELE
(1. Herstellen der Wabenstruktur)
<Beispiele 1 und 2, Vergleichsbeispiele 1 und 2>
Ein Cordierit-bildendes Ausgangsmaterial, ein Porenbildner A, ein Porenbildner B, ein Bindemittel, ein Dispergiermittel und ein Dispersionsmedium wurden entsprechend der in Tabelle 1 für jede Testnummer gezeigten Rezeptur zugegeben, gemischt und geknetet, um einen Grünkörper vorzubereiten. Als Cordierit-bildendes Material wurden Talkum, Kaolin, Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid, Siliziumdioxid A und Siliziumdioxid B verwendet. Siliziumdioxid A und Siliziumdioxid B wiesen unterschiedliche Median-Durchmesser (D50) auf. Der Porenbildner A und der Porenbildner B wiesen ebenfalls unterschiedliche Median-Durchmesser (D50). Als Dispersionsmedium wurde Wasser verwendet, als Porenbildner wurde ein Polymer auf Polyacrylsäurebasis verwendet, als Bindemittel wurde Hydroxypropylmethylcellulose verwendet, und als Dispergiermittel wurde eine Fettsäureseife verwendet. Der in Tabelle 1 gezeigte Median-Durchmesser (D50) jedes Materials ist ein volumenbasierter Wert, der mit einem Laserbeugungs-Partikelgrößenverteilungsanalysator (Modell LA960, hergestellt von HORIBA, Ltd.) gemessen wurde.
Der Grünkörper wurde in einen Extruder geladen und horizontal durch eine vorgegebene Form extrudiert, um einen zylinderförmigen Wabenkörper zu erhalten. Nach dielektrischer Trocknung und Heißgastrocknung des erhaltenen Wabenkörpers wurden beide Stirnflächen beschnitten, um einen zylinderförmigen Wabenkörper mit einer vorbestimmten Abmessung zu erhalten.
Der so erhaltene zylinderförmige Wabenkörper wurde durch Erhitzen auf 200 °C für 8 Stunden in einer Luftatmosphäre entfettet und ferner bei 1430 °C für 4 Stunden in einer Luftatmosphäre gebrannt, um eine säulenförmige Wabenstruktur zu erhalten. Für die folgenden Messungen wurde die erforderliche Anzahl der säulenförmigen Wabenstrukturen gemäß jedem Testbeispiel hergestellt. Die Spezifikationen der erhaltenen säulenförmigen Wabenstrukturen sind wie folgt.

Gesamtform: zylinderförmig mit einem Durchmesser von 118 mm und einer Höhe von 91 mm
Zellenform im Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung der Zellen: quadratisch
Zellendichte (Anzahl der Zellen pro Querschnittsflächeneinheit): 750 Zellen/Quadratzoll
Mittlere Dicke der Trennwand: 2,6 mil (66 µm) (Nennwert basierend auf der Spezifikationen der Form)

(2. Messung des mittleren Porendurchmessers der Trennwände)
Für jede säulenförmige Wabenstruktur, die durch das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren erhalten wurde, wurde der mittlere Porendurchmesser der Trennwände unter Verwendung von Autopore 9505, hergestellt von Micromeritics Instrument Corporation, in Übereinstimmung mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
(3. Messung des Profils der Porosität von Trennwänden)
Für jede säulenförmige Wabenstruktur, die durch das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren erhalten wurde, wurde ein Röntgenmikroskop (Modell Xradia 520 Versa, hergestellt von Zeiss) verwendet, um das Porositätsprofil der Trennwände gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren zu messen. P_AVE, (P_1MIN + P_2MIN) / 2, und {(P_1MIN + P_2MIN) / 2} ÷ P_AVE (P_AVE: mittlere Porosität in jeder Trennwand, P_1MIN: kleinste Porosität von einer Oberfläche bis zu einer Dicke von 5 % der Trennwand, P_2MIN: kleinste Porosität von der anderen Oberfläche bis zu einer Dicke von 5 % der Trennwand. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
(4. Volumendichte)
Die Volumendichte jeder säulenförmigen Wabenstruktur, die durch das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren erhalten wurde, wurde gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
(5. Messung der Biegefestigkeit)

Die Biegefestigkeit jeder säulenförmigen Wabenstruktur, die durch das vorstehend beschriebene Verfahren hergestellt wurde, wurde unter Verwendung eines „3366 Dual Column Desktop Type Tester“, hergestellt von Instron, gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren gemessen. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse. [0066] Tabelle 2

Test Nr.	Beispiel 1	Beispiel 2	Vergleichsbeispiel 1	Vergleichsbeispiel 2
Mittlerer Porendurchmesser der Trennwand (µm)	4,3	4,9	5,6	4,8
P_AVE (%)	45,2	54,1	46,2	52,8
(P_1MIN + P_2MIN) /2 (%)	37,3	47,1	43,3	50,7
{(P_1MIN + P_2MIN) / 2} / P_AVE	0,83	0,87	0,94	0,96
Volumendichte (g/cc)	0,23	0,19	0,22	0,2
Biegefestigkeit (MPa)	8,1	6,3	6,8	5,4

(6. Diskussion)
Beim Vergleich von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1, bei dem die mittlere Porosität (P_AVE) der einzelnen Trennwände nahe beieinander liegt, zeigte Beispiel 1, dessen {(P_1MIN + P_2MIN) / 2} / P_AVE angemessen war, eine höhere Biegefestigkeit. Ähnlich zeigte beim Vergleich von Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 2, bei dem die mittlere Porosität (P_AVE) der einzelnen Trennwände nahe beieinander liegt, zeigte Beispiel 2, dessen {(P_1MIN + P_2MIN) / 2} / P_AVE angemessen war, eine höhere Biegefestigkeit.
Beschreibung der Bezugszeichen

100: Säulenförmige Wabenstruktur
102: Äußere Umfangsseitenwand
104: Erste Stirnfläche
106: Zweite Stirnfläche
108: Zelle
112: Trennwand-
112a: Eine Oberfläche der Trennwand
112b: Die andere Oberfläche der Trennwand
200: Säulenförmige Wabenstruktur
202: Äußere Umfangsseitenwand
204: Erste Stirnfläche
206: Zweite Stirnfläche
208a: Erste Zelle
208b: Zweite Zelle
209: Abdichtungsabschnitt
212: Trennwand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2022060626 [0001]
JP 2016204208 [0006, 0012]
JP 2016190198 [0008, 0012]
JP 2019505365 [0008, 0012]

Claims

Säulenförmige Wabenstruktur, die eine äußere Umfangsseitenwand und mehrere Trennwände, die an einer inneren Umfangsseite der äußeren Umfangsseitenwand angeordnet sind und mehrere Zellen, die Strömungswege von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche bilden, abteilen, umfasst, wobei ein mittlerer Porendurchmesser der Trennwände, gemessen durch ein in JIS R1655: 2003 spezifiziertes Quecksilberintrusionsverfahren, im Bereich von 3 bis 10 µm ist, und wenn ein Querschnitt der mehreren Trennwände mit einem Röntgenmikroskop beobachtet wird und eine Porosität (%) in einer Dickenrichtung von einer Oberfläche zur anderen Oberfläche jeder Trennwand gemessen wird, unter der Annahme, dass P_AVE eine mittlere Porosität jeder Trennwand ist, P_1MIN eine kleinste Porosität von der einen Oberfläche bis zu einer Dicke von 5 % der Trennwand ist und P_2MIN eine kleinste Porosität von der anderen Oberfläche bis zu einer Dicke von 5 % der Trennwand ist, 40 % ≤ P_AVE ≤ 70 %, und {(P_1MIN + P_2MIN) / 2} / P_AVE ≤ 0,9 erfüllt sind.
säulenförmige Wabenstruktur nach Anspruch 1, wobei 0,6 ≤ {(P_1MIN + P_2MIN) / 2} / P_AVE ≤ 0,9 erfüllt ist.
Säulenförmige Wabenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine mittlere Dicke der mehreren Trennwände im Bereich von 50 bis 150 µm ist.
Säulenförmige Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine nach JIS R1664: 2004 gemessene Biegefestigkeit 6,0 MPa oder größer ist.
Säulenförmige Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei 50% ≤ P_AVE ≤ 60% erfüllt ist.
Säulenförmige Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Volumendichte im Bereich von 0,15 g/cc bis 0,25 g/cc ist.
Säulenförmige Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Trennwände aus Keramik, die zu 90 Massenprozent oder mehr Cordierit umfasst, gebildet sind.
Säulenförmige Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei auf den Oberflächen der Trennwände eine Katalysatorschicht vorgesehen ist.