JP2002293660A

JP2002293660A - 多孔質炭化珪素部材の製造方法

Info

Publication number: JP2002293660A
Application number: JP2001103609A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Naruse; 和也成瀬
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2001-04-02
Filing date: 2001-04-02
Publication date: 2002-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】反りや、曲げ強度の低下が発生することがな
く、高い気孔率を有する多孔質炭化珪素部材を容易に製
造することができる多孔質炭化珪素部材の製造方法を提
供する。【解決手段】円形度が０．８５以下の粉末の含有量が
５％以上の炭化珪素粉末とバインダーと分散媒液とを含
む炭化珪素成形体を作製した後、上記炭化珪素成形体の
脱脂及び焼成を行い、気孔率が４０〜７０％の多孔質炭
化珪素部材を製造することを特徴とする多孔質炭化珪素
部材の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、その内部に多数の
気孔を有する多孔質炭化珪素部材の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、様々な種類の多孔質炭化珪素部材
からなるセラミック製品が開発され、製造されている。
このようなセラミック製品の一例として、バス、トラッ
ク等の車両や建設機械等の内燃機関から排出される排気
ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するセラミッ
クフィルタが種々提案されている。

【０００３】図１は、このようなセラミックフィルタの
一例であるハニカムフィルタを模式的に示した斜視図で
ある。また、図２（ａ）は、図１に示したハニカムフィ
ルタを構成する多孔質炭化珪素部材の一例を模式的に示
した斜視図であり、（ｂ）は、そのＡ−Ａ線断面図であ
る。

【０００４】図１に示したように、ハニカムフィルタ１
０は、多孔質炭化珪素部材２０が接着層１４を介して複
数個結束されて円柱状のセラミックブロック１５を構成
し、その外周にシール材層１３が形成されている。ま
た、この多孔質炭化珪素部材２０は、図２に示したよう
に、長手方向に多数の貫通孔２１が並設され、貫通孔２
１同士を隔てる隔壁２３がフィルタとして機能するよう
になっている。

【０００５】即ち、多孔質炭化珪素部材２０に形成され
た貫通孔２１は、図２（ｂ）に示したように、排気ガス
の入り口側又は出口側の端部のいずれかが充填材２２に
より目封じされ、一の貫通孔２１に流入した排気ガス
は、必ず貫通孔２１を隔てる隔壁２３を通過した後、他
の貫通孔２１から流出するようになっており、排気ガス
がこの隔壁２３を通過する際、パティキュレートが隔壁
２３部分で捕捉され、排気ガスが浄化される。このよう
な多孔質炭化珪素部材２０は、極めて耐熱性に優れ、再
生処理等も容易であるため、種々の大型車両やディーゼ
ルエンジン搭載車両等に使用されている。

【０００６】従来、このような多孔質炭化珪素部材を製
造する際には、まず、炭化珪素粉末とバインダーと分散
媒液とを混合して成形体作製用の混合組成物を調製した
後、この混合組成物の押出成形等を行うことにより、炭
化珪素成形体を作製する。

【０００７】次に、得られた炭化珪素成形体をヒーター
等により乾燥させることで、炭化珪素成形体を、一定の
強度を有し、取り扱い性に優れる乾燥体とする。

【０００８】この炭化珪素成形体の乾燥工程の後、炭化
珪素成形体を酸素含有雰囲気下において、４００〜６５
０℃に加熱し、有機バインダー成分中の溶剤を揮発させ
るとともに、樹脂成分を分解消失させる脱脂工程を行
い、さらに、炭化珪素粉末を不活性ガス雰囲気下、２０
００〜２２００℃に加熱することにより焼結させる焼成
工程を行うことで、多孔質炭化珪素部材を製造する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の多孔質炭化珪素部材の製造方法において、上
述したような方法により製造された多孔質炭化珪素部材
の気孔率を、４０％を超える高いものとしようとする
と、成形体作製用の混合組成物にバインダー等として、
有機物や溶媒等を多量に添加する必要があるため、多孔
質炭化珪素部材に反りが発生したり、曲げ強度の低下が
発生しやすく、製造条件等の管理に手間がかかるもので
あった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
反りや、曲げ強度の低下が発生することがなく、高い気
孔率を有する多孔質炭化珪素部材を容易に製造するため
に、鋭意研究を行った結果、原料の炭化珪素粉末に含ま
れる円形度０．８５以下の炭化珪素粉末の割合を増加さ
せれば上述した問題が生じないことを見出し、本発明を
完成した。

【００１１】即ち、本発明は、円形度０．８５以下の粉
末の含有量が５％以上の炭化珪素粉末とバインダーと分
散媒液とを含む炭化珪素成形体を作製した後、上記炭化
珪素成形体の脱脂及び焼成を行い、気孔率が４０〜７０
％の多孔質炭化珪素部材を製造することを特徴とする多
孔質炭化珪素部材の製造方法である。以下、本発明を詳
細に説明する。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の多孔質炭化珪素部材の製
造方法は、円形度０．８５以下の粉末の含有量が５％以
上の炭化珪素粉末とバインダーと分散媒液とを含む炭化
珪素成形体を作製した後、上記炭化珪素成形体の脱脂及
び焼成を行い、気孔率が４０〜７０％の多孔質炭化珪素
部材を製造することを特徴とする。

【００１３】上記円形度とは、粒子（炭化珪素粉末）を
平面視した際の形状が、真円からどの程度ズレているの
かを示す指標であって、円形度１．０が真円を意味し、
数値が小さくなる程真円から外れていくことを意味す
る。このような円形度を測定する方法としては、例え
ば、市販されている沈降式又は循環式のフロー式粒子像
分析装置を用いて、被測定物である炭化珪素粒子を含む
試料流にストロボ光やレーザー光を照射することによ
り、上記炭化珪素粒子を、対物レンズを通してＣＣＤカ
メラ等で、静止画像として撮影し、この撮影した炭化珪
素粒子像を画像解析して投影面積と周囲長とから円形度
を算出することができる。なお、このようなフロー粒子
像分析装置を用いることで、円形度の測定と同時に、炭
化珪素粒子の円相当径を算出することもできる。

【００１４】上記円形度０.８５以下の粉末の含有量と
は、炭化珪素粉末の円形度を上述したような方法により
測定した際、測定した全粉末中に占める、円形度０.８
５以下の粉末の割合を意味し、本発明では、炭化珪素粉
末における円形度０．８５以下の粉末の含有量は５％以
上である。

【００１５】本発明の多孔質炭化珪素部材の製造方法に
おいては、このような炭化珪素粉末を用いることによ
り、４０〜７０％の高い気孔率を有する多孔質炭化珪素
部材を製造することができる。この理由は明確ではない
が、以下の通りであると考えられる。

【００１６】即ち、通常、円形度０．８５以下の粉末
は、細長い形状のものであるので、嵩密度が低く、この
ような円形度０．８５以下の粉末の含有量が５％以上の
炭化珪素粉末も、嵩密度が低いものとなる。このような
嵩密度の低い炭化珪素粉末を用いて、炭化珪素成形体を
作製すると、上記炭化珪素成形体を構成する炭化珪素粉
末同士は、余り密に接触しておらず、炭化珪素粉末に関
する密度は低いものとなる。従って、上記炭化珪素成形
体を脱脂、焼成すると、製造される多孔質炭化珪素部材
を構成する炭化珪素粉末間には、多数の気孔が形成され
ることとなり、本発明の多孔質炭化珪素部材の製造方法
により製造した多孔質炭化珪素部材の気孔率も高いもの
となると考えられる。また、このようにして製造した多
孔質炭化珪素部材には、反りや曲げ強度の低下が発生す
ることがない。この理由については後述する。

【００１７】本発明の多孔質炭化珪素部材の製造方法で
は、まず、円形度０.８５以下の粉末の含有量が５％以
上の炭化珪素粉末とバインダーと分散媒液とを含む混合
組成物を調製する。

【００１８】上記炭化珪素粉末の円相当径は、１〜１０
０μｍであることが望ましい。１μｍ未満であると、製
造する多孔質炭化珪素部材が緻密に焼結してしまい、平
均気孔率を４０〜７０％と高くすることができないこと
がある。一方、１００μｍを超えると、製造する多孔質
炭化珪素部材の曲げ強度が低下し、容易に破壊されてし
まうことがある。

【００１９】上記バインダーとしては特に限定されず、
例えば、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロー
ス、ヒドロキシエチルセルロース、ポリエチレングリコ
ール、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等を挙げることが
できる。また、上記バインダーの配合量は、通常、上記
炭化珪素粉末１００重量部に対して、１から１０重量部
程度が好ましい。

【００２０】上記分散媒液としては特に限定されず、例
えば、ベンゼン等の有機溶媒；メタノール等のアルコー
ル、水等を挙げることができる。上記分散媒液は、上記
炭化珪素粉末、バインダー等の粘度が一定範囲内となる
ように、適量配合される。

【００２１】また、上記炭化珪素粉末、バインダー及び
澱粉分散媒液とともに、分散剤が含まれていてもよい。
上記分散剤としては特に限定されず、例えば、トリメチ
ルホスフェート、トリエチルホスフェート、トリブチル
ホスフェート、トリス（２−クロロエチル）ホスフェー
ト、トリフェニルホスフェート、トリクレジルホスフェ
ート、クレジル・ジフェニルホスフェート等のリン酸エ
ステル系化合物等を挙げることができる。また、この分
散剤は、炭化珪素粒子１００重量部に対して０．１〜５
重量部添加されることが望ましい。

【００２２】上記混合組成物は、上記炭化珪素粉末、バ
インダー及び分散媒液等を、アトライター等で混合した
後、ニーダー等で充分に混練することで調製することが
できる。

【００２３】次に、このようにして調製した混合組成物
を用いて、押出成形等することにより、炭化珪素成形体
を作製する。

【００２４】上記炭化珪素成形体の形状としては特に限
定されず、目的とする多孔質炭化珪素部材に合わせて適
宜選択すればよい。

【００２５】次に、マイクロ波や熱風等を利用した乾燥
手段を用いて、上記炭化珪素成形体の内部に存在する水
分を飛散、蒸発させて炭化珪素成形体の乾燥体とする。

【００２６】ここで、従来の多孔質炭化珪素部材の製造
方法により、高い気孔率を有する多孔質炭化珪素部材の
気孔率を製造しようとすると、上記炭化珪素成形体の乾
燥を経た炭化珪素成形体の乾燥体に反りが発生すること
があった。これは、上述したように、従来の多孔質炭化
珪素部材の製造方法では、炭化珪素成形体を作製する際
に添加するバインダーの添加量を増やすことにより、製
造する多孔質炭化珪素部材の気孔率を向上させるもので
あったため、上記バインダーの添加量の増加に伴って、
炭化珪素成形体に含有される水分量も増加させる必要が
あった。そのため、上記炭化珪素成形体の乾燥工程にお
いて、蒸発する水分量が多くなり、炭化珪素成形体の乾
燥体に反りが発生してしまい、その後製造する多孔質炭
化珪素部材にも反りが発生していたものと考えられる。

【００２７】しかしながら、本発明の多孔質炭化珪素部
材の製造方法においては、従来の方法のようにバインダ
ーの添加量を増加させる必要がないため、炭化珪素成形
体に含まれる水分量も多くなることがなく、炭化珪素成
形体の乾燥体に反りが発生することがない。従って、そ
の後製造する多孔質炭化珪素部材に反りが発生すること
もない。

【００２８】続いて、上記炭化珪素成形体の脱脂を行
う。上記炭化珪素成形体の脱脂工程は、通常、炭化珪素
成形体を脱脂用治具に載置した後、脱脂炉に搬入し、酸
素含有雰囲気下、４００〜６５０℃に加熱することによ
り行う。これにより、上記バインダー等の大部分が揮散
するとともに、分解、消失する。

【００２９】本発明の多孔質炭化珪素部材の製造方法に
おいては、上述したような炭化珪素粉末を用いているの
で、上記脱脂工程を経た炭化珪素脱脂体の強度が高く、
取り扱い性に優れたものとすることができる。この理由
は明確ではないが、以下の通りであると考えられる。

【００３０】即ち、円形度０.８５以下の粉末の含有量
が５％以上の炭化珪素粉末は、３次元的に複雑な絡み合
いを形成しながら炭化珪素成形体中に分散しているもの
と考えられる。従って、この炭化珪素成形体を脱脂して
製造した炭化珪素脱脂体中においても、上記炭化珪素粉
末は、３次元的に複雑に絡み合った構造を形成してお
り、上記炭化珪素脱脂体の強度が高くなるものと考えら
れる。

【００３１】最後に、上記炭化珪素脱脂体の焼成を行
う。この焼成工程では、窒素、アルゴン等の不活性ガス
雰囲気下、２０００〜２２００℃で脱脂した炭化珪素成
形体を加熱し、炭化珪素粒子を焼結させることにより、
気孔率が４０〜７０％の多孔質炭化珪素部材を製造する
ことができる。

【００３２】このようにして製造した多孔質炭化珪素部
材は、その曲げ強度が低下することがない。これは、多
孔質炭化珪素部材を構成する炭化珪素粒子も、上述した
炭化珪素脱脂体と同様に、３次元的に複雑に絡み合った
構造を形成しているからであると考えられる。

【００３３】なお、本発明の多孔質炭化珪素部材の製造
方法において、上記焼成工程は、従来の多孔質炭化珪素
部材の製造方法における焼成工程に比べて、安価に行う
ことができる。この理由は明確ではないが、以下の通り
であると考えられる。

【００３４】即ち、上記焼成工程において、円形度０.
８５以下の粉末の含有量が５％以上の炭化珪素粉末を焼
結させるのであるが、このような炭化珪素粉末の総表面
積は、上述した従来の多孔質炭化珪素部材の製造方法に
おいて使用していた炭化珪素粉末の総表面積よりも広
く、表面エネルギーが高い状態にあると考えられる。こ
のように、表面エネルギーが高い状態の炭化珪素粉末を
焼結させる場合、余り高い熱エネルギーを印加しなくて
も上記炭化珪素粉末同士の焼結がスムーズに進行する。
従って、上記焼成工程において、印加する熱エネルギー
を少なくすることができ、多孔質炭化珪素部材を安価に
製造することができるのではないかと考えられる。

【００３５】本発明の多孔質炭化珪素部材の製造方法に
より製造される多孔質炭化珪素部材を用いた製品の具体
例としては、例えば、図１に示したような排気ガスを浄
化するためのハニカムフィルタ、汚水等を浄化するため
のフィルタ、その他、バイオリアクター等を挙げること
ができ、特には、触媒を担持したハニカムフィルタに好
適に使用することができる。

【００３６】以上説明した通り、本発明の多孔質炭化珪
素部材の製造方法によると、円形度０.８５以下の粉末
の含有量が５％以上の炭化珪素粉末を用いているので、
該炭化珪素粉末の嵩密度は、従来の多孔質炭化珪素部材
の製造方法において使用していた炭化珪素粉末の嵩密度
よりも小さいものとなる。従って、多孔質炭化珪素部材
を製造した際、該多孔質炭化珪素部材を構成する炭化珪
素粒子間には、多数の隙間（気孔）が形成されることと
なり、かつ、粒子同士は、３次元的に複雑に絡み合った
構造をとっているため、反りや曲げ強度の低下が発生す
ることなく、容易に、４０〜７０％の気孔率を有する多
孔質炭化珪素部材を製造することができる。

【００３７】

【実施例】以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説
明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるもの
ではない。

【００３８】実施例１その円形度０.８５以下の粉末の含有量が１２．５％の
炭化珪素粉末（平均円相当径１２μｍ）１００重量部、
メチルセルロースからなるバインダー９重量部、ポリオ
キシエチレンモノブチルエーテルからなる分散剤（日本
油脂社製、商品名：ユニルーブ）４．５重量部、グリセ
リンからなる溶媒２重量部、水２１重量部を配合した
後、ボールミル中にて５時間混合することにより、均一
な混合組成物を調製した。

【００３９】なお、上記炭化珪素粉末の円形度の測定
は、シスメックス社製のフロー式粒子像分析装置を用い
て行った。

【００４０】この混合組成物を押出成形装置に充填し、
押出速度２ｃｍ／分にて、図１に示した多孔質炭化珪素
部材２０のような角柱形状からなる炭化珪素成形体を作
製した。この炭化珪素成形体は、その大きさが３３ｍｍ
×３３ｍｍ×３００ｍｍで、貫通孔の数が３１個／ｃｍ
^２、隔壁の厚さが０．３５ｍｍであった。

【００４１】次に、上記炭化珪素成形体の乾燥を行っ
た。その後、ＥＴ−１０（イビデン社製）からなるセラ
ミック焼成用治具に多孔質成形体の乾燥体を載置して、
５％の酸素濃度を有する空気と窒素との混合ガス雰囲気
下、４５０℃で加熱することにより脱脂工程を行った。

【００４２】そして、上記脱脂された炭化珪素成形体を
セラミック焼成用治具に載置したまま、焼成装置に搬入
し、２２００℃に加熱することにより炭化珪素成形体の
焼成を行い、図１及び図２に示したような多孔質炭化珪
素部材を製造した。

【００４３】このようにして製造した多孔質炭化珪素部
材について、アルキメデス法にて、その気孔率を測定し
たところ６０％であった。

【００４４】そして、上記炭化珪素部材を複数個組み上
げて、図１に示したようなハニカムフィルタを作製し、
このハニカムフィルタを背圧センサとともに、エンジン
の排気ガス排出通路に設けたケーシング内に設置して、
パティキュレートを捕集し、背圧の変化を測定した。そ
の結果、上記エンジンを無負荷状態で最高の回転数にし
て８時間運転し、背圧センサにより背圧を測定したとこ
ろ４０ｋＰａの値を示した。

【００４５】実施例２その円形度０.８５以下の粉末の含有量が９％の炭化珪
素粉末（平均円相当径１０．５μｍ）を用いたほかは、
実施例１と同様にして多孔質炭化珪素部材を製造した。

【００４６】そして、実施例２に係る多孔質炭化珪素部
材の気孔率を、実施例１と同様に、アルキメデス法によ
り測定したところ４５％であった。

【００４７】本実施例２に係る多孔質炭化珪素部材も、
実施例１と同様にしてハニカムフィルタを作製し、パテ
ィキュレートの捕集を行い、背圧の変化を測定した。そ
の結果、エンジンを無負荷状態で最高の回転数にして８
時間運転した時点で、灰圧が略４０ｋＰａの値を示し、
実施例１に係るハニカムフィルタと略同様の結果を示し
た。

【００４８】比較例１その円形度０.８５以下の粉末の含有量が１％の炭化珪
素粉末（平均円相当径１０．５μｍ）を用いたほかは、
実施例１と同様にして多孔質炭化珪素部材を製造した。

【００４９】そして、比較例１に係る多孔質炭化珪素部
材の気孔率を、実施例１と同様に、アルキメデス法によ
り測定したところ３１％であった。

【００５０】本比較例１に係る多孔質炭化珪素部材も、
実施例１と同様にしてハニカムフィルタを作製し、パテ
ィキュレートの捕集を行い、背圧の変化を測定したとこ
ろ、４時間エンジンを運転した時点で、背圧が４０ｋＰ
ａに達し、実施例１及び実施例２に係るハニカムフィル
タよりも背圧の上昇が早かった。従って、この背圧の上
昇傾向からすると、比較例１に係る多孔質炭化珪素部材
は、実施例１及び実施例２に係る多孔質炭化珪素部材よ
りもパティキュレートの捕集量が少なく、再生を短時間
で行う必要があり、フィルタとしての能力に劣るものと
考えられる。

【００５１】また、本比較例１に係る多孔質炭化珪素部
材の気孔率を、実施例１に係る多孔質炭化珪素部材の気
孔率と同レベルの６０％に向上させるため、原料の混合
組成物に添加するバインダーの量を増加して、多孔質炭
化珪素部材を製造したところ、製造した多孔質炭化珪素
部材には反りが発生してしまい、その後、ハニカムフィ
ルタを製造することができなかった。

【００５２】なお、本実施例１及び実施例２に係る多孔
質炭化珪素部材の曲げ強度を３点曲げ試験により評価し
たところ、充分に高い値を示し、ハニカムフィルタを構
成する多孔質炭化珪素部材として充分に使用することが
できるものであった。

【００５３】

【発明の効果】本発明の多孔質炭化珪素部材の製造方法
は、上記の通りであるので、反りや曲げ強度の低下が発
生することなく、その気孔率が４０〜７０％の多孔質炭
化珪素部材を容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の多孔質炭化珪素部材を用いた製品の一
例であるハニカムフィルタを模式的に示した斜視図であ
る。

【図２】（ａ）は、図１に示したハニカムフィルタを構
成する多孔質炭化珪素部材を模式的に示した斜視図であ
り、（ｂ）は、そのＡ−Ａ線断面図である。

【符号の説明】

１０ハニカムフィルタ２０多孔質炭化珪素部材２１貫通孔２２充填材２３隔壁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円形度０．８５以下の粉末の含有量が５
％以上の炭化珪素粉末とバインダーと分散媒液とを含む
炭化珪素成形体を作製した後、前記炭化珪素成形体の脱
脂及び焼成を行い、気孔率が４０〜７０％の多孔質炭化
珪素部材を製造することを特徴とする多孔質炭化珪素部
材の製造方法。