JP2004202399A

JP2004202399A - セラミック多孔質体とその製造方法及びこれを用いたセラミックフィルター

Info

Publication number: JP2004202399A
Application number: JP2002375640A
Authority: JP
Inventors: Koichi Nishimura; 浩一西村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】細孔径が制御され、かつ高い透過性能を有するセラミックス多孔質体を得る。
【解決手段】厚みが０．２５ｍｍ〜０．６ｍｍ、平均細孔径が０．０５μｍ〜０．３μｍ、最大細孔径が０．４μｍ以下、気孔率が３０％〜５０％、４００ｋＰａの加圧時の空気透過量が１．５Ｌ／分／ｃｍ²以上、曲げげ強度が１００ＭＰａ以上であるセラミック多孔質体とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ろ過用などのセラミックフィルター及びこれに使用可能なセラミック多孔質体とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミック多孔質体は、ろ過用フィルター等に用いられており、同様の用途に用いられる有機高分子膜と比較して、耐熱性、耐食性、耐久性、物理的強度に優れている一方で、フィルターのろ過性能で重要な、分離性能と透過性能を同時に満足させる孔径制御は難しい。
【０００３】
特に単層の多孔質体では、最大細孔径０．４μｍ以下となる微細な孔径にすると、４００ｋＰａの加圧時の空気透過量が１．５Ｌ／分／ｃｍ²未満と透過量が低くなってしまい、逆に前記空気透過量を１．５Ｌ／分／ｃｍ²以上となる孔径にすると、最大細孔径が０．４μｍを越えてしまい微細な孔径にできないという問題があった。また、前記の空気透過量だけを向上させるために、ろ過厚みを０．２５mm未満として圧力損失を小さくすると、曲げ強度が１００ＭＰａ未満となり、セラミックフィルターの特徴である耐久性や物理的強度が活かせないものとなる。
【０００４】
そのため、比較的細孔径の大きい多孔質体からなる基材の表面などに、分離層として更に細孔径の小さい多孔質膜を複数層形成する方法が用いられている。その複数層構造の膜技術は多数開示されているが、例えば、特許文献１には、多孔質支持体の一側面に無機物粒子を含む懸濁液をコーティングして薄膜を形成し、乾燥、焼成する無機多孔質膜の製造方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１６３８４８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１のものでは、支持体となる多孔質体を成形、焼成して作製した後に、更に多孔質膜を製膜する工程が必要であるため、製造コストがかかる問題がある。また、分離層は薄膜であるため、クラックやピンホール等が発生しやすく、致命欠陥となる問題を秘めている。
【０００７】
そこで、本発明では、単層でありながら、高い分離性能と透過性能を有し、低コストで高性能のセラミック多孔質体を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記問題点に対し、検討を重ねた結果、特に使用する原料の粒度及び粒度分布、多孔質体のろ過層の厚み、焼成温度などが、これら特性に大きく寄与することを見いだし、これら特定の条件を満足するように制御することによって、セラミック多孔質体としての分離性能、透過性能が達成されることを見いだし、本発明に至った。
【０００９】
即ち、本発明のセラミック多孔質体は、厚みが０．２５ｍｍ〜０．６ｍｍ、平均細孔径が０．０５μｍ〜０．３μｍ、最大細孔径が０．４μｍ以下、気孔率が３０％〜５０％、４００kＰａの加圧時の空気透過量が１．５Ｌ／分／ｃｍ²以上、曲げ強度が１００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のセラミック多孔質体の製造方法は、平均粒径が１．０μｍ〜２．５μｍ、粒度分布の小径側から累積１０％、累積９０％に相当する粒径をそれぞれＤ１０、Ｄ９０としたとき、Ｄ９０／Ｄ１０比が３以下の粒度分布のセラミックス粉末を用いて成形し、得られた成形体を１３００℃〜１５５０℃の範囲で焼成することを特徴とする。
【００１１】
更に、本発明は上記セラミック多孔質体を用いてフィルターを構成したことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるセラミック多孔質体について、詳細に説明する。
【００１３】
図１に示すセラミック多孔質体は平板状であり、その厚みｔ方向に流体を透過することでろ過することができる。また、図２に示すセラミック多孔質体は円筒状であり、その貫通孔内から外側面方向（あるいはその逆）に流体を透過させることでろ過することができる。
【００１４】
各ろ過層をなすセラミック多孔質体１の厚みｔは、０．２５ｍｍ〜０．６ｍｍであり、平均細孔径が０．０５μｍ〜０．３μｍ、最大細孔径が０．４μｍ以下、気孔率が３０％〜５０％、４００ｋＰａの加圧時の空気透過量が１．５Ｌ／分／ｃｍ²以上、曲げ強度が１００ＭＰａ以上の特性を有している。
【００１５】
本発明において、ろ過層をなす厚みｔを０．２５ｍｍ〜０．６ｍｍとしたのは、０．２５μｍ未満の場合には、多孔質体の透過性能が確保できる焼成温度で焼成すると、多孔質体の曲げ強度が低くなり、逆に多孔質体の曲げ強度が確保できる焼成温度で焼成すると、多孔質体の透過性能が満足できないため好ましくないためであり、ろ過層の厚みが０．６mmを超える場合には、多孔質体の分離性能が確保できる焼成温度で焼成すると、圧力損失が大きくなり、透過性能が低下してしまうためである。
【００１６】
平均細孔径を０．０５μｍ〜０．３μｍとしたのは、０．０５μｍ未満の場合には、細孔径が小さすぎて透過性能が低下するので好ましくないためであり、平均細孔径が０．３μｍを上回る場合には、最大細孔径が大きくなってしまい、分離性能が低下してしまうためである。また、最大細孔径を０．４μｍ以下としたのは、阻止したい物質のサイズに合わせたもので、最大細孔径が０．４μｍを越えてしまっては、分離性能が果たせないためである。
【００１７】
気孔率を３０％〜５０％としたのは、３０％未満の場合にはでは、透過性能が低下するので好ましくないためであり、５０％を越える場合には、曲げ強度が満足できなくなるためである。
【００１８】
さらに、４００ｋＰａの加圧時の空気透過量が１．５Ｌ／分／ｃｍ²以上としたのは、それ未満では、ろ過時の処理能力が小さくなるためであり、処理能力を維持するためには、より大きな圧力が必要となるためである。
【００１９】
曲げ強度が１００ＭＰａ以上としたのは、１００ＭＰａ未満では、セラミックフィルターの特徴である耐久性や物理的強度が活かせないためである。
【００２０】
また、本発明のセラミック多孔質体の製造方法としては、平均粒径が１．０μｍ〜２．５μｍ、粒度分布の小径側から累積１０％、累積９０％に相当する粒径をそれぞれＤ１０、Ｄ９０としたとき、Ｄ９０／Ｄ１０比が３以下の粒度分布のセラミック粉末を用いた成形体を１３００℃〜１５５０℃の範囲で焼成することで達成される。
【００２１】
本発明の製造方法において、セラミック粉末の平均粒径を１．０μｍ〜２．５μｍとしたのは、多孔質体の曲げ強度が確保できる焼成温度で焼成することを前提に考えると、平均粒径が０．１μｍ未満の場合には、細孔径が小さくなり、透過性能が低下してしまうためであり、平均粒径が２．５μｍを超えると、分離性能が低下してしまうためである。
【００２２】
本発明において、粒度分布の小径側から累積１０％、累積９０％に相当する粒径をそれぞれＤ１０、Ｄ９０としたとき、Ｄ９０／Ｄ１０比が３以下としたのは、Ｄ９０／Ｄ１０比が３を超えると、多孔質体の細孔径分布が広くなってしまうためである。即ち、細孔径分布の大孔径側が大きくなると分離性能が低下してしまい、小孔径側が小さくなると圧力損失が大きくなり透過性能が低下してしまうためである。そのため、粒度分布のＤ９０／Ｄ１０比は３以下である必要があるのである。このように、本発明ではＤ９０／Ｄ１０の比が３以下であるような粒度分布の狭い材料を用いることで、上述したような分離性能と透過性能を兼ね備えたセラミック多孔質体を得ることができる。
【００２３】
本発明において、焼成温度を１３００℃〜１５５０℃としたのは、その範囲を超える場合には、多孔質体の平均細孔径、最大細孔径、透過性能、曲げ破壊荷重の内、少なくとも１つが満足できなくなるため好ましくない。使用するセラミック粉末の平均粒径によって、適正な焼成温度は変化するが、アルミナの平均粒径１μｍ〜１．５までは、１３００℃〜１４５０℃、アルミナの平均粒径１．５μｍを越えて２．０μｍまでは、１３５０℃〜１５００℃、アルミナの平均粒径２．０μｍを越えて２．５μｍまでは、１４００℃〜１５５０℃の範囲がより好ましい。
【００２４】
本発明のセラミック多孔質体に使用する原料には特に限定はなく、公知のセラミック多孔質体に使用される全てのものが利用可能である。具体的にはアルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、コージライト、ムライト等や、これらの２種以上を適宜混合してなる原料が例示される。特に耐食性や耐久性、耐熱性の点から、α−アルミナが好ましく、その中でも、焼成温度に対して、粒成長しにくく、多孔質体の細孔径制御がし易い電融アルミナが好ましい。
【００２５】
本発明のセラミック多孔質体を用いたフィルターは、食品、医薬品、エレクトロニクス、バイオ産業などの工業分野において、ろ過、濃縮、分離の工程に用いられる。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【００２７】
（実施例１）
平均粒径１．２μｍ、粒度分布のＤ９０／Ｄ１０比が３．０のα−アルミナに、押し出し成形用バインダーを加えて混練し、押し出し成形用原料を得た。焼成後に円筒体の外径がφ３ｍｍ、ろ過厚みが０．４ｍｍとなる金型を用いて押し出し成形、乾燥し、成形体を得た。成形体を焼成後１００ｍｍの長さになるように切断したものを１３５０℃で焼成を行って、図２に示すようなセラミック多孔質体を得た。得られた多孔質体の平均細孔径、最大細孔径、気孔率、空気透過量、曲げ強度の測定を行った。尚、それぞれの測定方法は以下の通りである。
【００２８】
（セラミック粉末の平均粒径、粒度分布の測定）
セラミック粉末をレーザー回折法（マイクロトラック９３２０−Ｘ１００）にて測定し、小径側から累積５０％の時の粒径を平均粒径とし、累積１０％、累積９０％の時の粒径をそれぞれＤ１０、Ｄ９０として、Ｄ９０／Ｄ１０比を求めた。
【００２９】
（平均細孔径、最大孔径、気孔率の測定）
水銀圧入法を測定原理とする、ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ社製（ポアサイザー−９３１０型）を用いて測定し、平均細孔径と最大孔径、気孔率を求めた。
【００３０】
（空気透過量の測定）
ＰｏｒｏｕｓＭａｔｅｒｉａｌｓ社製バブルポイント法に基づく自動細孔測定装置（ＰｅｒｍＰｏｒｏｍｅｔｅｒ）を用いて測定し、４００ｋＰａの加圧時の空気透過量を求めた。
【００３１】
（曲げ強度の測定）
アイコーエンジニアリング社製（デジタル式荷重測定機１８４０）を用いて、スパン＝３０ｍｍ、クロスヘッドスピード＝０．５ｍｍ／分の条件で３点曲げ試験を行い、円筒形状の断面係数と曲げモーメントより曲げ強度を求めた。
【００３２】
（実施例２）
平均粒径２．０μｍ、粒度分布のＤ９０／Ｄ１０比が３．０のα−アルミナを用い、焼成温度１４００℃とした以外は、実施例１と同じにした。
【００３３】
（実施例３）
平均粒径２．３μｍ、粒度分布のＤ９０／Ｄ１０比が３．０α−アルミナを用い、焼成温度１４５０℃とした以外は、実施例１と同じにした。
【００３４】
（実施例４）
平均粒径２．０μｍ、粒度分布のＤ９０／Ｄ１０比が２．０のα−アルミナを用いた以外は、実施例２と同じにした。
【００３５】
（実施例５）
平均粒径２．０μｍ、粒度分布のＤ９０／Ｄ１０比が２．５のα−アルミナを用いた以外は、実施例２と同じにした。
【００３６】
（実施例６）
ろ過厚みを０．２５ｍｍとした以外は、実施例２と同じにした。
【００３７】
（実施例７）
ろ過厚みを０．６ｍｍとした以外は、実施例２と同じにした。
【００３８】
（比較例１）
平均粒径０．６μｍ、粒度分布のＤ９０／Ｄ１０比が３．０のα−アルミナを用いた以外は、実施例１と同じにした。
【００３９】
（比較例２）
平均粒径３．０μｍ、粒度分布のＤ９０／Ｄ１０比が３．０のα−アルミナを用い、焼成温度１５００℃とした以外は、比較例１と同じにした。
【００４０】
（比較例３）
平均粒径２．０μｍ、粒度分布のＤ９０／Ｄ１０比が４．０のα−アルミナを用いた以外は、実施例２と同じにした。
【００４１】
（比較例４）
焼成温度１２５０℃とした以外は、実施例２と同じにした。
【００４２】
（比較例５）
焼成温度１６００℃とした以外は、実施例２と同じにした。
【００４３】
（比較例６）
ろ過厚みを０．７ｍｍとした以外は、実施例２と同じにした。
【００４４】
（比較例７）
ろ過厚みを０．２ｍｍとした以外は、実施例７と同じにした。
【００４５】
以上の結果を表１に示す。
【００４６】
表１において、アルミナの平均粒径が１．０μｍ未満の比較例１は、最大孔径が小さく分離性能には優れ、曲げ強度も高いが、空気透過性能が低く好ましくない。アルミナの平均粒径が２．５μｍを越える比較例２は、空気透過性能と曲げ強度は高いが、最大孔径が大きく、分離性能が悪く好ましくない。アルミナの粒度分布（Ｄ９０／Ｄ１０比）が３を越える比較例３は、空気透過性能と曲げ強度は高いが、最大孔径が大きく、分離性能が低く好ましくない。焼成温度が１３００℃未満の比較例４は、空気透過性能は高いが、曲げ強度が低く、分離性能も悪かった。焼成温度が１５５０℃を越えた比較例５は、曲げ強度は高いが、分離性能と透過性能が悪かった。ろ過厚みが０．６mmを越えた比較例６は、分離性能と曲げ強度は高いが、透過性能が低かった。ろ過厚みが０．２５mm未満の比較例７は、分離性能と透過性能とも高いが、曲げ強度が低い結果となった。
【００４７】
これらの比較例に対して、本発明の実施例は何れも平均細孔径が０．０５μｍ〜０．３μｍ、最大孔径が０．４μｍ以下、気孔率が３０％〜５０％、４００ｋＰａの加圧時の空気透過量が１．５Ｌ／分／ｃｍ²以上、曲げ強度が１００ＭＰａ以上の優れた特性を示した。
【００４８】
【表１】

【００４９】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明のセラミック多孔質体は、単層でありながら、優れた分離性能と透過性能を有しており、あらゆる用途のフィルターとして使用可能である。また、単層であるため、複数層の膜と比べると、低コストとなる上、複数層膜の問題となる、膜欠陥等の心配がなく、長期間の安定した使用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック多孔質体を示す斜視図である。
【図２】本発明のセラミック多孔質体を示す斜視図である。
【符号の説明】
１：セラミック多孔質体
ｔ：厚み

Claims

厚みが０．２５ｍｍ〜０．６ｍｍ、平均細孔径が０．０５μｍ〜０．３μｍ、最大細孔径が０．４μｍ以下、気孔率が３０％〜５０％であり、４００kＰａの加圧時の空気透過量が１．５Ｌ／分／ｃｍ²以上、曲げ強度が１００ＭＰａ以上であることを特徴とするセラミック多孔質体。
平均粒径が１．０μｍ〜２．５μｍ、粒度分布の小径側から累積１０％、累積９０％に相当する粒径をそれぞれＤ１０、Ｄ９０としたとき、Ｄ９０／Ｄ１０比が３以下のセラミックス粉末を用いて所定形状に成形し、得られた成形体を１３００℃〜１５５０℃の範囲で焼成することを特徴とするセラミック多孔質体の製造方法。
請求項１記載のセラミック多孔質体を用いたことを特徴とするセラミックフィルター。