JP2005118657A - セラミックスフィルターとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックスフィルターを軽く、かつ、多孔質薄膜にピンホールやクラックが発生しないようにする。
【解決手段】ほぼ球形状の多数の隣接する気孔１同士が連通孔２を介して連通する三次元網目状で、気孔率５０〜９０％の骨格構造を有し、骨格部が粒子結合型の多孔質セラミックスからなる支持体３と、支持体上に形成された粒子結合型の多孔質セラミックスからなる多孔質薄膜４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、固液分離、気固分離等に利用されるセラミックスフィルターとその製造方法に関する。

セラミックスフィルターには、高い流体透過性と捕捉性能が求められる。
従来、この種のセラミックスフィルターとしては、粒子結合型のセラミックスからなる多孔質支持体の表面に、多孔質支持体の孔径よりも小さな径の粒子による粒子結合型のセラミックスでもって多孔質薄膜を形成したものがある。
上記セラミックスフィルターは、焼成した粒子結合型のセラミックスからなる多孔質支持体の表面に、水又は水溶性有機物を含む水溶液に多孔質支持体の孔径よりも小さな径のセラミックス粒子及び凝集剤を添加したスラリーで、コーティング層を形成し、その後これを乾燥して焼成することによって製造されている。

しかし、上述したセラミックスフィルターは、多孔質薄膜の支持体である多孔質支持体が、粒子結合型の多孔質セラミックスからなるため、気孔率が高々４０％程度であるので重いという不具合がある。
又、多孔質支持体の焼成後、コーティング層を形成し、焼成して多孔質薄膜を形成しているため、多孔質支持体と多孔質薄膜となるコーティング層の収縮率の違いによって、収縮率の大きなコーティング層からなる多孔質薄膜にピンホールやクラックが発生するという不具合がある。
特開平１１−１８８２１７号公報

解決しようとする課題は、セラミックスフィルターを軽く、かつ、多孔質薄膜にピンホールやクラックが発生しないようにする。

本発明のセラミックスフィルターは、ほぼ球形状の多数の隣接する気孔同士が連通孔を介して連通する三次元網目状で、気孔率５０〜９０％の骨格構造を有し、骨格部が粒子結合型の多孔質セラミックスからなる支持体と、支持体上に形成された粒子結合型の多孔質セラミックスからなる多孔質薄膜とを備えることを特徴とする。

前記支持体及び多孔質薄膜は、同一材質のセラミックス粒子からなることが好ましい。

一方、セラミックスフィルターの製造方法は、セラミックス粉末、液体媒質、分散剤、起泡剤、及びゲル化主剤を混合、泡立てして泡状スラリーを調製し、泡状スラリーにゲル化副剤を添加混合し、注型して硬化体とし、硬化体を乾燥してほぼ球形状の多数の隣接する気孔同士が連通孔を介して連通する三次元網目状の成形体とする一方、セラミックス粉末、液体媒質、凝集剤、増粘剤、及び亀裂防止剤を混合、脱泡して脱泡スラリーを調製し、脱泡スラリーを前記成形体上にコーティングした後、乾燥、焼成することを特徴とする。

前記泡状スラリーと脱泡スラリーにおけるセラミックス粉末の粒子は、同一材質とすることが好ましい。

本発明のセラミックスフィルターによれば、多孔質薄膜を支持する支持体が、三次元網目状で、気孔率５０〜９０％の骨格構造を有しているので、従来のものに比べて重量を大幅で軽減できる。

支持体と多孔質薄膜が同一材質のセラミックス粒子からなることにより、支持体と多孔質薄膜の接合が良好となるので、セラミックスフィルターの耐用寿命を長くすることができる。

一方、セラミックスフィルターの製造方法によれば、支持体と多孔質薄膜の焼成が同時になされるので、両者の収縮率を近似したものとすることができ、多孔質薄膜にピンホールやクラックが少ないものとすることができる。

泡状スラリーと脱泡スラリーにおけるセラミックス粉末の粒子を同一材質とすることにより、成形体とコーティング層の焼成時の収縮率が同一となるので、多孔質薄膜にピンホールやクラックが一層少ないものとすることができる。

支持体における骨格構造の気孔率が、５０％未満であると、閉気孔となり、物質が透過しない。一方、９０％を超過すると、成形体強度が低くなり、作製が難しい。
支持体における骨格構造の気孔率は、５０〜６０％が好ましく、これは、アルミナ質の成形体を完全に焼成した場合、５０〜１００ＭＰａの曲げ強さであるが、本発明では、支持体の骨格部が粒子結合型の多孔質セラミックスからなるので、従来の多孔質支持体と同程度の強度になるためにハンドリングに耐える支持体強度を持たせるためである。
支持体における骨格部の細孔径は、０．１〜２．０μｍとなるように形成されるのが好ましく、より好ましくは０．１〜１．０μｍである。
支持体の骨格部を形成するセラミックスとしては、アルミナ、ムライト、シリカ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素等が挙げられる。

多孔質薄膜の細孔径は、透水量が多いセラミックスフィルターの場合、０．０５〜１μｍとなるように形成されるのが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．２μｍである。
多孔質薄膜を形成するセラミックスとしては、支持体の骨格部と同様に、アルミナ、ムライト、シリカ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素等が挙げられる。

支持体上への多孔質薄膜の形成形態としては、多孔質薄膜が支持体の表面に厳密に接合される場合、多孔質薄膜が支持体の表面に接合されると共に、その一部が支持体の表面に開口するほぼ球形状の気孔の開口部を塞ぐように入り込んでいる場合、又は多孔質薄膜が支持体の表面に開口するほぼ球形状の気孔に、その開口部を塞ぐように入り込み、かつ、その外面が支持体の表面と面一になっている場合のいずれでもよい。

一方、泡状スラリーにおけるセラミックス粉末の平均粒径は、０．３〜６．０μｍが好ましく、より好ましくは０．３〜３．０μｍである。
泡状スラリーの液体媒質としては、水、より好ましくはイオン交換水、蒸留水等が用いられる。
起泡剤としては、ラウリル硫酸トリエタノールアミン、ステアリン酸アンモニウム、ラウリルベタイン等が用いられる。
ゲル化主剤としては、ソルビトールポリグリシジルエーテル等のエポキシ樹脂が用いられる。
ゲル化副剤としては、イミノビスプロピルアミン、ポリエチレンイミン等が用いられる。
分散剤としては、ポリアクリル酸アンモニウム、ポリアミン等が用いられる。
成形体の形状としては、板状、管状、ハニカム状、その他の形状が挙げられる。

脱泡スラリーにおけるセラミックス粉末の平均粒径は、０．２〜３．０μｍが好ましく、より好ましくは０．２〜０．６μｍである。
脱泡スラリーの液体媒質としては、水、より好ましくはイオン交換水若しくは蒸留水、又は水溶性有機物（メタノールやエタノール等のアルコール）を含む水溶液が用いられる。
脱泡スラリーの増粘剤としては、メチルセルロース、ポリエチレングレコール、ポリビニルアルコール等のポリエチレンイミンと反応しない水溶性高分子剤が用いられ、後述する凝集剤に先立って添加される。
凝集剤としては、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン等のアミド結合を有する水溶性高分子が用いられるが、ポリアクリルアミドが好ましい。
薄膜の亀裂防止剤としては、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、グリセリン等が用いられる。
脱泡スラリーの成形体上へのコーティングは、スリップキャスティング法による。

図１は、本発明に係るセラミックスフィルターの実施例１の概念的な断面図である。

このセラミックスフィルターは、固液分離に用いるものであり、直径が平均１５０μｍであるほぼ球形状の多数の隣接する気孔１同士が連通孔２を介して互いに連通する三次元網目状で、気孔率６０％の骨格構造を有し、骨格部が細孔径０．２μｍの粒子結合型の多孔質アルミナセラミックスからなる支持体３と、支持体３の表面（図１においては上面）にこの表面を全面に亘って覆うようにして厳密に接合して形成された細孔径０．２μｍの粒子結合型の多孔質アルミナセラミックスからなる厚さ２５μｍの多孔質薄膜４とを備えているものである。

上記セラミックスフィルターを作製するため、先ず、平均粒径０．５μｍのローソーダアルミナ１００重量部、液体媒質としてイオン交換水２０重量部、分散剤としてポリアクリル酸アンモニウム１重量部、起泡剤としてラウリル硫酸トリエタノールアミン０．２重量部、ステアリン酸アンモニウム１重量部、及びゲル化主剤としてエポキシ樹脂４重量部を攪拌機で混合攪拌しながら空気を導入して泡立て、泡状スラリーを調製した。
次に、泡状スラリーを攪拌しながらゲル化副剤としてイミノビスプロピルアミン１重量部を添加し、型に鋳込み、２時間程度経過すると、ゲル化が進行し、硬化体となった。
次いで、硬化体を脱型し、乾燥して板状の成形体を得た。
得られた成形体は、ほぼ球形状の多数の隣接する気孔同士が連通孔を介して互いに連通する三次元網目状の骨格構造を有していた。
一方、平均粒径０．５μｍのローソーダアルミナ８５重量部をジエチレングリコール４０重量部、及び２ｗｔ％メチルセルロース水溶液２８５重量部の溶液に加えた。この溶液のｐＨを８．５に調節した後でマグネチックスターラーにより攪拌しながらポリアクリルアミド（平均分子量約６００万）を０．０３重量部含む水溶液５重量部を添加して混合攪拌した。
これを更にナイロン製ボール及びポリエチレンポットからなるポットミルで２４時間混合攪拌した。
その後、ノニルフェノールのエチレンオクサイド付加物を０．２重量部添加し混合攪拌し、しかる後に、脱泡処理を施して脱泡スラリーを調製した。

そして、成形体の片面に脱泡スラリーをスリップキャスティング法によりコーティングした後、室温にて乾燥し、空気中において１４５０℃の温度で２時間焼成して縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ２ｍｍの板状のアルミナセラミックスフィルターを得た。
得られたアルミナセラミックスフィルターは、支持体の気孔率が６０％、骨格部の細孔径が０．２μｍ、重量が３２ｇであり、多孔質薄膜の細孔径が０．２μｍ、透水量が３２２（ｌ／ｈ）、バブルポイントが窒素ガスを用いて測定したところ０．３ＭＰａであった。

ここで、体積増加量を変えた他は前述した場合と同様にして、ほぼ球形状の気孔が占める骨格構造の気孔率の異なる各種の成形体を作製した後、各成形体の片面に前述した場合と同様に脱泡スラリーをコーティングした後、乾燥、焼成して各種のアルミナセラミックスフィルターを作製した。
各アルミナセラミックスフィルターにおける支持体の気孔率、曲げ強さ、アルミナセラミックスフィルターの重量、透水量、及びバブルポイントを測定したところ、前述したもの（Ｎｏ．３）を併記する表１に示すようになった。

表１から分るように、気孔率５０〜９０％で、曲げ強さ１．２〜１３ＭＰａ、重量８〜４０ｇとなり、かつ、透水量とバブルポイントは、同様の膜が形成されるため、３２２ｌ／ｈ、０．３ＭＰａと同一の値となった。

比較のため、支持体として平均細孔径１１μｍ、気孔率３０％の粒子結合型の多孔質アルミナセラミックス焼成体を用い、その片面に前述した場合と同様に脱泡スラリーをコーティングした後、乾燥し、空気中において１４５０℃の温度で２時間焼成して多孔質薄膜を形成した従来のアルミナセラミックスフィルターは、支持体の曲げ強さ４０ＭＰａ、重量５６ｇ、透水量３５８ｌ／ｈ、バブルポイント０．１４ＭＰａであった。
透水量の増加、バブルポイントの減少は、多孔質薄膜に発生したピンホールやクラックによるものと考えられる。
よって、本発明のセラミックスフィルターは、従来のものに比べて重量を大幅に軽減できると共に、透水量を高め、バブルポイントを高め得ることが分かる。

図２は、本発明に係るセラミックスフィルターの実施例２の概念的な断面図である。

このセラミックスフィルターは、実施例１のものと同様に、固液分離に用いるものであり、実施例１のものが、多孔質薄膜４を、支持体３の表面に、その全面を覆うようにして厳密に接合してなるのに対し、多孔質薄膜４を、支持体３の表面に開口するほぼ球形状の気孔１に、その開口部を塞ぐように入り込ませ、かつ、その外面が支持体３の表面と面一になるようにしてなるものであって、実施例１のものと同様にして製造されるものである。
他の構成及び作用効果は、実施例１のものと同様であるので、同一の構成部材等には同一の符号を付してその説明を省略する。

なお、上述した両実施例においては、セラミックスフィルターを板状とする場合について説明したが、これに限定されるものではなく、管状、ハニカム状、その他の形状としてもよい。
又、支持体上への多孔質薄膜の形成形態は、実施例１、２の形態に限らず、実施例１と実施例２を組み合わせ、多孔質薄膜を支持体の表面にその全面を覆うように接合させると共に、その一部を支持体の表面に開口するほぼ球形状の気孔の開口部を塞ぐように入り込ませる形成形態としてもよい。
更に、セラミックスフィルターは、固液分離に用いる場合に限らず、多孔質薄膜の厚さや細孔径等を変えることで、気体と固体の分離や気体同士の分離にも用いることができる。

本発明に係るセラミックスフィルターの実施例１の概念的な断面図である。 本発明に係るセラミックスフィルターの実施例２の概念的な断面図である。

符号の説明

１ 気孔
２ 連通孔
３ 支持体
４ 多孔質薄膜

Claims (4)

1. ほぼ球形状の多数の隣接する気孔同士が連通孔を介して連通する三次元網目状で、気孔率５０〜９０％の骨格構造を有し、骨格部が粒子結合型の多孔質セラミックスからなる支持体と、支持体上に形成された粒子結合型の多孔質セラミックスからなる多孔質薄膜とを備えることを特徴とするセラミックスフィルター。
2. 前記支持体及び多孔質薄膜が同一材質のセラミックス粒子からなることを特徴とする請求項１記載のセラミックスフィルター。
3. セラミックス粉末、液体媒質、分散剤、起泡剤及びゲル化主剤を混合、泡立てして泡状スラリーを調製し、泡状スラリーにゲル化副剤を添加混合し、注型して硬化体とし、硬化体を乾燥してほぼ球形状の多数の隣接する気孔同士が連通孔を介して連通する三次元網目状の成形体とする一方、セラミックス粉末、液体媒質、凝集剤、増粘剤、及び亀裂防止剤を混合、脱泡して脱泡スラリーを調製し、脱泡スラリーを前記成形体上にコーティングした後、乾燥、焼成することを特徴とするセラミックスフィルターの製造方法。
4. 前記泡状スラリーと脱泡スラリーにおけるセラミックス粉末の粒子を同一材質とすることを特徴とする請求項３記載のセラミックスフィルターの製造方法。
   

Images