JP2007076984A

JP2007076984A - 多孔質体の製造方法

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Publication number: JP2007076984A
Application number: JP2005270219A
Authority: JP
Inventors: Kaori Takahashi; 香里高橋
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: US20070063398A1; US7722798B2; JP4851760B2

Abstract

【課題】圧力損失の小さなハニカム構造体を製造することができる多孔質体の製造方法を提供する。
【解決手段】アルミニウム源原料及びチタン源原料を含むハニカム成形体を焼成して、チタン酸アルミニウムを主成分とする多孔質のハニカム焼成体１を得る工程を含む多孔質体の製造方法を提供する。この方法において、粒子径１０〜２０μｍの粒子を５０質量％以上含む粒子アルニウム源原料を用い、ハニカム焼成体中のアルミニウム成分の量がＡｌ₂Ｏ₃換算で４８質量％以上となる量のアルニウム源原料を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、チタン酸アルミニウムを主成分とする多孔質体の製造方法に関する。

チタン酸アルミニウムは、低熱膨張性で耐熱衝撃性に優れ、かつ融点が高いため、自動車の排ガス処理用触媒担体やディーゼルパティキュレートフィルター等に用いる多孔質材料として期待され、種々の開発が行われている。

例えば、触媒コンバーター用のハニカム状の多孔質の触媒担体としてチタン酸アルミニウム系材料を用いる際の熱サイクル耐久性の改良を目的として、所定の化学組成のチタン酸アルミニウム−ムライト系材料が提案されている（特許文献１参照）。

特開平３−８７５７号公報

本発明は、触媒担体やフィルターなどに用いられる多孔質体として、チタン酸アルミニウムを主成分とする多孔質体を製造する際に、被処理流体の透過性が高く、より良好な気孔を形成することができ、例えばフィルターとして用いる場合に、圧力損失を小さくすることができる多孔質体の製造方法を提供するものである。

本発明は以下の多孔質体の製造方法を提供するものである。

［１］アルミニウム源原料及びチタン源原料を含む成形体を焼成して、チタン酸アルミニウムを主成分とする多孔質の焼成体を得る工程を含む多孔質体の製造方法であって、
前記アルミニウム源原料として、粒子径１０〜２０μｍの粒子を５０質量％以上含む粒子を用い、
前記成形体中の前記アルミニウム源原料の量を、前記焼成体中のアルミニウム成分の量がＡｌ₂Ｏ₃換算で４８質量％以上となる量とする多孔質体の製造方法。

［２］前記アルミニウム源原料として、酸化アルミニウム粒子を用いる上記［１］に記載の多孔質体の製造方法。

［３］前記チタン源原料として平均粒子径０．５〜１０μｍの粒子を用いる上記［１］又は［２］に記載の多孔質体の製造方法。

［４］前記成形体がケイ素源原料を更に含み、前記焼成によりチタン酸アルミニウム−ムライト系焼成体を得る上記［１］〜［３］の何れかに記載の多孔質体の製造方法。

［５］前記チタン源原料として酸化チタン粒子を用いる上記［１］〜［４］の何れかに記載の多孔質体の製造方法。

［６］前記多孔質体がハニカム構造体である上記［１］〜［５］の何れかに記載の多孔質体の製造方法。

本発明の多孔質体の製造方法は、粒子径１０〜２０μｍの粒子を５０質量％以上含む粒子をアルミニウム源原料として用い、かつ焼成体中のアルミニウム成分の量がＡｌ₂Ｏ₃換算で４８質量％以上となる量のアルミニウム源原料を用いるため、例えばフィルターに用いた場合に圧力損失の小さい多孔質体を製造することができる。

以下、本発明の多孔質体の製造方法を具体例に基づき詳細にするが、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。

図１（ａ）は本発明により製造する多孔質体の一例として、ハニカム構造体２１の形態を示す模式的な斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるｂ部分の一部拡大図である。図１（ａ）及び（ｂ）に示すハニカム構造体２１において、多孔質の隔壁２２を備え、その隔壁２２により、端面２４から端面２５まで軸方向に伸びるセル２３が形成されている。ハニカム構造体２１をディーゼルパティキュレートフィルター等のフィルターに用いる場合には、一般に、所定のセル２３ａ及びセル２３ｂの開口部が端面２４及び端面２５のいずれかにおいて目封止されている形態とする。この場合には、端面２４及び端面２５が市松模様状を呈するように、隣接するセル２３ａ及びセル２３ｂが互い違いに、その片側端部で目封止されていることが好ましい。なお、本発明のハニカム構造体を触媒担体に用いる場合等のように、目封止を必要としない場合もある。以下、図１（ａ）及び（ｂ）に示すハニカム構造体を製造するケースを具体例として、本発明の多孔質体の製造方法の実施形態を説明する。

なお、本明細書において、「粒子径」とは、レーザ回折／散乱式粒度分布測定装置（例えば、堀場製作所（株）製、商品名：ＬＡ−９２０等）により測定される粒子径を意味する。また、「平均粒子径」は、測定した粒子径分布において、粒子の累積質量が測定した全質量に対して５０％となる点の粒子径（Ｄ₅₀）を意味する。例えば、ガラスビーカー中にて測定対象となる粒状物１ｇをイオン交換水５０ｇに超音波分散により分散させ、その懸濁液を適当な濃度に希釈して測定装置のセル内に注入し、更に、測定装置内で２分間超音波分散を行った後に粒子径の測定を行う方法等により測定することができる。

（成形体）
成形体は、アルミニウム源原料及びチタン源原料を含む成形原料を分散媒に分散させて混合及び混練した後、成形して得ることができる。例えば、ハニカム構造体を製造する場合には、図１（ａ）及び（ｂ）に示すような形状であって、目封止のされていない成形体を押出し成形等により成形することができる。

（アルミニウム源原料）
アルミニウム源原料は、粒子径が１０〜２０μｍの粒子をアルミニウム源原料全体に対して５０質量％以上好ましくは７０質量％以上含む粒子である。従来、アルミニウム源原料及びチタン源原料を焼成してチタン酸アルミニウムを製造する際には、粒子径の小さなアルミニウム源原料を用いることが一般的であったが、本発明においては粒子径が１０〜２０μｍの粒子を５０質量％以上、好ましくは７０質量％以上含む比較的大きな粒子径のアルミニウム源原料を用いる。また、アルミニウム源原料の平均粒子径は１０〜１８μｍであることが好ましく、１１〜１６μｍであることが更に好ましい。アルミニウム源原料としては、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃、以下、「アルミナ」という場合がある）が好ましく、この中でもα−アルミナが好ましく、ローソーダα−アルミナが特に好ましい。また、上述のような粒子径分布を有するアルミニウム源原料として、通常砥粒などに用いられる電融アルミナが入手の容易性の観点から好ましい。

このようなアルミニウム源原料を用いることにより、後述する焼成工程を経て得られる多孔質体の流体透過性、例えばガス透過性を向上させ多孔質体を被処理流体が透過する際の圧力損失を小さくすることができる。これは、以下のような理由によるものと考えられる。即ち、焼成工程において、このアルミニウム源原料粒子が骨材的に機能し、アルミニウム源原料粒子にチタン源原料が溶け込むようにしてチタン酸アルミニウムが形成されることにより、比較的大きく、かつ大きさのばらつきの少ないアルミニウム源原料粒子の形状をある程度維持しつつチタン酸アルミニウムが生成し、その結果、連通性が良く気孔径分布の比較的狭い気孔が形成されて流体透過性が向上し、圧力損失が小さくなるものと考えられる。

アルニウム源原料の量は、焼成体中のアルミニウム成分の量がＡｌ₂Ｏ₃換算で４８質量％以上となる量であることが必要であり、５０〜５５質量％となる量であることが好ましい。焼成体中のアルミニウム成分の量が少なすぎると焼成体中のチタン酸アルミニウム結晶量が不足し所望の耐熱衝撃性が得られない場合がある。

（チタン源原料）
チタン源原料に特に制限はないが、酸化チタン（ＴｉＯ₂）であることが、入手の容易性及びチタン酸アルミニウム形成の容易性の観点から好ましい。酸化チタンとしては、ルチル型、アナターゼ型、ブルッカイト型などがあり、これらの何れを用いても良いが、ルチル型の酸化チタンが好ましい。また、チタン源原料は平均粒子径が０．５〜１０μｍであることが好ましく、０．５〜５μｍであることが更に好ましい。このような粒子径のチタン源原料を用いることにより、上述したような過程を経るチタン酸アルミニウムの形成が容易に起こり、圧力損失をより小さくすることができる。また上述のような粒子径分布を有するチタン源原料として、通常顔料などに用いられる、硫酸法あるいは塩素法により製造される酸化チタンが入手の容易性の観点から好ましい。

チタン源原料の量は、焼成体中のチタンの量がＴｉＯ₂換算で１０〜５０質量％となる量であることが好ましく、３０〜４５質量％となる量であることが更に好ましい。焼成体中のチタンの量が少なすぎると焼成体中のチタン酸アルミニウム結晶量が不足し所望の耐熱衝撃性が得られない場合があり、多すぎると焼成体中に酸化チタンが残留し所望の耐熱衝撃性が得られない場合がある。

（ケイ素源原料）
上述のアルミナ及びチタン源原料に加えて、成形原料がケイ素源原料を含むことも好ましい。成形原料がケイ素源原料を含むことにより、後述の焼成工程において、チタン酸アルミニウム−ムライト系セラミックスが生成し、多孔質体の強度が向上する。

ケイ素源原料としては、シリカガラス、カオリン、ムライト、石英等が挙げられる。ケイ素源原料は、平均粒子径が、１〜１００μｍの粒子であることが好ましく、２０〜５０μｍの粒子であることが更に好ましい。ケイ素源原料を成形原料に加える場合の添加量は、得られる焼成体中のケイ素の量がＳｉＯ₂換算で２０質量％以下となる量であることが好ましく、３〜１０質量％となる量であることが更に好ましい。

上述したような原料を用いる場合、他の無機成分が含まれる場合がある。このような場合には、焼成体中のＭｇＯ成分が０．８質量％以下、ＣａＯ、Ｎａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏ成分の総計が０．３質量％以下、Ｆｅ₂Ｏ₃成分が５質量％以下となるように各原料を適宜選択するのが好ましい。Ｆｅ₂Ｏ₃成分が多すぎると、熱膨張係数が高くなる傾向にあり、ＭｇＯ成分が多すぎるとＭｇＡｌ₂Ｏ₄等の熱膨張率が大である異相を容易に形成する傾向にあり、ＣａＯ、Ｎａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏ成分の総計が多すぎるとガラス相が増大して、熱サイクルによる寸法変化が増大する傾向にある。特に、焼成によりチタン酸アルミニウム−ムライト系セラミックスの焼成体を形成する場合には、ＭｇＯ成分及び、アルカリ成分が多すぎるとムライト相中のガラス相が増大し熱サイクルによる寸法変化が大きくなる傾向にある。なお、チタン酸アルミニウムの安定性を向上させる観点から、焼成体がＦｅ₂Ｏ₃成分、ＭｇＯ成分、ＣａＯ成分などを少量含むことも好ましく、これらの少なくとも１種を上述した範囲内の量で含むように原料を調整することも好ましい。

（有機系助剤成分）
成形原料は有機系助剤成分として、造孔剤、バインダ、分散剤などを含むことが好ましい。造孔材としては、例えば、グラファイト、発泡樹脂、吸水性樹脂、小麦粉、澱粉、フェノール樹脂、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレン、又はポリエチレンテレフタレート等を挙げることができる。中でも、発泡樹脂を含むことが好ましい。発泡樹脂としては、加熱することにより発泡する樹脂及び加熱されてすでに発泡した樹脂のいずれをも用いることができる。多孔質体の性能向上の観点からは、加熱することにより発泡する樹脂が、開気孔を多く作れることから好ましい。この場合、加熱することにより１００℃以上で発泡する樹脂が、開気孔を多く作りつつ多孔質体の変形を抑えることができる点で更に好ましい。焼成時の多孔質体の破損、特に多孔質体がハニカム構造体である場合のセル壁の破損（いわゆるセル切れ）を抑制する観点からは、加熱されてすでに発泡した樹脂が好ましい。

バインダとしては、例えば、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシルメチルセルロース、ポリビニルアルコール等を挙げることができ、分散剤としては、例えば、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等を挙げることができる。

（分散媒）
上述術した成分を分散させる分散媒としては、例えば、水、ワックス等を挙げることができる。中でも、乾燥時の体積変化が小さい、ガス発生が少ない等、取り扱いの容易さから、水が好ましい。

成形原料を分散媒に分散させて混合及び混練して坏土としてから成形するが、坏土を形成するための装置としては、例えば、ニーダーと押出機とを組み合わせたもの、連続混練押出し機等を挙げることができる。

形成した坏土における各成分の配合割合としては、例えば、アルニウム源原料、チタン源原料及び任意的なケイ素源原料、他の無機成分の合計１００質量部に対して、造孔材５〜４０質量部、分散媒（例えば、水）１０〜４０質量、必要に応じて、バインダ３〜５質量部、分散剤０．５〜２質量部とすることができる。

上述のようにして得られた坏土を所定形状に成形する。例えば、坏土をハニカム成形体に成形する方法としては、適当な隔壁厚さ及びセルピッチの隔壁を形成するスリットを有する口金を通して押し出し成形する方法を挙げることができる。

（焼成工程）
焼成工程は、成形工程で得られた成形体を焼成して、チタン酸アルミニウムを主成分とする多孔質体を得る工程である。

得られた成形体を焼成する前に、成形体を乾燥することが好ましい。成形体の乾燥方法としては、例えば、熱風乾燥、マイクロ波乾燥、誘電乾燥、減圧乾燥、真空乾燥、凍結乾燥等を挙げることができる。

成形体を焼成する方法としては、例えば、電気炉のような装置を用いて、焼成最高温度が、１５００〜１７００℃、焼成最高温度保持時間が０．５〜１０時間、焼成雰囲気が大気雰囲気等の条件で焼成することを挙げることができる。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、所定のセルが目封止されているハニカム構造体を製造する場合、ハニカム成形体を成形した後、所定のセルを目封止する目封止工程が必要となる。目封止工程は、所定の材料、例えば、チタン酸アルミニウム粉に分散媒、バインダ等を加えてスラリー状とし、これを所定のセルの開口部を封じるように配設し、乾燥及び／又は焼成することにより行うことができる。目封止工程は、所定のセルの端面において市松模様状を呈するように、隣接するセルが互い違いに、その片側端部で目封止されるように行うことが好ましい。目封止工程は、成形工程の後であればどの段階で行ってもよいが、目封止が焼成を必要とする場合には、焼成工程の前に行うことが、一回の焼成で済むため好ましい。

以上のようにして得られる焼成体をそのまま多孔質体としても良いが、得られる焼成体を加工して多孔質体としてもよい。例えば、ハニカム構造体を得る場合、得られるハニカム焼成体の外周部を研削し、研削した部分にコート材をコーティングしても良い。コート材としては、チタン酸アルミニウム粉に分散媒、バインダ等を加えてスラリー状としたものなどが挙げられる。或いは、複数のハニカム焼成体をその側面で接合してハニカム構造体としても良く、さらにその外周部を研削し、研削した部分に上述のコート材をコーティングしても良い。

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
アルミニウム源原料として粒子径が１０〜２０μｍの粒子を７０質量％含有するアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）粒子、チタン源原料として平均粒子径が４μｍの酸化チタン（ＴｉＯ₂）粒子、ケイ素源原料としての平均粒子径が１０μｍのシリカ（ＳｉＯ₂）粒子を用い、焼成体中のアルミニウム成分、チタン成分及びケイ素成分の量が各々、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂及びＳｉＯ₂換算で５４．２質量％、４２．５質量％及び３．３質量％となるように配合した。更に、アルミナ粒子、酸化チタン粒子及びシリカ粒子の合計１００質量部に対して、造孔材として発泡樹脂を１３質量部、バインダとしてメチルセルロースを８質量部、界面活性剤としてラウリン酸カリウムを０．５質量部を各々加えて成形原料とし、更に分散媒として水を２５質量部を加えた後、混練機で混練して坏土を調製し、坏土を押し出し成形してハニカム成形体を作製した。得られたハニカム成形体を大気雰囲気下で、バインダを除去する仮焼（脱脂）工程を含む焼成によりハニカム焼成体（ハニカム構造体）を得た。焼成最高温度は１５００℃、最高温度保持時間は６時間とした。

（実施例２）
焼成体中のアルミニウム成分、チタン成分及びケイ素成分の量が各々、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂及びＳｉＯ₂換算で表１に示す比率となるようにアルミナ粒子、酸化チタン粒子及びシリカ粒子を配合した以外は、実施例１と同様にしてハニカム焼成体を得た。

（実施例３）
アルミニウム源原料として粒子径が１０〜２０μｍの粒子を５０質量％含有するアルミナを用い、アルミニウム成分、チタン成分及びケイ素成分の量が各々、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂及びＳｉＯ₂換算で表１に示す比率となるようにアルミナ粒子、酸化チタン粒子及びシリカ粒子を配合した以外は、実施例１と同様にしてハニカム焼成体を得た。

（実施例４）
ケイ素源原料として、平均粒子径５μｍのムライト粒子を用い、アルミニウム成分、チタン成分及びケイ素成分の量が各々、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂及びＳｉＯ₂換算で表１に示す比率となるようにアルミナ粒子、酸化チタン粒子及びムライト粒子を配合した以外は、実施例１と同様にしてハニカム焼成体を得た。

（比較例１）
アルミニウム源原料として粒子径が１０〜２０μｍの粒子を５０質量％含有するアルミナ粒子を用い、アルミニウム成分、チタン成分及びケイ素成分の量が各々、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂及びＳｉＯ₂換算で表１に示す比率となるようにアルミナ粒子、酸化チタン粒子及びシリカ粒子を配合した以外は、実施例１と同様にしてハニカム焼成体（焼成体中のアルミニウム成分がＡｌ₂Ｏ₃換算で４８質量％未満の多孔質体）を得た。

（比較例２）
アルミニウム源原料として粒子径が１０〜２０μｍの粒子を４５質量％含有するアルミナ粒子を用い、アルミニウム成分、チタン成分及びケイ素成分の量が各々、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂及びＳｉＯ₂換算で表１に示す比率となるようにアルミナ粒子、酸化チタン粒子及びシリカ粒子を配合した以外は、実施例１と同様にしてハニカム焼成体（粒子径１０〜２０μｍの粒子が５０質量％未満のアルミナ粒子を用いて製造した多孔質体）を得た。

実施例及び比較例で得られたハニカム焼成体の開気孔率、平均細孔径及びガス透過係数を以下の方法により測定した。結果を表１に示す。

開気孔率：
水中浸漬によるアルキメデス法を用いて、ＪＩＳＲ１６３４に準拠した方法により水中重量（Ｍ２ｇ）、飽水重量（Ｍ３ｇ）、乾燥重量（Ｍ１ｇ）を測定し開気孔率は次式により算出した。
開気孔率（％）＝１００×（Ｍ３−Ｍ１）／（Ｍ３−Ｍ２）
平均細孔径：
水銀ポロシメータ（ＱＵＡＮＴＡＣＨＲＯＭＥ社製ＰｏｒｅＭａｓｔｅｒ−６０−ＧＴ）を用いて水銀圧入法により測定した。
ガス透過係数：
Ｄａｒｃｙ則に基づき、気体の圧縮性を考慮して、以下に示す測定方法及び計算方法により算出した。即ち、ハニカム構造の各コーディエライト質多孔体から隔壁の一部を取り出し、凹凸がなくなるように研磨加工して平板部分を有する測定試料を作製し、図２に示すガス透過特性測定装置１の、その内径が２０ｍｍである２本の円筒管２、３の開口端部２ａ、３ａに、この測定試料４の平板部分をガス漏れのないように、また測定試料を挟む各円筒管２、３の内径部分形状が測定試料４の両側で重なるようにシール材５で挟み込んだ後、一方の円筒管２からその流量を制御した大気（ガスＧ）を透過させた。このとき、測定試料４の上流、下流側の圧力をそれぞれ測定し、下記式（１）に基づいてガス透過係数Ｋ（μｍ²）を算出した。なお、図２中、符号１０は絶対圧計、符号１１は流量計、符号１２は流量制御弁を示す。また、下記式（１）中、Ｑは測定試料の下流側で測定した透過ガス流量（ｍ³／ｓ）、Ｔは測定試料の平板部分の厚み（ｍ）、μは透過ガス静粘性係数（Ｐａ・ｓ）、Ｄは測定試料におけるガス透過部分の直径（ｍ）、Ｐ₁は、上流側におけるガス圧力（Ｐａ）、Ｐ₂は下流側におけるガス圧力（Ｐａ）、πは円周率を示す。

表１より、実施例１〜４で得られたハニカム焼成体（多孔質体）は、比較例１及び２で得られたハニカム焼成体と比較して、ほぼ同様の開気孔率及び平均細孔径を有しながら、ガス透過係数が大きいことが確認された。従って、実施例１〜４の製造方法により圧力損失の小さい多孔質体を得ることができた。

本発明の多孔質体の製造方法は、流体透過性が高く、圧力損失の小さい多孔質体を製造することができ、ディーゼルパティキュレートフィルター等のフィルターや触媒担体等に好適に用いることができる多孔質体、特に多孔質のハニカム構造体の製造に好適に用いることができる。

（ａ）は、本発明の多孔質体の一実施形態を示す模式的な斜視図である。（ｂ）は、図１（ａ）のｂ部分の一部拡大図である。ガス透過特性測定装置を示す模式的な正面図である。

符号の説明

１：ガス透過特性測定装置、
２，３：円筒管、
２ａ，３ａ：円筒管の開口端部、
４：測定試料、
５：シール材、
１０：絶対圧計、
１１：流量計、
１２：流量制御弁、
２１：ハニカム構造体、
２２：隔壁、
２３，２３ａ，２３ｂ：セル、
２４，２５：端面。

Claims

アルミニウム源原料及びチタン源原料を含む成形体を焼成して、チタン酸アルミニウムを主成分とする多孔質の焼成体を得る工程を含む多孔質体の製造方法であって、
前記アルミニウム源原料として、粒子径１０〜２０μｍの粒子を５０質量％以上含む粒子を用い、
前記成形体中の前記アルミニウム源原料の量を、前記焼成体中のアルミニウム成分の量がＡｌ₂Ｏ₃換算で４８質量％以上となる量とする多孔質体の製造方法。
前記アルミニウム源原料として、酸化アルミニウム粒子を用いる請求項１に記載の多孔質体の製造方法。
前記チタン源原料として平均粒子径０．５〜１０μｍの粒子を用いる請求項１又は２に記載の多孔質体の製造方法。
前記成形体がケイ素源原料を更に含み、前記焼成によりチタン酸アルミニウム−ムライト系焼成体を得る請求項１〜３の何れかに記載の多孔質体の製造方法。
前記チタン源原料として酸化チタン粒子を用いる請求項１〜４の何れかに記載の多孔質体の製造方法。
前記多孔質体がハニカム構造体である請求項１〜５の何れかに記載の多孔質体の製造方法。