JP2008508171A - 多孔質の、焼成されたセラミックス発泡体 - Google Patents

多孔質の、焼成されたセラミックス発泡体 Download PDF

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Abstract

本発明は、全空隙率が50から92%の間であり、粒間空隙率が少なくとも5%である、多孔質の、焼成されたセラミックス発泡体に関する。特に、本発明は再結晶化された炭化珪素発泡体に関する。

Description

本発明は、粒間空隙率を有する焼成されたセラミックス発泡体、より詳細には再結晶化された炭化珪素に基づく発泡体、前記発泡体を製造する方法、及び前記発泡体の使用に関する。
多孔質セラミックス発泡体は、低密度(理論密度の5%から50%)により特徴付けられる製品として知られている。それらは、圧倒的に大部分がセラミックパウダー、特にアルミナ、炭化珪素等から構成されてよい。
多孔質セラミックス発泡体の製造に関しては、多くの製造方法が存在する。
これらの方法のうち最も簡単なものは、セラミックスリップへの、または加圧成形用混合物への気孔形成剤の添加を含む。成形された後、燃焼サイクルを経て気孔形成剤を燃焼する。焼成サイクルによって、気孔形成剤は気孔を残す。その方法は、例えば、欧州特許B1−01140731号明細書に記述される。それは、気孔形成剤の熱分解に起因して、結果としてガス(毒性である可能性がある)を放出するという不利な点を有する。さらに、ガスを放出するのが困難なため(ガスは均一に排出されなくてはならない)、厚い部分を製造するのは困難である。
さらなる技術は、ポリマー発泡体、例えばポリウレタンを複製するものである。前記発泡体は、セラミックスリップで被覆される。それは、その後ポリウレタン発泡体を燃焼するために焼成され、セラミックス発泡体を焼結し、その構造は開始時のポリウレタン発泡体をひな形とする。例として、その方法は米国特許第A−4024212号明細書に記述される。ガス放出に関して問題が起こる(焼成時に、ポリウレタンはC−N結合を含む危険なガスを放出する)。さらに、200μm[マイクロメータ]未満の寸法を有する気孔を持つ部分を製造するのは、困難である。
代替的な方法は、セラミックスリップの様々な添加剤の間の化学反応によってガスを形成することにより気孔を製造するものである。例として、その方法は米国特許第A−5643512号明細書または米国特許第A−5705448号明細書に記述される。ここでも再び、ガス放出に関する問題が起こる。さらに、その技術は発泡体硬化技術と組み合わせて用いられなくてはならない。
一つの技術は、攪拌によってガスをスリップ内部に機械的に導入することからなる。その方法は、やはり発泡体硬化技術と組み合わせて用いられなくてはならない。
発泡体を硬化するために実行可能な他の幾つかの方法が、上述の二つの技術を実行するため使用されてよい。
第1の解決方法は、重合可能なモノマーをセラミックスリップと混合することからなる。特別な状況下では、モノマー重合は発泡体の硬化を引き起こす。その方法は、例えば欧州特許第B1−0759020号明細書に記述される。その一方、使用可能なモノマーのコストが高いこと、及び重合条件の制御における問題によって、その技術が産業上のスケールにまで発展されることはなかった。
第2の解決方法は、セラミックスリップ内におけるポリマーの架橋からなる。上述の技術と同様に、前記架橋は発泡体の硬化を引き起こす。その方法は、例えば欧州特許第A−0330963号明細書に記述される。その一方で、使用可能な架橋剤のコストが高いこと、及び架橋条件の制御における問題によって、その技術が産業上のスケールにまで発展されることはなかった。
多孔質セラミックスを製造するためのさらに最近の方法は、欧州特許第A1−1329439号明細書に記述される。その方法は、以下の段階を含む:
1)分散剤中でセラミックパウダーの懸濁液を調製する段階と、
2)“親水コロイド”とも呼ばれるバイオゲルを含む溶液を調製し、前記溶液のゲル化温度より高い温度に保持する段階と、
3)前記懸濁液と前記溶液とを混合し、発泡体を得るために発泡剤を添加し、前記バイオゲルがゲル化することを防止するために温度を十分に高く保持する段階と、
4)前記発泡体を型内部でキャストする段階と、
5)前記バイオゲルがゲル化するまで冷却する段階と、
6)得られた前記発泡体を乾燥し、その後焼成する段階。
欧州特許第B1−01140731号明細書 米国特許第A−4024212号明細書 米国特許第A−5643512号明細書 米国特許第A−5705448号明細書 欧州特許第B1−0759020号明細書 欧州特許第A−0330963号明細書 欧州特許第A1−1329439号明細書 仏国特許出願第A−0408330号明細書 仏国特許第A−2313331号明細書 米国特許第A−2964823号明細書 Method Engineering、 cfi/Ber. DKG 81(2004)n0
発泡体を硬化するためのバイオゲルの使用により、上述の毒性の問題を防ぐことができる。しかしながら、もしも型内部でキャストされた発泡体が厚さ60mm[ミリメータ]超である場合には、前記発泡体は均一な構造を持たないことがわかった。さらに、その方法では、最終混合物内の水の量が多く(45重量%から50重量%)、特に大きな寸法を有する部分において乾燥が困難となる。その結果、そのような寸法であって均一な構造を有する多孔質セラミックス部分を製造することはできない。
Saint Gobain Centre de Recherches et d’Etudes Europeenにより出願された仏国特許出願第A−0408330号明細書は、均一な密度を有し、60mm以上の寸法を有する多孔質セラミックス発泡体部分を製造する改良された方法について記述する。
そのために、仏国特許出願第A−0408330号明細書は多孔質セラミックス発泡体部分を製造する方法を提案し、前記方法は連続して以下の段階を含む:
a)懸濁液中のセラミックパウダー、少なくとも一つのゲル化剤及び少なくとも一つの発泡剤を含む混合物Mを、前記ゲル化剤のゲル化温度よりも高い混合温度において調製する段階と、
b)発泡体を得るために前記ゲル化温度よりも高い発泡温度において前記混合物Mにせん断をかける段階と、
c)前記ゲル化剤のゲル化温度より低い温度に前記混合物Mを冷却することによって前記発泡体をゲル化する段階と、
d)予備成形体を得るために前記ゲル化された発泡体を乾燥する段階と、
e)高温処理によって前記予備成形体を焼成して、焼成されたセラミックス発泡体を得る段階。
本発明によれば、安定剤が混合物Mに添加され、前記安定剤は単位がPa.S[パスカル・秒]である瞬間的な粘度(instantaneous viscosity)を有し、前記粘度は前記安定剤のせん断速度が1秒あたり(s−1)100から0まで低減されるとき少なくとも10倍増加する。
仏国特許出願第A−0408330号明細書に記載される発明の発明者は、欧州特許第A1−1329439号明細書の方法を実施するとき、せん断段階の終了からゲル化の開始までの臨界期の間に発泡体の沈下が起こることを観察した。その時期の間、ゲル化剤は発泡体の構造的な安定化に実質的に寄与せず、60mm超の厚みでは、自重で崩壊する。沈下の原因を確認するため、発明者らは混合物に安定剤を添加することを提案した。安定剤は、混合物のせん断段階が終了するとすぐに混合物の粘度を大きく増加させる性能によって選択され、ゲル化剤がゲル化して、安定化機能を発揮することができるまで、発泡体を十分硬化して崩壊を防止する。その結果、多孔質セラミックス発泡体部分を製造することを可能にし、前記部分は密度が均一であり、寸法が60mm以上であり、及び/または複雑な形状を有する(コーン形、または中空シリンダ、半球形の一部等)。
様々な方法において使用されるセラミックパウダーの選択は、一般的に、特に機械強度または熱伝導性に関しては、発泡体が使用時に配置されるときの制限に従う。
例えば触媒担体としての使用等、ある用途では、有効表面積は可能な限り大きくなくてはならない。
従って、より大きな有効表面積を有するセラミックス発泡体に関する、または有効表面積と等価である低密度に関する一定の必要性が存在する。
本発明は、この必要性を満たすことを目的とする。
本発明によれば、この目的は、多孔性の壁を有し、全空隙率が50%から92%の範囲であり(すなわち、前記発泡体を構成する材料の理論密度の8%から50%の範囲の密度)、及び粒間空隙率が少なくとも5%、好ましくは少なくとも8%、さらに好ましくは少なくとも10%である、焼成されたセラミックス発泡体によって達成される。
本発明のセラミックス発泡体は、密度の高いセル壁を有する従来技術によるセラミックス発泡体とは異なり、粒間空隙率を有する。記述により詳細にみられるように、前記粒間空隙率は発泡体セルの壁において有効表面積を大きくする。結果的に、同一のセル密度において、本発明の発泡体はさらに大きい、周囲に露出された表面積を有する。従って、本発明の発泡体は、有効面積が大きな多孔質セラミック発泡体に関する研究において重要な技術的進歩を示す。
好ましくは、多孔性の壁を有する、または“粒間空隙率”を有する、本発明の焼成されたセラミック発泡体は、以下の特性のうち一つ以上を有する:
・粒間空隙率は、10μm[マイクロメータ]未満のサイズ、好ましくは8μm未満、好ましくは平均約5μmの気孔によって形成される;
・平均粒間気孔サイズは、セル孔のサイズと比較して10から100倍小さい。
好ましくは、平均セル孔サイズは80μmと120μmとの間であり、好ましくは約100μm、及び/または平均粒間気孔サイズは1μmと10μmとの間であり、好ましくは約5μmである。
・好ましくは少なくともセルの一部分、好ましくはセルの全てが、少なくとも一部分である、好ましくは完全に再結晶化炭化珪素から形成された壁によって規定される。さらに好ましくは、粒間空隙率を有する多孔質セラミックス発泡体は、再結晶化炭化珪素を少なくとも95重量%含む。好ましくは、粒間空隙率を有する多孔質セラミックス発泡体は、再結晶化炭化珪素を98重量%超、より好ましくは実質的に100%含む;
・セル孔数の15%超はサイズが300μm超である。
・セル孔数の10%未満はサイズが10μm未満であり、及び/またはセル孔数の20%から85%はサイズが300μm未満であり、及び/またはセル孔数の4%から40%はサイズが450μm超である;
・多孔質セラミックス発泡体は、表面において、1dm[平方デシメータ]あたり、1500未満、好ましくは1000未満、より好ましくは700未満のセル孔を有する;
・多孔質セラミックス発泡体は60mm超の厚みを有する。
本発明は、本発明の多孔質セラミックス発泡体を製造する方法も提供し、前記方法は以下の段階を連続的に含む:
a)懸濁液中のセラミックパウダー、少なくとも一つのゲル化剤及び少なくとも一つの発泡剤を含む混合物Mを、前記ゲル化剤のゲル化温度よりも高い混合温度において調製する段階と;
b)発泡体を得るために前記ゲル化温度よりも高い発泡温度において前記混合物Mにせん断をかける段階と;
c)前記ゲル化剤のゲル化温度より低い温度に前記混合物Mを冷却することによって前記発泡体をゲル化する段階と;
d)予備成形体を得るために前記ゲル化された発泡体を乾燥する段階と;
e)前記予備成形体を焼成して多孔質セラミックス発泡体を得る段階;
混合物Mが炭化珪素を含むという点、及び段階e)における焼成が、蒸発−再結晶化メカニズムによって前記炭化珪素が硬化することを可能にする条件下で実行される点において、優れている。
記述において、前記焼成は“高温焼成”とよばれる。前記焼成は、再結晶化炭化珪素の形成をもたらす。
好ましくは、本発明の方法は以下の特徴を一つ以上有する:
・好ましくは、段階a)で用いられるセラミックパウダーは炭化珪素を95重量%超有する;
・段階a)で使用されるセラミックパウダーの粒子サイズは、バイモーダルな分布で分配される。例として、直径の中間値が異なる二つのグレードの炭化珪素から形成されたパウダーを使用することが可能である;
・好ましくは、高温焼成処理温度及び使用される有機成分は、前記有機成分の全てが焼成の間に燃焼されるように決定される;
・好ましくは、単位がPa・sである瞬間的な粘度を有する安定剤が前記混合物Mに添加され、前記安定剤の瞬間的な粘度は、前記安定剤のせん断が100s−1から0に減少するとき少なくとも10倍増加する;
・前記安定剤の瞬間的な粘度は、単位がPa・sであり、前記安定剤のせん断速度が100s−1から0に減少するとき少なくとも100倍増加する。有利なことには、発泡体の安定化における効果が強化され、90mm超の厚さを有する多孔質部分の製造が可能になる;
・前記安定剤のせん断速度の関数としての前記安定剤の粘度の変化は、実質的に可逆性である。従って、混合物Mのせん断速度が増加するとき、混合物の粘度における安定剤の影響は小さくなり、無視できる程になる可能性さえある。有利なことに、安定剤の存在は、エネルギーに対する要求を大きく増加させる結果に結びつかない;
・段階a)において、前記混合物Mが、セラミックスリップA、少なくとも一つのゲル化剤及び安定剤を含む予備混合物B、及び少なくとも一つの発泡剤を含む予備混合物Cから調製される。
・段階c)の最後の時点で、前記発泡体の粘度が20℃で1000Pa.s超であるように前記安定剤が選択される。好ましくは、前記安定剤は親水コロイドであり、好ましくは植物性、より好ましくは、キサンタン及びカラゲーニンから形成される群、またはそれらの混合物から選択される。好ましい安定剤はキサンタンである。有利なことに、植物性の親水コロイドは、予備成形体を高温焼成処理する段階の間に除去され、高純度の焼結部分を形成する。
・前記混合物Mにおける前記安定剤の量は0.05重量%から5重量%の範囲であり、好ましくは、0.1重量%から1重量%の範囲である。
・前記混合物Mは水の含量が40重量%未満、好ましくは30重量%未満である。
・前記ゲル化剤は、発泡の後温度に対して可逆的に前記組成物をゲル化することができる動物性または植物性の親水コロイドである。好ましくは、前記ゲル化剤はゼラチンである。有利なことには、ゲル化剤は、予備成形体を焼結する段階の間に除去され、高純度の焼結部分を形成する。さらに好ましくは、混合物M中のゲル化剤の量は1重量%から10重量%の範囲であり、好ましくは1重量%から6重量%の範囲である。
・段階a)において、好ましくは、前記ゲル化剤の重量の0.25倍から同重量までの範囲の重量の可塑剤が前記混合物Mに添加される。同様に、好ましくは、可塑剤は、段階a)でセラミックパウダーを懸濁液とするために使われる液体、一般的には水の蒸発温度よりも高い温度で燃焼するように選択される。
最終的に、本発明は多孔質セラミックス、または本発明の方法で製造された多孔質セラミックスの、触媒担体に関して、高温のガスまたは液体の濾過に関して、ガスバーナー中のディフューザ(加熱された部分が、燃焼に必要とされる空気/ガス混合物の通過を可能にする)として、太陽光線の体積測定レシーバ(solar volumetric receiver)内で、または炉装備品(保護容器)内での使用を提供する
本発明のさらなる特徴及び有利な点は、以下の記述及び添付される図によって明確になるだろう:
・図1〜4は、異なる倍率で、アルミナパウダーを用いて仏国特許出願第A−0408330号明細書に記載された方法で製造された、焼結された発泡体の表面から10mmから20mmの位置でとられたサンプルの走査型電子顕微鏡像を示す;
・図5及び6は様々な予備混合物Bのレオロジー的挙動を示すグラフである;
・図7から9は、異なる倍率で、本発明による方法で製造された、焼結された発泡体の表面から10mmから20mmの位置でとられたサンプルの走査型電子顕微鏡像を示す;
様々な図面において、同一の、または類似のものをあらわすために、同一の参照番号が使われている。
再結晶化は、最小の炭化珪素粒子を蒸発し、その後の濃縮で最大の粒子間に結合を形成することによる硬化に対応する、よく知られた現象である。
“再結晶化された炭化珪素”という用語は、高温焼成処理によってセラミック発泡体を焼成する段階の間に再結晶化された炭化珪素を意味する。
気孔の最大寸法は、“気孔サイズ”と呼ばれる。本発明の生成物において、気孔は擬−球形を有するので、前記サイズは直径である。気孔サイズは、焼結された発泡体の表面の分析像によって測定される。
以下は、図1から4及び7から9に示されるセラミック発泡体を製造するのに使用されることができる方法に関する記述である。
この方法は、以下の段階を連続して含む:
a)懸濁液中のセラミックパウダー、少なくとも一つのゲル化剤及び少なくとも一つの発泡剤を含む混合物Mを、前記ゲル化剤のゲル化温度よりも高い混合温度において調製する段階と;
b)発泡体を得るために前記ゲル化温度よりも高い発泡温度において前記混合物Mにせん断をかける段階と;
c)前記ゲル化剤のゲル化温度より低い温度に前記混合物Mを冷却することによって前記発泡体をゲル化する段階と;
d)予備成形体を得るために前記ゲル化された発泡体を乾燥する段階と;
e)高温処理により前記予備成形体を焼成して多孔質セラミックス発泡体を得る段階。
この製造方法の最初の段階a)において、混合物は懸濁液中、好ましくは水中のセラミックパウダー、少なくとも一つのゲル化剤及び少なくとも一つの発泡剤を含んで調製される。さらに、安定剤が前記混合物Mに添加されることが好ましい。
好ましくは、以下の手順に従う。
第1に、以下のものが調製される:
・スリップA、従来の方法を用いて、セラミックパウダー及び分散剤を水に分散することによる。
・予備混合物B、ゲル化剤のゲル化温度よりも高い温度でゲル化剤及び安定剤を水に溶解することによる。
・予備混合物C、発泡剤を水に溶解することによる。
スリップA中のセラミックパウダーの品質は好ましくは50重量%〜90重量%の範囲であり、さらに好ましくはスリップAの70重量%〜85重量%の範囲である。好ましくは、混合物Mはセラミック粒子を50重量%〜80重量%、好ましくは60重量%〜70重量%含む。
セラミックパウダーの性質は、製造されるセラミックパウダーの機能と適合する。
本発明の再結晶化炭化珪素発泡体を製造するとき、前記パウダーは粒度分布が好ましくはバイモーダルである炭化珪素パウダーである。第1のモードは、好ましくは5μm未満であり、より好ましくは3μm未満であり、さらに好ましくは1μm未満であり、第2のモードは好ましくは10μm超、より好ましくは20μm超である。前記粒度分布は、有利なことに、特に発達させた粒間空隙率を有するセラミック発泡体を製造することができる。
分散剤、例えばポリアクリレートタイプ界面活性剤は、混合温度において有効であるように選択される。
ゲル化剤は、好ましくは、動物性または植物性の親水コロイドであり、発泡後前記組成物を熱可逆的にゲル化することができ、例えばゼラチン、カラゲーニン、またはそれらの混合物である。
どのような安定剤が使用されてよい。好ましくは、せん断速度勾配が100s−1から0に下がるとき少なくとも粘度が10倍増加する性質を有する。好ましくは、安定剤を混合しても混合物Mの粘度がせん断段階の間にほとんど増加しないように、安定剤が選択される。
従って、有利なことには、混合物の水含有量を増加することなく、従来技術で使用されたミキサーを使用する可能性がある。水の量の増加は、その後の乾燥において問題の原因となり得る。
好ましくは、安定剤は可逆であるように選択される。同様に、好ましくは、安定剤およびゲル化剤は、以下であるように選択される。
・ゲル化された発泡体の粘度は、安定剤を含まないこと以外は混合物Mと同じ混合物から得られたゲル化された発泡体における粘度と、等しいかまたはそれ以上である。
・段階b)とc)との間(ゲル化の前、且つ発泡操作が完了した後)に得られた発泡体の粘度は、ゲル化剤を含まないこと以外は混合物Mと同じ混合物から得られたゲル化された発泡体における粘度と、等しいかまたはそれ以上である。
好ましくは、安定剤及びゲル化剤が、実質的に相互作用しないように選択される。ゼラチン及びキサンタン及び/またはカラゲーニンを組み合わせるのが、好ましくはキサンタンのみを組み合わせるのが、特に好ましい。
キサンタン及びカラゲーニンは物理的ゲル、すなわち、その結合が物理的相互作用(結晶化、ヘリックス形成、ガラス化等)によって形成された可逆的なネットワーク構造を有する。例として、キサンタン分子が単一、二重または三重ヘリックスを形成し、複雑なネットワークを形成する他の分子と相互作用する。水溶液中で、凝集体は弱い結合で形成される。前記凝集体は、せん断によって分離されてよい。
好ましくは、少なくとも一つの可塑剤、好ましくは混合物Mが調製される温度において液体である、好ましくはポリオール、より好ましくはグリセロールが、予備混合物Bに添加される。可塑剤は、ゲル化剤と良好な相溶性を持つように、すなわち混合物Mに残存する性能を持つように、結果的にマイグレーションに抵抗し、溶媒が相分離の原因とならないように選択される。好ましくは、可塑剤の量はゲル化剤の0.25倍から1倍の範囲である。
発泡剤、好ましくは界面活性剤が、好ましくは前記予備混合剤の55重量%〜75重量%の範囲の比率で予備混合剤Cに添加さる。好ましくは、混合物Mにおけるその量が1重量%から3重量%の範囲であるように、発泡剤の量が決定される。
混合物Mは、同様に、通常セラミックスで用いられるように、一つ以上の熱可塑性バインダーを含んでよい。
スリップA及び予備混合物Cが、その後機械的な攪拌によって予備混合物Bに添加され、“混合温度”と呼ばれる温度は、ゲル化剤のゲル化温度よりも高く保たれる。好ましくは、予備混合物A、B及びCは、それらを調製した後すぐに混合され、混合物Mを形成する。安定剤は、使用される温度範囲において安定な粘度を有する水溶液を与える。
予備混合物BのpHは酸性、塩基性または中性であってよく、好ましくは、予備混合物Aに良好に分散することを可能にするように選択される。
段階b)において、混合物Mは、発泡させるためせん断をかけられる。せん断力は、機械的な攪拌、ガス吹込、またはそれら二つの技術の組み合わせによる結果としてもたらされてよい。ガス吹込時、調整された穴を有する膜を使用することが好ましい。
前記段階b)の間、せん断力の効果の下で安定剤の粘度が可逆である場合、せん断力は混合物の粘度を低減する。
段階b)は、ゲル化剤のゲル化温度よりも高い温度、例えば混合温度で実行される。
セラミック発泡体を製造した後、せん断段階は終了し、任意に発泡体は型内部にキャストされる。
せん断力は停止しているので、安定剤の存在によって、混合物の粘度はすぐに増加する。従って、安定剤は、たとえ温度がゲル化温度よりも高いままであったとしても発泡体構造を硬化する。結果的にゲル化段階以前に発泡体がそれ自身へ沈下することは避けられ、60mm超、または80mm超の厚みさえを有する安定な発泡体を製造することが可能になる。
段階c)において、発泡体はゲル化剤のゲル化温度よりも低い温度へと、好ましくは周囲の温度(10−25℃)へと、冷却されるか、または冷却可能な状態にされる。ゲル化によって、有利なことには、劣化されることなく操作される、十分に硬いゲル化された発泡体が製造される。従って、本方法は産業上の利用に適する。
ゲル化された発泡体は、その後雰囲気温度で乾燥され、好ましくは100℃〜120℃の温度の炉内に配置され予備成形体を得るが、前記予備成形体は焼結されてよい。予備成形体またはビスケットは、好ましくは最高厚さ80mm、または150mmでさえあってよい。
図1から4に示されるタイプのセラミック発泡体を製造するため、予備成形体は焼結温度、すなわちコーディエライトでは1200℃−1500℃、アルミナ、ムライトまたはジルコニア、または炭化珪素では1400℃−2300℃空気中で焼成される。炭化珪素の高温焼結に関して可能な条件は仏国特許第A−2313331号明細書に記述される。
焼成段階e)の条件は、図7から9に示されるタイプの本発明のセラミック発泡体を製造することができ、炭化珪素の再結晶化は古い技術なのでよく知られている。例えば、1960年12月20に認められた米国特許第A−2964823号明細書、または“Finely Layered Recrystallized Silicon Carbide for Diesel Particulate Filters”、Method Engineering、 cfi/Ber. DKG 81(2004)n 10に参照されるであろう。
好ましくは、予備成形体は非酸化雰囲気において、好ましくは中性雰囲気において、さらに好ましくはアルゴン中において、再結晶化された炭化珪素を製造することができる温度で、好ましくは1800℃から2500℃の範囲で、より好ましくは2050℃から2350℃の範囲で焼成される。
高温焼成処理に関する他の条件は、炭化珪素の再結晶化をもたらすものが考えられ、与えられる。
炉内に配置した後、及び高温処理によって焼成する前または後、発泡体は所望の寸法を有する部分を得るため機械加工されてよい。
高温処理によって予備成形体を焼成して得られた多孔質セラミックは、図7から9または図1から4に示されるタイプであり、開口部、相互連結された構造を有する発泡体である。有利なことに、それは、焼成の後、材料の理論密度の8%〜50%の範囲の密度(アルミナに関して1立方センチメートルあたり4グラムと同等、再結晶化された炭化珪素に関して1立方センチメートルあたり3.2グラムと同等)、すなわち空隙率50%〜92%を有する。
セル孔のサイズは一般的に10μm〜2000μmの間である。
発泡体は、ウィンドウ12を介して他の隣接するセルに連結される複数のセル10を有する。多孔質セラミックス発泡体の表面におけるセルも同様に、外部に開口する一つ以上の開口部16を有する。“相互連結する空隙率”という用語は、セル間の相互連結するウィンドウ12によって、及び表面のセルの開口部16によって作られる空隙率を定義するために使用される。
図5及び6が参照される。
図5は、三つの予備混合物B1、B2及びB3の粘度変化を示すものであり、例示のために与えられる。
・B1は水87%、グリセリン7.4%、ポリビニルアルコール4.8%及びキサンタン0.8%を含む。
・B2は水77.3%、グリセリン6.5%、ポリビニルアルコール4.2%及びゼラチン12%を含む。
・B3は水76.7%、グリセリン6.5%、ポリビニルアルコール4.2%、ゼラチン11.9%及びキサンタン0.7%を含む。
前記予備混合剤は80℃で調製され、その後40℃で3時間保持される。その後、これらの混合物を静置することが可能な粘度が温度の関数として測定され、45℃(混合物Mが製造される温度に近い)から10℃まで1分間あたり1℃温度が低減される。測定には、コーン/プレート式(直径40mm、角度4°)、歪が0.01で振動数1ヘルツのBohlin(登録商標)CVO 120粘度計が使用された。試験Aの結果は図5に示される。
図5は、キサンタン単独(曲線B1)の場合、温度の関数としての混合物の粘度が変化しなかったことを示す。従ってキサンタンは温度可逆性ゲルではなく、ゼラチンとは異なる(曲線B2)。その結果、キサンタンは温度の関数としてセラミック混合物の粘度を変化させるのに適切なものではないことが明らかになった。結果的に、特に、それは冷却の間セラミック発泡体をゲル化するのに不適切であることが明らかになった。
図5は、キサンタン自体がセラミックス発泡体を凝固することが可能な高い粘度を提供することができないことも同様に示す。対照的に、ゼラチンは雰囲気温度(10℃〜25℃)において十分な粘度を与えることができ、前記粘度はキサンタン単独で得られる値と比べて200倍から500倍高い。
最終的に、図5はキサンタンの存在はゼラチンのゲル化作用を遅延しないことを示し、キサンタンの効果は25℃より低い温度において無視できる。キサンタンとゼラチンとの組み合わせは、25℃より低い温度において実質的に技術的な効果を持たないことが明らかになり、製造コストを増加するだけであろうことが示された。
図6において、45℃におけるB1、B2及びB3の瞬間的な粘度は、速度勾配の(または“せん断速度”)の関数として示される。図6に示される結果を得るために、せん断速度は増加され、その後1分間安定に維持され、その後せん断速度は減少された。試験の間、温度は45℃(混合物Mが製造される温度に近い)とされ、粘度の変化が測定された。測定はBohlin(登録商標)CVO 120粘度計を用いてコーン/プレート式(直径40mm、角度4°)で回転モードにおいて実行された。
キサンタンが存在しない状況で、せん断速度の関数として、ゼラチンの粘度は変化しないか、または殆ど変化しないことが観察された。対照的に、ゼラチンとキサンタンとの混合物の瞬間的な粘度は、キサンタン単独の場合のように、せん断速度が増加するとき実質的に減少し、キサンタンの含有量が低い場合でさえ、せん断力が低減するとき非常に高い値に達する。
発明者は、生成物(ゼラチン、キサンタンまたはキサンタンとゼラチンとの混合物)の粘度の増加または減少も同様に示したが、それらは温度またはせん断速度の変化に続いて起こり、同じ温度及びせん断条件の下で、前記生成物を含む耐熱性の組成物にせん断力を与えることによって得られる発泡体の構造的な挙動において各々品質の改良または品質の低下をもたらす。
せん断段階b)の最後に、ゼラチンとキサンタンとの混合物が混合物Mに加えられ、図6にみられるように、発泡体の構造的挙動に対して、ゼラチン単独で与えることが可能なものより非常に優れた、比例的な改善を直ちにもたらす。従って、発泡体は十分に硬く、それ自身を崩壊させることはない。それは扱いやすい。最終的に、キサンタンとゼラチンとの混合物の作用により、生成物の不均一性及び脆性をもたらす可能性を有するような構造上の修正(空気胞の合体、セラミックパウダーの分離等)が回避される。
発泡体の温度は、図5にみられるように、その後連続的に下げられ、発泡体の構造的な挙動をさらに増大し、前記挙動はキサンタン単独で与えることが可能なものより非常に優れ、比例的なものである。発泡体は十分硬く、産業的な条件下で品質の低下なしに操作することができる。
従って、ゼラチン及びキサンタンの作用は、本発明の方法の実施に関して、特に大きな寸法を有する部分の製造に関して完全に相補的なものである。
図7から9は、粒間空隙率を有する再結晶化されたセラミック炭化珪素発泡体の走査型電子顕微鏡像を示し、以下に記述される本発明の例21に対応する。
この発泡体は特別な条件において製造され、上述の方法の段階a)において使用されるセラミックパウダーは炭化珪素を少なくとも95重量%含むパウダーであり、高温焼成処理は炭化珪素を再結晶化することが可能な条件下で実行される。
前記条件は当業者には良く知られている。
セルを規定するセラミック壁は、図1−4と図7−8とでは同じ性質を持たないことは注目されたい。アルミナ壁(図1−4)は密度が高い一方で、再結晶化された炭化珪素の壁(図7−8)は多孔質である。
セル10を規定する再結晶化された炭化珪素壁17は、粒子18の凝集によって形成され、この凝集体は粒子18間に隙間20または“粒間空隙率”を形成する。
粒子18は、段階a)で使用される炭化珪素パウダーの最大粒子によって形成される。粒子18の粒度分布はこれら最大粒子におけるものと結果的に実質的に同じである。
従って壁17は、“粒間”と呼ばれる空隙率を有する。粒間空隙率は、これらの粒子の凝集粒子間に必然的に生成される隙間の空間によって構成される。
本発明の再結晶化された炭化珪素発泡体の特別な状況下において、粒間空隙率は発泡体のセル間の“相互連結空隙率”と共存する。
上述のように、相互連結空隙率は“セル孔”、すなわちセル10間の相互連結ウィンドウ12及び表面セルの外側に開口する開口部16によって生成される。
従って、相互連結空隙率は開口部により形成され、前記開口部の輪郭は粒子凝集体の必要な結果ではなく、これらの粒子の特別な配列の結果である。粒間空隙率とは異なり、それは隣接するセル間の直接的な連結(直線的な)を可能にする。
全空隙率は、相互連結空隙率と粒間空隙率の和である。
図7から9に示される例において、平均セル孔サイズは約100μmである一方、平均粒間気孔サイズは約5μmである。例21の全空隙率は86%(密度0.43g/cm[グラム/立方センチメータ])であり、粒間空隙率は約10%である。
粒間空隙率は、使用されるセラミックパウダー、特に炭化珪素の粒子のサイズに応じて修正されてよい。
相互連結空隙率は、使用される発泡剤に応じて、特に初期の混合物におけるその量に応じて修正されてよい。
調節可能な二重の孔の存在は、特に本発明の再結晶化炭化珪素ベースセラミック発泡体に関して、特に有利である。
粒間空隙率の存在によって非常に大きな有効表面積及び低密度の双方が与えられる。
従って、本発明の相互連結空隙率発泡体は、濾過に関して及び/または触媒担体として有効であり、一方では軽いものである。
それらの密度が低いということは、熱慣性が低いことを意味する。従って、前記発泡体は高温に対する抵抗が高く、保護容器としての使用に適している。再結晶化された炭化珪素発泡体は非常に高い温度に耐え得るので、この用途において特に有効である。熱伝導材として有効で、高温に耐え、空気を通過することができるので、再結晶化された炭化珪素発泡体は、赤外線バーナのフレームディフューザを形成するのにも大変適している。
好ましくは、平均粒間気孔サイズは、セル孔のサイズよりも10〜100倍小さい。平均セル孔サイズは80μmから120μmの間であることが望ましく、より好ましくは約100μm、及び/または平均粒間気孔サイズが1μmから20μmの間であることが好ましく、より好ましくは約5μmである。
以下の非制限的な例示は、本発明を説明するために与えられる。
・反応性AlまたはAlを99%超含有する反応性アルミナの混合物、直径の中間値は0.1μm〜200μm;
・ZrOを99%超含有するジルコニア、直径の中間値は0.1μm〜200μm;
・ポリアクリル酸アンモニウムに基づくProx(登録商標)BO分散剤、Synthronが販売;
・GPA A0ゼラチン、Wesardt internationalが販売;
・satiaxaneTM CX90T、SKW Biosystemsにより製造及び販売されるキサンタンガム;
・RHODOVIOL(登録商標)4/125、加水分解度が低い(88mol%)ポリビニルアルコール、Rhodia PPMCが販売;
・Moulet Peinture(Avignon、France)が販売するグリセリン:
・Schaumungsmittel W53FL、ポリアクリル酸アンモニウムベースの分散剤、Zschimmer and Schwarz GmbHが販売;
・直径中間値が約4μm、SiO54%、Al29%、MgO13%、及びFe+TiOを2.5%未満含有するコーディエライト;
・直径中間値が約9μm、SiO26%、Al73%、MgO13%、及びFe+TiOを2.5%未満含有するムライト;
・炭化珪素SiC−1、直径中間値約0.6μm、SiCを99.5%超含有する。
・炭化珪素SiC−2、直径中間値約2.5μm、SiCを99.5%超含有する。
・炭化珪素SiC−3、直径中間値約23μm、SiCを99.5%超含有する。
以下の全ての例において、分散剤はProx(登録商標)BO3であり、発泡剤は常にW53FLであり、可塑剤はグリセリンであり、硬化剤はRHODOVIOL(登録商標)4/125である。
スリップAは、水にセラミックパウダー及び分散剤を分散することによって製造された。セラミックパウダーは、例1〜16、19ではアルミナ(Al)であり、例17ではムライト(Al−SiO)であり、例18ではコーディエライト80%とムライト20%との混合物であり、例20ではアルミナ80%とジルコニア20%との混合物であり、例21〜23に関しては少なくとも二つの炭化珪素パウダーであり、以下の重量比である。
Figure 2008508171
例21〜23に関して、1Nの水酸化ナトリウム0.45%が分散剤として作用した;結果的にスリップのpHは約9であった。
予備混合物Bは、55℃で、水中にゼラチンGPA A0及び場合によりキサンタン、グリセリン、及び硬化剤を溶解することによって、ウォーターバスにおいて製造される。
予備混合物Cは、水3分の1に発泡剤3分の2(重量)を溶解することによって製造された。
A及びCは、20分間一定の機械的攪拌を行ないながら55℃のウォーターバス中でBに添加された。最終的な混合物Mにおける、セラミックパウダーを除いた構成成分A、B及びCの比率はTABLE 1に与えられる。得られた発泡体は雰囲気温度、すなわち25℃未満で型内部でキャストされた。型の寸法は、例19を除いて300mm×300mm×45mmであり、例19では型の深さは80mmであった(同一のセクション:300mm×300mm)。それは24時間雰囲気温度で、その後24時間35℃で強制的な換気を実施しながら乾燥され、予備成形体が得られた。
この予備成形体は、得られた予備成形体が焼結サイクルを受けるには脆すぎた例1及び2を除いて、その後空気中において1600℃で4時間焼結され、予備成形体がアルゴン中で焼成された例21〜23に関しては、2270℃で3時間で再結晶化炭化珪素を得た。
高温の燃焼処理の間、寸法の収縮は15%〜20%のオーダーであり、全ての方向において実質的に同じであった。
得られたセラミック発泡体の特性の幾つかは、表1及び2に示される。
Figure 2008508171
キャスティングの後、攪拌及び/または操作(型内部へのキャスティング)が停止するとすぐに、即時凝固が観察される可能性がある。“凝固”という用語は、キャスト部分の高さが減少しない及び/または変化しないことを意味し、キャスト部分の領域に依存する。表において、“Y”は凝固が観察されたことを意味し、“N”はキャスト発泡体の構造がモールディング後変化する(凝固なし)ことを意味する。
最終的に、ある形態に関して、乾燥部分内に幾つかのクラックの存在が観察された。クラックの存在は、TABLE 1において“Y”によって示される一方で、“N”はクラックが観察されなかったことを示す。これらのクラックは、主に前記部分の端部に位置し、長さは数mmから数cm[センチメータ]であった。これらのクラックは重大な意味を持つわけではなく、機械加工によって除去することができる。しかしながら、それらは邪魔なものである。
密度は、従来の幾何学的な方法を用いて測定され、立方センチメータあたりのグラム数で表される。
TABLE 1に示される結果は、機械的な発泡により得られた構造を凝固する安定剤を添加することによる有利な点を実証する。所望の寸法を有する均一な部分が結果として得られた。
可塑剤により、乾燥によりクラックの形成が誘起されないような、より柔軟な部分を製造できる可能性がある。さらに、また好ましくは、ここで適用されるように、可塑剤は水の蒸発温度よりもさらに高い温度において燃焼される。結果的に、この化合物は乾燥部分であってさえその役割を果たし、焼結の間、前記部分にある程度の水分が保持されることを可能にして、結果的に、早すぎる燃焼及び最終生成物における“クラスト”効果を回避する。この好ましい効果は、大きな寸法を有する部分の製造において特に有効である。
上述のように、上述の方法を用いて製造されたセラミックス発泡体、特に本発明の発泡体は、ウィンドウを介して互いに結合されるセラミック壁によって定義される交互配置されたセルから形成される構造を有する。セル孔のサイズは、10μmと2000μmとの間に比較的均一に分散される;セル孔の10%未満は直径10μm未満である;セル孔の20%から85%は直径300μm未満であり、セル孔の4%から40%は直径450μm超である。
これら独創的な発泡体は、セル孔サイズの範囲が非常に広いこと、支配的なセル孔サイズが存在しないこと、及び単位表面積あたりのセル孔の数がより少ないことによって現在知られている発泡体とは同様に区別される。一般的に、これは1dmあたりセル孔が1500個未満である。
さらに、密度が減少するとき、セル孔のサイズが増大することにより空隙率が増加する一方で、気孔の数は減少する。セル孔の15%超、及び時にはセル孔の少なくとも30%は、直径300μm超である。
対照的に、現在のセラミックス発泡体は、密度の関数としては殆ど変化しない、及び一般的に気孔の90%が300μm未満の気孔サイズを有する;密度の減少は結果的に気孔の数の増大を伴う。
本発明のTABLE 1の発泡体における大きなセル気孔の存在により、圧力降下が非常に小さい製品が同様に製造されてよく、例えばガスろ過等、ある用途において特に有利な点を有する。
前記発泡体は、それらが化学的に非常に純粋であるという点でも優れている。前記純度は、使用されるセラミックス開始材料の純度と関連付けられる。なぜなら、使用される有機成分の全てが高温処理による焼成の間に燃焼されるからである。
ここで明確に示されてきたように、本発明は多孔質の、焼成されたセラミック発泡体を提供し、セルを規定する壁が固有の構造を有するので、外部の環境に対して露出された大きな表面積を有する。このセル壁の新規のミクロ構造は、発展に関して大きな展望を切り開く。
明らかに、本発明はここに記述された、及び説明と非制限的な例示とに示された実施形態には制限されない。
特に、本発明の粒間空隙率を有するセラミックス発泡体は特有のミクロ構造、特に全空隙率が50%から92%の範囲であり、粒間空隙率が少なくとも5%であることによって特徴付けられる。発明者の知る範囲では、このミクロ構造を有する焼成されたセラミックス発泡体、特に焼成された再結晶化炭化珪素発泡体は従来技術では知られていない。本発明は、それを製造するのに使用される方法とは別に、焼成されたセラミックス発泡体を提供する。
本発明の好ましい実施形態では、前記ミクロ構造は高温焼成処理の段階の間に炭化珪素が再結晶化する結果として得られる。しかしながら、他のセラミックス材料が想定されてよい。
アルミナパウダーを用いて仏国特許第A−0408330号明細書による方法によって製造された焼結された発泡体の表面から10mmから20mmで得られたサンプルの走査型電子顕微鏡像である。 アルミナパウダーを用いて仏国特許第A−0408330号明細書による方法によって製造された焼結された発泡体の表面から10mmから20mmで得られたサンプルの走査型電子顕微鏡像である。 アルミナパウダーを用いて仏国特許第A−0408330号明細書による方法によって製造された焼結された発泡体の表面から10mmから20mmで得られたサンプルの走査型電子顕微鏡像である。 アルミナパウダーを用いて仏国特許第A−0408330号明細書による方法によって製造された焼結された発泡体の表面から10mmから20mmで得られたサンプルの走査型電子顕微鏡像である。 様々な予備混合物Bのレオロジー的挙動を示すグラフである。 様々な予備混合物Bのレオロジー的挙動を示すグラフである。 本発明の方法によって製造された焼結された発泡体の表面から10mmから20mmで得られたサンプルの走査型電子顕微鏡像である。 本発明の方法によって製造された焼結された発泡体の表面から10mmから20mmで得られたサンプルの走査型電子顕微鏡像である。 本発明の方法によって製造された焼結された発泡体の表面から10mmから20mmで得られたサンプルの走査型電子顕微鏡像である。

Claims (16)

  1. 全空隙率が50%から92%の範囲であり、粒間空隙率が少なくとも5%である多孔質セラミックス発泡体。
  2. 再結晶化された炭化珪素を含む、請求項1に記載の多孔質セラミックス発泡体。
  3. 再結晶化された炭化珪素を少なくとも95重量%含む、請求項2に記載の多孔質セラミックス発泡体。
  4. 前記粒間空隙率が少なくとも8%である、請求項1から3の何れか一項に記載の多孔質セラミックス発泡体。
  5. 前記粒間空隙率が少なくとも10%である、請求項2に記載の多孔質セラミックス発泡体。
  6. 前記粒間空隙率が10μm未満のサイズの気孔によって形成される、請求項1から5の何れか一項に記載の多孔質セラミックス発泡体。
  7. 前記粒間気孔サイズの平均値がセル孔のものと比較して10〜100倍小さい、請求項1から6の何れか一項に記載の多孔質セラミックス発泡体。
  8. 前記セル孔サイズの平均値が80μmから120μmの間であり、及び/または前記粒間気孔サイズの平均値が1μmから10μmの間である、請求項1から7の何れか一項に記載の多孔質セラミックス発泡体。
  9. 前記セル孔数の15%超はサイズが300μm超であり、及び/または前記セル孔数の10%未満はサイズが10μm未満であり、及び/または前記セル孔数の20%から85%はサイズが300μm未満であり、及び/または前記セル孔数の4%から40%はサイズが450μm超である、請求項1から8の何れか一項に記載の多孔質セラミックス発泡体。
  10. a)懸濁液中のセラミックパウダー、少なくとも一つのゲル化剤及び少なくとも一つの発泡剤を含む混合物Mを、前記ゲル化剤のゲル化温度よりも高い混合温度において調製する段階と、
    b)発泡体を得るために前記ゲル化温度よりも高い発泡温度において前記混合物Mにせん断をかける段階と、
    c)前記ゲル化剤のゲル化温度より低い温度に前記混合物Mを冷却することによって前記発泡体をゲル化する段階と、
    d)予備成形体を得るために前記ゲル化された発泡体を乾燥する段階と、
    e)前記予備成形体を焼成して多孔質セラミックス発泡体を得る段階と、
    を連続して含み、
    前記混合物Mが炭化珪素を含むこと、及び段階e)における焼成が、蒸発−再結晶化メカニズムによって前記炭化珪素が硬化することを可能にする条件下で実行されことを特徴とする、請求項1から9の何れか一項に記載の多孔質セラミックス発泡体を製造する方法。
  11. 前記段階a)で使用されるセラミックパウダーが95重量%超の炭化珪素を含む、請求項10に記載の方法。
  12. 前記段階a)で使用されるセラミックパウダーの粒子サイズがバイモーダルな分布で分配された、請求項10または11に記載の方法。
  13. 前記混合物Mに安定剤が添加され、前記安定剤は単位がPa.sである瞬間的な粘度を有し、前記粘度は前記安定剤のせん断速度が100s−1から0まで低減されるとき少なくとも10倍増加する、請求項10から12の何れか一項に記載の方法。
  14. 前記安定剤がキサンタン及びカラゲーニンから形成される群、またはそれらの混合物から選択される、請求項13に記載の方法。
  15. 前記段階a)において可塑剤が前記混合物Mに加えられ、前記可塑剤の重量は前記ゲル化剤の重量の0.25倍から1倍の範囲である、請求項10から14の何れか一項に記載の方法。
  16. 断熱、特に炉内の断熱に関して、触媒担体に関して、高温のガスまたは液体の濾過に関して、ガスバーナー中のディフューザとして、太陽光線の体積測定レシーバ内で、または炉装備品としての、請求項1から9の何れか一項に記載の多孔性セラミックス発泡体、または請求項10から15の何れか一項に記載の方法を用いて製造された多孔質セラミックス発泡体の使用。
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