JP2009196842A - 炭化ケイ素多孔質体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】目詰まり量が少なく、且つ、十分な強度を有する炭化ケイ素多孔質構造体及びその製造方法を提供する
【解決手段】炭化ケイ素粉末８０ｇ，水溶性フェノール樹脂４３ｇ，水３０ｇ，解膠剤０．５ｇ，及びバインダー３ｇを含む水性スラリーを調製し、この水性スラリーに市販のウレタンフォームを１回含浸させた。次に、ポリシリコンを充填した坩堝上にセラミック製の載置板を配置し、載置板上に水性スラリーを含浸させたウレタンフォームを載置して加熱炉内に導入した。そして９００℃の真空雰囲気内で坩堝を加熱することにより水性スラリーを炭素化させた後に、１６００℃の真空雰囲気内で０．５時間坩堝を加熱することにより坩堝内に充填したポリシリコンに由来するシリコン蒸気によりウレタンフォームにシリコンを含浸させた。
【選択図】図面なし

Description

本発明は、触媒担持体，ＤＰＦ(Diesel Particulate Filter)，低融点金属フィルタ，グリスフィルタ等に適用して好適な炭化ケイ素多孔質体及びその製造方法に関する。

従来より、非水溶性のカーボン又はフェノールを水に分散させたスラリーに多孔質構造体を含浸させ、スラリーに含浸させた多孔質構造体を焼成して炭素源を炭素化し、多孔質構造体にシリコン粒子を反応焼結させた後、多孔質構造体にシリコンを溶融含浸することにより、スポンジ状の連続多孔質の形状を保持した炭化ケイ素多孔質体を製造する方法が提案されている。
特開２０００−１０９３７６号公報

従来の炭化ケイ素多孔質体の製造方法では、カーボン源である非水溶性のカーボン又はフェノールが水中で懸濁状態になるために、多孔質体中に炭化ケイ素が均一に形成されず、また炭化ケイ素の含有率も低くなる。このため従来の炭化ケイ素多孔質体の製造方法によれば、十分な強度を有する炭化ケイ素多孔質体を形成することができなかった。なおこのような問題を解決するために、多孔質体のかさ密度を高めることにより強度を向上させる方法が考えられるが、かさ密度を高めた場合には多孔質体に目詰まりが発生する。また従来の炭化ケイ素多孔質体の製造方法では、炭素源の炭化処理とシリコンの溶融含浸処理を２回の焼成処理で行っているために、炭化ケイ素多孔質体を製造コストを低減することが困難であった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、目詰まり量が少なく、且つ、十分な強度を有する炭化ケイ素多孔質体及びその製造方法を提供することにある。

本発明に係る炭化ケイ素多孔質体は、炭化ケイ素粉末と水溶性フェノール樹脂を含む水性スラリーにスポンジ状多孔質体を含浸させ、水性スラリーに含浸させたスポンジ状多孔質体を炉内に導入し、炉内において水溶性フェノール樹脂を炭素化させた後にシリコン蒸気雰囲気でスポンジ状多孔質体にシリコンを含浸させることにより形成されている。

本発明に係る炭化ケイ素多孔質体の製造方法は、炭化ケイ素粉末と水溶性フェノール樹脂を含む水性スラリーにスポンジ状多孔質体を含浸させる工程と、水性スラリーに含浸させたスポンジ状多孔質体を炉内に導入し、炉内において水溶性フェノール樹脂を炭素化させた後にシリコン蒸気雰囲気でスポンジ状多孔質体にシリコンを含浸させる工程とを有する。

本発明に係る炭化ケイ素多孔質体及びその製造方法によれば、目詰まり量が少なく、且つ、十分な強度を有する炭化ケイ素多孔質体を提供できる。

以下、本発明の炭化ケイ素多孔質体の製造方法を実施例に基づいて説明する。

〔実施例１〕
実施例１では、炭化ケイ素粉末（屋久島電工株式会社製，OY7）８０ｇ，水溶性フェノール樹脂（大日本インキ化学工業株式会社製，IG1002，pH6.8）４３ｇ，水３０ｇ，解膠剤（中京油脂株式会社製，D735）０．５ｇ，及びバインダー（中京油脂株式会社製，D537）３ｇを含む水性スラリー（粘度７．８Ｐ）を調製し、この水性スラリーに市販のウレタンフォーム（#06, 50×50×20cm）を１回含浸させた。水性スラリー含浸後のウレタンフォームの膨張率は４％であった。次に、ポリシリコンを充填した坩堝上にセラミック製の載置板を配置し、載置板上に水性スラリーを含浸させたウレタンフォームを載置して加熱炉内に導入した。そして９００℃の真空雰囲気内で坩堝を加熱することにより水性スラリーを炭素化させた後に、１６００℃の真空雰囲気内で０．５時間坩堝を加熱することにより坩堝内に充填したポリシリコンに由来するシリコン蒸気によりウレタンフォームにシリコンを含浸させた。

〔実施例２〕
実施例２では、炭化ケイ素粉末（屋久島電工株式会社製，OY7）６０ｇ，水溶性フェノール樹脂（大日本インキ化学工業株式会社製，IG1002，pH6.8）８０ｇ，水３０ｇ，解膠剤（中京油脂株式会社製，D735）０．５ｇ，及びバインダー（中京油脂株式会社製，D537）３ｇを含む水性スラリー（粘度２．５Ｐ）を調製し、この水性スラリーに市販のウレタンフォーム（#06, 50×50×20cm）を１回含浸させた。水性スラリー含浸後のウレタンフォームの膨張率は４％であった。次に、ポリシリコンを充填した坩堝上にセラミック製の載置板を配置し、載置板上に水性スラリーを含浸させたウレタンフォームを載置して加熱炉内に導入した。そして９００℃の真空雰囲気内で坩堝を加熱することにより水性スラリーを炭素化させた後に、１６００℃の真空雰囲気内で０．５時間坩堝を加熱することにより坩堝内に充填したポリシリコンに由来するシリコン蒸気によりウレタンフォームにシリコンを含浸させた。シリコン含浸後のウレタンフォームの膨張率及びかさ密度はそれぞれ３．２％及び０．０９６ｇ／ｃｍ^３であった。

〔実施例３〕
実施例３では、水溶性フェノール樹脂（大日本インキ化学工業株式会社製，IG1002，pH6.8）１００ｇ（粘度２．５Ｐ）に市販のウレタンフォーム（#06, 50×50×20cm）を５回含浸させた。含浸後のウレタンフォームの膨張率は８％であった。次に、ポリシリコンを充填した坩堝上にセラミック製の載置板を配置し、載置板上に含浸後のウレタンフォームを載置して加熱炉内に導入した。そして９００℃の真空雰囲気内で坩堝を加熱することにより水性スラリーを炭素化させた後に、１６００℃の真空雰囲気内で０．５時間坩堝を加熱することにより坩堝内に充填したポリシリコンに由来するシリコン蒸気によりウレタンフォームにシリコンを含浸させた。シリコン含浸後のウレタンフォームの膨張率及びかさ密度はそれぞれ３．８％及び０．０６８ｇ／ｃｍ^３であった。

〔比較例１〕
中心粒径３μｍの炭化ケイ素粉末８５０ｇ及び炭素粉末１５０ｇに解膠剤（セルナＤ７３５，中京油脂製）１２ｇと水５５０ｇを加え、ボ−ルミルにて２４時間混合分散させてセラミックスラリ−を得た。スラリ−の粘度は１２ポイズであった。このスラリ−に空孔数６の軟質ウレタンフォ−ムを浸漬させた後、余剰スラリ−を遠心分離機（アーム長さ４００ｍｍ，回転数７００ｒｐｍ）にて除去した。このような操作を５回行い、かさ比重０．３１の多孔質体を得た。これを６０℃で２４時間乾燥後、真空下で６００℃になるまでは７０℃／時間の昇温速度で加熱し、その後、最高温度１６００℃までは１５０℃／時間の昇温速度で急速に加熱して仮焼し多孔質体を得た。そして最後に、金属シリコンを１５８０℃に加熱し、この温度においてアルゴン雰囲気で仮焼体に浸透させ、多孔質体中の炭素と反応させ３次元網目状セラミック多孔質体を得た。

〔比較例２〕
比較例２では、シリコン粉末（株式会社高純度化学研究所製，#50）８．８ｇ，フェノール樹脂粉末（エア・ウォーター株式会社製，ベルパールS899）３０ｇ，及びエタノール７０ｇを含む有機溶媒（粘度０．１Ｐ）を調製し、この有機溶媒に市販のウレタンフォーム（#06, 50×50×20cm）を３回含浸させた。有機溶媒含浸後のウレタンフォームの膨張率は１０％であった。次に、有機溶媒を含浸させたウレタンフォームを加熱炉内に導入し、９００℃の真空雰囲気内で加熱することによりフェノール樹脂を炭素化した。次に、ウレタンフォームにシリコン粒子を反応焼結させた後、ウレタンフォームにシリコンを溶融含浸させた。シリコン含浸後のウレタンフォームの膨張率及びかさ密度はそれぞれ−１４％及び０．０４ｇ／ｃｍ^３であった。

〔比較例３〕
比較例３では、シリコン粉末（株式会社高純度化学研究所製，#50）４４．８ｇ，フェノール樹脂粉末（エア・ウォーター株式会社製，ベルパールS899）４８ｇ，及びエタノール５０ｇを含む有機溶媒（粘度１０Ｐ）を調製し、この有機溶媒に市販のウレタンフォーム（#06, 50×50×20cm）を１回含浸させた。有機溶媒含浸後のウレタンフォームの膨張率は４％であった。次に、有機溶媒を含浸させたウレタンフォームを加熱炉内に導入し、９００℃の真空雰囲気内で加熱することによりフェノール樹脂を炭素化した。次に、ウレタンフォームにシリコン粒子を反応焼結させた後、ウレタンフォームにシリコンを溶融含浸させた。シリコン含浸後のウレタンフォームの膨張率及びかさ密度はそれぞれ−１１％及び０．０８ｇ／ｃｍ^３であった。

〔評価〕
実施例１及び比較例１の製造方法により得られた炭化ケイ素多孔質体のＸ線回折図形を測定した。測定結果をそれぞれ図１，２に示す。比較例１の製造方法により得られた炭化ケイ素多孔質体のＸ線回折図形には、図２に示すようにシリコン単体に由来するピークが多く見られるのに対し、実施例１の製造方法により得られた炭化ケイ素多孔質体のＸ線回折図形には、図１に示すようにシリコン単体に由来するピークが少ない。また比較例１の炭化ケイ素多孔質体からシリコン単体を脱離させた場合、炭化ケイ素多孔質体の重量が３２．５％減少したのに対し、実施例１の炭化ケイ素多孔質体からシリコン単体を脱離させた場合、炭化ケイ素多孔質体の重量の減少は０．９％に留まった。以上のことから、実施例１の炭化ケイ素多孔質体における炭化ケイ素の含有率は比較例１の炭化ケイ素多孔質体における炭化ケイ素の含有率よりも低いと言える。従って実施例１の製造方法によれば、十分な強度を有する炭化ケイ素多孔質体を製造できる。

実施例１〜３及び比較例１〜３の製造方法により得られた炭化ケイ素多孔質体について顕微鏡観察を行った。この結果、実施例１〜３の製造方法によれば、比較例１〜３の製造方法と比較して、目詰まり量が少ない、ウレタンフォーム並の骨格太さを有する炭化ケイ素多孔質構造体が得られることが知見された（図３及び図４はそれぞれ実施例２及び比較例３の炭化ケイ素多孔質構造体を示す）。また実施例１〜３の製造方法によれば、比較例１〜３の製造方法と比較して、クラックのない炭化ケイ素多孔質構造体が得られることが知見された（図４及び図５は実施例２及び比較例３の炭化ケイ素多孔質構造体を示す）。これは比較例１〜３の製造方法では有機溶媒を用いているのに対し、実施例１〜３の製造方法では水溶性スラリーを用いているためであると推察される。また比較例１〜３の製造方法では、炭化処理とシリコン溶融含浸処理の合計２回の焼成処理を行うが、実施例１〜３の製造方法では炭化処理とシリコン蒸気含浸を１回の焼成処理で行うので、炭化ケイ素多孔質構造体の製造工程に要するコストを低減することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

実施例１の製造方法により得られた炭化ケイ素多孔質体のＸ線回折図形を示す。 比較例１の製造方法により得られた炭化ケイ素多孔質体のＸ線回折図形を示す。 実施例２の製造方法により得られた炭化ケイ素多孔質構造体を示す。 比較例３の製造方法により得られた炭化ケイ素多孔質構造体を示す。 実施例２の製造方法により得られた炭化ケイ素多孔質構造体のＳＥＭ写真図である。 比較例３の製造方法により得られた炭化ケイ素多孔質構造体のＳＥＭ写真図である。

Claims (4)

1. 炭化ケイ素粉末と水溶性フェノール樹脂を含む水性スラリーにスポンジ状多孔質体を含浸させ、当該水性スラリーを含浸させたスポンジ状多孔質体を炉内に導入し、当該炉内において前記水溶性フェノール樹脂を炭素化させた後にシリコン蒸気雰囲気でスポンジ状多孔質体にシリコンを含浸させることにより形成されたことを特徴とする炭化ケイ素多孔質体。
2. 請求項１に記載の炭化ケイ素多孔質体であって、
   前記スポンジ状多孔質体がウレタンフォームにより形成されていることを特徴とする炭化ケイ素多孔質体。
3. 炭化ケイ素粉末と水溶性フェノール樹脂を含む水性スラリーにスポンジ状多孔質体を含浸させる工程と、
   前記水性スラリーを含浸させたスポンジ状多孔質体を炉内に導入し、当該炉内において前記水溶性フェノール樹脂を炭素化させた後にシリコン蒸気雰囲気でスポンジ状多孔質体にシリコンを含浸させる工程と
   を有することを特徴とする炭化ケイ素多孔質体の製造方法。
4. 請求項３に記載の炭化ケイ素多孔質体の製造方法において、
   前記スポンジ状多孔質体がウレタンフォームにより形成されていることを特徴とする炭化ケイ素多孔質体の製造方法。