JP2018034112A - Honeycomb filter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、触媒担持セラミクスハニカム構造体と、その外周面上に設けられたセラミクスコート層を有するハニカムフィルタに関するものである。 The present invention relates to a honeycomb filter having a catalyst-supporting ceramic honeycomb structure and a ceramic coating layer provided on the outer peripheral surface thereof.
自動車などのエンジンの排気ガスに含まれる有害物質を削減するために、セラミクスで構成されたセラミクスハニカム構造体を有する微粒子捕集用のハニカムフィルタが使用されている。 In order to reduce harmful substances contained in the exhaust gas of engines such as automobiles, a honeycomb filter for collecting fine particles having a ceramic honeycomb structure composed of ceramics is used.
特許文献1〜4には、ハニカムフィルタの強度を向上するために、セラミクスハニカム構造体の外周面にセラミクスコート層を設けたハニカムフィルタが開示されている。 Patent Documents 1 to 4 disclose a honeycomb filter in which a ceramic coating layer is provided on the outer peripheral surface of a ceramic honeycomb structure in order to improve the strength of the honeycomb filter.
近年では、排気ガスに含まれる窒素酸化物などの有害ガスも除去するため、セラミクスハニカム構造体に触媒を担持させて触媒コンバータの機能を付与した状態で用いられることがある。
しかしながら、従来のハニカムフィルタにおいて、セラミクスハニカム構造体に触媒を担持すると、再生、すなわち、捕集した煤の燃焼時に熱応力によりフィルタにクラックが生じることが多かった。
In recent years, in order to remove harmful gases such as nitrogen oxides contained in exhaust gas, the ceramic honeycomb structure is sometimes used in a state where a catalyst is supported and the function of a catalytic converter is imparted.
However, in a conventional honeycomb filter, when a catalyst is supported on a ceramic honeycomb structure, cracks often occur in the filter due to thermal stress during regeneration, that is, combustion of collected soot.
そこで本発明の課題は、触媒担持セラミクスハニカム構造体を有しながらも、再生処理においてクラックを生じにくいハニカムフィルタを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a honeycomb filter that has a catalyst-supporting ceramic honeycomb structure and is less likely to cause cracks in the regeneration process.
本発明者らが検討したところ、セラミクスハニカム構造体に触媒を担持すると、担持前よりも熱膨張係数が相当程度たとえば、約3倍程度大きくなること、そして、触媒担持セラミクスハニカム構造体の熱膨張率が、セラミクスコート層の熱膨張率よりも高くなり、再生時の温度差に起因する触媒担持セラミクスハニカム構造体の膨張又は収縮量とセラミクスコート層の膨張又は収縮量とが食い違い、その差に基づく応力が発生してクラックが生じることを見いだして本発明に想到した。 As a result of investigations by the present inventors, when a catalyst is supported on the ceramic honeycomb structure, the thermal expansion coefficient is considerably increased, for example, about three times that before the support, and the thermal expansion of the catalyst-supported ceramic honeycomb structure is achieved. The coefficient of thermal expansion is higher than the coefficient of thermal expansion of the ceramic coating layer, and the expansion or contraction amount of the catalyst-supporting ceramic honeycomb structure and the expansion or contraction amount of the ceramic coating layer due to the temperature difference during regeneration are inconsistent. The inventors have found that cracks are generated due to the occurrence of stress based on the present invention, and have arrived at the present invention.
すなわち本発明に係るハニカムフィルタは、軸方向に多数の流路を有する柱状のセラミクスハニカム構造体及び前記セラミクスハニカム構造体に担持された触媒を有する触媒担持セラミクスハニカム構造体と、前記複数の流路の内の一部の流路の一端及び前記複数の流路の内の残部の流路の他端を閉じる複数の封口部と、前記触媒担持セラミクスハニカム構造体の外周面上に設けられたセラミクスコート層と、を備える。そして、前記触媒担持セラミクスハニカム構造体の径方向の熱膨張係数をCTEH、前記セラミクスコート層の熱膨張係数をCTECとしたときに、1.1≦CTEC/CTEH≦7を満たす。 That is, the honeycomb filter according to the present invention includes a columnar ceramic honeycomb structure having a large number of flow paths in the axial direction, a catalyst-supporting ceramic honeycomb structure having a catalyst supported on the ceramic honeycomb structure, and the plurality of flow paths. A plurality of sealing portions for closing one end of a part of the channels and the other end of the remaining channels of the plurality of channels, and ceramics provided on the outer peripheral surface of the catalyst-supporting ceramic honeycomb structure A coating layer. Then, the thermal expansion coefficient in the radial direction of the catalyst-carrying ceramics honeycomb structure CTE H, the thermal expansion coefficient of the ceramic coating layer is taken as CTE C, satisfy 1.1 ≦ CTE C / CTE H ≦ 7.
ここで、前記セラミクスコート層は、非晶質シリカ粒子、前記ハニカム構造体を構成するセラミクスと同種のセラミクス粒子、及び、無機バインダーを含むことができる。 Here, the ceramic coat layer may include amorphous silica particles, ceramic particles of the same type as the ceramics constituting the honeycomb structure, and an inorganic binder.
また、前記ハニカム構造体を構成するセラミクスと同種のセラミクス粒子は粉砕物であることができる。 The ceramic particles of the same type as the ceramics constituting the honeycomb structure may be a pulverized product.
また、前記触媒担持セラミクスハニカム構造体は10〜50%の気孔率を有することができる。 The catalyst-supporting ceramic honeycomb structure may have a porosity of 10 to 50%.
本発明によれば、触媒を担持したセラミクスハニカム構造体を有しながらも、再生処理においてクラックを生じにくいハニカムフィルタが提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the honeycomb filter which has a ceramic honeycomb structure which carry | supported the catalyst, and is hard to produce a crack in a regeneration process is provided.
図面を参照して本発明の1実施形態に係るハニカムフィルタ300を説明する。ハニカムフィルタ300は、多孔質の触媒担持セラミクスハニカム構造体120、複数の封口部130、及び、セラミクスコート層200を備える。
A
(セラミクスハニカム構造体及び封口部)
触媒担持セラミクスハニカム構造体120は、セラミクスハニカム構造体120a及びセラミクスハニカム構造体120aの表面(細孔の表面を含む)に担持された触媒を有する。
(Ceramics honeycomb structure and sealing part)
The catalyst-supporting
セラミクスハニカム構造体120aは、柱形状を有し、軸方向に延びる複数の入口流路(複数の第1流路)110a及び複数の出口流路(複数の第2流路)110bを有する。入口流路110a及び出口流路110bの断面形状は、例えば、円形、楕円形、四角形、六角形、八角形であることができる。セラミクスハニカム構造体120aは、互いに隣接する入口流路110a及び出口流路110bをそれぞれ隔てる隔壁として機能する。
The
各入口流路(流路の一部)110aは、入口端面100aにおいて開口され、出口端面100bにおいて封口部130により封口されている。また、各出口流路(流路の残部)110bは、出口端面100bにおいて開口され、入口端面100aにおいて封口部130により封口されている。なお、図1では、封口部130はプラグ形状であるが、封口部130は、セラミクスハニカム構造体120aの一部を変形することによって形成したもの(例えば円錐形状部)であってもよい。
Each inlet channel (a part of the channel) 110a is opened at the
セラミクスハニカム構造体120aを構成するセラミクスの例は、チタン酸アルミニウム系セラミクス、炭化ケイ素系セラミクス、コージェライト系セラミクス、炭化珪素系セラミクス、窒化珪素系セラミクスである。チタン酸アルミニウム系セラミクスは、マグネシウムやケイ素などを含むことができる。セラミクスは、原料由来の微量成分又は製造工程において不可避的に含まれる微量成分を含有し得る。封口部130は、セラミクスハニカム構造体120aと同種又は異種のセラミクスからなることができる。
Examples of ceramics constituting the
セラミクスハニカム構造体120aのセル密度は、例えば、35〜80cell/cm2とすることができる。
The cell density of the
(触媒)
セラミクスハニカム構造体120aに担持された触媒は、ハニカムフィルタ300をディーゼル粒子フィルタなどとして用いるとき、処理される排ガス中に含まれる窒素酸化物などの有害ガスを分解させる。触媒は、セラミクスハニカム構造体120aだけでなく封口部130に担持されていてもよい。触媒の例は、シリカ、アルミナ、マグネシア、チタニア、ジルコニア、セリア、酸化ランタン、酸化バリウム等の酸化物粒子、あるいは、これらのうちの2種以上を含む複合酸化物粒子である。複合酸化物の好適な例として、アルミノケイ酸塩、すなわちシリカとアルミナを含む複合酸化物の1種であるゼオライトが挙げられる。触媒の中心粒径D50は、0.1〜20μmとすることができる。本明細書における中心粒径は、レーザー回折式の粒度分布計により得られた体積基準の粒度分布のD50である。
(catalyst)
The catalyst supported on the
触媒の担持量は、触媒担持セラミクスハニカム構造体120の見掛け体積あたり1〜200g/Lとすることができる。
The amount of catalyst supported can be 1 to 200 g / L per apparent volume of the catalyst-supporting
触媒担持セラミクスハニカム構造体120の気孔率は、10〜50%であることができる。気孔率は水銀圧入法により測定できる。
The porosity of the catalyst-supporting
触媒担持セラミクスハニカム構造体120の径方向の熱膨張率CTEHは、1.0×10−6/℃〜6.0×10−6/℃とすることができる。
Coefficient of thermal expansion CTE H in the radial direction of the catalyst-supporting
触媒担持セラミクスハニカム構造体120の径方向とは、柱状体である触媒担持セラミクスハニカム構造体120の中心軸に垂直な面内における中心軸を含む直線の方向である。
The radial direction of the catalyst-supporting
本明細書において、熱膨張率とは、40〜800℃まで昇温した場合の線膨張率の平均値である。 In this specification, a thermal expansion coefficient is an average value of the linear expansion coefficient when it heats up to 40-800 degreeC.
(セラミクスコート層)
セラミクスコート層200は、触媒担持セラミクスハニカム構造体120の外周面上に設けられている。セラミクスコート層200は、外周面上に全周にわたって設けられることができる。セラミクスコート層200の厚みは、例えば、0.2〜2.0mmとすることができる。
(Ceramics coating layer)
The
セラミクスコート層200は、セラミクス粒子、及び、これらを結合するマトリクスを構成する無機バインダーを有することができる。セラミクスコート層は多孔質であることができる。セラミクスコート層200の気孔率は、触媒担持セラミクスハニカム構造体120よりも小さく、10〜40%であることができる。
The
セラミクス粒子、及び無機バインダーの各々の混合比率は、セラミクス粒子100質量部に対して、無機バインダーを0.5〜50.0質量部程度とすることができる。 The mixing ratio of the ceramic particles and the inorganic binder can be about 0.5 to 50.0 parts by mass of the inorganic binder with respect to 100 parts by mass of the ceramic particles.
セラミクスコート層200のセラミクス粒子は特に限定されない。例えば、アルミナ、シリカ、チタン酸アルミニウム、コージェライト等である。セラミクス粒子は、セラミクスハニカム構造体120aのセラミクスと同じ種類のセラミクス粒子を含んでもよいが含まなくてもよい。
The ceramic particles of the
無機バインダーの例は、非晶質シリカ、アルミナである。 Examples of the inorganic binder are amorphous silica and alumina.
非晶質シリカ粒子として、典型的には溶融シリカを用いることができ、その中心粒子径は、1〜20μm程度の範囲にあればよい。 As the amorphous silica particles, fused silica can be typically used, and the center particle diameter may be in the range of about 1 to 20 μm.
セラミクス粒子は、セラミクスハニカム構造体120aを構成するセラミクスと同じ種類のセラミクスの粒子と、非晶質シリカ粒子との組合せであることが好ましい。セラミクスハニカム構造体120aを構成するセラミクスと同じ種類のセラミクスの粒子と、非晶質シリカ粒子との混合比率は、セラミクスハニカム構造体120aを構成するセラミクスと同じ種類のセラミクスの粒子100質量部に対して、非晶質シリカ粒子を10〜2000質量部程度とすることができる。
The ceramic particles are preferably a combination of the same kind of ceramic particles as the ceramic constituting the
セラミクスハニカム構造体120aを構成するセラミクスと同種のセラミクスの粒子の例は、先に述べたセラミクスハニカム構造体120aを構成するセラミクスと同じである。その中心粒径は3〜50μmとすることができる。たとえば、この粒子は、チタン酸アルミニウム粒子又はコージェライト粒子であることができる。またこの粒子は、セラミクスハニカム構造体120aを製造する際に出る端材の粉砕物であることができる。
An example of the same kind of ceramic particles as the ceramic constituting the
セラミクスコート層は、セラミクス粒子として、アルミナシリケートファイバー等のセラミクスファイバー、又は生体溶解性ファイバー含有していてもよい。ファイバーのアスペクト比(長径と短径との比)は3倍以上であることができる。ファイバーの短径は2〜10μmであることができる。 The ceramic coating layer may contain ceramic fibers such as alumina silicate fibers or biosoluble fibers as ceramic particles. The aspect ratio (ratio of major axis to minor axis) of the fiber can be 3 times or more. The minor axis of the fiber can be 2-10 μm.
無機バインダーは、セラミクスコート層200のマトリックスとなるものであり、その例として、コロイド状酸化物、例えば、コロイダルシリカやコロイダルアルミナ、また水ガラスなどが挙げられる。なかでもコロイド状酸化物、とりわけコロイダルシリカが好ましく用いられる。無機バインダーがコロイド状酸化物のように粒子状になっている場合、その中心粒子径は、5〜50nm程度の範囲にあることが好ましい。
The inorganic binder serves as a matrix of the
セラミクスコート層200の熱膨張率CTECは、1.1×10−6/℃〜7.0×10−6/℃とすることができる。セラミクスコート層200の熱膨張率CTECは、特に方向により大きく相違するものではない。具体的には、セラミクスコート層200の軸方向の熱膨張率を測定すればよい。
Coefficient of thermal expansion CTE C of
セラミクスコート層200の熱膨張率は、その組成により調整できる。たとえば、溶融シリカを多く添加すると熱膨張率が低くなり、セラミクスの濃度を高くすると、熱膨張率が高くなる。
The coefficient of thermal expansion of the
本実施形態に係るハニカムフィルタにおいて、触媒担持セラミクスハニカム構造体120の径方向の熱膨張係数をCTEH、セラミクスコート層200の熱膨張係数をCTECとしたときに、1.1≦CTEC/CTEH≦7を満たす。1.12≦CTEC/CTEH、1.13≦CTEC/CTEH、1.2≦CTEC/CTEH、1.3≦CTEC/CTEH、及び1.35≦CTEC/CTEHとすることができる。また、CTEC/CTEH≦5、CTEC/CTEH≦3とすることができる。
In the honeycomb filter according to the present embodiment, the thermal expansion coefficient in the radial direction of the catalyst-supporting ceramic honeycomb
本実施形態に係る発明によれば、1.1≦CTEC/CTEH≦7を満たすことにより、触媒担持セラミクスハニカム構造体120を有しながらも、再生処理においてクラックを生じにくいハニカムフィルタ300が提供される。
According to the invention according to the present embodiment, the
続いて、上記のようなハニカムフィルタの製造方法の一例を説明する。 Then, an example of the manufacturing method of the above honeycomb filters is demonstrated.
セラミクスハニカム構造体120aは、セラミクス原料混合物のペーストから出発し、押出工程、乾燥工程、封口工程、及び焼成工程、必要に応じて上記の外周面の切削や研磨などの加工工程を経て、製造できる。セラミクス原料混合物のペーストは、セラミクスの原料粉末、有機バインダー、その他の添加物及び溶媒を混練機等で混合することにより、調製される。
The
(セラミクス源)
セラミクス源は、セラミクスを構成する元素を含む粉末である。たとえば、アルミナ、シリカ、ムライト、コージェライト、ガラス、チタン酸アルミニウム等の酸化物粉末、水酸化アルミニウム等の水酸化物粉等が挙げられる。また、セラミクスハニカム構造体を得るまでの間に生じる端材を、原料の一部として再利用することもできる。
(Source of ceramics)
The ceramic source is a powder containing an element constituting the ceramic. Examples thereof include alumina, silica, mullite, cordierite, glass, oxide powder such as aluminum titanate, hydroxide powder such as aluminum hydroxide, and the like. Moreover, the end material produced until the ceramic honeycomb structure is obtained can be reused as a part of the raw material.
たとえば、チタン酸アルミニウム又はチタン酸アルミニウムマグネシウムからなるセラミクスハニカム構造体を製造する場合、原料粉末は、αアルミナ粉等のアルミニウム源粉末、及び、アナターゼ型やルチル型のチタニア粉末等のチタン源粉末を含むことができる。原料粉末は、必要に応じてさらに、マグネシア粉末やマグネシアスピネル粉末等のマグネシウム源粉末、及び/又は、酸化ケイ素粉末やガラスフリット等のケイ素源粉末を含むことができる。 For example, when manufacturing a ceramic honeycomb structure made of aluminum titanate or aluminum magnesium titanate, the raw material powder is an aluminum source powder such as α-alumina powder and a titanium source powder such as anatase type or rutile type titania powder. Can be included. The raw material powder can further contain a magnesium source powder such as magnesia powder and magnesia spinel powder and / or a silicon source powder such as silicon oxide powder and glass frit as required.
有機バインダーとしては、例えば、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシアルキルメチルセルロース、ナトリウムカルボキシメチルセルロース等のセルロース類;ポリビニルアルコール等の水溶性高分子;及びリグニンスルホン酸塩が挙げられる。 Examples of the organic binder include celluloses such as methylcellulose, carboxymethylcellulose, hydroxyalkylmethylcellulose, and sodium carboxymethylcellulose; water-soluble polymers such as polyvinyl alcohol; and lignin sulfonate.
その他の添加物としては、例えば、造孔剤、潤滑剤及び可塑剤、並びに分散剤が挙げられる。 Examples of other additives include a pore-forming agent, a lubricant and a plasticizer, and a dispersant.
造孔剤は、例えば、グラファイト等の炭素材;ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメタクリル酸メチル等の樹脂類;でんぷん、ナッツ殻、クルミ殻、コーン等の植物材料;氷;又はドライアイスで構成することができる。 The pore-forming agent may be composed of, for example, carbon materials such as graphite; resins such as polyethylene, polypropylene, and polymethyl methacrylate; plant materials such as starch, nut shells, walnut shells, and corn; ice; or dry ice it can.
潤滑剤及び可塑剤は、例えば、グリセリン等の多価アルコール類;カプリル酸、ラウリン酸、パルミチン酸、アラキジン酸、オレイン酸、ステアリン酸等の高級脂肪酸;ステアリン酸アルミニウム等のステアリン酸金属塩;又はポリオキシアルキレンアルキルエーテルで構成することができる。これらは、潤滑剤としても可塑剤としても機能する。 Lubricants and plasticizers include, for example, polyhydric alcohols such as glycerin; higher fatty acids such as caprylic acid, lauric acid, palmitic acid, arachidic acid, oleic acid and stearic acid; metal stearates such as aluminum stearate; or It can be composed of a polyoxyalkylene alkyl ether. These function as both a lubricant and a plasticizer.
分散剤は、例えば、硝酸、塩酸、硫酸等の無機酸;シュウ酸、クエン酸、酢酸、リンゴ酸、乳酸等の有機酸;メタノール、エタノール、プロパノール等の低級アルコール類;又はポリカルボン酸アンモニウム等の界面活性剤で構成することができる。 Examples of the dispersant include inorganic acids such as nitric acid, hydrochloric acid and sulfuric acid; organic acids such as oxalic acid, citric acid, acetic acid, malic acid and lactic acid; lower alcohols such as methanol, ethanol and propanol; or ammonium polycarboxylate It can be comprised with the following surfactant.
溶媒としては、アルコール類や水を用いることができる。アルコール類としては、例えば、メタノール、エタノール、ブタノール、プロパノール等の一価アルコール類;又はプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、エチレングリコール等の二価アルコール類を用いることができる。溶媒としては、特に水、それも純水やイオン交換水など、精製された水が好ましく用いられるが、必要に応じて上記のアルコール類を併用することもできる。 As the solvent, alcohols or water can be used. As alcohols, for example, monohydric alcohols such as methanol, ethanol, butanol and propanol; or dihydric alcohols such as propylene glycol, polypropylene glycol and ethylene glycol can be used. As the solvent, water, or purified water such as pure water or ion exchange water, is preferably used, but the above alcohols can be used in combination as necessary.
(押出工程及び乾燥工程)
押出工程では、以上の各成分を混合混練して得られるセラミクス原料混合物のペーストを押出成形機のダイから押出すことにより、長尺の柱状体を得る。押出ダイは、格子状の開口部を有するため、柱状体にはその長尺方向に延びる複数の貫通孔が形成される。得られる柱状体をその長手方向に所定長さで切断して、セラミクスハニカム構造体120aの未封口グリーンとなる。乾燥工程では、セラミクスハニカム構造体120aの未封口グリーンを熱風やマイクロウエーブ等により乾燥して、溶媒を除去する。
(Extrusion process and drying process)
In the extrusion step, a long columnar body is obtained by extruding a ceramic raw material mixture paste obtained by mixing and kneading the above components from a die of an extruder. Since the extrusion die has a lattice-shaped opening, a plurality of through holes extending in the longitudinal direction are formed in the columnar body. The obtained columnar body is cut to a predetermined length in the longitudinal direction to form an unsealed green of the
(封口工程)
封口工程では、セラミクスハニカム構造体120aの未封口グリーンに形成されている複数の貫通孔のうち、一部の貫通孔が柱状体の一方の端面側で塞がれ、残りの貫通孔は柱状体の他方の端面で塞がれるように各貫通孔を封口する。こうして、一方の端面が開口し、他方の端面が封口されている流路と、一方の端面が封口され、他方の端面が開口している流路とがほぼ交互に配置されている状態となる。封口は、封口すべき貫通孔に相当する位置にのみ開口が設けられているマスクを当該封口すべき端面に貼り付け、そこに封口材を押し込む方法によって行うことができるほか、開口のままとすべき複数の貫通孔に楔形の治具を押し込んで、セル壁を封口すべき貫通孔側へ倒し、当該封口すべき貫通孔を形成するセル壁同士を結合させて塞ぐ方法(変形封口と呼ばれる)によって行うこともできる。前者の方法で用いる封口材は、先に述べたセラミクス原料混合物のペーストと同様の材料で構成することができる。
(Sealing process)
In the sealing step, among the plurality of through holes formed in the unsealed green of the
(焼成工程)
続く焼成工程では、封口部を有するセラミクスハニカム構造体120aのグリーンを仮焼き(脱脂)し、さらに焼成する。仮焼き(脱脂)は、セラミクスハニカム構造体120aのグリーン中の有機バインダーや、必要に応じて配合される有機添加物を、燃焼、分解等により除去するための工程である。通常は、焼成工程の初期段階、すなわちセラミクスハニカム構造体120aのグリーンが焼成温度に達するまでの昇温段階(例えば、300〜900℃の温度範囲)で、仮焼き(脱脂)が行われる。
(Baking process)
In the subsequent firing step, the
焼成温度は、好ましくは1300℃以上、より好ましくは1400℃以上であり、また好ましくは1650℃以下、より好ましくは1550℃以下である。焼成温度に達するまでの昇温速度は、例えば、1℃/hr〜500℃/hrの範囲から選択される。そのうち上記の仮焼き(脱脂)が行われる温度範囲では、昇温速度を小さめに設定することが好ましい。 The firing temperature is preferably 1300 ° C. or higher, more preferably 1400 ° C. or higher, and preferably 1650 ° C. or lower, more preferably 1550 ° C. or lower. The rate of temperature rise until reaching the firing temperature is selected from the range of 1 ° C./hr to 500 ° C./hr, for example. Among them, it is preferable to set the temperature rising rate to be smaller in the temperature range where the calcining (degreasing) is performed.
焼成は通常、大気中で行われる。用いる原料粉末、例えば、チタン酸アルミニウム質セラミクスハニカム構造体とする場合の、アルミニウム源粉末、チタン源粉末、マグネシウム源粉末及びケイ素源粉末の種類や使用量比によっては、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス中で焼成を行ってもよいし、一酸化炭素ガス、水素ガス等の還元性ガス中で焼成を行ってもよい。また、水蒸気分圧を小さくした焼成雰囲気とすることもできる。 Firing is usually performed in the air. Depending on the type and usage ratio of the aluminum source powder, titanium source powder, magnesium source powder and silicon source powder when the raw material powder to be used, for example, an aluminum titanate ceramic honeycomb structure is used, nitrogen gas, argon gas, etc. Firing may be performed in an inert gas, or firing may be performed in a reducing gas such as carbon monoxide gas or hydrogen gas. Moreover, it can also be set as the baking atmosphere which made water vapor | steam partial pressure small.
焼成は通常、管状電気炉、箱型電気炉、トンネル炉、遠赤外線炉、マイクロ波加熱炉、シャフト炉、反射炉、ロータリー炉、ローラーハース炉など、通常の焼成炉を用いて行われる。焼成は、回分式で行ってもよいし、連続式で行ってもよい。また、静置式で行ってもよいし、流動式で行ってもよい。焼成に要する時間は、グリーンを構成する原料粉末の組成及び量、焼成炉の形式、焼成温度、焼成雰囲気などにより異なるが、上記した焼成温度に達した後、10分〜24時間程度の範囲から適宜選択される。 Firing is usually performed using a common firing furnace such as a tubular electric furnace, a box-type electric furnace, a tunnel furnace, a far-infrared furnace, a microwave heating furnace, a shaft furnace, a reflection furnace, a rotary furnace, or a roller hearth furnace. Firing may be performed batchwise or continuously. Moreover, you may carry out by a stationary type and may carry out by a fluid type. The time required for firing varies depending on the composition and amount of the raw material powder constituting the green, the form of the firing furnace, the firing temperature, the firing atmosphere, and the like, but from the range of about 10 minutes to 24 hours after reaching the above firing temperature. It is selected appropriately.
以上のようにして、封口部130及び多孔質のセラミクスハニカム構造体120aを得ることができる。こうして得られるセラミクスハニカム構造体120aに対して、必要に応じて外周面の切削及び/又は研磨を施した後、触媒の担持、及び、外周面上へのセラミクスコート層200の形成を行う。触媒の担持とセラミクスコート層200の形成は、どちらを先に行ってもよいが、ここでは、触媒担持、セラミクスコート層200の形成の順に説明する。
As described above, the sealing
(触媒の担持)
セラミクスハニカム構造体120aへの触媒の担持は、例えば、目的とする触媒を水に分散させてスラリーとし、そこに上記の封口部を有するセラミクスハニカム構造体120aを浸漬する方法により、行うことができる。浸漬後は、水を除去するために乾燥される。
(Catalyst loading)
The catalyst can be supported on the
(セラミクスコート層200の形成)
セラミクスコート層200は、上述したセラミクスコート層の原料を含むコート材をセラミクスハニカム構造体120aの外周面上に塗布し、乾燥させて形成することができる。乾燥温度は40〜200℃とすることができる。このコート材は、塗布後に固まりやすくするため、有機バインダーを含有することもできる。有機バインダーの例は、先にセラミクスハニカム構造体120aの原料として挙げた有機バインダーの例と同じである。塗布法は特に限定されず、刷毛塗り法、ローラーブラシ法、ドクターブレード法などが挙げられる。
(Formation of ceramics coating layer 200)
The
コート材をセラミクスハニカム構造体120aの外周面上に塗布した後、400〜1000℃の高温で処理することにより、無機バインダーがマトリックス、例えば非晶質酸化物マトリックスとなり、そこに、たとえば、前記の非晶質シリカ粒子及びハニカム構造体本体を構成するセラミクスと同種の物質を有するセラミクス粒子が分散して存在するセラミクスコート層200が形成される。有機バインダーを含むコート材を使用した場合、その有機バインダーは、上記の高温処理により、燃焼除去される。熱処理温度は、500〜1000℃とすることができる。
After coating the coating material on the outer peripheral surface of the
本発明は上記実施形態に限定されず様々な変形態様が可能である。
例えば、セラミクスハニカム構造体の外形形状、流路の配置について特段の限定はない。たとえば、セラミクスハニカム構造体は、円柱でなくても、四角柱、六角柱等の角柱でもよい。流路の形状も、四角形、八角形、及び、複数の形状を有していてもよい。流路の配置も三角形配置、正方形配置等種々の態様を取り得る。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
For example, there is no particular limitation on the outer shape of the ceramic honeycomb structure and the arrangement of the flow paths. For example, the ceramic honeycomb structure may not be a cylinder, but may be a prism such as a quadrangular prism or a hexagonal prism. The shape of the flow path may also be a quadrangle, an octagon, or a plurality of shapes. The arrangement of the flow paths can take various forms such as a triangular arrangement and a square arrangement.
以下、実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
(実施例1)
アルミナ、溶融シリカ、チタニア及びマグネシアの粉末を所定割合で混合して、チタン酸アルミニウム生成原料粉末とし、これに、バインダー、潤滑剤及び造孔材をそれぞれ適量添加し、乾式で十分混合した後、規定量の水を添加し、十分な混錬を行って、可塑化したセラミクス粘土を作製した。バインダーとしてはメチルセルロース及びヒドロキシプロピルメチルセルロースを、また造孔材としてはポテトスターチを、それぞれ使用した。
Example 1
Alumina, fused silica, titania and magnesia powder are mixed at a predetermined ratio to obtain an aluminum titanate forming raw material powder. To this, an appropriate amount of a binder, a lubricant and a pore former are added and mixed thoroughly in a dry process. A specified amount of water was added and sufficient kneading was performed to produce a plasticized ceramic clay. Methylcellulose and hydroxypropylmethylcellulose were used as the binder, and potato starch was used as the pore former.
次に、得られたセラミクス粘土を、押出成形用口金を通過させることにより、外周壁とセル壁とが一体に形成されたハニカム構造を有するグリーン体とした。セルの形状は六角形とした。その後、各流路の一端又は他端を同様のセラミクス粘度で封口した。その後、封口されたグリーン体を乾燥、焼成することにより、セル壁0.3mm、外径寸法170mm、全長140mmの外周壁とセル壁とが一体に形成された円柱状のチタン酸アルミニウム質セラミクスハニカム構造体を得た。この構造体から試験片を切出し、気孔率、気孔径分布及び径方向の熱膨張係数を測定した。ここで、気孔率及び気孔径分布は水銀圧入法により測定し、熱膨張係数は室温(40℃)から800℃までの間の平均熱膨張係数として求めた。その結果、セル壁の気孔率は60.0%、中心細孔径は18μm、径方向の熱膨張係数は1.6×10-6/℃であった。 Next, the obtained ceramic clay was passed through an extrusion die to obtain a green body having a honeycomb structure in which an outer peripheral wall and a cell wall were integrally formed. The shape of the cell was a hexagon. Then, one end or the other end of each flow path was sealed with the same ceramic viscosity. Thereafter, the sealed green body is dried and fired to form a cylindrical aluminum titanate ceramic honeycomb having a cell wall of 0.3 mm, an outer diameter of 170 mm, and an outer wall of 140 mm in total length and a cell wall integrally formed. A structure was obtained. A test piece was cut out from the structure, and the porosity, the pore size distribution, and the thermal expansion coefficient in the radial direction were measured. Here, the porosity and pore size distribution were measured by a mercury intrusion method, and the thermal expansion coefficient was determined as an average thermal expansion coefficient between room temperature (40 ° C.) and 800 ° C. As a result, the porosity of the cell wall was 60.0%, the center pore diameter was 18 μm, and the thermal expansion coefficient in the radial direction was 1.6 × 10 −6 / ° C.
得られたチタン酸アルミニウム質セラミクスハニカム焼結体の外周面を、円筒研削盤を用いて所定の外径となるよう切削加工して除去することにより、外周直径が規定の値とされたセラミクスハニカム構造体を得た。 The outer peripheral surface of the obtained aluminum titanate-based ceramic honeycomb sintered body is removed by cutting so as to have a predetermined outer diameter using a cylindrical grinder, so that the outer diameter of the ceramic honeycomb has a specified value. A structure was obtained.
別途、コート材として、中心粒子径が5μmの溶融シリカ粒子と、上記製造方法により得られたチタン酸アルミニウム質セラミクスハニカム構造体の端材(外周部切削加工粉など)を粉砕して得た中心粒径が25μmのチタン酸アルミニウム粒子と、アルミナシリケートファイバー(短径4〜6μm、アスペクト比8〜13)と、中心粒径が12nmのコロイダルシリカと、ヒドロキシプロピルメチルセルロースと、水とを所定の配合比でミキサーに入れて混合し、ハニカム構造体に塗布可能なペースト状に調製した。コート剤の配合比は、溶融シリカ粒子を60質量部、チタン酸アルミニウム粒子を140質量部、アルミナシリケートファイバーを40質量部、コロイダルシリカを10質量部とした。 Separately, a center obtained by pulverizing fused silica particles having a center particle diameter of 5 μm as a coating material and the end materials (peripheral cutting powder, etc.) of the aluminum titanate ceramic honeycomb structure obtained by the above production method Predetermined combination of aluminum titanate particles having a particle diameter of 25 μm, alumina silicate fiber (short diameter 4-6 μm, aspect ratio 8-13), colloidal silica having a center particle diameter of 12 nm, hydroxypropylmethylcellulose, and water The mixture was mixed in a ratio to prepare a paste that could be applied to the honeycomb structure. The blending ratio of the coating agent was 60 parts by mass of fused silica particles, 140 parts by mass of aluminum titanate particles, 40 parts by mass of alumina silicate fiber, and 10 parts by mass of colloidal silica.
前記セラミクスハニカム構造体の外周面に、ヘラを用いて上記コート材を塗布した後、40℃で乾燥を行った。その後、有機物を燃焼させるために550℃で3時間加熱し、セラミクスハニカム構造体の外周面に0.7mmのセラミクスコート層を形成した。 The coating material was applied to the outer peripheral surface of the ceramic honeycomb structure using a spatula, and then dried at 40 ° C. Then, in order to burn organic matter, it heated at 550 degreeC for 3 hours, and formed the ceramic coat layer of 0.7 mm in the outer peripheral surface of the ceramic honeycomb structure.
引き続き、ゼオライト触媒(ZSM−5)を30質量%含む水スラリーに、上で得たセラミクスコート層及び封口部を有するセラミクスハニカム構造体を2分間浸漬した後、エアーブローにより余分なスラリーを除去し、100℃で1時間乾燥した。乾燥後の触媒含浸セラミクスハニカム構造体を、大気雰囲気で500℃に保たれた電気炉に1時間保持して、触媒担持チタン酸アルミニウム質セラミクスハニカム構造体を有するハニカムフィルタを得た。触媒担持により、セラミクスハニカム構造体の気孔率は、上記触媒担持前の60%よりは低下する。 Subsequently, after immersing the ceramic honeycomb structure having the ceramic coating layer and the sealing portion obtained above in an aqueous slurry containing 30% by mass of the zeolite catalyst (ZSM-5) for 2 minutes, excess slurry is removed by air blowing. And dried at 100 ° C. for 1 hour. The dried catalyst-impregnated ceramic honeycomb structure was held in an electric furnace maintained at 500 ° C. in an air atmosphere for 1 hour to obtain a honeycomb filter having a catalyst-supported aluminum titanate ceramic honeycomb structure. By supporting the catalyst, the porosity of the ceramic honeycomb structure is lower than 60% before supporting the catalyst.
得られたハニカムフィルタから、図2の(a)及び(b)のようにして、セラミクスコート層の線熱膨張率測定用試験片Sc、及び、触媒担持セラミクスハニカム構造体の線熱膨張率測定用試験片Shを切出した。図2の(a)に示すように、ハニカムフィルタ300の外周部からは、縦20mm、横8mm、厚さ3mmの大きさを有し、縦方向が軸方向となり、厚み方向が径方向となり、横方向が径方向と直交する方向となり、外周面を含む小片を切り出し、これをセラミクスコート層の線熱膨張率測定用試験片Scとした。また、ハニカムフィルタ300の触媒担持セラミクスハニカム構造体120の径方向中心部かつ封口部を含まない軸方向の中央部から、縦5mm、横20mm、厚さ5mmの大きさを有し、横方向が径方向となり、厚さ方向が軸方向となる、直方体小片を切り出し、触媒担持セラミクスハニカム構造体120の線熱膨張率測定用試験片Shとした。セラミクスコート層を含む外周部の線熱膨張率測定用試験片Sc及びセラミクスハニカム構造体の線熱膨張率測定用試験片Shの形状を、それぞれ図2の(a)及び(b)に概略斜視図で示す。セラミクスコート層の線熱膨張率測定用試験片Scには、触媒担持セラミクスハニカム構造体120の一部が残っているが、この残っている触媒担持セラミクスハニカム構造体120が熱膨張測定部に触れないように、以下の熱機械的分析装置にセットし、セラミクスコート層の線熱膨張率だけが求められるようにした。
From the obtained honeycomb filter, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the test piece Sc for measuring the linear thermal expansion coefficient of the ceramic coating layer and the linear thermal expansion coefficient measurement of the catalyst-supporting ceramic honeycomb structure are obtained. A test specimen Sh was cut out. As shown in FIG. 2 (a), from the outer periphery of the
熱機械的分析装置(SIIテクノロジー株式会社のTMA6300)に、触媒担持セラミクスハニカム構造体用の試験片SHはその横方向が、セラミクスコート層用の試験片Scはその縦方向がそれぞれ熱膨張測定方向となるようにセットし、室温(25℃)から1000℃まで600℃/hrの速度で昇温し、その後再び室温付近まで降温して、各温度における小片の線膨張率を求め、それらの値をもとに、40℃から800℃までの間の平均熱膨張係数を算出した。 In a thermomechanical analyzer (TMA6300 from SII Technology Co., Ltd.), the test piece SH for the catalyst-supporting ceramic honeycomb structure is in the horizontal direction, and the test piece Sc for the ceramic coating layer is in the vertical direction in the direction of thermal expansion measurement. The temperature was increased from room temperature (25 ° C.) to 1000 ° C. at a rate of 600 ° C./hr, and then cooled again to near room temperature to obtain the linear expansion coefficient of the small piece at each temperature, Based on the above, an average coefficient of thermal expansion between 40 ° C. and 800 ° C. was calculated.
結果は以下のとおりであった。
触媒担持セラミクスハニカム構造体:3.8×10-6/℃
セラミクスコート層 :4.3×10-6/℃
The results were as follows.
Catalyst-supporting ceramic honeycomb structure: 3.8 × 10 −6 / ° C.
Ceramic coating layer: 4.3 × 10 −6 / ° C.
(実施例2)
セラミクスコート層の熱膨張係数を変えるべく、溶融シリカ粒子を60質量部、チタン酸アルミニウム粒子を140質量部、アルミナシリケートファイバーを0質量部、コロイダルシリカを8.3質量部とする以外は、実施例1と同様とした。
結果は以下のとおりであった。
触媒担持セラミクスハニカム構造体:3.8×10-6/℃
セラミクスコート層 :5.2×10-6/℃
(Example 2)
To change the thermal expansion coefficient of the ceramic coating layer, except that the fused silica particles are 60 parts by mass, the aluminum titanate particles are 140 parts by mass, the alumina silicate fiber is 0 parts by mass, and the colloidal silica is 8.3 parts by mass. Same as Example 1.
The results were as follows.
Catalyst-supporting ceramic honeycomb structure: 3.8 × 10 −6 / ° C.
Ceramics coating layer: 5.2 × 10 −6 / ° C.
(比較例1)
セラミクスコート層の熱膨張係数を変えるべく、溶融シリカ粒子を110質量部、チタン酸アルミニウム粒子を90質量部、アルミナシリケートファイバーを40質量部、コロイダルシリカを10質量部とする以外は、実施例1と同様とした。
結果は以下のとおりであった。
触媒担持セラミクスハニカム構造体:3.8×10-6/℃
セラミクスコート層 :2.8×10-6/℃
(Comparative Example 1)
Example 1 except that the fused silica particles were changed to 110 parts by mass, the aluminum titanate particles to 90 parts by mass, the alumina silicate fiber to 40 parts by mass, and the colloidal silica to 10 parts by mass in order to change the thermal expansion coefficient of the ceramic coating layer. And the same.
The results were as follows.
Catalyst-supporting ceramic honeycomb structure: 3.8 × 10 −6 / ° C.
Ceramic coating layer: 2.8 × 10 −6 / ° C.
(比較例2)
セラミクスコート層を形成しない以外は実施例1と同様とした。結果は以下のとおりであった。
触媒担持セラミクスハニカム構造体:3.8×10-6/℃
(Comparative Example 2)
The procedure was the same as Example 1 except that the ceramic coat layer was not formed. The results were as follows.
Catalyst-supporting ceramic honeycomb structure: 3.8 × 10 −6 / ° C.
(評価)
各ハニカムフィルタの「スス燃焼最大温度」の測定については、以下のように行った。バーナー式スス発生機にてススを発生し、所定量のスス(パティキュレートマター)を、作製したハニカムフィルタに堆積させた。その後、バーナーにより発生した高温の燃焼ガスをハニカムフィルタに流入させてガス(入口ガス)の温度を上昇させてススに着火した。その後、入口ガスの温度が所定の温度に達した所で、バーナーからの高温ガスの供給を止め、装置をアイドル状態に切り替え、煤の燃焼を完了させた。その後、クラックの有無を確認した。次に、再生処理前のスス堆積量を徐々に増加させ、ハニカムフィルタにクラックが生じるまで同じ試験を繰り返し行った。このとき、ハニカムフィルタの排ガスの出口側の端面付近における中央付近の温度を熱電対で測定した。そして、ハニカムフィルタにクラックが生じない場合におけるハニカムフィルタ内の最高の温度を「スス燃焼最大温度」とした。クラック発生の有無の確認は、目視にて行った。結果を表1に示す。
(Evaluation)
The “soot combustion maximum temperature” of each honeycomb filter was measured as follows. Soot was generated by a burner type soot generator, and a predetermined amount of soot (particulate matter) was deposited on the manufactured honeycomb filter. Thereafter, high-temperature combustion gas generated by the burner was caused to flow into the honeycomb filter to raise the temperature of the gas (inlet gas), and soot was ignited. Thereafter, when the temperature of the inlet gas reached a predetermined temperature, the supply of the high-temperature gas from the burner was stopped, the apparatus was switched to the idle state, and soot combustion was completed. Thereafter, the presence or absence of cracks was confirmed. Next, the soot accumulation amount before the regeneration treatment was gradually increased, and the same test was repeated until cracks occurred in the honeycomb filter. At this time, the temperature near the center in the vicinity of the end face on the outlet side of the exhaust gas of the honeycomb filter was measured with a thermocouple. The highest temperature in the honeycomb filter when no cracks occurred in the honeycomb filter was defined as “the soot combustion maximum temperature”. The presence or absence of cracks was confirmed visually. The results are shown in Table 1.
表1より、実施例1,2のハニカムフィルタは「スス燃焼最大温度」が高く、ハニカムフィルタへクラックが発生することを抑制されていることがわかる。
From Table 1, it can be seen that the honeycomb filters of Examples 1 and 2 have a high “soot combustion maximum temperature”, and the occurrence of cracks in the honeycomb filter is suppressed.
120a…セラミクスハニカム構造体、120…触媒担持セラミクスハニカム構造体、110a…入口流路(流路)、110b…出口流路(出口)、130…封口部、200…セラミクスコート層、300…ハニカムフィルタ。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記複数の流路の内の一部の流路の一端及び前記複数の流路の内の残部の流路の他端を閉じる複数の封口部、及び、
前記触媒担持セラミクスハニカム構造体の外周面上に設けられたセラミクスコート層、を備え、
前記触媒担持セラミクスハニカム構造体の径方向の熱膨張係数をCTEH、前記セラミクスコート層の熱膨張係数をCTECとしたときに、
1.1≦CTEC/CTEH≦7を満たす、ハニカムフィルタ。 A columnar ceramic honeycomb structure having a large number of channels in the axial direction, and a catalyst-supporting ceramic honeycomb structure having a catalyst supported on the ceramic honeycomb structure;
A plurality of sealing portions for closing one end of a part of the plurality of channels and the other end of the remaining part of the plurality of channels; and
A ceramic coating layer provided on the outer peripheral surface of the catalyst-supporting ceramic honeycomb structure,
The thermal expansion coefficient in the radial direction of the catalyst-carrying ceramics honeycomb structure CTE H, the thermal expansion coefficient of the ceramic coating layer is taken as CTE C,
A honeycomb filter satisfying 1.1 ≦ CTE C / CTE H ≦ 7.
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