JP2019178052A - コーティング材、外周コート炭化珪素系ハニカム構造体、及び炭化珪素系ハニカム構造体の外周をコーティングする方法 - Google Patents

コーティング材、外周コート炭化珪素系ハニカム構造体、及び炭化珪素系ハニカム構造体の外周をコーティングする方法 Download PDF

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Abstract

【課題】乾燥・熱処理時の外周コート層のクラックの発生を効果的に抑制するコーティング剤の提供【解決手段】炭化珪素系ハニカム構造体用コーティング材であって、化学成分として炭化珪素を55〜95質量%、二酸化珪素を5〜30質量%含むセラミック粉末(A)を20〜75質量%含むコーティング材。【効果】この組成を有するコーティング材は、乾燥した後の熱膨張係数はハニカム構造体100の熱膨張係数と近いため、全体としての耐熱衝撃性が高く、クラックは発生しにくくなり、コーティング材を、ハニカム構造体の外周面に塗布して、乾燥又は乾燥した後に焼成することにより外周コート層を形成する場合、クラックの発生を効果的に抑制できる。【選択図】図1

Description

本発明は、コーティング材、外周コート炭化珪素系ハニカム構造体、及び炭化珪素系ハニカム構造体の外周をコーティングする方法に関する。とりわけ、乾燥・熱処理時の外周コート層のクラックの発生を効果的に抑制することができるコーティング材、外周コート炭化珪素系ハニカム構造体、及び炭化珪素系ハニカム構造体の外周をコーティングする方法に関する。
自動車の排ガス中の窒素酸化物(NOx)や一酸化炭素(CO)等の有害物質浄化用の触媒をつける物や排ガス中の微粒子を捕集するためのフィルターとして、耐熱性セラミックスでできたハニカム構造体を使用している。セラミックスハニカム構造体は、隔壁が薄く、高気孔率のため機械的強度が小さい。そのため、強度を補い、破損を防ぐことを目的として、研削して一定の径に揃えたハニカム構造体(セル構造体)の外周に、セラミックス粉末を含むスラリー(以下コート材)を塗布、乾燥または焼成して外壁を設けている(例えば、特許文献1〜2参照)。
ハニカム構造体の外周にコート材を塗布し乾燥した際、コート材表面と内部の収縮の差からクラックが発生することがある。外壁のクラックは、セラミックスハニカム構造体の強度低下を招き、外壁に触媒担持を施工した場合には、クラックから触媒液が漏れ出る原因となる。そのため、コート材の乾燥工程においてはコート材のクラック発生等の監視を行い、人手で修正作業(塗り直し)を行うのが通常である。
この問題に対して、特許文献3は、コーティング材に含まれる無機粒子のD90/D10が5〜50であって、D10が50μm以下、D90が4μm以上であるハニカム構造体用コーティング材を採用することで、製造工程におけるヒケ(コーティング材に筋状あるいは小穴状に基材が露出してしまう現象)や塗布抜けを抑制することを開示している。
また、特許文献4は、平均粒径が23〜39μmであり、粒度分布広さが15〜33であるセラミックス粉末骨材を使用するなどして、乾燥工程における乾燥クラックを抑制することを開示している。
特開平5−269388号公報 特許第2604876号公報 国際公開第2009/014200号 特許第5345502号公報
しかし、特許文献3に開示される手段では、コーティング材としてRCF(リフラクトリーセラミックファイバー)を多量(30質量%)に採用するためコストが高いという問題点があるため大量生産に適合しない。また、このようなコーティング材とハニカム構造体の熱膨張係数の差が大きく(試算によれば、ハニカム構造体の熱膨張係数が4.6ppm/Kであるのに対しコーティング材の熱膨張係数が3.2ppm/Kとなる。)、耐熱衝撃性に懸念がある。
また、特許文献4に開示される手段では、乾燥温度が100℃とされているが、この温度では無機接着材として用いられているコロイダルシリカが可逆的な水の吸脱着を行う状態にあり、耐水性、耐化学性の面で懸念がある。また、コーティング材として、レーザーによる発色成分(SiC、TiO2など)を含まないため、化学的処理や熱処理への耐性に優れるレーザーマーキングによる印字ができないという問題点がある。
本発明は上記問題を勘案してされたものであり、乾燥・熱処理時の外周コート層のクラックの発生を効果的に抑制するコーティング材、外周コート炭化珪素系ハニカム構造体、及び炭化珪素系ハニカム構造体の外周をコーティングする方法を提供することを課題とするものである。
本発明者らは鋭意検討の結果、炭化珪素系ハニカム構造体用コーティング材として特定の組成を有するコーティング材を使用することで上記課題を解決できることを見出した。すなわち、本発明は以下のように特定される。
(1)炭化珪素系ハニカム構造体用コーティング材であって、
化学成分として炭化珪素を55〜95質量%、二酸化珪素を5〜30質量%含むセラミック粉末(A)を20〜75質量%含むコーティング材。
(2)前記セラミック粉末(A)のレーザー回折・散乱法による粒度分布測定における体積基準D50が8〜30μmである(1)に記載のコーティング材。
(3)前記セラミック粉末(A)のレーザー回折・散乱法による粒度分布測定における体積基準D10が1〜4μmであり、D90が20〜75μm(ただし、D90>D50。)である(1)又は(2)に記載のコーティング材。
(4)前記セラミック粉末(A)は、前記炭化珪素系ハニカム構造体の研削屑又は粉砕粉である(1)〜(3)のいずれかに記載のコーティング材。
(5)さらに、白色又は淡色のセラミック粉末(B)を20〜50質量%含む(1)〜(4)のいずれかに記載のコーティング材。
(6)前記セラミック粉末(B)は、コージェライト、窒化珪素、アルミナ、ムライト、ジルコニア、燐酸ジルコニウム、チタニア及びアルミニウムチタネートからなる群より選択される少なくとも一種である(1)〜(5)のいずれか一項に記載のコーティング材。
(7)前記セラミック粉末(B)のレーザー回折・散乱法による粒度分布測定における体積基準D50が1〜40μm である(1)〜(6)のいずれか一項に記載のコーティング材。
(8)前記コーティング材を600℃で30分乾燥した後の熱膨張係数と、前記炭化珪素ハニカム構造体の熱膨張係数との比が0.8〜1.1である(1)〜(7)のいずれかに記載のコーティング材。
(9)さらに、有機物を含む中空粒子を0.1〜4質量%含み、前記中空粒子のレーザー回折・散乱法による粒度分布測定における体積基準D50が35〜55μmである(1)〜(8)のいずれかに記載のコーティング材。
(10)炭化珪素系ハニカム構造体と、前記炭化珪素系ハニカム構造体の外周を覆う外周コート層を有する外周コート炭化珪素系ハニカム構造体であって、
前記外周コート層は、化学成分として炭化珪素を55〜95質量%、二酸化珪素を5〜30質量%含むセラミック粉末(A)を20〜75質量%含む外周コート炭化珪素系ハニカム構造体。
(11)前記セラミック粉末(A)は、前記炭化珪素系ハニカム構造体と同組成である(10)に記載の外周コート炭化珪素系ハニカム構造体。
(12)前記外周コートの熱膨張係数と、前記炭化珪素系ハニカム構造体の熱膨張係数との比が0.8〜1.1である(10)又は(11)に記載の外周コート炭化珪素系ハニカム構造体。
(13)炭化珪素系ハニカム構造体の外周をコーティングする方法であって、
前記炭化珪素系ハニカム構造体の外周に、(1)〜(9)のいずれかに記載のコーティング材を塗布し、塗布された前記コーティング材を乾燥させて外周コート層を形成する工程を含む方法。
本発明によれば、乾燥・熱処理時の外周コート層のクラックの発生を効果的に抑制することができる。
本発明におけるハニカム構造体の一例を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明のコーティング材、外周コート炭化珪素系ハニカム構造体、及び炭化珪素系ハニカム構造体の外周をコーティングする方法の実施の形態について説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
(1.炭化珪素系ハニカム構造体)
図1には、本発明の一実施形態のハニカム構造体を模式的に示す斜視図が記載されている。図示のハニカム構造体1000は外周側壁102と、外周側壁102の内側に配設され、第一底面104から第二底面106まで平行に延び、第一底面104が開口して第二底面106に突出する目封止部を有する複数の第1セル108と、外周側壁102の内側に配設され、第一底面104から第二底面106まで平行に延び、第一底面104に突出する目封止部を有し、第二底面106が開口する複数の第2セル110とを備える。また、図示のハニカム構造体1000においては、第1セル108及び第2セル110を区画形成する多孔質の隔壁112を備えており、第1セル108及び第2セル110が隔壁112を挟んで交互に隣接配置されており、両底面は市松模様を形成する。図示の実施形態に係るハニカム構造体においては、すべての第1セル108が第2セル110に隣接しており、すべての第2セル110が第1セル108に隣接している。しかしながら、必ずしもすべての第1セル108が第2セル110に隣接していなくてもよく、必ずしもすべての第2セル110が第1セル108に隣接していなくてもよい。セル108、110の数、配置、形状等及び隔壁112の厚み等は制限されず、必要に応じて適宜設計することができる。
ハニカム構造体の材質については特に制限はないが、多数の細孔を有する多孔質体であることが必要であるため、通常は、炭化珪素、珪素−炭化珪素系複合材料、炭化珪素−コージェライト系複合材料のセラミックスからなる焼結体、特に珪素−炭化珪素複合材又は炭化珪素を主成分とする焼結体が好適に用いられる。本明細書において「炭化珪素系」とは、ハニカム構造体100が炭化珪素を、ハニカム構造体全体の50質量%以上含有していることを意味する。ハニカム構造体100が珪素−炭化珪素複合材を主成分とするというのは、ハニカム構造体100が珪素−炭化珪素複合材(合計質量)を、ハニカム構造体全体の90質量%以上含有していることを意味する。ここで、珪素−炭化珪素複合材は、骨材としての炭化珪素粒子、及び炭化珪素粒子を結合させる結合材としての珪素を含有するものであり、複数の炭化珪素粒子が、炭化珪素粒子間に細孔を形成するようにして、珪素によって結合されていることが好ましい。また、ハニカム構造体100が炭化珪素を主成分とするというのは、ハニカム構造体1000が炭化珪素(合計質量)を、ハニカム構造体全体の90質量%以上含有していることを意味する。
ハニカム構造体のセル形状は特に限定されないが、中心軸に直交する断面において、三角形、四角形、五角形、六角形、八角形等の多角形、円形、又は楕円形であることが好ましく、その他不定形であってもよい。
また、ハニカム構造体の外形としては、特に限定されないが、底面が円形の柱状(円柱形状)、底面がオーバル形状の柱状、底面が多角形(四角形、五角形、六角形、七角形、八角形等)の柱状等の形状とすることができる。また、ハニカム構造体の大きさは、特に限定されないが、中心軸方向長さが40〜500mmが好ましい。また、例えば、ハニカム構造体の外形が円筒状の場合、その底面の半径が50〜500mmであることが好ましい。
ハニカム構造体の隔壁の厚さは、0.20〜0.50mmであることが好ましく、製造の容易さの点で、0.25〜0.45mmであることが更に好ましい。例えば、0.20mmより薄いと、外周コートハニカム構造体の強度が低下することがあり、0.50mmより厚いと、外周コートハニカム構造体をフィルタとして用いた場合に、圧力損失が大きくなることがある。なお、この隔壁の厚さは、軸方向断面を顕微鏡観察する方法で測定した平均値である。
また、ハニカム構造体を構成する隔壁の気孔率は、30〜70%であることが好ましく、製造の容易さの点で40〜65%であることが更に好ましい。30%より小さいと、圧力損失が増大することがあり、70%より大きいと、ハニカム構造体が脆くなり欠落し易くなることがある。
また、多孔質の隔壁の平均細孔径は、5〜30μmであることが好ましく、10〜25μmであることが更に好ましい。5μmより小さいと、フィルタとして用いた場合に、粒子状物質の堆積が少ない場合でも圧力損失が増大することがあり、30μmより大きいと、ハニカム構造体が脆くなり欠落し易くなることがある。なお、本明細書において、「平均細孔径」、「気孔率」というときには、水銀圧入法により測定した平均細孔径、気孔率を意味するものとする。
ハニカム構造体のセル密度も特に制限はないが、5〜63セル/cm2の範囲であることが好ましく、31〜54セル/cm2の範囲であることが更に好ましい。
このようなハニカム構造体は、セラミック原料を含有する坏土を、一方の端面から他方の端面まで貫通し流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁を有するハニカム状に成形して、ハニカム成形体を形成し、このハニカム成形体を、乾燥した後に焼成することによって作製される。そして、このようなハニカム構造体を、本実施形態の外周コートハニカム構造体に用いる場合には、成形又は焼成後に、ハニカム成形体(ハニカム構造体)の外周を研削して所定形状とし、この外周を研削したハニカム構造体に、上記コーティング材を塗布して外周コート層を形成する。なお、本実施形態の外周コートハニカム構造体においては、例えば、ハニカム構造体の外周を研削せずに、外周を有したハニカム構造体を用い、この外周を有するハニカム構造体の外周面(即ち、ハニカム構造体の外周の更に外側)に、更に、上記コーティング材を塗布して、外周コート層を形成してもよい。即ち、前者の場合には、外周コートハニカム構造体の外周面には、本実施形態のコーティング材からなる外周コート層のみが配設されるものであり、一方、後者の場合には、ハニカム構造体の外周面に、更に本実施形態のコーティング材からなる外周コート層が積層された、二層構造の外周壁が形成される。
なお、ハニカム構造体は、隔壁が一体的に形成された一体型のハニカム構造体に限定されることはなく、例えば、図示は省略するが、多孔質の隔壁を有し、隔壁によって流体の流路となる複数のセルが区画形成された柱状のハニカムセグメントが、接合材層を介して複数個組み合わされた構造を有するハニカム構造体(以下、「接合型ハニカム構造体」ということがある)であってもよい。
また、ハニカム構造体は、複数のセルのうちの所定のセルの一方の開口端部と、残余のセルの他方の開口端部とが、目封止部によって目封止されたものであってもよい。このようなハニカム構造体は、排ガスを浄化するフィルタ(ハニカムフィルタ)として用いることができる。なお、このような目封止部は、外周コート層が形成された後に配設されたものであってもよいし、外周コート層が形成される前の状態、即ち、ハニカム構造体を作製する段階で配設されたものであってもよい。
なお、このような目封止部は、従来公知のハニカム構造体の目封止部として用いられるものと同様に構成されたものを用いることができる。
また、本実施形態の外周コートハニカム構造体に用いられるハニカム構造体は、隔壁の表面及び隔壁の細孔の内部の少なくとも一方に、触媒が担持されたものであってもよい。このように、本実施形態の外周コートハニカム構造体は、触媒を担持した触媒体や、排ガスを浄化するための触媒を担持した触媒担持フィルタ(例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ(以下、「DPF」ともいう))として構成されたものであってもよい。
触媒の種類については特に制限なく、外周コートハニカム構造体の使用目的や用途に応じて適宜選択することができる。例えば、上記DPFとして用いる場合には、排ガス中の煤等を酸化除去するための酸化触媒や、排ガス中に含まれるNOX等の有害成分を除去するNOX選択還元触媒(SCR)やNOX吸蔵還元触媒等を挙げることができる。なお、触媒の担持方法についても特に制限はなく、従来、ハニカム構造体に触媒を担持する担持方法に準じて行うことができる。
焼成ハニカム構造体のそれぞれをハニカムセグメントとして利用し、複数のハニカムセグメントの側面同士を接合材で接合して一体化し、ハニカムセグメントが接合された状態のハニカム構造体とすることができる。ハニカムセグメントが接合された状態のハニカム構造体は例えば以下のように製造することができる。各ハニカムセグメントの両底面に接合材付着防止用マスクを貼り付けた状態で、接合面(側面)に接合材を塗工する。
次に、これらのハニカムセグメントを、ハニカムセグメントの互いの側面同士が対向するように隣接して配置し、隣接するハニカムセグメント同士を圧着した後、加熱乾燥する。このようにして、隣接するハニカムセグメントの側面同士が接合材によって接合されたハニカム構造体を作製する。ハニカム構造体に対しては、外周部を研削加工して所望の形状(例えば円柱状)とし、外周面にコーティング材を塗工した後、加熱乾燥させて外周壁を形成してもよい。
接合材付着防止用マスクの材料は、特に制限はないが、例えばポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド、又はテフロン(登録商標)等の合成樹脂を好適に使用可能である。また、マスクは粘着層を備えていることが好ましく、粘着層の材料は、アクリル系樹脂、ゴム系(例えば、天然ゴム又は合成ゴムを主成分とするゴム)、又はシリコン系樹脂であることが好ましい。
接合材付着防止用マスクとしては、例えば厚みが20〜50μmの粘着フィルムを好適に使用することができる。
接合材としては、例えば、セラミックス粉末、分散媒(例えば、水等)、及び必要に応じて、バインダ、解膠剤、発泡樹脂等の添加剤を混合することによって調製したものを用いることができる。セラミックスとしては、コージェライト、ムライト、ジルコン、チタン酸アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素、ジルコニア、スピネル、インディアライト、サフィリン、コランダム、及びチタニアからなる群から選ばれる少なくとも1種を含有するセラミックスであることが好ましく、ハニカム構造体と同材質であることがより好ましい。バインダとしては、ポリビニルアルコールやメチルセルロース、CMC(カルボキシメチルセルロース)などを挙げることができる。
(2.コーティング材)
本実施形態のコーティング材は、化学成分として炭化珪素を55〜95質量%、二酸化珪素を5〜30質量%含むセラミック粉末(A)を20〜75質量%含む。ここで「化学成分として」というのは、炭化珪素又は二酸化珪素という化学組成であればよく、結晶質、非結晶質など存在の形態を問わないということである。
このような本実施形態のコーティング材は、ハニカム構造体の外周面に塗布して、乾燥又は乾燥した後に焼成することにより外周コート層を形成する場合、クラックの発生を効果的に抑制できる。すなわち、上述した組成を有するコーティング材は、乾燥した後の熱膨張係数はハニカム構造体の熱膨張係数と近いため、全体としての耐熱衝撃性が高く、クラックは発生しにくくなる。
この観点から、コーティング材を600℃で30分乾燥した後の熱膨張係数と、炭化珪素ハニカム構造体の熱膨張係数との比が0.8〜1.1であることが好ましい。熱膨張係数の比を上記範囲にすれば、さらにクラックの発生を効果的に抑制できる。
また、セラミック粉末(A)のレーザー回折・散乱法による粒度分布測定における体積基準D50が8〜30μmであることが好ましい。セラミック粉末(A)のD50を上記範囲にすることにより適度な流動性を有するコーティング材を得ることができ、コーティング材を塗布した際の均一性を良くすることが出来るため、さらにクラックの発生を効果的に抑制できる。
また、セラミック粉末(A)のレーザー回折・散乱法による粒度分布測定における体積基準D10が1〜4μmであり、D90が20〜75μm(ただし、D90>D50。)であることが好ましい。セラミック粉末(A)のD10及びD90を上記範囲にすることによりコーティング材中の骨材粉末の充填密度が高くなり、コーティング材乾燥時の収縮量が小さくなるため、さらにクラックの発生を効果的に抑制できる。
また、セラミック粉末(A)は、コーティングしようとする炭化珪素系ハニカム構造体と同組成であることが好ましい。同組成であれば、熱膨張係数も同様であるため、クラックを抑制する効果がさらに顕著に現れる。なお、ここで「同組成」とは、同じ化学組成であることをいい、各化学成分の存在形態を問わない。
また、セラミック粉末(A)は炭化珪素系ハニカム構造体の製作途中で発生する研削屑又は粉砕屑であることがさらに好ましい。これにより、セラミック粉末(A)が炭化珪素系ハニカム構造体と同組成であることを担保でき、また研削屑又は粉砕屑を有効活用する点でコスト減の効果がある。研削屑とはハニカム構造体を研削して所定形状にする際に発生する屑のことで、粉砕屑とはハニカム構造体の不良品などを原料として再利用するために粉砕して作製した屑のことである。
また、コーティング材は、さらに白色又は淡色のセラミック粉末(B)を20〜50質量%含むことが好ましい。すなわち、コーティング材がセラミック粉末(A)を20〜75質量%含む場合、コーティング材自体が黒色に近い色を呈する場合が多く、レーザーによって発色(マーキング)を行っても、発色が行われない部位とのコントラストが不十分で視認性が低い場合がある。そのため、印字(マーキング)を読み取ることが困難な場合がある。そこで、白色又は淡色のセラミック粉末(B)を20質量%以上含むことでコーティング材全体としての色を明るくし、レーザーによって発色した場所と発色していない場所とのコントラストを強化することが好ましい。一方、セラミック粉末(B)が50質量%を超えるとコーティング材の熱膨張係数の変動が大きくなるので、セラミック粉末(B)の上限を50質量%とすることが好ましい。
セラミック粉末(B)の種類は限定されないが、コージェライト、アルミナを好適に用いることができる。
また、本明細書において、レーザーによる「印字」という場合には、文字による印字に限定されることはなく、文字以外の図形、記号、模様、及び、バーコード等の識別情報などの標識を表示することを意味するものとする。
また、コーティング材は、有機物を含む中空粒子を0.1〜4質量%含み、当該中空粒子のレーザー回折・散乱法による粒度分布測定における体積基準D50が35〜55μmであることが好ましい。このような嵩高い粗粒の中空粒子を添加することで、乾燥収縮を抑制し、ヒケ・クラックをさらに抑制することができる。中空粒子が4質量%を超えるとコーティング材の熱膨張係数の変動が大きくなるので、中空粒子の上限を4質量%とすることが好ましい。
中空粒子の種類は限定されないが、例えば、発泡樹脂、フライアッシュバルーンを好適に用いることができる。
本実施形態のコーティング材は、上記したセラミック粉末(A)、セラミック粉末(B)及び中空粒子が、分散媒によって分散されたスラリーの状態として構成されている。
本実施形態のコーティング材に用いられる分散媒については、上記したセラミック粉末(A)、セラミック粉末(B)及び中空粒子を分散させることが可能な液体であればよく、水を好適に用いることができる。
分散媒の量については特に制限はないが、コーティング材を、ハニカム構造体(担体)の外周面に塗布して外周コート層を形成する際に、十分な塗工性及び粘性を有するように調製される量であることが好ましい。具体的には、15〜30質量%であることが好ましく、20〜25質量%であることが更に好ましい。
また、本実施形態のコーティング材は、無機バインダーとしてコロイダルシリカを更に含有するものであってもよい。このようなコロイダルシリカは、コーティング材の接着剤として機能するものであり、コーティング材によってハニカム構造体の外周に外周コート層を形成した場合に、ハニカム構造体との接着性を良好なものとすることができる。
なお、コロイダルシリカは、20〜35質量%であることが好ましく、25〜30質量%であることが更に好ましい。このように構成することによって、コーティング材を塗布する際の塗工性及び粘性を良好にすることができ、且つ、形成された外周コート層が衝撃等によりハニカム構造体から剥離しないように確実に接着することができる。
コロイダルシリカとしては、例えば、分散しているシリカ粒子の平均粒子径が10〜30nmであることが好ましく、また、15〜25nmであることが更に好ましい。
更に、本実施形態のコーティング材は、有機バインダーや粘土等を更に含有してもよい。例えば、有機バインダーとしては、メチルセルロース(以下、「MC」ともいう)、カルボキシメチルセルロース(以下、「CMC」ともいう)、バイオポリマーを挙げることができ、粘土としては、ベントナイト、モンモリロナイトを挙げることができる。ただし、前述のように、コストの観点から、RCFの使用を抑えることが望ましい。
本実施形態のコーティング材は、上記コロイダルシリカやその他の添加材を、分散媒とともに混合してスラリー状又はペースト状に調製することによって製造することができる。
また、コーティング材は、その粘度が100〜300dPa・sに調製されたものであることが好ましく、150〜250dPa・sに調製されたものであることが更に好ましく、180〜220dPa・sに調製されたものであることが特に好ましい。このように構成することによって、ハニカム構造体の外周面の塗布が容易になる。例えば、粘度が100dPa・s未満では、コーティング材の流動性が高すぎて、コーティング材を塗布した場合に、コーティング材が流れてしまい、十分な厚さの外周コート層を形成することが困難になることがある。特に、外周コート層が薄くなってしまうと、レーザーによって印字した場合に、発色が薄くなってしまうことがある。一方、粘度が300dPa・sを超えると、流動性及び濡れ性が悪化し、塗工性が悪化することがある。また、形成した外周コート層に、クラックの発生や、剥離等の不具合が発生し易くなることもある。
このようなコーティング材は、ハニカム構造体の外周面の少なくとも一部に塗布し、乾燥或いは乾燥した後に焼成することにより、上記セラミック粉末(A)、セラミック粉末(B)及び中空粒子を含む外周コート層を形成することができる。
(3.外周コート炭化珪素系ハニカム構造体)
本発明の外周コート炭化珪素系ハニカム構造体は、前述の炭化珪素系ハニカム構造体と、本発明の炭化珪素系ハニカム構造体の外周を覆う外周コート層を有する。そのため、当該外周コート層は、化学成分として炭化珪素を55〜95質量%、二酸化珪素を5〜30質量%含むセラミック粉末(A)を20〜75質量%含む。なお、セラミック粉末(A)として炭化珪素系ハニカム構造体の研削屑又は粉砕屑を使用する場合、セラミック粉末(A)は、炭化珪素系ハニカム構造体と同組成とある。
また、外周コート層の組成の別の実施態様は前述と同様である。
(4.炭化珪素系ハニカム構造体の外周をコーティングする方法)
次に、本発明の炭化珪素系ハニカム構造体の外周をコーティングする方法の一の実施形態について説明する。本実施形態の炭化珪素系ハニカム構造体の外周をコーティングする方法は、多孔質の隔壁を有し、隔壁によって複数のセルが区画形成されたハニカム構造体の外周面に、これまでに説明した、本発明のコーティング材を塗布し、塗布したコーティング材を乾燥させて外周コート層を形成する工程を備えた方法である。
まず、多孔質の隔壁を有し、隔壁によって複数のセルが区画形成されたハニカム構造体を作製する。例えば、コージェライトからなるハニカム構造体を作製する場合には、まず、炭化珪素(SiC)粉末などの原料粉末を混合して調合し、水を加え、混合・混練することによって坏土を調製する。なお、この坏土には、必要に応じて、バインダー、界面活性剤、及び造孔材等を更に加えてもよい。
次に、得られた坏土を、口金を付けた押出成形機を用いて押出成形してハニカム成形体を得、得られたハニカム成形体を乾燥する。
次に、ハニカム構造体を所定の温度で焼成することによって、多孔質の隔壁を有し、この隔壁によって複数のセルが区画形成されたハニカム構造体を作製する。なお、外周コートハニカム構造体として、セルの開口部に目封止部が配設されたものを製造する場合には、ハニカム成形体、或いは、ハニカム構造体を作製した段階で目封止を行ってもよい。
例えば、セルの開口部を目封止して目封止部を形成する方法としては、まず、ハニカム構造体(或いは、ハニカム成形体)の一方の端面において、一部のセルの開口部にマスクをし、その端面を、目封止材を形成するための目封止材が貯留された貯留容器中に浸漬して、マスクをしていないセルに目封止材を挿入し、目封止部を形成する。なお、目封止部を形成するための目封止材は、セラミック原料、界面活性剤、水、焼結助剤等を混合して、必要に応じて気孔率を高めるために造孔材を添加してスラリー状にし、その後、ミキサー等を使用して混練することにより得ることができる。
その後、ハニカム構造体の他方の端面において、上記一方の端面においてマスクをしなかったセル(上記一部のセル以外のセル)の開口部にマスクをし、その端面を、上記目封止材が貯留された貯留容器中に浸漬して、マスクをしていないセルに目封止材を挿入し、目封止部を形成する。
セルの開口部をマスクする方法について特に制限はないが、例えば、フィルタ用ハニカム構造体の端面全体に粘着性フィルムを貼着し、その粘着性フィルムを部分的に孔開けする方法等を挙げることができる。例えば、フィルタ用ハニカム構造体の端面全体に粘着性フィルムを貼着した後に、目封止部を形成したいセルに相当する部分のみをレーザーにより孔を開ける方法等を好適例として挙げることができる。粘着性フィルムとしては、ポリエステル、ポリエチレン、熱硬化性樹脂等の樹脂からなるフィルムの一方の表面に粘着剤が塗布されたもの等を好適に用いることができる。
また、得られたハニカム構造体は、その外周面に外周壁が形成された状態で作製された場合には、その外周面を研削し、外周壁を取り除いた状態とすることが好ましい。このようにして外周壁を取り除いたハニカム構造体の外周に、後の工程にて、コーティング材を塗布して外周コート層を形成する。また、外周面を研削する場合には、外周壁の一部を研削して取り除き、その部分に、コーティング材によって外周コート層を形成してもよい。
また、上記したハニカム構造体の作製とは別に、外周コートハニカム構造体の外周コート層を形成するためのコーティング材を調製する。コーティング材は、少なくとも、セラミック粉末(A)と、分散媒とを、上記セラミック粉末(A)がこれまでに説明した所定の含有割合となるように混合して、スラリー状又はペースト状とすることによって調製することができる。
セラミックス粉末(A)としては、上述したハニカム構造体の原料として用いたセラミック材料と同組成の材料からなる粉末を好適に用いることができる。例えば、ハニカム構造体の製作途中で発生する研削屑又は粉砕屑を採用することができる。
また、前述セラミック粉末(B)として、例えば、コージェライト、アルミナ等を含む粒子を用いることができる。このセラミック粉末(B)は、20〜50質量%使用する。これにより、レーザーによる良好な発色が可能となる。
このようなセラミックス粉末と、前述の中空粒子とに、分散媒を加えて混合してコーティング材を調製することができる。分散媒としては、例えば、水を用いることができる。また、分散媒は、15〜30質量%用いることが好ましい。
上記原料を混合してコーティング材を調製する場合には、例えば、2軸回転式の縦型ミキサーを用いて調製することができる。
また、コーティング材には、コロイダルシリカ、有機バインダー、粘土等を更に含有させてもよい。なお、有機バインダーは、0.05〜0.5質量%用いることが好ましく、0.1〜0.2質量%用いることが更に好ましい。また、粘土は、0.2〜2.0質量%用いることが好ましく、0.4〜0.8質量%用いることが更に好ましい。
先に作製したハニカム構造体の外周面に、コーティング材を塗布し、塗布したコーティング材を乾燥させて、外周コート層を形成する。このように構成することによって、乾燥・熱処理時の外周コート層のクラックの発生を効果的に抑制することができる。
コーティング材の塗工方法としては、例えば、ハニカム構造体を回転台の上に載せて回転させ、コーティング材をブレード状の塗布ノズルから吐出させながらハニカム構造体の外周部に沿うように塗布ノズルを押し付けて塗布する方法を挙げることができる。このように構成することによって、コーティング材を均一な厚さで塗布することができる。また、形成した外周コート層の表面粗さが小さくなり、外観に優れ、且つ熱衝撃によって破損し難い外周コート層を形成することができる。
なお、ハニカム構造体の外周面が研削されて、外周壁が取り除かれたものの場合には、ハニカム構造体の外周面全体にコーティング材を塗布して外周コート層を形成する。一方、ハニカム構造体の外周面に外周壁が存在する、或いは、一部の外周壁が取り除かれている場合には、部分的にコーティング材を塗布して外周コート層を形成してもよいし、勿論、ハニカム構造体の外周面全域にコーティング材を塗布して外周コート層を形成してもよい。
塗布したコーティング材(即ち、未乾燥の外周コート層)を乾燥する方法については特に制限はないが、例えば、乾燥クラック防止の観点から、室温にて24時間以上保持することでコート材中の水分の25%以上を乾燥させた後、電気炉にて600℃で1時間以上保持することで水分及び有機物を除去する方法を好適に用いることができる。
また、ハニカム構造体のセルの開口部が予め封止されていない場合には、外周コート層を形成した後に、セルの開口部に目封止を行ってもよい。
また、得られた外周コートハニカム構造体は、その外周面にレーザーを照射することによって、コーティング材に含まれる炭化珪素粉末が発色するため、得られた外周コートハニカム構造体の外周コート層に、レーザー光を照射して、製品情報等を印字(マーキング)してもよい。
レーザーによるマーキングの際に使用するレーザー光としては、例えば、炭酸ガス(CO2)レーザー、YAGレーザー、YVO4レーザーを好適例として挙げることができる。レーザー光を照射するレーザーの条件については、使用するレーザーの種類に応じて適宜選択することができるが、例えば、CO2レーザーを用いた場合には、出力15〜25W、スキャンスピード400〜600mm/sでマーキングすることが好ましい。このようにマーキングすることによって、照射部分が、黒色から緑色のような暗色を呈するように発色し、非照射部分との発色によるコントラストが極めて良好なものとなる。
外周コートハニカム構造体に触媒を担持する場合には、上記レーザーによる印字を行った後でも、印字部分が劣化することがなく、触媒の担持後でも、上記印字を良好に判読することができる。なお、触媒の担持方法については特に制限はなく、従来のハニカム構造体の製造方法にて行われている触媒担持の方法に準じて行うことができる。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(ハニカム構造体の作製)
焼成後の組成が炭化珪素:珪素:二酸化珪素=70:18:12となるように混合した珪素−炭化珪素原料粉末に、成形助剤、造孔剤、及び水を加え、混合・混練して坏土を調製した。得られた坏土を押出成形し、縦42mm、横42mm、高さ141mmの直方体状未焼成ハニカム成形体を作製し、このハニカム成形体を乾燥、焼成してハニカムセグメントを作製した。
次に、16個のハニカムセグメントについて、各ハニカムセグメントの両底面全体にPET製のマスク(厚さ70μm)の粘着面を貼り付けた。次いで、ハニカムセグメントの側面に、厚さが1mmとなるようにSiC粉及びバインダを含有するペースト状の接合材を塗布して塗布層を形成した。次に、このハニカムセグメント上に、上記塗布層と側面が接するように別のハニカムセグメントを載置した。その後、この工程を繰り返し、縦4個×横4個に組み合わせた合計16個のハニカムセグメントからなるハニカムセグメント積層体を作製した。その後、外部から圧力を加えた後、140℃で2時間乾燥させて、ハニカムセグメントが接合されたハニカム構造体を得た。その後、各ハニカムセグメントからマスクを剥がした。
なお、得られたハニカム構造体は、その外周面を研削して外周壁を除去した。このハニカム構造体(外周壁を除去した後)は、直径が165mmで長さが141mmの円柱状で、気孔率が41%(低気孔率ハニカム)及び63%(高孔率ハニカム)、隔壁厚さ0.30mm、セル密度が46セル/cm2である。
表1に示される組成を有するコーティング材を調製し、上記したハニカム構造体の作製にて作製したハニカム構造体の外周面に、その厚さが0.3mmとなるように塗布した後、熱風乾燥機を用いて120℃で60分乾燥させた後、電気炉にて600℃で30分熱処理して外周コート層を形成した。この乾燥・熱処理の間に外周コート層にクラック・ヒケの発生の有無を以下のように評価し、結果を表1に示される。
(クラック・ヒケの評価)
クラック・ヒケの評価はハニカム構造体の外周コート表面全体を目視観察することで行った。クラックについては、クラックが全く発見されなかったものを「良」、クラック長さが5mm以下の微小クラックのみが発見されたものを「可」、クラック長さが5mmを超えるクラックが発見されたものを「不可」とした。ヒケについてはコーティング材に筋状あるいは小穴状に基材が露出してしまったものをヒケと定義し、ヒケが全く発見されなかったものを「良」、5mm以下の微小なヒケのみが発見されたものを「可」、5mmを超えるヒケが発見されたものを「不可」とした。
また、外周コート層及びハニカム構造体の熱膨張係数はJIS R1618に準拠する方法で、ハニカム構造体の流路に対して平行な方向における40〜800℃での平均線熱膨張係数(熱膨張係数)を測定した。なお、外周コートの試験片はハニカム構造体の作製に用いたコーティング材の乾燥体を別途作成し、600℃で30分熱処理したものから縦3mm×横3mm×長さ20mmの寸法で切り出して作成し、ハニカム構造体の試験片はハニカム構造体から縦2セル×横2セル×長さ20mmの寸法で切り出して作成した。結果は表1に示される。
このようして製造された外周コートハニカム構造体の外周面に、CO2レーザーマーカーを用いて出力20W、スキャンスピード500mm/sの条件で、2Dバーコードのレーザー印字を行った。このようにしてレーザー印字を行った外周コートハニカム構造体について、耐熱衝撃性の評価、印字部分のコントラスト評価(印字バーコード読み取り試験)を、以下の方法で行った。結果を表1に示す。
(耐熱衝撃性の評価)
耐熱衝撃性は急速冷却試験(電気炉スポーリング試験)で評価を行った。ハニカム構造体を電気炉にて所定の開始温度(350℃または400℃)で2時間加熱し、全体を均一な温度にした後、電気炉から取り出して、室温まで急速冷却した。そして、その急速冷却後、ハニカム構造体にクラックが発生していたか否かにより、耐熱衝撃性を評価した。開始温度400℃でクラックの発生が認められない場合を「良」、開始温度400℃でクラックの発生が認められるが、開始温度350℃でクラックの発生が認められない場合を「可」、開始温度350℃でクラックの発生が認められる場合を「不可」とした。
(2Dコード読み取りグレード評価)
レーザーによって発色した印字部分と、非照射部分とのコントラストを、ISO/IEC15415に適合したバーコードリーダーを用いた読み取り試験(印字バーコード読み取り試験)で評価した。評価は以下の基準で実施した。なお、下記基準における「読み取りグレード」は、ISO/IEC15415の規格によるものである。
読み取りグレードA:コントラストが良好で、印字部分を良好に判読可能。
読み取りグレードB〜D:印字部分の判読が可能。
読み取りグレードF:印字部分と非照射部分とのコントラストが悪く、判読が困難。
(考察)
表1に示される結果から、本発明の実施例では、比較例に比べてクラック・ヒケが有効に抑制され、耐熱衝撃性も優れていることが理解できる。特に、セラミック粉末(B)を20〜50質量%含むコーティング材を使用する実施例ではレーザー印字性も優れていることが分かる。
100 ハニカム構造体
102 外周側壁
104 第一底面
106 第二底面
108 第1セル
110 第2セル
112 隔壁
本発明者らは鋭意検討の結果、炭化珪素系ハニカム構造体用コーティング材として特定の組成を有するコーティング材を使用することで上記課題を解決できることを見出した。すなわち、本発明は以下のように特定される。
(1)炭化珪素系ハニカム構造体用コーティング材であって、
化学成分として炭化珪素を55〜95質量%、二酸化珪素を5〜30質量%含むセラミック粉末(A)を20〜75質量%含むコーティング材。
(2)前記セラミック粉末(A)のレーザー回折・散乱法による粒度分布測定における体積基準D50が8〜30μmである(1)に記載のコーティング材。
(3)前記セラミック粉末(A)のレーザー回折・散乱法による粒度分布測定における体積基準D10が1〜4μmであり、D90が20〜75μm(ただし、D90>D50。)である(1)又は(2)に記載のコーティング材。
(4)前記セラミック粉末(A)は、前記炭化珪素系ハニカム構造体の研削屑又は粉砕粉である(1)〜(3)のいずれかに記載のコーティング材。
(5)さらに、白色又は淡色のセラミック粉末(B)を20〜50質量%含む(1)〜(4)のいずれかに記載のコーティング材。
(6)前記セラミック粉末(B)は、コージェライト、窒化珪素、アルミナ、ムライト、ジルコニア、燐酸ジルコニウム、チタニア及びアルミニウムチタネートからなる群より選択される少なくとも一種である(5)に記載のコーティング材。
(7)前記セラミック粉末(B)のレーザー回折・散乱法による粒度分布測定における体積基準D50が1〜40μm である(5)又は(6)に記載のコーティング材。
(8)前記コーティング材を600℃で30分乾燥した後の熱膨張係数と、前記炭化珪素ハニカム構造体の熱膨張係数との比が0.8〜1.1である(1)〜(7)のいずれかに記載のコーティング材。
(9)さらに、有機物を含む中空粒子を0.1〜4質量%含み、前記中空粒子のレーザー回折・散乱法による粒度分布測定における体積基準D50が35〜55μmである(1)〜(8)のいずれかに記載のコーティング材。
(10)炭化珪素系ハニカム構造体と、前記炭化珪素系ハニカム構造体の外周を覆う外周コート層を有する外周コート炭化珪素系ハニカム構造体であって、
前記外周コート層は、化学成分として炭化珪素を55〜95質量%、二酸化珪素を5〜30質量%含むセラミック粉末(A)を20〜75質量%含む外周コート炭化珪素系ハニカム構造体。
(11)前記セラミック粉末(A)は、前記炭化珪素系ハニカム構造体と同組成である(10)に記載の外周コート炭化珪素系ハニカム構造体。
(12)前記外周コートの熱膨張係数と、前記炭化珪素系ハニカム構造体の熱膨張係数との比が0.8〜1.1である(10)又は(11)に記載の外周コート炭化珪素系ハニカム構造体。
(13)炭化珪素系ハニカム構造体の外周をコーティングする方法であって、
前記炭化珪素系ハニカム構造体の外周に、(1)〜(9)のいずれかに記載のコーティング材を塗布し、塗布された前記コーティング材を乾燥させて外周コート層を形成する工程を含む方法。
(1.炭化珪素系ハニカム構造体)
図1には、本発明の一実施形態のハニカム構造体を模式的に示す斜視図が記載されている。図示のハニカム構造体100は外周側壁102と、外周側壁102の内側に配設され、第一底面104から第二底面106まで平行に延び、第一底面104が開口して第二底面106に突出する目封止部を有する複数の第1セル108と、外周側壁102の内側に配設され、第一底面104から第二底面106まで平行に延び、第一底面104に突出する目封止部を有し、第二底面106が開口する複数の第2セル110とを備える。また、図示のハニカム構造体100においては、第1セル108及び第2セル110を区画形成する多孔質の隔壁112を備えており、第1セル108及び第2セル110が隔壁112を挟んで交互に隣接配置されており、両底面は市松模様を形成する。図示の実施形態に係るハニカム構造体においては、すべての第1セル108が第2セル110に隣接しており、すべての第2セル110が第1セル108に隣接している。しかしながら、必ずしもすべての第1セル108が第2セル110に隣接していなくてもよく、必ずしもすべての第2セル110が第1セル108に隣接していなくてもよい。セル108、110の数、配置、形状等及び隔壁112の厚み等は制限されず、必要に応じて適宜設計することができる。
ハニカム構造体の材質については特に制限はないが、多数の細孔を有する多孔質体であることが必要であるため、通常は、炭化珪素、珪素−炭化珪素系複合材料、炭化珪素−コージェライト系複合材料のセラミックスからなる焼結体、特に珪素−炭化珪素複合材又は炭化珪素を主成分とする焼結体が好適に用いられる。本明細書において「炭化珪素系」とは、ハニカム構造体100が炭化珪素を、ハニカム構造体全体の50質量%以上含有していることを意味する。ハニカム構造体100が珪素−炭化珪素複合材を主成分とするというのは、ハニカム構造体100が珪素−炭化珪素複合材(合計質量)を、ハニカム構造体全体の90質量%以上含有していることを意味する。ここで、珪素−炭化珪素複合材は、骨材としての炭化珪素粒子、及び炭化珪素粒子を結合させる結合材としての珪素を含有するものであり、複数の炭化珪素粒子が、炭化珪素粒子間に細孔を形成するようにして、珪素によって結合されていることが好ましい。また、ハニカム構造体100が炭化珪素を主成分とするというのは、ハニカム構造体100が炭化珪素(合計質量)を、ハニカム構造体全体の90質量%以上含有していることを意味する。
次に、乾燥したハニカム成形体を所定の温度で焼成することによって、多孔質の隔壁を有し、この隔壁によって複数のセルが区画形成されたハニカム構造体を作製する。なお、外周コートハニカム構造体として、セルの開口部に目封止部が配設されたものを製造する場合には、ハニカム成形体、或いは、ハニカム構造体を作製した段階で目封止を行ってもよい。
例えば、セルの開口部を目封止して目封止部を形成する方法としては、まず、ハニカム構造体(或いは、ハニカム成形体)の一方の端面において、一部のセルの開口部にマスクをし、その端面を、目封止を形成するための目封止材が貯留された貯留容器中に浸漬して、マスクをしていないセルに目封止材を挿入し、目封止部を形成する。なお、目封止部を形成するための目封止材は、セラミック原料、界面活性剤、水、焼結助剤等を混合して、必要に応じて気孔率を高めるために造孔材を添加してスラリー状にし、その後、ミキサー等を使用して混練することにより得ることができる。

Claims (13)

  1. 炭化珪素系ハニカム構造体用コーティング材であって、
    化学成分として炭化珪素を55〜95質量%、二酸化珪素を5〜30質量%含むセラミック粉末(A)を20〜75質量%含むコーティング材。
  2. 前記セラミック粉末(A)のレーザー回折・散乱法による粒度分布測定における体積基準D50が8〜30μmである請求項1に記載のコーティング材。
  3. 前記セラミック粉末(A)のレーザー回折・散乱法による粒度分布測定における体積基準D10が1〜4μmであり、D90が20〜75μm(ただし、D90>D50。)である請求項1又は2に記載のコーティング材。
  4. 前記セラミック粉末(A)は、前記炭化珪素系ハニカム構造体の研削屑又は粉砕粉である請求項1〜3のいずれかに記載のコーティング材。
  5. さらに、白色又は淡色のセラミック粉末(B)を20〜50質量%含む請求項1〜4のいずれかに記載のコーティング材。
  6. 前記セラミック粉末(B)は、コージェライト、窒化珪素、アルミナ、ムライト、ジルコニア、燐酸ジルコニウム、チタニア及びアルミニウムチタネートからなる群より選択される少なくとも一種である請求項1〜5のいずれか一項に記載のコーティング材。
  7. 前記セラミック粉末(B)のレーザー回折・散乱法による粒度分布測定における体積基準D50が1〜40μm である請求項1〜6のいずれか一項に記載のコーティング材。
  8. 前記コーティング材を600℃で30分乾燥した後の熱膨張係数と、前記炭化珪素ハニカム構造体の熱膨張係数との比が0.8〜1.1である請求項1〜7のいずれかに記載のコーティング材。
  9. さらに、有機物を含む中空粒子を0.1〜4質量%含み、前記中空粒子のレーザー回折・散乱法による粒度分布測定における体積基準D50が35〜55μmである請求項1〜8のいずれかに記載のコーティング材。
  10. 炭化珪素系ハニカム構造体と、前記炭化珪素系ハニカム構造体の外周を覆う外周コート層を有する外周コート炭化珪素系ハニカム構造体であって、
    前記外周コート層は、化学成分として炭化珪素を55〜95質量%、二酸化珪素を5〜30質量%含むセラミック粉末(A)を20〜75質量%含む外周コート炭化珪素系ハニカム構造体。
  11. 前記セラミック粉末(A)は、前記炭化珪素系ハニカム構造体と同組成である請求項10に記載の外周コート炭化珪素系ハニカム構造体。
  12. 前記外周コートの熱膨張係数と、前記炭化珪素系ハニカム構造体の熱膨張係数との比が0.8〜1.1である請求項10又は11に記載の外周コート炭化珪素系ハニカム構造体。
  13. 炭化珪素系ハニカム構造体の外周をコーティングする方法であって、
    前記炭化珪素系ハニカム構造体の外周に、請求項1〜9のいずれかに記載のコーティング材を塗布し、塗布された前記コーティング材を乾燥させて外周コート層を形成する工程を含む方法。
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