JP4138377B2 - フィルター用の多孔質金属材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、その表層部と内部とで、空孔の方向性と断面方向における空孔分布密度がなだらかに層状に変化した多層構造の多孔質金属材料とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば商品名セルメットと称される金属多孔体は、スポンジなどの非金属ポーラス体を芯材（架橋芯材）とし、その芯材周面上に所定金属のメッキ層を形成することで、前記ポーラス体が有していた海綿状の連続空孔をほぼ有する多孔質の金属材料である。また、さらに必要に応じてそのメッキ体から前記芯材をガス化させて除去したり、あるいは材料組織の安定化、機械的特性の改善などの為の熱処理が行なわれている（例えば特開平４−２７９５号公報）。
【０００３】
図４〜６は、金属多孔体の一例であって、図４は該多孔体の表面を５０倍に拡大した拡大図、また図５は図４を縁取って境界を明瞭とした模写図であり、また図６は、該多孔体に形成される空孔の状態や構造を説明する為の斜視図である。
【０００４】
これらの各図から、前記多孔体は、前記非金属ポーラス体に応じて、各空所架橋材９が互いに端部で結合され、例えば亀甲状や四角形状など不定形な空孔Ａを平面方向や厚さ方向など自由な向きに形作りながら、全体として立体的空孔を有するものとなっている。
【０００５】
こうして得られた多孔体は、前記非金属ポーラス体の芯材が有していた例えば立体的な空孔がそのまま維持でき、しかも全体を通じて比較的均一な空孔分布を有するとともに比較的安価でもあることから、例えば軽量用構造材や吸音材、断熱材などの他、電池電極材などとして用いられてきた。
【０００６】
他方、この方法による金属多孔体は、前記非金属ポーラス体を予め導伝化処理した後、メッキ液中に浸してメッキ電極板から発生する金属イオンをその表面に付着堆積させるものであるが、この金属イオンは、被メッキ材と距離的に近い部分に優先的に付着することから、表面側では厚メッキ、深部（内部側）では薄メッキになるなど、全体としてメッキ厚さに差が形成されやすい問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このため、従来ではメッキ液を被処理材の空孔内部にまで強制的に供給するよう加圧供給したり（例えば特許第２７８６９５３号）、あるいは、被処理材自体の厚さや形成空孔の大きさなどを一定範囲に制限することでメッキ厚さの均一化が図られてきたが、そうした制限は、しばしば用途展開を阻害することとなっている。
【０００８】
すなわち、前者方法のメッキ液の強制的に加圧供給する方法にあっては、その為の加圧供給設備を必要とし、また該被処理材が広幅や長尺状のものの場合には、その全面にわたって均一供給させるのに高度の技術が求められ、結果的に、平面方向における空孔品質のバラツキを大きくし、製品品質を低下させることとなる。
【０００９】
他方、後者のように形成多孔体自体の厚さや空孔特性を制限したものでは、例えばフィルター材料など濾過圧と空孔精度が求められる用途のものとしては不十分であり、結局、複数の多孔質材料同士を積層して焼結一体化するなど、その組立てや部品点数増による在庫管理や生産調整に多大の手間を掛けるものとなっている。
【００１０】
また、こうした後加工として、例えば、積層や加圧、焼結などを行なう場合、多孔体としての空孔特性や強度品質に影響を及ぼすことも想定されるなど、従来用いられてきたメッキ法による金属多孔体には未だ解決すべき課題があり、そのことが用途展開の上で障害となっている。
【００１１】
本発明は、このような表層部と内部とのメッキ厚さの違いを持つ金属多孔体の利用を図るべくこれを所定圧力で押圧した場合に、前記メッキ状態の違いよる耐圧縮強度の差によって、内部の部分的な層を座屈変形させることを着想したものであって、それにより、特に、表層部と内部とで空孔の方向性と空孔分布密度を層状に変化させたフィルター用の多孔質金属材の提供を目的とする。また層状の変化は好ましくは連続してかつ滑らかに変化する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１に係る発明は、ガス化により消失可能な非金属ポーラス体の芯材に金属メッキを施すことにより、結合によって一面から他面にわたって連続した空孔を形成する空所架橋体からなる海綿状多孔体を形成し、
かつ前記金属メッキは該海綿状多孔体の内部のメッキ厚さを表層部のメッキ厚さより小とするとともに、
ガス化により非金属ポーラス体の芯材を消失させることにより前記空所架橋体を中空状とした金属多孔体を形成するとともに、
前記表層部は、前記空所架橋材が立体状に配される立体構造部からなり、かつ空孔率は８０〜９９．８％、
前記内部は、前記金属多孔体の押圧によって架橋材が層状に挫屈し変形した空孔率を５０〜８０％の縮圧構造部によって形成され、
しかも一面側から他面側に向かって粗→密→粗になだらかに変化する前記多層構造を有することを特徴としている。
【００１３】
また請求項２に係る発明は、前記金属多孔体の前記金属メッキが、Ｎｉを用いたことを特徴とする。
【００１４】
さらに請求項３に係る発明は、前記金属メッキのメッキ厚さが０．５〜２０μ m の範囲で形成されていることを特徴とする。
【００１５】
このように本発明の多孔質金属材は、その表層部と内部とで空孔の方向性と空孔分布密度（以下、単に分布密度という）が、その厚さ方向において層状に変化した多層構造を有する。なおその金属多孔体は一種の金属多孔体で予め一体に成形されているが、かかる形成された複数の金属多孔体を組合せ、焼結などにより一体化することは可能である。
【００１６】
また、予め一体なこの多孔質金属材の製造方法として、表層部と内部とで、耐圧縮強度が異なる多孔金属体を準備し、この金属体を構成する空所架橋材の一部を座屈変形させる予め設定した圧力で押圧加工することによって、空孔の方向性と分布密度が連続して層状に変化させた多層構造にする段階を含むものとしている。
【００１７】
この構成より、本発明の多孔質金属材は、その厚さ方向において空孔形態と空孔精度を変化させた多層構造のものとなり、例えば表層部での粗大空孔と内部での緻密空孔を併せ持つ粗→密→粗の空孔構造となって、表層側の粗空孔では比較的粗大な異物を捕集でき、全体として目詰まりを抑えた長寿命のフィルター材料となる。しかも、このような積層構造は、一種の金属多孔体で得られることから、そのまま精密フィルター用として使用できるものである。
【００１８】
なお、本発明で前記「内部」とは、両表層部間に挟まれ、かつ空孔形態の変化している部分であって、その変化が中央部で対称的に生じている場合の他、例えばいづれか一方の表層部に接近した非対称の場合も含むものとする。また、前記多層構造は、連続的に層状に変化するものとしているが、多孔質金属材の断面観察において、明確な境界部や段差が確認できない状態で、ある幅をもって変化している状態のものならば、例えば、断面の一部分において狭い幅で変化している場合も包含している。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態を、製造方法とともに図面に基づき説明する。
図１は多孔質金属材１の模式的に描いた拡大断面図であって、多孔質金属材１は、細紐状の空所架橋材９が相互に結合されその一面１Ａから他面１Ｂにわたって連通した空孔３を具える。又一面１Ａ、他面２Ｂに連なる表層部４は、図４〜６に示すように、空所架橋材９が比較的立体的、三次元的に結合されて相互に結合した立体構造体１５をなし、内部５は、該空孔３の方向性と分布密度がある幅の中でなだらかな層状に変化することにより、全体として縮圧構造部１６として形成され、従って多孔質金属材１は全体として多層構造を有する。なお前記表層部４では、前記架橋材９同士が三次元の自由な方向で結合し、そこに各々立体的な空孔を有する立体構造部１５となることにより空孔分布密度は比較的大きいものである。
【００２０】
又本形態では、前記内部５は、前記表層部４，４間にあって、前記空所架橋材９が押圧によって座屈変形して平面方向に押し潰されていることにより、形成される空孔が主として前記金属材１の厚さ（断面）方向に沿うほぼ平面的、かつ層状に連続的に変化する前記縮圧構造部１６が形成されている。
【００２１】
この縮圧構造部１６では、各空孔架橋材９が座屈し密集することから空孔が微細であり、濾過用とする場合には濾過精度を保証する部分となり、また前記表層部４では、比較的粗い空孔によって粗大な異物を除去してその間には段階的な特性変化がなく、該多孔質金属材の一面側から他面側に向かう厚さ方向の空孔構造は粗→密→粗でなだらかに変化する多層構造であることから、各々各寸度の大きさに見合う部分での異物除去ができる。
【００２２】
また、本発明では前記分布密度の変化とともに、空孔３の方向性も変化させている為、例えば被処理流体が、ゲルを発生させやすい高粘度ポリマーなどの場合には、前記空所架橋材９が細紐状、乃至細線状のものとしていることによりゲルをカットする破砕機能を持たせることができ、異物の捕獲性能を高めて、下流側での目詰まりを防ぎ寿命向上に寄与できる。
【００２３】
こうした機能を発揮たせる為の素材（多孔質金属体）としては、前記説明しまた図６に見られるように、非金属のポーラス体、例えばスポンジ等を構成する架橋芯材１１に沿ってその表面上に所定の金属材料をメッキを施したものが好適する。この金属材料として、例えばニッケルやステンレス鋼、銅、クロム、アルミなど種々の金属あるいは合金が可能であるが、特に前記ニッケルは多種多用のメッキ方法が採用でき、しかもその耐食性や機械的特性に優れることから好ましい。
【００２４】
なお、ここで用いる多孔金属体の形態としては、本発明はその用途がフィルター用であることから、その厚さは２ｍｍ以上（好ましくは３〜２０ｍｍ）の比較的厚いシート状ないし板状のもので、またメッキ後の前記空所架橋材９は５０μｍ以下、好ましくは５〜２０μｍ程度の太さを有して立体的に結合された海綿状多孔体としたものが用いられ、その空孔率は８０〜９９．８％の高空孔率を有するものが好ましい。
【００２５】
このような高空孔率の多孔体は、比較的少ない圧力で容易に座屈変形できるとともに、濾過圧に対する強度も有するものであり、このような多孔体として前記商品名セルメットが知られ、一般に入手可能である。
【００２６】
特にメッキ法による前記海綿状金属多孔体は、メッキ処理時に発生する表層部と内部とのメッキ状態の差によって、耐圧縮強度が変化する特徴があり、本形態ではこの強度の差が利用される。
【００２７】
このような特性を持たせる方法としては、被処理材の空孔の大きさやその材料自体の全体厚さによって、メッキ処理時の金属イオンの流通が起こりにくくすることが行なわれ、メッキ方法としては、予めその表面を活性化して導電化処理した後、電気メッキすることが行なわれる。
【００２８】
ニッケルメッキによる場合の一例として、例えば特開昭６３−１８２４６１号、Ｗｏ９０／０６３８８号などに説明されており、電解液として、硫酸ニッケルや塩化ニッケル、スルファミン酸ニッケルなどが用いるとともに、芯材の表面積に応じて、１ｄｍ２当たり１〜１５Ａ程度の条件で処理される。
【００２９】
なお本発明では、形成されるメッキの厚さについてまでは規定しないが、例えば０．５〜２０μｍ、好ましくは１〜１０μｍ程度の厚さにメッキされたものが比較的容易に用いられる。
【００３０】
このようなメッキ法によれば、各部でのメッキ状態（例えばメッキ厚さ）やそれによる強度が、メッキ多孔体の厚さ断面方向において変化させやすく、その後の押圧によって耐圧縮強度の低い部分（本形態では内部５）を容易に層状に座屈変形させることができ、座屈部分での各空所架橋材９は平面方向に押し潰されて密集し、空孔は平面的な小さいものとなる。なお、このような部分的座屈状態を得る為の圧力については、事前の強度試験等により予め設定される。
【００３１】
また本発明では、こうして得られた芯材１１を有するメッキ被覆状態のものを、該芯材をガス化し消失させた中空状のものとして用いる。この消失方法や条件については従来から種々の方法が実施されている。例えば１０００℃程度での加熱処理で可能である。
【００３２】
特に後者の中空状とした多孔体は、例えばその用途を半導体製造ガスの濾過用など、特に高純度が求められるような濾材として最適であり、また前記内部５側での架橋材の断面形状を図２に見られるように偏平化させ、それによって密度を高めることができるなどの利点もある。
【００３３】
こうしてなる多孔質金属材１は、前記したように表層部４では、実質的に押圧前の当初の金属多孔体が有していた空孔特性を維持し、一方内部５側では、空所架橋材９が実質的に座屈変形してその空孔は微細化し、例えば空孔径１〜３０μｍ程度、空孔密度５０〜８０％程度の緻密構造を備えるものとなる。
【００３４】
また、本発明の多孔質金属材１には、さらに最終加工までのいづれかの段階において、例えば組織安定化や機械的特性、耐食性向上などの為の熱処理や表面処理などを必要に応じて施すこともできる。さらに、前記空孔の形態の変化が、多孔質金属材１の断面中央部において発生させたもの、あるいは、前記メッキ処理時のメッキ電極を、被メッキ材の片面側にのみ配置することで、前記空孔形態が変化している部分を他面側に近い場所に発生させた非対称的なものであってもよい。
【００３５】
また、本発明とは異なる、他の金属多孔体を形成するメッキ法以外の金属繊維不織布や粉末焼結体なども用いうるが、用いる繊維材料の特性、形態、押圧条件など多くの要素について、十分な検証を行なうことが必要である。
【００３６】
図２は、本発明による多孔質金属材１の使用例として、高精密フィルター用のプレフィルター用兼支持用として積層構造ににした例であって、図３は、さらにこのフィルター部材Ｆを円盤状に打ち抜きし、リーフ型フィルター製品に組立てしたものである。
【００３７】
このフィルター部材Ｆは、図２に見られるように、その上方側のｆ１から下方側のｆ５まで、合計５枚の多孔質材料を積層し一体焼結したものであって、ここで用いた部材の各仕様特性は次の通りである。
ｆ１：Ｎｉ多孔体 （架橋材平均径：４０μｍ，金属材厚さ：５ｍｍ）
ｆ２：Ｎｉ多孔体 （架橋材平均径：２０μｍ，厚さ：３ｍｍ）
ｆ３：Ｎｉ不織布焼結体（繊維径：１２μｍ，厚さ：１ｍｍ）
ｆ４：Ｎｉ繊維不織布焼結体（繊維径：５μｍ，厚さ：０．３ｍｍ）
ｆ５：Ｎｉ短繊維粉末（ｄ：３μｍ，アスペクト比５）を厚さ０．５ｍｍに成形。保証濾過精度：０．３μｍ
【００３８】
この中で、上記ｆ１とｆ２は、本発明の多孔質金属材とする為に、前記ニッケルメッキ法によって製造した海綿状金属多孔体であり、また、ｆ３〜ｆ５は、特に空孔の微細化を図る観点から他の方法によるＮｉ多孔体を用いたものであって、ｆ３，ｆ４には比較的微細な空孔を形成できるニッケル不織布焼結体、またｆ５は、予め選定したＮｉ短繊維粉末を懸濁させた懸濁液中に前記ｆ４の多孔体を浸漬し、特許２８５７４９４号の方法によってその一面上に該短繊維を堆積させ、焼結したものである。
【００３９】
図２は、こうして成形された外径７０ｍｍの各部材（ｆ１〜ｆ５）を順次積層して所定の成形プレスにセットし、圧力１．５ｔで皿状に押圧した後、さらに温度１１００℃で焼結した拡大図であり、形成されている空孔が上方から下方に向かってＶ字状に分布するとともに、例えばｆ１及びｆ２では、そのほぼ中央部において比較的密な分布部が見られ、その厚さも約１０％程度縮圧されたものとなっている。
【００４０】
なお、この図では、特にｆ１，ｆ２を構成する内部側の空孔架橋材の一部に細長偏平状になったものも見られているが、このような形状を呈する理由は、その切断面がたまたま架橋材自体の分布軸と重なっている為と思われる。
【００４１】
図３は、この積層一体化された積層濾材Ｆを多段リーフ型のフィルター製品に組立てしたものの例であって、外周面側に前記ｆ１が位置するように各々組み合わし、その外周部２１と次の内周部２２とを溶接することで、リークのないフィルター製品２０を構成している。
【００４２】
そして、被処理流体は同図矢印方向に沿って濾材ｆ１⇒ｆ５の順にフィルター部材Ｆを通過し、濾過処理された後、内部濾過室２３を経て次工程に送給され、この際、流体中の粗大粒子は外周側に位置する粗大空孔を持つ多孔体で優先的に捕獲され、全体として目詰まりが防止される。
【００４３】
【発明の効果】
このように、本発明の多孔質金属材は、海綿状金属多孔体のようなメッキ法では避け得ない特に厚さ方向での耐圧縮強度のバラツキを利用するという、発想の転換によって得られた新たな構造を持つ多孔体であって、１種の基材を用いて積層構造にしている為、多機能を持つ産業用材料、特にフィルター用として有効に用い得るものである。
【００４４】
また、製造方法についても、前記のように、比較的容易に処理できるものであり、従来のような各層毎に異なる種類の素材を用意したり、積層や焼結など複雑工程や装置を必要とせず、また連続化によって効率よく製造できるものである。しかも、得られた多孔質材料は前記したように押圧によってなされるものであることから、構造材として剛性を高めたものとなるなど、多くの利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の１実施の形態を例示する断面図であり、空所架橋材の表層部、内部における状態を簡略化して示している。
【図２】本願発明の多孔質金属体を例示する断面図である。
【図３】フィルターとして使用した状態を例示する断面図である。
【図４】多孔質金属体の表層部を例示する断面図である。
【図５】その輪郭を描いた線図である。
【図６】空孔架橋材の結合を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 多孔質金属体
３ 空所
４ 表層部
５ 内部
９ 空所架橋材
１５ 立体構造部

Claims (3)

1. ガス化により消失可能な非金属ポーラス体の芯材に金属メッキを施すことにより、結合によって一面から他面にわたって連続した空孔を形成する空所架橋体からなる海綿状多孔体を形成し、
   かつ前記金属メッキは該海綿状多孔体の内部のメッキ厚さを表層部のメッキ厚さより小とするとともに、
   ガス化により非金属ポーラス体の芯材を消失させることにより前記空所架橋体を中空状とした金属多孔体を形成するとともに、
   前記表層部は、前記空所架橋材が立体状に配される立体構造部からなり、かつ空孔率は８０〜９９．８％、
   前記内部は、前記金属多孔体の押圧によって架橋材が層状に挫屈し変形した空孔率を５０〜８０％の縮圧構造部によって形成され、
   しかも一面側から他面側に向かって粗→密→粗になだらかに変化する前記多層構造を有することを特徴とするフィルター用の多孔質金属材。
2. 前記金属多孔体の前記金属メッキは、Ｎｉを用いたことを特徴とする請求項１に記載のフィルター用の多孔質金属材。
3. 前記金属多孔体は、前記金属メッキ層の厚さが、０．５〜２０μmであることを特徴とする請求項１又は２に記載のフィルター用の多孔質金属材。

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