JP4294964B2

JP4294964B2 - セラミックスハニカム構造体の製造方法

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Publication number: JP4294964B2
Application number: JP2003002960A
Authority: JP
Inventors: 貞昭平井; 孝行川江; 靖加藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2023-01-09
Also published as: US7413717B2; EP1486305A4; BR0308468A; CA2477837A1; CN100482429C; AU2003211675A1; EP1486305A1; WO2003078121A1; KR100607480B1; CN1652907A; EP1486305B1; JP2003334455A; US20050106083A1; KR20050007441A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックスハニカム構造体の製造方法に関し、浄化性能と、端面の耐久性及びキャニング性とのバランスのとれた、自動車排ガス浄化用担体等として好適なセラミックスハニカム構造体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排ガス浄化用の触媒担体等に広く用いられているセラミックスハニカム構造体にあっては、年々強化される排ガス規制に対応すべく、より高い浄化性能が求められており、その一方で、低燃費化、高出力化等の要請から、圧力損失の低減も求められている。
【０００３】
このような状況下、ハニカム構造体の隔壁の厚さをいっそう薄くすることで、ハニカム構造体のセル開口端面における開口率を高めて圧力損失を低減し、かつ隔壁の熱容量を低減してエンジン始動後に早期に触媒を活性化させ、浄化性能を向上させる動きが強まっている。
【０００４】
他方、このようなハニカム構造体の薄壁化の進展にともない、排ガス中に混入する種々の異物が、ハニカム構造体のセル開口端部に存在する隔壁に衝突して隔壁が破損するエロージョン現象が、新たな問題となっている。
【０００５】
もっとも、この問題に対しても、既にセル開口端部に存在する隔壁に、他の隔壁部よりも強度を向上させた隔壁強化部（強化隔壁部）を設けたハニカム構造体が提案されており（例えば、特許文献１参照）、隔壁強化部を設ける方法についても種々検討されている。
【０００６】
従来、隔壁強化部を設ける方法としては、コーディエライト化原料を主成分とするハニカム構造の基材を焼成した後、当該基材のセル開口端部に存在する隔壁に、コーディエライト化原料を分散媒に分散させたスラリーを付着させ、その後、乾燥、焼成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
しかし、この方法は、長時間を要する焼成工程が、基材の焼成と、隔壁強化部を設けるための焼成という２段階で必要となり、生産効率、製品コスト等の点で大きな課題を残すものであった。
【０００８】
これに対し、ハニカム構造の基材を焼成する前の段階で、セル開口端部に存在する隔壁に、隔壁強化材料を分散媒に分散させたスラリーを付着させ、その後、乾燥、焼成することにより、１回の焼成で、基材の焼成と隔壁強化部の形成を行う方法が示唆されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
しかし、この方法については、現在のところ、焼成前の基材と焼成後の基材における材料組成の相違に関し、具体的な検討は何らなされていないのが現状である。特に、焼成前の基材では、通常、隔壁の強度を向上する等の目的で添加される有機バインダー等が存在しているが、この有機バインダーの多くが、メチルセルロース等の水溶性化合物である点については何ら考慮されていなかった。
【００１０】
このため、隔壁強化材料を水に分散したスラリーを用いて、従来の焼成後に行っていた隔壁強化部形成工程をそのまま焼成前に行ったのでは、有機バインダーがスラリー中に溶出して、得られるハニカム構造体の隔壁等に変形を生じ、アイソスタティック強度の低下等により実用に耐え得ないのが現状であった。
【００１１】
また、分散媒に隔壁強化材料を分散させたスラリーでは、その物理的性質上、隔壁強化材料が沈降又は凝集して隔壁強化材料の分散性が不充分となり易いため、形成される隔壁強化部に、強化度合いのばらつき又は不均一化を招き易かった。このため、この製造方法では、隔壁強化部全体について均一な耐エロージョン性を有するセラミックスハニカム構造体を安定して得られない、又は隔壁強化材料を均一に分散させるための管理負担が増大するといった問題があった。
【００１２】
これに対して、隔壁強化材料を非水溶性分散媒に分散させたスラリーを用いると、隔壁等の変形によるアイソスタティック強度の低下等についての問題は解決することができる。
【００１３】
しかし、この製造方法においても、隔壁強化部全体について均一な耐エロージョン性を有するセラミックスハニカム構造体を安定して得られない、又はスラリー中の隔壁強化材料を均一に分散させるための管理負担が増大するといった問題を何ら解決するものではない。
【００１４】
【特許文献１】
特開２０００−５１７１０号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、強化隔壁部全体について均一かつ優れた耐エロージョン性を有するセラミックスハニカム構造体が得られ、生産性の向上及び製品の低コスト化を大幅に改善しながら、隔壁に変形等がなく所望の性能を有するハニカム構造体が得られ、更には、緻密で均一な強化隔壁部を精度よく形成することができるセラミックスハニカム構造体の製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述の問題点に鑑みて鋭意検討した結果、隔壁強化剤として、シリコーンオイルの如く、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｍｇ、及びＡｌからなる群より選択される少なくとも１種の元素を構造中に有する化合物を主成分とするものを用いることにより、上述の問題点を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００２５】
また、本発明によれば、セラミックス材料を主成分とした坏土を用いて、複数の隔壁を備えたハニカム構造を有する乾燥体である基材を得、前記隔壁のうち、前記基材の少なくとも一方のセル開口端部に位置する部分に隔壁強化剤を付着させた後、焼成するセラミックスハニカム構造体の製造方法であって、前記隔壁強化剤として、シロキサン結合を有する化合物を主成分とするものを用いることを特徴とするセラミックスハニカム構造体の製造方法が提供される。
【００２６】
本発明においては、隔壁強化剤の主成分が、燃焼することにより無機酸化物を生成する化合物であることが好ましい。具体的には、シリコーンオイル、シリコーンワニス、アルコキシオリゴマー、又はそれらの混合物を主成分とする隔壁強化剤が好ましい。
【００２７】
また、隔壁強化剤は、絶対粘度が１〜１００００ｍＰａ・ｓであるものが好ましく、当該絶対粘度を有する化合物を主成分とすることが好ましい。
【００２８】
また、本発明においては、セラミックス材料として、各種の材料を用いることができるが、その原料の種類に応じて、隔壁強化剤の種類を選択することが好ましく、例えば、コーディエライト化原料を用いる場合には、シリコーンオイル等の構造中にＳｉを有する化合物が好ましい。
【００２９】
また、本発明においては、坏土に、主成分であるセラミックス材料に加え、水溶性有機バインダーを含有させる場合に、特にその効果が大きく、具体的な水溶性有機バインダーとしては、例えば、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシルメチルセルロース、ポリビニルアルコール、及びポリビニルアセタールからなる群より選択される少なくとも１種の水溶性化合物からなるものを挙げることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を具体的に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。本発明のセラミックスハニカム構造体の製造方法により製造されるセラミックスハニカム構造体は、多孔質構造を有する複数の隔壁によって仕切られた、流体の流路となる複数のセルからなるセル複合体と、セル複合体の最外周に位置する最外周セルを囲繞して保持する、多孔質構造を有する外壁とを備えたセラミックスハニカム構造体であり、隔壁のうち、セル複合体の少なくとも一方のセル開口端部に位置する部分が、少なくとも一方のセル開口端部以外の部分（以下、「通常隔壁部」と記す）よりも高強度で、かつ単位体積当りの気孔率のバラツキ（以下、「気孔率最大較差」と記す）が±２％以内である強化隔壁部を構成してなることを特徴とするものである。以下、その詳細について説明する。
【００３１】
図５は、セラミックスハニカム構造体の一実施形態を模式的に示す説明図であり、図５（ａ）は斜視図、図５（ｂ）は平面図、図５（ｃ）は側面図を各々示す。また、図６は、セラミックスハニカム構造体の他の実施形態を模式的に示す部分拡大図である。セラミックスハニカム構造体１は、多孔質構造を有する複数の隔壁（セル隔壁２）によって仕切られた、流体の流路となる複数のセル３からなるセル複合体と、セル複合体の最外周に位置する最外周セル８を囲繞して保持する、多孔質構造を有する外壁４とを備えている。なお、図６中、符号２ａは外周セル隔壁、符号２ｂは基本セル隔壁、符号９は最外周から２番目のセルを示す。
【００３２】
図５に示すセラミックスハニカム構造体１は、その隔壁（セル隔壁２）のうち、セル複合体の少なくとも一方のセル開口端部５に位置する部分が、通常隔壁部よりも高強度である強化隔壁部を構成している。従って、セラミックスハニカム構造体１は、優れた耐エロージョン性を有するものである。
【００３３】
また、この強化隔壁部の気孔率最大較差は±２％以内、即ち均質性が極めて高い。従って、セラミックスハニカム構造体１は、その強化隔壁部の各部位におけるエロージョンの起こり易さのバラツキが極めて少なく、局所的なエロージョン現象を回避でき、強化隔壁部の全体について優れた耐エロージョン性が付与されている。
【００３４】
また、セラミックスハニカム構造体においては、より優れた耐エロージョン性を付与するという観点からは、強化隔壁部の５部位間における気孔率最大較差が±１．５％以内であることが好ましく、±１％以内であることが更に好ましい。なお、「強化隔壁部の気孔率最大較差」とは、具体的には強化隔壁部内の任意の５部位間における単位体積当りの気孔率のバラツキをいう。
【００３５】
強化隔壁部の気孔率（％）の値が、通常隔壁部の気孔率（％）の値より３（％）以上小さいことが好ましく、５（％）以上小さいことが更に好ましく、８（％）以上小さいことが特に好ましい。強化隔壁部の気孔率（％）の値が、通常隔壁部の気孔率（％）の値より３（％）未満小さいものである場合には、十分な耐エロージョン性が発揮され難いために好ましくない。なお、強化隔壁部の気孔率（％）の値の、通常隔壁部の気孔率（％）の値からみた小ささの上限値については特に限定されないが、概ね１２（％）以下であればよい。
【００３６】
また、耐熱衝撃性と耐エロージョン性の両特性を具備させることを考慮して、強化隔壁部の気孔率が３０％以下であることが好ましく、１３〜２５％であることが更に好ましく、１５〜２３％であることが特に好ましく、１８〜２１％であることが最も好ましい。
【００３７】
隔壁の最低隔壁厚さが、０．０３０〜０．０７６ｍｍであることが好ましく、０．０３０〜０．０６５ｍｍであることが更に好ましい。最低隔壁厚さをこのような数値範囲内に規定することにより、圧力損失を低減しながら、軽量化及び熱容量の低減化により暖機時の浄化性能を向上させることができる。
【００３８】
なお、強化隔壁部は、耐エロージョン性と低熱容量との両立を図る点において、セル開口端部の少なくとも一の端面から軸方向に３０ｍｍ以内の範囲の一部又は全部で設けられていることが好ましく、１０ｍｍ以内の範囲の一部又は全部で設けられていることが更に好ましい。また、強化隔壁部は、セル開口端部の端面から軸方向に一様の長さで設けられていてもよいが、強化隔壁部の、セル開口端部の端面からその先端までの長さが、強化隔壁部全体としては一様ではないことが、耐エロージョン性と低熱容量との両立を図る点、及び気孔率が変化する境界部分の応力集中の緩和を図る点において好ましい。
【００３９】
強化隔壁部の隔壁厚さが、通常隔壁部の隔壁厚さよりも厚いことが好ましい。具体的には、強化隔壁部の隔壁厚さは、通常隔壁部の隔壁厚さの１．２０〜４．００倍の厚さであることが好ましい。また、強化隔壁部の隔壁厚さが、セル開口端部の少なくとも一方の端面から軸方向に連続的又は段階的に薄くなって通常隔壁部の隔壁厚さに移行していることが応力集中を回避する上で好ましい。なお、このような各種強化隔壁部を、１種単独で又は２種以上組み合わせて構成することができる。
【００４０】
図６に示す実施形態のように外周部側のセル隔壁２ａを厚くすることも耐エロージョン性を向上させる点で好ましい。また、外周部側のセル隔壁２ａを厚くすることによりアイソスタティック強度の向上が図られ、キャニング時の把持力を強くすることもできるため、キャニング性も向上する。ここでアイソスタティック強度とは自動車規格ＪＡＳＯ規格Ｍ５０５−８７に準拠した試験により破壊時の加圧圧力値で示される強度である。図６において、外壁４に最も近接して最外周セル８があり、最外周セル８から内方に２番目のセル９が連続している。最外周セルの隔壁厚さをＴｒ_１で、また、この２番目のセル９の隔壁厚さをＴｒ_２で示す。図示はしないが、同様に５〜１５番目の範囲内のいずれかのセルの隔壁の厚さをＴｒ_５〜１５で表す。なお、セル隔壁２は、外周セル隔壁２ａと、基本セル隔壁２ｂとに大別される。
【００４１】
最外周セルを起点セル、起点セルより内方に位置する３〜２０番目の範囲内のいずれかのセルを終点セル、終点セルより内方に位置するセルを基本セルとした場合、起点セル及び終点セルの各々を構成する隔壁の厚さ（Ｔｒ_１、Ｔｒ_３〜２０）と、基本セルを構成する隔壁の厚さ（Ｔｃ）とが、１．１０≦（Ｔｒ_１、Ｔｒ_３〜２０）／Ｔｃ≦３．００、の関係を満足することが好ましい。この値［（Ｔｒ_１、Ｔｒ_３〜２０）／Ｔｃ］が、１．１０未満であると、耐エロージョン性の向上に寄与せず、アイソスタティック強度の改善にも寄与しないためキャニング性の向上に寄与しない。また、３．００を超えると、熱容量及び圧力損失が増大する。また、１及び２番目のセルの隔壁厚さ（Ｔｒ_１、Ｔｒ_２）を特定の割合で厚くしても、耐エロージョン性やアイソスタティック強度の向上に寄与せず、２１番目以降特に３１番目以降のセルの隔壁厚さまでを特定の割合で厚くすると、圧力損失が増大するとともに、セラミックスハニカム構造体の質量が所定以上に増大することより、熱容量も増大し好ましくない。
【００４２】
また、セル隔壁厚さ（Ｔｒ_１、Ｔｒ_３〜２０）のそれぞれを、基本セル隔壁厚さ（Ｔｃ）との間に、１．１０≦（Ｔｒ_１、Ｔｒ_３〜２０）／Ｔｃ≦２．５０、更には１．２０≦（Ｔｒ_１、Ｔｒ_３〜２０）／Ｔｃ≦１．６０の関係を有するように更に限定した条件とすることが、熱容量や圧力損失を考慮したときに実用上好ましい。
【００４３】
セラミックスハニカム構造体は、例えばコーディエライト、アルミナ、ムライト、窒化珪素、アルミニウムチタネート、ジルコニア、及び炭化珪素からなる群より選択される少なくとも１種のセラミックスにより構成される。
【００４４】
また、セラミックスハニカム構造体の流路に垂直な断面形状としては、例えば円、楕円、長円、台形、三角形、四角形、六角形、又は左右非対称な異形形状を挙げることができる。中でも円、楕円、又は長円のうちのいずれかであることが好ましい。
【００４５】
セラミックスハニカム構造体のセルの、流路に垂直な断面形状としては、三角形以上の多角形状、例えば正方形、長方形、又は六角形等を挙げることができる。中でも三角形、四角形、又は六角形のうちのいずれかであることが好ましい。
【００４６】
セラミックスハニカム構造体の用途には特に限定はなく、各種フィルターや触媒担体などの各種用途に用いることができるが、自動車排気ガス浄化触媒用担体に用いることが特に好ましい。また、セラミックスハニカム構造体は、図７に示すように触媒コンバーター容器１１に組み込んで使用されることが好ましい。ここで、セラミックスハニカム構造体１３は、触媒コンバーター容器１１内において、その外周面でリング１２により把持されて組み込まれている。リング１２を構成する材質等には特に制限はないが、通常、金属メッシュ製のものが使用される。なお、触媒コンバーター容器１１とセラミックスハニカム構造体１３の外周面との間には、マット、クロス等の把持材１４を介在させることが好ましい。
【００４７】
次に、本発明のセラミックスハニカム構造体の製造方法の一実施形態について説明する。本発明のセラミックスハニカム構造体の製造方法は、セラミックス材料を主成分とした坏土を用いて複数の隔壁を備えたハニカム構造を有する乾燥体である基材を得、隔壁のうち、基材の少なくとも一方のセル開口端部に位置する部分に隔壁強化剤を付着させた後、焼成するセラミックスハニカム構造体の製造方法であって、隔壁強化剤として、シロキサン結合を有する化合物を主成分とするものを用いることを特徴とする。
【００４８】
本実施形態では、１回の焼成により、基材（通常隔壁部）の焼成と、強化隔壁部の形成を同時に行うことができるため、生産性の向上及び製品の低コスト化を大幅に改善することができる。加えて、隔壁強化剤として疎水性化合物を用いるため、隔壁に付着した際に、水溶性有機バインダーが溶解及び膨潤することがなく、セルよれ等の隔壁変形のない所望の性能を有するセラミックスハニカム構造体が得られる。
【００４９】
更に本実施形態においては、隔壁強化剤として、隔壁強化に寄与する元素を構造中に有する化合物を用いるため、隔壁強化に寄与する元素が、その物理化学的性状において、常に均一に配置されることとなる。このため、特に分散等の措置を講ずることなく、均一な強化隔壁部を形成することができ、局所的なエロージョンの発生をほぼ回避することができる。従って、強化隔壁部全体の平均気孔率を同一とした場合でも、従来のセラミックスハニカム構造体よりも、耐エロージョン性のより優れた強化隔壁部を形成することができる。また、上記隔壁強化剤を用いることにより、製品間で耐エロージョン性のばらつきがなくなり、耐エロージョン性に優れるセラミックスハニカム構造体を簡潔な工程により安定して得ることができる。以下、各工程毎に具体的に説明する。
【００５０】
本実施形態においては、まず、セラミックス材料を主成分とする坏土を用いて、複数の隔壁を備えるハニカム構造の成形体を作製する。
【００５１】
本実施形態においては、セラミックス材料について特に制限はなく、例えば、炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化チタン、炭化ジルコニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、アルミナ、ジルコニア、ムライト、コーディエライト化原料、チタン酸アルミニウム、及びサイアロンからなる群より選択される少なくとも１種を用いることができる。なお、隔壁強化剤の種類との関係については後述する。
【００５２】
本実施形態においては、必要に応じて他の添加物を坏土に含有させてもよく、例えば、水溶性有機バインダー、結晶成長助剤、分散剤、又は造孔剤等を含有させてもよい。また、水溶性有機バインダーとしては、例えば、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシルメチルセルロース、ポリビニルアルコール、又はポリビニルアセタール等を挙げることができる。また、結晶成長助剤としては、例えば、マグネシア、シリカ、イットリア、又は酸化鉄等を挙げることができ、分散剤としては、例えば、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、又はポリアルコール等を挙げることができる。また、造孔剤としては、例えば、グラファイト、小麦粉、澱粉、フェノール樹脂、又はポリエチレンテレフタレート等を挙げることができる。なお、これら添加剤は、目的に応じて１種又は２種以上混合させて含有させることができる。
【００５３】
また、本実施形態では、既に述べたように隔壁強化剤として疎水性化合物を用いるため、隔壁に付着した際に、水溶性有機バインダーが溶解及び膨潤することがなく、セルよれ等の隔壁変形を生じることはない。従って、上記水溶性有機バインダーを杯土に含有させる製造方法に特に好ましく適用することができる。
【００５４】
また、坏土は、通常の方法で作製すればよく、例えば、セラミックス材料に水溶性有機バインダー等の添加物を添加した原料に、水等を所定量混合し、必要に応じて他の添加物を加えた後、ニーダー、加圧ニーダー、真空土練機等で混練、土練して得ることができる。
【００５５】
本実施形態においては、ハニカム構造の成形体を得る方法を（成形方法）についても特に制限はないが、量産性に優れる点で、押出成形が好ましく、例えば、ラム式押出成形装置、又は２軸スクリュー式連続押出成形装置等の押出成形装置を用いて、押出成形することが好ましい。
【００５６】
また、本実施形態においては、基材の隔壁厚さ（通常隔壁部の隔壁厚さ）についても特に制限はなく、例えば、隔壁厚さ０．０５ｍｍ以下の基材としても、隔壁に変形を生じさせることなく、所望のハニカム構造を有する成形体を得ることができる。次いで、得られた成形体を乾燥して、ハニカム構造を有する乾燥体である基材を得る。成形体の乾燥には適当な乾燥方法を採用し、実質的に焼成しない温度で乾燥すればよい。乾燥方法としては、例えば送風乾燥、熱風乾燥、又はマイクロ波乾燥等を挙げることができる。なお、本発明において「乾燥体」というときは、実質的な焼成のなされていない、未焼成の乾燥体を意味する。
【００５７】
本実施形態では、次に、焼成前の段階で、得られた基材（乾燥体）のセル開口端部に存在する複数の隔壁に、隔壁強化剤を付着する。
【００５８】
この際、本実施形態では、隔壁強化剤として、基材に付着した際に、基材構成材料の融点を低下させる、又は隔壁の細孔内に侵入して細孔の容積を低下させる等により、端部に存在する隔壁を緻密化する元素、より具体的には、Ｓｉを構造中に有する化合物が主成分のものを用いる。
【００５９】
本実施形態において、このような隔壁強化剤の主成分となる化合物としては、燃焼することにより無機酸化物を生成する化合物が好ましい。
【００６１】
Ｓｉを構造中に有する化合物とは、シロキサン結合を有する化合物をいい、例えば、シリコーンオイル、シリコーンワニス、シリケートアルコキシオリゴマー、又はこれらの混合物等が好ましい。
【００６２】
また、シリコーンオイルとしては、例えば、ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル、メチルハイドロジェンシリコーンオイル、アミノ変性シリコーンオイル、エポキシ変性シリコーンオイル、カルボキシル変性シリコーンオイル、カルビノール変性シリコーンオイル、メタクリル変性シリコーンオイル、メルカプト変性シリコーンオイル、フェノール変性シリコーンオイル、片末端反応性シリコーンオイル、異種官能基変性シリコーンオイル、ポリエーテル変性シリコーンオイル、メチルスチリル変性シリコーンオイル、アルキル変性シリコーンオイル、又は高級脂肪酸エステル変性シリコーンオイル等を挙げることができる。
【００６３】
本実施形態においては、上記した各種化合物を、１種単独で又は２種以上混合して隔壁強化剤を調製すればよいが、特に、２種以上混合して隔壁強化剤を調製することが好ましい。上記化合物を２種以上混合して隔壁強化剤を調製すると、種々の粘性を有する上記化合物を選択、混合することができるため、隔壁強化剤の粘度を任意に調整することができ、隔壁強化剤の均一な付着が容易となる。また、任意に上記化合物を選択、混合することにより、所望の耐熱衝撃性を確保しながら、隔壁の強化度合いを任意にコントロールすることができ、隔壁厚さ等に応じて、所望の耐エロージョン性を付与することができる。
【００６４】
具体的には、例えば、ジメチルシリコーンオイルに、シリケートアルコキシオリゴマー、又はメチルハイドロジェンシリコーンオイルを混合した隔壁強化剤を用いることが好ましい。
【００６５】
また、このような隔壁強化剤では、シリケートアルコキシオリゴマー（ＳＡＯ）、又はメチルハイドロジェンシリコーンオイル（ＭＨＳＯ）と、ジメチルシリコーンオイル（ＤＭＳＯ）との混合比率（ＳＡＯ又はＭＨＳＯ／ＤＭＳＯ）が、１０／９０〜７５／２５（質量比）であることが好ましく、１５／８５〜５０／５０（質量比）であることがより好ましく、２０／８０〜５０／５０（質量比）であることが更に好ましく、２５／７５〜５０／５０（質量比）であることが特に好ましい。混合比率がこの範囲であれば、所望の耐熱衝撃性を確保しながら、耐エロージョン性に優れるセラミックスハニカム構造体を得ることができる。
【００６６】
また、本実施形態における隔壁強化剤は、前述したシリコーンオイル等の化合物を、トルエン若しくはキシレン等の芳香族炭化水素、石油エーテル若しくはケロシン等の脂肪族炭化水素、灯油若しくは軽油等の石油系炭化水素、イソプロピルアルコール、ラウリルアルコール、若しくはブタノール等のアルコール類、又は揮発性シリコーンオイル等の１種又は２種以上を含む希釈剤により希釈したものであってもよい。このような希釈剤の添加は、隔壁の強化度合いを任意にコントロールすることができ、しかも、隔壁強化剤の粘度を任意に調整することができるため、隔壁強化剤の均一な付着が容易となる。
【００６７】
本実施形態における隔壁強化剤は、絶対粘度が１〜１００００ｍＰａ・ｓのものが好ましく、１０〜１０００ｍＰａ・ｓのものがより好ましい。
【００６８】
一般的に、低粘度の化合物は重合度が小さく、揮発し易い傾向があり、粘度が１ｍＰａ・ｓ未満であると、隔壁に付着して焼成した際に、ＣＯ₂及びＨ₂Ｏと同時に、隔壁強化剤の中に存在するＳｉ等の有効成分が揮発してしまい、強固な強化隔壁部を形成することが困難になる。一方、粘度が１００００ｍＰａ・ｓを超えると、隔壁強化剤を隔壁に均一の厚さで付着し難くなる。
【００６９】
また、本実施形態における隔壁強化剤は、セラミックス原料の種類毎に、好ましいものを選択することが好ましく、例えば、コーディエライト化原料を主成分とする坏土では、シリコーンオイル等のＳｉを構造中に有する化合物を選択することが好ましい。
【００７０】
本実施形態において隔壁強化剤を隔壁へ付着する際には、隔壁強化剤中に、基材を、セル開口端部の端面から所望の高さまで浸漬して行うことが、簡単に総ての隔壁に均一に隔壁強化剤を付着することができ、しかも強化隔壁部を設ける領域を任意にコントロールすることが容易な点で好ましい。但し、均一に隔壁強化剤を付着するためには、浸漬後、過剰に付着した隔壁強化剤を圧縮空気等により、除去することが好ましい。なお、スプレー塗布でも隔壁強化剤の均質塗布は可能であるが、強化隔壁部を設ける領域を任意にコントロールすることが難しい。
【００７１】
次に、本実施形態においては、隔壁強化剤を付着したハニカム構造の基材について、少なくとも１回の焼成を行うことにより、通常隔壁部の焼成（形成）と、強化隔壁部の焼成（形成）とを同時に行う。
【００７２】
本実施形態においては、基材の焼成に際して、基材及び隔壁強化剤を予め乾燥しておくことが好ましく、乾燥方法としては、送風乾燥、熱風乾燥、又はマイクロ波乾燥等を挙げることができる。
【００７３】
また、焼成する際の条件については、基材及び隔壁強化剤の種類により適宜所望の条件を選択することが好ましく、例えば、基材がコーディエライト化材料を主成分とし、隔壁強化剤が、シリコーンオイル等のシロキサン結合を有する化合物を主成分とする場合は、１３００〜１５００℃で焼成すればよい。
【００７４】
以上、本実施形態の製造方法について各工程毎に説明したが、本実施形態の製造方法は、耐エロージョン性に優れるセラミックスハニカム構造体を、隔壁に変形等を生じさせることなく、１回の焼成工程により安定して製造することができ、高生産性及び製品の大幅な低コスト化を達成できるものである。
【００７５】
【実施例】
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【００７６】
（実施例１）
コーディエライト化原料からなるセラミックス原料１００質量部に対して、メチルセルロース８質量部、ラウリン酸カリ石鹸０．５質量部、ポリエーテル２質量部、水２８質量部を混合したものを、連続押出し成形機に投入してハニカム構造を有する成形体を得、これを乾燥することにより、ハニカム構造を有する基材（未焼成の乾燥体）を作製した。
【００７７】
次に、得られた基材を、ジメチルシリコーンオイル（信越化学工業株式会社製、商品名：ＫＦ９６−１００ＣＳ、絶対粘度：約１００ｍＰａ・ｓ）からなる隔壁強化剤に、セル開口端面から軸方向に５ｍｍの深さで浸漬して、基材のセル開口端部に存在する隔壁に隔壁強化剤を付着させた。また、その直後、室温の圧縮空気を送風して、過剰に付着した隔壁強化剤を排除した。
【００７８】
次に、セル開口端部に存在する隔壁に隔壁強化剤を付着させたハニカム構造の基材を、１４００℃で４時間焼成して、隔壁厚さ０．０６４ｍｍ、直径１００ｍｍ、高さ１００ｍｍで、四角セルを１４０セル／ｃｍ²の密度で有する、開口率８５．５％の円柱状のセラミックスハニカム構造体（触媒未担持）を製造した。なお、製造したセラミックスハニカム構造体の通常隔壁部の気孔率は２７〜２８％であった。
【００７９】
（実施例２〜４）
隔壁強化剤として、メチルハイドロジェンシリコーンオイル（信越化学工業株式会社製、商品名：ＫＦ９９、絶対粘度：２０ｍＰａ・ｓ）と、ジメチルシリコーンオイル（信越化学工業株式会社製、商品名：ＫＦ９６Ｌ−０．６５ＣＳ、絶対粘度：０．６５ｍＰａ・ｓ）とを、それぞれ１０／９０、２５／７５、５０／５０の比率（質量比）で混合したものを用いたこと以外は実施例１と同様にして、セラミックスハニカム構造体を製造した。
【００８０】
（実施例５〜７）
隔壁強化剤として、シリケートアルコキシオリゴマー（信越化学工業株式会社製、商品名：ＫＲ−５００、絶対粘度：２０ｍＰａ・ｓ）と、ジメチルシリコーンオイル（信越化学工業株式会社製、商品名：ＫＦ９６Ｌ−０．６５ＣＳ、絶対粘度：０．６５ｍＰａ・ｓ）とを、それぞれ１０／９０、２５／７５、５０／５０の比率（質量比）で混合したものを用いたこと以外は実施例１と同様にして、セラミックスハニカム構造体を製造した。
【００８１】
（実施例８〜１０）
隔壁強化剤として、メチルハイドロジェンシリコーンオイル（信越化学工業株式会社製、商品名：ＫＦ９９、絶対粘度：２０ｍＰａ・ｓ）と、ジメチルシリコーンオイル（信越化学工業株式会社製、商品名：ＫＦ９６Ｌ−１０００ＣＳ、絶対粘度：１０００ｍＰａ・ｓ）とを、それぞれ１０／９０、２５／７５、５０／５０の比率（質量比）で混合したものを用いたこと以外は実施例１と同様にして、セラミックスハニカム構造体を製造した。
【００８２】
（実施例１１）
隔壁強化剤として、メチルハイドロジェンシリコーンオイル（信越化学工業株式会社製、商品名：ＫＦ９９、絶対粘度：２０ｍＰａ・ｓ）と、灯油（日石三菱株式会社製）とを、２５／７５の比率（質量比）で混合したものを用いたこと以外は実施例１と同様にして、セラミックスハニカム構造体を製造した。
【００８３】
（比較例１）
ハニカム構造の基材に隔壁強化剤を付着させないこと以外は、実施例１と同様にしてハニカム構造体を製造した。
【００８４】
（比較例２）
分散媒として水を用い、シリカ（ＳｉＯ₂）粉末を５質量％分散させた分散液１００質量部に、分散剤（アルキルアセタール化ポリビニルアルコール／積水化学工業株式会社製、エスレックＫＷ−３）を０．５質量部添加した隔壁強化剤を用いたこと以外は実施例１と同様にしてセラミックスハニカム構造体を製造した。
【００８５】
（比較例３）
分散媒として石油系炭化水素（日石三菱株式会社製、商品名：灯油／クリセフオイルＦ８混合油、主成分：灯油）を用い、シリカ（ＳｉＯ₂）粉末を５質量％分散させた分散液１００質量部に、分散剤（ポリオキシアルキレン基高分子／日本油脂株式会社製、マリアリムＡＫＭ−０５３１）を０．５質量部添加した隔壁強化剤を用いたこと以外は実施例１と同様にしてセラミックスハニカム構造体を製造した。
【００８６】
各実施例及び比較例で得られたセラミックスハニカム構造体について、気孔率、耐エロージョン性、アイソスタティック強度、及び耐熱衝撃性を、以下のようにして評価した。
【００８７】
１．気孔率１（製品間較差）
各実施例及び各比較例により得られたセラミックスハニカム構造体５個について、図１に示すように、その強化隔壁部について、その端面のほぼ全面である７０ｃｍ²の範囲で測定用試料６を切出し、以下に示す方法により各測定試料の気孔率を測定し、その最大較差を求めた。
【００８８】
２．気孔率２（強化隔壁部の均一性）
強化隔壁部全体について均一な耐エロージョン性を有するか否かの評価として、図２に示すように各実施例及び各比較例により得られた一つのセラミックスハニカム構造体の強化隔壁部について、その端面の中央部１ヵ所とその外周部４ヵ所の計５ヵ所で、各々９ｃｍ²の範囲で測定用試料７を切出し、以下に示す方法により各測定試料の気孔率を測定し、その最大較差を求めた。
【００８９】
３．気孔率の測定
（１）測定試料を１５０℃で２時間乾燥後、容器に入れ装置にセットした。
（２）容器内に水銀を注入し規定の細孔径に相当する圧力を加え、測定試料に吸収された水銀容積を求めた。
（３）細孔分布は圧力と吸収された水銀容積から計算し求めた。
（４）細孔容積は６８．６ＭＰａ（７００ｋｇｆ／ｃｍ²）の圧力を加え吸収された水銀容積から計算し求めた。
（５）気孔率は、総細孔容積より、以下の式で求めた。
気孔率（％）＝総細孔容積（１ｇ当り）×１００／（総細孔容積（１ｇ当り）＋１／２．５２）
【００９０】
４．耐エロージョン性
セラミックスハニカム構造体を直列４気筒、排気量１．８リットルのガソリンエンジンの排気ポートに、セラミックスハニカム構造体が把持、収容された金属キャンを接続した。即ち、サンプルをエンジンの直近に配置した。次に図８に示される条件でエンジンを運転し、回転数が６０００ｒｐｍとなったところで砥粒（炭化珪素、ＧＣ３２０、平均粒径５０μｍ）を０．１ｇ投入した。更に図８に示される条件でエンジンの運転を続け１３０秒を１サイクルとして、２サイクルに１回砥粒を投入しこれを連続的に繰り返した。合計の砥粒投入量を約２ｇ〜１６ｇ程度まで変えて数回の試験を行い、その結果から砥粒投入量が１０ｇのときのセラミックスハニカム構造体のエロージョン量（風蝕体積）を算出した。
【００９１】
エロージョン量は、図９に示すように、セラミックスハニカム構造体１のエロージョン量を測定する側の加工端面にゴムシートを巻きつけ、その中に直径１．５ｍｍのセラミックス製ビーズ２０を約３ｍｍの高さで敷き詰めた後回収してビーズ体積を測定して、エロージョン試験後のビーズ体積と試験前のビーズ体積との差を求め、これを３回行った平均値をエロージョン量とした。また、評価は、各実施例及び各比較例で得られたセラミックスハニカム構造体３個について行い、エロージョン発生量が総て３ｃｃを超えた場合を実用に耐え得ないものとして×、エロージョン発生量が２ｃｃ以下のものと３ｃｃを超えるものが混在した場合を△、エロージョン発生量が総て２〜３ｃｃの場合を○、エロージョン発生量が総て２ｃｃ未満の場合を◎と評価した。
【００９２】
５．アイソスタティック強度
自動車規格ＪＡＳＯ規格Ｍ５０５−８７に準拠した試験を実施することにより破壊時の加圧圧力値を測定し、この値をアイソスタティック強度（ｋｇ／ｃｍ²）とした。
【００９３】
６．耐熱衝撃性
電気炉により、セラミックスハニカム構造体を所定の温度まで加熱した後、２０℃の室温雰囲気に取り出し、取り出し直後の高温の状態、及び冷風による冷却後（２０℃の状態）の状態で、熱衝撃によるクラック等の欠陥が発生しているかを目視観察した。観察により欠陥発生が認められない場合は、加熱温度を更に上昇させて、欠陥が発生する温度まで試験を繰り返し、欠陥発生が認められた限界温度を見極め、耐熱衝撃性を評価した。
【００９４】
（評価）
隔壁強化剤を用いない比較例１の製造方法では、得られたセラミックスハニカム構造体５個の隔壁端部の気孔率が何れも２７〜２８％と大きく、耐エロージョン性も実用に耐え得ないものであることが確認された。
【００９５】
また、シリカ（ＳｉＯ₂）粉末を水に分散させた隔壁強化剤を用いる比較例２の製造方法では、図４に示すように、得られたセラミックスハニカム構造体の隔壁に、肉眼ではっきり確認できる程度の著しい変形が認められ、得られたセラミックスハニカム構造体５個のアイソスタティック強度も、３〜５ｋｇ／ｃｍ²と何れも極めて小さく、実用に耐え得るものでなかった。また、５個のセラミックスハニカム構造体間で、強化隔壁部における平均気孔率の最大較差が５％となり、耐エロージョン性も１．２〜３．２ｃｃと製品間でばらつきが大きかった。また、一つのセラミックスハニカム構造体内でも、気孔率の最大較差が５％と大きく、後述する実施例で得られるセラミックスハニカム構造体に比べ、局所的なエロージョン現象が起き易いため、強化隔壁部全体の平均気孔率が同じ場合には、耐エロージョン性がより低いことが示唆された。
【００９６】
同様に、シリカ（ＳｉＯ₂）粉末を石油系炭化水素に分散させた隔壁強化剤を用いる比較例３の製造方法では、得られた５個のセラミックスハニカム構造体間で、強化隔壁部全体の平均気孔率の最大較差が８％となり、耐エロージョン性も、１．１〜３．５ｃｃと製品間でばらつきがより大きかった。また、一つのセラミックスハニカム構造体内でも、気孔率の最大較差が７％とより大きく、強化隔壁部に局所的なエロージョン現象がより起き易いことが示唆された。
【００９７】
これに対して、Ｓｉを構造中に有する化合物からなる隔壁強化剤を隔壁に付着する各実施例の製造方法では、図３に示すように（図３は実施例１で得られたセラミックスハニカム構造体を示す。）、隔壁の変形がなく、アイソスタティック強度も２１ｋｇ／ｃｍ²以上と実用上全く問題はなかった。更に、強化隔壁部全体の平均気孔率は１４〜２４％で、未強化部に対して３〜１３％低く、耐エロージョン性が大きいことが示唆された。また、５個のセラミックスハニカム構造体間で、強化隔壁部全体の平均気孔率の最大較差が１％であり、ばらつきが極めて小さく、耐エロージョン性も総て３ｃｃ以下であることが確認された。また、一つのセラミックスハニカム構造体内でも、気孔率の最大較差が１％以下と均一な強化隔壁部が形成されており、強化隔壁部に局所的なエロージョン現象が起き難く、強化隔壁部全体として、耐エロージョン性が向上していることが示唆された。
【００９８】
また、メチルハイドロジェンシリコーンオイルとジメチルシリコーンオイルとを混合した隔壁強化剤を隔壁に付着する実施例２〜４、８〜１０の製造方法、シリケートアルコキシオリゴマーとジメチルシリコーンオイルとを混合した隔壁強化剤を隔壁に付着する実施例５〜７の製造方法、及びメチルハイドロジェンシリコーンオイルと灯油とを混合した隔壁強化剤を隔壁に付着する実施例１１の製造方法では、メチルハイドロジェンシリコーンオイル、又はシリケートアルコキシオリゴマーの含有率を大きくすることにより、強化隔壁部全体の平均気孔率も低下する傾向が認められた。
【００９９】
具体的には、メチルハイドロジェンシリコーンオイル、又はシリケートアルコキシオリゴマーを２５％以上とした実施例３、４、６、７、９〜１１で得られたセラミックスハニカム構造体では、平均気孔率が２１％以下の強化隔壁部が得られ、均一な気孔率を有する効果も加わって、耐エロージョン性が極めて大きかった。更に、メチルハイドロジェンシリコーンオイル、又はシリケートアルコキシオリゴマーを５０％とした実施例４、７、１０で得られたセラミックスハニカム構造体では、平均気孔率がそれぞれ１４〜１５％、１６〜１７％、１５〜１５％の強化隔壁部が得られ、耐エロージョン性が更に大きかった。なお、何れの実施例及び比較例でも、得られたセラミックスハニカム構造体は、耐熱衝撃温度７００℃以上と実用上十分な耐熱衝撃性が認められた。用いた隔壁強化剤及び評価結果を表１にまとめて示す。
【０１００】
【表１】

【０１０１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、生産性の向上及び製品の低コスト化を大幅に改善しながら、隔壁に変形等がなく所望の性能を有するハニカム構造体が得られる。加えて、緻密で均一な強化隔壁部を精度よく形成することができ、耐エロージョン性に優れるセラミックスハニカム構造体を安定して得ることができる。勿論、得られたセラミックスハニカム構造体は、強化隔壁部全体について極めて均一な気孔率を有し、局所的なエロージョン現象をほぼ完全に回避できることから、より優れた耐エロージョン性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】各実施例及び各比較例のセラミックスハニカム構造体について、気孔率１（製品間較差）を求める際に採取した試料の部位を示す模式図である。
【図２】各実施例及び各比較例のセラミックスハニカム構造体について、気孔率２（強化隔壁部の均一性）を求める際に採取した試料の部位を示す模式図である。
【図３】実施例１の製造方法で得られたセラミックスハニカム構造体における隔壁の一部の状態を示す拡大図である。
【図４】比較例２の製造方法で得られたセラミックスハニカム構造体における隔壁の一部の状態を示す拡大図である。
【図５】セラミックスハニカム構造体の一実施形態を模式的に示す説明図であり、図５（ａ）は斜視図、図５（ｂ）は平面図、図５（ｃ）は側面図を各々示す。
【図６】セラミックスハニカム構造体の他の実施形態を模式的に示す部分拡大図である。
【図７】セラミックスハニカム構造体をコンバーター容器に組み込んだ例を模式的に示す説明図である。
【図８】エロージョン試験におけるエンジン回転数の条件を示す図である。
【図９】エロージョン量の測定方法を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１…セラミックスハニカム構造体、２…セル隔壁、２ａ…外周セル隔壁、２ｂ…基本セル隔壁、３…セル、４…外壁、５…セル開口端部、６，７…測定用試料、８…最外周セル、９…最外周から２番目のセル、１０…開口端面、１１…触媒コンバーター容器、１２…リング、１３…セラミックスハニカム構造体、１４…把持材、２０…ビーズ。

Claims

セラミックス材料を主成分とした坏土を用いて、複数の隔壁を備えたハニカム構造を有する乾燥体である基材を得、前記隔壁のうち、前記基材の少なくとも一方のセル開口端部に位置する部分に隔壁強化剤を付着させた後、焼成するセラミックスハニカム構造体の製造方法であって、
前記隔壁強化剤として、シロキサン結合を有する化合物を主成分とするものを用いることを特徴とするセラミックスハニカム構造体の製造方法。
前記隔壁強化剤の主成分が、燃焼することにより無機酸化物を生成する化合物である請求項１に記載のセラミックスハニカム構造体の製造方法。
前記隔壁強化剤の主成分が、シリコーンオイル、シリコーンワニス、アルコキシオリゴマー、又はこれらの混合物である請求項１又は２に記載のセラミックスハニカム構造体の製造方法。
前記隔壁強化剤の絶対粘度が、１〜１００００ｍＰａ・ｓである請求項１〜３のいずれか一項に記載のセラミックスハニカム構造体の製造方法。
前記セラミックス材料が、コーディエライト化原料である請求項１〜４のいずれか一項に記載のセラミックスハニカム構造体の製造方法。
前記坏土が、水溶性有機バインダーを含有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のセラミックスハニカム構造体の製造方法。
前記水溶性有機バインダーが、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシルメチルセルロース、ポリビニルアルコール、及びポリビニルアセタールからなる群より選択される少なくとも１種の水溶性化合物からなる請求項６に記載のセラミックスハニカム構造体の製造方法。