JP4478777B2 - セラミックス多孔体 - Google Patents

Description

セラミック微粒子がこれより遥かに大きな多数の空間を有する状態で焼結されてなるセラミックス多孔体に関する。

従来の技術

セラミックス多孔体については特開平５−９７５３７号公報）（特開２００１−８０９７６号公報）に示されるようなものが既に知られている。

しかしながら、径の揃った互いに独立する気孔が３次元的に規則的に配列した均一なものとはならない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、径の揃った互いに独立する気孔が３次元的に規則的に配列した均一なセラミックス多孔体を提供することを課題としている。

セラミックス多孔体は、排ガスのフィルター、触媒担体、バイオリアクター、通気性断熱材などに幅広く利用されている。
特に、気孔が、均一なサイズで、３次元的に規則正しく配列したセラミックス多孔体は、フォトニック結晶への利用が期待されている。

本発明は、以上の課題を解決するものとして、前記空間は、3次元的に配列し、一定寸法の互いに独立した球状気孔を形成し、かつ、相隣る球状空間同士の最近接間隔は最小間隔としてセラミック微粒子径２個分の距離であるとともに、前記球状空間の直径がサブミクロンの大きさで、かつ前記球状空間の径とセラミックス微粒子径の比の範囲が５〜１０であり、当該球状空間以外の箇所が一定寸法のセラミック微粒子で埋められてなることを特徴とする構成を採用した。

以上の構成により、大きな球状空間の周り全体に、セラミック微粒子が配されているので、セラミック粒子間のみならず、球状空間の間における孔径の均一になった。

発明の実施の形態

以下、実施例を示しつつ、本発明のセラミックス多孔体の製造方法についてさらに詳しく説明する。

本発明のセラミックス多孔体を製造方法では、図１に示したように、所定のｐＨのスラリー中で球状のポリマー粒子（１）の表面にセラミックス微粒子（２）をヘテロ凝集により均一に修飾し（図１＜ｂ＞）、その後、スラリーを成形（図１＜ｃ＞）、焼成し（図１＜ｄ＞）、焼成時に球状のポリマー粒子（１）を燃焼除去するとともに、セラミックス微粒子（２）どうしを結合させる。

つまり、本発明のセラミックス多孔体の製造方法では、核となる球状のポリマー粒子（１）、その表面に修飾させるセラミックス微粒子（２）のそれぞれの表面をスラリー中において相互間で極性を異ならせて帯電させ、両者に働く静電気力を利用して、同種の粒子については均一に分散させ、異種である球状のポリマー粒子（１）とセラミックス微粒子（２）の間では、ヘテロ凝集により、球状のポリマー粒子（１）の表面にセラミックス微粒子（２）を均一に修飾させ、これらの均一分散及び均一修飾を同時に実現させる。

その結果、上記スラリーを成形、焼成すると、球状のポリマー粒子（１）が燃焼除去され、セラミックス微粒子（２）どうしが結合して、径の揃った互いに独立する気孔が（３）が３次元的に規則的に配列した均一なセラミックス多孔体（４）が得られる（図１＜ｄ＞）。

具体的には、図１＜ａ＞に示したように、球状のポリマー粒子（１）の分散したスラリーとセラミックス微粒子（２）が分散したスラリーを、一方の粒子表面が正に、他方の粒子表面が負に帯電する同一のｐＨで別々に調製する。
一般には、球状のポリマー粒子（１）の表面は負に、セラミックス微粒子（２）の表面は正に帯電させるが、使用するポリマー及びセラミックスの種類によってはその逆に帯電させてもよい。
このようにスラリーを別々に調製すると、粒子間の静電反発力により粒子はスラリー中でより均一に分散する。
スラリーのｐＨは、使用する粒子の表面電位、すなわち、ゼータ電位、の絶対値ができるだけ大きくなるように設定することが、静電気力の大きさを大きくする上で好ましい。
そのためには、高分子電解質などのいわゆる分散剤をスラリーに添加することが一案として考えられる。
ただし、球状のポリマー粒子（１）の分散したスラリーとセラミックス微粒子（２）が分散したスラリーは、その後混合することからゼータ電位の絶対値が変化することのないように、上記のとおり、両スラリーのｐＨは同一にしておく。
ｐＨが異なると、スラリー混合時にヘテロ凝集が均一に起こらず、その結果、最終的に均一なセラミックス多孔体が得られなくなる。

このようにして別々に調製し、粒子がより均一に分散したスラリーを混合する。
混合スラリー中では異種粒子間に静電引力が作用し、球状のポリマー粒子（１）の表面にセラミックス微粒子（２）が均一に修飾する。

本発明のセラミックス多孔体の製造方法では、成形方法については特に制限はなく、鋳込成形法、加圧鋳込成形法、減圧鋳込成形法、遠心沈降法、電気泳動法など各種の方法を適宜採用することができる。
焼成方法についても同様であり、焼成条件は、セラミックス微粒子（２）の種類などに応じて適宜設定することができる。

粒径３５０ｎｍのＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）粒子と粒径３４ｎｍのγ−アルミナ粒子の、水を分散媒とする水系スラリーを、ＰＭＭＡ粒子表面が負に、γ−アルミナ粒子表面が正に帯電し、ゼータ電位の絶対値が最大となるｐＨ８で調製した。
図２は、粒径３５０ｎｍのＰＭＭＡ粒子と粒径３４ｎｍのγ−アルミナ粒子のゼータ電位とｐＨの関係を示したグラフである。
両スラリーとも１０分間超音波照射後１時間攪拌し、各粒子を分散させた。
その後、アルミナスラリーをＰＭＭＡスラリー中にゆっくり添加、混合した。
ヘテロ凝集が速やかに起こり、ＰＭＭＡ粒子表面にアルミナ粒子が修飾した。
そして、混合スラリーを減圧鋳込成形法により固化成形し、室温で乾燥後、５００℃、４時間の仮焼、８５０℃、２時間の本焼、の２段階の焼成によりアルミナ多孔体が作製された。
図３は、得られたアルミナ多孔体の破面を示した図面に代わるＳＥＭ写真である。
この図３から確認されるように、得られたアルミナ多孔体では、径の揃った互いに独立する気孔が３次元的に規則的に配列している。
気孔率は７４．０％である。

粒径８００ｎｍのＰＭＭＡ粒子と粒径１５０ｎｍのα−アルミナ粒子の水を分散媒とする水系スラリーをｐＨ８で調製した。
図４は、粒径８００ｎｍのＰＭＭＡ粒子と粒径１５０ｎｍのα−アルミナ粒子のゼータ電位とｐＨの関係を示したグラフである。
この図４からも確認されるように、α−アルミナ粒子表面は、ＰＭＭＡ粒子表面と同様に負に帯電するため、α−アルミナ粒子表面に正の電荷を付与する目的でカチオン性分散剤であるＰＥＩ（ポリエチレンイミン）をスラリーに添加した。
その結果、図４に示したように、α−アルミナ粒子表面は正に帯電した。

その後は実施例１と同様のプロセスを経て固化成形し、室温で乾燥後、５００℃、４時間の仮焼、１１００℃、２時間の本焼、の２段階の焼成によりアルミナ多孔体が作製された。
図５は、得られたアルミナ多孔体の破面を示した図面に代わるＳＥＭ写真である。
この図５から確認されるように、得られたアルミナ多孔体では、径の揃った互いに独立する気孔が３次元的に規則的に配列している。
気孔率は７５．４％である。

もちろん、本発明は、以上の実施形態によって限定されるものではない。
ポリマー粒子及びセラミックス微粒子の種類、粒径、成形方法、焼結方法などの細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。

以上詳しく説明した通り、本発明によって、径の揃った互いに独立する気孔が３次元的に規則的に配列した均一なセラミックス多孔体が製造される。

＜ａ＞＜ｂ＞＜ｃ＞＜ｄ＞は、それぞれ、本発明のセラミックス多孔体を製造する工程を示した工程図である。 粒径３５０ｎｍのＰＭＭＡ粒子と粒径３４ｎｍのγ−アルミナ粒子のゼータ電位とｐＨの関係を示したグラフである。 実施例１で得られたアルミナ多孔体の破面を示した図面に代わるＳＥＭ写真である。 粒径８００ｎｍのＰＭＭＡ粒子と粒径１５０ｎｍのα−アルミナ粒子のゼータ電位とｐＨの関係を示したグラフである。 実施例２で得られたアルミナ多孔体の破面を示した図面に代わるＳＥＭ写真である。

符号の説明

１ 球状のポリマー粒子
２ セラミックス微粒子
３ 気孔
４ セラミックス多孔体

Claims (2)

1. セラミック微粒子が多数の空間を有する状態で焼結されてなるセラミック多孔体であって、前記空間は、3次元的に配列し、一定寸法の互いに独立した球状気孔を形成し、かつ、相隣る球状空間同士の最近接間隔は最小間隔としてセラミック微粒子径２個分の距離であるとともに、前記球状空間の直径がサブミクロンの大きさで、かつ前記球状空間の径とセラミックス微粒子径の比の範囲が５〜１０であり、当該球状空間以外の箇所が一定寸法のセラミック微粒子で埋められてなることを特徴とするセラミック多孔体。
2. 請求項１に記載のセラミック多孔体において、前記セラミック微粒子はアルミナ粒子であることを特徴とするセラミック多孔体。