JP4965734B1 - グリーン成形体及びハニカム構造体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 互いに略平行な複数の貫通孔70aが形成されたハニカム状の柱状体70からなるグリーン成形体であって、柱状体70がセラミックス原料粉末及びフッ素源を含み、セラミックス原料粉末が、焼成によりチタン酸アルミニウム系セラミックス及びコージェライト系セラミックスの少なくとも一方を形成するものである、グリーン成形体。
【選択図】 図1
Description
図1(a)及び図1(b)に示すように、グリーン成形体100は、ハニカム構造を有する円柱体(柱状体70)を備える。柱状体70は、その中心軸に平行であり、互いに直交する複数の隔壁70cを有する。つまり、柱状体70は、その中心軸方向に垂直な断面において格子構造を有する。換言すれば、柱状体70には、同一方向(中心軸方向)に延びる多数の貫通孔70a(流路)が形成されており、隔壁70cが各貫通孔70aを隔てる。各貫通孔70aは柱状体70の両端面に垂直である。なお、柱状体70が有する複数の隔壁70cが互いになす角は特に限定されず、図1(b)のように90°であってもよく、120°であってもよい。
柱状体70は、無機化合物粉末(無機原料)、造孔剤、有機バインダ及び溶媒等を混練機等により混合して調製した原料混合物を成形することにより得られる。無機化合物粉末は、セラミックス原料粉末として、チタン酸アルミニウム系セラミックスの原料粉末、及び/又は、コージェライト系セラミックスの原料粉末を含む。チタン酸アルミニウム系セラミックスの原料粉末は、チタン源粉末及びアルミニウム源粉末を含む。チタン酸アルミニウム系セラミックスの原料粉末は、更にマグネシウム源粉末及びケイ素源粉末を含んでもよい。コージェライト系セラミックスの原料粉末は、アルミニウム源粉末、ケイ素源粉末及びマグネシウム源粉末を含む。原料混合物は、チタン酸アルミニウム系セラミックスそのもの、及び/又は、コージェライト系セラミックスそのものを含んでもよい。これにより、焼結に伴うグリーン成形体100の収縮率が低減される。なお、チタン酸アルミニウム系セラミックスとは、例えば、チタン酸アルミニウムやチタン酸アルミニウムマグネシウムである。
アルミニウム源は、チタン酸アルミニウム焼結体又はコージェライト焼結体を構成するアルミニウム成分となる化合物である。アルミニウム源としては、例えば、アルミナ(酸化アルミニウム)が挙げられる。アルミナの結晶型としては、γ型、δ型、θ型、α型などが挙げられ、不定形(アモルファス)であってもよい。なかでも、α型のアルミナが好ましく用いられる。
チタン源は、チタン酸アルミニウム焼結体を構成するチタン成分となる化合物であり、かかる化合物としては、例えば酸化チタンが挙げられる。酸化チタンとしては、例えば、酸化チタン(IV)、酸化チタン(III)、酸化チタン(II)などが挙げられ、なかでも酸化チタン(IV)が好ましく用いられる。酸化チタン(IV)の結晶型としては、アナターゼ型(anatase type)、ルチル型(rutile type)、ブルッカイト型(brookite type)などが挙げられ、不定形(アモルファス)であってもよい。より好ましくは、アナターゼ型、ルチル型の酸化チタン(IV)である。
マグネシウム源は、コージェライト焼結体を構成するマグネシウム成分となる化合物である。また、チタン酸アルミニウム焼結体を形成する場合においても、原料混合物は、マグネシウム源を含有していてもよい。マグネシウム源を含むグリーン成形体100から製造されたハニカム構造体170は、チタン酸アルミニウムマグネシウム結晶の焼結体である。
ケイ素源は、コージェライト焼結体を構成するシリコン成分となる化合物である。また、チタン酸アルミニウム焼結体を形成する場合においても、原料混合物は、ケイ素源をさらに含有していてもよい。その場合、ケイ素源は、シリコン成分となってチタン酸アルミニウム焼結体に含まれる化合物である。ケイ素源の併用により、耐熱性がより向上されたチタン酸アルミニウム焼結体を得ることが可能となる。ケイ素源としては、例えば、二酸化ケイ素、一酸化ケイ素などの酸化ケイ素(シリカ)が挙げられる。
フッ素源は、例えば、フッ化水素、フッ化アルミニウムである。また、フッ素源は、上記のアルミニウム源、チタン源、マグネシウム源、ケイ素源などに吸着または化合したものであってもよく、例えば、フッ素を含むアルミナであってもよい。フッ素源をグリーン成形体に均一に分散させるため、フッ素を含むアルミナを使用することが好ましい。フッ素を含むアルミナは、例えば、アルミナとフッ化水素を混合する方法、アルミナとフッ化アルミニウムを混合し加熱する方法により調製することができる。また、水酸化アルミニウムを焼成炉内で加熱してアルミナを製造する方法において、排ガスに同伴される、フッ素含有アルミナ微粒子を使用することもできる。
有機バインダとしては、水溶性の有機バインダが好ましい。水溶性の有機バインダとしては、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロースなどのセルロース類;ポリビニルアルコールなどのアルコール類;リグニンスルホン酸塩などの塩などが挙げられる。
溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、ブタノール、プロパノールなどのアルコール類、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などのグリコール類、および水などの極性溶媒を用いることができる。なかでも、水が好ましく、不純物が少ない点で、より好ましくはイオン交換水が用いられる。溶媒の使用量は、無機化合物粉末の100質量部に対して、通常、10質量部〜100質量部、好ましくは20質量部〜80質量部である。なお、溶媒として非極性溶媒を用いてもよい。
原料混合物は、有機バインダ以外の有機添加物を含むことができる。その他の有機添加物とは、例えば、造孔剤、潤滑剤および可塑剤、分散剤である。
封口材70bは、通常、柱状体70と同じ材料を用いることができる。また、封口材70bとして、柱状体70とは異なる材料を用いることもできる。封口材70bは、チタン酸アルミニウム系セラミックスの粉末及び/又はコージェライト系セラミックスの粉末を含むことが好ましい。封口材70bは、柱状体70と同様に、上記の造孔剤、有機バインダ及び溶媒等を含有する。また、封口材70bは、柱状体70と同様に、フッ素源を含有していることが好ましい。これらの成分を所定の比率で混合することにより、ペースト状の封口材70bが得られる。なお、ハニカム構造体の製造過程で得られるセラミックスの屑やハニカム構造体の破損品等を粉砕して得たセラミックスの粉末を、封口材70b用のセラミックス粉末として再利用してもよい。これにより、ハニカム構造体の原料コストが削減される。封口材70bは、チタン酸アルミニウム系セラミックス及び/又はコージェライト系セラミックスの原料粉末(無機化合物粉末)を含んでもよく、含まなくてもよい。焼結に伴う封口材70bの収縮率を低減するためには、封口材70bがセラミックス粉末を含有し、セラミックスの原料粉末を含有しないことが好ましい。セラミックス粉末の平均粒径は、特に限定されないが、5〜50μm程度であればよい。
図1に示したグリーン成形体100を焼成することにより、柱状体70及び封口材70bが含むセラミックス粉末やセラミックスの原料粉末が焼結する。封口材70bは隔壁70aと焼結し、一体化して、封口部170bを形成する。その結果、図3(a)及び図3(b)に示すように、多孔質のチタン酸アルミニウム系セラミックス及び/又は多孔質のコージェライト系セラミックスからなるハニカム構造体170(多セル型セラミックモノリス:cellular ceramic monolith)が得られる。ハニカム構造体170は、X線回折スペクトルにおいて、チタン酸アルミニウム(Al2TiO5)又はチタン酸アルミニウムマグネシウム(Al2(1−x)MgxTi(1+x)O5)の結晶パターン、或いは、コージェライト(2MgO・2Al2O3・5SiO2)の結晶パターンのほか、アルミナ、チタニアなどの結晶パターンを含んでいてもよい。ハニカム構造体170はケイ素を含有してもよい。ハニカム構造体170はグリーン成形体100と同様の構造を有し、DPF(Diesel particulate filter)に好適である。
(原料混合物の調製工程及び成形工程)
柱状体70を形成するために、無機化合物粉末、造孔剤、有機バインダ及び溶媒等を混練機等により混合して原料混合物を調製する。格子状の開口を有するダイ(die)を備える押出成形機を用いて、原料混合物を成形することにより、柱状体70を形成する。なお、押出成形前の原料混合物を混練してもよい。
柱状体70用の原料混合物と同様の方法で、封口材を調製する。
封口工程では、柱状体70において複数の貫通孔70aが開いている第一端面に第一マスクを貼り付ける。第一マスクでは、貫通孔70aと略同様の寸法を有する複数のマスク部と開口部とが千鳥状(staggered pattern)に配置されている。各貫通孔70aと各マスク部及び開口部とが重なるように、柱状体70の第一端面に第一マスクを貼り付ける。また、柱状体70において第一端面とは反対側の第二端面に、第二マスクを貼り付ける。第二マスクが有する開口部とマスク部の配置関係は第一マスクとは真逆である。したがって、第一端面側で第一マスクのマスク部に塞がれた貫通孔70aは、第二端面側で第二マスクの開口部と重なる。第二端面側で第二マスクのマスク部に塞がれた貫通孔70aは、第一端面側で第一マスクの開口部と重なる。したがって、柱状体70に形成された複数の貫通孔70aのいずれも、第一端面又は第二端面のいずれか一方において開き、他方においてマスク部で塞がれる。但し、柱状体70の周縁部には、断面形状が所望の形状(本実施形態では正方形)にならない不完全な貫通孔も存在し得る。このような不完全な貫通孔は、第一端面及び第二端面の両方において封口材で封口してもよい。そのため、不完全な貫通孔の両端面を封口できるような開口部を有する第一マスク及び第二マスクを用いてもよい。この場合、不完全な貫通孔については、第一端面及び第二端面の両方ともマスク部で塞がれずに開いた状態とされる。
上記の方法により作製したグリーン成形体100を仮焼き(脱脂)し、且つ焼成することにより、図3(a)及び図3(b)に示すハニカム構造体170を得ることができる。ハニカム構造体170は、押出成形直後のグリーン成形体100の形状をほぼ維持する。
下記表1に示す配合量(単位:質量部)で各成分を混合し、原料混合物を調製した。得られた原料混合物における無機原料(アルミナ粉末、チタニア粉末、マグネシア粉末、ガラスフリット、チタン酸アルミニウムマグネシウム粉末、及びフッ化アルミニウム)中のフッ素含有量は、1300質量ppmであった。
下記表1に示す配合量(単位:質量部)で各成分を混合し、原料混合物を調製した。得られた原料混合物における無機原料(アルミナ粉末、チタニア粉末、マグネシア粉末、ガラスフリット、及びチタン酸アルミニウムマグネシウム粉末)中のフッ素含有量は、37質量ppmであった。なお、本実施例においてフッ素は、セラミックス原料粉末中、特にアルミナ粉末A及びガラスフリットA中に含有されている。
実施例2と同じ原料混合物を調製し(無機原料中のフッ素含有量:37質量ppm)、実施例2と同じ操作を行ってグリーン成形体を作製した。このグリーン成形体の焼成を1490℃で5時間行った以外は実施例2と同様にして、ハニカム構造体を作製した。ハニカム構造体は、気孔率が45.1体積%、平均細孔径が15.3μmであった。
実施例2と同じ原料混合物を調製し(無機原料中のフッ素含有量:37質量ppm)、実施例2と同じ操作を行ってグリーン成形体を作製した。このグリーン成形体の焼成を1480℃で5時間行った以外は実施例2と同様にして、ハニカム構造体を作製した。ハニカム構造体は、気孔率が45.6体積%、平均細孔径が14.6μmであった。
下記表1に示す配合量(単位:質量部)で各成分を混合し、原料混合物を調製した。得られた原料混合物における無機原料(アルミナ粉末、チタニア粉末、マグネシア粉末、ガラスフリット、及びチタン酸アルミニウムマグネシウム粉末)中のフッ素含有量は、検出下限である20質量ppm未満であった。
*1:アルミナ粉末A(住友化学(株)製、商品名「A−21」)
*2:アルミナ粉末B(住友化学(株)製、商品名「AA−3」)
*3:チタニア粉末A(デュポン(株)製、商品名「R−900」)
*4:チタニア粉末B(チタニア粉末Aを空気中、1500℃で10時間保持し、粉砕したもの)
*5:マグネシア粉末A(宇部マテリアル(株)製、商品名「UC−95S」)
*6:マグネシア粉末B(マグネシア粉末Aを空気中、1500℃で10時間保持し、粉砕したもの)
*7:ガラスフリットA(日本フリット製、商品名「CK0832」)
*8:ガラスフリットB(ガラスフリットAを空気中、1500℃で10時間保持し、粉砕したもの)
*9:有機バインダ(三星精密化学社製、商品名「PMB−30U」)
*10:可塑剤(日油(株)製、商品名「ユニルーブ50MB−168」
Claims (5)
- 互いに略平行な複数の貫通孔が形成されたハニカム状の柱状体からなるグリーン成形体であって、
前記柱状体がセラミックス原料粉末及びフッ素源を含み、
前記セラミックス原料粉末が、焼成によりチタン酸アルミニウム系セラミックス及びコージェライト系セラミックスの少なくとも一方を形成するものである、グリーン成形体。 - 前記柱状体がさらに造孔剤を含む、請求項1記載のグリーン成形体。
- 前記柱状体がさらに有機バインダを含む、請求項1又は2記載のグリーン成形体。
- 前記柱状体における無機原料中のフッ素含有量が20質量ppm以上である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のグリーン成形体。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載のグリーン成形体を焼成する焼成工程を有する、ハニカム構造体の製造方法。
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