JP4975619B2

JP4975619B2 - ハニカム構造体

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Publication number: JP4975619B2
Application number: JP2007522174A
Authority: JP
Inventors: 一茂大野; 雅文国枝; 和丈尾久
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2025-06-24
Also published as: CN1980872A; JPWO2006137155A1; EP1752631A1; CN100457688C; WO2006137155A1; US20060292332A1; US7879426B2

Description

本発明は、ハニカム構造体に関する。

従来、一般に自動車排ガス浄化に用いられるハニカム触媒は一体構造で低熱膨張性のコージェライト質ハニカム構造体の表面に活性アルミナ等の高比表面積材料と白金等の触媒金属を担持することにより製造されている。また、リーンバーンエンジンおよびディーゼルエンジンのような酸素過剰雰囲気下におけるＮＯｘ処理のためにＮＯｘ吸蔵剤としてＢａ等のアルカリ土類金属を担持している。ところで、浄化性能をより向上させるためには、排ガスと触媒貴金属およびＮＯｘ吸蔵剤との接触確率を高くする必要がある。そのためには、担体をより高比表面積にして、貴金属の粒子サイズを小さく、かつ高分散させる必要がある。しかし、単純に活性アルミナ等の高比表面積材料の担持量が増やすことのみではアルミナ層の厚みの増加を招くのみであり、接触確率を高くすることにつながらなかったり、圧力損失が高くなりすぎてしまうといった不具合も生じてしまうため、セル形状、セル密度、および壁厚等を工夫している（例えば、特開平１０−２６３４１６号公報参照）。一方、高比表面積材料からなるハニカム構造体として、無機繊維及び無機バインダとともに押出成形したハニカム構造体が知られている（例えば、特開平５−２１３６８１号公報参照）。さらに、このようなハニカム構造体を大型化するのを目的として、接着層を介して、ハニカムユニットを接合したものが知られている（例えば、ＤＥ４３４１１５９号公報参照）。
特開平１０−２６３４１６号公報ＤＥ４３４１１５９号公報

しかしながら、前述した従来技術には次のような問題があった。アルミナ等の高比表面積材料は、熱エージングによって、焼結が進行し、比表面積が低下する。さらに、担持されている白金等の触媒金属はそれに伴い、凝集し粒径が大きく、比表面積が小さくなる。つまり、熱エージング（触媒担体として使用）後に、より高比表面積であるためには、初期の段階においてその比表面積を高くする必要がある。また、上述したように、浄化性能をより向上させるためには、排ガスと触媒貴金属およびＮＯｘ吸蔵剤との接触確率を高くすることが必要である。つまり、担体をより高比表面積にして、触媒金属の粒子を小さく、かつより高分散させることが重要であるが、特開平１０−２６３４１６号公報のようなコージェライト質ハニカム構造体の表面に活性アルミナ等の高比表面積材料と白金等の触媒金属を担持したものでは、排ガスとの接触確率を高くすべく、セル形状、セル密度、および壁厚等を工夫し、触媒担体を高比表面積化したが、それでも十分大きくはなく、そのため、触媒金属が十分高分散されず、熱エージング後の排ガスの浄化性能が不足した。そこで、この不足を補うために、触媒金属を多量に担持することや、触媒担体自身を大型化することで解決しようとしてきた。しかし、白金等の貴金属は非常に高価であり、限られた貴重な資源である。また、自動車に設置する場合、その設置スペースは非常に限られたものであるためどちらも適当な手段であるとはいえなかった。

さらに、高比表面積材料を無機繊維及び無機バインダとともに押し出し成形する特開平５−２１３６８１号公報のハニカム構造体は、基材自体が高比表面積材料からなるため、担体としても高比表面積であり、十分に触媒金属を高分散させることが可能であるが、基材のアルミナ等は比表面積を保つためには、十分に焼結させることができず、基材の強度は非常に弱いものであった。さらに、上述したように自動車用に用いる場合、設置するためのスペースは非常に限られたものである。そのため、単位体積当たりの担体の比表面積を上げるために隔壁を薄くする等の手段を用いるが、そうすることにより、基材の強度はいっそう弱いものとなった。また、アルミナ等は、熱膨張率が大きいこともあり、焼成（仮焼）時、および使用時に熱応力によって容易にクラックが生じてしまう。これらを考えると、自動車用として利用した場合、使用時に急激な温度変化による熱応力や大きな振動等の外力が加わるため、容易に破損し、ハニカム構造体としての形状を留めることができず、触媒担体としての機能を果たすことができないといった問題があった。

さらに、ＤＥ４３４１１５９号公報にある自動車用触媒担体では、ハニカム構造体を大型化することを目的としているため、ハニカムユニットの断面積が、２００ｃｍ²以上のものが示されているが、急激な温度変化による熱応力さらに大きな振動等が加わるような状況で使用した場合には、上述したように容易に破損し、形状を留めることができず、触媒担体としての機能を果たすことができないといった問題があった。

さらにハニカム構造体をディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）と組み合わせて、ディーゼルエンジンの排ガス浄化装置を構成した場合、ハニカム構造体の熱伝導率が低いため、熱損失が大きく、ハニカム構造体において排ガスとの反応により生じた熱が、後段側のＤＰＦに有効に伝わらないという問題があった。これは微粒子浄化率およびＤＰＦの再生率の低下につながる。

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、触媒成分を高分散させると共に熱衝撃や振動に対する強度を高めることができ、さらに熱損失が少なく、均熱性に優れたハニカム構造体を提供することを目的とする。

本発明のハニカム構造体は、多数の貫通孔が貫通孔壁面を隔てて長手方向に並設されたハニカムユニットがシール材層を介して、複数個結束されたハニカム構造体であって、前記ハニカムユニットは、少なくともセラミック粒子と、無機繊維及び／又はウィスカを含有し、前記ハニカムユニットの長手方向に垂直な断面における断面積が、５ｃｍ^２以上５０ｃｍ^２以下であり、シール材層の熱伝導率が０．１W／m・K〜５W／m・Kであることを特徴とする。これにより熱衝撃や振動に対する強度が高く、触媒成分を高分散させると共に熱衝撃や振動に対する強度を高めることが可能なハニカム構造体を提供することができる。

また上記ハニカム構造体は、前記ハニカム構造体の長手方向に垂直な断面における断面積に対して、前記ハニカムユニットの長手方向に垂直な断面における断面積の総和が占める割合は、８５％以上であることが望ましい。これにより触媒を担持することが可能な表面積を相対的に大きくすると共に、圧力損失を相対的に小さくすることができる。

また上記ハニカム構造体は、貫通孔が開口していない外周面にコーティング材層を有することが望ましい。これにより、外周面を保護して強度を高めることができる。

また、前記セラミック粒子は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、セリア、ムライト及びゼオライトからなる群より選択される１種以上であることが望ましい。これにより、ハニカムユニットの比表面積を向上させることができる。

また、前記無機繊維及び／又はウィスカは、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素、シリカアルミナ、ガラス、チタン酸カリウム及びホウ酸アルミニウムからなる群より選択される１種以上であることが望ましい。これにより、ハニカムユニットの強度を向上させることができる。

また、前記ハニカムユニットは、前記無機粒子と無機繊維及び／又はウィスカと無機バインダとを含む混合物を用いて製造されており、前記無機バインダは、アルミナゾル、シリカゾル、チタニアゾル、水ガラス、セピオライト及びアタパルジャイトからなる群より選択される１種以上であることが望ましい。これにより、ハニカムユニットを焼成する温度を低くしても十分な強度を得ることができる。

また上記ハニカム構造体は、触媒成分が担持されていることが望ましい。これにより、触媒成分が高分散されているハニカム触媒を得ることができる。

また、前記触媒成分は、貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び酸化物からなる群より選択される１種以上の成分を含有することが望ましい。これにより、浄化性能を向上させることができる。

また上記ハニカム構造体は、車両の排ガス浄化に用いられることが望ましい。

本発明によれば、熱衝撃や振動に対する強度が高く、熱損失が少なく、均熱性に優れたハニカム構造体を提供することができる。

本発明のハニカムユニット１１の概念図である。本発明のハニカム構造体１０の概念図である。本発明のハニカムユニット１１の壁面のＳＥＭ写真である。ハニカムユニット１１を複数接合させた実験例の説明図である。ハニカムユニット１１を複数接合させた実験例の説明図である。ハニカムユニット１１を複数接合させた実験例の説明図である。ハニカムユニット１１を複数接合させた実験例の説明図である。ハニカムユニット１１を複数接合させた実験例の説明図である。ハニカムユニット１１を複数接合させた実験例の説明図である。ハニカムユニット１１を複数接合させた実験例の説明図である。振動装置２０の正面図である。振動装置２０の側面図である。圧力損失測定装置４０の説明図である。ハニカムユニットの断面積と重量減少率及び圧力損失との関係を表す図である。ユニット面積割合と重量減少率及び圧力損失との関係を表す図である。シリカ−アルミナ繊維のアスペクト比と重量減少率との関係を表す図である。

符号の説明

１０ハニカム構造体
１１ハニカムユニット
１２貫通孔
１３外面
１４シール材層
１６コーティング材層
２０振動装置
２１金属ケーシング
２２台座２２
２３固定具
２４ネジ
４０圧力損失測定装置

次に、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に説明する。

本発明のハニカム構造体１０は、図１Bに示すように、多数の貫通孔が貫通孔壁面を隔てて長手方向に並設されたハニカムユニットがシール材層を介して、複数個結束されたハニカム構造体であって、前記ハニカムユニットは、少なくともセラミック粒子と、無機繊維及び／又はウィスカを含有し、前記ハニカムユニットの長手方向に垂直な断面における断面積が、５ｃｍ^２以上５０ｃｍ^２以下であり、シール材層の熱伝導率が０．１W／m・K〜５W／m・Kであることを特徴とする。

このハニカム構造体では、複数のハニカムユニットがシール材層を介して接合した構造をとるため、熱衝撃や振動に対する強度を高めることができる。この理由としては、急激な温度変化等によってハニカム構造体に温度分布がついた場合にもそれぞれのハニカムユニットあたりにつく温度差を小さく抑えることができるためであると推察される。あるいは、熱衝撃や振動をシール材層によって緩和可能となるためであると推察される。また、このシール材層は、熱応力等によってハニカムユニットにクラックが生じた場合においても、クラックがハニカム構造体全体に伸展することを防ぎ、さらにハニカム構造体のフレームとしての役割をも担い、ハニカム構造体としての形状を保ち、触媒担体としての機能を失わないことになると考えられる。ハニカムユニットの大きさは、貫通孔に対し直交する断面の面積（単に断面積とする。以下同じ。）が、５ｃｍ²未満では、複数のハニカムユニットを接合するシール材層の断面積が大きくなるため触媒を担持する比表面積が相対的に小さくなるとともに、圧力損失が相対的に大きくなってしまい、断面積が５０ｃｍ²を超えると、ユニットの大きさが大きすぎ、それぞれのハニカムユニットに発生する熱応力を十分に抑えることができない。つまり、ユニットの断面積は５〜５０ｃｍ²の範囲としたことで、比表面積を大きく保ちつつ、圧力損失を小さく抑え、熱応力に対して十分な強度を持ち、高い耐久性が得られ実用可能なレベルとなる。したがって、このハニカム構造体によれば、触媒成分を高分散させると共に熱衝撃や振動に対する強度を高めることができる。ここで、断面積とは、ハニカム構造体が断面積の異なる複数のハニカムユニットを含むときには、ハニカム構造体を構成する基本ユニットとなっているハニカムユニットの断面積をいい、通常、ハニカムユニットの断面積が最大のものをいう。

またこのハニカム構造体では、シール材層の熱伝導率が０．１W／ｍ・K〜５W／ｍ・Ｋの範囲にあり、良好な熱伝導性が得られる。従って、本ハニカム構造体とＤＰＦ(ディーゼルパティキュレートフィルタ)により排ガス浄化装置を構成した場合、ハニカム構造体位置での熱損失が少なく、後段側に設置される微粒子捕獲用ＤＰＦに効率的に熱が伝わり、ＤＰＦの再生率が向上するという利点が得られる。なお、シール材層の熱伝導率が、０．１W／ｍ・K未満では、シール材層が熱抵抗となり、ハニカム構造体の熱伝導性が阻害される。一方熱伝導率が５W／ｍ・Ｋを超えると、ガス浄化性や耐熱性が損なわれる恐れがある。従ってシール材層の熱伝導率は、０．１W／ｍ・K〜５W／ｍ・Kの範囲であることが好ましい。シール材層の熱伝導率は、セラミック粒子、無機繊維、添加剤の種類、大きさ、配合比等を変えることにより調整できる。

また、前記ハニカム構造体の長手方向に垂直な断面における断面積に対して、前記ハニカムユニットの長手方向に垂直な断面における断面積の総和が占める割合は、８５％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。この割合が８５％未満ではシール材層の断面積が大きくなり、ハニカムユニットの総断面積が減るので、触媒を担持する比表面積が相対的に小さくなるとともに、圧力損失が相対的に大きくなってしまうからである。また、この割合が９０％以上では、より圧力損失を小さくすることができる。

本発明のハニカム構造体において、貫通孔が開口していない外周面を覆うコーティング材層を備えていてもよい。こうすれば、外周面を保護して強度を高めることができる。

ハニカムユニットを接合したハニカム構造体の形状は、特に限定されるものではないが、任意の形状、大きさのものであってよく、例えば、円柱状、角柱状又は楕円柱状のものであってもよい。

本発明のハニカム構造体において、ハニカムユニットに含まれる無機繊維及び／又はウィスカのアスペクト比は、２〜１０００であることが好ましく、５〜８００であることがより好ましく、１０〜５００であることが最も好ましい。無機繊維及び／又はウィスカのアスペクト比が２未満ではハニカム構造体の強度の向上への寄与が小さくなることがあり、１０００を超えると成型時に成型用金型に目詰まりなどを起こしやすくなり成型性が悪くなることがあり、また、押出成形などの成型時に無機繊維及び／又はウィスカが折れ長さにばらつきが生じハニカム構造体の強度の向上への寄与が小さくなることがある。ここで、無機繊維及び／又はウィスカのアスペクト比に分布があるときには、その平均値としてもよい。

本発明のハニカム構造体において、ハニカムユニットに含まれるセラミック粒子としては、特に限定されるものではないが、例えば、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、セリア、ムライト及びゼオライトから選ばれる１種以上が挙げられ、このうちアルミナが好ましい。

本発明のハニカム構造体において、ハニカムユニットに含まれる無機繊維及び／又はウィスカとしては、特に限定されるものではないが、アルミナ、シリカ、炭化珪素、シリカアルミナ、ホウ酸アルミニウム、ガラス及びチタン酸カリウムから選ばれる１種以上が挙げられる。

ハニカム構造体に含まれるセラミック粒子の量は、３０〜９７重量％が好ましく、３０〜９０重量％がより好ましく、４０〜８０重量％が更に好ましく、５０〜７５重量％が最も好ましい。セラミック粒子の含有量が３０重量％未満では比表面積向上に寄与するセラミック粒子の量が相対的に少なくなるため、ハニカム構造体としての比表面積が小さく触媒成分を担持する際に触媒成分を高分散させることができなくなり、９０重量％を超えると強度向上に寄与する無機繊維及び／又はウィスカの量が相対的に少なくなるため、ハニカム構造体の強度が低下する。

ハニカム構造体に含まれる無機繊維及び／又はウィスカの量は、３〜７０重量％が好ましく、３〜５０重量％がより好ましく、５〜４０重量％が更に好ましく、８〜３０重量％が最も好ましい。無機繊維及び／又はウィスカの含有量が３重量％未満ではハニカム構造体の強度が低下し、５０重量％を超えると比表面積向上に寄与するセラミック粒子の量が相対的に少なくなるため、ハニカム構造体としての比表面積が小さく触媒成分を担持する際に触媒成分を高分散させることができなくなる。

本発明のハニカム構造体において、ハニカムユニットは、更に無機バインダを含んで製造されてもよい。こうすれば、ハニカムユニットを焼成する温度を低くしても十分な強度を得ることができる。ハニカム構造体に含まれる無機バインダとしては、特に限定されるものではないが、例えば無機ゾルや粘土系バインダなどが挙げられる。このうち、無機ゾルとしては、例えばアルミナゾル、シリカゾル、チタニアゾル及び水ガラスなどから選ばれる１種以上が挙げられる。粘土系バインダとしては、例えば白土、カオリン、モンモリロナイト、複鎖構造型粘土（セピオライト、アタパルジャイト）などから選ばれる１種以上等が挙げられる。ハニカム構造体の原料に含まれる無機バインダの量は、ハニカム構造体に含まれる固形分として、５０重量％以下が好ましく、５〜５０重量％がより好ましく、１０〜４０重量％が更に好ましく、１５〜３５重量％が最も好ましい。無機バインダの含有量が５０重量％を超えると成型性が悪くなる。

ハニカムユニットの形状は、特に限定されるものではないが、ハニカムユニット同士を接合しやすい形状であることが好ましく、貫通孔に対して直交する面の断面（単に断面とする。以下同じ。）が正方形や長方形や六角形や扇状のものであってもよい。ハニカムユニットの一例として断面正方形の直方体のハニカムユニット１１の概念図を図１Ａに示す。ハニカムユニット１１は、手前側から奥側に向かって貫通孔１２を多数有し、貫通孔１２を有さない外面１３を有する。貫通孔１２同士の間の壁厚は、特に限定されるものではないが、０．０５〜０．３５ｍｍの範囲が好ましく、０．１０〜０．３０ｍｍがより好ましく、０．１５〜０．２５ｍｍが最も好ましい。壁厚が０．０５ｍｍ未満ではハニカムユニットの強度が低下し、０．３５ｍｍを超えると、排ガスとの接触面積が小さくなることと、ガスが十分深くまで侵透しないため、壁内部に担持された触媒とガスが接触しにくくなるため、触媒性能が低下してしまうからである。また、単位断面積あたりの貫通孔の数は、１５．５〜１８６個／ｃｍ²（１００〜１２００ｃｐｓｉ）が好ましく、４６．５〜１７０．５個／ｃｍ²（３００〜１１００ｃｐｓｉ）がより好ましく、６２．０〜１５５個／ｃｍ²（４００〜１０００ｃｐｓｉ）が最も好ましい。貫通孔の数が１５．５個／ｃｍ²未満では、ハニカムユニット内部の排ガスと接触する壁の面積が小さくなり、１８６個／ｃｍ²を超えると、圧力損失も高くなるし、ハニカムユニットの作製が困難になるためである。

ハニカムユニットに形成される貫通孔の形状は、特に限定されるものではないが、断面を略三角形や略六角形としてもよい。

ハニカム構造体を構成させるハニカムユニットの大きさとしては、断面積が５〜５０ｃｍ²となるものが好ましいが、６〜４０ｃｍ²となるものがより好ましく、８〜３０ｃｍ²が最も好ましい。断面積が５〜５０ｃｍ²の範囲であると、ハニカム構造体に対するシール材層の占める割合を調整させることが可能になる。このことによって、ハニカム構造体の単位体積あたりの比表面積を大きく保つことができ、触媒成分を高分散させることが可能となるとともに、熱衝撃や振動などの外力が加わってもハニカム構造体としての形状を保持することができる。なお、圧力損失が小さくなることからも断面積は５ｃｍ²以上であることが好ましい。また、単位体積あたりの比表面積は、後述の式（１）によって求めることができる。

次に、上述した本発明のハニカム構造体の製造方法の一例について説明する。まず、上述したセラミック粒子、無機繊維及び／又はウィスカ並びに無機バインダを主成分とする原料ペーストを用いて押出成形等を行い、ハニカムユニット成形体を作製する。原料ペーストには、これらのほかに有機バインダ、分散媒及び成形助剤を成形性にあわせて適宜加えてもよい。有機バインダとしては、特に限定されるものではないが、例えば、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリエチレングリコール、フェノール樹脂及びエポキシ樹脂から選ばれる１種以上の有機バインダが挙げられる。有機バインダの配合量は、セラミック粒子、無機繊維及び／又はウィスカ、無機バインダの合計１００重量部に対して、１〜１０重量部が好ましい。分散媒としては、特に限定されるものではないが、例えば、水、有機溶媒（ベンゼンなど）及びアルコール（メタノールなど）などを挙げることができる。成形助剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸、脂肪酸石鹸及びポリアルコールを挙げることができる。

原料ペーストは、特に限定されるものではないが、混合・混練することが好ましく、例えば、ミキサーやアトライタなどを用いて混合してもよく、ニーダーなどで十分に混練してもよい。原料ペーストを成型する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、押出成形などによって貫通孔を有する形状に成形することが好ましい。

次に、得られた成形体は、乾燥することが好ましい。乾燥に用いる乾燥機は、特に限定されるものではないが、マイクロ波乾燥機、熱風乾燥機、誘電乾燥機、減圧乾燥機、真空乾燥機及び凍結乾燥機などが挙げられる。また、得られた成形体は、脱脂することが好ましい。脱脂する条件は、特に限定されず、成形体に含まれる有機物の種類や量によって適宜選択するが、おおよそ４００℃、２ｈｒが好ましい。更に、得られた成形体は、焼成することが好ましい。焼成条件としては、特に限定されるものではないが、６００〜１２００℃が好ましく、６００〜１０００℃がより好ましい。この理由は、焼成温度が６００℃未満ではセラミック粒子などの焼結が進行せずハニカム構造体としての強度が低くなり、１２００℃を超えるとセラミック粒子などの焼結が進行しすぎて単位体積あたりの比表面積が小さくなり、担持させる触媒成分を十分に高分散させることができなくなるためである。これらの工程を経て複数の貫通孔を有するハニカムユニットを得ることができる。

次に、得られたハニカムユニットにシール材層となるシール材ペーストを塗布してハニカムユニットを順次接合させ、その後乾燥し、固定化させて、所定の大きさのハニカムユニット接合体を作製してもよい。シール材としては、特に限定されるものではないが、例えば、無機バインダとセラミック粒子を混ぜたものや、無機バインダと無機繊維を混ぜたものや、無機バインダとセラミック粒子と無機繊維を混ぜたものなどを用いることができる。また、これらのシール材に有機バインダを加えたものとしてもよい。有機バインダとしては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロース及びカルボキシメチルセルロースなどから選ばれる１種以上が挙げられる。

ハニカムユニットを接合させるシール材層の厚さは、０．３〜２ｍｍが好ましい。シール材層の厚さが０．３ｍｍ未満では十分な接合強度が得られないおそれがあるためである。また、シール材層は触媒担体として機能しない部分であるため、２ｍｍを超えると、ハニカム構造体の単位体積あたりの比表面積が低下するため、触媒成分を担持した際に十分に高分散させることができなくなる。また、シール材層の厚さが２ｍｍを超えると、圧力損失が大きくなることがある。なお、接合させるハニカムユニットの数は、ハニカム触媒として使用するハニカム構造体の大きさに合わせて適宜決めればよい。また、ハニカムユニットをシール材によって接合した接合体はハニカム構造体の形状、大きさにあわせて、適宜切断・研磨などしてもよい。

ハニカム構造体の貫通孔が開口していない外周面（側面）にコーティング材を塗布して乾燥し、固定化させて、コーティング材層を形成させてもよい。こうすれば、外周面を保護して強度を高めることができる。コーティング材は、特に限定されないが、シール材と同じ材料からなるものであっても異なる材料からなるものであってもよい。また、コーティング材は、シール材と同じ配合比としてもよく、異なる配合比としてもよい。コーティング材層の厚みは、特に限定されるものではないが、０．１〜２ｍｍであることが好ましい。０．１ｍｍ未満では、外周面を保護しきれず強度を高めることができないおそれがあり、２ｍｍを超えると、ハニカム構造体としての単位体積あたりの比表面積が低下してしまい触媒成分を担持した際に十分に高分散させることができなくなる。

複数のハニカムユニットをシール材によって接合させた後（但し、コーティング材層を設けた場合は、コーティング材層を形成させた後）に、仮焼することが好ましい。こうすれば、シール材、コーティング材に有機バインダが含まれている場合などには、脱脂除去させることができるからである。仮焼する条件は、含まれる有機物の種類や量によって適宜決めてもよいが、おおよそ７００℃で２ｈｒが好ましい。ここで、ハニカム構造体の一例として断面正方形の直方体のハニカムユニット１１を複数接合させ外形を円柱状としたハニカム構造体１０の概念図を図１Ｂに示す。このハニカム構造体１０は、シール材層１４によりハニカムユニット１１を接合させ円柱状に切断したのちにコーティング材層１６によってハニカム構造体１０の貫通孔１２が開口していない外周面を覆ったものである。なお、例えば、断面が扇形の形状や断面が正方形の形状にハニカムユニット１１を成形しこれらを接合させて所定のハニカム構造体の形状（図１Ｂでは円柱状）になるようにして、切断・研磨工程を省略してもよい。

得られたハニカム構造体の用途は特に限定されないが、車両の排ガス浄化用の触媒担体として用いることが好ましい。ハニカム構造体をディーゼルエンジンの排ガス浄化用の触媒担体として用いる場合には、このハニカム構造体は、炭化珪素等のセラミックハニカム構造からなり、排ガス中の粒状物質（ＰＭ）をろ過し燃焼浄化する機能を持つディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）と併用される。このとき、本発明のハニカム構造体とＤＰＦとの位置関係は、本発明のハニカム構造体を前段側に設置しても、後段側に設置しても良い。前段側に設置した場合、本発明のハニカム構造体のシール材層の熱伝導率は十分に高いため、ハニカム構造体において発熱により生じた熱を、少ない熱損失で、後段側のＤＰＦに有効に伝えることができる。従って、ＤＰＦの再生時に均一な昇温を生じさせることができ、ＤＰＦの再生率が向上する。また、後段側に設置された場合は、排ガス中のＰＭがＤＰＦによりろ過され、本発明のハニカム構造体の貫通孔を通過するため、目詰まりを起こしにくく、更に、ＤＰＦにてＰＭを燃焼する際に不完全燃焼により発生したガス成分についても本発明のハニカム構造体を用いて処理することができる。なお、このハニカム構造体は、上述の技術背景に記載した用途などについて利用することができるのは勿論、触媒成分を担持することなく使用する用途（例えば、気体成分や液体成分を吸着させる吸着材など）にも特に限定されずに利用することができる。

また、得られたハニカム構造体に触媒成分を担持しハニカム触媒としてもよい。触媒成分としては、特に限定されるものではないが、貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、酸化物などであってもよい。貴金属としては、例えば、白金、パラジウム、ロジウムから選ばれる１種以上が挙げられ、アルカリ金属としては、例えば、カリウム、ナトリウムなどから選ばれる１種以上が挙げられ、アルカリ土類金属としては、例えば、バリウムなどの化合物が挙げられ、酸化物としては、ペロブスカイト（Ｌａ_0.75Ｋ_0.25ＭｎＯ₃など）及びＣｅＯ₂などが挙げられる。得られたハニカム触媒は、特に限定されるものではないが、例えば自動車の排ガス浄化用のいわゆる三元触媒やＮＯ_ｘ吸蔵触媒として用いることができる。なお、触媒成分の担持は、特に限定されるものではないが、ハニカム構造体を作製した後に担持させてもよいし、原料のセラミック粒子の段階で担持させてもよい。触媒成分の担持方法は、特に限定されるものではないが、例えば含浸法などによって行ってもよい。

以下には、種々の条件でハニカム構造体を具体的に製造した例を、実験例として説明するが、本発明はこれら実験例に何ら限定されることはない。

［実験例１］
まず、γアルミナ粒子（平均粒径２μｍ，）４０重量％、シリカ−アルミナ繊維（平均繊維径１０μｍ、平均繊維長１００μｍ、アスペクト比１０）１０重量％、シリカゾル（固体濃度３０重量％）５０重量％を混合し、得られた混合物１００重量部に対して有機バインダとしてメチルセルロース６重量部、可塑剤及び潤滑剤を少量加えて更に混合・混練して混合組成物を得た。次に、この混合組成物を押出成形機により押出成形を行い、生の成形体を得た。

そして、マイクロ波乾燥機及び熱風乾燥機を用いて生の成形体を十分乾燥させ、４００℃で２ｈｒ保持して脱脂した。その後、８００℃で２ｈｒ保持して焼成を行い、角柱状（３４．３ｍｍ×３４．３ｍｍ×１５０ｍｍ）、セル密度が９３個／ｃｍ²（６００ｃｐｓｉ）、壁厚が０．２ｍｍ、セル形状が四角形（正方形）のハニカムユニット１１を得た。このハニカムユニット１１の壁面の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図２に示す。このハニカムユニット１１は、原料ペーストの押出方向に沿ってシリカ−アルミナ繊維が配向していることがわかる。

次に、γアルミナ粒子（平均粒径２μｍ）２９重量％、シリカ−アルミナ繊維（平均繊維径１０μｍ、平均繊維長１００μｍ）７重量％、シリカゾル（固体濃度３０重量％）３４重量％、カルボキシメチルセルロース５重量％及び水２５重量％を混合し耐熱性のシール材ペーストとした。このシール材ペーストを用いてハニカムユニット１１を接合させた。貫通孔を有する面（正面とする。以下同じ。）から見たハニカムユニット１１を複数接合させた接合体を図３Ａに示す。この接合体は、上述したハニカムユニット１１の外面１３にシール材層１４の厚さが１ｍｍとなるようにシール材ペーストを塗布しハニカムユニット１１を複数接合固定化させたものである。このように接合体を作製し、接合体の正面が略点対称になるように円柱状にダイヤモンドカッターを用いてこの接合体を切断し、貫通孔を有しない円形の外表面に上述のシール材ペーストを０．５ｍｍ厚となるように塗布し外表面をコーティングした。その後、１２０℃で乾燥を行い、７００℃で２ｈｒ保持してシール材層及びコーティング材層の脱脂を行い、円柱状（直径１４３．８ｍｍφ×長さ１５０ｍｍ）のハニカム構造体１０を得た。このハニカム構造体１０のセラミック粒子成分、ユニット形状、ユニット断面積、ユニット面積割合（ハニカム構造体の断面積に対するハニカムユニットの総断面積の占める割合をいう。以下同じ。）、シール材層面積割合（ハニカム構造体の断面積に対するシール材層及びコーティング材層の総断面積の占める割合をいう。以下同じ。）などの各数値等をまとめたものを表１に示す。

この表１には後述する実験例２〜２９に関する内容もまとめて示す。表１に示したすべてのサンプルは、無機繊維がシリカ−アルミナ繊維（平均繊維径１０μｍ、平均繊維長１００μｍ、アスペクト比１０）であり、無機バインダがシリカゾル（固体濃度３０重量％）のものである。また、後述する実験例３０〜３４の無機繊維（種類、径、長さ、アスペクト比、粒径）、ユニット形状及びユニット断面積などの各数値等をまとめたものを表２に示す。

表２に示したすべてのサンプルは、セラミック粒子がγアルミナ粒子であり、無機バインダがシリカゾル（固体濃度３０重量％）であり、ユニット面積割合が９３．５％、シール材層面積割合が６．５％のものである。また、後述する実験例４４〜５１のハニカム構造体１０の無機バインダの種類、ユニット断面積、シール材層の厚さ、ユニット面積割合、シール材層面積割合及びハニカムユニット１１の焼成温度の各数値等をまとめたものを表３に示す。

表３に示したすべてのサンプルは、セラミック粒子がγアルミナ粒子（平均粒径２μｍ）であり、無機繊維がシリカ−アルミナ繊維（平均繊維径１０μｍ、平均繊維長１００μｍ、アスペクト比１０）である。

［実験例２〜７］
表１に示す形状となるようにハニカムユニットを作製したほかは実験例１と同様にしてハニカム構造体１０を作製した。実験例２、３、４の接合体の形状をそれぞれ図３Ｂ、Ｃ、Ｄに示し、実験例５、６、７の接合体の形状をそれぞれ図４Ａ、Ｂ、Ｃに示す。実験例７は、ハニカム構造体１０を一体成形したものであるため、接合工程及び切断工程は行わなかった。

［実験例1−Ａ〜1−Ｅ］
シール材層の熱伝導率を０．０５〜５．０Ｗ／ｍＫまで変化させたハニカム構造体を作製した（実験例1−Ａ〜1−Ｅ）。熱伝導率は、セラミック粒子の材質と配合比、無機繊維の材質と配合比および添加剤の配合比を変えたシール材ペーストを用いて調整した。なお実験例1−Ａ〜1−Ｅにおいて、ハニカムユニットの組成、形状等、シール材以外の調製方法は、実験例１と同様である。実験例1−Ａ〜1−Ｅのシール材ペーストに用いた成分混合比、およびこれらのシール材ペーストを用いて調製したシール材の熱伝導率を表４に示す。

なお、本実験例の多孔質ハニカム構造体は、ＤＰＦと併用して後述の再生試験に供するため、ハニカムユニットの段階で、予め白金量を2g／Lとなるように担持させている。白金は、ハニカムユニットを硝酸白金溶液に含浸させ、６００℃で１ｈｒ保持することにより担持させた。

［実験例８〜１４］
セラミック粒子をチタニア粒子（平均粒径２μｍ）とし、表１に示す形状となるようにハニカムユニットを作製したほかは実験例１と同様にしてハニカムユニット１１を作製し、続いてシール材層とコーティング材層のセラミック粒子をチタニア粒子（平均粒径２μｍ）としたほかは実験例１と同様にしてハニカム構造体１０を作製した。なお、実験例８〜１１の接合体の形状はそれぞれ図３Ａ〜Ｄのものと同様であり、実験例１２〜１４の接合体の形状は、それぞれ図４Ａ〜Ｃのものと同様である。また、実験例１４は、ハニカム構造体１０を一体成形したものである。

［実験例１５〜２１］
セラミック粒子をシリカ粒子（平均粒径２μｍ）とし、表１に示す形状となるようにハニカムユニットを作製したほかは実験例１と同様にしてハニカムユニット１１を作製し、続いてシール材層とコーティング材層のセラミック粒子をシリカ粒子（平均粒径２μｍ）としたほかは実験例１と同様にしてハニカム構造体１０を作製した。なお、実験例１５〜１８の接合体の形状はそれぞれ図３Ａ〜Ｄのものと同様であり、実験例１９〜２１の接合体の形状は、それぞれ図４Ａ〜Ｃのものと同様である。また、実験例２１は、ハニカム構造体１０を一体成形したものである。

［実験例２２〜２８］
セラミック粒子をジルコニア粒子（平均粒径２μｍ）とし、表１に示す形状となるようにハニカムユニットを作製したほかは実験例１と同様にしてハニカムユニット１１を作製し、続いてシール材層とコーティング材層のセラミック粒子をジルコニア粒子（平均粒径２μｍ）としたほかは実験例１と同様にしてハニカム構造体１０を作製した。なお、実験例２２〜２５の接合体の形状はそれぞれ図３Ａ〜Ｄのものと同様であり、実験例２６〜２８の接合体の形状は、それぞれ図４Ａ〜Ｃのものと同様である。また、実験例２８は、ハニカム構造体１０を一体成形したものである。

［実験例２９］
貫通孔内部に触媒担持層であるアルミナを形成させている、市販の円柱状（直径１４３．８ｍｍφ×長さ１５０ｍｍ）のコージェライトハニカム構造体１０を実験例２９とした。なお、セル形状は六角形であり、セル密度は、６２個／ｃｍ²（４００ｃｐｓｉ）、壁厚は０．１８ｍｍであった。なお、正面から見たハニカム構造体の形状は、図４Ｃのものと同様である。

［実験例３０〜３４］
無機繊維として表２に示す形状のシリカ−アルミナ繊維を用いたほかは実験例１と同様にしてハニカムユニット１１を作製し、続いてシール材層とコーティング材層のシリカ−アルミナ繊維をハニカムユニットと同じシリカ−アルミナ繊維としたほかは実験例１と同様にしてハニカム構造体１０を作製した。なお、実験例３０〜３４の接合体の形状は、図３Ａのものと同様である。

［実験例４４〜４７］
表３に示すように、ハニカムユニットの断面積及びハニカムユニットを接合させるシール材層の厚さを変更したほかは実験例１と同様にしてハニカム構造体１０を作製した。なお、実験例４４〜４５の接合体の形状は、図３Ａのものと同様であり、実験例４６〜４７の接合体の形状は、図３Ｃのものと同様である。

［実験例４８］
表３に示すように、無機バインダをアルミナゾル（固体濃度３０重量％）としたほかは実験例１と同様にしてハニカム構造体１０を作製した。

［実験例４９〜５０］
表３に示すように、無機バインダをセピオライト及びアタパルジャイトとしてハニカムユニットを作製したほかは実験例１と同様にしてハニカム構造体１０を作製した。具体的には、γアルミナ粒子（平均粒径２μｍ，）４０重量％、シリカ−アルミナ繊維（平均繊維径１０μｍ、平均繊維長１００μｍ、アスペクト比１０）１０重量％、無機バインダ１５重量％及び水３５重量％を混合し、実験例１と同様に有機バインダ、可塑剤及び潤滑剤を加えて成形・焼成を行い、ハニカムユニット１１を得た。次に、実験例１と同様のシール材ペーストによりこのハニカムユニット１１を複数接合し、実験例１と同様にこの接合体を切断し、コーティング材層１６を形成させ、円柱状（直径１４３．８ｍｍφ×長さ１５０ｍｍ）のハニカム構造体１０を得た。

［実験例５１］
表３に示すように、無機バインダを混合しないでハニカムユニットを作製したほかは実験例１と同様にしてハニカム構造体１０を作製した。具体的には、γアルミナ粒子（平均粒径２μｍ，）５０重量％、シリカ−アルミナ繊維（平均繊維径１０μｍ、平均繊維長１００μｍ、アスペクト比１０）１５重量％及び水３５重量％を混合し、実験例１と同様に有機バインダ、可塑剤及び潤滑剤を加えて成形し、この成形体を１０００℃で焼成し、ハニカムユニット１１を得た。次に、実験例１と同様のシール材ペーストによりこのハニカムユニット１１を複数接合し、実験例１と同様にこの接合体を切断し、コーティング材層１６を形成させ、円柱状（直径１４３．８ｍｍφ×長さ１５０ｍｍ）のハニカム構造体１０を得た。

［比表面積測定］
実験例１〜５１および実験例１−Ａ〜1−Ｅのハニカムユニット１１の比表面積測定を行った。まずハニカムユニット１１及びシール材の体積を実測し、ハニカム構造体の体積に対しユニットの材料が占める割合Ａ（体積％）を計算した。次にハニカムユニット１１の単位重量あたりのＢＥＴ比表面積Ｂ（ｍ²／ｇ）を測定した。ＢＥＴ比表面積は、ＢＥＴ測定装置（島津製作所製MicromeriticsフローソーブII−２３００）を用いて、日本工業規格で定められるＪＩＳ−Ｒ−１６２６（１９９６）に準じて１点法により測定した。測定には、円柱形状の小片（直径１５ｍｍφ×高さ１５ｍｍ）に切り出したサンプルを用いた。そして、ハニカムユニット１１の見かけ密度Ｃ（ｇ／Ｌ）をハニカムユニット１１の重量と外形の体積から計算し、ハニカム構造体の比表面積Ｓ（ｍ²／Ｌ）を、次式（１）から求めた。なお、ここでのハニカム構造体の比表面積は、ハニカム構造体の見かけ体積あたりの比表面積のことをいう。

Ｓ（ｍ²／Ｌ）＝（Ａ／１００）×Ｂ×Ｃ；式（１）
［熱衝撃・振動繰返し試験］
実験例１〜５１および実験例１−Ａ〜１−Ｅのハニカム構造体の熱衝撃・振動繰返し試験を行った。熱衝撃試験は、アルミナ繊維からなる断熱材のアルミナマット（三菱化学製マフテック、４６．５ｃｍ×１５ｃｍ、厚さ６ｍｍ）をハニカム構造体の外周面に巻き金属ケーシング２１に入れた状態で６００℃に設定された焼成炉に投入し、１０分間加熱し、焼成炉から取り出し室温まで急冷した。次に、ハニカム構造体をこの金属ケーシングに入れたまま振動試験を行った。図５Ａに振動試験に用いた振動装置２０の正面図を、図５Ｂに振動装置２０の側面図を示す。ハニカム構造体を入れた金属ケーシング２１を台座２２の上に置き、略Ｕ字状の固定具２３をネジ２４によって締めて金属ケーシング２１を固定した。すると、金属ケーシング２１は、台座２２と固定具２３と一体となった状態で振動可能となる。振動試験は、周波数１６０Ｈｚ、加速度３０Ｇ、振幅０．５８ｍｍ、保持時間１０ｈｒ、室温、振動方向Ｚ軸方向（上下）の条件で行った。この熱衝撃試験と振動試験とを交互にそれぞれ１０回繰り返し、試験前のハニカム構造体の重量Ｔ０と試験後の重量Ｔｉを測定し、次式（２）を用いて重量減少率Ｇを求めた。

Ｇ（重量％）＝１００×（Ｔ０−Ｔｉ）／Ｔ０；式（２）
［圧力損失測定］
実験例１〜５１および実験例１−Ａ〜１−Ｅのハニカム構造体の圧力損失測定を行った。圧力損失測定装置４０を図６に示す。測定方法は、２Ｌのコモンレール式ディーゼルエンジンの排気管にアルミナマットを巻いたハニカム構造体を金属ケーシングにいれて配置し、ハニカム構造体の前後に圧力計を取り付けた。なお、測定条件は、エンジン回転数を１５００ｒｐｍ、トルク５０Ｎｍに設定し、運転開始から５分後の差圧を測定した。

［フィルタ再生試験］
実験例1〜３、５、６および実験例１−Ａ〜1−Ｅのハニカム構造体とＳｉＣ製のＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）を組み合わせて排ガス浄化試験体を構成し、ＤＰＦの再生評価を行った。試験体は、エンジンの排気管の流入側にハニカム構造体（直径１４４ｍｍ×長さ１５０ｍｍ）を設置し、そこから流出側に５ｍｍの位置に直径１４４ｍｍ×長さ１５０ｍｍのＤＰＦを設置して構成した。まずエンジンを回転数３０００ｒｐｍ、トルク５０Ｎｍの条件で運転させ、ＤＰＦに２０ｇのスートを捕集させた。次に、スートを燃焼させるため、エンジンの運転をポストインジェクション方式に切り替え、７分間運転した。スートを燃焼させる前と燃焼後のＤＰＦの重量変化から、再生率を求めた（スートが全部燃焼すると、再生率は１００％となる）。

［実験結果］
実験例１〜２９及び実験例４４〜４７のセラミック粒子成分、ユニット断面積、ユニット面積割合、ハニカムユニットの比表面積、ハニカム構造体の比表面積Ｓ、熱衝撃・振動繰返し試験の重量減少率Ｇ及び圧力損失の各数値等をまとめたものを表５に示し、ハニカムユニットの断面積を横軸とし熱衝撃・振動繰返し試験の重量減少率Ｇ及び圧力損失を縦軸としてプロットしたものを図７に示し、ユニット面積割合を横軸とし熱衝撃・振動繰返し試験の重量減少率Ｇ及び圧力損失を縦軸としてプロットしたものを図８に示す。

表５及び図７に示した実験例１〜２９及び実験例４４〜４７の測定結果から明らかなように、セラミック粒子、無機繊維及び無機バインダを主成分とし、ハニカムユニット１１の断面積を５〜５０ｃｍ²の範囲とすれば、ハニカム構造体の単位体積あたりの比表面積が大きくなり、熱衝撃・振動に対する十分な強度が得られることがわかった。また、図８に示すように、セラミック粒子、無機繊維及び無機バインダを主成分とし、ハニカムユニット１１の断面積を５０ｃｍ²以下の範囲とし、ユニット面積割合を８５％以上とすれば、ハニカム構造体の単位体積あたりの比表面積を大きくすることができ、熱衝撃・振動に対する十分な強度が得られ、圧力損失が下がることがわかった。特にユニット面積割合が９０％以上で圧力損失の低下が顕著であった。

再生試験の結果を表５に示す。この表から、ユニット断面積が５ｃｍ^２以上５０ｃｍ^２以下であって、シール材層の熱伝導率が０．１W／ｍ・K〜５W／ｍ・Kの範囲にあるときに、フィルタの再生率は高くなることがわかった。

次に、無機繊維のアスペクト比を変化させた実験例１，３０〜３４につき、シリカ−アルミナ繊維の径、長さ、アスペクト比、ハニカムユニット１１の比表面積、ハニカム構造体の比表面積Ｓ、熱衝撃・振動繰返し試験の重量減少率Ｇ及び圧力損失の各数値等をまとめたものを表６に示し、シリカ−アルミナ繊維のアスペクト比を横軸とし熱衝撃・振動繰返し試験の重量減少率Ｇを縦軸としてプロットしたものを図９に示す。

この結果より無機繊維のアスペクト比が２〜１０００の範囲のときに熱衝撃・振動に対する十分な強度が得られることがわかった。

次に、無機バインダの種類を変えてハニカムユニット１１を作製した実験例４８〜５０及び無機バインダを混合せずに作製した実験例５１につき、無機バインダの種類、ハニカムユニット１１の焼成温度、ユニット面積割合、ハニカムユニットの比表面積、ハニカム構造体の比表面積Ｓ、熱衝撃・振動繰返し試験の重量減少率Ｇ及び圧力損失の各数値等をまとめたものを表７に示す。

この結果より、無機バインダを混合しないときには、比較的高温で焼成すれば十分な強度が得られることがわかった。また、無機バインダを混合するときには、比較的低温で焼成しても十分な強度が得られることがわかった。また、無機バインダをアルミナゾルや粘土系バインダとしても、ハニカム構造体１０の単位体積あたりの比表面積を大きくすることができ、熱衝撃・振動に対する十分な強度が得られることがわかった。

本発明は、車両の排ガス浄化用の触媒担体や、気体成分や液体成分を吸着させる吸着材などに利用可能である。

Claims

多数の貫通孔が貫通孔壁面を隔てて長手方向に並設されたハニカムユニットがシール材層を介して、複数個結束されたハニカム構造体であって、
前記ハニカムユニットは、少なくともセラミック粒子と、無機繊維及び／又はウィスカを含有し、前記ハニカムユニットの長手方向に垂直な断面における断面積が、５ｃｍ^２以上５０ｃｍ^２以下であり、
各貫通孔は、両端が封止されておらず、
前記ハニカムユニットは、前記セラミック粒子と、無機繊維及び／又はウィスカとを含む原料を、６００℃〜１２００℃で焼成されてなり、
前記セラミック粒子は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、セリア、ムライト及びゼオライトからなる群から選定された１種以上であり、
シール材層は、０．３ｍｍ〜２ｍｍの厚さを有し、熱伝導率が０．１W／m・K〜５W／m・Kである、ハニカム構造体。
前記ハニカム構造体の長手方向に垂直な断面における断面積に対して、前記ハニカムユニットの長手方向に垂直な断面における断面積の総和が占める割合は、８５％以上である、請求項１に記載のハニカム構造体。
外周面にコーティング材層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のハニカム構造体。
前記無機繊維及び／又はウィスカは、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素、シリカ−アルミナ、ガラス、チタン酸カリウム及びホウ酸アルミニウムからなる群より選択される１種以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のハニカム構造体。
前記ハニカムユニットは、前記セラミック粒子と、前記無機繊維及び／又はウィスカと、無機バインダとを含む混合物を用いて製造されており、
前記無機バインダは、アルミナゾル、シリカゾル、チタニアゾル、水ガラス、セピオライト及びアタパルジャイトからなる群より選択される１種以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のハニカム構造体。
触媒成分が担持されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のハニカム構造体。
前記触媒成分は、貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び酸化物からなる群より選択される１種以上の成分を含有することを特徴とする請求項６に記載のハニカム構造体。
車両の排ガス浄化に用いられることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のハニカム構造体。