JP5345400B2 - 目封止ハニカム構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルパティキュレートフィルター等のフィルターに好適に用いることができる、端面で所定のセルが封止された目封止ハニカム構造体の製造方法に関する。

ディーゼルパティキュレートフィルター（ＤＰＦ）に代表される集塵フィルターとして、ハニカム構造を有するセラミック製のフィルターが使用されている。このようなフィルターは、多孔質の隔壁により区画形成された、流体の流路となる多数のセルを有するハニカム構造体の端面を、市松模様状を呈するように、隣接するセルを互いに反対側となる一方の端部で封止した構造を有するものである。

このフィルター（目封止ハニカム構造体）の一方の端面よりパティキュレート等の微粒子を含む排ガスを通気させると、この排ガスは、当該一端面側の端部が封じられていないセルより構造体内部に流入し、多孔質の隔壁を通過して、構造体の他端面側の端部が封じられていない他のセルに入る。そして、この隔壁を通過する際に排ガス中の微粒子が隔壁に捕捉され、微粒子を除去された浄化後の排ガスがハニカム構造体の他端面より排出される。

通常、このような構造の目封止ハニカム構造体を製造するには、図２に示すように、ハニカム基材１の端面にマスクとなるマスク用フィルム４を貼付し、このマスク用フィルム４の所定のセル２ａ，２ｂの開口端部（セル開口端部７）に対応する位置に孔３を設け、目封止用スラリー６が貯留された容器５へハニカム基材１の端部を浸漬することにより、マスク用フィルム４の孔３を通じて所定のセル開口端部７に目封止用スラリー６を浸入させるという方法が採用されている（例えば、特許文献１参照）。

このような方法で所定のセルの開口端部を目封止する場合、目封止用スラリー６が、セル２ａ，２ｂ内の所望とする深さにまで浸入しない場合があった。また、目封止用スラリー２ａ，２ｂの浸入深さが均一にならない場合もあり、均質な目封止ハニカム構造体を製造することが困難であるといった問題があった。目封止しようとする各セルの内部に浸入する目封止用スラリーの浸入深さが不均一であると、得られる目封止ハニカム構造体のセル毎の圧力損失にバラツキが生じ、濾過物の堆積量に偏りが生じる等の不具合が発生し易くなる。

上記のような問題を解消するための関連する従来技術として、チキソトロピー性を有する目封止用スラリーとして使用するとともに、この目封止用スラリーを加振しつつハニカム基材の所定のセル内に浸入させる方法が開示されている（例えば、特許文献２，３参照）。

しかしながら、特許文献２，３において開示された方法であっても、目封止用スラリー６は、セル２ａ，２ｂ内の所望とする深さにまで必ずしも浸入せず、浸入深さが均一にならない場合もあった。また、目封止用スラリーを加振するための装置が必要となるため、設備が大型化・複雑化する傾向にあった。

特開２００１−３００９２２号公報 特開平６−１９０２１８号公報 特開平６−１９０２２４号公報

本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、セルの所望とする深さにまで目封止用スラリーを均一に浸入させることができ、目封止抜け等の製品欠陥が極めて生じ難い目封止ハニカム構造体の製造方法を提供する。

即ち、本発明によれば、以下に示す目封止ハニカム構造体の製造方法が提供される。

［１］隔壁によって二つの開口端部を有する複数のセルが両端面間に連通して区画形成された筒状のハニカム基材と、前記セルの二つの前記開口端部のうちの一方を目封止するとともに前記ハニカム基材の一方の端面と他方の端面とで相補的な市松模様を形成するように配設された目封止部と、を備えた目封止ハニカム構造体を製造する方法であって、前記ハニカム基材の前記両端面にそれぞれマスク用フィルムを貼付する貼付工程と、前記マスク用フィルムの、所定の前記セルの一方の開口端部に対応する部分にスラリー浸入孔を穿孔する第一の穿孔工程と、前記マスク用フィルムの、前記スラリー浸入孔が穿孔された部分と前記セルを介して対抗する部分に、その径が０．０２〜０．８ｍｍの脱気孔を穿孔する第二の穿孔工程と、前記ハニカム基材の前記マスク用フィルムが貼付された前記両端面を、その粘度が０．５〜２０００Ｐａ・ｓの目封止用スラリーにそれぞれ浸漬し、所定の前記セルの一方の開口端部に前記目封止用スラリーを充填してスラリー充填基材を得る充填工程と、得られた前記スラリー充填基材を焼成する焼成工程と、を含む目封止ハニカム構造体の製造方法。

［２］前記脱気孔の径が、０．０５〜０．４ｍｍである前記［１］に記載の目封止ハニカム構造体の製造方法。

［３］前記目封止用スラリーの粘度が、１〜１５００Ｐａ・ｓである前記［１］又は［２］に記載の目封止ハニカム構造体の製造方法。

［４］前記目封止用スラリーが、チキソトロピー性を有するものであり、所定の前記セルの一方の開口端部に、前記目封止用スラリーを加振しながら充填する前記［１］〜［３］のいずれかに記載の目封止ハニカム構造体の製造方法。

本発明の目封止ハニカム構造体の製造方法によれば、セルの所望とする深さにまで目封止用スラリーを均一に浸入させることができ、目封止抜け等の製品欠陥が極めて生じ難い目封止ハニカム構造体を簡便に製造することができる。

本発明の目封止ハニカム構造体の製造方法の一実施形態を示す模式図である。 従来の、セル開口端部に目封止用スラリーを浸入させる状態を示す模式図である。 目封止ハニカム構造体の一例を示す斜視図である。 実施例１で製造した目封止ハニカム構造体の部分断面構造の写真である。 比較例１で製造した目封止ハニカム構造体の部分断面構造の写真である。

符号の説明

１：ハニカム基材、２，２ａ，２ｂ：セル、３：孔、３ａ：スラリー浸入孔、３ｂ：脱気孔、４，４ａ，４ｂ：マスク用フィルム、５：容器、６：目封止用スラリー、７：セル開口端部、１０：隔壁、１１：第一端面、１５：目封止部、２０：スラリー充填基材、２１：第二端面、２５：外周壁、２７，２９：端面、３０：目封止ハニカム構造体、Ｘ：脱気孔の径

以下、本発明の実施の最良の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

図１は、本発明の目封止ハニカム構造体の製造方法の一実施形態の一部を示す模式図である。本実施形態の目封止ハニカム構造体の製造方法は、隔壁１０によって複数のセル２が端面（第一端面１１、第二端面２１）間に区画形成された筒状のハニカム基材１の、所定のセル２の開口端部（セル開口端部７）に目封止用スラリー６を充填した後に焼成することにより、所定のセル開口端部７に目封止部１５が形成された目封止ハニカム構造体３０を製造する方法である。以下、本発明の目封止ハニカム構造体の製造方法の更なる詳細について説明する。

本実施形態の目封止ハニカム構造体の製造方法では、先ず、隔壁１０によって複数のセル２が第一端面１１と第二端面２１の間に連通して区画形成された筒状のハニカム基材１を用意する（図１（ａ））。

ハニカム基材１を作製するには、先ず、コージェライト、ムライト、アルミナ、スピネル、ジルコニア、炭化珪素、炭化珪素−コージェライト系複合材料、珪素−炭化珪素系複合材料、窒化珪素、リチウムアルミニウムシリケート、チタン酸アルミニウム、ゼオライト等のセラミック；Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系金属等の金属；及びこれらの組合せからなる群より選択される一種の材料の粉末を原料とし、これにメチルセルロースやヒドロキシプロポキシルメチルセルロース等のバインダーを添加し、更に、界面活性剤及び水を添加して混合原料を得る。次いで、得られた混合原料を可塑性の坏土とした後、押出成形してハニカム形状とした後、乾燥又は焼成等することにより、ハニカム基材１を作製することができる。

貼付工程においては、ハニカム基材１の第一端面１１と第二端面２１にマスク用フィルム４ａ，４ｂをそれぞれ貼付する（図１（ｂ））。マスク用フィルム４ａ，４ｂの種類に特に制限はないが、例えば、加熱することで溶融可能であるとともに、レーザー光の照射によって穿孔可能なフィルムが好ましい。また、ハニカム基材１の端面（第一端面１１、第二端面２１）上で固定されるように、粘着層を有するフィルムをマスク用フィルム４ａ，４ｂとして用いることが好ましい。このようなフィルムの具体例としては、ポリエステル、ポリオレフィン、ハロゲン化ポリオレフィン等のポリマー材料からなる基材層と、この基材層に積層配置される、アクリル系粘着材等からなる粘着層とを備えたフィルムを挙げることができる。また、マスク用フィルム４ａ，４ｂの厚さは、強度、孔の開け易さ等の観点から１０〜１００μｍ程度が好ましい。

第一の穿孔工程においては、マスク用フィルム４ａ，４ｂの所定のセル開口端部７に対応する部分にスラリー浸入孔３ａを開ける（図１（ｃ））。このスラリー浸入孔３ａは、その後の工程において、セル開口端部７内に目封止用スラリーを流入させるための流入口として機能する。なお、スラリー浸入孔３ａの径は、スラリー浸入孔３ａの開口面積の３０〜７０％とすることが、後述する粘度の目封止用スラリーを良好な状態で浸入させ易くなるために好ましく、４０〜６０％とすることが更に好ましく、５０％前後とすることが特に好ましい。

第二の穿孔工程においては、マスク用フィルム４ａ，４ｂの、スラリー浸入孔３ａが穿孔された部分とセル２を介して対抗する部分に脱気孔３ｂを穿孔する（図１（ｄ））。この脱気孔３ｂは、スラリー浸入孔３ａを通じてセル開口端部７内に目封止用スラリーを流入させる際に、セル２内に封入されて行先を失った空気をセル２の外部へと排出するための流出口として機能する。

脱気孔の径Ｘは、０．０２〜０．８ｍｍ、好ましくは０．０４〜０．６ｍｍ、更に好ましくは０．０５〜０．４ｍｍとする。脱気孔の径Ｘをこの数値範囲とすることにより、脱気孔３ｂを通じて、後述する粘度の目封止用スラリーの流出入は困難（又は不可能）であるが、空気の流出入は容易（又は可能）となる。従って、スラリー浸入孔３ａ及び脱気孔３ｂを有するマスク用フィルム４ａ，４ｂが貼付されたハニカム基材１の端面を目封止用スラリー６に浸漬した場合であっても、目封止用スラリー６はセル開口部７内に、スラリー浸入孔３ａからは容易に浸入するが、脱気孔３ｂからは容易には浸入しない（図１（ｅ））。

マスク用フィルム４ａ，４ｂにスラリー浸入孔３ａ及び脱気孔３ｂを開ける方法は特に限定されないが、例えば、レーザー照射により開ける方法が好適である。また、一本の針でマスク用フィルム４ａ，４ｂにスラリー浸入孔３ａ及び脱気孔３ｂを一つずつ穿孔したり、穿孔すべきセル２のピッチに対応した剣山状の針を使用して多数のスラリー浸入孔３ａ及び脱気孔３ｂをまとめて穿孔したりすることも可能である。但し、ハニカム基材１の第一端面１１及び第二端面２１をそれぞれ画像処理してスラリー浸入孔３ａ及び脱気孔３ｂを開けるべきセル２の位置を抽出し、レーザーマーカーを使用して抽出した位置に対応させてスラリー浸入孔３及び脱気孔３ｂを穿孔することが、セル２のピッチや開口形状が一定ではないハニカム基材１にも対応柔軟に対応可能となるために好ましい。なお、レーザー照射によってスラリー浸入孔や脱気孔を穿孔する場合に、これらの孔の径を調整するには、レーザーの強度を適宜調整すればよい。

充填工程においては、ハニカム基材１のマスク用フィルム４ａ，４ｂが貼付されたｄａ第一端面１１と第二端面２１のそれぞれを、所定粘度の目封止用スラリー６にそれぞれ浸漬し、セル開口端部７に目封止用スラリー６を充填してスラリー充填基材２０を得る（図１（ｅ）及び（ｆ））。目封止用スラリーの粘度は、０．５〜２０００Ｐａ・ｓ、好ましくは１〜１５００Ｐａ・ｓである。目封止用スラリーの粘度をこの数値範囲内とすることにより、その径（Ｘ）が前述の数値範囲内である脱気孔３ｂを通じて目封止用スラリーの流出入は困難（又は不可能）となるが、空気の流出入は容易（又は可能）となる。このため、ハニカム基材１の第一端面１１と第二端面２１を目封止用スラリー６にそれぞれ浸漬しても、目封止用スラリー６はセル開口部７内に、スラリー浸入孔３ａを通じて容易に浸入するが、脱気孔３ｂからは極めて浸入し難い。従って、目封止用スラリー６の浸入を予定しないセル２に対して目封止用スラリー６は極めて浸入し難く、目封止欠陥が生じ難いために製造歩留まりを向上させることができる。更に、セル２内の空気は、目封止用スラリー６がスラリー浸入孔３ａを通じてセル２内に浸入することによって、脱気孔３ｂから速やかに排出される。従って、セル２の所望とする深さにまで目封止用スラリー６を均一に浸入させることができ、目封止部の信頼性の高い目封止ハニカム構造体を簡便に製造することができる。

なお、チキソトロピー性を有する目封止用スラリー６を使用する場合には、セル開口端部７にこの目封止用スラリー６を浸入させるに際して、超音波発生装置等を使用して目封止用スラリー６を加振しながらセル開口端部７に充填することが、セル２の所望とする深さにまで目封止用スラリー６をより均一に浸入させることが可能となるために好ましい。

目封止用スラリーは、少なくともセラミック粉末と、スラリー用分散媒を混合することにより調製することができる。スラリー用分散媒の好適例としては、アセトン、エタノール、メタノール等の有機溶媒や水等を挙げることができる。

目封止用スラリーには、必要に応じて、結合剤、解膠剤等の添加剤を更に加えてもよい。セラミック粉末の種類は特に限定されないが、例えば、炭化珪素粉末やコージェライト粉末等を好適に用いることができる。結合剤としては、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等の樹脂を用いることもできるが、加熱によってゲル化する特性を有する熱ゲル硬化性の結合剤を用いることがより好ましい。熱ゲル硬化性の結合剤としては、メチルセルロースを好適に用いることができる。

スラリー充填基材２０を得た後、必要に応じて乾燥するとともに、加熱及び／又は焼成をすることにより、目封止部１５が形成された目封止ハニカム構造体３０を製造することができる（図１（ｇ））。なお、目封止ハニカム構造体３０は、一般に、目封止用スラリー６を所定のセル開口端部７内に充填する充填工程を経た後、焼成することにより製造され得るが、充填工程は、焼成前のハニカム構造の成形体（乾燥体）について行ってもよく、焼成後のハニカム構造の焼成体について行ってもよい。

例えば図３に示すように、本発明の目封止ハニカム構造体の製造方法によって製造される目封止ハニカム構造体３０は、多孔質の隔壁によって一の端面２７から他の端面２９まで軸方向に貫通する複数のセル２が区画形成され、セル２を何れかの端面２７，２９において目封止するように配置された目封止部１５を有するものであれば、それ以外の形状等について制限はない。なお、図３中、符号２５は、隔壁の外周を囲む外周壁を示す。

目封止ハニカム構造体の、セルの貫通方向と直交する断面形状については、円形、楕円形、レーストラック形状、四角形等、用途や設置場所に応じて適宜決定することができる。また、その貫通方向と直交するセルの断面形状については、三角形、四角形、六角形等の多角形や略多角形、円形、楕円形等の略円形とすることができる。セル密度については、通常、６〜２０００セル／平方インチ（０．９〜３１１セル／ｃｍ^２）、好ましくは５０〜１０００セル／平方インチ（７．８〜１５５セル／ｃｍ^２）程度とすることができる。また、目封止ハニカム構造体３０（図３参照）を触媒担体やフィルターとして用いる場合には、その隔壁及び外周壁２５は多孔質体であることが好ましい。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（ハニカム基材の作製）
コージェライト、有機バインダー、増孔剤、及び水からなる混合原料をハニカム状に成形した後、乾燥することにより、外径１４０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの円筒状のハニカム基材を作製した。作製したハニカム基材の、その貫通方向と直行するセルの断面形状は正方形であり、隔壁の厚みは約０．３ｍｍであり、セル密度は３００セル／平方インチであり、セルピッチは１．５ｍｍであった。

（目封止用スラリーの調製）
コージェライト粉末に対して、メチルセルロース、グリセリン、及び水をそれぞれ適当量加え、混練することにより、その粘度が１Ｐａ・ｓ、１０００Ｐａ・ｓ、１５００Ｐａ・ｓ、及び２０００Ｐａ・ｓである４種類の目封止用スラリーを調製した。

（実施例１）
ハニカム基材の一方の両端面（第一端面及び第二端面）にマスク用フィルム（材質：ポリエステル、厚さ：ｍｍ、商品名「マスキングテープ」、３Ｍ社製）をそれぞれ貼付した後、貼付したマスク用フィルムの、所定のセル開口端部に対応する部分に（市松模様となるように）レーザーを使用してスラリー浸入孔を開けた。次に、マスク用フィルムの、スラリー浸入孔が穿孔された部分とセルを介して対抗する部分に、レーザーを使用して孔径０．０５ｍｍの脱気孔を開けた。その後、ハニカム基材の第一端面を、粘度１Ｐａ・ｓの目封止用スラリーの中に５ｍｍの深さまで浸漬して、マスク用フィルムのスラリー浸入孔を通じてセル開口端部に目封止用スラリーを充填した。

目封止用スラリーからハニカム基材を引き上げた後、１００℃で１２０秒間乾燥した。その後、上述の第一端面の場合と同様に、ハニカム基材の第二端面について目封止用スラリーへの浸漬を行い、ハニカム基材の他方の端面におけるセル開口端部に目封止用スラリーを充填した。１００℃で１２０秒間乾燥後、５０時間焼成することによって目封止ハニカム構造体を製造した。

製造した目封止ハニカム構造体の目封止部について、目封止平均深さ（ｍｍ）を測定したところ、第一端面では５．００ｍｍ、第二端面では４．９８ｍｍであり、第一端面と第二端面の平均は４．９９ｍｍであった。なお、ねらい深さ（５ｍｍ）に対する、目封止深さの平均到達率は１００％であった。また、実施例１で製造した目封止ハニカム構造体の部分断面構造の写真を図４に示す。

（実施例２〜６、比較例１〜６）
脱気孔の穿孔方法、脱気孔の径（Ｘ）、目封止用スラリーの粘度、及び振動周波数を、それぞれ表１に示す方法及び数値としたこと以外は、実施例１と同様にして目封止ハニカム構造体を製造した。製造したそれぞれの目封止ハニカム構造体の目封止部について、実施例１と同様の測定を行った。結果を表１に示す。また、比較例１で製造した目封止ハニカム構造体の部分断面構造の写真を図５に示す。

表１に示すように、実施例１〜５の方法では、比較例１〜５の方法に比べて、所望とする深さにまで目封止用スラリーが浸入し、十分な深さの目封止部が形成されていることが明らかである。また、実施例１〜５の方法によれば、目封止抜けが生ずることなく、優れた品質の目封止ハニカム構造体を製造可能であった。なお、参考までに、粘度が２５００Ｐａ・ｓを超える目封止スラリーを用いた場合には、目封止スラリーがスラリーの性状を保持し難く、目封止用スラリーの浸入が困難であった。

本発明の目封止ハニカム構造体の製造方法は、ＤＰＦ等のフィルターに使用する目封止ハニカム構造体を製造する方法として好適である。

Claims (4)

1. 隔壁によって二つの開口端部を有する複数のセルが両端面間に連通して区画形成された筒状のハニカム基材と、前記セルの二つの前記開口端部のうちの一方を目封止するとともに前記ハニカム基材の一方の端面と他方の端面とで相補的な市松模様を形成するように配設された目封止部と、を備えた目封止ハニカム構造体を製造する方法であって、
   前記ハニカム基材の前記両端面にそれぞれマスク用フィルムを貼付する貼付工程と、
   前記マスク用フィルムの、所定の前記セルの一方の開口端部に対応する部分にスラリー浸入孔を穿孔する第一の穿孔工程と、
   前記マスク用フィルムの、前記スラリー浸入孔が穿孔された部分と前記セルを介して対抗する部分に、その径が０．０２〜０．８ｍｍの脱気孔を穿孔する第二の穿孔工程と、
   前記ハニカム基材の前記マスク用フィルムが貼付された前記両端面を、その粘度が０．５〜２０００Ｐａ・ｓの目封止用スラリーにそれぞれ浸漬し、所定の前記セルの一方の開口端部に前記目封止用スラリーを充填してスラリー充填基材を得る充填工程と、
   得られた前記スラリー充填基材を焼成する焼成工程と、を含む目封止ハニカム構造体の製造方法。
2. 前記脱気孔の径が、０．０５〜０．４ｍｍである請求項１に記載の目封止ハニカム構造体の製造方法。
3. 前記目封止用スラリーの粘度が、１〜１５００Ｐａ・ｓである請求項１又は２に記載の目封止ハニカム構造体の製造方法。
4. 前記目封止用スラリーが、チキソトロピー性を有するものであり、
   所定の前記セルの一方の開口端部に、前記目封止用スラリーを加振しながら充填する請求項１〜３のいずれか一項に記載の目封止ハニカム構造体の製造方法。