JP5757941B2 - ハニカム体の被覆方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本願は、米国出願第１２/４７４，８８９号（出願日：２００９年５月２９日）の優先権を主張するものである。

本発明はハニカム体の被覆方法に関するものである。

大型のセラミックハニカム体の外表面に強度及び寸法精度を向上さるための平坦な被覆面を得るために、外部セラミック被覆、即ち「表皮」を施すことがよく行なわれている。表皮は、一般に、指定された直径要件を満足するハニカムマトリックス体が機械加工され後に施され、ほとんどの場合、マトリックス体が焼成され最終結晶構造及び強度が得られた後に施される。施工された表皮は、乾燥処理のような追加製造工程又は被覆品を再焼成して表皮材料を焼結又は反応焼結させる処理によって硬化される。

本発明は製造中及び使用中において損傷に強く、製造における乾燥及び／又は焼成ステップに起因する亀裂が少ない高強度の表皮が被覆された、改良型ハニカム体を製造する方法を開示するものである。このような特性は表皮の多層化によって得られる。

本発明の方法の実施の形態は、ハニカムマトリックスのようなハニカム体の外表面にセラミック被膜を施す方法である。この方法は（ｉ）セラミック又はセラミック形成成分を含む被覆材料から成る第１の層を施すステップ、及び（ｉｉ）セラミック又はセラミック形成成分を含む被覆材料から成る少なくとも1つの追加層を第１の層の上に施すステップを有し、（ｉｉｉ）少なくとも1つの追加層を施す前に、第１の層の少なくとも一部を少なくとも部分硬化させることを特徴とする方法である。

概して言えば、本開示した方法に基づく硬化処理は、例えば、第１の層の少なくとも一部を赤外線放射、マイクロ波放射、対流加熱、又はこれ等の組合せに晒すことにより、第１の層又はその一部を加熱することを含んでいる。特定の実施の形態において、硬化処理は第１の層の少なくとも一部を乾燥させることにより、層から、例えば、水媒体のような液体成分を除去することを含んでいる。乾燥処理は前記加熱方法の1つ又は組合せによる加熱によって促進される。

一部の実施の形態において、被膜処理の間ハニカム体を回転させることによって、ハニカム体に多層被覆を施す本発明の方法が促進される。ハニカム体は対向する第１及び第２の端面、及び第1端面と第２端面との間に延びる外側面を有し、第1及び第２の端面に延びる縦軸の周囲に配置されている。縦軸を中心にハニカム体を回転させながら被覆材料を外側面に噴霧することにより、被覆材料の第１の湿潤層が形成される。第１の層又は後続層を施すために縦軸を中心にハニカム体を３６０°又はそれ以上回転させることができる。次に、後続の湿潤層を形成する前に、第１の湿潤層が少なくとも部分的に乾燥される。これ等の方法の別の特定の実施の形態において、第１の湿潤層を少なくとも部分的に乾燥させる間も、縦軸を中心にハニカム体が回転される。

被覆材料の層を噴霧するステップ及び乾燥するステップを様々にアレンジすることができる。一部の実施の形態において、第１の湿潤層を乾燥又は部分乾燥させるステップの前に、被覆材料を噴霧するステップが終了する。別の実施の形態において、被覆材料を噴霧するステップと乾燥させるステップとが並行して行われる。後者の例は、縦軸を中心にハニカム体を回転させ、被覆材料の第１の層の一部を第１の回転弧に対応する外表面の第１の部分に施すステップ、及び被覆材料の第１の層の別の部分を第２の回転弧に対応する外表面の第２の部分に施すと同時に外表面の第１の部分の第１の層を加熱するステップを有している。

添付図面を参照しながら、以下に本発明の方法を更に説明する。
本発明によって製造された被覆ハニカム体の概略斜視図。 ハニカム体に被覆を施す装置の側面図。 ハニカム体に多層被覆を施す様子を示す概略図。 ハニカム体に多層被覆を施す様子を示す概略図。

ハニカム体又はハニカムマトリックスに表皮層を施す従来の方法は所謂「ドクターブレード」と呼ばれる方法である。この方法によれば、被覆混合物の固体及び液体原料を釣り合わせて塑性セメントが調製され、それが塗布され板又はブレードによって平坦にされる。ハニカム体はセラミック形成成分から成る乾燥成形されたものであっても、セラミック形成成分が強固なモノリシック・セラミック材料に変換される焼成成形からなるものであってもよい。通常、セメントを塗布する間、ハニカム体を回転させることによって、適切な厚さの平坦層が形成される。次に、このようにして塗布されたセメント被覆を乾燥して非結合水が除去される。この場合、適度な温度で数時間、例えば、６５℃で４時間加熱することが好ましい。時により、ハニカム体及び被覆を焼成して、被覆、あるいは被覆及びハニカム体をモノリシックなセメント体又は被覆とされる。

このような被覆の塗布及び乾燥工程には幾つかの欠点がある。よく発生する問題として、塗布工程においてハニカムマトリックスに対する被覆混合物の接着力が弱いこと、及び乾燥又は焼成工程において表皮亀裂が生じるという問題がある。別の問題として、表皮の厚さが不均一であること、塗布工程においてセメントが無駄になること、並びに塗布工程後及び使用中において表皮フレーク又は表皮チップとして剥がれる原因となる乾燥被覆の強度不足の問題がある。

本出願が開示するハニカム体の被覆、即ち、表皮は、焼成後のハニカム体に対しても有効であるが、特に未焼成のハニカムマトリックスに対し有用である。表皮はマトリックスの焼成温度において焼結セラミック表皮に変わる原材料混合物から成るシート、ペースト、又は懸濁液を用いて、多重薄層又はベニヤとして未焼成マトリックスに施される。このように、１回の焼成工程によって、未焼成マトリックスが強固なセラミックマトリックスに変わると共に、ペースト又は懸濁被覆材料がマトリックス側面の外周を囲む亀裂がなく、チップ耐性のあるセラミック表皮に変わる。図１は薄いベニヤ又は層１４ａ、１４ｂ、１４ｃから成るセラミック表皮１４が施された外表面１３を有する円筒形のハニカムマトリックス１２から成る被覆ハニカム基体１０の実縮尺又は実寸ではない概略図である。基体１０のチャネル１６のようなハニカムチャネルがマトリックス１２の中心軸１２ａに対し平行に配列されている。
本発明の方法によるハニカムの表皮に用いられる膜、ペースト、又は縣濁液に含められるセラミック原材料の割合は、様々なフィルターマトリックス材料に対し有用であるよう選択される。施された被覆の強度及び接着力を確保すると共に／又は焼成被覆の熱膨張がマトリックスの熱膨張に適合するよう調整するための追加成分が選択される。例えば、焼成するとコージライトセラミックに変換可能な割合の粘土、タルク、及びアルミナから成る乾燥未焼成ハニカムマトリックの場合、被覆組成はタルク、粘土、シリカ、及びアルミナの混合物とメチルセルロースのような有機バインダー及び／又はポリエチレン・オキシドバインダー、並びに水のような媒体成分とを組み合わせたものから成ることができる。この混合物を被覆として未焼成マトリックの側面に施し、マトリックスと共に約１４００℃で焼成することにより、マトリックス及び被覆の両方がコージライトに変化する。

本開示した方法によって施される被覆又は表皮における表皮亀裂及びその他の欠陥を低減するため、表皮は薄い層又はベニヤとして形成される。本発明の方法の実施の形態において、硬化される前の各薄層又はベニヤの厚さは２．５ｍｍ未満、例えば、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。被覆材料がセラミック又はセラミック形成成分から成る発泡性混合物やテープ成形シートである実施の形態同様、被覆材料がセラミック又はセラミック形成成分から成る縣濁液又はペーストである実施の形態が有益であり、良好な結果が得られる。

本発明による前記被覆材料はいずれもハニカム製品の改良に有益であるが、被覆材料が縣濁液であり、その材料の少なくとも１つの層が、ハニカム体に縣濁液をカスケード又は噴霧することによって施される方法が、経済的に製造する上において特に適している。実施の形態には、少なくとも１つの被覆材料層を施す間、軸を中心にハニカム体を回転させる方法を含んでいる。また、例えば、加熱により乾燥又はハニカム体に接着させるために、少なくとも１つの被覆材料層を硬化させる間、軸を中心にハニカム体を回転させる方法も含んでいる。従って、本発明は以下の説明に限定されることを意図するものではないが、特に前記のような実施の形態について説明する。

前記のように、本発明の方法は、概して言えば、被覆製剤の多数の薄層又はベニヤをハニカムマトリックスに施すことによって表皮を形成するものである。そのため、層を形成するために選択された材料の組成、粘度、及び／又は塑性に応じてベニヤ層を施す様々な方法が使用可能ではあるが、縣濁被覆製剤をマトリックスに噴霧又はカスケードすることによって都合よく所望の薄いベニヤを形成することができる。噴霧及び／又はカスケートによって可能である適切なベニヤ層の厚さは０．１から１ｍｍの範囲であるが、必要があれば２．５ｍｍまでとすることができる。

前記のように、別の被覆方法にはマトリックスの外面にテープ成形被覆材料の薄い塑性シートを施す方法や発泡被覆製剤の層を噴霧する方法がある。特に、塑性テープを施す場合、テープを施す前にマトリックスを予熱又は湿潤させることによりハニカムマトリックスの表面に対する層の接着力が向上する。

マトリックスの表面に多数の薄い被覆層を噴霧する本発明の方法の実施の形態において、通常、噴霧した層を部分乾燥又は完全に乾燥させてから別の層が噴霧される。適切な乾燥方法には赤外線加熱、マイクロ波加熱、温風循環、又はこれ等の組合せがある。本発明の方法の効果には、（ｉ）乾燥亀裂の減少、（ｉｉ）表皮チップのような他の被覆欠陥の減少、（ｉｉｉ）表皮材料の有効利用（ｉｖ）表皮とマトリックスとの接着力の向上、及び／又は（ｖ）製品の外観の向上がある。

各層を乾燥させてから別の層を施すことが、乾燥又は焼成における積層被覆の亀裂を防止する上で特に有効である。例えば、ホットエアガン、赤外線放射、及び／又は無線周波又はマイクロ波加熱によって、薄いペースト層又は縣濁層を乾燥させることができる。薄い噴霧層を急速乾燥させる上において、赤外線放射乾燥が特に有効である。

噴霧によって、ハニカムマトリックスにベニヤ層を施すのに適した装置を図２に概略示す。図示のように、装置２０は円筒形のハニカムマトリックス１２に接触し、装置内において回転を支持するよう配列された水平方向に対向するスピンドル２４ａ及び２４ｂを支持する支持フレーム２２を有している。装置２０内において、マトリックス１２は図示の向きに配置され、電動機２６が起動されると、スピンドル２４ａによって軸１２ａを中心にマトリックス１２が、例えば、矢印２５の方向に回転できるよう、マトリックスのハニカムチャネル１６及び中心軸１２ａが水平方向においてスピンドルに位置合わせされる。

マトリックス１２が軸１２ａを中に回転されると、その側面に一定量の縣濁被覆製剤が噴霧されるよう配置された１つ以上の噴霧ヘッド２８もフレーム２２に支持されている。フレーム２２は赤外線放射源３０のような加熱手段も支持することができる。赤外線放射源３０は、マトリックス１２の側面に放射エネルギーを放射して、噴霧ヘッド２８によってその表面に堆積された被覆材料を乾燥させるよう配置されている。

一連の薄い被覆層の１つを堆積させる際、精密噴霧ヘッドによってマトリック１２に縣濁ベニヤが施されている間、マトリックスを３６０°又はそれ以上回転させることができる。縣濁液によって比較的厚い層が形成される場合には、１回転された後乾燥される。施された層がマトリックスに施される最初の層の場合、例えば、スポンジ、ブラシ、又はドクターブレードを用いてその層をマトリック上に押し広げ、平坦化することによってマトリックス表面の開口チャネル又は同様の大きな窪みを埋めることが有益である。

各々の被覆が施されるとき又はその後、赤外線放射源が起動され、このようにして形成された湿潤層が少なくとも部分乾燥された後、別の湿潤層が施される。希望する場合には、堆積中又はすべての薄層が堆積された後、更に回転させてマトリックスを加熱及び乾燥させることができる。縣濁液をカスケード塗布する場合には、噴霧ヘッド２８を制御放出縣濁液タンクに代えるだけでよい。

図３ａ及び３ｂは、図２のハニカムマトリックス１２から成るハニカム体に湿潤被覆層を施すと同時に部分乾燥させる例示的な工程を示す図である。図３ａはマトリックスの側面１３に薄い被覆層１４ｂが施される間における（すべての層について手順は同じであるが、この例では既に施され乾燥された薄い被覆層１４ａの上に施される間における）、ハニカムマトリックス１２の端面を示す概略図である。
層１４ｂのような薄い被覆層を施すため、層１４ｂの一部が外表面１３の第１の部分に堆積される間、縦回転軸１２ａを中心にマトリックス１２が第１の回転孤だけ矢印Ａ方向に回転される。堆積方法は精密噴霧ヘッド２８から被覆材料を供給する方法である。第１の回転孤の大きさ及びそれに伴ってこの工程において被覆される外表面１３の部分の大きさは、概略図３ａの矢印Ａの長さで示される大きさである。
次いで、図３ｂにおいて、被覆層１４ｂの第１の部分によって外表面１３の第１の部分が被覆された後、外表面１３の別の部分が被覆層１４ｂの第２の部分によって覆われる。この場合も堆積は精密噴霧ヘッド２８によるものであって、軸１２ａを中心にマトリックス１２が第２の回転孤にわたり回転されるにつれて実施されるものである。第２の回転孤の大きさ及びこの工程において被覆される外表面１３の別の部分の大きさは、概略図３ｂの矢印Ｂの長さで示される大きさである。

図３ｂの矢印Ｂで示す外表面１３の部分に対する被覆層１４ｂの第２の部分の堆積と同時に、図３ｂの矢印Ａで示す外表面１３の第１の部分に配された被覆層１４ｂの第１の部分が加熱される。加熱は赤外線放射源３０によるものであり、外表面１３の第１の部分に配された層１４ｂの部分が少なくとも部分乾燥される。外表面１３が噴霧によって完全に被覆され、被覆層１４ｂが乾燥されるまで、このように連続する回転孤の回転が続けられ、任意として追加の被覆層が同様に施される。
図３ａ及び３ｂに示す、ハニカム体の被覆と乾燥を同時に行う方法には様々なやり方があり、その選択は、他の条件もあるが、被覆材料の調製、熱源の効率、及び被覆材料から除去される液相材料の量に依存する。これ等の方法の特定の実施の形態には、第１の回転孤が３６０°未満、例えば、図示のように略９０°である実施の形態が含まれている。必要条件ではないが、被覆される外表面１３の第１及び第２の部分、従って、施される薄い被覆層の第１及び第２の部分が、図３ａ及び３ｂに示すように、直接隣接している。被覆と乾燥とを同時に行う実施の形態の別の例には、第１の回転孤が１８０°である実施の形態、及び第１と第２の回転弧の合計が３６０°である実施の形態が含まれている。

特に、別の層を堆積する前に、施された被覆層を乾燥させるために、被覆材料の堆積が中断される実施の形態において、１つ以上の薄層を噴霧する間、縦軸を中心にハニカム体が３６０°以上回転されることがしばしばある。例えば、回転速度が速く且つ／又は施される噴霧縣濁液層が非常に薄い場合、縦軸を中心にハニカム体が少なくとも５４０°回転される。

様々な噴霧角度で動作する多数のヘッドを含む、２つの精密噴霧ヘッド以外のヘッドによって、ハニカム体の外表面に被覆材料を噴霧できることは、図面及びこれまでの説明から明らかである。選択した噴霧装置及び動作モードをプログラムして、様々な寸法及びハニカムマトリックス構成を有する特定のハニカム体の被覆に容易に適応させることができる。

限定ではなく説明を意図した以下の実施例によって、本明細書に開示した方法を更に説明する。

以下の手順に従って、いずれもコージライト組成物であるハニカムマトリックス及び平坦で実質的に欠陥のないセラミック表皮を備えたセラミックハニカム品を製造した。まず、幾何学的回転軸に平行なハニカムチャネルを有する直径約３０ｃｍ、長さ約２５ｃｍの円筒形ハニカムマトリックスを用意した。マトリックスは焼成すると反応焼結コージライトハニカム構造体になる割合の粘度、タルク、及びアルミナから成る組成の乾燥未焼成押出しハニカム成形体から成っている。

まず、前記直径のマトリックスになるまで、ハニカム成形体の表面を研削して余分な表面材料を除去した。次に、このマトリックスを多層被覆するための被覆縣濁液を用意した。被覆縣濁液は乾燥無機粉末、メチルセルロース・バインダー、及び水媒体の混合物から成る組成を有している。無機粉末の混合物は１１．７重量部の水和カオリン粘土、４０．６重量部のタルク、１８．６重量部の含水アルミナ、１４．７重量部のか焼アルミナ、及び１４．４重量部のシリカ粉末を含んでいる。無機粉末成分を１重量部のメチルセルロース・バインダーと完全に混合した後、粘度約２０パスカルセカンドの噴霧可能な液体濃度になるまで純水を加えて縣濁液を調製した。粉末の粒子寸法を約４００メッシュ以下、例えば、平均の粒子寸法を３８μｍとして噴霧特性を向上させた。

次に、高圧ガスとして１００ｐｓｉ（６８９５００Ｐａ）の圧縮空気を用いるスプレーガンを使用してハニカムマトリックスの外表面に縣濁液を噴霧した。概して言えば、３０〜２００ｐｓｉ（２０６８５０〜１３７９０００Ｐａ）の空気圧及び５〜３０パスカルセカンドの縣濁液粘度が噴霧を行う上において同等に有効である。

前記のようにして、被覆縣濁液の最初の層を施した後、６ｋＷの放射源から赤外線を１分３０秒放射して乾燥させた。この加熱により約７０％の遊離水が被覆から除去された。乾燥被覆の厚さは約０．５ｍｍであった。
噴霧された被覆の厚さ及びその他の要因応じ、よりパワーの高い又は低い、例えば、３〜２５ｋＷの範囲の赤外線を放射して乾燥させることができる。乾燥時間に影響するその他の要因には被覆するマトリックスの寸法（直径及び長さ）、被覆に含まれている媒体の量、及び加熱される被覆の組成がある。

乾燥処理の後、同じ噴霧及び赤外線加熱処理によって、第２の被覆を施し乾燥させた。これによって積層された被覆の平均の厚さは約１ｍｍであった。各々の厚さが約０．５ｍｍである、この方法による２〜４の被覆層を堆積させることにより、乾燥亀裂が殆ど又は全くない接着性のある乾燥被覆が得られた。

本発明の方法が幅広いハニカム体構造及び組成に適用可能であり、例えば、現在固体及び／又はガス状汚染物質のろ過又は燃焼機関の排気ガスの処理に使用されているハニカム製品に対し平坦で接着性があり殆ど欠陥のない積層被覆又は表皮の施工に容易に適応させることができることは前記説明及び実施例から明白である。本発明の方法を適応させることには、支持するハニカム体と同時にかかる被覆を焼成して耐久性の高い被覆ハニカム製品を製造すると共に、製造工程を簡略化して全体の製造コストを低減することを含んでいる。添付クレームの精神及び範囲を逸脱せずに、当業者は本発明の特定の方法のこれ等及びその他の改良及び変更を行うことができる。

１０ 被覆ハニカム基体
１２ マトリックス
１２ａ マトリックスの中心軸
１３ 外表面
１４ セラミック表皮
１６ チャネル
２２ 支持フレーム
２４ａ、２４ｂ スピンドル
２６ 電動機
２８ 噴霧ヘッド
３０ 赤外線放射源

Claims (5)

1. ハニカム体の外表面にセラミック被覆を施す方法であって、
   縦軸を中心にハニカム体を回転させながら、前記ハニカム体の前記外表面にセラミック又はセラミック形成成分を含む被覆材料から成る第１の層を施すステップ、及び
   セラミック又はセラミック形成成分を含む被覆材料から成る少なくとも１つの追加層を前記第１の層の上に施すステップ、
   を有し、
   前記追加層を施す前に、前記第１の層の少なくとも一部が少なくとも部分的に硬化され、
   前記第１の層を施すステップ、前記第１の層の硬化、および前記少なくとも１つの追加層の１つの追加層を施すステップが、並行して行われることを特徴とする方法。
2. 前記硬化処理が、前記第１の層の少なくとも一部を乾燥させて該層から液体成分を除去することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記各々の層の厚さが２．５ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記各々の層の厚さが０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記被覆材料が、セラミック又はセラミック形成成分の縣濁液、セラミック又はセラミック形成成分のペースト、セラミック又はセラミック形成成分の発泡性混合物、及びセラミック又はセラミック形成成分のテープ成形シートから成る群より選択されることを特徴とする請求項１記載の方法。
   

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