JP6849519B2 - 触媒製造用ハニカム構造体、フィルター型ハニカム触媒および製造方法 - Google Patents
触媒製造用ハニカム構造体、フィルター型ハニカム触媒および製造方法 Download PDFInfo
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Description
また表示された個別情報は、自動車に搭載され市場に出た後のハニカム触媒のロット番号を調べる事にも利用され、触媒担持、キャニングなどの工程を遡って把握する事が行われている。
なお、微細な無機粒子による処理では、予めシリコーンオイルなどの撥水性オイルにより塗布処理することも提案されている(例えば、特許文献2参照)。また、チタニアの他、ジルコニアを併用することや、有機樹脂を含有させて処理する提案もなされている(例えば、特許文献3参照)。これらの場合はレーザーで焦がしてバーコードを印刷しており、チタニア等の無機粒子に、レーザーによる発色を促す為に有機物や金属成分を添加し、それらがレーザーの熱による酸化で変色することも利用されている。
また、DPFのようにハニカム構造体の外皮部分(以下、外皮部分ともいう)に別材料の壁をつくると、走行中の温度がディーゼルエンジンよりも高温となるガソリンエンジン用触媒では、熱膨張率の差等によりクラックが生じるなどの問題も懸念される。このため、一体成型のものが好ましい場合がある。
ウォッシュコートには多様な手法が提案・実施されているが、その基本原理は「ハニカムセル内部にスラリー化した触媒成分を供給する工程」、「供給されたセル内の触媒スラリーを空気圧で払い出す工程」からなる。「供給されたセル内の触媒スラリーを空気圧で払い出す工程」において、フロースルーハニカムであれば特段の支障なく余剰なスラリーの除去が可能である。また、従来のDPFにおいても緻密な外皮部分を有することから、この場合も余剰スラリーは支障なく除去可能である。
GPFのような多孔質からなるハニカムにウォッシュコートする際、触媒スラリーが外皮に浸入すると、スラリー中の成分とハニカムの材質の間で熱膨張率の差が生じ、触媒製造工程の焼成時や、この焼成からの冷却時、また自動車としての走行時の熱履歴によってクラックが生じる事があった。
外皮部分の表面にはバーコード印刷用の無機酸化物粒子を含む下地処理材が存在し、該無機酸化物粒子の粒子径が、外皮部分の細孔径よりも大きいことを特徴とする触媒製造用のハニカム構造体が提供される。
該無機酸化物粒子の粒子径(D90)が、下記(1)の条件を満たすものであることを特徴とする請求項1記載の触媒製造用ハニカム構造体が提供される。
[外皮部分の細孔径のD90]<[無機酸化物粒子のD90]」・・・(1)
前記外皮部分の表面にはバーコード印刷用の無機酸化物粒子を含む下地処理材が存在し、該無機酸化物粒子の粒子径が、外皮部分の細孔径よりも大きいことを特徴とするフィルター型ハニカム触媒が提供される。
本発明の触媒製造用ハニカム構造体は、ハニカム構造体が複数のセルを形成する隔壁と外部側面からなり、外皮部分には個別情報表示用の下地処理材が被覆されている。
ハニカム構造体は、その構造の特徴から、フロースルー型(フロースルーハニカム)とウォールフロー型(ウォールフローハニカム)に大別されている。フロースルー型は、一方の開放端面から他方の開口端面に向けて開口する多数の通孔端部が封止されておらず、酸化触媒、還元触媒、三元触媒に広く用いられている。これに対し、ウォールフロー型は、通孔の一端が、互い違いに封止されているもので、排ガス中の煤やSOF(Soluble Organic Fraction:可溶性有機成分)等、固形成分を濾し取ることができるため、DPFとして用いられている。本発明はそのどちらにも使用できるが、GPFでは、特にウォールフローハニカムに好適に使用できる。
また、目封止部の材質は、ハニカム構造体の材質と同様な材質が好ましい。目封止部の材質とハニカム構造体の材質とは、同じ材質でも、異なる材質であってもよい。
100セル/inch2(15.5セル/cm2)未満では幾何学的表面積が小さくなるため、触媒の有効使用率が低下してしまい排ガス浄化触媒としての有用性がなくなるおそれがある。また、GPFとして用いた場合に、フィルターとしての有効面積が不足して、PM堆積後の圧力損失が高くなり、エンジンの出力低下を招くことがある。
隔壁および外皮部分には多数の細孔が存在していることが好ましい。このような細孔の特性は細孔容積、細孔径としてもあらわされ、ガス吸着法、アルキメデス法、水銀圧入法 など様々な手法によって測定できるが、本発明においては特にことわりの無い限り、水銀圧入法により圧入圧力400MPaで測定し得られた値のことをいう。
細孔容積、細孔径、気孔率が小さすぎるとハニカム担体の圧力損失が高くなりすぎて、GPFとして用いた場合に、エンジンの出力低下を招くことがある。また、細孔容積、細孔径、気孔率が大きすぎると十分な強度が得られないことがある。
また、セルのハニカム構造体の長さ方向に対して垂直な断面における形状(以下、「セル形状」という。)も特に限定されないが、四角形、六角形、八角形等の多角形あるいはそれらを組み合わせたもの、例えば四角形と八角形を組み合わせたもの等が好ましい。
図1、図2では、流体の入口側となる入口端面から流体の出口側となる出口端面まで延びる複数のセル5を区画形成する多孔質の隔壁4と、隔壁4と一体的に形成された多孔質の外皮(外皮部分)6とを有するハニカム構造体の場合を表している。
ここで、「一体的に形成された」とは、ハニカム構造体の製造工程において、隔壁4と外皮部分6とが同時に押出成形されると、得られた成形体において、隔壁4と外皮部分6とが押出直後から一体的になる。本発明では、一体的に成形されたものが好ましいが、一体的でない場合も外皮部分6は隔壁4と同様に多孔質体であり、隔壁4同様に通気性を有すれば好ましく使用できる。このような成形体を焼成して得られたハニカム構造体においては、その全体の気孔率、即ち、隔壁4の気孔率と外皮部分6の気孔率とが同一となる。
本発明において、下地処理材とは、ハニカム外皮部分に形成されており、インクジェット印刷やレーザーマーキングなどによる個別情報用のバーコード処理を施すとき、外皮部分の表面で印刷やレーザー照射を受けるコート材であり、チタニアなど無機酸化物粒子を含む材料の層で形成されている。個別情報とは、ハニカム構造体や触媒の重量や寸法、特性、ロット番号、製造条件等の製品管理等の目的で外周面に付与されるものである。
このような熱膨張は、触媒製造時の加熱は勿論、自動車に搭載されたハニカム触媒に加えられる走行時の熱履歴によっても生じる。
このようなバインダー成分の他、下地処理材組成物中には後述する樹脂被覆に使用する樹脂組成物(シーラー)を含有させても良い。これにより、下地処理されることで外皮部分に樹脂組成物が含浸し難くなった場合にも外皮部分における樹脂組成物処理が確実なものとなり定着性も増す。
このように、ハニカム構造体の各セル5の一方の開口端部を目封止部9にて目封止することにより、ハニカム構造体1は、高いPM捕集効率を持ったウォールフロー型フィルターとなる。このウォールフロー型フィルターにおいては、入口端面からセル5内に流入した排ガスが、隔壁4を透過した後、出口端面からセル5外に流出する。そして、排ガスが隔壁4を透過する際に、隔壁4が濾過層として機能し、排ガス中に含まれるPMが捕集される。
尚、目封止部9は、入口端面と出口端面とが、それぞれ、目封止部9によって開口端部が目封止されたセル5と、目封止部9によって開口端部が目封止されていないセル5とにより、互い違いの市松模様を呈する配置となるように形成されることが好ましい。しかし、本発明の実施形態は、このようなウォールフロー型フィルターに限られるものでは無い。
また、このような高気孔率のハニカム構造体の代表的な用途として、触媒を担持して使用するタイプのGPFが挙げられる。ただし、本発明のハニカム構造体は、このようなGPFに限定されるものではなく、各種フィルターや触媒担体等に広く使用することができる。
ハニカム構造体の外皮部分が、隔壁と別個に形成されたものである場合、外皮部分の気孔率と隔壁の気孔率とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、この場合、外皮部分の平均細孔径と隔壁の平均細孔径とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。更に、この場合、外皮部分の材質と隔壁の材質とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。しかし、いずれの場合も熱膨張率がほぼ同一で、外皮部分の気孔率は50%以上である事が好ましい。
本発明に係るハニカム構造体は、公知の方法により製造でき、市場からも入手可能であるが、その一例について公知の例を以下に説明する。
次に、成形原料を混練して坏土を形成する。成形原料を混練して坏土を形成する好適な方法としては、例えば、ニーダー、真空土練機等を用いる方法を挙げることができる。
その後、格子状のスリットが形成された口金を用いて、坏土から、隔壁と外皮部分が一体となったハニカム成形体を押出成形し、このハニカム成形体を乾燥する。好適な乾燥方法としては、例えば、熱風乾燥、マイクロ波乾燥、誘電乾燥、減圧乾燥、真空乾燥、凍結乾燥等を挙げることができ、誘電乾燥、マイクロ波乾燥、熱風乾燥を単独で又は組合せて行うことが好ましい。
以上の条件、材料の無機物質の粒度、有機物の種類や量を吟味することで、気孔率が30%以上、平均粒径が10〜30μmの範囲にある外皮部分を形成することが可能である。
本発明のハニカム構造体には、下地処理材の部位に、重量やサイズ、製造日などといった文字や数字をバーコード、インクによる描画、またレーザマーカによって描画することができる。インクによる描画の場合、転写する手法も適用できる。
本発明のフィルター型ハニカム触媒は、多孔質であるハニカム構造体の外皮部分と、流体の入口側となる入口端面から流体の出口側となる出口端面まで延びる複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁とで形成されているハニカム構造体の該隔壁に触媒組成物が担持されているフィルター型ハニカム触媒であって、前記外皮部分の表面にはバーコード印刷用の無機酸化物粒子を含む下地処理材が存在し、該無機酸化物粒子の粒子径が、外皮部分の細孔径よりも大きいことを特徴とする。
また、触媒組成物は、Pt、Pd、Rhから選ばれる1種以上の貴金属元素を含有することが好ましい。
[外皮部分の細孔径のD90]<[無機酸化物粒子のD90]」・・・(1)
本発明のフィルター型ハニカム触媒を製造するには、触媒製造用のハニカム構造体のハニカム構造体外周部に無機酸化物粒子を含む下地処理材を形成する。
本発明では、まずハニカムの外皮表面部分に、以下の要領で無機酸化物粒子を含む下地処理を行う。
このような方法にハイブリダイゼーションシステムやメカノフュージョン法が知られている。例えば、ナイロン(ポリアミド)の粒子を用意して、これにnmオーダーのチタニア超微細粒子とともに装置に入れ、高速気流と剪断力を作用させ、表面にチタニア粒子の薄い層を形成させることができる。その際、より強い機械力を作用させれば表面の粒子層がより緻密かつ滑らかで強固なものになる(「粉体<その機能と応用>」、編著者:神保 元二他、1991年11月20日、(財)日本規格協会発行 参照)。
一方、用意した原料無機酸化物粒子が大きすぎれば、ボールミルなどを使用して粉砕を行い、その後、篩による分級で粒度を整えることができる。
下地処理層形成用スラリーの塗布手段は、特に制限されず、ローラーなどを用いて行うことができる。塗布の厚みは、ローラーをハニカム構造体の外皮部分に押し付ける圧力や、ローラーの回転数等によって制御できる。形成された層は、必要に応じて100〜200℃程度の温度で乾燥させることにより、水分を蒸発させて下地処理層とすることができる。
下地処理は、ハニカムを寝かした状態や立てた状態で行うこともでき、また、GPFでは無機酸化物粒子が外皮内に浸入するのを更に抑制するためには、横向きでかつ下向きのような態様を採ることもできる。
本発明のハニカム構造体は、触媒組成物スラリーを塗布し、触媒を担持させることでフィルター型ハニカム触媒となる。
外皮の細孔とセル隔壁の少なくとも一部に樹脂組成物が樹脂被覆として存在していても、触媒組成物スラリーが焼成することで焼失し、同時に下地処理材が外皮に定着する。
2:下地処理材、
4:隔壁、
5:セル、
6:外皮部分、
7:細孔、
9:目封止部、
11:個別情報(バーコード)
20:無機酸化物粒子(大粒径)
21:無機物質粒子
22:無機酸化物粒子(小粒径)
Claims (13)
- 多孔質であるハニカム構造体の外皮部分と、流体の入口側となる入口端面から流体の出口側となる出口端面まで延びる複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁とで形成されているハニカム構造体を用いた触媒製造用のハニカム構造体であって、
外皮部分の表面にはバーコード印刷用の無機酸化物粒子を含む下地処理材が存在し、
該無機酸化物粒子の粒子径が、外皮部分の細孔径よりも大きいことを特徴とする触媒製造用ハニカム構造体。 - ハニカム構造体の外皮部分の細孔が水銀ポロシメータによって測定された気孔率が30%以上、平均細孔径が10〜30μmであり、
外皮部分の表面にはバーコード印刷用の無機酸化物粒子を含む下地処理材が存在し、該無機酸化物粒子の粒子径(D90)が下記(1)の条件を満たすものであることを特徴とする請求項1記載の触媒製造用ハニカム構造体。
[外皮部分の細孔径のD90]<[無機酸化物粒子のD90]」・・・(1) - 前記ハニカム構造体の外皮と隔壁が同質材料で形成されているハニカム構造体を用いた請求項1又は2記載の触媒製造用ハニカム構造体
- 前記下地処理材に含まれる無機酸化物粒子が、一次粒子の凝集により形成された二次粒子であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の触媒製造用ハニカム構造体。
- 前記下地処理材に含まれる無機酸化物粒子が、チタニア、アルミナ、シリカ、ジルコニアから選ばれるいずれかであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の触媒製造用ハニカム構造体。
- 前記セルは、入口端面側の開口端部及び出口端面側の開口端部に目封止部を有し、該目封止部が互い違いに配置されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の触媒製造用ハニカム構造体。
- 前記バーコードは、下地処理材に対するレーザー光照射あるいはインクジェットによって形成される事を特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の触媒製造用ハニカム構造体。
- 前記バーコード印刷用の下地処理材は、その外側から樹脂被覆されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の触媒製造用ハニカム構造体。
- 多孔質であるハニカム構造体の外皮部分と、流体の入口側となる入口端面から流体の出口側となる出口端面まで延びる複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁とで形成されているハニカム構造体の該隔壁に触媒組成物が担持されているフィルター型ハニカム触媒であって、
前記外皮部分の表面にはバーコード印刷用の無機酸化物粒子を含む下地処理材が存在し、該無機酸化物粒子の粒子径が、外皮部分の細孔径よりも大きいことを特徴とするフィルター型ハニカム触媒。 - 前記触媒組成物は、Pt、Pd、Rhから選ばれる1種以上の貴金属元素を含有することを特徴とする請求項9に記載のフィルター型ハニカム触媒。
- 触媒製造用のハニカム構造体の外皮部分に無機酸化物粒子を含む下地処理材を形成した
後、下地処理材を有するハニカム構造体を触媒組成物スラリーと接触させ、セル隔壁に触媒組成物スラリーを塗布し、乾燥させた後に、焼成することを特徴とする請求項9又は10に記載のフィルター型ハニカム触媒の製造方法。 - 前記触媒組成物スラリーは、粒度分布における小粒径側からの累積分布が90%となるときの粒子径D90が5μm以下であり、ハニカム構造体の単位体積あたりの含浸被覆量が10〜200[g/L]であることを特徴とする請求項11に記載のフィルター型ハニカム触媒の製造方法。
- 下地処理材を形成した後、セル隔壁に触媒組成物を塗布する前に、外皮部分の外側から樹脂組成物溶液を塗布することで樹脂被覆を形成し、得られた樹脂被覆を有するハニカム構造体を触媒組成物スラリーと接触させ、乾燥後の焼成で前記樹脂被覆を焼失させることを特徴とする請求項11又は12に記載のフィルター型ハニカム触媒の製造方法。
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