JP6934007B2 - ハニカム構造体及び該ハニカム構造体の製造方法 - Google Patents
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- C04B2235/9607—Thermal properties, e.g. thermal expansion coefficient
Description
本明細書において、触媒の暖機性能とは、エンジンの始動後、触媒として充分な排ガス浄化性能を発揮できるようになるまでの時間の長短をいい、暖機性能に優れているとは、エンジンの始動後、短時間で排ガス浄化性能を充分に発揮できることをいう。
クラック存在粒子とは、粒子内にクラックが形成されたセリア−ジルコニア複合酸化物粒子である。
セリア−ジルコニア複合酸化物粒子は熱膨張係数の大きな粒子であるが、粒子内にクラックが形成されていると、セリア−ジルコニア複合酸化物粒子が熱膨張もしくは熱収縮しても粒子内のクラックを吸収することができる。その結果、ハニカム構造体全体に熱衝撃による破損が生じることを防止し、耐熱衝撃性の高いハニカム構造体とすることができる。
セリア−ジルコニア複合酸化物粒子の平均粒子径が1〜50μmであると、セリア−ジルコニア複合酸化物粒子にクラックを形成させやすくなる。
θ相のアルミナ粒子をセリア−ジルコニア複合酸化物の仕切り材として用いることにより、隔壁中の細孔のサイズを大きくすることができるため、ガスが隔壁の内部まで拡散しやすくなる。さらに、アルミナ粒子をθ相とすることにより、排ガス中でのアルミナの相変化を抑制することができるため、耐熱性を高くすることができる。
ハニカム構造体の長さ/直径の比を1以下にすることにより、ハニカム構造体内の温度分布を小さくすることができるため、ハニカム構造体の耐熱衝撃性をさらに向上させることができる。
ハニカム構造体の直径を130mm以下にすることにより、ハニカム構造体内の温度分布を小さくすることができるため、ハニカム構造体の耐熱衝撃性をさらに向上させることができる。
セリア−ジルコニア複合酸化物粒子とアルミナ粒子とを含む押出成形体からなるハニカム焼成体は、それ自体が触媒担体機能及び助触媒機能を有するため、貴金属をハニカム焼成体に直接担持させることができる。さらに、貴金属をハニカム焼成体に直接担持させることにより、ハニカム構造体の温度が上昇しやすくなるため、初期からの排ガス浄化性能を高めることができる。
そして、クラック存在粒子を含むセリア−ジルコニア複合酸化物粒子を用いてハニカム焼成体を作製すると、ハニカム焼成体には原料として用いたクラック存在粒子がクラックを有した状態で残存する。その結果、耐熱衝撃性の高いハニカム構造体を製造することができる。
還元雰囲気とはセリア−ジルコニア複合酸化物粒子から酸素を放出させることができる雰囲気であり、例えば、一酸化炭素0.5vol%、酸素0vol%、窒素99.5vol%の雰囲気である。酸化雰囲気とはセリア−ジルコニア複合酸化物粒子に酸素を吸蔵させることができる雰囲気であり、例えば、酸素5vol%、窒素95vol%の雰囲気である。
ハニカム焼成体に貴金属を担持させることにより、ハニカム構造体を排ガス浄化用のハニカム触媒として使用することが可能となる。
[ハニカム構造体]
まず、本発明のハニカム構造体について説明する。
本発明のハニカム構造体が上記した成分を有していることは、X線回折(XRD)にて確認することができる。
図1に示すハニカム構造体10は、複数の貫通孔11aが隔壁11bを隔てて長手方向に並設された単一のハニカム焼成体11を備えている。ハニカム焼成体11は、CZ粒子とアルミナ粒子とを含み、押出成形体の形状を有している。
図2は、クラック存在粒子を含むハニカム焼成体の電子顕微鏡画像である。この画像から明らかなように粒子の一部にクラックが存在している。1つの粒子の中に複数のクラックが存在していてもよい。
ハニカム焼成体の電子顕微鏡画像においてセリア−ジルコニア複合酸化物の10個の粒子のうち3個以上の粒子にクラックが観察されれば、セリア−ジルコニア複合酸化物粒子がクラック存在粒子を含むと判断する。
ハニカム焼成体を製造するための原料としてクラック存在粒子を含むセリア−ジルコニア複合酸化物粒子を用いると、ハニカム焼成体には原料として用いたクラック存在粒子がクラックを有した状態で残存する。
CZ粒子の平均粒子径が1〜50μmであると、セリア−ジルコニア複合酸化物粒子にクラックを形成させやすくなる。
θ相のアルミナ粒子をセリア−ジルコニア複合酸化物の仕切り材として用いることにより、隔壁中の細孔のサイズを大きくすることができるため、ガスが隔壁の内部まで拡散しやすくなる。さらに、アルミナ粒子をθ相とすることにより、排ガス中でのアルミナの相変化を抑制することができるため、耐熱性を高くすることができる。
ハニカム焼成体がα−アルミナ繊維等の無機繊維を含んでいると、ハニカム構造体の機械的特性を改善することができる。
貴金属としては、例えば、白金、パラジウム、ロジウム等の白金族金属が挙げられる。
本明細書において、貴金属の担持量とは、ハニカム構造体の見掛けの体積当たりの貴金属の重量をいう。なお、ハニカム構造体の見掛けの体積は、空隙の体積を含む体積であり、外周コート層及び/又は接着層の体積を含むこととする。
次に、本発明のハニカム構造体の製造方法について説明する。
本発明のハニカム構造体の製造方法は、複数の貫通孔が隔壁を隔てて長手方向に並設されたハニカム焼成体を備えたハニカム構造体の製造方法であって、セリア−ジルコニア複合酸化物粒子に対して700〜1000℃で1〜24時間、還元雰囲気と酸化雰囲気を繰り返す熱処理を行ってセリア−ジルコニア複合酸化物粒子の少なくとも一部の粒子にクラックを形成する熱処理工程と、クラックが形成されたクラック存在粒子を含むセリア−ジルコニア複合酸化物粒子と、アルミナ粒子とを含む原料ペーストを成形することにより、複数の貫通孔が隔壁を隔てて長手方向に並設されたハニカム成形体を作製する成形工程と、上記ハニカム成形体を焼成することにより、ハニカム焼成体を作製する焼成工程と、を含む。
まず、クラック存在粒子を含むセリア−ジルコニア複合酸化物粒子を形成するための熱処理工程を行う。
セリア−ジルコニア複合酸化物粒子は、セリア−ジルコニア複合酸化物は、例えば、セリウム塩(硝酸セリウム等)とジルコニウム塩(オキシ硝酸ジルコニウム等)とを溶解させた水溶液に、アンモニア水を加えて共沈殿を生成させ、得られた沈殿物を乾燥させた後に400〜500℃で5時間程度焼成することにより調製することができる。
調製したセリア−ジルコニア複合酸化物に対して、700〜1000℃で1〜24時間、還元雰囲気と酸化雰囲気を繰り返す熱処理を行うことによってセリア−ジルコニア複合酸化物粒子の少なくとも一部の粒子にクラックを形成することできる。クラックが形成されたセリア−ジルコニア複合酸化物粒子がクラック存在粒子となる。
還元雰囲気とはセリア−ジルコニア複合酸化物粒子から酸素を放出させることができる雰囲気である。例えば、一酸化炭素0.3〜0.7vol%、酸素0vol%、窒素99.3〜99.7vol%の雰囲気であり、さらに具体的な例としては一酸化炭素0.5vol%、酸素0vol%、窒素99.5vol%の雰囲気である。
酸化雰囲気とはセリア−ジルコニア複合酸化物粒子に酸素を吸蔵させることができる雰囲気である。例えば、酸素1〜10vol%、窒素90〜99vol%の雰囲気であり、さらに具体的な例としては酸素5vol%、窒素95vol%の雰囲気である。
成形工程では、まずクラック存在粒子を含むセリア−ジルコニア複合酸化物粒子とアルミナ粒子とを含む原料ペーストを調製する。
造孔剤とは、焼成体を製造する際、焼成体の内部に気孔を導入するために用いられるものをいう。
具体的には、上記原料ペーストを用いて押出成形することにより、ハニカム成形体を作製する。つまり、所定の形状の金型に上記ペーストを通過させることにより、所定の形状の貫通孔を有するハニカム成形体の連続体を形成し、所定の長さにカットすることにより、ハニカム成形体が得られる。
本発明のハニカム構造体の製造方法において、焼成工程では、ハニカム成形体を焼成することにより、ハニカム焼成体を作製する。なお、この工程は、ハニカム成形体の脱脂及び焼成が行われるため、「脱脂・焼成工程」ということもできるが、便宜上「焼成工程」という。
本発明のハニカム構造体の製造方法は、上記ハニカム焼成体に貴金属を担持させる担持工程をさらに含むことが望ましい。
ハニカム焼成体に貴金属を担持する方法としては、例えば、貴金属粒子及び/又は錯体を含む溶液にハニカム焼成体又はハニカム構造体を浸漬した後、引き上げて加熱する方法等が挙げられる。
ハニカム構造体が外周コート層を備える場合、外周コート層を形成する前のハニカム焼成体に貴金属を担持してもよいし、外周コート層を形成した後のハニカム焼成体又はハニカム構造体に貴金属を担持してもよい。また、ハニカム構造体が接着層を備える場合、接着層を形成する前のハニカム焼成体に貴金属を担持してもよいし、接着層を形成した後のハニカム焼成体又はハニカム構造体に貴金属を担持してもよい。
本発明のハニカム構造体の製造方法において、ハニカム焼成体の外周面に外周コート層を形成する場合、外周コート層は、ハニカム焼成体の両端面を除く外周面に外周コート層用ペーストを塗布した後、乾燥固化することにより形成することができる。外周コート層用ペーストとしては、原料ペーストと同じ組成のものが挙げられる。
以下、本発明をより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明は、以下の実施例のみに限定されるものではない。
(実施例1)
CZ粒子(平均粒子径:30μm)を磁性皿に載せ、撹拌しながら800℃で酸化雰囲気(一酸化炭素0vol%、酸素5vol%、窒素95vol%)で1分、還元雰囲気(一酸化炭素0.5vol%、酸素0vol%、窒素99.5vol%)で1分、交互にガス交換しながら10時間加熱する熱処理工程を行った。
CZ粒子(平均粒子径:30μm)を熱処理工程を行わずに使用した他は実施例1と同様にしてハニカム焼成体を作製した。
(1)CZ粒子の観察
上記工程により製造された実施例1及び比較例1のハニカム焼成体の電子顕微鏡画像を観察し、CZ粒子にクラックが生じているかを判定した。その結果、実施例1のハニカム焼成体ではCZ粒子がクラック存在粒子を含んでいたが、比較例1のハニカム焼成体ではCZ粒子がクラック存在粒子を含んでいなかった。
図2に示す電子顕微鏡画像は、実施例1で製造した、クラック存在粒子を含むハニカム焼成体の電子顕微鏡画像である。
上記工程により製造された実施例1及び比較例1のハニカム焼成体を、アルミナ製マットを介して金属ケース内に封入し、ガスバーナーで熱せられた空気と室温の空気とを交互に通気させた。ハニカム焼成体の中心の温度が200℃及び950℃に交互になるように冷却と加熱を100サイクル繰り返すヒートサイクル試験を行った。
その結果、実施例1のハニカム焼成体にはヒートサイクル試験後に破損(ひび割れ)が発生していなかったが、比較例1のハニカム焼成体にはヒートサイクル試験後に破損(ひび割れ)が発生していた。
11 ハニカム焼成体
11a 貫通孔
11b 隔壁
Claims (7)
- 複数の貫通孔が隔壁を隔てて長手方向に並設されたハニカム焼成体を備えたハニカム構造体であって、
前記ハニカム焼成体は、セリア−ジルコニア複合酸化物粒子とアルミナ粒子とを含む押出成形体からなり、
前記セリア−ジルコニア複合酸化物粒子の平均粒子径が1〜50μmであり、
前記セリア−ジルコニア複合酸化物粒子は、クラック存在粒子を含むことを特徴とするハニカム構造体。 - 前記アルミナ粒子は、θ相のアルミナ粒子である請求項1に記載のハニカム構造体。
- 前記ハニカム構造体の直径に対する長さの比(長さ/直径)は、0.5〜0.9である請求項1又は2に記載のハニカム構造体。
- 前記ハニカム構造体の直径は、130mm以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載のハニカム構造体。
- 前記ハニカム焼成体に貴金属が担持されている請求項1〜4のいずれか1項に記載のハニカム構造体。
- 複数の貫通孔が隔壁を隔てて長手方向に並設されたハニカム焼成体を備えたハニカム構造体の製造方法であって、
セリア−ジルコニア複合酸化物粒子に対して700〜1000℃で1〜24時間、還元雰囲気と酸化雰囲気を繰り返す熱処理を行ってセリア−ジルコニア複合酸化物粒子の少なくとも一部の粒子にクラックを形成する熱処理工程と、
クラックが形成されたクラック存在粒子を含むセリア−ジルコニア複合酸化物粒子と、アルミナ粒子とを含む原料ペーストを成形することにより、複数の貫通孔が隔壁を隔てて長手方向に並設されたハニカム成形体を作製する成形工程と、
前記ハニカム成形体を焼成することにより、ハニカム焼成体を作製する焼成工程と、を含むことを特徴とするハニカム構造体の製造方法。 - 前記ハニカム焼成体に貴金属を担持させる担持工程をさらに含む請求項6に記載のハニカム構造体の製造方法。
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