JP7325473B2 - 多孔質ハニカム構造体及びその製造方法 - Google Patents

多孔質ハニカム構造体及びその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP7325473B2
JP7325473B2 JP2021058727A JP2021058727A JP7325473B2 JP 7325473 B2 JP7325473 B2 JP 7325473B2 JP 2021058727 A JP2021058727 A JP 2021058727A JP 2021058727 A JP2021058727 A JP 2021058727A JP 7325473 B2 JP7325473 B2 JP 7325473B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
binder
honeycomb structure
porous
pore
aggregate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2021058727A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2022155296A5 (ja
JP2022155296A (ja
Inventor
平 早川
優 児玉
広昭 野口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Insulators Ltd filed Critical NGK Insulators Ltd
Priority to JP2021058727A priority Critical patent/JP7325473B2/ja
Priority to DE102022000658.8A priority patent/DE102022000658A1/de
Priority to US17/652,138 priority patent/US12162805B2/en
Priority to CN202210174356.1A priority patent/CN115138156B/zh
Publication of JP2022155296A publication Critical patent/JP2022155296A/ja
Publication of JP2022155296A5 publication Critical patent/JP2022155296A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7325473B2 publication Critical patent/JP7325473B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/0006Honeycomb structures
    • C04B38/0009Honeycomb structures characterised by features relating to the cell walls, e.g. wall thickness or distribution of pores in the walls
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D46/00Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/24Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies
    • B01D46/2403Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies characterised by the physical shape or structure of the filtering element
    • B01D46/2418Honeycomb filters
    • B01D46/2425Honeycomb filters characterized by parameters related to the physical properties of the honeycomb structure material
    • B01D46/24491Porosity
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D46/00Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/24Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies
    • B01D46/2403Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies characterised by the physical shape or structure of the filtering element
    • B01D46/2418Honeycomb filters
    • B01D46/2425Honeycomb filters characterized by parameters related to the physical properties of the honeycomb structure material
    • B01D46/2429Honeycomb filters characterized by parameters related to the physical properties of the honeycomb structure material of the honeycomb walls or cells
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D46/00Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/0001Making filtering elements
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D46/00Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/24Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies
    • B01D46/2403Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies characterised by the physical shape or structure of the filtering element
    • B01D46/2418Honeycomb filters
    • B01D46/2425Honeycomb filters characterized by parameters related to the physical properties of the honeycomb structure material
    • B01D46/244Honeycomb filters characterized by parameters related to the physical properties of the honeycomb structure material of the plugs
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D46/00Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/24Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies
    • B01D46/2403Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies characterised by the physical shape or structure of the filtering element
    • B01D46/2418Honeycomb filters
    • B01D46/2425Honeycomb filters characterized by parameters related to the physical properties of the honeycomb structure material
    • B01D46/2448Honeycomb filters characterized by parameters related to the physical properties of the honeycomb structure material of the adhesive layers, i.e. joints between segments
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D46/00Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/24Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies
    • B01D46/2403Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies characterised by the physical shape or structure of the filtering element
    • B01D46/2418Honeycomb filters
    • B01D46/2425Honeycomb filters characterized by parameters related to the physical properties of the honeycomb structure material
    • B01D46/24492Pore diameter
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D46/00Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/24Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies
    • B01D46/2403Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies characterised by the physical shape or structure of the filtering element
    • B01D46/2418Honeycomb filters
    • B01D46/2425Honeycomb filters characterized by parameters related to the physical properties of the honeycomb structure material
    • B01D46/24494Thermal expansion coefficient, heat capacity or thermal conductivity
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/0051Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof characterised by the pore size, pore shape or kind of porosity
    • C04B38/0054Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof characterised by the pore size, pore shape or kind of porosity the pores being microsized or nanosized
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/06Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by burning-out added substances by burning natural expanding materials or by sublimating or melting out added substances
    • C04B38/063Preparing or treating the raw materials individually or as batches
    • C04B38/0635Compounding ingredients
    • C04B38/0645Burnable, meltable, sublimable materials
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2279/00Filters adapted for separating dispersed particles from gases or vapours specially modified for specific uses
    • B01D2279/30Filters adapted for separating dispersed particles from gases or vapours specially modified for specific uses for treatment of exhaust gases from IC Engines
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D46/00Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/24Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies
    • B01D46/2403Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies characterised by the physical shape or structure of the filtering element
    • B01D46/2418Honeycomb filters
    • B01D46/2451Honeycomb filters characterized by the geometrical structure, shape, pattern or configuration or parameters related to the geometry of the structure
    • B01D46/2486Honeycomb filters characterized by the geometrical structure, shape, pattern or configuration or parameters related to the geometry of the structure characterised by the shapes or configurations
    • B01D46/249Quadrangular e.g. square or diamond
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00793Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as filters or diaphragms

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Filtering Materials (AREA)
  • Filtering Of Dispersed Particles In Gases (AREA)
  • Porous Artificial Stone Or Porous Ceramic Products (AREA)

Description

本発明は、多孔質ハニカム構造体及びその製造方法に関する。
ディーゼルエンジン及びガソリンエンジン等の内燃機関や、各種の燃焼装置などから排出される排ガスには、ススなどの粒子状物質(以下、「パティキュレートマター」又は「PM」ともいう)が多量に含まれている。このPMがそのまま大気中に放出されると、環境汚染を引き起こすため、排ガスの排気系には、PMを捕集するための集塵用フィルタ(以下、「パティキュレートフィルタ」ともいう)が搭載されている。例えば、ディーゼルエンジン及びガソリンエンジンから排出される排ガスの浄化に用いられる集塵用フィルタとしては、ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)、ガソリンパティキュレートフィルタ(GPF)などが挙げられる。このようなDPF及びGPFとしては、多孔質隔壁によって区画される複数のセルチャンネルを有する多孔質ハニカム構造体が慣用的に使用されている。
一般的に多孔質ハニカム構造体を用いた集塵用フィルタの捕集効率と圧力損失は反比例の関係にある。捕集効率を高くしようとすると圧力損失が増大し、一方、圧力損失を低くしようとすると捕集効率が悪化する。そこで、低圧力損失でありながら高い捕集効率を得るため、従来、集塵用フィルタの多孔質隔壁の構造について種々の研究開発が行われてきた。
例えば、特許文献1(特許第4954705号公報)には、非酸化物系セラミックスの原料に、平均粒径が5~50μmであり、粒径100μm以上の粒子が10質量%以下の造孔材を添加してなるフィルタ原料から製造され、細孔分布を制御した多孔質ハニカムフィルターであって、細孔径15μm以下の、細孔特性測定で得られる細孔容積(cc/g)に材料の密度(g/cc)を乗じて得た単位体積当たりの細孔容積(絶対値)が0.07cc/cc以下、細孔径40μm以上の、細孔特性測定で得られる細孔容積(cc/g)に材料の密度(g/cc)を乗じて得た単位体積当たりの細孔容積(絶対値)が0.07cc/cc以下である多孔質ハニカムフィルターが記載されている。
また、集塵用フィルタには所定の強度も要求されるが、圧力損失を低くしようとすると集塵用フィルタの強度が低下しやすい。そこで、特許文献2(特開2019-178044号公報)には、骨材及び結合材を含む骨格部と、前記骨格部の間に形成され且つ流体が流通可能な細孔部とを備え、前記細孔部は、細孔径が1~10μmの細孔の細孔容積率が45%以上であり、且つ前記結合材の表面積に対する前記骨材と前記結合材との接触面積の割合が20~60%である、セラミックス多孔体が記載されている。特許文献2には、このセラミックス多孔体は強度が高く、圧力損失の増大を抑制することが可能であることが記載されている。
特許第4954705号公報 特開2019-178044号公報
このように、多孔質ハニカム構造体を用いた集塵用フィルタについて種々の改良がなされてきたが、高強度、高捕集効率及び低圧力損失の三つの課題を同時に克服するという観点からは、未だ改善の余地が残されている。本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、一実施形態において、PMを含有するガスを流したときの圧力損失が低いにもかかわらず、高い強度及び高い捕集効率を実現することが可能な多孔質ハニカム構造体を提供することを課題とする。また、本発明は、別の一実施形態において、そのような多孔質ハニカム構造体の製造方法を提供することを課題とする。
本発明者は上記課題を鋭意検討した結果、以下の知見を得た。
・特許文献1には、捕集効率を向上させるために細孔径40μm以上の細孔容積を減らすことが望ましいと記載されている。しかしながら、細孔径40μm以上の細孔は僅かであっても、捕集性能が有意に低下する。
・特許文献1には、細孔径15μm以下の細孔容積が少ないことが良いと記載されているが、PM捕集に対して細孔径10μm以下の細孔は非常に有効であるためむしろ積極的に存在していることが好ましい。
・特許文献2には、結合材の表面積に対する骨材と結合材との接触面積の割合を60%以下に制御している。特許文献2には、当該構成により細孔同士の連通性が向上すると記載されている。しかしながら、当該接触面積の割合を減らすことは低圧力損失に寄与するものの、高強度化に対しては改善の余地がある。
・結合材の質量割合を増やすと強度が向上する反面、小細孔が潰れてPM捕集性能が低下する。そこで、PM捕集性能に寄与する小細孔を維持するため、接触面積を減らす以外の方策で圧力損失の上昇を抑えることが好ましい。
本発明者は上記知見に基づき更に研究を重ね、以下に例示される本発明を創作した。
[1]
多孔質ハニカム構造体であって、
多孔質ハニカム構造体の内部を通過し、多孔質隔壁によって区画される複数のセルチャンネルを有し、
多孔質隔壁は、骨材及び結合材を含む骨格部と、前記骨格部の間に形成され且つ流体が流通可能な気孔部とを備え、
多孔質隔壁は、水銀圧入法により測定される気孔率が40~48%であり、水銀圧入法により測定される体積基準の気孔径累積分布において、大きい気孔側からの累積50%気孔径(D50)が6~10μm、走査電子顕微鏡で観察される最大気孔径が40μm以下であり、且つ、走査電子顕微鏡で観察される前記結合材の表面積に対する前記骨材と前記結合材との接触面積の割合が61~80%である、
多孔質ハニカム構造体。
[2]
多孔質隔壁は、水銀圧入法により測定される体積基準の気孔径頻度分布において、全気孔容積に対する気孔径が7~9μmの気孔の容積率が40~60%である[1]に記載の多孔質ハニカム構造体。
[3]
ASTM E1530に準拠した定常法熱伝導率測定器で測定される50℃における熱伝導率が、11W/(m・K)以上である[1]又は[2]に記載の多孔質ハニカム構造体。
[4]
[1]~[3]の何れか一項に記載の多孔質ハニカム構造体の製造方法であって、
骨材、結合材、有機造孔材、バインダ及び分散媒を含有する坏土を成形することで得られるハニカム成形体であって、当該ハニカム成形体の内部を通過し、隔壁によって区画される複数のセルチャンネルを有するハニカム成形体を得る工程と、
前記ハニカム成形体を焼成する工程と、
を含み、
有機造孔材は、ハニカム成形体中で骨材及び結合材の合計100質量部に対して5~13質量部含まれ、レーザー回折・散乱法により測定される体積基準の粒度累積分布において、小粒子側からの累積50%粒子径(D50)が4~12μmの範囲であり、粒子径が20μm以上の粒子の占める割合が5体積%以下であり、
骨材は、ハニカム成形体中で骨材及び結合材の合計100質量部に対して75~85質量部含まれ、レーザー回折・散乱法により測定される体積基準の粒度累積分布において、小粒子側からの累積50%粒子径(D50)が15~24μmの範囲であり、粒子径が30μm以上の粒子の占める割合が20体積%以下である、
製造方法。
本発明の一実施形態によれば、PMを含有するガスを流したときの圧力損失が低いにもかかわらず、高い強度及び高い捕集効率を実現することが可能な多孔質ハニカム構造体を提供することができる。この多孔質ハニカム構造体は、高性能が求められる昨今のDPF及びGPF等の集塵フィルタとして好適に利用可能である。
ウォールフロー型の多孔質ハニカム構造体の模式的な底面図(a)及び側面図(b)である。 ウォールフロー型の多孔質ハニカム構造体のセルの延びる方向に平行な断面を観察したときの模式的な断面図である。 最大気孔径、及び、結合材の表面積に対する骨材と結合材との接触面積の割合を測定する際に使用するSEM画像の一例を示す。
以下、本発明の実施形態について具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、改良などを行うことができる。各実施の形態に開示されている複数の構成要素は、適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
<1.多孔質ハニカム構造体>
本発明の一実施形態に係る多孔質ハニカム構造体について説明する。本実施形態に係る多孔質ハニカム構造体は、燃焼装置、典型的には車両に搭載されるエンジンからの排ガスラインに装着されるススを捕集するDPF(Diesel Particulate Filter)及びGPF(Gasoline Particulate Filter)等の集塵フィルタとして使用可能である。本実施形態に係るハニカム構造体は、例えば、排気管内に設置することができる。
本発明の一実施形態に係る多孔質ハニカム構造体は、その内部を通過し、多孔質隔壁によって区画される複数のセルチャンネルを有する。多孔質隔壁は、骨材及び結合材を含む骨格部と、前記骨格部の間に形成され且つ流体が流通可能な気孔部とを備える。PMを含有するガスを流したときに低い圧力損失を達成しつつ、高い強度及び高い捕集効率を実現する上では、多孔質隔壁における気孔率、累積50%気孔径(D50)、最大気孔径、及び結合材の表面積に対する骨材と結合材との接触面積の割合を適切に制御することが肝要である。以下、これらの好適な条件について説明する。
[1-1.気孔率]
多孔質隔壁は、圧力損失の増大を抑制するという観点から、水銀圧入法により測定される気孔率の下限が40%以上であることが好ましく、41%以上であることがより好ましく、42%以上であることが更により好ましく、43%以上であることが最も好ましい。また、多孔質隔壁は、強度を確保するという観点から、水銀圧入法により測定される気孔率の上限が48%以下であることが好ましく、47%以下であることがより好ましく、46%以下であることが更により好ましく、45%以下であることが最も好ましい。従って、多孔質隔壁は、水銀圧入法により測定される気孔率が例えば40~48%であることが好ましく、41~47%であることがより好ましく、42~46%であることが更により好ましい。本明細書において「気孔率」は、JIS R1655:2003に規定される水銀圧入法によって測定される。また、気孔率は、多孔質ハニカム構造体の複数箇所から多孔質隔壁の試料を採取して測定したときの平均値を測定値とする。
[1-2.累積50%気孔径(D50)]
多孔質隔壁は、圧力損失上昇抑制の観点から、水銀圧入法により測定される体積基準の気孔径累積分布における大きい気孔側からの累積50%気孔径(D50)の下限が6μm以上であることが好ましく、6.5μm以上であることがより好ましく、7μm以上であることが更により好ましい。また、多孔質隔壁は、捕集効率を高めるという観点から、水銀圧入法により測定される体積基準の気孔径累積分布における大きい気孔側からの累積50%気孔径(D50)の上限が10μm以下であることが好ましく、9.5μm以下であることがより好ましく、9μm以下であることが更により好ましい。従って、多孔質隔壁は、水銀圧入法により測定される体積基準の気孔径累積分布における大きい気孔側からの累積50%気孔径(D50)が例えば6~10μmであることが好ましく、7.5~9.5μmであることがより好ましく、7~9μmであることが更により好ましい。本明細書において「大きい気孔側からの累積50%気孔径(D50)」は、JIS R1655:2003に規定される水銀圧入法によって測定される体積基準の気孔径累積分布から求められる。また、「大きい気孔側からの累積50%気孔径(D50)」は、多孔質ハニカム構造体の複数箇所から多孔質隔壁の試料を採取して測定したときの平均値を測定値とする。
[1-3.最大気孔径]
多孔質隔壁は、捕集効率を高めるという観点から、走査電子顕微鏡で観察される最大気孔径の上限が40μm以下であることが好ましく、35μm以下であることがより好ましく、30μm以下であることが更により好ましい。多孔質隔壁において、走査電子顕微鏡(SEM)で観察される最大気孔径の下限は特に制限はない。上述した累積50%気孔径(D50)が適切な範囲であれば自ずと最大気孔径も適切な値に落ち着くからである。例示的には、走査電子顕微鏡で観察される最大気孔径の下限は典型的には15μm以上であり、より典型的には20μm以上である。従って、多孔質隔壁は、走査電子顕微鏡で観察される最大気孔径が例えば15~40μmであることが好ましく、20~35μmであることがより好ましい。
本明細書において多孔質隔壁の最大気孔径は以下の手順で測定される。
a)多孔質ハニカム構造体から、セルチャンネルの延びる方向と直交する方向の切断面を有する多孔質隔壁の試験片を切り出す。
b)試験片を当該切断面が露出するように樹脂に埋設した後、この切断面を自動研磨機(全体荷量方式)を使用して表面研磨する。研磨剤としては、粒径9μmのダイヤモンドスラリー、粒径3μmのダイヤモンドスラリー、粒径1μmのダイヤモンドスラリー、粒径0.08μmのコロイダルシリカを順に使用する。研磨剤の粒径は、ISO 13320:2020(粒径解析-レーザ回折法)により測定される体積基準の累積50%粒子径(D50)である。得られた研磨面を走査電子顕微鏡(SEM)を用いて観察する(倍率500倍、一視野の大きさ240μm×300μm)(図3参照)。
c)当該切断面のSEM画像において、気孔部に包含されることのできる最大の内接円を描き、その直径を測定する。当該直径を当該試験片における最大気孔径と定義する。そして、多孔質隔壁全体の最大気孔径は、多孔質ハニカム構造体の3箇所以上から多孔質隔壁の試験片を採取して測定したときの平均値を測定値とする。
なお、最大気孔径を、水銀圧入法で得られる気孔径分布に基づき測定せずに、SEM画像に基づいて測定するのは以下の理由による。水銀圧入法では測定性質上、気孔径が概ね40μm以上の領域は表面の浅くて広い凹みに該当するが、本発明で重要な最大気孔径は、多孔質隔壁内部の気孔である。そのため、SEM画像に基づいて測定する。
[1-4.結合材の表面積に対する骨材と結合材との接触面積の割合]
多孔質隔壁は、強度を確保するという観点から、走査電子顕微鏡で観察される結合材の表面積に対する骨材と結合材との接触面積の割合の下限が61%以上であることが好ましく、63%以上であることがより好ましく、65%以上であることが更により好ましく、68%以上であることが更により好ましい。当該接触面積の割合が高いことで、熱伝導率を高めることができるという効果も得られる。多孔質ハニカム構造体の熱伝導率が高いことで、多孔質ハニカム構造体中に捕集したPMをフィルタ再生のために燃焼除去する際の除去性能を向上させることができる。また、多孔質隔壁は、圧力損失上昇を抑制するという観点から、走査電子顕微鏡で観察される結合材の表面積に対する骨材と結合材との接触面積の割合の上限が80%以下であることが好ましく、77%以下であることがより好ましく、75%以下であることがより好ましく、72%以下であることが更により好ましい。従って、多孔質隔壁は、走査電子顕微鏡で観察される結合材の表面積に対する骨材と結合材との接触面積の割合が例えば、61~80%であることが好ましく、63~77%であることがより好ましく、65~75%であることが更により好ましく、68~72%であることが更により好ましい。
本明細書において多孔質隔壁の前記接触面積は以下の手順で測定される。
a)多孔質ハニカム構造体から、セルチャンネルの延びる方向と直交する方向の切断面を有する多孔質隔壁の試験片を切り出す。
b)試験片を当該切断面が露出するように樹脂に埋設した後、この切断面を自動研磨機(全体荷量方式)を使用して表面研磨する。研磨剤としては、粒径9μmのダイヤモンドスラリー、粒径3μmのダイヤモンドスラリー、粒径1μmのダイヤモンドスラリー、粒径0.08μmのコロイダルシリカを順に使用する。研磨剤の粒径は、ISO 13320:2020(粒径解析-レーザ回折法)により測定される体積基準の累積50%粒子径(D50)である。得られた研磨面をSEM(走査電子顕微鏡)を用いて観察する(倍率500倍、一視野の大きさ240μm×300μm)(図3参照)。
c)SEM観察により得られたSEM画像の画像解析を行う。画像解析は、得られたSEM画像を基にして、骨材と結合材との接触部の曲線、及び結合材の外縁部の曲線の長さをそれぞれ測定し、骨材と結合材との接触部の曲線を「骨材と結合材との接触面積」、結合材の外縁部の曲線の長さを「結合材の表面積」とそれぞれ推定する。空隙と骨材と結合材はSEM画像上で明度に違いがあるため識別可能であり、空隙を除いた後、骨材と結合材を二値化処理し、両者の境界線(接触部)の抽出を行うことで、骨材と結合材との接触部の曲線、及び結合材の外縁部の曲線の長さを測定可能である。必要に応じてXPS等で元素分析してもよい。そして、「骨材と結合材との接触部の曲線の長さ(=骨材と結合材との接触面積)/結合材の外縁部の曲線の長さ(=結合材の表面積)×100(%)」によって、当該試験片における前記接触面積の割合を算出する。そして、多孔質隔壁全体の前記接触面積の割合は、多孔質ハニカム構造体の3箇所以上から多孔質隔壁の試験片を採取して測定したときの平均値を測定値とする。
上述した多孔質隔壁における気孔率、累積50%気孔径(D50)、最大気孔径、及び結合材の表面積に対する骨材と結合材との接触面積の割合は、これらすべてが上述した好適な範囲で組み合わせられることが、PMを含有するガスを流したときに低い圧力損失を達成しつつ、高い強度及び高い捕集効率を実現する上で好ましい。
従って、好ましい一実施形態においては、多孔質隔壁は、水銀圧入法により測定される気孔率が40~48%であり、水銀圧入法により測定される体積基準の気孔径累積分布において、大きい気孔側からの累積50%気孔径(D50)が6~10μm、走査電子顕微鏡で観察される最大気孔径が40μm以下であり、且つ、走査電子顕微鏡で観察される前記結合材の表面積に対する前記骨材と前記結合材との接触面積の割合が61~80%である。
より好ましい一実施形態においては、多孔質隔壁は、水銀圧入法により測定される気孔率が41~47%であり、水銀圧入法により測定される体積基準の気孔径累積分布において、大きい気孔側からの累積50%気孔径(D50)が6.5~9.5μm、走査電子顕微鏡で観察される最大気孔径が35μm以下であり、且つ、走査電子顕微鏡で観察される前記結合材の表面積に対する前記骨材と前記結合材との接触面積の割合が63~77%である。
更により好ましい一実施形態においては、多孔質隔壁は、水銀圧入法により測定される気孔率が42~46%であり、水銀圧入法により測定される体積基準の気孔径累積分布において、大きい気孔側からの累積50%気孔径(D50)が7~9μm、走査電子顕微鏡で観察される最大気孔径が30μm以下であり、且つ、走査電子顕微鏡で観察される前記結合材の表面積に対する前記骨材と前記結合材との接触面積の割合が65~75%である。
骨格部に用いられる骨材としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。その中でも骨材は、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ムライト、酸化チタン又は酸化チタンを含む複合酸化物(例えば、チタン酸アルミニウム)であることが好ましい。このような材料を骨材として用いることは、強度及び耐熱衝撃性に優れた多孔質ハニカム構造体を得るのに有利である。
骨格部に用いられる結合材としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。その中でも結合材は、金属珪素、炭化珪素、酸化アルミニウム及びこれを含む複合酸化物(例えば、コージェライト)から選択される少なくとも1種であることが好ましい。
[1-5.気孔径が7~9μmの気孔の容積率]
上述した気孔率、累積50%気孔径(D50)、最大気孔径、及び結合材の表面積に対する骨材と結合材との接触面積の割合に加えて、多孔質隔壁の水銀圧入法により測定される体積基準の気孔径頻度分布における全気孔容積に対する気孔径が7~9μmの気孔の容積率を所定範囲に制御することが好ましい。具体的には、多孔質隔壁は、捕集効率を高めるという観点から、水銀圧入法により測定される体積基準の気孔径頻度分布における全気孔容積に対する気孔径が7~9μmの気孔の容積率の下限が40%以上であることが好ましく、45%以上であることがより好ましく、50%以上であることが更により好ましい。また、多孔質隔壁は、圧力損失の増大を抑制するという観点から、水銀圧入法により測定される体積基準の気孔径頻度分布における全気孔容積に対する気孔径が7~9μmの気孔の容積率の上限が60%以下であることが好ましく、55%以下であることがより好ましい。
従って、多孔質隔壁は、水銀圧入法により測定される体積基準の気孔径頻度分布において、全気孔容積に対する気孔径が7~9μmの気孔の容積率が例えば40~60%であることが好ましく、45~55%であることがより好ましい。本明細書において「全気孔容積に対する気孔径が7~9μmの気孔の容積率」は、JIS R1655:2003に規定される水銀圧入法によって測定される体積基準の気孔径頻度分布から求められる。また、「全気孔容積に対する気孔径が7~9μmの気孔の容積率」は、多孔質ハニカム構造体の複数箇所から多孔質隔壁の試料を採取して測定したときの平均値を測定値とする。
[1-6.熱伝導率]
先述したように、本発明の一実施形態に係る多孔質ハニカム構造体の多孔質隔壁においては、結合材の表面積に対する骨材と結合材との接触面積の割合が高い。この結果、優れた熱伝導率を示すことが可能となる。例えば、ASTM E1530に準拠した定常法熱伝導率測定器で測定される50℃における熱伝導率が、11W/(m・K)以上であることが好ましく、15W/(m・K)以上であることがより好ましく20W/(m・K)以上であることが更により好ましい。当該熱伝導率は高い方が好ましく、上限は特に設定されないが、一実施形態においては、30W/(m・K)以下であり、典型的には25W/(m・K)以下である。また、熱伝導率は、多孔質ハニカム構造体の複数箇所から多孔質隔壁の試料を採取して測定したときの平均値を測定値とする。
[1-7.具体的な実施態様]
図1及び図2には、ウォールフロー型の自動車用排ガスフィルタ及び/又は触媒担体として適用可能な多孔質ハニカム構造体100の模式的な斜視図及び断面図がそれぞれ例示されている。この多孔質ハニカム構造体100は、外周側壁102と、外周側壁102の内周側に配設され、第一底面104から第二底面106まで流体の流路(セルチャンネル)を形成する複数のセル108a、108bを区画形成する多孔質隔壁112とを備える。外周側壁102の外表面が多孔質ハニカム構造体100の側面103を形成する。
多孔質ハニカム構造体100において、複数のセル108a、108bは、第一底面104から第二底面106まで延び、第一底面104が開口して第二底面106に目封止部109を有する複数の第1セル108aと、外周側壁102の内側に配設され、第一底面104から第二底面106まで延び、第一底面104に目封止部109を有し、第二底面106が開口する複数の第2セル108bに分類することができる。そして、この多孔質ハニカム構造体100においては、第1セル108a及び第2セル108bが多孔質隔壁112を挟んで交互に隣接配置されている。
多孔質ハニカム構造体100の上流側の第一底面104にスス等の粒子状物質を含む排ガスが供給されると、排ガスは第1セル108aに導入されて第1セル108a内を下流に向かって進む。第1セル108aは下流側の第二底面106に目封止部109を有するため、排ガスは第1セル108aと第2セル108bを区画する多孔質隔壁112を透過して第2セル108bに流入する。粒子状物質は多孔質隔壁112を通過できないため、第1セル108a内に捕集され、堆積する。粒子状物質が除去された後、第2セル108bに流入した清浄な排ガスは第2セル108b内を下流に向かって進み、下流側の第二底面106から流出する。なお、ここでは第一底面104を排ガスの上流側とし、第二底面106を排ガスの下流側としたが、第一底面及び第二底面の区別は便宜上のものであり、第二底面106を排ガスの上流側とし、第一底面104を排ガスの下流側としてもよい。
多孔質ハニカム構造体の各底面形状には特に制限はないが、例えば、円形状、長丸形状、楕円形状、オーバル形状、及び複数の異なる円弧成分からなる形状といったラウンド形状、並びに、三角形状、四角形状等の多角形状が挙げられる。ラウンド形状とは単純閉曲線の中でも、外周輪郭が内側へ凹んだ部分のない単純閉凸曲線で構成された形状を指す。
セルの流路方向に垂直な断面におけるセルの形状に制限はないが、四角形、六角形、八角形、又はこれらの組み合わせであることが好ましい。これらのなかでも、正方形及び六角形が好ましい。セル形状をこのようにすることにより、多孔質ハニカム構造体に流体を流したときの圧力損失が小さくなり、ガス浄化性能が優れたものとなる。
多孔質ハニカム構造体の各底面の面積は特に制限はないが、例えば、6200~93000mm2とすることができ、典型的には16200~73000mm2とすることができる。
多孔質ハニカム構造体の高さ(第一底面から第二底面までの長さ)は特に制限はなく、用途や要求性能に応じて適宜設定すればよい。多孔質ハニカム構造体の高さは、例えば100mm~330mmとすることができる。多孔質ハニカム構造体の高さと各底面の最大径(多孔質ハニカム構造体の各底面の重心を通る径のうち、最大長さを指す)の関係についても特に制限はない。従って、多孔質ハニカム構造体の高さが各底面の最大径よりも長くてもよいし、多孔質ハニカム構造体の高さが各底面の最大径よりも短くてもよい。
セル密度(単位断面積当たりのセルの数)についても特に制限はなく、例えば6~2000セル/平方インチ(0.9~311セル/cm2)、更に好ましくは50~1000セル/平方インチ(7.8~155セル/cm2)、特に好ましくは100~600セル/平方インチ(15.5~92.0セル/cm2)とすることができる。ここで、セル密度は、一方の底面におけるセルの数(目封止されたセルも算入する。)を、外周側壁を除く当該底面の面積で割ることにより算出される。
多孔質隔壁の厚みについても特に制限はないが、例えば150μm~310μmとすることが好ましい。多孔質ハニカム構造体の強度及びガス浄化性能を高めるという観点から、隔壁の厚みの下限は、150μm以上であることが好ましく、170μm以上であることがより好ましい。また、圧力損失の増大を抑制するという観点から、隔壁の厚みの上限は、310μm以下であることが好ましく、260μm以下であることがより好ましい。本明細書において、隔壁の厚みは、セルの延びる方向に直交する断面において、隣接するセルの重心同士を線分で結んだときに当該線分が隔壁を横切る長さを指す。
多孔質ハニカム構造体は、一体成形品として提供することも可能である。また、図1及び図2に示すように、多孔質ハニカム構造体100は、それぞれが外周側壁を有する複数の多孔質ハニカム構造体のセグメント110を、接合材117を介して側面同士で接合して一体化し、セグメント接合体として提供することも可能である。多孔質ハニカム構造体をセグメント接合体として提供することにより、耐熱衝撃性を高めることができる。
セグメント接合体は、例えば以下の手順で製造することができる。各柱状ハニカム構造セグメントの両端面に接合材付着防止用フィルムを貼り付けた状態で、接合面(側面)に接合材を塗工する。次に、これらのセグメントを、セグメントの互いの側面同士が対向するように隣接して配置し、隣接するセグメント同士を圧着する。圧着後、セグメント接合体の外周側面、第一底面104及び第二底面106の少なくとも一つの面からはみ出た未乾燥の接合材を掻き取った後、加熱して乾燥する。乾燥後、接合材付着防止用フィルムを剥がす。このようにして、隣接するセグメントの側面同士が接合材によって接合されたセグメント接合体を作製する。
接合材付着防止用フィルムの材料は、特に制限はないが、例えばポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド、又はテフロン(登録商標)等の合成樹脂を好適に使用可能である。また、フィルムは粘着層を備えていることが好ましく、粘着層の材料は、アクリル系樹脂、ゴム系樹脂(例えば、天然ゴム又は合成ゴムを主成分とするゴム)、又はシリコーン系樹脂であることが好ましい。
接合材としては、例えば、セラミックス粉末、分散媒(例えば、水等)、及び必要に応じて、バインダ、解膠剤、発泡樹脂等の添加剤を混合することによって調製したもの(セメント)を用いることができる。セラミックスとしては、コージェライト、ムライト、リン酸ジルコニウム、チタン酸アルミニウム、炭化珪素、珪素-炭化珪素複合材(例:Si結合SiC)、コージェライト-炭化珪素複合材、ジルコニア、スピネル、インディアライト、サフィリン、コランダム、チタニア、窒化珪素等が挙げられ、柱状ハニカム構造セグメントと同材質であることがより好ましい。バインダとしては、ポリビニルアルコールやメチルセルロースなどを挙げることができる。
更に、セグメント接合体は、所望により、外周側面を研削加工して所望の形状(例えば円柱状)に仕上げてもよい。この場合、研削加工後のセグメント接合体の外周側面にコーティング材を塗工し、その後、乾燥及び熱処理することにより外周側壁102を形成することが好ましい。
コーティング材としては、特に限定されず、公知の外周コート材を用いることができる。外周コート材としては、例えば、無機繊維、コロイダルシリカ、粘土、セラミックス粒子等の無機原料に、有機バインダ、発泡樹脂、分散剤等の添加剤と水とを加えて混練し、スラリー状としたものを挙げることができる。また、外周コート材の塗工方法は、特に限定されず、公知の方法を用いることができる。
<2.多孔質ハニカム構造体の製造方法>
本発明の一実施形態に係る多孔質ハニカム構造体は、例えば以下の工程を含む製造方法によって製造可能である。
(1)骨材、結合材、有機造孔材、バインダ及び分散媒を含有する坏土を成形することで得られるハニカム成形体であって、当該ハニカム成形体の内部を通過し、隔壁によって区画される複数のセルチャンネルを有するハニカム成形体を得る工程。
(2)前記ハニカム成形体を焼成する工程。
骨材、結合材、有機造孔材、バインダ及び分散媒を含有する坏土は、これらの成分を含有する原料組成物を混合し、混錬することで作製可能である。原料組成物には、界面活性剤及び焼結助剤等の公知の添加剤を適宜添加してもよい。原料組成物の混合及び混錬方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法によって行うことができる。例えば、原料組成物の混合及び混錬は、ニーダー、真空土練機などを用いて行うことができる。坏土を成形することにより所望のハニカム成形体、典型的には柱状ハニカム成形体を作製する。成形方法としては押出成形が好適に使用可能である。押出成形に際して、所望の全体形状、セル形状、隔壁厚み、セル密度等を有する口金を用いることで、当該ハニカム成形体の内部を通過し、隔壁によって区画される複数のセルチャンネルを有するハニカム構造を構築可能である。
骨材及び結合材の具体例については先述した通りである。
接触面積率を高めること及び累積50%気孔径を小径にすることを両立するという理由から、骨材は、ハニカム成形体中で骨材及び結合材の合計100質量部に対して75~85質量部含まれることが好ましく、76~84質量部含まれることがより好ましく、77~83質量部含まれることが更に好ましい。
また、高い接触面積率、累積50%気孔径の小径化、高気孔率の両立の理由から、骨材は、レーザー回折・散乱法(ISO 13320:2020に準拠)により測定される体積基準の粒度累積分布において、小粒子側からの累積50%粒子径(D50)が15~24μmの範囲であることが好ましく、16~23μmの範囲であることがより好ましく、18~22μmの範囲であることが更により好ましい。
また、最大気孔径低減の理由から、骨材は、レーザー回折・散乱法(ISO 13320:2020に準拠)により測定される体積基準の粒度累積分布において、粒子径が30μm以上の粒子の占める割合が20体積%以下であることが好ましく、15体積%以下であることがより好ましく、10体積%以下であることが更により好ましい。骨材について、粒子径が30μm以上の粒子の占める割合の下限は特に設定されず、0体積%でもよい。
また、ハニカム構造体の成形性確保および焼成での融解を容易にするという理由から、結合材は、レーザー回折・散乱法(ISO 13320:2020に準拠)により測定される体積基準の粒度累積分布において、小粒子側からの累積50%粒子径(D50)が1~9μmの範囲であることが好ましく、2~8μmの範囲であることがより好ましく、3~7μmの範囲であることが更により好ましい。
有機造孔材としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。有機造孔材の例としては、グラファイト、小麦粉、澱粉、フェノール樹脂、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレートなどが挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。
気孔率確保の理由から、有機造孔材は、ハニカム成形体中で骨材及び結合材の合計100質量部に対して5~13質量部含まれることが好ましく、6~12質量部含まれることがより好ましく、7~11質量部含まれることが更に好ましい。
また、小気孔径化の理由から、有機造孔材は、レーザー回折・散乱法(ISO 13320:2020に準拠)により測定される体積基準の粒度累積分布において、小粒子側からの累積50%粒子径(D50)が4~12μmの範囲であることが好ましく、5~11μmの範囲であることがより好ましく、6~10μmの範囲であることが更により好ましい。
また、最大気孔径低減の理由から、有機造孔材は、レーザー回折・散乱法(ISO 13320:2020に準拠)により測定される体積基準の粒度累積分布において、粒子径が20μm以上の粒子の占める割合が5体積%以下であることが好ましく、3体積%以下であることがより好ましく、2体積%以下であることが更により好ましい。有機造孔材について、粒子径が20μm以上の粒子の占める割合の下限は特に設定されず、0体積%でもよい。
バインダとしては、メチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等の有機バインダを例示することができる。バインダの配合量は、特に限定されないが、骨材及び結合材の合計100質量部に対して、一般に4~9質量部とすることができ、典型的には5~8質量部とすることができる。バインダは、1種類を単独で使用するものであっても、2種類以上を組み合わせて使用するものであってもよい。
分散媒としては、水、又は水とアルコール等の有機溶媒との混合溶媒等を挙げることができるが、特に水を好適に用いることができる。分散媒の配合量は、特に限定されないが、骨材及び結合材の合計100質量部に対して、一般に20~50質量部とすることができ、典型的には25~45質量部とすることができる。
ハニカム成形体は、焼成前に乾燥させてもよい。乾燥方法としては、特に限定されず、熱風乾燥、マイクロ波乾燥、誘電乾燥、減圧乾燥、真空乾燥、凍結乾燥などを用いることができる。これらの中でも、誘電乾燥、マイクロ波乾燥又は熱風乾燥を単独又は組み合せて行うことが好ましい。また、乾燥条件としては、特に限定されないが、乾燥温度30~150℃、乾燥時間1分~2時間とすることが好ましい。本明細書において「乾燥温度」とは、乾燥を行う雰囲気の温度のことを意味する。
目封止部を備えた多孔質ハニカム構造体を製造する場合には、ハニカム成形体又は当該成形体を乾燥した乾燥体の所定のセルの開口部を、目封止材によって目封止する。セルの開口部を目封止する方法としては、セルの開口部に目封止材を充填する方法を用いればよい。目封止材を充填する方法としては、従来公知の目封止部を備えたハニカム構造体の製造方法に準じて行うことができる。目封止部を形成するための目封止部形成原料は、従来公知のハニカム構造体の製造方法において用いられる目封止部形成原料を用いることができる。
また、ハニカム成形体は、バインダを除去(脱脂)するために、焼成の前に仮焼してもよい。仮焼は、金属珪素等の結合材が溶融する温度よりも低い温度で行うことが好ましい。具体的には、150~700℃程度の所定の温度で一旦保持してもよく、また、所定温度域で昇温速度を50℃/時間以下に遅くして仮焼してもよい。
仮焼の際、所定の温度で一旦保持する手法については、使用したバインダの種類及び量に応じて、一温度水準のみの保持でも複数温度水準での保持でもよく、更に複数温度水準で保持する場合には、互いに保持時間を同じにしても異ならせてもよい。また、昇温速度を遅くする手法についても同様に、ある一温度区域間のみ遅くしても複数区間で遅くしてもよく、更に複数区間の場合には、互いに速度を同じとしても異ならせてもよい。
仮焼の雰囲気については、酸化雰囲気でもよいが、成形体中にバインダが多く含まれる場合には、仮焼中にバインダが酸素で激しく燃焼して成形体温度が急激に高くなることがあるため、N2、Ar等の不活性雰囲気で行うことによって、成形体の異常昇温を抑制してもよい。この異常昇温の抑制は、熱膨張係数の大きい(熱衝撃に弱い)原料を用いた場合に重要な制御である。例えば、バインダを骨材及び結合材の合計量に対して20質量%以上配合した場合には、不活性雰囲気にて仮焼するのが好ましい。また、骨材が炭化珪素である場合の他、高温での酸化が懸念されるものである場合にも、少なくとも酸化が始まる温度以上では、前記のような不活性雰囲気で仮焼を行うことによって、成形体の酸化を抑制することが好ましい。
仮焼及びそれに続く焼成は、同一若しくは別個の炉にて、別工程として行ってもよく、又は同一炉での連続工程としてもよい。仮焼及び焼成を異なる雰囲気にて実施する場合には前者も好ましい手法であるが、総焼成時間、炉の運転コストなどの見地からは後者の手法も好ましい。
焼成雰囲気については、骨材の種類に応じて決定すればよい。例えば、高温での酸化が懸念される骨材を用いた場合には、少なくとも酸化が始まる温度以上の温度域においては、N2、Ar等の非酸化雰囲気とすることが好ましい。ハニカム成形体の焼成工程は、例えば、結合材の融点以上且つ結合材の融点+50℃以下の温度で1~4時間焼成することにより実施することができる。
多孔質ハニカム構造体を触媒担体として使用する場合には、多孔質隔壁に触媒を担持させることができる。多孔質隔壁に触媒を担持させる方法自体は特に制限はなく、公知の方法を採用すればよいが、例えば、多孔質隔壁に触媒組成物スラリーを接触させた後に、乾燥及び焼成する方法が挙げられる。
触媒組成物スラリーは、その用途に応じて適切な触媒を含有することが望ましい。触媒としては、限定的ではないが、煤、窒素酸化物(NOx)、可溶性有機成分(SOF)、炭化水素(HC)及び一酸化炭素(CO)等の汚染物質を除去するための酸化触媒、還元触媒及び三元触媒が挙げられる。特に、本発明に係る多孔質ハニカム構造体をDPF又はGPFといったフィルタとして用いる場合、排気ガス中の煤及びSOF等のパティキュレート(PM)がフィルタに捕集されるため、パティキュレートの燃焼を補助するような触媒を担持することが好ましい。触媒は、例えば、貴金属(Pt、Pd、Rh等)、アルカリ金属(Li、Na、K、Cs等)、アルカリ土類金属(Ca、Ba、Sr等)、希土類(Ce、Sm、Gd、Nd、Y、Zr、Ca、La、Pr等)、遷移金属(Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sc、Ti、V、Cr等)等を適宜含有することができる。
以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
[実施例1~6、比較例1~8]
(1.多孔質ハニカム構造体の作製)
表1に示す試験番号に応じて、種々の粒度分布をもつ骨材(炭化珪素粉末)を用意した。これらの骨材のレーザー回折・散乱法(ISO 13320:2020に準拠)により測定される体積基準の粒度累積分布における小粒子側からの累積50%粒子径(D50)と、これらの骨材のレーザー回折・散乱法(ISO 13320:2020に準拠)により測定される体積基準の粒度累積分布において、粒子径が30μm以上の粒子の占める割合を、粒度分布測定装置(HORIBA社製:LA-960)を用いて測定した。測定に当たっては、装置のマニュアルに従い、サンプル(10mg~5g)を水溶媒(約180mL)に入れ、波長650nmのレーザー光を約5mWの出力で照射したときの透過率が80~95%となるように、超音波分散動作時間、超音波強度、循環ポンプ速度を調整した。結果を表1に示す。
また、結合材として金属珪素粉末を用意した。結合材のレーザー回折・散乱法(ISO 13320:2020に準拠)により測定される小粒子側からの累積50%粒子径(D50)を、粒度分布測定装置(HORIBA社製:LA-960)を用いて測定したところ、5μmであった。測定に当たっては、先述した光照射条件での透過率が80~95%となるように、超音波分散動作時間、超音波強度、循環ポンプ速度を調整した。すべての試験番号において同じ粒度分布をもつ結合材を使用した。
また、表1に示す試験番号に応じて、種々の粒度分布をもつ有機造孔材(澱粉)を用意した。これらの有機造孔材のレーザー回折・散乱法(ISO 13320:2020に準拠)により測定される体積基準の粒度累積分布における小粒子側からの累積50%粒子径(D50)と、これらの有機造孔材のレーザー回折・散乱法(ISO 13320:2020に準拠)により測定される体積基準の粒度累積分布において、粒子径が20μm以上の粒子の占める割合を、粒度分布測定装置(HORIBA社製:LA-960)を用いて測定した。測定に当たっては、先述した光照射条件での透過率が80~95%となるように、超音波分散動作時間、超音波強度、循環ポンプ速度を調整した。結果を表1に示す。
上記で用意した炭化珪素粉末(骨材)と金属珪素粉末(結合材)の合計100質量部に対して、表1に示す質量部の有機造孔材、メチルセルロース(バインダ)7質量部及び水34質量部を加え、ニーダーで混練し、次に真空土練機で土練して坏土を得た。この際、炭化珪素粉末(骨材)と金属珪素粉末(結合材)の質量割合は、表1に示すように試験番号に応じて変化させた。得られた坏土を、押出成形機にて、四角柱のハニカム成形体を成形した。次に、得られた成形体をマイクロ波乾燥させた後、120℃で熱風乾燥し、所定の寸法となるように両底面を切断してハニカム乾燥体を得た。次に、得られたハニカム乾燥体について、所定のセルの一方の端部と、残余のセルの他方の端部とに目封止部を形成した。なお、所定のセルと残余のセルとは、交互に(互い違いに)並ぶようにして、両端面に、セルの開口部と目封止部とにより市松模様が形成されるようにした。目封止材には、ハニカム成形体と同様の材料を用いた。次に、得られたハニカム乾燥体を大気中、450℃で5時間脱脂した後、Ar雰囲気中、1430℃で2時間焼成して多孔質ハニカム構造体を得た。なお、各試験番号に係る多孔質ハニカム構造体は以下の特性評価に必要な数を作製した。
得られた多孔質ハニカム構造体の仕様は以下である。
全体形状:縦36mm×横約36mm×高さ約152mmの四角柱状(直方体状)
セルの流路方向に垂直な断面におけるセル形状:正方形
セル密度(単位断面積当たりのセルの数):46セル/cm 2
隔壁厚:178μm(口金の仕様に基づく公称値)
(2.接触面積の割合)
上記の製法で得られた各試験番号に係る多孔質ハニカム構造体から、先述した手順に従い、多孔質隔壁の試験片を切り出して、走査電子顕微鏡(SEM)(日立ハイテク社製の型式TM3030Plus)により切断面を観察し、結合材の表面積に対する骨材と結合材との接触面積の割合を測定した。多孔質隔壁全体の当該接触面積の割合は、多孔質ハニカム構造体の5箇所から偏りなく多孔質隔壁の試験片を採取して測定したときの平均値を測定値とした。結果を表2に示す。
(3.累積50%気孔径(D50))
上記の製法で得られた各試験番号に係る多孔質ハニカム構造体の多孔質隔壁について、水銀ポロシメータ(マイクロメリティクス社製オートポアIV9500)を用いて、JIS R1655:2003に規定される水銀圧入法により、体積基準の気孔径累積分布における大きい気孔側からの累積50%気孔径(D50)を測定した。水銀ポロシメータによる測定は、多孔質ハニカム構造体の高さ方向中央部の中心付近と外周付近の2か所から試料(縦×横×高さ=約10mm×約10mm×約15mmの方体)をそれぞれ採取して行い、その平均値を測定値とした。結果を表2に示す。
(4.最大気孔径)
上記の製法で得られた各試験番号に係る多孔質ハニカム構造体の多孔質隔壁について、先述した手順に従い、試験片を切り出して、走査電子顕微鏡(SEM)(日立ハイテク社製の型式TM3030Plus)により切断面を観察し、最大気孔径を測定した。結果を表2に示す。最大気孔は、多孔質ハニカム構造体の5箇所から偏りなく多孔質隔壁の試験片を採取して測定したときの平均値を測定値とした。
(5.気孔率)
上記の製法で得られた各試験番号に係る多孔質ハニカム構造体の多孔質隔壁について、水銀ポロシメータ(マイクロメリティクス社製オートポアIV9500)を用いて、JIS R1655:2003に規定される水銀圧入法により、気孔率を測定した。測定条件は、気孔率は、全気孔容積(mL/g)及びハニカム構造体の真密度(g/mL)を用いて、下記式によって算出した。気孔率=全気孔容積/(全気孔容積+1/ハニカム構造体の真密度)×100(%)とした。ハニカム構造体の真密度は、骨材と結合材の質量割合及びそれぞれの真密度から求めた。水銀ポロシメータによる測定は、多孔質ハニカム構造体の高さ方向中央部の中心付近と外周付近の2か所から試料(縦×横×高さ=約10mm×約10mm×約15mmの方体)をそれぞれ採取して行い、その平均値を測定値とした。結果を表2に示す。
(6.気孔径が7~9μmの気孔の容積率)
上記の製法で得られた各試験番号に係る多孔質ハニカム構造体の多孔質隔壁について、水銀ポロシメータ(マイクロメリティクス社製オートポアIV9500)を用いて、JIS R1655:2003に規定される水銀圧入法により、体積基準の気孔径頻度分布における全気孔容積に対する気孔径が7~9μmの気孔の容積率を測定した。水銀ポロシメータによる測定は、多孔質ハニカム構造体の高さ方向中央部の中心付近と外周付近の2か所から試料(縦×横×高さ=約10mm×約10mm×約15mmの方体)をそれぞれ採取して行い、その平均値を測定値とした。結果を表2に示す。
(7.熱伝導率)
上記の製法で得られた各試験番号に係る多孔質ハニカム構造体の多孔質隔壁について、ASTM E1530に準拠した定常法熱伝導率測定器(アドバンス理工社製型式GH-1S)を用いて、50℃における熱伝導率を測定した。熱伝導率の測定は、多孔質ハニカム構造体の高さ方向中央部の3か所から試料(縦×横×高さ=約36mm×約36mm×約20mmの直方体)をそれぞれ採取して行い、その平均値を測定値とした。結果を表に示す。
(8.スス捕集性能)
上記の製法で得られた各試験番号に係る多孔質ハニカム構造体をそれぞれ16個用意した。これらを接合材を介して側面同士で接合して一体化し、縦4個×横4個の多孔質ハニカム構造体を接合した。次に、外部から圧力を加えることにより、多孔質ハニカム構造体同士を圧着させた後、140℃で2時間乾燥させて接合体を得た。次に、得られた接合体のセルが延びる方向に直交する断面が円形となるように、接合体の外周を切削加工した。次に、その加工面に接合材と同じ組成の外周コーティング材を塗布した後、700℃で2時間乾燥させて外周コート層を形成し、直径144mm×高さ約152mmの円柱状の排ガス浄化装置を得た。
作製した排ガス浄化装置を、2.0L直噴ガソリンエンジン車両のエンジン排気マニホルドの出口側に接続して、排ガス浄化装置の流出口から排出されるガスに含まれる煤の個数を、PN測定方法によって測定した。「PN測定方法」とは、国際連合(略称UN)の欧州経済委員会(略称ECE)における自動車基準調和世界フォーラム(略称WP29)の排出ガスエネルギー専門家会議(略称GRPE)による、粒子測定プログラム(略称PMP)によって提案された測定方法のことである。なお、具体的には、煤の個数判定においては、WLTC(Worldwide harmonized Light duty Test Cycle)モード走行後に排出された煤の個数累計を、判定対象となる排ガス浄化装置の煤の個数とした。測定した煤の個数の値について、以下の評価基準で評価を行った。評価A~Cを合格とする。結果を表3に示す。
評価A:煤の個数が、4.0×1010未満の場合。
評価B:煤の個数が、4.0×1010以上、5.0×1010未満の場合。
評価C:煤の個数が、5.0×1010以上、6.0×1010未満の場合。
評価D:煤の個数が、6.0×1010以上の場合。
(9.圧力損失)
まず、スートジェネレーターにより発生させたススを上記と同様の手順で作製した各試験番号に係る排ガス浄化装置に3g/L堆積させた。その後、ススを堆積させた状態の多排ガス浄化装置に2.3mm3/分の空気を流し、そのときの圧力差(圧力損失)を測定し、スス付き圧力損失とした。測定した圧力損失の値について、以下の評価基準で評価を行った。評価A~Cを合格とする。結果を表3に示す。
評価A:圧力損失が、5.0kPa未満の場合。
評価B:圧力損失が、5.5kPa未満、5.0kPa以上の場合。
評価C:圧力損失が、6.0kPa未満、5.5kPa以上の場合。
評価D:圧力損失が、6.0kPa以上の場合。
(10.ロバスト)
上記と同様の手順で作製した各試験番号に係る排ガス浄化装置にバーナーで加熱した空気を流すことで中心部分と外側部分との間に温度差をつくり、排ガス浄化装置を構成する多孔質ハニカム構造体の耐熱衝撃性を評価する急速加熱試験(バーナースポーリング試験)によってクラック臨界温度(ハニカム構造体の両底面部にクラックが発生しない最高温度)を求めた。試験温度(加熱した空気の温度)は、900℃、1000℃、1100℃として順次行った。そして、試験後のハニカム構造体のクラックの発生状況を観察した。評価基準は、試験温度1100℃でもクラックが発生しない場合を◎とし、試験温度1000℃ではクラックが発生しないが、試験温度1100℃ではクラックが発生した場合を〇とし、試験温度900℃ではクラックが発生しないが、試験温度1000℃ではクラックが発生した場合を△とし、試験温度900℃でクラックが発生した場合を×とした。また、クラック臨界温度は、900℃以上(評価結果が、△、〇及び◎)であれば実用上問題がないため、合格とする。結果を表3に示す。
(11.考察)
表3の結果から分かるように、実施例1~6は、PMを含有するガスを流したときの圧力損失が低い(A評価、B評価又はC評価)にもかかわらず、高い強度(△、〇又は◎)及び高い捕集効率(A評価、B評価又はC評価)を実現できていた。更に、実用的な熱伝導率も有していた。一方、比較例1~8は、スス捕集、圧力損失、及びロバストの何れかの観点で不合格であり、実施例1~6に対して実用性に劣るものであった。
100 :多孔質ハニカム構造体
102 :外周側壁
103 :側面
104 :第一底面
106 :第二底面
108a :第1セル
108b :第2セル
109 :目封止部
112 :多孔質隔壁
117 :接合材

Claims (4)

  1. 多孔質ハニカム構造体であって、
    多孔質ハニカム構造体の内部を通過し、多孔質隔壁によって区画される複数のセルチャンネルを有し、
    多孔質隔壁は、骨材及び結合材を含む骨格部と、前記骨格部の間に形成され且つ流体が流通可能な気孔部とを備え、
    多孔質隔壁は、水銀圧入法により測定される気孔率が40~48%であり、水銀圧入法により測定される体積基準の気孔径累積分布において、大きい気孔側からの累積50%気孔径(D50)が6~10μm、走査電子顕微鏡で観察される最大気孔径が40μm以下であり、且つ、走査電子顕微鏡で観察される前記結合材の表面積に対する前記骨材と前記結合材との接触面積の割合が61~80%である、
    多孔質ハニカム構造体。
  2. 多孔質隔壁は、水銀圧入法により測定される体積基準の気孔径頻度分布において、全気孔容積に対する気孔径が7~9μmの気孔の容積率が40~60%である請求項1に記載の多孔質ハニカム構造体。
  3. ASTM E1530に準拠した定常法熱伝導率測定器で測定される50℃における熱伝導率が、11W/(m・K)以上である請求項1又は2に記載の多孔質ハニカム構造体。
  4. 請求項1~3の何れか一項に記載の多孔質ハニカム構造体の製造方法であって、
    骨材、結合材、有機造孔材、バインダ及び分散媒を含有する坏土を成形することで得られるハニカム成形体であって、当該ハニカム成形体の内部を通過し、隔壁によって区画される複数のセルチャンネルを有するハニカム成形体を得る工程と、
    前記ハニカム成形体を焼成する工程と、
    を含み、
    有機造孔材は、ハニカム成形体中で骨材及び結合材の合計100質量部に対して5~13質量部含まれ、レーザー回折・散乱法により測定される体積基準の粒度累積分布において、小粒子側からの累積50%粒子径(D50)が4~12μmの範囲であり、粒子径が20μm以上の粒子の占める割合が5体積%以下であり、
    骨材は、ハニカム成形体中で骨材及び結合材の合計100質量部に対して75~85質量部含まれ、レーザー回折・散乱法により測定される体積基準の粒度累積分布において、小粒子側からの累積50%粒子径(D50)が15~24μmの範囲であり、粒子径が30μm以上の粒子の占める割合が20体積%以下である、
    製造方法。
JP2021058727A 2021-03-30 2021-03-30 多孔質ハニカム構造体及びその製造方法 Active JP7325473B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021058727A JP7325473B2 (ja) 2021-03-30 2021-03-30 多孔質ハニカム構造体及びその製造方法
DE102022000658.8A DE102022000658A1 (de) 2021-03-30 2022-02-23 Poröse Wabenstruktur und Verfahren zu deren Herstellung
US17/652,138 US12162805B2 (en) 2021-03-30 2022-02-23 Porous honeycomb structure and method for manufacturing same
CN202210174356.1A CN115138156B (zh) 2021-03-30 2022-02-24 多孔质蜂窝结构体及其制造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021058727A JP7325473B2 (ja) 2021-03-30 2021-03-30 多孔質ハニカム構造体及びその製造方法

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2022155296A JP2022155296A (ja) 2022-10-13
JP2022155296A5 JP2022155296A5 (ja) 2022-12-01
JP7325473B2 true JP7325473B2 (ja) 2023-08-14

Family

ID=83282614

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021058727A Active JP7325473B2 (ja) 2021-03-30 2021-03-30 多孔質ハニカム構造体及びその製造方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US12162805B2 (ja)
JP (1) JP7325473B2 (ja)
CN (1) CN115138156B (ja)
DE (1) DE102022000658A1 (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004046063A1 (ja) 2002-11-20 2004-06-03 Ngk Insulators, Ltd. 炭化珪素質多孔体及びその製造方法、並びにハニカム構造体
WO2010074161A1 (ja) 2008-12-25 2010-07-01 京セラ株式会社 ハニカム構造体およびこれを用いたフィルタならびに排気ガス処理装置
JP2018199609A (ja) 2016-10-24 2018-12-20 日本碍子株式会社 多孔質材料、ハニカム構造体、及び多孔質材料の製造方法
JP2019178045A (ja) 2018-03-30 2019-10-17 日本碍子株式会社 セラミックス多孔体及び集塵用フィルタ
JP2019178044A (ja) 2018-03-30 2019-10-17 日本碍子株式会社 セラミックス多孔体及びその製造方法、並びに集塵用フィルタ

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1790407B1 (en) 2004-09-14 2018-02-28 NGK Insulators, Ltd. Porous honeycomb filter
CN102762273B (zh) 2010-02-22 2016-06-15 日立金属株式会社 陶瓷蜂窝结构体及其制造方法
JP5808619B2 (ja) * 2011-09-06 2015-11-10 日本碍子株式会社 ハニカム構造体、及びハニカム触媒体
DE102014000756B4 (de) * 2013-01-23 2022-07-28 Ngk Insulators, Ltd. Katalysatorwabenkörper
CN105008050B (zh) * 2013-04-02 2017-07-28 日立金属株式会社 陶瓷蜂窝结构体及其制造方法
JP6996914B2 (ja) 2016-10-24 2022-01-17 日本碍子株式会社 多孔質材料、ハニカム構造体、及び多孔質材料の製造方法
JP7289813B2 (ja) * 2019-03-28 2023-06-12 日本碍子株式会社 セラミックス多孔体及びその製造方法、並びに集塵用フィルタ
JP7137872B2 (ja) 2021-01-12 2022-09-15 株式会社大一商会 遊技機

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004046063A1 (ja) 2002-11-20 2004-06-03 Ngk Insulators, Ltd. 炭化珪素質多孔体及びその製造方法、並びにハニカム構造体
WO2010074161A1 (ja) 2008-12-25 2010-07-01 京セラ株式会社 ハニカム構造体およびこれを用いたフィルタならびに排気ガス処理装置
JP2018199609A (ja) 2016-10-24 2018-12-20 日本碍子株式会社 多孔質材料、ハニカム構造体、及び多孔質材料の製造方法
JP2019178045A (ja) 2018-03-30 2019-10-17 日本碍子株式会社 セラミックス多孔体及び集塵用フィルタ
JP2019178044A (ja) 2018-03-30 2019-10-17 日本碍子株式会社 セラミックス多孔体及びその製造方法、並びに集塵用フィルタ

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022000658A1 (de) 2022-10-06
CN115138156B (zh) 2024-03-12
US20220315496A1 (en) 2022-10-06
CN115138156A (zh) 2022-10-04
US12162805B2 (en) 2024-12-10
JP2022155296A (ja) 2022-10-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100882767B1 (ko) 허니컴 구조체 및 그 제조 방법
JP5649945B2 (ja) 表面捕集層付き担体及び触媒担持表面捕集層付き担体
KR100680078B1 (ko) 벌집형 구조체
JP5764120B2 (ja) ハニカムフィルタ
JP5270879B2 (ja) ハニカム構造体
JP5864329B2 (ja) ハニカム構造体
EP2108439A1 (en) Catalytic diesel particulate filter and manufacturing method thereof
JP2010221155A (ja) ハニカム構造体の製造方法及びハニカム触媒体の製造方法
JP4495152B2 (ja) ハニカム構造体及びその製造方法
JP4991778B2 (ja) ハニカム構造体
JP7289813B2 (ja) セラミックス多孔体及びその製造方法、並びに集塵用フィルタ
JP7217722B2 (ja) 柱状ハニカム構造体及びその製造方法
JP2019178044A (ja) セラミックス多孔体及びその製造方法、並びに集塵用フィルタ
JP7325473B2 (ja) 多孔質ハニカム構造体及びその製造方法
JP7569756B2 (ja) ハニカムフィルタ
JP6483468B2 (ja) ハニカム構造体
JP2022128501A (ja) セラミックス多孔体及びその製造方法、並びに集塵用フィルタ
JP2010207708A (ja) ハニカム構造体
CN224032665U (zh) 蜂窝结构体
CN118724607B (zh) 蜂窝结构体的制造方法以及蜂窝结构体
US20250304504A1 (en) Honeycomb structure, forming raw material composition, and method for producing porous body
US20250281866A1 (en) Honeycomb structure
JP7777025B2 (ja) ハニカムフィルタ
JP2019178045A (ja) セラミックス多孔体及び集塵用フィルタ
JP2025128908A (ja) ハニカム構造体

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20221018

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20221122

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230620

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20230711

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230801

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7325473

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150