JP7412510B2 - セラミックフィルタ - Google Patents
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Description
本明細書では、セラミックフィルタ及びその製造方法を開示する。
従来、セラミックフィルタとしては、基材の端面に形成されたシール層を備え、シール層を気孔率が１０％以下かつシール層の結晶質量が８０％以上の緻密質セラミックスで構成したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このセラミックフィルタでは、基材端部に施されるシール箇所の、耐食性および強度の向上を図ることができる。
しかしながら、この特許文献１に記載されたセラミックフィルタでは、シール層を気孔率１０％以下かつシール層の結晶質量８０％以上の緻密質セラミックスとすることにより耐食性および強度の向上を図ることができるが、まだ十分でなく、更に耐久性を高めることが望まれていた。
本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、基材の端部に形成されるシール層の耐久性をより高めることができるセラミックフィルタ及びその製造方法を提供することを主目的とする。
上述した主目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、基材及びろ過膜に含まれる材料によりシール材を構成し、更に水銀圧入法で測定される最大細孔径をより好適な範囲とすると、シール層の耐久性をより向上することができることを見いだし、本明細書で開示する発明を完成するに至った。
即ち、本明細書で開示するセラミックフィルタは、
セラミック多孔体により形成された基材と、
前記基材の表面に形成されたろ過膜と、
前記基材及び前記ろ過膜に含まれる材料により構成され水銀圧入法で測定される最大細孔径が１．０μｍ以下であり前記基材の端部に形成されたシール層と、
を備えたものである。
セラミック多孔体により形成された基材と、
前記基材の表面に形成されたろ過膜と、
前記基材及び前記ろ過膜に含まれる材料により構成され水銀圧入法で測定される最大細孔径が１．０μｍ以下であり前記基材の端部に形成されたシール層と、
を備えたものである。
また、本明細書で開示するセラミックフィルタの製造方法は、
セラミック多孔体により形成された基材と、前記基材の表面に形成されたろ過膜とを備えたセラミックフィルタの製造方法であって、
前記基材の材料及び前記ろ過膜の材料を含む原料をスプレーによる噴射で前記基材の端部に形成させたのち焼成するシール層形成工程、
を含むものである。
セラミック多孔体により形成された基材と、前記基材の表面に形成されたろ過膜とを備えたセラミックフィルタの製造方法であって、
前記基材の材料及び前記ろ過膜の材料を含む原料をスプレーによる噴射で前記基材の端部に形成させたのち焼成するシール層形成工程、
を含むものである。
本明細書で開示するセラミックフィルタ及びその製造方法では、基材の端部に形成されるシール層の耐久性をより高めることができる。この理由は、以下のように推察される。例えば、酸やアルカリなどの溶液をセラミックフィルタに用いると、この溶液が基材やろ過膜とシール層との間の界面に影響を与え、シール層が機能しない状態になり得る。一方、本開示では、基材及びろ過膜の材料によりシール層が構成されるから、耐食性などがこれらと同等であり、界面への影響をより低減することができる。また、シール層の最大細孔径がより小さいため、酸やアルカリなどの溶液が界面に到達すること自体をより抑制することができる。したがって、本開示では、基材の端部に形成されるシール層の耐久性をより高めることができる。
次に、本開示を実施するための形態を図面を用いて説明する。図１は、本明細書で開示する一実施形態であるセラミックフィルタ１０の構成の概略を示す説明図である。本実施形態のセラミックフィルタ１０は、溶液に含まれる固形物をろ過するフィルターとして構成されている。このセラミックフィルタ１０は、多孔質基材１３と、ろ過膜１５と、シール層２０とを備えている。
（セラミックフィルタ）
セラミックフィルタ１０は、図１に示すように、セラミック多孔体からなる隔壁により流体の流路となるセル１６が形成された多孔質基材１３と、隔壁の表面に形成されたろ過膜１５と、多孔質基材１３の端部に形成されたシール層２０とを備えたものである。このセラミックフィルタ１０は、例えば、純水の製造や飲料の菌体分離などに用いられる。また、セラミックフィルタ１０は、酸溶液やアルカリ溶液などにより洗浄される。ここで、「基材の端部」とは、少なくとも基材の端面を含み、必要に応じて、その近傍の基材の側面を含めた箇所を意味する。
セラミックフィルタ１０は、図１に示すように、セラミック多孔体からなる隔壁により流体の流路となるセル１６が形成された多孔質基材１３と、隔壁の表面に形成されたろ過膜１５と、多孔質基材１３の端部に形成されたシール層２０とを備えたものである。このセラミックフィルタ１０は、例えば、純水の製造や飲料の菌体分離などに用いられる。また、セラミックフィルタ１０は、酸溶液やアルカリ溶液などにより洗浄される。ここで、「基材の端部」とは、少なくとも基材の端面を含み、必要に応じて、その近傍の基材の側面を含めた箇所を意味する。
多孔質基材１３は、１～３０μｍの平均細孔径を有する多孔体であり、その好ましい形状は、単一の流通路を有するチューブ状、並行する多数の流通路を有するハニカム状又はモノリス状である。この多孔質基材１３は、１２００～２０００℃の焼成温度で焼成されたものとしてもよく、最高温度での焼成時間は好ましくは１～２時間である。多孔質基材１３は、支持体１１と、支持体１１の表面側に形成された中間膜１２とにより構成されているものとしてもよい。支持体１１は、少なくとも骨材が焼結されることにより形成されている。骨材は多孔質基材１３の主成分を構成するセラミック粒子であり、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化チタン（チタニア）、ムライト、コージェライト、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、陶磁器屑等の粒子が好ましく、ろ過の目的に適合するように適宜選択される。骨材の平均粒径は好ましくは５～２００μｍ程度、より好ましくは５０～１５０μｍである。中間膜１２は、支持体１１より細孔径が小さい層であり、支持体の骨材よりも小さい平均粒径を有する粒子で形成されているものとしてもよい。この粒子の平均粒径は、好ましくは１～１００μｍ程度、より好ましくは１～１０μｍである。この中間膜の材料は、例えば、酸化アルミニウムや酸化チタンのうち１以上を含むものとしてもよい。なお、「基材の平均細孔径」は、水銀圧入法により測定したものをいう。また、「平均粒径」は、レーザ回折式粒度測定装置により測定したものをいう。
ろ過膜１５はセラミックフィルタのろ過機能を確保するための部材であって、多孔質基材１３上に形成されるセラミックの多孔体であり、多孔質基材１３の平均細孔径よりも小さい平均細孔径を有する。ろ過膜１５は、セラミック粒子を含む材料が多孔質基材１３上に形成されて焼成されたものとしてもよい。このろ過膜１５は、９００～１６００℃の焼成温度で焼成されたものとしてもよく、最高温度での焼成時間は好ましくは１時間である。ろ過膜１５を形成するセラミック粒子は、上述の骨材と同様の材料を使用することができるが、好ましい平均粒径は０．１～５μｍ程度、より好ましくは０．１～２μｍである。より小さい粒子径を選択することにより、焼成後の細孔径が小さくなるため、粒子径はろ過の目的に応じて適切な細孔径となるよう適宜選択される。なお、「ろ過膜の平均細孔径」は、水銀圧入法により測定したものをいう。
シール層２０は、多孔質基材１３の端部を被覆するように形成された液透過性の低いシール材である。このシール層２０は、被処理流体が基材端面から基材内部に浸入することを防止する。シール層２０は、多孔質基材１３の両端部近傍のろ過膜１５の一部を被覆するように形成してもよい。シール層２０は、酸化アルミニウムや酸化チタンなど、ガラスよりも耐食性に優れた材質で形成することが好ましく、基材及びろ過膜に含まれる材料により構成されている。このシール層２０は、中間膜１２の材料Ａに対するろ過膜１５の材料Ｂの比であるＢ／Ａが質量比で２０／８０～４０／６０の範囲で含む材料により構成されているものとしてもよい。この比率が２０／８０以上ではシール層２０の緻密性をより高めて不透性をより向上することができ、４０／６０以下では焼成収縮などによるクラックの発生をより抑制することができ好ましい。この比率は、２５／７５～３５／６５の範囲がより好ましく、３０／７０の近傍が更に好ましい。また、シール層２０は、Ａｌ及びＴｉに対するＴｉのモル割合が０．２≦Ｔｉ／（Ａｌ＋Ｔｉ）≦０．７の範囲で構成されていることが好ましい。この範囲では、シール層２０の耐食性が優れ、且つ機械的強度をより高めることができる。このモル割合は、０．４≦Ｔｉ／（Ａｌ＋Ｔｉ）≦０．６の範囲であることがより好ましい。
このシール層２０は、水銀圧入法で測定される最大細孔径が１．０μｍ以下である。一般に、酸やアルカリなどの処理液をセラミックフィルタに用いると、この処理液が基材とシール層との間の界面に影響を与え、シール層が機能しない状態になり得る。このシール層２０では、最大細孔径が１．０μｍ以下であるため、シール層２０と多孔質基材１３との界面に処理液などが到達すること自体をより抑制することができ、シール層２０の耐久性をより高めることができる。この最大細孔径は、より小さいことが好ましく、０．８５μｍ以下であることがより好ましい。
このシール層２０は、端面を封止してセラミックフィルタ１０へ加圧空気を供給した際にシール層２０から気泡が生じる発泡圧が０．３ＭＰａ以上であることが好ましい。この発泡圧は、シール層２０の不透性の指標とすることができる。図２は、発泡圧を測定する発泡圧測定装置３０の概略を示す説明図である。発泡圧測定装置３０は、セラミックフィルタ１０に装着されるエア供給部材３１と、封止部材３２と、液体を充填した図示しない恒温槽とを備えている。シール層２０の発泡圧測定は、ＪＩＳ－Ｋ３８３２に記載のバブルポイント法試験に準拠して、以下のように測定する。まず、セル１６の出口側に封止部材３２を配設することによりセル１６の一方を目封じした状態とし、配管が接続されたエア供給部材３１をセル１６の入り口側に固定する。この状態のサンプルを３０℃の水中に浸漬させ、エア供給部材３１から配管を介して加圧したエアをセル１６内に供給し、３０秒圧力保持させ、シール層２０で生じる気泡の有無を確認する。圧力を増加させて加圧、保持、気泡の有無の確認を繰り返し、気泡が確認された圧力を発泡圧として記録する。この発泡圧は、より高い方が好ましく、０．３２ＭＰａ以上であることがより好ましく、０．３５ＭＰａ以上であることが更に好ましい。作成の困難性などを考慮するとこのシール層２０の発泡圧は、１．０ＭＰａ以下であることが好ましい。
このシール層２０は、厚さが１５０μｍ以上５００μｍ以下の範囲で形成されているものとしてもよい。厚さがこの範囲であれば、シール層２０の不透性や機械的強度を十分確保することができる。また、このシール層２０は、表面粗さＲａ（算術平均粗さ）が１．５μｍ以下であることが好ましく、１．２μｍ以下であることがより好ましい。シール層２０の表面粗さが１．５μｍ以下では、例えば、セラミックフィルタをＯ－リングを介してハウジング内に収納して使用する際に、Ｏ－リングとの間で密閉性を高めやすく好ましい。この表面粗さＲａは、より小さい方が好ましい。この表面粗さＲａは、ＪＩＳ－Ｂ０６０１に規定されている方法に準じて測定するものとする。また、シール層２０の強度は、ビッカース硬度が３００ＧＰａ以上であることが好ましい。ビッカース硬度が３００ＧＰａ以上では、セラミックフィルタ１０の使用時に物理的な衝撃に対して耐久性が良好である。このシール層２０のビッカース硬度は４００ＧＰａ以上がより好ましい。また、このシール層２０のビッカース硬度は、製造条件の制約上、１５００ＧＰａ以下であることが好ましい。このビッカース硬度は、ＪＩＳ－Ｒ１６１０に従って加重９．８ＮでのＨｖ値（ＧＰａ）として求めるものとする。
（セラミックフィルタの製造方法）
次に、セラミックフィルタ１０の製造方法について説明する。この製造方法は、セラミック多孔体により形成された多孔質基材と、多孔質基材の表面に形成されたろ過膜とを備えたセラミックフィルタの製造方法である。この製造方法は、多孔質基材の材料及びろ過膜の材料を含む原料をスプレーによる噴射で多孔質基材の端部に形成させたのち焼成するシール層形成工程を含む。なお、この製造方法では、多孔質基材を作製する多孔質基材作製工程を含むものとしてもよいが、上述した多孔質基材を用意することにより、この工程を省略してもよい。
次に、セラミックフィルタ１０の製造方法について説明する。この製造方法は、セラミック多孔体により形成された多孔質基材と、多孔質基材の表面に形成されたろ過膜とを備えたセラミックフィルタの製造方法である。この製造方法は、多孔質基材の材料及びろ過膜の材料を含む原料をスプレーによる噴射で多孔質基材の端部に形成させたのち焼成するシール層形成工程を含む。なお、この製造方法では、多孔質基材を作製する多孔質基材作製工程を含むものとしてもよいが、上述した多孔質基材を用意することにより、この工程を省略してもよい。
（シール層形成工程）
この工程では、多孔質基材の端部にシール層を形成する。この工程で用いる原料は、酸化アルミニウムや酸化チタンのうち１以上を含むものとしてもよい。また、シール層の原料は、上述したセラミックフィルタで説明した材料を適宜用いることができる。例えば、この工程では、中間膜の材料Ａに対するろ過膜の材料ＢであるＢ／Ａが質量比で２０／８０～４０／６０の範囲で含む原料を用いるものとしてもよい。また、このＢ／Ａは、２５／７５～３５／６５の範囲がより好ましく、３０／７０の近傍が更に好ましい。また、この工程では、Ａｌ及びＴｉに対するＴｉのモル割合が０．２≦Ｔｉ／（Ａｌ＋Ｔｉ）≦０．７の範囲で構成されているシール層の原料を用いることが好ましい。このモル割合は、０．４≦Ｔｉ／（Ａｌ＋Ｔｉ）≦０．６の範囲であることがより好ましい。
この工程では、多孔質基材の端部にシール層を形成する。この工程で用いる原料は、酸化アルミニウムや酸化チタンのうち１以上を含むものとしてもよい。また、シール層の原料は、上述したセラミックフィルタで説明した材料を適宜用いることができる。例えば、この工程では、中間膜の材料Ａに対するろ過膜の材料ＢであるＢ／Ａが質量比で２０／８０～４０／６０の範囲で含む原料を用いるものとしてもよい。また、このＢ／Ａは、２５／７５～３５／６５の範囲がより好ましく、３０／７０の近傍が更に好ましい。また、この工程では、Ａｌ及びＴｉに対するＴｉのモル割合が０．２≦Ｔｉ／（Ａｌ＋Ｔｉ）≦０．７の範囲で構成されているシール層の原料を用いることが好ましい。このモル割合は、０．４≦Ｔｉ／（Ａｌ＋Ｔｉ）≦０．６の範囲であることがより好ましい。
また、この工程では、原料をスプレーによる噴射で多孔質基材の端部に形成させる。スプレー噴射によれば、付着性が良好であり、原料を多孔質基材の表面上に十分形成することができる。また、スプレー噴射による原料形成によれば、層状になったり気泡の混入などをより抑制できる。このため、スプレー噴射によれば、シール層の最大細孔径を１．０μｍ以下にしやすい。この工程において、原料はスラリー状で噴射するが、溶媒は水、有機溶媒などが挙げられ、このうち水が好ましい。原料スラリーの固液比は、スプレーを行う装置の規模にも依存するが、例えば、４０質量％～６０質量％の範囲とすることができる。原料の形成厚さは、例えば、２５０μｍ以上６００μｍ以下の範囲であるものとしてもよい。また、この工程では、原料を形成したのち、１０００℃以上１４００℃以下の範囲で焼成することが好ましい。焼成温度は、原料のＡｌ及びＴｉの配合比に応じて適宜調製すればよい。焼成雰囲気は、特に限定されないが、大気中や不活性雰囲気などが挙げられ、このうち大気中とすることが好ましい。なお、このシール層の形成は、ろ過膜の形成後に行ってもよいし、ろ過膜の形成前に行ってもよい。その他、第１のろ過膜を形成後、シール層を形成し、その後、更に、第２のろ過膜を形成するものとしてもよい。
なお、セラミックフィルタに要求される分離性能に応じて、セラミックフィルタを、Ｏ－リングを介してハウジング内に収納して使用される際にＯ－リングと接触する箇所に、研削加工を施すものとしてもよい。
以上説明したセラミックフィルタ１０及びその製造方法によれば、多孔質基材の端部に形成されるシール層の耐久性をより高めることができる。この理由は、以下のように推察される。例えば、多孔質基材及びろ過膜の材料によりシール層が構成されるから、耐食性などがこれらと同等であり、シール層と多孔質基材との界面への影響をより低減することができる。また、シール層の最大細孔径がより小さいため、酸やアルカリなどの溶液が界面に到達すること自体をより抑制することができる。したがって、このセラミックフィルタでは、多孔質基材の端部に形成されるシール層の耐久性をより高めることができる。
なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
以下には、セラミックフィルタを具体的に製造した例を実験例として説明する。なお、実験例２～４が実施例に相当し、実験例１、５～７、９が比較例に相当し、実験例８が参考例に相当する。
（セラミックフィルタの製造）
長手方向に沿って直径２．９ｍｍの貫通直線孔（セル）を３７個有する直径３０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの多孔質アルミナ質の円柱のモノリス形状である支持体を押出成形および還元雰囲気で焼成し、作製した。支持体の材料は、平均粒径８０μｍのアルミナ粉末を使用した。なお、平均粒径は、レーザ回折式粒度測定装置を用いて測定した。次に、アルミナ及びチタニアを含む平均粒径４μｍの中間膜を貫通孔内部に成膜、焼成により形成して、多孔質基材を得た。この多孔質基材の貫通孔内に平均粒径０．４μｍの微粒アルミナをスラリーとして供給し、乾燥後に大気中１３５０℃で焼成し、ろ過膜とした。このろ過膜を形成したモノリス形状基材の両端部に、中間膜の材料とろ過膜の材料とを混合した原料を用いてシール層を形成した。シール層の形成は、原料をスラリー状としスプレーにより基材の端部に噴射して原料層を形成したのち、大気中１３５０℃で焼成した。
長手方向に沿って直径２．９ｍｍの貫通直線孔（セル）を３７個有する直径３０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの多孔質アルミナ質の円柱のモノリス形状である支持体を押出成形および還元雰囲気で焼成し、作製した。支持体の材料は、平均粒径８０μｍのアルミナ粉末を使用した。なお、平均粒径は、レーザ回折式粒度測定装置を用いて測定した。次に、アルミナ及びチタニアを含む平均粒径４μｍの中間膜を貫通孔内部に成膜、焼成により形成して、多孔質基材を得た。この多孔質基材の貫通孔内に平均粒径０．４μｍの微粒アルミナをスラリーとして供給し、乾燥後に大気中１３５０℃で焼成し、ろ過膜とした。このろ過膜を形成したモノリス形状基材の両端部に、中間膜の材料とろ過膜の材料とを混合した原料を用いてシール層を形成した。シール層の形成は、原料をスラリー状としスプレーにより基材の端部に噴射して原料層を形成したのち、大気中１３５０℃で焼成した。
（実験例１～５）
上述したセラミックフィルタの製造方法において、中間膜の材料Ａに対するろ過膜の材料Ｂの比Ｂ／Ａが質量比で１０／９０である原料を用いたものを実験例１とした。この原料のＡｌ及びＴｉに対するＴｉのモル割合Ｔｉ／（Ａｌ＋Ｔｉ）は、０．２であった。また、Ｂ／Ａを２０／８０、３０／７０、４０／６０、５０／５０としたものをそれぞれ実験例２～５とした。これらのモル割合は、それぞれ、０．４、０．５、０．６、０．７であった。ここで形成したシール層は、厚さが２５０μｍであった。このシール層の厚さは、以下の方法により計測した。まず、シール層塗布前の支持体の径方向においてＸ、Ｙの２箇所をノギスにて測定し、平均値を径寸法とした。次に、シール層塗布後においても同様に、径方向においてＸ、Ｙの２箇所をノギスにて測定し、シール塗布前後の寸法差からシール層厚さを求めた。
上述したセラミックフィルタの製造方法において、中間膜の材料Ａに対するろ過膜の材料Ｂの比Ｂ／Ａが質量比で１０／９０である原料を用いたものを実験例１とした。この原料のＡｌ及びＴｉに対するＴｉのモル割合Ｔｉ／（Ａｌ＋Ｔｉ）は、０．２であった。また、Ｂ／Ａを２０／８０、３０／７０、４０／６０、５０／５０としたものをそれぞれ実験例２～５とした。これらのモル割合は、それぞれ、０．４、０．５、０．６、０．７であった。ここで形成したシール層は、厚さが２５０μｍであった。このシール層の厚さは、以下の方法により計測した。まず、シール層塗布前の支持体の径方向においてＸ、Ｙの２箇所をノギスにて測定し、平均値を径寸法とした。次に、シール層塗布後においても同様に、径方向においてＸ、Ｙの２箇所をノギスにて測定し、シール塗布前後の寸法差からシール層厚さを求めた。
（実験例６）
上述した原料スラリーを用い、スタンプ５回及び筆塗り３回行うことにより原料を多孔質基材に塗布した以外は実験例３と同様の工程により作製したものを実験例６のセラミックフィルタとした。ここで形成したシール層は、厚さが３００μｍであった。
上述した原料スラリーを用い、スタンプ５回及び筆塗り３回行うことにより原料を多孔質基材に塗布した以外は実験例３と同様の工程により作製したものを実験例６のセラミックフィルタとした。ここで形成したシール層は、厚さが３００μｍであった。
（実験例７）
上述した原料スラリーを用い、多孔質基材の端面をこのスラリーに３回浸漬させることにより原料を基材に形成した以外は実験例３と同様の工程により作製したものを実験例７のセラミックフィルタとした。ここで形成したシール層は、厚さが３００μｍであった。
上述した原料スラリーを用い、多孔質基材の端面をこのスラリーに３回浸漬させることにより原料を基材に形成した以外は実験例３と同様の工程により作製したものを実験例７のセラミックフィルタとした。ここで形成したシール層は、厚さが３００μｍであった。
（実験例８）
シール層を溶射法により形成させた以外は、実験例３と同様の工程を経て得られたものを実験例８のセラミックフィルタとした。溶射法では、セラミックの微粉末を加熱して溶融状態とし、対象物の表面に吹き付けることにより溶射被膜を形成する。ここで形成したシール層は、厚さが３００μｍであった。
シール層を溶射法により形成させた以外は、実験例３と同様の工程を経て得られたものを実験例８のセラミックフィルタとした。溶射法では、セラミックの微粉末を加熱して溶融状態とし、対象物の表面に吹き付けることにより溶射被膜を形成する。ここで形成したシール層は、厚さが３００μｍであった。
（実験例９）
シール層の原料を平均粒径１０μｍ、ＳｉＯ2系のアルカリガラスとし、原料を基材に塗布したのち９５０℃で焼成した以外は実験例６と同様の工程により作製したものを実験例９のセラミックフィルタとした。ここで形成したシール層は、厚さが３００μｍであった。
シール層の原料を平均粒径１０μｍ、ＳｉＯ2系のアルカリガラスとし、原料を基材に塗布したのち９５０℃で焼成した以外は実験例６と同様の工程により作製したものを実験例９のセラミックフィルタとした。ここで形成したシール層は、厚さが３００μｍであった。
（表面粗さＲａ）
作製したセラミックフィルタのシール層の表面の表面粗さＲａ（算術平均粗さ，μｍ）をＪＩＳ－Ｂ０６０１に規定されている方法に準じて測定した。
作製したセラミックフィルタのシール層の表面の表面粗さＲａ（算術平均粗さ，μｍ）をＪＩＳ－Ｂ０６０１に規定されている方法に準じて測定した。
（水銀圧入法による細孔分布測定）
作製した多孔質基材の細孔分布を測定した。基材の細孔分布は、水銀ポロシメータ（島津社製オートポアIII９４００）で測定した。
作製した多孔質基材の細孔分布を測定した。基材の細孔分布は、水銀ポロシメータ（島津社製オートポアIII９４００）で測定した。
（耐食性試験）
洗浄用薬液として、２質量％水酸化ナトリウム水溶液（アルカリ溶液）と、４質量％の硝酸水溶液（酸溶液）とを用意した。これらの薬液の液温を３０℃に調整した。まず、アルカリ溶液に、上記作製したセラミックフィルタを浸漬させ２５０時間溶液を循環させた。次に、セラミックフィルタを、酸溶液に浸漬させ５０時間溶液を循環し、アルカリ溶液に浸漬させ５００時間溶液を循環し、酸溶液に浸漬させ５０時間溶液を循環し、アルカリ溶液に浸漬させ４５０時間溶液を循環し、酸溶液に浸漬させ５０時間溶液を循環した。このアルカリ－酸への浸漬循環サイクルの間に、下記発泡圧測定を０ｈ、１００ｈ、２５０ｈ、３００ｈ、５５０ｈ、８００ｈ、８５０ｈ、１１００ｈ、１３００ｈ、１３５０ｈの経過時に行った（図３参照）。また、耐食性を以下の基準で評価した。耐食性試験後の発泡圧が初期発泡圧に対して１０％以下の低下に抑えられているものを「Ａ」とし、１０％を超えて低下したものを「Ｃ」とした。
洗浄用薬液として、２質量％水酸化ナトリウム水溶液（アルカリ溶液）と、４質量％の硝酸水溶液（酸溶液）とを用意した。これらの薬液の液温を３０℃に調整した。まず、アルカリ溶液に、上記作製したセラミックフィルタを浸漬させ２５０時間溶液を循環させた。次に、セラミックフィルタを、酸溶液に浸漬させ５０時間溶液を循環し、アルカリ溶液に浸漬させ５００時間溶液を循環し、酸溶液に浸漬させ５０時間溶液を循環し、アルカリ溶液に浸漬させ４５０時間溶液を循環し、酸溶液に浸漬させ５０時間溶液を循環した。このアルカリ－酸への浸漬循環サイクルの間に、下記発泡圧測定を０ｈ、１００ｈ、２５０ｈ、３００ｈ、５５０ｈ、８００ｈ、８５０ｈ、１１００ｈ、１３００ｈ、１３５０ｈの経過時に行った（図３参照）。また、耐食性を以下の基準で評価した。耐食性試験後の発泡圧が初期発泡圧に対して１０％以下の低下に抑えられているものを「Ａ」とし、１０％を超えて低下したものを「Ｃ」とした。
（発泡圧測定）
シール層の発泡圧測定は、ＪＩＳ－Ｋ３８３２に記載のバブルポイント法試験に準拠して、以下のように測定した。まず、セラミックフィルタのセルの出口側に封止部材を配設することによりセルの一方を目封じした状態とし、配管が接続されたエア供給部材をセルの入り口側に固定した。この状態のサンプルを３０℃の水中に浸漬させ、エア供給部材から加圧したエアをセル内に供給し、３０秒圧力保持させ、シール層で生じる気泡の有無を確認した（図２参照）。圧力を増加させて加圧、保持、気泡の有無の確認を繰り返し、気泡が確認された圧力を発泡圧として記録した。圧力は指示計で確認した。
シール層の発泡圧測定は、ＪＩＳ－Ｋ３８３２に記載のバブルポイント法試験に準拠して、以下のように測定した。まず、セラミックフィルタのセルの出口側に封止部材を配設することによりセルの一方を目封じした状態とし、配管が接続されたエア供給部材をセルの入り口側に固定した。この状態のサンプルを３０℃の水中に浸漬させ、エア供給部材から加圧したエアをセル内に供給し、３０秒圧力保持させ、シール層で生じる気泡の有無を確認した（図２参照）。圧力を増加させて加圧、保持、気泡の有無の確認を繰り返し、気泡が確認された圧力を発泡圧として記録した。圧力は指示計で確認した。
（結果と考察）
表１に、シール層の形成方法、シール層の構成、シール層の最大細孔径（μｍ）、初期及び耐食性試験後の発泡圧（ＭＰａ）、表面粗さＲａ（μｍ）、シール層のビッカース硬度Ｈｖ（ＧＰａ）、耐食性の評価結果をまとめて表１に示した。図３は、実験例３，８，９の酸アルカリ溶液での処理時間と発泡圧との関係図である。図４は、実験例９及び実験例３の耐食性試験後の多孔質基材及びシール層の断面のＳＥＭ写真である。表１に示すように、シール層を塗布により作製した実験例６では、初期発泡圧が極めて低かった。これは、シール層の原料の付着量が安定せず、更に複数回の塗布により層状に形成され、その層間に不具合が生じたものと推察された。また、浸漬により作製した実験例７では、初期発泡圧が極めて低かった。これは、内在気泡が多く、この部分に不具合が生じたものと推察された。実験例６，７では、初期発泡圧が低いため、耐食性の検討を行えなかった。溶射法で作製した実験例８では、初期発泡圧が０．２６ＭＰａと比較的好適であったが、最大細孔径が１．１２μｍと大きく、０．３ＭＰａには至らなかった。また、ガラスシールの実験例９においては、初期発泡圧が０．４５ＭＰａと好適であった。しかしながら、図３に示した耐食性試験の結果では、実験例９は、処理開始早々に発泡圧が低下し、耐食性が低かった。図４に示すように、実験例９では、耐食性試験後に多孔質基材とシール層との界面に剥離が見られた。一方、実験例３では、耐食性試験後でも界面に剥離は見られなかった。
表１に、シール層の形成方法、シール層の構成、シール層の最大細孔径（μｍ）、初期及び耐食性試験後の発泡圧（ＭＰａ）、表面粗さＲａ（μｍ）、シール層のビッカース硬度Ｈｖ（ＧＰａ）、耐食性の評価結果をまとめて表１に示した。図３は、実験例３，８，９の酸アルカリ溶液での処理時間と発泡圧との関係図である。図４は、実験例９及び実験例３の耐食性試験後の多孔質基材及びシール層の断面のＳＥＭ写真である。表１に示すように、シール層を塗布により作製した実験例６では、初期発泡圧が極めて低かった。これは、シール層の原料の付着量が安定せず、更に複数回の塗布により層状に形成され、その層間に不具合が生じたものと推察された。また、浸漬により作製した実験例７では、初期発泡圧が極めて低かった。これは、内在気泡が多く、この部分に不具合が生じたものと推察された。実験例６，７では、初期発泡圧が低いため、耐食性の検討を行えなかった。溶射法で作製した実験例８では、初期発泡圧が０．２６ＭＰａと比較的好適であったが、最大細孔径が１．１２μｍと大きく、０．３ＭＰａには至らなかった。また、ガラスシールの実験例９においては、初期発泡圧が０．４５ＭＰａと好適であった。しかしながら、図３に示した耐食性試験の結果では、実験例９は、処理開始早々に発泡圧が低下し、耐食性が低かった。図４に示すように、実験例９では、耐食性試験後に多孔質基材とシール層との界面に剥離が見られた。一方、実験例３では、耐食性試験後でも界面に剥離は見られなかった。
一方、スプレーによりシール層を形成した実験例１～５においては、耐食性が高かった。このうち、実験例２～４は、初期発泡圧が０．３０ＭＰａ以上と、より良好な初期発泡圧を示した。この理由は、例えば、所定の粒度比を有する原料をスプレー噴射により基材上に形成するものとすれば、付着性が良好であり原料を多孔質基材の表面上に十分形成することができ、且つ層状になったり気泡の混入などをより抑制できるためと推察された。実験例１では、発泡圧が０．２０ＭＰａと比較的好適であったが、シール層に含まれる細かな粒子が少ないため、最大細孔径が１．４５μｍと大きく、発泡圧は０．３ＭＰａには至らなかった。また、実験例５では、発泡圧が低かった。この理由は、例えば、実験例５は、シール層に細かな粒子が多く含まれるため、焼成収縮によるクラックなどが発生することなどが推測された。なお、実験例２、４においても、実験例３と同様の発泡圧の傾向を示すことから、実験例３の表面粗さＲａやビッカース硬度Ｈｖと同程度の結果が得られるものと推察された。
表１に示すように、実験例２～４においては、水銀圧入法で測定される最大細孔径が１．０μｍ以下であった。このため、多孔質基材とシール層との界面に処理液が到達しにくいものと推察された。また、実験例２～４においては、シール層における中間膜の材料に対するろ過膜の材料の比率が質量比で２０／８０～４０／６０の範囲で含まれており、この比率範囲が、最大細孔径や耐食性に対して好適であることがわかった。また、このシール層において、Ａｌ及びＴｉに対するＴｉのモル割合Ｔｉ／（Ａｌ＋Ｔｉ）が、０．２以上０．７以下の範囲、更には０．４以上０．６以下の範囲では、耐食性が高いことが明らかとなった。
なお、本開示は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
本出願は、２０１７年８月１８日に出願された日本国特許出願第２０１７－１５８０２７号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。
本明細書で開示するセラミックフィルタ及びその製造方法は、溶液のろ過の技術分野に利用可能である。
１０ セラミックフィルタ、１１ 支持体、１２ 中間膜、１３ 多孔質基材、１５ ろ過膜、１６ セル、２０ シール層、３０ 発泡圧測定装置、３１ エア供給部材、３２ 封止部材。
Claims (7)
- セラミック多孔体により形成された基材と、
前記基材の表面に形成されたろ過膜と、
前記基材及び前記ろ過膜に含まれる材料により構成され水銀圧入法で測定される最大細孔径が１．０μｍ以下であり前記基材の端部に形成されたシール層と、
を備え、
前記基材の材料及び前記ろ過膜の材料は、それぞれ、アルミナ、チタニア、ムライト、コージェライト、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムのうちの１以上である、
セラミックフィルタ。 - 前記シール層は、前記最大細孔径が０．８５μｍ以下である、請求項１に記載のセラミックフィルタ。
- 前記シール層は、酸化アルミニウム及び酸化チタンのうち１以上により構成される、請求項１又は２に記載のセラミックフィルタ。
- 前記シール層は、Ａｌ及びＴｉに対するＴｉのモル割合が０．４≦Ｔｉ／（Ａｌ＋Ｔｉ）≦０．６の範囲で構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載のセラミックフィルタ。
- 前記シール層は、厚さが１５０μｍ以上５００μｍ以下の範囲で形成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載のセラミックフィルタ。
- 前記基材は、支持体と、前記支持体の表面側に形成され前記支持体より細孔径が小さい中間膜とにより構成されている、請求項１～５のいずれか１項に記載のセラミックフィルタ。
- 端面を封止して前記セラミックフィルタへ加圧空気を供給した際に前記シール層から気泡が生じる発泡圧が０．３ＭＰａ以上である、請求項１～６のいずれか１項に記載のセラミックフィルタ。
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