JPH022845A - 薄膜セラミックフィルターの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はＰＩ膜セラミックフィルターに関するものであ
り、特に液中に含まれる粒径数ＩＬｍ程度の微粒子を分
離するための精密ろ適用のＦＩ膜セラミックフィルター
に関するものである。

（従来の技術） 多孔質のセラミック支持体上に、このセラミック支持体
と同じ組成で、かつセラミック支持体に比し微細な気孔
を有するろ過膜が一体化されてなる薄膜セラミックフィ
ルターは、特に流体中に含まれる微粒子を分離するのに
極めて有用なものである。

この薄膜セラミックフィルターは、支持体とる過膜とが
いずれもセラミック質であることから、高強度で、耐熱
性、耐薬品性に優れるなどの優れた性質をもっており、
その用途は徐々に広がりつつある。このような薄膜セラ
ミ・ツクフィルターを製造する技術としては、例えば、 ■ろ過膜形成用の粉体を含有する懸濁液に多孔質支持体
の−・面を浸漬させ、懸濁液からなるコーティング層を
形成した後に、これを焼成する方法、 ■特公昭５６−８６４３号公報に記載されているような
、多孔質支持管内に隔膜形成用のスラリーを供給して、
支持管の回転による遠心力によりスラリーを支持管の内
面に付着させた後に焼成する方法。

（３〉特公昭５９−４８６４６号公報に記載されている
ような多孔質支持体を粒径の異なる鉱物粒子を懸濁した
二種類のコーテイング液に順次接触させて付着形成した
各コーティング層を順次加熱乾燥後に焼結させる方法。

さらに。

■特公昭６１−２３８３０５号公報に記載されているよ
うに、広い粒度分布をもつ粒子を含むスラリーを使用し
、粒径の違いによる沈降速瓜の差を利用して、ろ過膜中
の粒子を多孔質支持体の表面から遠ざかるに従い１粒径
が小さくなるように構成したコーティング層を形成した
後に焼結する方法などが開示されている。

しかしながら、前述の■の方法にあっては多孔質支持体
を特定の懸濁液にデイラビングするという中純な方式で
あるために、本発明において対象としている精密ろ適用
のフィルターとしては、形成した薄膜の気孔径にバラツ
キか生じ易く、製品の信頼性に乏しく、安定した品質の
製品を提供することは困難という問題がある。

また、■の方法にあっては、遠心力を利用した膜形成で
あるために、■の方法の場合と同様に気孔径にバラツキ
か生じ易く、出来−ヒった製品の信頼性に乏しく、安定
した品質の製品を提供することは困難という問題がある
。

（３）の方法にあっては、■の方法の操作を粒径を変え
て２度行うものであり、したがってこの方法においても
■の方法において述べた問題か重複した形であてはまる
。

さらに、／４）の方法にあっては、所望の平均気孔径を
再現性よく得ることか困難であり、また不必要に大かが
すな装置を６費とするなどの問題をももっている。

そこて、通水特性に優れ、気孔径のバラツキが少なく、
耐熱性、耐薬品性及び強度の優れた薄膜セラミックフィ
ルターを製造する技術として、下記の各１程を経ること
を特徴とする薄膜セラミックフィルターの１造方法か提
案されている。

（＋）母材となる多孔質焼結体を製造する工程：（２）
前記母材と同じ材質でかつ均一な粒径の粉末を含むスラ
リー中に、前記焼結体を浸漬させる［程； （３）前記焼結体の内面と外面との間に圧力差を生ぜし
め、圧力の高い側の而の少なくとも一部に、前記スラリ
ーからなる薄膜のコーティング層を形成する工程； （４）少なくとも前記コーティング層を乾燥させる工程
： （５）前記コーティング層を母材とともに焼成し、母材
と一体化させる工程。

この製造方法にあっては、特に母材となる多孔質焼結体
上にスラリーからなる薄膜のコーティング層を形成する
に際して、特に均一な粒径の粉末を含むスラリーを用い
、かつ多孔質焼結体の表面からこのスラリーを吸引せし
めてコーティング層の形成を行うことにより、次のよう
な効果か得られる。

■均一な粒径の粉末を用いるため、場所による気孔径の
バラツキが少ない。

〈力吸引によって薄膜形成を行うので、粉末の堆桔によ
り局所的に多孔質焼結体の開口気孔部か一時的に塞って
も、塞った部分ではスラリー流体か多孔質焼結体の内部
へ浸透しにくくなるために、粉末の堆積は緩慢になる。

゛しかじ、塞っていない部分ではスラリー流体の浸透が
起こりやすいために粉末の堆積がすみやかに起こる。し
たがって、スラリーからなる薄膜は、場所による気孔径
のムラも少なくなることから、必然的に焼結によって得
られる薄膜セラミックフィルターも信頼性が高く、品質
も安定する。

■この製造方法は圧力差という中線な原理を用いている
ために、装ともアスピレータ−や真空ポンプ程度の簡単
なものを準備するたけでよく、設備投資の負担が少なく
、また薄膜形成時間が短縮でき生産性が一部かる。

（発ＩＩＩか解決しようとする問題点）しかしながら、
上述のような従来の方法にあっては、コーティング層の
乾燥を常温ての風乾等て行う際、この工程に長時間を要
し　その生産性は充分なものではなかった。

コーティング層を加熱することにより、コーチインク層
の乾燥時間の短縮化が可能となるが、このような乾燥に
あっては、特にコーチインク層を厚くした際、乾燥時の
熱収縮によりコーティング層に亀裂か発生するという問
題点を有している。

本発明は以上のような実状に鑑みなされたちのてあり、
その目的は、特性を劣化させることなく、コーティング
層の乾燥か短時間て行える薄膜セラミックフィルターの
製造方法を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 以上のような問題点を解決するために本発明の採った手
段は、 「下記の各工程を経ることを特徴とする８［膜セラミッ
クフィルターの製造方法。

（ａ）母材となる多孔質焼結体を製造する工程：（ｂ）
前記母材と同じ組成で、かつ均一な粒径の粉末を含むス
ラリー中に、前記母材を浸漬する工程： （Ｃ）前記母材の表面の少なくとも一部から、前記スラ
リーを吸収せしめ、薄いコーティング層を形成する工程
： （ｄ）前記母材を水溶性有機溶媒中に浸漬し、前記コー
ティング層中の溶剤を水溶性有機溶媒と置換する工程； （ｅ）前記コーティング層中の水溶性有機溶媒を乾燥除
去する−［程： （ｆ）前記コーティング層を形成した母材を焼成する工
程。１ である。

以下順に各工程について説明する。

本発明にあっては、まず母材となる多孔質焼結体を製造
する。母材の平均気孔径は、０．１１Ｌｍ〜５ルｍの範
囲にあることか好ましい。その理由は、０．１ｇｍより
も小さいと、同じ気孔率を有するフィルターでは通水特
性が低下するからであり、一方５ｇｍより大きいと、厚
さの薄い膜フィルタ一部の作成が困難になるからであり
、０．３１ｔｍ〜３ｇｍの範囲内にあることが特に好ま
しい。

次いで、母材となる多孔質焼結体と同じ組成で、かつ均
一な粒径の粉末を含むスラリー中に。

多孔質焼結体を浸漬させるのであるが、ここでスラリー
中の粉末の粒径は均一に揃っている必要がある。その理
由は、粒径を均一にすることにより、薄膜部における気
孔径にバラツキか生しないようにするためである。スラ
リー中の粉末の粒径のバラツキの許容範囲は、平均粒径
に対して標準偏差の３倍に含まれるものが９５％以上で
あることが９！ましい。また、スラリー中の粉末の粒径
は前記焼結体の開口気孔部に対し、１７３〜１／ｌＯ倍
が好ましい。また、スラリーの粘度は０．５〜６センチ
ボイズの範囲内にあることか好ましく、１〜３センチボ
イスの範囲内にあることか特に好ましい。

次に、多孔質焼結体の表面からスラリー（２２）を吸引
する必要がある。この具体的方法としては。

例えば先端部を封止した円筒状のフィルターの場合、第
１図及び第２図に示すように、ゴムホース（２１）で真
空ポンプ（２０）の吸引口とつないだ状態て、真空ポン
プ（２０）を作動させることにより、円筒状の多孔質焼
結体（１０）外部は常圧に、内部は常圧より低い圧力に
、；ツ定することにより吸引することか可１駐である。

一方１円筒状の多孔質焼結体（１０）の内側を常圧とし
、外側を加圧するようにしてもよいが、装置が大がかり
になる問題があり。

実用的てはない、スラリー（２２）に浸漬させた多孔質
焼結体（１０）の内側と外側との間の圧力差は０．０５
〜ｌａｔｍの範囲にあることか好ましい。その理由は、
圧力差か０．０５ａｔｍより小さいと、コーティング層
（１１）の形成に多くの時間を要するためてあり、逆に
圧力差かＩａｔｍより大きいと、コーティング層（１１
）の品質にバラツキか生じ易くなる傾向があるためであ
る。実用的には０．５〜１．Ｏａｔｍの範囲内にあるこ
とが特に好適である。コーティング層（１１）の厚さの
調整は、所定のスラリー（２２）の粘度、粉末の濃度、
並びに圧力差の条件て時間を変えることによって行うの
が簡便である。

次に、水溶性有機溶媒中に、多孔質焼結体（１ｏ）を浸
漬し、コーデイング層（１１）中の溶剤を水溶性有機溶
媒に置換する必要かある。多孔質焼結体（１０）を浸漬
する水溶性有機溶媒は、コーティング層（１１）中の溶
剤Ｃ主として水）に溶は易く、低沸点であり、蒸発後、
アミン、カーボン、シアン等の残留物のない水溶性有機
溶媒であればどのようなものを用いてもよく、例えば、
アセトン、アルコール等を使用することが有利である。

Ｉｉｉ記４ｆａ溶媒としては、常温で溶剤を２０％以ヒ
以上するものである。

；γｉ記コーティング層（１１）中の溶剤（王として水
）に対する溶解度か２０％以下の場合、コーティング層
中の溶剤を溶媒と置換することか困難となり、溶剤か残
存することとなる。また２０Ｘ以下のものを使用する場
合には温度圧力等により溶解度を向トさせるか又は、大
量に使用することとなからである。

更に前記有機溶媒の沸点は常圧において１５０°Ｃ以Ｆ
であることが必要である。１５０℃以ヒで以上と（当然
のことなか、ら）コーティング層中の溶媒と溶解した状
態で沸点Ｅ昇となり、除去時間、乾燥温度！＊経済的に
不利となる。つまり溶剤を置換することによりコーティ
ング層中の溶媒を低沸点化することである。

換イすれば、上記水溶性有機溶媒としては１次のＡ−Ｃ
の条件を満たすものであることが必要である。

［条件Ａ］：溶剤（水）に対して２０％以上の溶解性を
有するものであることか必要であり、中でも■の溶解性
を有するものであればより好適である。

その理由は、水溶性有機溶媒の溶解性が２０％以下であ
ると、コーティング層中の溶剤（水）と置換することか
困難となるからである。

［条件Ｂ］；水溶性有機溶媒の沸点は１５０℃以ドであ
ることが必要である。

その理由は、水溶性有機溶媒が溶剤（木）と置換したこ
とにより沸点か上昇すると、コーティング層の乾燥に要
する熱エネルギーか大きくなり、不経済となるからであ
る。中でも、この沸点は１００℃以下であることかより
好適である。

［条件Ｃ］；水溶性有機溶媒の粘性は１ｃｐ（木の粘度
）以下であることが必要である。

その理由は、コーティング層のの粘性か低い方がその乾
僅を行ない易いかうである。つまり、その乾煙を行なう
場合に、水の場合に比して、気体分子の抜けの状態がよ
いからである。

なお、これらの条件の他に、水溶性有機溶媒に付される
条件としては、水の表面張力より小さい表面張力を有す
るものが適している。

以上の条件を満たすことができる水溶性有機溶媒として
は１次の表に示すものか具体的には適している。

（以下余白） たたし、ヒ記の水溶性有機溶媒は、コーティング層形成
時に、直接水の代りに使用することはてきない。水溶性
有機溶媒そのままでは分散性か悪く、コーティング粒子
か沈降し易く、均一なコーティング層かできないたけで
なく、強固なコーティング層を形成することができない
からである。

次に、少なくとも多孔質焼結体（１０）上に形成された
コーティング層（１１）を乾燥させて、コーティング層
（１１）中の有機溶媒を除去する必要がある。

１１体的には、常温での風乾、もしくは真空乾燥をただ
ちに行う方法等がある。

多孔質焼結体（１０）上に形成されたコーティングＡ’
？　（ｌ　＋　）から有機溶媒を乾仔除去した後は、コ
ーティング層（１りを多孔質焼結体（ｌＯ）とともに焼
結し、−・体化させるのである。焼結条件は既存の技術
から任意に選ぶことかできる。

以上のようにして！膜セラミックフィルター（１０口）
か完成する。

次に、実施例により本発明を具体的に説明する。

実施例１ 平均気孔径０．５〜５　ｐ、　ｍ　、気孔率３０〜６０
％を有する。外径φｌＯ■Ｉ、内径φ８ｍｍ、長さ１５
０ｍ■の炭化珪素管状フィルター（１０）を母材として
使用した。

このフィルター（ｌＯ）の一端にゴムホースの一端を取
付け、ゴムホース（２１）のもう一端を真空ポンプ（２
０）に取付けた。なお、フィルター（１０）のもう−・
端は、蓋部材（１２）により封止しておく。

次に、ｆ均粒径０．２８川ｍ（粒度分布・０゜１〜５Ａ
Ｌｍ）、純度９８　ｗ　ｔ％の炭化珪素微粉末な水と分
散剤（アンモニア系）とからなるスラリー（２２）中に
、フィルター（１０）を浸漬した。この状態で真空ポン
プ（２０）を作動させることにより、フィルター（ｌＯ
）の内面と外面との間に圧力差が生じ、スラリー（２２
）か吸引され、フィルター（１０）の外表１ｍにコーテ
ィング層（１１）が形成された。

次に、真空ポンプ（２０）を作動させたままフィルター
（！０）をエチルアルコール中に浸漬した。エチルアル
コールが吸引され、コーチインクｆｆ１（１１）中の溶
剤かエチルアルコールと置換された。

次に、吸引濾過により形成されたコーティング層（１１
）を室温にて６時間数ごし、乾燥させた。

最後に、コーティング層（１１）をフィルター（１０）
とともに、不活性ガス（Ａｒガス）雰囲気の常圧焼結て
、焼成温度１７００°Ｃにて１時間の焼成を行い、フィ
ルター（ｌＯ）と一体化させた。

これにより、濾過膜となるコーチインク層（４１）か炭
化珪素の自己焼結によって強固に付着した薄膜セラミッ
クフィルター（１００）が得られた。このｆｌｌｌＱセ
ラミックフィルター（Ｊｏｎ）は、コーデイング層（１
１）の厚さが２０ｇｍ、ｈｉ大気孔径が０．９ｐ−ｍ、
Ａ水ｆが０．９ｒｒＩ′／ｍ’Ｈｒであった。

なお、前記最大気孔径は、細孔中の水の表面張力とエア
ー圧力の関係から計算する氷中発泡法（バブルポイント
）により求め、また透水量は不荷水圧０．１ｋｇ／ｒｎ
’における値である。

実施例２ 平均気孔径０．６〜４ルｍ、気孔本釣５０％を有する、
外径φ１０ｍｍ、内径φ８■謬、長さ１００１１Ｉの炭
化珪素管状フィルター（ｌＯ）を母材として使用した。

このフィルター（１０）の一端にゴムホースの一端を取
付け、ゴムホース（２りのもう一端を真空ポンプ（２０
）に取付けた。なお、フィルター（１０）のもう−・端
は、蓋部材（１２）により封止しておく。

次に、平均粒径０．２５ｐｍ（粒度分布＝０゜１〜５μ
ｍ）、純度９８ｗｔ％の炭化珪素微粉末を木と分散剤（
アンモニア系）とからなるスラリー（２２）中に、フィ
ルター（１０）を浸漬した。この状態で真空ポンプ（２
０）を作動させることにより、フィルター（１０）の内
面と外面との間に圧力差が生じ、スラリー（２２）が吸
引され、フィルター（１０）の外表面にコーティング層
（１１）が形成された。

次に、真空ポンプ（２０）を作動させたままフィルター
（１０）をアセｌ−ン中に浸漬した。アセトンが吸引さ
れ、コーティング層（１１）中の溶剤かアセトンと置換
された。

次に、吸引濾過により形成されたコーティング層（１１
）を室温にて３時間放置し、乾燥させた。

最後に、コーティング層（１１）をフィルター（ｌＯ）
とともに、不活性ガス（Ａｒガス）雰囲気の常圧焼結て
、焼成温度１７００°Ｃにて１時間の焼成を行い、フィ
ルター（１０）と一体止させた。

これにより、鑓過膜となるコーティング層（ＩＩ）か炭
化珪素の自己焼結によって強固に付着した薄膜セラミッ
クフィルター（＋００）が得られた。この薄膜セラミッ
クフィルター（１００）は、コーティング層（１１）の
厚さが２５　ｇｍ、最大気孔径が０．９ｐｍ、透水量が
０　、９ｍ’／ｒｎ’Ｈｒであった。

なお、前記最大気孔径は、細孔中の水の表面張力とエア
ー圧力の関係から計算する水中発泡法（バブルポイント
）により求め、また透水量は不荷水圧０．１ｋｇ／ゴに
おける値である。

比較例１ コーティング層中の溶剤をエチルアルコールと置換する
工程を省いて製造しようとしたところ、コーティング層
形成後、室温にて１０放にした後、４０℃、６０℃、８
０℃の各温度でそれぞれ１時間保持する乾燥を行うこと
により、実施例と同様の薄膜セラミックフィルターを′
ＩＭ造することが可能となった。

比較例２ コーティング層中の溶剤をアセトンと置換する工程を省
いて製造しようとしたところ、コーティング層形成後、
室温にて１日放置した後、４０”Ｃ，６０℃、８０℃の
各温度でそれぞれ１時間保持する乾燥を行うことにより
、実施例と同様の薄膜セラミックフィルターを製造する
ことか０■艶となった。

（発明の効果） 本発明に係る薄膜セラミックフィルターの製造方法によ
れば、コーティング層中の溶剤を揮発性の高いアルコー
ルに置換した後乾燥させることにより、コーティング層
の乾燥時間を短縮することかできる。また、この乾燥時
間の短縮は加熱乾燥等によるものではないため、コーテ
ィング層に亀裂か発生することがなく、乾燥工程に長時
間を要する従来の製造方法により生産される薄膜セラミ
ックフィルターと同品質のものを効率よく生産すること
かできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る薄膜セラミックフィルターの製造
方法に使用する装置の概要を示す部分断面Ｉ′Ａ、第２
１′Ａは本発明に係る薄膜セラミックフィルターの製造
方法により製造された８膜セラミツクフイルターを示す
部分断面図である。 符号の説明 １００−・・薄膜セラミックフィルターｌＯ・・・多孔
質 焼結体、ｌｌ−・コーチインク層。 以 上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 下記の各工程を経ることを特徴とする薄膜セラミックフ
   ィルターの製造方法。 （ａ）母材となる多孔質焼結体を製造する工程； （ｂ）前記母材と同じ組成で、かつ均一な粒径の粉末を
   含むスラリー中に、前記母材を浸漬する工程； （ｃ）前記母材の表面の少なくとも一部から、前記スラ
   リーを吸収せしめ、薄いコーティング層を形成する工程
   ； （ｄ）前記母材を水溶性有機溶媒中に浸漬し、前記コー
   ティング層中の溶剤を水溶性有機溶媒と置換する工程； （ｅ）前記コーティング層中の水溶性有機溶媒を乾燥除
   去する工程； （ｆ）前記コーティング層を形成した母材を焼成する工
   程。