JPH05306614A - 排気ガスフィルタとその製造方法 - Google Patents

排気ガスフィルタとその製造方法

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JPH05306614A
JPH05306614A JP4109682A JP10968292A JPH05306614A JP H05306614 A JPH05306614 A JP H05306614A JP 4109682 A JP4109682 A JP 4109682A JP 10968292 A JP10968292 A JP 10968292A JP H05306614 A JPH05306614 A JP H05306614A
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gas filter
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ceramic
raw material
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Kenichi Nakamura
健一 中村
Kunio Kimura
邦夫 木村
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ディーゼルエンジンなどの微粒子(パティキ
ュレート)を除去するための排気ガスフィルタのうち、
シリカ−アルミナ系繊維を粘土鉱物、長石類のいずれか
を含む無機バインダで結合させた板状体をフィルタ素子
として用いたものに関し、無機バインダ中のK2O含有
率を1.8〜3.2wt%とし、石英相及びクリストバ
ライト相がなくなる温度で焼成することにより、排気ガ
スフィルタの機械的強度を増大させるとともに、耐熱
性、耐熱衝撃性を向上させる。 【構成】 シリカ−アルミナ系繊維を、K2O含有率が
1.8〜3.2wt%の粘土鉱物、長石類(好ましくは
セリサイト)を主結晶成分とする無機バインダで結合さ
せたハニカム構造体を、ハニカム構造体中に析出する石
英及びクリストバライトが完全に前記ガラス相中に溶け
込む温度以上の温度にて加熱焼成を行うことにより熱膨
張率を減少させ、耐熱衝撃性を向上させるとともに、前
記無機バインダの軟化点を向上させ、耐熱性を向上させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ディーゼルエンジンな
どから排出される微粒子(パティキュレート)を除去す
るための排気ガスフィルタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、大都市圏におけおるNOxや浮遊
粒子状物質(以下、微粒子とする)による大気汚染の悪
化が進んでいる。このうち大気中に浮遊する微粒子につ
いては、ディーゼル車から排出される黒煙が微粒子全体
の20〜30%を占めると言われており、しかもその中
には多環芳香族炭化水素等の変異原性や発ガン性のある
成分が含まれている。
【0003】そこで、この黒煙対策のうち最も効果が期
待されるものとして、排気系中で微粒子をトラップした
後自己再生を行う排気ガス浄化装置がある。この排気ガ
ス浄化装置は排気系中に設けられるもので、主に排気ガ
ス中の微粒子を捕獲するフィルタ(以下、排気ガスフィ
ルタとする)と、捕獲された微粒子を燃焼させる再生装
置からなっている。この再生方法には、例えば電気ヒー
タ方式、バーナ方式等があるが、未だどの再生方法にも
一長一短がある。
【0004】従来、この種の排気ガスフィルタの主流と
なっていたのは、米国特許第4,364,761号に開
示されているようなセラミックモノリシック壁流型微粒
子物用フィルタ(以下、セラミックモノリシック型フィ
ルタとする)であった。
【0005】このタイプのセラミックモノリシック型フ
ィルタは、(図1)に示す様に長さ方向に対し平行に並
ぶセル1a、1bを持つハニカム構造になっており、隣
合う2つのセル1a、1bのうち、セル1bは入口方向
が流入側プラグ2で、セル1aは出口方向が流出側プラ
グ3で目詰めされている構造になっている。従って、微
粒子を含む排気ガスは、出口方向が目詰めされているセ
ル1aに流入し、多孔壁4を通過し隣接する入口方向が
目詰めされているセル1bに押しやられる。この際、微
粒子は多孔壁4を通過できないため、排気ガスは多孔壁
4を通過する際に濾過され、微粒子は多孔壁4中に捕捉
される。
【0006】捕捉された微粒子の量が多くなると、多孔
壁4が微粒子によって詰まり、ディーゼルエンジン排気
装置の背圧が増加する。このため、捕捉された微粒子量
が一定量を越えた時に微粒子を除去することによって、
背圧増加によるエンジンの負担増加を抑える必要があっ
た。
【0007】この微粒子は、固定炭素成分と有機溶剤
(通常ジクロロメタンがよく用いられる)に溶解可能な
可溶性有機成分(SOF)からなり、どちらも可燃性
で、エンジンの種類や負荷条件によって若干の温度差は
あるが、約600℃以上の温度に加熱すれば燃焼してし
まう。
【0008】そこで、従来は電気ヒータ、バーナ等の加
熱手段を用いてこれらの微粒子を再燃焼させることによ
って、多孔壁4を再生する方法が試みられている。
【0009】従来の排気ガスフィルタは、この再生時に
発生する温度勾配に耐えられるように、代表的な低熱膨
張セラミックであるコージェライトを用いていた。しか
し、コージェライトセラミックは、多孔度が低いために
ディーゼルエンジン排気装置の背圧が大きくなり、その
結果エンジンの負担が大きくなってしまうという欠点が
あった。また、加熱再生時に温度が上がりすぎると溶融
してしまうという欠点もあった。そこで、特開平2−4
3022では、シリカ−アルミナ系繊維をセリサイト粘
土で結合焼結させた板状体を多孔壁素子として用いるこ
とにより、背圧増加及び溶融を防ごうとする試みがなさ
れたものであった。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、市販さ
れているセリサイト粘土を1400℃で熱処理した試料
の熱膨張率は3.5×10-6〜7.0×10-6/℃と高
いため、これらのセリサイト粘土を用いて製造した排気
ガスフィルタは熱膨張率が3.6×10-6〜7.0×1
-6/℃とコージェライト製の排気ガスフィルタ(熱膨
張率1.0×10 -6/℃)の熱膨張率の3.5〜7倍と
なっている。そのため、加熱再生時に微粒子が燃焼して
いる部分と燃焼していない部分の間の温度勾配により生
じる熱応力が非常に大きくなり、フィルタに亀裂が生じ
るという欠点があった。
【0011】また、市販されているセリサイト粘土を1
400℃で熱処理した試料のガラス転移点は780〜8
50℃、屈伏点はいずれも1000℃付近と非常に低い
値を示す。従って、加熱再生時に、瞬時の高熱によって
は溶融しないが、繰り返し1000℃付近の高温に曝す
と無機バインダの粘度低下により溶融と同様の現象を生
じるという欠点があった。
【0012】そこで、無機バインダとしてカオリナイト
を用いたところ、カオリナイトは高温で熱処理をしても
ガラス相を形成しにくいため、強度が低下するとともに
石英結晶の残存により熱膨張率を大きくするため、かえ
って逆効果となった。
【0013】本発明は上記課題を解決するためのもので
あり、耐熱性に優れた排気ガスフィルタを提供すること
を目的としている。
【0014】排気ガスフィルタの熱膨張率を低減するこ
とにより排気ガスフィルタにかかる熱応力を低減させる
ことにより亀裂の発生を防止するとともに、排気ガスフ
ィルタの屈伏点を向上させることにより排気ガスフィル
タの耐熱性を向上させることを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、無機バインダ中のK2O含有率を1.8〜
3.2wt%の範囲としている。また、無機バインダ中
の主結晶成分の加熱分解により生じたガラス相中に石英
およびクリストバライトが完全に溶け込む温度にて焼成
している。
【0016】
【作用】本発明は上記した構成により、無機バインダは
熱膨張率が1.8×10-6〜3.2×10-6/℃と、従
来のバインダと比べ熱膨張率を約10〜50%低減でき
る。また、ガラス転移点は880℃以上、屈伏点は10
00℃以上と従来の排気ガスフィルタよりも耐熱性を5
0℃以上向上する。また、K2Oの存在により無機バイ
ンダは液相を生じて焼結するため、カオリナイトを無機
バインダとして用いたものと比べ強度が数段向上する。
よって、低膨張率かつ高耐熱性の無機バインダを得るこ
とができるものである。
【0017】
【実施例】まず、本発明の一実施例であるセラミックス
繊維について述べる。本実施例の排気ガスフィルタは、
微粒子を加熱焼却するためにその構成材料には高耐熱性
が要求される。代表的な高耐熱性セラミック繊維とし
て、アルミナ繊維、アルミノシリケート繊維、アルミノ
ボロシリケート繊維、ムライト繊維等があげられる。こ
のうち、アルミナ繊維は、アルミナ自身の熱膨張率が大
きいので耐熱衝撃性(急激な温度勾配に対する強度)に
劣り、ムライト繊維は多結晶体で強度が弱いため排気ガ
スフィルタの構成材料としては不向きである。以上の理
由により、本発明者らはアルミノシリケート繊維、アル
ミノボロシリケート繊維を構成材料として選択した。ア
ルミノシリケート繊維、アルミノボロシリケート繊維は
非晶質であるから、無機バインダと接着強度も高くな
る。このうち、例えばアルミノシリケート繊維としてA
23、SiO2ともに約50wt%の組成をもつもの
が耐熱性1260℃のものとして市販されている。
【0018】この耐熱性1260℃のアルミノシリケー
ト繊維の示差熱分析を行うと、980℃前後に大きな発
熱ピークをもつ。この発熱ピークはムライト(3Al2
3・2SiO2)結晶の結晶化ピークにあたる。したが
って、アルミノシリケート繊維を加熱した場合、常温で
はアモルファス状態にあるが、980℃以上の温度に上
昇させると、SiO2リッチのアルミノシリケートガラ
ス中に針状のムライト結晶が分散している状態となって
おり、無機バインダと反応すれば1400℃で2時間熱
処理してもクリストバライトを晶出することはない。
【0019】次に、本実施例の無機バインダについて説
明する。アルミノシリケート繊維を排気ガスフィルタの
構成材料とした場合、繊維単独では充分な強度を得られ
ないので無機バインダを添加する必要がある。無機バイ
ンダに要求される特性としては、高耐熱性、低熱膨張
率、セラミックス繊維との反応性が要求される。したが
って、Al23、SiO2を含むガラスあるいはセラミ
ックスが無機バインダとして適当である。しかも、セラ
ミック繊維の形状を崩さずに高強度の接着を得るために
は、融点(あるいは軟化点)がセラミック繊維の融点
(あるいは軟化点)よりも低いものを用いる必要があ
る。そのためには、少量のアルカリ金属酸化物(K,N
aなど)、アルカリ土類金属酸化物(Ca)を含んでい
るものが望ましい。そこで、アルカリ金属酸化物(アル
カリ土類金属酸化物)−SiO2−Al23系のガラス
や、カリ長石、斜長石などの長石質鉱物や、セリサイ
ト、イライトなどの粘土鉱物を主結晶成分とするセラミ
ック原料粉末またはこれらの混合物が望ましい。
【0020】長石類鉱物や粘土鉱物を主結晶成分とする
セラミック原料粉末またはこれらの混合物を無機バイン
ダとして用いる場合、前記主結晶成分よりガラス相が形
成される温度以上の温度で熱処理を行えば、機械的強度
の充分高い複合セラミックを得ることができる。しか
し、前記温度で熱処理を行った複合セラミックは、不純
物中の石英や、その変態であるクリストバライトが低温
型から高温型に相転移する際に体積膨張が起こるため、
熱膨張率が大きくなる。しかし、更に高温で熱処理を行
うことにより、前記石英やクリストバライトはガラス相
中にとけ込み、ある温度以上では完全にムライト相とガ
ラス相の2相に分離され、熱膨張率が小さくなる。
【0021】ところで、アルカリ土類金属酸化物を含む
鉱物は熱分解温度がファイバの融点より高いものが多
く、使用は困難である。また、アルカリ金属酸化物のう
ち、Na、Liを含むものは融点が低く耐熱性が劣化す
る。そこで、発明者らは主成分がK2O、SiO2、Al
23からなる粘土鉱物および長石質鉱物に着目した。
【0022】そこで、発明者らは前記鉱物に相当するも
のの代表として、大量に同一組成の原料の供給が可能な
セリサイト粘土に着目して、そのK2O含有率が熱特性
に与える影響を調べた。サンプルは、任意のK2O含有
率のセリサイト粘土の提供が可能な広島県勝光山産のも
のを用いた。サンプルはK2O含有率を2,3,4,
5,6wt%の5段階(天然物であるから±0.2%の
精度)とした。その他の組成については(表1)に示
す。
【0023】
【表1】
【0024】これらのサンプルの熱物性を測定し、その
結果を(表2)に示した。なお、焼成可能温度とは、焼
成後にムライト結晶とガラス相の2相のみになり、石
英、クリストバライトが存在しなくなる温度を示す。
【0025】
【表2】
【0026】このように、K2O含有率が1.8wt%
以上であれば、ファイバの型変形の起こらない1500
℃以下の温度での焼成が可能である。また、K2O含有
率が低いほど耐熱性が高いことが判った。
【0027】なお、セリサイト粘土は、不純物として少
量のカオリナイト、パイロフィライト等の粘土鉱物や石
英を含んでいる。そこで、K2O含有率が3.9wt%
のセリサイト粘土50重量部に、カオリナイト(カオリ
ン)、パイロフィライト、珪砂(石英)50重量部を加
えてK2O含有率を約2.0wt%としたサンプルにつ
いて、前記焼成可能温度を調べた。結果を(表3)に示
す。
【0028】
【表3】
【0029】(表3)に示すとおり、カオリナイト、パ
イロフィライトにおいてはK2O含有率が2wt%のセ
リサイト粘土とほぼ同じ条件で使用できるが、石英を加
えたものはクリストバライトの晶出量が多いため、熱膨
張率が大きくなり使用不可能であった。
【0030】以下に本発明の実施例について図を参照し
ながら説明する。図1に本発明の一実施例による排気ガ
スフィルタの断面図を、図2に斜視図を示す。
【0031】(実施例1)平均繊維径約3μmで0.1
〜10mmの長さにチョップしたアルミノシリケート系繊
維20重量部を水1000重量部に十分に分散させて懸
濁させる。このアルミノシリケート繊維は、シリカ40
〜60wt%、アルミナ40〜60wt%の範囲が望ま
しく、これ以上シリカが多くアルミナが少ないとフィル
タの耐熱温度が下がり、アルミナが多くシリカが少ない
と熱膨張率が大きくなり、フィルタの加熱再生時に熱破
壊を起こす原因となる。
【0032】一方、セラミック原料粉末としてK2O含
有率3.0wt%のセリサイト粘土15重量部を水50
重量部に懸濁させる。この繊維懸濁液とセラミック原料
粉末の懸濁液を撹拌しつつ混合した。次に有機質結合剤
として酢酸ビニル−アクリル共重合エマルジョン溶液を
1重量部加えて十分に撹拌混合させた後、高分子凝集剤
を添加してアルミノシリケート繊維、セリサイト粘土、
有機質結合剤を互いに凝集させフロック状の懸濁液とす
る。こうして得られた凝集懸濁液を水で3000重量部
に希釈した後、通常の長網式抄紙機で抄造してシートを
作成する。
【0033】一方、粉砕したアルミノシリケート繊維2
0重量部と前記セリサイト粘土15重量部をポリビニル
アルコールでペースト状にしたプラグ原料を作成する。
【0034】上記で得られたシートを二分し、一方を歯
車形状の2本のロールを持つコルゲートマシンでコルゲ
ート状に成形するとともに、プラグ原料を一端に注入し
つつ、粉砕したアルミノシリケート繊維とセリサイト粘
土を有機質糊剤で混練して得られる接着剤をコルゲート
頂部に塗布して他方の平板状シートを貼り付ける。この
時注入したプラグ原料が、焼成後流入側プラグ2とな
る。ここで得られた段ボール形状の成形体のコルゲート
頂部に塗布して他方の平板状シートを貼り付ける。ここ
で得られた段ボール形状の成形体のコルゲート頂部に上
記接着剤を塗布するとともに、上記プラグ原料をもう一
方の端部に注入して円筒状に巻き上げてハニカム構造の
成形体を得る。この時注入したプラグ原料が、焼成後流
出側プラグ3となる。ここで、巻き上げの際、芯棒に巻
き上げて行くので、巻き上げ機からはずすと成形体の中
心部は空洞になっている。そこで、流入側にあたる方に
プラグ原料を注入する。このプラグ原料が焼成後芯5を
形成する。この成形体を電気炉にて1400℃で2時間
焼成すると、有機物は消失し、アルミノシリケート繊維
は酸化カリウム−二酸化珪素−酸化アルミニウム系のガ
ラスとなったセリサイト粘土によって融着され、繊維セ
ラミックの多孔壁4が得られる。
【0035】次に、本実施例の排気ガスフィルタを(図
3)に示すような排気ガス浄化装置に取り付けた。本実
施例の排気ガス浄化装置においては、排気ガスフィルタ
7を熱膨張性セラミック繊維からなる断熱クッション材
8で固定しながらケース15に収納する。微粒子補集中
は、バルブ12を排気ガスフィルタ7側に切り換えるこ
とにより、エンジン10から排出された排気ガスは排気
ガス導入管11を通り排気ガスフィルタ7へと送られ
る。排気ガスフィルタ7で、排気ガス中の微粒子は除去
され、微粒子を含まない排気ガスが排気ガス排出管16
を通り車外もしくはターボチャージャーへと送られる。
堆積した微粒子量が一定値を越えるとバルブ12をバイ
パス14側に切り替え、排気ガスフィルタ7の再生を行
う。ヒータ9に通電し排気ガスフィルタ7を加熱する
と、排気ガスフィルタ7中の流入口近くの微粒子が点火
される。微粒子に点火したら、ヒータ9の通電を止め、
エアポンプ13より空気を送り込み、火炎を流出口方向
に伝播させ、微粒子の燃焼を促進させる。微粒子の燃焼
が終了したら、バルブ12を排気ガスフィルタ7側に切
り換え、再び微粒子の補集を開始する。
【0036】この加熱再生の際に、排気ガスフィルタ7
には大きな熱応力が生じる。そのため、排気ガスフィル
タ7には大きな耐熱衝撃性が必要である。そこで、粘土
のK 2O含有率が耐熱衝撃性に与える影響を調べた。
(表1)記載の5種類の粘土を用いて前記の製造方法に
従って5種類の排気ガスフィルタを作製した。ただし、
それぞれ焼成温度が異なるため、有機質結合剤の量を調
節して全て同一の気孔率とした。この5種類の排気ガス
フィルタを、それぞれ前記排気ガス浄化装置に取り付け
て、同一条件で繰り返し加熱再生を行い、亀裂もしくは
材料の溶解が起こるまでの回数を調べた。結果を(表
4)に示す。ちなみに、排気ガスフィルタを実際にディ
ーゼルトラックに装備する際に要求される繰り返し再生
回数は1000回である。
【0037】
【表4】
【0038】(表4)に示すように、K2O含有率以下
のものは排気ガスフィルタに要求される1000回再生
まで耐え得ることが判った。また、フィルタの溶解も起
こらなかった。この結果と、前記の焼成条件との兼ね合
いにより、排気ガスフィルタに最適なK2O含有率は
1.8〜3.2wt%であることが判明した。
【0039】(実施例2)次に、実施例1と同様の製造
方法で、無機バインダ原料として合計のK2O含有率が
2.0wt%なるようにK2O含有率が4.0wt%の
セリサイト粘土7.5重量部とカオリナイト7.5重量
部を混合したものと、K2O含有率が4.0wt%のセ
リサイト粘土7.5重量部とパイロフィライト7.5重
量を用いて製造した排気ガスフィルタを前記と同様の実
験を行った。なお。無機バインダ原料にK2O含有率が
4.0wt%のセリサイト粘土7.5重量部と珪砂7.
5重量部を用いて製造した排気ガスフィルタを比較例と
した。結果を(表5)に示す。
【0040】
【表5】
【0041】(表5)に示すように、セリサイト粘土に
カオリナイトもしくはパイロフィライトを混合してK2
O含有率を1.8〜3.2wt%としたものでも、排気
ガスフィルタに要求される1000回再生まで耐え得る
ことが判った。
【0042】なお、本実施例においてはアルミノシリケ
ート系繊維を用いたが、アルミノボロシリケート系の繊
維を用いても同様の効果を得ることができる。
【0043】また、粘土の粒径を細かくすれば、前記焼
成温度より低い温度で焼成しても差し支えない。
【0044】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば排気ガスフィルタの機械的強度を大幅に増大さ
せることが可能となるので、加熱再生の繰り返しに対す
る耐熱衝撃性を向上させることができ、長寿命の排気ガ
スフィルタを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例による排気ガスフィルタの断
面図
【図2】本発明の一実施例による排気ガスフィルタの斜
視図
【図3】本発明の一実施例による排気ガスフィルタを用
いた浄化装置の略断面図
【図4】従来の排気ガスフィルタの断面図
【符号の説明】
1a,1b セル 2 流入側プラグ 3 流出側プラグ 4 多孔壁 5 芯 6 排気ガスフィルタ 7 断熱クッション材 8 ヒータ 9 エンジン 10 排気ガス導入管 11 バルブ 12 エアポンプ 13 バイパス 14 ケース 15 排気ガス排出管

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】主成分としてAl23、SiO2よりなる
    セラミックス繊維を、少なくともK2O、Al23、S
    iO2からなる無機バインダで結合させたハニカム構造
    体であって、前記無機バインダのK2Oの含有率が1.
    8〜3.2wt%の範囲にあることを特徴とする排気ガ
    スフィルタ。
  2. 【請求項2】無機バインダはムライト結晶及びガラス相
    の2相からなることを特徴とする請求項1記載の排気ガ
    スフィルタ。
  3. 【請求項3】セラミックス繊維はアルミノシリケート系
    もしくはアルミノボロシリケート系であることを特徴と
    する請求項1記載の排気ガスフィルタ。
  4. 【請求項4】主成分としてAl23、SiO2からなる
    セラミックス繊維と、主成分がK2O、SiO2、Al2
    3であって、かつ前記K2Oの含有率が1.8〜3.2
    wt%の範囲にあるセラミックス原料とを有機バインダ
    で結合させたハニカム構造体を、前記無機バインダ中に
    生成される石英及びクリストバライト結晶が、前記主結
    晶成分の加熱分解により生じたガラス相中に完全に溶け
    込む温度以上の温度にて焼成することを特徴とする排気
    ガスフィルタの製造方法。
  5. 【請求項5】原料粉末の主結晶成分がセリサイトである
    ことを特徴とする請求項4記載の排気ガスフィルタの製
    造方法。
  6. 【請求項6】主成分がK2O、SiO2、Al23であっ
    て、かつ前記K2Oの含有率が1.8〜3.2wt%の
    範囲にあるセラミックス原料は、セラミックス繊維また
    は粘土鉱物あるいは長石質鉱物を主結晶成分とするセラ
    ミックス原料粉末であることを特徴とする請求項4記載
    の排気ガスフィルタの製造方法。
  7. 【請求項7】セラミックス原料粉末Aの主結晶成分がセ
    リサイトであり、かつセラミックス原料粉末Bの主結晶
    成分がカオリナイトもしくはパイロフィライトであるこ
    とを特徴とする請求項6記載の排気ガスフィルタの製造
    方法。
  8. 【請求項8】セラミックス繊維がアルミノシリケート系
    もしくはアルミノボロシリケート系であることを特徴と
    する請求項4または6記載の排気ガスフィルタの製造方
    法。
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