JPS6121986A - 多孔質焼結体の製造方法 - Google Patents

多孔質焼結体の製造方法

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JPS6121986A
JPS6121986A JP14257184A JP14257184A JPS6121986A JP S6121986 A JPS6121986 A JP S6121986A JP 14257184 A JP14257184 A JP 14257184A JP 14257184 A JP14257184 A JP 14257184A JP S6121986 A JPS6121986 A JP S6121986A
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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】 (発明の技術分野) 本発明はリチウムアルミネートの多孔質焼結体の製造方
法に関するものである。
(発明の技術的背景とその問題点) 従来のセラミックス多孔質体としては、各々気孔の性状
は異なるが、素焼きの陶器や発泡性ガラスのセラミック
スやセラミックスフオームがある。
しかし、これらを燃料電池用電解質タイルに使用する際
の多孔質板としては、セラ(−プレスに要求される硬さ
や緻密さに欠けている。また、気孔部へ各種の無機物質
や電解質を充填して使用する場合に、充填量が少なく、
イオン通過性、電子伝導性が不足するものがかなりある
。また、イオン通過性や電子伝導性が満足しても、気孔
に充填した各種の無機物質や電解質が気孔部から流失し
てしまう欠点、あるいはセラミックスの骨格だけでは、
十分な強度がでないという欠点を持つものが多かった0 セラミックスのシートを作る場合に、抄紙方法を用いな
いで作る方法は、射出成形法、押出成形法、静水圧プレ
ス法等がある。しかし、これらの方法では、3Qcm 
平方以上の大面積のセラミックスシートを作ると、表面
が割れたり、歪曲して均一なものとならない。
また、従来、多孔質焼結体の作り方で、焼結性物質の粉
体として、α−アルミナを、繊維質として木材パルプを
51〜70重量%添加し、湿式混練し、凝集させた後、
抄造して得たシート状物を焼成することにより、薄くて
緻密な多孔質体を得る方法がある。しかし、この方法で
は、高い気孔率を得るために、木材パルプの含有量が多
くなり、しかも、d−アルミナを使用しているため、焼
結物質を得るのに、1500〜1600℃の高温で焼成
する必要があった。
更に、d−アルミナと水酸化リチウム、炭酸リチウム、
硫酸リチウム等のリチウム塩類を600〜1000℃に
加熱して反応させ、r−リチウムアルミネートを製造し
、これに木材パルプや樹脂を添加し抄造して、1000
〜1300℃程度に昇温し、焼成することによって多孔
質焼結体を作る方法があった。この場合には、r−リチ
ウムアルミネートを製造する時と多孔質焼結体を作る時
の2回焼成を行なわなければならず、かなりの熱エネル
ギーが必要となるという欠点があった。
(発明の目的) 本発明では、前記のような欠点を除去し、あるいは、こ
れらの欠点を補なうのに十分な、緻密で強度があり、気
孔率が高く、細孔が、迷路のようになっているセラミッ
クスの多孔質焼結体を製造する方法を提供するものであ
る。
(発明の概要) すなわち、本発明はアルミナ1モルに対して、水酸化リ
チウムまたはリチウム塩からなるリチウム化合物0.7
5〜2.0モル、および前記リチウム化合物を除く水酸
化アルカリまたはアルカリ塩からなるアルカリ無機化合
物0.25〜1.0モルを、この配合比の粉体で、繊維
質とともに水中で撹拌混合して水性スラリーとなし、液
のPH値を6〜10に調整し、凝集剤を添加して粉体を
繊維質に吸着凝集させて抄造することにより、焼成前の
乾燥全重量に対して繊維質分が3〜15重量%になるよ
うにしたシート状もしくは板状の抄造成形物を得、乾燥
後、該成形物中の有機繊維質を焼失気化させ、しかるの
ち通常゛の焼成により粉体な焼結させて焼結物を得、該
焼結物を水中に入れて、アルミン酸アルカリ分を溶出さ
せることにより、気孔率が40〜80%とすることを特
徴とするリチウムアルミネートの多孔質焼結体の製造方
法である。
(発明の詳述) 多孔質焼結体としては、アルミナが緻密質で、耐熱性が
高(電気絶縁性等に優れている。しかしながら、燃料電
池用電解質タイルとl、て使用する場合は、焼結したア
ルミナの気孔部分に炭酸リチウムと炭酸カリウムの電解
質を充填して使用するが、その際に、電解質の炭酸塩の
中では特に、炭酸リチウムがアルミナと反応し、リチウ
ムアルミネートに変ってしまう。本発明にお(・ては、
そのリチウムアルミネートの中で、一番安定な構造であ
るY−リチウムアルミネートを、水酸化リチウム、水酸
化ア゛ルカリ、リチウム塩、アルカリ塩の混合物とアル
ミナを反応焼結させた後、r−リチウムアルミネートの
部分を残して、アルミン酸アルカリを溶出して、多、孔
性焼結体を製造する方法である。
以下さらに詳細に説明すれば、アルミン酸リチウムの多
孔質焼結体の製造方法では、水酸化リチウム、水酸化ア
ルカリ、リチウム塩、アルカリ塩とアルミナを反応させ
た、アルミン酸アルカリの焼結体を作る。
ここで用いるリチウム塩は、塩化リチウム(Li(J)
炭酸リチウム(Li2CO5)、硝酸リチウム(LiN
Os)、硫酸リチウム(Li2SOりから選択される一
種または二種以上であり、水酸化リチウム(LiOH)
  とともに用いられたり、あるいは、それぞれの単独
で用いられる。要は、リチウムの供給源としてヂチウム
塩または水酸化リチウムが、アルミナ1モルに対して、
075〜2.0モル用いられるのである。
一方、上記のリチウムを除くアルカリ分として、水酸化
アルカリまたはアルカリ塩が用いられる。
ここで言う、水酸化アルカリは水酸化カリウム(KOH
)、水酸化ナトリウム(NaOH入水酸化マグネシウム
(Mg(OH)2)、水酸化力、Al1つム(Ca(O
H)2)から選択される少なくと・も一種であり、アル
カリ塩としては、カリウム塩、ナトリウム塩、マグネシ
ウム塩、カルシウム塩から選択される少なくとも一種を
用いる。これらの水酸化アルカリまたはアルカリ塩は、
アルミナ1モル′に対して0.25〜1.0モル配合さ
れ、焼結物となった後はアルミン酸アルカリとして溶出
され、多孔質体の空孔な形成する役目を荷うものである
これらの無機化合物と好ましくは平均粒径1ミクロン以
下の微細なアルミナを粉体の状態で繊維質とともに水中
で撹拌混合して水性スラリーとなす。繊維質は、木材パ
ルプ、合成樹脂繊維質などの有機質繊維f)ほか、アス
ベスト、セラミックファイバーのような無機質繊維も用
いることができる。但し、有機質繊維は、焼成中に焼失
気化するものであるから、多孔質体の空孔率を高めるの
に寄与し、有用である。また無機質繊維を採用すれば、
抄造の段階で有機質繊維とともに粉体のキャリヤーとな
るばかりでなく、焼成後の焼結物中に残存して補強の役
目を果すという利点がある。
水性スラリーは抄造法により粉体を多量に含むシートも
しくは板状の抄造成形物を得るためのものである。この
水性スラリーは前出の繊維質と粉体々・らなる固形分に
対して重量で4〜201倍程度の水を用いて作成される
。− このスラリー液のPHについては、一般には、凝集、抄
紙を行うのに、液のPHが3〜11程度が適している。
しかし、本発明においては、無機焼結体の原料として、
強アルカリから中性のものを使用する。そのために、凝
集を行うのにPH調整が酸性側へ偏ること、特にPH3
〜4にすることは得策でない。凝集剤と界面活性剤を検
討し、凝集しに(くなるとともに、濾過速度が遅くなる
欠点がある。
凝集剤としては、ポリアクリルアミド系の高分子凝集剤
を用いるのが良く、これに併用して両性界面活性剤を採
用すれば、繊維質への粉体の捕獲率を高めることができ
る。抄造する′ことにより、乾燥全重量に対して繊維、
部分が3〜15重量%になる焼成用のシート状もしくは
板状の成形物を得るようにする。
焼成の際、抄造成形物中の有機繊維質は、500〜60
0℃付近で焼失気化するものであり、しかる後、焼成温
度1000〜1200℃で焼成する。
この際、アルミナとアルカリ塩類は次のように反応する
2LiOH+A/ 2is  −ミーーーー→ 2Li
Al!02+H2O2L1(J’+A/203++/2
02−一→ 2LiAj?0N−C/22LiNO3+
AI!203−〉 2LiAI!02+2NO2+1/
202Li 2cO5+A/20g −〉 2LiAJ
ON−CO2Li 2SO4−1−AJ 2Q3−−ミ
ー一→ 2LiAJO2+SO2++/2022NaO
H−)%/203−−−−−→2NaAIO2+H2O
2NaC1+1120s++/202−−→ 2NaM
:02+C122NaNOs+Al2O52NaA10
2+2NO2+1/202Na2C05+AI!205
−〉 2NaAt!02+C02NazSOa+AI!
20s  −−一−−→ 2NaA102+SO2+1
7’20z2KOH+AJ20g  −一−−−−→2
KAeO2+H2O2KCl+A、e203++/20
2−一→2KAeCh+Ce22KNOx+AI!20
5−−−一→21(Ae02+2NO2−1−+720
2に2COs+Al2O5−−−一−→2KAeCh 
+CO2に2S04+A1203−一−−→2KAeO
2+SO2+1/202Mg(OH)2+A1203−
→MgAe204+H2OMgCl2+Al2O3+1
/202−→MgAe204+Ce2Mg(NO3)2
+AI!20s  −−−−ゆMgAj?z04+2N
O2−)−1/202MgCO5+ke20s   −
一−−−→MgM20a+CO2MgSO4+Ae20
3−ミー一一→MgAe204+SO2+1/202C
a(OI])2+Ae205−−一−→CaAe204
+H2OCaCe2+Ae20s+1/202−一→c
aAe204+ce2Ca(N03)2−1−Ae20
3−m=−→CaAe2(J4+2NO2−1−1/2
02CaCOx−1−Ae205−ミーーーー→CaA
e204+C02CaSOa+Ae20s −一〜−−
子’ CaAe204+SO2++/2ozこの結果、
焼結体はアルミン酸アルカリ(IjAe02)とアルミ
ン酸7/l/カリ(NaAlO2、KAe02、MgA
e204、Cal’e20a )  の混合物となる。
この混合物の中からアルミン酸リチウムだ′けを残すた
めに、PH値を6〜10に設定した望ましくは50℃以
上の温水に焼結物を入れる。アルミン酸リチウムは、ア
ルカリ水溶液に不溶であるので残存し、一方、アルミン
酸アルカリ(アルミン酸アルカリを除く)は、溶解する
ので溶出し終るまで浸出させる。
アルミン酸アルカリが浸出したら水洗、乾燥してアルミ
ン酸リチウムの多孔質焼結体ができる。
水酸化リチウム、水酸化アルカリ、リチウム塩類、アル
カリ塩類とアルミナのモル比は、アルミン酸アルカリ溶
出時に、気孔率が40〜80%になるように調整してい
る。すなわち、前述した粉体のモル比の比率で、設定範
囲よりアルカリ塩、水酸(14アルカリの量を増やすと
、アルミン酸アルカリの量が増えて、溶出後に気孔率が
増えることになる。そのため、アルミン酸リチウムの骨
格強 一度が低下して、割れ易くなる。また、設定範囲
よりアルカリ塩、水酸化アルカリの量を減らすと、多孔
質板として必要な気孔率が不足することになる。
説明が前後したが、抄造用の水性スラリー液の調整では
、強アルカリ〜弱アルカリ性のP Hを6〜10に調整
するのに、塩酸、硫酸、硝酸等が使用される。しかし、
これらの酸を使用すると、溶解度の高いLi塩、アルカ
リ塩がより多く生成されて液の粘性をあげてしまい、凝
集、抄紙の効率が悪くなる。故に本発明では、スラリー
液のPH調整にCO2を吹込んで行うのが好ましく・。
この効果は、Li塩、アルカリ塩がCO2吹込みで炭酸
塩となって、結晶の溶解度が小さいため、液中に結晶析
出して、液の粘性が上らず繊維、無機物焼結原料ととも
に凝集するので、抄紙性も良いという効果がある。
また抄造を行った後に残る白水、ナなわち抄紙時に脱水
してシートを作った際の白水は循環させるのが実際的で
ある。通常、この白水は排水処理して放流されるが、本
発明では、白水の中に、Li塩、アルカリ塩、凝集剤等
の水溶解物質がかなり含有されており、このまま排水処
理へ回すには、排水処理費も大変であるし、原材料も無
駄になり不経済である。
焼成温度は、通常、L1塩、アルカリ塩がアルミナと反
・応して、アルミン酸アルカリ、アルミン酸リチウムだ
必要な温度ということである。そして、必要なアルミン
酸リチウムの焼成条件は1100〜1300°Cで1時
間程度である。ところが、本発明では、アルミナ、リチ
ウム塩、アルカリ塩、アルミン酸リチウム、アルミン酸
アルカリが混合するので、共晶効果で溶融温度が下るの
で、必然的に焼結温度も下るという効果があるので、焼
結温度は1000〜1200℃で1時間でよくなってい
る。
焼結物からアルミン酸リチウムを除くアルミン酸アルカ
リを溶出する際に、アルミン酸リチウムは水に不溶であ
り、酸性水溶液では徐々に、酸と反応して分解される。
アルミン酸アルカリは、゛中性、酸性、アルカリ性の水
溶液に溶解しで行く。
アルミン酸リチウムの多孔質体を製造するのに、焼結物
からアルミン酸アルカリを溶出しなければならない。本
発明では、アルミン酸リチウムの多孔質体の骨格を残し
、40〜80%の気孔率を得るのに、PH6〜10まで
の水溶液でアルミン酸アルカリを浸出して行く。その結
果、微細な空孔径を持ち、気孔率が40〜80%の任意
に調整された多孔質アルミン酸リチウムあ焼結体となる
以上のように、リチウム塩およびアルカリ塩とアルミナ
と繊維質で凝集、抄造、焼成、水洗、乾燥することによ
って、気孔率が40〜80%と大きく、細孔が迷路のよ
うになった緻密質で強奪の大きな燃料電池用電解質タイ
ルが製造可能となる。
以下に本発明の具体的な実施例を述べる。なお、組成は
全て重量比である。
〈実施例1〉 (5)試料の調整 (I3)凝集剤と界面活性剤 C−009PJ) 先ず、300部M程度のボールミルに水酸化IJ −I
F−ラム38部と水酸化ナトリウム32部と■−アルミ
ナ102部を入れ、48時間粉砕を行う。その結果、水
酸化リチウム、水酸化ナトリウム、d −アルミナの粒
径はo3#以下になる。
次に、2部程度の容器に水を100部と白水1000部
と木材パルプ10部を入れ、20分はと撹拌して、パル
プを水溶液に十分分散叩解させ、 。
そこへ、あらかじめ粉砕しておいた水酸化リチウム、水
酸化ナトリウムと反−アルミナの混合物を加えて、1分
はど撹拌し、水性スラリーを作る。
この水性スラリーは水酸化リチウム、水酸化ナトリウム
の一部が水に溶解して強アルカリ性となる。そこで、4
02e入りの液化炭酸ガスボンベを1次、2次減圧を行
い、圧力を0.2 kg/m gに調整する。炭酸ガス
吹出口には、洗気ピンで使用される細かい気泡を吹出さ
せる吹出しノズルを取付けて、水性スラリーの入った2
ノ容器の水溶液中に炭酸ガスを吹込む。スラリーを撹拌
しながら、PHが8〜9になるまで炭酸ガスを吹込み、
PHが8〜9になったことをPH試験紙で確認する。
次に、これもあらかじめ作っておい′た両性界面活性剤
(リボミンLA20−%水溶液)を5部、ポリアクリル
アミド系高分子凝集剤(アニオン系−サンフロックAH
−200Pの0.1%水溶液)を60部とポリアクリル
アミド系高分子凝集剤(カチオン系:サンフロック゛C
−00・9Pの0.1%水溶液)を60部添加し、30
秒はど撹拌して凝集させる。
以上のようにして凝集した試料は、抄造機で抄紙し、3
00mm角で1,5〜2.2 mm−厚のシート状にす
る。これを乾燥機で120℃で1〜2時間乾燥した後に
電気炉へ入れる。電気炉は酸化塔囲気か、必要ならば空
気を流しながら、室温から50℃/時の昇温速度で加熱
し、木材パルプが焼失気化される温度の600℃で2曜
保持する。その後、CO2と反応して生成した炭酸リチ
ウム、炭酸ナトリウムとイーアルミナが反応し、アルミ
ン酸リチウムおよびアルミン酸ソーダが焼結する110
0℃まで200℃/時で昇温し、電気炉内温度が110
0℃になったら、この温度で1時間保持して、アルミン
酸)・チウムとアルミン酸ソーダの混合焼結をさせる。
焼結後、炉内放冷し、室温まで冷却させて、冷却した焼
結物を、水を入れた6 00 mm長X500mm中×
40mm高程度のバットの中へ入れる。水中へ入れて、
少量の水を流しながら水洗を行う。この際、アルミン酸
リチウム以外のアルミン酸ソーダや焼結物生成に関与し
ない過剰の炭酸ナトリウムが水の中へ溶解してアルカリ
性を呈する。水洗の水がアルカリ性を呈するようになる
とアルミン酸ソーダや炭酸リチウムや炭酸ナトリ・ラム
の溶解、浸出が悪くなるので、必要ならば、希釈した酸
性水溶液(P、82〜3)を添加し、水洗水のPHを6
〜8に保つ。PH試験紙でPHが7になるまで水洗を行
い、PHが7になったら、バットから取出し、120℃
にした乾燥機で2時間はど乾燥させて水分を除去すると
アルミン酸リチウム(r−リチウムアルミネート〕の多
孔質板が製造される。
〈実施例2ン (Al試料の調整 以上のような組成(Ai (Blを用いて、以下は一施
例1と同様にしてY−リチウムアルミネートの多孔質焼
結物が得られた。
〈実施例3〉 AH−200PJ) 以上のような組成(A) (B)を用いて、以下は実施
例1と同様にして7−リチウムアルミネートの多孔質体
が得られた。
(発明の効果) このようにして得られたセラミックス多孔質体は燃料電
池で用いられる電解質タイルとしての性能に優れ、耐久
性にもすぐれているものである。
また、細孔の径が1μ以下と細かく、均一に分布されて
いるので、燃焼排ガスの触媒担体や分子篩への応用が可
能である。
本発明によれば、薄型で、緻密質で強度があり、気孔率
が高く、細孔が迷路のように連続的になったセラミック
ス多孔質体が製造される。
本発明では、従来の薄型で、気孔のない緻密質の金属酸
化物を作る方法と発泡性多孔質体を作る方法の両方法の
長所を取入れており、気孔率の調整も繊維の添加量とア
ルミン酸ンーグの生成量の制御によって自由に変えられ
る。しかも、セラミックスフオーム製造における問題の
ポリウ5レタンによる発泡を施した後の複雑な処理工程
が、本発明では除去されるので、製造工程が簡略化され
る。
その上、従来使用できなかった熱による膨張、収縮を繰
返す場所や応力のかかる場所および特に、燃料電池用電
解質タイルのように、熱応力、電気的応力、機械的応力
が繰返しかかる場所への使用が十分可能になる。
さらに言えば、焼成用のシ・−°ト状物を成形するのK
、抄造技術を用いるので、均一な厚さのシート状物を連
続製造することが可能であり、その厚さも様々な、範囲
で実施可能である。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)アルミナ1モルに対して、水酸化リチウムまたは
    リチウム塩からなるリチウム化合物0.75〜2.0モ
    ルおよび前記リチウム化合物を除く水酸化アルカリまた
    はアルカリ塩からなるアルカリ無機化合物0.25〜1
    .0モルを、この配合比の粉体で、繊維質とともに水中
    で撹拌混合して水性スラリーとなし、該スラリーのPH
    値を6〜10に調整し、凝集剤を添加して粉体を繊維質
    に吸着凝集させて抄造することにより、焼成前の乾燥全
    重量に対して繊維質分が3〜15重量%になるようにし
    たシート状もしくは板状の抄造成形物を得、乾燥後、該
    成形物中の有機繊維質を焼失気化させ、しかるのち通常
    の焼成により粉体を焼結させて焼結物を得、該焼結物を
    水中に入れて、アルミン酸アルカリ分を溶出させること
    により、気孔率が40〜80%とすることを特徴とする
    リチウムアルミネートの多孔質焼結体の製造方法。
  2. (2)繊維質が、木材パルプ、合成樹脂繊維質、アスベ
    スト、セラミックファイバーから選択される少なくとも
    一種である特許請求の範囲第1項記載の多孔質焼結体の
    製造方法。
  3. (3)リチウム塩が、塩化リチウム、炭酸リチウム、硝
    酸リチウム、硫酸リチウムから選択される少なくとも一
    種である特許請求の範囲第1項記載の多孔質焼結体の製
    造方法。
  4. (4)水酸化アルカリが、KOH、NaOH、Mg(O
    H)_2、Ca(OH)_2から選択される少なくとも
    一種である特許請求の範囲第1項記載の多孔質焼結体の
    製造方法。
  5. (5)アルカリ塩が、カリウム塩、ナトリウム塩、マグ
    ネシウム塩、カルシウム塩から選択される少なくとも一
    種である特許請求の第1項記載の多孔質焼結体の製造方
    法。
  6. (6)アルミナが、平均粒径1ミクロン以下のものであ
    る特許請求の範囲第1項記載の多孔質焼結体の製造方法
  7. (7)焼結物からアルミン酸アルカリを溶出する水が、
    PH値6〜10である特許請求の範囲第1項記載の多孔
    質焼結体の製造方法。
  8. (8)焼結物からアルミン酸アルカリを溶出する水が、
    50℃以上の温水である特許請求の範囲第1項または第
    7項記載の多孔質焼結体の製造方法。
  9. (9)水性スラリーのPH値を6〜10に調整する手段
    として炭酸ガスを水性スラリー中に吹込む特許請求の範
    囲第1項記載の多孔質焼結体の製造方法。
  10. (10)焼成温度が1000〜1200℃である特許請
    求の範囲第1項記載の多孔質焼結体の製造方法。
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