JPS6183689A - 炭化ケイ素質ハニカム構造体 - 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〕 本発明は炭化ケイ素質ハニカム構造体に関し、特に本発
明はハニカム構造体の隔壁表面で生じる熱移動、化学反
応並びに吸着、拡散、吸収などの物質移動を圧力損失少
く且つ効率よく行うことのできる板状結晶から主として
ｌ’ｉ／２ＥＺされる多孔質の炭化ケイ素焼結体のハニ
カム構造体に関する。

〔従来の技術〕

従来内燃機関等の排気ガス浄化装置に使用されるセラミ
ック質のハニカム構造体としては焼結可能な無機質粒子
で、可焼性を存するセラミック薄板を乍り、こｎを波付
けして別のセラミック薄板とともにハニカム状に組み立
てて焼成するか、あるいはパイプを押し出して結束し、
焼結して一体構造としたものや、有機質バインダーを含
んだ可焼性を有するセラミック混線物を所望する形状に
なるように設計されたダイスより押出し一体構造となし
た後乾燥焼成することによってハニカム構造としたもの
や、有機質担体で、ハニカム原型を作りセラミック質の
泥媒を塗布含浸し、焼成したものナト、いろいろの製法
によるハニカム構造体が用いられている。

一般にこのよりなハニカム構造体では一定形状の貫通孔
が均一に多数配列し、その貫通孔が流れに対して平行で
直線的であるため、流体の圧力損失が小さいという利点
がある。しかし、流体と隔壁間で起こる熱伝導あるいは
酸化、還元反応等の化学反応あるいは、流体中に含まれ
る微粒子、水分等の吸着あるいは分離等の物質移動現象
は有効には働かないという欠点があった。このよりな欠
点を改善するために隔壁の厚さを薄くしさらに貫通孔の
大きさを小さくすることによって流体との接触面積を大
さくする試みが行なわれている。ところがこれまでのと
ころ、１１ｎｃｈ２当り３００〜４００個の貫通孔（１
，５＊ｆｆ１Ｘ１．５ｕ　〜１１ｆｆＸ’１．３ＩＩＪ
ｌ）で隔壁の厚さはＱ、２ｍｍが限度であり、これ以上
接触面積を大きくすることは技術的に非常に困難であっ
た。一方、さらに有効に前述した熱移動、化学反応ある
いは物質移動現象を起こさせるために、隔壁を多孔質化
することが行なわれている。

このような多孔質セラミックハニカム構造体トしては、
例えば特開昭５６−１２９０２０号公報によれば、「多
数の貫通孔を有するハニカム構造の多孔質セラミック材
料によりなシ、所定の貫通孔の一端を封するとともに残
りの貫通孔の他端面を封シタことを特徴とするセラミッ
クフィルター。」が開示されている。

この方法は、ハニカム隔壁を多孔質化し、そこに積極的
に流体を通過せしめることを目的としているが、この方
法によると以下のような問題点がある。すなわち、一般
に多孔質隔壁は第１図に示す如く骨材粒子をガラス質フ
ラックスあるいは粘土質などの結合材を加えて高温焼成
することによって固めたような構造を持ち、結合材（つ
）で均一に被覆された骨材（イ）が密に圧縮され、焼成
によってこれらが強固に結合すると同時に、これらの間
隙が貿孔（７１となる。骨材形状は多角形であり不規則
なものが多く、骨材の占める容量に対し気孔の占める割
合は３０〜４０ｑ６と比較的少ない。そのため、通気抵
抗は大きく気体や液体の流体物との接触面積は少なく、
気体濾過には適さない場合があり、特に触媒担体などの
用途には適さないものが多い。

そして、微小気孔を有するものは、粒度配合を粗粒と微
細粒子を適度に混合せしめる必要上、成形体の嵩密度は
著しく高くなる。したがって戴孔率は小さくなりまた一
部閉気孔化が生じる。一方、この方法によれば比較的大
きい気孔を有する多孔質体は当然骨材粒子も大さくなる
ため、粒子間の接触点が少く機械的強度は嵩密度が高い
場合の２分の１以下に低下する。このため、前述した如
き結合剤が使用されるが、この時多孔質体の強度は結合
剤に左右される。すなわち、この結合剤は１０００〜１
４００°Ｃの高温焼成により、溶融し、骨材の表面で反
応しコーティング層を形成すると共に結合剤相互の融着
によって骨材を結合する機能を持つが当然の如く、高温
度で使用する際、特にガラス転位温度付近では変形を生
じ著しく強７ｙが低下する欠点がある。

また、生形体をハニカム一体構造で押出成形し、乾燥焼
成したものは、その材質が例えばコージェライトを主成
分とするものであれば、第２図の拡大模式図に示すよう
に板状又は針状形状のセラミック種子（キ）はハニカム
構造体の生成形体が押出成形される際に、押出し方向Ａ
に配向し易い。そのため、このような配向を示すハニカ
ム構造体を側壁とするフィルターにおいては、気体や液
体の流体物が移動しようとするＢ方向に対してほぼ垂直
な面となり、流体物は側壁の間隙中を通過し難く、通過
時の抵抗は大きいばかりでなく圧力損失が大きくなる欠
点がある。まだ、セラミ、り粒子（キ）は板状で表面が
比較的平滑な面で構成されているため、流体物の接触面
積は比較的少なく前記熱移動、化学反応、物質移動など
を効率よく行うことはできない。

一方、その材質が炭化ケイ素を主成分とするものである
と第１図の拡大模式図に示すように粒状又は塊状形状の
セラミック粒子（イ）は結合材（ｆＡを介してそれぞれ
密着しておシ、これらの粒子間には気孔（力が存在して
いるが、この気孔の占める割合は前述のように８０−４
０％と比較的少なく、そのため通気抵抗は大きく気体や
液体の流体物との接触有効面積は少ないので触媒担体や
フィルターなどの用途には適さないものが多い。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、上記従来技術の欠点を除去・改善し、触媒担
体やフィルターとして最適の構造を有する炭化ケイ素質
ハニカム構造体を提供することを目的とし、前記特許請
求の範囲各項記載のもので、上記本発明の目的を達成す
るものである。

〔問題点を解決するだめの手段〕

以下、本発明の炭化ケイ素質ハニカム構造体を図面など
によシ具体的に説明する。

第３図の顕微鏡写具は本発明の炭化ケイ素質ハニカム構
造体の隔壁の結晶構造の一部拡大写真である。

この写真からも明らかなように、本発明の炭化ケイ素質
ハニカム構造体の隔壁は板状結晶が多方向に複雑な状態
で絡み合い三次元の網目構造が形成されており、気孔部
の占める割合は５０〜８０容量％以上と比較的多く、し
かも通ｇｃ性に富んだ状態の気孔部である。

このような構造を持ったハニカム構造体では、同サイズ
の気孔径を持つ第１図あるいは第２図に示されているよ
うな多孔質壁に比べて比表面積が大きくなる。一方、隔
壁の表面に板状結晶が突き出る形となり、ハニカムの軸
方向の流れから流体を積極的に、多孔質体内に取シ込み
易くなる。また、板状結晶から成る隔壁の表面の形状が
複雑になるため、貫通孔を通る流体の流れが不規則とな
り、流れに乱流が生じ易くなる。このため、系内の均一
化が促進するという効果も見い出された。

このように網目状構造の隔壁を存する炭化ケイ素質ハニ
カム構造体は、隔壁と流体間で生じる熱伝導、化学反応
あるいは吸着、分離、吸収等の物質移動を効率よく生ぜ
しめ、しかも、それらの現象を均一に行うことのできる
特徴を有するハニカム構造体である。

ところで、本発明者は炭化ケイ素の粉末を主成分とする
原料組成物を成形し、焼結体を製造していたところ、通
常緻密化した後に焼結体に形成される結晶が緻密化する
ことなく、極度に板状結晶が発達することを新規に知見
した。そこで、本発明者は前記現象について種々検討し
研究した結果、板状結晶が複雑な状態で絡み合い三次元
の網目構造が形成された全く新しいタイプの多孔質炭化
ケイ素焼結体が得られ驚くべき性能を有することを新規
に発見し、本発明を完成するに至った。

本発明は気孔が連続し、かつ直線的でない構造を有し、
かつ高い気孔率と比表面精を有した炭化ケイ素質多孔質
隔壁を有するハニカム構造体を提供するものである。

本発明によれば、前記目的に対して、本多孔質炭化ケイ
素焼結体は平均アスペクト比が２〜５０の炭化ケイ素板
状結晶を主体として構成する三次元の網目構造を有する
焼結体であり、該焼結体は少くとも６０１ｍ％のβ型炭
化ケイ素からなる炭化ケイ素扮末を出発原料とし必要に
より結晶成長助剤を添加する工程と前記混合物に成形用
結合剤を添加混合し、所望する形状に成形する工程と次
いで前記成形体を焼成する工程とにより得られるもので
ある。

次に本発明の詳細な説明する。

本発明によれば、前記多孔黄体は平均アスペクト比が２
〜５０の炭化ケイ素板状結晶で構成されていることが必
要であり、その結果生成する該結晶は三次元の網目構造
となっていることが特徴である。このようにアスペクト
比の下限を設ける理由は、前記板状結晶の平均アスペク
ト比が２より少いと、炭化ケイ素結晶によって構成さｎ
る気孔が、結晶の占める容積に比べて小さくなるため、
高い気孔率と大きな気孔径を有することが困難となるた
めで必る。一方、前記板状結晶の平均アスペクト比が５
０以上になると、板状結晶の接合部の強度が低くなるた
め、多孔質体自体の強度が著しく低いものとなるからで
前記多孔質ハニカム構造体の保形が困難となるためであ
り、なかでも前記板状結晶の平均アスペクト比は８〜３
０であることがよシ好適である。

まだ、前記板状結晶の平均短軸方向厚みは０．１〜３０
０μｍであることが好ましく、なかでも０．５〜２００
μｍであることが最適の条件である。

そして、前記板状結晶は前記多孔質体１００ｉ量部に対
し、少くとも２０重量部を占めることが重要である。そ
の理由は、２０重量％よりも少いと、結晶によって形成
される気孔が、結晶の占める容量に対して少なくなり、
前記熱移動、化学反応あるいは物質移動の行なわれる有
効面積が少くなる。

また、板状結晶の接合面積が少くなるため、多孔質体の
機械的強度が著しく低下するからである。

なかでも、少くとも４０重量部であることが最も好適に
使用できる条件である。

また、前記網目構造の平均開放気孔径は０．１〜５００
μ扉であることが好ましく、なかでも、０．５〜３００
μｍであることが最適の条件である。

そして、前記網目構造の開放気孔率は２０〜９５谷量％
であることが好ましい。その理由は開放気孔率が２０容
量％よりも小さいと、気孔の一部が独立気孔化し、前記
有効表面積が小さくなるためであり、９５容量形よりも
大きいと、有効表面積は大きくなるか、ハニカム構造体
の保形性が保てなく々るためであり、なかでも３０〜９
０容量％であることが最適な条件である。

そして、前記炭化ケイ素質隔壁の比表面積が少くとも０
．０５ｍ／Ｆであることが好ましい。ここで比表面積は
窒素吸収によるＢＥＴ法によって求められる値である。

そしてなかでも、少くとも０．２にｑであることが最も
好適に使用できる条件である。

次に本発明を実施例について説明する。

〔実施例〕

実施例１ この実施例の原料バッチに対して、８０Ｍ量％がβ型結
晶および５重量％の２Ｈ型、１０重魚形の４Ｈ型α型結
晶からなる出発原料を用いた。この出発原料には不純物
としてＢが０．０１、Ｃが０．５、Ａ、Ｊが２．１０１
Ｎが０．２、Ｆａが０．０８原子量部、その他の元素は
痕跡置台まれており、これら不純物総量は２．９１原子
址部であった。また、この出発原料の平均粒径は０．８
μｍ、比表面積は１８．７ゴ／ｙであった。これに成形
用結合剤としてメチルセルロースを１０重量部、水分を
２０重片部添加し、直径１３（ＪＬｔ％長さ１２０ｔｌ
Ｋ、貫通孔の隔壁の厚さＱ、　３　順、−平方インチ当
りの貫通孔数約２００の炭化ケイ素質ハニカムの押出成
形体を得た。

この成形体をアルゴンガス０．５　気圧中で、室温〜５
００°Ｃまで３°Ｃ／分の昇温速度で前記結合剤を熱分
解した後、５００〜２１００″Ｃまで５°Ｃ／馴で昇温
し、最高温度で４時間保持した。この焼結体は第３図に
示す多孔質炭化ケイ素隔壁を存してｉ、−り、板状結晶
の平均アスペクト比は１０．平均短軸方向厚みが５μｍ
であり、板状結晶の占める割合が、炭化ケイ素質１００
実景部に対して９８重世部でらる、気孔率７８％の網目
構造となり、その平均開放気孔径は３０μｍであった。

このハニカム構造体の有効表面積は１８０イであり、こ
の試料について常温空気を用いて圧力損失を測定した結
果、３７７Ｉｉ／分の場合、２０ｍｇ水柱であり、その
軸方向の圧縮強度は２５０　ｋｇ７．Ｊであった。

次に、比較用として前記ハニカム構造体と同一構造を持
つハニカム構造体とコージェライト質で作成したところ
、隔壁の平均開放気孔径は３２μｍ、気孔率は４０％と
なり、その有効表ｆ積は３．１ｄとなり、有効表［ｆｒ
積は前述のハニカム構造体に比べ約１／６０であった。

一方、同一条件での圧力損失は３０關水柱で、軸方向の
圧縮強度は２８０　ｋｇ、４ａであり、前記ハニカム構
造体とほとんど変わりがなかった。

実施例２ 平均粒径０．２μｍ、比表面積２５〃ヴｙである、９８
］ｊ量％がβ型結晶、２％が２Ｈ型結晶でるる炭化ケイ
素を出発原料に用いた。この原料粉末に、ｋｌ金０．０
５重実部、Ｃを０．１重」ｊ）１部加え、ポールミルに
よシ混合した後、乾燥した。この混合物にメンヘーデン
原油２重放部、ポリビニールブチラール４部、ポリエチ
レングリコ−／ｌ／　４．５部、オクチルフタレート３
．５部を加えた混合物にトリクロルエチレン４０ｉｉ部
、エチレンアルコ−／Ｌ’１５部を加え３木ローμミ〜
で混練し、ンート状に成形した後、さらに短形波状に成
形し、これを巻き取って直径１５０ｆｌ、長さ１５０ｍ
！３１、貫通孔の隔壁の厚さ０．２■、−平方インチ当
りの貫通孔数約ａＯＯの炭化ケイ素多孔質ハニカム構造
体を得た。この成形体をＮ２ガス１気圧中で室温から５
００°Ｃまで０．５部ヴ分の昇温速度で前記有機結合剤
を熱分解した後、５００°Ｃ〜２２ＱＯ’Ｃ゛まで１０
°Ｃ／分で昇温し、最羅温度で２時間保持した。この炭
化ケイ素質ハニカム構造体の隔壁は第４図に示した構造
を有しており、平均アスペクト比１５、短軸方向平均厚
みが４μｍの板状結晶が炭化ケイ素結晶の９５％からな
る気孔率５８％の網目構造となり、その平均開放気孔径
は４μｍであった。このハニカム構造体の有効表面積は
７８０イであり、この試料について常温空気を用いて圧
力損失を測定した結果、２η〆／分の場合、５０１ＩＪ
Ｉ水頭でありその軸方向の圧縮強度は１８５０　ｈ／ｌ
ｒｉであった。

以上述べた如く、本発明によれば、平均アスペクト比が
２〜５０の板状結晶より構成される炭化ケイ素質ハニカ
ム構造体は、良好な気孔径および気孔率と高い強度を兼
備した多孔質体であり、各種濾過フィルター、集塵装置
あるいは分散装置、化学反応工業における触媒あるいは
触媒担体、熱交換器、液体保持用骨材等広範囲な用途に
対し、良好な特性を与りることが可能である。

すなわち、次に示すような特徴を有するものである。

〔発明の作用および効果〕

（１）同サイズの気孔径を持つ多孔質壁ハニカム構造体
に比べて、有効比表面積が多い。

（２）　　隔壁の表面に炭化ケイ素板状結晶がせり出す
構造となり、本流から流体を積極的に取り込む構造を有
する。

（３）　　板状結晶から成る隔壁の表面で生じる流体の
流れが乱流となるため、流れ内における拡散、攪拌等に
よる均一化が促進される。

このようにして、本発明における炭化ケイ素質の板状結
晶の網目構造から構成されるハニカム構造体は熱移動、
化学反応および物質移動等を高効率でしかも有効に生ぜ
しめるハニカム構造体である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、従来のセラミック質ハニカム構造
体の模式図、第３図及び第４図は本発明の炭化ケイ素質
ハニカム構造体の結晶構造の顕微鏡写真である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、薄い隔壁を隔てて軸方向に多数の貫通孔が隣接して
   いる炭化ケイ素質ハニカム構造体において、該隔壁が平
   均アスペクト比２〜５０の板状結晶を主体として構成さ
   れる三次元の網目構造を有する多孔体からなることを特
   徴とする炭化ケイ素質ハニカム構造体。 ２、前記板状結晶の平均短軸方向厚みが０．１〜３００
   μｍである特許請求の範囲第１項記載の炭化ケイ素質ハ
   ニカム構造体。 ３、前記板状結晶は前記多孔質体１００重量部に対し、
   少くとも２０重量都含まれる特許請求の範囲第１あるい
   は２項いずれかに記載の炭化ケイ素質ハニカム構造体。 ４、前記三次元の網目構造の平均開放気孔径が０．１〜
   ５００μｍである特許請求の範囲第１〜３項いずれかに
   記載の炭化ケイ素質ハニカム構造体。 ５、前記三次元の網目構造の開放気孔率が２０〜９５容
   量％である特許請求の範囲第１〜４項いずれかに記載の
   炭化ケイ素質ハニカム構造体。 ６、前記炭化ケイ素質多孔体の比表面積が少くとも０．
   ０５ｍ＾２／ｇである特許請求の範囲第１〜５項いずれ
   かに記載の炭化ケイ素質ハニカム構造体。