JPS6236082A - 多孔質セラミツク構造体 - 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〕 本発明は主として内燃機関より排出される排ガス中に浮
遊する微粒子を補集する補集担体、または排ガス浄化用
触媒担体として有効に用いられる多孔質セラミック構造
体に関する。

〔従来の技術〕

従来この種の多孔質セラミック構造体としては、例えば
、内部連通空間を有する三次元網目状のセラミック骨格
からなる多孔質セラミック構造体が、通気性、浄化性に
優れたものとして知られている。

そして、この種の多孔質セラミック構造体においては、
通人するガスの流下方向以外の方向への吹き抜きを防止
し、かつ機械的強度を高めるために外周部に非多孔質の
セラミック被覆層を形成したものが知られている。そし
て実開昭５４−９６７４８号公報には、このセラミック
被覆層の熱膨張係数を多孔質セラミックの熱膨張係数よ
りも０．５〜１．５Ｘ１０−”／’Ｃ小さくすることに
より、繰り返しの熱衝撃、熱応力に対しても、タラック
や剥離の発生しないようにしたものが開示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら上記従来の非多孔質セラミック被覆層を有
する多孔質セラミック構造体においては、強度・を大き
（するためにこの被覆層を厚くすると、例えばこの構造
体を形成させた後、三次元網目状骨格表面に表面積を増
大させるために活性γ−アルミナ層を形成させたり、排
ガス浄化用触媒を担持させる工程で、再加熱処理を行う
際に補強層外周部と補強層内部との間に温度の不均一が
発生し、補強層内に熱膨張の不均一が発生しクラックが
発生し易いという問題点があった。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで本発明は上記問題点を解消するために、多孔質セ
ラミック部の外周部に補強層を設けた多孔質セラミック
構造体において、 前記補強層が多層構造をなし、その最内層の熱膨張係数
が前記多孔質セラミック部の熱膨張係数以下であり、か
つ外周部の層ほど熱膨張係数の小さいセラミックからな
る多孔質セラミック構造体を採用するものである。

〔作用〕 上記手段によれば、例えばセラミック構造体が高温の炉
中に入れられ、補強層外周部がすみやかに加熱され、補
強層内部が遅れて加熱されるために温度差が発生しても
、補強層外周部の熱膨張係数が、補強層内部のそれより
も小さいので、熱膨張の不均一が緩和される。また逆に
セラミック構造体が急激に冷却され、補強層外周部がす
みやかに冷却され補強層内部が遅れて冷却されるために
温度差が発生しても、同様に熱膨張の不均一が緩和され
るように作用する。

〔発明の効果〕

従って本発明に寄れば、急激な熱衝撃が加わった場合で
もクランクの発生しない補強層を有し、耐久性にすぐれ
た多孔質セラミック構造体が提供できるというすぐれた
効果を有する。

〔実施例〕

以下本発明を図に示す実施例について説明する。

第１図（ａｌは、本発明の多孔質セラミック構造体の一
実施例であるディーゼルエンジンから排出されるカーボ
ン微粒子を補集する多孔質セラミックフィルター１の排
出ガス入口側からみた正面図、第１図（ｂ）は、その軸
線方向の断面図である。セラミックフィルター１は外径
１０７ｍｍ、長さ８０１ｍの円柱形状であって、コーデ
ィエライト系セラミックからなる。なお、これ以外にも
Ｓ　ｉ　Ｃ，５ｉｚＮｎ。

Ａｌ２Ｏ３，β−スポジューメン系等の種々のセラミッ
ク材料であってもよい。最外周部には、厚さ２鶴にわた
って緻密に構成された補強層２が形成されている。内部
３は第２図にその微細構造を説明するような多孔質セラ
ミック構造体からなる。

すなわち、三次元網目構造の骨格４と、それにより囲ま
れて形成される通気部５を有する。セラミックフィルタ
ー１の内部には、格子状に配列された断面正方形の内部
中空穴６が隔壁３ａを隔てて軸線に対して平行に３２５
個設けられている。また中空穴はひとつおきに反対側の
端面７または８に開口し、他端は７ａおよび８ａ部で封
止されている。すなわち排出ガス入口側端面７、出口側
端面８に入口穴６１および出口穴６２がそれぞれ１６４
個および１６１個開０している。開口率、すなわち内部
中空穴の断面積の総和がセラミックフィルター１の全体
の断面積にしめる割合は、約３０％である。

次にこのセラミックフィルター１の最外周部に形成され
た補強層２の構造について第３図の部分拡大図に基づい
て説明する。補強層２は外周面側の外層２ａとその内側
の内層２ｂからなり外層２ａは、マグネシア（ＭｇＯ）
１３ｗｔ％、アルミナＣＡｌｚＯｓ　）３８ｗｔ％、シ
リカ（Ｓｉｆｔ）４９−ｔ％とからなるコーディエライ
ト質セラミックでその熱膨張係数は１．７　Ｘ　１０−
’／”Ｃであり厚さは１１１である。内層２ｂはＭｇＯ
１４ｗｔ％、Ａ１Ｚ　Ｏ：ｌ　３７ｗｔ％、Ｓｉｎ、４
９ｗｔ％とからなるコーディエライト質セラミックでそ
の熱膨張係数は１．９　Ｘ　１０−６／”Ｃであり厚さ
は１鰭である。なお内部の多孔質セラミック部を構成す
るコーディエライトはＭｇＯ１５ｉｙｔ％、／１ｇ　０
．３６圓ｔ％。

Ｓ　ｉ　Ｏｚ　４９ｗｔ％とからなり熱膨張係数は２．
０×１０−６／℃である。

次にこのセラミックフィルター１の製造方法について説
明する。

−ｉに三次元網目状構造を有するセラミックフィルター
を得るには、同様な三次元網目構造を有するポリウレタ
ンフォームなどの有機発泡体を骨材として使用し、この
骨材の表面にセラミック材料を固着し、これを焼成する
と母材たる有機化合物が燃焼飛散し、周囲のセラミック
材が母材と同様の構造となることを利用する。

すなわちウレタンフオームの成形は、セラミックフィル
タ１と同一形状のキャビティを有する金型のキャビティ
内面に予めワックス系離型剤を、成形型を融点以上に加
熱しておき、スプレーまたはハケ塗りによって塗布する
。次に成形型を３０℃〜５０℃に調整しておき、成形型
容器内に有機イソシアネート、ポリオール、整泡剤、発
泡剤および触媒を混合したウレタンフオーム原料混合液
を攪拌混合しながら注入する。ここで、前記打機イソシ
アネートとしては、トリレンジイソシアネート、または
メチレンジイソシアネートまたは両者の混合物、前記ポ
リオールとしては、ポリエーテルポリオール、またはポ
リエステル系ポリオールとからなる重合体ポリオール、
またはこれとポリエーテルポリオールとの混合物、前記
発泡剤としては、水または、ハロゲン置換脂肪族炭化水
素系発泡剤（トリクロロモノフロロメタンなどのフロン
類）または両者の混合物、前記整泡剤としては、アルコ
ール変性シリコーン整泡剤、前記触媒としては、樹脂化
反応を促進する触媒としてアルコールとイソシアネート
との反応触媒として有効に用いられる３級アミンおよび
その有機酸塩類、発泡反応を促進する触媒としては、水
とイソシアネートとの反応触媒として有効に用いられる
モルホリン、エタノールアミン等を用いた。ウレタンフ
オーム原料混合液をキャビティ内で発泡させた後１００
〜１２０℃で２０〜６０分間加熱硬化させる。

次に、このウレタンフオーム成形体にセラミックスラリ
−を含浸させた後、ポリウレタンを焼成し多孔質セラミ
ックフィルターを得る方法について詳述する。含浸に使
用されるセラミックスラリ−の原料は、焼成によりＭｇ
Ｏ１５貨ｔ％、Ａ１Ａｌ２０ｚ３６％、ＳｉＯ□４９ｗ
ｔ％のコーディエライト組成となる混合粉末、あるいは
上記混合粉末を加熱しコーディエライト系セラミックに
し、これを粉末化した合成コーディエライト粉末、ある
いは両者の混合物にメチルセルロース、ポリビニルアル
コール等のバインダ、および水を加えたものである。前
記ウレタンフオームの通気孔に存在する薄膜を公知の爆
発処理、ＮａＯＨ処理、オゾン処理等によって除いた後
、ウレタンフオームをこのスラリーに含浸した後、エア
ガンや遠心分離装置を用いて余分なスラリーを除去し、
１００〜１５０℃の乾燥炉の中で２〜３時間乾燥する。

以上の含浸から乾燥までの操作を２〜３回繰り返し、必
要量のセラミックスラリ−をウレタンフオーム発泡体骨
格表面に付着させる。

その後、まずＭｇＯ１４ｗｔ％、　ＡＩ！ｚ　０３３７
−１％、Ｓｉｎｇ　　４９ｗｔ％とからなるコーディエ
ライト粉末からすでに説明したと同様の方法でセラミッ
クスラリ−を調製し、ハケ塗りによって均一に補強層内
Ｎ２ｂを焼成後に厚さ約１１Ａ１となるように塗布形成
された後乾燥した。次に外層２ａをＭｇＯ１３ｗｔ％、
Ａｌｔ　０３３８ｗｔ％、Ｓｉ０゜４９ｗｔ％とからな
るコーディエライト粉末から調製したセラミックスラリ
−を内層２ｂの上に同様の方法により約１龍となるよう
に塗布形成させた後乾燥した。

次にこの構造体を１３００〜１４７０℃で約３時間加熱
焼結させた。

次に上記方法によって製作したセラミツタフィルター１
の耐熱特性試験を行った結果について説明する。第１表
はこの耐熱特性試験の結果を示す表で、補強層２を１層
で構成し内部の多孔質セラミックと同じ熱膨張係数で構
成したもの（比較例１）、補強層２を１層で形成しコー
ディエライトの組成を変化させることにより、補強層２
の熱膨張係数を内部の多孔質セラミックに対して０．４
×１０−’／”Ｃ小さくなるように構成したもの（比較
例２）、補強層を２層で形成し、内部の多孔質セラミッ
ク、補強層内層がそれぞれ２．０．１．９５．１．９０
Ｘ１０−ｂ／’Ｃ（比較例３）および２．０．１゜９．
１．５　Ｘ　１０−ｂ／”Ｃ（比較例４）の４つのサン
プルについて次の２つの特性を調べたものである。

すなわち６００℃の炉中でセラミツタフィルタ１を充分
に加熱してから空気中に取り出し室温で自然放冷した時
の補強層２のクランクの発生状態を目視で調べた耐熱衝
撃特性と、６００℃よりさらに１５０℃高い７５０℃に
加熱し、炉中でゆっくり冷却した場合の補強層２のクラ
ンクの発生状態を目視で調べた静的熱特性との試験結果
である。

以下余白 表から明らかなように、耐熱衝撃性試験では１層構造の
もの（比較例１）では急激な放熱によって補強層２の外
側は急激に冷却されるのに対して補強層の内側は冷却が
遅れるために熱膨張に不均一がおこり、外側に引張り応
力が発生してクランクが著しく発生し、２層構造でも内
層と外層の熱膨張係数の差が０．０５　Ｘ　１０−６／
’Ｃ程度で小さい比較例３では同様の原因により少しク
ラックが発生する。一方２層構造で熱膨張係数の差が０
．２゜０、４　Ｘ　１０−６／”Ｃのもの（本実施例、
比較例４）および比較例２では上記のような放熱に不均
一がおこっても、あらかじめ外層の熱膨張係数のほうが
小さい組成であるので応力が緩和されるためにクランク
が全く発生しなかった。しかしながら比較例２、比較例
４は熱膨張係数の差がどちらも０゜４　Ｘ　１０−６／
℃であり、熱衝撃に対しては強いものの熱膨張係数の差
が大きいためにゆっくり冷却しても温度差が大きいため
に室温付近まで冷却された時の応力ひずみが大きくなり
、クランクが発生する。以上の結果より内層と外層の熱
膨張係数の差は０．１〜０．３　ｘ　１０−’／”ｃが
有効であることがわかった。

本発明の多孔質セラミック構造体の補強層２は３層以上
で構成されていてもよく、外層から内層へ向うに従って
熱膨張係数が大きくなり、最内層が内部の多孔質セラミ
ックと同じか０．１〜０．２×１０−６／℃小さい熱膨
張係数とし、隣接する外層と内層の熱膨張係数の差も０
．１〜０．２　Ｘ　１０−ｂ／℃とすると特に有効であ
る。

また本発明の多孔質セラミック構造体は上記実施例のよ
うな三次元網目構造を有する多孔質セラミックに多数の
入口穴、出口穴を設けたハニカムフオーム型の他に、入
口穴、出口穴のないフオーム型、多数の格子状の通路を
もつハニカム型等にも適用できることは言うまでもない
。

補強Ｎ２の形成方法はハケ塗りによる塗布の他に、あら
かじめ所定の厚さにセラミックスラリ−をシート状に形
成しておきこれを巻き付は付着させて後焼結して形成さ
せてもよく、また熱膨張係数を制御する方法としては、
コーディエライトの原料となる板状タルク粒子の配合割
合を変化させたセラミックスラリ−を一定間隙のスリッ
トから押出すことにより配向させ、前記板状タルク粒子
の結晶格子軸方向の熱膨張係数の相異により熱膨張係数
を小さくなるようにする方法も有効に適用できる。さら
に本発明に限定する熱膨張係数の範囲を満足する異なる
セラミック材質により多層構造を形成させてもよいこと
は言うまでもない。

また本発明の補強層２の厚さは２ｎ以上のもので特に有
効であり、熱衝撃による補強層内部の温度の不均一によ
るクランク発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は、本発明のセラミックフィルタ
ー１の正面図、およびその軸線方向断面図、第２図は多
孔質セラミックの微細構造を説明する拡大模式図、第３
図はセラミックフィルター１の補強Ｎ２の構造を説明す
る部分拡大図である。 １・・・セラミックフィルター、２・・・補強層、　　
２ａ・・・外層、２ｂ・・・内層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）多孔質セラミック部の外周部に補強層を設けた多
   孔質セラミック構造体において、 前記補強層が多層構造をなし、その最内層の熱膨張係数
   が前記多孔質セラミック部の熱膨張係数以下であり、か
   つ外周部の層ほど熱膨張係数の小さいセラミックからな
   ることを特徴とする多孔質セラミック構造体。
2. （２）前記多層構造の補強層は、隣接する外側の層と内
   側の層との熱膨張係数の差が０．１〜０．２×１０＾−
   ＾６／℃の範囲にあることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の多孔質セラミック構造体。