JPS63122535A - 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］ この発明は、ディーゼルパティキュレート捕集用のフィ
ルタあるいは排気ガス浄化用触媒担体等に用いられる多
孔質セラミック構造体に関する。

［従来の技術］ 排気ガス浄化用に用いられる触媒担体として、三次元網
目状骨格のセラミックよりなる多孔質セラミック構造体
が使用されることが、例えば特開昭５８−１５１３７９
号公報、特開昭５８−１５１３８１号公報等に示される
知られている。このような構造体は、例えばフオーム担
体やハニカムフオーム担体等でなるのであるが、三次元
網目状骨格のセラミックが露呈している部分は、機械的
な強度を充分なものとすることが困難であり、このため
この触媒担体の端面部分の三次元網目状骨格が非常に折
れ易い状態となっている。

この端面部の強度を増強するためには、三次元網目状セ
ラミックのかさ密度を向上させればよいものであり、そ
の圧壊強度は第１１図に曲線Ａで示すようにかさ密度の
上昇と共に大きくなる。しかし、またかさ密度を大きく
することは網目状骨格を太くすることであり、したがっ
てかさ密度の上昇に伴って第１１図で曲線Ｂで示される
ように圧力損失も上昇する。したがりて、内燃機関の排
気ガス通路に設定した場合、この排気ガスの流通抵抗が
増大するようになり、機関の動作特性に影響を与えるよ
うになる。

［発明が解決しようとする問題点］ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、特に
圧力損失が上昇されることなく、特に端面部における圧
壊強度が効果的に向上され、三次元網目状セラミック骨
格の強度が向上されるようにした多孔質セラミック構造
体を提供しようとするものである。

［問題点を解決するための手段］ すなわち、この発明に係る多孔質セラミック構造体にあ
っては、多孔質セラミック体を三次元網目状セラミック
骨格によって構成するものであり、この場合このセラミ
ック骨格の端面に対応する表層部のセラミックかさ密度
を、他の内部のセラミックかさ密度に比較して大きく設
定させるようにするものである。

［作用］ 多孔質セラミック体を構成するセラミック骨格のかさ密
度を上昇させるようにすると、破壊強度は上昇されるも
のであるが、圧力損失も上昇するようになる。しかし、
セラミック骨格の特定される表層部でのみ、セラミック
かさ密度を大きくするように構成すると、圧力損失を上
昇させることなく、この多孔質セラミック体の破壊強度
を向上させることができるようになるものであり、例え
ば自動車用の内燃機関等の撮動を受ける部位に効果的に
適用することができるものである。

［発明の実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

この実施例にあっては多孔質セラミック構造体を触媒装
置にてきよする場合を示しているものであるが、この発
明に係る多孔質セラミック構造体はこれに限定されるも
のではない。

すなわち、第１図は排気ガス浄化用に用いられる触媒装
置１０の構成を示しているもので、この触媒装置は基本
的には円柱状に形成された三次元網目状のセラミック骨
格１１よりなる多孔質セミツク体１０２によって構成さ
れている。そして、このセラミック体１０２の外周部に
は、側面補強層となるスキン層１２が形成されているも
ので、排気ガスはこのスキン層１２に囲まれるようにな
るセラミック体１０２のセラミック骨格１１の間の空隙
１０３の中を通過されるようになる。

ここで、上記セラミック骨格１１は、例えば第２図で示
すような内部構造でなる。セラミック体１０２の骨格１
１の端面部には、特定される深さノＩの範囲で表層部１
１１が設定されている。そして、この表層部１１１のセ
ラミックかさ比重が、この表層部１１１以外の部分のセ
ラミックかさ比重に比較して大きくなるように構成され
ている。

ここで、上記のように三次元網目状セラミック骨格によ
って構成されるセラミック体による触媒装置１０の直径
φを“１１０＋ｕ＋“、長さＬを“８０１″に設定した
コーデュライト系セラミックにおいて、セラミックのか
さ密度を変化させた場合の圧力損失と破壊強度の変化の
状態を実験調査してみた。この実験では、円筒状のセラ
ミック骨格の側面に、厚さ２■のち密なスキン層を形成
するようにした試料を使用したものであり、圧力損失の
測定は室温で３ｍ３／ａ＋Ｉｎの空気流速にて行ない、
圧壊強度の測定は第３図に示すように試料１００の端面
に直径２０＋ｕ＋の円柱１０１を当て、圧縮方向の力を
加えるようにした装置を用いて行なった。この場合、試
料１００が割れたときの荷重によって圧壊強度を求める
ようにした。

前記第１１図はこのような実験測定結果に基づくもので
あって、セラミックのかさ比重を上昇させるようにする
と、曲線Ａで示す圧壊強度および曲線Ｂで示す圧力損失
共に上昇する。しかし、この上昇の状態をみると、曲ｔ
ＩＢの圧力損失の方が圧壊強度の上昇よりもその上昇の
度合いが大きい。

したがうて、セラミック体の圧壊強度を上げるためには
セラミック骨格のかさ密度を上げるようにすればよいも
のであるが、かさ密度を上げると圧力損失も著しく上昇
される結果となる。

また、上記のような圧壊強度を測定する圧壊試験におい
て、セラミック体の破壊状態を観察してみると、圧力を
作用させることによりて、セラミック体の端面のみが崩
れるものであることが判明した。

上記実施例に示した触媒装置１０にあっては、セラミッ
ク体１０２の表層部１１１に対応する端面部分でセラミ
ック密度を高くし、実質的な圧壊強度を上昇させるよう
にしている。そして、セラミックかさ密度を高くする範
囲を上記表層部１１１に限定することによって、圧力損
失が上昇されることを抑制しているものである。

このように構成されたセラミック構造体でなる上記触媒
装置１０の圧壊強度および圧力損失を測定した結果が第
４図で示されている。この第４図はセラミック体１０２
の表層部１１１の深さｌを変化させて、このｌに対応し
て圧壊強度Ａおよび圧力損失Ｂをｆｌ＃Ｊ定したもので
あり、この結果よりセラミック体１０２の端面部にセラ
ミックかさ密度の大きい部分を形成することによって、
このセラミック構造体の圧壊強度が向上されることが確
認された。

また、同じ圧壊強度が得られるようにした場合において
、第１１図で示した実験結果（三次元網目状骨格のセラ
ミックかさ密度が全体的に一定と【た場合）と比較して
、圧力損失の上昇が小さなｔ。

のとすることが可能であることが確認された。

このような実験結果から、セラミックかさ密度の上昇さ
れる範囲である表層部ｉｌｌの深さについて考察してみ
ると、圧壊強度が上昇状態が圧力損失の上昇状態より大
きくなる範囲が良いものであり、この表層部１１１の深
さノが“２〜１０＋ｉ＋”の範囲が、この触媒装置■０
を構成するセラミック体１０３を構成するに適正である
ことが判明した。

すなわち、表層部１１１の深さノが２ｍ＋ｓ以下である
と充分な圧壊強度が得られないものであり、また１０Ｉ
ｌｉ以上であると、圧力損失の上昇度合いが圧壊強度の
上昇度合いより大きくなるからである。

次に、上記のようにセラミック体１０２の表層部１１１
のセラミックかさ密度を他の部分に比べて高い状態にし
た場合に、この表層部１１１のセラミックかさ密度を種
々に変化させた場合を考察してみると、その圧壊強度試
験さらに圧力損失の測定によって、第５図で示すような
結果が得られた。この実験では（端面セラミック密度／
中心部セラミック密度）をパラメータとして圧壊強度Ａ
および圧力損失Ｂを測定したものであり、端面（表層部
１１１　”）のセラミック密度が増加するに伴って、圧
力損失が上昇するものであることが確認できる。

そして、このような関係において、端面セラミック密度
と中心部セラミック密度との比が“１．２より小さい状
態にあると、圧壊強度の上昇状態が小さいものであるこ
とが読み取られる。また、上記セラミック密度の比が大
きくなる程、圧力損失の上昇度合いが判明した。したが
って、表層部１１１のセラミック密度と中心部のセラミ
ック密度との比の適切な範囲としては、“１．２″以上
であって、圧力損失の上昇値が許容される範囲とするの
が適切である。

次に、上記のように構成される触媒装置１０を製造する
具体的な手段の例について以下に説明する。

まず、母材として直径１１０■、高さ８０ｆｆｉＩ１１
の円筒状の三次元網目構造の骨格を有する有機発泡体で
なる、セル膜のないウレタンフオームを用意する。そし
て、コーデュライト組成となるセラミック原料粉末、水
、セラミック固着用の有機バインダ、さらに解膠剤を加
えて混合し、水分量によって粘度を調整するようにした
セラミックスラリーに、上記発泡体でなるウレタンフオ
ームを浸漬し、この発泡体の骨格表面に上記スラリーを
付着させる。このようにして骨格表面にセラミックを含
むスラリーが付着されたならば、上記三次元網目状構造
の骨格によって形成されている連通空間に、目詰まりの
状態で付着している余剰スラリーを遠心分離によって除
去させるようにし、さらに空気を吹き付けることによっ
て、上記連通空間の目開きを完全な状態とする。その後
、１２０℃の温風によって乾燥する。

このように工程において、上記スラリーの粘度および遠
心分離回転速度、遠心分離時間等を適当に調節するもの
であり、上記ウレタンフオームの三次元網口状骨格の表
面に、均一にセラミックかさ密度が設定されるようにす
るものであり、このかさ密度は焼成後に０．３０ｇ／ｃ
ｃとなるようにした。

次に、上記のようにセラミックが付着された発泡体の一
方の端面部を、上記のようなスラリーの中に浸漬するも
ので、この場合その浸漬に際しては、」二記発泡体端面
部の三次元網目状骨格の連通空間に、６ｓ＋ｍの範囲で
上記スラリーが入り込むようにするものである。そして
、その後上記連通空間に目詰まりの状態で付価した余剰
スラリーを遠心分離によって除去し、さらに空気を吹き
付けることによって上記連通空間の目開きを行ない、１
２０℃で温風乾燥する。同様に上記発泡体の他の端面部
の処理を行なう。

このような発泡体端面部の処理工程において、スラリー
粘度、遠心分離回転速度、遠心分離時間等は適当に調節
されるものであり、上記端面の表層部に６１の深さで、
三次元網目状骨格の表面に、均一にしてセラミックかさ
密度が、先の工程におけるセラミック付着分０．３０ｇ
／ｃｃとは別に、さらにセラミックかさ密度が焼成後で ０．３ｇ／ｃｃとされるようにしている。

そして、このようにしてセラミックを付着させた発泡体
の側面外周部に、上記のようなセラミックスラリ−をさ
らに塗り込み、これを乾燥するものであり、この工程を
繰返すことによって厚さ２ＩＩＩＩＩ＋の外部補強層と
なるスキン層１２が形成されるようにする。

このようにして発泡体外周にスキン層１２が形成された
ならば、これを１４００℃で５時間焼成し、この焼成工
程によって発泡体の付着されたセラミックを焼成すると
共に、ポリウレタンフォームの骨格を消失させ、三次元
網目状セラミック骨格１１を完成させるものである。

このようにして構成された多孔質セラミック構造体を、
従来からこの種の触媒装置に使用されている多孔質セラ
ミック構造体と比較してみる。ここで上記多孔質セラミ
ック構造体は、三次元網目状骨格を構成するセラミック
かさ密度が、構造体全体で一様に設定されるものを言う
。

比較例として、三次元網目状セラミック骨格のかさ密度
が０．３ｇ／ｃｃの実施例に示されたものと、かさ密度
が０．６０ｇ／ｃｃの上記多孔質セラミック構造体を使
用し、そのそれぞれの圧壊強度と圧力損失とを測定した
。

第６図はその比較結果を示したもので、実施例装置の圧
力損失と圧壊強度との関係において、同じ圧力損失の得
られた比較例１の圧壊強度を比較すると、比較例１が約
９Ｋｇ／ｃｍ２であるのに対して、実施例装置にあって
は１２．　５　Ｋｇ　／ｃ＋＋１２となり、大幅な圧壊
強度の向上が可能となることが確認された。

上記実施例にあっては、セラミック体１０２のセラミッ
クかさ密度を高く設定する表面層１１１は、上記セラミ
ック体１０２の端面部で一定の深さｌまでの範囲に設定
するようにしていた。そして、これより深い範囲では上
記表面層１１１部分より低い一定のセラミック密度が設
定されるようにしている。しかし、このセラミック密度
を高い値に設定する範囲は上記実施例の状態に限らず、
その趣旨を変えない範囲で、セラミックかさ密度の深さ
方向の分布状態を変えるようにしてもよい。

Ｔｉ７図はこのかさ密度分布の状態の例を示しているも
ので（Ａ）は上記実施例に対応するもので、三次元網目
状骨格の露呈する端面から一定の深さまでの表層部のセ
ラミックかさ密度が、他の内部のセラミックかさ密度よ
り大きい、一定のかさ密度となっているものである。ま
た、（Ｂ）図で示されたものは、セラミックかさ密度の
深さ方向の分布が、端面部に近い程階段状にセラミック
かさ密度が大きくなるものであり、例えば（Ａ）図で示
した分布を設定する前記製造工程におけるセラミックス
ラリ−の浸漬深さを２段階に変えて、これを繰返すよう
にすればよいものである。また、（Ｃ）図に示したもの
は、セラミックかさ密度の深さ方向の分布が、深さの変
化と共に徐々に変化させられるようにしているものであ
り、例えばセラミックスラリ−を塗布する方法等によっ
て、このような状態が設定できるものである。そして、
これら第７図の（Ａ）〜（Ｃ）に示したいずれの場合に
あっても、その圧力損失および圧壊強度の状態はほぼ同
等となるものである。

ここで、セラミック体１０２の形状が上記実施例のよう
に円筒状態ある場合には、その側面補強層を除いた三次
元網目状骨格の露呈部は、両端部の平面部のみであつた
。しかし、第８図乃至第１０図でそれぞれ示されるよう
に側面補強層となるスキン層１２を除いたセラミック体
１０２の骨格の露呈部が平面でない場合には、例えば第
８図で示すようにこのセラミック体１０２の骨格の露呈
部の全ての表面層１１２．１１３のセラミックかさｊ話
度を大きくすればよい。

また、第９図さらに第１０図で示されるようにセラミッ
ク体１０２の三次元網目状のセラミック骨格の露呈部の
うちで、強度上特に弱い部分、例えば両端部の表面部１
１４およびその付近の表面部１１５のみのセラミック密
度を大きくするようにしてもよい。

このような構成とすれば、圧力損失が少々」−Ｈするこ
ともあるが、例えばこの骨格をケース等に圧入するに際
して、端面部の三次元網目状セラミック骨格の欠け、崩
れ等を無くするために効果的なものとすることができる
。

尚、表面層部分のセラミックかさ密度を大きくするよう
にしたセラミック骨格の製造手段について先に述べてい
るが、もちろん他の手段でセラミ・ツク密度の大きい部
分を形成するようにしてもよいものであり、当然他の手
段によっても上記説明で示したと同様な圧力損失および
圧壊強度が得られる。

例えば、三次元網目状骨格の表面セラミック密度を大き
くする部分の表面部分に、セラミックスラリ−を付着さ
せる手段において、スラリーを刷毛、ブラシ等によって
必要部分に塗布するもので、このように塗布した後には
連通空間に目詰まり状態に付着したスプレーを空気流等
で目開きする。

また、上記スラリーをスプレー等によって塗布するよう
にしてもよい。

また、この目開きする手段にあっては、目詰まり状態で
付着したスラリーを遠心分離によってのみ行なってもよ
いものであり、これと空気流による方法との組合わせで
あってもよい。

ここで、セラミック骨格を構成するセラミック原料粉末
は、種々のセラミック材料が使用できるものであるが、
例えば８１０％５ｉ３Ｎａ、Ａノ２０３、βスポジュー
メン系等のセラミック材料が適宜使用できる。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明に係る多孔質セラミック構造体に
あっては、三次元網目状骨格により構成された多孔質セ
ラミック体が、充分な圧力損失状態に設定される状態で
、圧壊強度が効果的に向トされるようになるものであり
、したがって機械的な振動等に対して充分に耐えること
のできる強度が得られるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る排気ガス浄化用触媒
装置を一部切り欠いて示した措成図、第２図は上記装置
を構成するセラミック骨格の状態を示す図、第３図は上
記セラミック骨格の圧壊試験の状態を説明する図、第４
図は」二記装置の圧壊強度および圧力損失の状態を示す
曲線図、第５図は同じく表層部のセラミック密度に関連
する圧壊強度と圧力損失の状態を示す曲線図、第６図は
上記実施例装置の圧壊強度と圧力損失との関係を従来装
置の比較例と対比して示した図、第７図の（Ａ）乃至（
Ｃ）はそれぞれセラミック密度分布の例を説明する図、
第８図乃至第１０図はそれぞれこの発明の他の実施例を
説明するための断面構成図、第１１図は従来から知られ
ているセラミック骨格におけるセラミックかさ密度と圧
壊強度並びに圧力損失の状態を示す曲線図である。 １０・・・触媒装置、１１・・・セラミック骨格、１２
・・・スキン層（側面補強層）　、１０２・・・セラミ
ック体、１１１・・・表層部。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　産業１図 第２図 Ｅｍｆｆ１度（にｇ／ｃｍ２）−、− 第６図 第８図 第９図 第１０図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）三次元網目状セラミック骨格によって構成された
   多孔質セラミック体と、 このセラミック体の外周部を取囲むように形成された側
   面補強層とを具備し、 上記三次元網目状セラミック骨格のセラミック体のうち
   上記側面補強層から露呈する部分に表層部を設定し、こ
   の表層部の少なくとも端面に対応する一部のセラミック
   のかさ密度が、他の内部の三次元網目状骨格のセラミッ
   クかさ密度より大きく設定されるようにしたことを特徴
   とする多孔質セラミック構造体。
2. （２）上記表層部の深さは、２〜１０ｍｍの範囲に設定
   されるようにした特許請求の範囲第１項記載のセラミッ
   ク構造体。
3. （３）上記表層部の三次元網目状骨格のセラミックのか
   さ密度は、その内部の三次元網目状セラミックのかさ密
   度の１．２倍以上に設定されるようにした特許請求の範
   囲第１項記載のセラミック構造体。