JPWO2006035823A1 - ハニカム構造体 - Google Patents
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Abstract
Description
そこで、排気ガス中のパティキュレートを捕集して、排気ガスを浄化するフィルタとして多孔質セラミックからなるハニカム構造体を用いたものが種々提案されている。
上記フィルタ(多孔質コーディエライト)の細孔分布が、細孔径10μm未満の細孔容積:全細孔容積の15%以下、細孔径10〜50μmの細孔容積:全容積の75%以上、細孔径50μmを超える細孔容積:全細孔容積の10%以下としたフィルタが開示されている。
また、特許文献1の段落番号[0026]には、細孔径10μm未満の細孔容積が全細孔容積の15%を超えると、フィルタに触媒を付着させる際に、触媒による細孔の目詰まりにより、圧力損失の増大を生じてしまうことが記載されている。
気孔率が55〜80%、平均細孔径が30〜50μm、細孔径100μm以上の細孔容積が全体の5%以下のものが開示されている。
上記多孔質セラミック部材の平均気孔径は、上記触媒担持層を構成する粒子の平均粒子径よりも大きく、上記多孔質セラミック部材の気孔径分布及び上記触媒担持層を構成する粒子の粒子径分布を、気孔径及び粒子径を同じ軸にとって描いた際、両者が重なる部分における気孔容積が上記多孔質セラミック部材の全気孔容積に対して10%以下であることを特徴とする。
上記多孔質セラミックの平均気孔径は、上記触媒担持層を構成する粒子の平均粒子径よりも大きく、上記多孔質セラミックの気孔径分布及び上記触媒担持層を構成する粒子の粒子径分布を、気孔径及び粒子径を同じ軸にとって描いた際、両者が重なる部分における気孔容積が上記多孔質セラミックの全気孔容積に対して10%以下であることを特徴とする。
なお、以下においては、第一の本発明のハニカム構造体のような、多孔質セラミック部材が接着剤層を介して複数個組み合わされた構造を有するハニカム構造体を集合体型ハニカム構造体ともいい、一方、第二の本発明のハニカム構造体のような、全体が一体として形成された構造を有するハニカム構造体を一体型ハニカム構造体ともいう。また、一体型ハニカム構造体と集合体型ハニカム構造体とを特に区別する必要がない場合には、単にハニカム構造体という。
上記多孔質セラミック部材の平均気孔径は、上記触媒担持層を構成する粒子の平均粒子径よりも大きく、上記多孔質セラミック部材の気孔径分布及び上記触媒担持層を構成する粒子の粒子径分布を、気孔径及び粒子径を同じ軸にとって描いた際、両者が重なる部分における気孔容積が上記多孔質セラミック部材の全気孔容積に対して10%以下であることを特徴とする。
上記多孔質セラミックの材料としては、耐熱性が高く、機械的特性に優れ、かつ、熱伝導率も高い炭化珪素質セラミックが望ましい。なお、炭化珪素質セラミックとは、炭化珪素が60wt%以上のものをいうものとする。
上記触媒としては特に限定されないが、パティキュレートの燃焼の活性化エネルギーを低下させパティキュレートを燃えやすくするものや、CO、HC及びNOx等の排気ガス中の有害なガス成分を浄化することができるもの等が望ましく、例えば、白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属等を挙げることができる。なかでも、白金、パラジウム、ロジウムからなる、いわゆる三元触媒が望ましい。また、貴金属に加えて、アルカリ金属(元素周期表1族)、アルカリ土類金属(元素周期表2族)、希土類元素(元素周期表3族)、遷移金属元素等を担持させてもよい。
以下、両者が重なる部分における気孔容積の上記多孔質セラミック部材の全気孔容積に対する割合を、単に「重なる部分の容積率」ということとする。
多孔質セラミック部材20の気孔率の上限は、65%がより望ましい。
触媒担持層の量を、上記範囲とすることにより、触媒を良好に分散させることができ、かつ、圧力損失の上昇を防止することができる。
なお、上記触媒担持層の量は、上記ハニカム構造体のみかけ体積1リットルあたりの重量(g)である。
なお、上記気孔率は、例えば、水銀圧入法、アルキメデス法及び走査型電子顕微鏡(SEM)による測定等の従来公知の方法により測定することができる。
上記粒径のセラミック粉末を配合し、混合することで、多孔質セラミックからなる一体型ハニカム構造体を製造することができる。また、それぞれの粉末の平均粒径を選択することにより、気孔率や気孔径が10μm以下の細孔の割合をある程度制御することができる。
なお、多孔質セラミック部材10において、接着剤層11とシール材層12とは、同じ材料からなるものであってもよく、異なる材料からなるものであってもよい。さらに、接着剤層11及びシール材層12が同じ材料からなるものである場合、その材料の配合比は同じであってもよく、異なっていてもよい。また、緻密質でも、多孔質でもよい。
上記バルーンとしては特に限定されず、例えば、アルミナバルーン、ガラスマイクロバルーン、シラスバルーン、フライアッシュバルーン(FAバルーン)、ムライトバルーン等を挙げることができる。これらのなかでは、アルミナバルーンが望ましい。
まず、上述したようなセラミックを主成分とする原料ペーストを用いて押出成形を行い、四角柱形状のセラミック成形体を作製する。
多孔質セラミック部材の気孔径等を調節するためには、焼成温度を調節する必要があるが、セラミック粉末の粒径を調節することにより、気孔径を調節することができる。
上記バインダーの配合量は、通常、セラミック粉末100重量部に対して、1〜10重量部程度が望ましい。
上記分散媒液は、上記原料ペーストの粘度が一定範囲内となるように適量配合される。
上記成形助剤としては特に限定されず、例えば、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、ポリビニルアルコール等を挙げることができる。
上記バルーンとしては特に限定されず、例えば、アルミナバルーン、ガラスマイクロバルーン、シラスバルーン、フライアッシュバルーン(FAバルーン)、ムライトバルーン等を挙げることができる。これらのなかでは、アルミナバルーンが望ましい。
上記セラミック乾燥体の脱脂及び焼成の条件は、従来から多孔質セラミックからなるフィルタを製造する際に用いられている条件を適用することができる。
なお、上記接着剤ペーストを構成する材料としては、既に説明しているのでここではその説明を省略する。
次に、ダイヤモンドカッター等を用い、多孔質セラミック部材20が接着材層11を介して複数個接着された多孔質セラミック部材集合体に切削加工を施し、円柱形状のセラミックブロック15を作製する。
上記セラミック焼成体の表面にアルミナからなる触媒担持層を形成する方法としては、例えば、アルミナ粉末を含有する溶液をセラミック焼成体に含浸させて加熱する方法等を挙げることができる。
なお、アルミナ粉末を作る際に、Ce(NO3)3等の希土類元素等を含有する金属化合物の溶液と、Al(NO3)3等のアルミニウムを含有する金属化合物の溶液を混ぜて、予め、混在させ、アルミナとセリアが混在する粉末を粉砕して、担持させてもよい。
上記アルミナ膜に触媒を付与する方法としては、例えば、ジニトロジアンミン白金硝酸溶液([Pt(NH3)2(NO2)2]HNO3)等をセラミック焼成体に含浸させて加熱する方法等を挙げることができる。
図3は、本発明のハニカム構造体が設置された車両の排気ガス浄化装置の一例を模式的に示した断面図である。
上記再生処理では、ポストインジェクション方式を用いてパティキュレートを燃焼除去してもよいし、更にハニカム構造体の前に触媒担持層及び触媒層を形成し、その反応熱を利用してもよい。また、図示しない加熱手段を用いて加熱されたガスをハニカム構造体のセルの内部へ流入させることで、ハニカム構造体を加熱し、壁部に堆積したパティキュレートを燃焼除去してもよい。
触媒を付着させた本発明のハニカム構造体では、触媒の種類等により、通常の温度より低い温度でパティキュレートを燃焼除去することが可能となる。
第二の本発明のハニカム構造体は、壁部を隔てて長手方向に貫通する複数のセルのいずれか一方の端部が封止され、上記壁部に触媒担持層が付着した多孔質セラミックからなるハニカム構造体であって、
上記多孔質セラミックの平均気孔径は、上記触媒担持層を構成する粒子の平均粒子径よりも大きく、上記多孔質セラミックの気孔径分布及び上記触媒担持層を構成する粒子の粒子径分布を、気孔径及び粒子径を同じ軸にとって描いた際、両者が重なる部分における気孔容積が上記多孔質セラミックの全気孔容積に対して10%以下であることを特徴とする。
即ち、本発明のハニカム構造体30のセラミックブロック35では、一方の端部で所定のセル31が封止材32により封止され、セラミックブロック35の他方の端部では、封止材32により封止されていないセル31が封止材32により封止されている。
また、図3には示していないが、セラミックブロック35の周囲には、図1に示したハニカム構造体10と同様に、シール材層が形成されていてもよい。
上記触媒としては特に限定されないが、パティキュレートの燃焼の活性化エネルギーを低下させるものや、CO、HC及びNOx等の排気ガス中の有害なガス成分を浄化することができるもの等が望ましく、例えば、白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属等を挙げることができる。なかでも、白金、パラジウム、ロジウムからなる、いわゆる三元触媒が望ましい。また、貴金属に加えて、アルカリ金属(元素周期表1族)、アルカリ土類金属(元素周期表2族)、希土類元素(元素周期表3族)、遷移金属元素等を担持させてもよい。
このようなハニカム構造体30の触媒担持層に触媒が担持されることで、ハニカム構造体10は、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタとして機能するとともに、排気ガスに含有されるCO、HC及びNOx等を浄化するための触媒コンバータとして機能する。
セラミックブロック35の気孔率の上限は、65%がより望ましい。
なお、上記気孔率は、例えば、水銀圧入法、アルキメデス法及び走査型電子顕微鏡(SEM)による測定等の従来公知の方法により測定することができる。
まず、上記のセラミックを主成分とする原料ペーストを用いて押出成形を行い、セラミックブロックとなる円柱形状のセラミック成形体を作製する。この際、成形体の形状が円柱で、寸法が第一の本発明と比べて大きい他は、第一の本発明と同様のバインダ、分散媒等を用い、同様の方法で成形体を製造するので、ここでは、その詳しい説明を省略する。
その後、本発明と同様に、脱脂、焼成を行うことによりセラミックブロックを製造し、壁部に触媒担体を付着させ、触媒を担持する。
γ−アルミナを、水と分散剤である硝酸溶液と混合し、さらにボールミルで90min−1で粉砕して、アルミナスラリーを調製した。
γ−アルミナの粒子径は、原料の粒子径及び粉砕時間を変えることにより調節し、スラリ1、スラリ2、スラリ3を作製した。
次に、調製したスラリを乾燥させ、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて100個の粒子の粒径を測定し、粒子径分布を作製した。
その結果を図5に示す。
なお、スラリ1の平均粒子径は、3.0μm、スラリ2の平均粒子径は、1.8μm、スラリ3の平均粒子径は、1.1μmであり、図5に示した分布からの最大粒子径は、スラリ1で13.2μm、スラリ2で、11.3μm、スラリ3で、9.7μmである。
平均粒径22μmのα型炭化珪素粉末6720重量部と、平均粒径0.5μmのα型炭化珪素粉末2880重量部とを湿式混合し、得られた混合物10000重量部に対して、平均粒子径が40μmのアクリル粒子を980重量部、有機バインダー(メチルセルロース)を1050重量部、水を2970重量部加えて混練して混合組成物を得た。
次に、上記混合組成物に可塑剤(日本油脂社製 ユニルーブ)を500重量部、潤滑剤として(グリセリン)を230重量部加えてさらに混練した後、押出成形を行い、図2に示した角柱形状の生成形体を作製した。なお、上記アクリル粒子は、気孔を形成するための造孔剤として添加している。
次いで、再び乾燥機を用いて乾燥させた後、400℃で脱脂し、常圧のアルゴン雰囲気下2200℃、3時間で焼成を行うことにより、気孔率が21.1%、平均気孔径が57.7μm、その大きさが34.3mm×34.3mm×150mm、セル21の数が28個/cm2実質的に全ての壁部23の厚さが0.30mmの炭化珪素焼結体からなる一体型ハニカム構造体20を製造した。
成形体を作製する際、表1に示したような各成分を混合して混合組成物を形成し、押出成形により成形体を作製したほかは、実施例1と同様にしてハニカム構造体10を製造し、得られたハニカム構造体10に触媒担持層及び触媒を付着させた。なお、白金触媒の量は、5g/Lで一定である。
(1)気孔率等の測定
触媒担体及び触媒を付着させる前に、水銀圧入法によるポロシメーター(島津製作所社製、オートポアIII 9420)を用い、水銀圧入法により細孔直径0.1〜360μmの範囲で細孔分布を測定した。
上記測定により得られた多孔質セラミック部材20の気孔率、平均気孔径、各実施例、比較例に用いたハニカム構造体の気孔径分布とスラリの粒子径分布との重なる部分の容積率を表2に示す。
触媒担体及び触媒を付着させる前後で、各実施例及び比較例に係るハニカム構造体をエンジンの排気通路に配設し、空気を750m3/hrの速度で流してハニカム構造体の圧力損失を測定した。その結果を表2に示した。表2では、触媒担持層を付着させる前をコート前、触媒担体を付着させた後をコート後と記載している。
11 接着剤層
12 シール材層
15 セラミックブロック
20 多孔質セラミック部材
21、31 セル
22 封止材
23、33 壁部
35 セラミックブロック
上記粒径のセラミック粉末を配合し、混合することで、多孔質セラミックからなる一体型ハニカム構造体を製造することができる。また、それぞれの粉末の平均粒径を選択することにより、気孔率や気孔径が10μm以下の細孔の割合をある程度制御することができる。
なお、ハニカム構造体10において、接着剤層11とシール材層12とは、同じ材料からなるものであってもよく、異なる材料からなるものであってもよい。さらに、接着剤層11及びシール材層12が同じ材料からなるものである場合、その材料の配合比は同じであってもよく、異なっていてもよい。また、緻密質でも、多孔質でもよい。
まず、上述したようなセラミックを主成分とする原料ペーストを用いて押出成形を行い、四角柱形状のセラミック成形体を作製する。
多孔質セラミック部材の気孔径等を調節するためには、焼成温度を調節する必要があるが、セラミック粉末の粒径を調節することにより、気孔径を調節することができる。
上記バインダーの配合量は、通常、セラミック粉末100重量部に対して、1〜10重量部程度が望ましい。
なお、上記接着剤ペーストを構成する材料としては、既に説明しているのでここではその説明を省略する。
即ち、本発明のハニカム構造体30のセラミックブロック35では、一方の端部で所定のセル31が封止材32により封止され、セラミックブロック35の他方の端部では、封止材32により封止されていないセル31が封止材32により封止されている。
また、図4には示していないが、セラミックブロック35の周囲には、図1に示したハニカム構造体10と同様に、シール材層が形成されていてもよい。
このようなハニカム構造体30の触媒担持層に触媒が担持されることで、ハニカム構造体30は、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタとして機能するとともに、排気ガスに含有されるCO、HC及びNOx等を浄化するための触媒コンバータとして機能する。
その後、第一の本発明と同様に、脱脂、焼成を行うことによりセラミックブロックを製造し、壁部に触媒担体を付着させ、触媒を担持する。
平均粒径22μmのα型炭化珪素粉末6720重量部と、平均粒径0.5μmのα型炭化珪素粉末2880重量部とを湿式混合し、得られた混合物10000重量部に対して、平均粒子径が40μmのアクリル粒子を980重量部、有機バインダー(メチルセルロース)を1050重量部、水を2970重量部加えて混練して混合組成物を得た。
次に、上記混合組成物に可塑剤(日本油脂社製 ユニルーブ)を500重量部、潤滑剤として(グリセリン)を230重量部加えてさらに混練した後、押出成形を行い、図2(a)に示した角柱形状の生成形体を作製した。なお、上記アクリル粒子は、気孔を形成するための造孔剤として添加している。
次いで、再び乾燥機を用いて乾燥させた後、400℃で脱脂し、常圧のアルゴン雰囲気下2200℃、3時間で焼成を行うことにより、気孔率が21.1%、平均気孔径が57.7μm、その大きさが34.3mm×34.3mm×150mm、セル21の数が28個/cm2実質的に全ての壁部23の厚さが0.30mmの炭化珪素焼結体からなる多孔質セラミック部材20を製造した。
触媒担体及び触媒を付着させる前後で、各実施例及び比較例に係るハニカム構造体をエンジンの排気通路に配設し、空気を750m3/hrの速度で流してハニカム構造体の圧力損失を測定した。その結果を表2に示した。表2では、触媒担体及び触媒を付着させる前をコート前、触媒担体及び触媒を付着させた後をコート後と記載している。
Claims (4)
- 壁部を隔てて長手方向に貫通する複数のセルのいずれか一方の端部が封止されてなる多孔質セラミック部材が接着剤層を介して複数個接着され、前記壁部に触媒担持層が付着したハニカム構造体であって、
前記多孔質セラミック部材の平均気孔径は、前記触媒担持層を構成する粒子の平均粒子径よりも大きく、
前記多孔質セラミック部材の気孔径分布及び前記触媒担持層を構成する粒子の粒子径分布を、気孔径及び粒子径を同じ軸にとって描いた際、
両者が重なる部分における気孔容積が前記多孔質セラミック部材の全気孔容積に対して10%以下であることを特徴とするハニカム構造体。 - 前記ハニカム構造体は、炭化珪素質セラミックからなる請求項1に記載のハニカム構造体。
- 壁部を隔てて長手方向に貫通する複数のセルのいずれか一方の端部が封止され、前記壁部に触媒担持層が付着した多孔質セラミックからなるハニカム構造体であって、
前記多孔質セラミックの平均気孔径は、前記触媒担持層を構成する粒子の平均粒子径よりも大きく、
前記多孔質セラミックの気孔径分布及び前記触媒担持層を構成する粒子の粒子径分布を、気孔径及び粒子径を同じ軸にとって描いた際、
両者が重なる部分における気孔容積が前記多孔質セラミックの全気孔容積に対して10%以下であることを特徴とするハニカム構造体。 - 前記ハニカム構造体は、コーディエライトからなる請求項3に記載のハニカム構造体。
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