KR20060135488A - 벌집형 구조체 - Google Patents
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- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/63—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B using additives specially adapted for forming the products, e.g.. binder binders
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- C04B35/63—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B using additives specially adapted for forming the products, e.g.. binder binders
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- C04B2111/00034—Physico-chemical characteristics of the mixtures
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- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
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- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3217—Aluminum oxide or oxide forming salts thereof, e.g. bauxite, alpha-alumina
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- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
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Abstract
본 발명은 벌집형 구조체에 국부적인 온도 변화가 생김으로써 발생한 열응력을 완화시킬 수 있고, 균열이 발생하지 않으며, 강도 및 내구성이 우수하고, 열충격이나 진동에 강하며, 나아가 촉매 성분을 고분산시킬 수 있는 벌집형 구조체를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이며, 본 발명의 벌집형 구조체는 다수의 셀이 셀벽을 사이에 두고 길이 방향으로 병설된 기둥상의 벌집형 유닛이 밀봉재층을 통해 복수개 결속된 벌집형 구조체이고, 상기 벌집형 유닛은 무기 입자와, 무기 섬유 및(또는) 위스커를 포함하여 이루어지며, 상기 벌집형 유닛의 길이 방향에 수직인 단면에서의 단면적이 5 내지 50 cm2이고, 상기 밀봉재층의 열팽창률 αL과 상기 벌집형 유닛의 열팽창률 αF가 0.01≤│αL-αF│/αF≤1.0의 관계를 갖는 것을 특징으로 한다.
벌집형 구조체, 벌집형 유닛, 열팽창률
Description
도 1(a)는 본 발명의 벌집형 구조체를 구성하는 벌집형 유닛의 일례를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 1(b)는 본 발명의 벌집형 구조체의 일례를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 실시예 1에 관한 벌집형 유닛의 셀벽의 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 벌집형 유닛을 복수개 결속시킨 실험예의 설명도이다.
도 4는 벌집형 유닛을 복수개 결속시킨 비교예의 설명도이다.
도 5(a)는 진동 시험에 이용한 진동 장치의 정면도이다.
도 5(b)는 진동 장치의 측면도이다.
도 6은 압력 손실 측정 장치의 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 벌집형 구조체
11: 벌집형 유닛
12: 셀
14: 밀봉재층
16: 도포재층
[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 (평)10-263416호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특허 공개 (평)5-213681호 공보
[특허 문헌 3] DE4341159호 공보
[특허 문헌 4] 일본 특허 공개 (평)8-28246호 공보
[특허 문헌 5] 일본 특허 공개 제2001-190916호 공보
본 발명은 벌집형 구조체에 관한 것이다.
종래, 일반적으로 자동차 배기 가스 정화에 사용되는 벌집형 촉매는 일체 구조로 저열팽창성의 코디어라이트질(cordierite-type) 벌집형 구조체의 표면에 활성 알루미나 등의 고비표면적 재료와 백금 등의 촉매 금속을 담지함으로써 제조되고 있다. 또한, 린번 엔진 및 디젤 엔진과 같은 산소 과잉 분위기하에서의 NOx 처리를 위해 NOx 흡장제로서 Ba 등의 알칼리 토금속을 담지하고 있다.
그런데, 정화 성능을 보다 향상시키기 위해서는, 배기 가스와 촉매 귀금속 및 NOx 흡장제의 접촉 확률을 높일 필요가 있다. 그러기 위해서는 담체를 보다 고비표면적으로 하고, 귀금속의 입자 크기를 작게 함과 동시에 고분산시킬 필요가 있다. 그러나, 단순히 활성 알루미나 등의 고비표면적 재료의 담지량을 늘리는 것만으로는 알루미나층의 두께 증가를 초래할 뿐이며, 접촉 확률을 높이는 것으로는 연 결되지 않거나, 압력 손실이 지나치게 높아져 버리는 등의 결점도 생기기 때문에, 셀 형상, 셀 밀도 및 셀벽의 두께 등이 연구되고 있다(예를 들면, 일본 특허 공개 (평)10-263416호 공보 참조).
한편, 고비표면적 재료를 포함하는 벌집형 구조체로서, 무기 섬유 및 무기 결합제와 함께 압출 성형한 벌집형 구조체가 알려져 있다(예를 들면, 일본 특허 공개 (평)5-213681호 공보 참조). 또한, 이러한 벌집형 구조체를 대형화하는 것을 목적으로, 접착층을 통해 벌집형 유닛을 접합한 것이 알려져 있다(예를 들면, DE4341159호 공보 참조).
그러나, 알루미나 등의 고비표면적 재료는 열 노화에 의해 소결이 진행되어 비표면적이 저하하고, 또한 담지되어 있는 백금 등의 촉매 금속은 그에 따라 응집하여 입경이 크고 비표면적이 작아진다. 즉, 열 노화 후에 보다 고비표면적이기 위해서는 초기 단계에서 그 비표면적을 높일 필요가 있다. 또한, 상술한 바와 같이 정화 성능을 보다 향상시키기 위해서는 배기 가스와 촉매 귀금속 및 NOx 흡장제의 접촉 확률을 높이는 것이 필요하다. 즉, 담체를 보다 고비표면적으로 하고 촉매 금속의 입자를 작게 하며, 또한 보다 고분산시키는 것이 중요한데, 일본 특허 공개 (평)10-263416호 공보와 같은 코디어라이트질 벌집형 구조체의 표면에 활성 알루미나 등의 고비표면적 재료와 백금 등의 촉매 금속을 담지한 것에서는 배기 가스와의 접촉 확률을 높이기 위해 셀 형상, 셀 밀도 및 벽 두께 등을 연구하여 촉매 담체를 고비표면적화했지만, 그래도 충분히 크지 못하여, 그로 인해 촉매 금속이 충분히 고분산되지 않아 열 노화 후의 배기 가스의 정화 성능이 부족하였다.
또한, 상기 열 노화는 촉매 담체로서 사용시의 열에 기인하는 열 노화 및 열에 의한 가속 시험 등을 행했을 때의 열 노화의 양쪽을 의미한다.
따라서, 상기 부족을 보충하기 위해 촉매 금속을 다량 담지하거나, 촉매 담체 자체를 대형화함으로써 해결하려고 하여 왔다. 그러나, 백금 등의 귀금속은 매우 고가이고, 한정된 귀중한 자원이다. 또한, 자동차에 설치하는 경우, 그 설치 공간이 매우 한정되기 때문에 어떠한 것도 적당한 수단이라고는 할 수 없었다.
또한, 고비표면적 재료를 무기 섬유 및 무기 결합제와 함께 압출 성형하는 일본 특허 공개 (평)5-213681호 공보의 벌집형 구조체는, 기재 자체가 고비표면적 재료로 이루어지기 때문에 담체로서도 고비표면적이고, 충분히 촉매 금속을 고분산시키는 것이 가능하지만, 기재의 알루미나 등은 비표면적을 유지하기 위해서는 충분히 소결시킬 수 없어 기재의 강도가 매우 약한 것이었다.
또한, 상술한 바와 같이 자동차용으로 사용하는 경우, 설치하기 위한 공간이 매우 한정된다. 따라서, 단위 부피당 담체의 비표면적을 높이기 위해 셀벽을 얇게 하는 등의 수단을 이용하지만, 그렇게 함으로써 기재의 강도는 한층 더 약해진다. 또한, 알루미나 등은 열팽창률이 큰 경우도 있어, 소성(예비 소성)시 및 사용시에 열응력에 의해 쉽게 균열이 생기게 된다. 이들을 고려하면, 자동차용으로서 이용한 경우, 사용시에 급격한 온도 변화에 의한 열응력이나 큰 진동 등의 외력이 가해지기 때문에 쉽게 파손되어 벌집형 구조체로서의 형상을 유지하지 못하고, 촉매 담체로서의 기능도 할 수 없다는 문제가 있었다.
또한, DE4341159호 공보에 있는 자동차용 촉매 담체에서는 벌집형 구조체를 대형화하는 것을 목적으로 하고 있기 때문에, 벌집형 유닛의 단면적이 200 cm2 이상인 것이 개시되어 있는데, 급격한 온도 변화에 의한 열응력, 나아가 큰 진동 등이 가해지는 상황에서 사용한 경우에는, 상술한 바와 같이 쉽게 파손되어 형상을 유지하지 못하고, 촉매 담체로서의 기능도 할 수 없다는 문제가 있었다.
또한, 벌집형 유닛이 접착제층을 통해 복수개 결속된 벌집형 구조체는, 예를 들면 일본 특허 공개 (평)8-28246호 공보나 일본 특허 공개 제2001-190916호 공보 등에도 개시되어 있다.
또한, 이러한 구조로 이루어지는 벌집형 구조체에서는 벌집형 유닛의 열팽창률과 접착제층의 열팽창률이 동등한 것이 바람직하다고 여겨지고 있었다.
왜냐하면, 상기 벌집형 구조체는 현실적으로는, 예를 들면 10 내지 800 ℃라는 넓은 온도 범위에서 사용되는 것이며, 벌집형 유닛의 열팽창률과 접착제층의 열팽창률이 상이한 것이면, 이들 열팽창률의 차이에 기인하여 벌집형 유닛이나 접착제층에 균열이 발생한다고 여겨지고 있었기 때문이다.
그러나, 이와 같이 벌집형 유닛의 열팽창률과 접착제층의 열팽창률을 완전히 동일한 것으로 하면, 단일 세라믹 부재로 이루어지는 것과 다르지 않기 때문에, 벌집형 구조체에 촉매를 담지시킨 경우의 촉매량의 불균일, 배기 가스 등에 의한 가열의 불균일 등에 기인하여 벌집형 구조체에 국부적인 온도 변화가 생긴 경우, 이 국부적인 온도 변화가 생긴 부분과, 그 이외의 부분 사이에 큰 열응력이 발생하여 벌집형 유닛이나 접착제층에 균열이 발생하는 경우가 있었다.
본 발명은 이들 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 벌집형 구조체에 국부적인 온도 변화가 생김으로써 발생한 열응력을 완화시킬 수 있고, 균열이 발생하지 않으며, 열충격이나 진동에 강하고, 내구성이 우수하며, 나아가 촉매 성분을 고분산시킬 수 있는 벌집형 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 벌집형 구조체는 다수의 셀이 셀벽을 사이에 두고 길이 방향으로 병설된 기둥상의 벌집형 유닛이 밀봉재층을 통해 복수개 결속된 세라믹 블럭을 포함하는 벌집형 구조체이고,
상기 벌집형 유닛은 무기 입자와, 무기 섬유 및(또는) 위스커를 포함하여 이루어지며,
상기 벌집형 유닛의 길이 방향에 수직인 단면에서의 단면적이 5 내지 50 cm2이고,
상기 밀봉재층의 열팽창률 αL과 상기 벌집형 유닛의 열팽창률 αF가 0.01≤│αL-αF│/αF≤1.0의 관계를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 벌집형 구조체에 있어서, 상기 벌집형 구조체의 길이 방향에 수직인 단면에서의 단면적에 대하여, 상기 벌집형 유닛의 길이 방향에 수직인 단면에서의 단면적의 총합이 차지하는 비율은 85 ％ 이상인 것이 바람직하고, 90 ％ 이상인 것이 보다 바람직하다.
상기 벌집형 구조체는 그의 최외주부에 도포재층이 형성되어 있고,
상기 도포재층의 열팽창률 αM과 상기 벌집형 유닛의 열팽창률 αF가 0.01≤│αM-αF│/αF≤1.0의 관계를 갖는 것이 바람직하다.
상기 벌집형 구조체에 있어서, 상기 무기 입자는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 멀라이트 및 제올라이트로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 벌집형 구조체에 있어서, 상기 무기 섬유 및(또는) 위스커는 알루미나, 실리카, 탄화규소, 실리카-알루미나, 유리, 티탄산칼륨 및 붕산알루미늄으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.
상기 벌집형 구조체에 있어서, 상기 벌집형 유닛은 상기 무기 입자와 상기 무기 섬유 및(또는) 위스커와 무기 결합제를 포함하는 혼합물을 사용하여 제조되며,
상기 무기 결합제는 알루미나 졸, 실리카 졸, 티타니아 졸, 물 유리, 세피올라이트 및 아타펄자이트로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.
상기 벌집형 구조체는 촉매가 담지되어 있는 것이 바람직하며, 상기 촉매는 귀금속, 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 산화물로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 벌집형 구조체는 차량의 배기 가스 정화에 이용하는 것인 것이 바람직하다.
<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>
이하, 본 발명의 벌집형 구조체에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
본 발명의 벌집형 구조체는 다수의 셀이 셀벽을 사이에 두고 길이 방향으로 병설된 기둥상의 벌집형 유닛이 밀봉재층을 통해 복수개 결속된 벌집형 구조체이고,
상기 벌집형 유닛은 무기 입자와, 무기 섬유 및(또는) 위스커를 포함하여 이루어지며,
상기 벌집형 유닛의 길이 방향에 수직인 단면에서의 단면적이 5 내지 50 cm2이고,
상기 밀봉재층의 열팽창률 αL과 상기 벌집형 유닛의 열팽창률 αF가 0.01≤│αL-αF│/αF≤1.0의 관계를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 벌집형 구조체에서는 복수의 벌집형 유닛이 밀봉재층을 통해 결속되어 있기 때문에 열충격이나 진동에 강하다. 그 이유로서는 급격한 온도 변화 등에 의해 벌집형 구조체에 온도 분포가 생긴 경우에도, 각각의 벌집형 유닛당 생기는 온도차를 작게 억제할 수 있기 때문이라고 추측된다. 또는 열충격이나 진동을 밀봉재층에 의해 완화할 수 있게 되기 때문이라고 추측된다. 또한, 이 밀봉재층은 열응력 등에 의해 벌집형 유닛에 균열이 생긴 경우에도, 균열이 벌집형 구조체 전체에 퍼지는 것을 방지하고, 나아가 벌집형 구조체의 프레임으로서의 역할도 하며, 벌집형 구조체로서의 형상을 유지하고, 촉매 담체로서의 기능을 잃지 않게 된다고 여겨진다.
또한, 상기 벌집형 유닛의 벌집형 구조체의 길이 방향에 수직인 단면에서의 단면적(간단히 단면적이라고 함, 이하 동일)은 하한치가 5 cm2이고, 상한치가 50 cm2이다. 단면적이 5 cm2 미만에서는 벌집형 유닛끼리를 결속하는 밀봉재층의 단면적이 커지기 때문에 촉매를 담지하는 비표면적이 상대적으로 작아짐과 동시에, 압력 손실이 상대적으로 커지게 된다. 한편, 단면적이 50 cm2를 초과하면 유닛의 크기가 지나치게 커져 각각의 벌집형 유닛에 발생하는 열응력을 충분히 억제할 수 없다.
이에 대하여, 벌집형 유닛의 단면적이 5 내지 50 cm2의 범위에 있으면, 벌집형 구조체에 있어서 밀봉재층이 차지하는 비율을 조정할 수 있고, 이에 따라 비표면적을 크게 유지할 수 있어, 그 결과 촉매 성분을 고분산시키는 것이 가능해진다.
또한, 열충격이나 진동 등의 외력이 가해져도 벌집형 구조체로서의 형상을 유지할 수 있다. 또한, 압력 손실을 작게 억제할 수 있다.
따라서, 이 벌집형 구조체에 따르면, 촉매 성분을 고분산시킴과 동시에 열충격이나 진동에 대한 강도를 높일 수 있다.
또한, 단위 부피당 비표면적은, 후술하는 수학식 1에 의해 구할 수 있다.
또한, 여기서 벌집형 유닛의 단면적이란, 벌집형 구조체가 단면적이 상이한 복수의 벌집형 유닛을 포함할 때에는 벌집형 구조체를 구성하는 기본 유닛이 되는 벌집형 유닛의 단면적을 말하며, 통상적으로 벌집형 유닛의 단면적이 최대인 것을 말한다.
상기 단면적의 바람직한 하한치는 6 cm2이고, 보다 바람직한 하한치는 8 cm2이다. 한편, 상기 단면적의 바람직한 상한치는 40 cm2이고, 보다 바람직한 상한치는 30 cm2이다.
또한, 상기 벌집형 구조체에서는 밀봉재층의 열팽창률 αL과 벌집형 유닛의 열팽창률 αF의 관계식 │αL-αF│/αF의 하한치가 0.01 이상이고, 상한치가 1.0 이하이다. 단, 상기 관계식의 각 열팽창률의 값은 800 ℃에서 측정한 값이다.
또한, 800 ℃에서 측정한 이유는, 800 ℃가 벌집형 구조체가 노출되는 거의 상한치의 온도라고 생각되기 때문이다.
즉, 본 발명의 벌집형 구조체를 구성하는 밀봉재층의 열팽창률과 벌집형 유닛의 열팽창률은 동일하지 않고 약간 상이한 것이다. 따라서, 상기 벌집형 구조체에서는 촉매를 담지시킨 경우의 촉매량의 불균일, 배기 가스 등에 의한 가열 불균일 등에 기인하여 국부적인 연소, 즉 국부적인 온도 변화가 생긴 경우라도 상기 국부적인 온도 변화가 생긴 부분과, 그 이외의 부분과의 사이에서 생긴 열응력을 바람직하게 완화시킬 수 있고, 벌집형 유닛이나 접착제층에 균열이 발생하지 않으며, 내구성이 우수해진다.
상기 관계식 │αL-αF│/αF가 0.01 미만이면, 밀봉재층의 열팽창률과 벌집형 유닛의 열팽창률이 거의 동일해져, 촉매를 담지시킨 경우의 촉매량의 불균일, 배기 가스 등에 의한 가열 불균일 등에 기인하여 벌집형 구조체에 국부적인 연소가 발생한 경우에 생기는 국부적인 열응력을 충분히 완화시키지 못하여, 벌집형 유닛이나 밀봉재층에 균열이 발생하여 벌집형 구조체의 파괴에 이르는 경우가 있다.
한편, 상기 관계식 │αL-αF│/αF가 1.0을 초과하면, 벌집형 구조체의 통상적인 사용에 있어서, 배기 가스의 온도차에 수반되는 밀봉재층의 열팽창과 벌집형 유닛의 열팽창의 차이가 지나치게 커져, 역시 벌집형 유닛이나 밀봉재층에 균열이 발생하여 벌집형 구조체의 파괴에 이르는 경우가 있다.
또한, 상기 관계식에 있어서, 밀봉재층의 열팽창률 αL과 벌집형 유닛의 열팽창률 αF의 차이 αL-αF를 나타내는 분자 부분이 절대치로 되어 있는 것은, 벌집형 유닛의 열팽창률 αF를 밀봉재층의 열팽창률 αL보다 크게 할 수도 있기 때문이다.
상기 벌집형 구조체에서는 상기 벌집형 구조체의 길이 방향에 수직인 단면에서의 단면적에 대하여, 상기 벌집형 유닛의 단면적의 총합이 차지하는 비율이 85 ％ 이상인 것이 바람직하고, 90 ％ 이상인 것이 보다 바람직하다.
상기 벌집형 유닛의 단면적의 총합이 차지하는 비율이 85 ％ 미만에서는 밀봉재층의 단면적이 커지고, 벌집형 유닛의 총단면적이 작기 때문에 촉매를 담지하 는 비표면적이 상대적으로 작아짐과 동시에, 압력 손실이 상대적으로 커지게 되기 때문이다.
또한, 상기 비율이 90 ％ 이상에서는 보다 압력 손실을 작게 할 수 있다.
상기 벌집형 구조체에서는 그의 최외주부에 도포재층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이에 따라, 외주면을 보호하여 강도를 높일 수 있기 때문이다.
또한, 도포재층이 형성되어 있는 경우, 도포재층의 열팽창률 αM과 벌집형 유닛의 열팽창률 αF의 관계식 │αM -αF│/αF의 하한치는 0.01 이상인 것이 바람직하고, 상한치는 1.0 이하인 것이 바람직하다.
단, 상기 관계식의 각 열팽창률의 값은 800 ℃에서 측정한 값이다.
또한, 800 ℃에서 측정한 이유는, 800 ℃가 벌집형 구조체가 노출되는 거의 상한치의 온도라고 생각되기 때문이다.
상기 관계식 │αM -αF│/αF가 0.01 미만이면, 도포재층의 열팽창률과 벌집형 유닛의 열팽창률이 거의 동일해져, 촉매를 담지시킨 경우의 촉매량의 불균일, 배기 가스 등에 의한 가열 불균일 등에 기인하여 벌집형 구조체에 국부적인 연소가 발생한 경우에 생기는 국부적인 열응력을 완화시키지 못하여, 벌집형 유닛이나 도포재층에 균열이 발생하여 벌집형 구조체가 파괴에 이르는 경우가 있다.
한편, 상기 관계식 │αM -αF│/αF가 1.0을 초과하면, 벌집형 구조체의 통상적인 사용에 있어서 배기 가스의 온도차에 수반되는 도포재층의 열팽창과 벌집형 유닛의 열팽창의 차이가 지나치게 커져, 역시 벌집형 유닛이나 도포재층에 균열이 발생하여 벌집형 구조체가 파괴에 이르는 경우가 있다.
또한, 상기 관계식에 있어서, 도포재층의 열팽창률 αM과 벌집형 유닛의 열팽창률 αF의 차이 αM-αF를 나타내는 분자 부분이 절대치로 되어 있는 것은, 벌집형 유닛의 열팽창률 αF를 도포재층의 열팽창률 αM보다 크게 할 수도 있기 때문이다.
또한, 본 발명의 벌집형 구조체에는, 후술하는 바와 같이 촉매를 담지시킬 수도 있으며, 그 경우에는 촉매 담지 후의 밀봉재층의 열팽창률을 αL, 촉매 담지 후의 벌집형 유닛의 열팽창률을 αF, 촉매 담지 후의 도포재층의 열팽창률을 αM으로 하였다.
벌집형 유닛을 복수개 결속시킨 벌집형 구조체의 형상은 특별히 한정되는 것이 아니며, 예를 들면 원기둥상, 각기둥상 또는 타원기둥상 등을 들 수 있다. 또한, 그 크기도 특별히 한정되는 것이 아니다.
본 발명의 벌집형 구조체를 구성하는 벌집형 유닛은 무기 입자와, 무기 섬유 및(또는) 위스커를 포함하여 이루어지는 것이다.
따라서, 무기 입자에 의해 비표면적이 향상되고, 무기 섬유 및(또는) 위스커에 의해 다공질 세라믹의 강도가 향상된다.
상기 무기 입자로서는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 멀 라이트, 제올라이트 등으로 이루어지는 입자가 바람직하다. 이들은 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 병용할 수도 있다. 이들 중에서는 알루미나 입자가 특히 바람직하다.
상기 무기 섬유나 위스커로서는 알루미나, 실리카, 탄화규소, 실리카-알루미나, 유리, 티탄산칼륨, 붕산알루미늄 등을 포함하는 무기 섬유나 위스커가 바람직하다. 이들은 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 병용할 수도 있다.
상기 무기 섬유나 위스커의 바람직한 종횡비(길이/직경)는 바람직한 하한치가 2이고, 보다 바람직한 하한치가 5이며, 더욱 바람직한 하한치가 10이다. 한편, 바람직한 상한치는 1000이고, 보다 바람직한 상한치는 800이며, 더욱 바람직한 상한치는 500이다.
또한, 상기 무기 섬유나 위스커의 종횡비는, 종횡비에 분포가 있을 때에는 그의 평균치이다.
상기 벌집형 유닛에 포함되는 상기 무기 입자의 양에 대하여 바람직한 하한치는 30 중량％이고, 보다 바람직한 하한치는 40 중량％이며, 더욱 바람직한 하한치는 50 중량％이다.
한편, 바람직한 상한치는 97 중량％이고, 보다 바람직한 상한치는 90 중량％이며, 더욱 바람직한 상한치는 80 중량％이고, 특히 바람직한 상한치는 75 중량％이다.
무기 입자의 함유량이 30 중량％ 미만에서는, 비표면적의 향상에 기여하는 무기 입자의 양이 상대적으로 적어지기 때문에 벌집형 구조체로서의 비표면적이 작 고, 촉매 성분을 담지할 때 촉매 성분을 고분산시킬 수 없게 되는 경우가 있다. 한편, 97 중량％를 초과하면, 강도 향상에 기여하는 무기 섬유 및(또는) 위스커의 양이 상대적으로 적어지기 때문에 벌집형 구조체의 강도가 저하하게 된다.
상기 벌집형 유닛에 포함되는 상기 무기 섬유 및(또는) 위스커의 합계량에 대하여 바람직한 하한치는 3 중량％이고, 보다 바람직한 하한치는 5 중량％이며, 더욱 바람직한 하한치는 8 중량％이다. 한편, 바람직한 상한치는 70 중량％이고, 보다 바람직한 상한치는 50 중량％이며, 더욱 바람직한 상한치는 40 중량％이고, 특히 바람직한 상한치는 30 중량％이다.
무기 섬유 및(또는) 위스커의 합계량이 3 중량％ 미만에서는 벌집형 구조체의 강도가 저하하게 되고, 50 중량％를 초과하면 비표면적 향상에 기여하는 무기 입자의 양이 상대적으로 적어지기 때문에 벌집형 구조체로서의 비표면적이 작아 촉매 성분을 담지할 때 촉매 성분을 고분산시킬 수 없게 되는 경우가 있다.
또한, 상기 벌집형 유닛은 상기 무기 입자와 상기 무기 섬유 및(또는) 위스커와 무기 결합제를 포함하는 혼합물을 사용하여 제조되는 것이 바람직하다.
이와 같이 무기 결합제를 포함하는 혼합물을 사용함으로써, 생성 형체를 소성하는 온도를 낮춰도 충분한 강도의 벌집형 유닛을 얻을 수 있다.
상기 무기 결합제로서는 무기 졸이나 점토계 결합제 등을 사용할 수 있으며, 상기 무기 졸의 구체예로서는, 예를 들면 알루미나 졸, 실리카 졸, 티타니아 졸, 물 유리 등을 들 수 있다. 또한, 점토계 결합제로서는, 예를 들면 백토, 카올린, 몬모릴로나이트, 세피올라이트, 아타펄자이트 등의 복쇄 구조형 점토 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 병용할 수도 있다.
이들 중에서도 알루미나 졸, 실리카 졸, 티타니아 졸, 물 유리, 세피올라이트 및 아타펄자이트로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상이 바람직하다.
상기 무기 결합제의 양은, 후술하는 제조 공정에서 제조하는 원료 페이스트의 고형분으로서 그 바람직한 하한치는 5 중량％이고, 보다 바람직한 하한치는 10 중량％이며, 더욱 바람직한 하한치는 15 중량％이다. 한편, 바람직한 상한치는 50 중량％이고, 보다 바람직한 상한치는 40 중량％이며, 더욱 바람직한 상한치는 35 중량％이다.
상기 무기 결합제의 함유량이 50 중량％를 초과하면 성형성이 불량해진다.
상기 벌집형 유닛의 형상은 특별히 한정되는 것이 아니지만, 벌집형 유닛끼리가 결속하기 쉬운 형상인 것이 바람직하며, 그 길이 방향에 수직인 단면(이하, 간단히 단면이라고도 함)의 형상으로서는 정방형, 직사각형, 육각형, 부채상 등을 들 수 있다.
상기 벌집형 유닛의 일례로서 단면 정방형의 직방체 벌집형 유닛을 도면에 나타내었다.
도 1(a)가 본 발명의 벌집형 구조체를 구성하는 벌집형 유닛의 일례를 모식적으로 나타내는 사시도이고, 도 1(b)가 본 발명의 벌집형 구조체의 일례를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
벌집형 유닛 (11)은 앞쪽으로부터 안쪽을 향하여 셀 (12)를 다수개 가지며, 셀 (12)를 갖지 않는 바깥면 (13)을 갖는다.
셀 (12)끼리의 사이의 두께(셀벽의 두께)는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 바람직한 하한치는 0.05 mm이고, 보다 바람직한 하한치는 0.10 mm이며, 특히 바람직한 하한치는 0.15 mm이다. 한편, 바람직한 상한치는 0.35 mm이고, 보다 바람직한 상한치는 0.30 mm이며, 특히 바람직한 상한치는 0.25 mm이다.
셀벽의 두께가 0.05 mm 미만에서는 벌집형 유닛의 강도가 저하하는 경우가 있고, 한편 셀벽의 두께가 0.35 mm를 초과하면 배기 가스와의 접촉 면적이 작아진다는 것과, 가스가 충분한 깊이까지 침투하지 않기 때문에 셀벽 내부에 담지된 촉매와 가스가 접촉하기 어려워진다는 것에 의해 촉매 성능이 저하해 버리는 경우가 있다.
또한, 상기 벌집형 유닛의 셀 밀도는 바람직한 하한치가 15.5개/cm2(100 cpsi)이고, 보다 바람직한 하한치가 46.5개/cm2(300 cpsi)이며, 더욱 바람직한 하한치가 62.0개/cm2(400 cpsi)이다. 한편, 셀 밀도의 바람직한 상한치는 186개/cm2(1200 cpsi)이고, 보다 바람직한 상한치는 170.5개/cm2(1100 cpsi)이며, 더욱 바람직한 상한치는 155개/cm2(1000 cpsi)이다.
셀 밀도가 15.5개/cm2 미만에서는 벌집형 유닛 내부의 배기 가스와 접촉하는 벽의 면적이 작아지고, 186개/cm2를 초과하면 압력 손실이 높아짐과 동시에 벌집형 유닛의 제조가 곤란해지게 된다.
상기 벌집형 유닛에 형성되는 셀의 단면 형상은 특별히 한정되지 않으며, 도 1(a)에 나타낸 사각형 이외에 대략적인 삼각형이나 육각형으로 할 수도 있다.
이어서, 본 발명의 벌집형 구조체의 제조 방법에 대하여 공정순으로 설명한다.
우선, 상기 무기 입자와 상기 무기 섬유 및(또는) 위스커를 주성분으로 하는 원료 페이스트를 이용하여 압축 성형 등을 행하여 성형체를 제조한다.
상기 원료 페이스트에는 이들 이외에 필요에 따라 상기 무기 결합제, 유기 결합제, 분산매 및 성형 보조제를 성형성에 맞추어 적절하게 첨가할 수도 있다.
상기 유기 결합제로서는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 예를 들면 메틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 폴리에틸렌글리콜, 페놀 수지, 에폭시 수지 등을 들 수 있다.
이들은 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 병용할 수도 있다.
상기 유기 결합제의 배합량은 상기 무기 입자, 무기 섬유, 위스커, 무기 결합제의 합계 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부가 바람직하다.
상기 분산매로서는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 예를 들면 물, 유기 용매(벤젠 등), 알코올(메탄올 등) 등을 들 수 있다.
상기 성형 보조제로서는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 예를 들면 에틸렌글리콜, 덱스트린, 지방산, 지방산 비누, 폴리알코올 등을 들 수 있다.
상기 원료 페이스트의 제조는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 혼합ㆍ혼련하는 것이 바람직하고, 예를 들면 믹서나 아트라이터(attritor) 등을 사용하여 혼합 할 수도 있으며, 혼련기 등으로 충분히 혼련할 수도 있다.
상기 원료 페이스트를 성형하는 방법은 특별히 한정되는 것이 아니지만, 상술한 바와 같이 압출 성형 등에 의해 셀을 갖는 형상으로 성형하는 것이 바람직하다.
이어서, 얻어진 성형체를 필요에 따라 건조기를 이용하여 건조함으로써 건조체를 얻는다.
상기 건조기로서는, 예를 들면 마이크로파 건조기, 열풍 건조기, 유전 건조기, 감압 건조기, 진공 건조기 및 동결 건조기 등을 들 수 있다.
이어서, 얻어진 건조체를 필요에 따라 탈지한다.
탈지 조건은 특별히 한정되지 않으며, 성형체에 포함되는 유기물의 종류나 양에 따라 적절하게 선택하지만, 대략 400 ℃, 2 hr 정도가 바람직하다.
이어서, 필요에 따라 건조, 탈지 처리를 실시한 성형체를 소성한다.
소성 조건은 특별히 한정되는 것이 아니지만, 600 내지 1200 ℃가 바람직하고, 600 내지 1000 ℃가 보다 바람직하다.
그 이유는 소성 온도가 600 ℃ 미만에서는 세라믹 입자 등의 소결이 진행되지 않아 벌집형 구조체로서의 강도가 낮아지는 경우가 있고, 1200 ℃를 초과하면 세라믹 입자 등의 소결이 지나치게 진행되어 단위 부피당 비표면적이 작아져 담지시키는 촉매 성분을 충분히 고분산시킬 수 없게 되는 경우가 있다.
이러한 공정을 거침으로써 다수의 셀이 셀벽을 사이에 두고 길이 방향으로 병설된 기둥상의 벌집형 유닛을 제조할 수 있다.
또한, 상기 벌집형 유닛의 열팽창률 αF는 혼합 조성물에 배합한 재료나 소성 조건에 의해 결정되게 된다.
이어서, 얻어진 벌집형 유닛에 밀봉재층이 되는 밀봉재 페이스트를 도포하여 벌집형 유닛을 차례로 결속시키고, 그 후 건조하고, 고정화시켜 밀봉재층을 통해 결속된 소정의 크기의 벌집형 유닛 결속체를 제조한다.
상기 밀봉재 페이스트로서는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 예를 들면 무기 결합제와 세라믹 입자를 혼합한 것이나, 무기 결합제와 무기 섬유를 혼합한 것이나, 무기 결합제와 세라믹 입자와 무기 섬유를 혼합한 것 등을 사용할 수 있다.
또한, 이들 밀봉재 페이스트에는 유기 결합제를 첨가할 수도 있다.
상기 유기 결합제로서는 특별히 한정되는 것이 아니며, 예를 들면 폴리비닐알코올, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스 등을 들 수 있다.
이들은 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 병용할 수도 있다.
상기 밀봉재층의 두께는 0.5 내지 2 mm가 바람직하다.
밀봉재층의 두께가 0.5 mm 미만에서는 충분한 접합 강도가 얻어지지 않을 우려가 있고, 또한 밀봉재층은 촉매 담체로서 기능하지 않는 부분이기 때문에, 2 mm를 초과하면 벌집형 구조체의 단위 부피당 비표면적이 저하하기 때문에, 촉매 성분을 담지했을 때 충분히 고분산시킬 수 없게 되는 경우가 있다.
또한, 밀봉재층의 두께가 2 mm를 초과하면 압력 손실이 커지는 경우가 있다.
또한, 여기서는 후술하는 열처리 후에 밀봉재층의 열팽창률 αL과 상기 벌집형 유닛의 열팽창률 αF가 0.01≤│αL-αF│/αF≤1.0의 관계를 만족하도록 밀봉재층의 열팽창률 αL을 제조한다.
또한, 결속시키는 벌집형 유닛의 수는 벌집형 구조체의 크기에 맞추어 적절하게 결정하면 된다. 또한, 벌집형 유닛을 밀봉재층을 통해 결속한 벌집형 유닛 결속체는, 필요에 따라 적절하게 절단, 연마 등을 실시하여 세라믹 블럭으로 한다.
이어서, 필요에 따라 세라믹 블럭의 외주면에 도포재 페이스트를 도포하여 건조하고, 고정화시킴으로써 도포재층을 형성한다.
상기 도포재층을 형성함으로써 세라믹 블럭의 외주면을 보호할 수 있고, 그 결과 벌집형 구조체의 강도를 높일 수 있다.
또한, 여기서는 후술하는 열처리 후에 도포재층의 열팽창률 αM과 상기 벌집형 유닛의 열팽창률 αF가 0.01≤│αM-αF│/αF≤1.0의 관계를 만족하도록 도포재층의 열팽창률 αM을 제조하는 것이 바람직하다.
상기 도포재 페이스트는 특별히 한정되지 않으며, 상기 밀봉재 페이스트와 동일한 재료로 이루어지는 것일 수도 있고, 다른 재료로 이루어지는 것일 수도 있다.
또한, 상기 도포재 페이스트가 상기 밀봉재 페이스트와 동일한 재료로 이루어지는 것인 경우, 양자의 구성 성분의 배합비는 동일하거나 또는 상이할 수 있다.
상기 도포재층의 두께는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 0.1 내지 2 mm인 것이 바람직하다. 0.1 mm 미만에서는 외주면을 완전히 보호하지 못하여 강도를 높이지 못할 우려가 있고, 2 mm를 초과하면 벌집형 구조체로서의 단위 부피당 비표면적이 저하하여 촉매 성분을 담지했을 때 충분히 고분산시킬 수 없게 되는 경우가 있다.
또한, 본 제조 방법에서는 복수의 벌집형 유닛을 밀봉재층을 통해 결속시킨 후(단, 도포재층을 제공한 경우에는 도포재층을 형성시킨 후), 예비 소성하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 밀봉재층, 도포재층에 유기 결합제가 포함되어 있는 경우 등에는 탈지 제거할 수 있게 된다.
예비 소성의 조건은 포함되는 유기물의 종류나 양에 따라 적절하게 결정되는데, 대략 700 ℃에서 2 hr 정도가 바람직하다.
여기서, 벌집형 구조체의 일례로서 단면 정방형의 직방체 벌집형 유닛을 복수개 결속시키고, 외형을 원기둥상으로 한 벌집형 구조체를 도 1(b)를 참조하면서 설명한다.
벌집형 구조체 (10)은 밀봉재층 (14)에 의해 벌집형 유닛 (11)을 결속시키고 원기둥상으로 절단한 후, 도포재층 (16)에 의해 세라믹 블럭의 셀 (12)가 형성되어 있지 않은 외주면을 피복한 것이다.
또한, 상기 제조 방법에서는 단면이 부채형의 형상인 벌집형 유닛이나, 단면이 정방형의 형상인 벌집형 유닛을 성형해 두고, 이들을 밀봉재층을 통해 결속시켜 소정의 형상의 벌집형 구조체(예를 들면, 도 1(b)에서는 원기둥상)를 제조할 수도 있다.
이 경우, 절단, 연마 공정을 생략할 수 있다.
이러한 본 발명의 벌집형 구조체의 용도는 특별히 한정되지 않지만, 차량의 배기 가스 정화용 촉매 담체로서 바람직하게 사용할 수 있다.
또한, 디젤 엔진의 배기 가스 정화용 촉매 담체로서 사용하는 경우, 탄화규소 등의 세라믹 벌집형 구조를 갖고, 배기 가스 중의 입상 물질(PM)을 여과하여 연소 정화하는 기능을 갖는 디젤ㆍ파티큘레이트ㆍ필터(DPF)와 병용하는 경우가 있는데, 이 때 본 발명의 벌집형 구조체와 DPF의 위치 관계는, 본 발명의 벌집형 구조체가 앞쪽일 수도 있고 뒤쪽일 수도 있다.
앞쪽에 설치된 경우에는, 본 발명의 벌집형 구조체가 발열을 수반하는 반응을 나타낸 경우에 있어서, 뒤쪽의 DPF에 전달되어 DPF의 재생시의 승온을 촉진시킬 수 있다. 또한, 뒤쪽에 설치된 경우에는, 배기 가스 중의 PM이 DPF에 의해 여과되어 본 발명의 벌집형 구조체의 셀을 통과하기 때문에 클로깅을 일으키기 어렵고, 또한 DPF에서 PM을 연소할 때 불완전 연소에 의해 발생한 가스 성분에 대해서도 본 발명의 벌집형 구조체를 이용하여 처리할 수 있게 된다.
또한, 상기 벌집형 구조체는, 상술한 기술 배경에 기재한 용도 등에 대하여 이용할 수 있는 것은 물론, 촉매 성분을 담지하지 않고 사용하는 용도(예를 들면, 기체 성분이나 액체 성분을 흡착시키는 흡착재 등)에도 특별히 한정되지 않고 이용할 수 있다.
또한, 상기 벌집형 구조체에 촉매를 담지하여 벌집형 촉매로 할 수도 있다.
상기 촉매로서는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 예를 들면 귀금속, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 산화물 등을 들 수 있다.
이들은 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 병용할 수도 있다.
상기 귀금속으로서는, 예를 들면 백금, 팔라듐, 로듐 등을 들 수 있고, 상기 알칼리 금속으로서는, 예를 들면 칼륨, 나트륨 등을 들 수 있으며, 상기 알칼리 토금속으로서는, 예를 들면 바륨 등을 들 수 있고, 상기 산화물로서는 페로브스카이트(La0.75K0.25MnO3 등), CeO2 등을 들 수 있다.
상술한 바와 같은 촉매가 담지된 벌집형 구조체(벌집형 촉매)는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 예를 들면 자동차 배기 가스 정화용의 이른바 3원 촉매나 NOx 흡장 촉매로서 사용할 수 있다.
또한, 촉매를 담지시키는 시기는 특별히 한정되는 것이 아니며, 벌집형 구조체를 제조한 후에 담지시킬 수도 있고, 원료의 세라믹 입자 단계에서 담지시킬 수도 있다.
또한, 촉매의 담지 방법은 특별히 한정되는 것이 아니며, 예를 들면 함침법 등에 의해 행할 수 있다.
<실시예>
이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이들 실시예만으로 한정되는 것이 아니다.
(페이스트 D의 제조)
γ-알루미나 입자(평균 입경 2 ㎛) 29 중량％, 실리카-알루미나 섬유(평균 섬유 직경 10 ㎛, 평균 섬유 길이 100 ㎛) 7 중량％, 실리카 졸(고체 농도 30 중량％) 34 중량％, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 5 중량％ 및 물 25 중량％를 혼합하여 페이스트 D로 하였다.
또한, 페이스트 D의 경화 후의 열팽창률(800 ℃)은 6.00×10-6(1/K)이다.
(페이스트 A, B, C, E, F의 제조)
배합물 및 배합량을 각각 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 변경한 것 이외에는, 페이스트 D와 동일하게 하여 각 페이스트를 제조하였다.
또한, 표 1에는 각 페이스트의 열팽창률(800 ℃)도 나타내었다.
<실시예 1>
(1) γ-알루미나 입자(평균 입경 2 ㎛) 40 중량％, 실리카-알루미나 섬유(평균 섬유 직경 10 ㎛, 평균 섬유 길이 100 ㎛, 종횡비 10) 10 중량％, 실리카 졸(고체 농도 30 중량％) 50 중량％를 혼합하고, 얻어진 혼합물 100 중량부에 대하여 유기 결합제로서 메틸셀룰로오스 6 중량부, 가소제 및 윤활제를 소량 첨가하여 더 혼합ㆍ혼련하여 혼합 조성물을 얻었다. 이어서, 이 혼합 조성물을 압출 성형기에 의해 압출 성형하여 미처리의 성형체를 얻었다.
(2) 이어서, 마이크로파 건조기 및 열풍 건조기를 이용하여, 상기 미처리의 성형체를 충분히 건조시키고, 400 ℃에서 2 hr 더 유지하여 탈지하였다.
그 후, 800 ℃에서 2 hr 유지하여 소성하여, 각기둥상(34.3 mm×34.3 mm×150 mm), 셀 밀도 93개/cm2(600 cpsi), 셀벽의 두께 0.2 mm, 셀의 단면 형상 사각형(정방형)의 벌집형 유닛 (11)을 얻었다.
이 벌집형 유닛 (11)의 벽면의 전자 현미경(SEM) 사진을 도 2에 나타내었다.
이 사진으로부터 벌집형 유닛 (11)은 원료 페이스트의 압출 방향을 따라 실리카-알루미나 섬유가 배향되어 있다는 것을 알 수 있다.
또한, 본 공정을 거쳐 제조한 벌집형 유닛의 열팽창률 αF(800 ℃)는 3.8×10-6(1/K)이다.
(3) 이어서, 상기 페이스트 D를 밀봉재 페이스트로서 사용하여 복수의 벌집형 유닛 (11)을 결속시켜 세라믹 블럭으로 하였다.
셀을 갖는 면(정면이라고 함, 이하 동일)으로부터 본 벌집형 유닛 (11)을 복수개 결속시킨 세라믹 블럭을 도 3(a)에 나타내었다.
이 세라믹 블럭은 상술한 벌집형 유닛 (11)의 바깥면 (13)에 밀봉재층 (14)의 두께가 1 mm가 되도록 밀봉재 페이스트(페이스트 D)를 도포하고, 벌집형 유닛 (11)을 복수개 결속 고정한 것이다.
(4) 또한, 이러한 세라믹 블럭을 제조한 후, 세라믹 블럭의 정면이 대략적인 점대칭이 되도록 다이아몬드 커팅기를 사용하여 상기 세라믹 블럭을 원기둥상으로 절단한 후, 셀을 갖지 않는 원형의 외표면(세라믹 블럭의 외주면)에 도포재 페이스트로서 상기 페이스트 D를 두께 0.5 mm가 되도록 도포하고, 상기 외표면을 코팅하였다.
(5) 이어서, 120 ℃에서 건조하고, 700 ℃에서 2 hr 유지하여 밀봉재 페이스트 및 도포재 페이스트를 탈지하여 원기둥상(직경 143.8 mm×높이 150 mm)의 벌집형 구조체 (10)을 얻었다.
본 실시예에서 제조한 벌집형 구조체에 대하여, 벌집형 유닛의 단면 형상, 벌집형 유닛의 단면적, 벌집형 유닛의 단면 점유 비율(벌집형 구조체의 단면적에 대하여 벌집형 유닛의 단면적의 총합이 차지하는 비율) 등의 각 수치를 정리한 것을 하기 표 2에 나타내었다.
또한, 본 실시예에서 제조한 벌집형 구조체에 대해서도 │αL-αF│/αF의 값 및 │αM-αF│/αF의 값을 표 2에 나타내었다.
또한, 표 2에는 다른 실시예 및 비교예의 각 수치도 나타내었다.
<실시예 2, 3>
표 2에 나타낸 벌집형 유닛의 형상으로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 벌집형 구조체를 제조하였다.
또한, 실시예 2, 3에 관한 세라믹 블럭에 대하여 정면으로부터 본 모식도를 각각 도 3(b), 3(c)에 나타내었다.
<실시예 4>
밀봉재 페이스트 및 도포재 페이스트로서, 각각 상기 페이스트 B를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 벌집형 구조체를 제조하였다.
<실시예 5>
밀봉재 페이스트 및 도포재 페이스트로서, 각각 상기 페이스트 C를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 벌집형 구조체를 제조하였다.
<실시예 6>
밀봉재 페이스트 및 도포재 페이스트로서, 각각 상기 페이스트 E를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 벌집형 구조체를 제조하였다.
<실시예 7>
밀봉재 페이스트로서 상기 페이스트 D를 사용하고, 도포재 페이스트로서 상기 페이스트 A를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 벌집형 구조체를 제조하였다.
<실시예 8>
밀봉재 페이스트로서 상기 페이스트 D를 사용하고, 도포재 페이스트로서 상기 페이스트 F를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 벌집형 구조체를 제조하였다.
<비교예 1, 2>
표 2에 나타낸 벌집형 유닛의 형상으로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 벌집형 구조체를 제조하였다.
또한, 비교예 1, 2에 관한 세라믹 블럭에 대하여 정면으로부터 본 모식도를 각각 도 4(a), 4(b)에 나타내었다.
<비교예 3>
밀봉재 페이스트 및 도포재 페이스트로서, 각각 상기 페이스트 A를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 벌집형 구조체를 제조하였다.
<비교예 4>
밀봉재 페이스트 및 도포재 페이스트로서, 각각 상기 페이스트 F를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 벌집형 구조체를 제조하였다.
(평가)
하기 방법에 의해, 제조한 벌집형 구조체의 특성을 측정하였다.
[비표면적 측정]
우선, 벌집형 유닛 및 밀봉재층의 부피를 실측하고, 벌집형 구조체의 부피에 대하여 벌집형 유닛이 차지하는 비율 A(부피％)를 계산하였다. 이어서, 벌집형 유닛의 단위 중량당 BET 비표면적 B(m2/g)를 측정하였다. BET 비표면적은 BET 측정 장치(시마즈 세이사꾸쇼 제조, 마이크로메리틱스 플로우소르브(Micromeritics FlowSorb) II-2300)를 이용하여, 일본 공업 규격에서 정해진 JIS-R-1626(1996)에 준하여 1점법에 의해 측정하였다. 측정에는 원기둥 형상의 작은 조각(직경 15 mm×높이 15 mm)으로 절단한 샘플을 사용하였다. 또한, 벌집형 유닛의 겉보기 밀도 C(g/L)를 벌집형 유닛의 중량과 외형의 부피로부터 계산하고, 벌집형 구조체의 비표면적 S(m2/L)를 하기 수학식 1로부터 구하였다. 또한, 여기서의 벌집형 구조체의 비표면적은 벌집형 구조체의 겉보기 부피당 비표면적을 말한다.
[열충격ㆍ진동 반복 시험]
열충격 시험은 알루미나 섬유를 포함하는 단열재의 알루미나 매트(미쯔비시 가가꾸 제조 마프텍(MAFTEC), 46.5 cm×15 cm, 두께 6 mm)를 벌집형 구조체의 외주면에 감아 금속 케이싱 (21)에 넣은 상태로 600 ℃로 설정된 소성로에 투입하고, 10 분간 가열하고, 소성로로부터 취출하여 실온까지 급냉하였다. 이어서, 벌집형 구조체를 상기 금속 케이싱에 넣은 상태로 진동 시험을 행하였다. 도 5(a)에 진동 시험에 사용한 진동 장치 (20)의 정면도를, 도 5(b)에 진동 장치 (20)의 측면도를 나타내었다. 벌집형 구조체를 넣은 금속 케이싱 (21)을 다이 시트 (22) 위에 놓고, 대략적인 U자상의 고정구 (23)을 나사 (24)에 의해 조여 금속 케이싱 (21)을 고정하였다. 그러면 금속 케이싱 (21)은 다이 시트 (22)와 고정구 (23)이 일체가 된 상태로 진동이 가능해진다. 진동 시험은 주파수 160 Hz, 가속도 30 G, 진폭 0.58 mm, 유지 시간 10 hr, 실온, 진동 방향 Z축 방향(상하)의 조건으로 행하였다. 이 열충격 시험과 진동 시험을 교대로 각각 10회 반복하고, 시험 전의 벌집형 구조체의 중량 T0과 시험 후의 중량 Ti를 측정하고, 하기 수학식 2를 이용하여 중량 감소율 G를 구하였다.
[압력 손실 측정]
압력 손실 측정 장치 (40)을 도 6에 나타내었다. 측정 방법은 2 L의 커먼 레일식(common rail-type) 디젤 엔진의 배기관에 알루미나 매트를 감은 벌집형 구조체를 금속 케이싱에 넣어 배치하고, 벌집형 구조체의 전후에 압력계를 부착하였다. 또한, 측정 조건은 엔진 회전수를 1500 rpm, 토크를 50 Nm으로 설정하고, 운전 개시로부터 5 분 후의 압력차를 측정하였다.
이상의 결과로부터 명확한 바와 같이, 실시예 1 내지 6에 관한 벌집형 구조체에서는 열충격ㆍ진동 시험에서의 중량 감소율 G는 0 내지 4 중량％이고, 열충격이나 진동에 강하며, 내구성이 우수하다는 것이 밝혀졌다.
이에 대하여, 비교예 1에 관한 벌집형 구조체에서는 열충격ㆍ진동 시험에서의 중량 감소율 G는 작았지만, 압력 손실이 실시예에 관한 벌집형 구조체에 비하여 떨어졌다. 이것은 벌집형 유닛의 단면적이 작기 때문에 벌집형 유닛의 단면 점유 비율이 작아질 수 밖에 없고, 그 결과, 압력 손실이 높아진 것이라고 생각된다. 또한, 비교예 2 내지 4에 관한 벌집형 구조체에서는 열충격ㆍ진동 시험에서의 중량 감소율 G가 크고, 강도나 내구성이 떨어졌다. 이것은 벌집형 유닛의 단면적이 5.0 내지 50.0 cm2의 범위 내에 없는 것(비교예 1, 2)이나, 0.01≤│αL-αF│/αF≤1.0의 관계를 충족하고 있지 않은 것(비교예 3, 4)에 기인한다고 생각된다.
또한, 실시예 7 및 8에 관한 벌집형 구조체에서는 열충격ㆍ진동 시험에서의 중량 감소율 G는 실시예 1 내지 6에 관한 벌집형 구조체에 비하여 허용 범위 이내이기는 하지만, 약간 떨어졌다. 이것은 실시예 7 및 8에 관한 벌집형 구조체에서는 밀봉재층의 열팽창률 αL이 벌집형 유닛의 열팽창률 αF의 사이에서 0.01≤│αL-αF│/αF≤1.0의 관계는 충족하고는 있지만, 코팅층의 열팽창률 αM이 벌집형 유닛의 열팽창률 αF의 사이에서 0.01≤│αM-αF│/αF≤1.0의 관계를 충족하고 있지 않기 때문이라고 생각된다. 이 결과로부터 코팅층의 열팽창률 αM도 또한 벌집형 유닛의 열팽창률 αF의 사이에서 0.01≤│αM-αF│/αF≤1.0의 관계를 충족하는 것이 바람직하다는 것이 밝혀졌다.
또한, 실시예에 관한 벌집형 구조체는 높은 비표면적을 가졌다.
본 발명의 벌집형 구조체는 벌집형 구조체에 국부적인 온도 변화가 생김으로써 발생한 열응력을 완화시킬 수 있고, 열충격이나 진동에 강하며, 내구성이 우수하고, 나아가 촉매 성분을 고분산시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 벌집형 구조체는 촉매 컨버터로서 특히 바람직하게 사용할 수 있다.
Claims (10)
- 다수의 셀이 셀벽을 사이에 두고 길이 방향으로 병설된 기둥상의 벌집형 유닛이 밀봉재층을 통해 복수개 결속되어 있으며,상기 벌집형 유닛은 무기 입자와, 무기 섬유 및(또는) 위스커를 포함하여 이루어지며,상기 벌집형 유닛의 길이 방향에 수직인 단면에서의 단면적이 5 내지 50 cm2이고,상기 밀봉재층의 열팽창률 αL과 상기 벌집형 유닛의 열팽창률 αF가 0.01≤│αL-αF│/αF≤1.0의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 벌집형 구조체.
- 제1항에 있어서, 길이 방향에 수직인 단면에서의 단면적에 대하여, 상기 벌집형 유닛의 길이 방향에 수직인 단면에서의 단면적의 총합이 차지하는 비율이 85 ％ 이상인 벌집형 구조체.
- 제1항에 있어서, 길이 방향에 수직인 단면에서의 단면적에 대하여, 상기 벌집형 유닛의 길이 방향에 수직인 단면에서의 단면적의 총합이 차지하는 비율이 90 ％ 이상인 벌집형 구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 최외주부에 도포재층이 형성되어 있고,상기 도포재층의 열팽창률 αM과 상기 벌집형 유닛의 열팽창률 αF가 0.01≤│αM-αF│/αF≤1.0의 관계를 갖는 벌집형 구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무기 입자가 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 멀라이트 및 제올라이트로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인 벌집형 구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무기 섬유 및(또는) 위스커가 알루미나, 실리카, 탄화규소, 실리카-알루미나, 유리, 티탄산칼륨 및 붕산알루미늄으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인 벌집형 구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 벌집형 유닛이 상기 무기 입자와 상기 무기 섬유 및(또는) 위스커와 무기 결합제를 포함하는 혼합물을 사용하여 제조되며,상기 무기 결합제는 알루미나 졸, 실리카 졸, 티타니아 졸, 물 유리, 세피올라이트 및 아타펄자이트로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인 벌집형 구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매가 담지되어 있는 벌집형 구조체.
- 제8항에 있어서, 상기 촉매가 귀금속, 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 산화물로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 벌집형 구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 차량의 배기 가스 정화에 이용하는 벌집형 구조체.
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