WO2003099742A1 - Procede pour realiser un materiau composite - Google Patents

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Definitions

  • the present inventor has studied in detail the cause of the generation of pore defects when producing a composite material using a raw material containing metallic silicon.
  • water is generally added to the raw material during production, and kneading, kneading, and extrusion are performed.
  • metallic silicon when metallic silicon is used as a raw material, it has been found that metallic silicon and water react as shown in the formula (1) to generate hydrogen, and further, a kneading step, a kneading step, When hydrogen is generated during the extrusion process, the generated hydrogen gas may aggregate to form closed pores in the obtained molded body, which eventually becomes a coarse pore of about 500 to 1000 xm.

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Description

複合材料の製造方法 技術分野
'本発明は、 金属珪素とセラミックスを含む原料から複合材料を製造する複合材 料の製造方法に関し、 特に該複合材料中に孔状欠陥が生じにくい複合材料の製造 方法に関する。
明 背景技 田
金属珪素を含む多孔質又は緻密質の金属珪書素含有材料、 例えば、 金属珪素と炭 化珪素とを主相として含有してなる金属珪素一炭化珪素複合材料を主成分とする 材料は、 高強度であり、 かつ耐熱性、 耐酸化性及び熱伝導性に優れているため、 現在、 窯道具、 熱処理用治具、 ハニカムフィル夕一等の様々な用途で用いられて いる。
この様な複合材料は、 一般に金属珪素と、 炭化珪素等のセラミックスを含む原 料を混練、 土練した後、 押出成形することにより所定形状の成形体に成形し、 そ の後焼成することにより製造することができる。 例えばディーゼルパティキユレ
—トフィルタ一 （D P F) 等に用いられるハニカム構造体の場合、 隔壁により仕 切られた多数のセルを有するハニカム形状の成形体に成形した後、 焼成すること により製造することができる。
しかし、 金属珪素とセラミックスを主原料として製造された複合材料には、 粗 大な孔状欠陥が生じる場合があり、 この様な欠陥があると、 複合材料本来の機能 が損なわれる場合がある。 例えばハニカム構造体の隔壁に、 この様な孔状欠陥が 発生すると隔壁として機能しなくなり、 多 ¾^質の隔壁をフィルタ一として用いる D P Fの場合においては、 捕集すべきスート （即ち、 スス状物質） が孔状欠陥か ら排気側に漏れ出てしまうことにより捕集できず、 不良品となつてしまうという 問題が生じる。 従って、 この様な孔状欠陥の生じにくい複合材料の製造方法が望 まれている。 発明の開示
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、 上記のような孔状欠陥 が生じにくい複合材料の製造方法を提供するものである。
本発明は、 金属珪素とセラミックスを含む原料から複合材料を製造する複合材 料の製造方法であって、 前記原料が、 表面を有機物で被覆した金属珪素を含むこ とを特徴とする複合材料の製造方法を提供するものである。
本発明において、 前記原料中における金属珪素とセラミックスの合計に対する 金属珪素の含有率が 5質量％以上であることが好ましく、 原料を、 混練工程、 土 練工程及び押出工程を含む工程により所定形状に成形する工程を含むことが好ま しい。 また、 原料を焼成する焼成工程を含むことが好ましく、 更に前記焼成工程 における焼成温度が 1 4 0 0〜1 6 0 0 °Cであることが好ましい。 また、 複合材 料が気孔率 3 0〜9 0 %の多孔質体であることが好ましく、 ハニカム形状の複合 材料を製造することが好ましい。 また、 原料中に含まれるセラミックスが炭化珪 素を含むことが好ましい。 また、 有機物が樹脂であることが好ましく、 有機物が 珪素含有化合物であることも好ましい。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明に係る複合材料の製造方法を詳細に説明するが、 本発明は以下の 実施形態に限定されるものではない。 '
本発明に係る原料は、 金属珪素とセラミックスを含むものであり、 本発明の重 要な特徴は該原料が表面を有機物で被覆した金属珪素を含むことである。
本発明者が、 金属珪素を含む原料を用いて複合材料を製造する際の孔状欠陥の 発生原因を詳細に検討した結果、 一般に製造の際に原料に水を加えて混練、 土練 及び押出を行うが、 この際に、 原料として金属珪素を用いると、 金属珪素と水と が式 （1 ) のように反応し、 水素を発生することが判明し、 更に、 混練工程、 土 練工程、 押出工程中に水素が発生すると、 発生した水素ガスが集合して、 得られ た成形体中に閉気孔を形成する場合があり、 これが最終的に 5 0 0〜1 0 0 0 x m程度の粗大な孔状欠陥を生じさせる原因の 1つとなっていたことを見出すとと もに、 原料中の金属珪素を有機物で被覆することにより、 水との反応が抑えられ ることで水素の発生が抑制され、 このような孔状欠陥が生じにくくなることを見 出した。
S i + 2 H2〇 → S i (OH) 2+ H2 式 （1 ) 本発明において、 金属珪素の含有量に特に制限はなく、 原料中に金属珪素が含 まれていれば、 本発明によって水素の発生を抑制し、 孔状欠陥の発生を抑制する が、 原料中に金属珪素がより多く含まれていると本発明の効果がより明確となる 。 従って、 金属珪素とセラミックスの合計 1 0 0質量％に対して 5質量％以上、 更に 1 0質量％以上、 特に 1 5質量％以上の金属珪素を含む原料を用いる際に本 発明の製造方法を用いることが、 より大きな効果が得られる点で好ましい。 本発明において、 原料として用いる金属珪素の形状に特に制限はないが、 一般 には、 微視的に粒子状又は針状等であり、 巨視的には粉体状であることが好まし い。 金属珪素が粉体状である場合、 これに有機物を被覆することにより、 粉体の 凝集を抑制できるという効果も生じる。
本発明において用いられる有機物は、 金属珪素を被覆できるものであれば、 そ の種類に特に制限はないが、 金属珪素と水との接触を抑制する観点及び金属珪素 同士の凝集を抑制する観点から、 金属珪素を被覆した際にその表面が疎水性とな る有機物であることが好ましい。 また、 一般に、 セラミックスや金属等の複合材 料を製造する際には、 バインダ一などを除去する仮焼工程及び Z又は焼成工程が 入ることが多いため、 仮焼工程及び/又は焼成工程において除去されるもの、 特 に仮焼工程、 例えば 5 5 0 °C以下で行われる仮焼工程において除去されるものが 好ましい。 あるいは、 複合材料中に一部又は全部が残存しても生成する複合材料 に悪影響を与えないものが好ましい。 例えば、 焼成工程において燃焼又は酸化し て除去されやすい元素ゃ該複合材料中に含まれる元素と同一の元素等を主成分と するものが好ましく、 例えば炭素、 水素、 酸素及び珪素から選ばれた元素を主成 分とするものであることが好ましく、 特に珪素を含むものが好ましい。 具体的に は、 例えば、 脂肪族炭化水素、 脂肪酸、 脂肪酸エステル、 シリコーンオイル等の シリコーン樹脂やシラン系カツプリング剤等の珪素含有化合物、 その他種々のポ リマー等が挙げられ、 特に珪素含有化合物が好ましい。
本発明において用いられる有機物の量に特に制限はなく、 使用する金属珪素を 、 本発明の効果を奏する程度に被覆できる量で用いることができ、 金属珪素の量 や表面積によって変化しうるものであるが、 例えば金属珪素 1 0 0質量部に対し て 0 . 1〜1 0質量部、 より望ましくは 0 . 2〜5質量部、 更に望ましくは 0 . 5〜 3質量部含むことが好ましい。 また、 本発明において、 原料中の総ての金属 珪素が有機物によって被覆されていることが好ましいが、 必ずしも総ての金属珪 素が被覆される必要はなく、 本発明の効果を奏する程度の金属珪素が被覆されて いれば、 被覆された金属珪素と被覆されていない金属珪素とを併用することもで さる。
有機物を金属珪素の表面に被覆させる方法に特に制限はないが、 例えば被覆に 用いる有機物を予め分散又は溶解させたスラリ又は溶液を作製し、 このスラリ又 は溶液に原料を分散後、 濾過及び Z又は乾燥する、 あるいは金属珪素の粉碎時に この様なスラリ又は溶液を添加する方法などが考えられる。
本発明に係る原料に含まれるセラミックスに特に制限はなく、 金属珪素との複 合材料を形成できるものであればよい。 具体的な好ましいセラミックスは、 例え ば炭化珪素、 窒化珪素、 窒化アルミニウム、 酸化物系ではアルミナ、 ジルコニァ 、 イットリア、 ムライト、 コーディエライト、 チタン酸アルミニウム等である。 本発明において、 原料中には、 金属珪素、 セラミックスの他、 種々の添加物を 加えることができる。 例えば、 ワックス類、 各種ポリマー等のバインダー、 分散 剤、 造孔剤、 水等を目的、 用途、 原材料の種類などに合わせて適宜加えることが でさる。
次に本発明の製造方法における好ましい製造工程を説明する。 本発明において 、 先ず、 上記有機物を被覆した金属珪素粉及びセラミックス粉に、 バインダーと して、 例えばメチルセルロース及び/'又はヒドロキシプロポキシルメチルセル口 ースを添加し、 更に界面活性剤及び水を添加した原料を混合する。 これを、 混練 工程において、 混練機を用いて混練することにより可塑性の坏土を得ることがで きる。 これを土練工程において、 真空土練機等の土練機により土練することによ り脱気し、 例えば円筒状の予備成形体を得ることができる。 これを押出工程にお いて、 押出機により押し出すことにより所定の形状、 例えばハニカム形状の成形 体を得ることができる。 また、 連続式の押出機により、 混練、 土練、 押出の一連 の工程を連続的に行うことにより所定の形状の成形体を得ることもできる。 この 様にして得られた成形体を、 乾燥した後、 仮焼してバインダーなどを除去し、 焼 成工程において焼成することにより、 複合材料を製造することができる。 焼成温 度は、 使用するセラミックスの種類により異なるが、 例えば 1 4 0 0〜 1 6 0 0 °Cで焼成することができる。
上記のように混練工程、 土練工程、 押出工程を含む工程により複合材料を製造 する場合、 土練工程において減圧又は真空にされた場合に、 発生した水素が原料 中に閉気孔を生成させやすいため、 混練工程、 土練工程、 押出工程を含む工程に より複合材料を製造する場合に、 本発明の製造方法が特に有効である。 また、 ハ 二カム構造体は、 隔壁により仕切られた軸方向に貫通する多数のセルを有する構 造であるため、 厚さの薄い隔壁を多数有し、 孔状欠陥によりその機能が損なわれ やすく、 従って本発明の製造方法が特に有効である。
また、 上記の様な一連の工程で複合材料を製造することにより、 該複合材料を 多孔質体とすることもできる。 複合材料が多孔質体である場合、 特に 3 0〜9 0 %の気孔率の多孔質体である場合、 フィルターなどに用いられる場合があるが、 その場合にも孔状欠陥が大きな問題となりフィルタ一の機能が大きく損なわれる ため、 本発明の製造方法が有効である。 特に、 多孔質体を D P Fとして用いる場 合、 ハニカム構造体とする場合が多く、 これは多孔質の隔壁を多数有するため、 粗大な孔状欠陥の発生は、 ディーゼルエンジンから排出される捕集すべきスート 等が排気側にもれる問題を生じさせる。 従って、 孔状欠陥を抑制する本発明の製 造方法が特に有効である。 なお、 複合材料を D P F等のフィルタ一に用いる場合 には、 押出工程において成形される成形体の形状を、 ハニカム形状とし、 更に、 隣り合うセルを互いに反対側となる端面で交互に封じる目封じ工程を含むことが 好ましい。 更に形成された目封じ部も焼成することが好ましいため、 目封じ工程 は焼成工程の前に行うことが好ましい。
(実施例及び比較例）
以下、 本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、 本発明はこれらの実 施例に限定されるものではない。
(実施例 1 )
原料として、 平均径が 3 3 . 0 の炭化珪素粉 8 0質量部、 及び平均径が 4 H mの金属珪素粉の粒子表面をシリコーン榭脂で被覆したもの 2 0質量部の合計 1 0 0質量部にメチルセルロース及びヒドロキシプロボキシルメチルセルロース 、 界面活性剤及び水を添加して、 可塑性の坏土を作製した。 この坏土を真空土練 機により脱気して円筒形状に予備成形し、 これを押出成形し、 マイクロ波及び熱 風で乾燥して隔壁の厚さが 3 8 0 m> セル密度 （単位断面積当たりのセルの数 ) が約 3 1 . 0セル Z c m2 ( 2 0 0セル/平方インチ） 、 断面が一辺 3 5 mmの 正方形、 長さが 1 5 2 mmのハニカム構造の成形体を得た。 これを、 端面が市松 模様状を呈するように、 隣接するセルが互いに反対側となる一方の端部でハニカ ム構造体の製造に用いた材料と同様の材料で目封じして、 乾燥した後、 4 0 0 °C で脱脂を行い、 前駆体を得た。 得られた前駆体を 1 4 5 0 °Cで焼成し、 D P F用 のハニカム構造体を得た。 得られたハニカム構造体に対して、 特公平 5— 6 5 8 号公報で開示されている方法によりハニカム構造体中の孔状欠陥の検出を行った 。 即ち、 ハニカム構造体の一方の端面からスートを流し、 他方の端面に密着させ たスクリーンに捕集させた粒子像より欠陥を検査する方法によって、 1 0 0 0個 のハニカム構造体に対して検査を行った。 その結果、 検出された孔状欠陥がゼロ の Aランク及び 3点以下の Bランクの合格品が併せて 9 5 %であった。
(比較例 1 )
シリコーン樹脂を被覆しない金属珪素、 即ち未処理の金属珪素を用いた以外は 、 実施例 1と同様の方法で、 D P F用のハニカム構造体を作成し、 孔状欠陥の検 査を行った。 検出された A、 Bランク合格品は、 8 5 %であった。 産業上の利用可能性
以上説明してきたとおり、 本発明の製造方法により、 孔状欠陥の発生が抑制さ れ、 複合材料の品質の向上を図ることができた。 従って、 本発明の製造方法は、 窯道具、 熱処理用洽具、 ハニカムフィルタ一等の様々な用途で用いられる、 金属 珪素とセラミックスを含む複合材料の製造に好適に用いることができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 金属珪素とセラミックスを含む原料から複合材料を製造する複合材料の製 造方法であって、 前記原料が、 表面を有機物で被覆した金属珪素を含むことを特 徵とする複合材料の製造方法。
2 . 前記原料中における金属珪素とセラミックスの合計に対する金属珪素の含 有率が 5質量％以上である請求項 1に記載の複合材料の製造方法。
3 . 原料を、 混練工程、 土練工程及び押出工程を含む工程により所定形状に成 形する工程を含む請求項 1又は 2に記載の複合材料の製造方法。
4. 原料を焼成する焼成工程を含む請求項 1乃至 3の何れか 1項に記載の複合 材料の製造方法。
5 . 前記焼成工程における焼成温度が 1 4 0 0〜 1 6 0 0 °Cである請求項 4に 記載の複合材料の製造方法。
6 . 複合材料が気孔率 3 0〜9 0 %の多孔質体である請求項 1乃至 5の何れか 1項に記載の複合材料の製造方法。
7 . 原料からハニカム形状の複合材料を製造する請求項 1乃至 6の何れか 1項 に記載の複合材料の製造方法。
8 . 原料中に含まれるセラミックスが炭化珪素を含む請求項 1乃至 7の何れか 1項に記載の複合材料の製造方法。
9 . 有機物が樹脂である請求項 1乃至 8の何れか 1項に記載の複合材料の製造 方法。
1 0 . 有機物が珪素含有化合物である請求項 1乃至 9の何れか 1項に記載の複合 材料の製造方法。
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