WO2020194681A1 - 多孔質複合体 - Google Patents

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Abstract

多孔質複合体（１）の基材（２）は、内部が隔壁（１２）により長手方向に延びる複数のセル（２３）に仕切られたハニカム構造を有する。複数のセル（２３）では、長手方向の一旦が封止された複数の第１セル（２３１）と、長手方向の他端が封止された複数の第２セル（２３２）とが交互に配列される。捕集層（３）は、複数の第１セル（２３１）の内側面を被覆する。複数の第１セル（２３１）における捕集層（３）の表面の面粗さを示す算術平均高さＳａである全体Ｓａは、０．１μｍ以上かつ１２μｍ以下である。また、複数の第１セル（２３１）における捕集層（３）の平均膜厚である全体平均膜厚は、１０μｍ以上かつ４０μｍ以下である。これにより、多孔質複合体（１）における圧損を低減することができるとともに、粒子状物質の捕集効率を向上することもできる。

Description

多孔質複合体
　本発明は、多孔質複合体に関する。
　ディーゼルエンジン等の内燃機関や各種燃焼装置等から排出されるガスには、スス等の粒子状物質が含まれている。そこで、ディーゼルエンジンを搭載している車両等では、排ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタが設けられている。当該フィルタの１つとして、多孔質のハニカム基材の複数のセルにおいて、一部のセルの流出側の開口部、および、残余のセルの流入側の開口部に目封止部を設けたハニカム構造体が用いられている。
　近年、ガソリンエンジンからの排ガスに含まれる粒子状物質についても、上述のようなハニカム構造体をフィルタとして利用して捕集することが提案されている。例えば、特開２０１１－１３９９７５号公報（文献１）では、直噴ガソリンエンジンの排ガスに含まれる粒子状物質を、圧力損失の増大を抑制しつつ高い捕集効率で捕集するハニカム構造体が提案されている。また、特開２０１１－１４７９３１号公報（文献２）では、ハニカム構造体の隔壁表面に表面捕集層を形成することにより、捕集効率を向上する技術が提案されている。
　現在、上記フィルタとして利用されるハニカム構造体では、圧力損失の更なる増大抑制と、粒子状物質の高い捕集効率との両立が求められている。
　本発明は、多孔質複合体に向けられており、圧力損失（以下、「圧損」という。）を低減するとともに粒子状物質の捕集効率を向上することを目的としている。
　本発明の好ましい一の形態に係る多孔質複合体は、多孔質の基材と、前記基材上に形成された多孔質の捕集層と、を備える。前記基材は、内部が隔壁により長手方向に延びる複数のセルに仕切られたハニカム構造を有する。前記複数のセルでは、長手方向の一端が封止された複数の第１セルと、長手方向の他端が封止された複数の第２セルとが交互に配列されている。前記捕集層は、前記複数の第１セルの内側面を被覆する。前記複数の第１セルにおける前記捕集層の表面の面粗さを示す算術平均高さＳａである全体Ｓａは、０．１μｍ以上かつ１２μｍ以下である。前記複数の第１セルにおける前記捕集層の平均膜厚である全体平均膜厚は、１０μｍ以上かつ４０μｍ以下である。当該多孔質複合体によれば、圧損を低減することができるとともに捕集効率を向上することもできる。
　好ましくは、前記複数の第１セルの長手方向の前記一端側の端部における前記捕集層の表面の算術平均高さＳａである出口側Ｓａは、０．１μｍ以上かつ１５μｍ以下である。
　好ましくは、前記複数の第１セルの前記端部における前記捕集層の平均膜厚である出口側平均膜厚は、３５μｍ以上かつ５０μｍ以下である。
　好ましくは、前記複数の第１セルにおける前記捕集層の平均細孔径は、０．１μｍ以上かつ２０μｍ以下である。
　好ましくは、前記複数の第１セルにおける前記捕集層の気孔率は、５０％以上かつ９０％以下である。
　好ましくは、前記複数の第１セルにおける前記捕集層の骨材の平均粒径は、０．１μｍ以上かつ５μｍ以下である。
　好ましくは、前記複数の第１セルにおける前記捕集層は、炭化ケイ素、コージェライト、ムライト、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄、酸化セリウムのうち少なくとも１つを含む。
　好ましくは、前記捕集層は、前記複数の第２セル内には存在しない。
　好ましくは、前記隔壁の主材料はコージェライトである。前記隔壁の平均細孔径は、５μｍ以上かつ３０μｍ以下である。前記隔壁の気孔率は、３０％以上かつ７０％以下である。
　好ましくは、前記多孔質複合体は、ガソリンエンジンから排出される排ガス中の粒子状物質を捕集するガソリン・パティキュレート・フィルタである。
　上述の目的および他の目的、特徴、態様および利点は、添付した図面を参照して以下に行うこの発明の詳細な説明により明らかにされる。
一の実施の形態に係る多孔質複合体の平面図である。 多孔質複合体の断面図である。 捕集層および基材の断面のＳＥＭ画像に相当する模式図である。 捕集層および基材の断面のＳＥＭ画像に相当する模式図である。 捕集層および基材の断面のＳＥＭ画像に相当する模式図である。 試料を示す図である。 試料上の測定領域を示す図である。 試料の一部を模式的に示す図である。 多孔質複合体の製造の流れを示す図である。
　図１は、本発明の一の実施の形態に係る多孔質複合体１を簡略化して示す平面図である。多孔質複合体１は、一方向に長い筒状部材であり、図１では、多孔質複合体１の長手方向における一方側の端面を示している。図２は、多孔質複合体１を示す断面図である。図２では、当該長手方向に沿う断面の一部を示している。多孔質複合体１は、例えば、自動車等のガソリンエンジンから排出される排ガス中のスス等の粒子状物質を捕集するガソリン・パティキュレート・フィルタ（ＧＰＦ：Gasoline Particulate Filter）として用いられる。
　多孔質複合体１は、多孔質の基材２と、多孔質の捕集層３とを備える。図１および図２に示す例では、基材２は、ハニカム構造を有する部材である。基材２は、筒状外壁２１と、隔壁２２とを備える。筒状外壁２１は、長手方向（すなわち、図２中の左右方向）に延びる筒状の部位である。長手方向に垂直な筒状外壁２１の断面形状は、例えば略円形である。当該断面形状は、多角形等の他の形状であってもよい。
　隔壁２２は、筒状外壁２１の内部に設けられ、当該内部を複数のセル２３に仕切る格子状の部位である。複数のセル２３はそれぞれ、長手方向に延びる空間である。長手方向に垂直な各セル２３の断面形状は、例えば略正方形である。当該断面形状は、多角形または円形等の他の形状であってもよい。複数のセル２３は、原則として同じ断面形状を有する。複数のセル２３には、異なる断面形状のセル２３が含まれてもよい。基材２は、内部が隔壁２２により複数のセル２３に仕切られたセル構造体である。
　筒状外壁２１および隔壁２２はそれぞれ、多孔質の部位である。筒状外壁２１および隔壁２２は、例えばセラミックにより形成される。筒状外壁２１および隔壁２２の主材料は、好ましくはコージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）である。筒状外壁２１および隔壁２２の材料は、コージェライト以外のセラミックであってもよく、セラミック以外の材料であってもよい。
　筒状外壁２１の長手方向の長さは、例えば、５０ｍｍ～３００ｍｍである。筒状外壁２１の外径は、例えば、５０ｍｍ～３００ｍｍである。筒状外壁２１の厚さは、例えば３０μｍ（マイクロメートル）以上であり、好ましくは５０μｍ以上である。筒状外壁２１の厚さは、例えば１０００μｍ以下であり、好ましくは５００μｍ以下であり、より好ましくは３５０μｍ以下である。
　隔壁２２の長手方向の長さは、筒状外壁２１と略同じである。隔壁２２の厚さは、例えば３０μｍ以上であり、好ましくは５０μｍ以上である。隔壁２２の厚さは、例えば１０００μｍ以下であり、好ましくは５００μｍ以下であり、より好ましくは３５０μｍ以下である。隔壁２２の気孔率は、例えば２０％以上であり、好ましくは３０％以上である。隔壁２２の気孔率は、例えば８０％以下であり、好ましくは７０％以下である。当該気孔率は、例えば、純水を媒体としてアルキメデス法により測定可能である。隔壁２２の平均細孔径は、例えば５μｍ以上であり、好ましくは８μｍ以上である。隔壁２２の平均細孔径は、例えば３０μｍ以下であり、好ましくは２５μｍ以下である。当該平均細孔径は、例えば水銀圧入法（ＪＩＳ　Ｒ１６５５準拠）により測定される。
　基材２のセル密度（すなわち、長手方向に垂直な断面における単位面積当たりのセル２３の数）は、例えば１０セル／ｃｍ２（平方センチメートル）以上であり、好ましくは２０セル／ｃｍ２以上であり、より好ましくは３０セル／ｃｍ２以上である。セル密度は、例えば２００セル／ｃｍ２以下であり、好ましくは１５０セル／ｃｍ２以下である。図１では、セル２３の大きさを実際よりも大きく、セル２３の数を実際よりも少なく描いている。セル２３の大きさおよび数等は、様々に変更されてよい。
　多孔質複合体１がＧＰＦとして用いられる場合、長手方向における多孔質複合体１の一端側（すなわち、図２中の左側）を入口とし、他端側を出口として、多孔質複合体１の内部を排ガス等のガスが流れる。また、多孔質複合体１の複数のセル２３のうち、一部の複数のセル２３において、入口側の端部に目封止部２４が設けられ、残りの複数のセル２３において、出口側の端部に目封止部２４が設けられる。
　図１は、多孔質複合体１の入口側を描いている。また、図１では、図の理解を容易にするために、入口側の目封止部２４に平行斜線を付している。図１に示す例では、入口側に目封止部２４が設けられたセル２３と、入口側に目封止部２４が設けられていないセル２３（すなわち、出口側に目封止部２４が設けられたセル２３）とが、図１中の縦方向および横方向において交互に配列される。
　以下の説明では、出口側に目封止部２４が設けられたセル２３を「第１セル２３１」と呼び、入口側に目封止部２４が設けられたセル２３を「第２セル２３２」と呼ぶ。また、第１セル２３１および第２セル２３２を区別する必要が無い場合は、既述のように、まとめて「セル２３」と呼ぶ。多孔質複合体１の複数のセル２３では、長手方向の一端が封止された複数の第１セル２３１と、長手方向の他端が封止された複数の第２セル２３２とが交互に配列されている。
　捕集層３は、基材２の表面上に膜状に形成される。図２に示す例では、捕集層３は、出口側に目封止部２４が設けられた複数の第１セル２３１内に設けられ、当該複数の第１セル２３１の内側面（すなわち、隔壁２２の表面）を被覆する。図２では、捕集層３を太線にて示す。捕集層３は、当該複数の第１セル２３１内において、出口側の目封止部２４の内面も被覆する。一方、入口側に目封止部２４が設けられた複数の第２セル２３２内には、捕集層３は存在しない。換言すれば、複数の第２セル２３２の内側面は、捕集層３により被覆されておらず、露出している。
　複数の第１セル２３１における捕集層３は、例えばセラミックにより形成される。好ましくは、捕集層３は、炭化ケイ素、コージェライト、ムライト、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄、酸化セリウムのうち少なくとも１つを主材料として含む。なお、捕集層３は、他のセラミックにより形成されてもよく、セラミック以外の材料により形成されてもよい。
　捕集層３の平均細孔径は、好ましくは０．１μｍ以上かつ２０μｍ以下である。当該平均細孔径は、より好ましくは４．１μｍ以上かつ２０μｍ以下であり、さらに好ましくは４．１μｍ以上かつ６μｍ以下である。捕集層３の気孔率は、好ましくは、５０％以上かつ９０％以下である。当該気孔率は、より好ましくは、７０％以上かつ７８％以下である。捕集層３を構成する骨材の平均粒径は、好ましくは、０．１μｍ以上かつ５μｍ以下である。当該平均粒径は、より好ましくは、０．４μｍ以上かつ５μｍ以下である。
　捕集層３の平均細孔径、気孔率および骨材の平均粒径は、以下の方法で求められる。まず、多孔質複合体１をクロスセクションポリッシャ（ＣＰ）で加工して、捕集層３および基材２を含む研磨断面を露出させ、当該研磨断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により所定の倍率（例えば、１０００倍）で撮影することにより、ＳＥＭ画像を取得する。図３は、当該ＳＥＭ画像に相当する模式図である。続いて、当該ＳＥＭ画像を、株式会社日本ローパー製の画像解析ソフト「Image-Pro ver. 9.3.2」を用いて画像解析することにより、捕集層３の平均細孔径、気孔率および骨材の平均粒径が求められる。
　具体的には、図４の模式図に示すように、当該ＳＥＭ画像の捕集層３が存在する領域において、基材２の表面に平行に延びる複数の直線９１を、当該複数の直線９１に垂直な方向に配列する。当該ＳＥＭ画像の１画素は、０．１μｍ×０．１μｍに対応する。また、各直線９１の幅は、当該ＳＥＭ画像の１画素分に相当し、図４に示す例では０．１μｍである。次に、直線９１上において明部分（すなわち、捕集層３の骨材）がつながっている各領域（以下、「明領域」と呼ぶ。）の面積を算出する。また、直線９１上において暗部分（すなわち、捕集層３の気孔）がつながっている各領域（以下、「暗領域」と呼ぶ。）の面積を算出する。当該明領域および暗領域の面積算出では、直線９１により幅０．２μｍの領域（すなわち、２画素分の幅を有する領域）が抽出される。具体的には、幅０．１μｍの直線９１が、幅方向にて隣接する２列の画素列（すなわち、幅方向に垂直な方向に配列される複数の画素の列）の境界線上に配置され、当該直線９１と重なりを有する全画素が、上記面積算出の対象となる。明領域および暗領域の面積は、０．０１μｍ２単位で算出し、０．０５μｍ２未満の領域（すなわち、５画素未満の領域）はノイズとして無視する。そして、暗領域の面積の算術平均を、直線９１により抽出された気孔面積として求める。当該気孔面積は、気孔径と直線９１により規定される気孔幅（すなわち、２画素に相当する０．２μｍ）とを積算したものである。したがって、上述の暗領域の面積の算術平均を０．２μｍ（すなわち、気孔幅）で除算することにより、捕集層３の平均細孔径を算出する。また、暗領域の合計面積を、明領域の合計面積と暗領域の合計面積との和で除算することにより、捕集層３の気孔率を算出する。
　また、図５の模式図に示すように、当該ＳＥＭ画像において、捕集層３の一部を長方形領域９２で切り取り、当該長方形領域９２内において、各明部分（すなわち、各骨材粒子）のフェレー径（ＪＩＳ　Ｚ　８８２７－１）を測定する。具体的には、長方形領域９２内において、所定の方向（例えば、左右方向）を向く２本の平行な直線で骨材粒子を挟み、当該２本の直線を骨材粒子に外接させた際の当該２本の直線の間隔（すなわち、当該２本の直線に垂直な方向における当該２本の直線の間の距離）をフェレー径とする。そして、全骨材粒子のフェレー径の算術平均を、骨材粒子の平均粒径として取得する。
　捕集層３の表面全体について、当該表面の面粗さを示す算術平均高さＳａ（以下、「全体Ｓａ」とも呼ぶ。）は、好ましくは、０．１μｍ以上かつ１２μｍ以下である。当該全体Ｓａは、より好ましくは、０．１μｍ以上かつ１０μｍ以下である。また、捕集層３の表面において、ガスが流出する出口側の端部における算術平均高さＳａ（以下、「出口側Ｓａ」とも呼ぶ。）は、０．１μｍ以上かつ１５μｍ以下である。当該出口側Ｓａは、より好ましくは、０．１μｍ以上かつ１０μｍ以下である。
　捕集層３の全体の平均膜厚（以下、「全体平均膜厚」とも呼ぶ。）は、好ましくは、１０μｍ以上かつ４０μｍ以下である。当該全体平均膜厚は、より好ましくは、３０μｍ以上かつ４０μｍ以下である。また、上述の出口側の端部における捕集層３の平均膜厚（以下、「出口側平均膜厚」とも呼ぶ。）は、２０μｍ以上かつ５０μｍ以下である。当該出口側平均膜厚は、より好ましくは、３５μｍ以上かつ５０μｍ以下である。好ましくは、出口側平均膜厚は全体平均膜厚よりも大きい。
　捕集層３の表面の算術平均高さＳａ、および、捕集層３の平均膜厚は、３Ｄ形状測定機により測定される。具体的には、まず、多孔質複合体１を長手方向に平行な２つの断面にて切断することにより、当該２つの断面にて挟まれた略平板状の部位を試料として取得する。当該２つの断面は、多孔質複合体１の長手方向に延びる中心軸を挟んで対向し、少なくとも一方の断面は、複数のセル２３を含む。当該試料の長手方向の長さは、多孔質複合体１の長手方向の長さと同じであり、試料の幅方向の幅は、多孔質複合体１の直径（すなわち、筒状外壁２１の外径）と同じである。
　図６は、取得された試料８０の一方の主面（すなわち、多孔質複合体１の縦断面）を示す図である。図６に示すように、略矩形の試料８０において、図中の上下方向に延びる複数のセル２３が、図中の左右方向に配列されている。図中の上下方向および左右方向はそれぞれ、多孔質複合体１の長手方向、および、上記中心軸を中心とする径方向（すなわち、幅方向）に対応する。図中の下側は、上述の入口側に対応し、図中の上側は、上述の出口側に対応する。なお、図６および後述する図７では、平行斜線を付すセル２３は、捕集層３が設けられているセル２３である。
　続いて、図７に示すように、図６の多孔質複合体１の縦断面において、９つの測定領域８１１～８１３、８２１～８２３、８３１～８３３が試料８０上に設定される。各測定領域８１１～８１３、８２１～８２３、８３１～８３３は、試料８０の長手方向および幅方向にそれぞれ平行な一対の辺を有する略矩形状の領域である。測定領域８２１～８２３は、測定画像の幅方向中央において、下側（すなわち、入口側）から順に上下方向に並ぶ。測定領域８１１～８１３は、測定領域８２１～８２３の右側において下側から順に上下方向に並ぶ。測定領域８３１～８３３は、測定領域８２１～８２３の左側において下側から順に上下方向に並ぶ。測定領域８１１～８１３、８２１～８２３、８３１～８３３のそれぞれの幅方向の幅は、試料８０の幅の略１／３である。測定領域８１１～８１３、８２１～８２３、８３１～８３３のそれぞれの長手方向の長さは、試料８０の長手方向の全長（以下、単に「全長」と呼ぶ。）の２０％に略等しい。
　測定領域８１１、８２１、８３１は、長手方向の略同じ位置に位置する。測定領域８１１、８２１、８３１の長手方向中央は、試料８０の下端から上側に、試料８０の全長の２０％に略等しい距離離れた位置に位置する。測定領域８１２、８２２、８３２は、長手方向の略同じ位置に位置する。測定領域８１２、８２２、８３２の長手方向中央は、試料８０の長手方向の略中央に位置する。測定領域８１３、８２３、８３３は、長手方向の略同じ位置に位置する。測定領域８１３、８２３、８３３の長手方向中央は、試料８０の上端から下側に、試料８０の全長の２０％に略等しい距離離れた位置に位置する。
　次に、測定領域８２１の任意の点において、試料８０の主面を３Ｄ形状測定機（株式会社キーエンス製：ワンショット３Ｄ形状測定機ＶＲ－３２００）により、所定の倍率（例えば、２５倍）にて撮像する。図８は、３Ｄ形状測定機により得られた画像を模式的に示す図である。当該画像では、３つの第１セル２３１と、２つの第２セル２３２とが、幅方向に交互に配列されている。図８では、図の理解を容易にするために、各第１セル２３１の捕集層３に平行斜線を付す。また、図８では、隔壁２２上の捕集層３の断面を太線にて示す。
　３Ｄ形状測定機では、図８に示す画像に基づいて、当該画像中の１つの第１セル２３１における捕集層３の表面の算術平均高さＳａが算出される。具体的には、当該第１セル２３１の幅方向の中央部において長手方向に延びる帯状の領域の算術平均高さＳａが算出される。算出された算術平均高さＳａは、測定領域８２１における捕集層３のＳａとして取得される。なお、図８に示す画像中の各第１セル２３１について算出された捕集層３のＳａは略同じであった。また、測定領域８２１において３Ｄ形状測定機による撮像点を様々に変更して測定した捕集層３のＳａも略同じであった。他の測定領域８１１～８１３、８２２～８２３、８３１～８３３においても同様であった。
　測定領域８２１における捕集層３のＳａが測定されると、測定領域８２２～８２３における捕集層３のＳａが、同様の方法にて測定される。また、測定領域８１１～８１３における捕集層３のＳａも、同様の方法にて測定される。そして、当該６つの測定領域（すなわち、測定領域８１１～８１３、８２１～８２３）における捕集層３のＳａの算術平均が求められ、当該算術平均が、上述の全体Ｓａとして取得される。また、出口側の２つの測定領域（すなわち、測定領域８１３、８２３）における捕集層３のＳａの算術平均が、上述の出口側Ｓａとして取得される。なお、全体Ｓａおよび出口側Ｓａの算出では、測定領域８１１～８１３における捕集層３のＳａに代えて、測定領域８３１～８３３における捕集層３のＳａが用いられてもよい。
　また、３Ｄ形状測定機では、図８に示す画像に基づいて、当該画像中の幅方向中央の第１セル２３１における捕集層３表面の厚さ方向（すなわち、図中における紙面に垂直な方向）における平均位置、および、当該第１セル２３１の両側に隣接する２つの第２セル２３２における隔壁２２表面の厚さ方向における平均位置が算出される。具体的には、第１セル２３１の幅方向の中央部において長手方向に延びる帯状の領域における捕集層３表面の平均位置、および、各第２セル２３２の幅方向の中央部において長手方向に延びる帯状の領域における隔壁２２表面の平均位置が算出される。そして、第１セル２３１における上記平均位置から、２つの第２セル２３２における上記平均位置の算術平均を減算することにより、第１セル２３１における捕集層３の平均膜厚が算出される。算出された平均膜厚は、測定領域８２１における捕集層３の平均膜厚として取得される。なお、図８に示す画像中の各第１セル２３１について算出された捕集層３の平均膜厚は略同じであった。また、測定領域８２１において３Ｄ形状測定機による撮像点を様々に変更して測定した捕集層３の平均膜厚も略同じであった。他の測定領域８１１～８１３、８２２～８２３、８３１～８３３においても同様であった。
　測定領域８２１における捕集層３の平均膜厚が測定されると、測定領域８２２～８２３における捕集層３の平均膜厚が、同様の方法にて測定される。また、測定領域８１１～８１３における捕集層３の平均膜厚も、同様の方法にて測定される。そして、当該６つの測定領域（すなわち、測定領域８１１～８１３、８２１～８２３）における捕集層３の平均膜厚の算術平均が求められ、当該算術平均が、上述の全体平均膜厚として取得される。また、出口側の２つの測定領域（すなわち、測定領域８１３、８２３）における捕集層３の平均膜厚の算術平均が、上述の出口側平均膜厚として取得される。なお、全体平均膜厚および出口側平均膜厚の算出では、測定領域８１１～８１３における捕集層３の平均膜厚に代えて、測定領域８３１～８３３における捕集層３の平均膜厚が用いられてもよい。
　図１および図２に示す多孔質複合体１では、図２中の矢印Ａ１にて示すように、多孔質複合体１内に流入するガスは、入口側が封止されていない第１セル２３１の入口から当該第１セル２３１内に流入し、当該第１セル２３１から捕集層３および隔壁２２を通過して、出口側が封止されていない第２セル２３２へと移動する。このとき、捕集層３においてガス中の粒子状物質が効率良く捕集される。
　次に、多孔質複合体１の製造方法の一例について、図９を参照しつつ説明する。多孔質複合体１が製造される際には、まず、基材２の筒状外壁２１の外側面が、不透液性のシート部材により覆われる。例えば、不透液性のフィルムが、筒状外壁２１の外側面の略全面に亘って巻き付けられる。
　続いて、捕集層３を形成するための原料スラリーが準備される（ステップＳ１１）。原料スラリーは、捕集層３の原料である粒子（以下、「捕集層粒子」と呼ぶ。）、造孔剤の粒子、および、凝集剤等を水に加えて混合することにより調製される。捕集層粒子は、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）または酸化セリウム（ＣｅＯ２）の粒子である。原料スラリーは、捕集層粒子および造孔剤粒子等が凝集した粒子（以下、「凝集粒子」と呼ぶ。）を含む。原料スラリーが調製される際には、凝集粒子の粒径が基材２の平均細孔径よりも大きくなるように、凝集剤の種類や添加量等が決定される。これにより、後述するステップＳ１２において、凝集粒子が基材２の細孔に浸入することが防止または抑制される。原料スラリーの粘度は、例えば、２ｍＰａ・ｓ～３０ｍＰａ・ｓである。
　次に、基材２の複数のセル２３のうち、捕集層３が形成される予定の複数の第１セル２３１に対して、当該複数の第１セル２３１の入口（すなわち、目封止部２４が設けられていない方の端部）から原料スラリーが供給される（ステップＳ１２）。原料スラリー中の水は、基材２の隔壁２２を透過して隣接する第２セル２３２へと移動し、第２セル２３２の目封止部２４が設けられていない方の端部から、基材２の外部へと流出する。原料スラリー中の凝集粒子は、隔壁２２を通過することなく、原料スラリーが供給された第１セル２３１の内面に付着する。これにより、基材２の第１セル２３１の内面に凝集粒子が略均等に付着した中間体が形成される。
　所定量の原料スラリーの供給が終了すると、水分が流出した中間体が乾燥される（ステップＳ１３）。例えば、中間体は、室温で１２時間乾燥された後、８０℃で１２時間加熱されることにより、さらに乾燥される。その後、中間体が焼成されることにより、基材２上に付着した多数の凝集粒子中の捕集層粒子が結合して基材２表面上に広がり、多孔質の捕集層３が形成される（ステップＳ１４）。当該焼成工程では、捕集層３に含まれている造孔剤粒子が、燃焼除去されることにより、捕集層３に細孔が形成される。ステップＳ１４における焼成温度および焼成時間はそれぞれ、例えば、１２００℃および２時間である。
　ステップＳ１４にて形成された捕集層３の表面の算術平均高さＳａは、例えば、ステップＳ１２における原料スラリーの供給開始から中間体の形成終了（すなわち、基材２からの水分流出の終了）までの所要時間を変更することにより、調節することができる。中間体の形成終了は、例えば、原料スラリーが供給された基材２の重量を継続的に測定し、測定された重量が所定重量まで減少した時点とする。上記多孔質複合体１の製造方法では、例えば、ステップＳ１２における原料スラリーの供給開始から中間体の形成終了までの所要時間を短くすることにより、上述の算術平均高さＳａが小さくなる。当該所要時間の短縮は、例えば、ステップＳ１２において吸気装置等により基材２に対する吸引を行うことにより、原料スラリー中の水が基材２の外部へと流出することを促進することにより実現される。
　次に、表１～表２を参照しつつ、捕集層３の算術平均高さＳａ（すなわち、全体Ｓａおよび出口側Ｓａ）および平均膜厚（すなわち、全体平均膜厚および出口側平均膜厚）と、多孔質複合体１の圧損および捕集効率との関係について説明する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　実施例１～７では、基材２の主材料はコージェライトであり、平均細孔径および気孔率はそれぞれ、１２μｍおよび４８％である。実施例１～５では、捕集層３の主材料はＳｉＣであり、実施例６～７では、捕集層３の主材料はＣｅＯ２である。
　実施例１～７では、捕集層３の全体Ｓａは４μｍ～１１μｍであり、出口側Ｓａは５μｍ～１４μｍである。捕集層３の全体平均膜厚は２７μｍ～３９μｍであり、出口側平均膜厚は３３μｍ～４７μｍである。捕集層３の平均細孔径は３．２μｍ～６．１μｍであり、気孔率は６７％～７９％である。捕集層３を構成する骨材の平均粒径は、２μｍ～３μｍである。
　比較例１～６では、実施例１～７と同様に、基材２の主材料はコージェライトであり、平均細孔径および気孔率はそれぞれ、１２μｍおよび４８％である。比較例１～５では、捕集層３の主材料はＳｉＣであり、比較例６では、捕集層３は設けられない。すなわち、比較例６の多孔質複合体１は、コージェライト製の基材２のみにより構成される。
　比較例１～５では、捕集層３の全体Ｓａは５μｍ～４１μｍであり、出口側Ｓａは６μｍ～８４μｍである。捕集層３の全体平均膜厚は３２μｍ～７０μｍであり、出口側平均膜厚は４５μｍ～９８μｍである。捕集層３の平均細孔径は３．７μｍ～５．８μｍであり、気孔率は７０％～７８％である。捕集層３を構成する骨材の平均粒径は、３μｍである。
　比較例１～２では、捕集層３の全体Ｓａは１２μｍよりも大きく、出口側Ｓａも１５μｍよりも大きい。比較例２～５では、捕集層３の全体平均膜厚は４０μｍよりも大きく、出口側平均膜厚も５０μｍよりも大きい。
　実施例１～７および比較例１～６では、多孔質複合体１による粒子状物質の捕集効率の良否、および、初期圧損の抑制の良否（すなわち、初期圧損の上昇率の大小）について判定した。当該捕集効率は、以下のようにして求めた。まず、各実施例および各比較例の多孔質複合体１をそれぞれ、排気量２リットルの直噴式ガソリンエンジンを持つ乗用車両の排気系にＧＰＦとして搭載し、シャシダイナモによる車両試験を行った。当該車両試験では、欧州規制運転モード（ＲＴＳ９５）にて運転した際における排ガス中の粒子状物質の排出個数を、ＰＭＰ（欧州規制のパティキュレート計測プロトコル）に沿った計測方法で計測した。また、上記排気系にＧＰＦを搭載することなく同様の車両試験を行い、排ガス中の粒子状物質の排出個数を同様の計測方法で計測した。ＧＰＦ無しの場合の粒子状物質の排出個数を「基準排出個数」として、各実施例および各比較例について、計測された粒子状物質の排出個数と基準排出個数との差を、基準排出個数により除算した値（％）を、「捕集効率（％）」とした。
　また、初期圧損の上昇率は、以下のようにして求めた。まず、各実施例および各比較例の多孔質複合体１に、室温の空気を１０Ｎｍ３／ｍｉｎの流量で供給し、多孔質複合体１の前後の圧力差（すなわち、空気の流入側と流出側とにおける差圧）をそれぞれ計測した。そして、比較例６（基材２のみ）の圧力差に対する、各実施例および各比較例の圧力差の上昇率を、多孔質複合体１の「初期圧損の上昇率」として求めた。具体的には、初期圧損の上昇率（％）は、各実施例および各比較例のそれぞれの圧力差をＡとし、比較例６の圧力差をＢとすると、（Ａ－Ｂ)／Ｂ×１００で求めた。
　表１～表２では、捕集効率の良否を記号にて示す。具体的には、捕集効率が９２．５％以上である場合を「◎」で示し、捕集効率が９０％以上かつ９２．５％未満である場合を「○」で示す。また、捕集効率が８７．５％以上かつ９０％未満である場合を「△」で示し、捕集効率が８７．５％未満である場合を「×」で示す。
　表１～表２では、初期圧損抑制の良否も記号にて示す。具体的には、初期圧損の上昇率が１０％未満である場合を「○」で示し、初期圧損の上昇率が１０％以上かつ１３％未満である場合を「△」で示し、初期圧損の上昇率が１３％以上である場合を「×」で示す。
　実施例１では、捕集効率は９２．５％以上、初期圧損の上昇率は１０％未満と、共に良好であった。実施例２では、捕集効率は９２．５％以上と良好であり、初期圧損の上昇率は１０％以上かつ１３％未満と許容範囲内であった。実施例２において初期圧損の上昇率が少し大きくなったのは、捕集層３の全体Ｓａおよび出口側Ｓａが１０μｍよりも大きいことが原因と考えられる。実施例３では、捕集効率は９０％以上かつ９２．５％未満、初期圧損は１０％未満と、共に良好であった。実施例３において補修効率が少し小さくなったのは、捕集層３の出口側平均膜厚が３５μｍ未満であることが原因と考えられる。
　実施例４では、捕集効率は９２．５％以上と良好であり、初期圧損の上昇率は１０％以上かつ１３％未満と許容範囲内であった。実施例２において初期圧損の上昇率が少し大きくなったのは、捕集層３の平均細孔径が４．１μｍ未満であることが原因と考えられる。実施例５では、捕集効率は８７．５％以上かつ９０％未満と許容範囲内であり、初期圧損の上昇率は１０％未満と良好であった。実施例５において捕集効率が少し小さくなったのは、捕集層３の平均細孔径が６μｍよりも大きく、気孔率が７８％よりも大きいことが原因と考えられる。実施例６では、捕集効率は９２．５％以上、初期圧損の上昇率は１０％未満と、共に良好であった。実施例７では、捕集効率は９２．５％以上と良好であり、初期圧損の上昇率は１０％以上かつ１３％未満と許容範囲内であった。実施例７において初期圧損の上昇率が少し大きくなったのは、捕集層３の平均細孔径が４．１μｍ未満であることが原因と考えられる。
　一方、比較例１～５では、初期圧損の上昇率は１３％以上と大きかった。比較例１において初期圧損の上昇率が過大であるのは、全体Ｓａが１２μｍよりも大きく、出口側Ｓａが１５μｍよりも大きいことが原因と考えられる。比較例２において初期圧損の上昇率が過大であるのは、全体Ｓａが１２μｍよりも大きく、出口側Ｓａが１５μｍよりも大きく、さらに、全体平均膜厚が４０μｍよりも大きく、出口側平均膜厚が５０μｍよりも大きいことが原因と考えられる。比較例３～５において初期圧損の上昇率が過大であるのは、全体平均膜厚が４０μｍよりも大きく、出口側平均膜厚が５０μｍよりも大きいことが原因と考えられる。比較例６では、捕集層３が設けられていないため、捕集効率が８７．５％未満と非常に小さかった。
　以上に説明したように、多孔質複合体１は、多孔質の基材２と、基材２上に形成された多孔質の捕集層３と、を備える。基材２は、内部が隔壁２２により長手方向に延びる複数のセル２３に仕切られたハニカム構造を有する。複数のセル２３では、長手方向の一旦が封止された複数の第１セル２３１と、長手方向の他端が封止された複数の第２セル２３２とが交互に配列される。捕集層３は、複数の第１セル２３１の内側面を被覆する。複数の第１セル２３１における捕集層３の表面の面粗さを示す算術平均高さＳａである全体Ｓａは、０．１μｍ以上かつ１２μｍ以下である。
　これにより、第１セル２３１内を流れるガスと捕集層３との摩擦抵抗を低減することができる。その結果、多孔質複合体１における圧損を低減することができる。また、第１セル２３１の長手方向の各位置において、周方向における捕集層３の表面の凹凸が低減される。これにより、当該各位置において、周方向における粒子状物質の捕集の均一性を向上することができため、多孔質複合体１における粒子状物質の捕集効率を向上することができる。さらに、捕集層３の表面が滑らかになることにより、捕集層３の表層部が欠けたり割れたりすることを抑制することができる。その結果、多孔質複合体１の耐久性を向上することができる。
　また、多孔質複合体１では、複数の第１セル２３１における捕集層３の平均膜厚である全体平均膜厚は、１０μｍ以上かつ４０μｍ以下である。これにより、捕集層３が厚くなることによる圧損増大を抑制することができるとともに、捕集層３が薄くなることによる捕集効率の低下を抑制することもできる。換言すれば、多孔質複合体１における圧損をさらに低減することができるとともに、捕集効率をさらに向上することもできる。
　上述のように、複数の第１セル２３１の長手方向の一端側（すなわち、出口側）の端部における捕集層３の表面の算術平均高さＳａである出口側Ｓａは、０．１μｍ以上かつ１５μｍ以下であることが好ましい。このように、粒子状物質の捕集初期において圧力が高い出口側の面粗さを低減することにより、多孔質複合体１における圧損をさらに低減することができるとともに、捕集効率をさらに向上することもできる。
　上述のように、複数の第１セル２３１の上記端部（すなわち、出口側の端部）における捕集層３の平均膜厚である出口側平均膜厚は、３５μｍ以上かつ５０μｍ以下であることが好ましい。これにより、多孔質複合体１における圧損をより一層低減することができるとともに、捕集効率をより一層向上することもできる。
　上述のように、複数の第１セル２３１における捕集層３の平均細孔径は、０．１μｍ以上かつ２０μｍ以下であることが好ましい。これにより、これにより、平均細孔径が小さくなることによる圧損増大を抑制することができるとともに、平均細孔径が大きくなることによる捕集効率の低下を抑制することもできる。換言すれば、多孔質複合体１における圧損をさらに低減することができるとともに、捕集効率をさらに向上することもできる。
　上述のように、複数の第１セル２３１における捕集層３の気孔率は、５０％以上かつ９０％以下であることが好ましい。これにより、多孔質複合体１における圧損増大の抑制を効率良く実現することができる。
　上述のように、複数の第１セル２３１における捕集層３の骨材の平均粒径は、０．１μｍ以上かつ５μｍ以下であることが好ましい。これにより、多孔質複合体１における圧損をさらに低減することができるとともに、捕集効率をさらに向上することもできる。
　上述のように、複数の第１セル２３１における捕集層３は、炭化ケイ素、コージェライト、ムライト、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄、酸化セリウムのうち少なくとも１つを含むことが好ましい。このように、比較的耐熱性が高いセラミック材料を用いて捕集層３を形成することにより、焼成工程を含む多孔質複合体１の製造を好適に行うことができる。
　上述のように、捕集層３は、複数の第２セル２３２内には存在しないことが好ましい。これにより、多孔質複合体１における圧損の不要な増大を防止することができる。
　上述のように、基材２の主材料はコージェライトであることが好ましい。また、好ましくは、隔壁２２の平均細孔径は５μｍ以上かつ３０μｍ以下であり、隔壁２２の気孔率は３０％以上かつ７０％以下である。これにより、多孔質複合体１における圧損低減および捕集効率向上を好適に実現することができる。
　上述のように、多孔質複合体１によれば、圧損を低減することができるとともに、捕集効率向上することもできる。したがって、多孔質複合体１は、ガソリンエンジンから排出される排ガス中の粒子状物質を捕集するＧＰＦに特に適している。
　上述の多孔質複合体１では、様々な変更が可能である。
　多孔質複合体１の構造は、様々に変更されてよい。例えば、全てのセル２３の内側面に、捕集層３が設けられてもよい。
　多孔質複合体１の用途は、上述のＧＰＦには限定されず、ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）等の他のフィルタとして多孔質複合体１が用いられてもよい。あるいは、多孔質複合体１は、フィルタ以外の用途に用いられてもよい。
　多孔質複合体１の製造方法は、図９に例示するものには限定されず、様々に変更されてよい。例えば、ステップＳ１２において、基材２への原料スラリーの供給方法は、様々に変更されてよい。また、捕集層３の原料の基材２への供給は、原料スラリーを用いる濾過方式には限定されず、ディップ方式、スプレー方式または乾式等、様々な方法により行われてよい。さらに、ステップＳ１３における中間体の乾燥方法および乾燥時間、並びに、ステップＳ１４における中間体の焼成温度および焼成時間等も、様々に変更されてよい。
　上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
　発明を詳細に描写して説明したが、既述の説明は例示的であって限定的なものではない。したがって、本発明の範囲を逸脱しない限り、多数の変形や態様が可能であるといえる。
　本発明は、粒子状物質を捕集するフィルタ、例えば、ガソリンエンジンから排出される排ガス中の粒子状物質を捕集するガソリン・パティキュレート・フィルタに利用可能である。
　１　　多孔質複合体
　２　　基材
　３　　捕集層
　２２　　隔壁
　２３　　セル
　２３１　　第１セル
　２３２　　第２セル
　Ｓ１１～Ｓ１４　　ステップ

Claims (10)

  1. 　多孔質複合体であって、
    　多孔質の基材と、
    　前記基材上に形成された多孔質の捕集層と、
    を備え、
    　前記基材は、内部が隔壁により長手方向に延びる複数のセルに仕切られたハニカム構造を有し、
    　前記複数のセルでは、長手方向の一端が封止された複数の第１セルと、長手方向の他端が封止された複数の第２セルとが交互に配列されており、
    　前記捕集層は、前記複数の第１セルの内側面を被覆し、
    　前記複数の第１セルにおける前記捕集層の表面の面粗さを示す算術平均高さＳａである全体Ｓａは、０．１μｍ以上かつ１２μｍ以下であり、
    　前記複数の第１セルにおける前記捕集層の平均膜厚である全体平均膜厚は、１０μｍ以上かつ４０μｍ以下である。
  2. 　請求項１記載の多孔質複合体であって、
    　前記複数の第１セルの長手方向の前記一端側の端部における前記捕集層の表面の算術平均高さＳａである出口側Ｓａは、０．１μｍ以上かつ１５μｍ以下である。
  3. 　請求項２に記載の多孔質複合体であって、
    　前記複数の第１セルの前記端部における前記捕集層の平均膜厚である出口側平均膜厚は、３５μｍ以上かつ５０μｍ以下である。
  4. 　請求項１ないし３のいずれか１つに記載の多孔質複合体であって、
    　前記複数の第１セルにおける前記捕集層の平均細孔径は、０．１μｍ以上かつ２０μｍ以下である。
  5. 　請求項１ないし４のいずれか１つに記載の多孔質複合体であって、
    　前記複数の第１セルにおける前記捕集層の気孔率は、５０％以上かつ９０％以下である。
  6. 　請求項１ないし５のいずれか１つに記載の多孔質複合体であって、
    　前記複数の第１セルにおける前記捕集層の骨材の平均粒径は、０．１μｍ以上かつ５μｍ以下である。
  7. 　請求項１ないし６のいずれか１つに記載の多孔質複合体であって、
    　前記複数の第１セルにおける前記捕集層は、炭化ケイ素、コージェライト、ムライト、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄、酸化セリウムのうち少なくとも１つを含む。
  8. 　請求項１ないし７のいずれか１つに記載の多孔質複合体であって、
    　前記捕集層は、前記複数の第２セル内には存在しない。
  9. 　請求項１ないし８のいずれか１つに記載の多孔質複合体であって、
    　前記隔壁の主材料はコージェライトであり、
    　前記隔壁の平均細孔径は、５μｍ以上かつ３０μｍ以下であり、
    　前記隔壁の気孔率は、３０％以上かつ７０％以下である。
  10. 　請求項１ないし９のいずれか１つに記載の多孔質複合体であって、
    　ガソリンエンジンから排出される排ガス中の粒子状物質を捕集するガソリン・パティキュレート・フィルタである。
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