专利名称：蜂窝陶瓷结构体及其制造方法
技术领域：
本发明涉及例如可得到低压力损失和高的捕集效率、可适合作为紫油机颗粒过滤器(DPF)使用的蜂窝陶瓷结构体及其制造方法。
背景技术：
近年，捕集从柴油机所排出的粒子的柴油机颗粒过滤器(DPF)引入注目，要求以低压力损失而获得高的捕集效率的DPF。
作为DPF，过去使用堇青石制的蜂窝结构体，为了获得如上述那样的低压力损失、高的捕集效率，过去已进行了蜂窝结构体的气孔率、细孔分布等的改进。
特开平9-77573号公报记载了加大气孔率及平均细孔孔径，同时规定隔壁表面的细孔分布的蜂窝结构体；特开平11-333293号公报记载了将隔壁厚度减薄到设定厚度以下，同时加大气孔率的蜂窝结构体。
另外，特开平7-38930号公报记载了作为堇青石化原料中的滑石成分和硅石成分的两种粒子，通过使用设定粒度以上的粗粒成分，来制造高气孔率的蜂窝结构体；专利第2726616号公报记载了加大气孔率的同时，规定细孔分布及表面粗糙度的蜂窝结构体。
在上述以往技术中，为了提高气孔率，所进行的是使堇青石化原料为粗大粒子，或者添加石墨和木粉、发泡剂等作为造孔剂，但不能获得充分的效果。
即，使堇青石化原料为粗粒时，不能充分进行堇青石化反应，难以达到低热膨胀。另外，作为造孔剂使用石墨时，添加石墨后的成型体的介电常数降低，当其添加量变多时，采用感应干燥或微波干燥难以进行均匀的干燥，此外，在烧成工序，由于延长800～1000℃的烧成时间，所以存在必须抑制石墨的急剧燃烧等的问题。
另外，将淀粉类、木粉作为造孔剂使用时，在混炼工序为了使陶土达到规定的硬度，必须添加多量的水，结果干燥工序的效率变差，同时在烧成工序中，淀粉类及木粉在200～400℃之间急剧地燃烧引起大量的放热，难以防止烧成裂纹。这样，对于以往的技术而言，要将气孔率提高到规定水平以上极为困难。
发明的公开本发明人，鉴于上述的以往的课题进行潜心研究的结果，发现将蜂窝结构体的气孔率提高到规定的以上，同时着眼于实际上排气接触、排气通过的隔壁表面存在的细孔面积、当隔壁表面露出的细孔面积的总和为规定值以上时，成为极低的压力损失，而且可达到高的捕集效率，从而完成了本发明。
即，根据本发明提供一种蜂窝陶瓷结构体，其特征在于它是化学组成由SiO242～56重量％，Al2O330～45重量％，MgO 12～16重量％组成、结晶相以堇青石为主成分的蜂窝陶瓷结构体。气孔率是55～65％，平均细孔孔径是15～30μm，在构成蜂窝陶瓷结构体的隔壁表面露出的细孔的总面积是隔壁表面的总面积的35％以上。
对于本发明的蜂窝陶瓷结构体，在隔壁表面露出的细孔的总面积是隔壁表面的总面积的40％以上，并且平均细孔孔径是15～25μm为好。此外，隔壁厚度优选是300μm以下。另外，渗透率(パ一ミアビリテイ一)优选是1.5～6μm2。此外，本发明的蜂窝陶瓷结构体在40～800℃之间的热膨胀系数优选是0.5×10-6/℃以下。
本发明的蜂窝陶瓷结构体，可很好地作为捕集从柴油机中排出的粒子的柴油机颗粒过滤器(DPF)使用。
另外，本发明提供一种蜂窝陶瓷结构体的制造方法，其特征在于，在堇青石化原料中添加作为造孔剂的石墨15～25重量％、合成树脂5～15重量％进行混炼，然后成型为蜂窝状后，通过干燥、烧成，制造化学组成由SiO242～56重量％，Al2O330～45重量％，MgO 12～16重量％组成、结晶相以堇青石为主成分、气孔率55～65％，平均细孔孔径15～30μm，在构成该蜂窝陶瓷结构体的隔壁表面露出的细孔的总面积是该隔壁表面的总面积的35％以上的蜂窝陶瓷结构体。
上述中，作为合成树脂，优选聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、及酚醛树脂的任一种、或这些的组合物。另外，堇青石化原料中的滑石原料的平均粒子粒径优选是50μm以下，硅石原料的平均粒子粒径优选是60μm以下。
附图的简单说明
图1表示实施例1的蜂窝陶瓷结构体的肋(リズ)截面的SEM照片。
图2表示实施例1的蜂窝陶瓷结构体的隔壁表面(膜面)的SEM照片。
图3表示比较例5的蜂窝陶瓷结构体的肋截面的SEM照片。
图4表示比较例5的蜂窝陶瓷结构体的隔壁表面(膜面)的SEM照片。
图5是表示比较例7和实施例7的重量减少率(TG)与发热量(DTA)的关系的曲线图。
图6是表示油烟(ス一ト)附着时间与压力损失的关系的曲线图。
实施发明的最佳方案本发明的蜂窝陶瓷结构体，是化学组成由SiO242～56重量％、Al2O330～45重量％、MgO 12～16重量％组成，结晶相以堇青石为主成分的结构体，其气孔率是55～65％，平均细孔孔径是15～30μm，且在构成蜂窝陶瓷结构体的隔壁表面露出的细孔的总面积是隔壁表面的总面积的35％以上。
本发明的蜂窝陶瓷结构体，其气孔率的范围是55～65％。气孔率不足55％时，排气的压力损失上升而不好，另一方面，气孔率超过65％时蜂窝结构体的机械强度明显降低，不能经受实际使用。
另外，对于该蜂窝陶瓷结构体，平均细孔孔径是15～30μm，优选是15～25μm。平均细孔孔径不足15μm时，捕集效率上升但压力损失增高而不好，而，平均细孔孔径超过30μm时，压力损失低，是良好的，但通过大气孔，排气中的微粒子没有捕集的几率增高。尤其是，蜂窝陶瓷结构体的隔壁的壁厚在300μm以下时，捕集效率的降低明显。而，平均细孔孔径超过30μm、气孔率不足55％时，虽然初期的压力损失低，但随着使用时间增长有压力损失急剧上升的倾向。这是因为，排气中的微粒子通过大气孔而容易堆积在隔壁内部，燃烧再生时在隔壁内部燃烧剩余的可能性增高的缘故。此外，即使是在隔壁表面担载氧化催化剂的连续再生型的，同样在隔壁内部燃烧残存而堆积，使压力损失上升。由于这些情况，平均细孔孔径更优选在15～25μm的范围。
另外，在本发明中，在构成蜂窝陶瓷结构体的隔壁表面露出的细孔的总面积是隔壁表面的总面积的35％以上。这样，通过使在隔壁表面露出的细孔的总面积增大到规定以上，而对排气有极低的压力损失，而且可达到高的捕集效率。再者，在隔壁表面露出的细孔的总面积，优选是隔壁表面的总面积的40％以上，并优选为60％以下。
此外，本发明的蜂窝结构体，可使渗透率为1.5～6μm2。使渗透率为这种范围的蜂窝结构体，对排气有低的压力损失，可达到高的捕集效率。
在这里，本说明书中所谓渗透率意味着按下式求出的数值。C=8FTVπD2(P2-13.8392)/13.839×68947.6×108]]>式中，C表示渗透率(μm2)，F表示气体流速(cm3/s)、T表示试料厚度(cm)、V表示气体粘性(dynes·s/cm2)、D表示试料直径(cm)、P表示气体压力(PSI)。另外，式中表示的数值13.839(PSI)＝1(atm)、68947.6(dynes/cm2)＝1(PSI)。
本发明的蜂窝陶瓷结构体在40～800℃之间的热膨胀系数可以为0.5×10-6/℃以下。有这样的热膨胀系数时，显示出极优异的耐热冲击性，即使反复发生急剧的温度变化也几乎无破损之虞。
另外，本发明的蜂窝陶瓷结构体，如上述那样，由于捕集效率高，所以可理想地适用于隔壁的壁厚为300μm以下的薄壁的蜂窝结构体。
因此，具有上述构成的本发明的蜂窝陶瓷结构体，可极理想地作为捕集从柴油机排出的粒子的柴油机颗粒过滤器(DPF)使用。
以下，对有关本发明的蜂窝陶瓷结构体的制造方法进行说明。
首先，从滑石、高岭土、煅烧高岭土、氧化铝、氢氧化铝、硅石之中，按规定的比例调制堇青石化原料，使得化学组成在SiO242～56重量％、Al2O330～45重量％、MgO 12～16重量％的范围。在该堇青石化原料中，添加作为造孔剂的石墨15～25重量％、及PET、PMMA，酚醛树脂等合成树脂5～15重量％，添加规定量的甲基纤维素类、表面活性剂后、适当地加水混炼制成陶土。然后，将该陶土真空脱气后，挤出成型为蜂窝结构，采用感应干燥或微波干燥、热风干燥法进行干燥后，在最高温度1400～1435℃之间进行烧成，通过这一系列的工序，可制造有关本发明的蜂窝陶瓷结构体。
另外，蜂窝陶瓷结构体中的锯齿形状(交错排列型式；StaggeredPattern)的端面封堵在干燥后或烧成后实施，通过再次烧成蜂窝结构体等进行。
本发明的制造方法，其特征是，在堇青石化原料中，添加作为造孔剂使用的石墨15～25重量％，同时添加燃烧时的发热量较小的PET、PMMA、或酚醛树脂等合成树脂5～15重量％，据此，可廉价大量生产具有55％以上气孔率的堇青石蜂窝结构体。
石墨相对于堇青石化原料的添加量超过25重量％时，采用感应干燥和微波干燥很难进行均匀干燥，同时在烧成工序中，有必要延长石墨燃烧的800～1000℃的烧成时间，抑制石墨的急剧燃烧。该石墨燃烧域的升温速度过快时，石墨急剧地燃烧，在蜂窝结构体中产生大的温度分布，有发生开裂的危险性。另外，石墨燃烧剩余时，对在1200℃以上的高温下的堇青石化反应带来坏的影响，也有热膨胀变高的危险性。因此，石墨的添加量在考虑工业上的大批量生产时，必须是25重量％以下，更优选是20重量％以下。石墨添加的下限量，若考虑造孔性及发热量则必须是15重量％以上。
本发明通过在该石墨中添加规定量的燃烧时的发热量较小的合成树脂，可以制造55％以上这一大的气孔率的蜂窝结构体。
另外，如本发明的蜂窝陶瓷结构体那样，为了增大蜂窝结构体隔壁表面露出的细孔的总面积，在提高气孔率的同时，必须控制在堇青石化反应的过程中由滑石、硅石形成的细孔。使滑石原料、硅石原料为粗粒时，可增大平均细孔孔径，但形成的细孔(pores)未必出现在隔壁表面，只不过在隔壁内部形成粗大的细孔。这是因为粗大粒子在挤出成型时有集中在隔壁中心的倾向的缘故。
因此，在本发明中，通过控制对细孔形成重要的滑石原料的平均粒子粒径在50μm以下，以及硅石原料的平均粒子粒径在60μm以下，可有效地在隔壁表面形成细孔，其结果，可使在蜂窝结构体的隔壁表面露出的细孔的总面积相对于隔壁表面的总面积的比例增大到35％以上。再者，滑石原料的平均粒子粒径更优选20～50μm的范围、硅石原料的平均粒子粒径更优选20～60μm的范围。
以下，根据具体的实施例更详细地说明本发明，但本发明不限定于这些实施例。
(实施例1～11、比较例1～16)
按表2所示的比例分别调合表1所示的堇青石化原料和造孔剂，添加甲基纤维素及羟基丙氧基甲基纤维素各2重量％、添加作为表面活性剂的脂肪酸皂0.5重量％，适量地添加水制成陶土。然后，使用该陶土，如表3所示，挤出成型尺寸为Φ150mm×150mm(长度)、孔结构为壁厚300μm、孔数31个孔/cm2或壁厚430μm、孔数16个孔/cm2的各种的蜂窝结构体，用感应干燥及热风干燥除去水分。然后，在最高温度1415℃、最高温度保持时间8小时的条件下烧成、用浆泥状的堇青石化原料将两端面(both end faces)封孔，使得交替地成为锯齿状后，在最高温度1420℃再次烧成，制得各种的蜂窝陶瓷结构体的评价样品。
将制得的蜂窝陶瓷结构体的物性及评价结构示于表3。表1
表2
表3
在这里，蜂窝陶瓷结构体的平均细孔孔径、气孔率、在隔壁表面露出的细孔的总面积相对于隔壁表面的总面积的比例(面积率)、渗透率、在40～800℃间的热膨胀系数(CTE)、压力损失及捕集效率如下述那样测定。
平均细孔孔径及气孔率由采用水银压入法测定的细孔分布求出。气孔率由总细孔容积计算出。
面积率通过用图象解析处理装置解析由SEM观察得到的隔壁表面的照片，求出在隔壁表面露出的细孔的面积率。
CTE以石英作为标准试料，采用差示式测定法进行测定。
渗透率从各蜂窝陶瓷结构体取出隔壁的一部分，把加工成没有凹凸的部分作为试料，用Φ20mm的样品夹持器从上下夹进该试料使之不漏气后，在特定的气体压力下使气体流入试料。此时，对通过试料的气体，按照以下示出的式子求出渗透率。C=8FTVπD2(P2-13.8392)/13.839×68947.6×108]]>式中，C表示渗透率(μm2)，F表示气体流速(cm3/s)、T表示试料厚度(cm)、V表示气体粘性(dynes·s/cm2)、D表示试料直径(cm)、P表示气体压力(PSI)。另外，式中表示的数值是13.839(PSI)＝1(atm)、68947.6(dynes/cm2)＝1(PSI)。
压力损失采用柴油气体燃烧器使之发生油烟，将DPF安装在其下游侧，将气体流量2.4Nm3/min、温度约150℃的含油烟的燃烧气体通入DPF，使油烟一边堆积在DPF上一边由DPF前后的压力差随时间的变化而求出。
捕集效率采用柴油气体燃烧器使之发生油烟，将DPF安装在其下游侧，将气体流量2.4Nm3/min、温度约150℃的含油烟的燃烧气通入DPF，从分别从DPF的上游侧、下游侧以一定比例分流的气体中的油烟重量的比率求出DPF的捕集效率。(考察)图1表示实施例1的蜂窝陶瓷结构体的肋截面的SEM照片、图2表示实施例1的蜂窝陶瓷结构体的隔壁表面(膜面)的SEM照片。
另外，图3表示比较例5的蜂窝陶瓷结构体的肋截面的SEM照片、图4表示比较例5的蜂窝陶瓷结构体的隔壁表面(膜面)的SEM照片。
在图2及图4的两个照片中，白色表示(在附图代用照片中表现成黄色)的是在隔壁表面露出的气孔(表面气孔)。表面气孔的面积率高时，关系到初期压力损失的降低。
图3及图4表示作为比较例5的蜂窝结构体的微结构。
由图3及图4的照片可以看出，比较例5的肋截面由于平均粒径75μm的粗的硅石原料，所以非常大的气孔集中在肋的中心附近。可知通过使用粗的滑石原料和硅石原料，形成大的气孔，但蜂窝的挤出成型时粗的原料集中在肋的中心附近，其结果大的气孔只在肋的中心附近生成。在比较例5的膜面的照片中，在隔壁表面露出的细孔的总面积只不过是20％。比较例5压力损失并不那么高，但由于大的气孔的影响，捕集效率差，为80％。
在图1及图2所示的实施例1中，为了提高气孔率，与石墨一起将作为合成树脂的PET作为造孔剂使用。其结果，气孔率变高，为63％。另外，若使用合成树脂，则蜂窝结构体的气孔率增加，同时由图1的肋截面的上端面和下端面的情况可以清楚地确认表面气孔增加的效果。若进行图2的照片的图像解析，则实施例1的表面气孔的面积率高达45％，其结果，如表3所示，渗透率是4.8μm2，初期压力损失为65mmHg可抑制到非常低的水平，并且捕集效率为95％，是高水平的。
过去，作为代替石墨的造孔剂使用淀粉等，但多量使用时，在干燥工序和烧成工序中存在产生“裂缝”的问题。图5是表示作为造孔剂含有淀粉(玉米淀粉)10重量％及石墨20重量％的揉好的陶土(dough)(比较例7配料6-2)、和含有合成树脂(PET)10重量％及石墨20重量％的揉好的陶土(实施例7配料12)的重量减少率(TG)与发热量(DTA)的关系的曲线图。
由图5可以看出，若使用淀粉作为造孔剂，则由于淀粉在300～350℃附近热分解，所以急剧地放热(参照DTA的点线)，由于其热应力作用而在烧成工序产生裂缝。然而作为造孔剂若使用PET、PMMA、酚醛树脂、交联聚苯乙烯等，则在其温度域的发热量得到抑制而较低(参照DTA实线)，具有在烧成工序产生裂缝变得极少的优点。
图6是表示油烟附着时间与压力损失关系的曲线图。
图6的实线是关于实施例1的蜂窝结构体的结果，图6的虚线是关于比较例5的蜂窝结构体的结果。
作为油烟附着条件，使用由柴油气体燃烧器产生的气体温度约150℃的燃烧气，气体流量2.4Nm3/min，使之流入由实施例1和比较例5的蜂窝结构体构成的DPF中。
由图6的结果可以清楚地看出，气孔率为63％且面积率大、为45％的实施例1的蜂窝结构体，即使经过规定时间其压力损失的上升也不大，而用气孔率50％且面积率小为20％的比较例5的蜂窝结构体时，随着时间延长其压力损失的上升变大。
产业上的利用可能性如以上说明的那样，本发明可提供能实现低的压力损失和高的捕集效率的蜂窝陶瓷结构体及其制造方法。
权利要求
1.一种蜂窝陶瓷结构体，其特征在于，是化学组成由SiO242～56重量％、Al2O330～45重量％、MgO 12～16重量％组成、结晶相以堇青石为主成分的蜂窝陶瓷结构体，气孔率是55～65％，平均细孔孔径是15～30μm，在构成该蜂窝陶瓷结构体的隔壁表面露出的细孔的总面积是该隔壁表面的总面积的35％以上。
2.权利要求1所述的蜂窝陶瓷结构体，其特征在于，在隔壁表面露出的细孔的总面积是该隔壁表面的总面积的40％以上。
3.权利要求1或2所述的蜂窝陶瓷结构体，其特征在于，平均细孔孔径是15～25μm。
4.权利要求1～3的任一项所述的蜂窝陶瓷结构体，其特征在于，隔壁厚度是300μm以下。
5.权利要求1～4的任一项所述的蜂窝陶瓷结构体，其特征在于，渗透率是1.5～6μm2。
6.权利要求1～5的任一项所述的蜂窝陶瓷结构体，其特征在于，在40～800℃之间的热膨胀系数是0.5×10-6/℃以下。
7.权利要求1～6的任一项所述的蜂窝陶瓷结构体作为柴油机颗粒过滤器使用。
8.一种蜂窝陶瓷结构体的制造方法，其特征在于，在堇青石化原料中，添加作为造孔剂的石墨15～25重量％、合成树脂5～15重量％进行混炼，接着加工成蜂窝状后，通过干燥，烧成，制造化学组成由SiO242～56重量％、Al2O330～45重量％、MgO 12～16重量％组成、结晶相以堇青石为主成分、气孔率是55～65％，平均细孔孔径是15～30μm、在构成该蜂窝陶瓷结构体的隔壁表面露出的细孔的总面积是该隔壁表面的总面积的35％以上的蜂窝陶瓷结构体。
9.权利要求8所述的蜂窝陶瓷结构体的制造方法，其特征在于，合成树脂是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、交联聚苯乙烯及酚醛树脂中的任一种、或它们的组合物。
10.权利要求8或9所述的蜂窝陶瓷结构体的制造方法，其特征在于，堇青石化原料中的滑石原料的平均粒子粒径是50μm以下、硅石原料的平均粒子粒径是60μm以下。
全文摘要
提供一种化学组成由SiO
文档编号C04B35/195GK1447781SQ01814404
公开日2003年10月8日 申请日期2001年6月27日 优先权日2000年6月30日
发明者熊泽和彦, 野口康, 西英明, 末信宏之 申请人:日本碍子株式会社