多孔陶瓷结构体的制造方法

专利名称：多孔陶瓷结构体的制造方法
技术领域：
本发明涉及例如适宜用作为过滤器的过滤材料的多孔陶瓷结构体的制造方法，更详细地涉及能够最大限度地发挥造孔材料所具有的造孔效果，少量添加造孔材料就可以得到高气孔率的多孔陶瓷结构体的多孔陶瓷结构体的制造方法。
背景技术：
在以化学、电力、钢铁、工业废弃物处理为首的各个领域，作为用于防止公害等的环境对策、回收高温气体中的制品等用途的过滤器的过滤材料，使用由耐热性、耐腐蚀性优异的陶瓷构成的多孔陶瓷结构体。例如，如用于捕获从汽车的柴油发动机等柴油机排出的粒子状物质(PMParticulate Matter)的柴油机颗粒过滤器(DPFDiesel Particulate Filter)，作为在高温、腐蚀性气体氛围下使用的集尘用过滤器，适宜使用蜂窝形状的多孔陶瓷结构体(以下记为“多孔蜂窝结构体”)。
作为用于集尘用过滤器的多孔蜂窝结构体，通常使用如图1所示集尘用过滤器21那样，被隔壁24划分形成许多小室23，并且进一步具有将该许多小室23的入口侧端面B和出口侧端面C相互交错地封口的封口部22的多孔蜂窝结构体25。根据这种结构的集尘用过滤器21，当从入口侧端面B向一部分小室23导入的被处理气体G1透过隔壁24流入相邻小室23时，隔壁24将捕获掉被处理气体G1中含有的粒子状物质。然后，透过隔壁24流入相邻小室23的已处理气体G2则从出口侧端面C排出，因此可以得到分离和除去被处理气体G1中的粒子状物质后的已处理气体G2。
但是，近年来为了减少气体透过隔壁时的压力损失，提高集尘用过滤器的处理能力，人们要求高气孔率的多孔陶瓷结构体。作为这种高气孔率多孔陶瓷结构体的制造方法，例如可以举出本申请人在之前公开过的如下的陶瓷结构体的制造方法混合陶瓷原料(所谓的骨材粒子)、已发泡的发泡树脂(所谓的微胶囊)及成型助剂等后，进行成型而得到成型体，并且烧成该成型体，得到多孔陶瓷结构体(例如参照专利文献1)。
根据上述的制造方法，在烧成成型体时，由有机树脂构成的可燃性微胶囊被烧掉而形成气孔，因此可以得到高气孔率的多孔陶瓷结构体。使用石墨等可燃性粉末作为造孔材料时也可以得到这种造孔效果，但是由于在上述制造方法中作为造孔材料使用的微胶囊为中空粒子，因此单位质量的造孔效果高，即使添加少量也能够得到高气孔率的多孔陶瓷结构体。
专利文献1特开2002-326879号公报发明内容但是，上述的制造方法，虽然就能够得到一定的造孔效果来说是一种有效的方法，但实际情况是，无法得到与微胶囊添加量肯定相应的气孔率的多孔陶瓷结构体。从而，为了得到高气孔率的多孔陶瓷结构体，经常需要添加大量的微胶囊。
如上所述大量添加微胶囊时，会产生诸如i)成型体的烧成时间超过必要时间地加长，而导致烧成时的能耗增大；ii)由于微胶囊燃烧时的发热量增大，所以多孔陶瓷结构体就会因热应力而产生裂纹；iii)因微胶囊的增量、烧成时间延长，而导致制品成本上升等各种各样的不良情况，因此是不优选的。也就是说，上述的制造方法，从少量添加造孔材料就得到高造孔效果的观点考虑，尚不能充分地满足要求，存在改善的余地。
目前，并没有公开少量添加造孔材料就能够得到高气孔率多孔陶瓷结构体的多孔陶瓷结构体的制造方法，产业界迫切希望能够出现这种制造方法。本发明是为了解决如上所述的现有技术中存在的问题而进行，目的为提供一种效果比以往方法更好的多孔陶瓷结构体的制造方法，根据该制造方法，能够最大限度地发挥造孔材料所具有的造孔效果，通过添加少量造孔材料就可以得到高气孔率的多孔陶瓷结构体。
本发明人等为了解决上述问题而进行深入研究的结果，发现在将骨材原料粒子及微胶囊等混合，并混练时，微胶囊是被存在于骨材原料粒子中的非球状粒子划伤和破坏，导致微胶囊的造孔效果下降，成为无法得到添加量所相应的气孔率的多孔陶瓷结构体的原因。因此，想到了可以采用在使用微胶囊作为造孔材料的同时，还使用控制适当圆形度的球状粒子作为骨材原料粒子，这样的新的技术方案，来解决上述技术问题，从而完成了本发明。也就是说，本发明提供如下的多孔陶瓷结构体的制造方法。
一种多孔陶瓷结构体的制造方法，包括混合与混练工序将含有骨材原料粒子及造孔材料的坯土原料，与分散介质混合和混练，而得到坯土；成型与干燥工序将所述坯土成型，得到陶瓷成型体，通过干燥该陶瓷成型体，得到陶瓷干燥体；烧成工序通过烧成所述陶瓷干燥体，得到多孔陶瓷结构体，其中，作为所述造孔材料使用由有机树脂构成的中空粒子(微胶囊)；并且作为所述骨材原料粒子中的至少一种，使用相对于其总质量含有圆形度为0.70～1.00的粒子(球状粒子)30～100质量％的粒子。
如上述[1]记载的多孔陶瓷结构体的制造方法，其中，所述球状粒子的圆形度为0.80～1.00。
如上述[1]或[2]记载的多孔陶瓷结构体的制造方法，其中，将所述坯土成型为由隔壁划分形成了许多小室的蜂窝形状。
如上述[1]～[3]中的任一项记载的多孔陶瓷结构体的制造方法，其中，通过将陶瓷粒子在其陶瓷熔点(Tm)～Tm+300℃的范围内的温度加热处理而得到所述球状粒子。
如上述[1]～[3]中的任一项记载的多孔陶瓷结构体的制造方法，其中，通过将陶瓷粒子用喷射气流进行粉碎处理而得到所述球状粒子。
如上述[1]～[5]中的任一项记载的多孔陶瓷结构体的制造方法，其中，作为所述骨材原料粒子，使用由硅石(SiO2)粒子、高龄土(Al2O3·2SiO2·2H2O)粒子、氧化铝(Al2O3)粒子、氢氧化铝(Al(OH)3)粒子及滑石(3MgO·4SiO2·H2O)粒子构成的堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)化原料粒子，并且，作为所述硅石(SiO2)粒子、所述氧化铝(Al2O3)粒子及所述氢氧化铝(Al(OH)3)粒子中的至少一种，使用相对于其总质量含有所述球状粒子30～100质量％的粒子。
如上述[6]记载的多孔陶瓷结构体的制造方法，其中，通过在火焰中以1730～2030℃范围内的温度加热处理硅石(SiO2)粒子，得到所述球状粒子。
如上述[6]或[7]记载的多孔陶瓷结构体的制造方法，其中，所述球状粒子为平均粒径5～50μm的硅石(SiO2)粒子。
如上述[1]～[8]中的任一项记载的多孔陶瓷结构体的制造方法，其中，所述混合与混练工序是，通过在-40000Pa～-93000Pa减压下将所述混合原料与分散介质一起混合混练，来得到坯土的工序。
并且，根据本发明，提供如下的多孔陶瓷结构体。
多孔陶瓷结构体，是通过将含有硅石(SiO2)粒子、高龄土(Al2O3·2SiO2·2H2O)粒子、氧化铝(Al2O3)粒子、氢氧化铝(Al(OH)3)粒子及滑石(3MgO·4SiO2·H2O)粒子、以及造孔材料的坯土原料与分散介质一起混合混练得到坯土，对于该坯土进行成型，干燥，烧成而得到，该多孔陶瓷结构体以堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)为主要构成成分，气孔率为60～72％，平均细孔径为15～32μm，并且在使用由有机树脂构成的中空粒子(微胶囊)作为所述造孔材料的同时，作为所述硅石(SiO2)粒子、所述氧化铝(Al2O3)粒子及所述氢氧化铝(Al(OH)3)粒子中的至少一种，使用相对于其总质量含有圆形度为0.70～1.00的粒子(球状粒子)30～100质量％的粒子。
如上述[10]记载的多孔陶瓷结构体，该多孔陶瓷结构体呈由多孔隔壁划分形成了许多小室的蜂窝形状。
如上述[11]记载的多孔陶瓷结构体，进一步具备将所述许多小室的一方开口部和另一方开口部相互交错地封口的封口部。
与以往的方法相比，本发明的多孔陶瓷结构体的制造方法的有益效果是，能够最大限度地发挥造孔材料所具有的造孔效果，少量添加造孔材料就可以得到高气孔率多孔陶瓷结构体。


图1是表示使用多孔蜂窝结构体的集尘用过滤器的例子的示意图。
图2是结合多孔蜂窝结构体的例子说明“蜂窝形状”的示意图。
图中，1、25是多孔蜂窝结构体；3、23是小室；4、24是隔壁；21是集尘用过滤器；22是封口部；B是入口侧端面；C是出口侧端面；G1是被处理气体；G2是已处理气体。
具体实施例方式
下面，具体说明用来实施本发明多孔陶瓷结构体的制造方法的最佳实施方式，但本发明并不限于这些实施方式。
这里，在本说明书中提到“平均粒径”时，是指根据斯托克斯的液相沉降法测定原理，由X射线透过法检测的，采用X射线透过式粒度分布测定装置(例如岛津制作所株式会社制造的商品名セデイグラフ5000-02型等)测定的50％粒径的值。
另外，在本说明书中提到“平均细孔径”时，是指根据以下述式(1)为原理公式的水银压入法测定的细孔径，也就是当压入到多孔体的水银的累积容积成为多孔体全细孔容积的50％时，从其压力P计算出的细孔径。
d＝-γ×cosθ/P (1)式中，d为细孔径；γ为液体-空气界面的表面张力；θ为接触角；P为压力。
进而，在本说明书中提到“气孔率”时，是指根据由上述水银压入法得到的多孔体的总细孔容积V、以及该多孔体的构成材料的真比重dt(堇青石时为2.52g/cm3)，基于下述式(2)计算出的气孔率Po。
Po＝V/(V+1/dt)×100 (2)式中，Po为气孔率；V为总细孔容积；dt为真比重。
并且，本说明书中的“圆形度”是表示当平面观察骨材原料粒子时，其形状离正圆的偏差程度的指标，是指使用流动式粒子图象分析装置(例如希斯美康株式会社(Sysmex)制造的商品名FPIA-2000等)，测定骨材原料粒子的投影面积S及周长L后，基于下述式(3)计算出的圆形度SD。该指标为，当圆形度1.00时表示正圆，其值越小说明离正圆的偏差越大。
SD＝4πS/L2(3)式中，SD为圆形度；S为投影面积；L为周长。
A.多孔陶瓷结构体的制造方法本发明人在开发本发明的多孔陶瓷结构体的制造方法时，首先研究了在以往的制造方法中，微胶囊的造孔效果不充分，无法得到添加量所相应的气孔率的多孔陶瓷结构体的原因。其结果发现当混合并混练骨材原料粒子及微胶囊等时，存在于骨材原料粒子中的非球状粒子就是划伤破坏微胶囊的原因。
例如，作为堇青石质多孔陶瓷结构体原料中的硅石源粒子，通常使用容易获得且廉价的已破碎的硅石粒子(以下叫做“破碎硅石粒子”)，但该破碎硅石粒子为非球状，呈具有很多尖锐部分的形状，因此当混合并混练骨材原料粒子及微胶囊等时，就会划伤和破坏微胶囊的极薄外壳部分。在这种情况下，由于无法维持微胶囊原本所具有的形状(中空形状)，难以最大限度地发挥微胶囊原本所具有的造孔效果。从而，当想得到高气孔率多孔陶瓷结构体时，就只能添加大量的微胶囊。
这样，在本发明中，采用了在使用微胶囊作为造孔材料的同时，还使用控制适当圆形度的球状粒子作为骨材原料粒子的技术方案，具体讲，作为骨材原料粒子中的至少一种，使用相对于其总质量含有圆形度为0.70～1.00的粒子(球状粒子)30～100质量％的粒子。
按照该制造方法，由于骨材原料粒子中的非球状粒子的比率减少，因此当混合并混练骨材原料粒子及微胶囊等时，能够有效地防止非球状粒子划伤破坏微胶囊的现象。从而，能够最大限度地发挥造孔材料原料所具有的造孔效果，添加少量造孔材料就能够得到高气孔率的多孔陶瓷结构体。
更具体讲，能够起到如下的有益效果i)可缩短成型体的烧成时间，削减烧成时的能耗；ii)极力抑制微胶囊燃烧时的发热量，防止多孔陶瓷结构体因热应力而产生裂纹的现象；iii)减少微胶囊的量、缩短烧成时间，从而降低制品成本；iv)还可以防止局部性的微胶囊被破坏的现象，因此能够抑制多孔陶瓷结构体气孔率局部性不均匀的现象。
(1)混合与混练工序在本发明制造方法中的第一个工序是，将至少含有骨材原料粒子及造孔材料的坯土原料，与分散介质一起混合和混练，而得到坯土的混合与混练工序。
(i)骨材原料粒子所谓骨材粒子是将成为多孔陶瓷结构体(烧结体)的主要构成成分的粒子，骨材原料粒子则是将成为其原料的粒子。在本发明中，作为骨材原料粒子，可以单独或者混合使用迄今用作多孔陶瓷结构体的构成成分的各种陶瓷、或金属粒子。具体讲，如果使用堇青石化原料、莫来石、氧化铝、钛酸铝、硅酸锂铝、碳化硅、氮化硅或金属硅粒子，则能够赋予所得到多孔陶瓷结构体以高的耐热性，因此是优选的。金属硅虽然不是陶瓷，但例如可以成为金属硅结合碳化硅(Si-SiC)烧结体的骨材粒子。
在本发明制造方法中，骨材原料粒子也可以含有除上述以外的成分，但从赋予所得到多孔陶瓷结构体以确实的耐热性的角度来看，相对于骨材原料粒子总质量的上述成分的合计质量比率优选在50质量％以上(也就是50～100质量％)。
在本说明书中所说的“堇青石化原料粒子”是指通过烧成可以转换为堇青石的物质的粒子，具体讲是由硅石源粒子、氧化铝源粒子及氧化镁源粒子构成的混合物。通常适宜使用将这些粒子以烧成后的组成成为堇青石的理论组成(2MgO·2Al2O3·5SiO2)的状态混合的物质，具体讲，适宜使用以硅石源粒子换算成硅石为47～53质量％、氧化铝源粒子换算成氧化铝为32～38质量％、氧化镁源粒子换算成氧化镁为12～16质量％的比率混合的物质。
硅石源粒子可以是硅石、含有硅石的复合氧化物或者通过烧成可转变成硅石的物质等的粒子。具体讲，可以举出以石英为首的石硅石(SiO2)、高龄土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、滑石(3MgO·4SiO2·H2O)或莫来石(3Al2O3·2SiO2)等粒子。
上述的硅石源粒子，也可以含有作为杂质的氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)等。只是，从防止热膨胀系数上升，提高耐热性的观点考虑，相对于硅石源粒子总质量的上述杂质的合计质量比率优选在0.01质量％以下(也就是0～0.01质量％)。另外，高龄土粒子也可以含有作为杂质的云母、石英等。只是，从防止热膨胀系数上升，提高耐热性的观点考虑，相对于高龄土粒子总质量的上述杂质的合计质量比率优选在2质量％以下(也就是0～2质量％)。
硅石源粒子的平均粒径没有特别限制，石英粒子时适宜为5～50μm，高龄土粒子时适宜为2～10μm，滑石粒子时适宜为5～40μm，莫来石粒子时适宜为2～20μm左右的物质。
氧化铝源粒子可以是氧化铝、含有氧化铝的复合氧化物或者通过烧成可转变成氧化铝的物质等的粒子。但优选使用杂质少的可从市场买到的氧化铝、或氢氧化铝(Al(OH)3)粒子，更优选并用氧化铝及氢氧化铝的粒子。氧化铝源粒子的平均粒径没有特别限制，氧化铝粒子时适宜为1～10μm，氢氧化铝粒子时适宜为0.2～10μm左右的物质。
氧化镁源粒子可以是氧化镁、含有氧化镁的复合氧化物或者通过烧成可转变成氧化镁的物质等的粒子。具体讲可以举出滑石或菱镁矿(MgCO3)等的粒子，其中优选滑石粒子。
这些氧化镁源粒子中也可以含有作为杂质的氧化铁(Fe2O3)、氧化钙(CaO)、氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)等。只是，从防止热膨胀系数上升，提高耐热性的观点考虑，相对于氧化镁源粒子总质量的氧化铁的质量比率优选为0.1～2.5质量％，同样相对于氧化镁源粒子总质量的氧化钙、氧化钠及氧化钾的合计质量比率优选在0.35质量％以下(也就是0～0.35质量％)。
氧化镁源粒子的平均粒径没有特别限制，滑石粒子时适宜为5～40μm(优选10～30μm)，菱镁矿粒子时适宜为4～8μm左右的物质。
综合考虑上述情况，作为堇青石化原料粒子，优选将作为硅石源粒子的平均粒径5～50μm的硅石粒子及平均粒径2～10μm的高龄土粒子，作为氧化铝源粒子的平均粒径1～10μm的氧化铝粒子及平均粒径0.2～10μm的氢氧化铝粒子，作为氧化镁源粒子的平均粒径10～30μm的滑石粒子，分别以5～25质量％、0～40质量％、5～35质量％、0～25质量％、35～45质量％的比率混合而成的物质。
这样，作为骨材原料粒子，可以使用各种各样的物质，但在本发明的制造方法中，作为骨材原料粒子中的至少一种，需要使用含有圆形度为0.70～1.00的粒子(球状粒子)的物质，优选使用含有圆形度为0.80～1.00的粒子的物质，更优选使用含有圆形度为0.85～1.00的粒子的物质。由此，当混合并混练骨材原料粒子及微胶囊等时，能够有效地防止非球状粒子划伤破坏微胶囊的现象，能够最大限度地发挥造孔材料原料所具有的造孔效果，添加少量造孔材料就能够得到高气孔率的多孔陶瓷结构体。另外，球状粒子在烧成时能够在高温稳定地存在，从容易控制细孔径方面来说也是优选的。
为了得到本发明的效果，骨材粒子的圆形度越高越好，但从生产率和制造成本等角度来说是不利的。因此，球状粒子优选使用所述圆形度为0.70～0.90的物质，更优选使用0.80～0.90的物质，尤其优选使用0.85～0.90的物质。这种圆形度的球状粒子可以通过后述的方法比较容易得到。
为了确实地获得上述的效果，骨材原料粒子中的至少一种的相对于总质量的球状粒子的质量比率需要为30～100质量％，优选为40～100质量％。相对于骨材原料粒子总质量(即骨材原料粒子的全部成分的合计质量)的球状粒子的质量比率，可以根据骨材原料粒子的种类等条件而适当选择，没有特别限制。通常优选为5～100质量％，更优选为10～100质量％，尤其优选为20～100质量％。只是，对于堇青石化原料粒子来说，如后述还存在滑石或高龄土等优选不进行球状化的粒子，因此优选为5～60质量％，更优选为10～55质量％，尤其优选为20～50质量％。
作为得到上述的球状粒子的方法(球状化处理)，可以举出将陶瓷粒子在其陶瓷熔点(Tm)～Tm+300℃的范围内的温度加热处理的方法。通过将陶瓷粒子在其陶瓷熔点(Tm)～Tm+300℃的范围内的温度加热处理，陶瓷粒子的表面被熔融，得到尖锐部分少的球状粒子。例如，硅石的熔点为1730℃，因此通过采用在火焰中以1730～2030℃范围内的温度加热处理的方法等，可以容易地进行球状化处理。也就是说，当硅石源粒子的情况，优选使用进行了上述加热处理的硅石粒子。
另外，还适宜使用将陶瓷粒子采用喷射气流粉碎处理的方法。通过采用喷射气流粉碎处理陶瓷粒子，陶瓷粒子的表面被磨掉，可以得到尖锐部分少的球状粒子。具体讲，可以举出使用喷射式磨机等装置，将陶瓷粒子与空气或氮气等的高压气体一起从喷嘴加压喷射，利用陶瓷粒子自身的摩擦和冲突，进行粉碎处理的方法等。
如上所述的球状化处理也可以对全部骨材原料粒子进行。例如，当只使用碳化硅等一种骨材原料粒子时，对于全部骨材原料粒子进行球状化处理也是优选的方案之一。只是，当使用由硅石、高龄土、氧化铝、氢氧化铝及滑石五种粒子构成的堇青石化原料粒子作为骨材原料粒子时，优选对硅石粒子、氧化铝粒子及氢氧化铝粒子中的至少一种进行球状化处理，更优选对全部硅石粒子、氧化铝粒子及氢氧化铝粒子进行球状化处理。
在市场上销售的硅石粒子、氧化铝粒子、氢氧化铝粒子中，存在较多的如上所述破碎硅石或电熔氧化铝那样呈非球状有棱角形状的粒子，当混合并混练坯土原料时，就会划伤和破坏微胶囊的极薄外壳部分。
另一方面，对于滑石粒子、高龄土粒子来说，优选不进行球状化处理。例如，采用从具有与需要形成的隔壁互补的形状的狭缝的喷嘴挤出进行挤出成型而得到蜂窝形状成型体时，作为板状晶体的滑石和高龄土在通过喷嘴狭缝时会取向，因此起到使最终得到的多孔蜂窝结构体低热膨胀化的有益效果。
(ii)造孔材料造孔材料是用于在烧成成型体时被烧掉而形成气孔，以增大气孔率，得到高气孔率多孔陶瓷结构体的添加剂。作为造孔材料，需要是一种在烧成成型体时被烧掉的可燃性物质，在本发明的制造方法中，使用由有机树脂构成的中空粒子(微胶囊)。微胶囊出于是中空粒子，所以单位质量的造孔效果高，少量添加就可以得到高气孔率的陶瓷干燥体。尤其是在本发明的制造方法中，由于能够将适当控制圆形度的球状粒子用作为骨材原料粒子，所以能够最大限度地发挥微胶囊原本所具有的造孔效果。
(iii)分散介质及其他添加剂作为与骨材原料粒子及造孔材料一起用来混合与混练的分散介质，可以举出水、或水与醇等有机溶剂的混合溶剂等，尤其适宜使用水。
有机粘合剂是，在成型时赋予坯土以流动性，使烧成前的陶瓷干燥体成为凝胶状，来维持干燥体机械强度的起到增强剂功能的添加剂。从而，作为粘合剂，适宜使用例如羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素或聚乙烯醇等。
分散剂是用来促进骨材原料粒子在分散介质中的分散，以得到均匀的坯土的添加剂。从而，作为分散剂，适宜使用具有表面活性效果的物质，例如乙二醇、糊精、脂肪酸皂、多元醇等。
(iv)混合与混练采用以往公知的混合混练方法，混合与混练上述骨材原料粒子、造孔材料、分散介质等。其中，在混合时以500rpm以上(优选1000rpm以上)的高速旋转搅拌叶。优选使用搅拌力和分散力优异的混合机，边施加剪切力边进行搅拌。通过这种混合方法，可以粉碎消除会成为多孔陶瓷结构体内部缺陷原因的、骨材原料粒子中含有的微粒子的凝集块。
例如，适宜使用在横型圆筒状鼓内，具备锹或铲状搅拌叶(犁铧)和十字刀状搅拌叶(斧)，犁铧以配置在水平方向的驱动轴为中心低速旋转，斧以配置在垂直方向的驱动轴为中心高速旋转这种类型的混合机，即犁铧混合器(例如商品名犁铧混合器(プロ一シエアミキサ)，太平洋机工株式会社制造，商品名WA，日本WAM公司制造，商品名WA-75，YAMATO机贩株式会社制造等)。根据上述的犁铧混合器，根据犁铧的悬浮扩散作用与根据斧的高速剪切作用相互结合，而粉碎骨材原料粒子中含有的微粒子凝集块。
另外，也适宜使用在纵型的圆筒形鼓内，具备由突刺状下段搅拌叶与环状上段搅拌叶构成的多段叶片，该多段叶片以垂直方向上配置的驱动轴为中心高速旋转这种类型混合机，也就是亨舍尔搅拌器(例如，商品名三井亨舍尔搅拌器，三井矿山株式会社制造等)。使用上述的亨舍尔搅拌器，受到由下段搅拌叶的使成型原料向上的卷起作用、以及由上段搅拌叶的强剪切作用的共同作用，成型原料中含有的微粒子凝集而形成的凝集块就被粉碎。
混合时越是高速旋转搅拌叶，粉碎凝集块的效果就越高，目前来看，所述装置的旋转速度的上限为10000rpm左右。也就是说，本发明中搅拌叶的旋转速度优选为500～10000rpm，更优选为1000～5000rpm。
对于搅拌时间没有特别限制，例如以500rpm旋转搅拌叶时，优选为5～30分钟；以1000rpm旋转搅拌叶时，优选为3～20分钟。如果搅拌时间比上述范围短，则难以充分粉碎凝集块，无法防止陶瓷成型体(进而是多孔陶瓷结构体)的内部缺陷的产生，因此是不优选的，如果超过上述范围，则容易加速混合机的磨损，其耐用时间缩短，因此是不优选的。
对于作为分散介质的水来讲，也经常是与骨材原料粒子、造孔材料等一同直接混合时难以均匀地分散。从而，在本发明的制造方法中，优选对于骨材原料粒子、造孔材料等边喷雾水边进行混合。通过这种方法，可以避免坯土或蜂窝成型体的含水率因不同部位而不同的现象，从而能够得到不同部位气孔率不均匀的现象少的多孔陶瓷结构体。
在混练时，可以采用以往公知的混练机，例如西格玛捏合机、班伯里混合器、螺旋式挤出混练机等进行。尤其优选使用具备真空减压装置(例如真空泵等)的混练机(所谓真空练土机或双轴连续混练挤出成型机等)，因为能够得到缺陷少且成型性良好的坯土。
其中，在本发明的制造方法中，混合与混练工序优选是，在-40000Pa～-93000Pa的减压下，将混合原料与分散介质一起混合混练，来得到坯土。如果超过-40000Pa，则坯土中含有的空气无法被充分脱除，导致坯土缺陷增多，其成型性变得不好，因此是不优选的。另一方面，如果不到-93000Pa，则减压度过高，万一存在划伤的微胶囊，则该微胶囊就因减压而被破坏，而使其造孔效果下降。
在本发明的制造方法中，优选首先采用西格玛捏合机进行混练，进而采用具有真空减压装置的螺旋式挤出混练机进行混练，来得到挤出成圆筒状的坯土。
(2)成型与干燥工序本发明制造方法中的第二个工序是，将所述坯土成型，得到陶瓷成型体，通过干燥该陶瓷成型体，得到陶瓷干燥体的成型与干燥工序。
成型方法没有特别限制，可以使用挤出成型、注射成型、挤压成型等以往公知的成型法。其中，当制造用于集尘用过滤器的多孔陶瓷结构体时，适宜使用将如上所述制备的坯土，采用具有期望的小室形状、隔壁厚度、小室密度的喷嘴，进行挤出成型的方法。
在本说明书中所说的“蜂窝”，是指例如图2所示的多孔蜂窝结构体1那样，由极薄隔壁4划分形成许多小室3的形状。对于其整体形状没有特别限制，除了图2所示的圆筒状以外，还可以是四角柱形、三角柱形等形状。另外，对于小室形状(与小室形成方向垂直的断面上的小室形状)也没有特别限制，例如除了图2所示的四边形小室以外，还可以举出六角形小室、三角形小室等形状。
干燥的方法也没有特别限制，可以使用热风干燥、微波干燥、介电干燥、减压干燥、真空干燥、冻结干燥等以往公知的干燥法。其中，从能够将整个成型体迅速且均匀地干燥的方面考虑，优选组合了热风干燥和微波干燥或介电干燥的干燥方法。
(3)烧成工序本发明制造方法中的第三个工序是，通过烧成陶瓷干燥体，得到多孔陶瓷结构体的烧成工序。
烧成是指，将骨材原料粒子烧结使其致密化，以确保规定强度的操作。烧成条件(温度和时间)因构成蜂窝成型体的骨材原料粒子的种类而异，因此可以根据其种类选择适当条件。例如，使用堇青石化原料作为骨材原料粒子时，优选在1410～1440℃的温度烧成3～7小时。如果烧成条件(温度和时间)达不到上述范围，骨材原料粒子有可能烧结不充分，因此是不优选的；而如果超过上述范围，则生成的堇青石有可能熔融，因此也是不优选的。
这里，如果在烧成前或在烧成的升温过程，进行燃烧去除陶瓷干燥体中的有机物(粘合剂、造孔材料、分散剂等)的操作(煅烧)，则能够进一步促进有机物的去除，因此是优选的。粘合剂的燃烧温度为200℃左右，造孔材料的燃烧温度为300℃左右，因此煅烧温度优选为200～1000℃左右。煅烧时间没有特别限制，通常为10～100小时左右。
B.多孔陶瓷结构体根据本发明的制造方法，通过将含有硅石粒子、高龄土粒子、氧化铝粒子、氢氧化铝粒子及滑石粒子以及造孔材料的坯土原料与分散介质一起混合混练得到坯土，对于该坯土进行成型，干燥，烧成，得到多孔陶瓷结构体，该多孔陶瓷结构体以堇青石为主要构成成分，气孔率为60～72％，平均细孔径为15～32μm，并且在使用由有机树脂构成的中空粒子(微胶囊)作为造孔材料的同时，作为硅石粒子、氧化铝粒子及所述氢氧化铝粒子中的至少一种，使用相对于其总质量含有圆形度为0.70～1.00的粒子(球状粒子)30～100质量％的粒子。这种高气孔率的多孔陶瓷结构体，除了以柴油机颗粒过滤器为首的过滤器用途以外，还适宜地用于为了提高隔热性而需要高气孔率的耐火材料等。
其中，为了将气孔率控制在60～72％的范围内，可以控制相对于骨材原料粒子(堇青石化原料粒子)的微胶囊的质量比。具体讲，相对于骨材原料粒子100质量份，可以添加微胶囊1～3质量份，将气孔率控制在60～72％的范围内。
另一方面，为了将平均细孔径控制在15～32μm的范围内，可以控制各堇青石化原料粒子的平均粒径及其质量比。具体讲，可以如上所述，在控制为硅石粒子的平均粒径5～50μm、高龄土粒子的平均粒径2～10μm、氧化铝粒子的平均粒径1～10μm、氢氧化铝粒子的平均粒径0.2～10μm、滑石粒子的平均粒径10～30μm的基础上，将它们各自以5～25质量％、0～40质量％、5～35质量％、0～25质量％、35～45质量％的质量比混合，来制备骨材原料粒子。
作为集尘用过滤器，可以适宜地使用由多孔隔壁划分和形成许多小室的呈蜂窝形状的多孔陶瓷结构体。该多孔陶瓷结构体优选进一步具备将许多小室的一方开口部和另一方开口部相互交错地封口的封口部。
形成封口部的方法没有特别限制，可以举出如下的方法，即在多孔蜂窝结构体的一方端面粘贴胶粘带，根据利用图象处理的激光加工等只对该胶粘带的需要封口的小室对应的部分进行开孔而作为掩模，将粘贴有该掩模的多孔蜂窝结构体的端面浸渍在陶瓷浆液中，对多孔蜂窝结构体的需要封口的小室填充陶瓷浆液，形成封口部，对多孔蜂窝结构体的另一方端面也进行同样的工序后，干燥封口部，进行烧成。另外，也可以在蜂窝形状的陶瓷干燥体上形成该封口部，同时进行陶瓷干燥体的烧成与封口部的烧成。
陶瓷浆液可以通过混合至少骨材粒子原料和分散介质(例如水等)来制备。进而，也可以根据需要添加粘合剂、分散剂等添加剂。对于骨材粒子原料的种类没有特别限制，但可以适宜地使用与用作为陶瓷成型体原料的骨材粒子原料同样的材料。作为粘合剂，可以使用聚乙烯醇、甲基纤维素等树脂，作为分散剂，可以使用特殊羧酸型高分子表面活性剂。
陶瓷浆液的粘度优选调节在5～50Pa·s的范围内，更优选调节在10～30Pa·s的范围内。如果陶瓷浆液的粘度过低，存在容易发生收缩缺陷的倾向。浆液的粘度可以根据例如骨材粒子原料与分散介质(例如水等)的比率、或者分散剂的量等而调节。
实施例下面，根据制造气孔率60％这样高气孔率多孔陶瓷结构体的实施例及比较例进一步具体地说明本发明。但本发明并不限于这些实施例。
实施例1～6、比较例1～3作为骨材粒子原料，准备以19∶40∶15∶14∶12的比率含有高龄土(平均粒径10μm)、滑石(平均粒径30μm)、氢氧化铝(平均粒径3μm)、氧化铝(平均粒径6μm)及硅石(具有表1记载的平均粒径和圆形度的硅石)五种粒子的物质(即，在实施例1～6中，作为骨材原料粒子之一的硅石粒子的100质量％为球状粒子，相对于此，在比较例1～3的骨材原料粒子则完全不含有球状粒子。)
然后，对于该骨材原料粒子100质量份，添加作为有机粘合剂的羟丙基甲基纤维素8质量份，混合3分钟，接着在该混合物中添加丙烯酸树脂制微胶囊(平均粒径40μm)2质量份，混合3分钟，进而，对该混合物以喷雾的方式添加水35质量份，混合3分钟。这些混合都是用犁铧混合器(商品名犁铧混合器，太平洋机工株式会社制造)进行。
然后，采用西格玛型捏合机将上述混合物混练60分钟，得到坯土，在-88000Pa的减压度条件下进一步采用真空练土机混练，挤出，得到成型为圆筒状的坯土。
使用具有如后述小室形状、隔壁厚度、小室密度的喷嘴，挤压成型上述圆筒状坯土，得到由隔壁划分形成许多小室的蜂窝形状陶瓷成型体。该成型是由冲压式(ram type)挤出成型机进行的。
对上述陶瓷成型体进行微波干燥，进而进行热风干燥，得到陶瓷干燥体。把该陶瓷干燥体切断成规定尺寸，在其一方端面粘贴胶粘带，根据利用图象处理的激光加工只对该胶粘带的需要封口的小室对应的部分进行开孔而作为掩模，将粘贴有该掩模的陶瓷干燥体的端面浸渍在陶瓷浆液中，对陶瓷干燥体的需要封口的小室填充陶瓷浆液，形成封口部，对陶瓷干燥体的另一方端面也进行同样的工序后，与陶瓷干燥体一起烧成封口部。陶瓷浆液使用堇青石化原料粒子的浆液，烧成条件为1420℃、60小时。
所得多孔陶瓷结构体的总体形状呈如下小室形状，端面(小室开口面)形状为144mmφ的圆形，长度为152mm，小室形状为约1.47mm×1.47mm的正方形小室，隔壁厚度为0.3mm，小室密度为约47小室/cm2(300小室/平方英寸)。
表1

评价如表1所示，使用作为骨材原料粒子之一的硅石粒子的100质量％为球状粒子的材料形成的实施例1～6的多孔陶瓷结构体，与球状粒子的制法和成型机种类无关地全部为气孔率在60％以上，确认有效地发挥出了造孔材料原本具有的造孔效果。相对于此，使用完全不含有球状粒子的骨材原料粒子的比较例1～3的多孔陶瓷结构体，全部为气孔率小于60％，无法得到相应于造孔材料添加量的造孔效果。另外，如从实施例1～6的结果可以知道，球状粒子的圆形度越高，越容易得到气孔率高的多孔陶瓷结构体。具体讲，使用圆形度0.80～1.00的粒子的实施例1～5的多孔陶瓷结构体显示出良好的结果，使用圆形度0.85～1.00的粒子的实施例1～4的多孔陶瓷结构体显示出尤其好的结果。
实施例7除了将采用犁铧混合器得到的混合物在-88000Pa的减压度条件下，采用双轴连续混练挤出成型机混练，成型以外，按照与实施例1～6相同的方法，得到具有与实施例1～6相同的蜂窝形状的多孔陶瓷结构体。
实施例8～12
作为骨材粒子原料，准备以19∶40∶15∶14∶12的比率含有高龄土(平均粒径10μm)、滑石(平均粒径30μm)、氢氧化铝(平均粒径3μm)、氧化铝(平均粒径6μm)、硅石(平均粒径25μm，圆形度0.90)五种粒子的物质。
然后，对于该骨材原料粒子100质量份，添加作为有机粘合剂的羟丙基甲基纤维素8质量份，混合3分钟，接着在该混合物中添加丙烯酸树脂制微胶囊(平均粒径40μm)2质量份，混合3分钟，进而，对该混合物以喷雾的方式添加水35质量份，混合3分钟。这些混合都是用犁铧混合器(商品名犁铧混合器，太平洋机工株式会社制造)进行的。
然后，采用西格玛型捏合机将上述混合物混练60分钟，得到坯土，然后对于该坯土在表2记载的减压度条件下进一步采用真空练土机混练，挤出，得到成型为圆筒状的坯土。随后，按照与实施例1～6相同的方法，得到具有与实施例1～6相同的蜂窝形状的多孔陶瓷结构体。
表2

评价如表2所示，使用作为骨材原料粒子之一的硅石粒子的100质量％为球状粒子的材料形成的实施例8～12的多孔陶瓷结构体，全部为气孔率在60％以上，确认有效地发挥出了造孔材料原本具有的造孔效果。只是，练土机的真空度在-40000Pa～-90000Pa范围以外的实施例12，坯土的缺陷多，无法成型。
实施例13～15、比较例4作为骨材粒子原料，准备以表3记载的比率含有高龄土(平均粒径10μm)、滑石(平均粒径30μm)、氢氧化铝(平均粒径3μm)、氧化铝(平均粒径6μm)、硅石A(平均粒径25μm，圆形度0.90)及硅石B(平均粒径28μm，圆形度0.78)六种粒子的物质(即，在实施例13～15中，作为骨材原料粒子之一的硅石粒子的42质量％以上为球状粒子，相对于此，在比较例4中的作为骨材原料粒子之一的硅石粒子的不到30质量％才是球状粒子。)除了使用该骨材原料粒子以外，按照与实施例1～6相同的方法，得到具有与实施例1～6相同的蜂窝形状的多孔陶瓷结构体。
表3

*()内表示相对于硅石粒子总质量的质量％。
评价如表3所示，使用作为骨材原料粒子之一的硅石粒子的30～100质量％(更具体讲是40～100质量％)为球状粒子的材料形成的实施例13～15的多孔陶瓷结构体，全部为气孔率在60％以上，确认有效地发挥出了造孔材料原本具有的造孔效果。相对于此，使用作为骨材原料粒子之一的硅石粒子的不到30质量％为球状粒子的材料形成的比较例4的多孔陶瓷结构体，气孔率不到60％，无法得到相应于造孔材料添加量的造孔效果。另外，如从实施例13～15的结果可以知道，作为骨材原料粒子之一的硅石粒子中的球状粒子的比率越高，越容易得到气孔率高的多孔陶瓷结构体。也就是说，硅石粒子中的球状粒子的比率为30～100质量％(更具体讲是40～100质量％)的实施例13～15，得到了尤其好的结果。
工业应用性本发明的多孔陶瓷结构体的制造方法，适宜在以化学、电力、钢铁、工业废弃物处理为首的各个领域，应用于作为用于防止公害等的环境对策、回收高温气体中的制品等用途的过滤器的过滤材料，尤其是适宜应用于在高温、腐蚀性气体氛围下使用的，用来捕获从汽车的柴油发电机等柴油机排出的粒子状物质的柴油机颗粒过滤器。
权利要求
1.一种多孔陶瓷结构体的制造方法，包括混合与混练工序将含有骨材原料粒子、及造孔材料的坯土原料，与分散介质混合和混练，而得到坯土；成型与干燥工序将所述坯土成型，得到陶瓷成型体，通过干燥该陶瓷成型体，得到陶瓷干燥体；烧成工序通过烧成所述陶瓷干燥体，得到多孔陶瓷结构体，其中，作为所述造孔材料使用由有机树脂构成的中空粒子(微胶囊)；并且作为所述骨材原料粒子中的至少一种，使用相对于其总质量含有圆形度为0.70～1.00的粒子(球状粒子)30～100质量％的粒子。
2.如权利要求1记载的多孔陶瓷结构体的制造方法，其中，所述球状粒子的圆形度为0.80～1.00。
3.如权利要求1或2记载的多孔陶瓷结构体的制造方法，其中，将所述坯土成型为由隔壁划分形成了许多小室的蜂窝形状。
4.如权利要求1～3中的任一项记载的多孔陶瓷结构体的制造方法，其中，通过将陶瓷粒子在其陶瓷熔点(Tm)～Tm+300℃的范围内的温度加热处理而得到所述球状粒子。
5.如权利要求1～3中的任一项记载的多孔陶瓷结构体的制造方法，其中，通过将陶瓷粒子用喷射气流进行粉碎处理而得到所述球状粒子。
6.如权利要求1～5中的任一项记载的多孔陶瓷结构体的制造方法，其中，作为所述骨材原料粒子，使用由硅石(SiO2)粒子、高龄土(Al2O3·2SiO2·2H2O)粒子、氧化铝(Al2O3)粒子、氢氧化铝(Al(OH)3)粒子、及滑石(3MgO·4SiO2·H2O)粒子构成的堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)化原料粒子，并且，作为所述硅石(SiO2)粒子、所述氧化铝(Al2O3)粒子、及所述氢氧化铝(Al(OH)3)粒子中的至少一种，使用相对于其总质量含有所述球状粒子30～100质量％的粒子。
7.如权利要求6记载的多孔陶瓷结构体的制造方法，其中，通过在火焰中以1730～2030℃范围内的温度加热处理硅石(SiO2)粒子，得到所述球状粒子。
8.如权利要求6或7记载的多孔陶瓷结构体的制造方法，其中，所述球状粒子为平均粒径5～50μm的硅石(SiO2)粒子。
9.如权利要求1～8中的任一项记载的多孔陶瓷结构体的制造方法，其中，所述混合与混练工序是，通过在-40000Pa～-93000Pa减压下将所述混合原料与分散介质一起混合混练，来得到坯土的工序。
10.多孔陶瓷结构体，是通过将含有硅石(SiO2)粒子、高龄土(Al2O3·2SiO2·2H2O)粒子、氧化铝(Al2O3)粒子、氢氧化铝(Al(OH)3)粒子及滑石(3MgO·4SiO2·H2O)粒子以及造孔材料的坯土原料与分散介质一起混合混练得到坯土，对于该坯土进行成型，干燥，烧成而得到，该多孔陶瓷结构体以堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)为主要构成成分，气孔率为60～72％，平均细孔径为15～32μm，并且在使用由有机树脂构成的中空粒子(微胶囊)作为所述造孔材料的同时，作为所述硅石(SiO2)粒子、所述氧化铝(Al2O3)粒子及所述氢氧化铝(Al(OH)3)粒子中的至少一种，使用相对于其总质量含有圆形度为0.70～1.00的粒子(球状粒子)30～100质量％的粒子。
11.如权利要求10记载的多孔陶瓷结构体，该多孔陶瓷结构体呈由多孔隔壁划分形成了许多小室的蜂窝形状。
12.如权利要求11记载的多孔陶瓷结构体，进一步具备将所述许多小室的一方开口部和另一方开口部相互交错地封口的封口部。
全文摘要
本发明提供多孔陶瓷结构体的制造方法，其中，在使用由有机树脂构成的中空粒子(微胶囊)作为所述造孔材料的同时，作为骨材原料粒子中的至少一种，使用相对于其总质量含有圆形度为0.70～1.00的粒子(球状粒子)30～100质量％的粒子。
文档编号C04B38/06GK1934055SQ20058000855
公开日2007年3月21日 申请日期2005年3月16日 优先权日2004年3月19日
发明者野口康, 末信宏之 申请人:日本碍子株式会社