JP2651170B2

JP2651170B2 - セラミツクス多孔体

Info

Publication number: JP2651170B2
Application number: JP62326379A
Authority: JP
Inventors: 純弘森山; 卓二吉村
Original assignee: Kanebo Ltd
Current assignee: Kanebo Ltd
Priority date: 1987-12-22
Filing date: 1987-12-22
Publication date: 1997-09-10
Anticipated expiration: 2012-09-10
Also published as: JPH01167282A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、フイルター，触媒担体等に使用する連通
気孔を有するセラミツクス多孔体に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に、溶融金属フイルター，高温ガスフイルター，
自動車排ガスフイルターおよび触媒担体，熱輻射板等に
使用されるセラミツクス多孔体は、アルミナ，ジルコニ
ア，コージライト，ムライト，炭化珪素，窒化珪素等の
材料により構成されており、下記のようなものがある。
すなわち、三次元網状構造に形成された発泡ウレタン
フオーム等の有機質発泡体を、上記材料を用いたスラリ
ーで被覆充填しこれを焼成することにより上記発泡ウレ
タンフオーム等の骨格よりもやや太い骨格のセラミツク
ス多孔体を形成したもの、上記材料からなる線状成形
物を三次元的に組上げこれを焼成したいわゆるラーメン
状構造のもの、球状有機物の充填体の空隙に、上記材
料からなるスラリーを充填しこれを焼成することにより
球状有機物の燃え跡部分を気孔に形成したもの等であ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記のうち、の発泡ウレタンフオー
ム等を用いたものは、その骨格の中心部に、発泡ウレタ
ンフオーム等の骨格の形骸である空洞部が生成し、その
ため強度が弱くなる。また、の線状成形物を用いたも
のは、その線状成形物同士が互いに、点接触した状態で
形成されており、その結合部分が少ないため強度が弱く
なり、かつ製造時に、気孔径を調節することができない
という問題がある。さらに、の球状有機物を、利用し
たものは、各種気孔径の高強度セラミツクス多孔体を製
造することができる。しかしながら、上記〜のいず
れの方法で製造されたセラミツクス多孔体も耐熱衝撃性
が充分でないため、溶融金属フイルターに代表されるよ
うに、急激な熱の変化に曝される用途に用いられると熱
衝撃を受け割れを生じやすい。この急激な熱の変化によ
る割れを避けるためには、使用前に徐々に熱を加えて使
用温度にまで昇温する予熱をしなければならず、そのた
め作業が煩雑になつたり、作業に長時間を要するという
問題点も有している。

このため、セラミツクス多孔体の耐熱衝撃性を向上さ
せる目的で、低熱膨張係数のコージライトや、β−スポ
ジュメンに代表されるリチウムアルミノシリケート（以
下「LAS」と略す）を用いる試みがなされている。しか
しながら、上記コージライトの熱膨張係数は略３×10^-6
/℃であり、これを用いて得られるセラミツクス多孔体
の耐熱衝撃性は溶融金属用フイルター等として満足ので
きるものではない。さらに、耐熱温度も1200〜1300℃で
あつて低いという問題点を有している。また、LASは組
成配合により熱膨張率をほぼゼロにすることができ良好
な耐熱衝撃性を得ることができるが、耐熱温度が1300℃
程度と低く、さらに高価になるという問題も有してい
る。ところで、一般にセラミツクス多孔体の強度を向上
させるためには、嵩密度を大きな骨太のものに形成する
ことが効果的であるが、このようにするとセラミツクス
多孔体の圧力損失の増大（通気，通液性が悪くなる）を
招き、フイルターの用途としては不向きなものとなる。
したがつて、圧力損失が小さく、かつ高強度で、しかも
耐熱衝撃性等の優れたセラミツクス多孔体の提供が望ま
れている。

この発明は、このような事情に鑑みなされたもので、
高強度で、耐熱性および耐熱衝撃性に優れ、かつ圧力損
失の少ない（通気，通液性のよい）連通気孔を有するセ
ラミツクス多孔体の提供をその目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、この発明のセラミツク
ス多孔体は、60重量％以上のチタン酸アルミニウムを含
む材料で構成され、焼成により、全体に直径が0.1〜10m
mの範囲である均一な気孔径を有する球状気孔が形成さ
れた多孔体であつて、上記球状気孔が球状の気孔形成剤
粒子の除去跡により形成され、かつ上記球状気孔が互い
に連通した状態で形成され、上記連通によつて多孔体の
一面から他面まで連続気孔状態で形成されているという
構成をとる。

〔作用〕

すなわち、その発明のセラミツクス多孔体は、従来例
のように、耐熱衝撃性の劣る材料や耐熱温度の低い材料
を用いるのではなく、耐熱衝撃性に優れ、かつ耐熱温度
の高いチタン酸アルミニウムを構成成分としており、そ
の良好な耐熱衝撃性および耐熱性の性能を発揮させてい
る。さらに、構造に際して、均一な径を有する球状の気
孔形成剤を使用することにより、セラミツクス多孔体の
全体に、直径が0.1〜10mmの範囲である均一な気孔径を
有する球状気孔を互いに連通した状態で形成させ圧力損
失の少ないものにしている。すなわち、チタン酸アルミ
ニウムは、その組成配合によつて熱膨張係数をほぼゼロ
にすることができるため良好な耐熱衝撃性を得ることが
でき、さらに耐熱温度も1860℃と極めて高いものであ
り、それによつてセラミツクス多孔体の耐熱衝撃性等の
大幅な向上をもたらす。そして、セラミツクス多孔体の
強度は、上記球状気孔による基本骨格の太さ等により支
持される。

このようなセラミツクス多孔体は、有機物粒子を気孔
形成剤として使用する公知の方法で製造することができ
る。例えば、ポリスチレン，ポリエチレン，エチレン酢
酸ビニル共重合体等からなる直径0.1〜10mmの均一な径
を有する有機樹脂粒子や発泡体粒子を型枠に充填圧縮し
たり、樹脂粒子の表面に接着剤を塗布して型枠内に充填
したり、または樹脂粒子を型枠内に充填し溶剤を注入し
粒子を粘着させたのち溶剤を除去したりし、樹脂粒子が
相互に接触した状態の成形体をつくる。ついで、型枠内
に合成チタン酸アルミニウムと焼結助剤を水に混合して
得たスラリーを流し込む。ついで、これを乾燥固化す
る。そして、溶剤を注入して樹脂粒子を溶解除去したの
ち、またはそのまま高温で焼成等の処理を行うことによ
り、上記有機物を完全に焼却除去しその燃え跡部分が連
通した球状気孔になつているセラミツクス成形体を得る
ことができる。上記の方法は合成チタン酸アルミニウム
を使用している。他の方法は、合成チタン酸アルミニウ
ムを用いるのではなく、それに代えてアルミナとチタニ
アとを主成分とする原料粉末を用いるものであつて、焼
成により上記アルミナとチタニアとからチタン酸アルミ
ニウムを合成するものである。通常、上記合成チタン酸
アルミニウムまたはアルミナ，チタニアを主成分とする
原料粉末とともに、他の二次成分（アルミナ，チタニ
ア，ジルコニア，シリカ，酸化クロム，酸化鉄，酸化コ
バルト，酸化銅，酸化亜鉛，アルカリ土類金属酸化物，
希土類金属酸化物，窒化珪素，炭化珪素等）となる成分
原料を含有する原料が用いられている。この原料は、酸
化物，非酸化物，単独ないしは複化合物の型で用いら
れ、この原料由来の上記二次成分が得られるチタン酸ア
ルミニウム焼結体の強度を高め熱膨張率を制御する作用
をする。なお、上記アルミナとチタニアとを主成分とす
る原料粉末を用いてセラミツクス多孔体を製造する際、
合成チタン酸アルミニウムも併用することは自由であ
る。以上の原料は易焼結性の観点から粒径が50μｍ以下
であることが好ましく、最も好ましいのは10μｍ以下で
ある。

このようにして得られたセラミツクス多孔体におい
て、その球状気孔の直径は、強度，通気性の観点から0.
1〜10mmにすることが必要であり、好ましくは0.5〜7mm
にすることである。上記球状気孔の直径が0.1mm以下で
あると、特に通気，通液性が悪くなるため圧力損失が極
めて大きくなり、フイルターとしての用途を果たすこと
ができにくくなる。逆に、球状気孔の直径が10mm以上に
なると、気孔率が大きくなりすぎセラミツクス多孔体の
強度が極端に低下する。このため、球状気孔の直径を上
記の範囲に設定することが重要であり、かつこの気孔径
を均一状態にするために、使用する気孔形成剤を篩等に
より、先に述べたような一定の粒子径に揃えておくこと
が好適である。また、上記のセラミツクス多孔体はチタ
ン酸アルミニウムを60重量％以上含有していることが必
要であり、好ましくは70重量％以上を含有していること
である。チタン酸アルミニウムの含有量が60重量％以下
であると、他の40重量％以上を占める二次成分の影響力
が大きくなり、その影響によりセラミツクス多孔体の骨
格の熱膨張率が大きくなる。その結果、耐熱衝撃性が低
下し急激な温度の変化により割れを生じやすくなる。上
記他の二次成分としては、先に述べるように、アルミ
ナ，チタニア，ジルコニア，シリカ，酸化クロム，酸化
鉄，酸化コバルト，酸化銅，酸化亜鉛，アルカリ土類金
属酸化物，希土類金属酸化物および窒化珪素，炭化珪素
等の非酸化物等があげられ、これらの成分は、セラミツ
クス多孔体中において単独ないしは複化合物またはチタ
ン酸アルミニウムへの固溶成分の形で存在する。前記作
用を確実にするために、二次成分は略５％以上添加する
ことが重要である。したがつて、チタン酸アルミニウム
の含有量は95％以下に設定される。

このように、この発明のセラミツクス多孔体は、チタ
ン酸アルミニウムを60重量％以上含有しており、チタン
酸アルミニウムの有する良好な耐熱衝撃および耐熱性に
加えて、高強度を有するものになつている。この強度
は、上記チタン酸アルミニウムの量，二次成分の種類と
量，球状気孔の直径，気孔率，焼成温度等の因子が複雑
に絡んで決定されるもので、高い程良好であるといえる
が、フイルターの用途としては曲げ強度で5kg/cm²以上
になつていれば足りる。このため、上記の条件を適宜設
定して高品質のセラミツクス多孔体を製造することが重
要である。

つぎに、実施例について説明する。なお、実施例中の
各物性の評価は、下記の方法で行つた。

（曲げ強度）寸法が150×30×10mmの試験片を10個切り出し、その
それぞれの試験片を、ヘツドスピードが0.05mm/minの速
度で、スパンが100mmの条件で３点曲げテストを行い、
その平均値を曲げ強度とした。

（圧力損失）寸法が100×100×20mmの試験片を、風速2m/secの風が
流れる風洞内に設置し、この風洞の空気流入側室と空気
流出側室との圧力差を、Ｕ字形マノメーターで読み取
り、水柱高さで圧力損失を測定した。

（耐熱衝撃性）寸法が100×100×20mmの試験片を、1000℃の温度で30
分間加熱処理したのち、即座に、室温状態の雰囲気内に
入れ、その状態で30分間放冷するという加熱，冷却を繰
り返すサイクルテストを20回実施し、亀裂の発生状況を
下記のように評価した。

評価状況 ○ 亀裂は全く認められない △ 亀裂が僅かに認められる × 亀裂が発生〔実施例１〜6,比較例1,2〕まず、第１表に示す各直径の発泡スチロールを、300
×300×50（深さ）mmの寸法の型枠に充填し、その圧縮
率が20％となるように高さ40mmになるまで圧縮し固定し
た。ついで、合成チタン酸アルミニウム85重量％，ジル
コニア7.5重量％，シリカ５重量％，酸化クロム2.5重量
％からなるセラミツクス粉体と、水溶性エポキシ樹脂お
よびアミン系硬化剤からなる水性スラリーを、上記型枠
内の発泡スチロール充填体の空隙に加圧充填した。つぎ
に、これを80℃×100％RHの条件で、10時間の硬化処理
を行つたのち、乾燥しグリーン体を得た。そして、この
グリーン体を酢酸エチルに浸漬して発泡スチロールを溶
解させ、そののち1500℃の温度で５時間焼成しセラミツ
クス多孔体を得た。その結果を、第１表に示す。

〔実施例７〜10,比較例３〕下記の第２表に示す組成の原料および直径3mmの発泡
スチロールを用い、焼成温度を1550℃とした外は、実施
例１に準じてセラミツクス多孔体を製造した。その結果
を第２表に示す。

〔比較例４〕実施例９と同様のスラリーを、寸法が200×100×50mm
でセル数が30ppi（porous/inch）の発泡ウレタンフオー
ムの表面に付着させたのち、余剰スラリーを遠心脱水法
で除去し、80℃×100％RHの条件で10時間硬化処理を行
い、実温で放置乾燥してグリーン体を得たものである。
このグリーン体には亀裂は全く認められなかつた。この
グリーン体を、実施例１と同条件で焼成し、曲げ強度を
測定した。その結果、その測定値は0.7kg/cm²と極めて
低い値であり、フイルターの用途としては使用可能なも
のではなかつた。

〔実施例11〜14、比較例5,6〕第３表に示す気孔形成剤および原料を用い、焼成温度
を1450℃とする以外は、実施例１〜６と同様にしてセラ
ミツクス多孔体を得た。そして、このセラミツクス多孔
体を耐熱衝撃性テストを、1400℃の温度で行い、下記の
第３表の結果を得た。

上記の第３表に示した結果において、比較例No.5,6の
ものは、耐熱衝撃性の評価テストでの変形が著しく、耐
熱性の劣るものであつた。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明のセラミツクス多孔体は、チ
タン酸アルミニウムを60％以上含有しており、耐熱衝撃
性に優れ、かつ耐熱温度が高くなつている。そして、チ
タン酸アルミニウムと特定寸法の球状気孔との組合わせ
により強度も極めて高くなつている。そのうえ、多孔体
の全体に、直径が0.1〜10mmの球状気孔が互いに連通し
た状態で形成されているため圧力損失が少なくなつてい
る。したがつて、溶融金属，高温ガス等に用いるフイル
ターとして好適である。また、このものは触媒担体，熱
幅射板等としての用途にも適している。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】60重量％以上のチタン酸アルミニウムを含
む材料で構成され、焼成により、全体に直径が0.1〜10m
mの範囲である均一な気孔径を有する球状気孔が形成さ
れた多孔体であつて、上記球状気孔が球状の気孔形成剤
粒子の除去跡により形成され、かつ上記球状気孔が互い
に連通した状態で形成され、上記連通によつて多孔体の
一面から他面まで連続気孔状態で形成されていることを
特徴とするセラミツクス多孔体。
【請求項２】球状気孔の直径が、0.5〜7mmになつている
特許請求の範囲第１項記載のセラミツクス多孔体。
【請求項３】チタン酸アルミニウムを70重量％以上含有
している特許請求の範囲第１項または第２項記載のセラ
ミツクス多孔体。
【請求項４】曲げ強度が5kg/cm²以上である特許請求の
範囲第１項，第２項および第３項のいずれかに記載のセ
ラミツクス多孔体。