JP5304246B2 - セラミックハニカム構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は細孔容積と強い相関関係がある、マイクロカプセルの充填嵩密度の大きさに応じてマイクロカプセルの添加量を決定することを特徴とするセラミックハニカム構造体の製造方法である。この方法により、従来のようにセラミックス粉末に対して一定量のマイクロカプセルを添加して製造する場合よりも、製造ロット間での細孔容積の変動が小さく押さえられたセラミックハニカム構造体が得られる。また従来は原料ロットごとに焼成後の細孔特性を測定し、押出原料のばらつきを把握する必要があったが、本発明の方法により短時間でマイクロカプセルの適切な添加量を求めることができ、もって安定した細孔容積を有するハニカム構造体を得ることができる。
本発明者は、マイクロカプセルの添加質量が同じであっても得られるハニカム構造体の細孔容積が異なる原因が、マイクロカプセルの単位質量当りの真の容積が変化するためと考え、マイクロカプセルの真の容積を把握するために充填嵩密度を測定することを想到した。本発明者は当初、マイクロカプセルの真の容積が大きいほど充填嵩密度が小さくなり、細孔容積は大きくなるものと想定したが、実験の結果、驚くべきことに充填嵩密度が大きいほど細孔容積は大きくなることを知見した。
マイクロカプセルの添加量とセラミックハニカム構造体の細孔容積との関係は、充填嵩密度が同じマイクロカプセルの添加量を変更してセラミックハニカム構造体を製造することで得られる。従って、使用するマイクロカプセルの充填嵩密度を測定することにより、前述のマイクロカプセルの充填嵩密度とセラミックハニカム構造体の細孔容積との関係から、得られるハニカム構造体の細孔容積が予測でき、さらにマイクロカプセルの添加量とセラミックハニカム構造体の細孔容積との関係から、所望の細孔容積を得るためのマイクロカプセルの添加量を決定することができる。
充填嵩密度とは、マイクロカプセルに規定の圧縮力をかけたときの嵩密度である。マイクロカプセルの充填嵩密度の測定方法の一例を説明する。図2に示すように、(a)内径30 mm及び深さ100 mmの有底のパイプ状容器20にマイクロカプセル30を投入し、(b)外径約30 mmの棒40により容器20内のマイクロカプセル30を規定の圧縮力(例えば0.13 MPa)で圧縮した状態で、容器20の開口端21と圧縮後のマイクロカプセル30の上面31間の距離Lを測定して圧縮後のマイクロカプセル30の体積を求める。マイクロカプセル30と容器20との合計の質量から容器20の質量を減算して求めたマイクロカプセル30の質量を、上記圧縮後のマイクロカプセル30の体積で除算することでマイクロカプセル30の充填嵩密度を求めることができる。なお、上記圧縮力とは、棒40がマイクロカプセル30を押す力をマイクロカプセル30の上面31の面積(=パイプ状容器20の内径断面積)で割ったものであり、0.08〜0.2 MPaであるのが好ましい。圧縮力を0.08〜0.2 MPaとした場合に、細孔容積と充填嵩密度との間に高い相関が得られる。圧縮力は0.12〜0.13 MPaであるのがより好ましく、0.13 MPaであるのが最も好ましい。
充填嵩密度がQ1(g/cm3)であるマイクロカプセルAをセラミック原料粉末に対してM1(質量%)添加して得られるハニカム構造体Aの細孔容積がV1(cm3/g)である場合に、充填嵩密度がQ2(g/cm3)であるマイクロカプセルBを用いて得られるハニカム構造体Bの細孔容積V2(cm3/g)を、ハニカム構造体Aの細孔容積V1(cm3/g)と同じにする方法を説明する。
所望の充填嵩密度になるように充填嵩密度が異なる2種以上のマイクロカプセルを混合することにより、安定した細孔容積を有するハニカム構造体を得ることができる。目標とする充填嵩密度Qのマイクロカプセルは、充填嵩密度Qより大きい充填嵩密度Q1を有するマイクロカプセルと、充填嵩密度Qより小さい充填嵩密度Q2を有するマイクロカプセルとをそれぞれ適量を混合することで得ることができる。マイクロカプセルの充填嵩密度を一定の値になるように調節することにより、ハニカム構造体の細孔容積の製造ごとの変動を小さくすることができる。このような方法で製造を行うことにより、マイクロカプセルのロット間で性状変動がある場合でも、安定した細孔容積を有するハニカム構造体を得ることができる。
充填嵩密度が一定の範囲にあるマイクロカプセルのみを使用することにより、製造ごとの細孔容積の変動が少ないハニカム構造体を得ることができる。特に、圧縮力が0.13 MPaであるときの充填嵩密度が0.13〜0.17 g/cm3の範囲にあるマイクロカプセルを使用することにより、安定した細孔容積を有するハニカム構造体を得ることができる。マイクロカプセルの前記充填嵩密度のより好ましい範囲は0.14〜0.16g/cm3である。
セラミック原料粉末、マイクロカプセル等を混合し、水を添加して得た坏土の硬度は、水の添加量が一定であってもマイクロカプセルの比表面積に応じて変化し、もって押出成形性も変化する。坏土の成形性を向上させるため、マイクロカプセルの比表面積は0.058〜0.218 m2/mlであるのが好ましい。マイクロカプセルの比表面積が0.218 m 2 /mlより大きいと坏土の硬度が高くなり、押出用金型内で坏土がスムーズに流れない。マイクロカプセルの比表面積が0.058 m 2 /mlより小さいと、押出後の成形体が自重により変形するおそれがある。マイクロカプセルの比表面積は0.13〜0.18 m2/mlであるのがさらに好ましく、0.14〜0.17 m2/mlであるのがより好ましい。マイクロカプセルの比表面積はマイクロトラック社の粒度分布測定装置で測定することができる。
本発明の製造方法は、造孔材であるマイクロカプセルの充填嵩密度と細孔容積の相関関係を把握する工程と、使用するマイクロカプセルの添加量と細孔容積との相関関係を把握する工程と、使用するマイクロカプセルの充填嵩密度に応じてマイクロカプセルの添加量を決定する工程とを含むものとする。
(1) マイクロカプセル
本発明で使用するマイクロカプセルは、樹脂製シェルに囲まれた内部に気体を含む発泡済発泡樹脂であり、造孔材としてセラミック原料粉末と混合する。樹脂の材質については特に限定されないが、アクリル系、メタクリレート系、カルボン酸系等のホモポリマー又は共重合ポリマーからなるのが好ましく、シェルの厚さは0.1〜0.8μmであるのが好ましい。また上記マイクロカプセルは70〜95%の水分を含有するものが好ましい。マイクロカプセルの平均粒径は、ハニカム構造体の平均細孔径に影響を及ぼすため、目標とする平均細孔径に応じて適切に選定されるものであり、平均粒径が38〜60μmの場合にマイクロカプセルの充填嵩密度と細孔容積とに強い相関関係が得られるため好ましい。マイクロカプセルとしては、特開2003-38919に記載のミクロバルーン等を使用することができる。マイクロカプセルの添加量は、セラミック原料に対して4〜12質量%が好ましく、6〜10質量%がさらに好ましい。なお造孔材として液体を内包する樹脂も一般に「マイクロカプセル」と呼ばれているが、本発明におけるマイクロカプセルは気体が内包された樹脂、すなわち発泡済みの発泡樹脂のことを指す。
セラミック原料粉末の材質は特に限定せず、通常ハニカム構造体の原料として使用されるあらゆるものに対して有効であり、コーディエライト、アルミナ、ムライト、窒化珪素、サイアロン、炭化珪素、チタン酸アルミニウム、窒化アルミニウム、LAS等の少なくとも1種を含むのが好ましい。中でもコーディエライトを主結晶とするセラミックハニカム構造体は耐熱性を有するとともに、熱膨張係数が低く、耐熱衝撃性に優れ、かつ低コストで製造できるため好ましい。
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
表1に記載された同材質で平均径が異なる10種類のマイクロカプセルA〜Jについて以下の手順で充填嵩密度を求めた。図2(a) に示すように、各マイクロカプセル30をそれぞれ内径30 mm及び深さ100 mmの有底のパイプ状容器20に投入し、図2(b) に示すように、外径約30 mmの棒40により容器20内のマイクロカプセル30を0.13 MPaで圧縮した状態で、容器20の開口端21とマイクロカプセル30の上面31間の距離Lを測定して、圧縮後のマイクロカプセル30の体積を求めた。マイクロカプセル30と容器20との合計の質量から、容器20の質量を減算して求めたマイクロカプセル30の質量を、上記圧縮後のマイクロカプセル30の体積で除算することでマイクロカプセルの充填嵩密度を求めた。マイクロカプセルA〜Jの比表面積及び粒径はマイクロトラック社の粒度分布測定装置にて計測した。結果を表1に記す。
カオリン、タルク、溶融シリカ、酸化アルミニウム、水酸化アルミからなる酸化物系セラミックの粉末を適量調整したコージュライト生成原料粉末に対して、上記のマイクロカプセルA〜Jをそれぞれ8質量%添加した。バインダーとしてメチルセルロースを適量添加し、水を添加して、混合及び混練して、表1に示す試験No.1〜10の10種類の坏土を作製した。この10種類の坏土をそれぞれ公知のハニカム構造体用口金から重力方向に押出成形し、乾燥して各ハニカム成形体を得た。これらのハニカム成形体の成形性を以下の基準で評価し、表1に記した。
外観上全く問題のないハニカム成形体が得られたもの・・・○
外観上問題ないが、僅かに隔壁のキレや変形が発生したもの・・・△
外観上問題となる隔壁のキレや変形が発生したもの・・・×
マイクロカプセルの比表面積が0.218 m2/mlより大きい場合(試験No.1及び2)、及び0.058 m2/mlより小さい場合(試験No.8〜10)は、外観上問題ないが、僅かに隔壁のキレや変形が発生し、好ましくない。
表1に記載のように、充填嵩密度が0.150 g/cm3であるマイクロカプセルC(試験No.3)をコージュライト生成原料粉末に対して8質量%添加した場合に得られるハニカム構造体の細孔容積は0.657cm3/gとなった。充填嵩密度がマイクロカプセルCよりも小さい0.140 g/cm3であるマイクロカプセルG(試験No.7)を使用して、0.657cm3/gの細孔容積を有するハニカム構造体を得るためには、マイクロカプセルGの添加量を8質量%よりも大きくすれば良い。具体的には下記のように添加量を求めることができる。
充填嵩密度が0.165 g/cm3であるマイクロカプセルDと充填嵩密度が0.14 g/cm3であるマイクロカプセルGとを等量ずつ混合し、この混合後のマイクロカプセルC'の充填嵩密度を測定すると0.149 g/cm3となり、マイクロカプセルCとほぼ等しいマイクロカプセルが得られた。このマイクロカプセルC'を用いて試験No.3と同様にハニカム構造体を製造したところ、細孔容積は0.655 cm3/gであった。マイクロカプセルD及びGを混合して充填嵩密度を調節することにより、マイクロカプセルCを用いて得られたハニカム構造体(試験No.3)とほぼ等しい細孔容積を有するハニカム構造体が得られた。
試験No.1〜10で用いた各マイクロカプセルの中で、充填嵩密度が0.13〜0.17 g/cm3であるマイクロカプセルB〜Hを用いてハニカム構造体を製造した場合には、表1に示すように、試料間の細孔容積の変動幅が小さく、0.611〜0.698 cm3/gの狭い範囲で安定することが分かる。さらに充填嵩密度が0.14〜0.157 g/cm3の範囲にあるマイクロカプセルC(試験No.3)及びマイクロカプセルE〜G(試験No.5〜8)を用いて得られたハニカム構造体は、さらに細孔容積が0.636〜0.670 cm3/gの狭い範囲で安定していることが分かる。
表1に示すように、コージェライト生成原料粉末に対してマイクロカプセルを一定量(8質量%)添加してハニカム構造体を作製した場合には、充填嵩密度の違いによって細孔容積が0.585〜0.722 cm3/gの範囲で変動しており、ハニカム構造体の性能が安定しない。特に充填嵩密度が0.13 g/cm3より小さいマイクロカプセルI〜J(試験No.9〜10)を使用した場合は細孔容積が0.6 cm3/gより小さくなり、充填嵩密度が0.17 g/cm3より大きいマイクロカプセルA(試験No.1)を使用した場合は0.7 cm3/gを超えていた。
実施例1では、充填嵩密度が0.14 g/cm3であるマイクロカプセルGの添加量を変更して7種類のハニカム構造体を作製し、マイクロカプセルの添加量とハニカム構造体の細孔容積の相関関係を求めたが、これらの関係は図4に示すように直線で近似することができる。従って、マイクロカプセルの添加量が2点あればこの関係と同等の関係式を求めることができる。実用上は2点から求めた関係式で十分である。さらに充填嵩密度の異なるマイクロカプセルごとにマイクロカプセルの添加量とハニカム構造体の細孔容積の関係を予め測定しておけば、使用するマイクロカプセルの充填嵩密度に応じて、目標の細孔容積にするためのマイクロカプセルの適切な添加量を求めることができる。
Claims (5)
- セラミック原料粉末及びマイクロカプセルからなる造孔材を含有する粉末を混合及び混練して坏土とし、前記坏土を押出し成形して得られるハニカム成形体を乾燥及び焼成するセラミックハニカム構造体の製造方法であって、前記マイクロカプセルの充填嵩密度とセラミックハニカム構造体の細孔容積との関係、及び前記マイクロカプセルの添加量とセラミックハニカム構造体の細孔容積との関係から、前記充填嵩密度に応じた前記マイクロカプセルの添加量を決定し、所望の細孔容積を有するセラミックハニカム構造体を得ることを特徴とするセラミックハニカム構造体の製造方法。
- 請求項1に記載のセラミックハニカム構造体の製造方法において、充填嵩密度がQ1(g/cm3)であるマイクロカプセルAを前記セラミック原料粉末に対してM1(質量%)添加して製造したセラミックハニカム構造体と同じ細孔容積のセラミックハニカム構造体を得るために、充填嵩密度がQ2(g/cm3)であるマイクロカプセルBの前記セラミック原料粉末に対する添加量M2(質量%)を、
Q1>Q2の場合にはM2>M1、
Q1<Q2の場合にはM2<M1
となるように調節することを特徴とするセラミックハニカム構造体の製造方法。 - 請求項1に記載のセラミックハニカム構造体の製造方法において、充填嵩密度が異なる少なくとも2種類のマイクロカプセルを混合することにより、混合後のマイクロカプセルの充填嵩密度を調節することを特徴とするセラミックハニカム構造体の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のセラミックハニカム構造体の製造方法において、前記マイクロカプセルの、圧縮力が0.13 MPaであるときの充填嵩密度が0.13〜0.17 g/cm3であることを特徴とするセラミックハニカム構造体の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のセラミックハニカム構造体の製造方法において、前記マイクロカプセルの比表面積が0.058〜0.218 m2/mlであることを特徴とするセラミックハニカム構造体の製造方法。
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