JPS5842418Y2 - 多孔セラミツク構造物 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は自動車排気ガスや石油燃焼暖房機排ガスなど
の排ガス浄化用触媒担体等の排ガス浄化用として使用さ
れる多孔セラミック構造物に関する。

従来、自動車排気ガスを浄化するために使用する触媒担
体としては、セラミックをペレット状やハニカム状に成
形したものが知られているが、従来のこの種の触媒担体
は嵩比重が大きく、また熱容量が大きいので雰囲気温度
の上昇に対する追従性が悪く、このためアイドリング時
の触媒活性の立上りに問題を生じ、更には拡散律速領域
のような高反応率域では反応速度が低下する等の欠点が
あり、また石油燃焼暖房機排出ガス浄化用触媒担体とし
て好適なものは殆んど開発されていない現状にあった。

このため、本考案者らは、軟質ポリウレタンフォームな
どの連続気泡構造を有する合成樹脂連続気泡体にセラミ
ック泥漿を付着させ、これを焼結することにより前記気
泡体を炭化除去し、前記気泡体とほぼ同一のセル構造を
形成する等の方法で得られる内部連通空間を有する三次
元網状のセル構造をなしたセラミック多孔体、もしくは
この多孔体の格子表面にγ−アルミナ等の活性アルミナ
層を被覆したものが、熱容量が小さく、低温度での触媒
活性の立上りが良好であり、かつ未反応ガスの素抜けが
起り難く、このため高反応率領域における反応速度が大
きくて、低濃度の有害ガスをも良好に処理できると共に
、嵩比重が小さく、軽量である上、それ自体機械的強度
、熱的強度も大きく、更には圧力損失が小さい等、触媒
担体としての優れた特性を有することから、これを自動
車排ガス、石油燃焼暖房機排出ガスの触媒担体として用
いることを提案した。

しかるに、前記セラミック多孔体は、その内部連通空間
を流体が通過する。

際に、入口より流入した流体が出口に達する前に途中か
ら抜は出す場合があり、たとえこの多孔体の流体入口及
び出口面を除く周囲に合成樹脂等の被覆体を配設して覆
っても、前記多孔体とこの被覆体との密着性が十分でな
く、このため流体が入口面より出口面に向けて流れる場
合に多孔体の周囲の前記被覆体との隙間から流体がはみ
出し、短絡して流れる場合があり、また、セラミック多
孔体を形成する骨格が個々にこの多孔体の保持治具と接
触して破損する場合がある。

更に、前記セラミック多孔体を例えば自動車排ガス、石
油燃焼暖房機排出ガス等を浄化するための触媒担体とし
て使用する場合、このセラミック多孔体の周囲に前記合
成樹脂等の被覆体を接着して用いても、セラミック多孔
体内は長時間高温の排ガスに曝され、またひんばんに繰
り返しの熱衝撃に曝されるので、セラミック多孔体と被
覆体とに剥離が生じたり、或いはセラミック多孔体と被
覆体との引張り合いにより、セラミック多孔体にクラッ
クが生じる場合がある。

この考案は上記事情を改善するためになされたもので、
セル膜のない軟質ポリウレタンフォームにセラミック泥
漿を付着し、これを焼結することにより前記フオームを
炭化除去して得られ、前記フオームとほぼ同一のセル構
造をなした内部連通空間を有する三次元網状のセラミッ
ク多孔体の外面部にこのセラミック多孔体の熱膨張係数
よりも０．５ Ｘ １０−６／℃〜５ 、ＯＸ １０−
６／’Ｃだけ小さい熱膨張係数を有する非多孔質のセラ
ミック膜を前記セラミック多孔体外面部の所定２個所に
開放面を形成する如く０．１〜５ｍｍ厚に一体に被覆し
、前記両開放面の一方に流体入口面を形成すると共に他
方に流体出口面を形成し、かつ前記内部連通空間を流体
通路として構成することにより、流体が前記通路を流れ
る際に漏れが生じる不都合がなく、流体の流れの方向が
確実に規制されると共に、周辺部が強固に補強され、機
械的強度が大きくかつまた繰り返しの熱衝撃、熱応力が
かかつてもセラミック多孔体よりセラミック膜が剥離し
たり、またクラックが生じることもなく、排ガス浄化用
触媒担体等の排ガス浄化用として好適に使用される多孔
セラミック構造物を提供することを目的とする。

以下、この考案の一実施例につき図面を参照して説明す
る。

図中１は、セル膜のない軟質ポリウレタンフォームを基
体としてこのポリウレタンフォームにセラミック泥漿を
付着させ、これを焼結することにより前記フオームを炭
化除去して得られるセラミック多孔体で、このセラミッ
ク多孔体１は、内部連通空間２を有する三次元網状の前
記フオームとほぼ同一のセル構造をなし、全体として直
方体状に形成されており、また前記多孔体１の格子１ａ
の内部には、前記ポリウレタンフォーム基体に相応した
連続空洞３が形成されている。

前記多孔体１の外面部には、互に対向する一組の開放面
４，４′を除く他の面に、前記セラミック多孔体１の組
成とほぼ同一で、熱履歴に対する挙動が類似しており、
かつ使用温度において前記セラミック多孔体１の熱膨張
係数よりも０．５ Ｘ １０−６／’Ｃ〜５．ＯＸ １
０−／’Ｃだけ小さい熱膨張係数を有し、０．１〜５ｍ
ｍ厚に形成された非発泡質のセラミック膜５が一体に被
膜、形成されている。

そして、前記両開放面４，４′の一方の面４は流体入口
面６、他方の面４′は出口面６′として構成され、また
前記連通空間２は流体通路７として構成されている。

このような構造をもつ多孔セラミック構造物の製造方法
の詳細につき更に説明すると、まず実質的にセル膜がな
く、骨格のみからなる三次元網状構造を有する直方体状
の軟質ポリウレタンフォーム（連続気泡体）をセラミッ
ク泥漿中に浸漬する。

この場合、セル膜のない軟質ポリウレタンフォームとし
ては、発泡時のコントロールによりセル膜をなくしたも
の、或いはアルカリ処理、熱処理、水圧処理等によりセ
ル膜を除去したものが使用されるが、セル膜除去の完全
さの点からアルカリ処理、熱処理によってセル膜を除去
したものが好ましい。

また、前記セラミック泥漿の形成に使用するセラミック
としては、セラミック構造物の用途によって選択される
べきであるが、焼結時の収縮や熱膨張係数が小さく、更
に機械的強度の大きいものが好ましい場合が多く、この
場合、例えばシリカ、アルミナ、マグネシアを主体とし
たものが使用される。

また、その粒径は４０μ以下に粉砕された微粒子を使用
することが好ましい。

前記セラミック泥漿の分散媒としては、一般に水が用い
られるが、その他の分散媒でもよく、更に接着剤や分散
剤を配合することも可能である。

前記セラミック泥漿中に浸漬されてその格子のまわりに
セラミック原料微粒子が付着せしめられた軟質ポリウレ
タンフォームは、セラミック泥漿より引上げた後、エア
吹き付は等により余剰に付着した泥漿を除去し、次いで
付着泥漿を乾燥、固化したのち、原料配合に応じた焼成
温度（通常、１０００〜１８００℃）でセラミックを焼
結させる。

これにより、このセラミックの焼結と同時に前記軟質ボ
ッウレタンフオームが炭化されて、格子内部にこのポリ
ウレタンフォームに相応した連続空洞３が形成され、こ
のフオームとほぼ同一セル構造を有するセラミック多孔
体１が形成される。

なおこの場合、このセラミック多孔体１は、セラミック
構造物の用途に応じ、前記ポリウレタンフォームの気泡
最大径、気孔率、セラミック泥漿の付着量等を調整する
ことによって、その連通空間２が適宜な最大径をもち、
また適宜な嵩比重をもつように形成する。

（例えば触媒担体として使用する場合は、連通空間の最
大径は２〜ｌＱｍｍ、嵩比重は０．２５〜０゜５の範囲
にすることが好ましい。

）次いで、このセラミック多孔体１の周囲に、互に対向
する一組の両面４，４′を残してセラミック膜５を被覆
、形成するが、このセラミック膜５の形成は、前記多孔
体１とほぼ同一形成で、熱履歴に対する挙動が類似して
おり、特にセラミック多孔体の熱膨張係数がセラミック
膜５の熱膨張係数よりも０．５ Ｘ １０−６／’Ｃ〜
５．０〜１０−６／℃の範囲で大きくなるように（即ち
、セラミック膜の熱膨張係数がセラミック多孔体の熱膨
張係数よりも０．５ Ｘ １０”／’Ｃ〜５ 、ＯＸ
１０−’／’Ｃだけ小さい）セラミック膜５を形成し得
るセラミックの泥漿をセラミック多孔体１に直接塗り付
けて非発泡の層を形成するか、又は前記泥漿を良く含浸
する例えば不織布の如きシートをセラミック多孔体１に
巻きつけて泥漿を含浸させるか、或いはあらかじめ板状
に成形したセラミック泥漿の成形物を接着するかした後
、焼結することによって行い、これにより、目的とする
多孔セラミック構造物が製造される。

なおこの場合、このセラミック膜５は、その厚さが０・
１〜５ｍｍになるように形成する。

次に、上記構成のセラミック構造物の特長を石油燃焼暖
房機の排出ガス浄化用触媒担体として使用する場合を例
にとって説明すると、このセラミック構造物を石油燃焼
暖房機の排出ガス通路にセラミック構造物の流体入口面
６を排出ガスの進行方向に対向させかつこの構造物によ
り排出ガス通路を閉塞するごとき状態で配設する。

これにより、石油燃焼暖房機の排出ガスは、その排出ガ
ス通路を流れた後、前記構造物の流体入口面６より流体
通路７（内部連通空間２内）に流入し、この通路７を流
れる間にセラミック多孔体１の格子１ａに担持された所
定の触媒の作用で処理され、処理ガスは流体出口面６′
から流出した後、大気に放散される。

而して、この構造物は、セル膜のない軟質ポリウレタン
フォームにセラミック泥漿を付着させ、これを焼結する
ことにより前記軟質ポリウレタンフォームを炭化除去し
て製造したセラミック多孔体を使用しており、このよう
にセル膜のない軟質ポリウレタンフォームからセラミッ
ク多孔体を形成することにより、正十二面体の陵の部分
のみからなる雛形のセラミック多孔体が得られ、これは
空隙率が大きいので圧力損失が少ない状態で排気ガスが
通過すると共に、内部連通空間が入り組んでいるので排
気ガスがこの内部連通空間を通過する際格子と確実に接
触し、効率のよい排出ガスの処理が行なわれる。

また、セラミック多孔体１の互に対向する一組の両面４
，４′を除く他の面にセラミック膜５が一体に被覆形成
されているので、流体が入口面６から出口面６′に向け
て流れる間に途中から外に漏れ出て、短絡して流れるご
とき不都合はなく、確実に流体の流れの方向が規制され
て、流体（石油燃焼暖房機の排出ガス）の処理が良好に
行われる。

この場合、前記セラミック膜５は、使用温度においてセ
ラミック多孔体１との熱膨張係数の差が０．５ Ｘ １
０−６／’Ｃ〜５．ＯＸ １０−／’Ｃだけ小さいため
、高温の流体がこの多孔セラミック構造物内を常時通過
しても、セラミック膜５と多孔体１との間に剥離や亀裂
が生じることはない。

即ち、石油燃焼暖房機の燃焼室内ではガス体は十数百度
の温度を示し、その熱が熱交換された後でも数百度であ
る場合が多く、このため前記セラミック構造物をこの暖
房機の排出ガス浄化用触媒担体として使用する場合、セ
ラミック膜５とセラミック多孔体１との熱膨張係数の差
が０．５ Ｘ １０−６／’Ｃ〜５ 、ＯＸ １０−６
／’Ｃを越え、その熱膨張量に大巾に差があると、セラ
ミック膜５とセラミック多孔体１の界面又はその近傍で
剥離が起ったり、或いはそれぞれの部位に亀裂が発生す
るが、上述したようにこのセラミック構造物は、セラミ
ック膜５の熱膨張係数がセラミック多孔体１の熱膨張係
数よりも０．５ Ｘ １０′／’Ｃ〜５ 、 ＯＸ １
０−６／’Ｃだけ小さく形成され、しかもセラミック膜
５がセラミック多孔体１とほぼ同一組成で、熱履歴に対
する挙動も類似しているので、剥離、亀裂が生じるおそ
れがない。

更に、前記触媒担体は、断続使用時には外気温と高温度
条件の繰り返しという厳しい熱衝撃にさらされるが、前
記セラミック構造物は、このような熱衝撃、熱応力にも
十分耐え得るもので、セラミック膜５とセラミック多孔
体１との一体性を確実に保持する。

従って、前記セラミック構造物は、このように耐熱性、
熱的強度が十分に高く、このため高温下乃至は低温−高
温の温度サイクルの激しい条件下で常時使用されても、
剥離、亀裂が生じないので、流体がセラミック構造物内
を通過する際に隙間が生じてそこから漏れ出る不都合が
確実に防止される。

しかも、セラミック膜５は、０．１〜５ｍｍの厚さに形
成されているので、機械的強度も高く、セラミック多孔
体１が強固に補強される効果を有する。

即ち、セラミック膜５の厚さがＱ、１ｍｍよりも薄いと
こわれ易く、逆に５ｍｍよりも厚いと亀裂が発生し易く
なるが、０．１〜５ｍｍの厚さに形成されているため、
十分な機械的強度を有する。

従って、前記多孔セラミック構造物は、石油燃焼暖房機
の排ガス浄化用触媒担体として長期間に亙り使用されて
も、セラミック膜５とセラミック多孔体１との剥離、亀
裂、或いは保持具の接触等による破損のおそれがなく、
長期間に亙りその特有の効果、即ち熱容量が小さく、低
温度での触媒活性の立上りが良いと共に、未反応ガスの
素抜けが起り難く、高反応率領域における反応速度が大
きい等の効果をもって、排ガスを確実に処理し得る。

次に、上記効果を下記使用例により具体的に示す。

直線２５ ｍｍ当り２０個のセル膜のない内部連通空間
を有する三次元網状構造の軟質ポリウレタンフォームを
直径１０ｃｍ、厚さ５ｃｍに裁断し、これに主としてコ
ージライト、シリカ及びアルミナからなる泥漿を含浸せ
しめた後、余剰に付着した泥漿を除去し、別に配合され
たシリカ及びアルミナからなる泥漿をこの周辺部にスキ
ン層の薄いものはエアスプレーによって吹き付け、また
スキン層の厚いものは板状に巻き付けて乾燥し、１３０
０℃で焼成してスキン層の厚みが１ｍｍの試験体Ａ（本
考案例）及び６ｍｍの試験体Ｂ（比較例）を作成した。

なお、これらの三次元網状構造部の熱膨張係数は２．２
Ｘ１０−６／℃、スキン部の熱膨張係数は３．２×１０
−６／℃であった。

次に、これら試験体を５００℃に保持された電気炉で３
０分間加熱した後、常温中に取り出し、３０分間放置す
るサイクルを３サイクル繰り返した後試験体を観察した
ところ、試験体Ａは変化が認められなかったが、試験体
Ｂはスキン部の近傍で三次元網状体が破損していた。

また、セラミック構造物の形状、サイズ等も適宜変更可
能であり、両開放面４．４′、従って入口面６、出口面
６′の形成個所等も上記実施例に限られない。

例えば、セラミック構造物を円柱状或いは楕円柱状に形
成し、その外周面をセラミック膜により被覆すると共に
、両端面をそれぞれ入口面、出口面とすることができる
。

更に、この構造物を自動車や石油燃焼暖房機等の排出ガ
ス浄化用触媒担体として使用する場合、第４図に示すよ
うに、セラミック多孔体１にγ−アルミナ等の活性アル
ミナ素材の泥漿を付着させ、目詰りを起さぬよう余剰の
泥漿を除去した後に乾燥し、４００〜８００℃の温度で
焼成する等して、セラミック多孔体１の格子１ａ表面に
活性アルミナ層８を好ましくはセラミック多孔体１の重
量に対して３〜３０重量％の割合で被覆することができ
る。

また、上記実施例では、セラミック構造物を主として石
油燃焼暖房機の排出ガス浄化用触媒担体や自動車排ガス
中の微粒子捕捉材など、排ガス浄化の目的として使用す
る場合につき説明したが、これに限られることがないの
は勿論であり、自動車排ガス等の浄化に用いる触媒担体
に使用して、上述と同様の効果を有する。

この場合、このセラミック構造物の使用温度は、セラミ
ックの種類等にもよるが、一般に常温〜１２００℃であ
る。

以上説明したように、この考案によれば、セラミック膜
とセラミック多孔体との間に剥離、亀裂の生じるおそれ
が回避され、セラミック膜と多孔体との一体性が長期に
亙り保障されて、流体がこの考案に係る多孔セラミック
構造物の通路をその入口面から出口面に向けて流れる際
に途中で漏れが生じる不都合がなく、流体の流れの方向
が確実に規制されると共に、セラミック膜により周辺部
が強固に補強され、機械的強度が大きく、また繰り返し
の熱衝撃、熱応力がかかつてもセラミック膜がセラミッ
ク多孔体より剥離等する如き不都合もなく、この考案は
排ガス浄化用触媒担体等の排ガス浄化用として好適に使
用される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の一実施例を示す斜視図、第２図は同
側のセラミック多孔体の一部拡大側面図、第３図は同多
孔体の格子の拡大断面図、第４図はこの考案の他の実施
例のセラミック多孔体の格子拡大断面図である。 １・・・・・・セラミック多孔体、１ａ・・・・・・格
子、２・・・・・・内部連通空間、３・・・・・・連続
空洞、４．４′・・・・・・開放面、５・・・・・・非
多孔質セラミック膜、６・・・・・・流体入口面、６′
・・・・・・流体出口面、７・・・・・・流体通路。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. １．セル膜のない軟質ポリウレタンフォームにセラミッ
   ク泥漿を付着し、これを焼結することにより前記フオー
   ムを炭化除去して得られ、前記フオームとほぼ同一のセ
   ル構造をなした内部連通空間を有する三次元網状のセラ
   ミック多孔体の外面部にこのセラミック多孔体の熱膨張
   係数よりも０．５×１０−６／℃〜５ 、 ＯＸ １０
   −６／’Ｃだけ小さい熱膨張係数を有する非多孔質のセ
   ラミック膜を前記セラミック多孔体外面部の所定２個所
   に開放面を形成する如＜ ０．１〜５ｍｍ厚に一体に被
   覆してなり、前記両開放面の一方に流体入口面を形成す
   ると共に他方に流体出口面を形威し、かつ前記内部連通
   空間を流体通路として構成して、排ガス浄化に用いるこ
   とを特徴とする多孔セラミック構造物。 ２、セラミック多孔体の格子表面に活性アルミナ層を被
   覆した実用新案登録請求の範囲第１項記載の構造物。