JP2014510836A - 焼結された粉末および金属繊維の多孔質金属膜 - Google Patents

Abstract

金属粒子と金属繊維との流動性のエアレイド混合物の圧粉体から作製された多孔質焼結体が開示される。この圧粉体は、焼結されて、母材全体にわたって金属粒子および金属繊維の等方性分布を有する多孔質焼結体が得られる。多孔質焼結体は、結節点として働く金属粒子を含み、繊維に焼結され、繊維の部分が、他の繊維に焼結される。等方性組成物の平均細孔径は１０μｍ以下である。等方性組成物は、多孔質シート膜へと成形可能であり、あるいは多孔質管状の多孔質膜またはシンブル状の多孔質膜などであるがこれらに限定されない複雑な形状へと成形されてもよい。

Description

関連出願
本出願は、２０１１年２月４日に出願された米国仮特許出願第６１／４３９，５８１号の利益を主張するものである。上記の出願の全教示は、参照により本明細書に援用される。

金属で作製されたガスろ過媒体の性能は、使用される原料に大きく左右される。ガス中の粒子除去効率は、材料の全内部表面積に応じて決まる。したがって、最適な材料は、体積に対する表面積の比率が大きい材料である。より小さい、不規則な形状の金属粒子または繊維が、ガスろ過媒体を作製するのに最適である。現在の高効率の全ての金属製ガスフィルタは、一般に、２種類ある。１つ目は、一般に２０μｍ未満、多くの場合１μｍ〜３μｍの微細金属粉末から作製されたものである。一例は、Ｅｎｔｅｇｒｉｓの「Ｗａｆｅｒｇａｒｄ（登録商標）ＩＩＩ」ラインのガスフィルタまたはＭｏｔｔの「Ｇａｓ Ｓｈｉｅｌｄ（登録商標）」ラインのフィルタである。２つ目は、５μｍ以下の直径を有する小さい直径の金属繊維−繊維から作製されたフィルタである。この例は、Ｐａｌｌの「Ｇａｓｋｌｅｅｎ（登録商標）」ラインのフィルタおよびＭｏｔｔの「Ｄｅｆｅｎｄｅｒ」フィルタである。

一般的に言えば、粉末から作製されたフィルタは、それを作製するのに用いられる粉末冶金プロセスのために、繊維から作製されたものより低い透過性を有する。粉末を用いて高い透過性を確保するのに十分に低い密度の固体の多孔質母材を作製するのは難しい。他方、繊維からの固体材料は、高い透過性を有する非常に低い密度の材料を生成する不織技術を用いて作製され得る。粉末金属から作製された多孔質材料は、より強度の強い構造である傾向があり、繊維材料から作製された多孔質材料は、比較的強度の弱い構造を有する傾向がある。

一般に、粉末を用いる高効率のガスろ過材料は、従来の粉末金属プロセスを用いて作製される。すなわち、粉末が、鋳型に注がれ、鋳型が、圧縮されて、粘着性の、まだ壊れやすい「未焼結体」が形成され、この未焼結体が、焼結されて、不連続の金属粒子間に固体結合が形成される。このプロセスは、簡単で、単純であり、広く実施されている。

繊維は、主に、繊維の広範囲の絡み合い（ｉｎｔｅｒｌｏｃｋｉｎｇ）および「凝集（ｃｌｕｍｐｉｎｇ）」を生じさせる大きい静電気力のために、粉末金属プロセスに適していない。繊維は、粉末のように「流動」しない。鋳型は、電荷減少剤を用いずに均一に充填することができず、また、圧縮が問題になる。複雑な幾何学形状が可能でない。典型的に、媒体は、不織布を作製するのに一般的に使用されるプロセスである、水による繊維の付着またはエアレイング（ａｉｒ ｌａｙｉｎｇ）によって形成される平板マットに限定される。次に、これらは、焼結されて、不連続の繊維間に結合が形成され得る。

特開平６−２７７４２２号公報の日本特許英文抄録には、金属繊維１１および金属粉末１２を液体中に分散浮遊させて、次に、液体中にブレンドを沈降させた後、金属繊維１１と金属粉末１２とのブレンドからなる混合生成物を形成し、その後、混合生成物を焼結する、ろ材の製造方法が開示されている。この出願によれば、混合物が沈降する場合、金属粉末が、金属繊維より速く沈降する。金属繊維１１および金属粉末１２は、液体中に懸濁されると均一に混合されるため、非常に均一な混合物が、繊維および粉末が簀の子５上に沈降した後、少なくとも、集積面に平行に維持され得る。さらに、この開示によれば、特開平６−２７７４２２号公報の図２に示されるように、厚さの方向に、混合物の混合比のいくらかの変化がある。開示される方法は、複雑であり、噴出板、簀の子を備えた槽を必要とし、液体中に金属繊維および金属粒子を懸濁させた後の噴出板の取り出しを必要とする。管などの複雑なフィルタ構造を形成するための方法は開示されていない。

特開平５−２４５３１７号公報の日本特許英文抄録には、内燃機関、特にディーゼルエンジンの排ガスから有害成分を除去するためのフィルタ体または触媒体が開示されており、このフィルタ体または触媒体には、金属線または金属繊維の少なくとも１つの網層が設けられている。粉末、細粒、繊維片または繊維チップの形態の焼結材料が、網目内に導入され、金属線または繊維上に焼結される。この網は、綾織の金網の形態で形成され、焼結材料４は、網目５内に導入され、金属線または繊維２、３とともに焼結される。開示される構造は、焼結された粉末の分離された領域および繊維および粉末の領域を含む。

特開２０１０−１４２７８５号公報の日本特許英文抄録には、金属多孔質体から構成され、ベース部材３に互いに離間配置され、かつハウジング容器５に被包される、軸方向に任意の長さを有する少なくとも２つ以上の筒状ろ過体２を有するフィルタ組立体１が開示されており、ここで、金属ろ過体２は、非円形状の横断面を有し、かつその外形を描く外形線の一部が全周長（ＬＯ）の５〜４８％の幅寸法（Ｌ１）で平坦化した扁平面６を有する筒体を含み、この扁平面６と他方の筒状ろ過体２の扁平面６は、所定間隔（Ｓ）で対向して配置される。フィルタ組立体１において、ろ過体は、外周面上に複数の突起を備え、突起の平均高さ（１／２Ｈ）の点を結ぶことで形成された仮想平均線の一部が扁平面となるものを含む。金属ろ過体は、ステンレス鋼繊維および／またはステンレス鋼粉末材料を含む層状多孔質焼結体で形成される。開示される金属フィルタは、層状構造を有する。

米国特許第７，３２９，３１１号明細書（Ｚｅｌｌｅｒ ｅｔ ａｌ．）には、複合物を構成する粉末状のナノ粒子材料が約１０００ナノメートル未満の直径を有し得る複合材料が開示されている。多孔質基材と同様に、これらのナノ粒子材料は、金属、金属合金、セラミック、熱可塑性樹脂、またはこれらの材料の混合物であってもよい。出発ナノ粒子は、多孔質基材に浸透し、球体、デンドライト、繊維、またはこれらの粒子の混合物を含むがこれらに限定されない形状を有し得る。開示される複合物は、多孔質基材および基材の細孔に浸透する粉末状の焼結ナノ粒子材料を有する。

Ｋｏｓｔｏｒｎｏｖ，ｅｔ ａｌ．，Ｐｏｗｄｅｒ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ａｎｄ Ｍｅｔａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ，第２２巻，Ｎｏ．４，２８８−２９０（Ｐｏｒｏｓｈｋｏｖａｙａ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｙａ，Ｎｏ．４（２４４），ｐｐ．５３−５６，１９８３年４月から翻訳されたもの）には、湿式混合されたＰＮＫ−１カルボニルニッケル粉末、５０μｍのワイヤを細断することによって作製されるニッケル繊維、および０．０８〜０．１２５μｍのサイズの揮発性細孔形成剤重炭酸アンモニウムを焼結することが開示されている。２５％〜７５％の範囲の量のニッケル繊維を、湿式混合によってカルボニルニッケル粉末および細孔形成剤重炭酸アンモニウムに加えた。焼結された複合物の構造が記載されておらず、複雑な膜構造が開示されていない。

Ｔｕｍｉｌｏｖｉｃｈ ｅｔ ａｌ．，Ｐｏｗｄｅｒ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ａｎｄ Ｍｅｔａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ，第３１巻，Ｎｏ．３，２３９−２４２（Ｐｏｒｏｓｈｋｏｖａｙａ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｙａ，Ｎｏ．３，ｐｐ．５６−６０，１９９２年３月
から翻訳されたもの）には、グリセリンとの湿式混合技術を用いて、０〜１００％で変動する繊維の量で、５０μｍ×３７００μｍの銅繊維とともに、６３〜１００μｍの銅粉末を焼結することが開示されている。試料の不具合を避けるために、グリセリンが２９０℃で分解してからグリセリンを除去した。焼結された生成物の細孔径は、０〜５０％の繊維含量で約１５μｍ〜５０μｍで変動した。２０％の繊維を有する材料の試料の断層写真は、繊維が粉末と分かれていることを示し、粒子が焼結された生成物中の繊維の結節点（ｎｏｄｅ）として働いていることを示さないように見える。

米国特許第７，４４５，８５３号明細書には、層状フィルタ構造が開示されており、第１の層は、多孔質金属層を含み、第２の層は、焼結された金属短繊維の自立した層を含む。第１のおよび第２の層は、一緒に焼結される。第２の層は、金属短繊維に加えて、金属長繊維または金属粉末粒子あるいは金属短繊維と金属粉末粒子との組合せなどの他の金属粒子を含み得る。この文献には、第２の層が、２０〜８０％の金属短繊維および２０〜８０％の金属粉末粒子を有し得ることが開示されている。第２の層の間隙率は、５０％〜８５％の範囲であり得る。この材料は、その質量全体にわたって粒子および繊維の均一な分布を有さず、複雑な膜構造の形成が開示されていない。

本発明の形態は、多孔質構造を有する、一緒に焼結される金属粒子および金属繊維の等方性組成物である多孔質焼結体を含む。組成物中の金属粒子は、多孔質焼結体中の１つ以上の金属繊維の部分に焼結される結節点であり；金属繊維は、多孔質焼結体全体にわたって１つ以上の他の金属繊維の部分に焼結される。等方性組成物の平均細孔径は１０μｍ以下である。

等方性組成物は、多孔質シート膜へと成形可能であり、あるいは多孔質管状の多孔質膜またはシンブル状の多孔質膜などであるがこれらに限定されない複雑な形状へと成形されてもよい。これらの多孔質膜は、金属粒子および金属繊維の同じ分布を有する反対面を有することを特徴とし得る。多孔質焼結体は、ろ材またはディフューザ（ｄｉｆｆｕｓｅｒ）として使用可能であり、ハウジングに結合され得る。

組成物のある形態において、金属粒子は、部分的に溶融され、繊維と融合される。

本発明の形態において、多孔質焼結体の空気透過性は、１４ポンド毎平方インチの差圧で、多孔質焼結体の面積の１平方センチメートル当たり１．７標準リットル毎分より多く、試料多孔質焼結体のＬＲＶは、エアロゾルとして０．０１４μｍを中心とするサイズ分布を有する数百万個の粒子が多孔質焼結体を負荷する（ｃｈａｌｌｅｎｇｅ）のに使用される場合に測定される際に６ＬＲＶを超える。

上記は、類似の参照符号が異なる図全体を通して同じ部品を指す添付の図面に示されるように、本発明の実施形態例の以下のより具体的な説明から明らかになるであろう。図面は、必ずしも縮尺どおりであるとは限らず、その代わりに、本発明の実施形態を例示する際に強調が加えられる。

未加工状態の１．５μｍのステンレス鋼（ＳＳ）繊維を示す。 未加工のステンレス鋼（ＳＳ）粉末を示す。 繊維粉末混合物を示す。 金属粒子と金属繊維との焼結された流動性ブレンドのＳＥＭである。 繊維に融合され、かつ多孔質構造における結節点として働く金属粒子を示す多孔質焼結体の走査型電子顕微鏡写真である。 繊維／粉末管と比べた、ＳＳ粉末管を通る空気流れに必要とされる圧力を示す透過性の比較である。 粉末のみと比べた繊維／粉末のＬＲＶ値の比較である（約２ｓｌｐｍ／ｃｍ^２におけるＬＲＶ）。 図３Ａに示される等方性の多孔質焼結体（多孔質の焼結された膜）の断面の別の図である。 フィルタの表面と平行の関係で配向された金属繊維１１を示すろ材１３を示す（先行技術）。このろ材において、金属粉末１２と繊維との混合物は、集積面に平行により均一である一方、粉末および繊維の混合比の変化が、厚さの方向に示され；ろ材は非等方性である（特開平６−２７７４２２号公報、図２から引き出される）。

様々な組成物および方法が記載されるが、本発明が、記載される特定の分子、組成物、設計、方法またはプロトコルに限定されない（これらは変化し得るため）ことが理解されるべきである。また、本明細書に使用される用語が、特定の形態または実施形態のみを説明するためのものであり、添付の特許請求の範囲のみによって限定される本発明の範囲を限定することが意図されていないことも理解されるべきである。

本明細書および添付の特許請求の範囲において使用される際、単数形（「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」）は、文脈上特に明示されない限り、複数形の言及を含むことも留意されるべきである。したがって、例えば、単数形の「繊維」への言及は、１つ以上の繊維および当業者に公知のその均等物などへの言及である。特に定義されない限り、本明細書において使用される全ての技術用語および科学用語は、当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載されるものと類似または均等な方法または材料が、本発明の実施形態の実施または試験に使用され得る。本明細書に挙げられる全ての刊行物は、全体が参照により援用される。本明細書中のいかなる記載も、本発明が先行発明に基づいてこのような開示に先行する権利を有さないことを承認するものとして解釈されるべきではない。「任意選択の」または「任意選択的に」は、その後に記載される事象または状況が、起こってもまたは起こらなくてもよいこと、およびその説明が、事象が起こる場合および事象が起こらない場合を含むことを意味する。本明細書における全ての数値は、明示されているか否かにかかわらず、「約」という用語によって修飾され得る。「約」という用語は、一般に、当業者が記載される値と同等とみなし得る（すなわち、同じ機能または結果を有する）数の範囲を指す。ある実施形態において、「約」という用語は、記載される値の±１０％を指し、他の実施形態において、「約」という用語は、記載される値の±２％を指す。様々な構成要素または工程を「含む」（「含むが、これらに限定されない」を意味するものと解釈される）という用語で組成物および方法が記載されるが、これらの組成物および方法は、様々な構成要素および工程「から本質的になる」または「からなる」こともでき、このような用語は、本質的に限定される（ｃｌｏｓｅｄ）または限定される構成要素群を定義するものと解釈されるべきである。

本発明が、１つ以上の実施に関して示され、記載されてきたが、本明細書および添付の図面を読んで理解することに基づいて、均等な修正および変更が、当業者に想到されるであろう。本発明は、全てのこのような変更および修正を含み、以下の特許請求の範囲のみによって限定される。さらに、本発明の特定の特徴または態様が、いくつかの実施のうちの１つのみに関して開示されていることがあるが、このような特徴または態様は、任意の所与の用途または特定の用途に必要で有利であり得る場合、他の実施の１つ以上の他の特徴または態様と組み合わせられ得る。さらに、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「備える（ｗｉｔｈ）」という用語、またはそれらの活用形が詳細な説明または特許請求の範囲のいずれかで使用される範囲で、このような用語は、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語と同様に包括的であることが意図される。また、「例示的な（ｅｘｅｍｐｌａｒｙ）」という用語は、最良ではなく、単に例を意味することが意図される。本明細書に示される特徴、層および／または要素が、簡潔さおよび理解しやすさのために互いに対して特定の寸法および／または配向で示されること、および実際の寸法および／または配向が、本明細書に示されるものとかなり異なり得ることも理解されるべきである。

多孔質の金属製ガスフィルタが、一般に、高い粒子保持を提供するものの、低い透過性、低い強度、またはより複雑な幾何学形状を容易に作製することができないことのうちの１つ以上の欠点があるという問題は、ミクロンサイズの金属繊維およびミクロンサイズの金属粉末の等方性分布を有する圧密化された未焼結体を焼結することによって克服される。粒子および繊維の得られた多孔質焼結体は、焼結体全体にわたって繊維に焼結される粒子結節点の等方性分布を有する。多孔質焼結体は、高い粒子保持効率（６対数保持値（ｌｏｇ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ）（ＬＲＶ）を超える）、高いガス透過性（繊維のみの焼結体と同様）を有し、高強度（２０００ポンド毎平方インチ以上、粘土粒子が詰め込まれた試料の油破裂圧力（ｏｉｌ ｂｕｒｓｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ））を有する。多孔質焼結体は、単純なシート形状および管のようなより複雑な形状の両方で作製され得、様々な流体（ガス、液体、超臨界流体）中の粒子ろ過のために、またはチャンバ中のガスのためのディフューザとして使用され得る。

多孔質体中に一緒に焼結される粒子および繊維の等方性分布の１つの利点は、それが、多孔質焼結体全体にわたって、均一な機械的強度、均一な透過性、および均一な粒子保持を提供することである。多孔質焼結体中の粒子および繊維の等方性分布は、フィルタまたはディフューザ用のハウジングへと多孔質焼結体を結合するための均一な表面も提供する。多孔質焼結体中の粒子および繊維の等方性分布の別の利点は、この材料で形成されるシートに加えて、複雑な形状の焼結体が作製され得ることである。例えば、複雑な形状の多孔質焼結体としては、シンブル状ガスケットフィルタ、管状フィルタ、および他の形状のろ材が挙げられるがこれらに限定されない。これらの形状の要素は、粒子および繊維を、処理され得る未焼結体へと押圧し、次に、未焼結体を焼結して、最終的な生成物を作製することによって作製され得る。

本発明の形態は、多孔質焼結体の質量全体にわたって金属繊維と金属粒子との焼結された混合物である等方性複合物としても特徴付けられ得る。等方性複合物は、全ての方向で、多孔質焼結体の試料の軸に沿って測定される際に同じ平均値を有する特性を示す。例えば、多孔質焼結体の試料における平均細孔径、密度、または間隙率は、全ての方向で同じである。平均細孔径は、試料の断面のＳＥＭ分析によって測定されてもよく；密度も、試料の断面において測定されてもよい。

粉末粒子および繊維のエアレイド分布は、処理され、焼結され得る複雑な未焼結体形状へと押圧され得る粒子および繊維の等方性分布である塊（ｍａｓｓ）をもたらす。粉末粒子および繊維のエアレイド分布は、多孔質焼結体中の粒子および繊維の等方性分布をもたらし、ここで、粉末粒子は、１つ以上の繊維の部分に焼結される結節点であり、繊維は、多孔質焼結体全体にわたって１つ以上の他の繊維および粒子の部分に焼結される。

本発明の形態の多孔質焼結体全体にわたる粒子および繊維の分布は、多孔質焼結体を切断し、粒子結節点の面積を測定し、または試料の顕微鏡写真（例えば図３Ａおよび図３Ｂを参照）の面積中の粒子結節点の数を数えることによって特徴付けられ得る。粒子および繊維の「等方性分布」は、粒子結節点の面積または粒子結節点の面積の±２５％以内の膜の第１の領域中の粒子結節点の数または膜の別の領域中の粒子結節点の数である。本発明のある形態において、本発明の多孔質体中の粒子および繊維の等方性分布は、粒子結節点の面積または膜の第１の領域中の粒子結節点の数が、粒子結節点の面積また膜の別の領域中の粒子結節点の数の±１０％以内であるようなものである。

本発明の形態は、多孔質構造中に一緒に焼結された金属粒子および金属繊維の等方性分布を含む多孔質焼結体を含み、金属粒子は、１つ以上の金属繊維の部分に焼結される結節点として働くことができ、金属繊維は、多孔質焼結体全体にわたって１つ以上の他の金属繊維の部分に焼結され得る。本発明のある形態において、金属粒子は、結節点であり、多孔質体中の繊維に融合されるかまたは他の形で結合される。

本発明の別の形態は、自立する圧粉体である金属粒子と金属繊維との圧縮された流動性混合物を含む多孔質焼結体であり、自立する圧粉体は、焼結されて、多孔質焼結体が形成され得、金属粒子は、１つ以上の金属繊維の部分に焼結される結節点であり、金属繊維は、多孔質焼結体全体にわたって１つ以上の他の金属繊維の部分に焼結される。

本発明の一形態は、金属繊維および金属粒子の等方性の流動性の塊を焼結し、膜ろ材内に実質的に相互連結された細孔を有する等方性母材を形成することによって形成される膜要素を含む高い間隙率の膜フィルタであり、膜ろ材の間隙率は、４５％〜６５％である。本発明は、流体導管を画定するフィルタハウジングをさらに含むことができ、ハウジングは、流体導管中に膜ろ材を保持するためのケーシングを含み、ケーシングは、多孔質膜ろ材が間に配置され、かつケーシングに密閉結合される前部および後部を有し、それによって、ハウジングは、ろ過される流体の流路を画定する。

対数減少値（ＬＲＶ）は、２つの数の比率の対数として定義され、多孔質膜の粒子保持特性を特徴付けるのに使用され得る。本発明の場合、比率は、フィルタの下流で検出される粒子の数に対する、フィルタの上流側でフィルタろ材に衝突する粒子の数の比率である。したがって、７のＬＲＶ値は、１０^７個の粒子の負荷（ｃｈａｌｌｅｎｇｅ）および下流での１個の粒子の検出を示唆し、この比率の対数は７である。試験は、０．０１４μｍを中心とするサイズ分布を有する数百万個の粒子を含むエアロゾルを生成し、このエアロゾルを、本発明の形態の多孔質焼結体から作製されるフィルタに通し、凝縮核計数器（ＣＮＣ）を用いて、通過する粒子の数を数えることによって行われる。多孔質焼結体の形態において、エアロゾルとして０．０１４μｍを中心とするサイズ分布を有する数百万個の粒子が多孔質焼結体を負荷するのに使用される場合、ＬＲＶは６を超える。ある他の形態において、エアロゾルとして０．０１４μｍを中心とするサイズ分布を有する数百万個の粒子が多孔質焼結体を負荷するのに使用される場合、多孔質焼結体のＬＲＶは、６〜９である。多孔質焼結体のさらに他の形態において、エアロゾルとして０．０１４μｍを中心とするサイズ分布を有する数百万個の粒子が多孔質焼結体を負荷するのに使用される場合、多孔質焼結体のＬＲＶは、７〜９である。

本発明の形態の焼結された金属繊維および金属粉末の等方性組成物の平均細孔径は、１０μｍ以下である。細孔径は、水またはイソプロピルアルコールなどの流体を用いた気泡点方法によって測定され得る。焼結体の細孔に流体を充填し、次に、表面張力を超え、ガスが焼結体を通って流れ始めるまで、細孔をガス圧力に曝す。細孔における表面張力を超える圧力が気泡点圧力である。あるいは、細孔径は、材料の試料の走査型電子顕微鏡写真（例えば図３Ｂを参照）について測定される最大細孔寸法またはサイズの平均から測定され得る。本発明の一形態において、平均細孔径は、約１０μｍ以下であり、等方性組成物中の繊維の量は、４０重量パーセントまたは約４０重量パーセントである。多孔質焼結体の細孔径は、両方の方法によって、１０μｍ未満であることが分かる。

本発明の形態の多孔質焼結体の間隙率は、少なくとも５５％であり得るかまたは少なくとも５５％であり；ある形態において、間隙率は、５０％〜７５％の範囲である。

本発明の形態の多孔質焼結体の透過性は、０．２８センチメートルの厚さの試料について、１４ポンド毎平方インチの差圧で、面積の１平方センチメートル当たり１．７標準リットル毎分より多いものとして特徴付けられ得る。本発明のある形態において、本発明の形態の多孔質焼結体の透過性は、０．２８センチメートルの厚さの試料について、１４ポンド毎平方インチの差圧で、幾何学形状体面積の１平方センチメートル当たり１．７標準リットル毎分より多いものから、１４ポンド毎平方インチの差圧で、幾何学形状体面積の１平方センチメートル当たり３．５標準リットル毎分以上までの範囲であり得る。

金属粒子および金属繊維は、一緒に焼結されて、本発明の形態の多孔質焼結体が形成される。本発明のある形態において、金属は、ニッケル、またはステンレス鋼であり得る。

金属粒子のサイズは、多孔質金属フィルタを形成するのに使用されるサイズであり得る。本発明のある形態において、金属粒子は、金属粒子の最大の側面が、１０μｍ〜１００μｍの範囲であるサイズを有する。本発明のある形態において、金属粒子は、１５〜２５μｍの最大の側面を有する。金属繊維のサイズは、多孔質金属フィルタを形成するのに使用されるものであり得る。本発明のある形態において、繊維は、１μｍ〜２０μｍの範囲の直径を有し；本発明のある形態において、繊維は、１μｍ〜５μｍの直径を有する。金属繊維の長さ対直径の比率（Ｌ／ｄ）は、２５〜１２５の範囲であり得る。多孔質焼結体のある形態において、粉末は、１７μｍ〜２０μｍの平均直径または最大のサイズの側面を有する一方、繊維は、１μｍ〜２μｍの平均直径を有する。

多孔質焼結体の密度は、焼結された繊維から作製された多孔質体の密度より高い密度から、焼結された粉末のみから作製された多孔質体の密度より低いかまたはそれに等しい密度までの範囲であり得る。本発明のある形態において、多孔質焼結体の密度は、１．８グラム／立方センチメートル〜３．４グラム／立方センチメートルの範囲であり得る。

本発明の形態の焼結された金属粒子および金属繊維の多孔質焼結体の強度は、焼結された粉末のみから作製された金属ろ材の破裂圧力の１０％以下以内であり得る。本発明のある形態において、多孔質焼結体は、０．３２センチメートルの壁厚および１．５５センチメートルの直径を有する管について、２，２００ポンド毎平方インチ以上の破裂圧力を有する。試料の強度は、試料の破裂圧力によって特徴付けられ得、破裂圧力は、微細粘土の粉末で細孔を塞ぎ、試料が破裂するまで油で加圧し、破裂した時点の圧力を記録することによって測定され得る。

粉末および繊維の分布は、粉末と繊維との混合物中の繊維の表面上の静電エネルギーまたは電荷の多くを「吸収」し、または「放散」し、混合物が、「流動する」ことが可能な組成物を形成することができるようにする粉末によって特徴付けられ得る。しかしながら、高い透過性を可能にするのは繊維であるため、本発明の形態に使用されるブレンドは、混合物の流動性をなお維持しながら、可能な限り最大のパーセンテージの繊維を含むものである。

本発明の形態の多孔質焼結体を作製するのに好適な粉末と繊維との流動性混合物が、金属粉末と金属繊維との混合物を、１／２インチの直径の出口を有する漏斗に注ぐことによって測定され得る。漏斗をタッピングし、混合物が漏斗を容易に通過する場合、混合物は、本発明の形態の多孔質焼結体を作製するのに好適な流動性混合物であるとみなされる。

本発明の形態において、金属粉末と金属繊維との混合物のエアレイド密度は、繊維のみのエアレイド密度と、粉末のみのエアレイド密度との間の中間範囲である。本発明のある形態において、圧粉体を作製するのに使用され得る繊維および粉末ブレンドのエアレイド密度は、０．７５グラム／立方センチメートル〜０．８５グラム／立方センチメートルの範囲であり得る。一形態において、０．７５グラム／立方センチメートル〜０．８５グラム／立方センチメートルの範囲の密度を有する４０％のステンレス鋼繊維と６０％のステンレス鋼粉末とのエアレイド混合物が、多孔質焼結体を作製するのに使用され得る。粒子および繊維混合物のこのエアレイド密度により、材料を、同様に低い密度を有する未焼結体または圧粉体へと圧密化することが可能になる。

粉末と繊維との組合せは、高い透過性を保持しながら複合材料の増加された強度を可能にし、粉末は、繊維が焼結の際に結合する結節点として働き得る（図３Ａおよび図３Ｂに見られるように）。図６は、図３Ａに示される等方性の多孔質焼結体（多孔質の焼結された膜）の断面の別の図である。この画像は、本発明の形態の多孔質焼結体の構造をさらに示し、ここで、金属粒子は、１つ以上の繊維を一緒に焼結結合する結節点として働き、ここで、繊維は、他の繊維の部分に焼結され、繊維および粒子は、多孔質焼結体全体にわたって等方的に混合される。繊維は、この等方性構造中で互いに対して平行でない。

本発明の多孔質焼結体は、繊維および粉末の両方を組み合わせて、良好な透過性、高効率および高強度を有する多孔質固体材料を生成する。特定の比率の粉末および繊維を混合することによって、繊維および粉末の両方のように挙動する、流動性の粉末状の材料が形成される。これにより、一般的で簡単な粉末金属プロセス（鋳型を充填し、押圧し、焼結する）の使用が可能になるが、粉末のみが可能であるより高い透過性を有する多孔質焼結体材料が生成される。粉末の１つの利点は、それが、繊維の表面上の静電気帯電またはエネルギーの多くを放散し、または「吸収」し、混合物が「流動する」ことができるようにすることである。しかしながら、高い透過性を可能にするのは繊維であるため、流動性をなお維持しながら可能な限り最大パーセンテージの繊維を含むブレンドが望ましい。金属粉末粒子と金属繊維との流動性混合物は、単純なシート形状および管のようなより複雑な形状の両方で作製され得る多孔質焼結体を提供し、この多孔質焼結体は、様々な流体（ガス、液体、超臨界流体）中の粒子ろ過に使用され得る。多孔質焼結体材料は、内容全体が参照により本明細書に援用される、米国特許第５，９０８，６６２号明細書（Ｆｕ）および米国特許出願公開第２００９０１８３６３０号明細書（Ｖｒｏｍａｎ ｅｔ ａｌ．）に開示されるものと同様のチャンバ中のガスのためのディフューザとして使用され得る。

実施例１：繊維／粉末ブレンドのパーセンテージの測定
繊維および粉末を異なる質量パーセンテージで混合し、ブレンドが流動する能力を測定する実験を行った。使用される繊維は、商品名「Ｂｅｋｉｐｏｒ」ＳＴ ３１６Ｌ「Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｈｏｒｔ Ｆｉｂｅｒ １．５ｕｍの直径」でＢｅｋａｅｒｔ Ｃｏｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（１０００ Ｃｏｂｂ Ｐｌａｃｅ Ｂｌｖｄ，Ｂｌｄｇ １００，Ｓｔｅ １３０，Ｋｅｎｎｅｓａｗ ＧＡ ３０１５５）によって製造される、直径１．５μｍ×長さ５０〜１００μｍのステンレス鋼繊維であった。使用される粉末は、「１０μｍ」ＡＭＥＴＩＰ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ Ｐｏｗｄｅｒｓ（３１６Ｌ ＳＳ）としてＡｍｅｔｅｋ Ｓｐｅｃｉａｌｉｔｙ Ｍｅｔａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（Ｒｏｕｔｅ ５１９，Ｅｉｇｈｔｙ Ｆｏｕｒ ＰＡ １５３３０）によって製造されるものであった。この粉末は、１７〜２０μｍの平均直径を有する一方、繊維は、１．５μｍの平均直径を有する。

各材料の密度を測定する。繊維の密度測定には、広い密度範囲を生じる激しい凝集（図１Ａを参照）のために問題がある。実験のために、繊維を、篩（ｓｃｒｅｅｎ）に通して「粉状にする（ｇｒａｔｉｎｇ）」ことによって粉砕し、既知の体積の鋳型に入るようにした（「エアレイング）」として知られている技術）。測定される密度は、「エアレイド」密度と呼ばれる。＃２０メッシュサイズ篩を用いて、繊維のエアレイド密度を測定したところ、約０．１７ｇ／ｃｃであった。（篩を通って容易に流れ、「粉状にする」必要がないＳＳ粉末について同じ技術を用いて、エアレイド密度を測定したところ、約２．９ｃ／ｃｃであった。ＳＳ粉末は、細砂の外観を有し、容易に流動する（図１Ｂを参照）。

（コーヒー豆を挽くのに使用されるもののような）粉砕デバイス中で粉末および繊維の質量パーセンテージを混合することによって、流動性を測定した。次に、混合物を容器に入れ、軽く振とうしながら混合した。次に、混合物を、１／２インチの直径の出口を有する漏斗に注いだ。漏斗をタッピングし、混合物が漏斗を容易に通過する場合、流動性が存在すると判定した。

最初の混合および軽い振とうの後、混合物が容易に凝集した場合（図１Ａに示されるように）、流動性が存在しないと判定した。

表１は、これらの試験からの結果を示す。４０％を超える質量パーセンテージのＢｅｋｉｐｏｒ」ＳＴ ３１６Ｌ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｈｏｒｔ Ｆｉｂｅｒが、流動せず凝集する傾向があるであろう１０μｍ」のＡＭＥＴＩＰ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ Ｐｏｗｄｅｒｓとのブレンドを生じたことが分かった。これは、この実施例において試験される２種の材料について明らかであり、他の材料については異なるであろう。

表２は、１００質量％の繊維から１００質量％の粉末までの範囲の繊維／粉末ブレンドのエアレイド密度を示す。

４０％の繊維と６０％の粉末とのブレンドの密度を、エアレイング技術を用いて測定したところ、０．７５ｇ／ｃｃ〜０．８５ｇ／ｃｃの範囲であることが分かった。この密度により、材料を、同様に低い密度を有する未焼結体へと圧密化することが容易に可能になる。この４０％の繊維と６０％の粉末とのブレンドは、図２の画像に示される。

実施例２：多孔質の焼結されたシート材料の作製
実施例１において測定された４０％の繊維ブレンドを用いて、上述されるエアレイング技術を用いて、７．３７ｃｍの直径および０．８０ｃｍの深さを有する鋳型を充填した。次に、鋳型を、３０００ポンド（ｌｂ）で圧密化して、７．３７ｃｍの直径、０．３３ｃｍの厚さおよび２０．３ｇの質量の未焼結体ディスクを形成した。未焼結体は、１．３７グラム／立方センチメートル（ｇ／ｃｃ）の密度を有していた。この未焼結体を、水素中１０８５℃で１５分間焼結した。得られた多孔質焼結体は、７．００ｃｍの直径、０．２８ｃｍの厚さおよび１．８６ｇ／ｃｃの密度、および１０μｍ以下の細孔径を有していた。図３Ａおよび図３Ｂは、多孔質の焼結された生成物のＳＥＭである。

実施例３：管状の多孔質焼結体（複雑な形状の多孔質物品の非限定的な例）の作製
実施例１に使用されるのと同じブレンドを用いて、管状要素を作製した。繊維／粉末ブレンドを、篩に注ぎ、漏斗を通して鋳型中に流すことによって管状鋳型中に導入した。篩／漏斗および鋳型を、この充填中、常にタッピングした。鋳型は、２．０ｃｍの外径、１．４０ｃｍの内径、１７ｃｍの長さおよび３８ｇの質量を有する。＃２０篩を使用し、装置を、充填中に１２００回タッピングした。次に、充填されおよび蓋をされた鋳型を、水中で、５０００ｐｓｉで静水圧加圧した（ｉｓｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ ｐｒｅｓｓｅｄ）。未焼結体を、鋳型から取り出したところ、自立し、粘着性であることが分かった。得られた未焼結体は、１．７３ｃｍの外径、および１．４ｃｍの内径および１７ｃｍの長さを有していた。密度は、２．７５ｇ／ｃｃであった。未焼結体を、水素中１０９５で１０分間焼結した。得られた多孔質焼結体は、１．５５ｃｍの外径、および１．２３ｃｍの内径および１５ｃｍの長さを有していた。密度は、３．３５ｇ／ｃｃであり、細孔径は、１０μｍ以下である。

繊維と粉末とのブレンドから作製される材料は、高効率のガスろ過によく適している。繊維、ならびに粉末の大きい表面積のために、６対数減少値（ＬＲＶ）を超える粒子効率が可能である。さらに、粉末の導入により、（例えば図３Ａおよび図３Ｂに見られるように）焼結中に繊維が結合する結節点として働く材料の強度の増加が可能になる。

実施例４：気泡点およびＳＥＭによる細孔径の測定
実施例３からの多孔質体を、水で飽和し、多孔質体の表面に気泡が見えるまで空気圧を加えた。気泡は、１０ポンド毎平方インチで最初に形成され始め、これは、約２μｍの細孔径を示す。図３Ｂに示されるものなどのＳＥＭは、焼結された結節点の間の空隙直径が１０μｍ未満であることを示す。

実施例５：粉末および粉末／繊維ブレンドから作製される焼結管の比較
実施例３からの管（多孔質焼結体）を、透過性、粒子保持（ＬＲＶ）および強度について試験した。透過性は、単に、特定の流量を得るのに必要とされる圧力の尺度である。粒子除去効率を、フィルタの前およびフィルタを通過した後、塩粒子を含有する生成されたエアロゾルの濃度を測定することによって測定した。図４は、粉末のみから作製された管と比較した、管（多孔質焼結体）の透過性の比較を示す。全ての管はＳＳのものである。粉末のみの管は、約３．４ｇ／ｃｃの密度を有し、これは、繊維／粉末管（多孔質焼結体）と同じである。図４は、繊維／粉末管（多孔質焼結体）の透過性が、ＧＫＮ ４２０７３（Ｅｎｔｅｇｒｉｓ ＷＧ２Ｍ０１ＲＲ２ 「ＳＦミニ」ガスフィルタに使用される管）およびＫＭＣ ５８０７ＰＯ Ｄ−ＸＬ（同様にＥｎｔｅｇｒｉｓガスフィルタに使用される管）の透過性の２倍であることを示す。さらに、図５は、ＧＫＮ ４２０７３単独が６をわずかに超え、ＫＭＣ ５８０７ＰＯ Ｄ−ＸＬが７をわずかに超える一方、繊維／粉末管（多孔質焼結体）のＬＲＶ値が８を超え、これは、ＧＫＮを２等級超上回る増加であり、ＫＭＣを１等級超上回ることを示す。当業者は、粒子保持が透過性を犠牲にして生じることを理解するが、本発明によって逆のことが起こった。

最後に、細孔を微細粘土の粉末で塞ぎ、管が破裂するまで油で加圧することによって、実施例３からの繊維／粉末管（多孔質焼結体）の強度を測定した。繊維／粉末管（多孔質焼結体）は、２２００ｐｓｉの圧力で破裂し、この値は、粉末のみの管に非常に類似している。

本発明は、金属粉末のみから作製されたフィルタと比べて、金属繊維と金属粉末との混合物から作製されたガスフィルタについての、透過性の向上、および粒子保持の向上および等価強度を可能にする。本発明は、繊維のみで簡単に作製することができない複雑な幾何学形状の容易な形成も可能にする。

本発明が、その特定の実施形態を参照してかなり詳細に説明されているが、他の形態が可能である。したがって、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲は、この説明に限定されるものではなく、他の形態が、本明細書の範囲内に含まれる。

１１ 金属繊維
１２ 金属粉末
１３ ろ材

Claims (8)

1. 多孔質構造を有する、一緒に焼結される金属粒子および金属繊維の等方性組成物
   を含む多孔質焼結体であって、
   前記金属粒子が、前記多孔質焼結体中の１つ以上の金属繊維の部分に焼結される結節点であり、前記金属繊維が、前記多孔質焼結体全体にわたって１つ以上の他の金属繊維の部分に焼結され、前記組成物の細孔径が１０μｍ以下である多孔質焼結体。
2. 前記多孔質焼結体の反対面が、金属粒子および金属繊維のほぼ同じ分布を有する、請求項１に記載の多孔質焼結体。
3. 前記金属粒子が、前記繊維に融合される、請求項１に記載の多孔質焼結体。
4. 前記金属粒子が、部分的に溶融され、前記繊維に融合される、請求項１に記載の多孔質焼結体。
5. 多孔質焼結体の空気透過性が、１４ポンド毎平方インチの差圧で、多孔質焼結体の幾何学的面積の１平方センチメートル当たり１．７標準リットル毎分より多く、前記多孔質焼結体のＬＲＶが、エアロゾルとして０．０１４μｍを中心とするサイズ分布を有する数百万個の粒子が前記多孔質焼結体を負荷するのに使用される場合に測定される際に６ＬＲＶを超える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の多孔質焼結体。
6. ０．２８センチメートルの厚さおよびエアロゾルとして０．０１４μｍを中心とするサイズ分布を有する数百万個の粒子が前記多孔質焼結体を負荷するのに使用される場合に測定される際に６を超えるＬＲＶを有する、請求項５に記載の多孔質焼結体。
7. 請求項５に記載の多孔質焼結体を含むディフューザ。
8. 請求項５に記載の多孔質焼結体を含むフィルタ。

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