JP4811189B2 - 排ガス浄化用フィルタ基材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排ガス浄化用として使用されるセラミック製フィルタ基材を製造する方法に関する。

従来より、車両エンジンの排気通路に排ガス浄化用フィルタを設置することが行われている。例えば、ディーゼルエンジンから排出される微粒子を捕集するパティキュレートフィルタが知られ、そのフィルタ基材として、セラミックハニカム構造体が用いられている。セラミックハニカム構造体は、一般的に、セラミック原料にバインダ等の助剤と水を加えて混練し、得られた坏土を押出成形して所定形状の成形体としたものを、焼成することにより製造される。この際、セラミック原料や添加助剤を適宜選択して坏土を調製することで、セル壁の気孔率を大きくし、セルを区画する多孔性のセル壁に排気微粒子を捕集可能としている。

車両用として広い温度範囲で使用されるセラミックフィルタ基材には、低熱膨張性と耐熱衝撃性を有することが要求される。このような材料として、特許文献１、２に記載されるように、コージェライト（理論組成：２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃ ・５ＳｉＯ₂）が広く使用されており、成形工程において添加されるバインダには、有機バインダ、例えば、メチルセルロース系バインダが使用される。
特開昭５６−１４００７３号公報 特開平９−７７５７３号公報

バインダを含む成形助剤は、焼成工程において、成形体を昇温する過程で燃焼し、除去される。例えば、従来のメチルセルロース系バインダは２００〜２５０℃で燃焼し、その後基材が強度低下するため、焼成工程で基材に加わる応力が大きいと割れが生じるおそれがある。例えば、２００℃〜３００℃にかけて基材が大きく収縮するために（水酸化アルミニウムの脱水収縮）、基材に応力がかかるのに対して、バインダ燃焼により基材強度は当該温度域においてむしろ低下するからである。割れを回避するには、焼成工程において、〜４００℃の温度域においてゆっくり昇温させることが重要で、基材内の温度差を低減して、収縮率の差がおきないようにしていた。

しかしながら、近年、フィルタ基材を大型化する要求があり、昇温速度を小さくすることは、焼成工程にかかる時間を増大させ、生産性の低下につながる。特に、フィルタ基材は、排気微粒子を捕集するためにセル壁の気孔率が大きくなっており、さらに熱容量を低減する目的で、ハニカム構造体のセル壁が薄肉化する傾向にある。これらにより、基材強度を維持するための焼成温度や温度管理が難しくなっており、フィルタ基材の製造において、焼成時の保形性を高めることが新たな課題となっている。

本発明は上記実情に基づいてなされたものであり、排ガス浄化用として使用されるフィルタ基材の焼成工程における基材強度を向上させ、焼成に要する時間を短縮して、生産性を向上させることを目的とするものである。

上記課題を解決するための請求項１の発明は、セラミック原料に助剤を添加、混練して得たセラミック材料を成形し、得られた成形体を焼成して、多孔性隔壁で区画された多数のセルを有する排ガス浄化用フィルタ基材を製造する方法である。本発明方法では、
上記基材を構成するセラミックがコージェライトを主として含有し、
上記助剤として、少なくとも４００℃まで燃焼しない耐熱性バインダを使用し、上記耐熱性バインダがワニスであることを特徴とする。

基材を構成するコージェライト原料のうち、例えば水酸化アルミニウムは、２００〜３００℃の温度域で脱水収縮する。従来のバインダは成形時の保形が目的であるため、この温度域で焼失してしまうが、本発明では、少なくとも４００℃まで燃焼しない耐熱性バインダを使用するので、水酸化アルミニウムの脱水収縮時にも基材強度を維持することができる。

これにより、焼成工程におけるフィルタ基材の強度を向上させて、応力による割れを防止し、従来よりも速く昇温させて焼成に要する時間を短縮して、生産性を大幅に向上させることができる。

上記温度域まで燃焼しない耐熱性を有するバインダとしてワニスが挙げられ、好適には高分子ワニス等のワニスが使用される。

請求項２の製造方法では、上記耐熱性バインダを１種類または複数種類、組み合わせて使用する。

耐熱性バインダは１種類でもよいが、例えば、基材を構成するコージェライト原料の脱水収縮温度域に対応させて、燃焼温度域の異なる複数の耐熱性バインダを使用することもできる。

請求項３の製造方法では、上記耐熱性バインダと、燃焼温度が４００℃より低い保形用バインダの少なくとも１種類を組み合わせて使用する。

耐熱性バインダに加えて、通常の保形用バインダを使用することもでき、焼成時の保形性と、成形時の保形性や流動性とをより高度に両立させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図３は、本発明が適用されるディーゼルエンジンのパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１の概略構成図であり、多孔質のセラミックハニカム構造体からなるフィルタ基材２により構成されている。図４において、フィルタ基材２は、排ガス流路となる多数のセル２２を有するハニカム状に成形されており、各セル２２は、多孔性隔壁２１で区画されている。多数のセル２２は、排ガスの流れ方向（図の矢印の方向）に平行に設けられ、各セル２２の一端側（入口１１側および出口１２側のいずれか一方）を交互に盲栓することで、多孔性隔壁２１を介して各セル２２間を排ガスが流通するフィルタ構造となる。

パティキュレートフィルタ１の入口１１から流入する排ガスは、多孔性隔壁２１を通過しながら各セル２２間を流通し、出口１２へ向かう。排ガス中の微粒子はその間に、多孔性隔壁２１内の気孔に捕集される。このため、フィルタ基材２の気孔率は、通常、４０％以上、好ましくは、５０％ないし７０％程度とするのがよい。気孔率が大きいほど圧損を低減できるが、捕集効率や隔壁強度は逆に低下することから、これらを考慮して設定することが好ましい。

本発明はこのフィルタ基材２の製造方法に関するものである。フィルタ基材２は、セラミック原料粉末に成形助剤および水を所定割合で配合し、混合、混練して得た坏土を、ハニカム形状に押出成形し、焼成することにより得られる。フィルタ基材２を構成するセラミック材料には、理論組成：２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂で表されるコージェライトを主として含有するものが好適に使用される。コージェライトを用いると、低熱膨張で耐熱衝撃性の高いフィルタ基材２を得ることができる。

コージェライトの原料には、カオリン、タルク、シリカ、アルミナ、水酸化アルミニウム等が使用され、これらコージェライト化原料を予めコージェライト組成となるように配合してセラミック原料粉末とする。この時、例えば水酸化アルミニウムのように結晶水を比較的多く含有する原料を用いると、昇温過程でその中に含まれる結晶水が蒸発するために、気孔を形成しやすい。

このセラミック原料粉末に、押出成形時の保形性や流動性を向上させる目的で、バインダ等の成形助剤が添加される。また、潤滑剤や、１００℃以下で発泡する有機発泡材、カーボン等の可燃性物質を適宜添加することもできる。有機発泡材および可燃性物質は、フィルタ基材２の気孔率、気孔径等を制御するためのもので、ハニカム成形体の焼成工程で焼失し、その体積分が気孔となる。このように、使用する原料や粒径、助剤等を適宜選択することによって、所望の特性の坏土とし、フィルタ基材２の気孔率や気孔径を制御することができる。

本発明では、上記セラミック原料粉末に添加されるバインダとして、燃焼温度が４００℃以上であり、少なくとも上記セラミック材料の脱水収縮開始まで燃焼しない耐熱性バインダを使用する。従来のバインダは、通常、４００℃より低い温度域で燃焼し、上述したコージェライト化原料のうち、例えば水酸化アルミニウムも、４００℃より低い温度域で脱水収縮するが、燃焼温度が４００℃以上の耐熱性バインダを用いることで、水酸化アルミニウムの脱水収縮時まで基材強度を維持することができる。

燃焼温度が４００℃以上の耐熱性バインダとしては、例えば、ワニスが挙げられる。ワニスは樹脂成分を溶剤に溶解させたもので、具体的には、ポリイミド樹脂ワニス等の高分子ワニスを使用することができる。さらに、燃焼温度が６００℃以上の耐熱性バインダを用いると、４００〜６００℃のカオリンの脱水時まで、基材強度を保つことできる。また、燃焼温度が９００℃以上の耐熱性バインダを用いることで、８００〜９００℃のカオリンの脱水時まで、基材強度を保つことできる。

本発明では、これら耐熱性バインダの１種類を使用するか、または複数種類を組み合わせて使用する。また、従来使用されている保形用のバインダ、例えばメチルセルロース系のバインダ（燃焼温度２００〜２５０℃）を併用することもできる。複数種類を組み合わせて使用する場合には、成形時の保形性や流動性、焼成時の保形性といった必要な特性に応じて、燃焼温度が異なる耐熱性バインダおよび保形用バインダを適宜組み合わせ、その添加量を調整すればよい。

耐熱性バインダの添加量は、通常、コージェライト化原料１００重量部に対して数重量部程度とするとよい。これより添加量が少ないと、強度(保形性)が不足する。バインダの燃焼熱の増大による基材の過昇温を防止するため、通常の保形用バインダを併用する場合には、合計の添加量が、コージェライト化原料１００重量部に対して１０重量部程度となるように添加するとよい。

コージェライト化原料を上述した助剤および水と混合し、公知の混練機を用いて混練することにより得た坏土は、公知の押出成形機を用いてハニカム形状に押出成形し、セラミックハニカム成形体とする。次いで、公知のマイクロ波乾燥機、熱風乾燥機等を用いて例えば約１００℃前後に加熱することにより、乾燥させる。基材に有機発泡材が含有される場合には、この乾燥工程で発泡する。次いで、大気雰囲気中で昇温させて脱脂した後、コージェライト化温度以上で焼成する。この昇温過程で、セラミック原料粒子に含まれる結晶水、および成形時に添加される助剤等の有機物が所定の温度域で分解する。焼成温度は、通常、約１３００〜１４５０℃の範囲とし、所定時間保持することにより、コージェライト化する。

本発明では、耐熱性バインダの添加により少なくとも４００℃まで基材強度が保たれるので、昇温速度を従来よりも大きくすることができる。例えば、従来の製造方法では、２００〜３００℃の範囲で、約５０℃／ｈｒ程度以下であった昇温速度を、倍以上に高めることができ、しかも温度差による割れ等が生じるのを防止して、生産性を高めることができる。

図１は、上述した焼成工程中、セラミックハニカム成形体の昇温過程における、基材の収縮率の一例を示したものである。基材を構成するセラミックはコージェライトであり、コージェライト化原料として、カオリン、タルク、シリカ、アルミナ、水酸化アルミニウムの各粉末を、コージェライト組成となるように調合し、成形助剤として、耐熱性バインダであるポリイミド樹脂ワニスと、保形用バインダであるメチルセルロースを添加したものを、上述した方法で混練、成形、乾燥させた。コージェライト化原料１００重量部に対する、ポリイミド樹脂ワニス、メチルセルロースの添加量は、それぞれ５重量部、５重量部とした。

図１に点線で囲んで示すように、焼成により２００〜３００℃にかけて大きく基材が収縮する。これは、コージェライト化原料である水酸化アルミニウムの脱水収縮によるもので、この時、基材には焼成速度により、図２に示すような応力がかかる。図２中、点線は、保形用バインダであるメチルセルロースのみを添加した従来基材強度を示すもので、従来のメチルセルロースは４００℃までに燃焼してしまい、基材強度が著しく低下する。このため、応力による割れを防止するには、応力が基材強度を超えないように、焼成パターンを設定する必要がある。

従来の焼成パターンでは、４００℃以下の温度範囲における昇温速度を遅くして、基材強度が急低下する２００〜３００℃における応力が小さくなるようにしている。この時、昇温速度を速くすると、基材内の温度差によって生じる応力に耐えることができず、割れが発生することになる。

これに対し、耐熱性バインダであるポリイミド樹脂を用いた本発明では、基材強度を４００℃程度まで保つことができる。よって、４００℃以下の温度範囲における昇温速度を速くすることにより、２００〜３００℃における応力が大きくなっても、基材強度が十分大きいので、割れが生じるのを防止することができる。以上により、例えば、従来は４５０℃まで、昇温速度約５０℃／ｈｒ以下で時間をかけて昇温していたものを、本発明方法によれば、倍以上の昇温速度で昇温可能とし、焼成に要する時間を大幅に短縮可能となる。

以上のように、本発明によれば、成形時に助剤として耐熱性バインダを添加することにより、焼成時の基材強度を向上させ、その結果、焼成時間を短縮して、生産性を向上できる。

焼成工程におけるフィルタ基材の収縮率変化を示す図である。 焼成工程における本発明および従来のフィルタ基材強度と基材にかかる応力を示す図である。 本発明が適用される排ガス浄化用フィルタの概略構成図である。

符号の説明

１ パティキュレートフィルタ（排ガス浄化用フィルタ）
１１ 入口
１２ 出口
２ フィルタ基材
２１ 多孔性隔壁
２２ セル

Claims (3)

1. セラミック原料に助剤を添加、混練して得たセラミック材料を成形し、得られた成形体を焼成して、多孔性隔壁で区画された多数のセルを有する排ガス浄化用フィルタ基材を製造する方法であって、
   上記基材を構成するセラミックがコージェライトを主として含有し、
   上記助剤として、少なくとも４００℃まで燃焼しない耐熱性バインダを使用し、上記耐熱性バインダがワニスであることを特徴とする排ガス浄化用フィルタ基材の製造方法。
2. 上記耐熱性バインダを１種類または複数種類、組み合わせて使用する請求項１記載の排ガス浄化用フィルタ基材の製造方法。
3. 上記耐熱性バインダと、燃焼温度が４００℃より低い保形用バインダの少なくとも１種類を組み合わせて使用する請求項１または２記載の排ガス浄化用フィルタ基材の製造方法。