JP4071025B2 - ハニカム構造体の製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハニカム構造体の製造方法に関し、特に、ハニカム構造体の製造における成形工程又は乾燥工程において、曲がりや断面形状の変形を抑制することができるハニカム構造体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハニカム構造体は、触媒担体や各種フィルターに広く用いられており、最近はディーゼルエンジンから排出される粒子状物質を捕捉するためのフィルター（以下、ＤＰＦという）としても注目されている。
【０００３】
このようなハニカム構造体は、一般にセラミックスを主成分とすることが多く、セラミックス原料に水や各種添加剤を加えて坏土状とした後、これを押出成形してハニカム形状の成形体とし、これを乾燥後、焼成してハニカム構造体とする製造方法が一般に用いられている。
【０００４】
このような製造方法における成形工程や乾燥工程において、成形体の曲がりやねじれなどの変形が生じるという問題がある。また、ハニカム構造体を、四角柱状を基本形状とする複数のハニカム構造のセグメントに分割し、これを接合一体化させた構造とする場合がある。このような場合に各セグメントに曲がりやねじれなどの変形が生じると接合が困難になるという問題も生じる。
【０００５】
乾燥時の曲がり等を抑制する方法として、特開２００１−１３０９７３公報には、圧力印加手段を備えた上治具と下治具とからなる乾燥用治具を用いてハニカム構造を有するセラミック成形体を乾燥する方法、及び印加圧力は０．４〜０．６ＭＰａが好ましいことが開示されている。また、特開２００１−１９５３３公報には、ハニカム構造を有するセラミック成形体の長手方向に平行な側面のほぼ全面を密着状態で包囲するように構成された２個の分離した治具からなる乾燥用治具が開示されている。しかし、このような方法では、成形体の曲がりを抑制することはできても、流通孔がつぶれる場合があり、結果として成形体の断面形状の変形を招く場合がある。また、この方法は、成形工程における変形についてはまったく考慮されていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ハニカム構造体を製造する際の成形工程及び乾燥工程において曲がりや断面形状の変形を少なくすることにより、最終的に製造されるハニカム構造体の曲がりや変形を少なくするハニカム構造体の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は第１に、外周壁と、外周壁の内側に配置された隔壁と、隔壁により仕切られ軸方向に貫通する複数の流通孔とを有する成形体を押出成形する成形工程と、前記成形体を乾燥する乾燥工程とを含むハニカム構造体の製造方法であって、前記成形工程において、受け治具上の外周壁の少なくとも１つの面の、水平面に対する傾斜角度が、１５〜３５°となるように受ける受け治具を用いて、押出された成形体を受ける工程を含み、前記乾燥工程において、前記成形体を前記受け治具で受けた状態で乾燥する工程を含むことを特徴とするハニカム構造体の製造方法を提供するものである（第１の発明）。第１の発明において、前記受け治具が、断面がＶ字状を形成する２つの面を有する受け治具であることが好ましい。
【０００８】
本発明は第２に、外周壁と、外周壁の内側に配置された隔壁と、隔壁により仕切られ軸方向に貫通する複数の流通孔とを有する成形体を押出成形する成形工程と、前記成形体を乾燥する乾燥工程とを含むハニカム構造体の製造方法であって、前記成形工程において、成形体を受ける面の断面がＶ字状の頂点部分に切り込み部を有する形状であって、受け治具上の外周壁の少なくとも１つの面の、水平面に対する傾斜角度が、１５〜４５°となるように受ける受け治具を用いて、押出された成形体を受ける工程を含み、前記乾燥工程において、前記成形体を前記受け治具で受けた状態で乾燥する工程を含むことを特徴とするハニカム構造体の製造方法を提供するものである（第２の発明）。第２の発明における前記Ｖ字状の断面において、Ｖ字の１つの辺における頂点から端部方向への切り込み部の長さが、前記１つの辺を形成する面上にのる外周壁面の、軸方向に対する垂直断面長さの５〜３０％であることが好ましく、受け治具が、受け治具上の外周壁の少なくとも１つの面の、水平面に対する傾斜角度が３５〜４５°となるように受ける受け治具であることが好ましい。
【０００９】
本発明は第３に、外周壁と、外周壁の内側に配置された隔壁と、隔壁により仕切られ軸方向に貫通する複数の流通孔とを有する成形体を押出成形する成形工程と、前記成形体を乾燥する乾燥工程とを含むハニカム構造体の製造方法であって、前記成形工程において、外周壁の１つの面で受ける受け治具を用いて、押出された成形体を受ける工程を含み、前記乾燥工程において、成形体を受ける面の断面がＶ字状の頂点部分に切り込み部を有する形状であって、受け治具上の外周壁面の少なくとも１つの面の、水平面に対する傾斜角度が、１５〜４５°となるように受ける受け治具を用いて、前記成形体を受けた状態で乾燥する工程を含むことを特徴とするハニカム構造体の製造方法を提供するものである（第３の発明）。
【００１０】
また、第１〜第３の発明において、ハニカム構造体がセラミックスを主成分とすることが好ましく、前記主成分が炭化珪素を含むことが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、第１〜第３の発明であるハニカム構造体の製造方法を具体的な実施形態に基づいて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書において、断面とは特に断りのない限り図１において示される軸方向に対する垂直方向の断面を意味する。
【００１２】
第１〜第３の発明における成形工程は、例えば図１に示すように、外周壁７と、外周壁７の内側に配置された隔壁２と、隔壁２により仕切られ軸方向に貫通する複数の流通孔３とを有する成形体１を押出成形する工程であり、乾燥工程は、押出成形された成形体１を乾燥して水分を除去する工程である。
【００１３】
第１の発明の重要な特徴は、図２及び図３に示すように、成形工程において、押出機（図示せず）の口金５０から押出される成形体１の、受け治具１０上にのる外周壁の面７ａ又は７ｂの少なくとも１つの面の、水平面ｈに対する傾斜角度θ、即ち、成形体の断面において受け治具上の外周壁が形成する少なくとも１つの辺と、同一断面上における水平線との成す角度θが、１５〜３５°となるように成形体１を受ける受け治具１０を用いて、押出成形された成形体を受ける工程を含み、更に乾燥工程において、成形体１を受け治具１０で受けた状態、即ち角度θが１５〜３５°の状態で乾燥をする工程を含むことである。
【００１４】
このような方法を採用することにより、成形体の成形時及び乾燥時における曲がりや断面形状の変形を抑制することができ、最終的に変形の少ないハニカム構造体を得ることができる。
【００１５】
例えば図７に示すように、断面がＶ字状であって、傾斜角度θが４５°となるような受け治具１０で、押出された成形体を受けて、この状態で乾燥を行うと、乾燥工程における図１０に示すような曲がりを効果的に抑制することができる。しかし、成形工程において、図２に示すように、受け治具１０を、例えば下方から上方向へ移動させて位置合わせをして成形体を受け治具にのせるような場合、成形体１と受け治具との位置合わせが難しく、成形体１又は受け治具の寸法、角度又は位置の若干のずれにより、図７に示す成形体１のコーナー部６ａ、６ｂ、６ｃの何れか１点又は２点以上の部分に過大な応力がかかりやすくなり、コーナー部のつぶれによる変形を招きやすい。
【００１６】
一方、図８に示すように、外周壁の１つの面で受ける受け治具、即ち傾斜角θがほぼ０°となるような治具を用いて、押出された成形体を受けて、この状態で乾燥を行うと、成形工程におけるコーナー部のつぶれによる変形はおきにくいが、乾燥工程における図１０に示すような曲がりが発生しやすくなる。
【００１７】
これに対して、例えば図３に示すように、θが１５〜３５°となるような受け治具１０を用いて押出された成形体を受けて、この状態で乾燥を行うと、成形工程において、成形体１又は受け治具１０の寸法、角度又は位置が若干ずれても、受け治具１０の受け面１２で成形体の外周壁面７ａを受けることができ、コーナー部のつぶれによる変形が生じにくく、かつ乾燥工程における図１０に示すような曲がりが発生しにくくなる。
【００１８】
第１の発明において用いられる受け治具は、θが１５〜３５°となるように成形体を受けることができるものであればよいが、図３に示すように、断面形状がＶ字状を形成する２つの面を有することが、成形体を２面で受けることができ、乾燥工程における曲がりも効果的に抑制できるため好ましい。Ｖ字の頂点における角度は、成形体における受け治具上にのる２つの外周壁面が形成する角度と同様であることが好ましい。例えば、成形体の断面形状が長方形である場合には、頂点が９０°のＶ字状であることが好ましい。Ｖ字の２つの辺の長さは、受け治具上の２つの外周壁面の断面長さの７０％以上であることが、成形体にかかる応力を分散できる点で好ましい。
【００１９】
なお、上述のように、断面Ｖ字状を形成する２つの面を有する受け治具により成形体を受ける場合には、受け治具上の外周面は２面となるため、θは各々の外周面に対して存在するが、第１、第２又は第３の発明において、何れかのθが発明の範囲内、又は好適な範囲内に入ればよい。なお、成形体の断面形状が長方形である場合、即ち各内角が９０°である場合には、何れかのθは必ず０〜４５°の範囲となる。
【００２０】
次に第２の発明について説明する。第２の発明の重要な特徴は、図４及び図５に示すように、押出工程において、断面がＶ字状の頂点部分に切り込み部１４を有する形状であって、θが１５〜４５°、好ましくは３５〜４５°、更に好ましくは略４５°となるように受ける受け治具１０を用いて、押出された成形体１を受ける工程を含み、乾燥工程において、受け治具１０に受けた状態で乾燥する工程を含むことである。この様な形状の受け治具を用いることにより、成形体１のコーナー部６ａと受け治具とが接触しないため、成形工程において、成形体１又は受け治具の寸法、角度又は位置が若干ずれても、成形体１のコーナー部６ａに過大な応力がかかることがなくなり、受け治具の面全体で成形体の外周壁面を受けやすくなるため、コーナー部のつぶれによる変形が生じにくく、かつ乾燥工程における図１０に示すような曲がりが発生しにくくなる。
【００２１】
第２の発明において、図５に示す断面Ｖ字の１辺における頂点ｖから端部方向への切り込み部１４の長さｒに特に制限はないが、長さｒが長すぎる、即ち切り込み部１４が大きすぎると、押出された成形体を受ける際の受け治具の面積が小さくなりすぎ、受け治具の面と切り込み部との境界部分上の外周面に過大な応力がかかりやすくなり、成形体のつぶれによる変形がおきやすくなる。一方、切り込み部の長さｒが小さすぎると、成形体のコーナー部に過大な応力がかかることを回避する本発明の効果が得られにくくなる。従って、切り込み部の長さｒは、成形体を受け治具で受けた際に、受け治具の面上にのる外周壁面の、断面長さＲの５〜３０％、更に１０〜２０％、特に１５％程度であることが好ましい。また、第１又は第２の発明において、成形体を受ける際のθと、乾燥の際のθは必ずしも同じである必要はなく、いずれの工程においても各々の発明の範囲内に入っていれば、各々の発明の効果を奏することができる。
【００２２】
次に第３の発明について説明する。第３の発明の重要な特徴は、押出工程において、図８に示すように、外周壁の１つの面７ａで受ける受け治具１０を用いて、押出された成形体１を受ける工程を含み、乾燥工程においては、図３又は図７に示すように、θが１５〜４５°となるように受ける受け治具を用いて成形体１を受けた状態で乾燥する工程を含むことである。この用な方法を採ることにより、成形工程におけるコーナー部のつぶれによる変形を抑制し、かつ乾燥工程における成形体の曲がりによる変形を抑制することができる。
【００２３】
第３の発明において、成形工程において用いる受け治具と乾燥工程で使用する受け治具は同一であっても異なるものであってもよいが、同一である場合には、例えば、押出工程において、図６（ａ）に示すように、受け治具の１つの受け面１２をほぼ水平とし、この受け面１２で成形体１を受けることにより、外周壁の１つの面７ａがほぼ水平となるように、押出された成形体１を受け、乾燥工程において、図６（ｂ）に示すように、θが１５〜４５°となるように受け治具の角度を変えて、乾燥を行うことができる。
【００２４】
第３の発明において、乾燥工程において用いられる受け治具は、図３又は図７に示すような形状、即ち断面がＶ字状を形成する２つの面を有することが、容易にθを本発明の範囲に入るようにすることができる点で好ましい。また、図５に示すように、第２の発明で用いられるような、断面がＶ字状の頂点部分に切り込み部１４を有し、θが１５〜４５°となるような形状であることも、例えば成形工程で用いた受け治具から乾燥工程で用いる受け治具へ移し替える際のコーナー部のつぶれによる変形や、乾燥工程における曲がりによる変形を容易に抑制できる点で好ましい。
【００２５】
第１〜第３の発明に係る成形体は、セラミックスを主成分とすることが、成形体を各種フィルターや担体に用いる場合に好ましく、特に主成分が炭化珪素を含むことが、耐熱性などの観点から、例えばＤＰＦ等に用いる場合に好ましい。また、第１〜第３の発明に係る成形体は、少なくとも２つの面、好ましくは平面を外周面に有することが好ましく、更に、四角柱状であることが好ましい。特に断面形状が長方形の場合、本発明の効果が最も良く現れる。従って、成形体の断面形状は、長方形であることが更に好ましく、特に正方形であることが好ましい。
【００２６】
第１〜第３の発明における成形方法は、押出成形であれば、他に特に制限はないが、例えば、金属珪素及び炭化珪素を一定調合割合で調合し、これに、水、有機バインダー、界面活性剤、造孔剤、焼結助剤等を添加した原料を混合・混練して坏土としたものを押出機により押出成形を行う、又は原料を押出機により混練しつつ押出成形を行うことにより成形することができる。この際に押出された成形品を第１〜第３の発明に係る受け治具で受ける。
【００２７】
第１〜第３の発明における乾燥の手段に特に制限はないが、マイクロ波乾燥及び／又は熱風乾燥により乾燥が行われることが好ましい。マイクロ波乾燥は乾燥速度が速いという利点を有するが、マクロ波乾燥だけでは充分に乾燥しきれない場合がある。従って、マイクロ波乾燥と熱風乾燥とを組み合わせることが好ましく、更には、マイクロ波乾燥を行って、ある程度水分を除去した後、熱風乾燥を行うことが好ましい。
【００２８】
また、マイクロ波乾燥工程におけるマイクロ波の出力に特に制限はないが、０．５〜３ｋＷ／ｋｇ程度とすることが好ましい。マイクロ波の出力が低い場合は、乾燥時間が長くなるため、自重でつぶれる問題が発生し、マイクロ波の出力が高い場合は、バインダーが燃え出す等の不具合が発生するからである。また、マイクロ波乾燥工程において、全脱水量の３０〜８０質量％を脱水し、熱風乾燥工程において残りの水分を脱水することが、曲がりを防止する観点から好ましい。また、熱風乾燥において、通風式又は熱風循環式の熱風乾燥手段を用いることが好ましい。
【００２９】
ハニカム構造体を製造する場合、特に、セラミックスを主成分とするハニカム構造体を製造する場合には、一般に乾燥工程の後に、焼成工程により成形体を焼成する。焼成工程における焼成温度及び焼成雰囲気は原料により異なり、当業者であれば、選択されたセラミック原料に適切な焼成温度及び焼成雰囲気を選択することができる。例えば、ハニカム構造体が金属珪素と炭化珪素を主成分とする場合、窒素雰囲気中で加熱脱脂し、その後アルゴン等の不活性雰囲気中で焼成することによりハニカム構造体を得ることができる。また、ハニカム構造体をＤＰＦ等のフィルターとして用いる場合には、隣接する流通孔が互いに反対側となる一方の端部でフィルターの製造に用いた材料と同様の材料で目封止する目封止工程を行うことが好ましい。この工程は、成形工程の後であればどの段階で行われてもよいが、一般に目封止部も焼成することが好ましいため、焼成工程の前に行われることにより、全体を１回で焼成できるため好ましい。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
原料として、ＳｉＣ粉８０質量％及び金属Ｓｉ粉２０質量％の混合粉末を使用し、これにメチルセルロース及びヒドロキシプロポキシルメチルセルロース、界面活性剤及び水を添加して、可塑性の坏土を作製した。この坏土を押出成形して、１辺の長さが５０ｍｍの正方形である断面形状を有し、長さ４００ｍｍの、図１に示すような四角柱状成形体を作成した。この際に、押出機から押出された成形体を図２及び図３に示すような治具を用いて、θが１５°となるように成形体を受けた。次に、この治具に受けた状態、即ちθを１５°に保った状態でマイクロ波乾を行った後、熱風乾燥を行った。この操作を、１００個の成形体について行った。乾燥後の成形体の断面形状の変形を調べるため、各成形体について端面の対角線の長さの差、即ち図９における（ｘ１−ｘ２）の絶対値を測定し、この差のバラツキを対角線差の標準偏差（σ）として表１に示した。更に、得られた成形体の曲がり量βを測定した結果を表１に示した。曲がり量βは、図１０に示すように、成形体を所定の治具にのせ、長手方向両端の２点、ｘ１及びｘ２の上下方向の位置の平均と、この２点の中間点における外周壁の上下方向の位置との差をダイヤルケージで測定した値とした。
【００３１】
（比較例１）
図７に示すような断面Ｖ字状治具を用いて、成形工程及び乾燥工程におけるθを４５°とした以外は、実施例１と同様に、成形、乾燥、評価を行い結果を表１に示した。
（比較例２）
図８に示すような平面状の受け治具を用いて、押出された成形体を受け、その状態で乾燥を行った以外は、実施例１と同様に、成形、乾燥、評価を行い結果を表１に示した。
【００３２】
【表１】
Figure 0004071025
【００３３】
表１より、比較例１の方法では、曲がり量は少なかったものの、σが大きく、コーナー部のつぶれによる変形のバラツキが大きいことを示した。比較例２の方法では、σは小さかったが、曲がり量が大きくなった。これに対して、実施例１の方法では、σも曲がり量も小さく、断面形状及び曲がりによる変形が効果的に抑制され、安定した寸法が得られた。
【００３４】
（実施例２〜４）
図５に示すような、断面Ｖ字状の頂点部分に切り込み部１４を有し、θが４５°であり、切り込み部の大きさ、即ち外周壁の長さＲを１００とし、これに対する切り込み部の長さｒの比が各々表２に示す値である治具を各々用いた以外は、実施例１と同様に、成形、乾燥、評価を行い結果を表２に示した。
【００３５】
【表２】
Figure 0004071025
【００３６】
実施例２〜４の方法の総てにおいて、コーナー部のつぶれは少なく、曲がり量も比較的良好な範囲に抑制することができた。但し、この実施例の条件における実施例４の方法では、切り込み部が大きすぎたために、受け治具と切り込み部の境界部分において、ここで用いた成形体にとって過大な応力がかかり、この部分の変形が見られ、結果として、σが大きくなった。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明してきたとおり、第１〜第３の発明のハニカム構造体の製造方法によって、成形工程における変形と乾燥工程における変形とを同時に抑制することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るハニカム構造体の一形態を示す模式的な斜視図である。
【図２】 本発明に係る成形工程の一形態を示す模式的な斜視図である。
【図３】 本発明に係る成形体を受け治具に受けた状態を示す模式的な正面図である。
【図４】 本発明に係る成形工程の別の形態を示す模式的な斜視図である。
【図５】 本発明に係る成形体を別の形態の受け治具に受けた状態を示す模式的な正面図である。
【図６】 （ａ）は、本発明に係る成形体を別の形態の受け治具に受けた状態を示す模式的な正面図であり、（ｂ）は受け治具の角度を変えた状態を示す模式的な正面図である。
【図７】 本発明に係る成形体を更に別の形態の受け治具に受けた状態を示す模式的な正面図である。
【図８】 本発明に係る成形体を別の形態の受け治具に受けた状態を示す模式的な正面図である。
【図９】 本発明に係る成形体の断面形状における変形を測定する方法を示す模式的な正面図である。
【図１０】 本発明に係る成形体の曲がりを測定する方法を示す模式的な側面図である。
【符号の説明】
１…成形体、２…隔壁、３…流通孔、６ａ、６ｂ、６ｃ…コーナー部、７…外周壁、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ…外周壁面、１０…受け治具、１２…受け治具の受け面、１４…切り込み部、５０…口金。

Claims (8)

  1. 外周壁と、外周壁の内側に配置された隔壁と、隔壁により仕切られ軸方向に貫通する複数の流通孔とを有する成形体を押出成形する成形工程と、前記成形体を乾燥する乾燥工程とを含むハニカム構造体の製造方法であって、
    前記成形工程において、受け治具上の外周壁の少なくとも１つの面の、水平面に対する傾斜角度が、１５〜３５°となるように受ける受け治具を用いて、押出された成形体を受ける工程を含み、
    前記乾燥工程において、前記成形体を前記受け治具で受けた状態で乾燥する工程を含むことを特徴とするハニカム構造体の製造方法。
  2. 前記受け治具が、断面がＶ字状を形成する２つの面を有する受け治具である請求項１に記載のハニカム構造体の製造方法。
  3. 外周壁と、外周壁の内側に配置された隔壁と、隔壁により仕切られ軸方向に貫通する複数の流通孔とを有する成形体を押出成形する成形工程と、前記成形体を乾燥する乾燥工程とを含むハニカム構造体の製造方法であって、
    前記成形工程において、成形体を受ける面の断面がＶ字状の頂点部分に切り込み部を有する形状であって、受け治具上の外周壁の少なくとも１つの面の、水平面に対する傾斜角度が、１５〜４５°となるように受ける受け治具を用いて、押出された成形体を受ける工程を含み、
    前記乾燥工程において、前記成形体を前記受け治具で受けた状態で乾燥する工程を含むことを特徴とするハニカム構造体の製造方法。
  4. 前記Ｖ字状の断面において、Ｖ字の１つの辺における頂点から端部方向への切り込み部の長さが、前記１つの辺を形成する面上にのる外周壁面の、軸方向に対する垂直断面長さの５〜３０％である請求項３に記載のハニカム構造体の製造方法。
  5. 受け治具が、受け治具上の外周壁の少なくとも１つの面の、水平面に対する傾斜角度が３５〜４５°となるように受ける受け治具である請求項３又は４に記載のハニカム構造体の製造方法。
  6. 外周壁と、外周壁の内側に配置された隔壁と、隔壁により仕切られ軸方向に貫通する複数の流通孔とを有する成形体を押出成形する成形工程と、前記成形体を乾燥する乾燥工程とを含むハニカム構造体の製造方法であって、
    前記成形工程において、外周壁の１つの面で受ける受け治具を用いて、押出された成形体を受ける工程を含み、
    前記乾燥工程において、成形体を受ける面の断面がＶ字状の頂点部分に切り込み部を有する形状であって、受け治具上の外周壁面の少なくとも１つの面の、水平面に対する傾斜角度が、１５〜４５°となるように受ける受け治具を用いて、前記成形体を受けた状態で乾燥する工程を含むことを特徴とするハニカム構造体の製造方法。
  7. ハニカム構造体がセラミックスを主成分とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のハニカム構造体の製造方法。
  8. 前記主成分が炭化珪素を含む請求項７に記載のハニカム構造体の製造方法。
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