JP4609831B2 - 排ガス浄化触媒用ハニカム担体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の排ガス、特に、排ガス中にＮＯｘが含まれる、自動車用の排ガスを浄化する触媒を担持するための担体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種の燃焼排ガスの浄化装置のなかで、特に現在広く使用されている自動車排ガス浄化装置に使用される触媒を担持するためのハニカム担体に要求される主な特性は、所謂、耐熱性や耐熱衝撃性である。これは、排ガス中の未燃焼炭化水素や一酸化炭素の触媒酸化反応により急激な発熱が生じるために、８５０℃以上の高温度になるため、高い耐熱性が必要である。また、耐熱衝撃性は、このような急激な発熱による温度上昇のために、ハニカム内に引き起こされる熱応力により亀裂や破壊に耐える性質である。耐熱衝撃性は、熱膨張係数が小さいほどその耐久温度差が大きい。
【０００３】
このような耐熱性や耐熱衝撃性の要求のために、従来、ハニカム担体の材質としては、各種のセラミクスが提案されているものの、もっぱらコージェライト材料が使用されている。コージェライト材料が使用される主な理由は、コージェライトが１４００℃という高い耐熱性を有するとともに、セラミクスのなかでも熱膨張係数が極めて小さく、耐熱衝撃性が大きいことにある。
【０００４】
しかしながら、ハニカム担体の材質としてコージェライト材料は、耐熱性や耐熱衝撃性についてはかなり優れた性質を有するが、一方で、環境上の問題からその除去が急務とされる窒素酸化物（ＮＯx）を含有する排ガスの浄化する触媒担体として使用される場合に重要な難点を有する。すなわち、排ガス中のＮＯｘの除去触媒として、通常、アルカリ金属やアルカリ土類金属成分を含む触媒が使用されるが、この場合、アルカリ金属やアルカリ土類金属の一部が、高温度下においては、担体であるコージェライト内に浸透し、コージェライトと反応する結果、コージェライトの劣化を招くとともに、触媒の損失をもたらすために排ガス中のＮＯｘの除去の低下を引き起こす。これを防ぐために、触媒表面をシリカ（ＳｉＯ2）で被覆する方法などが提案されているが、余分の工程を必要とし、コストの上昇を余儀なくする。
【０００５】
一方、燃費の向上や環境上の問題から、近年自動車の主流の燃焼方式になってきている、燃料をエンジン内に直接噴射する方式や燃料を稀薄燃焼させる方式では、排ガス中のＮＯｘの除去は、炭化水素や一酸化炭素よりも特に重要な問題になっている。このため、排ガスの浄化触媒を担持するハニカム担体は、その材質としてコージェライトに代わる材料が切望されている。
【０００６】
コージェライト以外の材質として、特許文献１には、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ムライト、アルミウムチタネート（チタン酸アルミニウム）、リチウムアルミウムシリケートなどのセラミクスが羅列されているが、これらはいずれも上記ハニカム担体の材料としては不充分である。すなわち、炭化ケイ素、ムライトなどは熱膨張係数が大きく耐熱衝撃性が劣る。また、窒化ケイ素、リチウムアルミニウムシリケートなどは耐熱性の点で性能として不充分である。
【０００７】
また、アルミニウムチタネートは、１７００℃を越える高温下でも優れた安定性、極めて小さい熱膨張係数、及び優れた耐熱衝撃性を有する。しかし、一方においては、結晶構造の異方性が大きいために結晶粒界に熱応力によるズレが生じ易いため機械的強度が小さいという欠点がある結果、壁厚の薄いセル密度の大きいハニカムの製造は困難であり、また自動車などに搭載され、高温下で機械的振動の負荷がかかる排ガスフィルタとしての使用は困難である。さらに、これらのアルミウムチタネートなどは、通常８００〜１２８０℃の温度範囲に分解領域を有し、このような温度範囲を含む領域で長時間継続使用できないという問題点を有す。
【特許文献１】
ＷＯ０１／０３７９７１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、特に、排ガス中にＮＯｘが含まれる、自動車用の排ガスを浄化する触媒を担持するための担体であって、耐熱性、耐熱衝撃性、機械的強度、及び熱分解耐性に優れ、かつアルカリ成分を含有する触媒に対する耐侵食性が高く、長期の使用でも劣化することのない耐久性に優れたハニカム担体、及びその製造方法を提供する。
【０００９】
【課題を解決する手段】
本発明は、上記課題を解決するために、チタン酸アルミニウムマグネシウムに着目し鋭意検討したところ次の新規な知見を得た。すなわち、Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物を含む混合物に対して、特定のアルカリ長石を添加した混合物を焼成して得られる焼結体を使用したハニカム担体は、高い耐熱性と低熱膨張性に基づく耐熱衝撃性を維持しながら、従来のチタン酸アルミニウムマグネシウム焼結体と異なり、大きい機械的強度、熱分解耐性を有するとともに、この焼結体は、ＮＯｘを除去する触媒として、アルカリ金属やアルカリ土類金属成分を含む触媒が使用する場合も従来のコージェライト材料のように劣化することがなく、長期にわたり安定して使用できるという知見が得られた。
【００１０】
かかる本発明は、上記新規な知見に基づいて完成されたものであり、次の要旨を有するものである。
（１）排ガスを浄化させる触媒を担持するためのハニカム担体であって、該ハニカム担体の材質が、組成式：ＭｇxＡｌ2(1-x)Ｔｉ(1+x)Ｏ5（式中、式中、０<ｘ<１）で表わされるチタン酸アルミニウムマグネシウムにおけるＭｇ，Ａｌ及びＴｉの金属成分比と同様の金属成分比率で含む、Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物を含む混合物を酸化物換算量として１００質量部と、並びに組成式：（ＮａyＫ1-y）ＡｌＳｉ3Ｏ8（式中、０≦ｙ≦１）で表わされるアルカリ長石１〜１０質量部とを含有する原料混合物を１０００〜１７００℃で焼成したチタン酸アルミニウムマグネシウム焼結体であることを特徴とする排ガス浄化触媒用ハニカム担体。
（２）ハニカム構造触媒担体が、壁厚０．０５〜０．６ｍｍ、セル密度１５〜１２４セル／ｃｍ2を有し、かつ隔壁の気孔率が２０〜５０％、熱膨張係数が３．０×１０-6Ｋ-1以下である上記（１）に記載のハニカム担体。
（３）前記触媒が、排ガス中のＮＯｘを除去するためのアルカリ金属又はアルカリ土類金属成分を含む、上記（１）又は（２）に記載の触媒担体。
（４）排ガスが、燃料をエンジン内に直接噴射する方式又は燃料を稀薄燃焼させる方式の自動車の排ガスである、上記（１）、（２）又は（３）に記載のハニカム担体。
（５）組成式：ＭｇxＡｌ2(1-x)Ｔｉ(1+x)Ｏ5（式中、式中、０<ｘ<１）で表わされるチタン酸アルミニウムマグネシウムにおけるＭｇ，Ａｌ及びＴｉの金属成分比と同様の金属成分比率で含む、Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物を含む混合物を酸化物換算量として１００質量部、並びに組成式：（ＮａyＫ1-y）ＡｌＳｉ3Ｏ8（式中、０≦ｙ≦１）で表わされるアルカリ長石を１〜１０質量部含有する原料混合物を調製し、該原料混合物に成形助剤を加えて混練して押出成形可能に可塑化し、ハニカム体に押出成形後、１０００〜１７００℃にて焼成することを特徴とする排ガス浄化触媒用ハニカム担体の製造方法。
（６）前記原料混合物に含まれる各成分の平均粒子径が１０μｍ以下である上記（５）に記載の製造方法。
（７）排ガスを浄化させる触媒を担持したハニカム担体に排ガスを接触させる排ガスの浄化方法であって、該ハニカム担体の材質が、組成式：ＭｇxＡｌ2(1-x)Ｔｉ(1+x)Ｏ5（式中、式中、０<ｘ<１）で表わされるチタン酸アルミニウムマグネシウムにおけるＭｇ，Ａｌ及びＴｉの金属成分比と同様の金属成分比率で含む、Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物を含む混合物を酸化物換算量として１００質量部と、組成式：（ＮａyＫ1-y）ＡｌＳｉ3Ｏ8（式中、０≦ｙ≦１）で表わされるアルカリ長石１〜１０質量部とを含有する混合物を１０００〜１７００℃で焼成したチタン酸アルミニウムマグネシウム焼結体であることを特徴とする排ガスの浄化方法。
【００１１】
本発明によるハニカム担体が、何故に、上記のように高い耐熱性と耐熱衝撃性を維持しながら、従来のチタン酸アルミニウムマグネシウム焼結体とは異なり、優れた機械的強度と熱分解耐性を有し、更には、ＮＯxを含有する排ガスの浄化するアルカリ金属成分を含む触媒担体として使用される場合にも劣化しないかについては、必ずしも明確でないが、ほぼ下記の理由によるものと推測される。
【００１２】
すなわち、本発明のハニカム担体の基本構造となるチタン酸アルミニウムマグネシウムの結晶は、その生成過程においてアルカリ長石が存在することにより、アルカリ長石が液相となる状態で成長されるために緻密な結晶が形成され機械的強度が向上する。また、アルカリ長石に含まれるＳｉ成分は、焼成によってチタン酸アルミニウムマグネシウムを形成する際にチタン酸アルミニウムマグネシウムの結晶格子に固溶するが、その際のＳｉの固溶形態には６配位で存在して結晶粒内部で固溶するものと、４配位で存在して結晶粒表層部で固溶するものの２種類が考えられる。これは NMR (核磁気共鳴) 測定によってチタン酸アルミニウムマグネシウム結晶中のＳｉが６配位と４配位の２種類の状態で存在していることが観測された結果によっても裏付けられる。
【００１３】
すなわち、チタン酸アルミニウムマグネシウム結晶粒の内部に固溶するＳｉは６配位で存在して４価であって、同じく６配位で２価のＭｇとペアとなって、両者でトータル６価となり、隣接する２つの６配位で３価のＡｌ（トータル６価）を置換する。この理由としては、電荷のバランスが保たれるためであることはもとより、イオン半径の相関からも説明できる。つまりＳｉ4+とＭｇ2+のイオン半径はそれぞれ０．５４Åと０．８６Å、であり、両者の平均イオン半径は０．７０Åとなることから、Ａｌ3+のイオン半径の０．６８Åと近似したものとなり、Ｓｉ4+とＭｇ2+のペアによる２つのＡｌ3+の占有はエネルギー的にも無理のない固溶状態になるためである。このように、ＳｉとＭｇの同時存在によって、チタン酸アルミニウムマグネシウムは高温下でも各カチオン間のイオンの拡散を抑制でき、安定な結晶構造をとるため、優れた熱分解耐性を発現するものと考えられる。
【００１４】
一方、チタン酸アルミニウムマグネシウム結晶粒の表層部に固溶するＳｉは６配位としてではなく４配位で存在する。これは表層部のＳｉは酸素を共有する、いわゆる相手となるカチオンが少ないために、酸素の結合状態がより安定な４配位をとるためと考えられる。このように結晶粒の表層部に固溶するＳｉはチタン酸アルミニウムマグネシウムの結晶を擬似的にコーティングする状態となり、本発明のハニカム担体がアルカリ金属を含む触媒担体として使用される場合にも、高温下におけるアルカリ成分による担体への侵食に対して優れた耐食性を有することとなり、長時間使用しても劣化しない特性をもたらすと考えられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明では、上記ハニカム構造触媒担体の材質として、組成式：ＭｇxＡｌ2(1-x)Ｔｉ(1+x)Ｏ5（式中、式中、０<ｘ<１）で表わされるチタン酸アルミニウムマグネシウムにおけるＭｇ，Ａｌ及びＴｉの金属成分比と同様の金属成分比率で含む、Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物を含む混合物を酸化物換算量として１００質量部、並びに組成式：（ＮａyＫ1-y）ＡｌＳｉ3Ｏ8（式中、０≦ｙ≦１）で表わされるアルカリ長石を１〜１０質量部含有する原料混合物を１０００〜１７００℃で焼成したチタン酸アルミニウムマグネシウム焼結体が使用される。
【００１６】
原料として用いる上記Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物、及びＴｉ含有化合物としては、焼成によりチタン酸アルミニウムマグネシウムを合成できる成分であれば特に限定なく使用できる。Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物、及びＴｉ含有化合物としては、それぞれ別の化合物でなくてもよく、２種以上の金属成分を含む化合物であってもよい。これらの原料化合物は、通常、アルミナセラミクス、チタニアセラミクス、マグネシアセラミクス、チタン酸アルミウムセラミクス、チタン酸マグネシウムセラミクス、スピネルセラミクス、チタン酸アルミニウムマグネシウムセラミクスなどの各種セラミクスの原料として用いられるもののうちから適宜選択して用いればよい。このような化合物の具体例としては、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＭｇＯなどの酸化物、ＭｇＡｌ2Ｏ4、Ａｌ2ＴｉＯ5、ＭｇＴｉＯ5、ＭｇとＴｉを含む各スピネル型構造体などの２種類以上の金属成分を含む複合酸化物、Ａｌ、Ｔｉ及びＭｇからなる群から選ばれた１種又は２種以上の金属成分を含む化合物（炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩など）などを例示できる。
【００１７】
Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物、及びＴｉ含有化合物の混合割合はこれらの化合物に含まれる金属成分の比率が、上記した組成式：ＭｇxＡｌ2(1-x)Ｔｉ(1+x)Ｏ5（式中、式中、０<ｘ<１）で表わされるチタン酸アルミニウムマグネシウムにおけるＭｇ，Ａｌ及びＴｉの金属成分比と同様の比率、好ましくは同一の比率となるようにすればよい。このような割合で上記各化合物を混合して用いることによって、原料として用いた混合物における金属成分比と同様の金属成分比を有するチタン酸アルミニウムマグネシウムを得ることができる。
【００１８】
本発明のハニカム担体を得る場合、上記したＭｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物を含む混合物に対して、添加剤としてアルカリ長石を加えることが必要である。アルカリ長石は、チタン酸アルミニウムマグネシウムの焼結助剤であるとともに、チタン酸アルミニウムマグネシウムにＳｉ成分を添加する役割を兼ねるものであり、組成式：（ＮａyＫ1-y）ＡｌＳｉ3Ｏ8で表わされる。式中、ｙは、０≦ｙ≦１を満足し、０．１≦ｙ≦１が好ましく、特に、０．１５≦ｙ≦０．８５であるものが好ましい。この範囲のｙ値を有するアルカリ長石は融点が低く、チタン酸アルミニウムマグネシウムの焼結促進に特に有効である。
【００１９】
アルカリ長石の使用量は、原料として用いる、Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物の各化合物を酸化物に換算した合計値１００質量部に対して１〜１０質量部程度とすればよく、好ましくは３〜５質量部程度とするのが好適である。この場合の原料混合物を酸化物に換算した合計量とは、原料混合物中に含まれる水分や有機物を除去するための加熱処理を行った後、また、仮焼結を行った場合には、仮焼結後の本焼成前の質量とする。
【００２０】
Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物を含む混合物にアルカリ長石を加えた原料混合物は、必要に応じて他の焼結助剤を加えて得られる焼結体の性質を改善できる。他の焼結助剤としては、例えば、Ｍｇを含むスピネル型構造の酸化物、ＭｇＣＯ3、ＭｇＯなどが挙げられる。
【００２１】
上記の原料混合物は、充分に混合し、粉砕される。原料混合物の混合、粉砕については、特に限定的でなく既知の方法に従って行われる。例えば、ボールミル、媒体攪拌ミルなどを用いて行えばよい。原料混合物の粉砕の程度は、特に限定的でないが、平均粒子径が好ましくは１０μｍ以下、特に好ましくは１〜５μｍが好適である。原料混合物は、二次粒子が形成されない範囲であればできるだけ小さい方が好適である。
【００２２】
原料混合物には、好ましくは、成形助剤を配合することができる。成形助剤としては、結合剤、造孔剤、離型剤、消泡剤、及び解こう剤などの既知のものが使用できる。結合剤としては、ポリビニルアルコール、マイクロワックスエマルジョン、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロースなどが好ましい。造孔剤としては、活性炭、コークス、ポリエチレン樹脂、でんぷん、黒鉛などが好ましい。離型剤としては、ステアリン酸エマルジョンなどが、消泡剤としては、ｎ−オクチルアルコール、オクチルフェノキシエタノールなどが、解こう剤としては、ジエチルアミン、トリエチルアミンなどが好ましい。
【００２３】
成形助剤の使用量については特に限定的ではないが、本発明の場合には、原料として用いるＭｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物の各化合物を酸化物に換算した合計量１００質量部に対して、いずれも固形物換算でそれぞれ以下の範囲とするのが好適である。すなわち、結合剤を好ましくは０．２〜０．６質量部程度、造孔剤を好ましくは２０〜５０質量部程度、離型剤を好ましくは０．２〜０．７質量部程度、消泡剤を好ましくは０．５〜１．５質量部程度、及び解こう剤を好ましくは０．５〜１．５質量部程度用いるのが好適である。
【００２４】
上記成形助剤を加えた原料混合物は混合、混練して押出し成形可能に可塑化したものを押出成形によりハニカム体に成形する。押出成形の方法については既知の方法が使用でき、ハニカムのセルの断面形状は、円形、楕円形、四角形、三角形のいずれでもよい。また、ハニカム体の全体の形態は円筒体、角筒体のいずれでもよい。成形されたハニカムは、好ましくは乾燥し、次いで１０００〜１７００℃、好ましくは１２５０〜１４５０℃にて焼成される。焼成雰囲気については特に限定がなく、通常採用されている空気中などの含酸素雰囲気が好ましい。焼成時間は、焼結が充分に進行するまで焼成すればよく、通常は１〜２０時間程度が採用される。
【００２５】
上記焼成の際の昇温速度や降温速度についても特に制限はなく、得られる焼結体にクラックなどが入らないような条件を適宜設定すればよい。例えば、原料混合物中に含まれる水分、結合剤などの成形助剤を充分に除去するために急激に昇温することなく、徐々に昇温することが好ましい。また、上記した焼成温度に加熱する前に、必要に応じて、好ましくは５００〜１０００℃程度の温度範囲において、１０〜３０時間程度の穏やかな昇温により仮焼結を行うことによって、チタン酸アルミニウムマグネシウムが形成する際におけるクラック発生の原因となる焼結体内の応力を緩和することができ、焼結体中のクラックの発生を抑制して緻密でかつ均一な焼結体を得ることができる。
【００２６】
このようにして得られる焼結体は、組成式：ＭｇxＡｌ2(1-x)Ｔｉ(1+x)Ｏ5（式中、０<ｘ<１）で表わされるチタン酸アルミニウムマグネシウムを基本成分として、アルカリ長石に含まれるＳｉ成分がチタン酸アルミニウムマグネシウムの結晶格子中に固溶したものとなる。このような焼結体は、上記したように、高い耐熱性と耐熱衝撃性を有し、かつ結晶構造が安定化されていることにより、優れた機械的強度及び熱分解耐性を有する焼結体となる。
【００２７】
その結果、この焼結体からなるハニカム体は、壁厚が例えば０．０５〜０．６ｍｍ、セル密度が例えば１５〜１２４セル／ｃｍ2の薄壁ハニカム構造を有する。そして、隔壁の気孔率は例えば２０〜５０％、熱膨張係数は例えば３．０×１０-6Ｋ-1以下である。このハニカム体は、室温から１６００℃程度の高温下においてもチタン酸アルミニウムマグネシウムの熱分解反応が抑制されて安定的に使用できる。
【００２８】
上記ハニカム体は、炭化水素、一酸化炭素，ＮＯｘ，ＳＯｘなどの有害成分を含む各種の排ガス、特に、排ガス中にＮＯｘが含まれる、自動車用の排ガスを浄化するための触媒の担体として使用される。特に、本発明のハニカム担体は、高温度においてアルカリに対して安定性を有するので、排ガス中にＮＯｘが比較的高濃度で含まれる、燃料をエンジン内に直接噴射する方式又は燃料を稀薄燃焼させる方式の自動車の排ガスに対して有効である。
【００２９】
担体に対して担持させる触媒の種類としては、従来の炭化水素や一酸化炭素を除去する所謂三元触媒など既知の種々のものが使用できるが、本発明では、排ガス中のＮＯｘを除去するためのアルカリ金属又はアルカリ土類金属成分を含む触媒に対して特に有効である。アルカリ金属又はアルカリ土類金属のなかでも、ＮＯｘ除去に効果的であるカリウムやバリウム、特にカリウムを含む触媒に対して本発明の担体は有効である。
【００３０】
本発明のハニカム体に上記触媒を担持させる方法は既知の手段が採用される。触媒を担持させる場合、担持率を改善するために必要に応じて、比表面積の大きい材料、例えばアルミナやシリカを介在させることもできる。すなわち、ハニカム担体にアルミナやシリカを担持させ、該担持させたアルミナやシリカに触媒を担持することができる。触媒を担持したハニカム体は、適宜の保持材を使用して好ましくは缶体内に装備されて使用される。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定して解釈されるべきではないことはもちろんである。
【００３２】
実施例１
易焼結性α型アルミナを２６．７質量％（２０モル％）、アナターゼ型酸化チタンを６２．８質量％（６０モル％）、及び天然鉱物として存在するペリクレース（periclase）型の酸化マグネシウムを１０．５質量％（２０モル％）からなる混合物１００質量部に対して、（Ｎａ0.6Ｋ0.4）ＡｌＳｉ3Ｏ8 で表されるアルカリ長石を４質量部、バインダーとしてポリビニルアルコールを０．２５質量部、解こう剤としてジエチルアミンを１質量部、消泡剤としてポリプロピレングリコール０．５質量部、及び造孔剤として、粒子径３０μｍ以下の活性炭３５質量部を加えてボールミルで３時間混合後、１２０℃の乾燥機で１２時間以上乾燥させて原料粉末を得た。
【００３３】
得られた原料粉末を平均粒径５μｍ程度に粉砕し、真空押出し成形機（宮崎鉄工社製）を使用して押出し成形し、壁厚 ０．１ｍｍ、セル密度９３セル／ｃｍ2の断面四角セル形状を有する直径：１２９ｍｍ、長さ：１５０ｍｍの円筒形のハニカム体を得た。このハニカム体を乾燥した後、１４００℃にて４時間大気中で焼成した。その後、放冷することにより焼結体を得た。
【００３４】
比較例１
アルカリ長石を使用しないほかは実施例１と全く同様にしてチタン酸アルミニウムマグネシウム焼結体からなるハニカム形状の焼結体を得た。
【００３５】
比較例２
ハニカムフィルタの材料として、コージェライト粉末（２ＭｇＯ・２Ａｌ2O3.・５ＳｉＯ2）を使用し、これから既存の方法で実施することにより実施例１と同形状のハニカムを作製した。
【００３６】
［ハニカム焼結体についての特性試験］
上記の実施例１、及び比較例１、２のハニカム焼結体について、気孔率（％）、室温から８００℃における熱膨張係数（×１０-6Ｋ-1）、水中投下法による耐熱衝撃抵抗（℃）、軟化温度（℃）、及び圧縮強度（ＭＰａ）を測定し、その結果を表１に示した。なお、気孔率は、ＪＩＳＲ１６３４、熱膨張係数は、ＪＩＳＲ１６１８、耐熱衝撃抵抗は、ＪＩＳＲ１６４８、軟化温度は、ＪＩＳＲ２２０９、圧縮強度は、ＪＩＳＲ１６０８に準拠する方法で測定した。なお、圧縮強度については、各ハニカム焼結体から、筒断面の縦、横のセル数がいずれも５セルで長さ方向が１５ｍｍの角筒状の検体を切り出し、これを（Ａ）長さ軸方向（axial）、（Ｂ）垂直方向（tangential）、（Ｃ）長さ軸に４５度の斜めの方向（diagonal）の３方向から測定した。
【００３７】
【表１】
【００３８】
［熱分解耐性試験］
実施例１のハニカムフィルタからいずれも縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×長さ１０ｍｍの試験片を切り出し、１１００℃の高温雰囲気に保持し、チタン酸アルミニウムマグネシウムの残存率α（％）の経時変化を調べることにより熱分解耐性試験を行った。
【００３９】
なお、チタン酸アルミニウムマグネシウムの残存率は、Ｘ線回折測定（ＸＲＤ）のスペクトルから以下の方法により求めた。
まず、チタン酸アルミニウムマグネシウムが熱分解するときにＭｇＡｌ2Ｏ4（スピネル）とＴｉＯ2（ルチル）を生じるので、ルチルの（１１０）面の回折ピークの積分強度（ＩTiO2(110)）とチタン酸アルミニウムマグネシウムの（０２３）面の回折ピークの積分強度（ＩMAT(023)）を用いてチタン酸アルミニウムマグネシウムのルチルに対する強度比Ｒを下記式より求めた。
Ｒ＝ＩMAT(023)／（ＩMAT(023) ＋ＩTiO2(110)）
更に、１１００℃における熱処理を行う前の焼結体についても同様の方法でチタン酸アルミニウムマグネシウムのルチルに対する強度比Ｒ0を求めた。次いで、上記方法で求めたＲとＲ0を用いて、下記式よりチタン酸アルミニウムマグネシウムの残存率α（％）を求めた。
α＝（Ｒ／Ｒ0）×１００
【００４０】
実施例１と比較例１の各焼結体についてのチタン酸アルミニウムマグネシウムの残存率αの経時変化を図１にグラフとして示す。図１から明らかなように、実施例１の焼結体は、比較例１の焼結体に比べてチタン酸アルミニウムマグネシウムの残存率αが長時間に渡って高く維持され、熱分解耐性に優れることがわかる。
【００４１】
［ハニカム体の耐アルカリ性試験］
自動車用排ガスのＮＯｘの除去触媒であるカリウム含有触媒に対するハニカム体の耐食性を調べるために以下の試験を行った。なお、自動車用排ガスのハニカム担体の使用温度は、室温から８５０℃の範囲であり、また、カリウム含有触媒のカリウム濃度はそれほど高い濃度ではないが、本試験では、濃度１モル／リットルの硝酸カリウム水溶液に漬浸、乾燥した試験片を、温度９００℃に保持された炉に長時間保持するという、厳しい条件での加速試験を行った。
【００４２】
［試験方法］
実施例１と比較例２のそれぞれのハニカム体から断面が３０ｍｍ角で長さ５０ｍｍの試験片を切り出し、この試験片を濃度１モル／リットルの硝酸カリウム水溶液中に室温で１０〜６０分間浸漬した。次いで、該試験片を７０℃にて１時間乾燥させた。乾燥させたハニカム体を内径５ｃｍ、長さ４２ｃｍの管状炉に挿入し、該管状炉中に１０％の水分を含む空気を２５ｃｃ／分にて流入させながら、下記の条件にて所定の時間保持した。その後に管状炉から取り出したハニカム体についてＸＲＤ測定を行い、ハニカム体材料の変質について調べた。なお、管状炉中に流入させる１０％の水分を含む空気は、６０℃に制御された水槽に空気を通過させることにより調製した。試験の結果を表２に示す。
保持条件
炉内温度：９００℃、 炉の昇温、降温速度：１００℃／時間
保持時間 ：５０時間、１００時間、１５０時間、２００時間
【００４３】
【表２】
表２の結果から明らかなように、実施例１のハニカム体は、比較例２のハニカム体に比較してカリウムに対して大きな耐食性を有することがわかる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明のチタン酸アルミニウムマグネシウム焼結体からなるハニカム担体は、高い耐熱性と低熱膨張性に基づく耐熱衝撃性を維持しながら、従来のチタン酸アルミニウムマグネシウム焼結体とは異なり、大きい機械的強度、及び耐熱分解性を有し、さらに触媒に対する耐食性に優れる。この結果、固定体及び移動体のいずれの燃焼源からの排ガス、特に、排ガス中にＮＯｘが含まれる、自動車用の排ガスを浄化する触媒を担持するための担体として有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１と比較例１の各焼結体についてのチタン酸アルミニウムマグネシウムの残存率αの経時変化を示す。
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の排ガス、特に、排ガス中にＮＯｘが含まれる、自動車用の排ガスを浄化する触媒を担持するための担体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種の燃焼排ガスの浄化装置のなかで、特に現在広く使用されている自動車排ガス浄化装置に使用される触媒を担持するためのハニカム担体に要求される主な特性は、所謂、耐熱性や耐熱衝撃性である。これは、排ガス中の未燃焼炭化水素や一酸化炭素の触媒酸化反応により急激な発熱が生じるために、８５０℃以上の高温度になるため、高い耐熱性が必要である。また、耐熱衝撃性は、このような急激な発熱による温度上昇のために、ハニカム内に引き起こされる熱応力により亀裂や破壊に耐える性質である。耐熱衝撃性は、熱膨張係数が小さいほどその耐久温度差が大きい。
【０００３】
このような耐熱性や耐熱衝撃性の要求のために、従来、ハニカム担体の材質としては、各種のセラミクスが提案されているものの、もっぱらコージェライト材料が使用されている。コージェライト材料が使用される主な理由は、コージェライトが１４００℃という高い耐熱性を有するとともに、セラミクスのなかでも熱膨張係数が極めて小さく、耐熱衝撃性が大きいことにある。
【０００４】
しかしながら、ハニカム担体の材質としてコージェライト材料は、耐熱性や耐熱衝撃性についてはかなり優れた性質を有するが、一方で、環境上の問題からその除去が急務とされる窒素酸化物（ＮＯx）を含有する排ガスの浄化する触媒担体として使用される場合に重要な難点を有する。すなわち、排ガス中のＮＯｘの除去触媒として、通常、アルカリ金属やアルカリ土類金属成分を含む触媒が使用されるが、この場合、アルカリ金属やアルカリ土類金属の一部が、高温度下においては、担体であるコージェライト内に浸透し、コージェライトと反応する結果、コージェライトの劣化を招くとともに、触媒の損失をもたらすために排ガス中のＮＯｘの除去の低下を引き起こす。これを防ぐために、触媒表面をシリカ（ＳｉＯ2）で被覆する方法などが提案されているが、余分の工程を必要とし、コストの上昇を余儀なくする。
【０００５】
一方、燃費の向上や環境上の問題から、近年自動車の主流の燃焼方式になってきている、燃料をエンジン内に直接噴射する方式や燃料を稀薄燃焼させる方式では、排ガス中のＮＯｘの除去は、炭化水素や一酸化炭素よりも特に重要な問題になっている。このため、排ガスの浄化触媒を担持するハニカム担体は、その材質としてコージェライトに代わる材料が切望されている。
【０００６】
コージェライト以外の材質として、特許文献１には、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ムライト、アルミウムチタネート（チタン酸アルミニウム）、リチウムアルミウムシリケートなどのセラミクスが羅列されているが、これらはいずれも上記ハニカム担体の材料としては不充分である。すなわち、炭化ケイ素、ムライトなどは熱膨張係数が大きく耐熱衝撃性が劣る。また、窒化ケイ素、リチウムアルミニウムシリケートなどは耐熱性の点で性能として不充分である。
【０００７】
また、アルミニウムチタネートは、１７００℃を越える高温下でも優れた安定性、極めて小さい熱膨張係数、及び優れた耐熱衝撃性を有する。しかし、一方においては、結晶構造の異方性が大きいために結晶粒界に熱応力によるズレが生じ易いため機械的強度が小さいという欠点がある結果、壁厚の薄いセル密度の大きいハニカムの製造は困難であり、また自動車などに搭載され、高温下で機械的振動の負荷がかかる排ガスフィルタとしての使用は困難である。さらに、これらのアルミウムチタネートなどは、通常８００〜１２８０℃の温度範囲に分解領域を有し、このような温度範囲を含む領域で長時間継続使用できないという問題点を有す。
【特許文献１】
ＷＯ０１／０３７９７１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、特に、排ガス中にＮＯｘが含まれる、自動車用の排ガスを浄化する触媒を担持するための担体であって、耐熱性、耐熱衝撃性、機械的強度、及び熱分解耐性に優れ、かつアルカリ成分を含有する触媒に対する耐侵食性が高く、長期の使用でも劣化することのない耐久性に優れたハニカム担体、及びその製造方法を提供する。
【０００９】
【課題を解決する手段】
本発明は、上記課題を解決するために、チタン酸アルミニウムマグネシウムに着目し鋭意検討したところ次の新規な知見を得た。すなわち、Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物を含む混合物に対して、特定のアルカリ長石を添加した混合物を焼成して得られる焼結体を使用したハニカム担体は、高い耐熱性と低熱膨張性に基づく耐熱衝撃性を維持しながら、従来のチタン酸アルミニウムマグネシウム焼結体と異なり、大きい機械的強度、熱分解耐性を有するとともに、この焼結体は、ＮＯｘを除去する触媒として、アルカリ金属やアルカリ土類金属成分を含む触媒が使用する場合も従来のコージェライト材料のように劣化することがなく、長期にわたり安定して使用できるという知見が得られた。
【００１０】
かかる本発明は、上記新規な知見に基づいて完成されたものであり、次の要旨を有するものである。
（１）排ガスを浄化させる触媒を担持するためのハニカム担体であって、該ハニカム担体の材質が、組成式：ＭｇxＡｌ2(1-x)Ｔｉ(1+x)Ｏ5（式中、式中、０<ｘ<１）で表わされるチタン酸アルミニウムマグネシウムにおけるＭｇ，Ａｌ及びＴｉの金属成分比と同様の金属成分比率で含む、Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物を含む混合物を酸化物換算量として１００質量部と、並びに組成式：（ＮａyＫ1-y）ＡｌＳｉ3Ｏ8（式中、０≦ｙ≦１）で表わされるアルカリ長石１〜１０質量部とを含有する原料混合物を１０００〜１７００℃で焼成したチタン酸アルミニウムマグネシウム焼結体であることを特徴とする排ガス浄化触媒用ハニカム担体。
（２）ハニカム構造触媒担体が、壁厚０．０５〜０．６ｍｍ、セル密度１５〜１２４セル／ｃｍ2を有し、かつ隔壁の気孔率が２０〜５０％、熱膨張係数が３．０×１０-6Ｋ-1以下である上記（１）に記載のハニカム担体。
（３）前記触媒が、排ガス中のＮＯｘを除去するためのアルカリ金属又はアルカリ土類金属成分を含む、上記（１）又は（２）に記載の触媒担体。
（４）排ガスが、燃料をエンジン内に直接噴射する方式又は燃料を稀薄燃焼させる方式の自動車の排ガスである、上記（１）、（２）又は（３）に記載のハニカム担体。
（５）組成式：ＭｇxＡｌ2(1-x)Ｔｉ(1+x)Ｏ5（式中、式中、０<ｘ<１）で表わされるチタン酸アルミニウムマグネシウムにおけるＭｇ，Ａｌ及びＴｉの金属成分比と同様の金属成分比率で含む、Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物を含む混合物を酸化物換算量として１００質量部、並びに組成式：（ＮａyＫ1-y）ＡｌＳｉ3Ｏ8（式中、０≦ｙ≦１）で表わされるアルカリ長石を１〜１０質量部含有する原料混合物を調製し、該原料混合物に成形助剤を加えて混練して押出成形可能に可塑化し、ハニカム体に押出成形後、１０００〜１７００℃にて焼成することを特徴とする排ガス浄化触媒用ハニカム担体の製造方法。
（６）前記原料混合物に含まれる各成分の平均粒子径が１０μｍ以下である上記（５）に記載の製造方法。
（７）排ガスを浄化させる触媒を担持したハニカム担体に排ガスを接触させる排ガスの浄化方法であって、該ハニカム担体の材質が、組成式：ＭｇxＡｌ2(1-x)Ｔｉ(1+x)Ｏ5（式中、式中、０<ｘ<１）で表わされるチタン酸アルミニウムマグネシウムにおけるＭｇ，Ａｌ及びＴｉの金属成分比と同様の金属成分比率で含む、Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物を含む混合物を酸化物換算量として１００質量部と、組成式：（ＮａyＫ1-y）ＡｌＳｉ3Ｏ8（式中、０≦ｙ≦１）で表わされるアルカリ長石１〜１０質量部とを含有する混合物を１０００〜１７００℃で焼成したチタン酸アルミニウムマグネシウム焼結体であることを特徴とする排ガスの浄化方法。
【００１１】
本発明によるハニカム担体が、何故に、上記のように高い耐熱性と耐熱衝撃性を維持しながら、従来のチタン酸アルミニウムマグネシウム焼結体とは異なり、優れた機械的強度と熱分解耐性を有し、更には、ＮＯxを含有する排ガスの浄化するアルカリ金属成分を含む触媒担体として使用される場合にも劣化しないかについては、必ずしも明確でないが、ほぼ下記の理由によるものと推測される。
【００１２】
すなわち、本発明のハニカム担体の基本構造となるチタン酸アルミニウムマグネシウムの結晶は、その生成過程においてアルカリ長石が存在することにより、アルカリ長石が液相となる状態で成長されるために緻密な結晶が形成され機械的強度が向上する。また、アルカリ長石に含まれるＳｉ成分は、焼成によってチタン酸アルミニウムマグネシウムを形成する際にチタン酸アルミニウムマグネシウムの結晶格子に固溶するが、その際のＳｉの固溶形態には６配位で存在して結晶粒内部で固溶するものと、４配位で存在して結晶粒表層部で固溶するものの２種類が考えられる。これは NMR (核磁気共鳴) 測定によってチタン酸アルミニウムマグネシウム結晶中のＳｉが６配位と４配位の２種類の状態で存在していることが観測された結果によっても裏付けられる。
【００１３】
すなわち、チタン酸アルミニウムマグネシウム結晶粒の内部に固溶するＳｉは６配位で存在して４価であって、同じく６配位で２価のＭｇとペアとなって、両者でトータル６価となり、隣接する２つの６配位で３価のＡｌ（トータル６価）を置換する。この理由としては、電荷のバランスが保たれるためであることはもとより、イオン半径の相関からも説明できる。つまりＳｉ4+とＭｇ2+のイオン半径はそれぞれ０．５４Åと０．８６Å、であり、両者の平均イオン半径は０．７０Åとなることから、Ａｌ3+のイオン半径の０．６８Åと近似したものとなり、Ｓｉ4+とＭｇ2+のペアによる２つのＡｌ3+の占有はエネルギー的にも無理のない固溶状態になるためである。このように、ＳｉとＭｇの同時存在によって、チタン酸アルミニウムマグネシウムは高温下でも各カチオン間のイオンの拡散を抑制でき、安定な結晶構造をとるため、優れた熱分解耐性を発現するものと考えられる。
【００１４】
一方、チタン酸アルミニウムマグネシウム結晶粒の表層部に固溶するＳｉは６配位としてではなく４配位で存在する。これは表層部のＳｉは酸素を共有する、いわゆる相手となるカチオンが少ないために、酸素の結合状態がより安定な４配位をとるためと考えられる。このように結晶粒の表層部に固溶するＳｉはチタン酸アルミニウムマグネシウムの結晶を擬似的にコーティングする状態となり、本発明のハニカム担体がアルカリ金属を含む触媒担体として使用される場合にも、高温下におけるアルカリ成分による担体への侵食に対して優れた耐食性を有することとなり、長時間使用しても劣化しない特性をもたらすと考えられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明では、上記ハニカム構造触媒担体の材質として、組成式：ＭｇxＡｌ2(1-x)Ｔｉ(1+x)Ｏ5（式中、式中、０<ｘ<１）で表わされるチタン酸アルミニウムマグネシウムにおけるＭｇ，Ａｌ及びＴｉの金属成分比と同様の金属成分比率で含む、Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物を含む混合物を酸化物換算量として１００質量部、並びに組成式：（ＮａyＫ1-y）ＡｌＳｉ3Ｏ8（式中、０≦ｙ≦１）で表わされるアルカリ長石を１〜１０質量部含有する原料混合物を１０００〜１７００℃で焼成したチタン酸アルミニウムマグネシウム焼結体が使用される。
【００１６】
原料として用いる上記Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物、及びＴｉ含有化合物としては、焼成によりチタン酸アルミニウムマグネシウムを合成できる成分であれば特に限定なく使用できる。Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物、及びＴｉ含有化合物としては、それぞれ別の化合物でなくてもよく、２種以上の金属成分を含む化合物であってもよい。これらの原料化合物は、通常、アルミナセラミクス、チタニアセラミクス、マグネシアセラミクス、チタン酸アルミウムセラミクス、チタン酸マグネシウムセラミクス、スピネルセラミクス、チタン酸アルミニウムマグネシウムセラミクスなどの各種セラミクスの原料として用いられるもののうちから適宜選択して用いればよい。このような化合物の具体例としては、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＭｇＯなどの酸化物、ＭｇＡｌ2Ｏ4、Ａｌ2ＴｉＯ5、ＭｇＴｉＯ5、ＭｇとＴｉを含む各スピネル型構造体などの２種類以上の金属成分を含む複合酸化物、Ａｌ、Ｔｉ及びＭｇからなる群から選ばれた１種又は２種以上の金属成分を含む化合物（炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩など）などを例示できる。
【００１７】
Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物、及びＴｉ含有化合物の混合割合はこれらの化合物に含まれる金属成分の比率が、上記した組成式：ＭｇxＡｌ2(1-x)Ｔｉ(1+x)Ｏ5（式中、式中、０<ｘ<１）で表わされるチタン酸アルミニウムマグネシウムにおけるＭｇ，Ａｌ及びＴｉの金属成分比と同様の比率、好ましくは同一の比率となるようにすればよい。このような割合で上記各化合物を混合して用いることによって、原料として用いた混合物における金属成分比と同様の金属成分比を有するチタン酸アルミニウムマグネシウムを得ることができる。
【００１８】
本発明のハニカム担体を得る場合、上記したＭｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物を含む混合物に対して、添加剤としてアルカリ長石を加えることが必要である。アルカリ長石は、チタン酸アルミニウムマグネシウムの焼結助剤であるとともに、チタン酸アルミニウムマグネシウムにＳｉ成分を添加する役割を兼ねるものであり、組成式：（ＮａyＫ1-y）ＡｌＳｉ3Ｏ8で表わされる。式中、ｙは、０≦ｙ≦１を満足し、０．１≦ｙ≦１が好ましく、特に、０．１５≦ｙ≦０．８５であるものが好ましい。この範囲のｙ値を有するアルカリ長石は融点が低く、チタン酸アルミニウムマグネシウムの焼結促進に特に有効である。
【００１９】
アルカリ長石の使用量は、原料として用いる、Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物の各化合物を酸化物に換算した合計値１００質量部に対して１〜１０質量部程度とすればよく、好ましくは３〜５質量部程度とするのが好適である。この場合の原料混合物を酸化物に換算した合計量とは、原料混合物中に含まれる水分や有機物を除去するための加熱処理を行った後、また、仮焼結を行った場合には、仮焼結後の本焼成前の質量とする。
【００２０】
Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物を含む混合物にアルカリ長石を加えた原料混合物は、必要に応じて他の焼結助剤を加えて得られる焼結体の性質を改善できる。他の焼結助剤としては、例えば、Ｍｇを含むスピネル型構造の酸化物、ＭｇＣＯ3、ＭｇＯなどが挙げられる。
【００２１】
上記の原料混合物は、充分に混合し、粉砕される。原料混合物の混合、粉砕については、特に限定的でなく既知の方法に従って行われる。例えば、ボールミル、媒体攪拌ミルなどを用いて行えばよい。原料混合物の粉砕の程度は、特に限定的でないが、平均粒子径が好ましくは１０μｍ以下、特に好ましくは１〜５μｍが好適である。原料混合物は、二次粒子が形成されない範囲であればできるだけ小さい方が好適である。
【００２２】
原料混合物には、好ましくは、成形助剤を配合することができる。成形助剤としては、結合剤、造孔剤、離型剤、消泡剤、及び解こう剤などの既知のものが使用できる。結合剤としては、ポリビニルアルコール、マイクロワックスエマルジョン、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロースなどが好ましい。造孔剤としては、活性炭、コークス、ポリエチレン樹脂、でんぷん、黒鉛などが好ましい。離型剤としては、ステアリン酸エマルジョンなどが、消泡剤としては、ｎ−オクチルアルコール、オクチルフェノキシエタノールなどが、解こう剤としては、ジエチルアミン、トリエチルアミンなどが好ましい。
【００２３】
成形助剤の使用量については特に限定的ではないが、本発明の場合には、原料として用いるＭｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物の各化合物を酸化物に換算した合計量１００質量部に対して、いずれも固形物換算でそれぞれ以下の範囲とするのが好適である。すなわち、結合剤を好ましくは０．２〜０．６質量部程度、造孔剤を好ましくは２０〜５０質量部程度、離型剤を好ましくは０．２〜０．７質量部程度、消泡剤を好ましくは０．５〜１．５質量部程度、及び解こう剤を好ましくは０．５〜１．５質量部程度用いるのが好適である。
【００２４】
上記成形助剤を加えた原料混合物は混合、混練して押出し成形可能に可塑化したものを押出成形によりハニカム体に成形する。押出成形の方法については既知の方法が使用でき、ハニカムのセルの断面形状は、円形、楕円形、四角形、三角形のいずれでもよい。また、ハニカム体の全体の形態は円筒体、角筒体のいずれでもよい。成形されたハニカムは、好ましくは乾燥し、次いで１０００〜１７００℃、好ましくは１２５０〜１４５０℃にて焼成される。焼成雰囲気については特に限定がなく、通常採用されている空気中などの含酸素雰囲気が好ましい。焼成時間は、焼結が充分に進行するまで焼成すればよく、通常は１〜２０時間程度が採用される。
【００２５】
上記焼成の際の昇温速度や降温速度についても特に制限はなく、得られる焼結体にクラックなどが入らないような条件を適宜設定すればよい。例えば、原料混合物中に含まれる水分、結合剤などの成形助剤を充分に除去するために急激に昇温することなく、徐々に昇温することが好ましい。また、上記した焼成温度に加熱する前に、必要に応じて、好ましくは５００〜１０００℃程度の温度範囲において、１０〜３０時間程度の穏やかな昇温により仮焼結を行うことによって、チタン酸アルミニウムマグネシウムが形成する際におけるクラック発生の原因となる焼結体内の応力を緩和することができ、焼結体中のクラックの発生を抑制して緻密でかつ均一な焼結体を得ることができる。
【００２６】
このようにして得られる焼結体は、組成式：ＭｇxＡｌ2(1-x)Ｔｉ(1+x)Ｏ5（式中、０<ｘ<１）で表わされるチタン酸アルミニウムマグネシウムを基本成分として、アルカリ長石に含まれるＳｉ成分がチタン酸アルミニウムマグネシウムの結晶格子中に固溶したものとなる。このような焼結体は、上記したように、高い耐熱性と耐熱衝撃性を有し、かつ結晶構造が安定化されていることにより、優れた機械的強度及び熱分解耐性を有する焼結体となる。
【００２７】
その結果、この焼結体からなるハニカム体は、壁厚が例えば０．０５〜０．６ｍｍ、セル密度が例えば１５〜１２４セル／ｃｍ2の薄壁ハニカム構造を有する。そして、隔壁の気孔率は例えば２０〜５０％、熱膨張係数は例えば３．０×１０-6Ｋ-1以下である。このハニカム体は、室温から１６００℃程度の高温下においてもチタン酸アルミニウムマグネシウムの熱分解反応が抑制されて安定的に使用できる。
【００２８】
上記ハニカム体は、炭化水素、一酸化炭素，ＮＯｘ，ＳＯｘなどの有害成分を含む各種の排ガス、特に、排ガス中にＮＯｘが含まれる、自動車用の排ガスを浄化するための触媒の担体として使用される。特に、本発明のハニカム担体は、高温度においてアルカリに対して安定性を有するので、排ガス中にＮＯｘが比較的高濃度で含まれる、燃料をエンジン内に直接噴射する方式又は燃料を稀薄燃焼させる方式の自動車の排ガスに対して有効である。
【００２９】
担体に対して担持させる触媒の種類としては、従来の炭化水素や一酸化炭素を除去する所謂三元触媒など既知の種々のものが使用できるが、本発明では、排ガス中のＮＯｘを除去するためのアルカリ金属又はアルカリ土類金属成分を含む触媒に対して特に有効である。アルカリ金属又はアルカリ土類金属のなかでも、ＮＯｘ除去に効果的であるカリウムやバリウム、特にカリウムを含む触媒に対して本発明の担体は有効である。
【００３０】
本発明のハニカム体に上記触媒を担持させる方法は既知の手段が採用される。触媒を担持させる場合、担持率を改善するために必要に応じて、比表面積の大きい材料、例えばアルミナやシリカを介在させることもできる。すなわち、ハニカム担体にアルミナやシリカを担持させ、該担持させたアルミナやシリカに触媒を担持することができる。触媒を担持したハニカム体は、適宜の保持材を使用して好ましくは缶体内に装備されて使用される。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定して解釈されるべきではないことはもちろんである。
【００３２】
実施例１
易焼結性α型アルミナを２６．７質量％（２０モル％）、アナターゼ型酸化チタンを６２．８質量％（６０モル％）、及び天然鉱物として存在するペリクレース（periclase）型の酸化マグネシウムを１０．５質量％（２０モル％）からなる混合物１００質量部に対して、（Ｎａ0.6Ｋ0.4）ＡｌＳｉ3Ｏ8 で表されるアルカリ長石を４質量部、バインダーとしてポリビニルアルコールを０．２５質量部、解こう剤としてジエチルアミンを１質量部、消泡剤としてポリプロピレングリコール０．５質量部、及び造孔剤として、粒子径３０μｍ以下の活性炭３５質量部を加えてボールミルで３時間混合後、１２０℃の乾燥機で１２時間以上乾燥させて原料粉末を得た。
【００３３】
得られた原料粉末を平均粒径５μｍ程度に粉砕し、真空押出し成形機（宮崎鉄工社製）を使用して押出し成形し、壁厚 ０．１ｍｍ、セル密度９３セル／ｃｍ2の断面四角セル形状を有する直径：１２９ｍｍ、長さ：１５０ｍｍの円筒形のハニカム体を得た。このハニカム体を乾燥した後、１４００℃にて４時間大気中で焼成した。その後、放冷することにより焼結体を得た。
【００３４】
比較例１
アルカリ長石を使用しないほかは実施例１と全く同様にしてチタン酸アルミニウムマグネシウム焼結体からなるハニカム形状の焼結体を得た。
【００３５】
比較例２
ハニカムフィルタの材料として、コージェライト粉末（２ＭｇＯ・２Ａｌ2O3.・５ＳｉＯ2）を使用し、これから既存の方法で実施することにより実施例１と同形状のハニカムを作製した。
【００３６】
［ハニカム焼結体についての特性試験］
上記の実施例１、及び比較例１、２のハニカム焼結体について、気孔率（％）、室温から８００℃における熱膨張係数（×１０-6Ｋ-1）、水中投下法による耐熱衝撃抵抗（℃）、軟化温度（℃）、及び圧縮強度（ＭＰａ）を測定し、その結果を表１に示した。なお、気孔率は、ＪＩＳＲ１６３４、熱膨張係数は、ＪＩＳＲ１６１８、耐熱衝撃抵抗は、ＪＩＳＲ１６４８、軟化温度は、ＪＩＳＲ２２０９、圧縮強度は、ＪＩＳＲ１６０８に準拠する方法で測定した。なお、圧縮強度については、各ハニカム焼結体から、筒断面の縦、横のセル数がいずれも５セルで長さ方向が１５ｍｍの角筒状の検体を切り出し、これを（Ａ）長さ軸方向（axial）、（Ｂ）垂直方向（tangential）、（Ｃ）長さ軸に４５度の斜めの方向（diagonal）の３方向から測定した。
【００３７】
【表１】
［熱分解耐性試験］
実施例１のハニカムフィルタからいずれも縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×長さ１０ｍｍの試験片を切り出し、１１００℃の高温雰囲気に保持し、チタン酸アルミニウムマグネシウムの残存率α（％）の経時変化を調べることにより熱分解耐性試験を行った。
【００３９】
なお、チタン酸アルミニウムマグネシウムの残存率は、Ｘ線回折測定（ＸＲＤ）のスペクトルから以下の方法により求めた。
まず、チタン酸アルミニウムマグネシウムが熱分解するときにＭｇＡｌ2Ｏ4（スピネル）とＴｉＯ2（ルチル）を生じるので、ルチルの（１１０）面の回折ピークの積分強度（ＩTiO2(110)）とチタン酸アルミニウムマグネシウムの（０２３）面の回折ピークの積分強度（ＩMAT(023)）を用いてチタン酸アルミニウムマグネシウムのルチルに対する強度比Ｒを下記式より求めた。
Ｒ＝ＩMAT(023)／（ＩMAT(023) ＋ＩTiO2(110)）
更に、１１００℃における熱処理を行う前の焼結体についても同様の方法でチタン酸アルミニウムマグネシウムのルチルに対する強度比Ｒ0を求めた。次いで、上記方法で求めたＲとＲ0を用いて、下記式よりチタン酸アルミニウムマグネシウムの残存率α（％）を求めた。
α＝（Ｒ／Ｒ0）×１００
【００４０】
実施例１と比較例１の各焼結体についてのチタン酸アルミニウムマグネシウムの残存率αの経時変化を図１にグラフとして示す。図１から明らかなように、実施例１の焼結体は、比較例１の焼結体に比べてチタン酸アルミニウムマグネシウムの残存率αが長時間に渡って高く維持され、熱分解耐性に優れることがわかる。
【００４１】
［ハニカム体の耐アルカリ性試験］
自動車用排ガスのＮＯｘの除去触媒であるカリウム含有触媒に対するハニカム体の耐食性を調べるために以下の試験を行った。なお、自動車用排ガスのハニカム担体の使用温度は、室温から８５０℃の範囲であり、また、カリウム含有触媒のカリウム濃度はそれほど高い濃度ではないが、本試験では、濃度１モル／リットルの硝酸カリウム水溶液に漬浸、乾燥した試験片を、温度９００℃に保持された炉に長時間保持するという、厳しい条件での加速試験を行った。
【００４２】
［試験方法］
実施例１と比較例２のそれぞれのハニカム体から断面が３０ｍｍ角で長さ５０ｍｍの試験片を切り出し、この試験片を濃度１モル／リットルの硝酸カリウム水溶液中に室温で１０〜６０分間浸漬した。次いで、該試験片を７０℃にて１時間乾燥させた。乾燥させたハニカム体を内径５ｃｍ、長さ４２ｃｍの管状炉に挿入し、該管状炉中に１０％の水分を含む空気を２５ｃｃ／分にて流入させながら、下記の条件にて所定の時間保持した。その後に管状炉から取り出したハニカム体についてＸＲＤ測定を行い、ハニカム体材料の変質について調べた。なお、管状炉中に流入させる１０％の水分を含む空気は、６０℃に制御された水槽に空気を通過させることにより調製した。試験の結果を表２に示す。
保持条件
炉内温度：９００℃、 炉の昇温、降温速度：１００℃／時間
保持時間 ：５０時間、１００時間、１５０時間、２００時間
【００４３】
【表２】
【００４４】
【発明の効果】
本発明のチタン酸アルミニウムマグネシウム焼結体からなるハニカム担体は、高い耐熱性と低熱膨張性に基づく耐熱衝撃性を維持しながら、従来のチタン酸アルミニウムマグネシウム焼結体とは異なり、大きい機械的強度、及び耐熱分解性を有し、さらに触媒に対する耐食性に優れる。この結果、固定体及び移動体のいずれの燃焼源からの排ガス、特に、排ガス中にＮＯｘが含まれる、自動車用の排ガスを浄化する触媒を担持するための担体として有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１と比較例１の各焼結体についてのチタン酸アルミニウムマグネシウムの残存率αの経時変化を示す。
Claims (7)
- 排ガスを浄化させる触媒を担持するためのハニカム担体であって、該ハニカム担体の材質が、組成式：ＭｇxＡｌ2(1-x)Ｔｉ(1+x)Ｏ5（式中、０<ｘ<１）で表わされるチタン酸アルミニウムマグネシウムにおけるＭｇ，Ａｌ及びＴｉの金属成分比と同様の金属成分比率で含む、Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物を含む混合物を酸化物換算量として１００質量部と、組成式：（ＮａyＫ1-y）ＡｌＳｉ3Ｏ8（式中、０≦ｙ≦１）で表わされるアルカリ長石１〜１０質量部とを含有する混合物を１０００〜１７００℃で焼成したチタン酸アルミニウムマグネシウム焼結体であることを特徴とする排ガス浄化触媒用ハニカム担体。
- ハニカム担体が、壁厚０．０５〜０．６ｍｍ、セル密度１５〜１２４セル／ｃｍ2を有し、かつ隔壁の気孔率が２０〜５０％、熱膨張係数が３．０×１０-6Ｋ-1以下である請求項１に記載の排ガス浄化触媒用ハニカム担体。
- 前記触媒が、排ガス中のＮＯｘを除去するためのアルカリ金属又はアルカリ土類金属成分を含む請求項１又は２に記載の排ガス浄化触媒用ハニカム担体。
- 排ガスが、燃料をエンジン内に直接噴射する方式又は燃料を稀薄燃焼させる方式の自動車の排ガスである請求項１、２又は３に記載の排ガス浄化触媒用ハニカム担体。
- 組成式：ＭｇxＡｌ2(1-x)Ｔｉ(1+x)Ｏ5（式中、０<ｘ<１）で表わされるチタン酸アルミニウムマグネシウムにおけるＭｇ，Ａｌ及びＴｉの金属成分比と同様の金属成分比率で含む、Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物を含む混合物を酸化物換算量として１００質量部、並びに組成式：（ＮａyＫ1-y）ＡｌＳｉ3Ｏ8（式中、０≦ｙ≦１）で表わされるアルカリ長石を１〜１０質量部含有する原料混合物を調製し、該原料混合物に成形助剤を加えて混練して押出成形可能に可塑化し、ハニカム体に押出成形後、１０００〜１７００℃にて焼成することを特徴とする排ガス浄化触媒用ハニカム担体の製造方法。
- 前記原料混合物に含まれる各成分の平均粒子径が１０μｍ以下である請求項５に記載の製造方法。
- 排ガスを浄化させる触媒を担持したハニカム担体に排ガスを接触させる排ガスの浄化方法であって、該ハニカム担体の材質が、組成式：ＭｇxＡｌ2(1-x)Ｔｉ(1+x)Ｏ5（式中、０<ｘ<１）で表わされるチタン酸アルミニウムマグネシウムにおけるＭｇ，Ａｌ及びＴｉの金属成分比と同様の金属成分比率で含む、Ｍｇ含有化合物、Ａｌ含有化合物及びＴｉ含有化合物を含む混合物を酸化物換算量として１００質量部と、組成式：（ＮａyＫ1-y）ＡｌＳｉ3Ｏ8（式中、０≦ｙ≦１）で表わされるアルカリ長石１〜１０質量部とを含有する混合物を１０００〜１７００℃で焼成したチタン酸アルミニウムマグネシウム焼結体であることを特徴とする排ガスの浄化方法。
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