JP5860896B2 - 不活性ガスを使用した多孔質セラミック物品の形成方法 - Google Patents

不活性ガスを使用した多孔質セラミック物品の形成方法 Download PDF

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Description

関連出願の説明
本出願は、その内容が依拠され、全てが引用される、2010年11月29日に出願された米国特許出願第12/955312号の米国法典第35編第120条の下での優先権の恩恵を主張するものである。
本開示は、広く、多孔質セラミック物品に関し、より詳しくは、不活性ガスを使用した多孔質セラミック物品の形成方法に関する。
多孔質セラミック物品の製造において、デンプンなどの有機材料、およびグラファイトなどの無機材料を含む、細孔形成成分の使用により、気孔率および細孔径分布が一般にもたらされる。これの細孔形成剤は焼成中に焼き払われて、空孔または細孔が形成される。しかしながら、デンプン、グラファイトまたはその両方の混合物を使用すると、セラミック体の乾燥中と焼成中の両方で、特に亀裂の生成に関連する、重大な複雑さが生じ得る。例えば、未焼成体の乾燥中のマイクロ波の貫通深さが、グラファイトなどの細孔形成剤の存在により、制限され得る、または乾燥中または焼成中に、きつい温度勾配が未焼成体に生じ得る。その上、細孔形成剤を焼き払うために、焼成サイクルを調整するか、または長くする必要があるかもしれず、これは、特に、高い気孔率が必要とされ、その結果、そのような細孔形成剤が高レベルで導入される微粒子フィルタの場合、より高いコスト、いっそうの複雑さ、および/または減少した生産速度をもたらすことがある。例示の微粒子フィルタは、ディーゼルエンジン(DPF(ディーゼル微粒子フィルタ)と称される)およびガソリンエンジン(GPF(ガソリン微粒子フィルタ)と称される)に使用される。
過剰な量のデンプンまたはグラファイトの細孔形成剤を使用せずに高レベルの気孔率を作り出す試みは、例えば、200℃未満の温度で揮発できる揮発性炭化水素の使用、または非常に高圧(例えば、少なくとも1650psi(約11.4MPa))下で液体状態である二酸化炭素の使用に焦点を当ててきた。
これらの手法には、コスト、環境への影響、押出安定性の問題、および不均一な気孔率を含む、様々な欠点があり得る。
本開示の1つの実施の形態は、多孔質セラミック物品を製造する方法に関する。この方法は、多孔質セラミック物品を形成するための前駆体バッチを提供する工程を含む。この方法は、前駆体バッチに、正のゲージ圧に加圧されたガスを注入する工程も含む。その上、この方法は、そのゲージ圧を維持しながら、前駆体バッチを未焼成体に成形する工程を含む。この方法は、未焼成体から圧力を除去する工程をさらに含む。その上、この方法は、未焼成体を焼成して、多孔質セラミック物品を製造する工程を含む。
上述した実施の形態は、正のゲージ圧が約10psig(約69kPa(g))から約1000psig(約6.9MPa(g))である方法を含む。
上述した実施の形態は、ガスのCO2含有量が約250ppm未満である方法も含む。
本開示の別の実施の形態は、上述した方法により製造された多孔質セラミック物品に関する。
追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、その説明から当業者に容易に明白であるか、または記載された説明および特許請求の範囲、並びに添付図面に示された実施の形態を実施することによって認識されるであろう。
先の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方とも、単に例示であり、請求項の性質および特徴を理解するために概要または骨子を提供することが意図されているのが理解されよう。
添付図面は、本発明をさらに理解するために含まれ、本明細書に包含され、その一部を構成する。図面は、1つ以上の実施の形態を示し、説明と共に、様々な実施の形態の原理および動作を説明する働きをする。
窒素注入、二酸化炭素注入、およびガス注入なしの例示の実行を比較する、チタン酸アルミニウム(AT)から形成された焼成ハニカム体に関するMORと気孔率をプロットしたグラフ ATハニカム体の3つの例示の押出に関する細孔径分布をプロットしたグラフ ATハニカム体の3つの追加の例示の押出に関する細孔径分布をプロットしたグラフ 焼成ATハニカム体に関する研磨した断面のSEM顕微鏡写真 焼成ATハニカム体に関する研磨した断面のSEM顕微鏡写真 焼成ATハニカム体に関する研磨した断面のSEM顕微鏡写真 窒素注入およびガス注入なしを比較した、コージエライトの2つの例示の押出に関する細孔径分布をプロットしたグラフ 焼成コージエライトハニカム体に関する研磨した断面のSEM顕微鏡写真 焼成コージエライトハニカム体に関する研磨した断面のSEM顕微鏡写真
不活性ガスを使用して多孔質セラミック物品を製造する新規のプロセスがここに開示されている。不活性ガスの使用により、ハニカム構造を有するセラミック物品などのセラミック物品の気孔率を増加させることができる。
値D10およびD50は、水銀ポロシメトリーにより測定された、容積に基づく累積細孔径分布の10%および50%での細孔径として定義され、D10<D50である。それゆえ、D50は中央細孔径であり、D10は、容積に基づいて、細孔の10%がそれより微細である細孔径である。
「d因子」(Df)という用語は、細孔径分布の細孔径がより小さい部分の狭さを特徴付け、以下の方程式:Df=(D50−D10)/D50により与えられる。
不活性ガスは、例えば、押出機の混合/剪断区域および/または押出機の搬送区域において、押出中にセラミックバッチ中に導入することができる。押出機の背圧により、不活性ガスを圧縮することができる。未焼成体を形成した後、圧力を除き、不活性ガスの少なくともある程度を逃し、また未焼成体中に細孔を形成することができる。そのように細孔の形成により、焼成中に増加した熱負荷を必要とせずに(例えば、焼成炉において)、最終的な焼成セラミック物品の気孔率を増加させることができる。
ここに開示された方法を使用して製造できる多孔質セラミック物品のタイプは、どのような特定の材料または無機成分にも制限されない。例示の実施の形態において、多孔質セラミック物品は、チタン酸アルミニウム(AT)、アルミナ(Al23)、コージエライト、ムライト、炭化ケイ素(SiC)、酸窒化ケイ素アルミニウム(SiAlON)、およびゼオライトからなる群より選択される少なくとも1種類の材料を含む。
一組の例示の実施の形態において、多孔質セラミック物品はチタン酸アルミニウム(AT)を含む。
一組の例示の実施の形態において、多孔質セラミック物品はコージエライトを含む。
例示の実施の形態において、不活性ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、およびキセノンからなる群より選択される少なくとも1種類の成分を含む。
一組の例示の実施の形態において、不活性ガスは、少なくとも90体積%の窒素、さらには少なくとも95体積%の窒素、またさらに少なくとも99体積%の窒素のように、窒素を含む。不活性ガスは実質的に純粋な窒素からなっても差し支えない。
一組の例示の実施の形態において、不活性ガスは、少なくとも90体積%のヘリウム、さらには少なくとも95体積%のヘリウム、またさらに少なくとも99体積%のヘリウムのように、ヘリウムを含む。不活性ガスは実質的に純粋なヘリウムからなっても差し支えない。
一組の例示の実施の形態において、不活性ガスは、少なくとも90体積%のアルゴン、さらには少なくとも95体積%のアルゴン、またさらに少なくとも99体積%のアルゴンのように、アルゴンを含む。不活性ガスは実質的に純粋なアルゴンからなっても差し支えない。
一組の例示の実施の形態において、不活性ガスは、窒素、ヘリウム、およびアルゴンの内の少なくとも2つの混合物を含む。例えば、不活性ガスは、窒素、ヘリウム、およびアルゴンの内の少なくとも2つの混合物を含み、この混合物中の各成分は、その混合物の少なくとも10体積%を構成する。例えば、不活性ガスは、少なくとも10体積%の窒素および少なくとも10体積%のヘリウムを含む窒素とヘリウムを含む混合物、少なくとも10体積%の窒素および少なくとも10体積%のアルゴンを含む窒素とアルゴンを含む混合物、少なくとも10体積%のヘリウムおよび少なくとも10体積%のアルゴンを含むヘリウムとアルゴンを含む混合物、および少なくとも10体積%の窒素、少なくとも10体積%のヘリウム、および少なくとも10体積%のアルゴンを含む窒素とヘリウムとアルゴンを含む混合物を含んで差し支えない。
一組の例示の実施の形態において、セラミックバッチ中に導入されるガスは、窒素と空気の混合物を含む。空気は、水蒸気に加え、地球の大気中に自然に生じる比率で存在する、窒素、酸素、アルゴン、二酸化炭素、ネオン、およびヘリウムを含むガスの混合物として理解できる。
例えば、そのガスは、約25:75の体積比の空気対窒素から約75:25体積比の空気対窒素、約40:60の体積比の空気対窒素から約60:40体積比の空気対窒素、約50:50の体積比の空気対窒素を含む、少なくとも25体積%の空気および少なくとも25体積%の窒素を含み得る。
一組の例示の実施の形態において、セラミックバッチ中に導入されるガスは、ヘリウムと空気の混合物を含む。例えば、そのガスは、約25:75の体積比の空気対ヘリウムから約75:25体積比の空気対ヘリウム、約40:60の体積比の空気対ヘリウムから約60:40体積比の空気対ヘリウム、約50:50の体積比の空気対ヘリウムを含む、少なくとも25体積%の空気および少なくとも25体積%のヘリウムを含み得る。
一組の例示の実施の形態において、セラミックバッチ中に導入されるガスは、アルゴンと空気の混合物を含む。例えば、そのガスは、約25:75の体積比の空気対アルゴンから約75:25体積比の空気対アルゴン、約40:60の体積比の空気対アルゴンから約60:40体積比の空気対アルゴン、約50:50の体積比の空気対アルゴンを含む、少なくとも25体積%の空気および少なくとも25体積%のアルゴンを含み得る。
一組の例示の実施の形態において、セラミックバッチ中に導入されるガスは空気を含む。この空気は、相当量の他のガスと混合されていても、いなくてもよい。いくつかの例示の実施の形態において、前記空気は、空気中に自然に生じるCO2と比べて減少したCO2レベルを有する。CO2レベルの減少は、例えば、CO2洗浄(scrubbing)のための標準的な公知の方法を使用して、洗浄によって、行うことができる。例示の実施の形態は、空気中に自然に生じるCO2の少なくとも50%が除去されたガス、空気中に自然に生じるCO2の少なくとも75%が除去されたガス、さらに、空気中に自然に生じるCO2の少なくとも90%が除去されたガス、またさらに、空気中に自然に生じるCO2の少なくとも95%が除去されたガス、そしてさらに、空気中に自然に生じるCO2の少なくとも99%が除去されたガスを含む。
いくつかの例示の実施の形態において、前記空気は、空気中に自然に生じるO2と比べて減少したO2レベルを有する。O2レベルの減少は、例えば、O2洗浄のための標準的な公知の方法を使用して、洗浄によって、行うことができる。例示の実施の形態は、空気中に自然に生じるO2の少なくとも50%が除去されたガス、空気中に自然に生じるO2の少なくとも75%が除去されたガス、さらに、空気中に自然に生じるO2の少なくとも90%が除去されたガス、またさらに、空気中に自然に生じるO2の少なくとも95%が除去されたガス、そしてさらに、空気中に自然に生じるO2の少なくとも99%が除去されたガスを含む。
いくつかの例示の実施の形態において、セラミックバッチ中に導入されるガスは、約1ppmから約200ppm、約1ppmから約100ppm、約1ppmから約50ppm、および約1ppmから約25ppmを含む、約150ppm未満、さらに約100ppm未満、さらにまた約50ppm未満、そしてさらにまた約25ppm未満などの約250ppm未満のCO2含有量を有する。セラミックバッチ中に導入されるガスは、CO2を実質的に含まなくてよい。
いくつかの例示の実施の形態において、セラミックバッチ中に導入されるガスは、約0.1体積%から約10体積%、約0.1体積%から約5体積%、約0.1体積%から約2体積%、約0.1体積%から約1体積%を含む、約5体積%未満、さらに約2体積%未満、さらにまた約1体積%未満などの約10体積%未満のO2含有量を有する。セラミックバッチ中に導入されるガスは、O2を実質的に含まなくてよい。
ここに開示された実施の形態において、セラミックバッチ中に導入されるガスは、正のゲージ圧で導入される。いくつかの例示の実施の形態において、ゲージ圧は、約10psig(約69kPa(g))から約500psig(約3.4MPa(g))、さらに約10psig(約69kPa(g))から約250psig(約1.7MPa(g))、さらにまた約10psig(約69kPa(g))から約100psig(約690kPa(g))、さらにまた約10psig(約69kPa(g))から約50psig(約345kPa(g))、約30psig(約207kPa(g))を含む、約10psig(約69kPa(g))から約1000psig(約6.9MPa(g))などの少なくとも約10psig(約69kPa(g))である。
一組の例示の実施の形態において、ここに開示された方法は、前駆体バッチにガスを注入する前に、前駆体バッチを包含する環境を減圧する工程をさらに含む。この減圧工程は、例えば、真空ポンプを使用して行うことができる。例えば、減圧工程は、少なくとも95%、さらに少なくとも99%などの、少なくとも90%、圧力を減少させる工程を含み得る。
本開示および付随の特許請求の範囲は、以下の実施例によりさらに明白になるであろう。
実施例1
二酸化炭素注入によるチタン酸アルミニウム(AT)組成物およびガス注入のないAT組成物と比べた、窒素注入によるAT組成物
表1に列挙された量または範囲内で存在する原材料成分を有するチタン酸アルミニウム(AT)セラミックバッチ組成物を調製した。
Figure 0005860896
表1に示されたセラミックバッチ組成物を使用して、6つの実験を行った。これらの実験の各々において、32mmの二軸スクリュー装置(TSM)を使用して、セラミックバッチを可塑化して、可塑性バッチを形成した。次いで、これを、押出ダイを使用して、2インチ(約5cm)のハニカムに押し出した。押出機は、ガス注入の前に、空気を真空ポンプで排気できるように構成されており、真空ポンプとN2またはCO2注入区域との間にはシールが設けられていた。このシールの目的は、注入したガス(例えば、N2またはCO2)が押出機を通って後方に移動し、空気と共に排気されるのを防ぐことであった。このガス注入地点は、シールの下流であり、押出機の出口のずっと前であった。ガス(N2またはCO2)注入の圧力は、約30psi(約207kPa)に調節した。
6つの実験は以下であった:(1)実験1−対照:押出機にガスを注入せず、真空下でセラミックバッチを可塑化させ、注入ガスを含まない押出ハニカムを製造した;(2)実験2−N2:押出機にN2を30psi(約207kPa)で注入し、真空下で注入地点より上流でセラミックバッチを可塑化させ、加圧N2を含む押出ハニカムを製造した;(3)実験3−CO2:CO2を30psi(約207kPa)で注入し、真空下で注入地点より上流でセラミックバッチを可塑化させ、加圧CO2を含む押出ハニカムを製造した;(4)実験4−対照:実験1の繰返し;(5)実験5−N2:実験2の繰返し;および(6)実験6−CO2:実験3の繰返し。
全ての押出ハニカムを電子レンジ内で乾燥させ、標準的なATサイクルを使用して炉内で焼成した。焼成したATハニカムの気孔率の結果が表2に示されている。
Figure 0005860896
2を注入した実験2および実験5は、対照条件のもの(実験1および実験4)およびCO2条件のもの(実験3および実験6)よりも著しく高い気孔率を示したのが分かる。N2条件(実験2および実験5)は高い平均細孔径(D50)を示したが、D因子(D50−D10/D50)は全ての条件で比較的類似していた。
2実験のより高い気孔率が未焼成状態(焼成前)または焼成状態に起因するか否かを決定するために、実験1〜3の電子レンジで乾燥させたハニカムを未焼成気孔率について試験した。表3に、実験1〜3に関する未焼成気孔率の結果が示されている。
Figure 0005860896
2注入の実験2は、実験1および3のものより著しく高い気孔率を示したのが分かる。この結果は、表2のN2条件(実験2および実験5)の高い気孔率がN2ガスによる未焼成状態における増加した気孔率の結果であろうと示唆した。
6つの実験からの焼成ATハニカムの破壊係数(MOR)を、軸検体への4点曲げ方法によって測定した。その破壊係数が表4に示されている。
Figure 0005860896
予測されるように、N2条件(実験2および実験5)が、高い気孔率のために著しく低いMOR強度を示した。
図1は、各条件に関する2つの実験の平均が比較されている、焼成ATハニカムにMORと気孔率をプロットしている(平均対照=実験1および4の平均;平均N2=実験2および5の平均;平均CO2=実験3および6の平均)。N2注入により気孔率が増加する一方で、MORが低下したのが図1から分かる。しかしながら、CO2注入では、気孔率またはMORのいずれにも著しい影響はなかった。
図2は、実験1〜3の細孔径分布をプロットしている。N2による実験2は、対照条件(実験1)と類似の狭い分布を維持しながら、著しく高い気孔率を示したのが分かる。CO2による実験3は、対照条件(実験1)と比べて、気孔率または分布のいずれにも著しい影響を示さなかった。
図3は、実験4〜6の細孔径分布をプロットしている。明らかに、実験4〜6に関する傾向は、図2に示された実験1〜3と同じであった。
図4A〜4Cは、焼成ATハニカムに関する研磨表面のSEM顕微鏡写真を示している。N2条件(実験2)は、対照条件(実験1)およびCO2条件(実験3)の両方と類似の均一な細孔分布を示したが、気孔率は高かった。
表5は、加熱サイクルと冷却サイクルの両方に関する焼成ATハニカムの25℃と800℃の間の熱膨張係数(CTE)を示している。N2条件(実験2および実験5)は、対照条件(実験1および実験4)およびCO2条件(実験3および実験6)のものより著しく高いCTEを示したようである。
Figure 0005860896
実施例2
ガス注入なしのコージエライト組成物と比べた窒素注入によるコージエライト組成物
表6に示された範囲内で存在する原材料成分を有するコージエライトセラミックバッチ組成物を調製した。
Figure 0005860896
2つの実験AおよびBを、チタン酸アルミニウム(AT)組成物に関して上述したのと同じ様式で行った。実験A(対照)において、押出機にガスを注入しなかったのに対し、実験Bにおいて、押出機にN2ガスを40psi(約276kPa)で注入した。両方の実験からの押出ハニカムを電子レンジで乾燥させ、標準的なコージエライトサイクルを使用して炉内で焼成した。焼成コージエライトハニカムの気孔率の結果が表7に示されている。
Figure 0005860896
2注入による実験Bは、ガス注入を行わない実験Aの対照のものよりも著しく高い気孔率を示したのが分かる。
2つの実験からの焼成コージエライトハニカムの破壊係数(MOR)を、軸検体への4点曲げ方法によって測定した。その破壊係数が表8に示されている。
Figure 0005860896
予測されるように、N2条件(実験B)が、高い気孔率のために著しく低いMOR強度を示した。
図5は、実験A〜Bからの焼成コージエライトの細孔径分布をプロットしている。N2による実験Bは、対照条件(実験A)と類似の狭い分布を維持しながら、著しく高い気孔率を示したのが分かる。
図6A〜6Bは、焼成コージエライトハニカムに関する研磨表面のSEM顕微鏡写真を示している。N2条件(実験B)は、対照条件(実験A)と類似の均一な細孔分布を示したが、気孔率は高かった。
表9は、加熱サイクルと冷却サイクルの両方に関する焼成コージエライトハニカムの25℃と800℃の間の熱膨張係数(CTE)を示している。N2条件(実験B)は、対照条件(実験A)のものと類似のCTEを示したようである。
Figure 0005860896
ここに開示された方法は、少なくとも57%の気孔率および少なくとも205psi(約1.41MPa)の軸方向破壊係数強度、さらに少なくとも59%の気孔率および少なくとも210psi(約1.45MPa)の軸方向破壊係数強度などの、少なくとも55%の気孔率および少なくとも200psi(約1.38MPa)の軸方向破壊係数強度を有する多孔質セラミック物品を提供できる。
その上、ここに開示された方法は、少なくとも67%の気孔率および少なくとも165psi(約1.14MPa)の軸方向破壊係数強度、さらに少なくとも69%の気孔率および少なくとも167psi(約1.15MPa)の軸方向破壊係数強度などの、少なくとも65%の気孔率および少なくとも160psi(約1.10MPa)の軸方向破壊係数強度を有する多孔質セラミック物品を提供できる。
実施例に開示されたように、ここに開示された方法は、グラファイトまたはデンプンを含有する細孔形成剤などの、室温で固相で存在する少なくとも1種類の細孔形成剤(「固相細孔形成剤」)が前駆体バッチ材料に加えられるものを含む。
固相細孔形成剤の特定の量(もしあれば)に制限するものではないが、例示の実施の形態は、固相細孔形成剤の総量が、上乗せ添加基準で約10%から約35%、さらには上乗せ添加基準で約15%から約25%を含む、上乗せ添加基準で約5%から約45%に及ぶ量で、前駆体バッチ材料中に存在するものを含む。
一組の例示の実施の形態において、前駆体バッチ材料中に存在する固相細孔形成剤の総量が、上乗せ添加基準で約5%から約20%を含む、上乗せ添加基準で約20%未満、さらには上乗せ添加基準で約15%未満などの、上乗せ添加基準で約25%未満である、少なくとも50%の気孔率を有する多孔質セラミック物品を提供できる。
一組の例示の実施の形態において、前駆体バッチ材料中に存在する固相細孔形成剤の総量が、上乗せ添加基準で約5%から約20%を含む、上乗せ添加基準で約20%未満、さらには上乗せ添加基準で約15%未満などの、上乗せ添加基準で約25%未満である、少なくとも55%の気孔率を有する多孔質セラミック物品を提供できる。
他に明白に述べられていない限り、ここに述べられたどの方法も、その工程が特定の順序で行われることを要求するものとみなされることは決して意図されていない。したがって、方法の請求項が、その工程がしたがうべき順序を実際に挙げていない場合、またはそうでなければ、工程を特定の順序に制限すべきであることが特許請求の範囲または説明に具体的に述べられていない場合、どの特定の順序も推論されることは決して意図されていない。
付随の特許請求の範囲に述べられた本発明の精神または範囲から逸脱せずに、様々な改変および変更が行えることが当業者には明白であろう。本開示の精神および内容を含む開示された実施の形態の改変、組合せ、回の組合せおよび変種が当業者に想起されるであろうから、本開示は、付随の特許請求の範囲およびその同等物の範囲内の全てを含むと考えるべきである。

Claims (4)

  1. 多孔質ハニカムセラミック物品を製造する方法において、
    多孔質セラミック物品を形成するための前駆体バッチを提供する工程、
    前記前駆体バッチに、正のゲージ圧に加圧されたガスを注入する工程、
    前記ゲージ圧を維持しながら、押出により前記前駆体バッチをハニカム未焼成体に成形する工程、
    前記ハニカム未焼成体から圧力を除去する工程、および
    前記未焼成体を焼成して、多孔質ハニカムセラミック物品を製造する工程、
    を含み、
    前記正のゲージ圧が0psig(約69kPa(g))から000psig(約6.9MPa(g))である方法。
  2. 前記ガスが、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、およびキセノンからなる群より選択される少なくとも1種類の成分を含む、請求項1記載の方法。
  3. 前記ガスが少なくとも90体積%の窒素を含む、請求項1記載の方法。
  4. 多孔質ハニカムセラミック物品を製造する方法において、
    多孔質セラミック物品を形成するための前駆体バッチを提供する工程、
    前記前駆体バッチに、正のゲージ圧に加圧されたガスを注入する工程、
    前記ゲージ圧を維持しながら、押出により前記前駆体バッチをハニカム未焼成体に成形する工程、
    前記ハニカム未焼成体から圧力を除去する工程、および
    前記未焼成体を焼成して、多孔質ハニカムセラミック物品を製造する工程、
    を含み、
    前記ガス中のCO2含有量が50ppm未満である方法。
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