JPH10236887A - チタニアを結合材とするセラミックス多孔質膜、これを用いたセラミックスフィルター及びこれらの製造方法 - Google Patents
チタニアを結合材とするセラミックス多孔質膜、これを用いたセラミックスフィルター及びこれらの製造方法Info
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Abstract
クス多孔質膜、これを用いたセラミックスフィルター及
び、これらを耐火設備が不要な温度条件で製造すること
が可能な製造方法を提供する。 【解決手段】 骨材粒子を、チタニアからなる結合部に
より結合せしめたセラミックス多孔質膜である。骨材粒
子の1〜30重量%のチタニアからなる結合部を含み、骨
材粒子はα−アルミナからなる。この多孔質膜を多孔質
基材表面に形成してセラミックスフィルターとする。骨
材粒子と骨材粒子の1〜70重量%の、チタニアからなる
結合材とを含むスラリーを作製し、大気雰囲気下、300
〜700 ℃の条件で熱処理して多孔質膜を形成する。
Description
材とするセラミックス多孔質膜、これを用いたセラミッ
クスフィルター及びこれらの製造方法に関する。
に細孔径の小さい多孔質膜を形成したセラミックスフィ
ルターは、高分子膜等と比較して、物理的強度、耐久性
に優れるため信頼性が高いこと、耐食性が高いため酸ア
ルカリ等による洗浄を行っても劣化が少ないこと、更に
は、濾過能力を決定する細孔径の精密な制御が可能であ
る点において、固液分離用のフィルター等として有用で
ある。
ては、濾過能力を決定するセラミックス多孔質膜の性能
及び形成方法が技術上のポイントとなる。通常、セラミ
ック多孔質膜は、基材表面にセラミックス粒子を含むス
ラリーを成膜後、1300℃以上の高温で焼成しセラミック
粒子同士を固相焼結することにより得ることができる。
材となるセラミックス粒子にアルミナゾル、シリカゾル
等の無機ゾルを添加したスラリーを、焼成前の基材(い
わゆる生基材)の表面に成膜後、1200℃で共焼成する多
孔質膜の製造方法が開示されている。
の方法によれば、セラミック粒子同士が固相焼結により
強固に結合するため、強度、耐食性とも優れた多孔質膜
を得られるものの、少なくとも1300℃以上の高温で焼成
しなければ、実用可能な強度を有する多孔質膜を形成す
ることができない。このような高温焼成では、大量のエ
ネルギーを必要とし、多孔質体を配置する棚板等も、例
えば炭化珪素質できた耐火物等の高価で特殊な設備を用
いる必要があることに加え、基材にも1300℃以上の耐熱
性が要求されるため、基材材料も高価なものとならざる
を得ず、製品コストの上昇を招くという問題点があっ
た。
を成膜して焼成するため、ハンドリング強度を確保すべ
く、生基材にセラミックゾルを添加するとともに、基材
部分と膜部分との焼成挙動を一致させるため、膜部分を
構成するスラリーにもセラミックゾルを添加したもので
ある。この方法でも、前者の方法と比較すればやや低い
ものの、やはり1200℃以上という高温での焼成が必要と
なるため、高温焼成に伴う問題点がある。
おいては、骨材粒子に比べ、無機ゾル由来の微粒子部分
が腐食に対して敏感であるため、シリカゾルを用いた場
合には耐アルカリ性が低いという問題がある。一方、ア
ルミナゾルを用いた場合には1200℃以上の高温で十分焼
成されないとγ−アルミナを生成するため耐アルカリ性
が低いという問題があり、高温焼成が必須となる。
てなされたものであって、その目的とするところは、実
用可能な強度及び耐食性を有する多孔質膜を提供すると
ともに、当該多孔質膜を耐火設備が不要な低温条件で製
造可能な製造方法を提供することにある。
粒子を、チタニアからなる結合部により結合せしめたこ
とを特徴とするセラミックス多孔質膜が提供される。本
発明のセラミックス多孔質膜においては、チタニアから
なる結合部が、骨材粒子の1〜30重量%含まれているこ
とが好ましく、骨材粒子はα−アルミナからなることが
好ましい。また、本発明によれば、多孔質基材表面に前
記セラミックス多孔質膜を形成してなることを特徴とす
るセラミックスフィルターが提供される。
骨材粒子の1〜70重量%の、チタニアからなる結合材と
を含むスラリーを作製する第1工程:(B)当該スラリ
ーを大気雰囲気下、300〜700 ℃の条件で熱処理して多
孔質膜を形成せしめる第2工程:の各工程よりなること
を特徴とするセラミックス多孔質膜の製造方法が提供さ
れる。
と当該骨材粒子の1〜70重量%の、チタニアからなる結
合材とを含むスラリーを作製する第1工程:(B)当該
スラリーを多孔質基材表面に成膜して成膜体とする第2
工程:(C)当該成膜体を大気雰囲気下、300〜700 ℃の
条件で熱処理して多孔質基材表面に多孔質膜を形成せし
める第3工程:の各工程よりなることを特徴とするセラ
ミックスフィルターの製造方法が提供される。
と当該骨材粒子の1〜70重量%の、チタニアからなる結
合材とを含むスラリーを作製する第1工程:(B)当該
スラリーを水蒸気雰囲気下、100〜300℃の条件で熱処理
して多孔質膜を形成せしめる第2工程:の各工程よりな
ることを特徴とするセラミックス多孔質膜の製造方法が
提供される。
粒子と当該骨材粒子の1〜70重量%の、チタニアからな
る結合材とを含むスラリーを作製する第1工程:(B)
当該スラリーを多孔質基材表面に成膜して成膜体とする
第2工程:(C)当該成膜体を水蒸気雰囲気下、100〜30
0℃の条件で熱処理して多孔質基材表面に多孔質膜を形
成せしめる第3工程:の各工程よりなることを特徴とす
るセラミックスフィルターの製造方法が提供される。
孔質膜について詳細に説明する。なお、以下の説明にお
いて「細孔径」、「粒径」は、いずれも「平均細孔
径」、「平均粒径」を意味するものとする。
ミックス多孔体よりなる0.5〜500μm程度の厚さの薄膜
をいう。例えば、セラミックス多孔質基材の表面に薄膜
を形成したセラミックスフィルターの形で用いられ、フ
ィルターの濾過機能の中枢をなす部分となる。
多孔質膜という。)は、従来のように固相焼結によりセ
ラミックス粒子同士を結合した構造ではなく、セラミッ
クスよりなる骨材粒子をチタニア(TiO2)からなる
結合材を介して結合した構造をとることが特徴である。
当該構造は固相焼結によらないため比較的低温で製造で
きるほか、結合材が高耐食性のチニアからなるため、通
常、腐食に対して敏感な結合部についても耐食性が高い
多孔質膜を形成することが可能となる。
骨格を形成するセラミックス粒子であり、当該骨材粒子
の粒子径により多孔質膜の細孔径、即ち、フィルター機
能が決定される。換言すれば、骨材粒子の粒子径を適宜
選択することにより、所望の細孔径を有する多孔質膜を
得ることができる。本発明においては、0.1〜3μmの比
較的粒径が小さい骨材粒子を用い、細孔径が0.05〜1μm
程度の多孔質膜を形成することを目的とする。
である限りにおいて特に限定されず、例えばアルミナ
(Al2O3)、チタニア、ムライト(Al2O3・SiO
2)、ジルコニア(ZrO2)、シリカ(SiO2)、ス
ピネル(MgO・Al2O3)、或いはそれらの混合物等
を用いることができるが、粒子径が制御された原料が入
手し易い、スラリーが安定である、骨材粒子自体の耐食
性を高くできる、チタニアにより高い結合力が得られる
等の点においてα−アルミナを用いることが好ましい。
格を形成する骨材粒子同士を結合するための微粒子であ
り、チタニアからなるものである。チタニアからなる結
合材を用いることで、骨材粒子に比べて腐食に対して敏
感である結合部の耐食性を確保することができる。
主成分とするものであれば足り、具体的には、チタニア
の含有量が50重量%以上のものであれば用いることがで
きるが、高い耐アルカリ性を確保できる点において80重
量%以上のものを用いることが好ましい。
体的には例えばチタニアゾル粒子、チタニア微粉末粒子
(以下、ゾル粒子、微粉末粒子という。)を用いること
ができる。これらの微粒子は、熱処理されることによ
り、微粒子−微粒子間、微粒子−骨材粒子間で強固に結
合し、結合部を形成する。なお、これらの微粒子は熱処
理後に結晶化していても、結晶化していなくてもよい。
結合部の比率は、骨材粒子の粒径を考慮して適宜決定さ
れるべきであるが、骨材粒子に対し、固形分換算で1〜3
0重量%程度であることが好ましい。1重量%より少ない
と骨材粒子を強固に結合させることができないが、逆に
30重量%より多いと骨材粒子で構成される細孔を結合部
が埋めてしまうため、透水量が低下する場合があるから
である。
について説明する。本発明のセラミックスフィルター
(以下、フィルターという。)は、多孔質基材の表面に
上述した本発明の多孔質膜を形成してなるものである。
という。)とは、セラミックスよりなる多孔質体であっ
て、フィルターの外形を構成する部材をいう。但し、フ
ィルター機能は専ら基材表面に形成される多孔質膜が果
たすため、基材自体については細孔径が1〜50μmであ
る、比較的細孔径の大きい多孔体を用いることができ
る。
において特に限定されないが、例えばアルミナ、チタニ
ア、ムライト、ジルコニア、或いはこれらの混合物等を
好適に用いることができる。また、セラミックス基材表
面に既にセラミックス層が被覆されているものを基材と
して用いてもよい。このような基材の表面に、後述する
製造方法を用いて多孔質膜を形成しフィルターとする。
ついて説明する。(製法1) 製法1は、骨材粒子とチ
タニアからなる結合材(即ち、チタニアゾル粒子又はチ
タニア微粉末粒子)とを含むスラリーを大気雰囲気下、
300〜700℃の条件で熱処理することに多孔質膜を形成せ
しめることを特徴とする。この製造方法によれば、耐火
設備が不要な温度において、実用可能な強度を有する多
孔質膜を製造することが可能となる。また、後述する製
法2のような水蒸気雰囲気下の処理とは異なり、バッチ
式の熱処理とする必要がなく、大量生産に好適なトンネ
ル式の炉を使用することができる利点を有する。
粉末粒子を水で分散し、混合して成膜用のスラリーを作
製する。ゾル粒子の製法は特に限定されず、固形分濃度
が5〜40%の市販のゾル液を用いてもよい。例えばチタ
ンイソプロポキシドの加水分解物ゾル「TR-20A」(商品
名:日産化学工業(株)製)を用いることができる。ま
た、微粉末粒子については、例えば「NanoTek(TiO2)」
(商品名:シーアイ化成(株)製)を用いることができ
る。
粒子の粒径は、5〜100nmの範囲内のものであることが好
ましい。粒径が5nmより小さいとゾル粒子或いは微粉末
粒子同士が凝集して良質の多孔質膜を形成し難い一方、
粒径が100nmより大きいと結合力が弱く、骨材粒子を強
固に結合することが困難となるためである。
粒径は、骨材粒子の粒径の1/5以下とすることが好まし
く、1/10以下とすることが更に好ましい。骨材粒子の粒
径の1/5以上のゾル粒子・微粉末粒子を用いても結合材
としての機能が発現しないおそれがあるためである。
が、通常は100重量%以下の濃度とする。スラリー濃度
が100重量%より高くなると骨材粒子の凝集が起こり膜
に欠陥を生じ易くなる。なお、スラリーには、成膜性向
上のためにPVA等の有機バインダーを添加してもよく、
分散性向上のためにpH調製剤、表面活性剤等を添加して
もよい。
熱処理を行うが、熱処理は、300〜700℃の温度条件で行
う。300℃より低温では骨材粒子間に強固な結合部が形
成できず、700℃より高温では骨材粒子間の結合はより
強固になるものの、耐火設備が必要となることに加え、
大量のエネルギーが必要となりコストアップにつながる
ためである。温度以外の熱処理条件については、特に限
定されないが、上述のように大量生産に好適なトンネル
式の炉を使用して熱処理することが好ましい。
前記スラリーをセラミックスよりなる多孔質基材表面に
成膜して成膜体とした後、上述の熱処理を行えばよい。
成膜方法は特に限定されないが、例えスラリーを直接多
孔質基材表面に塗布して膜を形成する方法等を用いるこ
とができる。
下に示す製法2によっても製造することができる。製法
2は、製法1と同様のスラリーを水蒸気雰囲気下、100
〜300℃の条件で熱処理することにより多孔質膜を形成
せしめるものである。この製造方法でも、製法1と同様
に耐火設備が不要な温度において、実用可能な強度を有
する多孔質膜を製造することが可能となる。
とができ、当該スラリーを水蒸気雰囲気下、100℃〜300
℃の温度条件で熱処理する。100℃以下では膜の強度が
得られず、300℃以上では骨材粒子、例えばアルミナ粒
子が過剰に溶解し所望の細孔を形成できない場合がある
ためである。
は、例えば図1に示すように、オートクレーブ炉のよう
な密閉容器1に水3を水蒸気換算で当該密閉容器1の容
積以上入れ、外部からヒーター4により加熱する方法が
ある。この方法によれば、密閉容器1内が水蒸気雰囲気
となるとともに飽和蒸気圧がかかることにより、実用可
能な強度を有する多孔質膜を形成することができる。な
お、この際に成膜体6が水没するほど水3を入れると、
多孔質基材表面に成膜したスラリーが溶解するおそれが
ある。
膜を形成してフィルターとした実施例により詳細に説明
するが、本発明はこれらの実施例により限定されるもの
ではない。なお、原料、評価法については、以下に掲記
した条件により行った。
圧入法)10μmの平板状多孔体の一方の表面に、アルミ
ナ粒子からなるスラリーを厚さ100μmに成膜し、細孔径
(ASTM F306記載のエアーフロー法:以下、エアーフロ
ー法という。)を0.5μmとしたものを基材として使用し
た。
法により測定し、結合材ゾル粒子の粒径は、透過型電子
顕微鏡により、各ゾル粒子の最大、最小直径の平均値を
当該粒子の粒径とし、さらに100個のゾル粒子について
当該粒径の平均値を採り、ゾル粒子の粒径とした。
えて混合し、全ての実施例、参考例について膜厚が約20
μmになるように濃度を調整して、の基材のアルミナ
膜側の表面に成膜した。これを乾燥したものを成膜体と
して用いた。
水量を測定した。細孔径分布はエアーフロー法に基づく
平均細孔径で、透水量は膜間差圧1Kg/cm2、温度25℃に
おける、ろ過面積当たりの時間当たり透水量で表記し
た。
ビッカース硬度を測定した。このときの負荷荷重は50gf
とした。また、耐酸・アルカリ性を評価するため、試料
を2%クエン酸水溶液及び有効塩素換算5000ppmの次亜塩
素酸ナトリウム水溶液に10日間浸せきした後のビッカー
ス硬度を測定した。
の含有量については、熱処理後の多孔質膜断面をエネル
ギー分散型エックス線マイクロアナライザーにより元素
量を測定し、酸化物換算して骨材粒子に対する重量比を
算出した。
気炉を使用して、大気雰囲気下で熱処理を行った例を実
施例1〜18に示す。 (実施例1〜5、参考例1〜3)まず、表1に記載の種
々の骨材粒子と結合材を用いて、表1に記載の条件で熱
処理を行い、本発明のセラミックスフィルターを製造し
た。その結果を表2に示す。
限り、いずれも実用可能な強度を有するセラミックス多
孔質膜を形成することができた。これに対し、結合材を
添加していない参考例1は、500℃の熱処理条件では十
分な強度の膜が形成できず、参考例1’に示すように13
50℃の高温で焼成しない限り、十分な強度を有する膜を
形成することができなかった。また、参考例2、3に示
すように、結合材としてシリカゾルを用いた場合には、
耐アルカリ性が、アルミナゾルを用いた場合には耐酸性
及び耐アルカリ性が劣る結果となった。
ルミナ、結合材としてチタニアゾル粒子を使用し、結合
材の粒径、結合材の添加量、熱処理条件等が多孔質膜の
品質に与える影響について、更に詳細に検討した結果を
示す。なお、以下の実施例、参考例については、いずれ
も実施例7の条件(チタニアゾル添加量:固形分換算で
50wt%、チタニアゾル粒子粒径:30nm、熱処理条件:5
00℃・4hrs)を標準条件として、各検討項目の数値のみ
を変動させた。
粒子の粒径が多孔質膜の品質に与える影響について検討
した。その結果を表3に示す。
0nmの範囲における限り、いずれも実用可能な強度を
有するセラミックス多孔質膜を形成することができた。
これに対し、参考例4のように、ゾル粒子粒径200nm
では十分な強度の膜を形成することができなかった。
添加量が多孔質膜の品質に与える影響について検討し
た。その結果を表4に示す。
70wt%の範囲における限り、いずれも実用可能な強度を
有するセラミックス多孔質膜を形成することができた。
なお、ゾル粒子の添加量と膜中微粒子の量が一致してい
ないことから、チタニアゾル粒子の基材側への漏洩が推
察された。
M写真、図3は、膜部分を更に拡大したものであるが、
図2では、膜厚25μmに形成された多孔質膜、図3で
は、0.7μm程度のアルミナ粒子とアルミナ粒子間に形
成されたチタニア粒子による結合部を観察することがで
きる。また、図4は実施例11の多孔質膜の細孔径分布
を示すグラフであるが、細孔径が0.07μmに精密に制御
されていることを確認できる。
ニアゾル粒子の基材側への侵入を防止するため、基材細
孔内に予め水を含浸させてからスラリーを成膜し、再度
チタニアゾル粒子の添加量が多孔質膜の品質に与える影
響について検討した。その結果を表5に示す。
0wt%の範囲における限り、いずれも実用可能な強度を
有するセラミックス多孔質膜を形成することができた。
また、ゾル粒子の添加量と膜中微粒子の量がほぼ一致し
たことから、基材への水の含浸によりチタニアゾル粒子
の基材側への漏洩は防止されたものと推察される。
量を0.5wt%とした場合には、実用可能な膜強度が得ら
れず、参考例6のように、ゾル粒子添加量を40wt%とし
た場合には、膜中の微粒子量が40wt%に達し、透水量の
低下を招く。
熱処理温度が多孔質膜の品質に与える影響について検討
した。その結果を表6に示す。
℃の条件における限り、いずれも実用可能な強度を有す
るセラミックス多孔質膜を形成することができた。これ
に対し、参考例7のように、200℃の熱処理条件では十
分な強度の膜を形成することができなかった。
が多孔質膜の品質に与える影響について検討した。その
結果を表7に示す。
間の条件における限り、いずれも実用可能な強度を有す
るセラミックス多孔質膜を形成することができた。但
し、熱処理時間4時間で、膜強度はほぼ衡量に達してい
るものと推察される。
炉を使用して、水蒸気雰囲気下で熱処理を行った例を実
施例19〜24に示す。
ては、アルミナからなる、外径10mm、内径7mm、長さ100
mm、細孔径10μm(水銀圧入法)のチューブ状多孔質基
材の内表面に、アルミナ粒子からなるスラリーを厚さ10
0μmに成膜し、細孔径0.5μm(エアーフロー法)とした
ものを用いた。
Kgf/cm2の水圧をかけ、膜側に透水させるという操作を1
00回繰り返した後の細孔径分布、透水量を測定し、試験
前の20%以上変化した場合あるいは、膜の損傷が確認さ
れた場合には不合格とする定性評価のみ行った。
8に記載の種々の骨材粒子と結合材を用いて、表8に記
載の条件で熱処理を行い、本発明のセラミックスフィル
ターを製造した。その結果を表9に示す。
ける限り、いずれも実用可能な強度を有するセラミック
ス多孔質膜を形成することができた。これに対し、結合
材を添加していない参考例8は、300℃の熱処理条件で
は十分な強度の膜が形成できず、1350℃の高温で焼成し
ない限り、十分な強度を有する膜を形成することができ
なかった。
いては、粒径の大きいアルミナ粒子を骨材粒子として用
いて、表8に示す条件で熱処理を行い、比較的細孔径の
大きい多孔質基材を作製した。具体的には、粒径60μm
のアルミナ粒子に対し、粒径30nmのチタニアゾル液を固
形分換算で20重量%添加し、更に水、有機バインダーと
してメチルセルロースを加えて混合した。混練機にて混
練物を作製し、押し出し機により外径10mm、内径7mm、
長さ300mmのチューブを成形したものについて熱処理を
行った。その結果を表10に示す。
能な強度を有する多孔質基材を形成することができた。
即ち、この製造方法では、多孔質膜のみならず多孔質基
材をも形成することが可能である。これに対し、結合材
を添加していない参考例9は、実施例10の熱処理条件
(200℃)では十分な強度の基材が形成できず、1525℃
の高温で焼成しない限り、十分な強度を有する基材を形
成することができなかった。
び耐食性を有する多孔質膜及びセラミックスフィルター
を、耐火設備が不要な温度条件で製造することが可能と
なる。
る。
真である。
子構造の写真である。
分布を示すグラフである。
台、6…成膜体。
Claims (8)
- 【請求項1】 骨材粒子を、チタニアからなる結合部に
より結合せしめたことを特徴とするセラミックス多孔質
膜。 - 【請求項2】 チタニアからなる結合部が、骨材粒子の
1〜30重量%含まれてなる請求項1に記載のセラミック
ス多孔質膜。 - 【請求項3】 骨材粒子がα−アルミナからなる請求項
1又は2に記載のセラミックス多孔質膜。 - 【請求項4】 多孔質基材表面に請求項1〜3のいずれ
か一項に記載のセラミックス多孔質膜を形成してなるこ
とを特徴とするセラミックスフィルター。 - 【請求項5】(A)骨材粒子と当該骨材粒子の1〜70重量
%の、チタニアからなる結合材とを含むスラリーを作製
する第1工程: (B)当該スラリーを大気雰囲気下、300〜700 ℃の条件
で熱処理して多孔質膜を形成せしめる第2工程:の各工
程よりなることを特徴とするセラミックス多孔質膜の製
造方法。 - 【請求項6】(A)骨材粒子と当該骨材粒子の1〜70重量
%の、チタニアからなる結合材とを含むスラリーを作製
する第1工程: (B)当該スラリーを多孔質基材表面に成膜して成膜体
とする第2工程: (C)当該成膜体を大気雰囲気下、300〜700 ℃の条件で
熱処理して多孔質基材表面に多孔質膜を形成せしめる第
3工程:の各工程よりなることを特徴とするセラミック
スフィルターの製造方法。 - 【請求項7】(A)骨材粒子と当該骨材粒子の1〜70重量
%の、チタニアからなる結合材とを含むスラリーを作製
する第1工程: (B)当該スラリーを水蒸気雰囲気下、100〜300℃の条
件で熱処理して多孔質膜を形成せしめる第2工程:の各
工程よりなることを特徴とするセラミックス多孔質膜の
製造方法。 - 【請求項8】(A)骨材粒子と当該骨材粒子の1〜70重量
%の、チタニアからなる結合材とを含むスラリーを作製
する第1工程: (B)当該スラリーを多孔質基材表面に成膜して成膜体
とする第2工程: (C)当該成膜体を水蒸気雰囲気下、100〜300℃の条件
で熱処理して多孔質基材表面に多孔質膜を形成せしめる
第3工程:の各工程よりなることを特徴とするセラミッ
クスフィルターの製造方法。
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