(57)【要約】【課題】単体で熱容量が低く、良好な触媒作用を有する炭化ケイ素多孔体を製造する。【解決手段】炭化ケイ素と炭素とを混合し、混合液（以下、スラリーという）を形成するスラリー形成工程（工程Ｓ２）と、スラリー含浸工程の後に、余剰スラリーを除去するスラリー除去工程Ｓ２ａと、スラリーを含浸させたポリウレタンフォームを乾燥する乾燥工程（工程Ｓ３）と、乾燥後の成形体をケイ素溶融液に浸漬した状態で反応焼結する焼結工程（工程Ｓ４）とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼ガスを浄化するフィルターに適用される炭化ケイ素多孔体の製造方法であって、
分散媒として水を用いて炭化ケイ素と炭素とを混合する混合工程と、
基材に前記混合工程において得られた混合液を含浸する含浸工程と、
前記混合液を含浸した前記基材を乾燥する乾燥工程と、
乾燥後の前記基材をケイ素を溶融させたケイ素溶融液に浸漬した状態で反応焼結する焼結工程と
を有する炭化ケイ素多孔体の製造方法。
【請求項２】
前記含浸工程の後に、前記基材から余剰の混合液を除去する除去工程を有し、
前記除去工程の後、前記乾燥工程を行う請求項１に記載の炭化ケイ素多孔体の製造方法。
【請求項３】
前記混合工程では、前記炭化ケイ素と前記炭素との合計を１００重量部としたとき、前記炭素は、５〜５０重量部添加される請求項１に記載の炭化ケイ素多孔体の製造方法。
【請求項４】
前記混合工程において、前記混合液に解膠剤が添加される請求項１に記載の炭化ケイ素多孔体の製造方法。
【請求項５】
前記基材は、ポリウレタンフォームである請求項１に記載の炭化ケイ素多孔体の製造方法。
【請求項６】
内燃機関の燃焼ガスを浄化するフィルターに適用される炭化ケイ素多孔体であって、
少なくとも炭化ケイ素が３次元網目構造を形成しており、前記３次元網目構造には、気孔が形成されており、
前記３次元網目構造は、分散媒として水を用いて炭化ケイ素と炭素とを混合して得られた混合液を基材に含浸した後、前記基材を乾燥し、乾燥後、前記基材をケイ素溶融液に浸漬した状態で反応焼結することによって形成される炭化ケイ素多孔体。
【請求項７】
前記３次元網目構造の骨格部の気孔率は、２％以下である請求項６に記載の炭化ケイ素多孔体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンなどの内燃機関の燃焼ガスを浄化するフィルターとして用いられる炭化ケイ素多孔体の製造方法及びこの製造方法によって製造される炭化ケイ素多孔体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンなどの内燃機関の燃焼ガスを浄化するフィルターは、粒子状物質（ＰＭ）、浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）等を除去するフィルターと、炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を触媒により還元又は酸化することにより、無害な炭酸ガス、水蒸気、窒素に変換するフィルター等を備える。炭化ケイ素多孔体は、耐摩耗性、耐酸性、耐腐食性、耐熱衝撃性に優れ、高硬度、低熱膨張率等の特性を有するため、これらフィルターの基材に適用可能である。
【０００３】
内燃機関の燃焼ガスを浄化するフィルターは、燃焼ガスの熱で加熱されることにより、触媒作用が活性化される。そのため、内燃機関の始動直後から触媒作用が活性化する活性温度に到達するまでの間は、炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物等を、炭酸ガス、水蒸気、窒素に変換する能力が低い。
【０００４】
これに対して、例えば、短時間で高温に加熱させられることが可能な高周波吸収体と、触媒作用を有する触媒体とを、セラミックス上に形成したフィルターが知られている（例えば、特許文献１）。このフィルターでは、高周波吸収体が短時間に加熱させられて、その熱エネルギーが触媒体に伝播させられる。これにより、内燃機関の始動直後から触媒作用が活性化する活性温度に到達するまでの時間を短縮させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許２９１７７７３号公報（［００１３］，［００１７］、第１図など）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した触媒作用を有するフィルターは、セラミックス上に、高周波吸収体と触媒体とを形成する必要があり、製造工程が複雑化していた。
【０００７】
また、活性温度になると触媒作用が活性化するフィルターでは、加熱され易いことが重要である。ところが、フィルターに過剰な熱が蓄積されると、フィルターが溶損する虞があることから、放熱性がよいことも要求される。すなわち、フィルターの熱伝導率は、高いことが好ましい。換言すると、フィルターの熱容量は、低いことが好ましい。
【０００８】
そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、熱伝導率が高く、内燃機関の始動直後から燃焼ガスを効率よく浄化することが可能なフィルターとして使用可能な炭化ケイ素多孔体及び炭化ケイ素多孔体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するため、本発明は、次のような特徴を有している。まず、本発明の第１の特徴は、内燃機関の燃焼ガスを浄化するフィルターに適用される炭化ケイ素多孔体の製造方法であって、分散媒として水を用いて炭化ケイ素と炭素とを混合する混合工程（スラリー形成工程、工程Ｓ１）と、基材に前記混合工程において得られた混合液（スラリー）を含浸する含浸工程（スラリー含浸工程、工程Ｓ２）と、前記混合液を含浸した前記基材を乾燥する乾燥工程（乾燥工程、工程Ｓ３）と、乾燥後の前記基材をケイ素を溶融させたケイ素溶融液に浸漬した状態で反応焼結する焼結工程（焼結工程、工程Ｓ４）とを有することを要旨とする。
【００１０】
本発明の第１の特徴は、混合液が含浸された基材を乾燥した後、基材にケイ素を含浸させた状態で反応焼結させる。これにより、基材に含浸した混合液中の、少なくとも炭化ケイ素によって主要な骨格が形成される。炭化ケイ素は、熱伝導率が高いため、炭化ケイ素を内燃機関の燃焼ガスの浄化用フィルターとして使用した場合、活性温度まで速やかに昇温させられる。また、炭化ケイ素は、熱伝導率が高いため、過剰な蓄熱を回避できる。従って、過剰な蓄熱によるフィルターの溶損を防止することができる。
【００１１】
本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記含浸工程の後に、前記基材から余剰の混合液を除去する除去工程（スラリー除去工程Ｓ２ａ）を有し、前記除去工程の後、前記乾燥工程を行うことを要旨とする。
【００１２】
本発明の第３の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記混合工程では、前記炭化ケイ素と前記炭素との合計を１００重量部としたとき、前記炭素は、５〜５０重量部添加されることを要旨とする。
【００１３】
本発明の第４の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記混合工程において、前記混合液には、解膠剤が添加されることを要旨とする。
【００１４】
本発明の第５の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記基材は、ポリウレタンフォームであることを要旨とする。
【００１５】
本発明の第６の特徴は、内燃機関の燃焼ガスを浄化するフィルターに適用される炭化ケイ素多孔体（炭化ケイ素多孔体１）であって、少なくとも炭化ケイ素が３次元網目状骨格構造（炭化ケイ素骨格２）を形成しており、前記３次元網目構造には、気孔が形成されており、前記３次元網目構造は、分散媒として水を用いて炭化ケイ素と炭素とを混合して得られた混合液を基材に含浸した後、前記基材を乾燥し、乾燥後に前記基材をケイ素溶融液に浸漬した状態で反応焼結することにより形成されることを要旨とする。
【００１６】
本発明の第７の特徴は、本発明の第６の特徴に係り、前記３次元網目構造の気孔率は、２％以下であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の特徴によれは、熱伝導率が高く、内燃機関の始動直後から燃焼ガスを効率よく浄化することが可能なフィルターとして使用可能な炭化ケイ素多孔体及び炭化ケイ素多孔体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る炭化ケイ素多孔体の製造方法を説明するフローチャートである。
【図２】ポリウレタンフォームの骨格構造を有する炭化ケイ素の構造体を説明する模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係る炭化ケイ素多孔体の構造を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、本発明に係る炭化ケイ素多孔体の製造方法及び炭化ケイ素多孔体の実施形態について、図面を参照しながら説明する。具体的に、（１）炭化ケイ素多孔体の製造方法、（２）炭化ケイ素多孔体、（３）炭化ケイ素粉末、（４）実施例、（５）作用・効果、（６）その他の実施形態について説明する。
【００２０】
なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。
【００２１】
したがって、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００２２】
（１）炭化ケイ素多孔体の製造方法
図１は、本発明の実施形態として示す炭化ケイ素多孔体の製造方法を説明するフローチャートである。図１に示すように、炭化ケイ素多孔体の製造方法は、工程Ｓ１乃至工程Ｓ４を有する。
【００２３】
工程Ｓ１は、炭化ケイ素と炭素とを混合し、混合液（以下、スラリーという）を形成するスラリー形成工程である。
【００２４】
スラリー形成工程では、水を分散媒とする。所定量の炭化ケイ素と炭素とを水に分散させる。炭化ケイ素と炭素との合計を１００重量部とするとき、炭素の添加量は、５〜５０重量部とすることが好ましい。
【００２５】
炭化ケイ素の結晶多型、使用量、純度、その製造方法等については特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。本実施形態に用いて好適な炭化ケイ素粉体の一例は、（３）炭化ケイ素粉末において説明する。炭素としては、水に分散されやすい炭素微粒子を使用する。具体的に、カーボンブラックを用いることができる。
【００２６】
スラリーには、炭化ケイ素、炭素以外に、解膠剤、バインダー等を添加してもよい。解膠剤を添加することにより、炭化ケイ素と炭素の分散性を高めることができる。バインダーとして、ポリビニルアルコール、ラテックス等を使用できる。バインダーを添加することにより、工程Ｓ３（乾燥工程）において乾燥した後の成形体の強度を高めることができる。
【００２７】
工程Ｓ２は、基材にスラリー形成工程で形成されたスラリーを含浸するスラリー含浸工程である。基材は、スラリーを吸収することができ、スラリーと化学的に反応しない材料である。一例として、基材は、ポリウレタンフォームである。
【００２８】
スラリー含浸工程の後に、基材に対して余剰のスラリーを除去するスラリー除去工程Ｓ２ａを行ってもよい。具体的には、スラリーが染みこんだポリウレタンフォームをロール等で絞る。なお、工程Ｓ２ａは、必ずしも行う必要はない。
【００２９】
工程Ｓ３は、スラリーを含浸させたポリウレタンフォームを乾燥する乾燥工程である。工程Ｓ３では、スラリーを含浸させたポリウレタンフォームを乾燥炉に入れて所定期間乾燥させる。
【００３０】
工程Ｓ４は、乾燥後の成形体に含まれている炭素とケイ素とを反応焼結する焼結工程である。焼結工程は、焼結炉内で行われる。
【００３１】
すなわち、スラリーが染みこんだポリウレタンフォームにおいて、反応焼結時に、Ｓｉ（ケイ素溶融液由来）と、炭素（カーボンブラック由来）とから炭化ケイ素が生成される。ここで、乾燥後の成形体に含まれる炭素（カーボンブラック）の原子数に対して、ケイ素は、十分余分に存在する。
【００３２】
図２は、基材１１０であるポリウレタンフォームの骨格を説明する模式図である。基材１１０は、骨格１１１と空隙部１１２と有する。ポリウレタンフォームは、焼成温度条件下（１６００℃以上）で焼失するため、焼結工程により、ポリウレタンフォームの骨格１１１を有する炭化ケイ素の構造体（Ｓｉ−ＳｉＣ多孔質体、又は単に炭化ケイ素多孔体という）が形成される。この炭化ケイ素多孔体は、ケイ素を微量に含む。本実施形態において、スラリー形成工程は、混合工程を構成し、スラリー含浸工程は、含浸工程を構成する。
【００３３】
（２）炭化ケイ素多孔体
図３は、（１）で説明した製造方法によって製造された炭化ケイ素多孔体の構造を説明する模式図である。図３は、焼結工程により形成された炭化ケイ素多孔体を拡大して示す拡大図である。炭化ケイ素多孔体１は、基材１１０に相当する。
【００３４】
図３に示すように、炭化ケイ素多孔体１は、ポリウレタンフォームの骨格構造を有する３次元網目状の炭化ケイ素骨格２を有する。炭化ケイ素多孔体１には、ポリウレタンフォームの空隙に相当する空隙部３が形成される。ここで、炭化ケイ素骨格２は、図２に示す骨格１１１に相当し、空隙部３は、空隙部１１２に相当する。
【００３５】
炭化ケイ素多孔体１のバルク部分、すなわち、炭化ケイ素骨格２には、気孔が形成される（不図示）。ここで、炭化ケイ素骨格２の気孔率は、２％以下であることが好ましい。
【００３６】
炭化ケイ素骨格２は、分散媒として水を用いて炭化ケイ素と炭素とを混合して得られたスラリーをポリウレタンフォームに含浸した後、乾燥させて、乾燥後にポリウレタンフォームをケイ素と反応焼結することにより形成される。
【００３７】
図３に示す構造を有する炭化ケイ素多孔体１は、更に触媒を担持させることによって、例えば、ディーゼルエンジンなどの内燃機関の燃焼ガスに含まれる浮遊粒子状物質を除去する浄化用フィルターとして使用することができる。燃焼ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素、及び窒素酸化物は、空隙部３を通過する際に炭化ケイ素骨格２に接触し、触媒作用によって、無害な炭酸ガス、水蒸気、窒素に変換される。
【００３８】
（３）炭化ケイ素粉末
炭化ケイ素多孔体の製造方法に使用可能な炭化ケイ素粉末は、α型、β型の何れでもよい。炭化ケイ素粉末の平均粒度は、２〜１０μｍであることが好ましい。この範囲を外れると、基材から余剰のスラリーを除去することが困難になり、目詰まりを引き起こす。
【００３９】
（４）実施例
上述した製造方法に基づき、炭化ケイ素、カーボンブラックの配合を変えて、炭化ケイ素多孔体を作製した。配合を表１に示す。
【表１】
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【００４０】
表１に示す配合で作製されたスラリーから、以下の手順で、炭化ケイ素多孔体を作製した。すなわち、スラリーを、φ３０ｍｍ×３０ｍｍの円筒状のポリウレタンフォームに染みこませた後、乾燥させた。ポリウレタンフォームは、セル数＃２０を使用した。セル数＃とは、単位インチ長当りの気泡の数を示す。
【００４１】
乾燥後、スラリーをスプレーにてポリウレタンフォームの円筒側面に塗布してシーリングした。この後、乾燥後のポリウレタンフォームと、ケイ素とを一緒に真空炉に配置し、真空下において反応焼結させた。反応焼結条件を１６００℃、３０分間とした。但し、比較例４については、反応焼結条件を１３５０℃、３０分間とした。
【００４２】
実施例１〜３、比較例１〜３で得られた構造体と同様に、φ３０×３ｍｍのサイズを同時に作成した。実施例１〜３、比較例１〜３の骨格に相当する、φ１０ｍｍ×０．５ｍｍに加工した後、熱伝導率、嵩密度、気孔率を測定した。また、ケイ素溶融液の残存ケイ素の割合を測定した。熱伝導率は、レーザフラッシュ法により測定した。嵩密度及び気孔率は、アルキメデス法により測定した。残存ケイ素は、真空下、１７００℃において１時間焼成を行った後の重量差から算出した。結果を表２に示す。
【表２】
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【００４３】
実施例１〜３の構造体の熱伝導率は、好ましいとされる９０Ｗ／ｍＫ以上であるのに対して、比較例１の構造体の熱伝導率は、８３Ｗ／ｍＫであった。実施例１〜３の結果から、スラリーに添加するカーボンブラックの量は、炭化ケイ素とカーボンブラックの合計を１００重量部としたとき、５０重量部を上限として、多いほど構造体の熱伝導率を高めることができることが判った。カーボンブラックが５重量部を下回ると、熱伝導率が向上する効果が小さかった。また、５０重量部を超えると、スラリー化が困難であった。
【００４４】
比較例１の炭化ケイ素単体で形成された構造体は、反応焼結時に、クラックが発生しやすかった。これは、炭化ケイ素と炭素との結合力に比べて、炭化ケイ素同士の結合力が弱いために、ケイ素源と炭素源とが反応して炭化ケイ素が生成される際に生じる体積変化によりクラックが発生するものと考えられる。
【００４５】
比較例２の構造体のように、炭素の配合量が炭化ケイ素の配合量を上回ると、焼成が困難になることが判った。
【００４６】
実施例１〜３の構造体と比べて、比較例３，４の構造体（従来品）の熱伝導率は、著しく低い値であった。また、比較例３，４の構造体の気孔率は、高いことが判った。
【００４７】
以上の結果から、カーボンブラックを５〜５０重量部加えることによって、熱容量が低く、かつ良好な触媒作用を有する炭化ケイ素多孔体を作製できるといえる。実施例１〜３の構造体は、フィルターとして公知であるコーディライトに比べて熱伝導率が著しく大きい。従って、熱容量が低い。そのため、速やかに活性温度に到達して、エンジン始動直後であっても良好な触媒作用が得られるとともに、低熱容量であるため、蓄熱を回避できる。従って、過剰加熱によるフィルターの溶損を防止することができる。
【００４８】
（５）作用・効果
本発明の炭化ケイ素多孔体の製造方法によれば、第１の特徴は、スラリーを含浸したポリウレタンフォームを乾燥した後、ポリウレタンフォームにケイ素溶融液を含浸した状態で反応焼結させる。これにより、ポリウレタンフォームに含浸したスラリーに含まれる、少なくとも炭化ケイ素によって、主要な骨格が形成される。炭化ケイ素は、熱伝導率が高いため、炭化ケイ素を内燃機関の燃焼ガスの浄化用フィルターとして使用した場合、活性温度まで速やかに昇温させられる。従って、エンジン始動直後でも、良好な触媒作用を得られる。また、炭化ケイ素は、熱伝導率が高い、すなわち低熱容量であるため、不要な蓄熱を回避できる。従って、過剰な加熱によるフィルターの溶損を防止することができる。
【００４９】
一般的に、燃焼ガスの浄化用フィルターに形成される空隙部は、断熱層として働くため、浄化用フィルターの骨格部分に空隙部が多く存在すると、浄化用フィルターの熱伝導率が低下させられる。そのため、骨格部分に空隙部が多い（すなわち、気孔率が大きい）ハニカム構造体では、熱伝導率を高めることができなかった。
【００５０】
これに対して、炭化ケイ素多孔体１の気孔率（すなわち、炭化ケイ素骨格２のバルク部分の空隙率）は、２％以下であるため、熱伝導率を向上させることができる。従って、熱容量を低くすることができる。
【００５１】
また、従来のハニカム構造体では、燃焼ガスは、ハニカム構造体に設けられた孔部を直線的に通過する。従って、燃焼ガスと触媒との接触面積が限定されていた。
【００５２】
これに対して、炭化ケイ素多孔体１は、３次元網目構造を有する。そのため、内部に流入した燃焼ガス等の流体は、炭化ケイ素多孔体１を通過する際に、炭化ケイ素骨格２との接触頻度が高められる。このように、炭化ケイ素多孔体１は、３次元網目構造を有することにより、触媒効率も向上させられる。
【００５３】
（６）その他の実施形態
上述したように、本発明の実施形態を通じて本発明の内容を開示したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００５４】
例えば、炭化ケイ素多孔体の製造方法に基づいて作製された炭化ケイ素多孔体１は、特に、ディーゼルエンジンの燃焼ガスの触媒担持体や、煤トラップフィルターに用いることができる。自動車の燃焼ガスの浄化用途に限定されない。例えば、船舶、定置用エンジンであってもよい。また、ＨＣ（炭化水素）浄化用フィルター、ＮＯｘ浄化用フィルターとしてだけでなく、ＰＭ（粒子状物質）浄化用フィルターとして使用することもできる。
【００５５】
また、本発明の実施形態は、次のように変更することができる。基材は、ポリウレタンフォームであるとした。しかし、スラリーと化学的に反応しない材料であればよい。
【００５６】
炭化ケイ素多孔体の製造方法に使用可能な炭化ケイ素粉末は、（３）炭化ケイ素粉末において説明した製法で製造された炭化ケイ素に限定されない。また、炭素源は、水に対して分散性のよいものであればよく、カーボンブラックに限定されない。また、カーボンブラックの粒径は適宜選択可能である。
【００５７】
このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は、上述の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００５８】
１…炭化ケイ素多孔体、２…炭化ケイ素骨格、３…空隙部、１１０…基材、１１１…骨格、１１２…空隙部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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