(57)【要約】【課題】従来よりも製造が容易な炭化ケイ素多孔質体と、従来よりも炭化ケイ素多孔質体の製造が容易な炭化ケイ素多孔質体の製造方法を提供する。【解決手段】炭化ケイ素粉末と炭素粉末とを含む水性スラリーを用いて、前記炭化ケイ素粉末と前記炭素粉末とを含む中間多孔質体を生成し、この中間多孔質体を乾燥させ、乾燥した中間多孔質体にシリコン蒸気を用いてシリコンを含浸させることにより形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化ケイ素粉末と炭素粉末とを含む水性スラリーを用いて、前記炭化ケイ素粉末と前記炭素粉末とを含む中間多孔質体を生成し、この中間多孔質体を乾燥させ、乾燥した中間多孔質体にシリコン蒸気を用いてシリコンを含浸させることにより形成されたことを特徴とする炭化ケイ素多孔質体。
【請求項２】
前記中間多孔質体は、前記水性スラリーにスポンジ状多孔質体を含浸させることで生成されることを特徴とする請求項１記載の炭化ケイ素多孔質体。
【請求項３】
前記スポンジ状多孔質体がウレタンフォームにより形成されていることを特徴とする請求項２記載の炭化ケイ素多孔質体。
【請求項４】
前記中間多孔質体は、前記水性スラリーに発泡剤及び硬化剤を加えることで生成されることを特徴とする請求項１記載の炭化ケイ素多孔質体。
【請求項５】
炭化ケイ素粉末と炭素粉末とを含む水性スラリーを用いて、前記炭化ケイ素粉末と前記炭素粉末とを含む中間多孔質体を生成する工程と、
この中間多孔質体を乾燥させる工程と、
乾燥した中間多孔質体にシリコン蒸気を用いてシリコンを含浸させる工程と、を含むことを特徴とする炭化ケイ素多孔質体の製造方法。
【請求項６】
前記中間多孔質体は、前記水性スラリーにスポンジ状多孔質体を含浸させることで生成されることを特徴とする請求項５記載の炭化ケイ素多孔質体の製造方法。
【請求項７】
前記スポンジ状多孔質体がウレタンフォームにより形成されていることを特徴とする請求項６記載の炭化ケイ素多孔質体の製造方法。
【請求項８】
前記中間多孔質体は、前記水性スラリーに発泡剤及び硬化剤を加えることで生成されることを特徴とする請求項５記載の炭化ケイ素多孔質体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒担持体，ＤＰＦ(Diesel Particulate Filter)，低融点金属フィルタ，グリスフィルタ等に適用して好適な炭化ケイ素多孔質体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、炭化ケイ素粉末とカーボン粉末とからなる混合粉末を、有機質バインダーを溶解した水に分散させてスラリーを調整し、このスラリーに合成樹脂製フォームを含浸させ、余剰スラリーを除去し、乾燥し、真空或いは不活性雰囲気下で仮焼し、この仮焼体に加熱下でＳｉ溶融含浸して炭化ケイ素多孔質体を製造する方法が記載されている。
【特許文献１】特開２０００−１０９３７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１記載の炭化ケイ素多孔質体の製造方法では、仮焼処理（炭化処理）とＳｉ溶融含浸処理との２回の焼成処理を行う必要があった。さらに、炭化処理により得られた仮焼体は、非常に脆くて強度が小さいため、ハンドリングに十分な注意を要した。したがって、特許文献１記載の製造方法は、炭化ケイ素多孔質体の製造に手間がかかるという問題があった。この問題を解決する方法として、仮焼体のかさ密度を上げることで仮焼体の強度を確保する方法が提案されているが、この方法だと、仮焼体の空孔が小さくなり、目詰まりが発生しやすくなってしまう。したがって、この問題を解決する方法とはならない。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、従来よりも製造が容易な炭化ケイ素多孔質体と、従来よりも炭化ケイ素多孔質体の製造が容易な炭化ケイ素多孔質体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る炭化ケイ素多孔質体は、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とを含む水性スラリーを用いて、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とを含む中間多孔質体を生成し、この中間多孔質体を乾燥させ、乾燥した中間多孔質体にシリコン蒸気を用いてシリコンを含浸させることにより形成されたことを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る炭化ケイ素多孔質体の製造方法は、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とを含む水性スラリーを用いて、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とを含む中間多孔質体を生成する工程と、この中間多孔質体を乾燥させる工程と、乾燥した中間多孔質体にシリコン蒸気を用いてシリコンを含浸させる工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る炭化ケイ素多孔質体は、焼成処理が、乾燥した中間多孔質体にシリコン蒸気を用いてシリコンを含浸させる工程だけなので、従来よりも容易に製造される。本発明に係る炭化ケイ素多孔質体の製造方法は、焼成処理が、乾燥した中間多孔質体にシリコン蒸気を用いてシリコンを含浸させる工程だけなので、従来よりも容易に炭化ケイ素多孔質体を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
〔第１の実施の形態〕
以下、本発明の第１の実施の形態を説明する。
【０００９】
（製造方法）
まず、第１の実施の形態に係る製造方法について図１に示すフローチャートに沿って説明する。ステップＳＴ１にて、炭化ケイ素粉末（屋久島電工株式会社製、ＧＣ４０００Ｆ）９０ｇに、カーボンブラック（炭素粉末）（新日化カーボン株式会社製、ＨＴＣ＃ＳＬ）１０ｇ、解膠剤（中京油脂株式会社製，D736）１．３ｇ、水５０ｇ、及び有機質バインダー（三井化学株式会社製，ＷＡ２３０）３ｇを配合する。なお、炭化ケイ素粉末とカーボンブラックとの質量比は、９５：５〜６０：４０の範囲内であれば良い。この範囲を超えた場合、即ち、カーボンブラックの質量比が５を下回ると、遊離Ｓｉが多くなって耐熱性が劣化し、カーボンブラックの質量比が４０を超えると、チクソトロピックが不適切となって目詰まりが生じる可能性が大きくなる。さらに、反応焼結比率が大きくなるので、乾燥時や炭化・Ｓｉ含浸時の体積変化が大きくなり、クラックが生じやすくなる。
【００１０】
有機質バインダーは、セラミック粒どうしの結合に用いられ、スラリー乾燥後の腑形性を維持するものである。有機質バインダーとしては、例えば、カルボキシルメチルセルロース、ＰＶＡ、ラテックス、エマルジョン等が考えられる。解膠剤は、分散剤の一種であり、分散剤は、セラミック粒を１次粒にするために用いられる。分散剤は、例えば、ポリカルボン酸アンモニウム塩、ポリアクリル酸アンモニウム、モノエチルアミン等が考えられる。
【００１１】
ステップＳＴ２にて、配合された原料を室温下で１６時間混合分散（攪拌）する。混合分散にはボールミルを用いる。これにより、水性スラリーが生成される。攪拌により泡立ちが多くなった場合には、消泡剤を添加する。消泡剤は、例えば信越化学工業株式会社製のＫＭ７２Ａが用いられる。
【００１２】
ステップＳＴ３にて、４０＊４０＊１０ｃｍ＾３の大きさに裁断されたウレタンフォーム（＃１３）に水性スラリーを室温下で含浸させる。これにより、中間多孔質体が生成される。ここで、＃１３は、１インチあたりの空孔数が３０であることを意味する。さらに、遠心分離器を用いて、余剰スラリーをウレタンフォームから除去し、その後、乾燥させる。遠心分離及び乾燥は室温下で行われる。かさ密度が目標値（０．３未満、ここでは０．１５２）となるまで、スラリー含浸、遠心分離、乾燥を繰り返す。なお、かさ密度を０．３未満とするのは、かさ密度が０．３以上となると、炭化ケイ素多孔質体が目詰まりを有する可能性が高くなるからである。ステップＳＴ３の処理により生成された中間多孔質体は、膨張率が２．３％となる。なお、ある物体の膨張率は、以下の式（１）により求められる。
【００１３】
ｎ＝（Ｖ１−Ｖ２）／Ｖ２＊１００  …（１）
ｎ：膨張率、Ｖ１：物体の体積、Ｖ２：スラリー含浸前のウレタンフォームの体積（ここでは、４０＊４０＊１０ｃｍ＾３）
ステップＳＴ４にて、中間多孔質体をオーブンにて乾燥させる。このときの温度は７０℃であり、乾燥時間は３〜６時間である。乾燥後の中間多孔質体は、膨張率が０．５％となる。
【００１４】
ステップＳＴ５にて、シリコン蒸気を充填した坩堝内に、乾燥させた中間多孔質体を載置し、この坩堝を真空炉内に導入する。ここで、シリコン蒸気の質量は、乾燥させた中間多孔質体の質量の２倍程度とされる。真空炉内を真空（実際は５〜１０Ｐａの圧力が生じる状態）にし、真空炉内の温度をゆっくり上げていく。真空炉内の温度が１６００℃になったら、その温度を０．５時間保持する。これにより、炭化・Ｓｉ含浸が行われ、炭化ケイ素多孔質体が生成される。炭化ケイ素多孔質体の膨張率は２．７％となる。なお、乾燥した中間多孔質体を複数用意し、これらを積み重ねて坩堝内に導入し、シリコン蒸気にてシリコンを含浸させることで、これら中間多孔質体どうしが結合した炭化ケイ素多項質体を生成することが出来る。
【００１５】
ステップＳＴ６にて、真空炉内にアルゴンまたは窒素を導入することで、真空炉内を復圧し、炭化ケイ素多孔質体を取り出す。その後、必要に応じて、炭化ケイ素多孔質体を加工、洗浄し、製品とする。
【００１６】
この工程により生成された炭化ケイ素多孔質体（以下、「第１の実施の形態に係る炭化ケイ素多孔質体」とも称する）を図２及び図３に示す。なお、図３は顕微鏡写真図（ＳＥＭ写真図）である。
【００１７】
（従来の技術との対比）
次に、第１の実施の形態に係る炭化ケイ素多孔質体と、従来の炭化ケイ素多孔質体との構造を対比して説明する。まず、従来の製造方法を２つ説明する。
【００１８】
第１の製造方法（以下、「第１の従来方法」とも称する）は以下の通りである。中心粒径３μm の炭化ケイ素粉末８５０ｇ及び炭素粉末１５０ｇに解膠剤（セルナＤ７３５：商品名、中京油脂製）１２ｇと水５５０ｇを加え、ボ−ルミルにて、２４時間混合分散させ、水性スラリーを得る。＃６のウレタンフォ−ムを水性スラリーに含浸させた後、余剰スラリ−を遠心分離機にて除去する。このような操作を５回行い、かさ比重０．３１の多孔質体を得る。得られた多孔質体の膨張率は１．０％である。
【００１９】
これを６０℃で２４時間乾燥後、真空下で、６００℃になるまでは７０℃／時間の昇温速度で加熱し、その後、最高温度１６００℃までは１５０℃／時間の昇温速度で急速に加熱して仮焼し、仮焼体を得る（炭化処理）。仮焼体の膨張率は０．５％である。
【００２０】
次いで、金属シリコンを１５８０℃に加熱し、この温度において、アルゴン雰囲気で仮焼体に含浸させる。即ち、仮焼体にシリコンを溶融含浸させる。これにより、仮焼体中の炭素と反応させ炭化ケイ素多孔質体を得る。炭化ケイ素多孔質体の膨張率は３％である。
【００２１】
この方法は引用文献１の［００３２］に記載されたものである。第１の従来方法により製造された炭化ケイ素多孔質体（以下、「第１の従来物」とも称する）を図４及び図５に示す。なお、図５は顕微鏡写真図である。
【００２２】
第２の製造方法（以下、「第２の従来方法」とも称する）は、以下の通りである。即ち、シリコン粉末（株式会社高純度化学研究所製，#50）４４．８ｇ，フェノール樹脂粉末（エア・ウォーター株式会社製，ベルパールS899）４８ｇ，及びエタノール５０ｇを含む有機スラリーを調製し、この有機スラリーに市販のウレタンフォーム（#06, 50×50×20cm）を１回含浸させる。有機スラリー含浸後のウレタンフォームの膨張率は４％となる。次に、有機スラリーを含浸させたウレタンフォームを加熱炉内に導入し、９００℃の真空雰囲気内で加熱することによりフェノール樹脂を炭素化する（炭化処理）。炭素化後のウレタンフォーム、即ち仮焼体は、膨張率が−１２％となる。次に、仮焼体にシリコン粒子を反応焼結させた後、ウレタンフォームにシリコンを溶融含浸させる（溶融含浸処理）。これにより、炭化ケイ素多孔質体が生成される。炭化ケイ素多孔質体の膨張率は−１１％となる。第２の従来方法により製造された炭化ケイ素多孔質体（以下、「第２の従来物」とも称する）を図６及び図７に示す。なお、図７は顕微鏡写真図である。
【００２３】
図２、図４、図６に示すように、第１の実施の形態に係る炭化ケイ素多孔質体は、第１及び第２の従来物よりも目詰まり量が少なく、ウレタンフォーム並の骨格太さを有する。なお、図４、図６の符号Ａは目詰まり部分を示す。第１の従来方法が目詰まりを発生させた理由は、スラリーのチクソトロピックが不適切であることと、シリコンの溶融含浸の際に、液体のシリコンが仮焼体の空孔に残留してしまうこととが考えられる。第２の従来方法が目詰まりを発生させた理由は、スラリーに含まれるシリコン粉末の径が大きく、この粉末が、ウレタンフォームの空孔に残留してしまうことと、シリコンの溶融含浸の際に、液体のシリコンが仮焼体の空孔に残留してしまうこととが考えられる。一方、第１の実施の形態に係る製造方法が目詰まりをほとんど発生させなかった理由は、スラリーのチクソトロピックが適切であることと、スラリーにシリコン粉末よりも径の小さい炭化ケイ素粉末を含めることと、ウレタンフォームに液体のシリコンではなく気体のシリコンを含浸させることとが考えられる。
【００２４】
さらに、図３、図５、図７に示すように、第１の実施の形態に係る炭化ケイ素多孔質体は、第１及び第２の従来物よりも、クラックが少ない。なお、符号Ｂはクラックを示す。これは、以下の理由によるものと考えられる。即ち、第１及び第２の従来方法は、有機スラリーを用いているので、スラリー含浸の際にウレタンフォームが有機溶媒により膨潤する。そして、ウレタンフォームに膨潤した有機溶媒が炭化処理の際に一気に蒸発するので、この蒸発により、ウレタンフォームの体積が急激に変化し、クラックが生じる。ウレタンフォームの体積が急激に変化していることは、炭化処理により膨張率が急激に変化していることにより示される。
【００２５】
一方、第１の実施の形態に係る製造方法は、溶媒に水を使用しているので、スラリー含浸の際にウレタンフォームはほとんど膨潤しない。したがって、オーブンによる乾燥やその後の炭化・Ｓｉ含浸におけるウレタンフォームの体積変化はほとんど起こらない。したがって、第１の実施の形態に係る製造方法は、ウレタンフォームの体積変化及びクラックの数が従来よりも少ない。
【００２６】
さらに、第１及び第２の従来方法では、炭化処理とシリコン溶融含浸処理との合計２回の焼成処理を行うが、第１の実施の形態に係る製造方法では、焼成処理は炭化・Ｓｉ含浸の１回だけである。さらに、第１及び第２の従来方法では、炭化処理により得られる仮焼体は、非常に脆くて強度が小さいので、ハンドリングに十分な注意を要するという問題点があるが、第１の実施の形態に係る製造方法は、炭化処理を行わないので、このような問題点は生じない。したがって、第１の実施の形態に係る製造方法は、従来の製造方法よりも、容易且つ安定して炭化ケイ素多孔質体を製造することが出来、炭化ケイ素多孔質構造体の製造工程に要するコストを低減することができる。
【００２７】
〔第２の実施の形態〕
以下、本発明の第２の実施の形態を説明する。
【００２８】
（製造方法）
第２の実施の形態に係る製造方法について図８に示すフローチャートに沿って説明する。ステップＳＴ７〜ＳＴ８にて、上述したステップＳＴ１〜ＳＴ２と同様の処理を行う。ステップＳＴ９にて、水性スラリーに発泡剤（例えば、カルボキシルメチルセルロース１０％−温水溶解）及び硬化剤（Ｃ−２１／エポキシ系−大日精化工業（株））を加えて中間多孔質体を生成し、この中間多孔質体を必要な大きさに切り出す。ステップＳＴ１０〜ステップＳＴ１２にて、切り出された中間多孔質体に基づいて、上述したステップＳＴ４〜ＳＴ６と同様の処理を行う。
【００２９】
この製造方法によっても、第１の実施の形態に係る炭化ケイ素多孔質体と同様の物性を有する炭化ケイ素多孔質体を製造することが出来る。さらに、この製造方法は、焼成処理が、炭化・Ｓｉ含浸の１回だけなので、第１の実施の形態に係る製造方法と同様の効果を奏する。
【００３０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、これらの実施の形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１の実施の形態に係る製造方法を示すフローチャートである。
【図２】第１の実施の形態に係る炭化ケイ素多孔質体を示す写真図である。
【図３】第１の実施の形態に係る炭化ケイ素多孔質体を示す顕微鏡写真図である。
【図４】第１の従来方法により製造された炭化ケイ素多孔質体を示す写真図である。
【図５】第１の従来方法により製造された炭化ケイ素多孔質体を示す顕微鏡写真図である。
【図６】第２の従来方法により製造された炭化ケイ素多孔質体を示す写真図である。
【図７】第２の従来方法により製造された炭化ケイ素多孔質体を示す顕微鏡写真図である。
【図８】第２の実施の形態に係る製造方法を示すフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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