(57)【要約】【課題】  高温、特に６００℃を超える温度において安定な多孔質セラミック材及びその製造方法を提供すること。【解決手段】  上記課題を解決する本発明の多孔質セラミック材は、数平均分子量が８０以上１０００未満、特に５００以上１０００未満であることを特徴とするＳｉ及びＣを主体とするセラミック前駆体ポリマーを不活性ガス雰囲気下において熱分解することによって得られる。多孔質セラミック材は、Ｓｉ及びＣを主体とし、７００℃という高温であっても、水素／窒素分離係数が少なくとも４、特に少なくとも１０であり、表面積が少なくとも１００ｍ２／ｇ、特に１５０ｍ２／ｇである。特に支持体の少なくとも一部の表面上に膜状に形成されていることが好ましい。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
数平均分子量が８０以上１０００未満であることを特徴とするＳｉ及びＣを主体とするセラミック前駆体ポリマーを用意する工程と、
該前駆体ポリマーを不活性ガス雰囲気下において熱分解する工程と、
を含む、多孔質セラミック材の製造方法。
【請求項２】
前記熱分解工程の前に、前記セラミック前駆体ポリマーを重合する、請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
前記重合処理は、酸素含有雰囲気下において行う、請求項２記載の製造方法。
【請求項４】
前記セラミック前駆体ポリマーは、Ｓｉ：４０〜６５質量％、Ｃ：３０〜５０質量％、Ｈ：５〜１０質量％、Ｏ及びＮ：０〜１０質量％の割合で構成されている、請求項１〜３のうちのいずれかに記載の製造方法。
【請求項５】
前記セラミック前駆体ポリマーがポリカルボシランを含む、請求項１〜４のうちのいずれかに記載の製造方法。
【請求項６】
前記セラミック前駆体ポリマーの数平均分子量が５００以上１０００未満である、請求項１〜５のうちのいずれかに記載の製造方法。
【請求項７】
前記熱分解温度が７００〜１０００℃の範囲である、請求項１〜６のうちのいずれかに記載の製造方法。
【請求項８】
前記熱分解工程の前に、前記セラミック前駆体ポリマーを支持体の少なくとも一部の表面上に付与する工程を含む、請求項１〜７のうちのいずれかに記載の製造方法。
【請求項９】
少なくとも一部がＳｉ及びＣを主体とする多孔質部であり、その多孔質部の７００℃における水素／窒素分離係数が少なくとも４であり、その多孔質部の表面積が少なくとも１００ｍ２／ｇである、多孔質セラミック材。
【請求項１０】
前記多孔質部は、Ｓｉが４０〜６５質量％、Ｃが３０〜５０質量％、Ｈが５〜１０質量％、Ｏが０〜２５質量％、及びＮが０〜１０質量％の組成比率のセラミック体により構成される、請求項９記載の多孔質セラミック材。
【請求項１１】
前記多孔質部は、支持体の少なくとも一部の表面上に膜状に形成されている、請求項９又は１０記載の多孔質セラミック材。
【請求項１２】
請求項１１記載の多孔質セラミック材をガス分離材として備えた、ガス分離モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温安定性に優れた多孔質セラミック材の製造方法に関する。また、得られた多孔質セラミック材とその利用に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体又は液体の濾過材、触媒担体、或いは、ガス分離材等として、種々の多孔質セラミック材又はセラミック膜が使用されている。これらセラミック材として、高温、例えば、６００〜８００℃の温度範囲にて使用可能なセラミック膜が触媒膜反応において要求されている。即ち、高温においては反応速度が高められ、その結果、触媒コストが低くなる。多孔質膜として、非特許文献１には、種々の炭素膜、シリカ膜、及びゼオライト膜が記載されている。しかしながら、いずれの膜も高温において十分な安定性及びガス選択性を兼備するものではない。
【０００３】
近年、これらの用途向けの材料として、窒化ケイ素、炭化ケイ素のような、ケイ素を主体とする非酸化物系セラミック材が注目されている。例えば、特許文献１及び２には、窒化ケイ素又は炭化ケイ素を主体とする多孔質支持体又は膜を製造する方法が開示されている。特に炭化ケイ素を主要構成要素とする多孔質セラミック材は、高い強度を有するとともに、高熱安定性に優れており、高温条件下（３００℃以上、例えば６００〜１０００℃）で使用するのに適している。さらに、酸性及びアルカリ性条件下にも化学的安定性に優れている。
例えば、特許文献３〜８及び非特許文献２〜５には、ＳｉＣを基材とする膜又は支持体の製造方法が開示されている。特に、非特許文献３及び４では、ポリカルボシランを用いて、熱分解により炭化ケイ素(ＳｉＣ)膜を製造する方法が開示されている。また、非特許文献５では、ポリ(ジメチルシラン)の熱分解によるＳｉＣ膜の製造方法が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２４７３８５号公報
【特許文献２】特表２０００−５０２６５７号公報
【特許文献３】特開平１０−２１８９９６号公報
【特許文献４】特開平７−２３７２１０号公報
【特許文献５】特開平７−１０１７８２号公報
【特許文献６】特開平１０−７４５２０号公報
【特許文献７】特開平１−３３２１３号公報
【特許文献８】特開２００３−２６２５号公報
【０００５】
【非特許文献１】Ｙ．Ｓ．リン（Ｙ．Ｓ．Ｌｉｎ）、「多孔質及び緻密な無機膜：現在の状態及び展望（Microporous  and  dense  inorganic  membranes：current  status  and  prospective」」、セパレ−ション・アンド・ピュラフィケイション・テクノロジー（Separationn  and  Purificationn  Technology）２５、２００１年、ｐ．３９−５５
【非特許文献２】ジェン−ヤン・デング（Zｈen−Yan-  Deng）、「酸化結合技術による高強度多孔質ＳｉＣセラミックス（High‐Strength  Porous  Silicon  Carbide  Ceramics  by  an  Oxidation-Bonding  Technique）」、ジャーナル・アメリカン・セラミック・ソサイティー（J.Aｍ.Ceram.Soc）、８５、２００２年１１月、ｐ．２８５２−２８５４
【非特許文献３】ゾンヤング．リー（Zhongyang  Li）、カツキ・クサカベ（Katsuki    Kusakabe）、及びシゲハル・モロオカ（Shigeharu  Morooka）、「熱安定性アモルファスSi-C-O膜及びその高温でのガス分離適用（Preparation  of  thermostable  amorphous  Si-C-O  membrane  and  its  application  to  gas  separation  at  elevated  temperatue）」、ジャーナル・オブ・メンブラン・サイエンス（Journal  of  Membrane  Science）１１８、１９９６年、ｐ．１５９−１６８
【非特許文献４】カツキ・クサカベ（Katsuki  Kusakabe）、ゾン・ヤン・リー（Zhong  Yan  Li）、ヒデアキ・マエダ（Hideaki  Maeda）、シゲハル・モロオカ（Shigeharu  Morooka）、「高温でのガス分離に用いられるポリカルボシランの熱分解による支持された複合膜の製造（Preparation  of  supported  composite  membrane  by  pyrolysis  of  polycarbosilane  for  gas  separation  at  high  temperatue）」、ジャーナル・オブ・メンブラン・サイエンス（Journal  of  Membrane  Science）１０３、１９９５年、ｐ．１７５−１８０
【非特許文献５】ラン・ルエン・リー（Lan-Luen  Lee）及びダハーシャング・ツァイ（Dah-Shyang  Tsai）、「ガス分離用のケイ素−炭素を基材とする無機膜の合成及び透過性（Synthesis  and  Permeation  Properties  of  Silicon-Carbon-Based  Inorganic  Membrane  for  Gas  Separation）、インド・エング・ケム・レス（Ind.Eng.Chem.Res.）、第４０巻、２００１年、ｐ．６１２−６１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献３の図６には、約８００Ｋ（約５２７℃）付近でポリカルボシランを熱分解することによって得られたＳｉ‐Ｃ‐Ｏ膜の表面積が示されている。Ｓｉ‐Ｃ‐Ｏ膜の表面積は、熱分解温度が約９００Ｋ（約６２７℃）では約８００Ｋにおける表面積の約半分、約１０００Ｋ（約７２７℃）ではゼロに向かって低下している。
また、非特許文献５の図４には、約８００Ｋ（約５２７℃）付近でポリジメチルシランを熱分解することによって得られたＳｉ‐Ｃ膜の表面積が示されている。約９００Ｋ（約６２７℃）よりも高い温度での熱分解により表面積はゼロに向かって急激に低下していることを示している。
このように上述したいずれの非特許文献においても従来のＳｉＣ膜は、６００℃よりも高い温度において安定ではないことが示されている。よって、上記のように高温、例えば、６００〜８００℃の温度範囲にて安定なセラミック材、特に膜状セラミック材が要求されている。
【０００７】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高温、特に６００℃を超える温度において安定な多孔質セラミック材及びその製造方法並びにそれを備えたガス分離モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本願に係る多孔質セラミック材の製造方法は、数平均分子量が８０以上１０００未満であることを特徴とするＳｉ及びＣを主体とするセラミック前駆体ポリマーを用意する工程と、該前駆体ポリマーを不活性ガス雰囲気下において熱分解する工程と、を含む。
【０００９】
この製造方法に用いられるセラミック前駆体ポリマーは、数平均分子量が所定範囲内にある。このセラミック前駆体ポリマーを不活性ガス雰囲気下において熱分解することにより、高温、特に６００℃を超える温度において安定なＳｉ及びＣを主体とする多孔質セラミック材を得ることができる。即ち、前記セラミック前駆体ポリマーの数平均分子量が前記所定範囲を超えると、高温における安定性が低下し、特に６００℃を超える温度において、急激に安定性が低下する。従来用いられてきたセラミック前駆体ポリマーはいずれも数平均分子量が前記所定範囲を超えたものであり、従って、このような高温における安定性は得られていない。
【００１０】
ここで開示される製造方法において、好ましくは、前記熱分解の前に、前記セラミック前駆体ポリマーを重合する。この重合処理により、得られる多孔質セラミック材におけるフリーカーボンの残留が低減される。このため、より安定な構造を得ることができる。
特に好ましくは、前記重合処理は、酸素含有雰囲気下において行う。重合処理を酸素雰囲気下において行うことにより、典型的には、Ｏが付加されてポリマーの重合が行われ、特にフリーカーボンの残留低減効果が高い。
【００１１】
また、前記セラミック前駆体ポリマーとしては、質量比（％）で、Ｓｉ：４０〜６５質量％、Ｃ：３０〜５０質量％、Ｈ：５〜１０質量％、Ｏ及びＮ：０〜１０質量％の組成比率のものが好ましい。
このような組成のセラミック前駆体ポリマーを使用すると、特に高温安定性に優れる多孔質セラミック材を得ることができる。
【００１２】
さらに、前記セラミック前駆体ポリマーがポリカルボシランを含むことが好ましい。
前記セラミック前駆体ポリマーとしてポリカルボシランを用いることにより、高温で特に安定なＳｉ及びＣを主体とする多孔質セラミック材を得ることができる。
【００１３】
特に、前記セラミック前駆体ポリマーの数平均分子量が５００以上１０００未満であることが好ましい。
特にこの所定範囲の数平均分子量を有するセラミック前駆体ポリマーを用いることにより、得られる多孔質セラミック材の高温安定性をより安定して高めることができる。
【００１４】
好ましくは、前記熱分解温度は７００〜１０００℃の範囲である。
かかる範囲に熱分解温度を設定して得られる多孔質セラミック材によれば、従来の多孔質セラミック材と比較して、６００℃を超える高温、特に前記所定温度において顕著な高温安定性を実現し得る。
【００１５】
また、好ましくは、前記熱分解工程の前に、前記用意したセラミック前駆体ポリマーを支持体の少なくとも一部の表面上に付与する工程を含む。
前記セラミック前駆体ポリマーを支持体に付与することにより、高温、特に６００℃を超える温度で安定なセラミック膜を形成することができる。得られる膜は、特にガス分離膜又は触媒担持膜等の用途に好適である。
【００１６】
また、本発明は、少なくとも一部がＳｉ及びＣを主体とする多孔質部であり、その多孔質部の７００℃における水素／窒素分離係数が少なくとも４であり、表面積が少なくとも１００ｍ２／ｇである多孔質セラミック材を提供する。特に好ましくは、その多孔質部の７００℃における水素／窒素分離係数は少なくとも４であり、表面積は少なくとも１５０ｍ２／ｇである。尚、ここで、表面積とは、窒素吸着によるＢＥＴ等温吸着式により得られた表面積値をいう。
【００１７】
本発明に係る多孔質セラミック材は、多孔質部がＳｉ及びＣを主体として構成されているとともに、７００℃における水素／窒素分離係数及び表面積が所定範囲を保持している。このような多孔質セラミック材は、ここで開示の方法によって製造し得る。例えば、熱分解温度を７００℃とすることにより、７００℃における安定性に優れ、高温使用に好適なセラミック材が製造され得る。
【００１８】
また、好ましくは、前記多孔質部は、Ｓｉが４０〜６５質量％、Ｃが３０〜５０質量％、Ｈが５〜１０質量％、Ｏが０〜２５質量％、及びＮが０〜１０質量％の組成比率のセラミック体により構成される。前記多孔質部は、前記所定の組成で構成されることにより、特に高温安定性に優れる。
【００１９】
好ましい多孔質セラミック材として、前記多孔質部が、支持体の少なくとも一部の表面上に膜状に形成されたセラミック材が本発明によって提供される。前記多孔質部が支持体上に膜状に形成されていることにより、ガス透過性及び選択性が向上する。このため、特にガス分離又は触媒担持等の用途に好適である。
【００２０】
また、本発明は、ガス分離モジュールを提供する。
即ち、上記課題を解決するために本願に係るガス分離モジュールは、前記多孔質セラミック材をガス分離材として備えている。
前記多孔質セラミック材をガス分離材として備えることにより、高温における安定性に優れ、特に高温におけるガス分離に好適に用いることができる。特に水素の選択的分離に好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項（例えばセラミック前駆体ポリマーの数平均分子量及び熱分解雰囲気等）以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
【００２２】
本発明の実施に用いられるセラミック前駆体ポリマーは、Ｓｉ及びＣを主体とする。他の成分としては、Ｈ及びＯが挙げられる。また、Ｎ、Ｂ、又はＴｉ等を組成成分として含むことができる。特に、Ｓｉ：４０〜６５質量％、Ｃ：３０〜５０質量％、Ｈ：５〜１０質量％、Ｏ及びＮ：０〜１０質量％の割合で構成されたものが好ましい。より好ましくは、Ｓｉ：４５〜６０質量％、Ｃ：３５〜４５質量％、Ｈ：５〜１０質量％、Ｏ及びＮ：０〜５質量％の組成比である。特に好ましくは、その組成比は、Ｓｉ：４５〜５５質量％、Ｃ：３５〜４５質量％、Ｈ：５〜１０質量％、Ｏ及びＮ：０〜３質量％である。尚、使用するポリマーは、不純物を伴うものでもよい。
【００２３】
特に好ましいセラミック前駆体ポリマーとして、ポリカルボシランが挙げられる。例えば、ポリカルボシランを主成分（例えば、５０質量％以上）とするか、或いは実質的にポリカルボシランのみから構成されたポリマー材料が好ましい。好適なポリカルボシランの具体的構造としては、次式
【００２４】
【化１】
2005145776.tif 000002
【００２５】
【化２】
2005145776.tif 000003
【００２６】
【化３】
2005145776.tif 000004
【００２７】
なる基本構造単位を有するものが挙げられる。ここで、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立に互いに同じであっても異なっていてもよく、炭素数が１〜１０のアルキル基を示す。次式
【００２８】
【化４】
2005145776.tif 000005
【００２９】
なる基本構造単位を有するものが特に好ましい。ここで、ｎは、好ましくは５〜２３、より好ましくは１０〜２３、さらに好ましくは１４〜２１である。
セラミック前駆体ポリマーの数平均分子量は、８０以上１０００未満であることが適当である。好ましくは数平均分子量は、１００以上１０００未満であり、より好ましくは３００以上１０００未満であり、さらに好ましくは５００以上１０００未満であり、特に好ましくは６００以上９００以下である。
【００３０】
また、セラミック前駆体ポリマーの密度は、特に限定されず、いずれの密度であっても良いが、通常０．１〜５ｇ／ｍｌ、好ましくは０．５〜５ｇ／ｍｌ、特に０．８〜３ｇ／ｍｌである。
セラミック前駆体ポリマーは、２種以上の異なるポリマーを組み合わせて用いても良いが、好ましくは、1種のみ単独なポリマーを用いる。
【００３１】
用途により、前記セラミック前駆体ポリマーは、支持体の少なくとも一部の表面上に付与（塗布）してもよい。このことにより、支持体上に薄膜で高温安定性に優れるセラミック多孔質膜を形成することができ、特にガス分離膜又は触媒担持膜等として好適に使用することができる。
【００３２】
支持体としては、従来公知のいずれの支持体を適宜選択して用いることができる。好ましい具体例として、セラミック支持体、例えば、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、アルミナ、シリカ、マグネシア、ジルコニア及びムライト等が挙げられる。このうち、高温安定性の高いアルミナ、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４等が好ましく、膜と同一の材料であるＳｉＣが収縮率等の観点から特に好ましい。
支持体は、通気性が良好であるため、通常多孔質であり、好ましくは平均細孔径が４〜１００００ｎｍ、より好ましくは１０〜５０００ｎｍ、さらに好ましくは３０〜１０００ｎｍである。
【００３３】
支持体に付与する手段としては、従来公知の手段から適宜選択することができる。具体的には、溶剤、例えば、水、トルエン、キシレン、アルコール、ベンゼン、ヘキサン等に前記セラミック前駆体ポリマーを溶解した溶液を支持体に塗布することができる。溶液の塗布手段としては、従来公知のいずれの塗布手段から適宜選択されるが、浸漬（ディッピング）、刷毛による塗布、ロールコーティング、スプレーコーティング等が挙げられる。特に、浸漬は容易で均一にポリマーを支持体表面に付与することができるために好ましい。溶液中におけるセラミック前駆体ポリマーの濃度は、特に限定されないが、通常１〜８０質量％、好ましくは５〜５０質量％、特に１０〜３０質量％である。この範囲の濃度の溶液を用いることにより、均一で薄いセラミック膜を容易に形成することができる。
【００３４】
次いで、所望によりセラミック前駆体ポリマーを、熱分解前に、所定の時間重合してもよい。重合処理は、不活性雰囲気又は酸素含有雰囲気下に、所定の温度、好ましくは１００〜５００℃、より好ましくは２００〜４００℃、特に好ましくは２００〜３００℃で行われる。処理時間は、通常１〜２０時間、好ましくは２〜１０時間、より好ましくは３〜８時間程度行われる。また、重合触媒を用いることもできる。重合触媒としては、例えば、ニッケル、パラジウム、ロジウム等が挙げられる。
特に重合は、酸素含有雰囲気下（例えば大気中）に行うことが好ましい。このことにより、ポリマー構造中に酸素原子を導入することができる。典型的には、当該Ｏ原子を架橋原子として、ポリマーの重合が行われ得る。本発明によれば、出発原料となるセラミック前駆体ポリマーの数平均分子量が所定範囲であれば、その後に重合させても高温における安定性に優れている。酸素濃度は特に限定されないが、通常大気中にて行われる。
【００３５】
尚、支持体の表面上にセラミック前駆体ポリマーを付与（塗布）する場合に、前記重合処理は、セラミック前駆体ポリマーの付与後又は付与前のいずれにおいて行ってもよい。作業性が良好であることから、付与後、すぐに行うことが好ましい。
【００３６】
次に、セラミック前駆体ポリマーを熱分解する。熱分解温度は、セラミック前駆体ポリマーが分解されるに必要な温度であって、特に限定されないが、通常３００〜１２００℃、好ましくは５００〜１０００℃、特に７００〜１０００℃である。本発明によれば、このような高温においても得られる多孔質セラミック材は安定であり、高い表面積値と多孔性等を実現することができる。
【００３７】
熱分解スケジュールは、微細孔に富む多孔質セラミック材が最終的に形成されればよく、その条件（例えば昇温速度や加熱継続時間）は特に限定されない。好ましくは、ほぼ２００〜４００℃の間に中間保持温度を設定する。そして、加熱開始温度域（常温域）から中間保持温度まで好ましくは１０℃／分以下（より好ましくは５℃／分以下、さらに好ましくは３℃／分以下）の昇温速度で加熱し、その中間保持温度で好ましくは少なくとも３０分間、より好ましくは１時間、さらに好ましくは少なくとも３時間保持する。その後に熱分解温度まで好ましくは５℃／分以下（より好ましくは３℃／分以下、特に好ましくは１℃／分以下）の昇温速度で加熱する。熱分解温度が６００℃を超える場合には、６００℃よりも高い温度において好ましくは０．８℃／分以下、より好ましくは０．５℃／分以下の昇温速度で加熱する。熱分解温度に達した後は、この温度域（典型的には熱分解温度温度±２５℃）で好ましくは３０分間〜５時間、より好ましくは１〜３時間保持する。このような条件で加熱処理を行うことにより、全体に均質な微細孔に富むセラミック膜を安定的に形成することができる。なお、中間温度域での保持は、１回に限られない。２回又は３回以上行ってもよい。
【００３８】
熱分解温度域で所定の時間保持した後、１００℃以下、典型的には室温域（５〜３５℃）まで被加熱材料（多孔質セラミック材）を冷却する。実質的に欠陥の認められない微細孔に富むセラミック材を得るためには、徐々に冷却するとよい。例えば、０．２〜５．０℃／分程度の冷却速度が適当であり、概ね０．５〜２℃／分（多少の誤差は許容される）の平均冷却速度が好ましい。
【００３９】
また、熱分解温度を６００℃を超える温度に設定する場合には、加熱過程において昇温速度を変化させてもよい。高温になるほど昇温速度を遅くすることが好ましい。例えば、常温から５００〜６００℃（又は６５０℃）までは１〜２℃／分（好ましくは１℃／分）程度の昇温速度とし、６００℃（又は６５０℃）を越えてからはそれまでの昇温速度の３０〜７０％（好ましくは４０〜６０％）の昇温速度が好ましい。例えば６００℃（又は６５０℃）まで１℃／分程度の昇温速度で加熱した場合は、それ以降の高温域では０．３〜０．７℃／分（好ましくは０．４〜０．６℃／分）程度の昇温速度で加熱するとよい。このような昇温スケジュールによると、多孔質セラミック材生成の過程における欠陥（例えば膜のクラック）の発生をより高率に回避することができる。
【００４０】
熱分解雰囲気としては、不活性雰囲気であることが好ましい。不活性雰囲気中において熱分解することにより、得られる多孔質セラミック材が安定なＳｉとＣとを主体とし（又は予めセラミック前駆体ポリマーに酸素付与した場合にはさらにＯを主体として含み得る）、不純物の混入を防止することができ、特に高温での安定性に優れる。不活性雰囲気としては、窒素雰囲気又は希ガス、例えばアルゴン雰囲気が挙げられる。これらは特に脱酸素処理されていることが好ましい。
【００４１】
次に、本発明に係る多孔質セラミック材について説明する。
ここで開示される多孔質セラミック材は、少なくとも一部がＳｉ及びＣを主体とする多孔質部である。このため、特に高温における安定性に優れる。特に、多孔質部の組成比は、Ｓｉが４０〜６５質量％、Ｃが３０〜５０質量％、Ｈが５〜１０質量％、Ｏが０〜２５質量％、及びＮが０〜１０質量％であることが好ましい。より好ましい組成比は、Ｓｉが４０〜６０質量％、Ｃが３０〜４５質量％、Ｈが５〜１０質量％、Ｏは０〜２０質量％、及びＮが０〜５質量％である。特に好ましくは、Ｓｉが４５〜５５質量％、Ｃが３５〜４５質量％、Ｈが５〜１０質量％、Ｏが０〜１５質量％、及びＮが０〜３質量％である。
具体的構造としては、次式
【００４２】
【化５】
2005145776.tif 000006
【００４３】
【化６】
2005145776.tif 000007
【００４４】
【化７】
2005145776.tif 000008
【００４５】
なる基本構造単位を有するもの、又は
【００４６】
【化８】
2005145776.tif 000009
【００４７】
【化９】
2005145776.tif 000010
【００４８】
【化１０】
2005145776.tif 000011
【００４９】
なる基本構造単位を有するものが挙げられる。ここで、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立に互いに同じであっても異なっていてもよく、炭素数が１〜１０のアルキル基を示す。このうち特に、次式
【００５０】
【化１１】
2005145776.tif 000012
【００５１】
なる基本構造単位を有するものが好ましい。ここで、ｎは、好ましくは２〜１００、より好ましくは５〜５０、さらに好ましくは１０〜３０である。又は次式
【００５２】
【化１２】
2005145776.tif 000013
【００５３】
なる基本構造単位を有するものが好ましい。ここで、ｎは、好ましくは２〜１００、より好ましくは５〜５０、さらに好ましくは１０〜３０である。尚、組成比率は、セラミック前駆体ポリマーの種類及び熱分解条件に依存する。
【００５４】
本発明の実施によって得られるセラミック材（例えば７００℃において熱分解したもの）の多孔質部は、典型的には７００℃における水素／窒素分離係数が少なくとも４、好ましくは少なくとも５（例えば、５〜２５）、特に好ましくは少なくとも１０（例えば、１０〜２５）であることを特徴とする。また、７００℃における水素透過率が好ましくは１×１０−７モル／ｍ２・ｓ・Ｐａ以上、より好ましくは５×１０−７モル／ｍ２・ｓ・Ｐａ以上、さらに好ましくは８×１０−７モル／ｍ２・ｓ・Ｐａ以上、特に好ましくは１０×１０−７モル／ｍ２・ｓ・Ｐａ以上である。さらに、表面積が好ましくは少なくとも１００ｍ２／ｇ、より好ましくは１５０ｍ２／ｇ、さらにより好ましくは２００ｍ２／ｇ、特に好ましくは２５０ｍ２／ｇ、最も好ましくは３００ｍ２／ｇである。また、ＢＥＴ法に基づく平均細孔径は、通常０．０５〜５ｎｍ、より好ましくは０．１〜３ｎｍ、さらに好ましくは０．３〜１ｎｍである。
【００５５】
このため、６００℃を超える高温、特に７００℃程度、又は７００℃を超える温度においても安定した性状を有している。好ましくは、６００℃を超える温度から１０００℃以下の高温域において、典型的には７００℃〜９００℃において、例えば７００℃〜８００℃において安定である。従って、ここで開示される多孔質セラミック材は、特に高温で使用されるガス分離モジュールにおいて改質ガスから選択的に特定のガス、特に水素を効率よく分離するためのガス分離材として適用することができる。例えば、スチーム／ガソリンを使用する改質器における水素分離材、メタンスチームリフォーミング、水素精製装置等として好適に用いることができる。
【００５６】
好ましくは、ここで開示されるＳｉＣベースの多孔質セラミック材は、水熱安定性にも優れている。即ち、５００℃で水熱条件下、例えばＨ２：Ｈ２Ｏ（モル比１：１）混合雰囲気下に５時間保持後にも表面積の変化率（低下率）が０〜１０％、好ましくは０〜５％である。尚、ここで表面積の変化率とは、もとの表面積に対する水熱条件下に減少した表面積の割合をいう。
【００５７】
好ましい多孔質セラミック材は、ガス分離能を有する平均細孔径（好ましくは上述した範囲）の多孔質部と多孔質支持体を備えたものであり、特に好ましくはその多孔質部は、支持体の少なくとも一部の表面上に膜状に形成されている。膜厚は、４ｎｍ〜１０μｍ、好ましくは４ｎｍ〜１μｍ、より好ましくは４ｎｍ〜０．２μｍである。
尚、好適な支持体については、前記製造方法において記載したものと同様であるため、その説明を省略する。
【実施例１】
【００５８】
以下に説明する実施例によって、本発明を更に詳細に説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。
【００５９】
＜多孔質セラミック材の製造１＞
日本カーボン株式会社から市販入手可能な異なる３種類のポリカルボシラン前駆体サンプルＡ、Ｂ及びＣを用いた。基本構造単位は、全ての場合において次式のように示される。
【００６０】
【化１３】
2005145776.tif 000014
【００６１】
これらサンプルの特性を表１に示す。表１から明らかなように、いずれのサンプルも化学構造においてほぼ同一であるが、分子量が互いに異なることがわかる。
【００６２】
【表１】
2005145776.tif 000015
【００６３】
市販のトルエン（純度：９９．９％、関東化学株式会社製）８０質量％中に、２０質量％のサンプルＡ、Ｂ又はＣを溶解した。この溶液５ｍｌを株式会社ニッカトー製ＳＳＡ−Ｓアルミナ坩堝に入れた。次いで、サンプルを加熱炉中に挿入し、加熱炉内を真空に保持した。加熱炉に１００〜１５０ｍｌ／分の速度でＮ２ガスを流通させ、流量安定性と漏れを確認した。室温で約３０分間保持し、加熱炉の加熱を始めた。以下の昇温スケジュールでそれぞれサンプルをＮ２中において４００℃、５２５℃、６００℃、６５０℃、７２５℃、又は８００℃に加熱し、熱分解した。
【００６４】
最高加熱温度が６５０℃未満の場合、まず、２５０℃まで３．５時間かけて加熱し、この温度で３時間保持した。次いで、１℃／分の昇温速度で最終（最高）温度まで加熱し、１時間保持した。その後、１℃／分の速度で室温まで冷却した。
一方、最高加熱温度が６５０℃以上の場合、まず、２５０℃まで３．５時間かけて加熱し、この温度で３時間保持した。次いで、６時間かけて６００℃まで加熱した。さらに、０．４℃／分の昇温速度で最終（最高）温度まで加熱し、１時間保持した。その後、１℃／分の速度で室温まで冷却した。
【００６５】
その後、サンプルを取り出し、迅速にプラスチックバッグに移した。そして、３日間以内にＮ２吸着により表面積測定を行った。約１００ｍｇのサンプルをこの測定に用いた。表面積は、ＢＥＴ吸着等温式を用いて計算した。結果を図１に示す。
【００６６】
図１から明らかなように、７００℃以上の高い熱分解温度においても、サンプルＣは、他のサンプルに比べて高い表面積、即ち多孔性を得ることができた。７２５℃及び８００℃で熱分解したサンプルＣの細孔径は、約０．６ｎｍであった。また、７２５℃における表面積は２７７．４ｍ２／ｇであった。従って、前駆体の分子量を制御することによって、即ち、分子量が８００であるサンプルＣを用いることによって、６００℃を超える温度においても熱安定性に高く、高い表面積を有する多孔質ＳｉＣを得ることができた。
【実施例２】
【００６７】
＜多孔質セラミック材の製造２＞
本実施例では、前記サンプルＣを用い、酸素含有雰囲気下で重合後に、６５０℃又は７２５℃においてＮ２雰囲気下に熱分解した。
市販のトルエン（純度：９９．９％、関東化学株式会社製）８０質量％中に、２０質量％のサンプルＣを溶解した。この溶液５ｍｌを株式会社ニッカトー製ＳＳＡ−Ｓアルミナ坩堝に入れた。次いで、サンプルを加熱炉中に挿入し、大気中においてまず、２５０℃まで３．５時間かけて加熱し、この温度で３時間保持し、重合させた。
【００６８】
次いで、加熱炉内を真空に保持した。加熱炉に１００〜１５０ｍｌ／分の速度でＮ２ガスを流通させ、流量安定性と漏れを確認した。約３０分間保持し、６時間かけて６００℃まで加熱した。さらに、０．４℃／分の昇温速度で最終（最高）温度まで加熱し、１時間保持した。その後、１℃／分の速度で室温まで冷却した。
【００６９】
その後、サンプルを取り出し、迅速にプラスチックバッグに移した。そして、３日間以内にＮ２吸着による表面積測定を行った。約１００ｍｇのサンプルをこの測定に用いた。表面積は、ＢＥＴ吸着等温式を用いて計算した。結果を表２に示す。また、非特許文献３及び非特許文献５の結果をあわせて示し、これらと比較した。
【００７０】
【表２】
2005145776.tif 000016
【００７１】
表２から明らかなように、２５０℃において大気（酸素含有雰囲気）中に重合後に熱分解した多孔質セラミック材であっても、前駆体の分子量が１０００未満であるサンプルＣを用いると、６５０℃、及び７２５℃の高い熱分解温度においても、他の非特許文献に比べて高い表面積、即ち多孔性を得ることができた。
【実施例３】
【００７２】
＜水熱安定性試験＞
前記実施例２において７２５℃で熱分解したサンプルを用いて、水熱安定性試験を次のように行った。
サンプルをモジュール中に保持し、始めに５００℃まで加熱した。Ｈ２：Ｈ２Ｏ混合物をチューブ中に流した。尚ここで、Ｈ２の流量は５０ｍｌ／分、Ｈ２Ｏの注入量は０．０４ｍｌ／分であり、そのモル比は１：１であった。注入圧は、０．４ＭＰａであった。出口圧は、０．２〜０．４ＭＰａに保持した。サンプルをこの状態で５時間保持した。サンプルを真空下に冷却し、ＢＥＴ及びＦＴＩＲにより試験を行った。この試験の結果を試験前に測定した結果と比較した。
【００７３】
水熱試験後にＢＥＴにより測定されたサンプルの表面積は、試験前のもとの１７７．３ｍ２／ｇから減少は見られなかった。また、サンプルのＦＴＩＲスペクトルは、水熱試験前と試験後においてスペクトルの変化は認められなかった。
この結果から、前駆体の分子量が１０００未満であるサンプルＣを用いると、７２５℃の高温で熱分解したものは、多孔質で熱安定性に優れるとともに、水熱安定性にも優れていることが判る。
【実施例４】
【００７４】
＜多孔質膜の製造＞
本実施例では、前記実施例１におけるサンプルＣを用いて、アルミナ管を塗布して多孔質膜を製造した。
市販のトルエン（純度：９９．９％、関東化学株式会社製）８０質量％中に、２０質量％のサンプルＣを溶解した。アルミナ管は、６０ｎｍの細孔径を有するものを用意した。このアルミナ管に前記サンプルＣのトルエン溶液をディッピングにより塗布した。次いで、このアルミナ管をを加熱炉中に挿入し、大気中においてまず、２５０℃まで３．５時間かけて加熱し、この温度で３時間保持し、重合させた。
【００７５】
次いで、加熱炉内を真空に保持した。加熱炉に１００〜１５０ｍｌ／分の速度でＮ２ガスを流通させ、流量安定性と漏れを確認した。約３０分間保持し、６時間かけて６００℃まで加熱した。さらに、０．４℃／分の昇温速度で７５０℃まで加熱し、１時間保持した。その後、１℃／分の速度で室温まで冷却した。アルミナ管表面上に形成された多孔質膜の厚さは約０．５μｍであった。
【実施例５】
【００７６】
＜ガス分離モジュールの作製及びガス分離特性の評価＞
前記実施例４において得られた多孔質膜付アルミナ管（管形状多孔質セラミック材。以下「ガス分離モジュール１０」という。）を用いて、改質器１を構築し、当該ガス分離モジュール１０のガス分離特性、即ち水素透過率及び窒素透過率ならびに水素／窒素分離係数を評価した。
【００７７】
先ず、図２に示すような改質器１を作製した。この図に示すように、本実施例に係る改質器１は、大まかにいって、筒状のステンレス製チャンバー２と、ＳｉＣを主体とする多孔質膜１２が表面部に形成されたアルミナ支持体１４を本体とするガス分離モジュール１０と、改質用触媒１８とから構成される。
チャンバー２には、別途、ガス供給管３と、ガス排出管４とが設けられている。また、チャンバー２の周囲には図示しないヒーターおよび断熱材が設けられており、チャンバー２内部の温度を室温〜１２００℃の範囲でコントロールすることができる。また、かかるチャンバー２内部のガス分離モジュール１０の周囲の空間部（改質器では水素生成部に相当する部位）２０には、種々の改質用触媒１８を充填することができる。なお、本実施例に係る評価試験では、触媒１８をチャンバー２内に充填せずに行った。
【００７８】
図示されるように、ガス分離モジュール１０の一端は金属製キャップ５によってシールされており、当該端部から中空部１６へのガスの流入を防止している。また、ガス分離モジュール１０の他端側には、ジョイント管３０が取り付けられている。図示するように、ジョイント管３０の開口先端部（透過ガス排出口６）はチャンバー２の外部に露出した状態とした。さらに、ガス分離モジュール１０の外周面における多孔質膜（即ちＳｉＣを主体とするガス分離膜）１２の端の部分（即ちジョイント管取付部分の近傍）には、高温シール材を挿入してメカニカルシールした。
ジョイント管３０の透過ガス排出口６と接続するガス排出側流路には図示しないガスクロマトグラフが装備されており、そこを流れるガス濃度を測定し、その測定データをコンピュータシステムによって自動バッチ処理で解析することができる。
チャンバー２のガス供給管３は外部ガス又は水蒸気等の供給源に接続しており、当該ガス供給管３を介してチャンバー内の空間部２０に水素、窒素等の測定用ガスや水蒸気を供給することができる。なお、空間部２０のガスはガス排出管４から外部に排出される。
【００７９】
而して、かかる系において、ガス分離モジュール１０の水素透過率、窒素透過率ならびに水素／窒素分離係数を次のようにして評価した。すなわち、図示しない水素供給源および窒素供給源から所定の流量で水素及び窒素をチャンバー２内に供給した。このとき、ガス分離膜１２の内外の差圧が約２×１０４Ｐａ（約０．２ａｔｍ）となるようにした。
かかる評価試験は、チャンバー２内の温度を１５０℃に上げ、本実施例に係る改質器１のガス分離モジュール１０について高温時における水素分離特性を評価した。
【００８０】
具体的には、適宜ヒーターを作動させてチャンバー２内の温度制御を行いつつ、上記差圧を生じさせた状態で水素及び窒素をそれぞれチャンバー２内に供給した。而して、セッケン膜流量計（図示せず）によって透過側（即ち透過ガス排出口６と接続するガス排出側流路）の流速を測定した。なお、水素および窒素それぞれのガス透過率は次の式「Ｑ＝Ａ／（（Ｐｒ−Ｐｐ）・Ｓ・ｔ）」から算出した。ここでＱはガス透過率（permeation:モル/m2・s・Pa）、Ａは透過量（ｍｏｌ）、Ｐｒは供給側即ちチャンバー２内の空間部２０の圧力（Ｐａ）、Ｐｐは透過側即ちガス分離モジュール１０の中空部１６の圧力（Ｐａ）、Ｓは断面積（ｍ２）、ｔは時間（秒：ｓ）を表す。また、水素／窒素分離係数(H2/N2 selectivity)は、水素透過率と窒素透過率との比率すなわち式「α＝ＱＨ２／ＱＮ２」から算出できる。ここでαは水素／窒素分離係数（透過係数比）、ＱＨ２は水素透過率、ＱＮ２は窒素透過率を表す。
【００８１】
本実施例に係るガス分離モジュール１０は、８×１０−７モル/m2・s・Paと高い水素透過率を示すとともに、窒素透過率は１．２×１０−７モル/m2・s・Paと低かった。この結果、６．７という優れた水素／窒素分離係数を示した。この結果は、本実施例に係るガス分離モジュールが１５０℃という高温条件下でも高い水素選択的分離特性を有することを示唆するものである。この結果は、クヌッセン通過による水素／窒素分離係数３．７４と比べて、優れている。
【００８２】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】一実施例に係る多孔質セラミック材の熱分解温度に対する表面積値の関係を示すグラフである。
【図２】一実施例に係る管状多孔質セラミック材（ガス分離モジュール）を備えた改質器の構造を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００８４】
１・・改質器
２・・チャンバー
１０・・ガス分離モジュール（管状多孔質セラミック材）
１２・・ガス分離膜
１４・・支持体
【図１】
2005145776.tif 000017
【図２】
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