(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改善された機械的強度を有するモノリシック成形品形態の、ＳｉＣフォームをベースとする触媒担体であって、
（ｉ）該ＳｉＣフォームは１３００℃〜１６００℃の間の温度での最終加熱段階を経て得られたものであり、
（ｉｉ）前記成形品が、機械的強化皮膜を含む触媒の作用を受ける流れが通過することを意図していない外壁を有し、
（ｉｉｉ）前記皮膜がＳｉＣを含み、且つ、前記皮膜とＳｉＣフォームの間の界面において高勾配の機械的特性を得るように前記皮膜が前記フォームの機械的特性よりも高い機械的特性を有し、及び、
（ｉｖ）前記担体を取り扱うことができ、前記担体を触媒系へ変換し、その後で前記触媒系を使用できるように、前記皮膜の厚さが選択されることを特徴とする触媒担体の調製方法であって、
ａ）酸素を含む有機樹脂中にＳｉ粉末を含む懸濁液をポリウレタンフォーム成形品に含浸させる段階（前記懸濁液、前記粉末及び前記樹脂を「フォーム」懸濁液、「フォーム」粉末及び「フォーム」樹脂と称する）、
ｂ）過剰分の「フォーム」懸濁液を取り除く段階、
ｃ）ポリウレタンフォーム中に含まれる「フォーム」樹脂を、温度を次第に上昇させることによって架橋させる段階、
ｄ）冷却後に、Ｓｉ粉末と有機樹脂との混合物を、前記触媒担体で処理すべき流れが通過しない外壁の全体又は一部分に付着させる段階（前記混合物、前記粉末及び前記樹脂を「皮膜」混合物、「皮膜」粉末及び「皮膜」樹脂と称する）、
ｅ）前記フォームの外壁に付着させた前記「皮膜」樹脂を、段階ｃ）の熱処理と同一の熱処理によって架橋させる段階、
ｆ）非酸化性雰囲気中において温度を次第に上昇させることによって、前記ポリウレタンフォームと前記「皮膜」樹脂と前記「フォーム」樹脂とを同時に炭化する段階、
ｇ）前記「フォーム」Ｓｉ粉末と前記「皮膜」Ｓｉ粉末を浸炭させ、及び、温度を次第に１３００℃〜１６００℃の間の最終温度まで上昇させることによって、前段階で得られた前記「フォーム」及び「皮膜」炭素を同時にケイ化する段階、及び、
ｈ）生成物を酸化することによって残留炭素を取り除く段階
を含む触媒担体の調製方法。
【請求項２】
前記成形品を前記段階ｃ）及び前記段階ｅ）の少なくとも一方の後で機械加工することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
所与の「フォーム」懸濁液の組成に対して、前記「皮膜」混合物の収縮によって前記フォームと前記皮膜との間の結合の損失が生じることを回避するように、前記「皮膜」混合物の組成を選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記「皮膜」混合物を、少なくとも１つのノズルを使用する噴霧によって、又は、浸漬によって、付着させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
中間担体を前記触媒担体中に組み入れるように前記「皮膜」混合物を中間担体によって前記外壁に付着させることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記中間担体が前記「皮膜」混合物で予め被覆されていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記成形品が対称軸を有する場合には、前記成形品を前記対称軸の周りで回転させるために、前記架橋段階ｃ）を回転反応器内で行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
得られる触媒保持皮膜を、ワックスまたはパラフィンから選ばれる不活性物質で処理することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒系の分野に係わり、更に特に、ＳｉＣフォームをベースとする触媒担体に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＣフォームの調製方法及びＳｉＣフォームの触媒担体（特に、自動車排気管用の触媒担体）としての使用は公知である。
【０００３】
ＳｉＣフォームを触媒担体として使用することによって生じる問題点の１つは、この触媒担体を取り扱うことによって及び触媒担体を触媒コンバータ内に配置して固定することによって生じる機械的ストレスを受ける際に、ＳｉＣフォームが脆いことである。
【０００４】
従って、本発明の目的は、特にフォームの破片化による物理的損傷なしに取り扱うことが可能であり且つ該担体を触媒コンバータ内に固定するのに必要な圧力に耐える、担体を得ることである。
【０００５】
こうしたＳｉＣフォームを担体として使用することによって生じる更に別の問題は、特許出願ＦＲ−Ａ１−２７０５３４０に開示されているような調製方法の様々な段階に起因して最終寸法が不均一となることである。
【０００６】
触媒系は所定寸法を有する金属製排気管ケーシングの中に挿入しなければならないので、触媒担体の寸法が著しく不均一であることは許容不可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、まず第１に、強化皮膜を有するＳｉＣフォーム触媒担体に係わる。
【０００８】
本発明の第２の目的は、この強化皮膜を有するＳｉＣフォーム担体の調製方法である。
【０００９】
本発明は更に、こうした担体を含む触媒系にも係わる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、改善された機械的強度を有するモノリシック成形品の形態の、ＳｉＣフォームベースの触媒担体であり、この触媒担体は、
ａ）上記成形品が、機械的強化皮膜を含む上記触媒の作用を受ける流れが通過することを意図していない外壁又は外側表面（側壁又は側部表面とも称される）を有し、
ｂ）上記皮膜がＳｉＣを含み、且つ、皮膜とＳｉＣフォームの間の界面において高勾配の機械的特性を得るように上記フォームの機械的特性よりも高い機械的特性を有し、
ｃ）特に上記担体が破片化することなしに、上記担体を取り扱うことができ、前記担体を触媒系へ変換し、その後で上記触媒系を使用できるように、上記皮膜の厚さを選択する
ことを特徴とする。
【００１１】
従って、触媒によって処理される流れが通過することを意図しない上記外壁を、完全に又は部分的に、皮膜によって被覆することが可能である。
【００１２】
更に、密度勾配が皮膜／フォーム界面に存在し、（触媒を保持することを意図した）フォーム本体と皮膜との間の結合を確実なものにするように、この密度勾配を選択する。上記担体の調製時、触媒系への変換時、又は、上記触媒系の使用時に、この結合が維持されなければならない。
【００１３】
皮膜とフォームとの間の結合を確実なものにするために、皮膜とフォームとの間の密度勾配は、皮膜の厚さの５％以上に亙って、好ましくは１０％に亙って存在する。
【００１４】
実際には、一般的に０．５ｍｍより大きい厚さを有する皮膜は、基本的にＳｉＣを主成分とし、この皮膜は、以下に詳細に説明する通りに、最終的にフォーム本体と皮膜との間に連続性が存在するように、ある一定の厚さ全体に亙って高比表面積を有するＳｉＣフォーム成形品の側部表面をＳｉＣで強化することによって得られ、この皮膜は、フォームの初期状態の可視的なマクロ細孔（孔径は通常１ｍｍ以上）の大部分を失っているが、向上した機械的特性を有している。
【００１５】
従って、本発明による担体は、圧縮と破片化に対して非常に高い耐性を有し、且つ、その非常に強靱な皮膜のために非常に容易に機械加工することが可能であるばかりでなく、皮膜とフォームの間の材料の連続性によって得られる高い比表面積のために、皮膜とフォーム本体との間の剪断に対して非常に優れた耐性を有する。
【００１６】
皮膜は、典型的には、フォームの機械的耐圧潰性の５倍以上の機械的耐圧潰性、及び／又は、フォームの平均密度の５倍以上の平均密度を有する。
【００１７】
一般的に分割形態及び／又は分散形態にある補強材を、皮膜中に含むことが可能である。こうした補強材は、主として、粒子や繊維の形の、耐火物タイプ又は不活性タイプの無機充填材、例えば、酸化物、炭素、ＳｉＣのような炭化物、窒化物、又は、これらの組合せである。
【００１８】
この皮膜が活性触媒担体の属性と有効性を持たないということを指摘しておかなければならない。実際に、皮膜上に付着させることが可能な触媒相では、上記のように、処理すべき気体を自由に循環し得るｍｍサイズの細孔が既に消滅しているので、この触媒相には有効性は殆どないと考えられる。従って、皮膜は、上記気体が通過することが可能なフォーム構造を有してはおらず、多孔性固体構造、例えば、多孔性耐火レンガタイプの構造を有する。皮膜における気体の導入損失は、同一の気体速度でのフォームにおける導入損失に比べて典型的には１００倍から１０００倍大きく、密度は５倍から１５倍高いが、比表面積は同一のままであることが可能である。
【００１９】
フォーム上に活性相を付着させることによって上記担体を触媒系に変換する前に、上記皮膜に不活性物質（例えば、ワックス又はパラフィン）を含浸させることが可能であり、この含浸により、活性相が皮膜内に無駄に付着することが防止される。
【００２０】
本発明による担体（フォーム本体と皮膜）は、１ｍ2／ｇ以上、典型的には１ｍ2／ｇから４０ｍ2／ｇ、通常は５ｍ2／ｇから４０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。皮膜を有するフォーム担体の耐圧潰性が、皮膜を持たない同じフォーム担体のそれに比較して、２倍以上、好ましくは５倍以上に向上することも指摘しておかなければならない。更に、皮膜の密度は、フォームの密度の２倍以上、好ましくは５倍である。担体は、０．５％（好ましくは０．１％）以下の残留Ｓｉしか含まない。
【００２１】
本発明は、更に、上記の通りの触媒担体を調製するための方法にも係わり、この方法は、
ａ）ポリウレタンフォーム成形品に、酸素を含み且つ好ましくは１重量％から１０重量％までの架橋剤を含む有機樹脂中に有機樹脂に対するＳｉの重量比率で０．５５から１．２０までの範囲内でＳｉ粉末を含む懸濁液を含浸させる段階（上記懸濁液、上記粉末及び上記有機樹脂を「フォーム」懸濁液、「フォーム」粉末及び「フォーム」樹脂と称する）、
ｂ）例えば遠心分離、圧縮又はスピン乾燥によって、過剰分の「フォーム」懸濁液を取り除き、従って、ポリウレタンに含浸させる「フォーム」樹脂のポリウレタンに対する重量比率を典型的には３から９までとする段階、
ｃ）ポリウレタンフォーム中に含まれる「フォーム」樹脂を、温度を次第に上昇させることによって架橋（即ち、重合）させる段階であって、この熱処理が、一般的に、３℃／分以上、好ましくは約５℃／分以上の温度上昇速度で、２００℃から４００℃までの温度、好ましくは２００℃から３００℃までの温度に温度を上昇させ、この温度に、５分間以上、典型的には５分間から９０分間維持することを含む段階、
ｄ）冷却後に、Ｓｉ粉末と、好ましくは１重量％から１０重量％までの架橋剤及び有利には強化無機充填材とを含む有機樹脂との混合物を、上記触媒担体で処理すべき物質の流れが通過しない外壁の全体又は一部分に付着させ（上記混合物、上記粉末及び上記樹脂を「皮膜」混合物、「皮膜」粉末及び「皮膜」樹脂と称する）、「皮膜」Ｓｉ粉末の「皮膜」樹脂に対する重量比率を有利には０．５５から１．２０までとする段階、
ｅ）上記ポリウレタンフォームの上記外壁に付着させた「皮膜」樹脂を、段階ｃ）の熱処理と概ね同一の熱処理によって架橋（即ち、重合）させる段階、
ｆ）非酸化性雰囲気中で、好ましくは１℃／分から１０℃／分までの温度上昇速度で、更に好ましくは１℃／分から５℃／分までの温度上昇速度で、典型的には１０００℃に温度を次第に上昇させることによって、上記ポリウレタンフォームと「皮膜」樹脂と「フォーム」樹脂とを同時に炭化する段階、
ｇ）「フォーム」Ｓｉ粉末と「皮膜」Ｓｉ粉末を浸炭させ、更に、典型的には、不活性雰囲気中で１０℃／分以下の温度上昇速度で、好ましくは１℃／分から４℃／分までの温度上昇速度で、１０００℃から１３００℃〜１６００℃の間の温度まで温度を次第に上昇させ、その後で、非酸化性雰囲気中でこの温度Ｔに０．５時間以上、好ましくは２時間から５時間まで維持することによって、前段階において得た「フォーム」炭素と「皮膜」炭素を同時にケイ化する段階、及び、ｈ）一般的には６５０℃から９５０℃までの温度で生成物を酸化することによって残留炭素を取り除く段階
を含む。
【００２２】
特に、「皮膜」懸濁液の中に混入した無機充填材（例えば、ＳｉＣ微粉末）により、フォーム本体と皮膜との間の収縮係数の差異を減少させることができ、従って、皮膜／フォーム結合の脆性を防止する。更に、この充填材は、皮膜の比表面積をブロックし、皮膜内における触媒相の不要な付着と損失を防止する傾向がある。
【００２３】
本発明による方法によって、最終担体の寸法収縮が非常に均一であり、従って非常に優れた精度範囲が得られるので、架橋段階（ｃ、ｅ）の各々の後で、固体成形品を機械加工することが可能である。
【００２４】
上記の方法の変形例は、上記段階ａ、ｂ、ｃ、ｆ、ｇを組み合わせることによって、又は、従来技術で言及されるようなプロセスのいずれかによって得られる、高比表面積を有するＳｉＣフォーム成形品から出発して、このＳｉＣフォームに対して段階ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを行うことを含む。
【００２５】
皮膜にとって必要とされる深さ（一般的には、０．５ｍｍより大きい深さ）で上記混合物がポリウレタン又はＳｉＣフォーム中にその外部表面を通過して浸透するように、「皮膜」混合物付着段階ｄ）を行うことが可能である。
【００２６】
例えば、１回以上のパスによって上記「皮膜」混合物をフォーム成形品上に噴霧する１つ以上のノズルを使用することによって、又は、外部表面を「皮膜」混合物中に浸漬することによって、上記付着段階を行う。「皮膜」混合物の浸透の厚さを、混合物の流れ、浸漬厚さ、上記混合物の濃度、その温度、付着速度、パス回数等によって調節する。任意の無機充填材は、例えばＳｉＣ粒子又は繊維を主成分とする。
【００２７】
「皮膜」混合物をポリウレタン又はＳｉＣフォームに直接付着させる代わりに、この「皮膜」混合物を、最終触媒担体中に中間担体を組み入れるように、担体によって少なくとも局所的に付着させることが可能である。この中間担体は、皮膜／フォーム結合を確実にするために炭素（例えば、合成材料、又は、典型的にはセルロース天然材料）を与えることによって、炭化中に消滅させることが可能なフィルム又はシートタイプの担体であるか、又は、「皮膜」混合物の通過を可能にし且つ加熱後に残留する、織り物テープタイプ、メッシュテープタイプ、又は、有孔テープタイプの担体であり得る。
【００２８】
外壁に上記中間担体を付着させる前に、この中間担体を、上記「皮膜」混合物で被覆することが可能である。従って、触媒担体内の、外壁の所定位置に、この中間担体を組み込む。
【００２９】
所与の「フォーム」混合物組成物において、熱処理中フォームの収縮と皮膜の収縮とが相違することに起因するフォームと皮膜との間の結合の損失を回避することを可能にする、「皮膜」混合物を選択することが有利である。
【００３０】
成形品が対称軸を有する場合には、「フォーム」樹脂の架橋を含む段階ｃ）を回転反応器中で行い、フォームが完全に硬化する前にフォームの自重の影響でフォームの変形と付着が生じることを回避することが有利である。
【００３１】
本発明は、本発明による担体から生産される触媒系にも係わる。
【００３２】
このタイプの触媒系は、一般的に、上記担体に加えて、ＳｉＣフォーム上に付着させた触媒（即ち、活性触媒相）を含み、この触媒系全てを、例えば自動車排気管と気体のような処理すべき気体がその中を循環する金属ケーシング内に封入することが可能である。特に、この場合には、白金とロジウムをその上に付着させたアルバナイト層で担体を被覆する。皮膜内に高価な活性相が付着することを制限するために、無機充填材を含む「皮膜」混合物を使用することが可能であり、及び／又は、皮膜を、上記したワックスタイプもしくはパラフィンタイプの不活性物質で処理することが可能である。従って、皮膜は、ある一定の重量％の活性相を含み、この活性相の割合は、好ましくはフォームに含まれる活性相の重量の１０重量％未満であり、又は、更には１重量％未満である。皮膜の厚さを制限することによって、触媒の損失を低減させることも可能である。
【００３３】
【実施例】
実施例１
約３ｍｍの厚さの皮膜を有するＳｉＣフォームをベースとする担体を、次の通りに、本発明による直径６０ｍｍ及び長さ１００ｍｍを有する円筒の形に成形した。
【００３４】
−  ４５ｐｐｉ（１インチ当たりの細孔数）ポリウレタンフォーム３６ｇに、架橋剤（ヘキサメチレンテトラミン）３重量％を含むフルフリル樹脂中のＳｉ含有フォーム懸濁液（フォーム重量／樹脂重量＝０．７）を含浸させる。含浸させたブロックは重量４７０ｇ（樹脂／ポリウレタンフォーム重量＝７．０９）を有する。
【００３５】
−  フォームの接着と変形を防止するために回転ゲージ内で２００℃で１時間加熱する。温度上昇速度＝５℃／分。加熱後の重量＝３３８ｇ。
【００３６】
−  直径６０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、重量３３ｇの４つの成形品を機械加工する。
【００３７】
−  触媒によって処理すべき流れが後で円筒の末端を自由に通過できる状態に保ったまま、上記成形品の側表面を、ケイ素と、架橋剤３重量％を含むフルフリル樹脂とを含む「皮膜」混合物（Ｓｉ重量／樹脂重量＝０．７）で、ノズルを使用して被覆する。「皮膜」混合物を６０℃にし、圧力（約１バール）下のタンク内に入れる。これによって、上記ノズル全体に亙って３ｍｍの連続噴流が得られ、且つ、混合物の流速２１ｇ／分が得られる。３５ｍｍ／分のノズル前進速度と１６ｒｐｍのフォームの回転とによって、連続した皮膜が得られる。
【００３８】
−  ５℃／分の上昇速度で外界温度から２００℃に１５分間で温度上昇させながら、付着を防止するために回転ゲージ内で「皮膜」混合物の被覆物を含むフォームを加熱する。加熱後の成形品重量＝７９．４ｇ。
【００３９】
−  ケイ素を炭化させた後で浸炭させ、更にその後で、外界温度から２５０℃に５℃／分で温度上昇させてから、２５０℃から１３７０℃に３℃／分で温度上昇させ、更に１３７０℃に４時間維持することによって、炭化時に得られた炭素をケイ化する。この全てを、直線速度３．５ｃｍ／秒（ＴＰＮ）で循環するアルゴン流の下で行う。合成後の重量は５５．６ｇである。
【００４０】
−  過剰分の残留炭素を、空気中で８１０℃で酸化させることによって除去する（残留炭素７％）。
【００４１】
担体（フォーム＋皮膜）は、１４．５ｍ2／ｇの比表面積と、３±０．５ｍｍの皮膜厚さで２枚の平行プレートの間で測定した場合に１４バールの機械的耐圧潰性を有する。完成した担体において測定されるこうした耐圧潰性は、フォームの固有品質によって決定されるばかりでなく、担体のサイズ、及び、皮膜の厚さ、即ち、担体成分の幾何学的特徴によっても決定される。
【００４２】
フォームは、単独で、０．３バールの耐圧潰性を有する。フォームの密度は０．０９ｇ／ｃｍ3である。皮膜の平均密度は１．１０ｇ／ｃｍ3である。フォームの直ぐ近くでは、この密度は０．０９ｇ／ｃｍ3から１．１０ｇ／ｃｍ3までである。こうした勾配によって、皮膜とフォームの間が結合する。
【００４３】
実施例２
この実施例では、不連続皮膜を有する担体を調製した。架橋「フォーム」懸濁液を含む円筒形ポリウレタンフォーム成形品は、直径１５０ｍｍと長さ１４０ｍｍを有する。「皮膜」混合物の温度は６０℃であり、この混合物の流速は２０ｇ／分である。
【００４４】
５５ｍｍ／分のノズル前進速度と、５．５ｒｐｍの回転速度とによって、不連続な螺旋巻きストリップ（ヘリックス）の形態を有する皮膜を円筒の側面表面上に１ｃｍピッチで形成した。
【００４５】
炭化ケイ素に変換した後では、モノリシック担体の機械的耐圧縮性は９バールである。
【００４６】
同一の方法で、例えば、交差螺旋、環、及び／又は、不連続母面等のような他の形状を生じさせることが可能である。
【００４７】
実施例３
この実施例では、不活性物質によって処理した皮膜を有する担体と不活性物質で処理していない皮膜を有する触媒担体とを比較した。最初に、担体を処理して、アルバナイト被覆物を含む触媒付着物を生じさせ、その後で、担体を処理して、不活性物質で処理した皮膜を持たないＰｔ被覆物を生じさせた。
【００４８】
担体の皮膜は５％の多孔度を有し、その細孔直径は１００μｍから３００μｍまでである。
【００４９】
活性触媒相の付着物を生じさせるために含浸した後では、皮膜は、ＳｉＣフォーム本体と同様に、３０重量％のアルバナイトを含む。皮膜中のＰｔは０．４重量％であり、フォーム中のＰｔは０．８重量％である。
【００５０】
その後で、同一の触媒担体の皮膜を、１０２℃の融点を有するＳｉｌｉｐｌａｓｔ  ＴＰ  ６０００ワックス（Ｚｓｃｈｉｍｍｅｒ  ＆  Ｓｃｈｗａｒｚ，Ｌａｈｎｓｔｅｉｎ／Ｒｈｉｎｅの登録商標）を塗布することによって処理し、皮膜を１２０℃に保ち、フォームを２０℃に保った。
【００５１】
上記の通りに活性相を付着した後では、皮膜が５重量％のアルバナイトと０．０６重量％のＰｔを含むだけであること、及び、フォームが通常の量である２８重量％のアルバナイトと０．９重量％のＰｔを含むことが明らかだった。