(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
細孔質セラミック物質のハネカム型モノリス構造であって、その外側形態は、任意形態の２つの端部面に基づく円筒形状面により画定され、前記構造は、細孔質内壁によりそれら自体が分離される複数の並行状孔路を有しており、前記構造は、該構造を構成する細孔質セラミック物質が、下記：すなわち
・少なくとも１つの粒度分布を有するαおよび／またはβ結晶学的タイプの炭化ケイ素７０〜９７重量％と、
・Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２およびＦｅ２Ｏ３から選ばれる少なくとも１つの単純酸化物、および／またはアルカリ・アルミノシリケートもしくはアルカリ土類アルミノシリケート、粘土、ベントナイト、フェルトスパットもしくは他の天然シリカ・アルミナ物質から選ばれる少なくとも１つの混合酸化物を含む、噴霧により得られるミクロ粉体または粒子形態での少なくとも１つの粘着性セラミック相３〜３０重量％と
を含み、炭化ケイ素が、少なくとも２つの粒度分布を有し、１５〜１２５マイクロメータの粒形態の炭化ケイ素の量が、平均サイズ１５マイクロメータ未満の粒形態の炭化ケイ素の量より多いことを特徴とする、細孔質セラミック物質のハネカム型モノリス構造。
【請求項２】
セラミック構成物質が、多孔度３５〜６５％と、主として中央に集中され、かつ一箇所に占められる（monopopulee）細孔分布５〜６０マイクロメータとを有することを特徴とする、請求項１記載のモノリス構造。
【請求項３】
炭化ケイ素が、平均サイズ３〜１２５マイクロメータの粒に対応する粒度分布を有することを特徴とする、請求項１または２記載のモノリス構造。
【請求項４】
炭化ケイ素が、２〜５の粒度分布を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載のモノリス構造。
【請求項５】
粘着性セラミック相は、炭化ケイ素の膨張係数に近似する膨張係数を有するように、全体組成の５０％に調整されることを特徴とする、請求項１〜４のうちのいずれか１項記載のモノリス構造。
【請求項６】
モノリス構造が、１ｃｍ２当たり孔路数７．７５〜６２を有し、前記孔路が、断面積０．５〜９ｍｍ２を有し、孔路を分離する内壁が、厚み約０．３〜１．５ｍｍを有することを特徴とする、請求項１〜５のうちのいずれか１項記載のモノリス構造。
【請求項７】
前記孔路が、それらの２つの端部の一方または他方で交互に開口されるか、または閉塞されることを特徴とする、請求項１〜６のうちのいずれか１項記載のモノリス構造。
【請求項８】
結合されたペースト状形態で均一物質として生じる成分の混練工程と、適当なダイを通してハネカム状モノリス形態にセラミック塊を成形するようにする前記物質の押し出し工程と、得られたモノリス塊の乾燥工程と、酸素を含む雰囲気下に、１６５０℃を越えない温度で実施される焼成工程とを含み、モノリスの各端部における２つの孔路についての１つの孔路の閉塞工程が、押し出し後における製造方法の任意の段階で行われることを特徴とする、請求項１〜７のうちのいずれか１項記載のモノリス構造の製造方法。
【請求項９】
混練工程において、少なくとも１つの粒度分布を有する少なくとも１つの炭化ケイ素と、少なくとも１つの単純酸化物および／または少なくとも１つの混合酸化物からなる粘着性相と、少なくとも１つの発泡剤とを含む混合物を、乾式混練機内で混練し、ついで少なくとも１つの有機可塑剤と水とを添加することを特徴とする、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
本発明のモノリス構造を構成する物質に関して所期の多孔度を得るために、サイズ１５〜１２５マイクロメータの粒を有する１つまたは複数の炭化ケイ素と、サイズ１５マイクロメータ未満の粒を有する１つまたは複数の炭化ケイ素とを含む炭化ケイ素の一群が使用され、所期の細孔サイズに応じて選ばれる少なくとも１つの発泡剤を約５〜３０重量％の割合で添加することを特徴とする、請求項８または９記載の方法。
【請求項１１】
混練工程において得られた均一物質が、調節された湿度測定下に室温で熟成されることを特徴とする、請求項８〜１０のうちのいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
押し出し工程において、ペーストを、水銀柱１５〜２０ｍｍの真空下に軸式またはピストン式押出機内に通過させ、こうしてモノリス形態下に生のセラミック塊を製造することを特徴とする、請求項８〜１１のうちのいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
乾燥工程において、得られた生のセラミック塊が、室温〜１１０℃までの温度で、化学的に結合されない水の含有量を１重量％未満にするのに充分な時間乾燥されることを特徴とする、請求項８〜１２のうちのいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
焼成工程において、モノリス構造が、酸素を含む雰囲気下に温度１１００〜１６５０℃に保持されることを特徴とする、請求項８〜１３のうちのいずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
焼成温度が、１３００〜１６５０℃であることを特徴とする、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
焼成温度が、１３５０〜１５５０℃であることを特徴とする、請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
モノリス構造の端部面の各々における２つの孔路について、その１つの孔路の閉塞が、モノリスを構成する物質に類似するが発泡剤を含まず、前記物質の焼成による収縮よりも小さい焼成による収縮を示す物質により行われることを特徴とする、請求項８〜１６のうちのいずれか１項記載の方法。
【請求項１８】
ディーゼル・エンジンの排出管路上の粒子用フィルターとしての請求項１〜７のうちのいずれか１項記載の、あるいは請求項８〜１７のうちのいずれか１項記載の方法により製造されるモノリス構造の使用法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モノリス構造の端部面の一方または他方において交互に閉塞される並行状孔路を有し、かつ特にディーゼル・エンジンの排気ガスに関する粒子用フィルタとして使用可能な新規モノリス構造に関する。さらに本発明は、そのような構造の製造にも関する。
【０００２】
【従来技術】
内燃エンジンの排気ガス、特にディーゼル・エンジンの排気ガスは、大気を汚染する煤煙または粒子を含んでおり、健康に関して大きな弊害を誘発するものである。種々の方法が、この問題の解決を試みるために提案されている。特にこれらの粒子を、エンジンの排気管路上に配置される細孔物質からなるフィルタ上において収集することが提案されている。
【０００３】
既に先行技術において、例えばコージエライトまたは炭化ケイ素のような耐火性物質のハネカム型モノリスからなるフィルタが記載されている。
【０００４】
これらのモノリスは、細孔質内壁により分離される複数の孔路を含む。前記孔路は、それらの端部の一方または他方に対して交互に閉塞されて、ガス粒が前記内壁を通って拡散するのを強いるようにする。
【０００５】
コージエライトから製造されるこの型のモノリスは、弱い機械抵抗特性と共に、留められた煤煙の燃焼の際における熱の不完全解消による早すぎる経時劣化を示す不都合を有する。
【０００６】
先に記載されている炭化ケイ素からなるモノリスに関しては、その製造を実施することは困難である。
【０００７】
実際、従来の技術は、異なる粒度分布の炭化ケイ素の２粉体を原料とすることからなる。これらの粉体は、混練され、押し出され、乾燥され、ついで一般に不活性雰囲気下に２１００〜２５００℃程度の非常に高い温度に保持される。これらの条件下に、最も大きい結晶の異常な増加が認められる。最も細かい結晶は、気化・凝縮を受ける。このことにより、最終的にはこのように製造されたモノリスの特性の所望でない変化が引き起こされる。
【０００８】
最近において、粉体状ケイ素および炭素、あるいは有機物質を原料として実施される製造方法が提案されている。該有機物質は、熱分解によりケイ素と組み合わされるために必要な炭素を供給するものである。さらにそのような方法による製造は、不活性雰囲気下に一般に１６５０℃を越える、ほとんどの場合２１００〜２４００℃までの高温での最終焼成工程を必要とする。
【０００９】
【発明の開示】
モノリス
本発明は、ディーゼル・エンジンの排気ガスに関する粒子用フィルタとして使用可能な新規モノリスを提案する。このモノリスは、焼成工程において、１６５０℃以上の温度の使用も、不活性雰囲気の使用も必要としない方法により製造されうる利点を有する。
【００１０】
本発明によるモノリスは、例えば四角形状、長方形状、多角形状、円形状または楕円形状のような任意形態の２つの端部面に基づく、母線を有する（広い意味での）円筒形状面により境界を画定される外部容積を有する耐火性細孔物質から構成される固体からなるものと定義される。固体は、複数の孔路により縦貫され、これら孔路は、それら自体の間において、また母線に対して並行状でありかつ前記モノリスの端部面に開口している。これら孔路は、四角形状、長方形状または三角形状、あるいはさらには多角形状断面を有するものである。
【００１１】
本発明のモノリスは、主として
・少なくとも１つの粒度分布、好ましくは少なくとも２つの粒度分布を有するαおよび／またはβ結晶学的タイプの炭化ケイ素７０〜９７重量％、好ましくは８２〜９０重量％と、
・例えばＢ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２およびＦｅ２Ｏ３から選ばれる少なくとも１つの単純酸化物、および／またはアルカリ・アルミノシリケート（Ｌｉ、ＮａまたはＫ）もしくはアルカリ土類アルミノシリケート（Ｍｇ、Ｃａ、ＳｒまたはＢａ）、粘土、ベントナイト、フェルトスパットもしくは他の天然シリカ・アルミナ物質から選ばれる少なくとも１つの混合酸化物を含む、噴霧により得られる極微粉体および／または粒子形態での少なくとも１つの粘着性セラミック相（バインダ）３〜３０重量％、好ましくは１８〜１５重量％と
を含む物質からなる。
【００１２】
モノリスを構成する物質、すなわち各孔路を分離する内壁は、一般に多孔度３５〜６５％、好ましくは４０〜６０％を有する。
【００１３】
細孔分布は、主として一箇所が占められており（monopopulee）、かつ例えば５〜６０マイクロメータ、好ましくは１０〜４０マイクロメータ、より好ましくは１５〜３５マイクロメータで中心とする。
【００１４】
従って、細孔サイズは、主として炭化ケイ素粒のサイズと使用されるセラミックバインダ粒のサイズとに依存する。このことは、特に本発明のモノリスの製造手順に関連して後述されるものである。
【００１５】
炭化ケイ素は、本発明のモノリスの構成物質の大部分を占めかつ好ましくはいくつかの粒度分布、例えば２〜５の粒度分布を有する。従って、記号Ｆ１００〜Ｆ１２００（これは、平均サイズ３〜１２５マイクロメータの粒に対応する）によるＦＥＰＡ  ４２Ｆ  １９８４に応じて指定される炭化ケイ素が使用されてよい。２つの粒度分布を有する炭化ケイ素の場合には、例えば１５〜１２５マイクロメータの粒形態下に炭化ケイ素の大きい割合（例えば９０重量％程度）と、１５マイクロメータ未満の平均サイズを有する粒形態下に炭化ケイ素の小さい割合（例えば１０重量％程度）との存在があり得る。
【００１６】
好ましくは、本発明のモノリス構造の構成物質中に存在する粘着性セラミック相は、炭化ケイ素の膨張係数に近似する膨張係数を有するように、約５０％、好ましくは約３０％、より好ましくは約２５％に調整される全体組成を有する。
【００１７】
一般に、モノリスを通過する孔路は、各端部において交互に開口されるかあるいは閉塞されて、一端部で開口される各孔路に対して隣接する孔路は閉塞されるようにする。従って、モノリスに浸透するガス流は、各孔路を分離する細孔壁を通って拡散しにくい。例えば四角形状断面を有する孔路については、モノリスの端部面は、格子縞の外観を有する。
【００１８】
モノリスは、１辺１プース（pouce）の四角形状当たりセル（すなわち孔路）数約５０〜４００、より詳しくは約１００〜２００（すなわち１ｃｍ２当たり約７．７５〜６２、より好ましくは約１５．５〜３１）を有してよい。各孔路を分離する内壁の厚み約０．３〜１．５ｍｍ、より詳しくは０．５〜０．８ｍｍを考慮することにより、孔路は、概算で断面積約０．５〜９ｍｍ２、より詳しくは１．５〜４ｍｍ２を有する。
【００１９】
本発明のモノリスは、卓越した機械抵抗特性と卓越した耐熱衝撃性を有する。
【００２０】
モノリスの製造
本発明のモノリスは、適当なあらゆる操作様式により製造されてよい。この様式には、特に結合されたペースト状形態で均一物質として生じる成分の混練工程と、適当なダイを通してハネカム状モノリス形態にセラミック塊を成形するようにする前記物質の押し出し工程と、得られたモノリス塊の乾燥工程と、ついで本発明によれば、焼成工程が１６５０℃を超えない温度、好ましくは１５５０℃未満の温度で酸素を含む雰囲気下に行われる利点を有する焼成工程とを含む。モノリスの各端部における２つの孔路に対して１つの孔路の閉塞を目的とする操作は、製造の任意の段階において押し出し後すぐの生のモノリスについてか、あるいは乾燥されたモノリスについてか、あるいは焼成工程を受けたモノリスについて行われてよい。
【００２１】
特別な操作様式は、後に詳述される。
【００２２】
第１工程において、適切な粒度分布を有する炭化ケイ素と、上記で定義されたように少なくとも１つの単純酸化物および／または少なくとも１つの混合酸化物からなる粘着性相と、一般に発泡剤とを乾式混練機内で混練し、ついで例えばアルキルセルロース（メチル−、エチル−またはカルボキシメチルセルロース）、ポリアクリルアルコール、ステアリン酸、バイオポリマー、ポリビニルアルコール、種々のゴム（キサンタンゴム、アラビヤゴムまたはトラガントゴム）および水から選ばれる少なくとも１つの有機可塑剤をこれに添加する。
【００２３】
使用可能な発泡剤は、例えばでんぷん、セルロース、カーボンブラック、木粉、ポリスチレン、硝酸アンモニウム、グルコース、ポリエチレングリコールあるいは物質の焼成の際に揮発性物質に分解しやすい、分級された粉体形態のあらゆる有機または無機物質である。
【００２４】
本発明のモノリス構造を構成する物質に関して所期の多孔度を作成するために、一般に例えば（サイズ１５〜１２５マイクロメータの範囲において）比較的大きな粒を有する１つまたは複数の炭化ケイ素および（１５マイクロメータ未満のサイズの）比較的細かい粒を有する１つまたは複数の炭化ケイ素のような様々な粒度を有する炭化ケイ素の一群が使用される。炭化ケイ素の粒の直径は、所期の細孔サイズに応じて選ばれる少なくとも１つの発泡剤を約５〜３０重量％の割合で添加することにより細孔の直径に影響を及ぼすものである。
【００２５】
さらに少なくとも１つの解膠剤を混合物に添加してもよい。均一ペーストを得るまで混練する。
【００２６】
均一物質は、有利には例えば室温で（水の蒸発を避けるために）調節された湿度測定下に例えば２４時間熟成（エイジング）されてよい。
【００２７】
押し出し工程において、ペーストを、例えば減圧下に（典型的には水銀柱１５〜２０ｍｍの減圧下に）軸式（一軸または二軸）あるいはピストン式押出機内で押し出して、ハネカム状モノリス形態で生の（未焼成の）セラミック塊を得るようにする。
【００２８】
次いでこれら生のセラミック塊は、例えば室温〜１１０℃までの温度で、調節された湿度測定を有する雰囲気下に化学的に結合されない水（自由水）の含有量を１重量％未満にするのに充分な時間乾燥される。乾燥は、例えば約２０時間続けられる。
【００２９】
この目的に応えうる当業者に公知のあらゆる様式が、最適な技術・経済条件下に本発明の製造方法の一部を成している。
【００３０】
モノリス構造の焼成が、例えば１０〜５０℃／時の温度に上昇させることにより、該モノリス構造を温度１１００〜１６５０℃、例えば１３００〜１６５０℃、好ましくは１３５０〜１５５０℃に少なくとも１時間、好ましくは少なくとも２時間維持することにより、酸素を含む雰囲気下に一般に空気下に実施され、ついで該モノリス構造は、室温まで冷却される。
【００３１】
モノリスの端部面の各々に関する２つの孔路に対して１つの孔路の閉塞が、当業者に公知のセラミック組成の適用により行われる。その組成は、一般にモノリス自体を構成する組成にできるだけ同程度に近似するものであるが発泡剤を含まず、モノリスを構成する物質の焼成収縮よりも小さい焼成収縮を有するように、またこのように閉塞された孔路の気密性を焼成の後に確保するように、調整される。温度の上昇または低下の条件がどのようなものであっても、モノリスは使用される際に、その条件に付される。
【００３２】
本発明のモノリス構造は、一般にディーゼル・エンジンの排気管路上に配置されうるために望まれる形状を有する粒子用フィルタを構成するための当業者に公知のあらゆる技術に応じるセラミック接着により組み合わせられる要素としてのモノリスからなる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
次の実施例は、本発明を例証するものである。この実施例は、何ら限定的なものとして見なされるべきではない。
【００３４】
［実施例］
混練機に、
・（平均サイズ１２５マイクロメータを有する）粒度分布Ｆ１００の炭化ケイ素８５ｇと、アルミナＡｌ２Ｏ３  ５０部、酸化ジルコニウムＺｒＯ２  ３０部、およびシリカＳｉＯ２  ２０部の混合物１０ｇと、粘土５ｇと、セルロース可塑剤５ｇと、粒度分布２〜１００マイクロメータで分級される木粉１２ｇと、水とを導入した。
【００３５】
５分間乾式混練をして、水を５分間添加した。混練をさらに１５分間続行して、こうして（制御装置上で押し出し力を測定して決定される）適当な可塑性を有する均一ペーストを形成した。
【００３６】
ペーストを、調節された湿度測定下に２４時間混練し、ついでダイを通して長さ２０ｃｍを有しかつ１辺２．５４ｃｍの四角形状断面を有するハネカム状モノリスの形態下に押し出した。このモノリスは、１９６（１４×１４）の孔路を有していた。孔路間の内壁の厚みは、０．５ｍｍであった。
【００３７】
このモノリスを、最大１１０℃までの調節された温度および湿度測定で乾燥させた。乾燥のサイクルは、２０時間続いた。
【００３８】
モノリスの各端部面で孔路を交互に閉塞するために、閉塞されるべきでない孔路をマスクで覆い隠した。端部面の各々において、モノリスを形成するのに用いたペーストと同じ組成のペーストを適用したが、発泡剤を用いないで、閉塞すべき孔路内に前記ペーストを深さ１ｃｍで浸透させた。
【００３９】
モノリスの焼成を、（２０℃／時で上昇する）漸進的な加熱により空気下に温度１４８０℃まで実施した。この温度を、５時間維持した。ついで放置して冷却させておいた。
【００４０】
最後に多孔度５１％と、密度１．５５と、非常に充分な圧縮抵抗とを有するハネカム状モノリスを得た。
【００４１】
細孔分布は、主として一箇所に占められるもの（ｍｏｎｏｐｏｐｕｌｅｅ）であり、４０μｍに集中した。