專利名稱：蜂窩型陶瓷過濾器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有蜂窩形狀的蜂窩型陶瓷過濾器。更詳細涉及一種蜂窩型陶瓷過濾器，使用這種過濾器雖然多少犧牲一些微顆粒等的捕集效率，但在由排氣孔抽出由于柴油發(fā)動機的油品燃燒所產(chǎn)生的灰分時，長期使用其壓力損失也不會大到預定值以上。
背景技術(shù)：
近年來，作為除去排放氣中微顆粒的裝置，使用多孔型的蜂窩陶瓷過濾器，該過濾器的結(jié)構(gòu)具有多個開口于排放氣流入側(cè)端面和排放氣的排出側(cè)端面的貫通孔，這些穿孔在兩個端面之間交錯地被封閉，由排放氣流入側(cè)端面流入的排放氣，被強制通過各個貫穿孔之間的間隔壁(具有許多細孔)，從而捕集和除去排放氣中的微顆粒。
在這樣的陶瓷過濾器中，鑒于在各個貫穿孔之間的間隔壁形成的細孔的氣孔徑等的程度和排放氣中微顆粒的粒徑之間的關(guān)系不同，而使捕集效率、壓力損失等性能不同，因此過去一直進行開發(fā)的是要得到對微顆粒(比如煤煙等)捕集效率高的產(chǎn)品。
但是，高捕集效率的過濾器，由于其氣孔徑小，由柴油發(fā)動機的燃料油燃燒所產(chǎn)生的灰分會聚集在過濾器的氣孔內(nèi)，由于長期使用，壓力損失會達到預定值以上而產(chǎn)生問題。在過濾器氣孔徑小的情況下，在捕集微顆粒(比如煤煙等)時的壓力損失加大，希望能夠?qū)⑵浣档汀?br> 可是，由于近年來對柴油發(fā)動機的改進，由發(fā)動機產(chǎn)生的煤煙等微顆粒比過去大幅度降低。因此，本發(fā)明人經(jīng)過銳意的研究發(fā)現(xiàn)，為了能通過未來排放氣標準的規(guī)定值，并沒有必要達到很高的捕集效率，為了防止由灰分向氣孔內(nèi)積蓄而引起的壓力損失的上升，增大氣孔的孔徑以便能夠使排放氣由間隔壁通過反而是重要的，由此實現(xiàn)了本發(fā)明。
因而，本發(fā)明的目的是提供一種蜂窩型陶瓷過濾器，使其維持預定的捕集效率，同時，在由氣孔抽出由柴油發(fā)動機由于油料燃燒而產(chǎn)生的灰分時，即使長期使用，其壓力損失也不會大到預定值以上。
發(fā)明的公開按照本發(fā)明，提供一種蜂窩型陶瓷過濾器，其特征在于，該蜂窩型陶瓷過濾器的平均氣孔徑X(μm)和間隔壁厚度W(μm)滿足以下的關(guān)系式10≥W/X在本發(fā)明的陶瓷過濾器中，上述過濾器的平均氣孔徑X(μm)和間隔壁厚度W(μm)優(yōu)選滿足7≥W/X≥3的關(guān)系式，上述過濾器的平均氣孔徑X(m)和間隔壁厚度W(m)更優(yōu)選滿足5≥W/X≥3的關(guān)系式。
在本發(fā)明的陶瓷過濾器中，其氣孔率優(yōu)選為55～75％，作為陶瓷，希望是以堇青石和/或碳化硅為主要成分的陶瓷。特別是在本發(fā)明的陶瓷過濾器中，在40～800℃的熱膨脹系數(shù)優(yōu)選為1.0×10-6/℃以下。本發(fā)明的陶瓷過濾器優(yōu)選具有蜂窩的形狀，其間隔壁的厚度W為350μm以下，蜂窩室的密度為250個室/in2以上。
實施本發(fā)明的最佳形態(tài)下面具體說明本發(fā)明的實施形態(tài)，但本發(fā)明不限于這些實施形態(tài)。
本發(fā)明是一種蜂窩型陶瓷過濾器，其結(jié)構(gòu)要控制其氣孔徑和間隔壁厚度，使得該過濾器的平均氣孔徑X(μm)和間隔壁厚度W(μm)滿足10≥W/X的關(guān)系式。
如上所述，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，為了防止由于在氣孔內(nèi)聚集灰分致使壓力損失升高，擴大氣孔徑使得達到排放氣能夠從間隔壁穿過的程度是很重要的。具體說來，本發(fā)明人對氣孔徑和間隔壁厚度之間的關(guān)系進行了銳意的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于氣孔徑相對于蜂窩結(jié)構(gòu)體的間隔壁厚度的比例大到預定值以上，多少會降低煤煙等微顆粒的捕集效率，但能夠降低捕集顆粒時的壓力損失，而且能夠由該氣孔抽出聚集在形成于間隔壁內(nèi)部的氣孔里的灰分，其結(jié)果是，即使長期使用其壓力損失也不會大到預定值以上，能夠得到其功能可長期穩(wěn)定的蜂窩型陶瓷過濾器。
在本發(fā)明中，在過濾器的平均氣孔徑X(μm)和間隔壁厚度X(μm)之間的關(guān)系W/X大于10的情況下，排放氣體難以穿過間隔壁，不能從氣孔中抽出聚集在該氣孔內(nèi)的灰分。
在本發(fā)明中，為了實現(xiàn)上述氣孔，平均氣孔徑X(μm)和間隔壁厚度W(μm)之間的關(guān)系優(yōu)選滿足7≥W/X≥3，5≥W/X≥3是更優(yōu)選的。
在本發(fā)明的蜂窩型陶瓷過濾器中，在達到上述本發(fā)明的目的方面，其平均氣孔徑X一般為20～70μm，優(yōu)選為30～70μm，而其間隔壁厚度W，優(yōu)選350μm以下，更優(yōu)選在200～300μm的范圍內(nèi)。
作為本發(fā)明陶瓷過濾器的主要成分沒有特別的限定，只要是陶瓷就可以使用各種類型，但優(yōu)選以堇青石和/或碳化硅作為主要成分。作為堇青石，無論是取向的、非取向的、α結(jié)晶的、β結(jié)晶的都是可以的。而作為碳化硅，α結(jié)晶的、β結(jié)晶的也都是可以的。
含有富鋁紅柱石、鋯石、鈦酸鋁、黏土粘接的碳化硅、氧化鋯、尖晶石、印度石、假藍寶石、剛玉、氧化鈦等其他成分的陶瓷也是可以的。
從減小壓力損失和捕集效率的觀點出發(fā)，氣孔率優(yōu)選為55～75％，特別優(yōu)選為60～70％。從提高在高溫時使用的耐熱沖擊性的觀點出發(fā)，在40～800℃的熱膨脹系數(shù)優(yōu)選1.0×10-6/℃以下，特別優(yōu)選0.8×10-6/℃以下。
本發(fā)明的陶瓷過濾器是蜂窩型的，通常具有的結(jié)構(gòu)是，開口于排放氣流入側(cè)的端面和排放氣排出側(cè)的端面的多個開口的貫穿孔，在兩個端面上交互地被封閉，但是對于蜂窩型過濾器的形狀沒有特別的限制，比如其端面的形狀是正圓形或橢圓形的圓柱體、端面形狀是三角形、四邊形等多角形的棱柱體、這些圓柱體、棱柱體的側(cè)面呈ㄑ字狀彎曲的形狀等都是可以的。對貫穿孔的形狀也沒有特別的限制，比如其斷面形狀是四邊形、八角形等多角形、正圓形、橢圓形等都是可以的。從排放氣的捕集性能出發(fā)，過濾器蜂窩室的密度優(yōu)選大于250個室/in2，特別優(yōu)選在300～400個室/in2的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的蜂窩型陶瓷過濾器可按照如下所述的方法制造。
首先，在使用堇青石化的原料作為過濾器原料的情況下，為了配合各個成分使得此堇青石化原料成為具有理論組成的堇青石結(jié)晶，有必要把硅石(SiO2)源成分以及高嶺土、滑石等氧化鎂(MgO)源成分、氧化鋁、氫氧化鋁等氧化鋁(Al2O3)成分進行配合。
作為氧化鋁(Al2O3)源成分，在雜質(zhì)少這一點上優(yōu)選氧化鋁或者氫氧化鋁當中的任何一種或者使用兩種，其中也優(yōu)選含有氫氧化鋁的物質(zhì)。
氧化鋁(Al2O3)源原料，在堇青石化原料中，優(yōu)選含有氫氧化鋁15～54質(zhì)量％，氧化鋁的含量為0～20質(zhì)量％是優(yōu)選的。
作為氧化鎂(MgO)源成分，可以舉出滑石、菱鎂礦等，其中優(yōu)選滑石?；瘍?yōu)選占堇青石化原料中的37～40質(zhì)量％，從熱膨脹系數(shù)低的觀點出發(fā)，滑石的粒徑優(yōu)選為5～40μm，更優(yōu)選為10～30μm。
在本發(fā)明中使用的滑石等氧化鎂(MgO)源成分，也可以含有Fe2O3、CaO、Na2O、K2O等作為雜質(zhì)。但是在氧化鎂(MgO)源成分中的Fe2O3含量優(yōu)選為0.1～2.5質(zhì)量％，如果含量在此范圍內(nèi)，既能夠降低熱膨脹系數(shù)，也能夠得到高的氣孔率。
從降低熱膨脹系數(shù)的觀點出發(fā)，在氧化鎂(MgO)源成分中CaO、Na2O、K2O的合計含量優(yōu)選在0.35質(zhì)量％以下。
在本發(fā)明中，作為過濾器的原料可以以碳化硅作為主要成分。所謂以碳化硅作為主要成分的情況，包括以碳化硅(SiC)為主要成分，也包括以碳化硅(SiC)和金屬硅(Si)作為主要成分兩種情況。
在制造本發(fā)明的過濾器時，可在以堇青石化原料和/或碳化硅作為主要成分的原料中，根據(jù)需要配合各種添加劑，作為添加劑可以舉出比如發(fā)泡樹脂、粘料、促進在液體介質(zhì)中分散的分散劑、為了形成氣孔的成孔材料等。
作為發(fā)泡樹脂，可以舉出比如丙烯酸系列的微膠囊等，作為粘料，可以舉出比如羥丙基甲基纖維素、甲基纖維素、羥乙基纖維素、羧甲基纖維素、聚乙烯醇等。作為分散劑，可以舉出比如乙二醇、糊精、脂肪酸皂、多元醇等。作為成孔劑，可以舉出比如石墨、小麥粉、淀粉、酚醛樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯等。
根據(jù)不同的目的，可以單獨使用一種或者組合使用兩種以上的這些添加劑。
在本發(fā)明中，可以使用上述的原料，在如下所示的制造工序中制造蜂窩型陶瓷過濾器。
首先，相對于100重量份的上述原料，加入3～5重量份粘料、3～40重量份成孔劑、0.5～2重量份分散劑和10～40重量份水，然后進行混煉成為具有可塑性的物質(zhì)。
然后，可用擠出成型法、注射成型法、模壓成型法和將陶瓷原料成型為圓柱狀后再形成貫穿孔的方法等，將此可塑性原料成型，其中從既容易連續(xù)成型，又能夠?qū)⒈热巛狼嗍Y(jié)晶取向產(chǎn)生低熱膨脹性的觀點出發(fā)，優(yōu)選用擠出成型法進行成型。
然后可用熱風干燥、微波干燥、感應(yīng)干燥、減壓干燥、真空干燥、冷凍干燥等方法將得到的成型體進行干燥，其中從整體迅速而均勻地干燥的觀點出發(fā)，優(yōu)選在將熱風干燥和微波干燥或者感應(yīng)干燥組合的干燥工序中進行干燥。
最后，干燥成型體的煅燒與干燥成型體的尺寸有關(guān)，但在堇青石化原料的情況下，通常在大氣的氣氛下，優(yōu)選在1,410～1,440℃的溫度下煅燒3～7小時。在以碳化硅作為主要成分的情況下，為了防止SiC的氧化，要在N2、Ar等非氧化性氣氛下進行煅燒。在用氮化硅等結(jié)合SiC的情況下，煅燒溫度就是氮化硅粉末的軟化溫度，優(yōu)選在1,550～2,000℃的溫度下進行煅燒。在用重結(jié)晶法使SiC粒子互相結(jié)合的情況下，在至少1,800℃以上的溫度下煅燒是有必要的。特別是在以SiC和Si作為主要成分的情況下，優(yōu)選在N2、Ar等非氧化性氣氛下，在1,400～1,800℃的溫度下進行煅燒。干燥工序和煅燒工序也可以連續(xù)地進行。
下面通過實施例具體說明本發(fā)明，但本發(fā)明不限于這些實施例。
1.評價方法對在如下所述的實施例1～13以及在比較例1～5中得到的蜂窩型陶瓷過濾器用如下所示的方法進行評價。
(1)平均氣孔徑用マイクロメリテイツクス公司制造的水銀壓入式孔隙計測定平均氣孔徑。
(2)氣孔率取堇青石的真比重為2.52g/cm3，由全部細孔的容積計算出氣孔率。在SiC的情況下，真比重取3.05g/cm3。
(3)捕集效率由煤煙發(fā)生器產(chǎn)生煤煙的排放氣，在尺寸為直徑φ144mm×152mm(長度)，具有如在表2中所示的平均氣孔徑X、間隔壁厚度W、氣孔率、蜂窩室密度以及熱膨脹系數(shù)的過濾器上通過2分鐘，用濾紙捕集通過過濾器以后的排放氣中所含的煤煙，測定煤煙的重量(W1)。同時，用濾紙捕集沒有通過過濾器的產(chǎn)生煤煙的排放氣，測定煤煙的重量(W2)。然后將得到的各個重量(W1)、(W2)代入如下所示的公式，求出捕集效率。
(W2-W1)/(W2)×100(4)捕集煤煙壓力損失評價使用尺寸為φ144mm×152mm(長度)的蜂窩型陶瓷過濾器，把內(nèi)徑φ130mm的環(huán)壓到蜂窩過濾器的前后，在實質(zhì)上內(nèi)徑φ130mm下進行。由煤煙發(fā)生器產(chǎn)生煤煙，在蜂窩過濾器上捕集到10g煤煙。在此狀態(tài)下通過2.27Nm3/min的空氣，測定過濾器前后的壓力差。
(實施例1～12)按照如表1所示的平均粒徑和配合比例，將主要原料和成孔材料混合，配制各種堇青石化原料。
然后相對于100g各種堇青石化原料，分別加入4g羥丙基甲基纖維素、0.5g月桂酸鉀皂和30g水，進行混煉形成可塑性，將該可塑性原料在真空捏合機上成型為圓柱狀的坯土，送入擠出成型機成型為蜂窩狀。
然后通過感應(yīng)干燥后、熱風干燥從而將得到的各種成型體徹底干燥，按照預定的尺寸切斷兩端面。
然后，用由同樣組成的堇青石化原料漿料，對這樣的蜂窩狀干燥體，在貫穿孔開口的兩個端面上相互交錯地封閉住貫穿孔。
最后，在1420℃下煅燒4小時，得到實施例1～12，比較例1～5的蜂窩型陶瓷過濾器，其尺寸為φ144mm×152mm(長度)。
(實施例13)使用在表1上所示的主要原料(SiC和Si)和成孔材料，用與實施例1～12相同的方法一直進行到干燥和封孔，在直到400℃的溫度下時在大氣壓氧化氣氛下，在400℃以上的溫度下時在大氣壓氬氣氣氛下，最高溫度1450℃下煅燒1小時，得到蜂窩型陶瓷過濾器的尺寸是φ144mm×152mm(長度)。
對實施例1～13以及比較例1～5的各自評價結(jié)果顯示在表2中。
表1

表中括弧內(nèi)的數(shù)字是原料的平均粒徑。
表2

產(chǎn)業(yè)上利用的可能性正如以上所說明的，用間隔壁厚度除以平均氣孔徑所得到的值是與捕集效率相關(guān)的，按照本發(fā)明，通過控制間隔壁厚度除以平均氣孔徑的值就能夠自由地控制捕集效率。由于認為煤煙的捕集效率和灰分的捕集效率相關(guān)，按照本發(fā)明就能夠提供蜂窩型陶瓷過濾器，在維持規(guī)定捕集效率的同時，即使長期使用由于灰分聚集所造成的壓力損失也不會大到預定值以上。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)基于條約19條(1)的說明書在權(quán)利要求的第一項中，明確地規(guī)定了蜂窩型陶瓷過濾器是以堇青石作為主要成分的，其熱膨脹系數(shù)小于0.8×10-6/℃，明確了和所引參考文獻的區(qū)別。
權(quán)利要求的第二項和第三項與原申請相同，不改變。
權(quán)利要求的第五項和第六項，伴隨著權(quán)利要求第一項的修改而刪除。
權(quán)利要求的第七項和第八項，隨著權(quán)利要求第五項和第六項的刪除而修改了從屬關(guān)系。
1.(修改后)蜂窩型陶瓷過濾器，其特征在于，所述蜂窩型陶瓷過濾器以堇青石作為主要成分，在40～800℃的熱膨脹系數(shù)為0.8×10-6/℃以下，而且所述過濾器的平均氣孔徑X(μm)和間隔壁厚度W(μm)滿足以下的關(guān)系10≥W/X。
2.如權(quán)利要求1的蜂窩型陶瓷過濾器，其中所述過濾器的平均氣孔徑X(μm)和間隔壁厚度W(μm)滿足以下的關(guān)系7≥W/X≥3。
3.如權(quán)利要求1的蜂窩型陶瓷過濾器，其中所述過濾器的平均氣孔徑X(μm)和間隔壁厚度W(μm)滿足以下的關(guān)系5≥W/X≥3。
4.如權(quán)利要求1～3中任何一項的蜂窩型陶瓷過濾器，其中氣孔率為55～75％。
5.(刪除)6.(刪除)7.(修改后)如權(quán)利要求1～3中任何一項的蜂窩型陶瓷過濾器，其中間隔壁厚度W為350μm以下。
8.(修改后)如權(quán)利要求1～3和7中任何一項的蜂窩型陶瓷過濾器，其中蜂窩室的密度為250個室/in2以上。
權(quán)利要求
1.蜂窩型陶瓷過濾器，其特征在于，所述過濾器的平均氣孔徑X(μm)和間隔壁厚度W(μm)滿足以下的關(guān)系10≥W/X。
2.如權(quán)利要求1的蜂窩型陶瓷過濾器，其中所述過濾器的平均氣孔徑X(μm)和間隔壁厚度W(μm)滿足以下的關(guān)系7≥W/X≥3。
3.如權(quán)利要求1的蜂窩型陶瓷過濾器，其中所述過濾器的平均氣孔徑X(μm)和間隔壁厚度W(μm)滿足以下的關(guān)系5≥W/X≥3。
4.如權(quán)利要求1～3中任何一項的蜂窩型陶瓷過濾器，其中氣孔率是55～75％。
5.如權(quán)利要求1～4中任何一項的蜂窩型陶瓷過濾器，其中的陶瓷以堇青石和/或碳化硅為主要成分。
6.如權(quán)利要求1～5中任何一項的蜂窩型陶瓷過濾器，其中在40～800℃下的熱膨脹系數(shù)為1.0×10-5/℃以下。
7.如權(quán)利要求1～6中任何一項的蜂窩型陶瓷過濾器，其中間隔壁厚度W為350μm以下。
8.如權(quán)利要求1～7中任何一項的蜂窩型陶瓷過濾器，其中蜂窩室的密度為250個室/in2以上。
全文摘要
一種蜂窩型陶瓷過濾器，該過濾器的平均氣孔徑X(μm)和間隔壁厚度W(μm)滿足10≥W/X的關(guān)系。使用這種過濾器，在維持規(guī)定捕集效率的同時，即使長期使用其壓力損失也不會大到預定值以上。
文檔編號C04B35/565GK1501831SQ0280787
公開日2004年6月2日 申請日期2002年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月4日
發(fā)明者野口康, 之, 西英明, 末信宏之 申請人:日本礙子株式會社