はじめに
自動車の排ガス浄化の分野では、ハニカムセラミックスは触媒担体として非常に重要です。この触媒担体と触媒（白金、ロジウム、パラジウムなどの貴金属など）を組み合わせて、すなわち排気ガス触媒浄化装置を作り、排気ガス浄化装置に搭載することにより、排気ガス中の有害成分（一酸化炭素CO、炭化水素HC、窒素酸化物NOxなど）を活性化して化学反応させ、無害な二酸化炭素、水、窒素に変化させ、有害な排気ガスを除去することができます。
コーディエライトハニカムセラミックスは、その良好な耐火性、低熱膨張率などの特性から、ディーゼル、ガソリン、天然ガスなどの排ガス浄化装置の中核部品となり、自動車の触媒担体と排ガス流路の役割を担っています。
触媒担体としてのコーディエライト・セラミックス（図1）には、次のような利点がある：
- ハニカム構造を持ち、large 比表面積が大きいため、触媒活性物質の付着・分散に適しており、触媒活性が大幅に向上する。
- 熱安定性が良い：自動車エンジンの排気温度は一般に250～800℃、あるいは800℃を超える。コーディエライトは高温下でも分解や相変化を起こさないため、触媒の活性と寿命が確保される。
- 熱膨張係数はsmall である。自動車のエンジンは頻繁に始動と停止を繰り返す。コーディエライトの熱膨張係数が低いことは、急冷と急熱を繰り返す作業環境において、浄化装置の長期的な破裂を防ぐのに有利であり、触媒の効果と排気パイプラインの安全性を確保するのに役立つ。
- コーディエライトセラミックスは比熱が低いのが特徴。エンジンはコールドスタート時にCOやHCが多く発生しやすい。担体としてのコーディエライトは比熱が低いため、触媒をより短時間で作動温度に到達させ、触媒の役割を果たさせることができる。
- 熱伝導率も適切である。コンテナ、large トラックなどのディーゼル車は、長距離・長時間の走行が必要な場合が多いため、触媒担体の熱伝導性と放熱性が非常に重要である。
測定条件
この応用例では、STA 449F3 同時熱分析装置を用いてコーディエライト試料の熱安定性と比熱容量を試験しました。この試料の熱膨張係数と熱伝導率も、DIL 402Classic 熱膨張計とLFA 467HT HyperFlash® 熱伝導率計を用いて特性評価しました。試験温度は室温からエンジン排気温度範囲である800℃までとした。
テスト結果と考察
熱安定性と比熱試験
STA測定の試験結果は以下の通りである。まず、熱重量(TGA)曲線(図2)から、試料は試験温度範囲で重量減少がないことがわかる。
DSC曲線（図3）から、試験温度範囲に明らかな吸収ピークや発熱ピークがないこと、すなわち分解や相変化が起きていないことがわかる。これは、このサンプルがエンジン排気温度範囲において良好な熱安定性を備えていることを示している。試験中、標準試料としてサファイアを用い、比熱法により試料の比熱容量を同時に求めることができた。図の結果から、試料の比熱容量は温度の上昇とともに増加し、50℃での比熱容量は0.729J/(g*K)、800℃での比熱容量は0.969J/(g*K)であることがわかる。従来のα-Al2O3セラミックス（50℃、800℃における比熱値はそれぞれ0.823J/(g*K)、1.237J/(g*K)）と比較すると、本試料の比熱は低い。比熱試験の有効性を確保するため、試験には190μlのAl2O3ライナー付きPtRhるつぼを使用した。
熱膨張係数試験
ダイラトメーター試験結果を図4に示す。コーディエライト試料は、室温から800℃までの温度範囲において、温度の上昇とともに収縮し、その後膨張し、ピーク温度は233.6℃であることがわかる。30℃～233.8℃の熱膨張係数（工学的膨張係数）は-0.6316E-06 1/Kである。30℃〜800℃の範囲における熱膨張係数は0.4138E-06 1/Kであり、試料の熱膨張係数がエンジン排気温度範囲において確かにsmall （α-Al2O3セラミックの25℃〜900℃の範囲における熱膨張係数は8.03E-06 1/K）であることを示している。試料の熱膨張係数がsmall であるため、試験には試料ホルダーと試料の両方が溶融シリカ製であったことは特筆に値する。
熱伝導率試験
LFAの試験結果（図5）は以下の通りである。LFAは試料の熱拡散率を直接測定することができます。試料の熱伝導率は、熱拡散率、密度、比熱容量を掛け合わせることで求めることができます。LFA試験の温度範囲は25℃～800℃、温度間隔は100Kで、各温度ポイントで3つの引火点を試験します。表の情報から、同じ温度点における3つの引火点の結果が非常に近いことがわかります。これは、この装置が良好な試験再現性を持っていることを示しています。下のトレンドグラフから、試料の熱拡散率と熱伝導率の両方が温度の上昇とともに低下していることがわかります。
結論
業界では、コーディエライト多孔質セラミックスは、粒子積層法、発泡法、押出成形法などの様々な方法で調製されている。異なる調製法や配合によって得られるコーディエライト・セラミックスの特性は、それぞれに長所と短所がある。
本研究では、コーディエライト試料の熱安定性、比熱、熱膨張特性、熱伝導率を評価するため、STA法、DIL法、LFA法を用いて試験を行った。
NETZSCH は、あらゆる種類の熱分析および物性試験装置を有しており、コージェライト製ハニカムセラミックスおよびその他の排ガス触媒担体セラミックスに関するあらゆる熱分析および試験ソリューションを提供することができます。