ペーストインプリンティングによる高容量の構造体及びモノリス

関連出願の相互参照 この出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、ペーストインプリンティングによる高容量の構造体及びモノリス(HIGH CAPACITY STRUCTURES AND MONOLITH VIA PASTE IMPRINTING)と題した2014年11月11日出願の米国仮特許出願第62/077,977号の優先権の利益を主張する。 この開示の様々な実施形態は一般に、複合材料を支持体上に被覆し、複数の支持体を一緒に積層して層状組立体又は構造体を形成することにより調製される、構造体及びモノリスに関する。複合材料はその中に活性物質、典型的には触媒又は吸着剤を有していてもよい。この技術は、ガス吸着、媒体分離、又は触媒プロセスのためのモノリスを調製するのに応用することができる。

多くのプロセス及びデバイスは、触媒層の支持体として機能するモノリス構造体に依存している。いくつかの方法がモノリス構造体を作るのに使用され、2つの主な方法はセラミック押出成形及び渦巻き形の箔である。モノリスは、セラミックを押出し成形して、モノリス構造体の本体を通るチャネルを有するセラミックモノリスを形成することにより作ることができる。モノリスは、支持体を形成するように渦巻き状にされた金属箔、特に波形金属箔、及びその後支持体上に被覆される触媒又は吸着剤から作ることもできる。この方法は多くの場合、支持体上の構造又はチャネルが小さくなりすぎる場合に生じる詰まり又は不十分な被覆の結果によって妨げられる。言い換えれば、モノリスの微細構造は、それを下回ると被覆物の塗布が非現実的になるようなサイズに達することがある。

さらに、多くのプロセスの有効性は、特に触媒反応又は吸着における、利用可能な表面積の量に比例する。モノリス中のチャネルのサイズが減少すると、反応性のための表面積が大きくなるが、被覆が非現実的となるまでにどれだけチャネルを小さくできるかということには限界がある。さらに、触媒/吸着剤の相当な量の表面積を必要とするプロセスは、典型的には反応器中の大きな圧力損失によって妨げられる。例えば、サイクル時間が極めて短い急速サイクルスイング吸着プロセスは、典型的には床内の圧力損失を低減するために(不規則充填床ではなく)構造化吸着剤床を必要とする。吸着剤を直線のチャネル状に並べることができる場合、これらのシステムにおける層流は理想的となり得る。直線のチャネル構造体(例えばモノリス)を吸着剤で被覆することは1つの選択肢であるが、チャネルのサイズが小さいために依然として困難である。

この開示の様々な実施形態は一般に、層状支持体及び支持体間の通路を有する構造体に関する。活性物質は層状支持体の中にあってもよい。構造体はモノリスであってもよく、触媒反応において、並びに圧力スイング吸着及び温度スイング吸着などのガス吸着プロセスを含めた吸着プロセスにおいて、使用できる。 この開示の実施形態は、層状被覆支持体及び隣接した層状被覆支持体間の通路を含む構造体であってもよい。各層状被覆支持体は、第1及び第2の面を有する支持体、並びに支持体の少なくとも第1の面上の複合材であってもよい。複合材は活性物質を含んでいてもよく、複合材の表面に形体を有していてもよい。構造体の通路は、層状構造体の第1の面上の被覆物中の形体を、隣接した層状構造の面と接触させることによって、形成することができる。複合材はバインダーを含んでいてもよい。 いくつかの実施形態において、支持体は金属基材であってもよい。支持体はシート、箔、又はメッシュであってもよい。支持体は複合材料で被覆されていてもよく、複合材料は活性物質を含んでいてもよい。活性物質は触媒であってもよく又は吸着剤であってもよい。いくつかの実施形態において、活性物質はゼオライトであってもよい。

いくつかの実施形態において、層状被覆支持体は、第2の面上に複合材をさらに含んでいてもよい。通路は、被覆支持体の第1の面上の被覆物中の形体を、隣接した支持体の第2の面上の複合材と接触させて、形成することができる。 この開示の実施形態は、モノリスである構造体を含んでいてもよい。モノリスはその構造体を通り抜ける小さい通路を有することができ、現在のモノリス技術よりも高いセル密度を有することが可能である。いくつかの実施形態において、モノリスのセル密度は少なくとも900cpsi、又は少なくとも1000cpsi、又は少なくとも1500cpsiとすることができる。一実施形態において、構造体の形体がチャネルである場合、チャネル間の距離は約900μm未満である。

この開示のいくつかの実施形態において、層状被覆支持体は別々の支持体であってもよく、通路は1つの支持体の第1の面を別の支持体の第2の面と接触させて形成される。いくつかの実施形態において、層状被覆支持体は渦巻き状に巻かれた1つの被覆支持体であってもよく、通路は、被覆支持体の第1の面を被覆支持体の第2の面と接触させて形成される。 この開示の実施形態は、層状被覆支持体及び隣接した層状被覆支持体間の通路を含む構造体であってもよく、各層状被覆支持体は、第1及び第2の面を有する支持体、並びに支持体の少なくとも第1の面上の複合材を含み、複合材は、活性物質、及び吸着剤と通路を流体連通させるための複合材を通り抜ける蛇行した経路を含み、複合材の表面にある形体を有する。複合材はバインダーをさらに含む。 いくつかの実施形態において、複合材はメソ多孔性を有する。メソ多孔性は、少なくとも約15%、又は少なくとも約20%であってもよい。 いくつかの実施形態において、複合材は活性物質の一部又はすべてを内包していてもよい。複合材は活性物質の少なくとも約15%、又は活性物質の少なくとも約20%を内包していてもよい。

この開示の実施形態は、構造体を調製するための方法を含む。この方法は、第1の面及び第2の面を有する支持体上でペーストを第1の面に被覆する工程と;ペースト中に形体を作る工程と;被覆支持体の第1の面上のペーストを第2の被覆支持体の面と接触させることにより第1の被覆支持体を第2の被覆支持体と共に積層して、内包される通路を形成する工程と;層状支持体を焼成して構造体を得る工程とを含む。 いくつかの実施形態において、支持体の面は、ペーストの薄層で被覆された支持体の第2の面であり、内包される通路は、第1の支持体の形体を含むペーストを第2の支持体の第2の面上のペーストの薄層へ接触させることにより形成される。形体は、インプリンティング、スタンピング、成形、ドラッギング(dragging)、又は3−Dプリンティングによってペースト中に作ることができる。ペースト層は、支持体の第2の面上に被覆されていてもよく、形体は第2の面上のペースト中に作ることができる。

いくつかの実施形態において、支持体は金属基材であってもよい。支持体はシート、箔、又はメッシュであってもよい。いくつかの実施形態において、ペーストは支持体上に被覆されていてもよい。ペーストはバインダー及び活性物質を含んでいてもよい。活性物質は触媒であってもよく又は吸着剤であってもよい。いくつかの実施形態において、活性物質はゼオライトであってもよい。 いくつかの実施形態において、積層工程は、被覆支持体を別の被覆支持体上に積層して被覆支持体の層を形成する工程であってもよい。いくつかの実施形態において、積層工程は、渦巻き状構造体の内部に内包された通路を形成するために、支持体の第1の面が支持体の第2の面と接触できるように1つ又は複数の被覆支持体を渦巻き状に巻くことを含んでいてもよい。

開示の例示的な実施形態による、構造体及び構造体の組立てを示す図である。

図2Aと図2Bは、開示の例示的な実施形態による、直線状の形体又はチャネルを有する被覆支持体を示す図である。

開示の例示的な実施形態による、階段状又はジグザグ状形体を有する別の被覆支持体を示す図である。

図4Aと図4Bは、開示の例示的な実施形態による、柱状物としての形体を有する別の被覆支持体を示す図である。

開示の例示的な実施形態による、支持体上に被覆し、形体をインプリンティングする方法を示す図である。

開示の例示的な実施形態による、構造体を形成するための層状被覆支持体の配列を示す図である。

開示の例示的な実施形態による、構造体を形成するための層状被覆支持体の別の配列を示す図である。

開示の例示的な実施形態による、コイル状構造を形成するための被覆支持体の渦巻き状の巻きを示す図である。

開示の例示的な実施形態による、層状被覆支持体を示す図である。

図10A〜図10Cは、開示の例示的な実施形態による、被覆支持体の3枚の画像を示す図である。

図11Aと図11Bは、開示の例示的な実施形態による、被覆支持体の断面図の画像を示す図である。

図12Aと図12Bは、開示の例示的な実施形態による、被覆支持体の画像を示す図である。

開示の例示的な実施形態による、渦巻き形構造体の画像を示す図である。

開示の例示的な実施形態による、構造体の別の画像を示す図である。

開示の好ましい実施形態が詳細に説明されるが、他の実施形態が考えられることを理解するべきである。したがって、開示がその範囲において、以下の説明に示される又は図面に示される部材の構造及び配置の詳細に限定されることを意図していない。開示は、他の実施形態が可能であり、様々な方法で実施又は実行することが可能である。また、好ましい実施形態の説明において、明確にするために特定の専門用語を用いることにする。

本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用される場合、単数形「a」、「an」、及び「the」は文脈上別途明確に指示されない限り複数の指示対称を含むことも注意しなければならない。 また、好ましい実施形態の説明において、明確にするために専門用語を用いることにする。各用語は当業者が理解するその最も広い意味を意図し、同様に機能して同様の目的を達成するあらゆる技術的等価物を含むことを意図している。

範囲は、本明細書において「約」又は「およそ」のある特定の値から及び/又は「約」又は「およそ」の別の特定の値までとして表してもよい。そのような範囲を表す場合、別の実施形態はある特定の値から及び/又は他の特定の値までを含む。 「含む(comprising)」又は「含む(comprises)」又は「含む(including)」とは、少なくとも指定される化合物、要素、粒子、又は工程が、組成物又は物品又は方法に存在するが、他のそのような化合物、材料、粒子、工程が指定されたものと同じ機能を有するとしても、他の化合物、材料、粒子、工程の存在を排除しないことを意味する。 1つ又は複数の工程を挙げることによって、さらなる工程又は明示的に特定されるそれらの工程間に介在する工程の存在が除外されないことも理解するべきである。同様に、デバイス又はシステムにおける1つ又は複数の部材を挙げることによって、さらなる部材又は明示的に特定されるそれらの部材間に介在する部材の存在が除外されないことも理解するべきである。

開示は、被覆支持体の層、及び層間の通路を含む構造体を含む。開示は、構造体中に通路を作るペーストの層の中の形体の設計を可能にする、構造体の調製方法、又は構築方法も含む。構造体は触媒及び吸着プロセスを含めた様々な技術に適用することができ、本明細書においてさらに述べられるように様々な形体を組み込むことができる。構造体の例はモノリスであり、これは様々なこれらの技術に適用できる。 開示の一態様は、構造体中又はモノリス中の複合材、及び複合材を製造するのに使用されるペーストである。下記でさらに述べるように、ペーストを支持体上に被覆させ、乾燥させ、任意選択的にさらに加工して複合材を製造することができる。ペーストは活性物質及び溶媒、並びに任意選択的にバインダーを含有していてもよい。乾燥プロセスによって、複合材が活性物質を含有することが可能である。複合材はバインダーをさらに含んでいてもよい。活性物質は典型的には吸着剤又は触媒であってもよい。1つより多くの活性物質が複合材に含まれていてもよく、1つより多くの活性物質が支持体の同じ区画に、構造体全体にわたって均一に塗布されていてもよい。あるいは、1つより多くの活性物質が支持体の異なる区域に、例えば支持体の異なる面上で複合材又はペーストなどで塗布されてもよい。複合材は残留溶媒を含有していてもよく、又は含有していなくてもよい。この開示におけるペースト及び複合材は高い担持量又は体積分率の活性物質を含有し、それによって従来の被覆技術を使用して実現することができない高容量モノリスを得ることができる。

いくつかの実施形態において、複合材又はペーストは活性物質を含んでいてもよい。活性物質は吸着剤又は触媒であってもよい。吸着剤に関しては、ガス分離又は媒体分離技術において適用可能な任意の吸着剤を使用できる。媒体分離は様々な産業において重要であり、限定はされないが、燃料、化学製品、石油化学製品、精製ガス、及び特殊製品の製造が挙げられる。「媒体」という用語は本明細書において便宜上使用され、一般には多くの流体、液体、ガス、溶液、懸濁液、粉末、ゲル、分散液、エマルション、蒸気、流動性物質、多相物質、又はそれらの組み合わせのことを指す。媒体は供給流を含んでいてもよい。媒体は複数の成分の混合物を含んでいてもよい。本明細書で使用する「複数」という用語は、1つより多くのことを指す。好ましくは本明細書において媒体はガスであり、吸着剤はガス分離技術に適用される。

媒体分離は、熱、圧力、固体、流体、又は他の手段によって補助され一般には分離しようとする成分の物理特性及び/又は化学特性の違いを利用する多くの方法によって、実現することができる。ガス分離は、部分液化によって、又はガス混合物のより吸着しにくい成分と比較してより容易に保持若しくは吸着される成分を優先的に保持若しくは吸着する吸着材を利用することによって、実現することができる。

圧力スイング吸着(PSA)及び温度スイング吸着(TSA)は、2つの商業的に実施されるガス分離プロセスである。TSAは、吸着材の床を使用して媒体の流れから1つ又は複数の成分を分離するプロセスを含み、次いで吸着剤床を再生することができ、それにより床の温度を上昇させることによって吸着された成分を放出する。PSAは同様に、1つ又は複数の主要な成分を媒体から分離するのに使用される材料の床を含むが、吸収剤床はシステムの圧力を変化させることによって再生させることができる。 TSA及びPSAプロセスは共に、媒体中の第2の成分又は他の成分と比較して、吸着材によって媒体の少なくとも1つの成分を優先的に吸着することを含んでいてもよい。圧力及び温度は共に媒体の成分の吸着担持量に影響を与える場合があるので、媒体から吸着された少なくとも1つの成分の総量(すなわち、吸着材の吸着容量)及び1つの成分が媒体の別の成分を上回って吸着される選択性は、特定の圧力及び温度条件下で吸着プロセスを操作することにより改善させることができる。吸着された成分はその後吸着材から脱着することが可能である。

吸着等温線は温度によって強く影響を受けるため、TSAにおいて成分の吸着及び脱着が生じる。したがって、吸着が強い場合は、低温で吸着させることによって媒体の高純度の成分を得ることができ、強く保持された成分の放出は脱着のための高温によって可能である。TSAプロセスでは、脱着のための熱は、高温の脱着剤媒体を床に通して流すことによって吸着材に直接的に、又は吸着材と密に結びついている、とりわけ加熱コイル、電気熱源、熱媒体、又は熱交換器を介して吸着材に間接的に、供給されてもよい。 圧力を増加させると媒体中のガスの吸着が増加するため、PSAにおいて成分の吸着及び脱着が生じる。異なるガスは異なる基材による異なる吸着係数を有する傾向があるので、ガスの混合物を高圧で床に通して混合物中のガスの少なくとも1つを選択的に吸着させることができる。いったん床がその容量の限界に達すると、圧力を低下させて吸着したガスを収集し吸着剤を再生させることができる。

PSA及びTSAプロセスは圧力又は温度のみである必要はない。TSAプロセスにおける圧力も吸着/脱着の間に変化させてもよく、PSAプロセスにおける温度も吸着/脱着の間に変化させてもよい。さらに、パージガス又は他の手段もPSA及び/又はTSAプロセスと併用してもよい。 TSA及びPSAプロセスの各々において、吸着剤の性質及び吸着剤を含有する構造体の性質は、吸着のタイプ、吸着の有効性及び効率と、プロセスにおけるガスの容量の両方に影響を与え得る。

この開示における吸着剤は、ガス分離又は除去プロセスにおけるガスの吸着に適した材料とすることができる。吸着剤は、圧力スイング吸着プロセス又は温度スイング吸着プロセスにおいて効果的な材料とすることができる。いくつかの実施形態において、吸着剤は、ガス流からCO₂を吸着する材料とすることができる。一実施形態において、吸着剤はゼオライト、金属酸化物、金属有機骨格、ゼオライト型イミダゾレート(zeolitic imidozolate)骨格、又は活性炭であってもよい。好ましくは、吸着剤はゼオライトであってもよい。ゼオライトは吸着プロセスで使用される任意のゼオライトであってもよく、限定はされないが、ゼオライトA、ゼオライトX、ゼオライトY、MFI、モルデナイト、シリカライト、チャバサイト、フォージャサイト、及びこれらの骨格の変種が挙げられる。

いくつかの実施形態において、複合材又はペースト中の活性物質は触媒であってもよい。触媒は、例えば触媒転化、異性化、重合、又は他の反応などの化学プロセスを含めた、触媒プロセスに適用可能な任意の物質であってもよい。この開示の複合材及びモノリス中の触媒は、現在の商業的/工業的重要性の多くを含む多様な有機化合物の転化プロセスを触媒するのに使用できる。単独の、又は他の結晶性触媒を含めた1つ若しくは複数の他の触媒活性物質と組み合わせた本発明の結晶性物質によって、効果的に触媒される化学転化プロセスの例としては、酸活性を有する触媒を必要とするものを挙げることができる。具体例としては、限定はされないが、以下を挙げることができる。 (a)約10℃〜約250℃の温度、約0psig〜約500psig(約3.5MPag)の圧力、約0.5時間^-1〜約100時間^-1の総質量空間速度(WHSV)、及び約0.1〜約50の芳香族/オレフィンモル比のうち1つ又は複数を任意選択的に含む反応条件による、気相中又は液相中での、短鎖(C₂−C₆)オレフィンを有する芳香族のアルキル化、例えば、ベンゼンを有するエチレン又はプロピレンをアルキル化してそれぞれエチルベンゼン又はクメンを得るプロセス; (b)約250℃〜約500℃の温度、約0psig〜500psig(約3.5MPag)の圧力、約0.5時間^-1〜約50時間^-1の総WHSV、及び約1〜約50の芳香族/オレフィンモル比のうち1つ又は複数を任意選択的に含む反応条件による、気相中又は液相中での、長鎖(C₁₀−C₂₀)オレフィンを有する芳香族のアルキル化; (c)約100℃〜約500℃の温度、約1psig(約7kPag)〜500psig(約3.5MPag)の圧力、及び約1時間^-1〜約10,000時間^-1のWHSVのうち1つ又は複数を任意選択的に含む反応条件による、気相中又は液相中での、芳香族のアルキル交換、例えば、ベンゼンを有するポリエチルベンゼン及び/又はポリイソプロピルベンゼンをアルキル交換してそれぞれエチルベンゼン及び/又はクメンを得るプロセス; (d)約200℃〜約760℃の温度、約1atm(0psig)〜約60atm(約5.9MPag)の圧力、約0.1時間^-1〜約20時間^-1のWHSV、及び約0(水素の添加なし)〜約50の水素/炭化水素モル比のうち1つ又は複数を任意選択的に含む反応条件による、アルキル芳香族の不均化、例えば、トルエンを不均化してキシレンを得るプロセス; (e)約200℃〜約760℃の温度、約1atm(0psig)〜約60atm(約5.9MPag)の圧力、約0.1時間^-1〜約20時間^-1のWHSV、及び約0(水素の添加なし)〜約50の水素対炭化水素モル比のうち1つ又は複数を任意選択的に含む反応条件による、アルキル芳香族の脱アルキル、例えば、エチルベンゼンの脱エチル; (f)約200℃〜約540℃の温度、約100kPaa〜約7MPaaの圧力、約0.1時間^-1〜約50時間^-1のWHSV、及び約0(水素の添加なし)〜約10の水素/炭化水素モル比のうち1つ又は複数を任意選択的に含む反応条件による、キシレンなどのアルキル芳香族の異性化; (g)約260℃〜約375℃の温度、約0psig〜約1000psig(約6.9MPag)の圧力、約0.5時間^-1〜約10時間^-1のWHSV、及び約0(水素の添加なし)〜約10の水素/炭化水素モル比のうち1つ又は複数を任意選択的に含む反応条件による、芳香族を有するパラフィンを反応させて、例えばアルキル芳香族及び軽ガスを得るプロセス; (h)約200℃〜約315℃の温度、約100psig(690kPag)〜約1000psig(約6.9MPag)の圧力、約0.5時間^-1〜約10時間^-1のWHSV、及び約0.5〜約10の水素対炭化水素モル比のうち1つ又は複数を任意選択的に含む反応条件による、分岐パラフィンを得るためのパラフィン異性化; (i)約−20℃〜約350℃の温度、約0psig〜約700psig(約4.9MPag)の圧力、及び約0.02時間^-1〜約10時間^-1の総オレフィンWHSVのうち1つ又は複数を任意選択的に含む反応条件による、イソブタンなどのイソパラフィンの、オレフィンを用いたアルキル化; (j)約200℃〜約450℃の温度、約0psig〜約1000psig(約6.9MPag)の圧力、約0.2時間^-1〜約10時間^-1のWHSV、及び約0.5〜約10の水素/炭化水素モル比のうち1つ又は複数を任意選択的に含む反応条件による、パラフィン系供給原料の脱ろう; (k)約300℃〜約700℃の温度、約0.1atm(約10kPag)〜約30atm(約3MPag)の圧力、及び約0.1時間^-1〜約20時間^-1のWHSVのうち1つ又は複数を任意選択的に含む反応条件による、炭化水素のクラッキング; (l)約250℃〜約750℃の温度、約30kPa〜約300kPaのオレフィン分圧、及び約0.5時間^-1〜約500時間^-1のWHSVのうち1つ又は複数を任意選択的に含む反応条件による、オレフィンの異性化;並びに (m)自動車の冷間始動排出ガスのための炭化水素トラップ(例えば、プレ触媒コンバーター吸着剤)。

いくつかの実施形態において、開示におけるペースト及び複合材はそれぞれバインダーをさらに含んでいてもよい。バインダーは、構造体を調製するのに適用可能な任意のバインダーであってもよい。一実施形態において、バインダーはアルミナ、無機及び有機ポリマー、シリカであってもよい。いくつかの実施形態において、ペーストはさらなる材料及び添加剤を含んでいてもよい。一実施形態において、ペーストはまた、ポリマー、特に後で加工及び焼成の間に除去できるセルロース系ポリマーを含んでいてもよい。加工中のポリマーの除去によって、多孔性複合材、すなわち細孔を含有する、具体的には複合材内部にメソ細孔を有する複合材を得ることができる。別の実施形態において、ケイ酸ナトリウムなどの無機添加剤が含まれていてもよい。複合材の焼成は、添加剤を結合剤として構造体中に一体化させることができる。

複合材及びペーストの他の態様は以下でさらに特徴づけられる。最初に説明した複合材及びペーストによって、モノリスの調製方法をさらに詳細に説明することができる。 支持体を被覆する工程と、支持体において形体を作る工程と、支持体を一緒に積層する工程と、支持体を乾燥させてモノリスを得る工程とを含む、モノリスの調製方法が開示される。一実施形態において、方法は、第1の面及び第2の面を有する支持体上で、支持体の第1の面をペーストで被覆する工程と、ペースト中に形体を作る工程と、被覆支持体の1つの面上のペーストを第2の被覆支持体の1つの面と接触させることにより第1の被覆支持体を第2の被覆支持体と積層して内包された通路を形成する工程と、層状支持体を乾燥させてモノリスを得る工程とを含んでいてもよい。

図1は、モノリスの調製方法の一般的な仕組み及び得られるモノリス自体を示す。支持体101をペースト102で被覆することができる。形体103をペースト102において作ることができる。図1では、形体103はペースト102を完全には除去していないが、この薄層は必ずしも必要ではない。支持体101がメッシュである例では、ペーストの一部を支持体内に埋め込むことができ、一方、箔状支持体は形体間に薄層を有していてもよい。次いで被覆支持体を互いの上に積層して、2枚の積層される被覆支持体を接触させることにより作られる通路104を有する構造体110を得ることができる。

一実施形態において、ペースト102の被覆は、支持体101の一方の面上のみ、又はペースト105において示されるように支持体の両面上であってもよい。いくつかの実施形態において、第2の面上のペーストは薄い被覆物であってもよい。他の実施形態において、ペーストはより厚い被覆物であってもよい。いくつかの実施形態において、ペースト105もまた被覆物において作られた形体を有していてもよい。一実施形態において、ペーストの被覆は支持体の第2の面上にもあってもよく、内包される通路は、第1の支持体の形体を有するペーストを第2の支持体の第2の面上のペーストに接触させることにより形成される。いくつかの実施形態において、例えば、ペーストの一部が支持体の反対面上へメッシュを通り抜けるようにペーストをメッシュ支持体の1つの面に塗布することによって、ペーストを1つの面上に塗布して両面上に被覆層を設けることを可能にする支持体を使用できる。 支持体を被覆する工程は、ペーストの支持体上への被覆において当業者に知られている任意の方法によるものであってもよい。一実施形態において、ペーストはナイフコーティング、ロールコーティング、浸漬塗工、又はスプレーコーティングによって塗布することができる。 ペーストにおいて作られる形体は、最終的なモノリスにおいて作られる通路の性質及び形状を決定し得る。形体は、ペーストにおいて作ることができる任意の形状であってもよい。一実施形態において、形体は支持体の表面におおよそ平行な方向でペーストを横切る溝であってもよい。溝は任意の溝を含んでいてもよく、直線状、非直線状、波状、正弦曲線形、ジグザグ状、又は階段状であってもよい。形体が溝である場合、溝の断面形状、すなわち支持体の表面と垂直な断面として見た場合の溝の形状も述べることができる。一般に、溝はペーストに施すことができる任意の形状であってもよく、正方形、三角形、若しくは谷形の断面形状、又は概ね放物線である形状が挙げられる。直線状の溝を表したものを図2Aに示し、その断面図を図2Bに示す。階段状の溝を図3に示す。

形体は溝である必要はないが、丘、台地、柱状物、円柱、マウンド、又は円錐などの他の構造を含んでいてもよい。非限定的な例において、ペーストにおいて作られる形体は、一定の間隔で配置された一連の柱状物であってもよく、その結果柱状物がグリッドのデザインを形成し、ペーストの柱状物の高さが周囲のペーストよりも高くなる。グリッドのパターンである一連の柱状物として形体を表したものを図4Aに示し、その断面図を図4Bに示す。柱状物の任意のグリッドパターンは複合材において作ることができる。

ペーストにおける形体の作成は、当業者に既知の任意の方法であってもよい。形体をペースト中にインプリンティングする、形体をペースト中にスタンピングする、ペーストを成形して形体を作る、ペースト中をドラッギングして形体を作る、又は形状を有するデバイスでペーストをローラにかけることによって、形体を作ることができる。例えば、図5に示すように、ペースト501を支持体502上に被覆し、次いで長手方向に支持体をまずローラ503に通して平坦化しペーストを広げ、次いで軸方向の形体を有するインプリンティングローラ504に通して所望のインプリンティングされた構造を作ることによって、形体を作ることができる。同様に、円周方向の形体を有するインプリンティングローラを、支持体を横切って横方向に転がすことができる。別の例において、ペーストを支持体に塗布し、次いでモールドをペーストに押し込み、取り出してペースト上にモールドの形体を作ることができる。メッシュ支持体による例において、メッシュを通してペーストを反対面上のモールド内に押し出して、ペースト中に形体を作ることができる。別の例において、支持体を組み込んだモールドにペーストを注入することによって形体を作ることができる。プレス機及び金型をスタンピングすることによって、又は3−Dプリンティング技術を使用して形体を中に有するペースト層を作ることによっても、形体を作ることができる。モールド又はスタンプを使用して、又は3−Dプリンティング術を使用して形体を作ることにより、ペーストに形体を作る能力は、したがって従来のモノリス技術によって到達することができない様々なレベルの複雑さを含む形状、パターン、及び構造を得る手段を提供する。

支持体を被覆し支持体中に形体を作る工程は、任意の順番で又は同時に行うことができる。支持体はモールドの一部の中に含まれてもよく又は3−Dプリンティング技術を使用して作られてもよいので、場合によっては同時に行うことができる。同様に、形体をまずペーストの中に作り、次いでペーストを支持体に塗布し、例えばペーストをモールド内に塗布し、次いで支持体をモールドのペースト中に積層することができる。

ペーストで支持体を被覆し支持体の中に形体を作る工程は、必ずしも別々の工程を表すものではなく、同時に、又は任意の順番で行うことができる。非限定的な一例において、ペーストを支持体に塗布し、一方で同時に、限定はされないが、例えば彫刻ローラを使用して(グラビアコーティングなどにより)、回転スクリーン印刷システムにおいて、又は支持体を含むモールド中にペーストを注入することなどによって、形体をペースト中にインプリンティングすることができる。別の実施形態において、ペーストを3−Dプリンターによって塗布することができ、これによりペースト及び形体を同時に作ることになる。さらに別の実施形態において、モールドを用いてまずペースト中に形体を作り、次いでモールド内にある間に又はモールドから取り出す間に支持体をペーストに付けることができる。 支持体をペーストで被覆しペースト中に形体を作った後、被覆支持体を一緒に積層して層状組立体を得ることができる。乾燥前の層状組立体はグリーンモノリス、未乾燥モノリス、未焼成モノリス、又はモノリス前駆体と呼んでもよい。一実施形態において、被覆支持体の積層は第1の被覆支持体を第2の被覆支持体と共に積層することであってもよい。第1の被覆支持体の形体を第2の被覆支持体と接触させて層の間に通路を形成することができる。形体が溝である場合、通路はチャネルであってもよく、方法は第1の被覆支持体上のペーストを第2の被覆支持体と接触させることによって、第1の被覆支持体を第2の被覆支持体と共に積層してチャネルを形成することを含んでいてもよい。

いくつかの実施形態において、積層工程は、支持体の第2の面もペーストの薄層で被覆されており、第1の支持体の溝を含むペーストを第2の支持体の第2の面上のペーストの薄層に接触させることにより通路が形成される、第1の被覆支持体を第2の被覆支持体と積層する工程をさらに含んでいてもよい。代替的実施形態において、積層工程は、支持体の第2の面がペーストの薄層で被覆されておらず、第1の支持体の溝を含むペーストを第2の支持体の被覆されていない第2の面に接触させることにより通路が形成される、第1の被覆支持体を第2の被覆支持体と共に積層する工程をさらに含んでいてもよい。 上記の積層工程は、第1の支持体の第1の面を第2の支持体の第2の面と接触させる、標準的な積層パターンで行うことができる。図6に概略的に表される、そのような標準的な積層パターンでは、第1の被覆支持体601の第1の面を第2の被覆支持体の602の第2の面と共に積層し、次いで第2の被覆支持体602の第1の面を第3の被覆支持体の第2の面と積層するなどして、構造603を得ることになる。

しかし、他の積層の順番も実施することができる。例えば、交互の積層パターンを作ることができる。図7に概略的に示される非限定的な例において、第1の被覆支持体701の第1の面、すなわち形体を有する面を、第2の被覆支持体702の第1の面(やはり形体を有する)と共に積層することができ、第2の被覆支持体702の第2の面を第3の被覆支持体の第2の面と共に積層し、次いで第3の被覆支持体の第1の面を第4の被覆支持体の第1の面と共に積層するなどして、形体(例えば図7のチャネル)が位置調整されている場合は構造体703が得られ、又は形体(例えば図7のチャネル)がずれている場合は構造体704が得られる。

いくつかの実施形態において、形体は支持体の第2の面上の被覆物中に作ることもでき、支持体の第1の面について述べた形体のいずれかを含む。次いで1つの支持体の形体を別の支持体の形体と組み合わせて、単独の被覆物では必ずしも作成可能ではない場合がある構造内に通路を作ることができる。非限定的な例において、第1の支持体の第1の面上の被覆物はその中に直線状のチャネルが作られる可能性があり、第2の支持体の第2の面上の被覆物はその中に直線状のチャネルが作られる可能性がある。各表面にある直線状のチャネルが互いに平行に走るように2つの支持体を一緒に積層することができる。あるいは、各表面にある直線状のチャネルが互いに垂直に走るように2つの支持体を一緒に積層することができる。同様に、2つの支持体上のチャネルを任意の角度0(平行)〜90度(垂直)でずらすことができる。

層状支持体を形成した後、層状組立体を乾燥させて乾燥組立体を得ることができる。次いで層状被覆支持体を一緒に固定するために乾燥組立体をさらに加工することができる。さらなる工程は、焼成、ろう付け、糊付け、又は固定組立体に支持体を固定するのに使用される他の方法であってもよい。一実施形態において、乾燥組立体は焼成することもできる。焼成工程を乾燥及び焼成の1つの工程として行うか、又は乾燥工程を別途行うことができる。さらなる乾燥後の処理又は改質は、焼成の工程前に任意選択的に行うことができる。乾燥工程は一般に120℃以上で行うことができる。焼成工程は一般に300℃を超える温度で行うことができる。非限定的な例において、層状組立体を約120℃で5時間乾燥させ、次いでクラッキングを防ぐために数時間かけてゆっくりと、例えば1〜2℃/分で温度を上昇させ、次いで組立体を400℃〜700℃で5時間焼成させてモノリスを得ることができる。

積層工程は、第1及び第2の被覆支持体を含んでいてもよい。一緒に積層されるそれらの被覆支持体は、2つの別々の支持体、例えば2枚の別々のシート又は箔などであってもよく、これらは図1に示すように別々に被覆され次いで一緒に積層される。したがって、一実施形態において、積層工程は被覆支持体の層を形成するために第1の被覆支持体を別の被覆支持体と共に積層することであってもよい。あるいは、被覆支持体は1つの長い被覆支持体801の一部であってもよく、積層は、被覆支持体を渦巻き形802に巻き取ることによって行ってもよく、これによって図8に概略的に示すように被覆支持体の第1の面が同じ被覆支持体の第2の面と接触する。次いで互いに接触している被覆支持体の区域を、完全な渦巻きを作るのに必要な距離で、例えばおよそ2πr(rは測定される点における渦巻きの半径である)で、支持体の長さに沿って直線的に分離する。したがって、一実施形態において、積層工程は、支持体の第1の面が支持体の第2の面に接触して渦巻き構造内に内包された通路を形成することができるように、渦巻き状に巻かれた1つの被覆支持体であってもよい。積層工程は、自身の上に折り畳まれた1つの支持体、又は蛇状に巻かれた1つの支持体も含んでいてもよい。さらに、1つより多くの支持体を一緒に積層し、次いで巻く又は折り畳むことができる。一実施形態において、2つの被覆支持体を一緒に積層し、次いで渦巻き状に巻くことができる。

いくつかの実施形態において、構造体の全体にわたって同じ複合材又はペーストを使用できる。しかし、ペーストの被覆は制御することができるので、様々な種類の複合材又はペーストを有する構造体を作ることができる。例えば、支持体の交互の面上の被覆物は異なる厚さであってもよい。支持体の交互の面上の被覆物は、各層において異なる活性物質を含んでいてもよい。支持体上に異なるペーストを各々が有する2つの支持体を、一緒に積層することができる。そのため構造体は1つより多くの複合材を構造体内に有していてもよく、1つより多くの活性物質を構造体に有していてもよい。 上記の構造体を作るための方法によって、開示の構造体も説明することができる。開示は、層状支持体と層状支持体の間の通路とを含むことができる構造体を提供する。層状被覆支持体は、第1の面及び第2の面を有する支持体と、少なくとも1つの面上の複合材とを含んでいてもよい。複合材はバインダー及び活性物質、好ましくは吸着剤又は触媒を含んでいてもよい。複合材は、複合材中に形体を有していてもよい。モノリスの通路は、被覆支持体の第1の面上の複合材の形体を隣接した被覆支持体の面と接触させて形成することができる。

一実施形態において、形体が溝である場合、得られる通路はチャネルである。そのため構造体の開示は、層状支持体及び層状支持体間のチャネル、第1の面及び第2の面を有する支持体を含む層状支持体、並びに少なくとも1つの面上の複合材であってもよく、複合材はバインダー及び活性物質を含んでいてもよい。複合材は複合材を横方向に走る溝を有していてもよい。構造体のチャネルは、被覆支持体の第1の面上の溝付き複合材を隣接した被覆支持体の面と接触させて形成することができる。

被覆支持体は、これらの構造体において構築及び操作に適した任意の支持体を含んでいてもよい。一実施形態において、支持体はシート、箔、メッシュ、又は波形材料であってもよい。一実施形態において、支持体はメッシュ又は波形材料であってもよい。メッシュ基材は、特に支持体として適している場合がある。複合材を形成するペーストで被覆されている場合に、メッシュは複合材に組み込まれて混合材料を得ることが可能であるため、メッシュは利点をもたらし得る。そのためメッシュを有する複合材は、鉄筋がいかにしてコンクリートを強化するかということと同様に、単独の複合材よりもむしろ強くなる場合がある。ペーストがメッシュを通して押し出されメッシュの反対面上にペーストの層を形成することが可能であり、これによってロール状にしてモノリス又は他の構造体とすることができるより可撓性の基材を得ることができるので、メッシュはやはり利点をもたらし得る。

支持体はまた、目的に適した任意の種類の材料で構成されていてもよい。一実施形態において、支持体は金属基材、繊維基材、又は織物基材であってもよく、好ましくは金属基材であってもよい。基材はまた、ワイヤ又は糸を含んでいてもよい。温度を容易に維持しない従来のセラミックモノリスとは異なり、金属は運転中に構造体によって得られる熱容量を増加させるため、金属基材は特に適している。支持体材料は熱伝導性及び/又は導電性であってもよく、金属基材による構造体の内部加熱(例えば電気抵抗加熱)を可能にする。シート、箔、又はメッシュを使用することにより、層状基材はより可撓性にもなることが可能であり、渦巻き形状及び他の非平面形状を形成することができる巻き加工又は曲げ加工、並びに積層組立体を形成するための単純な積層が可能になる。 被覆支持体は、支持体の少なくとも第1の面上に複合材を含んでいてもよい。被覆支持体はまた、少なくとも第2の面上に複合材を含んでいてもよい。一実施形態において、被覆支持体は、支持体の第1及び第2の面上に複合材を含んでいてもよい。被覆支持体は、第1又は第2の面上のいずれかの複合材中に、好ましくは少なくとも第1の面上の複合材中に形体を含んでいてもよい。

そのため構造体の通路は、支持体の1つの面上の形体を有する複合材を隣接した支持体の面と接触させて形成することができる。層状構造体の接触は、上記のような標準的な積層パターンでの接触であってもよい。非限定的な例において、第1の被覆支持体の第1の面は第2の被覆支持体の第2の面に接触し、次いで第2の被覆支持体の第1の面は第3の被覆支持体の第2の面に接触し、以下同様である。被覆支持体の接触は、他のパターンでの接触であってもよい。非限定的な例において、第1の被覆支持体の第1の面が第2の被覆支持体の第1の面に接触し、第2の被覆支持体の第2の面が第3の被覆支持体の第2の面に接触し、次いで第3の層状構造体の第1の面が第4の被覆支持体の第1の面に接触し、以下同様である、交互の積層パターンを作ることができる。 開示の形体及び通路は、多くの様々な形状及びパターンを含んでいてもよい。形体は溝と表現でき、溝から生じる通路はチャネルと表現できる。一例は直線状の溝であり、これは結果として従来のモノリス技術に類似した直線状チャネルを生じさせ得る。しかし、溝及びチャネルは直線状である必要はないが、形状を含むことができる。溝又はチャネルは非直線状、波状、正弦曲線状、ジグザグ状、又は階段状であってもよい。

複合材は、ペースト又は複合材中に作ることができる任意の形状を含んでいてもよい。乾燥して複合材を形成するペースト中にパターンを成形及び形成することができるため、任意の様々な形状がモノリス中に含まれることが可能である。形体は溝である必要はないが、丘、台地、柱状物、円柱、マウンド、又は円錐などの他の構造であってもよい。非限定的な例において、非限定的な例において、複合材は、一定の間隔で配置された一連の柱状物を有していてもよく、その結果柱状物がグリッドのデザインを形成し、複合材の柱状物の高さが周囲の複合材よりも高くなる。

形体が複合材又はペースト中に形成される場合、形体は複合材の全体にわたって連続的にパターン形成される必要はないが、代わりに様々な流動形状を有するモノリスを作るように設計されてもよい。例えば、接触して配置された場合に特定の流動パターンをもたらす、面内に作られた相補的チャネルを有する2つの被覆支持体を作ることができる。さらに、形体は構造体を通る明確な流路を提供する必要はない。図9に示される非限定的な例において、構造体901は壁903を終点とする通路902を含んでいてもよい。壁903は、セラミックろ過デバイスとして又は活性物質を通る短い経路として機能することができる多孔性基材であってもよい。構造体901は、チャネル及び壁を支持体上のペースト中に成形又は作成し、従来の積層方法に従って支持体を積層することによって作ることができる。あるいは、構造体901を作るように対面させて一緒に積層した2つの被覆支持体904及び905を調製することによって、構造体901を作ることができる。

2つの層が互いに接触している場合、それらの2つの層の支持体間の距離は複合材によって埋められている。一実施形態において、モノリスは、2つの隣接した支持体間の距離として測定されモノリスに関して平均される、層間の平均距離を有していてもよい。一実施形態において、平均距離は少なくとも約100〜2000μmであってもよい。いくつかの実施形態において、距離は約1000〜2000μmであってもよい。他の実施形態において、距離は約100〜1000μm、約200〜800μm、約300〜600μm、又は約400〜500μmであってもよい。距離は100μmを超えていてもよく、200μmを超えていてもよく、又は300μmを超えていてもよい。距離は1000μm未満、800μm未満、700μm未満、又は600μm未満であってもよい。

この開示の方法及び構造体は、モノリスを製造するための2つの主な経路(すなわちセラミック押出成形又は渦巻き箔)を上回る多くの潜在的な利点をもたらし、2つの経路は共にほとんどの場合で被覆工程を必要とする。セラミックの押出成形はダイを必要とし、セラミックが押出しされるときにダイの形体がチャネルを形作る。非常に小さいチャネルのためのダイの製造、及びそのようなダイの可使時間は、ある種の限界を示す。さらに、セラミックが小さい形体のダイから押出しされる場合、得られる押出し構造体の薄い壁は薄くて弱く、したがって崩落及び変形しやすい。また、純粋に活性物質からできているモノリスの押出成形は可能であるが、これらは多くの場合適度な機械的強度に欠けている。高いセル密度のモノリスのウォッシュコーティングは困難であり、900cpsi超の密度ではほとんど実施されない。

より大きい粒子が使用される又はより厚い被覆物が望ましい場合、いくつかのさらなる問題が生じる。例えばチャネルはチャネルに架橋する大きい粒子に起因して、より大きい粒子によって塞がれる場合がある。チャネルはまた、厚い被覆物に必要な複数の被覆工程及び効果的又は完全な被覆を制限する毛管力に起因して塞がれる場合もある。 この開示は、吸着剤ペースト中に形体を使用して通路を所望の厚さ及び形状にすることによって、これらの問題に対処する。これらは適切な鋳型/モールドの選択によって制御できる。被覆モノリスと比較してより少ない材料しか必要とされないので、これは単位体積当たりのより高密度の活性物質を可能にする。この開示は、活性物質への拡散が制約となる、比較的低い圧力損失が必要とされる、又は吸着剤のより高い充填密度が有益である、触媒/吸着剤プロセスに応用されることが可能である。直線状チャネルなどを有し、層流条件下で作動する、モノリスを含めた開示による構造体を作ることもできる。しかし、乱流に類似した条件を作り出すために層流を分断させる構造体を設計することもできる。

小さいチャネルの形成後に被覆工程が必要とされず、プロセスが粒径の影響をそれほど受けないので、この開示は従来のモノリスによる問題を克服する。さらに、支持体が構造体の一部であるため、インプリンティングされた形体は構造体全体の質量を支えていない。そのため押出し構造体とは異なり、インプリンティングされた被覆支持体は、また湿っており形状適合性である場合に変形しない。インプリンティングされた支持体は湿った状態で半巻き加工する又は完全に巻き加工することができ、これにより乾燥したシートが巻き加工時に受ける応力の量を低減することができる。最終的に、インプリンティングは、押出しモノリスにおいて現在利用できる直線状チャネルに勝る、表面における多くの形体を可能にする。例えば、チャネルの形状は、例えば波状チャネルを得るように再設計できる。さらに、例えば台地、柱状物、円柱、マウンド、又は円錐などの、非チャネル形体を代わりに選択でき、これは従来の押出しモノリス又はコイル状モノリスでは得られない新しいデザインを可能にする。

ペースト中に構築できる形体及び複合材において設計できる通路に起因して、開示される構造体及びモノリスは現在のモノリス技術よりも高いセル密度を実現できる。モノリスのセル密度は少なくとも約900cpsi、又は少なくとも約1000cpsiであってもよい。一実施形態において、セル密度は少なくとも約1200cpsi、少なくとも約1500cpsi、又は少なくとも約2000cpsiであってもよい。いくつかの実施形態において、セル密度は少なくとも約2500cpsi、少なくとも約3000cpsi、少なくとも約3500cpsi、少なくとも約4000cpsi、少なくとも約4500cpsi、又は少なくとも約5000cpsiであってもよい。しかし、開示ははるかに高い容量及び向上したセル密度を得ることを可能にするが、開示はそれらのより小さい形体のみに限定されない。約100〜900cpsiの密度を含めた、よりセル密度が低いモノリスを作ることができる。

構造体中の通路がチャネルである場合、構造体はチャネル間の距離に基づいて説明することもできる。現在の押出しモノリスは、ダイのサイズ及び押出し材料の要件によって限定され、被覆溶液をチャネルに通す能力によって限定され得る。この開示はこれらの構造の問題又は毛管現象の問題によって限定されない。チャネル間の距離が約900μm未満である、構造体中のチャネルを作ることができる。チャネル間の距離は少なくとも約800μm、少なくとも約700μm、少なくとも約600μm、又は少なくとも約500μmであってもよい。チャネル間の距離はまた、50μmを超えてもよく、75μmを超えてもよく、又は約100μmを超えてもよい。チャネル間の距離は約50〜900μm、約50〜800μm、又は約50〜約700μmであってもよい。チャネル間の距離は約100μm〜約900μm、約100μm〜約800μm、又は約100μm〜約700μmであってもよい。開示はより小さいチャネルサイズを得ることを可能にするが、開示はそれらのより小さいチャネルのみに限定されず、モノリスは約900μm〜2000μmの距離で作ることができる。

上記のように、複合材は活性物質を含んでいてもよい。複合材はバインダーをさらに含んでいてもよい。複合材は複合材全体にわたって活性物質を有していてもよい。複合材は1つより多くの活性物質を有していてもよい。材料がモノリスの外表面上のみに被覆されている典型的なモノリスとは異なり、活性物質は複合材の表面にある必要はない。活性物質の一部の量が複合材の中に内包されてもよく、これは複合材の表面で直接露出していない活性物質の量を意味する。一実施形態において、少なくとも活性物質の約5%が層状構造体の複合材の中に内包されていてもよい。層状構造体の複合材の中に内包されている活性物質の量は、少なくとも約10%、少なくとも約15%、又は少なくとも約20%であってもよい。複合材の中に内包される活性物質の量は、活性物質の約100%までであってもよい。

しかし、複合材の中に内包されるにもかかわらず、活性物質は、複合材の中に内包されていても構造体中の通路と流体連通することができる。ペースト及びプロセス条件は、本明細書においてメソ多孔性と呼ばれ、複合材の中の活性物質が通路と相互作用するのを可能し得る、多孔性を有する複合材を設計するように選択することができる。複合材におけるメソ多孔性の性質は、複合材の中に蛇行した経路を提供する。その結果として、活性物質は構造体の通路と流体連通していてもよい。複合材は少なくとも約10%、少なくとも約15%、又は少なくとも約20%のメソ多孔性を有していてもよい。メソ多孔性は、約90%まで、約85%まで、又は約80%までであってもよい。多孔性は約15〜85%、又は約20〜80%であってもよい。したがって、一実施形態において、複合材は多孔性、例えばメソ多孔性であってもよく、複合材を通る蛇行した経路を有する。一実施形態において、複合材は、バインダー、活性物質、及びメソ細孔を複合材の中に含んでいてもよい。一実施形態において、複合材は、バインダー、活性物質、及び吸着剤を通路と流体連通させるための複合材を通る蛇行した経路を含んでいてもよい。

複合材はその構造体の中に活性物質を含むので、構造体中の活性物質の量は、活性物質が構造体の表面上のみに被覆されていた従来のモノリスよりも高くてもよい。この増加は、この開示における活性物質のより高い担持量をもたらし、ひいてはより高い容量のモノリスをもたらす。構造体中に担持される活性物質の量は、ペーストの質量当たりの活性物質の質量として表すことができ、範囲はペースト中の10〜60%w/w、例えば少なくとも約15%、少なくとも約20%、少なくとも約25%、少なくとも約33%、少なくとも約40%、又は少なくとも約50%の活性物質であってもよい。構造体中に担持される活性物質の量は、複合材の質量当たりの活性物質の質量として表すことができ、範囲は複合材中の20から100%w/wまでの活性物質であってもよく、少なくとも約25%、少なくとも約33%、少なくとも約40%、少なくとも約50%、少なくとも約66%、又は少なくとも約75%を含める。

本明細書で開示される実施形態及び特許請求の範囲は、それらの応用において、説明に記載され図面に示される部材の構造及び配置の詳細に限定されないことを理解するべきである。むしろ、説明及び図面は想定される実施形態の例を示す。本明細書で開示される実施形態及び特許請求の範囲は、さらに他の実施形態が可能であり、様々な方法で実施及び実行することが可能である。また、本明細書において採用される表現及び専門用語は説明を目的とするものであり、特許請求の範囲を限定するものとみなすべきではないことを理解するべきである。 したがって、この出願及び特許請求の範囲が基づいている概念が、この出願に示される実施形態及び特許請求の範囲のいくつかの目的を実行するための他の構造体のデザイン、方法、及びシステムの基礎として容易に利用できることを、当業者は理解することになる。したがって、特許請求の範囲がそのような等価の構造物を含むとみなすことが重要である。

(例1) 被覆方法を示す。平坦なステンレス鋼箔(316 SS)を10%漂白溶液で洗浄し、空気中で500℃にて4時間焼成した。焼成後、ジルコニウム系下塗り(80質量%のAremco Ceramabond 685−N、20質量%のH₂O)の薄い被覆物(1〜2um)をスプレーコーティングにより箔の表面に塗布した。試料を空気中で250°Fまで4時間加熱することによって、下塗りを硬化させた。次いで箔を平坦に保ち、ペーストの薄層を表面に塗布した。ペーストは、ゼオライト、コロイダルシリカバインダー、ケイ酸ナトリウム、水、及びメチルセルロースポリマーを含有するものであった。ペーストを短時間硬化させた(非常にわずかな乾燥)。次いで1枚の波形SS箔を剥離剤(例えばWD40)で処理し、その後ペーストの薄層に押し込んだ。次いで波形箔をペーストから取り除き、波形箔の逆の形体を残した。空気乾燥後、インプリンティングされた構造体を400℃で4時間焼成した。 最終的な層状構造体を図10A、10B、及び10Cに示す。構造体をポリマー樹脂中に包埋して、図11A及び11Bに示す構造体の断面の像を得た(画像中の気泡は断面像を得るために使用したポリマー樹脂に由来する)。

(例2) 被覆方法を示す。波形SS箔を表面上に平坦に置き、剥離剤(例えばWD40)で処理した。次に、例1の平坦な箔と同じ前処理による、酸化及び下塗りした1枚のメッシュを波形箔の上に直接置いた。実施例1のペーストがメッシュに押し通され(スクリーン印刷と同様)、ペーストは下層の箔の波形構造体を満たし、一方で同時にメッシュを被覆した。乾燥すると、メッシュが波形箔(「モールド」)から持ち上げられ、インプリンティングされた形体がメッシュ上に残る。この一体化したセラミック/金属構造体は、巻き加工してモノリス(図12A)とするのに必要な程度まで曲げ加工することができる。さらに、セラミックは完全にメッシュに組み込まれ、埋め込まれたときにメッシュを包み込んでいるのが見られ、図12Bの断面像で見られる。縮尺の目的において、断面像のドットは40μmの直径を有するメッシュのワイヤである。

(例3) 構造体の構築の例を示す。実施例2の構造体を6”×60”の寸法で製造した。次いでこれを700℃で4時間焼成した。被覆した箔の先端を1/2”直径の軸に仮溶接した。この軸は両端にネジ穴を有するのでこれを巻取り装置に取り付けることができる。基材の成形された形体を下向きにさせ、平坦な面を上向きにさせるように、箔及び軸を巻取り装置に取り付けた。基材を張った状態に保つために張力をかけた。次いで基材を水で飽和させ、そのためその後のペーストは露出した平坦な面に塗布された場合に迅速に乾燥しないことになる。箔が軸のまわりに巻かれる際に、実施例2による同じ組成のペーストの薄層を箔の露出した面に塗布した。次いで得られる構造体を空気中で10時間乾燥させ、次いでオーブン中でゆっくり加熱して200°Fまで5時間かけて上昇させた。最後に、構造体を700℃で4時間焼成した。渦巻き構造体の像を図13に示す。 図14は、2つの支持体を貼り合わせるために複合材の薄層を使用することができる、別の構造体を示す。 実施形態 さらに又は代わりに、開示は以下の実施形態の1つ又は複数を含んでいてもよい。

実施形態1:層状被覆支持体と隣接した層状被覆支持体の間の通路とを含む構造体であって、各層状被覆支持体が、第1及び第2の面を有する支持体と、支持体の少なくとも第1の面上の複合材とを含み、複合材が活性物質を含み、複合材の表面に形体を有し;通路が、層状構造体の第1の面上の被覆物中の形体を隣接した層状構造体の面と接触させて形成される、構造体。複合材はバインダーをさらに含んでいてもよい。 実施形態2:層状被覆支持体と隣接した層状被覆支持体の間のチャネルとを含むモノリスであって、各層状被覆支持体が、第1及び第2の面を有する支持体と、支持体の少なくとも第1の面上の複合材とを含み、複合材が活性物質を含み、複合材の表面に溝を有し;チャネルが、層状構造体の第1の面上の被覆物中の溝を隣接した層状構造体の面と接触させて形成される、モノリス。複合材はバインダーをさらに含んでいてもよい。

実施形態3:構造体又はモノリスを調製する方法であって、第1の面及び第2の面を有する支持体上でペーストを第1の面に被覆する工程と;ペースト中に形体を作る工程と;被覆支持体の第1の面上のペーストを第2の被覆支持体の面と接触させることにより第1の被覆支持体を第2の被覆支持体と共に積層して、内包される通路を形成する工程と;層状支持体を焼成して構造体又はモノリスを得る工程とを含む、方法。 実施形態4. 支持体が金属基材を含む、又は支持体がシート、箔、又はメッシュを含む、前記の実施形態の1つの構造体、モノリス、又は方法。

実施形態5. 活性物質が触媒若しくは吸着剤を含む、又は活性物質がゼオライトを含む、前記の実施形態の1つの構造体、モノリス、又は方法。 実施形態6. モノリスのセル密度が少なくとも900cpsi、又は少なくとも1000cpsi、又は少なくとも1500cpsiである、又は形体がチャネルであり、チャネル間の距離が約900μm未満、又は約800μm未満、又は約700μm未満、又は約600μm未満、又は約500μm未満である、前記の実施形態の1つの構造体、モノリス、又は方法。 実施形態7. 層状被覆支持体が第2の面上に複合材又はペーストを含む、又は通路が、被覆支持体の第1の面上の被覆物中の形体を、隣接した支持体の第2の面上の複合材又はペーストと接触させて形成される、前記の実施形態の1つの構造体、モノリス、又は方法。 実施形態8. 層状被覆支持体が別の支持体を含み、通路は1つの支持体の第1の面を別の支持体の第2の面と接触させて形成される、前記の実施形態の1つの構造体、モノリス、又は方法。

実施形態9. 層状被覆支持体が、一緒に積層され渦巻き状に巻かれた1つ又は複数の被覆支持体を含み、通路が被覆支持体の第1の面を被覆支持体の第2の面と接触させて形成される、前記の実施形態の1つの構造体、モノリス、又は方法。 実施形態10. ペースト層が支持体の第2の面上に被覆され、形体が第2の面上のペースト中に作られる、前記の実施形態の1つの構造体、モノリス、又は方法。 実施形態11. インプリンティング、スタンピング、成形、ドラッギング、又は3−Dプリンティングを行ってペースト中に形体を形成し、続いて乾燥及び/又は焼成して複合材中に形体を作ることによって、被覆物又は複合材中の形体を作ることができる、前記の実施形態の1つの構造体、モノリス、又は方法。

実施形態12. 吸着剤を通路と流体連通させるための複合材を通る蛇行した経路を有する、前記の実施形態の1つの構造体、モノリス、又は方法。複合材は、少なくとも約10%、少なくとも約15%、又は少なくとも約20%、及び約90%まで、約85%まで、又は約80%までの多孔性を有していてもよい。 実施形態13. 活性物質が複合材中に少なくとも約5%、少なくとも約10%、少なくとも約15%、又は少なくとも約20%で内包される、前記の実施形態の1つの構造体、モノリス、又は方法。

本明細書で開示される実施形態及び特許請求の範囲は、それらの応用において、説明に記載され図面に示される部材の構造及び配置の詳細に限定されないことを理解するべきである。むしろ、説明及び図面は想定される実施形態の例を示す。本明細書で開示される実施形態及び特許請求の範囲は、さらに他の実施形態が可能であり、様々な方法で実施及び実行することが可能である。また、本明細書において採用される表現及び専門用語は説明を目的とするものであり、特許請求の範囲を限定するものとみなすべきではないことを理解するべきである。

したがって、この出願及び特許請求の範囲が基づいている概念が、この出願に示される実施形態及び特許請求の範囲のいくつかの目的を実行するための他の構造体のデザイン、方法、及びシステムの基礎として容易に利用できることを、当業者は理解することになる。したがって、特許請求の範囲がそのような等価の構造物を含むとみなすことが重要である。