JP2016011638A - 保持材、その製造方法及びそれを用いた気体処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】加熱による面圧低下の少ない保持材とその製造方法並びにその保持材を用いた気体処理装置を提供する。【解決手段】アルミナ６０重量％以上とシリカ４０重量％以下からなるアルミナ繊維を含む第１のマット３Ａと、前記第１のマットより充填密度０．３０ｇ／ｃｍ３における面圧が高い、シリカ６０重量％以上とアルミナ４０重量％以下からなるシリカ繊維を含む第２のマット３Ｂを、積層した保持材３。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車等の排気ガス浄化用気体処理装置に用いられる処理構造体の保持材に関する。
自動車等の車両には、そのエンジンの排気ガス中に含まれる一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物等の有害成分を除去するために、排気ガス浄化用気体処理装置が積載されている。このような気体処理装置は、一般に、筒状に形成された触媒担持体等の処理構造体と、処理構造体を収容する金属製のケーシングと、処理構造体に装着されて処理構造体とケーシングとの間隙に介装される保持材とから構成されている。
処理構造体とケーシングとの間隙に介装される保持材には、自動車の走行中に振動等によって処理構造体がケーシングに衝突して破損しないように処理構造体を安全に保持する機能と、処理構造体とケーシングとの間隙から未浄化の排気ガスが漏れないようにシールする機能とを兼ね備えることが求められる。処理構造体を安全に保持するためには、所定の面圧で、処理構造体を保持する必要があるが、加熱に伴う圧縮を繰り返し受けることにより、面圧が低下する問題があった。
従来では、アルミナ繊維やシリカ繊維等のセラミック繊維を所定厚でマット状に集成した保持材が主流であった。さらに、機能付加を目的として、異なる２種類のマットを組み合わせることが提案されている。例えば、特許文献１では、巻き付け性を向上させるために、長さの異なるマットを組み合わせることを、特許文献２では、耐熱性を高めるために耐熱性の異なるマットを組み合わせることを、特許文献３では、安全性を高めるために、生体溶解性繊維からなるマットと非吸入繊維とからなるマットを組み合わせることを示している。
特開２００９−５３９０３１号公報 特開２００３−２８６８３７号公報 特開２０１３−５０６０７６号公報
本発明の目的は、加熱による面圧低下の少ない保持材とその製造方法並びにその保持材を用いた気体処理装置を提供することである。
本発明者らは、鋭意研究の結果、保持材を、アルミナ繊維からなる第１のマットと、第１のマットより面圧の高い、シリカ繊維からなる第２のマットの積層構成とすると、面圧の低下を抑制できることを見い出し、本発明を完成させた。
本発明によれば、以下の気体処理装置用保持材等が提供される。
１．アルミナ６０重量％以上とシリカ４０重量％以下からなるアルミナ繊維を含む第１のマットと、
前記第１のマットより充填密度０．３０ｇ／ｃｍ３における面圧が高い、シリカ６０重量％以上とアルミナ４０重量％以下からなるシリカ繊維を含む第２のマットを、積層した保持材。
２．前記第１のマット及び／又は第２のマットは、さらに有機バインダーを１〜２０重量％含む１記載の保持材。
３．前記保持材の厚さが、６ｍｍ〜２０ｍｍの範囲にある１又は２記載の保持材。
４．前記第１のマットが内側で、前記第２のマットを外側にした円筒状積層体である１〜３のいずれか記載の保持材。
５．気体処理装置に用いるための１〜４のいずれか記載の保持材。
６．アルミナ６０重量％以上とシリカ４０重量％以下からなるアルミナ繊維から第１のマットを作製し、
前記第１のマットより面圧が高い、シリカ６０重量％以上とアルミナ４０重量％以下からなるシリカ繊維から第２のマットを作製し、
前記第１のマットと前記第２のマットを積層して接合する保持材の製造方法。
７．筒状に形成された処理構造体と、
前記処理構造体を収容するケーシングと、
前記処理構造体と前記ケーシングとの間隙に介装される１〜５のいずれか記載の保持材とを具備し、
前記保持材の第１のマットが、前記処理構造体に接触する側にある
気体処理装置。
８．前記処理構造体が、触媒担持体又は排ガスフィルタである７記載の気体処理装置。
本発明によれば、加熱による面圧低下の少ない保持材とその製造方法並びにその保持材を用いた気体処理装置が提供できる。
本発明に係る一実施形態の保持材を装着した気体処理装置を示す断面図である。 評価例１で用いた熱間面圧試験機を示す斜視図である。 実施例１及び比較例１，２で得られた保持材について熱間面圧を測定した結果を示すグラフ図である。
以下、本発明に係る保持材について詳細に説明する。
図１は、本発明の保持材を装着した気体処理装置の一実施形態を模式的に示す断面図である。図示される気体処理装置１０は、筒状に形成された処理構造体１と、処理構造体１を収容するケーシング２と、処理構造体１に装着されて処理構造体１とケーシング２との間隙に介装された保持材３とから構成されている。そして、本発明に係る保持材３は、アルミナ繊維マット３Ａ（第１のマット）とシリカ繊維マット３Ｂ（第２のマット）とを積層して構成される。
気体処理装置１０は、気体に含まれる有害物質及び／又は粒子を除去するために使用される。気体処理装置１０は、例えば、自動車等の車両において、内燃機関（ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等）から排出される排気ガスに含まれる有害物質及び／又は粒子を除去する、排気ガス処理装置である。
具体的には、気体処理装置１０は、例えば、ガソリンエンジンの排気ガスに含まれる有害物質を除去するために使用される触媒コンバータ、又はディールエンジンの排気ガスに含まれる粒子を除去するために使用されるＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）である。
処理構造体１は、気体を処理する機能を有する構造体である。気体処理装置１０が触媒コンバータである場合、処理構造体２０は、気体を浄化するための触媒と、当該触媒を担持する担体とを有する触媒担体である。
また、気体処理装置１０が、ＤＰＦである場合には、処理構造体１は、当該気体中の当該粒子を捕捉するフィルターを有する構造体である。この場合、処理構造体１は、触媒を含んでもよい。
ケーシング２は、例えば、ステンレス、鉄及びアルミニウム等の金属製である。ケーシング２は、複数の部分に分割されていてもよい。
保持材３は、処理構造体１をケーシング２内に保持するために使用される。すなわち、保持材３は、処理構造体１とケーシング２との間隙において圧縮された状態で配置されることにより、当該処理構造体１を当該ケーシング２内に安定して保持する。
本発明の保持材は無機繊維を主成分とするアルミナ繊維マット３Ａとシリカ繊維マット３Ｂとの積層体である。この積層体は、フラットなシート状とすることができる。処理構造体１を保持する際には、通常、アルミナ繊維マット３Ａが処理構造体１と接触するように巻装して円筒状となる。また、アルミナ繊維マット３Ａを内側にし、シリカ繊維マット３Ｂを外側にした円筒状に成形することもできる。
本発明で用いるアルミナ繊維は、アルミナを６０〜１００重量％、シリカを０〜４０重量％含む無機繊維である。好ましくはアルミナを７０〜９８重量％、シリカを２〜３０重量％含む。例えば、アルミナを９０〜９８重量％、シリカを２〜１０重量％含む無機繊維を用いることができる。
また、好ましくは、アルミナとシリカを９８重量％以上又は１００重量％（但し不可避不純物を含む）含む。
本発明で用いるシリカ繊維は、アルミナを０〜４０重量％、シリカを６０〜１００重量％含む無機繊維である。好ましくはアルミナを０〜１０重量％、シリカを９０〜１００重量％含む。例えば、アルミナを０〜５重量％、シリカを９５〜１００重量％含む無機繊維を用いることができる。
また、好ましくは、アルミナとシリカを９８重量％以上又は１００重量％含む（但し不可避不純物を含む）。
本発明で用いるシリカ繊維は、このシリカ繊維から、比較例２に記載の方法で製造したマットが、本発明で用いるアルミナ繊維から、比較例１に記載の方法で製造したマットより、面圧が高くなるものを選択する。ここで面圧は充填密度０．３０ｇ／ｃｍ３での面圧である。面圧は比較例１に記載の方法で測定できる。
シリカ繊維マットの面圧は、アルミナ繊維マットより、好ましくは充填密度０．３０ｇ／ｃｍ３で１．２倍以上、より好ましくは１．３倍以上高い。または、好ましくは充填密度０．４０ｇ／ｃｍ３で１．４倍以上高い。
シリカ繊維は予め加熱処理して強度を高めることが好ましい。
第１のマットと第２のマットは、それぞれ、無機繊維の他、無機バインダー、有機バインダー、凝集剤等を含むことができる。
無機バインダーとしては、例えば、アルミナゾル、シリカゾル等が挙げられる。また有機バインダーとしては、例えば、ゴム系材料、水溶性有機高分子化合物、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が挙げられる。
また、有機バインダーとしてパルプ等の有機繊維を少量配合する事も可能である。凝集剤としては、例えばポリアクリルアミド系高分子化合物等が挙げられる。
本発明の保持材は、又は第１のマットと第２のマットは、それぞれ、無機繊維を８０重量％以上、９０重量％以上又は１００重量％（不可避不純物を含んで）含むことができる。
本発明の保持材は、又は第１のマットと第２のマットは、それぞれ、有機バインダーを１〜２０重量％、好ましくは２〜１５重量％、より好ましくは５〜１３重量％含むことができる。有機バインダーを多く含むと、触媒担体への巻き付け性は向上するものの、有機バインダ分解時に有機バインダが炭化して面圧低下を引き起こしやすい。本発明は、有機バインダー消失過程で発生する面圧の低下を抑制できる。
また、本発明の保持材は、又は第１のマットと第２のマットは、それぞれ、無機繊維と有機バインダーを合わせて９０重量％以上、９５重量％以上又は１００重量％（不可避不純物を含んで）含むことができる。本発明の保持材は例えば焼成することにより、有機バインダーを焼失されてもよい。
本発明において、アルミナ繊維マット３Ａ及びシリカ繊維マット３Ｂの密度、アルミナ繊維マット３Ａとシリカ繊維マット３Ｂとの厚さの比率、保持材３の全厚は、適用する気体処理装置のサイズや使用温度等に応じて適宜設定することができる。
保持材の厚みは限定されないが、通常６ｍｍ〜２０ｍｍである。アルミナ繊維マットとシリカ繊維マットの厚みは、それぞれ、通常３ｍｍ〜１０ｍｍである。アルミナ繊維マットとシリカ繊維マットの厚みは、同じでも異なってもよい。アルミナ繊維マット３Ｂによる耐熱性と、シリカ繊維マット３Ｂによる高い面圧とをバランス良く発現するには、アルミナ繊維マット３Ａが全厚の３５〜８０％、シリカ繊維マット３Ｂが全厚の２０〜６５％とすることが好ましい。
アルミナ繊維マット３Ａ及びシリカ繊維マット３Ｂの面比重については、両マットとも通常は４００〜２０００ｇ／ｍ２であり、好ましくは４００〜１６００ｇ／ｍ２である。
本発明の保持材は使用時に、アルミナ繊維マットが内側（処理構造体側）で、シリカ繊維マットが外側（ケーシング側）となるようにすることが好ましい。
本発明において、アルミナ繊維マットは、シリカ繊維マットより、耐熱性が高いが、面圧は低い。一方、シリカ繊維マットは、アルミナ繊維マットより、耐熱性は低いが面圧は高い。保持材は、圧縮された状態で、処理構造体とケーシングの間に装着される。気体処理装置は使用時に１０００℃まで加熱され得る。その際、金属製のケーシングが膨張するので、圧縮は弱まる。使用が停止されると冷却され、ケーシングが収縮すると、圧縮は強まる。本発明では、圧縮が強まるときアルミナ繊維マットが主として潰れる。すなわち、アルミナ繊維は潰れて繊維が折れるが、潰れないシリカ繊維は、繊維折損が起こらず、高い面圧を発揮し続ける。アルミナ繊維は、荷重負荷に対してクッション材として機能し得る。
エンジン排気ガスの熱風は触媒担体の中を通過する。一方、ケーシング側は、金属の伝熱等があるが、放熱によって、触媒担体側よりも低い温度となる。また、保持材は断熱材のため、触媒付近の高い温度をケース側に伝えない役割も有している。すなわち、保持材の厚さ方向で温度の分布が異なっており、触媒側は高温、ケーシング側は低温になる。本発明は、耐熱性の高いアルミナ繊維は、触媒側、耐熱性の低いシリカ繊維は、ケーシング側に配置することで、保持材全体の耐熱性を、全てアルミナ繊維で製造された保持材の耐熱性と同等にできる。
通常、ガソリン車は、排ガス温度が高いため、保持材として、シリカ繊維は使用できない。しかし、ケーシング側の温度は適用できる。すなわち、本発明のように、２層にすることで、ガソリン車に適用できるようになる。このときシリカ繊維は、面圧が高いので、１層のアルミナ繊維よりも全体として保持力を高めることができる。
ケースと処理構造体の隙間が広いとき（Ｇａｐ開放時）、本発明では、シリカ層が存在するため、面圧が高くなる。一方、Ｇａｐ開放時の面圧は処理構造体が脱落しない程度に低い値に設計する。本発明の場合、面圧が高くなるため従来よりも坪量（面比重）を低減しても従来品並みの保持力を発揮できる。その結果、面比重低減によりコストダウンに繋がる。
このように、アルミナ単層の保持材は耐熱性に優れるが、面圧が低く、シリカ単層の保持材は耐熱性が低いが（ガソリン車に使えない）、面圧は高い。これらの層を積層することで、各層が有する優れた耐熱性と面圧を確保しながら、有機バインダ分解時の面圧低下が抑制されるという積層体特有の効果も奏するようになる。
本発明の保持材の製造方法は、制限されるものではないが、例えば次の方法を採ることができる。
２つのマットを、それぞれ独立に製造してから、これらのマットを積層界面で接合して、両者が積層された保持材を得る方法がある。接着剤、縫合等で接合できる。例えば、アルミナ繊維及び有機バインダーを含有するスラリーを調製し、吸引脱水成形し、アルミナ繊維湿潤マット３Ａを得る。次いで、同様にシリカ繊維湿潤マットを得る。アルミナ繊維湿潤マット３Ａとシリカ繊維シリカ繊維マットを重ね、熱プレスして、マットの界面付近に含まれる有機バインダーを融着させる。得られた積層体を所定の厚さに圧縮する。
または、一方のマット上に、他方のマットを直接製作して、両者が積層された保持材を形成する方法がある。例えば、アルミナ繊維及び有機バインダーを含有するスラリーを吸引脱水成形し、乾燥してアルミナ繊維マット３Ａを得る。次いで、アルミナ繊維マット３Ａの一方の面にシリカ繊維含有スラリーを塗工して吸引脱水成形し、乾燥することにより、アルミナ繊維マット３Ａとシリカ繊維マットＢとの積層体が得られる。得られた積層体を所定の厚さに圧縮する。
本発明の保持材は通常シート状であるが、筒状とすることもできる。筒状の保持材とするには、先ず、円筒状のメッシュ部材（例えば、円筒形金網）を用いて、上記のアルミナ繊維含有スラリーに浸漬し、取り出したメッシュ部材ごと脱水成形し、成形品を乾燥して円筒状のアルミナ繊維マット３Ａを作製する。次いで、円筒状のアルミナ繊維マット３Ａの外表面にシリカ繊維含有スラリーを塗工して吸引脱水成形して乾燥し、最後に円筒状のメッシュ部材を取り除くことにより、内側がアルミナ繊維マット３Ａで、外側がシリカ繊維マット３Ｂの円筒状積層体が得られる。そして、同様に、所定厚さに圧縮して円筒状の保持材が得られる。
以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
実施例１
アルミナ繊維（９６．０重量％のＡｌ２Ｏ３及び４．０重量％のＳｉＯ２）と、有機バインダー（アクリル樹脂）（無機繊維と有機バインダーの合計１００重量％に対し１０重量％）とを水に分散させることにより、水性スラリーを調製した。
次いで、金網を有する脱水成形型に水性スラリーを流し込み、脱水成形して、アルミナ繊維製湿潤成形体を得た。
アルミナ繊維の代わりにシリカ繊維（２．０重量％のＡｌ２Ｏ３及び９８．０重量％のＳｉＯ２）を用いた他は、上記と同様にして、シリカ繊維製湿潤成形体を得た。尚、原料のシリカ繊維は、予め加熱処理したものである。
得られたアルミナ繊維製湿潤成形体とシリカ繊維製湿潤成形体を重ねて、１７０℃で熱プレスして含まれるバインダーを溶かして融着し、積層成形体を得た。
積層成形体を円板形状に加工し、７００℃で１時間加熱して焼成することにより、直径が５０．８ｍｍ、厚さが１０ｍｍの円板形状である保持材を得た。保持材は、アルミナ繊維製マット７００ｇ／ｍ２、シリカ繊維製マット９００ｇ／ｍ２の積層体であった。
比較例１
シリカ繊維を使用しないで、アルミナ繊維だけを使用した他は、実施例１と同様にして、保持材を製造した。保持材は、アルミナ繊維製マット１６００ｇ／ｍ２の単層体であった。
尚、上記と同様にして厚さ８ｍｍのマットを製造した。作製したマットについて以下の方法で面圧を測定したところ、充填密度０．３０ｇ／ｃｍ３で２０．４Ｎ／ｃｍ２、０．４０ｇ／ｃｍ３で４４．５Ｎ／ｃｍ２、０．５０ｇ／ｃｍ３で７５．８Ｎ／ｃｍ２であった。
面圧の測定は、島津（株）製万能試験機オートグラフを使用して行った。圧縮治具の円盤（直径１００ｍｍ、厚さ２５ｍｍ）を上下に取り付け、上下圧盤の隙間が８ｍｍとなる位置をゼロ点とした。次いで、上記で作製したマットを下圧盤に配置し、ゼロ点位置から、圧縮速度１ｍｍ／ｍｉｎでマットを圧縮した。このときの充填密度と面圧値は以下の式で算出した。
・充填密度（ｇ／ｃｍ３）＝マットｍ２あたりの重量（ｇ／ｍ２）／圧縮ストローク量（ｍｍ）／１０００
・面圧値（Ｎ／ｃｍ２）＝圧縮による発生荷重（Ｎ）／試験体面積（ｃｍ２）
比較例２
アルミナ繊維を使用しないで、シリカ繊維だけを使用したこと他は、比較例１と同様にして、保持材を製造した。保持材は、シリカ繊維製マット１６００ｇ／ｍ２の単層体であった。
尚、上記と同様にして厚さ８ｍｍのマットを製造した。作製したマットの面圧を比較例１と同様にして測定したところ、充填密度０．３０ｇ／ｃｍ３で２６．９Ｎ／ｃｍ２、０．４０ｇ／ｃｍ３で６９．６Ｎ／ｃｍ２、０．５０ｇ／ｃｍ３で１２７．４Ｎ／ｃｍ２、０．６０ｇ／ｃｍ３で１９２．０Ｎ／ｃｍ２であった。
評価例１［熱間面圧試験］
図２に示す試験装置４０（島津（株）製熱間面圧試験機サーボパルサー）を使用して、保持材の熱間面圧試験を行い、保持材の面圧を測定した。試験装置４０は、インコネル（登録商標）製の円板（直径８０ｍｍ、厚さ３０ｍｍ）である上圧盤４１（処理構造体に相当する部材）と、上圧盤４１に対向して配置されるインコネル（登録商標）製の円板（直径８０ｍｍ、厚さ３０ｍｍ）である下圧盤４２（ケーシングに相当する部材）とを備えていた。
上述のようにして製造した保持材を、上圧盤４１と下圧盤４２とによって、上圧盤４１と下圧盤４２との距離（すなわち、上圧盤４１と下圧盤４２とに挟まれている保持材２０の厚さ）が４〜５ｍｍとなるように挟んだ。
上圧盤４１と下圧盤４２により保持材２０に、１２Ｎ／ｃｍ２の荷重をかけて、上圧盤４１を９００℃まで、下圧盤４２を７００℃まで、約１０分かけて、加熱した。温度の上昇の際の面圧を測定した。結果を図３に示す。上圧盤４１と下圧盤４２とに挟まれた保持材２０から上圧盤４１が受ける単位面積当たりの反発力を、面圧（Ｎ／ｃｍ２）として測定した。
図３に示すように、実施例１の保持材の面圧は、比較例１、２の保持材に比べ、加熱により有機バインダーが焼失しても、低下が抑制された。
評価例２［圧縮復元試験］
図２に示す試験治具を用いて、厚さ１０ｍｍの保持材を、荷重をかけて５ｍｍまで圧縮し４００℃に加熱した。その後、治具を離して圧縮を解放し、復元状態を観察した。
実施例１の保持材の復元率は、約１８０％、比較例１の保持材は、約１１０％、比較例２の保持材は、約１６０％であった。復元率が高いことは、加熱されたときのケース膨張に対する面圧が高いことを意味する。
実施例１の保持材は、アルミナ製マットの耐熱性を有するとともに、アルミナ製マットが、シリカ製マットより優先的に潰れることにより、シリカ製マットのダメージを低減でき、面圧の低減を抑制できる。
本発明の保持材は、自動車等の排気ガス浄化用気体処理装置等に使用できる。
１ 処理構造体
２ ケーシング
３ 保持材
３Ａ アルミナ繊維マット
３Ｂ シリカ繊維マット
１０ 気体処理装置
２０ 保持材
４０ 試験装置
４１ 上圧盤
４２ 下圧盤

Claims (8)

  1. アルミナ６０重量％以上とシリカ４０重量％以下からなるアルミナ繊維を含む第１のマットと、
    前記第１のマットより充填密度０．３０ｇ／ｃｍ３における面圧が高い、シリカ６０重量％以上とアルミナ４０重量％以下からなるシリカ繊維を含む第２のマットを、積層した保持材。
  2. 前記第１のマット及び／又は第２のマットは、さらに有機バインダーを１〜２０重量％含む請求項１記載の保持材。
  3. 前記保持材の厚さが、６ｍｍ〜２０ｍｍの範囲にある請求項１又は２記載の保持材。
  4. 前記第１のマットが内側で、前記第２のマットを外側にした円筒状積層体である請求項１〜３のいずれか記載の保持材。
  5. 気体処理装置に用いるための請求項１〜４のいずれか記載の保持材。
  6. アルミナ６０重量％以上とシリカ４０重量％以下からなるアルミナ繊維から第１のマットを作製し、
    前記第１のマットより面圧が高い、シリカ６０重量％以上とアルミナ４０重量％以下からなるシリカ繊維から第２のマットを作製し、
    前記第１のマットと前記第２のマットを積層して接合する保持材の製造方法。
  7. 筒状に形成された処理構造体と、
    前記処理構造体を収容するケーシングと、
    前記処理構造体と前記ケーシングとの間隙に介装される請求項１〜５のいずれか記載の保持材とを具備し、
    前記保持材の第１のマットが、前記処理構造体に接触する側にある
    気体処理装置。
  8. 前記処理構造体が、触媒担持体又は排ガスフィルタである請求項７記載の気体処理装置。
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