JP7623544B1 - 抄造マット及び抄造マットの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
一方、リフラクトリーセラミック繊維は柔らかく、マット材がリフラクトリーセラミック繊維からなると、マット材の初期面圧は低くなる。
本発明の抄造マットは、アルミナ繊維及びリフラクトリーセラミック繊維を含むので、アルミナ繊維によるマット材の初期面圧の向上効果、及び、リフラクトリーセラミック繊維によるマット材が繰り返し圧縮を受けた際の面圧の維持効果のバランスが取れている。
そのため、本発明の抄造マットは、初期面圧が高く、かつ、繰り返し圧縮を受けたとしても面圧を維持することができる。
アルミナ繊維及びリフラクトリーセラミック繊維の重量割合が上記範囲であると、両者のバランスが取れ、初期面圧が高く、かつ、繰り返し圧縮を受けたとしても面圧を維持することができる効果を好適に発揮することができる。
アルミナ繊維及びリフラクトリーセラミック繊維の本数の割合が上記範囲であると、両者のバランスが取れ、初期面圧が高く、かつ、繰り返し圧縮を受けたとしても面圧を維持することができる効果を好適に発揮することができる。
有機バインダ及び無機バインダは、無機繊維同士を接着し、抄造マットの形状を維持する。
また、抄造マットから無機繊維が脱落すること、及び、飛散することを抑止することができる。
上記有機バインダのガラス転移温度Tgが5℃以下であると、有機バインダにより形成される有機バインダ皮膜の強度を高くしつつ、皮膜伸度が高くて可撓性に優れた抄造マットとすることができる。
また、本発明の抄造マットでは、上記無機バインダは、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素、ジルコニア、窒化ホウ素、ダイヤモンド及び軽石からなる少なくとも1種を含むことが好ましい。
これらの有機バインダ及び無機バインダは、無機繊維同士を接着し、抄造マットの形状を維持するのに適している。
開繊工程では、複数の無機繊維が交絡して形成された繊維束が形成される。
このような繊維束は心材として働くので、抄造マットの面圧を向上させることができる。
無機繊維成形体が、ニードルマット由来であっても、抄造マット由来であっても、開繊工程において繊維束を形成することができる。
なお、上記第1無機繊維成形体は、上記アルミナ繊維を含むことが好ましい。
また、上記第2無機繊維成形体は、上記リフラクトリーセラミック繊維を含むことが好ましい。
バッチ抄造又は連続抄造を行うことにより、容易に本発明の抄造マットを得ることができる。
なぞり長さの測定方法:
ちぢれた状態の繊維束を平面上に静置する。
静置された上記ちぢれた状態の繊維束を上方から見て、上記ちぢれた状態の繊維束の一方の端部から他方の端部までを上記ちぢれた状態の繊維束に沿ってなぞり、そのなぞった距離を、「ちぢれた状態の繊維束のなぞり長さ」とする。
ちぢれた状態の繊維束は弾性があり、このような繊維束を含む抄造マットは面圧が高くなる。
なお、上記有機フィブリルは、セルロース、アクリル、アラミド、PVAをフィブリル化して、繊維端部や表面に微細繊維を毛羽立てる形態が好ましい。
アルミナ繊維及びリフラクトリーセラミック繊維の重量割合が上記範囲であると、両者のバランスが取れ、初期面圧が高く、かつ、繰り返し圧縮を受けたとしても面圧を維持することができる抄造マットを製造することができる。
アルミナ繊維及びリフラクトリーセラミック繊維の本数の割合が上記範囲であると、両者のバランスが取れ、初期面圧が高く、かつ、繰り返し圧縮を受けたとしても面圧を維持することができる抄造マットを製造することができる。
開繊工程を行うことにより、複数の無機繊維が交絡して形成された繊維束が形成される。
このような繊維束は心材として働くので、製造される抄造マットの面圧を向上させることができる。
無機繊維成形体が、ニードルマット由来であっても、抄造マット由来であっても、開繊工程において繊維束を形成することができる。
なお、上記第1無機繊維成形体は、上記アルミナ繊維を含むことが好ましい。
また、上記第2無機繊維成形体は、上記リフラクトリーセラミック繊維を含むことが好ましい。
また、本発明の抄造マットの製造方法では、上記開繊工程において、水中において有機フィブリルを開繊し、上記スラリーを作製することが好ましい。
図1は、本発明の抄造マットの一例を模式的に示す斜視図である。
図1に示すように、抄造マット10は、無機繊維から構成される平面視矩形の抄造マットである。
抄造マット10は、一方の端部11に凸部11aが設けられており、他方の端部12に凹部12aが設けられた、平面視矩形の形状である。
凸部11a及び凹部12aは、抄造マット10を排ガス処理体に巻き付けた際に、丁度嵌合する形状である。
このような凸部11a及び凹部12aが設けられていると、抄造マット10を後述する排ガス浄化装置に配置した際にシール性が向上する。
有機バインダ及び無機バインダは、無機繊維同士を接着し、抄造マット10の形状を維持する。
また、抄造マット10から無機繊維が脱落すること、及び、飛散することを抑止することができる。
有機フィブリルは、端部及び表面から微細繊維(フィブリル)を有するフィブリル化しており、微細繊維が無機繊維に絡みついて密着性を向上させている。
有機フィブリルは、上記有機物からなる繊維端部や表面に微細繊維を毛羽立てる形態が好ましい。
また、無機繊維は、アルミナ繊維及びリフラクトリーセラミック繊維以外の他の無機繊維を含んでいてもよい。他の無機繊維としては、シリカ繊維、グラスウール、ロックウール等が挙げられる。
本明細書において、「リフラクトリーセラミック繊維」とは、繊維を構成するAl2O3の重量割合が60重量%以下の繊維を意味する。
リフラクトリーセラミック繊維としては、Al2O3及びSiO2を含む繊維が好ましく、その重量割合は、Al2O3:SiO2=40:60~60:40であることが好ましい。
一方、リフラクトリーセラミック繊維は柔らかく、マット材がリフラクトリーセラミック繊維からなると、マット材の初期面圧は低くなる。
抄造マット10は、アルミナ繊維及びリフラクトリーセラミック繊維を含むので、アルミナ繊維によるマット材の初期面圧の向上効果、及び、リフラクトリーセラミック繊維によるマット材が繰り返し圧縮を受けた際の面圧の維持効果のバランスが取れている。
そのため、抄造マット10は、初期面圧が高く、かつ、繰り返し圧縮を受けたとしても面圧を維持することができる。
アルミナ繊維及びリフラクトリーセラミック繊維の重量割合が上記範囲であると、両者のバランスが取れ、初期面圧が高く、かつ、繰り返し圧縮を受けたとしても面圧を維持することができる効果を好適に発揮することができる。
アルミナ繊維及びリフラクトリーセラミック繊維の本数の割合が上記範囲であると、両者のバランスが取れ、初期面圧が高く、かつ、繰り返し圧縮を受けたとしても面圧を維持することができる効果を好適に発揮することができる。
また、無機繊維が100重量部に対し、無機バインダを0.1~10重量部含むことが好ましく、0.5~3.0重量部含むことがより好ましい。
有機バインダ及び無機バインダは、無機繊維同士を接着し、抄造マットの形状を維持する。
有機バインダ及び無機バインダの含有量が上記範囲であると、無機繊維同士の接着が適度となり、抄造マットの柔軟性と形状維持性を両立することができる。
有機バインダのガラス転移温度Tgが5℃以下であると、有機バインダにより形成される有機バインダ皮膜の強度を高くしつつ、皮膜伸度が高くて可撓性に優れた抄造マットとすることができる。
また、抄造マット10を排ガス処理体に巻きつける際等にマット裂けが発生しにくくなる。さらに、有機バインダ皮膜が硬くなり過ぎないため、無機繊維が破断した際に、無機繊維同士を繋ぎ止める効果を発揮し、無機繊維の飛散を抑制することができる。
有機バインダのガラス転移温度Tgが-50℃未満のものは高価であり、製造コストが高くなる。
有機バインダのガラス転移温度Tgが5℃を超える場合、抄造マットの可撓性が低下し、破断伸度が低下してしまうことがある。
水溶性有機重合体としては、アクリル樹脂、アクリレート系ラテックス、ゴム系ラテックス、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコールが挙げられる。熱可塑性樹脂としてはスチレン樹脂が挙げられる。熱硬化樹脂として機能するエポキシ樹脂が挙げられる。
このような繊維束を含む抄造マットについて図面を用いて説明する。
図2に示すように、抄造マットは、10本以上の無機繊維20が撚れるように交絡して形成された繊維束21、及び、繊維束21を構成しない無機繊維22を含んでいてもよい。
繊維束21は、ストレート状態(図2中、符号「21a」で示す状態)であってもよく、ちぢれ状態(図2中、符号「21b」で示す状態)であってもよい。
繊維束21の平均幅(図2中、符号Wで示す長さの平均値)は、0.2~1.0mmであることが好ましく、0.2~0.8mmであることがより好ましい。
なお、図2に示すように、繊維束21がストレート状態の繊維束21aである場合、及び、ちぢれた状態の繊維束21bである場合ともに、その最大幅(図2中、それぞれ符号Wa及びWbで示す長さ)が、繊維束21の幅である。
特に、繊維束21がちぢれた状態の繊維束21bである場合、この効果が好適に発揮され、抄造マットの面圧がより高くなる。
繊維束の平均長さが、15mmを超えると、繊維束が長すぎるので、繊維束の側面に押圧を受けると、曲がりやすくなり、心材として機能しにくくなる。
繊維束の平均幅が、1.0mmを超えると、繊維束の強度が高くなりすぎ、抄造マット全体の柔軟性が低下する。
図3は、ちぢれた状態の繊維束の一例の模式図である。
図3に示すちぢれた状態の繊維束21bは、下記なぞり長さ測定方法で測定したちぢれた状態の繊維束21bのなぞり長さLtの方が、ちぢれた状態の繊維束21bの長さLよりも長いことが好ましく、0.1mm以上長いことがより好ましく、0.2~0.6mm長いことがさらに好ましい。
ちぢれた状態の繊維束21bを平面上に静置する。
次に、静置されたちぢれた状態の繊維束21bを上方から見て、ちぢれた状態の繊維束21bの一方の端部P1から他方の端部P2までをちぢれた状態の繊維束21bに沿ってなぞり、そのなぞった距離Ltを、「ちぢれた状態の繊維束のなぞり長さ」とする。
このようなちぢれた状態の繊維束21bは、ちぢれの程度が好適となり、ちぢれた状態の繊維束21bの弾性が高くなり、抄造マット10の面圧が向上する。
(Lt-L)/Wb・・・(1)
なお、「Wb」は、ちぢれた状態の繊維束21bの幅を意味する。
以下に説明する本発明の抄造マットの製造方法の一例は、(1)開繊工程及び(2)抄造工程とを含む。以下、各工程について説明する。
本工程では、アルミナ繊維と、リフラクトリーセラミック繊維とを含む無機繊維成形体を水中で開繊しスラリーを作製する。
そのため、製造される抄造マットは、初期面圧が高く、かつ、繰り返し圧縮を受けたとしても面圧を維持することができる。
アルミナ繊維及びリフラクトリーセラミック繊維の重量割合が上記範囲であると、両者のバランスが取れ、初期面圧が高く、かつ、繰り返し圧縮を受けたとしても面圧を維持することができる効果を好適に発揮することができる。
アルミナ繊維及びリフラクトリーセラミック繊維の本数の割合が上記範囲であると、両者のバランスが取れ、初期面圧が高く、かつ、繰り返し圧縮を受けたとしても面圧を維持することができる抄造マットを製造することができる。
このような繊維束は心材として働くので、製造される抄造マットの面圧を向上させることができる。
無機繊維成形体が、ニードルマット由来であっても、抄造マット由来であっても、開繊工程において繊維束21を形成することができる。
なお、上記第1無機繊維成形体は、上記アルミナ繊維を含むことが好ましい。
また、上記第2無機繊維成形体は、上記リフラクトリーセラミック繊維を含むことが好ましい。
まず、第1無機繊維成形体及び/又は第2無機繊維成形体を700~1000℃で1.0~8.0時間焼成する。好ましい焼成温度は、800~950℃である。
これにより、無機繊維成形体に含まれる有機バインダを熱分解することができ、無機繊維成形体を開繊しやすくなる。
また、攪拌の条件は適宜設定することが好ましいが、例えば、10Lのスラリーを作製する際は、撹拌機として、(製品名:SMT-101、製造元:ASONE)を用い、回転数が500~1000rpm、攪拌時間が200~900秒の条件で攪拌することが好ましい。好ましくは、回転速度650~850rpm、攪拌時間500~700秒であり、より好ましくは、回転速度700~800rpm、攪拌時間500~650秒である。
有機バインダは、製造される抄造マットにおいて、無機繊維が100重量部に対し、0.1~20重量部となるように加えることが好ましく、0.5~15.0重量部となるように加えることがより好ましい。
無機バインダは、製造される抄造マットにおいて、無機繊維が100重量部に対し、0.1~10重量部となるように加えることが好ましく、0.5~3.0重量部となるように加えることがより好ましい。
好ましい有機バインダ及び無機バインダの種類は既に説明しているので、ここでの説明は省略する。
次に、底面にろ過用のメッシュが形成された成形器にスラリーを流し込み、スラリー中の溶媒を脱溶媒処理することで無機繊維集合体を得る。そして、無機繊維集合体を脱水及び乾燥する。
熱処理をする場合には、有機バインダの熱による劣化を防ぐため、加熱温度や熱風温度は100~250℃であることが好ましい。100~250℃の範囲においては、有機バインダの劣化を抑制しつつ、水分を無機繊維集合体からとばすことができる。加熱温度や熱風温度が100℃未満の場合、無機繊維集合体の中央部まで温度が伝わらず、乾燥時間が長くなる。また、250℃を超えると、有機バインダを劣化させてしまい、繊維間の拘束力を低減させるため、無機繊維集合体の厚みが制御しにくくなる。
なお、本発明の抄造マットの製造方法では、抄造工程において、バッチ抄造又は連続抄造を行うことが好ましい。
バッチ抄造又は連続抄造を行うことにより、容易に本発明の抄造マットを得ることができる。
図4は、本発明の排ガス浄化装置の一例を模式的に示す断面図である。
図4に示すように、排ガス浄化装置100は、金属ケーシング30と、金属ケーシング30に収容された排ガス処理体40と、排ガス処理体40及び金属ケーシング30の間に配設された抄造マット10とを備えている。抄造マット10は本発明の抄造マットである。
排ガス処理体40は、多数のセル41がセル壁42を隔てて長手方向に並設された柱状のものである。なお、金属ケーシング30の端部には、必要に応じて、内燃機関から排出された排ガスを導入する導入管と、排ガス浄化装置を通過した排ガスが外部に排出される排出管とが接続されることになる。
図4に示す排ガス浄化装置100では、排ガス処理体40として、各々のセルにおけるいずれか一方が封止材43によって目封じされた排ガスフィルタ(ハニカムフィルタ)を用いているが、いずれの端面にも封止材による目封じがなされていない触媒担体を用いてもよい。
そのため、排ガス浄化装置100の使用初期において、排ガス処理体40が、排ガスから高い圧力を受けたとしても、排ガス処理体40が、金属ケーシング30から脱落することを防ぐことができる。また、この脱落を防ぐ効果を長期間維持することができる。
気孔率が35%未満であると、排ガス処理体がすぐに目詰まりを起こすことがあり、一方、気孔率が60%を超えると、排ガス処理体の強度が低下して容易に破壊されることがある。
平均気孔径が5μm未満であると、PMが容易に目詰まりを起こすことがある。
平均気孔径が30μmを超えると、PMが気孔を通り抜けてしまい、PMを捕集することができず、フィルタとして機能することができないことがある。
なお、上記気孔率及び気孔径は、走査型電子顕微鏡(SEM)による測定の従来公知の方法により測定することができる。
これら触媒が担持されていると、PMを燃焼除去しやすくなり、有毒な排ガスの浄化も可能になる。
金属ケーシング30は、略円筒形である。
金属ケーシング30の内径(排ガス処理体を収容する部分の内径)は、抄造マット10が巻き付けられた排ガス処理体40の直径より若干短くなっていることが好ましい。
上記アルミナ繊維の本数が、3%以上であり、上記リフラクトリーセラミック繊維の本数が、97%未満である本開示(1)又は(2)に記載の抄造マットである。
なぞり長さの測定方法:
ちぢれた状態の繊維束を平面上に静置する。
静置された上記ちぢれた状態の繊維束を上方から見て、上記ちぢれた状態の繊維束の一方の端部から他方の端部までを上記ちぢれた状態の繊維束に沿ってなぞり、そのなぞった距離を、「ちぢれた状態の繊維束のなぞり長さ」とする。
Al2O3:SiO2=72:28(重量比)であるアルミナ繊維からなり、かさ密度が0.17g/mm3であり、ニードル痕の密度が21個/cm2の密度であるニードルマット由来の第1無機繊維成形体を準備した。
Al2O3:SiO2=50:50(重量比)であるリフラクトリーセラミック繊維からなり、かさ密度が1.2g/mm3である抄造マット由来の第2無機繊維成形体を準備した。
まあ、無機繊維の100重量部に対し、アルミナ繊維の重量割合が70重量部であり、リフラクトリーセラミック繊維の重量割合が30重量部であった。
また、スラリーに無機バインダを、無機繊維が100重量部に対し、0.3~3.0重量部となるように加えた。
使用する第1無機繊維成形体及び第2無機繊維成形体を調整し、表1に示すように、アルミナ繊維及びリフラクトリーセラミック繊維の割合(重量割合)を変更した以外は、実施例1と同様に実施例2、実施例3及び比較例1に係る抄造マットを製造した。
実施例1~実施例3及び比較例1に係る抄造マットを試験機(製品名:SMT-101、製造元:ASONE)にセットし、空隙かさ密度(GBD)が0.40mm3/gとなるまで25.4mm/minの速度で圧縮した。空隙かさ密度(GBD)が0.40mm3/gの状態で10min間保持した。その後、25.4mm/minの速度で抄造マットを解放した。
この圧縮及び解放を1000サイクル行った。その後、各抄造マットの面圧を測定した。
結果を表1に示す。
11 一方の端部
11a 凸部
12 他方の端部
12a 凹部
20、22 無機繊維
21、21a、21b 繊維束
30 金属ケーシング
40 排ガス処理体
40a 排ガス流入側端部
40b 排ガス排出側端部
41 セル
42 セル壁
43 封止材
100 排ガス浄化装置
Claims (15)
- 異なる2種類以上の無機繊維と有機物と無機物とから構成される抄造マットであって、
前記無機繊維は、アルミナ繊維(AF)と、リフラクトリーセラミック繊維(RCF)とを含み、
前記無機繊維は、前記アルミナ繊維が10~30wt%、前記リフラクトリーセラミック繊維が70~90wt%の重量割合で構成されていることを特徴とする抄造マット。 - 前記抄造マットは、無作為に任意の前記無機繊維を抜き出して、アルミナ繊維であるか、リフラクトリーセラミック繊維であるかを判別した際に、
前記アルミナ繊維の本数が、3%以上であり、前記リフラクトリーセラミック繊維の本数が、97%未満である請求項1に記載の抄造マット。 - 前記有機物は有機バインダであり、前記無機物は無機バインダである請求項1又は2に記載の抄造マット。
- 前記有機バインダのガラス転移温度Tgは、5℃以下である請求項3に記載の抄造マット。
- 前記有機バインダは、水溶性有機重合体として機能するアクリル樹脂、アクリレート系ラテックス、ゴム系ラテックス、カルボキシメチルセルロース及びポリビニルアルコール、熱可塑性樹脂として機能するスチレン樹脂、並びに、熱硬化樹脂として機能するエポキシ樹脂からなる群から選択される少なくとも1種である請求項3に記載の抄造マット。
- 前記無機バインダは、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素、ジルコニア、窒化ホウ素、ダイヤモンド及び軽石からなる少なくとも1種を含む請求項3に記載の抄造マット。
- 前記抄造マットは、10本以上の前記無機繊維が撚れるように交絡して形成された繊維束を含み、
前記繊維束の少なくとも1つはちぢれた状態の繊維束であり、
下記なぞり長さ測定方法で測定した前記ちぢれた状態の繊維束のなぞり長さの方が、前記ちぢれた状態の繊維束の長さよりも0.1mm以上長い請求項1又は2に記載の抄造マット。
なぞり長さの測定方法:
ちぢれた状態の繊維束を平面上に静置する。
静置された前記ちぢれた状態の繊維束を上方から見て、前記ちぢれた状態の繊維束の一方の端部から他方の端部までを前記ちぢれた状態の繊維束に沿ってなぞり、そのなぞった距離を、「ちぢれた状態の繊維束のなぞり長さ」とする。 - さらに前記有機物として有機フィブリルを含む請求項1又は2に記載の抄造マット。
- 異なる2種類以上の無機繊維と有機物と無機物とから構成される抄造マットの製造方法であって、
前記無機繊維は、アルミナ繊維(AF)と、リフラクトリーセラミック繊維(RCF)とを含み、
前記アルミナ繊維(AF)と、前記リフラクトリーセラミック繊維(RCF)とを含むスラリーを抄造して抄造マットとする抄造工程を含み、
前記無機繊維は、前記アルミナ繊維が10~30wt%、前記リフラクトリーセラミック繊維が70~90wt%の重量割合で構成されていることを特徴とする抄造マットの製造方法。 - 前記スラリーから無作為に任意の前記無機繊維を抜き出して、アルミナ繊維であるか、リフラクトリーセラミック繊維であるかを判別した際に、
前記アルミナ繊維の本数が、3%以上であり、前記リフラクトリーセラミック繊維の本数が、97%未満である請求項9に記載の抄造マットの製造方法。 - 前記アルミナ繊維と、前記リフラクトリーセラミック繊維とを含む無機繊維成形体を水中で開繊し、前記スラリーを作製する開繊工程をさらに含む請求項9又は10に記載の抄造マットの製造方法。
- 前記無機繊維成形体は、ニードルマット由来の第1無機繊維成形体及び/又は抄造マット由来の第2無機繊維成形体を含む請求項11に記載の抄造マットの製造方法。
- 前記第1無機繊維成形体は、前記アルミナ繊維を含む請求項12に記載の抄造マットの製造方法。
- 前記第2無機繊維成形体は、前記リフラクトリーセラミック繊維を含む請求項12に記載の抄造マットの製造方法。
- 前記抄造工程では、前記スラリーはさらに前記有機物として有機フィブリルを含む請求項9又は10に記載の抄造マットの製造方法。
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