KR100744989B1

KR100744989B1 - 지지 시일재 및 배기가스 처리장치

Info

Publication number: KR100744989B1
Application number: KR1020060026817A
Authority: KR
Inventors: 다카히코 오카베
Original assignee: 이비덴 가부시키가이샤
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2026-03-24
Also published as: TW200714346A; TWI288022B; JP5068452B2; US8475721B2; DE602006000073T2; DE602006000073D1; EP1772600B1; KR20070039389A; JP2007127112A; US20070081926A1; EP1772600A1

Abstract

본 발명에 따르면, 무기 섬유를 가진 시트 부재를 포함하는 배기 가스 처리 장치를 지지하기 위한 지지 시일재(holding sealer)로서, 상기 무기 섬유는, 상기 시트 부재의 적어도 일부에 있어서, 상기 시트 부재의 두께 방향에 대해서 평행한 방향을 제외하고 소정 각도로 배향되는 것을 특징으로 하는 지지 시일재가 제공된다.

Description

지지 시일재 및 배기가스 처리장치{HOLDING SEALER AND EXHAUST GAS PROCESSING DEVICE}

도 1 은 종래의 지지 시일재에 사용되는 시트 부재의 단면 확대도이다.

도 2 는 본 발명에 따른 지지 시일재에 사용되는 시트 부재의 단면 확대도이다.

도 3 은 본 발명에 따른 지지 시일재의 형성의 일예를 보여주는 도면이다.

도 4 는 본 발명에 따른 지지 시일재를 배기가스 처리장치에 둘러 감아 고정하고, 금속 쉘에 압입하여, 배기가스 처리장치를 구성할 때의 개념도이다.

도 5 는 본 발명의 배기가스 처리장치의 일 구성예를 보여주는 도면이다.

도 6 은 무기 섬유의 평균 직경이 5.8 ㎛ 인 시트 부재에 있어서, 섬유의 배향 각도와 인장 각도 사이의 관계를 보여주는 도면이다.

도 7 은 시트 부재 중의 무기 섬유의 각각의 배향 각도에 있어서, 평균 섬유 직경과 인장 강도 사이의 관계를 나타내는 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

2 : 도입관 4: 배기관

10: 배기가스 처리장치 12: 금속 쉘(shell)

15: 지지 시일재 20: 배기가스 처리체

24: 시트 부재 30: 니들링 처리기

50: 결합 볼록부 60: 결합 오목부

본 발명은 차량의 배기가스 처리 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배기가스 처리 장치에 사용되는 지지 시일재에 관한 것이다.

금세기가 시작된 이후로 차량의 수가 급격히 증가하였고, 또한, 이에 비례하여 자동차의 내연 기관으로부터 방출되는 배기가스량도 급격하게 증가하여 왔다. 특히, 디젤 엔진으로부터의 배기가스 중에 포함된 각종 물질은 환경 오염을 일으키는 원인이 되기 때문에, 현재 지구 환경에 매우 심각한 영향을 주고 있다.

이러한 사정을 감안하여 종래부터 각종의 배기가스 처리 장치가 제안되어 실용화되어 있다. 일반적인 배기가스 처리 장치는 엔진 룸의 배기가스 매니폴더에 연결된 배기관의 도상에 케이싱(금속 쉘)을 가지며, 이 케이싱 내에 작은 구멍을 다수 가지는 배기가스 처리체를 배치한 구조로 되어 있다. 배기가스 처리체의 일예로서는, 촉매 담지체 및 디젤 입자상 물질 필터(DPF:diesel particulate filter) 가 있다. 예를 들어, DPF의 경우에는, 상기 구조를 바탕으로 하는 배기가스 처리체를 배기가스가 통과하는 중에, 입자들이 구멍 주위의 벽에 포집되어, 배기가스로부터 미립자를 제거할 수가 있다. 배기가스 처리체의 구성 재료는 금속, 합금, 그리고 세라믹 등이 있다. 세라믹을 포함하는 배기가스 처리체의 대표적인 예로는, 코디어라이트(cordierite) 로 된 허니컴 필터가 알려져 있다. 최근에는, 내열성, 기계적 강도, 화학적 안정성 등의 관점에서, 다공질 탄화규소(silundum) 소결체를 배기가스 처리체로서 사용하고 있다.

상기한 바와 같은 배기가스 처리체와 금속 쉘 사이에는 통상 지지 시일재를 설치한다. 지지 시일재는, 차량이 주행하는 동안 배기가스 처리체와 금속 쉘의 접촉에 의한 파손을 방지하고, 또한 금속 쉘과 배기가스 처리체 사이의 간극으로부터 배기가스가 누설되는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 지지 시일재는, 배기가스의 배압에 의해 배기가스 처리체가 떨어져 나가는 것을 방지하는 중요한 역할을 맡는다. 또한, 배기가스 처리체는 반응을 안정화시키기 위해 고온으로 유지될 필요가 있으며, 지지 시일재는 내열성도 요구한다. 이들 요구조건을 만족시키는 구성 부재로는, 알루미나계 섬유(fiber) 등의 무기 섬유를 포함하는 시트 부재가 있다.

이 시트 부재는 배기가스 처리체의 개구면을 제외한 바깥 표면의 적어도 일부에 둘러 감겨지고 테이핑(taping)을 통해 배기가스 처리체와 일체로 고정됨으로써, 지지 시일재로서의 역할을 한다. 다음으로, 이 일체품을 금속 쉘내에 압입함으로써 배기가스 처리 장치로 조립한다.

통상의 시트 부재는 부피가 크고, 절단 처리 중에 섬유가 비산되기 때문에, 취급성이 불량하다. 그러므로 시트 부재를 배기가스 처리 장치의 지지 시일재로 사용할 때의 취급성을 개선하기 위해 각종의 방법이 제안되어 있다. 예컨대, 무기 섬유를 시트 부재의 두께 방향을 따라 직조하여, 부피가 큰 시트 부재를 압축하고 두께를 얇게 하는, 무기 섬유를 포함하는 시트 부재에 소위 니들링 처리로 부르는 처리를 하는 방법이 제안되어 있다(일본특허공개 평7-286514호).

상기와 같은 시트 부재를 배기가스 처리 장치의 지지 시일재로서 사용하는 경우에는, 이 지지 시일재를 예컨대, 원통 형상의 배기가스 처리체에 둘러 감게된다. 이러한 처리를 하는 경우, 지지 시일재에는 감기는 방향으로 어느 정도의 장력이 가해진다. 따라서, 시트 부재의 인장 강도가 불충분한 경우, 상기 둘러 감는 처리 중에 지지 시일재에 균열이 발생하거나, 또는 지지 시일재가 파단 될 가능성이 있다. 또한, 배기가스 처리 장치에 이와 같은 지지 시일재를 사용한다면, 지지 시일재의 전술한 기능이 사라져버려 배기가스가 누설되거나 또는 배기가스 처리체가 탈락 될 우려가 있다.

또한, 오늘날에는, 지지 시일재의 취급 작업자에 대한 건강 문제를 고려하여 시트 부재에 포함되는 무기 섬유의 섬유 직경이 점진적으로 증대되는 경향이 있다. 예컨대, 무기 섬유의 평균 직경은, 현재의 최대 크기인 6 ㎛ 로부터 장래 6 ㎛ 보다 큰 것으로 변경될 것으로 예상되고 있다. 시트 부재에 포함된 무기 섬유의 섬유 직경이 증대되면, 섬유끼리의 얽혀 묶인 (접촉) 면적의 저하에 의해 시트 부재의 인장 강도가 저하된다. 따라서, 지지 시일재를 배기가스 처리 장치에 사용하는 때에 발생하는 상기 문제가, 장래 무기 섬유의 섬유 직경의 증대에 의해 보다 더 크게 문제화될 가능성이 있다.

그러므로 본 발명은, 배기가스 처리체에 대한 둘러 감음 방향에 대한 인장 강도가 크고 배기가스 처리 장치에 조립될 때의 취급성이 월등한 지지 시일재를 제공하고, 또한 이러한 지지 시일재를 갖는 배기가스 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 태양에 따르면 무기 섬유를 가진 시트 부재를 포함하는 배기 가스 처리 장치를 지지하기 위한 지지 시일재(holding sealer)로서, 상기 무기 섬유는, 상기 시트 부재의 적어도 일부에 있어서, 상기 시트 부재의 두께 방향에 대해 평행한 방향을 제외하고 소정 각도로 배향되는 것을 특징으로 하는 지지 시일재가 제공된다. 섬유가 시트 부재의 두께 방향에 대하여 소정의 각도로 배향된 시트 부재에서는, 두께 방향에 수직한 방향의 인장력에 대한 강도를 높일 수가 있다. 따라서 상기와 같은 특징을 갖는 시트 부재를 배기가스 처리 장치의 지지 시일재로 적용함으로써, 상기 시트의 취급 중에 그 시트 부재에 균열 및 파단이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

추가적으로, 본 발명에 따른 지지 시일재에서 상기 무기 섬유의 배향은, 상기 시트 부재 내에 국부적으로 존재해도 된다. 또한, "국부적"이라고 하는 말은, 무기 섬유의 배향 특성이 시트 부재 내에서 국부적으로만 존재하고, 시트 부재 내의 몇몇 개소에서 주기적으로 또는 랜덤하게 존재하는 것을 의미한다.

추가적으로, 본 발명에 따른 지지 시일재에서 상기 무기 섬유의 배향은, 시트 부재를 니들링 처리함으로써 형성된다. 니들링 처리에 의해, 섬유를 두께 방향에 대해 일정의 배향 각도를 갖도록 직조하여 넣은 시트 부재를 용이하게 얻을 수 있다.

추가적으로, 본 발명에 따른 지지 시일재에서는 상기 시트 부재의 두께 방향에 대한 상기 무기 섬유의 배향 각도는 0°보다 크고 85°이하인 것이 바람직하다. 배향 각도가 이러한 범위 내에 있으면, 지지 시일재의 둘러 감는 방향에 대해 더 높은 인장 강도를 얻을 수 있다. 특히, 무기 섬유의 배향 각도가 45°와 75°사이이면 지지 시일재의 인장 강도가 현저히 향상된다.

추가적으로, 본 발명에 따른 지지 시일재에서, 상기 시트 부재가 결합재를 포함하여도 된다. 결합재를 포함한 시트 부재로 인해서 섬유가 더 강하게 접착되고, 더 구체적으로는 지지 시일재로서의 취급성이 향상된다.

추가적으로, 본 발명에 따른 지지 시일재에서, 상기 무기 섬유의 평균 직경이 6 ㎛ 이상이어도 된다. 통상의 지지 시일재에서, 무기 섬유의 평균 직경이 6 ㎛ 이상이면, 그 지지 시일재를 배기가스 처리체 둘레에 둘러 감는 중에 그 지지 시일재에 균열 및 파단이 발생하기 쉽다. 그러나 본 발명에서는 이러한 문제를 방지할 수 있다.

추가적으로 본 발명에 따른 지지 시일재에서, 상기 무기 섬유는 알루미나 및 실리카의 혼합물인 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 상기 지지 시일재의 내열성이 향상된다.

상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다른 태양에 따르면, 배기 가스 처리체 및 이 배기 가스 처리체의 외주면의 적어도 일부분에 감겨 진 지지 시일재를 갖는 금속 쉘을 포함하는 배기 가스 처리 장치로서, 상기 지지 시일재는 무기 섬유 를 갖는 시트 부재를 포함하고, 상기 무기 섬유는, 상기 시트 부재의 적어도 일부에 있어서, 상기 시트 부재의 두께 방향에 대해 평행한 방향을 제외하고 소정 각도로 배향되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치가 제공된다.

추가적으로, 본 발명에 따른 배기가스 처리 장치에 있어서, 상기 배기가스 처리 장치는 촉매 담지체 또는 배기가스 필터이어도 된다.

본 발명의 지지 시일재는 배기가스 처리체 둘레에 둘러 감는 방향에 대해 높은 인장 강도를 가지며, 그 지지 시일재의 취급성이 향상된다.

다음의 상세한 설명을 첨부 도면을 참조하여 읽는다면 본 발명의 다른 목적, 특징, 그리고 이점들이 더욱 분명해질 것이다.

이하 본 발명의 실시형태를 첨부 도면과 함께 설명한다.

본 발명에서, 무기 섬유를 포함하는 시트 부재로 구성되며 배기가스 처리체를 지지하는 지지 시일재에서, 무기 섬유는, 상기 시트 부재의 적어도 일부에 있어서, 상기 시트 부재의 두께 방향에 대해 평행한 방향을 제외하고 소정 각도로 배향되어 있다.

통상, 배기가스 처리 장치의 지지 시일재로 사용되는 시트 부재는, 알루미나 와 같은 무기 섬유를 포함하는 시트를 여러 겹 적층하여 구성된다. 이러한 적층 시트는 적층 상태하에서 부피가 크고, 또한 그 층 사이에서 쉽게 박리가 일어난다. 통상, 적층 시트는 적층 처리 후에 소위 니들링이라고 일컫는 처리를 거치게 된다. 니들링 처리는, 다수의 니들을 적층 시트에 찔러넣고 뽑아내어 각각의 층들을 밀착시키고 시트를 얇게 하기 위한 처리이다. 통상, 니들링 처리에 는 니들링 장치가 사용된다. 니들링 장치는, 니들을 찔러넣는 방향을 따라 전후로 운동 가능한 니들 보드와 적층 시트의 양측에 설치되어 적층 시트를 고정하는 지지판을 포함하고 있다. 니들 보드에는 적층 시트에 찔러넣기 위한 다수의 니들이, 예를 들어, 약 100~5000개/100 cm² 의 밀도로, 보드의 평면에 대해 수직한 방향으로 배치되어 있다. 또한, 지지판에는 니들을 위한 다수의 관통구멍이 형성되어 있어, 니들은 이 관통 구멍을 통과하여 적층 시트에 도달할 수 있다. 이와 같은 니들링 장치를 사용하여, 적층 시트에 니들을 찔러넣고 적층시트로부터 니들을 뽑아내는 니들링 처리를 함으로써, 서로 복잡하게 얽혀있는 섬유가 두께 방향으로 배향되고, 적층 시트의 두께 방향에 대한 내박리성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기의 처리에 의해 얻어진 적층 시트를 포함하는 시트 부재의 단면을 관찰하면, 도 1 에 나타낸 바와 같이, 시트 부재 (24) 에는 적층 방향(도 1 에서 Z 방향)과 거의 평행하게 다수의 니들링 처리 자취 (30) 가 형성되고, 이 처리 자취를 따라 다수의 섬유가 배향되어 있음이 확인된다.

이에 대하여, 본 발명의 지지 시일재에 사용되는 시트 부재 (24) 에서는, 무기 섬유가 시트 부재의 두께 방향에 대하여, 일정의 배향 각도 α 를 이루도록 배향되는 것을 특징으로 한다(도 2 참조).

그러므로 섬유가 시트 부재의 두께 방향에 대하여 일정의 배향 각도 α 를 가지는 시트 부재 (24) 에서는, 종래 섬유가 두께 방향으로 평행하게 배향된 시트 부재(α=0°)에 비해, 두께 방향에 수직한 방향(도 1 및 도 2 에서 X 방향)의 인장 응력에 대한 강도가 더 커지게 된다. 따라서 이러한 시트 부재 (24) 를 배기가스 처리 장치의 지지 시일재로 사용하는 경우, 지지 시일재를 둘러 감아 붙이는 방향으로 어느 정도의 장력이 발생하도록 배기가스 처리체에 둘러 감아 고정할 때에, 지지 시일재에 균열이 발생하거나 또는 파단되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 환경을 고려할 때, 시트 부재 (24) 의 섬유의 평균 섬유 직경이 현재의 6 ㎛ 미만에서 장래 6 ㎛ 이상의 것으로 증대될 것으로 예상된다. 일반적으로 시트 부재에 포함된 섬유의 평균 섬유 직경이 커지게 되면, 섬유 주위에 발생하는 미세한 공극이 증가하고 섬유끼리 엉켜붙은 영역이 줄어들기 때문에 시트 부재의 두께 방향과 수직한 방향의 인장 강도가 저하되는 경향이 있다. 그러나 이러한 경우에 있어서도, 본 발명에 의한 지지 시일재에서는 두께 방향과 수직한 방향에서의 인장 강도가 높기 때문에, 장래의 시트 부재 (24) 의 평균 섬유 직경의 증대화에도 충분히 대응할 수 있다.

상기와 같은 섬유 배향을 갖는 시트 부재는, 예컨대, 보드 평면에 대하여 소정의 경사를 갖도록 니들을 니들 보드에 고정하고, 이 니들 보드를 사용하여 니들링 처리를 실시하여 얻을 수 있다. 도 2 는, 본 발명의 지지 시일재에 사용되는 시트 부재 (24) 의 단면 개략도를 나타낸다. 도 2 에 나타낸 바와 같이, 시트 부재 내부에는, 두께 방향에 대하여 소정의(전술의 니들 보드에 설치된 니들의 설치 각도에 대응하는) 배향 각도 α 로 된 다수의 니들링 처리 자취 (30) 가 형성되어 있고, 이들 자취를 따라 다수의 섬유가 배향되어 있는 것을 확인할 수 있다.

특히, 시트 부재 (24) 에 포함된 섬유의 배향 각도 α (시트의 두께 방향(Z 방향)에 대한 섬유의 배향 각도)는 0° 보다 크고 85°이하인 것이 바람직하고 45° ~ 74°의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하다. 왜냐하면 섬유의 배향 각도 α 가 45° 이상인 경우에, 시트 부재에 현저한 인장 강도의 증대 효과가 얻어지게 되기 때문이다. 또한, 섬유의 배향 각도가 75°를 초과하면, 이와 같은 섬유 배향 각도 α 를 갖는 시트 부재를 니들링 처리에 의해 제작하는 경우, 니들링 처리 중에 니들에 의해 손상을 입는 섬유량이 증가한다. 따라서 시트 부재의 두께 방향에 수직한 방향에서의 시트 부재의 인장 강도가 저하되어 버린다.

또한, 니들링 처리 후에 시트 부재 (24) 에 결합재를 함침시키는 것이 바람직하다. 시트 부재 (24) 가 결합재를 포함함으로써, 시트 부재 (24) 의 부피를 제한할 수 있는 것 외에, 섬유끼리 모여 더 견고하게 강하게 결합하게 된다. 따라서 시트 부재 (24) 의 절단 가공시에, 또는 이 시트 부재 (24) 를 후술의 도 4와 같이, 지지 시일재 (15) 로 하여 배기가스 처리체 (20) 에 둘러 감는 때, 또는 금속 쉘 (12) 에 봉입하는 때에 섬유가 비산되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이와 같은 지지 시일재 (15) 를 포함한 배기가스 처리 장치 (10) 에 고온의 배기가스가 도입되는 경우, 지지 시일재 (15) 의 유기 결합재가 소실되기 때문에, 압축되어진 지지 시일재 (15) 가 복원되고, 금속 쉘 (12) 과 배기가스 처리체 (20) 사이에 존재할 가능성이 있는 미세한 공극도 막히게 됨으로써, 지지 시일재 (15) 의 지지력 및 시일성이 향상된다. 결합재로서는 유기 결합재 또는 무기 결합재를 사용할 수 있다. 유기 결합재로서는, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 고무계 수지, 스티렌계 수지 등을 사용할 수 있고, 또는, 무기 결합재로는, 실리카겔, 알루미나 졸 등을 사용할 수 있다.

전술의 방법으로 제작된 시트 부재 (24) 를, 배기 가스 처리체 (20) 의 외주에 둘러 감고 고정한 지지 시일재 (15) 로서 이용할 수 있다. 지지 시일재 (15) 의 형상의 일 예를 도 3 에 나타낸다. 또한 본 발명의 지지 시일재 (15) 는 도 3 의 형상에만 한정되는 것이 아니다. 이 도 3 에서, 지지 시일재 (15) 는 둘러 감는 방향(X 방향)과 수직한 양단면 (71, 71) 에 1 쌍의 결합 볼록부 (50) 와 결합 오목부 (60) 를 갖고 있고, 이 지지 시일재 (15) 가 배기가스 처리체 (20) 에 둘러 감겨지는 때는, 도 4 와 같이, 결합 볼록부 (50) 와 결합 오목부 (60) 가 결합되어 지지 시일재 (15) 가 배기가스 처리체 (20) 에 고정된다. 여기서 본 발명의 지지 시일재 (15) 는, 전술한 바와 같이, 시트 부재 (24) 의 두께 방향에 수직한 방향에 대해 인장 강도가 높다. 따라서 지지 시일재 (15) 를 배기가스 처리체 (20) 에 둘러 감는 때에, 지지 시일재 (15) 의 둘러 감는 방향(X 방향)에 인장 응력이 가해져도, 지지 시일재 (15) 에 균열이나 파단이 발생하기 어렵고, 전술의 문제를 회피할 수 있다. 이 지지 시일재 (15) 가 둘러 감긴 배기가스 처리체 (20) 는 도 4 에 나타낸 것처럼, 예컨대, 압입 방식에 의해 금속 쉘 (12) 내에 설치 된다.

이상과 같이하여 제작된 배기가스 처리 장치 (10) 의 일 구성예를 도 5 에 나타낸다. 이 도 5 의 예에서, 배기가스 처리체 (20) 는 가스 흐름과 평행한 방향으로 다수의 관통 구멍을 가지는 촉매 담지체이다. 촉매 담지체는, 예컨대, 허니컴 형상의 다공질 탄화규소를 포함한다. 또한, 본 발명의 배기가스 처 리 장치 (10) 는 이와 같은 구성에만 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 배기가스 처리체 (20) 를 관통 구멍의 일부가 밀봉된 DPF로 하는 것도 가능하다.

이하, 본 발명의 지지 시일재 (15) 의 제작 방법의 일예를 설명한다.

본 발명의 지지 시일재 (15) 는 시트 부재 (24) 를 포함하고, 이 시트 부재 (24) 는, 이하와 같이 하여 제작할 수 있다.

우선, 무기 섬유를 포함하는 전구체를 제작한다. 이하의 설명에서는, 무기 섬유로서 알루미나와 실리카의 혼합물을 사용할 수 있지만 무기 섬유 재료는 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 알루미나만이 또는 실리카만이 무기 섬유의 구성요소로서 사용될 수 있다. 일 예로써, 염기성 염화 알루미늄 수용액(알루미늄 함유량 70g/l, Al/Cl=1.8(원자비))에 알루미나:실리카 조성비가 60~80:40~20 이 되도록 실리카 졸을 첨가하여, 무기 섬유의 전구체를 제작한다. 알루미나 조성비가 60% 미만이면, 알루미나와 실리카로부터 생성되는 뮬라이트(mullite)의 존재비가 적어지게 되기 때문에, 시트 부재 (24) 의 열전도도가 높아지고, 충분한 단열을 얻을 수 없게 된다. 특히, 알루미나:실리카 조성비는, 70~74:30~26 정도로 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 이 알루미나 섬유의 전구체에 폴리비닐알코올 등의 유기 중합체를 첨가한다. 그리고나서 이 액체를 농축하여 방적액을 조제한다. 또한, 이 방적액을 사용하여 블로잉법에 의해 방적(spinning)을 실시한다.

블로잉법은, 에어 노즐로부터 취출되는 공기 흐름 및 방적액의 공급 노즐로부터 압출되는 방적액의 흐름을 사용하여 방적하는 방법이다. 에어 노즐로부터 의 슬릿 당 가스 유속은 통상 40~200 m/s 이다. 또한, 방적 노즐의 직경은 통상 0.1~0.5 mm 이다. 방적액 공급 노즐 하나 당의 액량은 통상 1~120 ml/h 정도이지만 3~50 ml/h 정도인 것이 바람직하다. 이와 같은 조건에서는, 방적액 공급 노즐로부터 압출된 방적액은 스프레이(안개 형태) 형태로 되지 않고 충분히 퍼지게 되어, 섬유 사이에 밀착되기 어렵다. 이와 같은 이유로, 섬유 직경 분포가 좁은 알루미나 섬유 전구체이더라도 방적 조건을 최적화함으로써 얻을 수 있다.

여기서, 제작된 알루미나 섬유의 평균 길이는, 250 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 500 ㎛ 이상이면 더욱 바람직하다. 섬유의 평균 길이가 250 ㎛ 미만이면, 섬유끼리 서로 충분히 엉켜붙지 않아서 충분한 강도가 얻어지지 않는다. 또한, 무기 섬유의 평균 섬유 직경이 특히 한정되는 것은 아니다. 그러나 본 발명은 이후에 설명하는 바와 같이, 무기 섬유의 평균 섬유 직경이 6 ㎛ 이상이더라도 효과를 얻을 수 있음을 유의할 필요가 있다.

방적이 완료된 전구체를 적층하여 시트 부재를 제작한다. 또한, 이 시트 부재에 대하여, 니들링 장치를 사용하여 니들링 처리를 한다. 여기서, 본 발명의 니들 보드에는 그 니들 보드의 수평면에 대하여 소정의 경사각을 갖도록 니들이 고정되어 있다. 따라서 이 니들 보드를 사용하여 니들링 처리를 함으로써, 섬유가 시트의 두께 방향에 대하여 평행하지 않고 소정의 각도로 배향된 시트 부재를 얻을 수 있다.

다음으로, 특수한 니들링 처리를 실시한 시트 부재를 상온으로부터 가열하여 최고온도 1250℃ 정도에서 연속 소성함으로써, 소정의 단위 면적당 질량을 갖는 시트 부재 (24) 를 얻었다.

취급을 용이하게 하기 위해, 상기와 같은 처리로 얻은 시트 부재 (24) 를 소정의 치수로 절단하였다.

다음으로, 필요에 따라 수지와 같은 유기 결합재를 절단된 시트 부재 (24) 에 함침시켰다. 유기 결합재의 함유량은 1.0~10.0중량%의 범위 내인 것이 바람직하다. 상기 함유량이 1.0중량% 미만이면, 무기 섬유의 분리를 충분히 방지할 수 없다. 또한, 상기 함유량이 10.0중량% 보다 크면, 시트 부재가 유연하지 못하여, 배기가스 처리체 (20) 둘레에 이 시트 부재 (24) 를 둘러 감기가 곤란하다.

또한, 유기 결합재로는, 예컨대, 아크릴계 수지(ACM), 아크릴니트릴-부타디엔 고무(NBR), 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 등을 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 유기 결합재와 물을 가지고 조제한 수분산액을 사용하여, 스프레이 코팅에 의해 시트 부재 (24) 에 수지를 함침시킨다. 또한, 시트 부재 (24) 중에 포함된 여분의 코팅된 고형분 및 수분은 다음의 공정에서 제거한다.

다음으로 여분의 고형분을 제거하고 건조 처리를 실시한다. 여분의 고형분의 제거는 진공 흡인(vacuum aspiration)에 의해 실시한다. 또한, 여분의 수분의 제거는 가열 압축 건조법으로 실시한다. 이 방법에서는, 시트 부재에 가압력이 가해지기 때문에, 여분의 수분을 제거할 수 있음과 함께, 시트 부재의 두께를 얇게 할 수 있다. 건조 처리는 95~155℃ 정도의 온도에서 실시한다. 온도가 95℃보다 낮으면, 건조시간이 길어지고 생산 효율이 낮아진다. 또한, 건 조 온도가 155℃ 를 초과하면, 유기 결합재 자신의 분해가 개시되어 유기 결합재에 의한 접착성이 상실된다.

최종적으로 소정 형상의 시트 부재 (24) 를 얻을 수 있다.

그러므로 알루미나 섬유가 포함되게 되고 유기 결합재가 함침되게 되며, 또한 섬유의 배향 각도가 제어된 시트 부재 (24) 를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 무기 섬유의 전구체를 적층시킴으로써 적층 시트를 얻는 방법에의 적용에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 시트 부재에 포함된 무기 섬유로서, 글라스와 같은 비교적 저융점의 재료를 사용하는 경우, 소위, 용융 블로잉 법에 의해 시트 부재를 제작할 수 있다. 용융 블로잉 법은 직접 고속의 유체를 사용하여 무기 재료의 용융체를 불어 날려(blow off), 시트 부재를 제작하는 방법이다. 또한, 시트 부재를 제작하는 다른 방법으로서, 소위 초조법(抄造法)(paper scooping method)을 사용하여도 된다. 이 방법은, 바닥에 미세한 구멍이 뚫린 초조형(paper scooping mold)에 무기 섬유의 슬러리를 부어 넣고, 이 초조형을 흡인 탈수하여 시트 부재를 얻는 방법이다. 이들 방법으로 얻은 시트 부재에 대해, 전술의 니들링 처리를 실시함으로써, 무기 섬유가 시트의 두께 방향에 대하여 소정의 각도로 배향된 시트 부재를 얻을 수 있고, 이렇게 하여 시트 부재의 인장 강도를 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 효과를 실시예를 통해 설명한다.

다음 절차에 의해 시트 부재를 제작하였다.

[시트 부재의 제작]

염기성 염화 알루미늄 수용액(알루미늄 함유량:70g/l, Al/Cl=1.8 (원자비))에, 알루미나 섬유의 조성이 Al₂O₃:SiO₂=72:28 이 되도록 실리카 졸을 배합하여, 알루미나 섬유의 전구체를 형성하였다.

다음으로 알루미나 섬유의 전구체에, 폴리비닐알코올 등의 유기 중합체를 첨가하였다. 또한, 이 액을 희석하여 방적액(spinning solution)으로 하고, 이 방적액을 사용하여 블로잉법(blowing method)으로 방적을 실시하였다.

그리고나서, 알루미나 섬유의 전구체를 접은 것을 적층하여, 알루미나 섬유의 적층 시트를 제작하였다. 100 cm² 당 500개의 니들을 갖는 니들 보드를 사용하여 이 적층 시트에 대해 니들링 처리를 실시하였다. 니들의 설치 각도는 보드 평면에 수직인 방향에 대해 5°로 하였다. 따라서 니들링 처리 후에는 섬유의 배향 각도 α 가 거의 5°의 시트 부재가 얻어졌다.

다음으로, 얻은 시트 부재를 상온으로부터 최고온도 1250℃ 까지 연속하여 소성하여, 단위 면적당 질량이 1160g/cm² 인 알루미나 섬유의 시트 부재를 얻었다. 알루미나 섬유의 평균 섬유 직경은 5.0 ㎛ 였고, 최소 직경은 3.2 ㎛ 였다. 또한, 시트 부재의 두께는 9 mm 였다.

또한, 이하의 방법으로 섬유의 평균 직경을 측정하였다. 우선, 알루미나 섬유를 실린더에 집어넣고, 20.6 Mpa 에서 가압분쇄 처리하였다. 그리고나서 이들 시료를 여과 망(filter net)에 넣고, 이 여과 망을 통과한 시료를 전자 현미경 관찰용 시험체로 하였다. 이 시험체의 표면에 금(gold)을 증착시킨 후, 배 율이 거의 1500 배 정도의 전자 현미경 사진을 촬영하였다. 얻어진 사진을 바탕으로 하여 적어도 40개의 섬유에 대해 그 섬유의 직경을 측정한다. 이 조작을 5개의 시료에 대해서 반복하고, 측정값의 평균을 섬유의 평균 직경으로 하였다.

[시트 부재의 절단]

상기 공정으로 제작된 시트 부재를, 길이 1270 mm, 너비 1280 mm 의 크기가 되도록 절단하였다.

[유기 결합재 함침]

절단된 시트 부재에 유기 결합재를 함침시켰다. 아크릴 수지 수분산액(acryl resin aqueous dispersion)(일본 제온:LX803; 고형분 농도 50±10%, pH 5.5~7.0)을 수지 농도가 1.0~10.0중량%의 범위가 되도록 제조하여 함침액을 얻었다. 다음으로 스프레이 코팅에 의해, 시트 부재에 이 함침액을 함침시켰다.

[고형분의 흡인]

알루미늄 결합재를 함침시킨 후의 시트 부재에는, 소정량을 초과하는 고형분이 부착되어 있기 때문에, 고형물의 흡인 처리(3초 정도)에 의해서, 여분의 고형분을 제거하였다. 이 처리 후에, 중량법(weighting method)으로 확인한 결과 시트의 유기 결합재의 함침율은 10중량% 였다.

[가열 압축 건조 처리]

흡인 공정 후의 시트 부재를 사용하여, 건조 온도 95~155℃ 에서 가열 압축 건조 처리를 실시하였다. 최종적인 시트 부재의 평균 두께는 약 8 mm 였다. 상기 공정을 통해 얻은 시트 부재를 실시예 1로 한다.

다음으로, 니들링 처리에 사용되는 니들 보드에 설치된 니들의 각도를 0~85°의 범위로 변경한 것 이외에는, 상기 공정과 동일한 처리에 의해, 실시예 2~7 및 비교예 1 의 시트 부재를 제작하였다. 따라서, 이러한 실시예 및 비교예에서는, 시트 부재 내의 섬유의 배향 각도 α 가 실시예 1과는 다르지만, 그 외의 제작 조건은 실시예 1 의 시트 부재의 제작 조건과 동일하다.

또한, 알루미나 섬유의 평균 섬유 직경이 5.8 ㎛ 가 되도록 하고, 니들의 설치 각도를 0 ~ 85°의 범위로 변경하여 전술의 시트 부재의 제작 공정을 실시한 이외에는, 동일한 공정에 의해 실시예 8~14 및 비교예 2 의 시트 부재를 제작하였다. 또한, 이들 시트 부재의 무기 섬유의 배향 각도 α 를 표 1 에 나타낸다.

또한, 알루미나 섬유의 평균 섬유 직경이 7.2 ㎛ 가 되도록 하고, 니들의 설치 각도를 0 ~ 85°의 범위로 변경하여 전술의 시트 부재의 제작 공정을 실시한 이외에는, 동일한 공정에 의해 실시예 15~21 및 비교예 3 의 시트 부재를 제작하였다. 또한, 이들 시트 부재의 무기 섬유의 배향 각도 α 를 표 1 에 나타낸다.

다음으로 얻어진 시트 부재를 소정의 형상으로 절단한 시료를 사용하여, 인장 시험을 실시하였다. 이하, 시험 결과에 대하여 설명한다.

[인장 시험 결과]

인장 시험에는, 전술의 방법으로 제작한 실시예 1~21 및 비교예 1~3의 시트 부재를 150×50 mm로 절단한 것을 시료로서 사용하였다. 이들 시험에는 만능 시험기(인스트론(instron)사 제조)가 사용되었고, 상기 시료의 단변(短邊)측의 양단부를 고정간 거리가 50 mm 가 되도록 고정한 상태에서 시작하였다. 시험 중에 상기 상태에서 일방의 단부를 10mm/min 의 속도로 인장하고, 시료가 파단 될 때의 강도(이하, 인장 강도로 부름)를 측정하였다.

그 결과를 표 1 에 나타낸다. 또한, 무기 섬유의 평균 입자 직경이 5.8 ㎛ 의 시트 부재에 있어서, 섬유의 배향 각도 α 에 대한 인장 강도의 변화를 도 6 에 나타낸다. 이 결과로부터, 시트 부재의 두께 방향에 대해 섬유가 소정의 배향 각도 α 를 가지는 경우(실시예 8~14의 경우), 섬유가 두께 방향에 대해 평행으로 배향된 시트 부재(비교예 2 의 경우)에 비해서 시트 부재의 인장 강도가 증대되는 것이 확인되었다. 특히, 시트 부재 중에 포함된 무기 섬유의 배향 각도 α 가 45°이상이고 75°이하의 범위에 있는 경우, 섬유가 두께 방향으로 배향된 시트 부재에 비하여, 인장 강도는 대략 25% 더 크게 되었다. 도 6 에 있어서, 인장 강도는 배향 각도 α 가 0°보다 크고 45°이하의 범위에서는 배향 각도 α 가 증가함에 따라 점진적으로 증대된다. 그러나 배향 각도 α 가 더욱 커지게 되면, 감소하는 경향이 있다. 이것은 섬유의 배향 각도 α 의 증대에 기인한 강도 향상 효과가 섬유의 손상에 의한 강도 저하의 영향에 의해 상쇄되어 버리기 때문인 것으로 생각된다. 즉, 섬유의 배향 각도 α 가 커지게 되면, 시트의 두께 방향에 대해서 일정 깊이까지 니들을 도달시키기 위해서는, 시트를 궤찌르는 니들 거리를 길게 할 필요가 있다. 이 경우, 시트 내의 섬유가 니들의 빼고 꽂음에 의해 훼손을 받는 빈도가 더 많아지기 때문에, 섬유 자체의 강도가 저하되어 버린다. 그러므로 섬유의 배향 각도 α 가 45°를 초과한다면, 섬유를 배향시킴에 기인한 시트 부재의 강도 향상 효과가 이러한 영향에 의해 발현되지 않는 것으로 생각된다. 또한, 도 6 에서의 배향 각도 α 와 인장 강도 사이의 관계는, 무기 섬유의 평균 섬유 직경이 5.0 ㎛ 및 7.2 ㎛ 의 경우도 같은 것으로 확인되었다.

도 7 은 무기 섬유의 각 배향 각도 α 에 있어서, 평균 섬유 직경과 인장 강도 사이의 관계를 나타낸다. 전술의 이유로 인해, 시트 부재 중의 무기 섬유의 평균 섬유 직경이 증대되면, 전반적으로 인장 강도는 저하되는 경향이 있다. 그러므로 과거의 경험 및 실시예의 결과에 따르면, 시트 부재의 인장 강도가 40N/(25mm 폭)을 초과하면, 이 시트 부재를 배기 가스 처리 장치의 지지 시일 부재로서 사용하는 경우, 지지 시일재를 배기 가스 처리체에 감아 말 때, 지지 시일재에 균열이나 파단이 발생하기 어렵고, 이 지지 시일재의 취급성이 양호한 것으로 말할 수 있다. 평균 섬유 직경이 5.8 ㎛ 미만인 경우에는, 시트 부재 중의 섬유의 배향 각도 α 가 0°이더라도, 그 인장 강도는 40N/(25mm 폭)을 넘는다. 그러나 평균 섬유 직경이 5.8 ㎛ 보다 크면, 섬유가 시트의 두께 방향으로 배향된 시트 부재(배향 각도 α=0°의 시트 부재)의 인장 강도는 40N/(25mm 폭)을 밑돈다. 한편, 섬유의 배향 각도 α 가 0°보다 큰 시트 부재에서는, 시트 부재의 평균 섬유 직경이 7.2 ㎛ 이더라도, 인장 강도가 40N/(25mm×25mm)를 넘는다. 따라서 섬유가 시트의 두께 방향과는 다른 각도로 배향된 시트 부재는 평균 섬유 직경이 6 ㎛ 이상으로 증대되더라도 지지 시일재로서 사용할 수 있다.

본 발명의 지지 시일재 및 배기가스 처리장치는 차량용 배기가스 정화장치 에 적용될 수 있다.

본 발명은 구체적으로 개시된 실시예에만 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 수정을 가할 수 있다.

본 출원은 2005년 10월 7일 출원된 일본 특허출원 제2005-295527호 및 2005년 11월 25일 출원된 일본 특허출원 제2005-340960호를 바탕으로 한 것으로, 이들 출원의 전체 내용이 여기에 참조로 포함되어 있다.

본 발명에 따르면, 무기 섬유를 갖는 시트 부재를 포함하며, 배기 가스 처리 장치를 지지하기 위한 지지 시일재(holding sealer)로서, 상기 무기 섬유는 상기 시트 부재의 적어도 일부에 있어서, 상기 시트 부재의 두께 방향에 대해서 평행한 방향을 제외하고 소정 각도로 배향되는 것을 특징으로 하는 지지 시일재가 제공된다. 이와 같이 만들어진 지지 시일재는 배기가스 처리체에 대한 둘러 감음 방향에 대한 인장 강도가 크고 배기가스 처리 장치에 조립될 때의 취급성이 월등하다.

Claims

무기 섬유를 갖는 시트 부재를 포함하며 배기 가스 처리 장치를 지지하기 위한 지지 시일재(holding sealer)로서,

상기 무기 섬유는, 상기 시트 부재의 적어도 일부에 있어서, 상기 시트 부재의 두께 방향에 대해 평행한 방향을 제외하고 소정 각도로 배향되는 것을 특징으로 하는 지지 시일재.
제 1 항에 있어서,

상기 무기 섬유의 배향이 상기 시트 부재 내에 국부적으로 존재하는 것을 특징으로 하는 지지 시일재.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 무기 섬유의 배향은 상기 시트 부재를 니들링(needling) 처리함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 지지 시일재.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 시트 부재의 두께 방향에 대한 상기 무기 섬유의 배향 각도는 0°보다 크고 85°이하인 것을 특징으로 하는 지지 시일재.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 시트 부재의 두께 방향에 대한 상기 무기 섬유의 배향 각도는 45°에서 75°의 범위 내인 것을 특징으로 하는 지지 시일재.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 시트 부재가 결합재(binder)를 포함하는 것을 특징으로 하는 지지 시일재.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 무기 섬유의 평균 직경은 6 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 지지 시일재.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

무기 섬유는 알루미나와 실리카의 혼합물인 것을 특징으로 하는 지지 시일재.
배기 가스 처리체 및 이 배기 가스 처리체의 외주면의 적어도 일부분에 감겨 진 지지 시일재를 갖는 금속 쉘을 포함하는 배기 가스 처리 장치로서,

상기 지지 시일재는 무기 섬유를 갖는 시트 부재를 포함하고, 상기 무기 섬유는, 상기 시트 부재의 적어도 일부에 있어서, 상기 시트 부재의 두께 방향에 대 해 평행한 방향을 제외하고 소정 각도로 배향되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 배기 가스 처리체는 촉매 담지체 또는 배기 가스 필터인 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.