CN100410506C - 废气净化装置的末端锥体部用绝热材料 - Google Patents

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Abstract

提供具有比现有产品更高的绝热性的同时，具有高耐风蚀性、组装时的操作性优异，并且耐剥离强度高的末端锥体部用绝热材料。所述废气净化装置的末端锥体部用绝热材料，其是装配于废气净化装置中的末端锥体部的绝热材料，是将多枚由氧化铝-氧化硅类陶瓷纤维形成的片层积制成垫，在该垫的片层积方向上实施针刺来形成的，其中，所述垫使用的陶瓷纤维的组成为：氧化铝∶氧化硅＝60～80∶40～20。

Description

废气净化装置的末端锥体部用绝热材料
技术领域
本发明涉及废气净化装置的末端锥体部用绝热材料，尤其涉及装配于末端锥体中使用的绝热材料，所述末端锥体是将废气从排气管导入该废气净化装置的催化剂转换器主体的部分或者是将废气从排气管排出的部分。
背景技术
作为由外锥体1和内锥体2形成的末端锥体e(参照图1)部用绝热材料，以往一直使用的绝热材料3(参照图2)是将由氧化铝(Al2O3)-氧化硅(SiO2)的组成比为50∶50的氧化铝-氧化硅类陶瓷纤维的片进行层积而形成的。例如，专利文献1、专利文献2等公开的绝热材料。但是，在高热传导性方面，这些文献公开的绝热材料在大于等于850℃的高温下有耐热性差的问题。此外，装配于末端锥体时，这些绝热材料在对于由于废气导致的热曝露、风蚀的耐久性方面也存在问题，进一步，这些绝热材料成型时难以较好地适合末端锥体部的结构，并且在组装等操作性方面也存在问题。
[专利文献1]特开平11-117731号公报
[专利文献2]US No.5250269
发明内容
而且，近年来，随着发动机的高输出功率化，发动机转数有增加的趋势，此外，为了节省发动机的燃料消耗量，发动机小排量化，因此有增加转数来提高输出功率的趋势。在这样的情况下，发动机驱动时的废气温度升高，以往废气温度为700℃～900℃，而近年来废气温度变为了900℃～1000℃。因此，对于末端锥体部用绝热材料，最近产生了对其进行设计的必要性，以使其能够充分耐受温度比以往更高的废气。
而且，在这种高温环境下，末端锥体部用绝热材料更容易被风蚀，此时产生的颗粒有可能使催化剂层发生堵塞。此外，由于绝热材料的风蚀，末端锥体部的绝热能力受损，催化剂活性丧失，排气管发生损伤。
进一步，具有上述组成的以往的氧化铝-氧化硅类陶瓷纤维，不仅难以向排气管组装，而且在进行这样的组装时还有发生绝热材料的剥离等问题。
因此，本发明的目的在于提供一种末端锥体部用绝热材料，其表现出比以往产品更高的绝热性的同时，具有高耐风蚀性，能够充分耐受高温废气产生的热和风压。
此外，本发明的目的还在于提供一种末端锥体部用绝热材料，其组装时的操作性优异，并且组装时的耐剥离强度高。
发明人对解决现有技术中存在的上述问题，实现上述目的的方法进行精心研究，结果发现下述的废气净化装置的末端锥体部用绝热材料是有效的，该绝热材料是装配于废气净化装置中的末端锥体部的绝热材料，是将由氧化铝-氧化硅类陶瓷纤维形成的片进行层积制成的垫，并且在该垫的片层积方向上实施针刺，其特征在于，上述垫中使用的陶瓷纤维的组成为氧化铝∶氧化硅＝60～80∶40～20。
本发明中，氧化铝和氧化硅的组成比进一步优选为70～74∶30～26，此外，上述陶瓷纤维的平均纤维长优选为50μm～100mm，此外，上述针刺中实施在垫面上的相邻的各针相互之间的距离优选为1mm～100mm，而且，上述针刺的取向角度(A)优选对于垫面的垂直方向倾斜小于等于60°。
根据本发明，可以提供具有高绝热性，并且具有能够充分耐受高温废气产生的热和风压的高耐风蚀性的末端锥体部用绝热材料。
此外，根据本发明，可以提供组装操作性优异，同时在上述组装时的耐剥离强度高的末端锥体部用绝热材料。
附图说明
[图1]说明废气净化装置的一个例子的剖面图。
[图2]垫的立体图和详细说明垫结构的简单线图。
[符号说明]
1外锥体
2内锥体
3垫
4针
具体实施方式
本发明中，通过将连续的片状物每隔规定的长度折叠进行层积或将每隔规定的长度切断的多个片重叠进行层积来制造垫，在垂直于该垫面的片层积方向上实施针刺来形成的末端锥体部用绝热材料；所述连续片状物是利用溶胶凝胶法对氧化铝-氧化硅类陶瓷纤维进行喷吹(blowing)得到的，其特征在于，使含有针的上述垫的组成为氧化铝∶氧化硅＝60～80∶40～20。
本发明中，上述氧化铝-氧化硅类陶瓷纤维优选利用下述的氧化铝-氧化硅类陶瓷纤维(下文，只称“氧化铝质纤维”)的前体，例如，在Al/Cl＝1.8(原子比)的碱性氯化铝水溶液(铝含量为70g/l)中加入氧化硅溶胶，使由氧化铝与氧化硅的组成比为60～80∶40～20所形成的氧化铝-氧化硅类陶瓷纤维的前体。如上所述限定该氧化铝质纤维的前体的组成是由于若氧化铝的含量小于60质量％或氧化硅的含量在40质量％以上，则氧化硅富余，从而耐热性不够，热斥力减小。
另一方面，若氧化铝的含量超过80质量％或氧化硅的含量在20质量％以下，则氧化铝富余，从而脆性升高，韧性降低，不能得到对抗车辆导致的振动、废气冲击的纤维强度。
而且，上述组成优选为70～74∶30～26。
此外，在上述氧化铝质纤维的前体中，进一步，加入聚乙烯醇等有机聚合物后浓缩，调整纺丝溶液后，使用该纺丝溶液通过喷吹(blowing)法进行纺丝得到氧化铝质纤维。在如上进行制造时，通过调整喷吹时的出风口径使平均纤维长为50μm～100mm的长度，如此得到氧化铝质纤维。这是因为若该氧化铝质纤维的长度小于50μm时，进行针刺时纤维之间不能较好地缠绕，从而不仅强度不够，而且与废气相接触时，还易被风蚀。另一方面，若超过100mm，则由于纤维长度过长，针刺对垫厚度的约束力降低，垫体积增大，难以组装。而且，该纤维的平均纤维长优选为10mm～70mm。
接着，利用溶胶凝胶法，喷吹上述所得的氧化铝质纤维进行纤维化后，进行层积，制造氧化铝质纤维的层积片，即垫。对如此制造的由氧化铝质纤维形成的垫进行针刺处理。
另外，进行这种针刺处理是为了抑制氧化铝质纤维形成的片经折叠或层积后的体积，使其薄且硬从而易操作，同时可对片层积之间进行强化。通过该处理，引入在垂直于氧化铝质纤维片的垫面的方向(片层积的厚度方向)上的氧化铝质纤维，即引入在指向纵方向的方向上的氧化铝质纤维，这成为氧化铝质纤维在三维方向上复杂地缠绕取向的原因，进一步，构成氧化铝质纤维的垫的层积片的层积之间得到强化。
如此进行针刺处理时，在层积片的厚度方向上插入的针在水平方向(XY方向)上的相邻针之间的距离为1mm～100mm，优选为2mm～10mm。这是因为，若该距离小于1mm，则不能得到充分的层间的强化，组装于排气管末端锥体部时可能引起层间的剥离；而且另一方面，若超过100mm，则虽然通过针刺而在片的厚度的方向上插入纤维，但即使通过这种取向也不能得到充分的弹力，装配于排气管末端锥体部时，有可能脱落。此外，如图2所示，将针刺取向方向的长度设为s，将垫的厚度设为h，此时，将s和h所成的角度设为针刺取向角度A时，以使A(h/s)＝0.5～0.87的角度来进行针刺。
接着，对如上述所述那样实施了针刺处理的氧化铝质纤维的垫(层积片)从常温开始升温，在最高温度1250℃±50℃进行连续烧制，得到具有规定厚度和组成的氧化铝质纤维的层积片。
对于如此得到的氧化铝质纤维的垫(连续层积片)，为了在后续工序中操作作业容易，进行裁断。此时必须注意的是，对氧化铝纤维的垫所含有的所谓渣球的氧化铝球状固体物进行管理是有效的。这种渣球是在对纺丝溶液进行喷吹过程中生成的，若渣球大于等于7质量％，则向末端锥体部安装时，有可能导致氧化铝质纤维的损伤。在针刺处理后的垫的堆密度(GBD)为0.2g/cm3～0.55g/cm3的情况下，该现象尤为显著。若产生了上述纤维的损伤，则与高温废气接触时易被风蚀，由于此时产生了纤维屑，所以催化剂层易发生堵塞。
接着，利用有机粘合剂，对裁断的垫(连续层积片)实施浸渗处理。进行该处理是因为，这在将绝热材料向末端锥体部安装时有助于使该操作容易。作为上述有机粘合剂，可以使用各种橡胶、热塑性树脂、热固性树脂等。作为其中的橡胶类，可以使用天然橡胶；丙烯酸乙酯和氯乙基乙烯基醚的共聚物、丙烯酸正丁酯和丙烯腈的共聚物、丙烯酸乙酯和丙烯腈的共聚物等丙烯酸橡胶；丁二烯和丙烯腈的共聚物的腈橡胶；丁二烯橡胶等。作为热塑性树脂，可以举出，丙烯酸类树脂，例如丙烯酸、丙烯酸酯、丙烯酰胺、丙烯腈、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯等的均聚物和共聚物；丙烯腈-苯乙烯共聚物；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物等。此外，作为热固性树脂，可以使用双酚型环氧树脂、酚醛型环氧树脂等。上述有机粘合剂中，作为丙烯酸或甲基丙烯酸类的聚合物的丙烯酸类树脂等是有效的。
该浸渗处理具体如下：用上述丙烯酸类树脂和水制成水分散液，使该分散液浸渗到垫面中。此外，该浸渗处理中，通常，上述氧化铝质纤维的垫含有水分的同时大多含有大于等于必要量的树脂(固体成分)，因此必须除去过量的固体成分。作为除去该固体成分的方法，可以用1kPa～50kPa程度的吸引力吸引1秒或更长的时间来除去该固体成分。
而且，该阶段中，上述氧化铝质纤维的层积片中，除了固体成分以外还含有水分，在这种状态下该水分也必需除去。通过加热加压干燥来进行除去该水分的工序。该工序中，在除去多余的水分的同时，对含有有机粘合剂的该氧化铝质纤维的垫本身也进行了压缩，这样不仅向排气管的末端锥体部安装时的操作容易，而且受到高温废气的影响该有机粘合剂燃烧消失，被压缩的氧化铝质纤维的垫膨胀复原，从而垫被牢固地保持在外锥体与内锥体之间。
优选在上述压缩干燥的温度为95℃～155℃进行压缩干燥。若干燥温度低于95℃则干燥时间延长，生产效率降低。另一方面，若干燥温度大于155℃，则有机粘合剂开始分解，从而有损有机粘合剂的粘着力。优选干燥时间大于等于100秒来进行压缩干燥，若比该时间短则不能充分干燥。此外，对于该干燥时进行的加压，在使压缩后的厚度为4mm～15mm、5Mpa～30Mpa的加热条件下进行，但是例如，若压缩后的厚度小于4mm，压力高于30Mpa，则导致氧化铝质纤维等陶瓷纤维的损伤。另一方面，若压缩后的厚度大于15mm，并且压力低于5Mpa，则不能得到必要的压缩效果。
然后，将经上述加热加压干燥的氧化铝质纤维等陶瓷纤维的垫(层积片)切断，制成末端锥体部用绝热材料。
[实施例]
实施例1
(垫：层积片的制造)
在铝含量为70g/l、Al/Cl＝1.8(原子比)的碱性氯化铝水溶液中，加入氧化硅溶胶使氧化铝质纤维的组成为Al2O3∶SiO2＝72±2∶28±2，得到作为陶瓷纤维的氧化铝质纤维的前体。接着，对于该氧化铝质纤维的前体，加入聚乙烯醇等有机聚合物，调整浓缩后的纺丝溶液，使用该纺丝溶液用喷吹方法来制造氧化铝纤维的连续片，并且纺丝时通过调整进行喷吹的出风口径使平均纤维长为60mm。通过层积来制造氧化铝质纤维的积层片。
在如此制造的氧化铝质纤维的层积片上，进行针刺处理，使针刺相互之间距离为2mm，针刺取向角度A＝0.7。接着，将该连续层积片从常温升温，在最高温度为1250℃±50℃时进行连续烧制，得到1050g/cm2的氧化铝质纤维的连续层积片。
(层积片的裁断)
将如此制成的氧化铝质纤维的连续层积片，裁断成长为500mm～1400mm×宽为50000mm～55000mm、厚度为10mm的大小，制成垫。
对于该垫中含有的渣球，使用筛和称量计进行调整，使该垫中的大于等于45μm的渣球小于等于7质量％。
(树脂浸渗)
为了对在上述工序中得到的由氧化铝质纤维的连续层积片形成的垫进行有机树脂的浸渗，制作调整后树脂浓度为0.5质量％～30质量％的丙烯酸类树脂水分散液(固体成分浓度为50质量％±10质量％，pH：5.5～7.0)，使用该丙烯酸类树脂水分散液，在输送设备上，对裁断成1280mm的上述垫的表面进行树脂浸渗处理。而且，在该阶段中，在氧化铝质纤维的连续层积片形成的垫上附着了大量的固体成分。
(固体成分的吸引)
为了除去树脂浸渗处理后附着在上述垫上的过量的固体成分，进行吸引。进行该处理时，对上述垫用5kPa～50kPa的吸引力吸引至少1秒来除去固体成分。据此处理，相对于用称量计测定的垫的重量，树脂浸渗率为55质量％。
(干燥)
对完成了吸引工序的氧化铝质纤维的垫，在干燥温度为95℃～155℃、干燥时间大于等于100秒、干燥时的压缩幅为4mm～15mm的条件下进行加热加压干燥。
如上操作，制得的氧化铝质纤维垫厚度为3mm～15mm，其中相对得到的氧化铝质纤维的垫用称量计测定的垫的重量，树脂装载率为10质量％。而且，必要时，进行垫的模冲压。
实施例2
(垫：层积片的制造)
在铝含量为70g/l、Al/Cl＝1.8(原子比)的碱性氯化铝水溶液中，加入氧化硅溶胶使氧化铝质纤维的组成为Al2O3∶SiO2＝72±2∶28±2，得到作为陶瓷纤维的氧化铝质纤维的前体。接着，对于该氧化铝质纤维的前体，加入聚乙烯醇等有机聚合物，调整浓缩后的纺丝溶液，使用该纺丝溶液用喷吹方法进行纺丝。
此时，调整喷吹时的出风口径使氧化铝质纤维的平均纤维长为12mm，得到平均纤维长为12mm的氧化铝质纤维。然后进行层积来制造氧化铝纤维的连续片，制成氧化铝质纤维的连续片。
在如此制成的氧化铝质纤维的层积片上，进行针刺处理，使针刺相互之间距离为2mm，针刺取向角度A＝0.7。接着，将该连续层积片从常温升温，在最高温度1250℃±50℃进行连续烧制，得到1050g/cm2的氧化铝质纤维的连续层积片。
(层积片的裁断)
将如此制成的氧化铝质纤维的连续层积片，裁断成长为500mm～1400mm×宽为51000mm～52500mm、厚度为10mm的大小，制成垫。
对于该垫中含有的渣球，使用筛和称量计进行调整，使该垫中的大于等于45μm的渣球小于等于7质量％。
(树脂浸渗)
为了对在上述工序中得到的由氧化铝质纤维的连续层积片形成的垫进行有机树脂的浸渗，制作调整后树脂浓度为0.5质量％～30质量％的丙烯酸类树脂水分散液(固体成分浓度为50质量％±10质量％，pH：5.5～7.0)，在输送设备上，对裁断成500mm～1400mm的上述垫的表面以浇洒该丙烯酸类树脂水分散液方式进行树脂浸渗处理。而且，在该阶段中，在由氧化铝质纤维的连续层积片形成的垫上附着了大量的固体成分。
(固体成分的吸引)
为了除去树脂浸渗处理后附着在上述垫上的过量的固体成分，进行吸引。进行该处理时，对上述垫用5kPa～50kPa的吸引力吸引至少1秒来除去固体成分。据此处理，对于用称量计测定的垫的重量，树脂浸渗率为55质量％。
(干燥)
对完成了吸引工序的氧化铝质纤维的垫，在干燥温度为95℃～155℃、干燥时间大于等于100秒、干燥时的压缩幅为4mm～15mm的条件下进行加热加压干燥。
制得厚度为3mm～15mm的氧化铝质纤维垫，相对如此得到的氧化铝质纤维的垫用称量计测定的垫的重量，树脂装载率为10质量％，而且，必要时，对垫的进行模冲压。
参考例1
如实施例1，其中，在铝含量为70g/l、Al/Cl＝1.8(原子比)的碱性氯化铝水溶液中，加入氧化硅溶胶使氧化铝质纤维的组成为Al2O3∶SiO2＝80±2∶20±2，除此以外，与实施例1同样地操作来得到氧化铝质纤维的垫。
参考例2
如实施例1，其中，在铝含量为70g/l、Al/Cl＝1.8(原子比)的碱性氯化铝水溶液中，加入氧化硅溶胶使氧化铝质纤维的组成为Al2O3∶SiO2＝60±2∶40±2，除此以外，与实施例1同样地操作来得到氧化铝质纤维的垫。
参考例3
如实施例1，其中，用喷吹法进行纺丝后，进行切断使完成纺丝后的氧化铝质纤维的平均纤维长为0.25mm，除此以外，与实施例1同样地操作来得到氧化铝质纤维的垫。
参考例4
如实施例1，其中，使针刺取向角度A＝0.42来实施针刺，除此以外，与实施例1同样地操作来得到氧化铝质纤维的垫。
参考例5
如实施例1，其中，按针刺间距为10mm实施针刺，除此以外，与实施例1同样地操作来得到氧化铝质纤维的垫。
比较例1
调整垫的层用水性浆，其中，相对100质量份氧化铝质纤维，含有的有机粘合剂(丙烯酸乳液)的比例为8质量份，所述氧化铝质纤维是如下得到的：将氧化硅溶胶添加后的组成为Al2O3∶SiO2＝50±2∶50±2的原料电气溶解，利用高压空气流进行喷吹进行纤维化，形成平均纤维长为2mm的氧化铝质纤维。接着，首先，使垫层用水性浆附着在200目的不锈钢制的平面状网形的表面上，进行吸引脱水，得到厚度为8mm的湿润成型体。对该湿润成型体进行挤压加压，得到厚度为5mm的湿润成型体。接着，在100℃～140℃下将该湿润成型体干燥1小时，得到组成为Al2O3∶SiO2＝50±2∶50±2的陶瓷纤维绝热材料。
比较例2
如实施例1，其中，在铝含量为70g/l、Al/Cl＝1.8(原子比)的碱性氯化铝水溶液中配合氧化硅溶胶，按使氧化铝质纤维的组成为Al2O3∶SiO2＝85±2∶15±2加入氧化硅溶胶，除此以外，与实施例1同样地操作来得到氧化铝质纤维的垫。
比较例3
如实施例1，其中，在铝含量为70g/l、Al/Cl＝1.8(原子比)的碱性氯化铝水溶液中配合氧化硅溶胶，按使氧化铝质纤维的组成为Al2O3∶SiO2＝55±2∶45±2加入氧化硅溶胶，除此以外，与实施例1同样地操作来得到氧化铝质纤维的垫。
比较例4
如实施例1，其中，用喷吹法进行纺丝后，进行切断使完成纺丝后的纤维的平均纤维长为0.2mm，除此以外，与实施例1同样地操作来得到氧化铝质纤维的垫。
比较例5
如实施例1，其中，按针刺取向角度A＝65实施针刺，除此以外，与实施例1同样地操作来得到氧化铝质纤维的垫。
比较例6
如实施例1，其中，按针刺间距为12mm实施针刺，除此以外，与实施例1同样地操作来得到氧化铝质纤维的垫。
Figure C20061000293000131
而且，在下述的条件下进行上述实施例、比较例、参考例的垫的特性试验。
(平均纤维长测定)
用镊子从样品中取出纤维，放在载玻片上，使用物镜为40×10的偏光显微镜，用刻度尺测定在显微镜上映出的任意100点的纤维长度。
由该试验结果可知，氧化铝质纤维的平均纤维长大于等于50μm是有必要的。此外可知，该平均纤维长的上限为100mm。
(热传导率)
将样品切成100mm×100mm，叠合、压缩样品，并对样品进行重量调整，使一定的堆密度为0.3g/cm3。接着，将加热线圈和热电偶夹在垫的中心附近，进一步，用压缩板夹样品，进行调整使所夹的样品的厚度为100mm。然后，将该样品放入电气炉，温度(600℃～1000℃)稳定后进行测定。该测定时，将每隔大于等于10分钟的间隔，在相同的温度下测定，至少重复测定3次，以测定的平均值作为热传导率，以温度和热传导率制图。
由该试验的结果可知，在堆密度(GBD)为0.2g/cm3～0.4g/cm3的情况下，必须使热传导率小于等于0.2W/m×K。此外，在600℃～800℃的温度的热传导率必须小于等于0.15W/m×K，在800℃～1000℃的温度的热传导率必须小于等于0.18W/m×K。
(风蚀性)
将样品切成40mm×25mm，使用调距器和SUS制夹具，进行压缩，使样品的堆密度为0.3g/cm3，然后将样品安装在加热至800℃的风蚀试验炉，放置1小时。通过空气喷嘴使样品曝露在1.5kg/cm2的压力下，曝露3小时，测定试验后的风蚀距离。接着，算出每3小时的风蚀距离，制成GBD-风蚀距离的图，对于在3小时以内贯通样品的情况，将温度急剧变化的时候作为贯通点，算出其试验时间。
由该试验结果可知，在堆密度(GBD)为0.3g/cm3的情况下，必须使风蚀距离小于等于8mm。如果堆密度(GBD)为0.3g/cm3，优选风蚀距离小于等于4mm。
(拉伸强度)
将样品切成200mm×50mm，在该样品的上下各50mm×30mm处对样品进行固定，以向上的速度为10mm/min拉伸样品，测定拉伸时负荷的最大值。使用该负荷和用样品厚度×样品宽度50mm算出的剖面积，根据下式算出作为单位面积的拉伸负荷。
拉伸强度[kPa]＝负荷[N]/剖面积[mm2](样品厚度[mm]×样品宽度[mm]/10
产业上的可利用性
本发明是用作装配于柴油发动机等内燃机的废气净化装置、与涡轮机的发动机等的排气管系统相连接的装置的末端锥体部的绝热材料。另外，除了末端锥体以外，本发明还可以用于排气管系统的绝热材料、排气管系统的吸音、隔音材料的领域。

Claims (5)

1. 废气净化装置的末端锥体部用绝热材料，其是装配于废气净化装置中的末端锥体部的绝热材料，是将由氧化铝-氧化硅类陶瓷纤维形成的片层积制成垫，在该垫的片层积方向上实施针刺来形成的，所述针刺按照下述方式完成，将针刺取向方向的长度设为s，将垫的厚度设为h，此时，将s和h所成的角度设为针刺取向角度A时，A处于h/s＝0.5～0.87的角度，其特征在于，所述垫使用的陶瓷纤维的组成为：氧化铝∶氧化硅＝60～80∶40～20。
2. 如权利要求1所述的废气净化装置的末端锥体部用绝热材料，其特征在于，所述氧化铝和氧化硅的组成比为：70～74∶30～26。
3. 如权利要求1所述的废气净化装置的末端锥体部用绝热材料，其特征在于，所述陶瓷纤维的平均纤维长为50μm～100mm。
4. 如权利要求1所述的废气净化装置的末端锥体部用绝热材料，其特征在于，在所述针刺中，在垫面上实施的相邻各针相互之间的距离为1mm～100mm。
5. 如权利要求1所述的废气净化装置的末端锥体部用绝热材料，其特征在于，所述针刺的取向角度相对垫面的垂直方向倾斜小于等于60°。
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