CN101152774A - 片材及其制造方法、和废气处理装置及其制造方法 - Google Patents

片材及其制造方法、和废气处理装置及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种片材及其制造方法、和废气处理装置及其制造方法，其中，所述废气处理装置包括所述片材作为保持用密封材。所述片材经构造从而即使在所述片材的内外周长差较大的情况下也能防止其外表面上的龟裂的发生。所披露的片材是通过将含有第一无机纤维的第一垫料和含有第二无机纤维的第二垫料至少两种垫料层压而构成的片材。所述第一无机纤维的平均纤维长度长于所述第二无机纤维的平均纤维长度。通过将所述片材缠绕在废气处理体上并使得第一垫料的表面朝向外侧可以防止所述片材的外表面上的龟裂的发生。

Description

片材及其制造方法、和废气处理装置及其制造方法
技术领域
本发明通常涉及一种片材、所述片材的制造方法、包含所述片材作为保持用密封材的废气处理装置和所述废气处理装置的制造方法。
背景技术
从本世纪开始，汽车的数量飞速增长，由汽车内燃机排出的废气量也随着汽车数量的上升而急剧增加。特别是来自柴油发动机的废气含有多种污染物，因而对世界环境构成严重威胁。
为减轻源自废气的污染，已经提出了各种废气处理装置，并且这些装置也已经实用化。废气处理装置通常装配在与发动机的废气集管相连接的排气管的中途，并包括例如由金属等制成的外壳和配置在所述外壳中具有由室壁所划分的大量腔室的废气处理体。在许多情况下，将这些腔室构造成蜂窝状结构，并且在这些情况中，所述废气处理体简称为“蜂窝状构造体”。废气处理体的实例包括催化剂载体和诸如柴油机颗粒过滤器(DPF)等废气过滤器。以DPF为例，当废气流经蜂窝状构造体(或废气处理体)的腔室时，微粒(颗粒物)由室壁捕获并从废气中除去。用于废气处理体的材料的实例包括金属、合金和陶瓷。由堇青石制成的蜂窝状过滤器普遍用作陶瓷废气处理体。近来，从耐热性、机械强度和化学稳定性的角度考虑，广泛使用多孔性碳化硅烧结体作为用于废气处理体的材料。
通常将保持用密封材设置在废气处理体与外壳之间。保持用密封材可防止例如车辆行驶中废气处理体对外壳的内表面的碰撞，因而可防止所述废气处理体的损坏。而且保持用密封材可防止废气从废气处理体之间与外壳的间隙泄漏。另外，保持用密封材可防止由于废气的排出压力而导致的废气处理体的脱落。同时，为了保持废气处理体的反应性，必须将废气处理体保持在高温下。为此，保持用密封材还应具有良好的绝热性能。已知由例如氧化铝纤维等无机纤维构成的保持用密封材可以满足上述要求。
将由无机纤维构成的示例性保持用密封材缠绕在废气处理体的除开口面以外的外表面的至少一部分上，并使所述保持用密封材的两端部接合在一起。利用胶带将所述保持用密封材固定在废气处理体上。将以所述保持用密封材缠绕的废气处理体装入外壳中以制造废气处理装置。
近来，内燃机在高温高压下排出废气。鉴于此，以及为实现以下提到的目的，必须改进保持用密封材的绝热性能。
(i)防止由于从所述废气处理体通过所述保持用密封材传递的热量导致外壳膨胀而造成在保持用密封材和外壳间形成间隙。
(ii)防止安装在外壳的外表面上的部件(例如仪表)的热劣化。
(iii)改善例如DPF等特定类型的废气处理体的再生处理的效率(在再生处理中，经捕获的微粒在高温下燃烧以使废气处理体能够再次使用)。
实现上述目的的一种方法是增大废气处理体和外壳间的间隙并增加保持用密封材的厚度以改善其绝热性能。然而，当保持用密封材的厚度增加时，当缠绕在废气处理体上时所述保持用密封材的外周长和内周长间的差值增大。内外周长差的增大则会使保持用密封材的外表面(即与和废气处理体相接触的表面相对的表面)上出现龟裂的可能性增大。该裂纹随后又会导致未处理的废气的泄漏。
专利文献1公开了一种废气处理装置，所述废气处理装置包括废气处理体和保持用密封材。在与所述废气处理体相接触的所述保持用密封材的表面(内表面)上设置多个凹槽，以防止由于内外周长差而导致的龟裂的发生。在所述保持用密封材上形成的凹槽减小了内外周长差造成的影响，因此可以防止龟裂的发生以及由此导致的未处理的废气的泄漏。
[专利文献1]日本专利第3072281号公报
当制造如专利文献1中所公开的保持用密封材时，必须使凹槽的位置、形状和尺寸最优化以适合于将由所述保持用密封材缠绕的废气处理体，从而有效地防止龟裂的发生。然而，所述废气处理体的形状和尺寸随废气处理装置的用途以及所述装置的安装位置而变。因此，利用专利文献1中公开的技术时，必须改变保持用密封材上的凹槽的尺寸和形状以适合于各种类型的废气处理体。由此导致废气处理装置的生产效率降低。
发明内容
本发明提供一种片材、所述片材的制造方法、包含所述片材作为保持用密封材的废气处理装置和所述废气处理装置的制造方法，从而基本上可以避免由于相关技术的局限和缺点所导致的一个或多个问题。
本发明的实施方式提供一种片材，所述片材经配置即使当所述片材的内外周长差较大时也可防止其外表面上龟裂的发生。
根据本发明的实施方式，片材是通过将含有第一无机纤维的第一垫料和含有第二无机纤维的第二垫料至少两种垫料层压而构成的片材，；其中，所述第一无机纤维的平均纤维长度长于所述第二无机纤维的平均纤维长度。
所述第一无机纤维和第二无机纤维可由相同材料或不同材料制成。
所述第一无机纤维的平均纤维长度优选为20mm～120mm，所述第二无机纤维的平均纤维长度优选为0.5mm～10mm。
所述第一垫料和/或第二垫料还含有粘合剂。
本发明的实施方式的所述片材还包括在所述第一垫料和所述第二垫料之间的界面处的界面层。所述界面层的厚度优选为约0.05mm～约2mm 。
所述片材的厚度优选为6mm～20mm。
根据本发明的另一个实施方式，片材的制造方法是将至少两种垫料层压而制造片材的方法，所述方法包括提供含有第一无机纤维的第一垫料的第一步骤；和将含有第二无机纤维的第二垫料层压在所述含有第一无机纤维的第一垫料上的第二步骤；其中，所述第一无机纤维的平均纤维长度长于所述第二无机纤维的平均纤维长度。
所述第二步骤可包括直接在所述第一垫料上形成所述第二垫料的步骤。
所述第二步骤可包括单独制造所述第二垫料然后层压所述第一垫料和所述第二垫料的步骤。在此情况下，所述第二步骤还可包括通过粘接剂粘合和/或通过缝制使所述第一垫料和所述第二垫料接合的步骤。
所述第一垫料可通过针刺法制造。
所述第二垫料可通过抄造法制造。
根据本发明的另一个实施方式，废气处理装置包括废气处理体；和缠绕在所述废气处理体的外表面的至少一部分上的保持用密封材；其中，所述保持用密封材由上述的片材构成并缠绕在所述废气处理体上，使得所述片材的第一垫料的表面朝向外侧。
利用这样的配置，可以有效地防止所述保持用密封材的外表面上的龟裂的发生，这是因为形成所述保持用密封材的外表面的所述第一垫料是由具有比所述第二垫料的无机纤维更长的平均纤维长度，即具有更高的拉伸强度的无机纤维构成。
催化剂载体或废气过滤器可用作上述废气处理装置的废气处理体。
本发明的又一个实施方式提供废气处理装置的制造方法，所述废气处理装置包括废气处理体和缠绕在所述废气处理体的外表面的至少一部分上的保持用密封材。所述方法包括以下步骤：使用如上制造的片材作为所述保持用密封材，以及将所述保持用密封材缠绕在所述废气处理体上，使得所述片材的第一垫料的表面朝向外侧。
同样在此情况下，催化剂载体或废气过滤器可以用作所述废气处理体。
使用根据本发明的实施方式的片材作为废气处理装置的保持用密封材使得可以减少所述保持用密封材的内外周长差所造成的影响，因此可以防止所述保持用密封材外表面上的龟裂的发生。并且，与废气处理体和废气处理装置的形状、尺寸和其他规格无关，根据本发明的实施方式的片材均表现出上述有利效果。换言之，根据本发明的实施方式的片材可用于各种类型的废气处理装置而无需改变其构造，因此可有效地进行制造。
附图说明
图1是描绘根据本发明的实施方式的示例性片材的图；
图2是用以描述组装所述示例性片材、废气处理体和外壳以形成废气处理装置的图；
图3是用于测定无机纤维的平均纤维长度的SEM照片；
图4是描绘根据本发明的实施方式的废气处理装置的示例性构造的图；
图5是显示根据本发明的实施方式的片材的示例性制造方法的流程图；
图6是根据本发明的实施方式的直接层压法制造的片材的截面侧视图；
图7是显示根据本发明的实施方式的废气处理装置的示例性制造方法的流程图；
图8是描绘通过压入配合法将由保持用密封材缠绕的废气处理体装入外壳的方法的图；
图9是描绘通过蛤壳法将由保持用密封材缠绕的废气处理体装入外壳内的方法的图；
图10是描述通过缠绕紧固法将由保持用密封材缠绕的废气处理体装入外壳内的方法的图；
图11是描述通过精压法将由保持用密封材缠绕的废气处理体装入外壳内的方法的图；
图12是用于缠绕测试的实施例1的片材的照片；和
图13是用于缠绕测试的比较例1的单层片材的照片。
具体实施方式
以下参考附图对本发明的优选实施方式进行描述。
图1是描绘根据本发明的实施方式的示例性片材的图。根据本发明的实施方式的片材的形状并不限于如图1中所示的形状。图2是用以描述组装所述示例性片材、废气处理体和外壳以形成废气处理装置的图。
图1的片材30用作图2的废气处理装置10的保持用密封材24，并经设计而缠绕在图2的废气处理体20(例如为催化剂载体)上。如图1所示，所述片材30在与片材30的卷绕方向(X方向)垂直的两端面70和71设置一组嵌合凸部50和嵌合凹部60。在缠绕在所述废气处理体20上以后，如图2中所示，将片材30的嵌合凸部50和嵌合凹部60嵌合在一起，从而将片材30固定在废气处理体20上。将由片材30缠绕的废气处理体20例如压配至由金属圆筒制成的外壳12中以形成所述废气处理装置10。片材30主要由无机纤维构成，并且还可包含下述的粘合剂。
片材30是通过将由无机纤维构成的至少两种类型的垫料层压而制成。各垫料的无机纤维的平均纤维长度彼此各不相同。例如，图1所示的片材30是通过层压第一垫料82和第二垫料84而制成。构成第一垫料82的无机纤维的平均纤维长度长于第二垫料84的平均纤维长度。下文中，所述第一垫料82和所述第二垫料84也可分别称为长纤维垫料82和短纤维垫料84。
所述片材30的示例性特征描述如下。
在传统片材(保持用密封材)的情况下，当将该片材缠绕在废气处理体上时，由于所述传统片材的外周长LO和内周长LI之间存在差值L(LO-LI)，因而导致有拉伸应力施加在该传统片材的外表面上。差值L的影响随传统片材厚度的增大而增加。因此，当传统片材缠绕在废气处理体上时，增加传统片材的厚度会增大在其外表面上发生龟裂的可能性。如果片材的表面形成龟裂，则未处理的废气可能未经所述废气处理体而通过所述龟裂泄露至所述废气处理装置之外。避免该问题的一种方法是在片材的内表面(当缠绕所述片材时与废气处理体接触的表面)上形成与缠绕方向垂直的多个凹槽，从而减小差值L的影响。然而，采用该传统方法时，必须改变片材上的凹槽的尺寸和形状以适应将要使用的废气处理体的形状和尺寸。例如，确定将在片材的内表面上形成的凹槽的宽度和凹槽间距使得凹槽的总宽度(凹槽的宽度×数量)等于所述差值L。而且，利用所述传统方法时，必须根据片材的厚度调整所述凹槽的深度。因此，所述传统方法极大地降低了片材的生产效率。
同时，该实施方式的片材30由长纤维垫料82和短纤维垫料84构成。通常，由具有较长平均纤维长度的无机纤维构成的垫料的拉伸强度高于由具有较短平均纤维长度的无机纤维构成的垫料的拉伸强度。在该实施方式中，由于所述片材30缠绕在所述废气处理体20上，使得所述长纤维垫料82朝向外侧，因此能有效地防止由于内外周长差导致的龟裂的发生。此外，与具有用于减小内外周长差的影响的凹槽的传统片材不同，根据本发明的实施方式的片材30可用于具有不同形状和尺寸的废气处理体而无需改变其构造，因此可有效地制造。
因此，本发明的上述实施方式使得可以防止由于内外周长差所导致的、在缠绕在所述废气处理体20上的片材30的外表面上的龟裂的发生。因此，使用所述片材30作为废气处理装置的保持用密封材可以有效地防止未处理的废气的泄漏。
在该实施方式中，如下测定短纤维垫料84和长纤维垫料82中的无机纤维的平均纤维长度。为测量所述短纤维垫料84的平均纤维长度，制造样品垫料(每一个均具有10cm×10cm的尺寸)并在每个垫料上随机选择十处区域。从所述十处区域对纤维进行取样并使用放大倍率为50倍的扫描电子显微镜(SEM)对所述样品纤维进行拍摄。在所述十处区域中的每一处均测定至少50根纤维的长度。然后，将来自于全部十处区域的纤维的测量长度求取平均值以得到所述垫料的平均纤维长度。图3是用于测定所述短纤维垫料84的无机纤维的平均纤维长度的SEM照片。为测定长纤维垫料82的平均纤维长度，制造样品垫料(每一个均具有10cm×10cm的尺寸)并在每个垫料上随机选择十处区域。从所述十处区域对纤维进行取样并使用放大倍率为10倍的光学显微镜对所述样品纤维进行拍摄。在所述十处区域中的每一处均测定至少50根纤维的长度。然后，将来自于全部十处区域的纤维的测定长度求取平均值以得到所述垫料的平均纤维长度。
所述长纤维垫料82的无机纤维的平均纤维长度优选为20mm～120mm，更优选为30mm～70mm，进而更优选为40mm～60mm。所述短纤维垫料84的无机纤维的平均纤维长度优选为0.5mm～10mm，更优选为1mm～5mm，进而更优选为2mm～4mm。并且，所述长纤维垫料82的无机纤维的平均纤维长度优选为所述短纤维垫料84的无机纤维的平均纤维长度的约6倍以上，更优选为约10倍以上。
根据本发明的实施方式的片材的厚度优选但不限于6mm～20mm。通常，薄片材(例如厚度小于6mm)较少发生龟裂。因此，当厚度较薄时，可使用由长纤维垫料构成的单层片材替代根据本发明的实施方式的片材。根据本发明的实施方式的片材的密度优选但不限于0.15g/m3～0.30g/m3。根据本发明的实施方式的片材的单位面积克重优选但不限于500g/m2～3000g/m2。在该情况中的“单位面积克重”指片材单位面积的纤维的克重量。此外，当片材中含有粘合剂时，“单位面积克重”可以指片材单位面积中纤维和粘合剂的总克重量。
在该实施方式中，构成片材的长纤维垫料和短纤维垫料的厚度、密度和单位面积克重并不限定于特定值。同时在该实施方式中，长纤维垫料的厚度与短纤维垫料的厚度的比率优选但不限于约2∶8～约5∶5。
如上所述，该实施方式的片材30是通过层压所述长纤维垫料82和短纤维垫料84而制造。为改善所述长纤维垫料82和短纤维垫料84之间的粘合强度，可以在两垫料之间的界面处设置界面层。在本申请中，“界面层”表示可以设置在两相邻层之间的界面处且与所述相邻层组成相异的任何层。所述界面层的实例包括特意在相邻层的一个表面或两个表面上形成以将所述相邻层粘合在一起的粘接剂层，以及例如在片材的制造过程中由于粘合剂的浓缩而自发形成在相邻层之间的界面处的第三层86(参见图6)。
将片材30缠绕在所述废气处理体20上，使得所述长纤维垫料82朝向外侧(即朝向所述外壳12)，并通过将嵌合凸部50和嵌合凹部60嵌合在一起使片材固定在所述废气处理体20上。通过压入配合法、蛤壳法、卷绕紧固法或精压法将由所述片材30缠绕的所述废气处理体20装入所述外壳12内以形成所述废气处理装置10。将所述废气处理体20装入所述外壳12中的方法将随后详细描述。
图4是描绘所述废气处理装置10的示例性构造的图。在该实例中，所述废气处理体20是具有在与气流平行的方向上延伸的多个贯通孔的催化剂载体。所述催化剂载体例如由多孔性碳化硅构成并具有蜂窝状结构。然而，所述废气处理装置10也可具有其他构造。例如，所述废气处理体20可以作为DPF实施，其中，贯通孔的端部以棋盘格状封堵。使用如上构造的废气处理装置10，可有效地防止缠绕在所述废气处理体20上的片材30的外表面上的龟裂的发生。换言之，上述构造可防止未处理的废气通过片材上的龟裂而泄露到废气处理装置外。
以下描述根据本发明的实施方式的片材的示例性制造方法。图5是显示根据本发明的实施方式的片材的示例性制造方法的流程图。
如图5所示，所述示例性方法包括下列步骤：制造由第一无机纤维构成的第一垫料的步骤(步骤S110)，和将由第二无机纤维构成的第二垫料层压在所述第一垫料上的步骤(步骤S120)。
在以下描述中，在步骤S110中制造长纤维垫料，在步骤S120中将短纤维垫料层压在长纤维垫料上，从而制造该实施方式的片材。然而，该实施方式的片材也可通过在步骤S110中制造短纤维垫料，然后在步骤S120将长纤维垫料层压在短纤维垫料上而制造。
所述长纤维垫料可通过针刺法制造。在该实施方式中，“针刺法”是指包括使诸如针等纤维交织工具刺入并拔出垫料的步骤的垫料制造法。所述针刺法随后将更详细地进行描述。另一方面，所述短纤维垫料可通过抄造法制造。在该实施方式中，“抄造法”是指包括开松纤维、调制浆料和挤压干燥等步骤的垫料制造法。所述抄造法随后将更详细地进行描述。
长纤维垫料与短纤维垫料的层压方法可大致分为两种方法。
一种方法称为“间接层压”法，在间接层压法中，单独制造长纤维垫料和短纤维垫料，然后在层压界面处使两垫料接合在一起以制造片材。在所述间接层压法中，长纤维垫料和短纤维垫料例如通过使用粘接剂、通过缝制或通过真空压力接合(其中使所述垫料层积，将层积的垫料放入密闭容器中，然后将所述密闭容器抽真空)在界面处进行接合。作为粘接剂，可以使用丙烯酸粘接剂或丙烯酸酯乳胶。所述粘接剂层的厚度优选但不限于0.05mm～2mm。如上所述，所述粘接剂层也可称为界面层。
另一种方法称为“直接层压”法，在直接层压法中，直接在长纤维垫料上形成短纤维垫料，由此制造由所述两层垫料构成的片材。也可首先制造短纤维垫料，然后直接在短纤维垫料上形成长纤维垫料。所述直接层压法避免了需要单独制造两层垫料，因此可以简化制造过程。
以下将更详细地描述根据本发明的实施方式的片材的示例性制造方法。
(长纤维垫料的制造)
如上所述，长纤维垫料可通过针刺法制造。在下述的长纤维垫料的示例性制造方法中，氧化铝和二氧化硅的混合物可用作用于所述长纤维垫料的无机纤维材料。然而，无机纤维材料并不限于氧化铝和二氧化硅的混合物。例如，用于长纤维垫料的无机纤维可单独由氧化铝或二氧化硅构成。此外，还可使用其他材料制造用于所述长纤维垫料的无机纤维。
将二氧化硅溶胶加入到碱性氯化铝溶液(铝的含量为70g/l，Al/Cl＝1.8[原子比])中，以使氧化铝与二氧化硅的比率例如为60～80∶40～20，由此调制无机纤维的前体。氧化铝与二氧化硅的比率更优选为70～74∶30～26。如果氧化铝的组成比为60％以下，由氧化铝和二氧化硅生成的莫来石的比率变低。低比例的莫来石将导致所生成的长纤维垫料具有高导热性，因此降低了所述长纤维垫料的绝热性能。
然后，将例如聚乙烯醇等有机聚合物加入到所述氧化铝纤维前体中。使所得液体浓缩，由此调制纺丝溶液。然后，通过吹制法对所述纺丝溶液进行纺丝。
在所述吹制法中，通过使用从空气喷嘴中吹出的空气流和从纺丝液供给喷嘴挤出的纺丝溶液流形成纤维。来自空气喷嘴的每一狭缝的气体流速优选为40m/s～200m/s。每一个纺丝液供给喷嘴的直径优选为0.1mm～0.5mm，每一纺丝液供给喷嘴的纺丝溶液的流速优选为1ml/h～120ml/h(毫升/小时)，更优选为3ml/h～50ml/h。在上述条件下，由纺丝液供给喷嘴挤出的纺丝溶液不形成喷雾状，而是以纤维的形式充分延伸，并且所形成的纤维不容易相互粘着。因此，通过使纺丝条件最优化，可以获得纤维直径分布狭窄的均一的氧化铝纤维。
所述无机纤维的平均直径优选但不限于约3μm～约10μm。
如下测定所述无机纤维的平均直径。将如上所述制造的氧化铝纤维放入圆筒中，并在20.6MPa下加压粉碎以制备样品。将所述样品放到滤筛上，将通过滤筛的样品部分用作用于电子显微镜观察的检验物。将例如金等沉积在所述检验物上，用放大倍率约为1,500倍的电子显微镜拍摄所述检验物。利用所述照片，测定至少40根纤维的直径。对五个样品重复上述步骤，并将测定值平均化以获得无机纤维的平均直径。
将所得氧化铝纤维层积以制造原料片材。然后，对所述原料片材进行针刺步骤。该步骤中通常使用针刺装置。
针刺装置包括在针刺方向(例如，在垂直方向)可来回移动的针板和设置在所述原料片材的上表面和下表面上的一对支持板。在针板上，例如约以25～5000根针/100cm2的密度布置大量用于刺穿原料片材的针。在各支持板上设置有大量与针对应的贯通孔。将原料片材夹在支持板之间，并通过使针板移向原料片材再使其离开原料片材，可以使针刺入原料片材中并由原料片材中拔出。结果，形成了氧化铝纤维彼此交织的大量交织点。所述针刺装置还可包括将原料片材以均匀的传送速度(例如，以大约20mm/sec)沿一定方向(即与所述原料片材的上下表面基本上平行的方向)传送的传送单元。所述传送单元能够使得在针刺入所述原料片材中的同时向前移动原料片材，从而避免在每次来回移动针板后需要手动使所述原料片材向前移动。
作为替代性的构造，针刺装置可以包括两个针板。在该情况下，每个针板配备一个支持板。将所述原料片材夹在支持板间，并在原料片材的上面和下面分别配置针板。一个针板上的针经配置不与另一个针板上的针重叠。各支持板上均具有与两个针板的针相对应的贯通孔，以使得当针刺入所述原料片材中时，所述针不与支持板接触。使用具有替代性构造的针刺装置时，将所述原料片材夹在支持板之间，并通过两个针板从两侧进行针刺处理。因此，具有替代性构造的针刺装置使得可以缩短针刺步骤所需的时间。而且，所述替代性构造使得可以在增加总针数的同时减少1个针板上的针数。
在通过针刺步骤形成的交织点处，交织的纤维在纤维的层积方向上排列。该结构提高了原料片材层积方向的强度。
在所述针刺步骤后，原料片材从室温开始加热，并通过在1250℃左右的最高温度焙烧0.5小时～2小时以制造长纤维垫料。
必要时可将诸如有机树脂等粘合剂浸入长纤维垫料中。该浸入步骤使得可以减小所述长纤维垫料的松密度并防止无机纤维从所述长纤维垫料中脱落。所述浸入步骤也可在以后的阶段中实施。例如，当通过间接层压法制造片材时，所述浸入步骤可在所述长纤维垫料和短纤维垫料接合之后进行。在该情况下，可从所制得的片材的任意一侧进行浸入步骤。当通过直接层压法制造片材时，如后所述，在长纤维垫料上形成短纤维垫料的步骤中，可将粘合剂浸入所述长纤维垫料。因此，在此情况下，不需要单独的浸入步骤。同样，即使在直接层压法中，也可在制得片材以后进行所述浸入步骤。
在所述浸入步骤中，粘合剂在经浸入的垫料或片材中的量优选为1.0重量％～10.0重量％。如果粘合剂的量少于1.0重量％，所述粘合剂不能充分地防止无机纤维的脱落。如果粘合剂的量超过10.0重量％，将导致从废气处理装置中排出的废气中有机成分的量增加。
作为粘合剂，优选诸如环氧树脂、丙烯酸树脂、树胶脂或苯乙烯树脂等有机粘合剂。例如，可以使用丙烯酸橡胶(ACM)、丙烯腈-丁二烯橡胶(NBR)和苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)。
为将粘合剂浸入长纤维垫料，将所述粘合剂的水性分散液喷涂在所述长纤维垫料上。在所述浸入步骤中添加至所述长纤维垫料中的过量的固体成分和水可如下除去。
通过使用诸如真空泵等吸引装置进行抽吸可除去过量的固体成分。通过在约90℃～约160℃的温度下加热所述长纤维垫料和/或通过在约40kPa～100kPa的压力下压缩所述长纤维垫料可除去过量的水。
通过上述方法可制得由平均纤维长度为约20mm～约120mm的无机纤维构成的长纤维垫料。
(短纤维垫料的制造)
如上所述，短纤维垫料可通过抄造法制造。在以下说明的短纤维垫料的示例性制造方法中，将氧化铝和二氧化硅的混合物用作所述短纤维垫料的无机纤维材料。然而，所述无机纤维材料不限于氧化铝和二氧化硅的混合物。例如，用于短纤维垫料的无机纤维可单独由氧化铝或二氧化硅构成。此外，还可使用其他材料制造用于所述短纤维垫料的无机纤维。
首先，进行开纤步骤。
所述开纤步骤可由单独的干式开纤步骤构成，或者由干式开纤步骤与湿式开纤步骤构成。在所述干式开纤步骤中，使用例如羽毛缩绒机将按照所述长纤维垫料的示例性制造方法中制得的无机纤维开纤。在所述湿式开纤步骤中，将通过所述干式开纤步骤得到的棉状纤维装入湿式开纤装置中，进而进行开纤处理。作为湿式开纤装置，可以使用打浆机或混合机。通过上述开纤步骤，可得到开纤的原料纤维。
接下来，将750g所得的原料纤维和75kg水加入搅拌机中，并搅拌大约1至5分钟。将约4重量％～8重量％的有机粘合剂加入到所得液体中，并搅拌所述液体约1至5分钟。然后，将约0.5重量％～1.0重量％的无机粘合剂加入到所述液体中，并搅拌约1至5分钟。随后，将约0.5重量％的凝集剂加入至所述液体，并搅拌所述液体约2分钟以调制浆料。
作为所述无机粘合剂，例如可以使用氧化铝溶胶和/或二氧化硅溶胶。作为所述有机粘合剂，例如可以使用橡胶类材料、水溶性有机高分子化合物、热塑性树脂或热固性树脂。作为所述凝集剂，例如可以使用PERCOL(R)292(Ciba Specialty Chemicals)。
将所述浆料倒入成型机中以形成短纤维垫料原料，并对所述短纤维垫料原料进行脱水。在所述成型机的底部可以设置过滤用网膜(筛目大小：30目)以使浆料中的水排出。使用该成型机时，可同时进行短纤维垫料原料的成型和脱水。并且，例如通过使用抽吸泵或真空泵，可通过过滤用网膜吸取所述短纤维垫料原料中的水分。
然后，从成型机中取出所述短纤维垫料原料，并使用压缩机将其厚度压缩至原始厚度的约0.3～0.5倍，并在例如90℃～150℃下加热干燥5分钟至1小时以制造短纤维垫料。
制得的短纤维垫料可在该阶段用上述的粘合剂进行浸渍。作为选择，当通过间接层压法制造片材时，所述浸入步骤可在短纤维垫料和长纤维垫料接合后进行。
通过上述方法制得由平均纤维长度为约0.5mm～约10mm的无机纤维构成的短纤维垫料。
(短纤维垫料和长纤维垫料的一体化)
将上述制造的短纤维垫料和长纤维垫料一体化以制造根据本发明的实施方式的片材。
为使所述垫料一体化，可以使用间接层压法或直接层压法。在直接层压法中，将制得的长纤维垫料放置在上述示例性方法中使用的成型机的底部，并在所述长纤维垫料上形成短纤维垫料。因此，使用所述直接层压法时，所述长纤维垫料和短纤维垫料在所述短纤维垫料的制造过程中一体化。与单独制造所述长纤维垫料和短纤维垫料的方法相比，所述直接层压法可以简化片材的制造过程。
使用所述直接层压法可能遇到的一个问题是所制得的片材的长纤维垫料和短纤维垫料之间的界面处的粘合强度降低。然而，根据测试结果，在通过直接层压法制造的片材的长纤维垫料和短纤维垫料之间的界面处的粘合强度与通过间接层压法制造的片材的粘合强度一样优异。如图6所示，在通过直接层压法制造的片材30的长纤维垫料82和短纤维垫料84之间的界面处观察到第三层86(界面层)的形成。可以假定当制造所述短纤维垫料84时添加到所述浆料中的粘合剂在界面处凝缩并形成所述第三层86。也可以假定所述第三层86用作粘接剂层，因此提高了所述长纤维垫料82和短纤维垫料84之间的界面处的粘合强度。虽然第三层86的厚度根据所述片材30的制造条件而变化，但所述厚度为约0.05mm～约2mm。
图7是显示使用根据本发明的实施方式的片材的废气处理装置的示例性制造方法的流程图。在步骤S210中，通过层压上述长纤维垫料和短纤维垫料制造片材。在步骤S220中，将所制得的片材缠绕在废气处理体上，使得所述长纤维垫料朝向外侧。然后，在步骤S230中，可通过压入配合法、蛤壳法、卷绕紧固法或精压法将由所述片材缠绕的所述废气处理体装入外壳以形成废气处理装置。
以下参考附图描述将废气处理体装入外壳的方法。图8、9、10和11是描述将由保持用密封材24缠绕的废气处理体20(以下称为经缠绕的废气处理体210)装入外壳的方法。
在压入配合法中，将经缠绕的废气处理体210通过外壳121的一端开口压入其中以制造废气处理装置10。为了更容易地将经缠绕的废气处理体210插入外壳121中，可以使用压配夹具230。如图8所示，压配夹具230的内径从一端至另一端逐渐减小，并且压配夹具230的最小内径基本与外壳121的内径相同。经缠绕的废气处理体210通过压配夹具230的较宽的开口端插入该夹具中，再通过压配夹具230的较窄的开口端压入外壳121中。
在蛤壳法中，使用由多个外壳部件构成的外壳。在图9中，外壳122由相对的外壳部件122A和122B构成。将经缠绕的废气处理体210放入外壳部件122A和122B中的第一个部件中，然后使外壳部件122A和122B中的第二个部件与第一个部件接合以制造废气处理装置10。外壳部件122A和122B例如通过焊接法兰220(220A和220B)而接合在一起。
如图10所示，在卷绕紧固法中，用作外壳的金属板(外壳)123卷绕在经缠绕的废气处理体210的周围并束紧，然后例如使用钢索将其压在经缠绕的废气处理体的外表面上以产生预定的接触压力。然后，将金属板123的末端焊接在一起以制造废气处理装置10，其中在所述外壳123中安装有所述经缠绕的废气处理体210。
在如图11所示的精压法中，将经缠绕的废气处理体210插入其内径大于所述经缠绕的废气处理体210的外径的金属壳124中。然后，例如通过挤压机均匀地挤压金属壳124的外表面以减小所述金属壳124的尺寸(精压：JIS Z2500-4002)。该精压步骤使得可以精确地调整所述金属壳124的内径以使其适合所述经缠绕的废气处理体210。
在上述安装方法中使用的外壳的材料优选为诸如耐热合金等金属。
如上所述，根据本发明的实施方式的片材由第一垫料和第二垫料构成，其中所述第一垫料具有较高强度并由平均纤维长度较长的无机纤维构成，所述第二垫料由平均纤维长度较短的无机纤维构成。将所述片材缠绕在废气处理体上，使得第一垫料的表面朝向外侧。该结构可减小所述片材的内外周长差造成的影响，因此即使在所述片材厚度较大时也可减少所述片材的外表面上的龟裂的发生。并且，与具有用于减小内外周长差的影响的凹槽的传统片材不同，根据本发明的实施方式的片材可用于具有不同形状和尺寸的废气处理体而无需改变其构造，因此可有效地进行制造。
在上述实施方式中，片材由两层垫料构成：长纤维垫料和短纤维垫料。然而，根据本发明的实施方式的片材也可由三层以上的垫料构成，只要当所述片材缠绕在废气处理体上时朝向外侧的最外层垫料由具有比其他垫料的平均纤维长度更长的平均纤维长度的纤维构成即可。此外，本发明的另一个实施方式提供了包含所述片材作为保持用密封材的废气处理装置。
实施例
为评价本发明的有利效果，如下所述制造各种片材并对所制得的片材进行测试。
<实施例1>
如下制造实施例1的片材。
首先，制造长纤维垫料。通过将二氧化硅溶胶加入到碱性氯化铝溶液(铝含量为70g/l，Al/Cl＝1.8[原子比])中调制氧化铝纤维前体(Al2O3∶SiO2＝72∶28)。然后，将聚乙烯醇等有机聚合物加入氧化铝纤维的前体中。浓缩所得液体以形成纺丝溶液并通过吹制法对所述纺丝溶液进行纺丝。将所得氧化铝纤维折叠并层积以制造氧化铝纤维的原料片材。然后，在所述原料片材上进行针刺步骤。使用布置在原料片材上面和下面的一对针板从所述原料片材的两侧实施针刺步骤，各针板上的针以50根针/100cm2的密度设置。所得原料片材的交织点密度为1个/cm2。
在所述针刺步骤后，从室温对所述原料片材进行加热并在1250℃的最高温度焙烧1小时以制得单位面积克重为950g/m2和厚度为4mm的长纤维垫料。所述氧化铝纤维的平均纤维长度为约50mm。所述氧化铝纤维的平均直径为6.2μm，最小直径为3.2μm。
然后，如下所述在制得的长纤维垫料上直接形成短纤维垫料。
首先，准备开纤的无机纤维作为原料纤维。在该实施例中，使用由氧化铝和二氧化硅(混合比为72∶28)构成的氧化铝纤维(下文中称为“原棉本体”)。
然后，将790g原棉本体与79kg水混合，并使用搅拌机将该混合物搅拌5分钟。接着，将39.5g有机粘合剂(乳胶)加入到所得液体中，并搅拌所述液体5分钟。之后，将7.9g无机粘合剂(氧化铝溶胶)加入到所述液体中，再将该液体搅拌5分钟。进而，将3.95g凝集剂(PERCOL(R)292)加入至该液体中，并搅拌所述液体1分钟，由此制得浆料。
在下一步骤中，将制得的长纤维垫料放在成型机(930mm(长)×515mm(宽)×400mm(深))的作为过滤用网膜(筛目大小：30目)形成的底部。所述长纤维垫料的尺寸为930mm(长)×515mm(宽)×4mm(厚)。将调制的浆料倒入长纤维垫料中，然后进行脱水以形成短纤维垫料。在脱水步骤中，通过使用抽吸泵在成型机的底部通过过滤用网膜对浆料中的水进行抽吸。将层积的长纤维垫料和短纤维垫料从成型机中取出并在120℃和70kPa下压缩干燥30分钟。通过上述步骤，在所述长纤维垫料上形成单位面积克重为1750g/m2和厚度为9mm的短纤维垫料。所述短纤维垫料中的氧化铝纤维的平均纤维长度为约3mm。
因此，在实施例1中，制得厚度为13mm和密度为0.21g/cm3的片材。
<实施例2>
首先，除了改变层积的氧化铝纤维的量之外，以与实施例1中基本相同的方法制造长纤维垫料。所制得的长纤维垫料的单位面积克重为1350g/m2，厚度为6mm。所述氧化铝纤维的平均纤维长度为约50mm。所述氧化铝纤维的平均直径为6.2μm，最小直径为3.2μm。
随后，将610g由氧化铝和二氧化硅(混合比为72∶28)构成的氧化铝纤维所制成的原棉本体与61kg水混合，并使用搅拌机将该混合物搅拌5分钟。然后，将30.5g有机粘合剂(乳胶)加入到所得液体中，将所述液体再搅拌5分钟。之后，将6.1g无机粘合剂(氧化铝溶胶)加入到所述液体中，再将所述液体搅拌5分钟。最后，将3.05g凝集剂(PERCOL(R)292)加入至该液体中，并搅拌所述液体1分钟，由此调制浆料。
在下一步骤中，将制得的长纤维垫料(单位面积克重为1350g/m2)放在成型机(930mm(长)×515mm(宽)×400mm(深))的作为过滤用网膜(筛目大小：30目)形成的底部。所述长纤维垫料的尺寸为930mm(长)×515mm(宽)×6mm(厚)。将调制的浆料倒入长纤维垫料中，然后进行脱水以形成短纤维垫料。在脱水步骤中，通过使用抽吸泵在成型机的底部通过过滤用网膜对浆料中的水进行抽吸。将层积的长纤维垫料和短纤维垫料从成型机中取出并在120℃和70kPa下压缩干燥30分钟。通过上述步骤，在所述长纤维垫料上形成单位面积克重为1350g/m2和厚度为7mm的短纤维垫料。所述短纤维垫料中的氧化铝纤维的平均纤维长度为约3mm。
因此，在实施例2中，制得厚度为13mm和密度为0.21g/cm3的片材。
<实施例3>
首先，除了改变层积的氧化铝纤维的量之外，以与实施例1中基本相同的方法制造长纤维垫料。所制得的长纤维垫料的单位面积克重为950g/m2，厚度为4mm。所述氧化铝纤维的平均纤维长度为约50mm。所述氧化铝纤维的平均直径为6.2μm，最小直径为3.2μm。
随后，将430g由氧化铝和二氧化硅(混合比为72∶28)构成的氧化铝纤维所制成的原棉本体与43kg水混合，并使用搅拌机将该混合物搅拌5分钟。然后，将21.5g有机粘合剂(乳胶)加入到所得液体中，将所述液体再搅拌5分钟。之后，将4.3g无机粘合剂(氧化铝溶胶)加入到所述液体中，再将所述液体搅拌5分钟。进而，将2.15g凝集剂(PERCOL(R)292)加入至该液体中，并搅拌所述液体1分钟，由此调制浆料。
在下一步骤中，将制得的长纤维垫料(单位面积克重为950g/m2)放在成型机(930mm(长)×515mm(宽)×400mm(深))的作为过滤用网膜(筛目大小：30目)形成的底部。所述长纤维垫料的尺寸为930mm(长)×515mm(宽)×4mm(厚)。将调制的浆料倒入长纤维垫料中，然后进行脱水以形成短纤维垫料。在脱水步骤中，通过使用抽吸泵在成型机的底部通过过滤用网膜对浆料中的水进行抽吸。将层积的长纤维垫料和短纤维垫料从成型机中取出并在120℃和70kPa下压缩干燥30分钟。通过上述步骤，在所述长纤维垫料上形成单位面积克重为950g/m2和厚度为5mm的短纤维垫料。所述短纤维垫料中的氧化铝纤维的平均纤维长度为约3mm。
因此，在实施例3中，制得厚度为9mm和密度为0.21g/cm3的片材。
<比较例1>
在比较例1中，将1220g由氧化铝和二氧化硅(混合比为72∶28)构成的氧化铝纤维所制成的原棉本体与122kg水混合，并使用搅拌机将该混合物搅拌5分钟。然后，将61g有机粘合剂(乳胶)加入到所得液体中，并搅拌该液体5分钟。之后，将12.2g无机粘合剂(氧化铝溶胶)加入到该液体中，再搅拌该液体5分钟。进而，将6.1g凝集剂(PERCOL(R)292)加入所述液体，然后搅拌所述液体1分钟，由此调制浆料。
在下一步骤中，将调制的浆料倒入在底部具有过滤用网膜(筛目大小：30目)的成型机(930mm(长)×515mm(宽)×400mm(深))中，然后进行脱水以形成短纤维垫料。在脱水步骤中，使用抽吸泵通过位于成型机底部的过滤用网膜对浆料中的水进行抽吸。然后，将短纤维垫料从成型机中取出，并在120℃和70kPa下压缩干燥30分钟。因此，在比较例1中，制得仅由短纤维垫料构成的单层片材，所述短纤维垫料的单位面积克重为2700g/m2、厚度为13mm、密度为0.21g/cm3。所述单层片材中的氧化铝纤维的平均纤维长度为约3mm。
<比较例2>
在比较例2中，将860g由氧化铝和二氧化硅(混合比为72∶28)构成的氧化铝纤维所制成的原棉本体与86kg水混合，并使用搅拌机将该混合物搅拌5分钟。然后，将43g有机粘合剂(乳胶)加入到所得液体中，再搅拌该液体5分钟。之后，将8.6g无机粘合剂(氧化铝溶胶)加入到所述液体中，将该液体再搅拌5分钟。进而，将4.3g凝集剂(PERCOL(R)292)加入该液体中，并搅拌该液体1分钟，由此调制浆料。
在下一步骤中，将调制的浆料倒入在底部具有过滤用网膜(筛目大小：30目)的成型机(930mm(长)×515mm(宽)×400mm(深))中，并进行脱水以形成短纤维垫料。在脱水步骤中，使用抽吸泵通过位于成型机底部的过滤用网膜对浆料中的水进行抽吸。然后，将短纤维垫料从成型机中取出，并在120℃和70kPa下压缩干燥30分钟。因此，在比较例2中，制得仅由短纤维垫料构成的单层片材，所述短纤维垫料的单位面积克重为1900g/m2、厚度为9mm、密度为0.21g/cm3。所述单层片材中的氧化铝纤维的平均纤维长度为约3mm。
表1显示了实施例1～3的片材和比较例1和2的单层片材的单位面积克重、厚度和密度。在表1中，分别给出了长纤维垫料和短纤维垫料的单位面积克重，并且除所述片材的厚度以外还给出了长纤维垫料和短纤维垫料的各自厚度。
[表1]
  实施例/比较例   长纤维垫料   短纤维垫料   片材厚度   片材密度   缠绕实验结果
  单位面积克重(g/m2) 厚度(mm)   单位面积克重(g/m2) 厚度(mm) (mm) (g/m3)
  实施例1   950   4   1750   9   13   0.21   ○
  实施例1   1350   6   1350   7   13   0.21   ○
  实施例3   950   4   950   5   9   0.21   ○
  比较例1   2700   13   13   0.21   ×
  比较例2   1900   9   9   0.21   ×
<评估测试>
使用如上所述制备的片材，进行卷绕测试。在所述卷绕测试中，将各片材卷绕在外径为5英寸的圆柱上，并将所述片材的末端嵌合在一起以使其固定在所述圆柱上。然后，通过目视评价各片材的外表面上的龟裂的发生。实施例1～3的各片材均卷绕在所述圆柱上，使得长纤维垫料朝向外侧。
<测试结果>
所述卷绕测试的结果显示在上面的表1中。图12是用于卷绕测试的实施例1的片材的照片。图13是用于卷绕测试的比较例1的单层片材的照片。如表1所示，在实施例1～3的片材的外表面上没有观察到龟裂。另一方面，在比较例1和2的单层片材的外表面观察到龟裂。测试结果表明由根据本发明的实施方式的长纤维垫料和短纤维垫料构成的片材即使在厚度较大时也显示出足够的强度。
根据本发明的实施方式的片材可用作车用废气处理装置的元件。
本发明并不限于所具体公开的实施方式，在不背离本发明的范围的条件下可以进行各种变化和改进。

Claims (18)

1.一种片材，所述片材是通过将含有第一无机纤维的第一垫料和含有第二无机纤维的第二垫料至少两种垫料层压而构成的片材，
其中，所述第一无机纤维的平均纤维长度长于所述第二无机纤维的平均纤维长度。
2.如权利要求1所述的片材，其中，所述第一无机纤维和所述第二无机纤维由相同材料构成。
3.如权利要求1或2所述的片材，其中，所述第一无机纤维的平均纤维长度为20mm～120mm。
4.如权利要求1～3中任一项所述的片材，其中，所述第二无机纤维的平均纤维长度为0.5mm～10mm。
5.如权利要求1～4中任一项所述的片材，其中，所述第一垫料和/或第二垫料还含有粘合剂。
6.如权利要求1～5中任一项所述的片材，所述片材还包括：
在所述第一垫料和所述第二垫料之间的界面处的界面层。
7.如权利要求6所述的片材，其中，所述界面层的厚度为约0.05mm～约2mm。
8.如权利要求1～7中任一项所述的片材，其中，所述片材的厚度为6mm～20mm。
9.一种片材的制造方法，所述方法是将至少两种垫料层压而制造片材的方法，所述方法包括：
提供含有第一无机纤维的第一垫料的第一步骤；和
将含有第二无机纤维的第二垫料层压在所述含有第一无机纤维的第一垫料上的第二步骤；
其中，所述第一无机纤维的平均纤维长度长于所述第二无机纤维的平均纤维长度。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述第二步骤包括直接在所述第一垫料上形成所述第二垫料的步骤。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述第二步骤包括单独制造所述第二垫料然后层压所述第一垫料和所述第二垫料的步骤。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第二步骤还包括通过粘接剂粘合和/或通过缝制使所述第一垫料与所述第二垫料的界面接合的步骤。
13.如权利要求9～12中任一项所述的方法，其中，所述第一垫料通过针刺法制造。
14.如权利要求9～13中任一项所述的方法，其中，所述第二垫料通过抄造法制造。
15.一种废气处理装置，所述废气处理装置包括：
废气处理体；和
缠绕在所述废气处理体的外表面的至少一部分上的保持用密封材；其中，
所述保持用密封材由权利要求1～8中任一项所述的片材构成并缠绕在所述废气处理体上，使得所述片材的第一垫料的表面朝向外侧。
16.如权利要求15所述的废气处理装置，其中，所述废气处理体是催化剂载体或废气过滤器。
17.一种废气处理装置的制造方法，所述废气处理装置包括废气处理体和缠绕在所述废气处理体的外表面的至少一部分上的保持用密封材，所述方法包括以下步骤：
使用通过如权利要求9～14中任一项所述的方法制造而成的片材作为所述保持用密封材；以及
将所述保持用密封材缠绕在所述废气处理体上，使得所述片材的第一垫料的表面朝向外侧。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述废气处理体是催化剂载体或废气过滤器。
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