JP2004003463A

JP2004003463A - 触媒コンバーター用保持材

Info

Publication number: JP2004003463A
Application number: JP2003096804A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Muto; 武藤　満; Osamu Ishikawa; 石川　修; Hideki Nokura; 野倉　秀樹; Toshiyuki Anji; 安治　敏行; Masafumi Tanaka; 田中　真文; Tadashi Sakane; 坂根　忠司; Takahito Mochida; 持田　貴仁
Original assignee: KIHOKU ENGINEER KK; Nichias Corp
Current assignee: KIHOKU ENGINEER KK; Nichias Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP4408647B2

Abstract

【課題】有機バインダーの使用量を減じても、好ましくは全く使用せずとも、無機繊維を良好に結束でき、従来と同等の厚さを維持できる触媒コンバーター用保持材を提供する。
【解決手段】触媒担体と、触媒担体を収容する金属製ケーシングと、触媒担体に巻回されて触媒担体と金属製ケーシングとの間隙に介装される保持材とを備えた触媒コンバーターに用いられる保持材であって、無機繊維をフィブリル化した繊維を用いて所定形状に成形してなることを特徴とする触媒コンバーター用保持材。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車等の排気ガス浄化用触媒コンバーターに用いられる触媒担体の保持材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の車両には、周知の如く、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、排気ガス浄化用触媒コンバーターが積載されている。このような触媒コンバーターは、一般に、図１に断面図にて示されるように、筒状に形成され触媒担体１と、触媒担体１を収容する金属製のケーシング２と、触媒担体１に装着されて触媒担体１とケーシング２との間隙に介装される保持材３とから構成されている。
【０００３】
触媒担体１としては、例えばコージェライト等からなる円筒状のハニカム状成形体に貴金属触媒等が担持されたものが一般的であるため、触媒担体１とケーシング２との間隙に介装される保持材３には、自動車の走行中に振動等によって触媒担体１がケーシング２に衝突して破損しないように触媒担体１を安全に保持する機能と、触媒担体１とケーシング２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必要とされている。そこで、現在では、アルミナ繊維やムライト繊維、あるいはその他のセラミック繊維等の無機繊維を有機バインダーを用いて所定厚さのマット状あるいは円筒状に成形した保持材が主流となっている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】
特開２００２−６６３３１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記保持材３に使用させる有機バインダーとしては、ゴム類、水溶性有機高分子化合物、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が一般的である。また、保持材３は厚すぎると、触媒担体１への巻装作業並びにケーシング２への装着作業がし難くなるため、ある程度薄くする必要がある。そのため、一般的な保持材３では、これらの有機バインダーを保持材全量の５〜８重量％、多いものでは１０重量％程度使用している。
【０００５】
しかし、最近では、浄化効率を高めるために、触媒担体１は１０００℃近くまで加熱されるため、上記に挙げた有機バインダーは容易に分解、焼失してＣＯ_２やＣＯ、各種の有機系ガスが発生し、特に、触媒コンバーターの作動初期に多量に発生する。排ガス規制は厳しくなる一方であり、この有機バインダーに由来するＣＯ_２等により規定値を上回る可能性がある。また、最近ではエンジンの電子制御が進んでいるが、本来の排気ガスに関係の無いＣＯ_２が存在すると、排気系のセンサー類を誤作動させてエンジンの電子制御にも悪影響が出てくる。このような不具合を防ぐために、メーカーは出荷前に焼成処理して有機バインダーを焼失する作業を行っている。このような焼成処理は、メーカーにとって大きな負担となっており、重要課題となっている。
【０００６】
有機バインダーの使用量を減少することも考えられているが、減量分だけ無機繊維の結束力が弱まり、保持材３が厚くなり、組み付け性が悪化するという問題が生じる。特に、マット状保持材としたときに、組み付け作業が困難になる。
【０００７】
このように、従来の保持材は有機バインダーに由来する様々な問題を抱えている。そこで、本発明の目的は、有機バインダーの使用量を減じても、好ましくは全く使用せずとも、無機繊維を良好に結束でき、従来と同等の厚さを維持できる触媒コンバーター用保持材を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記の目的を達成すべく鋭意検討した結果、有機バインダーの一部または全部に代えて、天然繊維を用いることによって上記目的を達成できることを見出して本発明を完成した。
【０００９】
即ち、本発明は、上記目的を達成するために、触媒担体と、触媒担体を収容する金属製ケーシングと、触媒担体に巻回されて触媒担体と金属製ケーシングとの間隙に介装される保持材とを備えた触媒コンバーターに用いられる保持材であって、無機繊維をフィブリル化した繊維を用いて所定形状に成形してなることを特徴とする触媒コンバーター用保持材を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る保持材について詳細に説明する。
【００１１】
本発明の保持材は、無機繊維を、好ましくはフィブリル化した繊維のみで、もしくは無機バインダー、あるいは極く少量の有機バインダーを併用して、所定形状に成形されたものである。
【００１２】
本発明ではバインダーとしてフィブリル化した繊維を用いる。フィブリル化した繊維は、その繊維長さが０．０５〜２．０ｍｍであることが好ましい。繊維長さが０．０５ｍｍ未満ではバインダーとして機能せず、目的とする厚さの保持材が得られない。一方、繊維長さが２．０ｍｍを超えると、スラリー中に均一に分散し難くなり、保持材としたときに一様な面圧が得られなくなる。
【００１３】
繊維の種類としては、天然繊維及び有機繊維が好ましい。天然繊維の種類は、特に限定されるものではないが、木材パルプや靭皮パルプ、綿パルプ等が好適に用いられる。これらの各種パルプは、特に制限することなく種々のものを使用することができるが、木材パルプでは一般的に繊維が長く可撓性がある「Ｎ−ＢＫＰ」がより好ましく用いられ、靭皮パルプでは麻、コウゾ、ミツマタ等がより好ましく用いられる。
【００１４】
また、有機繊維としては、フィブリル化可能な繊維であれば制限されるものではない。
【００１５】
これらの繊維は、バインダーとするために次のように処理される。先ず、リフィーナ等により繊維を切断する。そして、濾水度３００〜７００ｍｌの条件で、得られた繊維を特殊な叩解機で長時間処理し、繊維のフィブリル化された部位を０．００５〜１ｍｍ程度とし、繊維長を上記した好ましい範囲である０．０５〜２．０ｍｍに調整する。これにより、フィブリル化された部位（０．００５〜１ｍｍ程度）を有する繊維（０．０５〜２．０ｍｍ）を含む水性スラリーが得られ、これを乾燥して天然繊維が得られる。
【００１６】
上記のフィブリル化された天然繊維及び有機繊維は、それぞれ単独で用いてもよいし、繊維径や繊維長の特性を利用して適宜組み合わせ、混合して使用することもできる。フィブリル化した天然繊維を混合して用いる場合の例として、木材パルプと靭皮パルプとを混合したものが挙げられる。この混合使用の場合、木材パルプと靭皮パルプとの重量比が２０：８０〜８０：２０の範囲で混合することが好ましい。
【００１７】
フィブリル化した繊維の使用量は、無機繊維を結束し得る量であれば制限ないが、無機繊維１００重量部に対して０．２〜５重量部である。フィブリル化した繊維が０．２重量部未満では結束力が不足し、５重量部を越える場合は相対的に無機繊維の量が減り、保持材として必要な保持性能及びシール性能が得れない。フィブリル化した繊維の特に好ましい量は、０．２〜２．５重量部、さらに好ましい量はさらに好ましくは０．２〜１重量部未満である。
【００１８】
また、無機バインダーをさらに添加してもよい。こうした構成によれば、使用時おける有機成分の揮発が起因する上述した不具合を回避するために、フィブリル化した繊維の使用量を少なくした場合であっても、無機繊維を良好に結束でき、従来と同等の厚さを維持できる触媒コンバーター用保持材を提供することができる。こういった無機バインダーは公知のもので構わず、ガラスフリット、コロイダルシリカ、アルミナゾル、シリカゾル、珪酸ソーダ、チタニアゾル、珪酸リチウム、水ガラスなどが挙げられる。なお、これらの二種以上を組み合わせて使用することもできる。無機バインダーの使用量は、無機繊維を結束し得る量であれば制限ないが、無機繊維１００重量部に対して０．２〜５重量部である。無機バインダーが０．２重量部未満では結束力が不足し、５重量部を越える場合は相対的に無機繊維の量が減り、保持材として必要な保持性能及びシール性能が得れない。無機バインダーの特に好ましい量は、０．２〜２．５重量部、さらに好ましい量はさらに好ましくは０．２〜１重量部未満である。
【００１９】
また、バインダーとして、少量であれば、有機バインダーを併用してもよい。有機バインダーは公知のもので構わず、ゴム類、水溶性有機高分子化合物、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等を使用できる。具体的には、ゴム類の例としては、ｎ−ブチルアクリレートとアクリロニトリルの共重合体、エチルアクリレートとアクリロニトリルの共重合体、ブタジエンとアクリロニトリルの共重合体、ブタジエンゴム等がある。水溶性有機高分子化合物の例としては、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等がある。熱可塑性樹脂の例としては、アクリル酸、アクリル酸エステル、アクリルアミド、アクリロニトリル、メタクリル酸、メタクリル酸エステル等の単独重合体および共重合体、アクリロニトリル・スチレン共重合体、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体等がある。熱硬化性樹脂としては、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂等がある。本発明においては、特に上述した有機バインダーを使用した場合、得られる保持材に柔軟性が付与され、触媒担体に巻き付ける際に巻き付けやすくなり作業性が向上する。この場合、有機バインダーの使用量は、保持材に柔軟性を得えられる量であれば制限ないが、無機繊維１００重量部に対して０．２〜２重量部である。有機バインダーが０．２重量部未満では柔軟性が不足し、２重量部を越える場合は相対的に無機繊維の量が減り、保持材として必要な保持性能及びシール性能が得れないとともに、ＣＯ_２やＣＯ、各種の有機系ガスが発生するようになり、従来と同様の不具合が生じる。有機バインダーの特に好ましい量は、０．２〜１．５重量部、さらに好ましい量は０．２〜１重量部未満である。尚、有機バインダーは、保持材に十分な柔軟性が付与されている場合は、特に使用する必要がない。
【００２０】
一方、無機繊維としては、従来から保持材に用いられている種々の無機繊維を用いることができる。例えば、アルミナ繊維、ムライト繊維、あるいはその他のセラミック繊維等を適宜使用できる。より具体的には、アルミナ繊維としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３が９０重量％以上（残りはＳｉＯ_２分）であって、かつＸ線的には低結晶化度のものが好ましく、また、その平均繊維径が３〜７μｍ、ウｒットボリューム４００〜１０００ｃｃ／５ｇが好ましい。ムライト繊維としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３分／ＳｉＯ_２分重量比が７２／２８〜８０／２０程度のムライト組成であって、かつＸ線的には低結晶化度のものが好ましく、また、その平均繊維径が３〜７μｍ、ウエットボリューム４００〜１０００ｃｃ／５ｇが好ましい。
【００２１】
尚、上記ウエットボリュームは、次の方法で算出される。
乾燥した繊維材料５ｇを少数点２桁以上の精度を有する秤で計量する。
計量した繊維材料を５００ｇのガラスビーカーに入れる。
（２）のガラスビーカーに温度２０〜２５℃の蒸留水を４００ｃｃ程度入れ、攪拌機を用いて繊維材料を切断しないように慎重に攪拌し、分散させる。この分散は超音波洗浄機を使用してもよい。
（３）のガラスビーカーの中味を１０００ｍｌのメスシリンダーに移し、目盛で１０００ｃｃまで蒸留水を加える。
（４）のメスシリンダーの口を手等で塞ぎ、水が漏れないように注意しながら上下逆さまにして攪拌する。これを計１０回繰り返す。
攪拌停止後、室温下で静置し、３０分経過後の繊維沈降体積を目視で計測する。
上記操作を３サンプルについて行い、その平均値を測定値とする。
【００２２】
その他のセラミック繊維としては、シリカアルミナ繊維やシリカ繊維を挙げることができるが、何れも従来から保持材に使用されているもので構わない。また、ガラス繊維やロックウールを配合してもよい。
【００２３】
本発明の保持材を作製する方法は、特に制限されるものではなく、従来の有機バインダーを使用した製造方法に準じることができる。例えば、適当な多孔性中空板状の金型の上に６５〜２００メッシュの金網を装着して抄型を用意し、そこへ、無機繊維及びフィブリル化した繊維、必要により無機バインダー、更に必要に応じて少量の有機バインダーを含む水性スラリーを流し込み、吸引脱水し、乾燥することにより、フラットなマット状の保持材が得られる。また、上記性スラリーには、必要に応じて、分散剤や安定化剤等の公知の種々の添加剤を適量配合することができる。
【００２４】
また、触媒担体の外周とケーシングの内周の形状に合わせて無機繊維を円筒状に成形した所謂モールド型の保持器とすることもできる。マット状保持材では、触媒担体に巻装した後、この巻装状態をテープ等により保持しなければならないが、このモールド型保持器ではそのような作業が不要となり、触媒コンバーターを生産する上で有利となる。
【００２５】
尚、モールド型保持器とするには、円筒状の金網を用いて上記の吸引脱水成形を行えばよい。
【００２６】
上記の如く形成される本発明の保持材は、図１に示すように、従来と同様に触媒担体１に巻装されてケーシング２との間隙に介装される。
【００２７】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。
【００２８】
（実施例１）
木材パルプを叩解機にて処理し、平均繊維長１．０ｍｍの繊維を含む水性スラリーを得た。この水性スラリーを乾燥して、フィブリル化繊維とした。次いで、平均繊維径４μｍ、ウエットボリューム８００ｃｃ／５ｇのアルミナ繊維１００重量部に対して天然繊維バインダー２重量部の割合で含有する水性スラリーを調製した。そして、この調製した水性スラリーを２００メッシュのステンレス製の円筒状金網を用いて吸引脱水して円筒状の成形体となし、それをさらに１０５℃で加熱乾燥して、内径１００ｍｍ、厚さ７ｍｍ、長さ１００ｍｍで重量５１ｇの円筒状保持材を得た。
【００２９】
（実施例２）
平均繊維径４μｍ、ウエットボリューム８００ｃｃ／５ｇのアルミナ繊維１００重量部に対して、実施例１で得たフィブリル化した天然繊維０．８重量部の割合で含有する水性スラリーを調整した。そして、実施例１と同様にして内径１００ｍｍ、厚さ７ｍｍ、長さ１００ｍｍで重量５１ｇの円筒状保持材を得た。
【００３０】
（実施例３）
平均繊維径４μｍ、ウエットボリューム８００ｃｃ／５ｇのアルミナ繊維１００重量部に対して、実施例１で得たフィブリル化した天然繊維０．５重量部、無機バインダーとしてのコロイダルシリカ２．０重量部の割合で含有する水性スラリーを調整した。そして、実施例１と同様にして内径１００ｍｍ、厚さ７ｍｍ、長さ１００ｍｍで重量５１ｇの円筒状保持材を得た。
【００３１】
（実施例４）
平均繊維径４μｍ、ウエットボリューム８００ｃｃ／５ｇのアルミナ繊維１００重量部に対して、実施例１で得たフィブリル化した天然繊維０．５重量部、ゴム類の有機バインダーとしてのアクリルエマルジョン１．５重量部の割合で含有する水性スラリーを調整した。そして、この調整した水性スラリーを２００メッシュのステンレス製の長方体状金網を用いて吸引脱水してマット状の成形体をなし、それをさらに１０５℃で加熱乾燥して、長さ３３０ｍｍ、厚さ７ｍｍ、幅１００ｍｍで重量５１ｇのマット状の保持材を得た。
【００３２】
（比較例１）
フィブリル化天然繊維に代えてアクリル系有機バインダーを用い、実施例１と同様にして内径１００ｍｍ、厚さ７ｍｍ、長さ１００ｍｍで重量５１ｇの円筒状保持材を得ようとした。しかし、乾燥後に厚さが厚くなり、目的とする形状の保持材をえることができなかった。
【００３３】
（比較例２）
フィブリル化天然繊維に代えてアクリル系有機バインダーを用い、またバインダー量を８重量部とし、実施例１と同様の方法で内径１００ｍｍ、厚さ７ｍｍ、長さ１００ｍｍで重量５４ｇの円筒状保持材を得た。
【００３４】
（比較例３）
平均繊維径４μｍ、ウエットボリューム８００ｃｃ／５ｇのアルミナ繊維１００重量部に対して、有機バインダーとしてのアクリルエマルジョン８重量部の割合で含有する水性スラリーを調整した。そして、実施例４と同様にして長さ３３０ｍｍ、厚さ７ｍｍ、幅１００ｍｍで重量５１ｇのマット状の保持材を得た。
【００３５】
（実装試験）
実施例１及び比較例２で得られた各保持材を、外径１００ｍｍ、長さ１１０ｍｍの円筒状ハニカム構造のコージェライト製触媒担体に巻装し、ステンレス製ケーシングに装着して触媒コンバーターを作製した。そして、作製した各触媒コンバーターをガソリンエンジンの排気管に接続し、排気ガスを通過させた。排気ガスの通過中、各触媒コンバーターから排出されるガスを分析した。
【００３６】
比較例２の保持材を装着した触媒コンバーターでは、排気ガスの通過直後に有機バインダーに由来すると思われる有機系ガスが検出され、ＣＯ_２濃度及びＣＯ濃度も、実施例１の保持材を装着した触媒コンバーターに比べて格段に高かった。また、排気ガスの通過を続けたところ、実施例１の保持材を装着した触媒コンバーターは安定した浄化作用を示し、シール性能も良好であった。これに対し、比較例１の保持材を装着した触媒コンバーターでは、時間経過とともにＣＯ_２濃度及びＣＯ濃度が低下し、ある時間経過後は実施例１の保持材を装着した触媒コンバーターとほぼ同等の安定した浄化作用を示した。
【００３７】
また、実施例４で得られたマット状の保持材を、外径１００ｍｍ、長さ１１０ｍｍの円筒状ハニカム構造のコージェライト製触媒担体に巻装したが、比較例２で得られたマット状の保持材と同様に問題なく巻くことができた。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来の有機バインダーを使用した保持材が有する様々な問題を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】触媒コンバーターを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１　　触媒担体
２　　ケーシング
３　　保持材

Claims

触媒担体と、触媒担体を収容する金属製ケーシングと、触媒担体に巻回されて触媒担体と金属製ケーシングとの間隙に介装される保持材とを備えた触媒コンバーターに用いられる保持材であって、無機繊維をフィブリル化した繊維を用いて所定形状に成形してなることを特徴とする触媒コンバーター用保持材。
前記フィブリル化した繊維が、０．０５〜２．０ｍｍの繊維長さを有することを特徴とする請求項１記載の触媒コンバーター用保持材。
前記フィブリル化した繊維を、前記無機繊維１００重量部に対して０．２〜５重量部含有することを特徴とする請求項１または２記載の触媒コンバーター用保持材。
前記無機繊維１００重量部に対して無機バインダーを０．２〜５重量部含有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の触媒コンバーター用保持材。
前記フィブリル化した繊維を、前記無機繊維１００重量部に対して０．２〜１重量部未満含有することを特徴とする請求項４に記載の触媒コンバーター用保持材。
前記無機繊維が、アルミナ繊維、ムライト繊維、シリカアルミナ繊維、シリカ繊維、ガラス繊維及びロックウールから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の触媒コンバータ用保持材。