JP2004204819A - 触媒担体保持用マット - Google Patents

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Muneki Miyasaka
宗樹 宮坂
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Abstract

【課題】800℃を超える高温に長期間さらされても弾性を損なうことなく、担体保持力を維持する触媒担体保持用マットを提供する。
【解決手段】アルミナファイバー層とセラミックファイバー層の少なくとも２つの層を含み、これらの層が補助結合手段を用いることなく単一シートを形成しているマットを用いる。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気ガス浄化装置等に用いられる触媒コンバータにおいて、触媒担体を容器内に保持するための触媒担体保持用マットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車及びディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置に用いられる触媒コンバータは、通常、金属容器中に、貫通孔が蜂の巣状に並んだ、いわゆる「ハニカム構造」のモノリスからなる触媒担体を含んでいる。このモノリスには貴金属等の触媒が担持され、一酸化炭素及び炭化水素の酸化及び窒素酸化物の還元が行われ、排気ガスが浄化される。このモノリスのような触媒担体は、金属又はセラミック材料から形成されており、これを金属容器に収めるため、金属容器と触媒担体との間には、アルミナ−シリカ系繊維などのセラミック繊維からなる触媒担体保持用マット（触媒担体保持材）が配置され、触媒担体が保持され、破損から保護されている。
【０００３】
ところで、一般にセラミック触媒担体の熱膨張率は金属容器の熱膨張率よりほぼ１桁小さい。触媒コンバータは通常、数百度の高温にさらされるが、このような高温において金属容器とセラミック触媒担体の熱膨張率の差により、金属容器の熱膨張がセラミック触媒担体の熱膨張よりも大きくなる。その結果、金属容器と触媒担体の間の隙間が広がり、触媒担体の保持力が低下し、触媒担体にがたつきが生じるという問題がある。
【０００４】
そこで、触媒担体保持用マット中に膨張剤を含ませることにより、金属容器とセラミック触媒担体の間の隙間が広がっても保持力の低下を防ぐことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、特許文献１においては、可撓性膨張性層と膨張性材料を含む可撓性膨張性層から形成された単一シートを金属容器と触媒担体の間に配置している。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−５１４２８３号公報（第２頁、第１６〜１８頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、自動車の燃費の向上の要求及び厳しい排気ガス規制により、自動車に使用される触媒装置はエンジンからの排気ガス自体が高温化していることや、浄化性能を向上させるためにその装置をエンジンのすぐ後に配置して排気ガスを極力高温で処理する方式を採用していることにより、浄化装置が一段と厳しい高温下にさらされるようになってきた。例えば、ガソリンエンジンを用いた車でのある運転条件ではその排気ガス温度は1000℃を超えることも稀ではないことが知られている。
【０００７】
ところが、特許文献１において用いられているバーミキュライト、膨張性グラファイト、膨張性ケイ酸ナトリウム等の膨張性材料は800℃〜1000℃の温度にさらされると劣化し、強度が大きく低下する。この熱的劣化に加え、振動や摩擦等の機械的衝撃により触媒担体に対する保持力が低下することになる。特許文献１では金属容器と触媒担体の隙間の変化に対して、膨張剤を使用することにより有効に対応することを可能にしてはいるものの、800℃を越えるような高温における耐性については特に議論されていない。
【０００８】
本発明は、800℃を超える高温に長期間さらされても弾性を損なうことなく、担体保持力を維持する触媒担体保持用マットを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明によれば、アルミナファイバー層とセラミックファイバー層の少なくとも２つの層を含み、これらの層が補助結合手段を用いることなく単一シートを形成していることを特徴とする、触媒担体保持用マットが提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を説明する。図１は典型的な触媒コンバータの分解斜視図を示している。触媒コンバータ１０は、金属ケーシング１１中に、貫通孔が蜂の巣状に並んだ、いわゆる「ハニカム構造」のモノリスからなる触媒担体２０を含んでいる。このモノリスには触媒が担持され、一酸化炭素及び炭化水素の酸化及び窒素酸化物の還元が行われ、排気ガスが浄化される。触媒担体２０は、通常、セラミック材料から形成されており、しばしば、非常に脆弱である。このため、金属ケーシング１１と触媒担体２０との間には、触媒担体保持用マット３が配置され、触媒担体２０が破損から保護される。
【００１１】
本発明の触媒担体保持用マット３０は、図２に示すように、アルミナファイバー層３１とセラミックファイバー層３２の少なくとも２つの層を含み、これらの層が補助結合手段を用いることなく単一シートを形成していることを特徴とする。
【００１２】
アルミナファイバー層３１は、前駆体繊維化法あるいはゾルゲル法により形成されるアルミナファイバーを用い、セラミックファイバー層３２は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3)及びシリカ（ＳｉＯ2)、並びに他の酸化物の混合物を溶融し、メルトブローンもしくはメルトスパンすることにより形成されるセラミックファイバーを用い、それぞれファイバー80〜95wt％及びバインダー５〜20wt％より形成される。
【００１３】
ここで本明細書において、アルミナファイバー層３１を構成するアルミナファイバーはアルミナを50wt％以上、好ましくは70wt％以上含む結晶質の繊維をいい、一方セラミックファイバー層３２を構成するセラミックファイバーはシリカを45wt％以上含むＲＣＦ（リフラクトリーセラミックファイバー）をいう。アルミナ及びシリカ以外の他の酸化物としては、ジルコニア（ＺｒＯ2)、マグネシア（ＭｇＯ）、カルシア（ＣａＯ）、酸化クロム（Ｃｒ2Ｏ3)、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3)、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3)等が例示される。
【００１４】
このセラミックファイバー層３２を構成するセラミックファイバーはアニールされていることが好ましい。アニールを行うことにより弾性が向上し、マットの保持力及び耐久性が向上する。このアニールは、700℃〜1200℃、好ましくは950℃〜1100℃の温度において行われ、アニール時間は30分〜２時間とすることが好ましい。
【００１５】
バインダーとしては、アクリル樹脂、スチレン−ブタジエン、ビニルピリジン、アクリロニトリル、塩化ビニル、ポリウレタン等を用いることができる。また、アルミナファイバーもしくはセラミックファイバー及びバインダー以外に、無機充填材（例えばガラス粒子、炭酸カルシウム、マイカ、水酸化マグネシウム等）、可撓性熱硬化性樹脂（例えば不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、ポリビニルエステル等）等を含ませてもよい。
【００１６】
本発明の触媒担体保持用マットはアルミナファイバー層の上面にセラミックファイバー層を同時成形するなど、補助結合手段を用いることなく単一のシートを形成することにより形成される。この「補助結合手段」とは、樹脂、接着剤、粘着テープ、ステッチ、ステープル等の外部的に用いる接着手段を意味する。
【００１７】
従来の多層積層体からなる触媒担体保持用マットは、まず個々の層を別々に形成した後、これらの層を接着剤もしくは接着フィルムを用いて、又はステッチもしくはステープルを用いて互いに接着することにより形成されていた。ところが、一般に接着剤もしくは接着フィルムにより個々の層が接着された多層マットは、触媒コンバ−タ内で用いられると望ましくない煙及び臭気を生ずることがある。また、この接着剤もしくは接着フィルムはマットの耐熱性に影響を及ぼすこともある。さらに、このようなマットは、層を互いに接着するコスト及び用いられる接着剤もしくは接着フィルムのコストのため、製造費用が増す。一方、ステッチ等により機械的に接着されたマットの場合には、このステッチ等がマットに貫通する部位において機械的強度が低下し、さらにこの付加的な工程及び材料のコストの点において問題がある。
【００１８】
本発明では、このような補助結合手段を用いることなくアルミナファイバー層とセラミックファイバー層から単一のシートを形成しているため、上記のような問題が生ずることがない。
【００１９】
具体的には、本発明の触媒担体保持用マットは、アルミナファイバーを含有するスラリーとセラミックファイバーを含有するスラリー（これらのスラリーの固形分は好ましくは５wt％以下である）を調製し、第一のスラリーを抄紙機のスクリーンもしくはワイヤー等の透過性基材上に付着させ、この第一のスラリーを重力及び／又は真空によって部分脱水して下層を形成し、第二のスラリーを前記部分脱水した下層に付着させ、同様にして部分脱水することにより上層を形成し、次いで例えば加圧ロールを用いて加圧して両方の層を高密度化した後、加熱ロールで完全に乾燥させることによって形成される。アルミナファイバー層とセラミックファイバー層のいずれを下層として最初に形成してもよいが、乾燥時に最も厚い層を最初に形成する下層とすることが好ましい。
【００２０】
このように、スラリーを部分的に脱水した層又はブランケット層の上に他のスラリーを付着させてから脱水する工程により、両方の成分が、特に２つの層の間の界面において部分的に混ぜ合わされることになる。これにより、接着剤等の補助結合手段を用いることなく２つの層を永久的にかつ有効に接着し、一体シートを形成することができる。
【００２１】
本発明の触媒担体保持用マットにおいて、アルミナファイバー層とセラミックファイバー層の質量比は好ましくは３：１１〜１１：３である。また、本発明の触媒担体保持用マットはこれらのアルミナファイバー層とセラミックファイバー層からなる２層構造以外にこれらの材料又は他の材料からなる他の層を含む３層以上の構造としてもよい。但し、この場合、少なくとも１つの最外層はアルミナファイバー層とする。
【００２２】
こうして得られた触媒担体保持用マットを、図１に示すように、触媒担体の周囲に、アルミナファイバー層が触媒担体と接するように巻き、金属容器に収納することにより触媒浄化装置が完成する。
【００２３】
【実施例】
実施例１
アルミナ72wt％及びシリカ28wt％からなるアルミナファイバー92wt％をバインダー（アクリル系ラテックス、日本ゼオン（株）ニッポールLX-816)８wt％と混合し、これに水を加え第一のスラリーを調製した。また、アルミナ46wt％及びシリカ53wt％からなる溶融法により形成されたセラミックファイバー（新日化サーマルセラミックス製SC-1260D1)92wt％を上記バインダー８wt％と混合し、これに水を加え第二のスラリーを調製した。これらを用いて上記の一般的な紙抄き法にて、表１に示すセラミックファイバー層とアルミナファイバー層の坪量比の触媒担体保持用マットのサンプル１〜５を得た。
【００２４】
実施例２
セラミックファイバーを1000℃の温度で60分間アニール処理したものを用いることを除き、実施例１と同様にして表２に示す触媒担体保持用マットのサンプル６〜８を得た。
【００２５】
比較例１
セラミックファイバー層中を41wt％のバーミキュライト、47wt％のセラミックファイバー及び12wt％のバインダーから形成することを除き、実施例１と同様にして表３に示す触媒担体保持用のマットのサンプル９〜１３を得た。
【００２６】
評価方法
これらのサンプルについて、高温保持力（面圧）耐久性評価を以下のようにして行った。すなわち、各サンプルをφ45mmにカットし、アルミナファイバー層が高温（900℃）側になるように各サンプルを圧縮試験機の上下２枚のプレートの間に挟む。サンプルを圧縮し、５分後に130kPaとなるように調整する。次いで、上下２枚のプレートを昇温させ、それぞれ900℃、700℃に達したとき０時間とし、20時間までの面圧変化を１時間ごとに記録する。サンプル３についてのこの結果を図３に示す。このグラフから面圧変化を近似する式Ｙ＝ａＸbが求められる。この近似式より１０年後の面圧外挿値を求め、結果を表１〜３に示す。
【００２７】
【表１】
Figure 2004204819
【００２８】
【表２】
Figure 2004204819
【００２９】
【表３】
Figure 2004204819
【００３０】
この１０年後の面圧外挿値をプロットしたグラフを図４に示す。図４から明らかなように、本発明の触媒担体保持用マットは、アルミナファイバー層：セラミックファイバー層が７：７〜３：１において従来の膨張剤入りマットよりも１０年後の高温保持力が約４０％改良されている。さらに、アニールしたセラミックファイバーを用いると、１０年後の高温保持力が、アルミナファイバー層：セラミックファイバー層が３：１１で約４〜５倍、７：７で約２倍改良されている。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の触媒担体保持用マットは、800℃を超える高温に長期間さらされても弾性を損なうことなく、担体保持力を維持する。
【図面の簡単な説明】
【図１】触媒浄化装置の分解斜視図である。
【図２】本発明の触媒担体保持用マットの構成を示す断面図である。
【図３】サンプル３の触媒担体保持用マットの面圧の経時変化を示すグラフである。
【図４】実施例１及び２並びに比較例１のサンプルの１０年後面圧の外挿値を示すグラフである。
【符号の説明】
３…触媒担体保持用マット
１０…触媒コンバータ
１１…金属ケーシング
１２…排気ガス流入口
１３…排気ガス流出口
２０…触媒担体
３０…触媒担体保持用マット
３１…アルミナファイバー層
３２…セラミックファイバー層

Claims (3)

  1. アルミナファイバー層とセラミックファイバー層の少なくとも２つの層を含み、これらの層が補助結合手段を用いることなく単一シートを形成していることを特徴とする、触媒担体保持用マット。
  2. 前記アルミナファイバー層とセラミックファイバー層の質量比が３：１１〜１１：３である、請求項１記載の触媒担体保持用マット。
  3. 前記セラミックファイバー層を構成するセラミックファイバーが700℃〜1200℃の温度においてアニールされたものである、請求項１記載の触媒担体保持用マット。
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