JP2009085091A - マット材、排気ガス処理装置および消音装置 - Google Patents

マット材、排気ガス処理装置および消音装置 Download PDF

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Abstract

【課題】適正な層間強度を有し、かつハンドリング性が改善されたマット材。
【解決手段】無機繊維を含み、第１および第２の表面のそれぞれから反対側の表面に向かう、ニードリング処理によって形成された複数のニードル痕を有するマット材であって、第１の表面から延伸するニードル痕の少なくとも一部は、当該マット材の厚さの半分よりも大きく、当該マット材の厚さよりも小さな「侵入深さ」Ｄを有し、第２の表面から延伸するニードル痕の少なくとも一部は、当該マット材の厚さから、前記「侵入深さ」Ｄを差し引いた値よりも大きな深さまで進展しており、第２の表面から見たとき、第１の表面からのニードル痕の第２の表面の延長線上の位置には、実質的に無機繊維束の突出部が存在せず、第１の表面から見たとき、第２の表面からのニードル痕の第１の表面の延長線上の位置には、実質的に無機繊維束の突出部が存在しないことを特徴とするマット材。
【選択図】図５

Description

本発明は、無機繊維を含むマット材に関し、特に、車両等の排気ガス処理装置および消音装置に使用されるマット材に関する。
自動車の台数は、今世紀に入って飛躍的に増加しており、それに比例して、自動車の内燃機関から排出される排気ガスの量も急激な増大の一途を辿っている。特にディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる種々の物質は、汚染を引き起こす原因となるため、現在では、世界環境にとって深刻な影響を与えつつある。
このような事情の下、従来より各種排気ガス処理装置が提案され、実用化されている。一般的な排気ガス処理装置は、エンジンの排気ガスマニホールドに連結された排気管の途上にケーシング（例えば、金属シェル）を設け、その中に微細な孔を多数有する排気ガス処理体を配置した構造となっている。排気ガス処理体の一例としては、触媒担持体（触媒コンバータ）やディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）がある。例えばＤＰＦの場合、上述の構造により、排気ガスが排気ガス処理体を通過する際に、その孔の周囲の壁に微粒子がトラップされ、排気ガス中から微粒子を除去することができる。排気ガス処理体の構成材料は、金属や合金の他、セラミック等である。セラミックからなる排気ガス処理体の代表例としては、コーディエライト製のハニカムフィルタが知られている。最近では、耐熱性、機械的強度、化学的安定性等の観点から、多孔質炭化珪素焼結体が排気ガス処理体の材料として用いられている。
このような排気ガス処理体とケーシングの間には、通常保持シール材が設置される。保持シール材は、車両走行時等における排気ガス処理体とケーシングの当接による破損を防ぐとともにケーシングと排気ガス処理体との隙間から排気ガスがリークすることを防止するために用いられる。また、保持シール材は、排気ガスの排圧により排気ガス処理体が脱落することを防止する役割を有する。さらに排気ガス処理体は、反応性を維持するため高温に保持する必要があり、保持シール材には断熱性能も要求される。これらの要件を満たす部材としては、アルミナ系ファイバー等の無機繊維からなるマット材がある。
このマット材は、排気ガス処理体の開口面を除く外周面の少なくとも一部に巻き付けられ、テーピング等によって排気ガス処理体と一体固定化される。その後、この一体品は、例えば、圧入方式により、ケーシング内に圧入、装着されて、排気ガス処理装置が構成される。
一般に前述のマット材は、ニードリング処理によって製作される。ニードリング処理とは、マット材にニードルを抜き差しして、マット材の肉薄化を行う処理である。この処理により、マット材の厚さ方向に無機繊維が編みこまれるとともに、マット材の厚さが薄くなるため、マット材の嵩高さが抑えられる（例えば、特許文献１）。
特願平０６−０７７６３９号公報
なお、マット材に対するニードリング処理の適用が不適切であると、マット材の層間強度が低下する場合がある。例えば、完成後のマット材の厚さに対して不適当に短い全長を有するニードルを使用してニードリング処理を実施した場合、ニードルが到達できないマット材の深さ領域では、厚さ方向に沿った無機繊維の交絡部が形成されないため、その領域では、層間強度が低下する。また例えば、そのような短いニードルを用いて、マット材の表裏両表面側からニードリング処理を実施した場合、マット材の厚みの中間部分近傍に、無機繊維の交絡が少なく、層間強度の低い領域が生じ得る。
さらにそのような層間強度の低いマット材を、排気ガス処理装置の保持シール材として使用した場合、保持シール材を排気ガス処理体に巻き回す際、あるいは実際の排気ガス処理装置の使用期間中に、保持シール材の層間で剥離が生じるおそれがある。
そこで、このようなマット材の層間強度の低下の問題を回避するため、通常のニードリング処理では、完成後のマット材の厚さよりも十分に長い全長を有するニードルが使用される。このようなニードルを用いてマット材のニードリング処理を行った場合、ニードルをマット材に刺した際に、ニードルは、無機繊維を厚み方向に巻き込みながら、マット材の厚さ方向に貫通する。従って、このようないわゆる「貫通式」ニードリング処理では、マット材の厚さ方向全体にわたって無機繊維が交絡され、完成後のマット材の層間強度の低下を確実に抑制することができる。
しかしながら、前述の「貫通式」ニードリング処理では、マット材の一方の表面側から、厚さ方向に沿って他方の表面側に貫通するまで、長いニードルが抜き差しされる。このため、前記他方の表面側から見た場合、ニードル痕（ニードルの抜き差しによってマット材に生じた、無機繊維束が充填された穴）部分には、ニードルに巻き込まれてこの表面に押し出された無機繊維束の突出部が存在する。このような無機繊維束の突出部は、作業者がマット材をハンドリングする際に、皮膚に刺ささったり、容易に破損して空気中に飛散したりするため、作業環境を悪化させる原因となる。
このように、ニードリング処理の際のニードル長さが短すぎると、マット材の層間強度が低下する一方、「貫通式」ニードリング処理により、マット材の層間強度を確保しようとした場合は、マット材の表面からの無機繊維の突出、さらにはこれによるハンドリング性の低下（例えば、無機繊維の飛散）の問題が生じ得る。
本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、適正な層間強度を有するとともに、ハンドリング性が改善されたマット材を提供すること、およびそのようなマット材を備える排気ガス処理装置ならびに消音装置を提供することを目的とする。
本発明では、無機繊維を含み、第１および第２の表面のそれぞれから反対側の表面に向かう、ニードリング処理によって形成された複数のニードル痕を有するマット材であって、
前記第１の表面から延伸するニードル痕の少なくとも一部は、当該マット材の厚さの半分よりも大きく、当該マット材の厚さよりも小さな「侵入深さ」Ｄを有し、
前記第２の表面から延伸するニードル痕の少なくとも一部は、当該マット材の厚さから、前記「侵入深さ」Ｄを差し引いた値よりも大きな深さまで進展しており、
前記第２の表面から見たとき、前記第１の表面からのニードル痕の前記第２の表面の延長線上の位置には、実質的に無機繊維束の突出部が存在せず、
前記第１の表面から見たとき、前記第２の表面からのニードル痕の前記第１の表面の延長線上の位置には、実質的に無機繊維束の突出部が存在しないことを特徴とするマット材が提供される。
また本発明では、無機繊維を含み、第１および第２の表面のそれぞれから反対側の表面に向かう、ニードリング処理によって形成された複数のニードル痕を有するマット材であって、
前記第１の表面から延伸するニードル痕の少なくとも一部は、当該マット材の厚さの半分を超える深さまで進展しており、
前記第２の表面から延伸するニードル痕の少なくとも一部は、当該マット材の厚さの半分を超える深さまで進展しており、
前記第２の表面から見たとき、前記第１の表面からのニードル痕の前記第２の表面の延長線上の位置には、実質的に無機繊維束の突出部が存在せず、
前記第１の表面から見たとき、前記第２の表面からのニードル痕の前記第１の表面の延長線上の位置には、実質的に無機繊維束の突出部が存在しないことを特徴とするマット材が提供される。
ここで、当該マット材は、坪量が１５００ｇ／ｍ２〜２８００ｇ／ｍ２の範囲であり、厚さが９ｍｍ〜２０ｍｍの範囲であっても良い。
また、当該マット材には、無機結合材および／または有機結合材が含有されていても良い。
また、当該マット材において、前記無機繊維は、アルミナとシリカの混合物であっても良い。
さらに、本発明では、
排気ガス処理体と、
該排気ガス処理体の外周面の少なくとも一部に巻き付けて使用される保持シール材と、
該保持シール材が巻き付けられた前記排気ガス処理体を収容するケーシングと、
を備える排気ガス処理装置であって、
前記保持シール材は、前述の特徴を有するマット材であることを特徴とする排気ガス処理装置が提供される。
さらに、本発明では、
排気ガスの入口管および出口管と、
前記入口管および出口管の間に設置された排気ガス処理体と、
を備える排気ガス処理装置であって、
前記入口管の少なくとも一部には、断熱材が設置され、
該断熱材は、前述の特徴を有するマット材であることを特徴とする排気ガス処理装置が提供される。
ここで、前記排気ガス処理体は、触媒担持体または排気ガスフィルタであっても良い。
さらに、本発明では、
インナーパイプと、該インナーパイプの外方を覆うアウターシェルと、前記インナーパイプとアウターシェルの間に設置された吸音材とを有する消音装置であって、
前記吸音材は、前述の特徴を有するマット材で構成されることを特徴とする消音装置が提供される。
本発明では、適正な層間強度を有するとともに、ハンドリング性が改善されたマット材を提供することが可能となる。また、そのようなマット材を保持シール材および／または断熱材として有する排気ガス処理装置が得られる。さらに、そのようなマット材を吸音材として備える消音装置を提供することが可能になる。
次に、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に説明する。
図１には、本発明によるマット材の形態の一例を示す。また図２には、本発明に係るマット材を保持シール材として含む排気ガス処理装置の分解構成図を示す。
本発明によるマット材３０は、例えば、アルミナおよびシリカ等の多数の無機繊維で構成される。本発明によるマット材３０は、図１に示すように、長辺（Ｘ方向に平行な辺）と短辺（Ｙ方向に平行な辺）を有し、実質的に矩形状となるように形成される。短辺７０および７１には、それぞれ嵌合凸部５０および嵌合凹部６０が設置されている。また、短辺７１の嵌合凹部６０に隣接する位置には、２つの凸部６１が形成されている。ただし本発明のマット材の短辺７０、７１は、図１の形状に限られるものではなく、例えば、図のような嵌合部を全く有さないものや、各短辺が、それぞれ、嵌合凸部５０および嵌合凹部６０を複数有するもの等も使用できる。なお、本願において、「実質的に矩形状」とは、図１に示すような、短辺に１組の嵌合凸部５０と嵌合凹部６０を有する矩形を含む概念である。さらに、「実質的に矩形状」には、長辺と短辺の交差するコーナー部が、９０゜以外の角度を有する形状（例えば、曲率を有するもの）も含まれる。
このマット材３０は、排気ガス処理装置の保持シール材２４として使用する場合、長辺方向が巻回方向（Ｘ方向）となるようにして使用される。またマット材３０が、保持シール材２４として触媒担持体等の排気ガス処理体２０に巻き付けられた際には、図２に示すように、マット材３０の嵌合凸部５０と嵌合凹部６０が嵌合され、マット材３０が排気ガス処理体２０に固定される。その後、保持シール材２４が巻き回された排気ガス処理体２０は、圧入等により、金属等で構成された筒状のケーシング１２内に圧入され、装着される。
次に、図１、３、４および６を参照して、本発明の特徴について説明する。なお、図３および４は、従来のマット材の断面の一部分の拡大模式図であり、図６は、本発明によるマット材の断面の一部分の拡大模式図である。
本発明のマット材３０は、多数の無機繊維を含んでおり、ニードリング処理によって製作される。ここで、「ニードリング処理」とは、マット材３０の原料となる積層状シートの表面側から内部に向かって（例えば、厚さ方向と実質的に平行な方向に）、ニードルを抜き差しして、積層状シートに含まれる無機繊維を一定方向に交絡させる処理をいう。このようなニードリング処理によって生じたニードル痕（ニードルの抜き差しによってマット材に生じた、無機繊維束が充填された穴であり、通常の場合、０．４〜１．０ｍｍ程度の直径を有する）部分では、複雑に絡み合った繊維束が一定方向に配向されており、完成後のマット材の層間強度の向上を図ることができる。
しかしながら、ニードリング処理が不適切な場合、得られるマット材において、層間強度が低下するという問題が生じる。
例えば、完成後のマット材の厚さに比べて不適切に短い全長を有するニードルを使用して、ニードリング処理を実施した場合、マット材のニードルが到達できなかった深さ領域では、厚さ方向に沿った無機繊維の交絡部が形成されないため、その領域では、層間強度が低下する。
図３には、そのような「短い」ニードルを用いて、マット材の第１の表面２５１および第２の表面２６１から、ニードリング処理を実施した場合に得られる、マット材３１の模式的な拡大断面図を示す。図３において、ニードルが抜き差しされた箇所には、ニードル痕１２１が形成されている。しかしながら、ニードルの抜き差し深さが、完成後のマット材３１の厚さよりも有意に短かったため（より正確には、完成後のマット材３１の厚さの１／２よりも短かったため）、マット材３１の厚みの中間部分近傍には、ニードル痕は形成されていない。その代わりに、この部分には、無機繊維の交絡が少なく、層間強度の低い領域１５１が生じている（以下、マット材の厚さ方向で見た場合、このような、いずれの表面側からのニードル痕も存在しない領域（すなわち層間強度の低い領域１５１）を有するマット材をタイプＩのマット材と称する）。このような問題は、特に、完成後のマット材が厚い場合（例えば、厚さが１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度の場合）に生じ易い。
また、このような層間強度の低い領域１５１を有するマット材３１を、排気ガス処理装置の保持シール材として使用した場合、保持シール材を排気ガス処理体に巻き回す際、あるいは実際の排気ガス処理装置の使用期間中に、保持シール材の層間で剥離が生じるおそれがある。
そこで、このような問題を回避するため、通常のニードリング処理では、完成後のマット材の厚さよりも十分に長い全長を有するニードルが使用される。このようなニードルを用いてマット材のニードリング処理を行った場合、ニードルをマット材に刺した際に、ニードルは、無機繊維を厚み方向に巻き込みながら、反対側の表面にまで達し、マット材の厚さを貫通する。従って、このようないわゆる「貫通式」ニードリング処理では、マット材の厚さ方向全体にわたって無機繊維が交絡され、前述の層間強度の低い領域１５１の形成を回避することができる。
図４には、「貫通式」ニードリング処理によって得られるマット材３２の模式的な拡大断面図を示す。図４に示すように、このマット材３２では、ニードリング処理は、マット材の第１の表面２５２および第２の表面２６２の両方の側から実施されている。すなわち、マット材の第１の表面２５２の側からの「貫通式」ニードリング処理によって、ニードリング痕１２２ａが形成され、マット材の第２の表面２６２の側からの「貫通式」ニードリング処理によって、ニードリング痕１２２ｂが形成されている。このようなニードリング痕１２２ａ、１２２ｂの構成により、マット材３２では、厚さ方向に沿って十分な層間強度を確保することができる。
しかしながら、「貫通式」ニードリング処理では、マット材３２の第１の表面２５２側から、厚さ方向に沿って第２の表面２６２を貫通するまで、あるいは第２の表面２６２側から、厚さ方向に沿って第１の表面２５２を貫通するまで、長いニードルが抜き差しされる。このため、図４に示すように、第１の表面２５２側からのニードルの抜き差しにより形成されたニードル痕１２２ａの第２の表面２６２側には、ニードルにより第２の表面２６２側に押し出された無機繊維束の突出部１３０（１３０ａ）が生じる。同様に、第２の表面２６２側からのニードルの抜き差しにより形成されたニードル痕１２２ｂの第１の表面２５２側には、ニードルにより第１の表面２５２側に押し出された無機繊維束の突出部１３０（１３０ｂ）が生じる（以下、このような貫通状態のニードル痕を有するマット材をタイプＩＩのマット材と称する）。
図５には、「貫通式」ニードリング処理によって作製されたマット材において、ニードル痕の開口部に生じた無機繊維束の突出部１３０の光学顕微鏡写真を示す。この写真の例では、マット材の表面に、直径約２ｍｍ程度のループ状の突出部が形成されている。
このような無機繊維束の突出部１３０（１３０ａ、１３０ｂ）は、作業者がマット材をハンドリングする際に、皮膚に刺ささったり、容易に破損して空気中に飛散したりするため、作業環境を悪化させる原因となる。従って、無機繊維束の突出部１３０は、できる限り抑制する必要がある。
なお、本願において、「無機繊維束の突出部」とは、マット材の表面のニードル痕の開口部分（ニードル痕が貫通している場合）に、または一方の表面側に開口を有するニードル痕の延長線が交わる他方の表面側の位置（ニードル痕が貫通していない場合）に形成された、表面から盛り上がった、無機繊維からなる直径約１ｍｍ〜５ｍｍの繊維束を意味することに留意する必要がある。
一方、本発明のマット材３０は、例えば図６に模式的に示すような断面構造を有する。ここで、このマット材３０では、ニードリング処理は、マット材の第１の表面２５０および第２の表面２６０の両方の側から実施されている。すなわち、マット材の第１の表面２５０の側からのニードリングによって、ニードリング痕１２０ａが形成され、マット材の第２の表面２６０の側からのニードリングによって、ニードリング痕１２０ｂが形成されている。
本発明のマット材３０では、ニードリング痕１２０ａ、ｂは、完成後のマット材の中心厚さ部分をＴ（図６の破線）とすると、いずれも一方の表面側から、Ｔを超える深さまでマット材内部に侵入している。従って、図３に示したような、無機繊維の交絡が少なく、層間強度の低い領域１５１は、形成されていない。また、ニードリング痕１２０ａ、ｂは、いずれも、マット材３０を貫通していないため、どちらの表面２５０、２６０にも、前述のような無機繊維束の突出部１３０は、形成されていない（以下、このような、いずれの表面側からのニードル痕も存在しない領域（すなわち層間強度の低い領域１５１）を有さず、かつニードル痕が貫通していないマット材を、タイプＩＩＩのマット材と称する）。
このようなニードリング痕１２２ａ、１２２ｂの構成により、本発明によるマット材３０では、マット材の厚さ全体にわたって、十分な層間強度を有するとともに、表面に突出部１３０がなく、良好なハンドリング性を有するという効果が得られる。
ここで、図６に示すマット材の例では、ニードル痕１２０ａ、１２０ｂはいずれも、マット材３０の厚さ方向と平行な方向（図６のＺ方向）に延伸している。しかしながら、ニードル痕１２０ａ、１２０ｂの延伸方向は、必ずしも厚さ方向に平行である必要はない。
なお、図６の例における本発明によるマット材では、ニードリング痕１２０ａ、１２０ｂは、いずれもその最先端が少なくともマット材３０の厚さの半分以上の深さ（図６のＴの位置）まで侵入している。しかしながら、本発明は、このような態様に限られるものではない。例えば、本発明によるマット材は、図７に示す形態であっても良い。この図の例では、第１の表面２５０から延伸するニードル痕１２０ｅは、図６のニードル痕１２０ａと同様の深さまで侵入している。しかしながら、第２の表面２６０から延伸するニードル痕１２０ｆは、マット材１３０の厚さの半分を超える深さ領域（破線Ｔで示す領域）までは進展していない。このようなニードル痕１２０ｅ、１２０ｆを有するマット材においても、前述の効果が得られることは、当業者には容易に理解できる。
すなわち、本発明において重要なことは、マット材の厚さ方向に、いずれの表面側からのニードル痕も存在しない領域が存在せず、かつ、ニードリング痕がマット材３０の反対側の表面にまで貫通していないこと（より正確には、反対側の表面に、無機繊維束の突出部１３０が生じていないこと）であり、これが満たされる限り、ニードル痕の深さは、いかなる深さであっても良い。
ここで図８、９を用いて、ニードリング処理により作製されたマット材におけるニードル痕の深さ（以下、「侵入深さＤ」と称する）の測定方法について説明する。ニードル痕の「侵入深さＤ」は、以下のように測定することができる。
まず、測定用マット材３０Ｍ（寸法：縦２５ｍｍ×横２５ｍｍ）の一方の表面（例えば、第１の表面２５０）に存在する、複数のニードル痕１２０ｃの開口部の中心同士をつなぐ直線に沿って、カッター等によりマット材３０Ｍを実質的に厚さ方向と平行に切断する。
ここでニードル痕が、図８に示すように、マット材３０Ｍの厚さ方向に対して実質的に平行に延在している場合は、得られた切断面から、目視により、表面からの深さが最も長いニードル痕１２０ｃを選択し、この長さを測定する。この操作を５回実施し、得られた測定値の平均値をニードル痕の「侵入深さＤ」と定義する。
一方、図９に示すように、ニードル痕がマット材３０Ｍの厚さ方向に対して傾斜している場合は、ニードル痕１２０ｄの先端部からマット材３０Ｍの厚さと平行な直線Ｌ上に垂らした垂線と、この直線Ｌとの交点を求める。さらに、当該ニードル痕１２０ｄの開口部を持つマット材の表面２５０から、この交点までの距離を測定する。この操作を５回実施し、得られた測定値の平均値を傾斜したニードル痕の「侵入深さＤ」と定義する。なお、切断面の目視の段階で、ニードル痕がマット材を貫通していることが判明した場合は、ニードル痕の延伸方向に関わらず、マット材の厚さをニードル痕の「侵入深さＤ」とする。
なお、本発明によるマット材の坪量（単位面積当たりの重量）は、特に限られず、例えば、９００ｇ／ｍ２〜３０００ｇ／ｍ２の範囲であっても良く、１５００／ｍ２〜２８００ｇ／ｍ２の範囲であることがより好ましい。またマット材の厚さは、特に限られず、例えば、６ｍｍ〜３１ｍｍの範囲であっても良く、９ｍｍ〜２０ｍｍの範囲であることがより好ましい。
このような本発明によるマット材は、例えば、排気ガス処理装置１０の保持シール材および／または断熱材として使用することができる。図１０には、本発明による排気ガス処理装置１０の一構成例を示す。
排気ガス処理装置１０は、保持シール材２４が外周面に巻き回された排気ガス処理体２０と、該排気ガス処理体を収容するケーシング１２と、該ケーシングの入口側および出口側のそれぞれに接続された、排気ガスの入口管２および出口管４とを有する。入口管２および出口管４は、ケーシング１２と接続される位置で径が拡張されるように、テーパ形状となっている。また、入口管２のテーパ形状部には、断熱材２６が設置されており、これにより、排気ガス処理装置１０内部の熱が入口管２を介して外部に伝達することが抑制される。この図の例では、排気ガス処理体２０は、排気ガスの入口と出口用の開口面を有し、ガス流と平行な方向に多数の貫通孔を有する触媒担持体である。触媒担持体は、例えばハニカム状の多孔質炭化珪素等で構成される。ただし、本発明の排気ガス処理装置１０は、このような構成に限られるものではない。例えば、排気ガス処理体２０を貫通孔の一部が目封じされたＤＰＦとすることも可能である。
ここで、保持シール材２４および断熱材２６は、本発明によるマット材３０で構成されている。このような排気ガス処理装置では、前述のマット材の効果により、保持シール材および断熱材のハンドリング性が向上する。さらに、保持シール材および／または断熱材を設置する際、あるいは実際の排気ガス処理装置の使用期間中に、保持シール材および／または断熱材の厚みの中間部分で、層間剥離が生じることを回避することができるという特徴が得られる。
次に、本発明によるマット材の別の適用例を説明する。図１１には、本発明によるマット材を備える消音装置を示す。この消音装置は、例えば自動車等のエンジンの排気管の途中に設けられる。消音装置７０は、インナーパイプ７２（例えばステンレス鋼等の金属製）と、その外方を覆うアウターシェル７６（例えばステンレス鋼等の金属製）と、両者の間に設置された吸音材７４とを有する。通常の場合、インナーパイプ７２の表面には、小孔が穿設されている。このような消音装置７０では、インナーパイプ７２の内部に排気ガスを流通させた際に、吸音材７４により、排気中に含まれる騒音成分を減衰させることができる。
ここで、吸音材７４には、前述の本発明によるマット材３０を使用することができる。吸音材７４に本発明によるマット材を使用することにより、吸音材７４を消音装置７０に取り付ける際のハンドリング性が向上する。
以下、本発明のマット材の製作方法の一例を説明する。なお、以下の説明では、図６に示す形態のマット材を想定して、本発明によるマット材を製作する方法について記載する。
まず、無機繊維からなる積層状シートを製作する。なお以下の説明では、無機繊維としてアルミナとシリカの混合物を用いるが、無機繊維材料は、これに限られるものではなく、例えばアルミナまたはシリカのみで構成されても良い。アルミニウム含有量７０ｇ／ｌ、Ａｌ／Ｃｌ＝１．８（原子比）の塩基性塩化アルミニウム水溶液に、例えばアルミナ−シリカ組成比が６０〜８０：４０〜２０となるようにシリカゾルを添加し、無機繊維の前駆体を調製する。特にアルミナ−シリカ組成比は、７０〜７４：３０〜２６程度であることがより好ましい。アルミナ組成比が６０％以下では、アルミナとシリカから生成されるムライトの組成比率が低くなるため、完成後のマット材の熱伝導度が高くなり、十分な断熱性能が得られないからである。
次にこのアルミナ系繊維の前駆体にポリビニルアルコール等の有機重合体を加える。その後この液体を濃縮し、紡糸液を調製する。さらにこの紡糸液を使用して、ブローイング法により紡糸する。
ブローイング法とは、エアーノズルから吹き出される空気流と紡糸液供給ノズルから押し出される紡糸液流とによって、紡糸を行う方法である。エアーノズルからのスリットあたりのガス流速は、通常４０〜２００ｍ／ｓである。また紡糸ノズルの直径は通常０．１〜０．５ｍｍであり、紡糸液供給ノズル１本あたりの液量は、通常１〜１２０ｍｌ／ｈ程度であるが、３〜５０ｍｌ／ｈ程度であることが好ましい。このような条件では、紡糸液供給ノズルから押し出される紡糸液は、スプレー状（霧状）となることなく十分に延伸され、繊維相互で溶着されにくいので、紡糸条件を最適化することにより、繊維径分布の狭い均一なアルミナ繊維前駆体を得ることができる。
ここで、製作されるアルミナ系繊維の平均繊維長は、２５０μｍ以上であることが好ましく、５００μｍ以上であることがより好ましい。平均繊維長が２５０μｍ未満では、繊維同士が十分に絡み合わず、十分な強度が得られないからである。また無機繊維の平均直径は、特に限られないが、約３μｍから約８μｍの範囲にあることが好ましく、約５μｍから約７μｍの範囲にあることがより好ましい。
紡糸が完了した前駆体を積層して、積層状シートを製作する。さらに積層状シートに対してニードリング処理を行う。ニードリング処理には、通常ニードリング装置が用いられる。
通常、ニードリング装置は、積層状シートの第１の表面と対向するように配置された、突き刺し方向（通常は上下方向）に往復移動可能な第１のニードルボードと、積層状シートの第２の表面と対向するように配置された、突き刺し方向（通常は上下方向）に往復移動可能な第２のニードルボードとを有する。また、第１および第２のニードルボードは、ニードリング処理の際に、それぞれ、積層状シートの第１および第２の表面に配設される、第１および第２の支持板を備える。第１および第２のニードルボードには、積層状シートに突き刺すための多数のニードルが、例えば約２５〜５０００個／１００ｃｍ２の密度で取り付けられている。また第１および第２の支持板には、ニードルを、支持板を介して、積層状シートの方まで突き刺すことができるように、多数の貫通孔が設けられている。従って、両方の支持板によって積層状シートを両面から押さえつけた状態で、第１および第２のニードルボードを積層状シートの方に近づけたり遠ざけたりすることにより、両方の表面側からニードリング処理を行うことができる。ここで、一方のニードルボードには、ニードリング処理時に他方のニードルボードのニードル群と位置が重ならないように、ニードルが配置されていることに留意する必要がある。
ここで、本発明のニードリング処理では、一方の表面側から突き刺されるニードルが、積層状シートを貫通したり（この場合、マット材は、タイプＩＩの形態となる）、突き刺し深さが不十分になる（この場合、マット材は、タイプＩの形態となる）ことのないよう、以下のようにして、ニードリング処理が実施される：
（１）完成後のマット材の厚さＰが比較的厚い場合（Ｐ>１０ｍｍ）；完成後のマット材のニードル痕の侵入深さＤが、０．６Ｐ≦Ｄ≦０．８Ｐとなるように、第１および第２のニードルボードのストローク量（積層状シートに対する上下移動量）が制御され、
（２）完成後のマット材の厚さＰが比較的薄い場合（Ｐ≦１０ｍｍ未満）；完成後のマット材のニードル痕の侵入深さＤが、０．６Ｐ≦Ｄ≦０．７Ｐとなるように、第１および第２のニードルボードのストローク量が制御される。
このように、完成後のマット材の厚さＰに応じて、ニードルボードのストローク量を変化させるのは、特に、完成後のマット材の厚さが比較的薄い場合、ニードル痕の侵入深さをより正確に制御しないと、完成後のマット材の形態が、タイプＩＩＩではなく、タイプＩＩになる危険性があるためである。
例えば、保持シール材として使用される一般的なマット材において、厚さの下限は、７ｍｍ程度である。この場合、（１）の方法でニードリング処理を行うと、第１の表面側から延伸するニードル痕の先端と、第２の表面との間の距離は、最も短い場合、７ｍｍ×０．２＝１．４ｍｍとなる。この距離では、ニードル痕がマット材を貫通していなかったとしても、マット材の第２の表面に、前述のタイプＩＩのマット材において観察されるような、無機繊維束の突出部１３０が生じる恐れがある。
これに対して、（２）の方法でニードリング処理を行った場合、第２の表面との間の距離は、最小でも、７ｍｍ×０．３＝２．１ｍｍとなる。従って、ニードルの突き刺し表面とは反対の表面での無機繊維束の突出部１３０の発生を、より確実に回避することができる。
一方、完成後のマット材の厚さＰが１０ｍｍを超える場合には、Ｄ≦０．８Ｐであれば、このような無機繊維束の突出部１３０の問題は、生じにくくなる。ただし、前述のような層間強度の低い領域１５１が生じることをより確実に回避するため、ニードル痕の侵入深さＤは、０．５Ｐ<Ｄではなく、前述の０．６Ｐ≦Ｄとすることが好ましい。
なお、前述の例では、完成後のマット材の厚さに応じて、ニードルボードの上下ストローク量を制御することにより、ニードル痕の侵入深さを制御した。しかしながら、これとは別に、例えば、完成後のマット材の厚さに応じて、ニードルボードに設置されるニードルの全長を変化させることにより、ニードル痕の侵入深さを制御しても良い。この場合、ニードルボードには、予め所定の長さのニードルが設置されているため、完成後のマット材の厚さが変わっても、ニードルボードのストローク量を常に一定とすることができる。ただし、この場合、各種長さのニードルを準備する必要がある。
また、ニードリング処理は、必ずしも両面側から（かつ同時に）実施する必要はない。例えば、積層状シートの第１の表面の側から、前述のようなニードリング処理を行った後、積層状シートを反転させて、第２の表面側から、ニードリング処理を実施しても良い。
次に、このようにニードリング処理の施された積層状シートを常温から加熱し、最高温度１２５０℃程度で連続焼成することで、所定の坪量（単位面積当たりの重量）のマット材が得られる。
ハンドリングの容易化のため、このようにして得られたマット材は、所定の寸法に裁断される。
次に、裁断されたマット材には、樹脂のような有機系結合材が含浸されることが好ましい。これにより、マット材の嵩高さを抑制することができる。また、マット材のハンドリング性が向上する。さらに、使用中の排気ガス処理装置に高温排気ガスが導入されると、保持シール材に含浸された有機結合材は熱により消失するため、圧縮されていた保持シール材が復元され、ケーシングと排気ガス処理体の間に存在する可能性のあるわずかの隙間も塞がれることとなり、マット材の保持能力およびシール性が向上する。
有機系結合材の含有量は、０．５〜１２．０重量％の範囲であることが好ましい。１０．０重量％よりも多くなると、排気ガス処理装置の使用時に排出される有機成分の量が増加する。
なお有機系結合材としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ゴム系樹脂、スチレン系樹脂などが使用できる。例えばアクリル系（ＡＣＭ）、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）樹脂等を用いることが好ましい。
このような有機系結合材と水とで調製した水分散液を用いて、スプレー塗布により、マット材に樹脂を含浸させる。なおマット材中に含まれる余分な添着固形分および水分は、次工程で除去される。
次に、余分な固形分の除去および乾燥処理を行う。余分な固形分の除去は、吸引法で行われる。また余分な水分の除去は、加熱圧縮乾燥法によって行われる。この方法では、マット材に押圧を付加するため、余分な水分が除去されると共に、マット材が肉薄化される。乾燥は、９５〜１５５℃程度の温度で行われる。９５℃よりも温度が低いと、乾燥時間が長くなり生産効率が低下する。また１５５℃を超える乾燥温度では、有機系結合材自身の分解が開始され、有機系結合材による接着性が損なわれる。
このような工程を経て、前述のタイプＩＩＩの形態を有するマット材が得られる。
なお、マット材を保持シール材として使用する場合、マット材は、所定の形状（例えば図１に示す形状）に裁断される。
上記の説明では、図６に示すマット材を製作する方法について記載した。しかしながら、図７に示す形態のマット材を製作する際にも、同様の方法が適用できることは、当業者には明らかである。この場合、例えば前述の（１）または（２）方法で、第１の表面からニードリング処理を実施した後（ニードル痕の侵入深さをＤ１とし、完成後のマット材の厚さをＰとする）、第２の表面からのニードル痕の侵入深さＤ２が、Ｐ−Ｄ１<Ｄ２<０．５Ｐとなるように、第２のニードルボードのストローク量が制御され、第２の表面からのニードリング処理が実施される。
以下、本発明の効果を実施例により説明する。
（実施例１）
以下の手順により、マット材を製作した。
アルミニウム含有量７０ｇ／ｌ、Ａｌ／Ｃｌ＝１．８（原子比）の塩基性塩化アルミニウム水溶液に、アルミナ系繊維の組成がＡｌ２Ｏ３：ＳｉＯ２＝７２：２８となるように、シリカゾルを配合し、アルミナ系繊維の前駆体を形成した。
次にアルミナ系繊維の前駆体に、ポリビニルアルコール等の有機重合体を添加した。さらに、この液を濃縮して紡糸液とし、この紡糸液を用いてブローイング法にて紡糸した。その後アルミナ系繊維の前駆体を折りたたんだものを積層して、アルミナ系繊維の積層状シートを製作した。
次にこの積層状シートに対して、ニードリング処理を行った。ニードリング処理は、それぞれ５０個／１００ｃｍ２のニードルが設置された２組のニードルボードを使用した。これらのニードルボードを積層状シートの両側に配設し、積層状シートの両側から、ニードルボードを実質的に積層状シートの厚さ方向に沿って上下させることにより行った。各面からのニードルの侵入深さは、６．０ｍｍとした。
その後、得られたマット材を常温から最高温度１２５０℃で連続焼成し、坪量１５００ｇ／ｃｍ２、密度０．１６ｇ／ｃｍ３のアルミナ系繊維のマット材を得た。完成後のマット材の厚さは、９．１ｍｍであり、第１および第２の表面のニードル痕の侵入深さは、いずれも６．０ｍｍであった。従って、このマット材は、タイプＩＩＩに属する。
このような工程を経て得られたマット材を、実施例１とする。なお、本発明の実施例では、マット材を後述の層間強度測定に供するため、マット材に有機バインダを含浸させていない。
（実施例２）
前述の実施例１と同様の方法により、実施例２に係るマット材を作製した。なお、実施例２では、両表面からのニードルの侵入深さは、９．５ｍｍとした。また、マット材の坪量は、２０００ｇ／ｃｍ２で、密度は０．１６ｇ／ｃｍ３であった。完成後のマット材の厚さは、１２．７ｍｍであり、第１および第２の表面のニードル痕の侵入深さは、いずれも９．５ｍｍであった。従って、このマット材は、タイプＩＩＩに属する。
（実施例３）
前述の実施例１と同様の方法により、実施例３に係るマット材を作製した。なお、実施例３では、両表面からのニードルの侵入深さは、１３．１ｍｍとした。また、マット材の坪量は、２６００ｇ／ｃｍ２で、密度は０．１５ｇ／ｃｍ３であった。完成後のマット材の厚さは、１７．４ｍｍであり、第１および第２の表面のニードル痕の侵入深さは、いずれも１３．１ｍｍであった。従って、このマット材は、タイプＩＩＩに属する。
（実施例４）
前述の実施例１と同様の方法により、実施例４に係るマット材を作製した。なお、実施例４では、両表面からのニードルの侵入深さは、１５．０ｍｍとした。また、マット材の坪量は、２８００ｇ／ｃｍ２で、密度は０．１４ｇ／ｃｍ３であった。完成後のマット材の厚さは、２０．１ｍｍであり、第１および第２の表面のニードル痕の侵入深さは、いずれも１５．０ｍｍであった。従って、このマット材は、タイプＩＩＩに属する。
（比較例１）
前述の実施例１と同様の方法により、比較例１に係るマット材を作製した。しかしながら、比較例１では、両表面からのニードルの侵入深さは、４．０ｍｍとした。また、マット材の坪量は、１５００ｇ／ｃｍ２で、密度は０．１６ｇ／ｃｍ３であった。完成後のマット材の厚さは、９．３ｍｍであり、第１および第２の表面のニードル痕の侵入深さは、いずれも４．０ｍｍであった。従って、このマット材は、タイプＩに属する。
（比較例２）
前述の実施例１と同様の方法により、比較例２に係るマット材を作製した。しかしながら、比較例２では、両表面からのニードルの侵入深さは、６．０ｍｍとした。また、マット材の坪量は、２２００ｇ／ｃｍ２で、密度は０．１４ｇ／ｃｍ３であった。完成後のマット材の厚さは、１５．４ｍｍであり、第１および第２の表面のニードル痕の侵入深さは、いずれも６．０ｍｍであった。従って、このマット材は、タイプＩに属する。
（比較例３）
前述の実施例１と同様の方法により、比較例３に係るマット材を作製した。なお、比較例３では、両表面からのニードルの侵入深さは、８．０ｍｍとした。また、マット材の坪量は、２８００ｇ／ｃｍ２で、密度は０．１４ｇ／ｃｍ３であった。完成後のマット材の厚さは、２０．７ｍｍであり、第１および第２の表面のニードル痕の侵入深さは、いずれも８．０ｍｍであった。従って、このマット材は、タイプＩの形態に属する。
（比較例４）
前述の実施例１と同様の方法により、比較例４に係るマット材を作製した。ただし、比較例４では、マット材の両表面から、ニードルが貫通するまで、ニードルボードをストロークさせた。また、完成後のマット材の坪量は、１５００ｇ／ｃｍ２で、密度は０．１７ｇ／ｃｍ３であった。完成後のマット材の厚さは、８．６ｍｍであり、ニードル痕は、マット材を貫通していた。従って、このマット材は、タイプＩＩの形態に属する。
（比較例５）
前述の実施例１と同様の方法により、比較例５に係るマット材を作製した。ただし、比較例５では、マット材の両表面から、ニードルが貫通するまで、ニードルボードをストロークさせた。また、完成後のマット材の坪量は、２０００ｇ／ｃｍ２で、密度は０．１６ｇ／ｃｍ３であった。完成後のマット材の厚さは、１２．４ｍｍであり、ニードル痕は、マット材を貫通していた。従って、このマット材は、タイプＩＩの形態に属する。
（比較例６）
前述の実施例１と同様の方法により、比較例６に係るマット材を作製した。ただし、比較例６では、マット材の両表面から、ニードルが貫通するまで、ニードルボードをストロークさせた。また、完成後のマット材の坪量は、２８００ｇ／ｃｍ２で、密度は０．１４ｇ／ｃｍ３であった。完成後のマット材の厚さは、１９．６ｍｍであり、ニードル痕は、マット材を貫通していた。従って、このマット材は、タイプＩＩの形態に属する。
（層間強度の測定）
前述の方法で作製した各マット材を用いて、層間強度の測定を行った。まず各マット材から、長さ２００ｍｍ×幅５０ｍｍの寸法のサンプルを採取した。
次に、図１２に示すように、サンプル８１０の５０ｍｍの幅の側の一端面８２０に、サンプルの厚さをほぼ二分するように、カッターで切り込み線８３０を入れる。次に、この切り込み線８３０に沿って、サンプル８１０を長さ方向に約１００ｍｍ剥離させる。次に、このサンプル８１０の端面８２０の剥離された２つの分離部８４０Ａ、８４０Ｂの端部を、それぞれ、引張試験機（インストロン社製：５５６７）の上チャック（可動チャック）および下チャック（固定チャック）に取り付ける。この状態で、引張速度１０ｍｍ／分の速度で、上チャックを鉛直方向上方に移動させることにより、サンプルをほぼ中央の厚さ位置で引き剥がし、得られる最大荷重を測定した。この測定を３回実施し、３回の平均値をサンプルの剥離強度（Ｎ）とした。
（表面突出部の観察）
前述の方法で作製した各マット材表面を光学顕微鏡で観察し（倍率２５倍）、ニードル痕（またはニードル痕の延長線）上での無機繊維束の突出部の有無を調査した。
（評価結果）
各サンプルにおいて得られた層間強度測定および無機繊維束の突出部の観察の結果を表１にまとめて示す。
比較例１〜３に係るマット材、すなわちタイプＩのマット材では、マット材の表面に、無機繊維束の突起部は形成されていなかった。しかしながらマット材の層間強度は、０．３Ｎ程度であり、層間強度が極めて劣ることがわかった。一方、比較例４〜６に係るマット材、すなわちタイプＩＩのマット材では、層間強度は、３．２Ｎ〜３．５Ｎ程度であり、比較例１〜３のマット材の値を大きく上回ることがわかった。しかしながら、比較例４〜６に係るマット材では、いずれの場合も、ニードル痕の表面開口位置に、無機繊維束の突出部が形成されていることが確認された。
これに対して、実施例１〜４に係るマット材では、比較例４〜６に係るマット材と同等の層間強度を示したものの、いずれの場合も、マット材の表面の、ニードル痕の延長線上の位置に、無機繊維束の突出部は、形成されていなかった。このように、本発明によるマット材は、十分な層間強度を有し、かつ無機繊維束の突出部がなく作業環境を悪化させない点において優れているといえる。
本発明の保持シール材および排気ガス処理装置は、車両用の排気ガス処理装置等に利用することができる。
本発明のマット材の一形態を示す図である。 本発明のマット材を保持シール材として使用して、排気ガス処理装置を構成するときの構成図である。 従来のマット材（タイプＩのマット材）の断面を模式的に示した図である。 従来の別のマット材（タイプＩＩのマット材）の断面を模式的に示した図である。 図４に示したマット材の表面において観察された、無機繊維束の突出部の光学顕微鏡写真である。 本発明によるマット材（タイプＩＩＩのマット材）の断面を模式的に示した図である。 本発明による別のマット材の断面を模式的に示した図である。 マット材におけるニードル痕の侵入深さＤの定義を示した図である。 マット材における別のニードル痕の侵入深さＤの定義を示した図である。 本発明による排気ガス処理装置の一構成例を示す図である。 本発明による消音装置の一構成例を示す図である。 層間強度測定用のサンプルの形状を示した図である。
符号の説明
２ 導入管
４ 排気管
１０ 排気ガス処理装置
１２ ケーシング
２４ 保持シール材
２０ 排気ガス処理体
３０ マット材
３１、３２ 従来のマット材
５０ 嵌合凸部
６０ 嵌合凹部
２５０、２５１、２５２ 第１の表面
２６０、２６１、２６２ 第２の表面
１２０ａ、１２０ｂ 本発明におけるニードル痕
１２１ 従来の非貫通ニードル痕
１２２ａ、１２２ｂ 貫通ニードル痕
１３０ａ、１３０ｂ 突出部
８１０ サンプル
８２０ 端面
８３０ 切り込み線
８４０Ａ、８４０Ｂ 分離部

Claims (9)

  1. 無機繊維を含み、第１および第２の表面のそれぞれから反対側の表面に向かう、ニードリング処理によって形成された複数のニードル痕を有するマット材であって、
    前記第１の表面から延伸するニードル痕の少なくとも一部は、当該マット材の厚さの半分よりも大きく、当該マット材の厚さよりも小さな「侵入深さ」Ｄを有し、
    前記第２の表面から延伸するニードル痕の少なくとも一部は、当該マット材の厚さから、前記「侵入深さ」Ｄを差し引いた値よりも大きな深さまで進展しており、
    前記第２の表面から見たとき、前記第１の表面からのニードル痕の前記第２の表面の延長線上の位置には、実質的に無機繊維束の突出部が存在せず、
    前記第１の表面から見たとき、前記第２の表面からのニードル痕の前記第１の表面の延長線上の位置には、実質的に無機繊維束の突出部が存在しないことを特徴とするマット材。
  2. 無機繊維を含み、第１および第２の表面のそれぞれから反対側の表面に向かう、ニードリング処理によって形成された複数のニードル痕を有するマット材であって、
    前記第１の表面から延伸するニードル痕の少なくとも一部は、当該マット材の厚さの半分を超える深さまで進展しており、
    前記第２の表面から延伸するニードル痕の少なくとも一部は、当該マット材の厚さの半分を超える深さまで進展しており、
    前記第２の表面から見たとき、前記第１の表面からのニードル痕の前記第２の表面の延長線上の位置には、実質的に無機繊維束の突出部が存在せず、
    前記第１の表面から見たとき、前記第２の表面からのニードル痕の前記第１の表面の延長線上の位置には、実質的に無機繊維束の突出部が存在しないことを特徴とするマット材。
  3. 当該マット材は、坪量が１５００ｇ／ｍ２〜２８００ｇ／ｍ２の範囲であり、厚さが９ｍｍ〜２０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載のマット材。
  4. 無機結合材および／または有機結合材が含有されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のマット材。
  5. 前記無機繊維は、アルミナとシリカの混合物であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載のマット材。
  6. 排気ガス処理体と、
    該排気ガス処理体の外周面の少なくとも一部に巻き付けて使用される保持シール材と、
    該保持シール材が巻き付けられた前記排気ガス処理体を収容するケーシングと、
    を備える排気ガス処理装置であって、
    前記保持シール材は、前記請求項１乃至５のいずれか一つに記載のマット材であることを特徴とする排気ガス処理装置。
  7. 排気ガスの入口管および出口管と、
    前記入口管および出口管の間に設置された排気ガス処理体と、
    を備える排気ガス処理装置であって、
    前記入口管の少なくとも一部には、断熱材が設置され、
    該断熱材は、請求項１乃至５のいずれか一つに記載のマット材であることを特徴とする排気ガス処理装置。
  8. 前記排気ガス処理体は、触媒担持体または排気ガスフィルタであることを特徴とする請求項６または７に記載の排気ガス処理装置。
  9. インナーパイプと、該インナーパイプの外方を覆うアウターシェルと、前記インナーパイプとアウターシェルの間に設置された吸音材とを有する消音装置であって、
    前記吸音材は、請求項１乃至５のいずれか一つに記載のマット材で構成されることを特徴とする消音装置。
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