JP2568472B2

JP2568472B2 - 耐熱性複合部材およびその成形体

Info

Publication number: JP2568472B2
Application number: JP5089796A
Authority: JP
Inventors: 哲橋本; 正典関; 聡康谷村
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 1993-04-16
Filing date: 1993-04-16
Publication date: 1997-01-08
Anticipated expiration: 2012-01-08
Also published as: JPH06305847A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえば自動車用セラ
ミックフィルタ、セラミック触媒の保持材、耐火断熱
材、さらには高温用ガスケットなどとして使用される耐
熱性複合部材およびその成形体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、自動車の排気管では、管接続
部に介在されるガスケット、あるいは、排ガス中の窒素
酸化物の還元等の浄化のためのセラミック触媒等を排気
管に保持させるための保持材として、従来では、耐熱性
無機質繊維基材としてのセラミック繊維と、無機質膨脹
材としての膨脹処理未膨脹バーミキュライトと、有機結
合材とを配合し抄造してなる耐熱性複合部材や該耐熱性
複合部材を所定形状に型成形してなる成形体を用いてい
る。この耐熱性複合部材は、セラミック繊維３０〜４５
ｗｔ％、膨脹処理未膨脹バーミキュライト鉱物４５〜６
０ｗｔ％、有機結合材６〜１３ｗｔ％の配合比率となっ
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記したよう
な従来の耐熱性複合部材およびその成形体は、熱的に弱
い有機結合材の配合比率が比較的多いうえ、セラミック
繊維が３０ｗｔ％を越えてバーミキュライト鉱物の熱膨
脹特性を抑制しているので、加熱時の機械的強度が十分
でなく、ガスケット材などとして使用した際に高温ガス
流体によって、この複合部材が飛散するおそれがあり、
また、かさ密度を一定以上に大きくすることができない
ので、圧縮剛性も低く、高い圧縮荷重を受けると、収縮
変形を起しやすく、さらに、振動などの機械的負荷に対
する抵抗力も弱くて耐久性に劣るものであった。特に、
上記かさ密度を一定以上に大きくすることができないこ
とから、ガスの浸透漏れのおそれがあり、シール性を十
分に発揮させることができなかった。

【０００４】本発明は上記のような課題を解消するため
になされたもので、高温下での使用においても機械的強
度の低下がなく、耐ガスアタック性や耐振動性の向上を
図れ、しかもガス浸透漏れのおそれがなく優れたシール
性能を発揮させることができる耐熱性複合部材およびそ
の成形体を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明に係る耐熱性複合部材は、セラミッ
ク繊維１５〜３０ｗｔ％、無機質膨脹材５〜３０ｗｔ
％、無機質充填材１５〜３０ｗｔ％、無機結合材１〜２
５ｗｔ％、有機結合材０〜５ｗｔ％からなり、そのかさ
密度が０．３ｇ／ｃｍ³以上に設定されたものである。

【０００６】また、請求項２の発明に係る耐熱性複合部
材の成形体は、上記請求項１に記載の耐熱性複合部材
を、使用部位の形状に合わせて所定形状に成形したもの
である。

【０００７】

【作用】請求項１の発明によれば、無機結合材および無
機質充填材の配合により補強される一方、セラミック繊
維の配合比率を特定しことによって、かさ密度を一定以
上に大きくすることが可能となり、そのため、高温下で
の使用時における機械的強度や保形性の低下も少なく、
したがって、高速のガス流体のアタックによる飛散など
が抑止されるとともに、シール性の向上も図ることがで
きる。さらに、上記無機質充填材などによって圧縮剛性
なども高められるので、高い圧縮荷重を受けても収縮変
形したりすることがないうえに、振動などの機械的負荷
に抗する力が付与されて耐久性の向上を図ることができ
る。

【０００８】また、請求項２の発明によれば、上述のよ
うに、高温ガス流体に対する耐アタック性、シール性、
圧縮剛性および耐久性に優れた耐熱性複合部材を、使用
部位の形状に合わせて成形しておくことにより、装着部
材や機器の装着部との密着性が向上し一層優れたシール
性能を発揮させることができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説
明する。図１は、本発明の一実施例による耐熱性複合部
材を示す断面図であり、この耐熱性複合部材１はシート
状に形成されている。このような耐熱性複合部材１は、
このまま使用するか、あるいは、これを使用部位の形状
に合わせて所定形状に成形することにより、たとえば図
２に示すように、中央部に排気ガス通過孔２を有する矩
形状の平坦部３の全周に一方向に向かう周壁部４が一体
成形された耐熱性成形体１１として構成することができ
る。また、図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、抄造したシ
ート状の耐熱性複合部材１をパイプに巻付けて乾燥さ
せ、予め円筒状成形体６とすることも可能である。図２
のような耐熱性成形体１１は、たとえば図４に示すよう
に、ディーゼルエンジンやボイラーなどの排気ガスの流
通路を形成するケーシング１２内に配置された複数個の
多孔質フィルタ１３を周囲から保持させるために用いら
れる。また、図３のような円筒状成形体６はセラミック
フィルターやセラミック触媒の保持材として用いられ
る。

【００１０】上記のような耐熱性複合部材１を構成する
材料の配合例と該複合部材１の製造方法について、図６
を参照して説明する。まず、セラミック繊維（新日鉄化
学製のＳＣバルク１２６０−Ｄ２）２６ｗｔ％、無機質
膨脹材としての膨脹処理未膨脹バーミキュライト鉱物
（南アフリカボラボラ鉱山産バーミキュライト０号）２
８ｗｔ％、無機質充填材としてのセピオライト鉱物（昭
和鉱業製のミルコンＭＳ−２−２）２５ｗｔ％、無機結
合材（日産化学製のアルミナゾル５２０）１８ｗｔ％、
有機結合材としてのエチレン−酢酸ビニル−アクリル酸
エステル共重合材（住友化学製のスミカフレックス９０
０）３ｗｔ％の配合比率の３ｗｔ％濃度の水分散液Ａを
作製する。この際、セラミック繊維、セピオライト鉱物
は、予めミキサ２１を介して水中で十分に分散させてお
く。また、膨脹処理バーミキュライトはリン酸水素アン
モニウムナトリウム水溶液に浸漬させたものを使用す
る。その後、水分散液Ａにアンモニウムイオンやナトリ
ウムイオン等の定着剤を投入し攪拌して、有機結合材お
よび無機結合材を、セラミック繊維、セピオライト鉱物
およびバーミキュライトに定着させる。

【００１１】次に、上記水分散液Ａを６０メッシュの金
網２２の上方から流し込んで、１０ｗｔ％濃度に搾水し
た抄造液Ｂを得る。つづいて、その抄造液Ｂを所定の型
に流し込み、かつ、プレスすることによって、さらに搾
水して所定の形状、つまり図１に示すようなシート状の
形状をもつ５０ｗｔ％濃度の含水成形体を得る。この含
水成形体を乾燥して、かさ密度０．６５ｇ／ｃｍ³で、
初期厚さ５．０ｍｍの耐熱性複合部材１を得た。以下、
これを実施例とする。

【００１２】ところで、上記実施例における耐熱性複合
部材１を構成する材料および好ましい配合比率は、つぎ
の通りである。セラミック繊維としては、アルミナ・シ
リカ繊維が好ましい。このセラミック繊維は、１５ｗｔ
％未満では加熱後の強度低下を招くおそれがあり、ま
た、３０ｗｔ％を越えても、膨脹特性が抑制され、かさ
密度も大きくとれず、やはり加熱後の強度低下を招く。
このため、その配合比率は、１５〜３０ｗｔ％の範囲で
選択設定する。

【００１３】また、無機質膨脹材としての未膨脹バーミ
キュライト鉱物は、前述のように予めリン酸水素アンモ
ニウムナトリウム水溶液に浸漬することによって膨脹処
理されたものであり、５ｗｔ％未満では、膨脹特性が劣
り、３０ｗｔ％を越えると加熱後の機械的強度が低く、
したがって、その配合比率は、５〜３０ｗｔ％とする。

【００１４】無機質充填材は、かさ密度を一定以上にす
ることによりシール性の向上や圧縮剛性の向上を図るの
に寄与するものであり、セピオライト鉱物の他に、ウォ
ラスストナイト鉱物、ゾノトライト、チタン酸カリウム
などの繊維状充填材が適しているが、目詰めのためにタ
ルク鉱物やカオリンなどの粘土状鉱物を配合してもよ
い。この無機質充填材は、３０ｗｔ％を越えると、膨脹
特性を抑制することになるので、その配合比率は、１５
〜３０ｗｔ％の範囲から選択設定する。

【００１５】さらに、無機結合材は、これを使用しない
と、加熱後の機械的強度が低下し、２５ｗｔ％を越える
と、膨脹特性の低下が著しく、したがって、その配合比
率を、１〜２５ｗｔ％とする。この無機結合材として
は、アルミナゾルの他に、シリカゾルや、ジルコニアゾ
ルなども使用可能である。また、有機結合材は、耐熱性
を上げる点からすれば、少ない方が望ましいが、初期充
填時の取り扱いを考慮して、その配合比率は、０〜５ｗ
ｔ％とする。

【００１６】さらにまた、かさ密度は、０．３ｇ／ｃｍ
³未満では、膨脹特性も低く、加熱後の機械的強度や耐
ガスアタック性の向上を期待できない。したがって、
０．３ｇ／ｃｍ³に設定する。

【００１７】一方、セラミック繊維３５ｗｔ％、膨脹処
理未膨脹バーミキュライト鉱物５５ｗｔ％、有機結合材
１０ｗｔ％の配合比率で、抄造法によりかさ密度０．６
５ｇ／ｃｍ³、厚さ５．０ｍｍの耐熱性複合材をシート
状に作製し、これを比較例とする。

【００１８】上記実施例における耐熱性複合部材からな
る試料と、比較例における耐熱性複合部材からなる試料
について、各種の試験を行った結果を以下に説明する。

【００１９】膨脹特性自由膨脹率は，図７に示すように、６００°Ｃの電気炉
３１内に上記試料Ｍを３Ｈｒ投入後に、この試料Ｍの厚
さ変化率を測定した。試料Ｍの加熱前の厚さをｔ１、加
熱後の厚さをｔ２とすると、自由膨脹率（％）＝｛（ｔ
２−ｔ１）／ｔ１｝×１００から算出される。また、膨
脹圧試験は、図８に示すように、電気炉３１内に設けた
上下１対の石英棒３２，３２間の隙間Ｇ（３．３ｍｍ）
に試料Ｍを装填し、装填密度が１．０ｇ／ｃｍ³となる
まで圧縮させ、この状態で上記電気炉３１を運転して昇
温速度２５０°Ｃ／Ｈｒで６００°Ｃに加熱し、この際
に発生する膨脹圧（ＭＰａ）をロードセル３３により測
定した。これらの測定結果を表１に示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】加熱後の機械強度引張強さについては、図９に示すように、長さ（ｌ）が
８０ｍｍ、幅（Ｂ）が２０ｍｍ、加熱後の厚さ（ｔ）の
短冊状試料Ｍを長さ方向から引張た際の破断時の強さ
（ＫＰａ）を測定した。曲げモーメントについては、上
記短冊状の試料Ｍを凹所４１を有する基台４２上にセッ
トし、この試料Ｍに対して厚さ方向から荷重（Ｗ）を加
え、破壊した時の荷重値から次式で算出した。曲げモー
メント（Ｎ・ｍ）＝（Ｗ・ｌ）／４圧縮時応力について
は、上記短冊状試料Ｍを５％および２５％それぞれ圧縮
するに要する荷重より求めた。これらの測定結果を表２
に示す。なお、加熱後の膨脹した試料Ｍの厚さｔを表３
に示す。

【００２２】

【表２】

【００２３】

【表３】

【００２４】耐ガスアタック性試験図１０および図１１に示すように、１対のプレート５
１，５１間に、２５ｍｍ角の試料Ｍを挟み、３ｍｍの厚
さ（ｔ）に圧縮した後、上記１対のプレート５１，５１
ごと６００°Ｃ×１Ｈｒ加熱・冷却し、その後、ノズル
５２から３０００サイクルのガスｇを吹き付けて、該試
料Ｍの重量減少率（％）を測定した。その測定結果を表
４に示す。

【００２５】

【表４】

【００２６】以上のような各種の試験結果から、つぎの
点が明らかになった。膨脹特性において、実施例の自由
膨脹量は１１５％であり、比較例の自由膨脹量２６０％
に比して小さい値となっているが、この種の複合部材
は、ガスケット材などとして隙間に装填して使用するの
が一般的であるので、その隙間の熱変形に追従できるだ
けの膨脹量であればよく、その点からみて、１１５％は
使用上、十分な自由膨脹量の値と言える。一方、実施例
の発生膨脹圧は、１．８ＭＰａであり、比較例の１．５
ＭＰａよりも大きな値となっている。これは、無機結合
材や無機質充填材の加入により複合部材が補強され、し
かもセラミック繊維を３０ｗｔ％以内に抑えて、かさ密
度を適正に選択できるようにしたことで、加熱による形
態保持力などの低下が少なくなり、未膨脹バーミキュラ
イト鉱物の配合比率が小さくても、大きな膨脹圧を発生
するものと考えられる。したがって、この複合部材をガ
スケット材などに使用した場合、初期締付圧が低くて
も、使用中に発生する膨脹圧によって高い締付面圧を確
保でき、良好なシール性も保持させることが可能とな
る。これに対し、比較例では、加熱に伴う有機結合材の
分解や焼失が起こりやすく、膨脹圧を高めるにも限界が
ある。

【００２７】加熱後の機械強度について、実施例におけ
る引張強さ、曲げモーメントおよび圧縮応力は、比較例
の１０倍以上の高い値を示している。つまり、実施例で
は、有機結合材の配合比率を小さくし、無機結合材や無
機質充填材を加入したことによって、補強作用が働き、
加熱時の機械的強度が安定的に保たれるので、高い圧縮
荷重を受けた時の収縮を抑制できるとともに、振動など
の機械的負荷に対する抵抗力が高く、耐久性の向上を図
ることができる。

【００２８】ところで、この種の複合部材を図５に示す
ように、セラミックフィルタ１３などの保持用の成形体
１１として使用した場合、セラミックフィルタ１３の自
重により、成形体１１の下部側１１ａの収縮が進んで上
部側１１ｂにおいて、ケーシング１２やセラミックフィ
ルタ１３との間で隙間Ｓが生じ易くなるが、上記実施例
の耐熱性複合部材を、図２に示すような形状に成形して
なる耐熱性成形体１１を使用する場合には、高い圧縮剛
性が得られることによりケーシング１２やセラミックフ
ィルタ１３への密着性が高まって上記のような隙間Ｓが
生じにくくなり、図４のように、適正な装填状態を維持
させることができた。

【００２９】また、ガスアタック性について、比較例で
は、試料Ｍの飛散率が５７ｗｔ％もの高い値であった
が、実施例では、試料Ｍの飛散は全くなく、ガス流速に
対する抵抗力が著しく高められたことが判った。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、有機結合材の配合比率を小さくして無機結合材や無
機質充填材を加入することにより、加熱時の補強作用を
高め、さらにセラミック繊維の配合比率を特定して膨脹
特性の低下を抑止して、かさ密度を一定以上に大きく設
定できるようにしたので、高温下での使用における機械
的強度や保形性の低下も少なくなり、高温ガス流体のア
タックによる飛散を有効に防止できるとともに、圧縮剛
性や耐振動性の向上を図ることができ、さらに、かさ密
度の選択によって浸透漏れの発生を確実に防止できて、
高いシール性を保持させることができるという顕著な効
果を奏する。

【００３１】また、請求項２の発明によれば、上記請求
項１の発明で述べたような高温ガス流体に対する耐アタ
ック性、シール性、圧縮剛性および耐久性に優れた耐熱
性複合部材を使用部位の形状に合わせて成形しているの
で、装着部材や機器の装着部との密着性を向上して一層
優れたシール性能を発揮させることができるという効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による耐熱性複合部材をシー
ト状に成形したもので示す縦断面図である。

【図２】図１の耐熱性複合部材を用いて作製された耐熱
性成形体の一例を示す縦断面図である。

【図３】（Ａ）は図１の耐熱性複合部材を用いて作製さ
れた耐熱性円筒状成形体を示す正面図、（ｂ）はその平
面図である。

【図４】耐熱性複合部材もしくは耐熱性成形体をボイラ
ーなどの排気フィルタの周囲に装填した使用例を示す外
観図である。

【図５】図４の使用例において、隙間の発生状況を示す
外観図である。

【図６】同実施例の耐熱性複合部材の製造工程の説明図
である。

【図７】自由膨脹量の測定装置の概略正面図である。

【図８】熱膨脹圧試験装置の概略正面図である。

【図９】曲げモーメントの測定装置の概略構成図であ
る。

【図１０】耐ガスアタック性試験装置の平面図である。

【図１１】耐ガスアタック性試験装置の側面図である。

【符号の説明】

１耐熱性複合部材１１耐熱性成形体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者谷村聡康京都府福知山市長田野町２丁目66番地の３日本ピラー工業株式会社福知山工場内

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック繊維１５〜３０ｗｔ％、無機
質膨脹材５〜３０ｗｔ％、無機質充填材１５〜３０ｗｔ
％、無機結合材１〜２５ｗｔ％、有機結合材０〜５ｗｔ
％からなり、そのかさ密度が０．３ｇ／ｃｍ³以上に設
定されていることを特徴とする耐熱性複合部材。
【請求項２】上記請求項１に記載の耐熱性複合部材
を、使用部位の形状に合わせて所定形状に成形したこと
を特徴とする耐熱性複合部材の成形体。