JP5926084B2 - 保持シール材、排ガス浄化装置及び保持シール材の製造方法 - Google Patents
保持シール材、排ガス浄化装置及び保持シール材の製造方法 Download PDFInfo
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Description
また、排ガス処理体の周囲に保持シール材を巻き付けた際に、保持シール材の内周側(排ガス処理体側)に巻きジワが発生したり、保持シール材の外周側(ケーシング側)に割れが発生したりすることがある。
また、保持シール材が排ガス処理体に巻きジワや割れがない状態で巻きつけられており、かつ、排ガス処理体が高い保持力で保持されてなる排ガス浄化装置を提供することを目的とする。
上記無機繊維の周囲に上記無機粒子を含むスキン層がコートされており、
上記スキン層の厚さは、以下の関係式(1)を満たすことを特徴とする。
上記第1の主面近傍における無機繊維のスキン層の厚さをX、
上記保持シール材の厚さ方向中央近傍における無機繊維のスキン層の厚さをY、
上記第2の主面近傍における無機繊維のスキン層の厚さをZとして、
X>Y≧Z・・・(1)
スキン層の厚さが厚い第1の主面近傍では、無機粒子の付着量が多いために無機繊維表面の凹凸が大きくなり、無機繊維間の摩擦が上がり、面圧が非常に高くなる。
また、保持シール材の厚さ方向中央近傍及び第2の主面近傍では、スキン層の厚さが第1の主面近傍におけるスキン層の厚さよりも薄くなっている。
スキン層の厚さが薄いと、無機粒子の付着量が少ないため、保持シール材が曲げやすくなる。
なぜならば、無機繊維同士が接合する接点が減少し、無機繊維が動きやすくなるためである。
また、厚さ方向中央近傍及び第2の主面近傍でも無機粒子の付着により面圧の向上効果が得られている。
このように、無機繊維のスキン層の厚さを保持シール材の厚み方向にわたって変化させることによって、面圧の向上効果を有し、かつ、曲げやすい保持シール材とすることができる。
また、「厚さ方向中央近傍」とは、保持シール材をその厚さが半分になるように切断する線を「厚さ方向の中央線」とし、その中央線の上下0.5mmずつ、計1mmの領域を切断した領域を示す。
また、「第2の主面近傍」とは、保持シール材の主面のうち、第1の主面とは反対の主面から厚さ方向に1mmの領域を切断した領域を示す。
これらの領域の詳細は、図面を用いて追って説明する。
上記3つの領域に存在する無機繊維5本を抜き取ってスキン層の厚さを計測し、平均値を計算することによって、各領域における無機繊維のスキン層の厚さを算出する。
スキン層の厚さの測定方法の詳細は、図面を用いて追って説明する。
上記第1の主面近傍では、上記第2の主面近傍に比べて、重量比で、上記ガラス繊維がより多く存在している。
ガラス繊維は弾性に優れるものの、耐熱性ではアルミナ繊維に劣る。そのため、より高温にさらされる排ガス処理体側には耐熱性の高いアルミナ繊維を多く配置し、より弾性が求められるケーシング側には弾性に優れるガラス繊維を多く配置することが望ましい。
このような前提のもとに、スキン層の厚さが厚い第1の主面近傍には、ガラス繊維がより多く存在するようにする。また、スキン層の厚さが薄い第2の主面近傍には、アルミナ繊維がより多く存在するようにする。
このような構成とした保持シール材を、ケーシング側に第1の主面を配置し、排ガス処理体側に第2の主面を配置して排ガス処理体に巻きつけてケーシング内に収容させて排ガス浄化装置とすると、ケーシング側での保持力が高く、排ガス処理体側での耐熱性及び曲げ易さに優れた排ガス浄化装置となる。
有機バインダーを無機繊維に付着させることによって、無機繊維同士の交絡構造をより強固なものとすることができるともに、保持シール材の嵩高さを抑えることができる。
ニードルパンチング処理を行うことによって繊維同士を交絡させ、保持シール材の嵩を適度に減少させることができ、キャニングにおける作業効率を上げることができるとともに、無機繊維の絡み合いに起因して保持シール材の面圧を高くすることができる。
上記排ガス処理体を収容する金属ケーシングと、
上記排ガス処理体と上記金属ケーシングとの間に配設され、上記排ガス処理体を保持する保持シール材とを備える排ガス浄化装置であって、
上記保持シール材は、本発明の保持シール材であることを特徴とする。
上記マットに、無機粒子及び水を含む無機バインダーを接触させる工程と、
上記マットを乾燥させる乾燥工程とを含む保持シール材の製造方法であって、
上記乾燥工程において、上記マットの第2の主面に当たるように熱風を吹き付け上記マットの内部に熱風を通気させることを特徴とする。
鎖状のアルミナ粒子を用いると、二次粒子同士の絡みが大きく、粒子同士が接合しながら無機繊維表面に付着するため、スキン層の厚さの均一性を高めることができる。そのため、保持シール材の特性が安定して発揮される。
無機繊維を含み、上記無機繊維の周囲に上記第1のマットのスキン層よりも薄いスキン層がコートされてなる第2のマット、又は、上記無機繊維の周囲にスキン層がコートされていない第2のマットを準備する第2のマット準備工程と、
上記第1のマット及び上記第2のマットを積層する工程を含むことを特徴とする。
以下、本発明の保持シール材、保持シール材の製造方法及び排ガス浄化装置の一実施形態である第一実施形態について説明する。
本実施形態の保持シール材1は、所定の長手方向の長さ(以下、図1中、矢印Lで示す)、幅(図1中、矢印Wで示す)及び厚さ(図1中、矢印Tで示す)を有する、平面視形状略矩形のマットである。また、保持シール材1は、第1の主面11と、第1の主面11と反対側の主面である第2の主面12を備えている。
保持シール材の厚さTの向きは第1の主面11及び第2の主面12に対して垂直な方向である。
本実施形態の保持シール材は、保持シール材を所定の厚さになるように切断した領域である、「第1の主面近傍」、「厚さ方向中央近傍」、「第2の主面近傍」の3つの領域を有する。
「厚さ方向中央近傍」とは、保持シール材をその厚さが半分になるように切断する線を「厚さ方向の中央線(図1で13で示す線)」とし、その中央線の上下0.5mmずつ、計1mmの領域を切断した領域(図1で15で示す領域)のことを意味する。図1におけるTbは厚さ方向中央近傍の厚さを示し、Tb=1mmである。
「第2の主面近傍」とは、第2の主面12から厚さ方向に1mmの領域で切断した領域(図1で16で示す領域)のことを意味する。図1におけるTcは第2の主面近傍の厚さを示し、Tc=1mmである。
無機繊維としては、特に限定されず、アルミナ繊維、アルミナシリカ繊維、シリカ繊維、生体溶解性繊維及びガラス繊維からなる群から選択される少なくとも一種の無機繊維であることが望ましい。耐熱性や耐風蝕性等、保持シール材に要求される特性等に応じて変更すればよい。
この中でも、低結晶性アルミナ質の無機繊維が望ましく、ムライト組成の低結晶性アルミナ質の無機繊維がより望ましい。
そして、無機繊維ごと加熱されることによりアルミナとなって無機繊維同士を強固に接着する。一方、シリカゾルを用いる場合は、カチオン系のシリカゾルを用いることが好ましい。
形状が鎖状であるアルミナ粒子とは、水に分散した状態で板状アルミナ一次粒子が連なっており、さらに立体的な分岐で連なり凝集した二次粒子(数百nm)を形成したアルミナ粒子である。
鎖状のアルミナ粒子を用いると、二次粒子同士の絡みが大きく、粒子同士が接合しながら無機繊維表面に付着してスキン層の厚さの均一性が高まるため、保持シール材の特性が安定して発揮される。
更に、水溶液中に分散したアルミナ粒子のゼータ電位は正の電荷を有する一方、無機繊維が負の電荷を有するアルミナ繊維、ガラス繊維が用いられた場合、アルミナ粒子が無機繊維の表面に強固に付着する。スラリー中で攪拌しながら無機繊維の表面に均一に無機粒子を付着させる抄造法と同様に、マットに少量、低濃度の無機粒子を分散した無機バインダーを含浸した含浸法においても無機繊維の表面に均一に無機粒子が付着する。
また、繊維状のアルミナ二次粒子、柱状のアスペクト比を有する線状状態のアルミナ二次粒子、又は、羽毛状に凝集したアルミナ二次粒子も好ましい。
このことを図面を用いて以下に詳しく説明する。
スキン層の厚さXは、保持シール材の第1の主面近傍に存在する無機繊維5本を抜き取って、TEM(透過型電子顕微鏡)を用いて無機繊維の断面を撮影して各無機繊維のスキン層の厚さを計測し、5本の無機繊維のスキン層の厚さの平均値を計算することによって算出する。
図3は、各無機繊維のスキン層の厚さを測定する際の測定位置の例を模式的に示す断面図である。
図3には、スキン層の厚さの測定位置を3カ所示しており、それぞれの測定位置で測定されたスキン層の厚さがX1、X2、X3である。
各無機繊維のスキン層の厚さは、X1、X2、X3の平均値、すなわち、下記式で算出される。
各無機繊維のスキン層の厚さ=(X1+X2+X3)/3
このようにして各無機繊維のスキン層の厚さを算出し、抜き取った5本の無機繊維のスキン層の厚さを平均したものがスキン層の厚さXとなる。
保持シール材の厚さ方向中央近傍における無機繊維のスキン層の厚さYは、第1の主面近傍における無機繊維のスキン層の厚さXよりも小さくなっている。
スキン層の厚さYの算出方法は、上述したスキン層Xの厚さの算出方法と同様である。
第2の主面近傍における無機繊維のスキン層の厚さZは、第1の主面近傍における無機繊維のスキン層の厚さXよりも小さくなっている。また、スキン層の厚さZは、スキン層の厚さYよりも小さくなっている。
スキン層の厚さZの算出方法は、上述したスキン層Xの厚さの算出方法と同様である。
スキン層の厚さは、無機繊維の直径、及び、無機粒子の粒子サイズ、形状、付着量に応じて変化する。
上記α、β、γをそれぞれ求めるためには、第1の主面近傍、保持シール材の厚さ方向中央近傍、第2の主面近傍のそれぞれにおいて保持シール材の一部を測定用サンプルとして採取し、各領域における無機粒子の付着率を求めればよい。
無機粒子としてのシリカ粒子、チタニア粒子の付着率の分析方法としては、ICP−AES(誘導結合高周波プラズマ発光分光分析装置、Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer)を用いることができる。無機粒子の付着前、付着後での金属濃度を比較することによって無機粒子の付着量を求め、無機粒子の付着率を各領域について算出できる。
また、保持シール材全体における無機粒子の付着率は0.3〜4.0重量%であることが望ましい。
保持シール材全体における無機粒子の付着率を測定する場合、保持シール材全体の重量を測定し、保持シール材全体に含まれる無機粒子の重量を定量することによって付着率を算出する。
なお、無機繊維の平均繊維長は、交絡構造を呈するためにある程度の長さが必要となる。例えば、無機繊維の平均繊維長は、50μm〜100mmが望ましい。また、無機繊維の平均直径は、2〜10μmが望ましい。
本発明の第一実施形態に係る保持シール材の製造方法は、上記した本発明の第一実施形態に係る保持シール材を製造する方法に適している。
本実施形態に係る保持シール材の製造方法では、まず、ニードルパンチング処理が施された無機繊維からなる保持シール材用のマットを準備するマット準備工程を行う。
本実施形態の保持シール材を構成するマットは、種々の方法により得ることができるが、例えば、以下の方法により製造することができる。すなわち、まず、例えば、塩基性塩化アルミニウム水溶液とシリカゾル等とを原料とする紡糸用混合物をブローイング法により紡糸して3〜10μmの平均繊維径を有する無機繊維前駆体を作製する。続いて、上記無機繊維前駆体を圧縮して所定の大きさの連続したシート状物を作製し、これにニードルパンチング処理を施し、その後、焼成処理を施すことにより保持シール材用のマットの準備が完了する。
次に、上記マットを、無機粒子及び水を含む無機バインダーと接触させ、上記マットに無機バインダーを含浸させる含浸工程を行う。
無機バインダーとしては、アルミナゾル、シリカゾル、チタニアゾル、および、それらのコロイド分散液等の液を用いることができるが、市販されている原液では濃度が高すぎることがあるので、無機粒子の濃度が固形分換算で0.5〜5重量%程度になるように薄めた液を無機バインダーとして使用することが望ましい。
この含浸工程において、マットを無機粒子及び水を含む無機バインダーと接触させる方法は、特に限定されない。例えば、マットを無機粒子及び水を含む無機バインダーに浸漬することにより、マットに無機バインダーを含浸させてもよく、カーテンコート法等の方法で無機粒子及び水を含む無機バインダーをマット上に落下させることにより、マットに無機バインダーを含浸させてもよい。
また、無機バインダーとしてアルミナゾルを使用する場合、水溶液中(無機バインダー中)の二次粒子の形状が鎖状であるアルミナ粒子を含むアルミナゾル(例えば、日産化学工業株式会社製AS550)を使用することが望ましい。
次に、無機バインダーが付着したマットを脱水処理する。
この工程では、無機バインダーが付着したマットを吸引脱水することにより、無機バインダーの付着量をおおまかに調整することができる。
この後、無機バインダーが付着したマットを、100〜150℃程度の温度で乾燥させる乾燥工程を行い、水分を蒸発させて、無機粒子が付着されたマットとする。
乾燥方法としては加熱熱風乾燥を用いることができ、加熱熱風乾燥の条件を変更することによって、スキン層の厚さX、Y,Z及び無機粒子の付着率α、β、γを調整することができる。
熱風の温度が100〜150℃であり、熱風をマットの一方の主面に当たるように吹き付ける場合、無機バインダーは以下のように偏る。
風速を1.0m/s未満とすると、無機バインダーの付着量は、熱風を吹き付けた主面近傍>熱風を吹き付けた主面と反対側の主面近傍>厚さ方向中央近傍 となる。
風速を1.0m/s以上、1.5m/s未満とすると、無機バインダーの付着量は厚さ方向にわたって均一となる。
風速を1.5m/s以上とすると、無機バインダーの付着量は、熱風を吹き付けた主面と反対側の主面近傍>厚さ方向中央近傍>熱風を吹き付けた主面近傍 となる。
また、無機粒子の付着率がα>β>γの関係式を満たす保持シール材とすることもできる。
加熱熱風乾燥の際には、マットを、通気孔を有する板で上下から挟み、マットに過剰な負荷がかからないようにした状態で、マットの一方の主面(望ましくは第2の主面)側から他方の主面側に向けて熱風を吹き付け、通気孔からマットに熱風を通気することが望ましい。
また、図1に示すような凸部と凹部を備えた形状の保持シール材とするためには、保持シール材を所定の形状に切断する切断工程を更に行えばよい。
本発明の第一実施形態に係る保持シール材は、排ガス浄化装置の保持シール材として使用される。
以下、本発明の第一実施形態に係る排ガス浄化装置について説明する。
図4は、本発明の第一実施形態に係る排ガス浄化装置の一例を模式的に示す断面図である。
図4に示すように、本発明の第一実施形態に係る排ガス浄化装置100は、ケーシング120と、ケーシング120に収容された排ガス処理体130と、排ガス処理体130及びケーシング120の間に配設された保持シール材1とを備えている。
排ガス処理体130は、多数のセル131がセル壁132を隔てて長手方向に並設された柱状のものである。なお、ケーシング120の端部には、必要に応じて、内燃機関から排出された排ガスを導入する導入管と排ガス浄化装置を通過した排ガスが外部に排出される排出管とが接続されることになる。
保持シール材1は、第1の主面14がケーシング側、第2の主面16が排ガス処理体側になるように配置されていることが好ましい。
保持シール材の第2の主面近傍は相対的に柔らかく曲げやすいため、急な角度で曲がることになる排ガス処理体側に配置されることが好ましいためである。
図4に示すように、内燃機関から排出され、排ガス浄化装置100に流入した排ガス(図4中、排ガスをGで示し、排ガスの流れを矢印で示す)は、排ガス処理体(ハニカムフィルタ)130の排ガス流入側端面130aに開口した一のセル131に流入し、セル131を隔てるセル壁132を通過する。この際、排ガス中のPMがセル壁132で捕集され、排ガスが浄化されることとなる。浄化された排ガスは、排ガス流出側端面130bに開口した他のセル131から流出し、外部に排出される。
なお、排ガス浄化装置を構成する保持シール材の構成については、本発明の第一実施形態に係る保持シール材として既に説明しているので省略する。
図5は、本発明の第一実施形態に係る排ガス浄化装置を構成する排ガス処理体の一例を模式的に示す斜視図である。
図5に示すように、排ガス処理体(ハニカムフィルタ)130は、主に多孔質セラミックからなり、その形状は略円柱状である。また、ハニカムフィルタ130の外周には、ハニカムフィルタ130の外周部を補強したり、形状を整えたり、ハニカムフィルタ130の断熱性を向上させたりする目的で、外周コート層134が設けられている。
なお、ハニカムフィルタ130の内部の構成については、上述した本発明の第一実施形態に係る排ガス浄化装置の説明で既に述べた通りである(図4参照)。
ケーシング120は、主にステンレス等の金属からなり、その形状は、図6に示すように、両端部の内径が中央部の内径よりも小さい略円筒状であってもよいし、また、内径が一定である略円筒状であってもよい。
ケーシングの内径(排ガス処理体を収容する部分の内径)は、排ガス処理体の端面の直径と排ガス処理体に巻付けられた状態の保持シール材の厚さとを合わせた長さより若干短くなっていることが好ましい。
図6は、本発明の第一実施形態に係る排ガス浄化装置の製造方法の一例を模式的に示す斜視図である。図6では、内径が一定である略円筒状のケーシングを用いた例を示している。
巻き付け工程では、従来公知の方法により作製した略円柱形状の排ガス処理体130の外周に、保持シール材1を凸部17と凹部18とが嵌合するようにして巻き付ける。
巻き付け工程においては、保持シール材1の第2の主面16が排ガス処理体130の外周に接するように巻き付けることが好ましい。
その結果、保持シール材1が巻き付けられた排ガス処理体130である巻付体150を作製することができる。
収容後に保持シール材が圧縮して所定の反発力(すなわち、排ガス処理体を保持する力)を発揮するために、ケーシング120の内径は、保持シール材1を巻き付けた排ガス処理体130の保持シール材1の厚さを含めた最外径より少し小さくなっている。
以上の方法により、図4に示した排ガス浄化装置100を製造することができる。
(1)本実施形態の保持シール材では、無機繊維の周囲に無機粒子を含むスキン層がコートされており、無機繊維のスキン層の厚さが第1の主面近傍で厚くなっている。
スキン層の厚さが厚い第1の主面近傍では、無機粒子の付着量が多いために無機繊維表面の凹凸が大きくなり、無機繊維間の摩擦が上がり、面圧が非常に高くなる。
また、保持シール材の厚さ方向中央近傍及び第2の主面近傍では、スキン層の厚さが第1の主面近傍におけるスキン層の厚さよりも薄くなっている。
スキン層の厚さが薄いと、無機粒子の付着量が少ないため、保持シール材が曲げやすくなる。
また、厚さ方向中央近傍及び第2の主面近傍でも無機粒子の付着により面圧の向上効果が得られている。
このように、無機繊維のスキン層の厚さを保持シール材の厚み方向にわたって変化させることによって、面圧の向上効果を有し、かつ、曲げやすい保持シール材とすることができる。
無機繊維の太さが保持シール材の厚さ方向にわたって異なる場合、具体的には、第1の主面近傍における無機繊維の太さが細い場合には、無機繊維のスキン層の厚さの大小関係と無機粒子の付着率の大小関係が異なることがある。
無機繊維のスキン層の厚さの大小関係を満たすと同時に無機粒子の付着率の大小関係を満たすように無機粒子を付着させると、無機粒子の付着量が相対的に多い第1の主面近傍における面圧向上効果、及び、無機粒子の付着量が相対的に少ない保持シール材の厚さ方向中央近傍及び第2の主面近傍における曲げやすさの向上効果がさらに好適に得られる。
無機粒子の付着量が保持シール材全体として0.3重量%未満であると、スキン層の厚さを保持シール材の厚み方向にわたって変化させたとしても、保持力が不足する場合がある。
また、無機粒子の付着量が保持シール材全体として4.0重量%を超えると、スキン層の厚さを保持シール材の厚み方向にわたって変化させたとしても、保持シール材が曲げにくい場合がある。
ニードルパンチング処理を行うことによって繊維同士を交絡させ、保持シール材の嵩を適度に減少させることができ、キャニングにおける作業効率を上げることができるとともに、無機繊維の絡み合いに起因して保持シール材の面圧を高くすることができる。
特に、乾燥工程における加熱熱風乾燥の条件を変更することによって、スキン層の厚さX、Y,Z及び無機粒子の付着率α、β、γを調整することができ、本実施形態の保持シール材を製造することができる。
鎖状のアルミナ粒子を用いると、二次粒子同士の絡みが大きく、粒子同士が接合しながら無機繊維表面に付着するため、スキン層の厚さの均一性を高めることができる。そのため、保持シール材の特性が安定して発揮される。
上記排ガス処理体を収容する金属ケーシングと、
上記排ガス処理体と上記金属ケーシングとの間に配設され、上記排ガス処理体を保持する保持シール材とを備える排ガス浄化装置であって、
上記保持シール材は、本実施形態の保持シール材である。
保持シール材として本実施形態の保持シール材が用いられていると、保持シール材が排ガス処理体に巻きジワや割れがない状態で巻きつけられており、かつ、排ガス処理体が高い保持力で保持されてなる排ガス浄化装置とすることができる。
(a)マット準備工程
まず、以下の手順により保持シール材用のマットを準備した。
(a−1)紡糸工程
Al含有量が70g/lであり、Al:Cl=1:1.8(原子比)となるように調製した塩基性塩化アルミニウム水溶液に対して、焼成後の無機繊維における組成比が、Al2O3:SiO2=72:28(重量比)となるようにシリカゾルを配合し、さらに、有機重合体(ポリビニルアルコール)を適量添加して混合液を調製した。
得られた混合液を濃縮して紡糸用混合物とし、この紡糸用混合物をブローイング法により紡糸して平均繊維径が5.1μmである無機繊維前駆体を作製した。
上記工程(1)で得られた無機繊維前駆体を圧縮して、連続したシート状物を作製した。
上記工程(2)で得られたシート状物に対して、以下に示す条件を用いて連続的にニードルパンチング処理を行ってニードルパンチング処理体を作製した。
まず、ニードルが21個/cm2の密度で取り付けられたニードルボードを準備した。次に、このニードルボードをシート状物の一方の表面の上方に配設し、ニードルボードをシート状物の厚さ方向に沿って一回上下させることによりニードルパンチング処理を行い、ニードルパンチング処理体を作製した。この際、ニードルの先端部分に形成されたバーブがシート状物の反対側の表面に完全に貫出するまでニードルを貫通させた。
上記工程(3)で得られたニードルパンチング処理体を最高温度1250℃で連続して焼成し、アルミナとシリカとを72重量部:28重量部で含む無機繊維からなる焼成シート状物を製造した。無機繊維の平均繊維径は、5.1μmであり、無機繊維径の最小値は、3.2μmであった。このようにして得られた無機繊維は、嵩密度が0.15g/cm3であり、目付量が1400g/m2であった。
上記工程(4)で得られた焼成シート状物を切断し、切断シート状物(マット)を準備した。
市販のアルミナゾル(日産化学株式会社製 アルミナゾル溶液AS550(固形分濃度:15重量%))を水で希釈することにより固形分濃度1重量%として、無機粒子及び水を含む無機バインダーを調製した。この無機バインダーをカーテンコート法によりマットと接触させ、マットに無機バインダーを含浸させた。
無機バインダーが付着したマットを脱水機で吸引脱水することにより、無機バインダーが無機繊維の重量100重量%に対して50重量%付着した状態となるように調整した。
無機バインダー中の無機粒子の固形分濃度が1重量%であるので、無機粒子の無機繊維単位重量当たりの付着量は固形分換算で0.5g/100gとなる。
次に、無機バインダーが付着したマットを温度130℃、風速2.0m/sで加熱熱風乾燥することにより、無機粒子が付着されたマットが得られた。
乾燥工程においては、マットを、通気孔を有する板で上下から挟み、マットに過剰な負荷がかからないようにした状態で、マットの一方の主面(第2の主面となる面)側から他方の主面(第1の主面となる面)側に向けて熱風を吹き付け、通気孔からマットに熱風を通気した。
このようにして得られたマットを、平面視寸法が全長776mm×幅290mmであって、一端に、長さLが40mm、幅Wが100mmの凸部が形成され、他端にこの凸部と嵌合する凹部が成形されるように裁断することにより、保持シール材の製造を完了した。
脱水工程において、吸引脱水条件を変更することによって、無機粒子の無機繊維単位重量当たりの付着量を変更した他は実施例1と同様にして保持シール材を作製した。
実施例2においては、無機バインダーが無機繊維の重量100重量%に対して100重量%付着した状態となるように調整した。
無機バインダー中の無機粒子の固形分濃度が1重量%であるので、無機粒子の無機繊維単位重量当たりの付着量は固形分換算で1.0g/100gとなる。
実施例3においては、無機バインダーが無機繊維の重量100重量%に対して300重量%付着した状態となるように調整した。
無機バインダー中の無機粒子の固形分濃度が1重量%であるので、無機粒子の無機繊維単位重量当たりの付着量は固形分換算で3.0g/100gとなる。
マットに無機バインダーを含浸させる含浸工程、脱水工程、乾燥工程を行わない他は実施例1と同様にして保持シール材を作製した。
乾燥工程における加熱熱風乾燥の条件を、温度130℃、風速1.2m/sに変更して、保持シール材の厚さ方向に対する無機粒子の付着率が均一になるようにした他は実施例2と同様にして保持シール材を作製した。
乾燥工程における加熱熱風乾燥の条件を、温度130℃、風速1.2m/sに変更して、保持シール材の厚さ方向に対する無機粒子の付着率が均一になるようにした他は実施例3と同様にして保持シール材を作製した。
本発明の第一実施形態の保持シール材の説明において記載したように、保持シール材の第1の主面近傍、保持シール材の厚さ方向中央近傍、保持シール材の第2の主面近傍のそれぞれに存在する無機繊維の断面を観察してスキン層の厚さを測定した。
図7(a)は、無機繊維の断面の一部をTEM(透過型電子顕微鏡)を用いて撮影した写真の一例であり、加速電圧200kV、倍率50000倍で撮影した写真である。なお、図7(a)に示す写真は、実施例3と同様に無機粒子の無機繊維単位重量当たりの付着量が固形分換算で3.0g/100gとなる条件で作製した保持シール材の断面写真である。
この写真には無機繊維21及びスキン層22が映っており、1つの測定位置におけるスキン層の厚さを両矢印で示している。
スキン層の厚さは、図3に示すように一つの無機繊維に対して3カ所の測定位置で測定し、3カ所で測定したスキン層の厚さの平均値をその無機繊維のスキン層の厚さとした。
また、各領域における無機繊維を5本抜き取り5本の無機繊維のスキン層の厚さの平均値を各領域のスキン層の厚さ(X、Y、Z)とした。
図7(b)に示す写真では局所的に盛り上がった凸部が観察されるが、そのような凸部はスキン層の厚さの測定において考慮せず、図7(b)に両矢印で示す幅をスキン層の厚さとする。
TEMを用いた写真撮影の前処理方法としては、集束イオンビーム(FIB:Focused Ion Beam)で無機繊維の断面を削り出し加工して観察する方法を挙げることができる。
無機繊維に付着した無機粒子としてのアルミナの付着率を、JIS K 1450に記載の方法に準じて、アルカリ溶融/酸溶解/亜鉛標準溶液による逆滴定(キレート滴定法)により求めた。
具体的には、保持シール材の第1の主面近傍、保持シール材の厚さ方向中央近傍、保持シール材の第2の主面近傍のそれぞれから、保持シール材0.2gをサンプルとして採取した。
各サンプルについてキレート滴定法によりアルミニウム濃度を求めた。
別途、無機バインダーを含浸させていない、無機粒子付着前のマット0.2gをサンプルとして準備し、同様にしてキレート滴定法によりアルミニウム濃度を求めた。
無機粒子の付着前、付着後でのアルミニウム濃度を比較することによって無機粒子の付着量を求め、無機粒子の付着率を各領域について算出した。
また、保持シール材の厚さ方向にわたる全体を含むサンプルを用いることにより、保持シール材全体における無機粒子の付着率も算出した。
各実施例及び比較例で得られた保持シール材について、以下の方法により、面圧を測定した。
面圧を測定するサンプルとして、保持シール材を100mm×100mmの大きさに切断したものを用いた。
なお、面圧の測定には、サンプルを圧縮する板の部分に加熱ヒーターを備えた熱間面圧測定装置を使用した。
せん断強度測定試験は、図8に示すせん断強度試験器を用いて行った。
せん断強度試験機70を用いたせん断強度の測定は、次のようにして行った。
一方の板材71aの突起72が形成された主面上に一の測定用サンプル80を載せ、その上に両面に突起72が形成された中間板材73を載せることにより、一の測定用サンプル80を所定の間隔gをもって挟み込んだ。
次いで、中間板材73上にもう一つの測定用サンプル80を載せ、さらにこの測定用サンプル80の上に、他方の板材71bを所定の間隔gをもって載せた。
これにより、三枚の板材のそれぞれの間に一枚ずつ合計二枚の測定用サンプル80を挟み込み、圧縮した。
この際、圧縮された各々のサンプル80の密度が0.4g/cm3となるように、三枚の板材の間隔を調整した。
曲げ性の評価は、図9(a)、図9(b)及び図9(c)に示す曲げ性評価試験機を用いて行った。
図9(a)に示す曲げ性評価試験機90は、曲げ性を測定する対象の保持シール材よりも大きい布94と、布94の両端の支点91及び支点92、並びに、支点91及び支点92に連結されており、支点91及び支点92を上方へ引っ張り上げる引っ張り開始点93を備える。
引っ張り開始点93は図示しない変位測定部と荷重測定部に繋がっており、引っ張り開始点93の上方への移動に伴い、引っ張り開始点の変位と引っ張り開始点に加わる荷重が測定されるようになっている。変位測定部と荷重測定部としては、一般的に用いられる変位−荷重測定機が使用可能である。
そして、保持シール材1の第2の主面上に、円柱状の排ガス処理体を模擬した金属柱95を固定載置した。
図面では、金属柱95は空間上に描いているが、金属柱95は硬質平板にアングルで円柱断面部を固定された状態となっている。図面では硬質平板やアングルは省略している。
そして、金属柱95は曲げ性評価試験において移動できないようになっている。
本実施例及び比較例では、保持シール材の大きさは50mm×150mm、排ガス処理体の大きさは90mmφとした。
引っ張り開始点93と支点91及び支点92の間は弛緩している。
ここで、引っ張り開始点93を上方に移動させると、支点91及び支点92が持ち上げられる。
そして、図9(b)に示すように、保持シール材1が金属柱95に接すると、保持シール材1及び布94が曲がる方向に力が加わる。さらに引っ張り開始点を持ち上げると、図9(c)に示すように、保持シール材1は金属柱95の外周面に沿って巻き付けられるようになる。
なお、引っ張り開始点93の移動速度は100mm/minとした。
図10には、保持シール材が硬く曲げにくい場合のグラフを左側、保持シール材が柔らかく曲げやすい場合のグラフを右側に描いている。
縦軸に引っ張り開始点に加わった荷重、横軸に引っ張り開始点の変位をとってグラフを描き、荷重が100Nになった時点で測定を終了する。
そして、荷重が100Nになるまでの変位と荷重の関係の積分値(図10においてハッチングで示す部分の面積)を求めて、積分値から力のモーメント(N・m)を算出する。
求めた力のモーメントは保持シール材の曲げ性を評価する指標として使用することができる。力のモーメントの値が小さいほど柔らかく曲げやすい保持シール材であるといえる。
表中の「判定」の欄には、保持シール材の面圧、せん断強度及び曲げ性の評価結果から、排ガス処理体を保持する際の保持力及び排ガス処理体に保持シール材を巻き付ける際の巻きつけ性について評価し、合格する場合に○、不合格の場合に×で示した。
比較例2及び比較例3で作製した保持シール材では、無機粒子が保持シール材の厚さ方向に対してほぼ均一に付着しており、スキン層の厚さX、Y、Zの間にX>Y>Zの関係が成り立っていない。
そのため、保持シール材が硬く、曲げ性の評価の際に保持シール材にしわや割れが発生してしまい、巻きつけ性の観点で好ましくない結果であった。
以下、本発明の保持シール材、保持シール材の製造方法及び排ガス浄化装置の一実施形態である第二実施形態について説明する。
本実施形態の保持シール材は、本発明の第一実施形態の保持シール材とその構成はほぼ同様であるが、さらに有機バインダーを含んでいる点が異なる。
有機バインダーを無機繊維に付着させる方法及び手順は特に限定されるものではないが、例えば、本発明の第一実施形態の保持シール材の製造方法における脱水工程の後に、マットの第1の主面側及び第2の主面側から、有機バインダーを含む液を噴霧して吹き付ける方法が挙げられる。
その後、無機バインダー及び有機バインダーに含まれる水分を乾燥させるための乾燥工程を行えばよい。
本実施形態においては、第一実施形態に記載した(1)〜(7)の効果を奏するとともに、以下の効果を奏する。
(8)本実施形態の保持シール材は、さらに有機バインダーを含む。
有機バインダーを無機繊維に付着させることによって、無機繊維同士の交絡構造をより強固なものとすることができるともに、保持シール材の嵩高さを抑えることができる。
上述した実施例1における(a)マット準備工程、(b)含浸工程、(c)脱水工程までを実施例1と同様に行った。
なお、含浸工程で用いる無機バインダーの濃度は実施例2と同様にして、無機粒子の付着量が実施例2と同様になるようにした。
続いて、アクリルゴムを水に分散させたラテックス(日本ゼオン株式会社製 LX−811H)を用い、水で希釈することにより、固形分濃度が1重量%の有機バインダー含有液を調製し、無機繊維の単位重量当たりの有機バインダーの付着量が固形分換算で1.0g/100gとなるように、有機バインダー含有液をマットの上面及び下面にスプレーした。
このようにして得られた、無機バインダーと有機バインダーが付着したマットに対して、実施例1と同様にして(d)乾燥工程、(e)裁断処理を行うことにより、保持シール材の製造を完了した。
実施例4で製造した保持シール材は、無機粒子の付着率が全体で1.0重量%、第1の主面近傍で1.6重量%(α=1.6重量%)、マットの厚さ方向中央近傍で1.0重量%(β=1.0重量%)、第2の主面近傍で0.4重量%(γ=0.4重量%)であった。
スキン層の厚さは第1の主面近傍で110nm(X=110nm)、マットの厚さ方向中央近傍で70nm(Y=70nm)、第2の主面近傍で50nm(Z=50nm)であった。
なお、有機バインダーの付着率については、有機バインダー及び無機バインダーが付着したマットを、100mm×100mmの大きさに切断し、切断したサンプルを、酸化性雰囲気、700℃で加熱して重量減少量を測定し、その結果より算出した。
せん断強度は117kPaであった。
曲げ性は185N・mmであった。
これらの結果から、せん断強度、曲げ性の値がともに好適な値であり、排ガス処理体の保持力の観点及び巻きつけ性の観点の両方において優れる保持シール材となっていたことがわかった。
以下、本発明の保持シール材、保持シール材の製造方法及び排ガス浄化装置の一実施形態である第三実施形態について説明する。
本実施形態の保持シール材は、無機繊維としてガラス繊維とアルミナ繊維を含んでおり、第1の主面近傍では、第2の主面近傍に比べて、重量比で、ガラス繊維がより多く存在している点が異なる。
本実施形態の保持シール材2は、本発明の第一実施形態の保持シール材1と同様に、平面視略矩形の平板状であり、ガラス繊維210aとアルミナ繊維210bとが混在してなるものである。
より詳細には、保持シール材2は、ガラス繊維210aがアルミナ繊維210bより重量比で多く存在している第1のマット220aと、アルミナ繊維210bがガラス繊維210aより重量比で多く存在している第2のマット220bとから構成されている。
保持シール材の第1の主面211の側には第1のマット220aが、第2の主面212の側には第2のマット220bが存在している。
そのため、保持シール材の第1の主面近傍214では、第2の主面近傍216に比べて、重量比で、ガラス繊維が多く存在している。
また、保持シール材の厚さ方向中央近傍215には第2のマット220bが存在しており、無機繊維の組成は第2の主面近傍216における無機繊維の組成と同様になっている。
なお、線213は保持シール材2の厚さ方向の中央線である。
第1のマット220a内、第2のマット220b内においては、無機粒子は無機繊維に均一に付着している。
そのため、第1の主面近傍における無機繊維のスキン層の厚さX、保持シール材の厚さ方向中央近傍における無機繊維のスキン層の厚さY、第2の主面近傍における無機繊維のスキン層の厚さZの間には、X>Y=Zの関係が成り立っている。
また、第1の主面近傍における無機粒子の付着率α、保持シール材の厚さ方向中央近傍における無機粒子の付着率β、第2の主面近傍における無機粒子の付着率γの間には、α>β=γの関係が成り立っている。
本実施形態の保持シール材の製造方法は、無機繊維及び無機粒子を含み、上記無機繊維の周囲に無機粒子を含むスキン層がコートされてなる第1のマットを準備する第1のマット準備工程と、
無機繊維を含み、上記無機繊維の周囲に上記第1のマットのスキン層よりも薄いスキン層がコートされてなる、又は、上記無機繊維の周囲にスキン層がコートされていない第2のマットを準備する第2のマット準備工程と、
上記第1のマット及び上記第2のマットを積層する工程を含むことを特徴とする。
(1−1)混合液調製工程
アルミナ繊維と、シリカ繊維と、有機バインダーと、無機粒子及び水を含む無機バインダーと、水とを原料液中の無機繊維(アルミナ繊維及びシリカ繊維)の含有量が所定の値となるように混合し、攪拌機で攪拌することで混合液を調製する。
次に、底面にろ過用のメッシュが形成された成形槽に混合液を流し込んだ後に、混合液中の水をメッシュを介して脱水することにより第1のマット前駆体を作製する。
第1のマット前駆体を所定の条件で加熱圧縮して所定の嵩密度を有するマットを作製する。この工程を経ることにより、アルミナ繊維及びシリカ繊維が、有機バインダー及び無機バインダーを介して互いに固着され、第1のマットの形状が保持されることになる。
このようにして作製された第1のマットに含まれる無機繊維の周囲には、無機バインダー由来の無機粒子を含むスキン層がコートされている。
(2−1)混合液調製工程
混合液調製工程において、第1のマット準備工程と比較して、アルミナ繊維が多く、シリカ繊維が少なくなるようにアルミナ繊維とシリカ繊維を配合する。また、無機バインダーの配合量を第1のマット準備工程における無機バインダーの配合量よりも少なくする、又は、無機バインダーを配合しない。その他は、第1のマット準備工程の混合液調製工程(1−1)と同様にして混合液を調整する。以下、第1のマット準備工程と同様にして抄造工程及び加熱圧縮工程を行い所定の嵩密度を有するマットを作製する。
このようにして作製された第2のマットには、アルミナ繊維が相対的に多く含まれており、また、
第2のマットに含まれる無機繊維の周囲には、無機バインダー由来の無機粒子を含むスキン層が薄くコートされている、または、コートされていない。
第1のマット及び第2のマットを積層して一体化させ、積層体を作製する。
一体化の方法は特に限定されるものではなく、糸縫い、粘着テープによる接合、接着剤による接着等の方法が挙げられる。
積層体を切断して所定の大きさを有する保持シール材を製造する。この際、保持シール材の端面のうち、一方の端面の一部に凸部が形成され、他方の端面の一部に凸部と嵌合する形状の凹部が形成されるようにして切断する。
本実施形態においては、本発明の第一、第二実施形態に記載した(1)〜(5)、(7)、(8)の効果を奏するとともに、以下の効果を奏する。
(9)本実施形態の保持シール材は、無機繊維として、ガラス繊維とアルミナ繊維を含み、上記第1の主面近傍では、上記第2の主面近傍に比べて、重量比で、上記ガラス繊維がより多く存在している。
このような構成とした保持シール材を、ケーシング側に第1の主面を配置し、排ガス処理体側に第2の主面を配置して排ガス処理体に巻きつけてケーシング内に収容させて排ガス浄化装置とすると、ケーシング側での保持力が高く、排ガス処理体側での耐熱性及び曲げ易さに優れた排ガス浄化装置となる。
無機繊維のスキン層の厚さが異なる複数のマットを積層することにより、第1の主面近傍における無機繊維のスキン層の厚さが厚く、第2の主面近傍における無機繊維のスキン層の厚さが薄い保持シール材を製造することができる。
本発明の第一、第二実施形態の保持シール材におけるスキン層の厚さは、X>Y>Zであったが、スキン層の厚さがX>Y=Zである保持シール材も本発明の保持シール材に含まれる。
また、本発明の第一、第二実施形態の保持シール材における無機粒子の付着率がα>β=γである保持シール材も本発明の保持シール材に含まれる。
本発明の第一実施形態の保持シール材の製造方法で説明した、ニードルパンチング処理が施された無機繊維からなる保持シール材用のマットを複数枚準備する。
続いて、無機バインダー中の無機粒子の濃度を調整したうえで無機バインダーをマットに含浸させて無機繊維のスキン層の厚さ及び無機粒子の付着率が異なるマットとする。例えば、1枚はスキン層の厚さ及び無機粒子の付着率が大きく、2枚はスキン層の厚さ及び無機粒子の付着率が小さいマットとする。そして、スキン層の厚さ及び無機粒子の付着率が大きいマットが第1の主面側に位置するように、保持シール材の厚さ方向中央近傍及び第二の主面近傍に残りの2枚のマットが位置するように積層を行うことによってスキン層の厚さが上記関係となる保持シール材を製造することができる。
このような保持シール材を製造するためには、無機粒子が付着していないマットが第2の主面近傍に位置するように積層を行えばよい。
また、本発明の第三実施形態の保持シール材におけるスキン層の厚さが、X>Y>Zである保持シール材、及び、無機粒子の付着率がα>β>γである保持シール材も本発明の保持シール材に含まれる。
このような保持シール材を製造する方法としては以下の方法が挙げられる。
まず、第二のマットに無機バインダーを含浸させて、本発明の第一実施形態の保持シール材の製造方法において説明したように加熱熱風乾燥の条件を変更することによって第二のマット内でスキン層の厚さ及び無機粒子の付着率が厚さ方向に変化した第二のマットを作製する。続いて、スキン層の厚さが大きく無機粒子の付着率が高い面が第一のマットに接するように積層する。
若しくは、スキン層の厚さ及び無機粒子の付着率が異なるマットを三種類以上用意し、第一の主面近傍にスキン層の厚さが大きいマットを、保持シール材の厚さ方向中央近傍にスキン層の厚さが中程度のマットを、第二の主面近傍にスキン層の厚さが小さいマットを配置して積層する方法を用いてもよい。
アルミナシリカ繊維の組成比としては、重量比で、Al2O3:SiO2=60:40〜80:20であることが望ましく、Al2O3:SiO2=70:30〜74:26であることがより望ましい。
生体溶解性繊維は、例えば、シリカ等のほかに、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物、及び、ホウ素化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物を含む無機繊維である。
また、シリカの含有量が60重量%未満では、柔軟性を有するシリカの含有量が少ないために構造的にもろく、また、生理食塩水に溶け易い、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物及びホウ素化合物からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物の割合が相対的に高くなるので生体溶解性繊維が生理食塩水に溶け易くなりすぎる傾向にある。
なお、シリカの含有量は、SiO及びSiO2の量をSiO2に換算して算出したものである。
また、マットの嵩密度が0.50g/cm3を超えると、マットが硬くなり、排ガス処理体への巻き付け性が低下し、マットが割れやすくなる。
マットの厚さが3.0mm未満であると、保持シール材としての保持力が充分ではない。そのため、このようなマットを保持シール材として用いて排ガス浄化装置を製造する場合、排ガス処理体がケーシングから脱落しやすくなる。また、マットの厚さが50mmを超えると、マットが厚すぎるため、排ガス処理体への巻き付け性が低下し、マットが割れやすくなる。
上記有機バインダーのなかでは、ゴム系樹脂(ラテックス)等が好ましい。有機バインダーを含有する有機バインダー含有液としては、例えば、カルボキシメチルセルロース又はポリビニルアルコール等の水溶性有機重合体を溶解させた溶液、アクリルゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム又はスチレン−ブタジエンゴムを水に分散させたラテックス等が挙げられる。
上記スキン層の厚さは、以下の関係式(1)を満たすこと必須の構成要素としている。
上記第1の主面近傍における無機繊維のスキン層の厚さをX、
上記保持シール材の厚さ方向中央近傍における無機繊維のスキン層の厚さをY、
上記第2の主面近傍における無機繊維のスキン層の厚さをZとして、
X>Y≧Z・・・(1)
係る必須の構成要素に、本発明の第一〜第三実施形態、及び、本発明のその他の実施形態で詳述した種々の構成(例えば、スキン層厚さの分布、無機繊維の種類、有機バインダーの有無、マットの製造方法等)を適宜組み合わせることにより所望の効果を得ることができる。
11、211 第1の主面
12、212 第2の主面
14、214 第1の主面近傍
15、215 保持シール材の厚さ方向中央近傍
16、216 第2の主面近傍
21 無機繊維
22 スキン層
100 排ガス浄化装置
120 ケーシング
130 排ガス処理体
210a ガラス繊維
210b アルミナ繊維
220a 第1のマット
220b 第2のマット
Claims (7)
- 無機繊維及び無機粒子を含み、第1の主面及び第2の主面を備える保持シール材であって、
前記無機繊維の周囲に前記無機粒子を含むスキン層がコートされており、
前記第1の主面近傍における無機粒子の付着率をα、保持シール材の厚さ方向中央近傍における無機粒子の付着率をβ、前記第2の主面近傍における無機粒子の付着率をγとして、α>β>γ の関係が成り立っており、
前記付着率αは、0.3〜5.0重量%であり、前記付着率βは、0.2〜4.0重量%であり、前記付着率γは、0.1〜3.0重量%であり、
前記スキン層の厚さは、以下の関係式(1)を満たすことを特徴とする保持シール材。
前記第1の主面近傍における無機繊維のスキン層の厚さをX、
前記保持シール材の厚さ方向中央近傍における無機繊維のスキン層の厚さをY、
前記第2の主面近傍における無機繊維のスキン層の厚さをZとして、
X>Y>Z・・・(1) - 無機繊維として、ガラス繊維とアルミナ繊維を含み、
前記第1の主面近傍では、前記第2の主面近傍に比べて、重量比で、前記ガラス繊維がより多く存在している請求項1に記載の保持シール材。 - さらに有機バインダーを含む請求項1又は2に記載の保持シール材。
- ニードルパンチング処理が施された無機繊維からなるマットから得られた請求項1〜3のいずれかに記載の保持シール材。
- 排ガス処理体と、
前記排ガス処理体を収容する金属ケーシングと、
前記排ガス処理体と前記金属ケーシングとの間に配設され、前記排ガス処理体を保持する保持シール材とを備える排ガス浄化装置であって、
前記保持シール材は、請求項1〜4のいずれかに記載の保持シール材であることを特徴とする排ガス浄化装置。 - 無機繊維からなり、第1の主面及び第2の主面を備えるマットを準備するマット準備工程と、
前記マットに、無機粒子及び水を含む無機バインダーを接触させる工程と、
前記マットを乾燥させる乾燥工程とを含む保持シール材の製造方法であって、
前記乾燥工程において、前記マットの第2の主面に当たるように風速1.5m/s以上で熱風を吹き付け前記マットの内部に熱風を通気させることを特徴とする保持シール材の製造方法。 - 前記無機粒子がアルミナ粒子であり、前記無機バインダー中での前記アルミナ粒子の二次粒子の形状が鎖状である請求項6に記載の保持シール材の製造方法。
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