JP6218528B2 - 保持シール材、保持シール材の製造方法、巻付体の圧入方法及び排ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
圧入方法においては、排ガス処理体に保持シール材を巻きつけて巻付体を作製し、圧入治具を用いて金属ケーシング内に巻付体を圧入する。圧入は、圧入治具の内表面に保持シール材が接触して滑りながらケーシング側に進むことによって行われる。
特許文献1に記載されるような、ガラス転移温度が低い有機結合剤を用いた保持シール材を使用して圧入が行われる場合に、熱帯気候等の高温地域又は日本の夏季のような気温が30℃を超える高温環境下では、保持シール材に含まれる有機結合剤が軟化して粘着性が現れやすい。そして、軟化した有機結合剤が圧入の際に圧入治具に付着して圧入治具の表面が汚染されることがある。
圧入治具は繰り返し使用されるため、圧入を繰り返すことで圧入治具の表面に有機結合剤に由来する汚れが蓄積される。
圧入治具の表面に汚れが蓄積されると、圧入の際に圧入治具の表面と保持シール材の間に加わる摩擦力が増加する。そして、摩擦力(最大静止摩擦力)が保持シール材のせん断破壊荷重(せん断破壊が生じる荷重)を上回ると保持シール材がせん断破壊を生じ、圧入不良となってしまうという問題が発生する。
また、本発明は、上記保持シール材の製造方法、上記保持シール材を用いた巻付体の圧入方法、及び、上記保持シール材を用いた排ガス浄化装置を提供することを目的とする。
上記結合剤層は有機結合剤及び無機結合剤を含んでおり、
上記有機結合剤は自己架橋性樹脂であることを特徴とする。
無機結合剤には無機粒子が含まれており、結合剤層に無機粒子が含まれていると、無機粒子により高温環境下においても結合剤層の皮膜強度が向上する。
また、有機結合剤が自己架橋性樹脂であると、自己架橋性樹脂は無機粒子の周囲で自己架橋して、無機粒子を核にして強化された強固な架橋皮膜を形成する。そのため、自己架橋性樹脂のみを用いて形成した皮膜と比べて、無機粒子と自己架橋性樹脂を含む結合剤層の皮膜強度はより高くなる。
そして、結合剤層の皮膜強度がより高くなった結果、圧入治具を用いた圧入を行ったとしても無機繊維から結合剤層が剥がれにくくなり、圧入治具に結合剤層を構成する材料が付着しにくくなる。
そのため、本発明の保持シール材は、高温環境下で圧入治具を用いた圧入を行っても圧入治具の表面の汚染が生じにくい。また、同じ圧入治具を用いて繰り返し圧入を行ったとしても、保持シール材のせん断破壊が生じない保持シール材となる。
なお、本明細書において、無機繊維の表面の全てが結合剤層で覆われている必要はなく、本発明の効果を奏する限りにおいて、無機繊維の表面の一部に結合剤層が形成されていない部位があってもよい。
有機結合剤のガラス転移温度が5℃以下であると、繊維飛散を防止しやすくなるため好ましい。また、本発明の保持シール材では結合剤層に無機結合剤が含まれているため、ガラス転移温度が5℃以下であって高温環境下で柔らかく粘着性が現れやすい有機結合剤が用いられていても、圧入治具の表面の汚染が生じにくく、圧入工程における保持シール材のせん断破壊も防止される。
無機粒子が自己架橋性樹脂成分中に分散していると、無機繊維の表面の大部分にわたって結合剤層の強度がより均一に向上する。そのため、保持シール材のせん断破壊荷重及び面圧を高くすることができる。
保持シール材を600℃/1時間加熱した前後での重量減少率は、保持シール材に含まれる有機結合剤の含有量に相当する。上記重量減少率が0.1%未満の場合、結合剤層が形成される部分が小さく、無機繊維の飛散を抑制する効果が小さくなる。また、上記重量減少率が10%を超える場合、無機繊維の飛散を抑制する効果はほとんど変わらず、排ガスの熱によって発生する分解ガスの量が多くなり、周囲の環境に悪影響を与える可能性がある。
自己架橋性樹脂からなる有機結合剤及び無機結合剤を含む結合剤溶液を上記マットに付与する付与工程と、
上記結合剤溶液が付与された上記マットを乾燥させる乾燥工程とを含むことを特徴とする。
上記工程であると、無機繊維表面に自己架橋性樹脂からなる有機結合剤及び無機結合剤を含んだ結合剤層を形成して、本発明の保持シール材を製造することができる。
結合剤溶液に高分子系分散剤が含まれていると、無機結合剤中の無機粒子を結合剤溶液中に均一に分散させることができるため、無機繊維の表面の大部分にわたって無機粒子を添着させて結合剤層の強度を均一に向上させることができる。
その内部が短径側端部から長径側端部に向かってテーパー状に広がった圧入治具を準備し、上記圧入治具の上記短径側端部を金属ケーシングの一端にはめ込んで固定し、
上記巻付体を上記圧入治具の上記長径側端部側から押し込むことにより、上記巻付体を上記金属ケーシング内に圧入することを特徴とする。
本発明の保持シール材を巻きつけた巻付体を用いて上記方法により圧入した場合、同じ圧入治具を用いて繰り返し圧入を行ったとしても保持シール材がせん断破壊を生じて、圧入不良となる問題が生じない。また、圧入治具の表面の汚染が生じにくいために、同じ圧入治具を用いて繰り返し圧入を行った場合でも圧入治具の洗浄を頻繁に行う必要がないという点でも好ましい。
上記金属ケーシングに収容された排ガス処理体と、
上記排ガス処理体の周囲に巻き付けられ、上記排ガス処理体及び上記金属ケーシングの間に配設された保持シール材とを備える排ガス浄化装置であって、
上記保持シール材が、本発明の保持シール材であることを特徴とする。
以下、本発明の保持シール材について具体的に説明する。しかしながら、本発明は、以下の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。なお、以下において記載する本発明の個々の望ましい構成を2つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
本発明の保持シール材は、表面が結合剤層で覆われた無機繊維を含む所定の厚さのマットからなる保持シール材であって、
上記結合剤層は有機結合剤及び無機結合剤を含んでおり、
上記有機結合剤は自己架橋性樹脂であることを特徴とする。
無機繊維が、アルミナ繊維、シリカ繊維、アルミナシリカ繊維、及び、ムライト繊維の少なくとも1種である場合には、耐熱性に優れているので、排ガス処理体が充分な高温に晒された場合であっても、変質等が発生することはなく、保持シール材としての機能を充分に維持することができる。また、無機繊維が生体溶解性繊維である場合には、保持シール材を用いて排ガス浄化装置を作製する際に、飛散した無機繊維を吸入等しても、生体内で溶解するため、作業員の健康に害を及ぼすことがない。
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であることが好ましく、Al2O3:SiO2=70:30〜74:26であることがより好ましい。
ニードリング法により得られるマットを構成する無機繊維の平均繊維長は、1〜150mmであることが好ましく、10〜80mmであることがより好ましい。
無機繊維の平均繊維長が1mm未満であると、無機繊維の繊維長が短すぎるため、無機繊維同士の交絡が不充分となり、排ガス処理体への巻き付け性が低下し、保持シール材が割れやすくなる。また、無機繊維の平均繊維長が150mmを超えると、無機繊維の繊維長が長すぎるため、保持シール材を構成する繊維本数が減少するため、マットの緻密性が低下する。その結果、保持シール材のせん断強度が低くなる。
抄造法により得られるマットを構成する無機繊維の平均繊維長は、0.1〜20mmであることが好ましい。
無機繊維の平均繊維長が0.1mm未満であると、無機繊維の繊維長が短すぎるため、もはや繊維としての特徴を実質上示さなくなり、マット状繊維集合体にしたときに繊維同士に好適な絡み合いが起こらず、十分な面圧を得ることが困難になる。また、無機繊維の平均繊維長が20mmを超えると、無機繊維の繊維長が長すぎるため、抄造工程で水に繊維を分散したスラリー溶液中の繊維同士の絡み合いが強くなりすぎるため、マット状繊維集合体としたときに繊維が不均一に集積しやすくなる。
自己架橋性樹脂としては、アクリル樹脂、アクリレート系ラテックス、ゴム系ラテックス、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、スチレン樹脂等の熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等が挙げられる。
特に、2つ以上の官能基を有し、その置換基相互で反応性を有する、例えば水酸基、カルボキシル基、エポキシド基、アミド基、N−メチロールアミド基、アミノ基、イソシアネート基等を有し、エポキシド基や水酸基とカルボキシル基との間でのエステル化反応や、カルボキシル基や水酸基とN−メチロール基との間での縮合反応等により架橋構造を形成するものが望ましい。
例えば2−ヒドロキシエチルアクリレート、2−ヒドロキシイソプロピルメタクリレート、アリルアルコール等の水酸基含有モノマー、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸等のカルボキシル基を有するモノマー、グリシジルアクリレート、アリルグリシジルエーテル等のエポキシド基を有するモノマー、メチロール化アクリルアミド、アルコキシメチルアクリルアミド等のメチロール化アミド基を有するモノマー、アミノエチルメタクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート等のアミノ基を有するモノマーを単独もしくは共重合した樹脂、または、或る種の反応性モノマーを共重合した後、得られたポリマーを化学処理して目的とする官能基を有する側鎖を形成した樹脂等が挙げられる。
高温環境下で圧入治具を用いた圧入を行った場合の圧入治具の表面の汚染の有無の評価、及び、同じ圧入治具を繰り返し使用して圧入を行った場合の保持シール材のせん断破壊の評価は下記の引き抜き試験により行なうことができる。
図2は、保持シール材の引き抜き試験装置を示す概略図である。
引き抜き試験装置600では、装置の左右に、ステンレス鋼製のヒーター(左ヒーター610及び右ヒーター620)がそれぞれ対向するように配置されている。また、左ヒーター610はロードセルとなっており、左ヒーター610の右側の面(試験片と接する側の面)に加わる荷重を測定することができる。
試験片10aは左ヒーター610及びステンレス板630で挟まれ、試験片10bはステンレス板630及び右ヒーター620で挟まれる。
また、ステンレス板630はロードセルとなっており、ステンレス板630に加わる荷重を測定することができる。
左ヒーター610と試験片10aの間、及び、右ヒーター620と試験片10bの間(板と保持シール材の間)で滑らないように、左ヒーター610及び右ヒーター620の表面には突起部材640を設ける。
左ヒーター610及び右ヒーター620の温調を調整し、試験片10a又は10bとステンレス板630との間の温度を50℃に調整する。
その圧縮状態で10分保持(緩和)する。
この際、ステンレス板に加わる静摩擦力を測定し、静摩擦力が最大となるときの摩擦力(最大静止摩擦力)を記録する。
また、ステンレス板を引き抜いた後にステンレス板の表面を目視観察することによって、ステンレス板の表面の汚染の有無を判断する。
一方、ステンレス板への有機結合剤の付着が少なければ、ステンレス板の表面に蓄積していく有機結合剤の汚れは少ない。そのため、10回の繰り返し試験の後にも摩擦力(最大静止摩擦力)が試験片のせん断破壊荷重(せん断破壊が生じる荷重)を上回らない。その結果、試験片がせん断破壊を生じることがない。
すなわち、本発明の保持シール材では、10回目の引き抜き試験において測定したステンレス板と試験片の間の最大静止摩擦力は、試験片にせん断破壊が生じるせん断破壊荷重よりも小さいことが望ましい。
上記最大静止摩擦力が上記せん断破壊荷重よりも小さければ、圧入工程において保持シール材のせん断破壊が生じないと考えられるため好ましい。
また、15回目の引き抜き試験において測定したステンレス板と試験片の間の最大静止摩擦力が、試験片にせん断破壊が生じるせん断破壊荷重よりも小さい保持シール材であることがより望ましく、20回目の引き抜き試験において測定したステンレス板と試験片の間の最大静止摩擦力が、試験片にせん断破壊が生じるせん断破壊荷重よりも小さい保持シール材であることがさらに望ましい。
図3は、保持シール材のせん断破壊荷重試験装置を示す概略図である。
図3に示すせん断破壊荷重試験装置700は、図2に示す引き抜き試験装置600と略同様の構成であるが、左ヒーター710、右ヒーター720及びステンレス板730の表面で、試験片と接する面に突起部材740が多数設けられている。
試験片10a、10bは突起部材740に突き刺されることにより、左ヒーター710、右ヒーター720及びステンレス板730に固定される。
この状態で試験片の嵩密度(GBD)が0.5g/cm3となるまで圧縮する。
左ヒーター710及び右ヒーター720の温調を調整し、試験片10a又は10bとステンレス板730との間の温度を50℃に調整する。
その圧縮状態で10分保持(緩和)する。
次に、ステンレス板730を図3中の矢印で示す向き(上方)に25mm/minの速度で移動させると、ステンレス板730は突起部材740で試験片10a及び10bと固定されているため、試験片10a及び10bと離れて抜けることができない。そのため、試験片10a及び10bに試験片のせん断破壊荷重以上のせん断力が加わった際に試験片10a及び10bがせん断破壊を生じる。
試験片がせん断破壊を生じた際のステンレス板に加わるせん断力を試験片のせん断破壊荷重とする。
ステンレス板の表面仕上げは、マットを滑らせた際に表面の汚染が目視で観察し易い様、鏡面状で滑らかな板表面が好ましい。日本工業規格 JIS G 4305に記載の表現において、No.2B以上の平滑を有することが好ましい。更に、平滑なNo.3、No.4、そして♯240、♯320、♯400の研磨処理した板でも構わない。
そして、表面粗さとしては、Ra=0.01〜0.2μmが好ましい。
せん断破壊荷重の測定に用いるステンレス板としては、引き抜き試験に用いるステンレス板の表面に、試験片が固定されるように突起部材を設けたものを用いることができる。
同じステンレス板を繰り返し使用して試験片を1回の試験毎に別の試験片を交換して引き抜き試験を行うことにより、圧入工程において圧入治具に蓄積する保持シール材由来の汚れの影響を検証することができる。
上記引き抜き試験において10回の繰り返し試験を行っても試験片にせん断破壊が生じないもの保持シール材は、高温環境下で圧入治具を用いた圧入を行っても圧入治具の表面の汚染が生じにくく、同じ圧入治具を用いて繰り返し圧入を行ったとしても保持シール材のせん断破壊が生じない保持シール材であるといえる。
保持シール材を600℃/1時間加熱した前後での重量減少率は、保持シール材に含まれる有機結合剤の含有量に相当する。上記重量減少率が0.1%未満の場合、結合剤層が形成される部分が小さく、無機繊維の飛散を抑制する効果が小さくなる。また、上記重量減少率が10%を超える場合、無機繊維の飛散を抑制する効果はほとんど変わらず、排ガスの熱によって発生する分解ガスの量が多くなり、周囲の環境に悪影響を与える可能性がある。
上記無機ゾル分散溶液(無機粒子溶液)としては特に限定されず、アルミナゾル、シリカゾル等が挙げられる。
上記無機粒子としては、アルミナゾルに由来するアルミナ粒子、シリカゾルに由来するシリカ粒子が好ましい。
無機粒子の粒子径については、特に限定されないが、無機粒子の平均粒子径が0.005〜0.1μmであることが好ましい。
また、結合剤層に含まれる無機粒子は、有機結合剤としての自己架橋性樹脂成分中に分散してなることが望ましい。
結合剤層に無機粒子が含まれていると、無機粒子により結合剤層の皮膜強度が向上し、無機繊維から結合剤層が剥がれにくくなる。
また、無機粒子は排ガス浄化装置の使用後にも燃焼せず無機繊維の表面に残存し、無機繊維の表面全体にわたって無数の凹凸が形成される。これは、有機結合剤が焼失したことにより、結合剤層中に分散していた無機粒子が露出したためであると考えられる。無機繊維の表面全体にわたって無機粒子による凹凸が形成されると、有機結合剤が焼失後、無機繊維同士が接触した際に無機繊維同士が凹凸により引っ掛かり、無機繊維の表面が滑ることが防止されるので、面圧を向上させやすくなる。
また、無機粒子が自己架橋性樹脂成分中に分散していると、無機繊維の表面の大部分にわたって結合剤層の強度がより均一に向上する。そのため、保持シール材のせん断破壊荷重及び面圧を高くすることができる。
上記無機結合剤の添着量が上記無機繊維100重量部に対して0.3重量部未満の場合、無機粒子の含有量が不足するためせん断破壊荷重及び面圧の向上効果が小さくなりやすい。15.0重量部を超える場合、せん断破壊荷重及び面圧の向上という効果はほとんど変わらないが、結合剤層が硬くなりすぎることがあり、無機繊維の飛散を抑制しにくくなる。
結合剤層が高分子系分散剤を含有していると、無機結合剤としての無機粒子が、有機結合剤としての自己架橋性樹脂成分中に分散しやすくなる。そのため、結合剤層の皮膜強度をさらに向上させやすくなる。
これらの中では、親水性合成高分子物質が望ましく、アニオン性高分子系分散剤がより望ましい。アニオン性高分子系分散剤の数平均分子量は500〜100000であることが望ましい。アニオン性高分子系分散剤の数平均分子量は、例えば、ゲル浸透クロマトグラフィ(GPC)による分子量測定から算出することができる。
なお、上記試験片は、結合剤層の原料となる結合剤溶液を枠付きポリプロピレン製樹脂板に流し込み、50℃で放置して乾燥させ、皮膜状にすることにより作製することができる。
保持シール材の厚さが2.0mm未満であると、保持シール材の面圧が排ガス処理体を保持するのに充分でなくなる。そのため、排ガス処理体が抜け落ちやすくなる。また、排ガス処理体に体積変化が生じた場合、保持シール材は排ガス処理体の体積変化を吸収しにくくなる。そのため、排ガス処理体にクラック等が発生しやすくなる。
また、保持シール材の嵩密度が0.30g/cm3を超えると、保持シール材が硬くなり、排ガス処理体への巻き付け性が低下し、保持シール材が割れやすくなる。
保持シール材に膨張材が含有されていると、400〜800℃の範囲で保持シール材が膨張するようになるため、ガラス繊維の強度が低下する700℃を超えるような高温域においても、保持シール材として使用する際の保持力を向上させることができる。
膨張材の添加量は、特に限定されないが、保持シール材の全重量に対して10〜50重量%であることが望ましく、20〜30重量%であることがより望ましい。
本発明の保持シール材の製造方法は、本発明の保持シール材を製造する方法として適している。
自己架橋性樹脂からなる有機結合剤及び無機結合剤を含む結合剤溶液を上記マットに付与する付与工程と、
上記結合剤溶液が付与された上記マットを乾燥させる乾燥工程とを含むことを特徴とする。
本発明の保持シール材の製造方法では、まず、無機繊維を含むマットを準備するマット準備工程を行う。
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、ニードリング法又は抄造法により製造することができる。
ニードリング法の場合、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マットの準備が完了する。
次に、自己架橋性樹脂からなる有機結合剤及び無機結合剤を含む結合剤溶液をマットに付与する。
まず、無機結合剤溶液と、高分子系分散剤を混合した溶液を調製した後、水中に分散させた有機結合剤(自己架橋性樹脂溶液)と混合することにより結合剤溶液を調製する。まず、無機結合剤と高分子系分散剤を混合した溶液を調製することで、無機結合剤としての無機粒子の表面を高分子系分散剤によって被覆する。続いて、水中に分散させた有機結合剤と混合することによって、水中に、高分子系分散剤によって被覆された無機結合剤としての無機粒子と有機結合剤としての自己架橋性樹脂成分とを分散させることができる。
なお、高分子系分散剤は必要に応じて添加すればよく、高分子系分散剤を添加しない場合は無機結合剤と有機結合剤を混合して結合剤溶液を調製すればよい。
結合剤溶液中の高分子系分散剤の濃度は、特に限定されないが、50〜1000ppmであることが望ましい。高分子系分散剤の濃度が50ppm未満の場合には、高分子系分散剤の量が不足するため結合剤溶液中で無機結合剤としての無機粒子と、有機結合剤としての自己架橋性樹脂成分の凝集を抑制させにくくなり、1000ppmを超える場合は、分散させる効果は変わらないため、過剰な添加は望ましくない。
また、結合剤溶液には、結合剤溶液のpHを調整するためのpH調整剤を添加してもよい。
この付与工程において、マットを結合剤溶液と接触させる方法は、特に限定されず、例えば、マットを結合剤溶液に含浸することにより、マット中の無機繊維に結合剤溶液を付与させてもよく、カーテンコート法等の方法で結合剤溶液をマット上に落下させることにより、マット中の無機繊維に結合剤溶液を付与させてもよく、スプレーコーティングのように結合剤溶液を噴霧してマットに吹きつけてもよい。
さらに、結合剤溶液を付与させたマットを脱水処理することにより、上記マットを構成する無機繊維100重量部に対する上記結合剤溶液の付与量が50〜200重量部となるように調整することが望ましい。
次に、結合剤溶液が付与された上記マットを熱風乾燥させる。
乾燥工程では、上記結合剤溶液を付与した上記マットを、熱風乾燥させる乾燥工程を行い、上記有機結合剤及び上記無機結合剤を乾燥させ、結合剤溶液中の溶媒を蒸発させる。
熱風乾燥の温度は、特に限定されるものではないが、熱風の温度が100〜150℃程度であることが望ましい。
これまでの工程により、本発明の保持シール材を製造することができる。
本発明の巻付体の圧入方法は、排ガス処理体に本発明の保持シール材を巻きつけた巻付体を作製し、
その内部が短径側端部から長径側端部に向かってテーパー状に広がった圧入治具を準備し、上記圧入治具の上記短径側端部を金属ケーシングの一端にはめ込んで固定し、
上記巻付体を上記圧入治具の上記長径側端部側から押し込むことにより、上記巻付体を上記金属ケーシング内に圧入することを特徴とする。
図4(a)は、本発明の巻付体の圧入方法を模式的に示す斜視図である。図4(a)では、圧入方向を矢印Xで表している。
図4(a)に示すように、まず、排ガス処理体120の周囲に保持シール材10が巻き付けられた巻付体140を用意する。
巻付体140は、後述する排ガス処理体(ハニカム構造体)120の外周に、図1に示した保持シール材10の凸部12と凹部13とが嵌合するようにして保持シール材10を巻き付けることによって製造することができる。
図4(a)に示す圧入治具150は、全体として略円筒状であり、その内部が一端から他端に向かってテーパー状に広がっている。
圧入治具150の一端は、金属ケーシング130の内径よりわずかに小さな径に相当する内径を有する短径側端部151となっている。また、圧入治具150の他端は、少なくとも巻付体140の外径に相当する内径を有する長径側端部152となっている。
なお、巻付体を金属容器に圧入する方法としては特に限定されず、例えば、手で巻付体を押すことにより巻付体を金属容器に圧入する等の方法であってもよい。
圧入の際、圧入治具150の内表面に保持シール材10が接触して滑りながら金属ケーシング130の側に進む。
この際に無機繊維から結合剤層が剥がれると圧入治具の内表面に有機結合剤が付着することになるが、本発明の保持シール材が用いられていると無機繊維から結合剤層が剥がれにくいため、圧入治具の表面の汚染が生じにくい。
圧入治具の表面の汚染が生じにくいので、同じ圧入治具を用いて繰り返し圧入を行ったとしても保持シール材がせん断破壊を生じて、圧入不良となってしまうという問題が生じない。また、圧入治具の洗浄を頻繁に行う必要がないという点でも好ましい。
上記方法により巻付体を圧入することによって、図4(c)に示すような排ガス浄化装置100を作製することができる。
本発明の排ガス浄化装置は、金属ケーシングと、
上記金属ケーシングに収容された排ガス処理体と、
上記排ガス処理体の周囲に巻き付けられ、上記排ガス処理体及び上記金属ケーシングの間に配設された保持シール材とを備える排ガス浄化装置であって、
上記保持シール材が、本発明の保持シール材であることを特徴とする。
図5に示すように、本発明の排ガス浄化装置100は、金属ケーシング130と、金属ケーシング130に収容された排ガス処理体120と、排ガス処理体120及び金属ケーシング130の間に配設された保持シール材10とを備えている。
排ガス処理体120は、多数のセル125がセル壁126を隔てて長手方向に並設された柱状のものである。なお、金属ケーシング130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となる。
図5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2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)120の排ガス流入側端面120aに開口した一のセル125に流入し、セル125を隔てるセル壁126を通過する。この際、排ガス中のPMがセル壁126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120bに開口した他のセル125から流出し、外部に排出される。
これら多孔質焼成体は、脆性材料であるので、機械的な衝撃等により破壊されやすい。しかし、本発明の排ガス浄化装置では、排ガス処理体120の側面の周囲には保持シール材10が介在し、衝撃を吸収するので、機械的な衝撃や熱衝撃により排ガス処理体120にクラック等が発生するのを防止することができる。
無機結合剤には無機粒子が含まれており、結合剤層に無機粒子が含まれていると、無機粒子により結合剤層の皮膜強度が向上する。
また、有機結合剤が自己架橋性樹脂である。自己架橋性樹脂は無機粒子の周囲で自己架橋して、無機粒子を核にして強化された強固な架橋皮膜を形成する。そのため、自己架橋性樹脂のみを用いて形成した皮膜と比べて、無機粒子と自己架橋性樹脂を含む結合剤層の皮膜強度はより高くなる。
そして、結合剤層の皮膜強度がより高くなった結果、圧入治具を用いた圧入を行ったとしても無機繊維から結合剤層が剥がれにくくなり、圧入治具に結合剤層を構成する材料が付着しにくくなる。
本発明の保持シール材は、高温環境下で圧入治具を用いた圧入を行っても圧入治具の表面の汚染が生じにくい。更に、圧入治具表面の汚染物質が一定の量以上、蓄積されにくい。そのため、同じ圧入治具を用いて繰り返し圧入を行ったとしても、保持シール材のせん断破壊が生じない保持シール材となる。
上記工程であると、無機繊維表面に自己架橋性樹脂からなる有機結合剤及び無機結合剤を含んだ結合剤層を形成して本発明の保持シール材を製造することができる。
本発明の保持シール材は高温環境下で圧入治具を用いた圧入を行っても圧入治具の表面の汚染が生じにくいので、同じ圧入治具を用いて繰り返し圧入を行ったとしても保持シール材がせん断破壊を生じて、圧入不良となる問題が生じない。また、圧入治具の表面の汚染物質が一定の量以上、蓄積されにくいために、同じ圧入治具を用いて繰り返し圧入を行った場合でも圧入治具の洗浄を頻繁に行う必要がない。
以下、本発明をより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
(a)マット準備工程
まず、以下の手順により無機繊維を含むマットを準備した。
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繊維径の平均が5.1μmである無機繊維前駆体を作製した。
上記工程(a−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(a−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(a−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。無機繊維の繊維径の平均は、5.1μmであり、最小値は、3.2μmであった。このようにして得られた焼成シート状物は、嵩密度が0.15g/cm3であり、目付量が1400g/m2である。
上記工程(a−4)で得られた焼成シート状物を切断して、無機繊維を含むマットを作製した。
(b−1)有機結合剤溶液調製工程
ガラス転移温度が−6℃である自己架橋性樹脂(アクリレート系ラテックス)を含む有機結合剤(日本ゼオン社製 Nipol LX852(固形分濃度:45wt%))を用い、水で希釈することにより、固形分濃度が2重量%の有機結合剤溶液を調製した。
アルミナコロイド溶液(アルミナゾル)(日産化学工業社製 アルミナゾル550(固形分濃度:15wt%))を水で希釈し、アニオン性高分子系分散剤(サンノプコ社製 ノプコサントRFA)を添加して充分攪拌することで、無機結合剤としての無機粒子の固形分濃度が2重量%であり、上記アニオン性高分子系分散剤の濃度が500ppmである無機結合剤溶液を調製した。
上記工程(b−2)で得られた無機結合剤溶液に上記工程(b−1)で得られた有機結合剤溶液を、無機結合剤溶液:有機結合剤溶液=1:1の重量比になるよう加え充分攪拌し、有機結合剤としての自己架橋性樹脂成分が固形分濃度で1重量%、無機結合剤としての無機粒子が固形分濃度で1重量%、上記アニオン性高分子系分散剤の濃度が250ppmである結合剤溶液を調製した。
上記工程(b−3)で得られた結合剤溶液を、カーテンコート法により(a)マット準備工程で得られたマットに付与した。
上記工程(b−4)で得られた、結合剤溶液が付与されたマットを脱水機で吸引脱水することにより、上記結合剤溶液が、無機繊維100重量部に対して100重量部付与された状態となるように調製した。
上記工程(b−5)を終えたマットを、温度130℃の熱風をマットの一方の主面から吹き付けることにより加熱熱風乾燥して、保持シール材とした。
(b−1)有機結合剤溶液調製工程において、ガラス転移温度が−36℃である自己架橋性樹脂(アクリレート系ラテックス)を含む有機結合剤(BASF社製 Acronal DS2373(固形分濃度:50wt%))を用いたほかは、実施例1と同様にして保持シール材を製造した。
実施例2において、結合剤溶液中の各成分の濃度を変更し、有機結合剤としての自己架橋性樹脂成分が固形分濃度で4重量%、無機結合剤としての無機粒子が固形分濃度で4重量%、上記アニオン性高分子系分散剤の濃度が1000ppmである結合剤溶液を調製した。その他は実施例1と同様にして保持シール材を製造した。
(b−1)有機結合剤溶液調製工程において、ガラス転移温度が1℃であるアクリレート系ラテックスを含む有機結合剤(日本ゼオン社製 Nipol LX811H(固形分濃度:50wt%))を用いた。
また、(b−2)の無機結合剤溶液調製工程を行わず、無機結合剤及び高分子分散剤を含まない、有機結合剤中の樹脂固形分濃度が1重量%である結合剤溶液を調製した。
その他は実施例1と同様にして保持シール材を製造した。
実施例1において、(b−2)の無機結合剤溶液調製工程を行わず、無機結合剤及び高分子分散剤を含まない、有機結合剤中の自己架橋性樹脂分の固形分濃度が1重量%である結合剤溶液を調製した。その他は実施例1と同様にして保持シール材を製造した。
実施例3において、(b−2)の無機結合剤溶液調製工程を行わず、無機結合剤及び高分子分散剤を含まない、有機結合剤中の自己架橋性樹脂分の固形分濃度が4重量%である結合剤溶液を調製した。その他は実施例3と同様にして保持シール材を製造した。
各実施例及び比較例で製造した保持シール材を50mm×50mmの大きさの試験片に切断し、試験片をそれぞれ20枚ずつ準備した。
上記試験片に対して、図2に示す引き抜き試験装置を用いて、本明細書中に説明した手順により引き抜き試験を10回繰り返して行った。
繰り返し試験中に試験片のせん断破壊が生じた場合は、その時点で試験終了とした。
試験片の嵩密度(GBD)は0.5g/cm3となるように圧縮し、試験片とステンレス板の間の温度が50℃になるように温調を調整した。引き抜き速度は25mm/minとした。ステンレス板としてはSUS409製、No.2B以上の平滑処理されたRa0.04〜0.07の板を用いた。
また、実施例2で製造した保持シール材については、引き抜き試験を20回繰り返して行った。
未使用のステンレス板に対して引き抜き試験を1回行い、ステンレス板に付着した汚れを目視観察した。
各実施例と各比較例における汚れの付着量を比較したところ、各実施例での汚れの付着量は少なかった。
また、汚れが付着したステンレス板を300℃、10分加熱したところ汚れが茶色に変色したことから、汚れが有機物成分であることを確認した。
表1にはステンレス板表面汚染の観察結果を示した。
引き抜き試験においてステンレス板に加わる静摩擦力を測定し、静摩擦力が最大となるときの摩擦力(最大静止摩擦力)を引き抜き試験毎に記録した。
表1には1回目の試験での摩擦力及び10回の繰り返し試験における最大の摩擦力を示した。但し、実施例2における最大の摩擦力としては14回目の繰り返し試験で得られた139kPaを示した。
また、表1には繰り返し試験におけるせん断破壊の有無を示した。「有り」のあとの括弧内の数字は、せん断破壊が何回目の繰り返しで生じたかを示している。
各実施例及び各比較例における試験片に対して、図3に示すせん断破壊荷重試験装置を用いて、本明細書中に説明した手順によりせん断破壊荷重の測定を行った。
試験片の嵩密度(GBD)は0.5g/cm3となるように圧縮し、試験片とステンレス板の間の温度が50℃になるように温調を調整した。引き抜き速度は25mm/minとした。
表1にはせん断破壊荷重の測定結果を示した。
図7及び図8における太い横線は、試験片のせん断破壊荷重を示しており、摩擦力がせん断破壊荷重を超えたときにせん断破壊が生じる。
各実施例ではせん断破壊が生じなかったが、各比較例ではせん断破壊が生じた。
また、繰り返し試験を行った際の各実施例における摩擦力の上昇の割合は、各比較例における摩擦力の上昇の割合に比べて小さい。
摩擦力の上昇の割合は、図7及び図8に示した実施例2と比較例3のプロットの傾きに表れている。図7に示す実施例2のプロットでは、摩擦力の上昇が途中で止まり、摩擦力がせん断破壊荷重にまで達しないため、20回の繰り返し試験を行った後にもせん断破壊が生じなかった。この結果は、ステンレス板へ汚染物質が一定の量以上蓄積されないことを示唆している。一方、図8に示す比較例3のプロットでは、1回の試験での摩擦力の上昇が大きく、3回の試験でせん断破壊に至った。
また、各実施例の保持シール材では結合剤層に無機結合剤としての無機粒子が含まれるために結合剤層の皮膜強度が向上し、無機繊維の交点部で結合剤層が変形しにくいために繊維の滑りが無くなり、せん断破壊に対する強度が向上しているものと推定される。各比較例の保持シール材は結合剤層に無機結合剤が含まれていないため皮膜強度が低く、無機繊維の交点部で結合剤層が変形して繊維が滑り、せん断破壊を生じやすくなっているものと推定される。
11 マット
100 排ガス浄化装置
120 排ガス処理体
130 金属ケーシング
140 巻付体
150 圧入治具
151 短径側端部
152 長径側端部
Claims (7)
- 表面が結合剤層で覆われた無機繊維を含む所定の厚さのマットからなる保持シール材であって、
前記結合剤層は有機結合剤及び無機結合剤を含んでおり、
前記有機結合剤は自己架橋性樹脂であり、
保持シール材を600℃/1時間加熱した前後での重量減少率が、加熱前の保持シール材の重量100%に対して0.1〜10%であることを特徴とする保持シール材。 - 前記有機結合剤のガラス転移温度は5℃以下である請求項1に記載の保持シール材。
- 前記無機結合剤としての無機粒子が、前記有機結合剤としての自己架橋性樹脂成分中に分散してなる請求項1又は2に記載の保持シール材。
- 無機繊維を含むマットを準備するマット準備工程と、
自己架橋性樹脂からなる有機結合剤及び無機結合剤を含む結合剤溶液を前記マットに付与する付与工程と、
前記結合剤溶液が付与された前記マットを乾燥させる乾燥工程とを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の保持シール材の製造方法。 - 前記結合剤溶液はさらに高分子系分散剤を含んでいる請求項4に記載の保持シール材の製造方法。
- 排ガス処理体に請求項1〜3のいずれかに記載の保持シール材を巻きつけた巻付体を作製し、
その内部が短径側端部から長径側端部に向かってテーパー状に広がった圧入治具を準備し、前記圧入治具の前記短径側端部を金属ケーシングの一端にはめ込んで固定し、
前記巻付体を前記圧入治具の前記長径側端部側から押し込むことにより、前記巻付体を前記金属ケーシング内に圧入することを特徴とする、巻付体の圧入方法。 - 金属ケーシングと、
前記金属ケーシングに収容された排ガス処理体と、
前記排ガス処理体の周囲に巻き付けられ、前記排ガス処理体及び前記金属ケーシングの間に配設された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1〜3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。
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