JPH0243786B2

JPH0243786B2 -

Info

Publication number: JPH0243786B2
Application number: JP56112413A
Authority: JP
Inventors: Susumu Aoki; Hiroshi Asaumi; Mitsuki Shiraishi; Masaaki Kayama
Original assignee: Nichias Corp
Current assignee: Nichias Corp
Priority date: 1981-07-18
Filing date: 1981-07-18
Publication date: 1990-10-01
Also published as: JPS5813683A

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、自動車排気ガス浄化器用パツキン
に関するもので、とくにバーミキユライトを原料
とする膨張性シート材から構成されるパツキンの
改良に関するものである。バーミキユライトを主
材とする膨張性シート材（あるいは打抜き、裁断
加工したパツキン）は、高温に対して優れた耐熱
性があり、かつ熱によつて膨張（膨積と呼ばれ
る）する性質があることから、高温を扱う機器の
充填用パツキン材として注目され、その用途開発
が行われている。たとえば貴金属触媒を担持させ
たセラミツク製のモノリス型触媒体を金属製筒形
容器内に収容して構成される自動車排気ガス浄化
器にあつては、前記膨張性シートはモノリス型触
媒体（以後モノリスと略称する）と筒形容器（外
筒と略称する）との間の充填用として、あるいは
モノリスを支持する保持材として使用されてい
る。上記の自動車排気ガス浄化器に使われている前
記モノリスは耐熱、耐熱衝撃、多接触表面積の３
つの要求をそれぞれ満足させるように、1.2×
10^-6／℃程の低熱膨張率を持つセラミツク素地か
らなり、ハニカム壁0.15mm〜0.3mm程の押出し成
形品が最適とされているが、この浄化器全体の技
術的難点は、モノリスと外筒との間に大きな熱膨
張収縮率差があつて、モノリスを外筒内に保持す
るのに特別な工夫を必要とすることである。特に
最近の傾向として、排気ガス浄化器をエンジン排
気マニホールド近傍のより高温部で使用する例が
増え、この場合前記外筒材質に熱膨張係数が鋳鋼
の1.5倍ある耐熱鋼材を採用したり、前記３つの
性能向上を図るため、ハニカム壁が薄くて強度の
弱いモノリスの採用を考える場合には、従来にも
増して柔かく、かつクツシヨン性に富むパツキン
が要求され、更にモノリスの性能を向上する理由
で、モノリスと外筒との間を未浄化排気ガスがバ
イパスしないようなガスシール性も厳しく要求さ
れるようになつてきた。上記要求を一部あるいはほゞ完全に満すことの
できるモノリス用保持材パツキンとして、種々の
材質・構造を持つものが提案されており、その一
つとして耐熱鋼製のスプリングやベローズで弾力
的に保持したり、また同材質の金属細線をメリヤ
ス編みにして圧縮成形したものが、弾力性ある保
持材として一部実用化されているが、排気ガスの
異状などで、しばしば担持体の温度が過熱して
600℃以上の高温になると、スプリングがベロー
ズ成形品は金属の弾力性が失なわれ、保持材の役
目をはたさなくなり、さらに排気ガスの圧力やエ
ンジン等の振動により、モノリスががたつき、最
終的に破壊してしまう欠点がある。また前記細線
成形品は、排気ガスをシールするには粗すぎて、
完全な浄化が期待できない点にも欠点がある。また、金属材料を使用しない手段としては、耐
熱性のある無機質繊維材料をモノリスと外筒との
間に充填する手段が提案されており、このものは
耐熱温度が高く、またモノリスと外筒との隙間を
完全にシールし、未処理排ガスが漏れないことな
どが利点とされているが、モノリスをエンジンや
走行時の振動や熱冷サイクル下で長期間にわたり
有効に保持させるには、パツキンの充填密度を充
分高くする必要があり、またパツキン充填に特別
な外筒、例えば複数分割型の金属製筒型容器を用
意し、モノリスを中にくるんだ厚いマツト状繊維
材料を強く圧縮し、ネジ・バンド等で固定するよ
うな複雑な浄化装置となる欠点がある。上記手段の改良と考えられるものとして、無機
質繊維材料にバーミキユライト粒を抄きこんだパ
ツキンを使用し、これをモノリスと容器との間に
充填し、エンジンの排気熱によつてバーミキユラ
イトが膨積して無機質繊維材料を強く圧縮し、そ
れによつてモノリスを保持する手段が提案され、
一部実用化されている。しかしながら、このバー
ミキユライト抄きこみパツキンを実際に充填使用
する場合でも、各種条件が厳しくなつた現時点で
は、苛酷な実車条件下で確実にモノリスを保持で
きる場合は、パツキン厚さの50〜60％程度にまで
強圧して充填しなければならず、その強圧作用で
モノリス側壁を破損する事故がしばしば発生して
いる。また、さきに本発明は、バーミキユライト粒が
熱により膨積する性質をそのまま利用し、バーミ
キユライト粒をシート化し、セラミツクペーパー
などと張り合わせたシートを提案したが、このパ
ツキンは優れた保持力耐久性を示す反面、材質が
固く、寸法公差の大きいモノリスの外径寸法を測
定して充填量を決め、巻装挿入する工程上の繁雑
さがある。本発明者は、前述した各種パツキンの長所短所
を検討し、本発明者が先に提案したバーミキユラ
イトシート材が大きな保持力耐久性を発揮する特
性を活かし、寸法公差の大きい前記モノリスとそ
れを保持する外筒との間の狭い隙間に容易に挿入
できるほど柔かく、かつ排気ガス浄化時の高温・
エンジン停止時の常温間の熱冷サイクルによる隙
間寸法熱膨張繰返し変化下にも長期間にわたつて
保持力が保てるパツキンを開発する目的でこの発
明を提供したものである。更に、この発明をなすに到つたきつかけは、本
発明者が提案したバーミキユライト粒シートとセ
ラミツクフアイバーなどのシートが別々に作成し
うることに着目し、バーミキユライトを抄きこむ
シートの製造法では、抄造技術上均一に抄きこめ
ないような大粒のバーミキユライトについても検
討し、また多くのセラミツクフアイバーについて
実際の使用状況に近い耐久性試験を繰返して行つ
たところ、試験初期の保持力は同程度でも長期試
験後の保持力に変化が認められ、ある範囲にある
もののみが優れた性能を示すことを見出し、また
セラミツクフアイバー層の弾性結合材として天然
ゴムとポリブテンとの組合わせにより、実際の挿
入装置に充分適合できる柔軟性・耐屈曲性を付与
できることを見出し、その知見にもとづいて、こ
の発明を完成したものである。この発明において使用されるバーミキユライト
（ひる石）は雲母鉱物の一種で、加熱すると多量
に含有する層間水を発散させる過程で原石時の厚
さの数百倍以上に膨積してブツク状またはアコー
デオン状となり、吸音断熱性に富む、嵩高な粒状
物が得られることが知られており、これに有機ま
たは無機系の種々な結合材を混合したものは建
材・耐火材などに多量に利用されている。また、
バーミキユライト原石を鉄板などの隙間に充填し
て加熱膨積させた板状体はクツシヨン性に富み、
自動車用排気ガス浄化器モノリスの保持体として
使用できることは、本発明者が先に提案したとお
りである。これらのバーミキユライトは、現在南
ア・パラボラ産あるいは北米モンタナ産が入手で
き、用途に応じて種々の粒径・膨積程度のものが
利用されている。これらバーミキユライト粒の性
状を表１に示す。

【表】また、この本発明で使用されるセラミツクフア
イバーはアルミナとシリカの重量比がほぼ１の配
合原料を電孤炉によつて溶融し、高速気流を利用
して、あるいは高速回転円板を利用して細繊維化
したものである。これらセラミツクフアイバーは
目的とされる耐熱温度により、Al₂O₃・SiO₂配合
比を変え、溶融液の温度・繊維化方式の違いによ
り、繊維長25〜250mm繊維径1.5〜6μのバルク状集
合体として生産され、ガラス軟化温度約850℃、
使用温度1100〜1500℃の高温用断熱材としてペー
パーブランケツト・紡織品などの形態で利用され
ている。この発明によるモノリス型触媒保持用パツキン
は基本的には、本発明者が先に提案したバーミキ
ユライトシート即ち未膨積のバーミキユライト粒
と膨積させたバーミキユライト粒と有機弾性結合
材とからなる混合物が0.5〜1.5mm程の厚さに加圧
成形されたシートであつて、とくにバーミキユラ
イトに所定の粒径のものが選択され、そのシート
の片面もしくは両面にセラミツクフアイバーと特
殊な結合剤とからなる柔軟性に富んだシートが張
り付けられた構成に特徴があり、この構成により
苛酷な使用条件下でも保持力を失なわないよう改
良したものである。この発明の要旨とするところは、バーミキユラ
イトシートとセラミツクフアイバーシートとを張
り合わせて成る自動車排気ガス浄化器用パツキン
において、前記バーミキユライトシートは、重量
比で１：２〜１：５に混合される膨積されたバー
ミキユライト粒と粒径35メツシユ以上の未膨積バ
ーミキユライト粒及び有機弾性結合剤とからなる
混合物が所要の面密度をもつてシート状に加圧成
形されたものであり、前記セラミツクフアイバー
シートは、アルミナとシリカとからなる組成で平
均繊維長50mm以上、平均繊維径２〜4μよりなる
セラミツクフアイバーが天然ゴムとポリブデンと
を組合わせた結合剤でシート状に形成されている
自動車排気ガス浄化器用パツキンである。次にこの発明の内容を、その実施試験に基いて
詳細に説明する。この発明のパツキンが装着される自動車排気ガ
ス浄化器の使用状態は、モノリス外径94.5±1.5
mm、モノリス側壁最高温度600〜850℃、金属製外
筒内径100mm、最高温度300〜350℃で、エンジン
の振動による加速度を5G程度受ける例が代表的
な例である。モノリスと外筒とのあいだの隙間
（2.0〜3.5mm）に充填するパツキン量については、
パツキンを最小間隙寸法2.0mmに圧縮した時の面
圧がモノリス側壁の耐圧強度以上になる量では、
モノリスを破壊するおそれがあり、逆に少い場合
はモノリスの保持力が低下するので、最小隙間寸
法に圧縮したパツキンの面圧がモノリス側壁耐圧
強度になる場合を許容最大充填量としてパツキン
の試験厚さ（面密度）を決定した。前記の実車条件を満足させるべく、試験機器・
試験方法を検討し、外径93mmの石英ガラス製円筒
の外周に試験すべきモノリス用パツキン（25mm
巾）を巻き、テーパのついた擂針の底を抜いたよ
うな形状の挿入治具を介して内径100mm、肉厚６
mmの耐熱鋼製円筒内にパツキンを巻いたモノリス
を挿入して試験体とし、この試験体に蓋をして、
モノリスが排気ガスに押出される力0.7Kgとモノ
リスが10Gに加振される時に受けると推定される
力（4.2Kg）に相当するずり応力がかかるように、
耐熱鋼製外筒に錘を加えて常時載荷しておき、加
熱冷却は石英ガラス内部より外筒の温度が30分で
350℃に昇るように、供給電力量を調節し、続く
30分で50℃まで下るように、石英ガラス筒内部よ
り吹きつける圧縮空気量を調節し、この加熱冷却
を１サイクルとして繰返して行い、4.9Kgの載荷
により、石英ガラス筒と耐熱鋼製外筒との間に２
mmのずれが生じた時にリミツトスイツチが働き、
耐久した熱冷サイクルの回数を記録させ、熱冷サ
イクルを50回耐えた試料を合格とした。なお石英
ガラス円筒の熱膨張係数は0.5×10^-6／℃で、モ
ノリスの1.0×10^-6／℃より小さく、また載荷し
ている荷重も大きく、実車より同等以上の厳しい
条件とした。そこで、モノリスの耐圧強度25Kg／cm²と設定し
て許容し得る最大の充填量を求めるため、モノリ
ス保持力を要求試験条件に合わせるには、どれ程
小量のバーミキユライトで足りるか、またクツシ
ヨン性のあるセラミツクフアイバーをどれ程多量
に組合わせることができるか、下記表２に示す配
合量のセラミツクフアイバーシートおよびバーミ
キユライトシートを作成して圧縮試験を行い、モ
ノリス・外筒隙間の最小寸法である厚さ2.0mmに
おける面圧が25Kg／cm²付近の組合せを選定した。

【表】（セラミツクフアイバーシートおよびバーミキ
ユライトシートの配合は後記する実施例参照）上記の表より、モノリス用パツキンの面密度が
2.7Kg／m²程の場合は(ロ)の組合せが適当で、(イ)の
場合はバーミキユライトシートの量が少なく、モ
ノリス保持力耐久性が不足し、(ハ)の場合は耐圧強
度以上でモノリスを外筒に挿入する時モノリス側
壁が破壊されたので、以後(ロ)の面密度を持つもの
を供試体とした。次にこの発明によるパツキンの主構成材料であ
るバーミキユライト粒およびセラミツクフアイバ
ーについて、耐久試験を行つた。バーミキユライ
トは前記表１に掲げた名柄、セラミツクフアイバ
ーは平均繊維長と平均繊維径の異なるフアイバー
をシート化したものである。セラミツクフアイバ
ーのシートおよびバーミキユライトシートの面密
度は前に述べたとおりで、前述した加熱冷却の繰
返しによる耐久試験結果は表３のとおりである。

【表】

【表】バーミキユライトシート面密度 1.35Kg／m² セラミツクフアイバー〃 1.35 〃括弧内の数字は加熱冷却サイクルの回数。 ×印は、石英ガラス製円筒と外筒とのあいだに
２mmのずれが生じたもの。 ◎印は50回の加熱冷却サイクルでずれが生じな
かつたもの。総じてバーミキユライトは粒径の大きなものが
有効で、またセラミツクフアイバーの繊維長は長
くて繊維径の2.2μ付近のものが優れていることが
判明した。また、従来の技術であるバーミキユラ
イト細粒をセラミツクフアイバーに抄きこんだ場
合（配合、シート面密度同等で）をこの発明の例
と対比すると、表３の比較例に示すように、保持
力耐久性が不足し、苛酷なモノリス用パツキンの
条件下では使用できないことが認められた。この発明は前記の如くバーミキユライト層とセ
ラミツクフアイバー層とからなり、未膨張のバー
ミキユライトが膨張して弾性のある、元厚の数倍
の膨張性シートとなることが期待されているた
め、高熱面であるモノリス側壁に密着して装着さ
れている場合と、バーミキユライト層がモノリス
側壁と外筒内壁との中間にある場合とで保持力の
耐久性が異なると予想され、モノリス側壁側より
「セラミツクフアイバーシートＸKg／m²＋バーミ
キユライトシートＹKg／m²＋セラミツクフアイバ
ーシートＺKg／m²」の両密度をもつ張り合わせパ
ツキンを下記表４のように作成して耐久試験を行
つた結果、表中(A)、(B)の組合わせ時のみ、即ちバ
ーミキユライト層がモノリス側に近い時のみ保持
力耐久性があることが判明した。

【表】括弧内の数字は加熱冷却サイクルの回数。 ×印は、石英ガラス製円筒と外筒とのあいだに
２mmのずれが生じたもの。 ◎印は50回の加熱冷却サイクルでずれが生じな
かつたもの。次にセラミツクフアイバーの結合剤について述
べる。この発明のパツキンにおいては、前述した
ように、面密度1.35Kg／m²程のバーミキユライト
をシート化する必要があり、これに張り合わされ
るセラミツクフアイバーシートは、普通のセラミ
ツクフアイバーブランケツトでは嵩比重が
0.13g／cm²であるから、厚さとして10mm程で、か
つ強度が弱く、モノリス用パツキンとして取扱い
ができない。またペーパーとして手に入れるもの
は嵩比重が0.3g／cm²であるから、厚さ4.5mmで、
強度もあるが、前記バーミキユライトシートと張
り合わせると、両者合わせて６mm程になり、これ
をモノリス周囲に巻きつけると、外層であるセラ
ミツクフアイバーペーパーに伸張力がかかり、バ
ーミキユライト層の接着が剥れるか、剥れない場
合でもバーミキユライト層にしわが寄る難点が生
じた。これらの点を解決するため、種々の結合剤
例えばNBR、SBR、NR等のゴム系接着を検討
したところ、結局、NRとポリブテン（PB）を
組合わせた時のみ上記難点が生じないことを見い
出した。即ちNRとPBを下記表５のように組合
わせたものは、同じ面密度のセラミツクフアイバ
ーのシートでも、シート厚を薄くでき、モノリス
径93mmに屈曲した状態でもバーミキユライトシー
トとの接着も完全でシートとして伸び易く、また
キレツも生じない。特に下記表５の例ｇのよう
に、NRとPBを倍量に増加したものは、層が薄
く面密度が高く、かつ強度も充分あつて、シート
柔軟性があり、また良く伸びる性状を示してお
り、このようなセラミツクフアイバーシートは、
従来存在しなかつたものである。

【表】以上の実施試験データをもとに総合した結果を
下記実施例として示す。実施例平均繊維長50mm、平均繊維径2.2μのバルク状セ
ラミツクフアイバー0.6Kgを100の試験用ビータ
ーに入れてビーターエツジに荷重をかけずに５分
間叩解し、ビータの底に沈澱した未繊維分（シヨ
ツト）を除いて、0.45Kgのセラミツクフアイバー
パルプを得て、これに45gの日本石油(株)製ポリブ
テン（HV−300、動粘度100゜下32000）とレバー
テツクス社製天然ゴム（LCSレバーテツクス）
22.5g（どちらもエマルジヨン）を入れ、アルミナ
ゾル・硫酸バンドを小量入れて定着させ、このセ
ラミツクフアイバーパルプを1m×0.33mの手抄
き抄造機でシート化し、面圧10Kg／cm²で圧搾して
乾燥し、このセラミツクフアイバーシートの上
に、３号膨積バーミキユライト粒（ニチアス製品番
号Ｔ／＃5888） …0.1Kg 北米モンタナ産バーミキユライト粒＃２
…0.35Kg NR（LCSレバーテツクス60％固形分）
…0.012Kg 水 …0.070 を混合した半湿潤粉末を約５mm厚に散布し、ロー
ラーで均一に伸展し、その上に0.2Kg／m²の面密
度を持つ前記セラミツクフアイバーシートと同配
合の薄シートをかぶせて組合わせたシート両面を
金網ではさみ、面圧15Kg／cm²で加圧し、バーミキ
ユライト半湿潤粉末層からにじみ出したゴムラテ
ツクスでシート間を接合し、この積層シートを乾
燥させ、25mm巾に載断してテープ状とし、モノリ
ス用パツキンとした。前記パツキンをモノリスに見立てた外径93mmの
石英ガラス製円筒の外周に巻き、テーパのついた
擂針の底を抜いたような形状の挿入治具を介して
内径100mm、肉厚６mmの耐熱鋼製円筒内にパツキ
ンを巻いたモノリスを挿入して試験体とし、この
試験体に蓋をして、実際のモノリスが排気ガスに
押出される力0.7Kgとモノリスが10Gに加振され
る時に受けると推定される力（4.2Kg）に相当す
るずり応力がかかるように、耐熱鋼製外筒に錘
4.9Kgを加えて常時載荷しておき、加熱冷却は石
英ガラス内部より外筒の温度が30分で350℃にな
るように、供給電力量を調節し、続く30分で50℃
まで下るように、石英ガラス筒内部より吹きつけ
る圧縮空気量を調節し、この加熱冷却を１サイク
ルとし、50サイクル繰返して行つた後も、石英ガ
ラス筒と外筒との間でずれがなく、合格であつ
た。また前記パツキンをモノリスに前後２テープ
で充填した浄化器を自動車エンジンに組みこみ、
エンジンフル回転200時間の台上試験を行つても、
モノリスに損傷が認められず、またモノリスがず
れた跡も認められず良好であつた。以上に述べたように、この発明によれば、バー
ミキユライトシートとセラミツクフアイバーシー
トとを張り合わせて成る自動車排気ガス浄化器用
パツキンにおいて、前記バーミキユライトシート
は、重量比で１：２〜１：５に混合される膨積さ
せたバーミキユライト粒と粒径35メツシユ以上の
未膨積バーミキユライト粒及び有機弾性結合剤と
からなる混合物が所要の面密度をもつシート状に
加圧成形されたものであり、前記セラミツクフア
イバーシートは、アルミナとシリカとからなる組
成で平均繊維長50mm以上、平均繊維径２〜4μよ
りなるセラミツクフアイバーが天然ゴムとポリブ
デンとを組合わせた結合剤でシート状に形成され
ているものであるから、自動車排気ガス浄化器の
モノリスと外筒との隙間に挿入配置するパツキン
として、狭い隙間に容易に挿入させることができ
排気ガス浄化時の高温・エンジン停止時の常温間
の熱冷サイクルによる隙間寸法熱膨張繰返し変化
にも長期間にわたつて適正なモノリス保持力が維
持されるパツキンが得られるものであつて、それ
により自動車排気ガス浄化器の耐久性向上に大き
く寄与することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

１バーミキユライトシートとセラミツクフアイ
バーシートとを張り合わせて成る自動車排気ガス
浄化器用パツキンにおいて、前記バーミキユライ
トシートは、重量比で１：２〜１：５に混合され
る膨積されたバーミキユライト粒と粒径35メツシ
ユ以上の未膨積バーミキユライト粒及び有機弾性
結合剤とからなる混合物が所要の面密度をもつて
シート状に加圧成形されたものであり、前記セラ
ミツクフアイバーシートは、アルミナとシリカと
からなる組成で平均繊維長50mm以上、平均繊維径
２〜4μよりなるセラミツクフアイバーが天然ゴ
ムとポリブデンとを組合わせた結合剤でシート状
に形成されていることを特徴とする自動車排気ガ
ス浄化器用パツキン。