JPH0966208A - 不織布製フィルタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ろ過機能が主として深層ろ過により発揮さ
れ、フィルタの大型化を伴わずにフィルタの再生周期を
長くでき、繊維が損傷した場合も当該繊維の飛散を防止
できる不織布製フィルタを提供する。 【解決手段】 フィルタを構成するセラミック繊維１は
相互に絡み合うとともに、交差部において結合物質３に
より結合されている。フィルタはセラミック繊維１の体
積含有率が３％以下となるように構成されている。結合
物質３による結合は、ディーゼルエンジンの排ガスフィ
ルタとして使用した際、フィルタの形態保持が可能な強
度を有する程度の密度で形成されている。このフィルタ
はセラミック繊維１が交差部において結合物質３により
結合されて三次元網目構造を構成する。そして、このフ
ィルタを使用してディーゼルエンジンの排ガスの浄化を
行うと、深層ろ過によりパティキュレートが捕集され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は不織布製フィルタ及
びその製造方法に係り、詳しくはディーゼルエンジン等
の排ガスの浄化に好適な不織布製フィルタ及びその製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンの排ガス浄化用のシ
ステムとして、排ガス中のパティキュレート（カーボン
微粒子とエンジンオイル、未燃燃料の混合物）をフィル
タで捕集し、捕集物を燃焼除去するものが提案されてい
る。このフィルタとして、セラミックス製のハニカムフ
ィルタが提案されている。ハニカムフィルタは各セルの
一端が閉塞され、排ガスはハニカムフィルタの上流側が
開口された各セル内に入り、ハニカムの壁のミクロポア
（細孔）を通過して隣のセルへ入り、下流側の開口から
出ていく。このとき排ガス中のパティキュレートがセル
の壁に捕集され、捕集されたパティキュレートはヒータ
等により加熱されて燃焼除去される。この際、燃焼条件
によっては熱応力によるセラミックスの割れが発生する
場合があり、燃焼条件の管理が難しいという問題があ
る。

【０００３】この問題点を解消するため、セラミック繊
維製のマットを筒状にしたフィルタが検討されている。
この場合、捕集されたパティキュレートを燃焼除去する
際の熱応力によるフィルタの割れの問題は解消される。
しかし、このマットの場合はセラミック繊維同士を積極
的に結合する処理は成されておらず、単に繊維同士の絡
み合いによって形態が保持されている。そのため、セラ
ミック繊維が排ガスの流れによる力によって折れ、それ
がガス流に乗って飛散するという問題がある。この問題
を解消するフィルタとして、特開平７−１３２２０９号
公報には、セラミックファイバー集合体を形成するセラ
ミックファイバーが微小間隙を形成するように交差して
おり、前記交差点において有機金属前駆体より得られる
金属酸化物により結着されているものが提案されてい
る。ムライト組成のセラミックファイバー（嵩密度０．
１ｇ／ｃｍ³ ）を処理して得たセラミックファイバー集
合体は、嵩比重（嵩密度）０．５７〜０．９ｇ／ｃ
ｍ³ 、気孔率８１〜７０％である。

【０００４】また、National Technical Report Vol.34
No.4 Aug. p.35 〜42(1988)には、セラミック繊維と粘
土を適当に配合した繊維セラミックフィルタが提案され
ている。このフィルタは、セラミック繊維と粘土を適当
に配合し、分散・凝集タンク内で水に分散した後、凝集
剤を加えて粘土と繊維を凝集させ、繊維・粘土／水＝１
wt％以下に薄めた後、抄紙機でシートに形成し、そのシ
ートを乾燥、焼成して得られる。繊維セラミックの嵩密
度は０．２〜０．５ｇ／ｃｍ³ 、気孔率９１〜７８％で
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ディーゼルエンジンの
排ガスフィルタでは、フィルタがパティキュレートを捕
集した後もエンジンの背圧上昇が少ないことが要求され
る。このような要求を満足させるには、排ガスフィルタ
のろ過機能が、主としてフィルタの表面近傍のみで発揮
される表層ろ過ではなく、フィルタの内部まで使用され
る深層ろ過によるものが望ましい。フィルタの気孔率が
９３％程度までは表層ろ過が主となり、気孔率が９７％
以上になると深層ろ過が主となる。

【０００６】従来の排ガスフィルタとして使用されるセ
ラミック繊維製の不織布は気孔率が９０〜９７％程度で
あるが、単に繊維同士の絡み合いによって形態が保持さ
れているため、排ガスフィルタとして使用した場合、排
ガスの作用により圧縮された状態となる。従って、形態
保持が完全であれば深層ろ過によるろ過機能を発揮する
気孔率が９７％のものを使用しても、圧縮された状態で
は気孔率は表層ろ過が主となる９３％程度となり、捕集
されたパティキュレートの除去を必要とする値まで背圧
が上昇するまでに捕集できるパティキュレートの量を多
くできない。

【０００７】また、セラミック繊維と粘土を適当に配合
して形成した繊維セラミックスや、セラミック繊維の飛
散を防止する処置が施された特開平７−１３２２０９号
公報に開示された排ガスフィルタは形態保持機能はある
が、気孔率が９１〜７０％と小さく、いずれもろ過機能
は表層ろ過を主としたものとなる。従って、排ガスフィ
ルタの再生周期を長くするためにはフィルタの表面積を
大きくする必要があり、フィルタ装置が大型化する。

【０００８】本発明は前記の問題点に鑑みてなされたも
のであって、その目的はろ過機能が主として深層ろ過に
より発揮され、フィルタの大型化を伴わずにフィルタの
再生周期を長くでき、繊維が損傷した場合も当該繊維の
飛散を防止できる不織布製フィルタ及びその製造方法を
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明においては、セラミック繊維
からなる不織布製フィルタであって、セラミック繊維の
体積含有率が３％以下で、かつセラミック繊維の交差部
が無機物により結合されている。

【００１０】請求項２に記載の発明においては、セラミ
ック繊維と燃焼又は溶解除去可能な増量材とを所定の割
合で混合し、次に少なくともセラミック繊維の交差部を
無機物製の結合物質により結合し、結合と平行してある
いは結合後に前記増量材を除去するようにした。

【００１１】また、請求項３に記載の発明においては、
前記増量材は可燃性の繊維であり、セラミック繊維の交
差部が無機物製の結合物質により結合された後、燃焼除
去される。

【００１２】請求項１に記載の発明では、不織布製フィ
ルタを構成するセラミック繊維の交差部が無機物により
結合されているため、排ガスフィルタとして使用した場
合、排ガスの圧力が作用してもフィルタは初期の形態が
保持される。フィルタはセラミック繊維の体積含有率が
３％以下、即ち気孔率が９７％以上であり、初期の形態
が保持されることにより、パティキュレートはフィルタ
の気孔率が９７％以上の状態で深層ろ過によりフィルタ
に捕集される。従って、フィルタは表面のみでなく、そ
の厚さ方向全体に分散された捕集空間でパティキュレー
トを捕捉するため、フィルタの再生即ち捕集されたパテ
ィキュレートの除去を必要とする値まで背圧が上昇する
までに捕集できるパティキュレートの量が多くなる。

【００１３】請求項２に記載の製造方法では、セラミッ
ク繊維と燃焼又は溶解除去可能な増量材とが所定の割合
で混合される。次に少なくともセラミック繊維の交差部
を無機物製の結合物質により結合し、結合と平行してあ
るいは結合後に前記増量材が除去される。その結果、セ
ラミック繊維はその交差部が無機物製の結合物質により
結合されて三次元網目構造となる。セラミック繊維のみ
を単に堆積させるとともにニードルパンチ等により繊維
相互を絡ませて不織布を形成した場合は、その気孔率の
最大値が９７％程度、即ちセラミック繊維の体積含有率
に換算すると３％程度となる。しかし、この製造方法で
はセラミック繊維の間に増量材が存在するため、増量材
が除去されたときにセラミック繊維相互間の間隙を大き
くすることができ、増量材の量により気孔率の最大値を
９７％より大きく、即ちセラミック繊維の体積含有率を
３％より小さくできる。

【００１４】請求項３に記載の発明では、セラミック繊
維と可燃性の繊維とが混合されて不織布が形成され、そ
の状態で無機物製の結合物質によりセラミック繊維の交
差部が結合される。その後、不織布が高温状態に置か
れ、可燃性の繊維が燃焼除去される。セラミック繊維は
燃焼しないため、可燃性の繊維が燃焼除去された後のフ
ィルタの嵩密度、即ちセラミック繊維の体積含有率が小
さくなる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図３に従って説明する。図１（ａ）はセラミック繊維
１と可燃性の繊維（例えば、ポリエステル繊維）２とが
混合された不織布の一部を示す模式図であり、図１
（ｂ）は、（ａ）の不織布から得られた不織布製フィル
タの一部を示す模式図である。

【００１６】フィルタを構成するセラミック繊維１は相
互に絡み合うとともに、交差部において結合物質３によ
り結合されている。結合物質３としては無機バインダの
焼結物、金属酸化物、メッキ層などがある。そして、フ
ィルタはセラミック繊維１の体積含有率が３％以下（例
えば、１％）となるように構成されている。この値は気
孔率に換算すると９７％以上（例えば、９９％）とな
る。また、結合物質３による結合は、ディーゼルエンジ
ンの排ガスフィルタとして使用した際、フィルタ４の形
態保持が可能な強度（０．５ｋｇ／ｃｍ² ）を有する程
度の密度で形成されている。なお、気孔率（％）とはフ
ィルタの体積から繊維（結合物質３等の固形物を含む）
の体積を差し引いた値をフィルタの体積で割った値に１
００を掛けたものであり、１００から気孔率を差し引た
値が繊維の体積含有率（％）となる。

【００１７】このフィルタを使用してディーゼルエンジ
ンの排ガス中のパティキュレートを捕集した結果、図２
（ａ）に示すように、フィルタ４の厚さ方向の大部分が
捕集層５として機能し、パティキュレートが厚さ方向に
幅広く分布して捕集されるのが確認された。即ち、気孔
率を９９％と大きくしても、セラミック繊維１が交差部
において結合物質３により結合されて、三次元網目構造
を構成するため、排ガスの圧力でフィルタ４が変形せ
ず、深層ろ過によりパティキュレートが捕集されること
が確認された。

【００１８】比較のため気孔率９３％となるように調製
した不織布製フィルタの場合は、図２（ｂ）に示すよう
に、フィルタ４の表面付近が捕集層５として機能し、大
部分のパティキュレートがフィルタ４の表面で捕集され
るのが確認された。

【００１９】次に前記の不織布製フィルタの製造方法を
説明する。図３（ａ）に示すように、セラミック繊維
（比重：２．８）１と、増量材としての可燃性の繊維
（この実施の形態ではポリエステル繊維（比重：０．９
３））２とを金網６上に交互に複数層ずつマット状に敷
き詰める。次に図３（ｂ）に示すように、その上方に配
置した多数のノズル７から圧縮空気を噴射して、セラミ
ック繊維及びポリエステル繊維を互いに絡ませてマット
８を形成する。図３（ｃ）に示すように、セラミック繊
維及びポリエステル繊維を絡合させると、単に積層した
状態よりも嵩が小さくなる。なお、ニードルパンチによ
りセラミック繊維及びポリエステル繊維を互いに絡ませ
てマット化してもよい。

【００２０】次にこのマットに無機バインダを噴霧す
る。噴霧は単にマットの表面のみに行うのではなく、噴
霧ノズルをマットの内部に侵入させた状態でも行い、マ
ットを構成するセラミック繊維の交差部に均等に無機バ
インダを付着させる。次に加熱により無機バインダを硬
化させて結合物質３とする。最後にマット全体を８００
°Ｃ程度に加熱してポリエステル繊維を燃焼除去する
と、セラミック繊維１が交差部において結合物質３によ
り結合された三次元網目構造の不織布製フィルタが得ら
れる。気孔率はセラミック繊維とポリエステル繊維の割
合とマット形成処理の程度により変更できる。ポリエス
テル繊維の量を増すか、あるいはマット形成処理を少な
くすると気孔率を高くすることができる。

【００２１】セラミック繊維をマット状に堆積させると
ともに、形態保持機能を持たせるために圧縮空気の噴射
やニードルパンチでセラミック繊維相互を絡合させた場
合は、気孔率は９０〜９７％となる。しかし、この実施
の形態の製造方法では、ポリエステル繊維が最終的に燃
焼除去されるため、セラミック繊維とポリエステル繊維
とが絡合された状態において気孔率が９０〜９７％であ
っても、最終製品である不織布製フィルタの気孔率を９
７％以上にすることができる。

【００２２】この実施の形態では前記の効果の他に以下
の効果を有する。 （イ） 不織布製フィルタは、ディーゼルエンジンの排
ガスフィルタとして使用した際、フィルタ４の形態保持
が可能な強度（０．５ｋｇ／ｃｍ² ）を有する程度の密
度で結合物質３による結合が形成されている。従って、
ディーゼルエンジンの排ガスフィルタとして使用した場
合、フィルタ４の気孔率は、深層ろ過によりパティキュ
レートのろ過が行われる値に保持され、エンジンの背圧
がパティキュレートの燃焼除去を必要とする値に達する
までの捕集量が多くなる。その結果、フィルタの大型化
を伴わずにフィルタの再生周期を長くできる。

【００２３】（ロ） セラミック繊維１の交差部が結合
物質３により結合されているため、繊維が損傷した場合
も当該繊維の飛散を防止できる。 （ハ） 不織布中のセラミック繊維１の体積含有率の調
整を、セラミック繊維１と混合する可燃性の繊維２の量
及びマット形成処理の程度を変更することにより簡単に
できる。

【００２４】（ニ） セラミック繊維１と可燃性の繊維
２との混合が乾燥状態で行われるため、マットが形成さ
れた状態で各繊維間に存在する空隙が占める割合が、湿
式でマットを形成する場合に比較して大きくなり、気孔
率の大きな最終製品を得易くなる。また、湿式でマット
を形成する場合は乾燥工程を必要とするが、乾式のため
乾燥工程が不要となり、製造工程が簡単になり、量産に
適する。

【００２５】なお、本発明は前記実施の形態に限定され
るものではなく、例えば次のように具体化してもよい。 （１） 前記実施の形態において、増量材として可燃性
の繊維２に代えて可燃性の粉体や粒子を使用してもよ
い。この場合も、セラミック繊維１の間に可燃性の粉体
や粒子が存在する状態でセラミック繊維相互が圧縮空気
の噴射やニードルパンチにより交錯されてマットが形成
されると、セラミック繊維１間に可燃性の粉体や粒子が
混合された状態となる。その結果、前記実施の形態の場
合と同様に最終製品の気孔率を９７％以上とすることが
できる。

【００２６】（２） 可燃性の繊維、粉体あるいは粒子
を増量材として使用する代わりに、水溶性でかつ耐熱性
を有する粒子（例えば、塩化ナトリウム等の水溶性の無
機塩）を増量材として使用してもよい。この場合、マッ
ト形成後に増量材の融点より低い温度で無機バインダー
の硬化処理を行ってセラミック繊維の交差部を結合物質
３で結合する。その後、マットに水を掛けるか、水槽を
通過させることにより増量材を除去する。増量材を燃焼
除去する場合と異なり、増量材を回収してその再使用が
可能となる。

【００２７】（３） 結合物質３の原料として無機バイ
ンダーを使用する代わりに、有機金属前駆体を使用して
もよい。例えば、アルミニウムイソプロポキシド及びマ
グネシウムイソプロポキシドのベンゼン溶液を噴霧し
て、セラミック繊維１の交差部に付着させ、乾燥後、１
２００°Ｃ以上で焼成して、金属酸化物からなる結合物
質３とする。この場合、結合物質３の生成と可燃性の繊
維２の燃焼除去とが平行して行われる。

【００２８】（４） 前記実施の形態においてマットの
形成を乾式ではなく湿式で行ってもよい。例えば、セラ
ミック繊維１と可燃性の繊維２とを無機バインダーを含
有する水溶液内で混合し、その溶液を抄紙機に供給して
マットを抄造する。無機バインダーは可燃性の繊維２よ
りセラミック繊維１に対して親和性があるため、セラミ
ック繊維１同士の交差部には無機バインダーがより多く
付着した状態となる。次にマットを乾燥するとともに無
機バインダーを固化させて結合物質３とする。次にマッ
トを高温（例えば、８００°Ｃ以上）下に置いて可燃性
の繊維２を燃焼除去する。無機バインダーは可燃性の繊
維２に対して親和性が低いため、可燃性の繊維２全体が
無機バインダーに被覆されることはない。従って、可燃
性の繊維２は完全に燃焼除去される。

【００２９】（５） 湿式で不織布を形成する場合、結
合物質３をメッキで形成する。例えば、セラミック繊維
１と可燃性の繊維２とを無機バインダーを含まない水溶
液内で混合し、その溶液を抄紙機に供給してマットを抄
造する。その後、マットを無電解メッキ浴に浸漬してセ
ラミック繊維１の交差部にメッキを施して結合物質３を
形成する。メッキは可燃性の繊維２の表面にも施される
が、可燃性の繊維２の表面は凹凸が少ないため、セラミ
ック繊維１の表面と異なりメッキの付着強度が弱く、し
かもメッキが繊維全体を被覆することがない。従って、
乾燥後に加熱により可燃性の繊維２は確実に除去され
る。

【００３０】（６） ディーゼルエンジンの排ガス処理
用に限らず、各種流体中の不純物の除去フィルタに適用
してもよい。 （７） 可燃性の繊維としてはポリエステル繊維に限ら
ず他の合成繊維フィラメント（例えば、ポリエチレン繊
維、ポリスチレン繊維、ポリプロピレン繊維等）を使用
してもよい。

【００３１】前記実施の形態及び変更例から把握できる
請求項記載以外の発明について、以下にその効果ととも
に記載する。 （１） 請求項１に記載の発明において、セラミック繊
維の体積含有率が１％以下で、０．５ｋｇ／ｃｍ² の圧
力でも形態保持可能な強度を有する不織布製フィルタ。
この場合、ディーゼルエンジンのパティキュレート捕集
用フィルタとしてより適している。

【００３２】（２） 請求項２及び請求項３に記載の発
明において、セラミック繊維と増量材との混合を乾燥状
態で行う。この場合、湿式でマットを形成する場合に比
較して、気孔率の大きな最終製品を得易くなる。また、
湿式でマットを形成する場合と異なって乾燥工程が不要
となり、製造工程が簡単になって量産に適する。

【００３３】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１に記載の発
明によれば、ろ過機能が主として深層ろ過により発揮さ
れ、フィルタの大型化を伴わずにフィルタの再生周期を
長くでき、繊維が損傷した場合も当該繊維の飛散を防止
できる。

【００３４】請求項２及び請求項３に記載の発明によれ
ば、請求項１に記載の不織布製フィルタを容易に製造で
きる。請求項３に記載の発明によれば、セラミック繊維
と増量材との混合が行い易く、乾式によるセラミック繊
維と増量材との混合によりセラミック繊維相互の間隔を
大きくすることが容易になるとともに、増量材の除去も
乾式で行われ、湿式に比較して製造が簡単となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 （ａ）は製造途中の不織布の一部を示す模式
図、（ｂ）は完成品の不織布の一部を示す模式図。

【図２】 （ａ）は深層ろ過による捕集機能を示すフィ
ルタの模式図、（ｂ）は表層ろ過による捕集機能を示す
フィルタの模式図。

【図３】 フィルタ製造工程の模式図。

【符号の説明】

１…セラミック繊維、２…可燃性の繊維、３…結合物
質、４…フィルタ、５…捕集層。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミック繊維からなる不織布製フィル
   タであって、セラミック繊維の体積含有率が３％以下
   で、かつセラミック繊維の交差部が無機物により結合さ
   れている不織布製フィルタ。
2. 【請求項２】 セラミック繊維と燃焼又は溶解除去可能
   な増量材とを所定の割合で混合し、次に少なくともセラ
   ミック繊維の交差部を無機物製の結合物質により結合
   し、結合と平行してあるいは結合後に前記増量材を除去
   する不織布製フィルタの製造方法。
3. 【請求項３】 前記増量材は可燃性の繊維であり、セラ
   ミック繊維の交差部が無機物製の結合物質により結合さ
   れた後、燃焼除去される請求項２に記載の不織布製フィ
   ルタの製造方法。