KR101009886B1 - 오염 제어 장치 및 오염 제어 요소를 장착하기 위한 매트 - Google Patents

오염 제어 장치 및 오염 제어 요소를 장착하기 위한 매트 Download PDF

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Abstract

장기간 동안 800℃를 초과하는 고온에 노출되더라도 탄성을 약화시키지 않고 지지 유지 강도를 유지하는, 오염 제어 요소(예컨대, 촉매 컨버터 및 디젤 미립자 필터 등)를 장착하기 위한 매트와, 이러한 매트를 포함하는 오염 제어 장치가 제공된다. 매트는 보조 결합 수단을 사용하지 않고 단일 시트로 형성되는, 적어도 두 개의 층, 알루미나 섬유 층 및 세라믹 섬유 층을 포함한다.
오염 제어 요소, 촉매 컨버터, 디젤 미립자 필터, 매트, 오염 제어 장치, 알루미나 섬유 층, 세라믹 섬유 층

Description

오염 제어 장치 및 오염 제어 요소를 장착하기 위한 매트{POLLUTION CONTROL DEVICE AND MAT FOR MOUNTING A POLLUTION CONTROL ELEMENT}
본 발명은 오염 제어 장치(예컨대, 촉매 컨버터, 디젤 미립자 필터 등) 및 이러한 장치에 오염 제어 요소를 장착하기 위한 매트에 관한 것으로서, 특히 배기 가스 정화 장치에 사용되는 촉매 컨버터, 보다 상세하게는 촉매 컨버터 하우징에 촉매 지지체를 장착하기 위한 매트에 관한 것이다.
자동차용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치에 사용되는 촉매 컨버터는 통상 관통 구멍이 벌집 형태로 금속 하우징에 배열된 소위 "벌집형 구조체"를 갖는 모노리스(monolith)로 이루어진 촉매 지지체를 포함한다. 이러한 모노리스에는 귀금속과 같은 촉매가 설치되고, 일산화탄소 및 탄화수소를 산화시키고 질소 산화물을 환원시킴으로써 배기 가스를 정화시킨다. 이러한 모노리스 촉매 지지체는 금속 또는 세라믹 재료로 형성된다. 촉매 지지체를 금속 하우징에 수용하기 위해서, 알루미나 실리카계 섬유 또는 다른 세라믹 섬유로 이루어진, 촉매 지지체를 장착하기 위한 매트는 금속 하우징과 촉매 지지체 사이에 배열되고, 촉매 지지체는 파손으로부터 유지 및 보호된다.
그러나, 세라믹 촉매 지지체의 열팽창계수는 금속 하우징의 열팽창계수보다 작은 통상 거의 10승(power of ten) 만큼 작다. 촉매 컨버터가 통상 수백도의 고온에 노출되더라도, 이러한 고온 하에서, 금속 하우징의 열팽창은 금속 하우징과 세라믹 촉매 지지체 사이의 열팽창계수의 차이로 인해 세라믹 촉매 지지체의 열팽창을 초과한다. 그 결과 금속 하우징과 촉매 지지체 사이의 간극이 넓어져서, 촉매 지지체의 보유 강도가 감소되고, 촉매 지지체에서 덜그덕 거림과 같은 문제점이 발생한다.
따라서, 금속 하우징과 촉매 지지체 사이의 간극이 넓어지게 되는 경우, 촉매 지지체를 장착하기 위한 매트에 팽창제를 함유함으로써, 촉매 지지체의 보유 강도의 감소를 방지하는 것이 제안된 바 있다. 예를 들어, 미심사 일본 특허 공개 제2002-514283호(제2면, 제16 내지 제18면)를 참조하기로 한다. 즉, 이 특허 공보에서는, 가요성 팽창 층과, 팽창 재료를 함유한 가요성 팽창 층으로 형성된 단일 시트가 금속 하우징과 촉매 지지체 사이에 배열된다.
그러나, 최근 몇년 동안에, 증가된 자동차용 연료 소비와 더욱 엄격해진 방출물 제어에 대한 규제로 인해, 엔진으로부터의 배기 가스 자체의 고온과 정화 성능을 향상시키도록 엔진 바로 뒤에 촉매 장치를 배치함으로써 배기 가스가 가능한 고온으로 처리되는 시스템의 사용으로 인해 자동차에 사용되는 촉매 장치는 고온에 노출된다. 예를 들어, 가솔린 엔진을 사용하는 차량의 소정의 구동 조건하에서 배기 가스의 온도가 1000℃를 초과하는 것은 드문 경우가 아닌 것으로 알려져 있다.
그러나, 미심사 일본 특허 공개 제2002-514283호에 사용된 질석(vermiculite), 팽창 그라파이트 또는 팽창 소듐 실리케이트와 같은 팽창 재료는, 800 내지 1000℃의 온도 및 강도 면에도 심각한 감소하에 노출될 경우, 저하된다. 열적 저하에 덧붙여, 기계적 쇼크가 촉매 지지체의 보유 강도를 감소시킨다. 이 특허 공보에서, 팽창제의 사용이 금속 하우징과 촉매 지지체 사이의 간극의 변화를 효과적으로 수용할 수 있다 하더라도, 800℃를 초과하는 고온에서의 내구성에 내한 논의는 없다.
본 발명에 따르면, 장기간 동안 800℃를 초과하는 온도에 노출되더라도 탄성을 약화시키지 않고 지지 보유 강도를 유지하는, 촉매 지지체와 같은, 오염 제어 요소를 장착하기 위한 매트가 제공될 수 있다.
상기 문제점들 중 하나 이상을 해결하기 위해서, 본 발명은 오염 제어 요소(예컨대, 촉매 지지체, 디젤 미립자 필터 등)를 장착하기 위한 매트와, 이러한 매트를 포함하는 오염 제어 장치를 제공할 수 있고, 여기서 매트는 알루미나 섬유 층 및 세라믹 섬유 층으로 이루어진 적어도 두 개의 층을 포함한다. 이들 층은 보조 결합 수단을 사용하지 않고 단일 시트의 형태로 제공될 수 있다.
도1은 촉매 정화 장치의 분해 사시도이다.
도2는 본 발명의 촉매 지지체를 장착하기 위한 매트의 구성을 도시하는 단면도이다.
도3은 샘플3의 촉매 지지체를 장착하기 위한 매트의 베어링 압력의 시간에 걸친 변화를 도시하는 그래프이다.
도4는 예1 및 예2와 비교예1의 샘플의 10년 후의 베어링 압력 추정값을 도시하는 그래프이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명이 설명된다. 도1은 통상의 촉매 컨버터의 분해 사시도이다. 촉매 컨버터(10)는, 관통 구멍이 금속 하우징(11)에 벌집 형태로 배열되는 소위 "벌집형 구조체"를 갖는 모노리스로 이루어진 촉매 지지체(20)를 포함한다. 이러한 모노리스에는 이산화탄소와 탄화수소를 산화시키고 질소 산화물을 환원시킴으로써 배기 가스를 정화시키는 촉매가 설치된다. 촉매 지지체(20)는 통상 세라믹 재료로 형성되고, 자주 깨지기가 매우 쉽다. 따라서, 촉매 지지체를 장착하기 위한 매트(3)는 촉매 지지체(20)를 파손으로부터 보호하도록 금속 하우징(11)과 촉매 지지체(20) 사이에 배열된다.
도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 촉매 지지체를 장착하기 위한 매트(30)는 알루미나 섬유 층(31)과 세라믹 섬유 층(32)으로 이루어진 적어도 두 개의 층을 포함하고, 이들 층은 보조 결합 수단을 사용하지 않고 단일 시트를 형성한다.
알루미나 섬유 층(31)은 전구체 섬유조직화 공정에 의해 준비된 알루미나 섬유로 형성되고, 세라믹 섬유 층(32)은 멜트블로잉(melt blowing) 또는 멜트스패닝(melt spanning)이 뒤따르는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 및 다른 산화물의 혼합물을 용융시킴으로써 준비된 세라믹 섬유로 형성된다. 이들 섬유는 80-95중량%의 섬유와, 5-20중량%의 결합제로 형성된다.
여기서, 본 명세서에서는, 알루미나 섬유 층(31)을 구성하는 알루미나 섬유 층은 알루미나 50중량% 이상, 양호하게는 알루미나 70중량%를 함유한 결정 섬유(crystalline fiber)이다. 한편, 세라믹 섬유 층(32)을 구성하는 세라믹 섬유는 실리카 45중량% 이상을 함유하는 RCF(내화 세라믹 섬유)이다. 알루미나와 실리카 외에 다른 산화물의 예로는 지르코니아(ZrO2), 마그네시아(MgO), 칼시아(CaO), 산화크롬(Cr2O3), 산화이트륨(Y2O3) 및 산화란탄(La2O3)을 포함한다.
세라믹 섬유 층(32)을 구성하는 세라믹 섬유는 양호하게는 어닐링된다. 어닐링은 탄성을 향상시키고, 매트의 보유 강도 및 내구성을 향상시킨다. 어닐링은 700-1200℃, 양호하게는 950-1100℃의 온도에서 수행되고, 어닐링 시간은 양호하게는 0.5 내지 2시간이다.
아크릴 수지, 스티렌-부타디엔, 비닐 피리딘, 아크릴로니트릴, 비닐 클로라이드 또는 폴리우레탄 등이 결합제로 사용된다. 또한, 무기 결합제(예컨대, 유리 입자, 탄산칼슘, 미카 또는 마그네슘 산화수소) 또는 가요성 열경화성 수지(예컨대, 불포화 폴리에스테르, 에폭시 수지 또는 폴리비닐 에스테르)가 또한 알루미나 섬유 또는 세라믹 섬유 및 결합제에 부가하여 함유될 수도 있다.
본 발명의 촉매 지지체를 장착하기 위한 매트는 알루미나 섬유 층의 상부면에 세라믹 섬유 층을 동시에 형성하는 것과 같은 보조 결합 수단을 사용하지 않고 단일 시트를 형성함으로써 형성된다. 이러한 "보조 결합 수단"은 수지, 접착제, 접착 테이프, 스티치 또는 스테이플과 같은 외부에 사용되는 접착 수단을 지칭한 다.
다층 라미네이트로 구성된 종래 기술의 촉매 지지체를 장착하기 위한 매트는 접착제, 접착 필름, 스티치 또는 스테이플을 사용하여 층을 상호 접착시키는 것이 뒤따르는 각각의 층을 우선 개별적으로 형성함으로써 형성되었다. 그러나, 개별 층이 접착제 또는 접착 필름으로 접착되는 다층 매트는 촉매 컨버터에 사용되는 경우 통상 원하지 않는 연기 또는 냄새를 발생시킬 수도 있다. 또한, 이러한 접착제 또는 접착 필름은 매트의 열 저항에 영향을 미친다. 또한, 이러한 매트의 제조 비용은 각각의 층을 상호 접착시키는 비용뿐만 아니라 사용되는 접착제 또는 접착 필름의 비용으로 인해 증가된다. 한편, 층이 스티치 등으로 기계적으로 접착되는 매트의 경우에, 매트의 기계적 강도는 스티치가 매트를 꿰뚫는 부위에서 감소되고, 부가의 단계 및 재료가 필요하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은, 이러한 보조 결합 수단을 사용하지 않고 단일 시트가 알루미나 섬유 층과 세라믹 섬유 층으로 형성되기 때문에, 상기 문제점을 없앤다.
보다 상세하게는, 본 발명의 촉매 지지체를 장착하기 위한 매트는 알루미나 섬유를 함유하는 슬러리와, 세라믹 섬유를 함유하는 슬러리를 준비하고(이들 슬러리의 고체부는 양호하게는 5중량% 이하임), 압연기의 스크린 또는 와이어 등에 제1 슬러리를 접착시키고, 중력 및/또는 진공에 의해 제1 슬러리를 부분적으로 탈수시킴으로써 하부층을 형성하고, 부분적으로 탈수된 하부층에 제2 슬러리를 접착시킨 다음에, 가열 롤러로 완전히 건조시키는 것이 뒤따르는 양 층의 밀도를 증가시키도록 가압 롤러를 사용하여 가압하는 것에 의해 형성된다. 알루미나 섬유 층 또는 세라믹 섬유 층이 하부층으로서 초기에 형성될 수도 있지만, 이는 양호하게는 가장 두꺼운 층이 먼저 형성되는 하부층이 되도록 건조하는 동안이다.
이러한 방식으로, 제2 슬러리의 탈수가 뒤따르는 제1 슬러리를 부분적으로 탈수시킴으로써 형성된 층 상에 제2 슬러리를 접착시키는 단계로 인해, 양 부품은 두 개의 층 사이의 접촉면에서 특히 부분적으로 혼합된다. 그 결과, 두 개의 층은 접착제와 같은 보조 결합 수단을 사용하지 않고 영구적이고 효과적으로 접착되어, 일체형 시트의 형성을 허용한다.
본 발명의 촉매 지지체를 장착하기 위한 매트에서, 알루미나 섬유 층과 세라믹 섬유 층 사이의 중량비는 양호하게는 3:11 내지 11:3이다. 이들 알루미나 섬유 층과 세라믹 섬유 층으로 이루어진 이층 구조에 덧붙여, 본 발명의 촉매 지지체를 장착하기 위한 매트는 이들 재료 또는 다른 재료로 구성된 다른 층을 포함하는 삼층 이상의 구조를 채용할 수도 있다. 그러나, 이러한 경우에, 최외곽 층 중 적어도 하나는 알루미나 섬유 층이어야만 한다.
도1에 도시된 바와 같이, 촉매 정화 장치는 알루미나 섬유 층이 촉매 지지체와 접촉한 다음, 이를 금속 하우징에 내장하는 방식으로 촉매 지지체 주위에 얻어지는 촉매 지지체를 장착하기 위한 매트를 감쌈으로써 완성될 수 있다.
예
예 1
알루미나 72중량%와, 실리카 28중량%로 이루어진 알루미나 섬유 92중량%는 제1 슬러리를 제공하도록 물의 첨가가 뒤따르는 결합제(아크릴 라텍스, 니폰 제온: Nippore LX-816) 8중량%와 혼합되었다. 또한, 용융에 의해 형성되고, 알루미나 46중량%와, 실리카 53중량%로 이루어진 실리카 섬유 92중량%는 제2 슬러리를 준비하도록 물의 첨가가 뒤따르는 상기 결합제 8중량%와 혼합되었다. 표1에 도시된 알루미나 섬유 층과 세라믹 섬유 층 사이의 중량 커패시티 비를 갖는 촉매 지지체를 장착하기 위한 매트의 샘플1 내지 샘플5는 이들 슬러리를 사용하는 상기 보통의 압연 방법에 의해 얻어졌다.
예 2
1000℃의 온도로 60분 동안 어닐링된 세라믹 섬유를 사용하는 것을 제외하고는, 표2에 도시된 촉매 지지체를 장착하기 위한 매트의 샘플6 내지 샘플8은 예1과 동일한 방식으로 얻어졌다.
비교예 1
질석 41중량%, 세라믹 섬유 47중량% 및 결합제 12중량%로 세라믹 섬유 층을 형성하는 것을 제외하고는, 표3에 도시된 촉매 지지체를 장착하기 위한 매트의 샘플9 내지 샘플13은 예1과 동일한 방식으로 얻어졌다.
평가 방법
샘플들의 고온 보유 강도(베어링 압력) 및 내구성이 이하 설명되는 방식으로 평가되었다. 즉, 각각의 샘플은 직경 45mm로 절단되었고, 그런 다음 각각의 절단된 샘플은 알루미나 섬유 층이 고온(900℃)측에 있도록 압축 검사기의 위 아래에 있는 두 개의 판 사이에 클램핑되었다. 샘플은 압축되었고, 압력은 5분 후에 130kPa로 조정되었다. 다음에, 두 개의 상 및 하부 판은 가열되었고, 판이 900℃ 와 700℃에 도달하는 시간이 시간 0으로 취해졌다. 그 후, 베어링 압력의 변화는 20 시간 동안 매시간 기록되었다. 샘플3의 결과가 도3에 도시된다. 공식 Y=aXb는 베어링 압력의 변화의 근사값으로서 이 그래프로부터 결정될 수 있다. 베어링 압력 추정값은 이어서 이러한 근사 공식을 사용하여 결정되었고, 표1 내지 표3에 도시된다.
표1
제1 층 제2 층 베어링 압력의 변화에 대한 근사 공식 10년 후의 베어링 압력 추정값
(kPa)
세라믹 섬유(92%),
결합제(8%)		 알루미나 섬유(92%),
결합제(8%)
샘플1 중량 커패시티(g/m2) 300 1100 Y=85.
933X-0.0566 		45.1
중량 커패시티 비 3 11
샘플2
 중량 커패시티(g/m2) 500 900 Y=68.
21X-0.0589 		34.9
중량 커패시티 비 5 9
샘플3
 중량 커패시티(g/m2) 700 700 Y=65.
13X-0.082
25.6
중량 커패시티 비 7 7
샘플4
 중량 커패시티(g/m2) 900 500 Y=48.
132X-0.0724 		21.1
중량 커패시티 비 9 5
샘플5
 중량 커패시티(g/m2) 1100 300 Y=43.
803X-0.1343 		9.5
중량 커패시티 비 11 3
표2
제1 층 제2 층 베어링 압력의 변화에 대한 근사 공식 10년 후의 베어링 압력 추정값
(kPa)
세라믹 섬유(92%),
결합제(8%)		 알루미나 섬유(92%),
결합제(8%)
샘플6
 중량 커패시티(g/m2) 300 1100 Y=103.
57X-0.0493 		59.1
중량 커패시티 비 3 11
샘플7
 중량 커패시티(g/m2) 700 700 Y=94.
206X-0.0446 		55.5
중량 커패시티 비 7 7
샘플8
 중량 커패시티(g/m2) 1100 300 Y=90.
317X-0.0538 		49
중량 커패시티 비 7 7
표3
제1 층 제2 층 베어링 압력의 변화에 대한 근사 공식 10년 후의 베어링 압력 추정값
(kPa)
질석(41%),세라믹 섬유(47%),
결합제(12%)		 알루미나 섬유(92%),
결합제(8%)
샘플9
 중량 커패시티(g/m2) 300 1100 Y=150.
42X-0.1143 		41
중량 커패시티 비 3 11
샘플10
 중량 커패시티(g/m2) 500 900 Y=196.
79X-0.1574 		32.8
중량 커패시티 비 5 9
샘플11
 중량 커패시티(g/m2) 700 700 Y=234.
08X-0.2256 		18
중량 커패시티 비 7 7
샘플12
 중량 커패시티(g/m2) 900 500 Y=311.
91X-0.2828 		12.5
중량 커패시티 비 9 5
샘플13
 중량 커패시티(g/m2) 1100 300 Y=344.
19X-0.4101 		3.24
중량 커패시티 비 11 3
10년 후의 베어링 압력 추정값의 플롯을 포함하는 그래프가 도4에 도시된다. 도4로부터 명확히 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 촉매 지지체를 장착하기 위한 매트의 10년 후의 고온 보유 강도는 7:7 내지 3:1의 알루미나 섬유 층 대 세라믹 섬유 층 비에서 종래 기술의 팽창제를 함유하는 매트 보다 40%만큼 향상된다. 또한, 어닐링된 세라믹 섬유가 사용되는 경우, 10년 후의 고온 보유 강도는 3:11의 알루미나 섬유 층 대 세라믹 섬유 층 비에서 약 4 내지 5배 만큼, 그리고 7:7의 알루미나 섬유 층 대 세라믹 섬유 층 비에서 약 2배 만큼 향상되었다.
본 발명의 촉매 지지체를 장착하기 위한 매트는 장기간 동안 800℃를 초과하는 고온에 노출되더라도 탄성을 약화시키지 않고 지지 보유 강도를 유지한다.

Claims (15)

  1. 오염 제어 장치에 오염 제어 요소를 장착하기 위한 매트이며,
    상기 매트는 적어도 알루미나 섬유 층과 세라믹 섬유 층을 포함하고, 상기 알루미나 섬유 층 대 상기 세라믹 섬유 층의 중량비는 3:11 내지 11:3이고, 상기 매트는 장기간 동안 800℃를 초과하는 고온에 노출되더라도 보유 강도를 유지하는 매트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 알루미나 섬유 층과 상기 세라믹 섬유 층은 보조 결합 수단을 사용하지 않고 단일 시트를 형성하는 매트.
  3. 제1항에 있어서, 세라믹 섬유 층을 구성하는 세라믹 섬유는 700 내지 1200℃의 온도에서 어닐링되는 매트.
  4. 제1항에 있어서, 알루미나 섬유층은 알루미나 및 실리카를 함유하는 혼합물로 형성되는 결정 알루미나 섬유를 함유하고, 상기 알루미나 섬유의 알루미나 함유량은 50중량% 이상이고, 세라믹 섬유층은 알루미나 및 실리카를 함유하는 혼합물로 형성되는 세라믹 섬유를 함유하고, 상기 세라믹 섬유의 실리카 함유량은 45중량% 이상인 매트.
  5. 오염 제어 장치이며,
    하우징과,
    상기 하우징 내에 장착되는 오염 제어 요소와,
    상기 하우징 내에 상기 오염 제어 요소를 장착하기 위해 상기 하우징과 상기 오염 제어 요소 사이에 배치되는 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 매트를 포함하는 오염 제어 장치.
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