KR101058769B1 - 배기가스 처리장치 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본발명의 배기가스 처리장치(10)는 하우징(12); 하우징 내에 탄력적으로 장착된 깨지기 쉬운 구조(18); 및 하우징(12)과 깨지기 쉬운 구조(18) 사이의 간극에 배치된 비팽창성의 장착 매트(20)를 포함한다. 장착 매트(20)는 실리카가 함유된 용융 성형된 침출된 유리 섬유를 포함하고 (ⅰ) 약 900℃ 의 고온 면 온도, 약 0.3 ~ 약 0.5 g/cm³ 간극 벌크 밀도 및, 약 5% 의 간극 팽창율에서 1000 번의 사이클의 테스트 후에 약 10kPa 이상 또는 (ⅱ) 약 300℃ 의 고온 면 온도, 0.3 ~ 0.5 g/cm³ 의 간극 벌크 밀도 및, 약 2% 의 간극 팽창율에서 1000 번의 사이클의 테스트 후에 약 50kPa 이상의 하우징 내에 깨지기 쉬운 구조를 보유하기 위한 최소 홀딩 압력을 나타낸다.

Description

배기가스 처리장치 및 그 제조방법{EXHAUST GAS TREATMENT DEVICE AND METHOD FOR MAKING THE SAME}

촉매 컨버터 (catalystic converter) 또는 디젤 미립자 트랩 (diesel particulate trap) 과 같은 배기가스 처리장치가 제공되고, 상기 장치는 깨지기 쉬운 구조를 가지며, 하우징 내에서 상기 하우징과 상기 깨지기 쉬운 구조 사이에 배치된 장착 매트에 의해 지지된다.

자동차 또는 디젤 엔진의 배기가스를 처리하기 위한 촉매 컨버터 어셈블리는, 촉매 지지 구조와 같이, 일산화탄소와 탄화수소의 산화 및 질소 산화물의 환원을 일으키기 위해 사용되는 촉매를 지지하기 위한 깨지기 쉬운 구조를 포함한다. 상기 깨지기 쉬운 구조는 금속 하우징 내에 장착되며, 바람직하게는, 산화알루미늄, 이산화규소, 산화 마그네슘, 지르코니아, 근청석 (cordierite), 탄화 규소 등 부서지기 쉬운 내화성의 세라믹 재료 등과 같은 깨지기 쉬운 재료, 또는 금속으로 형성된 단일 구조로 만들어진다. 이러한 재료들은 다수의 작은 유동 채널을 갖는 골조형(skeleton type)의 구조를 제공한다. 그러나, 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 구조는, 종종, 대단히 깨지기 쉬울 수 있다. 사실, 이러한 단일 구조는 종종 작은 충격하중이나 응력에 의해서도 충분히 부서질만큼 깨지기 쉽다.

상기 깨지기 쉬운 구조는 금속 하우징 내에 지지되며, 상기 깨지기 쉬운 구 조의 외부 표면과 상기 하우징의 내부 표면 사이에는 공간 또는 간극이 있다. 단열과 가스 시일 (gas seal) 을 제공할 뿐만 아니라 상기 깨지기 쉬운 구조를 열적 및 기계적 충격과 앞서 언급한 다른 응력으로부터 보호하기 위하여 깨지기 쉬운 구조와 하우징 사이의 상기 간극에 적어도 하나의 장착 또는 지지 물질의 층 또는 플라이 (ply) 를 놓는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 양수인의 미국 특허 4,863,700, 4,999,168, 5,032,441, 5,580,532, 5,666,726, 그리고 6,231,818 은, 깨지기 쉬운 구조를 보호하고, 다른 점에서는 하우징 내에 고정시키기 위해서, 상기 하우징과, 장치 내에 있는 깨지기 쉬운 구조 사이의 간극에 장착 또는 지지 재료를 배치해 둔 촉매 컨버터 장치를 개시하며, 이들 각각에 개시된 것을 여기서 참조한다.

현재, 촉매 컨버터와 다른 배기가스 처리장치용 장착 매트에 사용되는 재료는 예를 들어 S-유리와 같은 무정형 유리 섬유와 같이 비교적 저렴한 재료에서부터 예를 들어 고알루미나 세라믹 산화 섬유와 같은 보다 값비싼 재료까지 있다. 장착 매트가 사용되는 조건과 용도에 따라 비팽창성 재료뿐만 아니라 팽창성의 재료도 장착 매트로서 사용되어 왔으며 계속 사용되고 있다.

용도와 장착 매트가 사용될 조건뿐만 아니라 단일 구조의 형태 또한 반드시 상기 장착 매트 재료의 선택 이전에 결정되어야 한다. 예를 들어, 전형적으로 촉매 컨버터에서 볼 수 있듯이 고온 용도를 위해서는 넓은 온도 영역에서 사용가능한 높은 내열성 장착 매트 재료를 사용할 것이며, 디젤 촉매 구조 및 디젤 미립자 트랩에서 볼 수 있듯이 무거운 기판 (substrate) 을 사용하는 높은 G 하중 용도를 위해서는 낮은 내열성의 탄성의 가요성 재료가 가장 또는 보다 적합할 수 있다.

어떤 경우든, 사용되는 장착 매트 재료는, 깨지기 쉬운 구조의 제조자 또는 촉매 컨버터 제조자에 의해 설정되는 다수의 설계 또는 물리적 요구를 만족시킬 수 있어야 한다. 예를 들어, 촉매 지지 구조로도 불리우는 장착 매트 재료의 최신 플라이는, 바람직하게는 상기 촉매 컨버터가 폭넓은 온도 변동을 겪는 때에도 유효 잔류 홀딩 압력을 깨지기 쉬운 구조에 가해야 하며, 상기 변동은 깨지기 쉬운 구조와 관련하여 상기 금속 하우징의 커다란 팽창과 수축을 야기하며 일정 시간 동안 상기 장착 매트에 커다란 압축과 해재 주기를 야기한다. 온도가 900 ℃ 를 훨씬 초과하며, 종종 상온에서 일정한 열적 주기를 겪는 가장 혹독한 용도에서도, 고온 용도에서 사용되는 최고, 최신의 장착 매트는 상기 깨지기 쉬운 구조를 충분히 지지하는 것이 밝혀졌다.

고온 환경에서의 사용이 요구되지는 않으나, 다른 장착 매트는 충분한 힘 또는 강도로 깨지기 쉬운 구조를 효과적으로 지지할 수 있을만큼 충분한 탄성과 가요성을 제공하지만 일정한 열적 주기하에서 상기 깨지기 쉬운 구조를 부수지는 않아야 한다. 촉매 컨버터의 정상적인 작동 조건하에서, 깨지기 쉬운 구조가 이동하거나 손상되는 것을 방지하기 위해서 장착 매트의 전단 강도 (shear strength) 는 최소한 5 kPa 는 되어야 한다. 매트의 전단 강도는 매트의 홀딩 압력과 매트/깨지기 쉬운 구조 접촉면 사이의 마찰 계수의 곱으로 정의된다. 촉매 컨버터에 있는 전형적인 매트 제품의 마찰 계수는 일반적인 사용 조건하에서 약 0.45 이다. 따라서, 적어도 약 900 ℃ 의 뜨거운 표면 온도에서 1000 번의 사이클 후에, 고온 용도 즉 촉매 컨버터 내부의 온도가 약 900 ℃ 또는 그 이상까지 상승하는 그러한 용도를 위한 장착 매트는 적어도 약 10 kPa의 유효 잔류 최소 홀딩 압력 (effective residual minimum holding pressure) 을 가져야 한다.

디젤 미립자 트랩 또는 디젤 촉매 구조와 같은 다른 배기가스 처리장치에 있어서, 이들 장치가 고온 촉매 컨버터에서와 같은 높은 온도에는 이르지 않으면서, 깨지기 쉬운 구조의 중량과 사용되는 로딩 기술은 사용되는 장착 매트가 앞서 설정된 것과는 다른 유효 잔류 최소 홀딩 압력을 가질 것을 요구한다. 이러한 용도에서, 깨지기 쉬운 구조가 이동하거나 손상되는 것을 방지하기 위하여 바람직하게는 장착 매트의 최소 전단 강도를 적어도 약 25 kPa 이 되게 한다. 무거운 기판을 지지한 그러한 높은 G-하중의 용도에서, 이러한 매트 제품의 마찰계수는 일반적인 사용 조건하에서 여전히 약 0.45 이다. 따라서, 이러한 형태의 용도를 위한 장착 매트는 약 300 ℃ 의 온도에서 1000 번의 사이클의 테스트 후에 적어도 약 50 kPa 의 유효 잔류 최소 홀딩 압력을 가져야 한다.

종래 많은 장착 매트는 고온 용도와 관련된 열적 주기 문제를 고알루미나 또는 고뮬라이트 세라믹 섬유를 사용함으로써 극복하려 했었다. 공지의 실시예에서, 상기 세라믹 섬유를 만들기 위해서 종종 "유기졸 (organosol)" 또는 "졸 겔 (sol gel)"라 불리는 콜로이드 분산 또는 수성 용액이 사용된다. 졸 겔 공정에 의해 형성된 세라믹 섬유는 장착용 단일 구조에 필요한 높은 정도의 탄성을 제공하지만, 상기 섬유의 높은 가격으로 인해 제조자들은 다른 보다 저렴한 해결책을 찾으려 했다. 또한, 이러한 세라믹 섬유는 전형적으로 5 보다, 작은 어떤 경우에 는 3.5 ㎛보다 작은 평균 섬유 직경을 갖는다. 따라서, 이들 섬유는 호흡할 수 있으며, 즉 폐 (lung) 안에서 숨쉴 수 있다.

취급 가능성과 탄성을 위한 충분한 강도를 갖거나 적합한 홀딩 압력을 갖도록 하기위해서, 팽창성의 재료와 이재층 (backing layer) 과 같은 다른 재료와 함께 섬유질의 장착 재료가 사용되는 경우도 있다.

졸 겔 유도 세라믹 섬유를 사용하는 것에 대한 다른 대안으로서, 용융 공정 기술을 이용하여 내화성 세라믹 섬유를 형성하려 노력해왔다. 단지 10년 정도 이전부터, 내화성 세라믹 섬유 즉 알루미나 약 45 내지 60 % 와 실리카 약 40 내지 약 55 % 를 포함하는 섬유가, 제조자의 요구에 부합하는 충분한 탄성치를 갖는 장착 매트를 제공함으로써, 고온 촉매 컨버터 제조자를 만족시키게 되었다. 장착 매트는 고가의 내화성 세라믹 섬유를 포함할 뿐만 아니라, 특히 반드시 거쳐야 하는 장착 매트의 처리공정을 고려할 때 제조도 어렵다. 본질적으로 숏 (shot) 이 없도록 주의해야 한다. 촉매 컨버터에서 장착 매트에 사용되는 내화성 세라믹 섬유의 사용과 충분한 제품을 공급하기 위하여 필요한 공정의 예가 미국 특허 5,250,269 에 개시되어 있다.

터보 과급 직접 분사 (turbocharged direct injection (TDI)) 디젤 엔진 차량과 같은 저온 촉매 컨버터 용도에서, 배기 온도는 전형적으로 약 150 ℃ 이며, 300 ℃ 를 초과하지는 않는다. 다양한 형태의 장착 매트가 이러한 그리고 다른 약간 고온의 용도에 사용될 수 있다. 많은 다른 촉매 컨버터 용도에서, 팽창성의 매트 즉 흑연 또는 질석 (vermiculite) 과 같은 팽창성 재료로 만들어진 장착 매트가 사용되었다. 팽창성 재료로 만들어진 장착 매트가 이러한 저온 용도에는 사용될 수 없음이 보다 최근에 알려졌다.

배기 온도가 너무 낮아서 전형적으로 질석인 팽창성 입자를 충분히 팽창시키지 못하는 것이 사용될 수 없는 한 가지 이유가 될 수 있다. 따라서 상기 매트는 깨지기 쉬운 구조에 대해 충분한 압력을 가하지 못하며, 사용될 수 없다. 팽창성 매트 제품에 사용되는 유기 접착제 시스템이 품질을 떨어뜨리고 홀딩 압력의 저하를 가져오는 것이 사용될 수 없는 두 번째 이유가 될 수 있다.

따라서, 비팽창성 매트 시스템이 개발되었으며, 현재 당해 산업에서 흔하게 되었다. 이러한 물질들은 팽창성의 선행 기술 매트보다 훨씬 넓은 온도 범위에서 사용하기에 적합하다.

비팽창성 매트 시스템은 본질적으로 흑연 또는 질석과 같은 팽창성 재료를 포함하지 않으며, 따라서 본질적으로 비팽창성이다. "본질적으로 비팽창성"은 열이 가해지는 때에 팽창성 매트에서 기대하는 것과 같이 용이하게 팽창하지 않음을 의미한다. 물론, 열팽창 계수에 따라 약간의 팽창은 일어나나, 팽창의 양은 팽창성의 재료를 충분히 사용한 매트의 팽창에 비해서 아주 적다. 이전에는, 이러한 비팽창성 매트가 높은 내열성의 무기질 섬유를 포함하며, 선택적으로 접착제를 포함했다. 높은 내열성은 상기 섬유가 약 1260 ℃ 의 온도까지 사용할 수 있음을 의미한다. 이전에는, 용도, 매트가 사용되는 온도 영역 그리고 사용되는 단일체의 형태에 따라서, 일반적으로 비팽창성 매트는 알루미나/실리카 (뉴욕, 나이아가라 폭포에 있는 유니프랙스사가 제조한 상표명 "FIBERFRAX"에서 사용 가능), 알루미나/실리카/마그네시아 (오하이오, 토레도에 있는 오웬스 코닝의 S2-유리와 같은) 에서 선택된 하나 혹은 그 이상의 형태의 섬유를 포함하는 것으로 알려져있다.

최근, 최신의 고온 용도용 비팽창성 장작 매트에 사용되는 섬유는 일반적으로 알루미나 함유량이 높다. 졸 겔 공정에 의해 만들어진 알루미나 혹은 뮬라이트 (mullite) 세라믹 섬유와 같은 다른 알루미나/실리카 세라믹 섬유는 통상 알루미나를 50 % 이상 포함하는 반면, 예를 들어, 내화성 세라믹 섬유는 본질적으로 알루미나와 실리카로 구성되며, 전형적으로 알루미나 약 45 ~ 60 중량 % 와 실리카 약 40 ~ 55 중량 % 를 포함한다. S2-유리 섬유는 전형적으로 실리카 약 64 ~ 66 % , 알루미나 약 24 ~ 25 %, 그리고 마그네시아 약 9 ~ 10 % 를 포함한다. 일반적으로, 섬유에 사용되는 알루미나의 양이 많을수록 섬유가 사용될 수 있는 용도의 온도가 높아지는 것으로 생각되었다. 따라서, 본질적으로 알루미나를 포함하는 섬유의 사용은 이러한 목적에서 제안되었다.

졸 겔 유도 알루미나 함유 세라믹 섬유 사용의 비용을 피하기 위해서, 일부 장착 매트 제조자들은 매트의 설치 이전에 그 재료를 스티치 바인딩(stitch binding)과 같은 비싼 전처리 단계에 의존한다. 그러나 그러한 스티치 바인딩 기술은 모든 촉매 컨버터 용도에서 사용될 수 있는 것은 아니다. 다른 비팽창성 장착 매트는 일반적으로 매우 두껍고, 필요한 구조 온전성을 결하고 있으며, 상기 장착 매트가 부서지는 것을 방지하기 위하여 가방안에서 취급할 것이 요구될 수도 있다. 이러한 장착 매트는 또한 설치 크기로 자르기 어려우며, 또한 본질적 으로 하우징과 촉매 지지 구조 사이의 간극에 지지 장착을 위해 필요한 충분한 재료를 끼워넣을 수 있도록 압축되어야한다.

촉매 컨버터와 다른 고온 용도용 배기가스 처리장치를 위한 비팽창성 장착 매트의 제조에 여전히 다른 형태의 재료를 사용하려는 시도가 계속되어왔다. 예를 들어, 알루미나 약 60 ~ 85 중량 %, 실리카; 결정질 석영 섬유 (crystalline quartz fiber); 혹은 그 모두를 약 40 내지 ~ 중량 % 함유하는 알루미노실리케이트 섬유를 포함하는 숏 없는 세라믹 산화물 섬유를 포함하는 가요성의 부직포 장착 매트가 미국 특허 5,380,580 에 개시되어 있다. 기재된 알루미노실리케이트 섬유는 내화성 세라믹 섬유에 비해서 높은 알루미나 함유량을 가지지만, 앞서 언급된 졸 겔 기술에 의해 제조된다. 반면, 결정질 석영 섬유는 본질적으로 순수한 실리카 (즉, 99.9 % 실리카) 로 만들어진다. 결정질 석영으로부터 유도된 원료를 사용하는 용융 인발 공정 (melt drawing process) 에 의해 이러한 섬유가 만들어지며, 이 섬유는 어떤 방법으로도 침출되지 않는다. 뉴욕, 슬레이터, J. P. Stevens 의 상표명 "ASTROQUARTZ" 또는 켄터키, 루이빌, Saint Gobain 의 상표명 "QUARTZEL" 가 그러한 섬유로서 사용가능하다. 그러나, 이들 결정질 석영 섬유의 가격으로 인해 장착 매트에서의 사용은 상업적으로는 불가능하다.

유사하게, 당해 기술에서 알려진 바와 같이 마그네시아/알루미나/실리케이트 섬유를 포함하며, 위에 인용된 특허에서 논의되는 "ASTROQUARTZ" 석영 섬유 뿐만 아니라 오하이오 토레도 오웬스 코닝의 S2-유리로부터도 상업적으로 사용가능한 촉매 컨버터용 부직포 장착 매트가 미국 특허 5,290,522 에 개시되어 있다. 실리 카를 포함하며 상업적으로 이용가능한 침출된 유리 섬유를 포함하는 장착 매트가, 고온 촉매 컨버터용 장착 매트로서의 적합성을 결정하기 위하여 당해 특허권자에 의해 사용된 고온 진동 테스트 (hot shake test) 를 통과하지 못하는 것이 이 특허의 비교예 1 에 명백히 나타나 있다.

예를 들어 독일 특허 공개 번호 19858025에서 촉매 컨버터 용도로서, 팽창성 물질과 함께 실리카 섬유를 포함하는 장착 매트가 시험되었다.

높은 실리카 함유량의 침출된 유리 섬유를 만드는 공정과 상세한 설명이 미국 특허 2,624,658 에 포함되어 있으며, 여기서는 상기 특허의 개시를 참조한다. 높은 실리카 함유량을 갖는 침출된 유리 섬유를 만드는 다른 공정이 유럽 특허 출원 공개 번호 0973697 에 개시되어 있다. 상기 미국 특허와 유럽 특허 출원 공개 모두가 침출된 실리카 섬유로 만들어진 높은 내열성 제품의 형태로 침출된 실리카 섬유를 개시하고 있으나, 상기 섬유 중 어떠한 것이 촉매 컨버터와 같이 배기가스 처리장치용 장착 매트로서 사용하기에 적합한지 혹은 사용될 수 있는지에 대한 언급이 없다.

폭넓게, 촉매 컨버터 및 다른 배기가스 처리장치를 위한 비팽창성 장착 매트를 형성하는 데에 실리카 함유량이 높은 용융-인발 및 침출된 유리 섬유가 사용된다. 어떠한 실시예에서는, 실리카를 포함하는 침출된 유리 섬유 또는 이 유리 섬유를 포함하는 장착 매트를 열처리하면 촉매 컨버터내에 배치되기 전에 장착 매트의 홀딩 압력 성능이 보다 좋아진다는 것이 밝혀졌다.

일반적으로, 배기가스 처리장치는 하우징; 이 하우징내에 탄력적으로 장착된 깨지기 쉬운 구조; 및 상기 하우징 및 깨지기 쉬운 구조 사이의 간극에 배치된 비팽창성의 장착 매트를 포함하고, 상기 배기가스 처리 장치 내의 장착 매트는 용융 성형된, 67 중량% 이상의 실리카를 함유하는 침출된 유리 섬유를 포함하고 (ⅰ) 약 900℃ 의 고온 면 온도, 약 0.3 ~ 약 0.5 g/cm³ 간극 벌크 밀도 및, 약 5% 의 간극 팽창율에서 1000 번의 사이클의 테스트 후에 약 10kPa 이상 또는 (ⅱ) 약 300℃ 의 고온 면 온도, 약 3 ~ 약 5 g/cm³ 의 간극 벌크 밀도 및, 약 2% 의 간극 팽창율에서 1000 번의 사이클의 테스트 후에 약 50kPa 이상의 하우징 내에 깨지기 쉬운 구조를 보유하기 위한 최소 홀딩 압력을 나타낸다.

또한 배기가스를 처리하기 위한 장치를 만드는 방법이 제공되며, 이 방법은 실리카를 함유하는 용융-성형된 유리 섬유를 포함하는 매트를 제공하는 단계로서 상기 용융-성형된 유리 섬유는 처리되어 처리 전 보다 더 많은 실리카 함량을 가지며, 또한 67 중량% 이상의 실리카를 함유하게 되는 상기 단계와, 배기가스를 처리하기 위한 깨지기 쉬운 구조 주위에 장착 매트를 감싸는 단계, 및 상기 장착 매트가 하우징 내에서 깨지기 쉬운 구조를 탄력적으로 지지하도록 깨지기 쉬운 구조 및 장착매트를 상기 하우징 내에 배치하는 단계를 포함하며, 장착 매트는 (ⅰ) 약 900℃ 의 고온 면 온도, 약 0.3 ~ 약 0.5 g/cm³ 간극 벌크 밀도 및, 약 5% 의 간극 팽창율에서 1000 번의 사이클의 테스트 후에 약 10kPa 이상 또는 (ⅱ) 약 300℃ 의 고온 면 온도, 약 3 ~ 약 5 g/cm³ 의 간극 벌크 밀도 및, 약 2% 의 간극 팽창율에서 1000 번의 사이클의 테스트 후에 약 50kPa 이상의 하우징 내에 깨지기 쉬운 구조를 보유하기 위한 최소 홀딩 압력을 나타낸다.

도 1 은 본 발명에 따른 장착 매트를 포함하는 촉매 컨버터의 부분 입면도이다.

배기가스를 처리하기 위한 장치가 제공되며, 상기 장치는 장착 매트에 의해 지지되면서 하우징 내에 장착된 깨지기 쉬운 구조를 포함하며, 상기 장착 매트는 하우징과 깨지기 쉬운 구조 사이에 배치된다. 본 발명은 도 1 에 나타난 촉매 컨버터에서의 사용에 제한되지 않으며 따라서 형상은 본 발명을 도시하는 하나의 예에 불과할 뿐이다. 사실, 디젤 촉매 구조, 디젤 미립자 트랩 등과 같은 배기가스 처리에 적합한 어떠한 깨지기 쉬운 구조를 장착 또는 지지하기 위하여 상기 장착 매트를 사용할 수 있다. 일반적으로 촉매 구조는 내열성 재료에 의해 하우징 안에 장착된 하나 또는 그 이상의 다공성 관형 또는 벌집형 구조를 포함한다. 배기 처리장치의 종류에 따라서, 각각의 구조는 제곱 인치당 약 200 내지 약 900 또는 그 이상의 채널 또는 셀을 포함한다. 미립자 트랩 내에 있는 각각의 채널 또는 셀은 일단부 또는 타단부에서 폐쇄되어 있다는 점에서 디젤 미립자 트랩은 촉매 구조와 다르다. 고온의 번아웃 (burnout) 과정에 의해 재생될 때까지 상기 다공성 구조에서 배기가스로부터 입자가 수집된다. 본 발명의 장착 장치는 자 동차 이외에 화학 산업 배출 굴뚝을 위한 촉매 컨버터에도 사용될 수 있다. "깨지기 쉬운 구조"라는 용어는, 금속 또는 세라믹 단일체와 같이 본질적으로 깨지기 쉽거나 부서지기 쉬운 구조를 의미 및 포함하며, 여기에서 설명하는 바와 같이 장착 매트의 이점을 얻을 수 있다.

배기가스를 처리하기 위한 장치의 한 대표적인 형태가 촉매 컨버터(10)로 나타나 있다. 촉매 컨버터 (10) 는 예를 들어 높은 내열성 스틸과 같은 금속 두 쪽으로 형성되어 플랜지(16)에 의해 함께 고정되는 관형의 하우징 (12) 을 포함한다. 또는, 상기 하우징은 장착 매트로 둘러싸여진 촉매 지지 구조가 삽입되고 미리 형성된 캐니스터를 포함할 수 있다. 하우징 (12) 은 일단부에 입구 (14), 그리고 반대쪽 단부에 출구 (도시되지 않음) 를 갖는다. 상기 입구 (14) 와 출구는 그들의 외부 단부에서 적합하게 형성되었으며, 이에 의해 내연 기관의 배기 시스템의 도관에 고정될 수 있다. 뒤에서 더 설명될 장착 매트 (20) 에 의해 하우징 (12) 내에서 지지 및 구속되는 부서지기 쉬운 세라믹 단일체 (frangible ceramic monolith) (18) 와 같은 깨지기 쉬운 촉매 지지 구조가 장치 (10) 에 포함된다. 단일체 (18) 는 다수의 가스 통과 통로를 포함하며, 상기 통로는 축방향으로 일단부의 입구 단부면에서 반대쪽 단부의 출구 단부면까지 신장된다. 어떤 공지의 방법과 형상으로, 적합한 내화성 금속 또는 세라믹 재료로 단일체 (18) 를 만들 수 있다. 전형적으로 단일체는 달걀형 또는 둥근 단면 형상을 갖지만, 다른 형상도 가능하다.

상기 단일체는 하우징과 일정한 거리 또는 간극을 두고 떨어져 있으며, 상기 거리 또는 간극은 예컨대 촉매 컨버터, 디젤 촉매 구조, 또는 디젤 미립자 트랩과 같이 사용되는 장치의 종류와 디자인에 따라 다르다. 상기 세라믹 단일체 (18) 를 탄성적으로 지지하기 위하여 이러한 간극을 장착 매트 (20) 로 채운다. 상기 탄성 장착 매트 (20) 는 외부 환경에 대한 단열과 상기 촉매 지지 구조에 대한 기계적 지지를 제공하여, 기계적 충격으로부터 상기 깨지기 쉬운 구조를 보호한다.

어떤 실시예에서, 장착 매트 (20) 는 높은 실리카 함유량을 가지며 용융-성형되고 무정형의 높은 내열성의 침출된(leached) 유리 섬유의 비팽창성 프라이를 하나 또는 그 이상 포함하며, 선택적으로 결합제 또는 결합제로 작용하기에 적합한 다른 섬유를 포함한다. "높은 실리카 함유량 (high silica content) " 은 상기 섬유에서 어떤 다른 조성 성분보다 많은 실리카가 포함되어 있음을 의미한다. 사실, 아래 논의되는 바와 같이, 침출 후 이들 섬유의 실리카 함량은, 결정질 석영 유도 섬유 또는 순수 실리카 섬유를 제외하고 S-유리 섬유를 포함하여, 실리카를 함유하는 어떤 다른 유리 섬유보다도 바람직하게 높다.

상기 장착 매트는 일반적으로 실리카와 선택적으로 소량의 알루미나 및 다른 비규토질 산화물을 함유하는 용융-성형 침출된 유리 섬유로 된 온전한, 실질적으로 비팽창성의 복합 시트이다. "용융-성형 (melt-formed)"은, 섬유가 용융 처리 기법을 사용하여 만들어지며 졸 겔 또는 다른 화학적 분산 기법으로 형성되지 않는 것을 의미한다. "온전한 (integral)"은, 제조와 밀집화 이후, 장착 매트가 섬유질, 플라스틱 또는 종이로된 보강 또는 지지층 (매트에 바느질 결합되는 것을 포함)을 필요로 하지 않는 자체-지지 구조를 가지며, 분해없이 다루어질 수 있음을 의미한다. "실질적으로 비팽창성 (substantially non-expanding)"은 앞서 정의된 의미로 사용된다. 따라서, 일실시예에서, 상기 장착 매트는 팽창성 재료, 졸 겔 유도 유리 실리카 섬유 및/또는 이재층 또는 강화층이 없다.

앞서 언급한 바와 같이, 바람직하게는 섬유의 실리카 함유량을 높이도록 상기 유리 섬유를 처리한다. 즉, 먼저 용융 처리되고 섬유의 용융 인발과 같은 방법에 의해 섬유로 형성될 때, 이러한 유리 섬유는 전형적으로 많은 비규토질 산화물과 다른 성분을 포함한다. 즉, 예를 들어 상기 유리 섬유는 섬유유리(fiberglass)의 특성을 가질 수 있다. 상기 유리 섬유는 초기에는 미국 특허 5,290,522 또는 5,380,580 에서 개시된 결정질 석영 유도 섬유 (crystalline quartz derived fiber) 와 같은 순수 실리카 섬유로부터 형성된 것은 아니었다. 대신, "순수하지 않은" 유리 섬유는 존재하는 알루미나, 산화 나트륨, 산화 붕소, 그리고 다른 물 또는 산에 용해되기 쉬운 성분과 같은 비규토질 산화물을 제거하기 위한 처리를 반드시 받아야 하며, 이를 통해 처리 전보다 높은 실리카 함유량을 갖는 섬유를 제조할 수 있다. 결과로서 생기는 침출된 유리 섬유의 실리카 함유량은 초기에 존재하던 비규토질 산화물과 다른 성분의 양과 이 물질들을 섬유에서 추출해내는 정도에 좌우된다.

침출은 실리카 함유량을 증가시킬 수 있는 유리 섬유에 대한 바람직한 처리의 하나이다. 당해 기술 분야에서 알려진 수단과 기술이 유리 섬유 침출에 사용될 수 있다. 일반적으로, 비규토질 산화물과 다른 성분들을 섬유로부터 추출 하기에 적합한 산성 용액 또는 다른 용액을 용융 성형된 유리 섬유에 가하여 침출을 수행한다. 앞서 언급한 바와 같이, 미국 특허 2,624,658 과 유럽 특허 출원 공개 번호 0973697 에서 다양한 공지의 침출 기술에 대한 상세한 설명이 개시되어 있다. 그러나 이러한 기술들이 상기 개시 내용에 한정되는 것은 아니다.

상기 유리 섬유를 침출한 후 실리카의 순도는 침출 전보다 훨씬 높아진다. 일반적으로, 상기 침출된 유리 섬유는 적어도 67 중량 % 의 실리카 함유량을 갖는다. 이는 S-유리의 실리카 함유량보다도 큰 것이다. 보다 바람직하게, 침출 유리 섬유는 적어도 90 중량 %, 훨씬 더 바람직하게는 약 90 중량 % ~ 99 중량 % 의 실리카를 포함한다. 이들 섬유의 고 실리카 함량은, 99.9 % 보다 많은 실리카를 함유하는 순수 실리카 섬유 또는 석영 섬유를 제외하고 S-유리 섬유를 포함한 공지된 다른 어떤 실리카 함유 유리섬유의 공지된 순도보다 높다.

어떤 실시예에서는, 유리 섬유는 약 93 ~ 약 95 중량 % 의 실리카를 포함하며, 상기 섬유의 나머지는 알루미나, 산화 나트륨 그리고 다른 알칼리 또는 알칼리 토금속의 산화물과 같은 비규토질 산화물이다. 알루미나의 양은 바람직하게는 약 4 ~ 약 6 중량 % 이고 산화 나트륨을 포함하는 다른 세라믹 산화물과 성분들은 일반적으로 침출된 유리 섬유의 약 1 중량 % 미만을 차지한다. 어떤 실시예에서는, 침출된 유리 섬유가 1 중량 % 미만의 알칼리 또는 알칼리 토금속을 포함하는 것이 바람직하다. 모든 비규토질 산화물이 상기 침출된 유리 섬유로부터 제거될 필요가 있는 것은 아님을 이해할 것이다. 그러나, 침출된 유리 섬유는 알루미나 함유량보다 높은 실리카 함유량을 요구하며, 보다 바람직하게는, 적어도 약 67 중량 % 를 초과하는 실리카 함유량을 요구한다. 상기 섬유는 실질적으로 숏(shot)이 없다.

중요한 것은, 상기 침출된 유리 섬유는 고알루미나 섬유 (high alumina fiber) 와 특히 앞서 언급한 결정질 석영 유도 섬유와 같은 세라믹 섬유에 비해 상대적으로 저렴하다는 것이다. 상기 침출된 유리 섬유의 평균 섬유 직경은 바람직하게는 적어도 약 3.5 ㎛보다 크며, 보다 바람직하게는 적어도 약 5 ㎛보다 크다. 평균적으로, 상기 유리 섬유는 약 9 ㎛의 직경을 갖는다. 약 5 내지 14 ㎛의 평균 섬유 직경이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 상기 침출된 유리 섬유는 호흡이 불가능하다.

상기 침출된 유리 섬유는 장착 매트의 제조에 흔히 사용되는 어떠한 형태로도 제공될 수 있다. 어떤 실시예에서는, 이들 섬유를 촙트 토우 섬유 (chopped tow fiber) 이다. 침출에 앞서, 상기 섬유는 당해 기술 분야에서 알려진 어떠한 방법으로도 제조될 수 있으나, 상기 섬유를 제조하기에, 비용면에서 효과적인 용융 방사 또는 용융 인발과 같은 공지의 용융 처리 기술을 사용하여 형성되는 것이 일반적이다. 어떤 실시예에서는, 유리 섬유를 용융 인발한다.

독일 BelChem Fiber Materials GmbH 의 상표 "BELCOTEX" 인 침출된 유리 섬유와 Hitco Carbon Composites, Inc. of Gardena California 의 등록 상표 "REFRASIL" 인 침출된 유리 섬유가 실리카 함유량이 높고 촉매 컨버터 또는 다른 알려진 가스 처리장치용 장착 매트의 제조에 사용하기 적합한 침출된 유리 섬유의 예이다. 상기 BELCOTEX 섬유는 표준형의 스테이플 섬유 프리얀이다. 이들 섬유는 약 550 텍스(tex)의 평균 가늘기 (fineness) 를 가지며 일반적으로 알루미나로 개질된 규산으로 만들어진다. 상기 BELCOTEX 섬유는 일반적으로, 실리카 약 94.5 %, 알루미나 약 4.5 %, 산화 나트륨 0.5 % 미만, 그리고 다른 성분들 0.5 % 미만을 포함한다. 이 섬유의 평균 직경은 약 9 ㎛이며, 용융점은 1500 ~ 1550 ℃ 이다. 이러한 섬유는 1100 ℃ 까지 견딜 수 있으며, 전형적으로 숏과 결합제가 없다.

BELCOTEX 섬유와 마찬가지로, REFRASIL 섬유는 실리카 함유량이 높은 무정형의 침출된 유리 섬유이며 1000 ~ 1100 ℃ 에서 사용될 수 있는 단열을 제공한다. 이들 섬유의 직경은 약 6 ~ 13 ㎛이며, 1700 ℃ 의 용융점을 갖는다. 침출 후 상기 섬유는 전형적으로 약 95 중량 % 의 실리카 함유량을 갖는다. 알루미나는 약 4 중량 % 가 존재한며, 다른 성분은 1 중량 % 이하이다.

촉매 컨버터와 같은 배기가스 처리장치용 장착 매트로서 유용한 상기 침출된 유리 섬유는 높은 실리카 함유량을 갖는 용융-성형 섬유이다. 전에는 실질적으로 침출된 유리 섬유로부터 촉매 컨버터 장착 매트를 상업적으로는 만든 적이 없는 것으로 믿어진다. 침출된 유리 섬유를 테스트 해보면, 이들은 배기가스 처리장치에서 장착 매트로서 쓸 수 있도록 열사이클 동안 충분하고 유효 최소 홀딩 압력을 유지하는데 실패하거나, 또는 상기 장착 매트에 충분하고 유효 잔류 홀딩 압력을 제공하는데 도움을 주는 팽창성 재료와 같은 상당량의 다른 재료와 함께 사용되어왔다.

매트의 형태로 만들어진 침출된 유리 섬유는 전형적으로 매트에 적은 강도를 부여하는 것으로 알려졌다. 즉, 유리 섬유로부터 비규토질 물질(알루미나를 포함해서)을 침출하면 매트가 작은 전단 강도를 갖는 정도까지 매트의 홀딩 압력이 떨어질 것이라는 것은 예측 가능하다. 실리카를 함유하는 침출된 유리 섬유를 포함하는 장착 매트가, 초기에 촉매 컨버터의 하우징 내에 깨지기 쉬운 구조를 지지하기 위한 적절한 최소 홀딩 압력을 제공하는 것이 가능할 수 있지만, 상기 매트의 기계적 또는 열적 사이클로 인하여 매트는 상기 최소 홀딩 압력을 유지하는 능력을 빠르게 잃어버리게 된다. 따라서, 촉매 컨버터 장착 매트의 제조에서 실리카 함유량이 높은 침출된 유리 섬유를 사용하는 것이 기피된다. 미국 특허 5,290,522 이 이러한 사실을 확인해준다.

그러나, 장착 매트의 형성 전에 상기 침출된 유리 섬유를 더 처리하거나 또는 이러한 섬유로 형성된 장착 매트를 형성 후에 더 처리함으로써 사이클 이후에도 상기 장착 매트의 홀딩 압력 성능이 충분히 개선될 수 있으며 배기가스 처리장치에서의 사용에 적합하게 되는 것을 알아냈다. 그러나 이러한 부가적인 처리가 없으면, 이러한 침출된 유리 섬유를 포함하는 장착 매트는, 열적 사이클을 거친 후에는 배기가스 처리장치의 하우징 내에 깨지기 쉬운 구조를 지지하기에 충분한 최소 홀딩 압력을 유지하지 못한다.

놀랍게도, 물론 저온 용도를 위해 높은 홀딩 압력이 얻어지지만 상기 섬유의 열처리는 특히 고온 용도와 관련하여 상당히 높은 홀딩 압력 성능을 제공한다는 것을 알게되었다. 다른 특별한 실시예에서, 침출된 유리 섬유(또는 이들을 포함하는 장착 매트)는 적어도 약 900 ℃ 이상의, 바람직하게는 약 900 ℃ ~ 약 1100 ℃ 의 온도 범위에서 열처리될 수 있으며, 따라서 1000번의 팽창/수축 사이클을 거친 후에도 이들 섬유가 사용된 상기 장착 매트는 상기 배기가스 처리장치내에서 최소 요구 홀딩 압력을 가할 수 있다. 이전에는, 이들 섬유를 열처리할 때 장착 매트가 열적 사이클 이후에도 유효 최소 홀딩 압력을 유지할 것을 기대하지 않았다.

고실리카 섬유의 열처리가 섬유의 많은 물리적 성질도 개선시킨다는 것을 알게 되었다. 예를 들어, 섬유의 표면적 뿐만 아니라 섬유의 내크립성 (creep resistance)도 증가하는 것으로 생각된다. 이론에 제한되는 것은 아니지만, 이미 침출된 유리 섬유에 대한 열처리는 상기 섬유를 "미리 수축"시키는 것으로 믿어진다. 또한 수축은 좋은 내크립성에 기여하는 것으로 알려져있다. 또한 상기 섬유에 대한 열처리는 부가적인 수성 성분을 상기 섬유에서 제거하여 표면적을 증가시키는 것으로 믿어진다. 따라서 침출된 유리 실리카 섬유, 특히 처리 및 침출된 유리 실리카 섬유를 사용하면, 섬유유리의 모든 뛰어난 물리적 특성들을 가지면서, 섬유 유리의 용융점을 훨씬 넘는 고온에서도 사용될 수 있는 장착 매트를 제조할 수 있다.

침출된 유리 섬유의 열처리는 장착 매트의 형성 전이나 장착 매트의 형성 후에 할 수 있다. 장착 매트의 형성 후에 열처리가 될때, 장착 매트는 실제 용도에서 하우징 내에 깨지기 쉬운 구조를 지지하는데 요구되는 유효 최소 홀딩 압력 이상을 얻기 위하여 900℃ 이상에서 유효 시간동안 열처리된다. 이와 유사하게, 장착 매트의 형성 전에 열처리될 때, 침출된 유리 섬유는, 장착 매트로 형성될때 하우징내에 깨지기 쉬운 구조를 지지하는 최소 홀딩 압력이 얻어지도록 900℃ 이상의 온도에서 유효 시간동안 가열되는 것이 바람직하다. 열처리를 위한 특정 시간은 무엇보다 매트의 두께, 가열의 균일성, 사용되는 열원의 유형, 램프 업 시간 및 열원의 온도에 따라 크게 달라진다. 이런 모든 변수들은 당업자에게는 잘 알려져 있으며, 따라서 900 ℃ 또는 그 이상으로 가열하는 유효 시간은 과도한 실험없이 쉽게 정해질 수 있다.

일반적으로, 상대적으로 작고 얇은 매트와 훌륭하고 일정한 열원을 사용할때는 열처리 시간이 15 분이나 그 보다 적게 걸리는 반면, 더 크고 두꺼운 매트가 사용되면 1 시간 이상이 소요된다.(온도 램프업 및 램프 다운 시간은 포함 안됨) 어떤 실시예에서, 장착 매트 또는 침출된 유리섬유는 약 900℃ ~ 1100℃의 온도에서 1 시간 이상 가열된다. 또는, 침출된 유리 섬유 그리고/또는 그로부터 만들어진 장착 매트는 300℃ 와 같이 낮은 가열 온도에서 열처리 될 수 있다. 그러나, 요구되는 유효 홀딩 압력을 갖는 만족스러운 장착 매트를 얻기 위해 필요한 시간의 길이는 열처리가 24 시간 이상 소요된다면 상업적으로 실행이 불가능하다. 위에서 언급한 동일한 유리한 효과를 얻기 위해, 섬유를 불투명하게 하는 시간 그리고/또는 온도 이하의 어떠한 시간 및 온도 하에서의 열처리도 본발명의 범위에 속한다. 일반적으로, 섬유 또는 매트는 의도된 사용 온도 이상에서 열처리된다. 저온에서의 열처리는 실질적으로 열처리 온도 이상의 온도에서의 열사이클이 필요한 용도에서의 장착 매트의 유용성에 영향을 미친다는 점에 주의할 필요가 있다.

하우징 내에 깨지기 쉬운 구조를 지지하는 최소 홀딩 압력을 유지하기 위해 장착 매트용의 침출된 유리 섬유를 처리하는 다른 방법들이 사용될 수 있는데, 예를들어, 섬유의 내크립성을 증가시키기 위한 이온 교환 공정 또는 확산공정이 있다. 그러나, 열 사이클 후에 하우징 내의 깨지기 쉬운 구조를 지지하는 매트의 최소 홀딩 압력을 유지하기 위하여 침출된 유리 섬유나 장착 매트를 처리하는 어떠한 방법도 본질적으로 사용될 수 있다는 점을 알 수 있다.

장착 매트는 실리카를 함유하는 침출된 유리 섬유를 100 중량% 까지 포함하는 것이 바람직하다. 그러나, 다른 실시예에서, 상기 매트는 요구되는 특정의 온도에서 사용되는 장착 매트를 제조하는데 적합하게 사용되는 알루미나/실리카 섬유 다른 세라믹 또는 유리 섬유 같은 공지의 섬유도 선택적으로 포함할 수 있다. 따라서, 내화 세라믹 섬유같은 알루미나/실리카 섬유는 고온 또는 넓은 온도 범위의 용도로 선택적으로 사용될 수 있다. 비슷하거나 보다 낮은 온도용으로 S-유리와 같은 다른 세라믹 또는 유리 섬유도 침출된 유리 실리카 섬유와 함께 사용될 수 있다. 그러나 이러한 관점에서, 장착 매트는 실리카를 함유하는 침출된 유리 섬유를 50 중량% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 다시 말하면, 매트의 제조에 사용되는 섬유의 대부분은 실리카를 함유하는 침출된 유리 섬유이고, 보다 바람직한 실시예에서는 섬유의 80 중량% 이상이 실리카를 함유하는 침출된 유리 섬유이다.

대안적인 실시예에 있어서, S2-유리 같은 섬유 등은 전체 매트의 100 중량%를 기준으로 0 초과 ~ 약 50 중량% 의 양으로 장착 매트에 첨가될 수 있다. 이런 유리 섬유는 그들의 용융점 등으로 인해 주로 저온에서 사용된다.

다른 대안적인 실시예에서, 침출된 유리 섬유 이외에 내화 세라믹 섬유가 장착 매트에 포함될 수 있다. 내화 세라믹 섬유, 다시 말하면 알루미나/실리카 섬유 등이 사용될때, 전체 매트의 100 중량% 을 기준으로 이들은 0 초과 ~ 약 50 중량% 미만의 양으로 존재한다.

앞에서 언급한 것처럼, 장착 매트는 결합제를 포함할 수도 있고 안할 수도 있다. 결합제가 사용되면, 성분은 혼합물 또는 슬러리의 형태로 혼합된다. 섬유와 결합제의 슬러리는 그 후 매트 구조로 형성되고 결합제는 제거되어, 이에 의하여 실질적으로 열처리된 섬유만을 함유하는(선택적으로 추가 섬유도 함유) 장착 매트가 얻어진다. 처음에 섬유를 함께 결합할 때 주로 희생 결합제가 사용된다. 사용되는 상기 결합제는 일반적으로 유기 결합제이다. 이 "희생"이라는 의미는 결합제가 결국에는 장착 매트로부터 연소되고, 깨지기 쉬운 구조를 지지하기 위한 장착 매트로서 오직 침출된 유리 섬유 (및 만약 사용되는 경우에는, 다른 세라믹 또는 유리 섬유) 만을 남긴다는 의미이다.

적절한 결합제는 수성과 비수성의 결합제를 포함하고,그러나 바람직하게는 사용되는 결합제는 반응성의 열경화성 라텍스이고, 이 라텍스는 굳은 후에는 위에서 언급한 설치된 장착 매트에서 연소될 수 있는 가요성의 재료이다. 적절한 결합제 또는 수지의 예는 수성 아크릴 라텍스, 스티렌-부타디엔, 비닐피리딘, 아크릴로니트릴, 비닐 클로라이드, 폴리우레탄 등을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 수지는 불포화 폴리에스테르, 에폭시 수지 및 폴리비닐 에스테르 같은 저온의 가요성의 열경화성 수지를 포함한다. 바람직하게는 약 5 ~ 10%의 라텍스가 사용되며, 가장 바람직하게는 약 8%이다. 결합제에 사용되는 용매는 물 또는 아세톤 같은 사용되는 결합제를 위한 적절한 유기 용매를 포함한다. 용매(만 약 사용되는경우)내에서 결합제의 용해 강도는 요구되는 결합제 로딩 및 결합제계의 작용성(점성, 용액 함량 등)에 기초하여 종래의 방법으로 결정될 수 있다.

결합제 대신에. 상기 매트는 침출된 유리 섬유 이외에 매트를 함께 유지하기 위한 다른 섬유를 포함할 수 있다. 이 섬유들은 침출된 유리 섬유를 함께 결합하는 데 도움을 주기 위하여 전체 조성의 100 중량% 을 기준으로 0 초과 ~ 약 20 중량% 양으로 사용될 수 있다.

섬유를 포함하는 침출된 유리 실리카를 함유하는 장착 매트는 장착 매트의 준비에 통상적으로 사용되는 공지의 기술에 의하여 준비될 수 있다. 예를 들어, 종이 제작 공정을 사용하면, 상기 침출된 유리 섬유는 결합제 또는 혼합물 또는 슬러리를 형성하기 위해 결합제로서 역활을 할 수 있는 다른 섬유와 혼합될 수 있다. 어떤 혼합 수단도 사용될 수 있지만, 바람직하게는 결합제가 사용될 때, 섬유상 성분은 약 0.25% ~ 5%의 농도 또는 고형물 함량(99.75 ~ 95 물 부에 대해 0.25 ~ 5의 고형물 부)으로 혼합되는 것이 바람직하다. 상기 슬러리는 물로 희석되어 형성을 향상시키고, 이는 결국 응집제 및 배수 지지 보조 화학물질(drainage retention aid chemicals)로 응집된다. 그 후 응집된 혼합물 및 슬러리는 종이 제작기에 놓여져 종이를 함유하는 섬유 플라이(fiber ply)로 형성된다. 대안적으로, 이 플라이는 슬러리의 진공 주조에 의하여 형성될 수 있다. 다른 경우에 있어서, 이 플라이는 주로 오븐에서 건조된다. 사용되는 표준 종이 제조 기술에 대한 보다 자세한 설명을 위하여 U.S 특허공보 No.3,458,329를 참조하며, 이 기술의 개시는 참조로 되어 있다. 결합제가 사용되고 침출된 유리 섬유가 열처리 될때, 섬유의 열 처리 단계는 결합제의 첨가 또는 섬유를 침출된 유리 섬유에 결합하기 전에 수행되어야 한다.

다른 실시예에 있어서, 상기 침출된 유리 섬유는 건조 공기 레잉(dry air laying)과 같은 종래의 수단으로 가공되어 매트로 된다. 이 단계의 매트는 매우 작은 구조적인 완전성을 갖고 종래의 촉매 컨버터 및 디젤 트랩 장착 매트에 비하여 상대적으로 매우 두껍다. 따라서,이 결과물인 매트는 매트의 밀도를 증가시키고 그 강도를 증가시키기 위해 종래 기술처럼 건조 니들링(needle)될 수 있다. 매트의 성형 또는 매트가 니들링된 후에 섬유의 열처리를 한다.

건조 공기 레잉 기술이 사용되면, 상기 매트는 불연속적인 섬유 합성물을 형성하기 위해 함침(impregnation)에 의하여 매트에 결합제를 첨가함으로써 처리될 수도 있다. 이 기술에서, 종래의 종이 제작 기술과 관련하여 위에서 언급한 매트 프리프레그를 형성하기 보다는 매트의 형성 후에 결합제가 첨가된다. 이렇게 매트 를 준비하는 방법은 절단을 감소시킴으로써 섬유 길이를 유지하는데 도움을 준다. 그러나 열처리는 어떠한 결합제의 첨가전에 행해질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

결합제로 매트를 함침시키는 방법은 액체 결합제 계에 매트를 완전하게 잠기게 하는 것 또는 매트에 스프레이하는 것을 포함한다. 연속 공정에서, 롤의 형상으로 전달될 수 있는 섬유 매트는 풀어져서 컨베이어 또는 스크림 상에서, 결합제를 매트에 공급하는 스프레이 노즐(spray nozzle)을 지나게 된다. 대안적으로, 매트는 중력에 의해 떨어지면서 스프레이 노즐을 통과할 수 있다. 그런 다음 상기 매트/결합제 프리프레그는 가압 롤 사이를 지나가며, 이 가압롤은 잉여 액체를 제거하고 프리프레그를 대략 요구되는 두께로 밀도를 높인다. 그 후 밀도가 높아진 프리프레그는 잔류 용매를 제거하기 위하여 그리고 만약 필요하다면 결합제를 부분적으로 경화시켜 합성물을 형성하기 위해 오븐을 통과할 수 있다. 건조 및 경화 온도는 주로 사용되는 결합제 및 용매(만약 존재한다면)에 의존한다. 이 합성물은 저장 또는 전달을 위해서 절단되거나 말릴 수 있다.

장착 매트는, 액체 결합제에 매트의 일부분을 침지시키고 프리프레그를 제거하고 가압하여 과도한 액체를 제거하며, 그 후 합성물을 형성하기 위하여 건조시키고 이어서 저장하거나 일정 크기로 절단하는 방식으로 배치 모드(batch mode)로 만들어질 수 있다.

상기 침출된 유리 섬유로부터 제조된 장착 매트는 특정한 촉매 컨버터 용도에서 쉽게 사용되기에는 밀도가 너무 낮을 수 있다. 따라서, 이들은 어떤 종래 기술에 공지된 방법으로 더 높은 밀도를 얻기 위하여 밀도 증가 처리를 더 받아야 한다. 이러한 밀도증가 방법중의 하나는 섬유를 니들 펀치(needle punch)하여 서로 얽히게 하는 것이다. 부가적으로 또는 대안적으로, 물로 얽히게 하는 방법(hydro-entangling methods)이 사용될 수 있다. 다른 대안 수단은 이 섬유를 가압 롤러를 통하여 압연하여 섬유를 매트 형상으로 만드는 것이다. 매트의 밀도를 증가시키는 이러한 방법들 또는 이 방법들의 조합은 정확하고 요구되는 형상의 장착 매트를 얻기 위하여 쉽게 사용될 수 있다.

위에서 설명한 기술중에 어떠한 기술이 사용되는지에 관계없이, 합성물은 다 이 스탬핑(die stamping)과 같은 방법으로 절단되어, 재현 가능한 공차를 가지면서 정확한 형상과 크기의 장착 매트로 형성된다. 장착 매트(20)는 니들링 등의 방법으로 밀도가 증가될 때 적절한 핸들링성을 나타내고, 이는 쉽게 다룰 수 있고 많은 다른 섬유 블랭킷 또는 매트처럼 사람의 손에서 부스러질 정도로 약하지 않다는 것을 의미한다. 촉매 지지 구조(18) 또는 깨지기 쉬운 구조의 주위에 크래킹이 없이 용이하고 유연하게 설치되거나 또는 감싸일 수 있고, 그 후 촉매 컨버터 하우징(12)내에 배치된다. 일반적으로, 장착 매트로 감싸인 깨지기 쉬운 구조는 하우징 내로 삽입될 수 있거나 또는 상기 하우징은 장착 매트로 감싸인 깨지기 쉬운 구조 주위에 설치되거나 또는 조립될 수 있다.

또한 본 발명의 장착 매트는 놀랍게도 약 300 ℃의 고온 면온도, 매트 간극 벌크 밀도가 약 0.3 ~ 약 0.5 g/cm³ 간극 팽창율이 2% 에서 행해진 표준 1000번의 사이클 간극 팽창 테스트의 1000번의 기계적인 사이클을 돌고난 후 50 kPa이상의 최소 홀딩 압력을 유지할 수 있다는 점이 발견되었다. 이 테스트는 저온의 용도에서 고 G 하중의 적용시 더 무거운 기재를 홀딩하는데 사용되는 장착 매트에 특히 적절하다고 생각된다. 이 용도를 위한 배기가스 처리장치는 디젤 촉매구조 및 디젤 미립자 트랩을 포함한다. 촉매 컨버터에서 통상적인 것처럼, 고온의 용도에서 장착 매트는 약 900 ℃의 고온 면온도, 매트의 간극 벌크 밀도가 약 0.3 ~ 약 0.5 g/cm³, 간극 팽창율이 약 5% 에서 행해진 표준 1000번의 사이클 간극 팽창 테스트의 1000번의 기계적인 사이클을 돌고난 후 10 kPa이상의 최소 홀딩 압력을 유지할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

"사이클"이라는 용어는 단일체(monolith;즉, 깨지기 쉬운 구조)와 하우징 사이의 간극이 특정의 거리로, 그리고 규정된 속도로 열리고 닫히는 것을 의미한다. 현실적인 조건을 시뮬레이트 하기 위하여 하우징 및 주어진 직경의 깨지기 쉬운 구조 사이의 간극의 팽창은 예를들어, 약 900℃에서 종래의 하우징의 열팽창 계수를 계산함으로써 결정될 수 있다. 최종적인 매트 기초 중량이 그 후 선택되고, 이는 테스트의 기준을 만족시키며, 1000번의 사이클 후에 약 10 kPa 이상의 최소 홀딩 압력(Pmin)을 제공한다. 그 목적은 최소 비용으로 적절한 지지를 제공하는 것이고, 그래서 약 10 kPa 이상의 요건을 충족하는 최소 기초 중량이 선택된다. 종래의 어떤 비팽창성의 장착 매트가 또한 900℃이상의 고온면 온도에서 1000번의 사이클 후에 "높은" 최소 압력을 유지할 수 있지만, 이러한 매트는 균일하게 30% 또는 그 이상의 높은 알루미나 함량을 갖는 매우 고가의 졸 겔 유도 세라믹 섬유(sol gel derived ceramic fibers) 또는 결정질 석영 유도 섬유 또는 이 양자 모두를 포함한다. 종래의 비팽창성의 매트는 67% 보다 많은 실리카를 갖는 침출된 유리 섬유를 포함하지 않는다

작업 중에, 촉매 컨버터는 큰 온도 변화를 겪게된다. 열팽창 계수의 차이로 인해, 하우징은 지지 구조(18) 보다 많이 팽창되어, 이 요소들 간의 간극은 약간 더 증가한다. 전형적인 경우에 있어서, 상기 간극은 컨버터의 열 사이클중에 약 0.25 ~ 약 50 mm 정도 팽창 및 수축된다. 장착 매트의 두께 및 장착 밀도는, 깨지기 쉬운 구조가 진동 이완(vibrating loose)되는 것을 방지하기 위해 모든 조건 하에서 약 10 kPa 이상의 최소 홀딩 압력이 유지되도록 선택된다. 이 조건 하에서 장착 매트(20)에 의하여 가해지는 장착 압력은 구성 요소의 물리적인 온전성을 손상시킴이 없이 조립체의 열적 특성의 수용을 가능케 한다.

저온에서 사용되는 장착 매트에서, 테스트는 약 300℃ 에서 행하여진다. 그러나, 이 테스트는 설명된 고온 테스트와 같은 방법으로 행하여진다. 그러나, 하중 차이가 있고 더 무거운 촉매 구조가 종종 사용된다면 최소 홀딩 압력은 더 높아야 한다. 따라서, 위에서 설명한 것처럼 상기 매트는 약 300℃ 의 고온면 온도에서의 1000 번의 사이클 후에 깨지기 쉬운 구조에 대해 50 kPa 이상의 홀딩 압력을 제공하여야 한다.

본발명을 일반적인 면에서 설명하였지만, 이제는 실시예에 따라서 자세히 설명하도록 한다. 이후에 설명될 실시예는 예시를 위한 것이며, 다른 식으로 설명되지 않는다면 어떤 면에서도 한정적이 아니다. 이 실시예는 단지 본발명의 실행을 설명하기 위한 것이다.

본발명의 실시를 설명하기 위하여, BELCOTEX 침출된 유리 실리카 섬유가 2 시간동안 약 900℃ ~ 1100℃ 사이에서 열처리 되었다. 열처리된 섬유는 가열될때 침출된 유리 실리카 섬유를 결합하는데 적절한 약 6.5 중량% 의 섬유와 혼합된다. 결합된 섬유는 그 후 매트의 형태로 습식 적층된다. 이 매트는 약 60℃의 온도로 오븐에서 건조된다. 건조된 매트는 그 후 약 148kg/m³ 의 밀도로 열 가압된다. 이 가압된 매트는 촉매 컨버터에서 장착 매트로서 사용되기에 적절한 최종 형상으로 제조된다.

다른 실시예에 있어서, 본발명은 매트에 있는 상기 침출된 유리 섬유를 제 1 습식 적층함으로써 설명된다. 상기 매트는 약 148kg/m³ 의 밀도를 얻기 위하여 니들 펀칭된다. 이 니들링된 매트는 그 후 2 시간동안 900℃ ~ 1100℃ 사이에서 열처리된다. 열처리가 된 후, 이 매트는 촉매 컨버터에서 장착 매트로서 사용될 수 있는 최종 제품의 형태로 된다.

다른 제조자에 의하여 얻어지는 침출된 유리 실리카 섬유를 포함하는 다른 장착 매트는 위에 설명한 방법 중의 하나를 본질적으로 사용하여 제조되었으며 매트 또는 섬유는 약 900℃ 이상의 온도로 열처리되었다. 비교의 목적으로 실리카 함량이 높은 침출된 유리 섬유를 함유하는 샘플 매트가 제조되었으며, 섬유 또는 매트는 열처리하지 않았다. 이 매트는 "본래의" 상태라고 한다.

하나 이상의 경우에, "미리 수축된" 침출된 유리 실리카 섬유 블랭킷이 테스트 되었다. 이 섬유 블랭킷은 상업적으로 다양한 용도로 이용이 가능하나, 배기가스 처리장치용 장착 매트로서 사용되게에 적절하다고 시험되거나 제안된 적이 없다. "미리 수축된(pre-shruk)" 이라는 의미는 침출된 유리 실리카 섬유가 블랭킷의 수축을 낮추기 위하여 미리 더 처리되었다는 의미이다. 섬유 블랭킷이 고온에서 사용될 때 그 형상을 바람직하게 유지하고 수축하지 않아야 하는 경우가 많이 있다.

각 매트는 고온(900℃)에서 1000 번의 사이클의 간극 팽창 테스트를 받는다. 테스트 조건은 샘플 매트를 비교하는데 사용되는 일군의 일정한 파라미터로 구성된다. 이 테스트 파리미터는 세가지의 다른 300℃, 600℃, 900℃의 고온 면온도, 0.3 g/cm³ 간극 벌크 밀도, 약 5%의 간극 팽창율을 포함한다. 상기 파라미터와 장착 매트의 공지된 기초중량에서, 2.9 ~ 5.45 mm 의 간극이 사용될 때 0.3 g/cm³ 간극 벌크 밀도가 나타난다. 저온(300℃)의 1000 번의 사이클 테스트에서, 4.13 mm의 간극 및 약 2%의 간극 팽창율이 사용되었다.

당업자는 불필요한 실험없이 상기 파라미터를 사용하여 1000 번의 사이클 테스트를 실행할 수 있다. 다시 말하면, 상기 일군의 파라미터들의 세트는 당업자가 매트의 특성이나 간극의 크기에 상관없이 유효 홀딩 압력의 근사한 비교를 가능하게 한다. 여기에서 테스트되는 특정의 매트에 대해, 2.9 ~ 5.45 mm의 간극 크기는 기본 중량 및 간극 벌크 밀도 같은 다른 파라미터들에 기초하여 적절하다고 판단된다. 또한, 장착 매트의 간극 벌크 밀도는 용도에 따라 변한다. 허용가능한 최소 홀딩 압력은 0.3 g/cm³ 같은 낮은 간극 벌크 밀도에서 얻어질 수 없고, 어떤 용도에서는 0.5 g/cm³ 같은 높은 간극 벌크 밀도에서 얻어질 수 있다. 따라서, 이 테스트는 용도에 적절한 어떠한 간극 벌크 밀도를 사용하여 완성되며, 이 밀도는 일반적으로 0.3 ~ 0.5 g/cm³ 이다.

상기 테스트의 결과는 표 1 에 도시되어 있다.

<표 1>

1000 번의 사이클의 간극 팽창 테스트 결과(kPa)

실시예 번호/ 테스트	1 본래상태	2 열처리	3 본래상태	4 미리 수축된 경우	5 열처리	6 본래상태	7 열처리
Pmin 1000@ 0.3 GBD 및 300℃	7.93	124	14.73	63.16	98.43	12.4	122.06
Pmin 1000@ 0.3 GBD 및 900℃	2.00	98.79	4.07	39.71	29.44	2.41	41.36
P고정 간극@ 0.3 GBD 및 300℃	24.82	264.04	21.71	114.44	110.10	34.88	89.14
P고정 간극@ 0.3 GBD 및 600℃	6.98	259.01	10.86	122.09	114.72	11.72	81.42
P고정 간극@ 0.3 GBD 및 900℃	7.75	253.56	8.14	126.37	115.54	7.72	97.69

상기 결과를 검토하면, 모든 처리 및 침출된 유리 섬유 매트는 최초의 300℃, 600℃ 및 900℃ 에서의 테스트에서 고온 용도에 대한 최소 홀딩 압력(Pmin= 10kPa) 및 저온 용도에 대한 최소 홀딩 압력(Pmin=50kPa) 보다 훨씬 높은 홀딩 압력으로 시작했다.(P_고정 간극 결과) 그러나, "본래의 상태의" 침출된 유리 실리카 섬유 매트는 1000번의 사이클 후에도 말할 것도 없이 최초의 사이클에서 적절한 홀딩 압력을 유지하지 못했다. 상기 결과값을 비교하면, 처리 및 침출된 유리 섬유가 사용된 매트 모두에서는 테스트에서 1000 번의 사이클 이후에 요구되는 최소 압력 이상의 유효 홀딩 압력 또는 하중(Pmin)을 유지했다. 고온이 적용될 때, 900℃ 에서 1000번의 사이클 후의 처리된 섬유의 최소 유효 홀딩 압력 (Pmin) 은 10kPa를 훨씬 상위하는 29kPa이다.

본발명의 배기가스 처리장치용 비팽창성 장착 매트 및 졸 겔 세라믹 섬유 또는 결정질 석영 유도 섬유와 비교하여 실리카를 함유한 침출된 유리 섬유의 제조와 관련한 상대적으로 적은 비용으로 입증된 1000 사이클 간극 팽창 테스트의 결과에서 볼 때, 상기 매트는 촉매 컨버터 또는 디젤 미립자 트랩 산업에 유리하다. 만약 필요하다면 크랙이 없이 촉매 지지 구조 전체를 감쌀 수 있도록 상기 장착 매트는 다이 절단(die cut) 되어 취급이 용이한 얇은 형태 및 가요성을 지닌 탄력적인 지지수단으로 작용할 수 있다. 대안적으로, 장착 매트는 촉매 지지 구조의 적어도 일부의 전체 원주나 둘레에 일체적으로 감싸일 수 있다. 상기 장착 매트는 부분적으로도 감싸일 수 있으며 또한 필요하다면 가스의 바이 패스를 방지하기 위해 종래의 일부 컨버터 장치에서 현재 사용되고 있는 말단-시일(end-seal)을 포함할 수 있다.

위에서 설명한 상기 장착 매트는 다양한 용도로 유용한데, 오토바이 및 다른 소형 엔진 기계들에 사용되는 종래의 자동차 촉매 컨버터, 자동차 프리컨버터 뿐만 아니라 고온 스페이서(spacer), 가스켓(gasket), 심지어 미래의 자동차의 저면 촉매 컨버터 시스템에도 유용하다. 일반적으로, 이 장착 매트는 상온에서 홀딩 압력을 내고, 보다 중요하게는 열사이클 기간 동안을 포함하여 약 25℃ 내지 약 1100℃ 이상의 상승된 온도하에서 홀딩 압력을 유지하는 능력을 제공하는 매트 또는 가스켓을 요구하는 분야에서 사용될 수 있다.

위에서 설명한 장착 매트는, 보호되면서 장착될 필요가 있는 깨지기 쉬운 벌 집형의 구조(honeycomb type structure)를 포함하는 것도 포함해서 화학 산업에서 배기 또는 방출 스택 내에 배치되어 사용되는 촉매 컨버터에서도 사용될 수 있다.

본발명은 위에서 설명한 구체적인 실시예에 한정되지 않으며, 이하의 청구항에서 규정되는 변형, 수정 및 동등한 실시예를 포함한다. 다양한 실시예가 요구되는 특징을 제공하기 위하여 결합될 수 있는 것처럼, 위에서 설명한 상기 실시예는 대체형태에 반드시 국한되는 것은 아니다.

Claims (23)

1. 배기가스를 처리하는 장치에 있어서,

   하우징;

   이 하우징내에 장착된 단일체; 및

   상기 하우징 및 단일체 사이의 간극에 배치된 비팽창성의 장착 매트를 포함하고,

   상기 장착 매트는 67 중량% 이상의 실리카를 함유하는 용융 성형, 침출, 및 열처리된 유리 섬유를 포함하고, (ⅰ) 900℃ 의 고온 면 온도, 0.3 ~ 0.5 g/cm³ 간극 벌크 밀도 및, 5% 의 간극 팽창율에서 1000 번의 사이클의 테스트 후에 10kPa 이상 또는 (ⅱ) 300℃ 의 고온 면 온도, 0.3 ~ 0.5 g/cm³ 의 간극 벌크 밀도 및, 2% 의 간극 팽창율에서 1000 번의 사이클의 테스트 후에 50kPa 이상의 하우징 내에 단일체를 보유하기 위한 최소 홀딩 압력을 나타내는 배기가스 처리장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 침출된 유리 섬유는 90 중량% 이상의 실리카를 함유하는 배기가스 처리장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 침출된 유리 섬유는 93 ~ 95 중량% 의 실리카와 4 ~ 6 중량% 의 알루미나를 함유하는 배기가스 처리장치.
4. 제 1 항에 있어서, 침출된 유리섬유는 용융 인발되는 배기가스 처리장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 장착 매트는 100 중량% 의 전체 매트를 기준으로 50 ~ 100 중량 % 의 상기 침출된 유리 섬유를 함유하는 배기가스 처리장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 장착 매트는 100 중량% 의 전체 매트를 기준으로 0 중량% 를 초과하고 50 중량% 까지의 범위의 S-2 유리 섬유 또는 내화 세라믹 섬유를 함유하는 배기가스 처리장치.
7. 제 1 항에 있어서, 이하 중에서 하나 이상을 특징으로 하는 배기가스 처리장치.

   (ⅰ) 상기 장착 매트에는 결합제가 없음;

   (ⅱ) 상기 침출된 유리 섬유는 직경이 3.5㎛ 보다 큼 ; 또는

   (ⅲ) 상기 침출된 유리 섬유에는 숏 이 없음.
8. 제 1 항에 따른 배기가스 처리장치를 제조하는 방법에 있어서,

   용융-성형된 유리 섬유를 침출하여 침출 전 보다 더 많은 실리카 함량을 가지면서 67 중량% 이상의 실리카를 함유하게 하고 이러한 용융-성형된 유리 섬유를 포함하는 장착 매트를 제공하는 단계와,

   장착 매트를 형성하기 전에 침출된 유리 섬유를 열처리하는 단계, 또는 단일체를 감싸기 전에 장착 매트를 열처리하는 단계,

   배기가스를 처리하기 위한 단일체 주위에 장착 매트를 감싸는 단계, 및

   상기 장착 매트가 하우징 내에 단일체를 지지하도록 단일체 및 장착매트를 상기 하우징 내에 배치하는 단계를 포함하며,

   장착 매트는 (ⅰ) 900℃ 의 고온 면 온도, 0.3 ~ 0.5 g/cm³ 간극 벌크 밀도 및, 5% 의 간극 팽창율에서 1000 번의 사이클의 테스트 후에 10kPa 이상 또는 (ⅱ) 300℃ 의 고온 면 온도, 0.3 ~ 0.5 g/cm³ 의 간극 벌크 밀도 및, 2% 의 간극 팽창율에서 1000 번의 사이클의 테스트 후에 50kPa 이상의 하우징 내에 단일체를 보유하기 위한 최소 홀딩 압력을 나타내는 배기가스 처리장치의 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서, 용융 성형된 유리 섬유를 침출하는 단계는 산성 용액에서 상기 용융 성형된 유리 섬유를 침출하는 것을 포함하는 배기가스 처리장치의 제조방법.
10. 제 8 항에 있어서, 하우징내에 단일체를 지지하기 위한 10 kPa 이상의 유효 최소 홀딩 압력을 낼 수 있도록 단일체를 감싸기 전에 상기 섬유 또는 장착 매트를 300℃ 이상의 온도에서 열처리하는 것을 더 포함하는 배기가스 처리장치의 제조방법.
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