KR101117471B1 - 허니컴 구조체 및 배기 가스 정화 장치 - Google Patents

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마사후미 구니에다
다카히코 이도
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이비덴 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 허니컴 구조체는, 무기 입자와, 무기 바인더를 포함하고, 복수의 관통공이 격벽을 사이에 두고 길이 방향으로 나란히 형성된 허니컴 유닛을 갖는 허니컴 구조체로서, 길이 방향과 거의 수직인 양 끝면의 진원도가 1.5 ㎜ 이상 4.0 ㎜ 이하이고, 양 끝면 중, 일방의 끝면의 진원도가 타방의 끝면의 진원도와 상이하다.

Description

허니컴 구조체 및 배기 가스 정화 장치{HONEYCOMB STRUCTURE AND EXHAUST GAS PURIFYING APPARATUS}
본 발명은, 허니컴 구조체 및 배기 가스 정화 장치에 관한 것이다.
자동차 배기 가스의 정화에 관해서는, 많은 기술이 개발되고 있으나, 교통량의 증대도 있어, 아직 충분하다고는 하기 어렵다. 한편, 자동차의 배기 가스 규제는 더욱 강화되어 가는 방향에 있다. 그 중에서도, 디젤 배기 가스 중의 NOx 규제에 대해서는 매우 엄격해지고 있다. 종래에는, 엔진의 연소 시스템 제어에 의해 NOx 저감을 도모해 왔으나, 그것만으로는 완전히 대응할 수 없게 되었다. 그래서, 암모니아를 사용하여 NOx 를 질소와 물로 환원시키는 SCR (Selective Catalytic Reduction) 시스템이 알려져 있다. 또한, SCR 시스템에 있어서, 암모니아를 흡착시키는 재료로서 제올라이트가 알려져 있다.
한편, 특허 문헌 1 에는, 허니컴 유닛이 세라믹 입자와, 무기 섬유 및/또는 위스커를 함유하고, 허니컴 유닛의 길이 방향과 수직인 단면 (斷面) 에 있어서의 단면적이 5 ㎠ 이상 50 ㎠ 이하이고, 길이 방향과 수직인 단면의 진원도가 1.0 ㎜ 이상 2.5 ㎜ 이하인 허니컴 구조체가 개시되어 있다. 이 때, 세라믹으로는, 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 멀라이트 및 제올라이트로 이루어 지는 군에서 선택되는 1 종 이상이 예시되어 있다.
또한, 배기 가스 정화 장치로는, 일반적으로 허니컴 구조체의 외주부에 유지 시일재를 배치한 상태에서, 스테인리스 등의 금속 용기에 수납한 것이 사용되고 있다.
특허 문헌 1 : 국제 공개 제06/137160호 팜플렛
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
그러나, 제올라이트를 포함하는 재료를 압출 성형하여 얻어지는 허니컴 구조체는, NOx 의 정화능을 향상시키기 위해서 표면적을 크게 하는 경우, 충분히 소결시킬 수 없기 때문에 강도가 저하되기 쉽다. 이 때문에, 배기 가스 정화 장치를 제작하는 경우, 허니컴 구조체를 금속 용기에 수납할 때에 큰 압력을 인가할 수 없다. 그 결과, 이와 같은 배기 가스 정화 장치를 자동차 등에 사용한 경우, 배압 (排壓), 진동 등에 의해, 허니컴 구조체가 금속 용기로부터 어긋난다는 문제가 있다.
본 발명은, 상기의 종래 기술이 갖는 문제를 감안하여, 금속 용기에 수납된 경우에, 금속 용기로부터의 어긋남을 억제할 수 있는 허니컴 구조체 및 그 허니컴 구조체를 갖는 배기 가스 정화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명의 허니컴 구조체는, 무기 입자와, 무기 바인더를 포함하고, 복수의 관통공이 격벽을 사이에 두고 길이 방향으로 나란히 형성된 허니컴 유닛을 갖는 허니컴 구조체로서, 길이 방향과 거의 수직인 양 끝면의 진원도가 1.5 ㎜ 이상 4.0 ㎜ 이하이고, 양 끝면 중, 일방의 끝면의 진원도가 타방의 끝면의 진원도와 상이하다.
또한, 상기 무기 입자는, 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아, 세리아, 멀라이트 및 이들의 전구체 그리고 제올라이트로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 허니컴 유닛은, 겉보기 단위 체적당 상기 제올라이트의 함유량이 230 g/ℓ 이상 270 g/ℓ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 허니컴 유닛의 겉보기 체적은, 관통공을 포함하는 체적을 의미한다.
또한, 상기 제올라이트는, β 형 제올라이트, Y 형 제올라이트, 페리어라이트, ZSM-5 형 제올라이트, 모데나이트, 포우저사이트, 제올라이트 A 및 제올라이트 L 로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제올라이트는, 알루미나에 대한 실리카의 몰비가 30 이상 50 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제올라이트는, Fe, Cu, Ni, Co, Zn, Mn, Ti, Ag 및 V 로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상으로 이온 교환되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제올라이트는 2 차 입자를 포함하고, 그 2 차 입자의 평균 입경이 0.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 무기 바인더는, 알루미나 졸, 실리카 졸, 티타니아 졸, 물유리, 세피올라이트 및 아타풀자이트로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상에 포함되는 고형분인 것이 바람직하다.
또한, 상기 허니컴 유닛은, 무기 섬유를 추가로 포함하는 것이 바람직하고, 무기 섬유는, 알루미나, 실리카, 탄화규소, 실리카알루미나, 유리, 티탄산칼륨 및 붕산알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상인 것이 특히 바람직하다.
또한, 상기 허니컴 구조체는, 외주에 코팅층을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 허니컴 구조체는, 단일의 상기 허니컴 유닛을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 허니컴 구조체는, 복수의 상기 허니컴 유닛이, 접착층을 통해 접착되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 배기 가스 정화 장치는, 상기 허니컴 구조체와, 허니컴 구조체의 외주에 배치되어 있는 유지 시일재와, 유지 시일재가 외주에 배치되어 있는 허니컴 구조체가 수용되어 있는 금속 용기를 갖는다.
발명의 효과
본 발명에 의하면, 금속 용기에 수납된 경우에, 금속 용기로부터의 어긋남을 억제할 수 있는 허니컴 구조체 및 그 허니컴 구조체를 갖는 배기 가스 정화 장치를 제공할 수 있다.
도 1A 는 본 발명의 허니컴 구조체의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 1B 는 도 1A 의 허니컴 구조체의 길이 방향의 단면도이다.
도 2A 는 본 발명의 허니컴 구조체의 다른 예를 나타내는 사시도이다.
도 2B 는 도 2A 의 허니컴 유닛을 나타내는 사시도이다.
도 3 은 본 발명의 배기 가스 정화 장치의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 4A 는 진동 장치의 정면도이다.
도 4B 는 진동 장치의 측면도이다.
부호의 설명
10, 10' : 허니컴 구조체
11 : 허니컴 유닛
12 : 관통공
13 : 접착층
14 : 외주 코팅층
20 : 유지 시일재
30 : 금속 용기
100 : 배기 가스 정화 장치
A, B : 끝면
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
다음으로, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 도면과 함께 설명한다.
도 1A 및 도 1B 에 본 발명의 허니컴 구조체의 일례를 나타낸다. 원기둥 형상의 허니컴 구조체 (10) 는, 제올라이트와 무기 바인더를 포함하고, 복수의 관 통공 (12) 이 격벽을 사이에 두고 길이 방향으로 나란히 형성된 단일의 허니컴 유닛 (11) 의 외주면에 외주 코팅층 (14) 이 형성되어 있다. 이 때, 허니컴 구조체 (10) 는, 길이 방향과 거의 수직인 끝면 A 및 끝면 B 의 진원도가 1.5 ～ 4.0 ㎜ 이고, 끝면 A 의 진원도가 끝면 B 의 진원도와 상이하다. 이 때문에, 허니컴 구조체 (10) 가 금속 용기에 수납된 경우에, 금속 용기로부터의 어긋남을 억제할 수 있다. 끝면 A 및/또는 끝면 B 의 진원도가 1.5 ㎜ 미만이면, 허니컴 구조체 (10) 의 금속 용기로부터의 어긋남을 억제하기가 곤란하고, 4.0 ㎜ 를 초과하면, 허니컴 구조체를 금속 용기에 수납할 때에 진원도를 크게 하고 있는 부분에 압력이 집중되어 인가되어 파손되기 쉬워진다.
또한, 끝면 A 및 끝면 B 의 진원도의 차 (절대치) 가 1.0 ～ 2.0 ㎜ 인 것이 바람직하다. 끝면 A 및 끝면 B 의 진원도의 차가 1.0 ㎜ 미만이면, 허니컴 구조체 (10) 가 금속 용기에 수납된 경우에 금속 용기로부터의 어긋남을 억제하기 곤란해지는 경우가 있고, 4.0 ㎜ 를 초과하면, 허니컴 구조체 (10) 를 제작하기 곤란해지는 경우가 있다.
허니컴 구조체 (10) 의 끝면 A 및 끝면 B 이외의 부분은, 통상적으로, 제작이 용이한 점에서, 길이 방향과 수직인 단면이 대략 진원인 것이 바람직하다. 이와 같은 허니컴 구조체 (10) 는, 길이 방향과 수직인 단면이 대략 진원인 허니컴 구조체의 끝면 A 및 끝면 B 의 진원도를 변화시킴으로써 제작할 수 있다. 또한, 허니컴 구조체 (10) 는, 끝면 A 및 끝면 B 이외의 부분에서, 길이 방향과 수직인 단면의 진원도가 큰 부분을 1 지점 이상 가지고 있어도 된다.
또한, 진원도란, 원형 형체의 기하학적 원으로부터의 오차의 크기를 의미하고, 원형 형체를 2 개의 기하학적 원으로 사이에 끼웠을 때, 2 개의 원의 반경 차가 최소가 되는 경우의 반경 차로 나타낸다. 또한, 진원도는, 레이저 측정기, 게이지 측정기, 평행 백색광을 조사하는 광학 측정기, 디지털 버니어 캘리퍼스 등을 사용하여 자동 측정할 수 있다.
허니컴 유닛 (11) 은, 겉보기 단위 체적당 제올라이트의 함유량이 230 ～ 270 g/ℓ 인 것이 바람직하다. 허니컴 유닛 (11) 의 겉보기 단위 체적당 제올라이트의 함유량이 230 g/ℓ 미만이면, 충분한 NOx 의 정화율을 얻기 위해서 허니컴 유닛 (11) 의 겉보기 체적을 크게 해야 하는 경우가 있고, 270 g/ℓ 를 초과하면, 허니컴 유닛 (11) 의 강도가 불충분해지는 경우가 있다.
제올라이트로서는, 특별히 한정되지 않지만, β 형 제올라이트, ZSM-5 형 제올라이트, 모데나이트, 포우저사이트, 제올라이트 A, 제올라이트 L 등을 들 수 있고, 2 종 이상 병용해도 된다.
또한, 제올라이트는, 알루미나에 대한 실리카의 몰비가 30 ～ 50 인 것이 바람직하다.
또한, 제올라이트는, 암모니아의 흡착능을 크게 하기 위해서, 이온 교환되어 있어도 된다. 이온 교환되는 양이온종으로는, 특별히 한정되지 않지만, Fe, Cu, Ni, Co, Zn, Mn, Ti, Ag, V 등을 들 수 있고, 2 종 이상 병용해도 된다. 이온 교환량은 1.0 ～ 10.0 중량％ 인 것이 바람직하고, 1.0 ～ 5.0 중량％ 가 더욱 바람직하다. 이온 교환량이 1.0 중량％ 미만이면, 이온 교환에 의한 암모니 아의 흡착능의 변화가 불충분해지는 경우가 있고, 10.0 중량％ 를 초과하면, 열을 가했을 때에 구조적으로 불안정해지는 경우가 있다. 또한, 제올라이트를 이온 교환할 때에는, 양이온을 함유하는 수용액 중에 제올라이트를 침지시키면 된다.
또한, 제올라이트는 2 차 입자를 함유하는 것이 바람직하고, 제올라이트의 2 차 입자의 평균 입경이 0.5 ～ 10 ㎛ 인 것이 바람직하다. 제올라이트의 2 차 입자의 평균 입경이 0.5 ㎛ 미만이면, 무기 바인더를 다량으로 첨가할 필요가 있고, 그 결과, 압출 성형하기 어려워지는 경우가 있으며, 10 ㎛ 를 초과하면, 제올라이트의 비표면적이 저하되어 NOx 의 정화율이 저하되는 경우가 있다.
또한, 허니컴 유닛 (11) 은, 강도를 향상시키기 위해서, 제올라이트를 제외한 무기 입자를 추가로 함유해도 된다. 제올라이트를 제외한 무기 입자로는, 특별히 한정되지 않지만, 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아, 세리아, 멀라이트 및 이들의 전구체 등을 들 수 있고, 2 종 이상 병용해도 된다. 그 중에서도, 알루미나, 지르코니아가 특히 바람직하다.
제올라이트를 제외한 무기 입자는, 평균 입경이 0.5 ～ 10 ㎛ 인 것이 바람직하다. 이 평균 입경이 0.5 ㎛ 미만이면, 무기 바인더를 다량으로 첨가할 필요가 있고, 그 결과, 압출 성형하기 어려워지는 경우가 있으며, 10 ㎛ 를 초과하면, 허니컴 유닛 (11) 의 강도를 향상시키는 효과가 불충분해지는 경우가 있다. 또한, 제올라이트를 제외한 무기 입자는 2 차 입자를 포함하고 있어도 된다.
또한, 제올라이트의 2 차 입자의 평균 입경에 대한 제올라이트를 제외한 무기 입자의 2 차 입자의 평균 입경의 비가 1 이하인 것이 바람직하고, 0.1 ～ 1 이 더욱 바람직하다. 이 비가 1 을 초과하면, 허니컴 유닛 (11) 의 강도를 향상시키는 효과가 불충분해지는 경우가 있다.
허니컴 유닛 (11) 은, 제올라이트를 제외한 무기 입자의 함유량이 3 ～ 30 중량％ 인 것이 바람직하고, 5 ～ 20 중량％ 가 더욱 바람직하다. 이 함유량이 3 중량％ 미만이면, 허니컴 유닛 (11) 의 강도를 향상시키는 효과가 불충분해지는 경우가 있고, 30 중량％ 를 초과하면, 허니컴 유닛 (11) 중의 제올라이트의 함유량이 저하되어, NOx 의 정화율이 저하되는 경우가 있다.
무기 바인더로는, 특별히 한정되지 않지만, 알루미나 졸, 실리카 졸, 티타니아 졸, 물유리, 세피올라이트, 아타풀자이트 등에 포함되는 고형분을 들 수 있고, 2 종 이상 병용해도 된다.
허니컴 유닛 (11) 은, 무기 바인더의 함유량이 5 ～ 30 중량％ 인 것이 바람직하고, 10 ～ 20 중량％ 가 더욱 바람직하다. 무기 바인더의 함유량이 5 중량％ 미만이면, 허니컴 유닛 (11) 의 강도가 저하되는 경우가 있고, 30 중량％ 를 초과하면, 성형이 곤란해지는 경우가 있다.
허니컴 유닛 (11) 은, 강도를 향상시키기 위해서 무기 섬유를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
무기 섬유로는, 허니컴 유닛 (11) 의 강도를 향상시키는 것이 가능하면 특별히 한정되지 않지만, 알루미나, 실리카, 탄화규소, 실리카알루미나, 유리, 티탄산칼륨, 붕산알루미늄 등을 들 수 있고, 2 종 이상 병용해도 된다.
무기 섬유는, 애스펙트비가 2 ～ 1000 인 것이 바람직하고, 5 ～ 800 이 더 욱 바람직하며, 10 ～ 500 이 특히 바람직하다. 애스펙트비가 2 미만이면, 허니컴 유닛 (11) 의 강도를 향상시키는 효과가 작아지는 경우가 있다. 한편, 애스펙트비가 1000 을 초과하면, 압출 성형 등의 성형시에 금형에 막힘 등이 발생하는 경우가 있고, 또한 성형시에 무기 섬유가 절단되어, 허니컴 유닛 (11) 의 강도를 향상시키는 효과가 작아지는 경우가 있다.
허니컴 유닛 (11) 은, 무기 섬유의 함유량이 3 ～ 50 중량％ 인 것이 바람직하고, 3 ～ 30 중량％ 가 더욱 바람직하며, 5 ～ 20 중량％ 가 특히 바람직하다. 무기 섬유의 함유량이 3 중량％ 미만이면, 허니컴 유닛 (11) 의 강도를 향상시키는 효과가 작아지는 경우가 있고, 50 중량％ 를 초과하면, 허니컴 유닛 (11) 중의 제올라이트의 함유량이 저하되어, NOx 의 정화율이 저하되는 경우가 있다.
허니컴 유닛 (11) 은, 길이 방향과 수직인 단면 개구율이 50 ～ 65 ％ 인 것이 바람직하다. 개구율이 50 ％ 미만이면, 제올라이트가 NOx 의 정화에 유효하게 사용되지 않게 되는 경우가 있고, 65 ％ 를 초과하면, 허니컴 구조체 (10) 의 강도가 불충분해지는 경우가 있다.
허니컴 유닛 (11) 은, 길이 방향과 수직인 단면의 관통공 (12) 의 밀도가 15.5 ～ 124 개/㎠ 인 것이 바람직하고, 31 ～ 93 개/㎠ 가 더욱 바람직하다. 관통공 (12) 의 밀도가 15.5 개/㎠ 미만이면, 배기 가스와 제올라이트가 접촉하기 어려워져, 허니컴 유닛 (11) 의 NOx 정화능이 저하되는 경우가 있고, 124/㎠ 를 초과하면, 허니컴 유닛 (11) 의 압력 손실이 증대되는 경우가 있다.
허니컴 유닛 (11) 의 관통공 (12) 을 사이에 둔 격벽은, 두께가 0.10 ～ 0.50 ㎜ 인 것이 바람직하고, 0.15 ～ 0.35 ㎜ 가 더욱 바람직하다. 격벽의 두께가 0.10 ㎜ 미만이면, 허니컴 유닛 (11) 의 강도가 저하되는 경우가 있고, 0.50 ㎜ 를 초과하면, 배기 가스가 격벽의 내부까지 침투하기 어려워져, 제올라이트가 NOx 의 정화에 유효하게 사용되지 않는 경우가 있다.
외주 코팅층 (14) 은, 두께가 0.1 ～ 2 mm 인 것이 바람직하다. 외주 코팅층 (14) 의 두께가 0.1 ㎜ 미만이면, 허니컴 구조체 (10) 의 강도를 향상시키는 효과가 불충분해지는 경우가 있고, 2 ㎜ 를 초과하면, 허니컴 구조체 (10) 의 단위 체적당 제올라이트의 함유량이 저하되어, 허니컴 구조체 (10) 의 NOx 정화능이 저하되는 경우가 있다.
또한, 관통공 (12) 의 형상은 사각기둥 형상이지만, 본 발명에 있어서 관통공의 형상으로는, 특별히 한정되지 않고, 삼각기둥 형상, 육각기둥 형상 등을 들 수 있다.
다음으로, 허니컴 구조체 (10) 의 제조 방법의 일례에 대해 설명한다. 먼저, 제올라이트 및 무기 바인더를 포함하고, 필요에 따라 제올라이트를 제외한 무기 입자, 무기 섬유 등을 추가로 포함하는 원료 페이스트를 사용하여 압출 성형 등의 성형을 실시하고, 복수의 관통공이 격벽을 사이에 두고 길이 방향으로 나란히 형성된 생 (生) 의 원기둥 형상의 허니컴 성형체를 제조한다. 이로써, 소성 온도를 낮게 해도, 충분한 강도를 갖는 원기둥 형상의 허니컴 유닛 (11) 이 얻어진다.
또한, 무기 바인더는, 원료 페이스트 중에 알루미나 졸, 실리카 졸, 티타니 아 졸, 물유리, 세피올라이트, 아타풀자이트 등으로 첨가되어 있고, 2 종 이상 병용되어 있어도 된다.
또한, 원료 페이스트에는, 유기 바인더, 분산매, 성형 보조제 등을 필요에 따라 적절히 첨가해도 된다.
유기 바인더로는, 특별히 한정되지 않지만, 메틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 폴리에틸렌 글리콜, 페놀 수지, 에폭시 수지 등을 들 수 있고, 2 종 이상 병용해도 된다. 또한, 유기 바인더의 첨가량은, 제올라이트, 제올라이트를 제외한 무기 입자, 무기 섬유 및 무기 바인더의 총 중량에 대해 1 ～ 10 ％ 인 것이 바람직하다.
분산매로는, 특별히 한정되지 않지만, 물, 벤젠 등의 유기 용매, 메탄올 등의 알코올 등을 들 수 있고, 2 종 이상 병용해도 된다.
성형 보조제로는, 특별히 한정되지 않지만, 에틸렌글리콜, 덱스트린, 지방산, 지방산 비누, 폴리알코올 등을 들 수 있고, 2 종 이상 병용해도 된다.
원료 페이스트를 조제할 때에는, 혼합 혼련하는 것이 바람직하고, 믹서, 애트라이터 등을 사용하여 혼합해도 되고, 니더 등을 사용하여 혼련해도 된다.
다음으로, 마이크로파 건조기, 열풍 건조기, 유전 건조기, 감압 건조기, 진공 건조기, 동결 건조기 등의 건조기를 사용하여, 얻어진 허니컴 성형체를 건조시킨다.
또한, 얻어진 허니컴 성형체를 탈지한다. 탈지 조건은, 특별히 한정되지 않고, 성형체에 포함되는 유기물의 종류나 양에 따라 적절히 선택할 수 있는데, 400 ℃ 에서 2 시간인 것이 바람직하다.
다음으로, 얻어진 허니컴 성형체를 소성함으로써, 원기둥 형상의 허니컴 유닛 (11) 이 얻어진다. 소성 온도는, 600 ～ 1200 ℃ 인 것이 바람직하고, 600 ～ 1000 ℃ 가 더욱 바람직하다. 소성 온도가 600 ℃ 미만이면 소결이 진행되기 어려워져, 허니컴 구조체 (10) 의 강도가 낮아지는 경우가 있고, 1200 ℃ 를 초과하면 소결이 지나치게 진행되어, 제올라이트의 반응 사이트가 감소되는 경우가 있다.
또한, 그 상태의 허니컴 성형체의 외주벽을 가압하거나, 건조 후, 탈지 후 또는 소성 후의 허니컴 유닛 (11) 의 외주벽을 연마하거나 함으로써, 허니컴 구조체 (10) 의 끝면 A 및 끝면 B 의 진원도를 변화시킬 수 있다.
다음으로, 원기둥 형상의 허니컴 유닛 (11) 의 외주면에 외주 코팅층용 페이스트를 도포한다. 외주 코팅층용 페이스트로는, 특별히 한정되지 않지만, 무기 바인더 및 무기 입자의 혼합물, 무기 바인더 및 무기 섬유의 혼합물, 무기 바인더, 무기 입자 및 무기 섬유의 혼합물 등을 들 수 있다.
또한, 외주 코팅층용 페이스트는 유기 바인더를 함유해도 된다. 유기 바인더로는, 특별히 한정되지 않지만, 폴리비닐알코올, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스 등을 들 수 있고, 2 종 이상 병용해도 된다.
다음으로, 외주 코팅층용 페이스트가 도포된 허니컴 유닛 (11) 을 건조 고화시킴으로써, 원기둥 형상의 허니컴 구조체 (10) 가 얻어진다. 이 때, 외주 코팅층용 페이스트에 유기 바인더가 포함되어 있는 경우에는, 탈지하는 것이 바람직 하다. 탈지 조건은, 유기물의 종류나 양에 따라 적절히 선택할 수 있는데, 700 ℃ 에서 20 분간인 것이 바람직하다.
또한, 외주 코팅층 (14) 의 두께를 일정하게 하지 않고, 변화시킴으로써, 허니컴 구조체 (10) 의 끝면 A 및 끝면 B 의 진원도를 변화시킬 수 있다. 외주 코팅층 (14) 의 두께를 변화시키는 방법으로는, 외주 코팅층 (14) 의 도포시의 두께를 변화시키는 방법, 도포 후의 외주 코팅층 (14) 을 가압하는 방법, 건조 고화 후의 외주 코팅층 (14) 을 연마하는 방법 등을 들 수 있다.
도 2A 및 도 2B 에 본 발명의 허니컴 구조체의 다른 예를 나타낸다. 또한, 허니컴 구조체 (10') 는, 복수의 관통공 (12) 이 격벽을 사이에 두고 길이 방향으로 나란히 형성된 허니컴 유닛 (11) 이 접착층 (13) 을 통해 복수개 접착되어 있는 것 이외에는 허니컴 구조체 (10) 와 동일하다.
허니컴 유닛 (11) 은, 길이 방향과 수직인 단면의 단면적이 5 ～ 50 ㎠ 인 것이 바람직하다. 단면적이 5 ㎠ 미만이면, 허니컴 구조체 (10) 의 비표면적이 저하됨과 함께, 압력 손실이 증대되는 경우가 있고, 단면적이 50 ㎠ 를 초과하면, 허니컴 유닛 (11) 에 발생하는 열응력에 대한 강도가 불충분해지는 경우가 있다.
허니컴 유닛 (11) 을 접착시키는 접착층 (13) 은, 두께가 0.5 ～ 2 ㎜ 인 것이 바람직하다. 접착층 (13) 의 두께가 0.5 ㎜ 미만이면, 접착 강도가 불충분해지는 경우가 있다. 한편, 접착층 (13) 의 두께가 2 ㎜ 를 초과하면, 허니컴 구조체 (10) 의 비표면적이 저하됨과 함께, 압력 손실이 증대되는 경우가 있다.
또한, 허니컴 유닛 (11) 은 사각기둥 형상이지만, 본 발명에 있어서 허니컴 유닛의 형상으로는 특별히 한정되지 않고, 허니컴 유닛끼리를 접착시키기 쉬운 형상인 것이 바람직하고, 예를 들어 육각기둥 형상 등을 들 수 있다.
다음으로, 허니컴 구조체 (10') 의 제조 방법의 일례에 대해 설명한다. 먼저, 허니컴 구조체 (10) 와 동일하게 하여, 사각기둥 형상의 허니컴 유닛 (11) 을 제조한다. 다음으로, 허니컴 유닛 (11) 의 외주면에 접착층용 페이스트를 도포하고, 허니컴 유닛 (11) 을 순차적으로 접착시켜, 건조 고화시킴으로써, 허니컴 유닛 (11) 의 집합체를 제조한다. 이 때, 허니컴 유닛 (11) 의 집합체를 제조한 후에, 원기둥 형상으로 절삭 가공하여 연마해도 된다. 또한, 단면이 부채꼴 형상이나 정사각 형상으로 성형된 허니컴 유닛 (11) 을 접착시켜 원기둥 형상의 허니컴 유닛 (11) 의 집합체를 제조해도 된다.
접착층용 페이스트로는, 특별히 한정되지 않지만, 무기 바인더 및 무기 입자의 혼합물, 무기 바인더 및 무기 섬유의 혼합물, 무기 바인더, 무기 입자 및 무기 섬유의 혼합물 등을 들 수 있다.
또한, 접착층용 페이스트는, 유기 바인더를 함유해도 된다. 유기 바인더로는, 특별히 한정되지 않지만, 폴리비닐알코올, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스 등을 들 수 있고, 2 종 이상 병용해도 된다.
또한, 원기둥 형상의 허니컴 유닛 (11) 의 집합체의 외주벽을 연마함으로써, 허니컴 구조체 (10) 의 끝면 A 및 끝면 B 의 진원도를 변화시킬 수 있다.
다음으로, 원기둥 형상의 허니컴 유닛 (11) 의 집합체 외주면에 외주 코팅층용 페이스트를 도포한다. 외주 코팅층용 페이스트는, 특별히 한정되지 않지만, 접착층용 페이스트와 동일한 재료를 함유해도 되고, 상이한 재료를 함유해도 된다. 또한, 외주 코팅층용 페이스트는, 접착층용 페이스트와 동일한 조성이어도 된다.
다음으로, 외주 코팅층용 페이스트가 도포된 허니컴 유닛 (11) 의 집합체를 건조 고화시킴으로써, 원기둥 형상의 허니컴 구조체 (10') 가 얻어진다. 이 때, 접착층용 페이스트 및/또는 외주 코팅층용 페이스트에 유기 바인더가 함유되어 있는 경우에는, 탈지하는 것이 바람직하다. 탈지 조건은, 유기물의 종류나 양에 따라 적절히 선택할 수 있는데, 700 ℃ 에서 20 분간인 것이 바람직하다.
또한, 허니컴 구조체 (10 및 10') 는, 이온 교환되어 있지 않은 제올라이트를 포함하는 원료 페이스트를 사용하여 허니컴 구조체를 제조한 후, 양이온을 함유하는 수용액에 허니컴 구조체를 함침시켜 제올라이트를 이온 교환함으로써 제조해도 된다.
본 발명의 허니컴 구조체는, 외주 코팅층이 형성되어 있어도 되고, 형성되어 있지 않아도 되는데, 양 끝면의 진원도를 변화시키기 쉬운 점에서, 외주 코팅층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
도 3 에 본 발명의 배기 가스 정화 장치의 일례를 나타낸다. 배기 가스 정화 장치 (100) 는, 허니컴 구조체 (10) (10') 가 외주부에 알루미나 매트 등의 유지 시일재 (20) 가 배치된 상태에서 금속 용기 (30) 에 수납되어 있다. 이 때문에, 배기 가스 정화 장치 (100) 는, 허니컴 구조체 (10) (10') 의 금속 용기로부터의 어긋남을 억제할 수 있다.
또한, 배기 가스 정화 장치 (100) 에는, 배기 가스의 흐름 방향에 대해, 허니컴 구조체 (10) (10') 의 상류측에 암모니아 또는 그 전구체를 분사시키는 분사 노즐 등의 분사 수단 (도시 생략) 이 형성되어 있다. 이로써, 배기 가스에 암모니아가 첨가되어, 그 결과, 허니컴 구조체 (10) (10') 에 포함되는 제올라이트 상에서, 배기 가스 중에 포함되는 NOx 가 환원된다. 이 때, 저장 안정성을 고려하면, 암모니아의 전구체로서 요소수를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 요소수는, 배기 가스 중에서 가열됨으로써, 가수분해되어 암모니아가 발생한다.
이상, 무기 입자로서 제올라이트를 포함하는 허니컴 구조체 및 제올라이트와, 제올라이트를 제외한 무기 입자를 포함하는 허니컴 구조체에 대해 설명했는데, 무기 입자로서 제올라이트를 제외한 무기 입자만을 포함하는 허니컴 구조체에 대해서도 동일한 효과가 얻어지는 것으로 생각할 수 있다.
실시예
[실시예 1]
먼저, Cu 로 3 중량 ％ 이온 교환된, 평균 입경이 2 ㎛, 실리카/알루미나비가 40, 비표면적이 110 ㎡/g 인β 형 제올라이트 2600 g, 무기 바인더 함유 성분으로서의, 고형분 20 중량 ％ 인 알루미나졸 2600 g, 무기 섬유로서의, 평균 섬유 직경이 6 ㎛, 평균 섬유 길이가 100 ㎛ 인 알루미나 섬유 780 g, 유기 바인더로서의, 메틸셀룰로오스 410 g 을 혼합 혼련하여, 원료 페이스트를 얻었다. 또한, 제올라이트 입자를 질산 구리 수용액에 함침시킴으로써, Cu 로 이온 교환하였다. 또한, 제올라이트의 이온 교환량은, ICPS-8100 (시마즈 제작소사 제조) 을 사용하 여, IPC 발광 분석함으로써 구하였다. 다음으로, 압출 성형기를 사용하여, 원료 페이스트를 압출 성형하고, 생의 원기둥 형상의 허니컴 성형체를 얻었다. 그리고, 마이크로파 건조기 및 열풍 건조기를 사용하여, 허니컴 성형체를 건조시킨 후, 400 ℃ 에서 5 시간 탈지하였다. 다음으로, 700 ℃ 에서 5 시간 소성하여, 직경 143.8 ㎜, 길이 150㎜ 인 원기둥 형상의 허니컴 유닛 (11) 을 얻었다. 얻어진 허니컴 유닛 (11) 은, 길이 방향과 수직인 단면 개구율이 65 ％ 이고, 관통공의 밀도가 62 개/㎠ 이고, 격벽의 두께가 0.25 ㎜ 이며, 겉보기 단위 체적당 제올라이트의 함유량이 250 g/ℓ 였다.
여기서, 길이 방향과 수직인 단면의 개구율은, 광학 현미경을 사용하여 허니컴 구조체의 가로세로 10 ㎝ 의 영역의 관통공의 면적을 산출함으로써 구하였다. 또한, 관통공의 밀도는, 광학 현미경을 사용하여 허니컴 구조체의 가로세로 10 ㎝ 영역의 관통공의 수를 계측함으로써 구하였다. 또한 격벽의 두께는, 광학 현미경을 사용하여 허니컴 구조체의 격벽의 두께 (5 지점) 를 측정함으로써 얻어진 평균값이다.
다음으로, 평균 입경이 2 ㎛ 인 γ-알루미나 29 중량부, 평균 섬유 직경이 6 ㎛, 평균 섬유 길이가 100 ㎛ 인 알루미나 섬유 7 중량부, 고형분 20 중량 ％ 인 알루미나 졸 34 중량부, 카르복시 메틸셀룰로오스 5 중량부, 물 25 중량부를 혼합하여, 외주 코팅층용 페이스트를 얻었다.
또한, 허니컴 유닛 (11) 의 외주면 (양 끝면을 제외) 에 외주 코팅층용 페이스트를 균일하게 도포하여 120 ℃ 에서 건조시키고, 700 ℃ 에서 20 분간 탈지하 여, 두께가 2 ㎜ 인 외주 코팅층 (14) 을 형성하여, 원기둥 형상의 허니컴 구조체 (10) 를 제조하였다.
다음으로, 허니컴 구조체 (10) 의 외주 코팅층 (14) 을 사포를 사용하여 연마 처리하여, 끝면 A 및 끝면 B 의 진원도를 각각 1.5 ㎜ 및 2.5 ㎜ 로 하였다 (표 1 참조).
[실시예 2 ～ 6, 비교예 1 ～ 3]
허니컴 구조체 (10) 의 외주 코팅층 (14) 의 연마 처리를 조정하여, 끝면 A 및 끝면 B 의 진원도를 표 1 에 나타내는 바와 같이 변경한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 하여, 허니컴 구조체 (10) 를 제작하였다.
Figure 112009053063145-pct00001
또한, 끝면 A 및 끝면 B 의 진원도는, 진원도 측정기 라운드 테스트 RA736 (미츠토요사 제조) 을 사용하여 측정하였다. 또한, 끝면 A 및 끝면 B 의 진원도의 차를 표 1 에 나타낸다.
[어긋남 시험]
유지 시일재 (20) 로서의, 두께 6 ㎜ 의 알루미나 매트 (46.5 ㎝ × 15 ㎝) (미츠비시 화학사 제조) 를 허니컴 구조체 (10) 의 외주면에 감아, 금속 용기 내에 넣은 상태에서 인스트론을 사용하여 밀어넣고, 수납하였다. 다음으로, 수납된 허니컴 구조체 (10) 의 길이 방향이 수평으로 되도록 진동 장치 (200) (도 4A 및 도 4B 참조) 에 고정시켜, 주파수 160 Hz, 가속도 30 G, 진폭 0.58 ㎜, 보관 유지 시간 120 시간으로 하고, 실온에서 수평 방향으로 진동시켜, 허니컴 구조체 (10) 의 정규 위치로부터의 어긋남 크기를 측정하였다.
진동 장치 (200) 는, 허니컴 구조체 (10) 를 넣은 금속 용기 (210) 를 대좌 (220) 상에 두고, 대략 U 자 형상의 고정구 (230) 를 나사 (240) 로 조여 금속 용기 (210) 를 고정시켰다. 그러자, 금속 케이싱 (210) 은, 대좌 (220) 와 고정구 (230) 가 일체가 된 상태에서 진동할 수 있게 된다.
표 1 에 측정 결과를 나타낸다. 또한, 어긋남의 크기가 10 ㎜ 미만인 경우를 ○, 10 ㎜ 이상인 경우를 × 로 하여 판정하였다. 표 1 로부터, 실시예 1 ～ 6 의 허니컴 구조체 (10) 는, 비교예 1 ～ 3 의 허니컴 구조체 (10) 보다, 어긋남이 작은 것을 알 수 있다.
이상으로부터, 허니컴 구조체 (10) 의 끝면 A 및 끝면 B 의 진원도가 1.5 ～ 4.0 ㎜ 이고, 끝면 A 의 진원도가 끝면 B 의 진원도와 상이함으로 인해, 허니컴 구조체 (10) 의 금속 용기로부터의 어긋남을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.

Claims (14)

  1. 복수의 관통공이, 무기 입자와 무기 바인더를 포함하는 격벽을 사이에 두고 길이 방향으로 나란히 형성된 허니컴 유닛을 갖는 허니컴 구조체로서, 상기 무기 입자는, 제올라이트를 함유하고 있고,
    그 길이 방향과 거의 수직인 양 끝면의 진원도가 1.5 ㎜ 이상 4.0 ㎜ 이하이고,
    그 양 끝면 중, 일방의 끝면의 진원도가 타방의 끝면의 진원도와 상이한 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 무기 입자는, 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아, 세리아, 멀라이트 및 이들의 전구체 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 허니컴 유닛은, 겉보기 단위 체적당 상기 제올라이트의 함유량이 230 g/ℓ 이상 270 g/ℓ 이하인 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제올라이트는, β 형 제올라이트, Y 형 제올라이트, 페리어라이트, ZSM-5 형 제올라이트, 모데나이트, 포우저사이트, 제올라이트 A 및 제올라이트 L 로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제올라이트는, 알루미나에 대한 실리카의 몰비가 30 이상 50 이하인 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제올라이트는, Fe, Cu, Ni, Co, Zn, Mn, Ti, Ag 및 V 로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상으로 이온 교환되어 있는 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제올라이트는 2 차 입자를 포함하고, 그 2 차 입자의 평균 입경이 0.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무기 바인더는, 알루미나 졸, 실리카 졸, 티타니아 졸, 물유리, 세피올라이트 및 아타풀자이트로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상에 포함되는 고형분인 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 허니컴 유닛은, 무기 섬유를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 무기 섬유는, 알루미나, 실리카, 탄화규소, 실리카알루미나, 유리, 티탄산칼륨 및 붕산알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    외주에 코팅층을 갖는 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단일의 상기 허니컴 유닛을 갖는 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 상기 허니컴 유닛이, 접착층을 통해 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 허니컴 구조체와, 그 허니컴 구조체의 외주에 배치되어 있는 유지 시일재와, 그 유지 시일재가 외주에 배치되어 있는 허니컴 구조체가 수용되어 있는 금속 용기를 갖는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
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