KR101497865B1 - 오염 제어 요소용 보유 재료 및 오염 제어 장치 - Google Patents

오염 제어 요소용 보유 재료 및 오염 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 케이싱(4) 및/또는 오염 제어 요소와의 높은 마찰 계수를 제공하고 오염 제어 요소를 양호한 안정성으로 보유할 수 있는, 오염 제어 장치(10) 내에 오염 제어 요소(1)를 장착하기 위한 보유 재료(2)에 관한 것이다. 보유 재료는 소정 두께를 가지며, 섬유 재료의 외주연 표면 및/또는 내주연 표면 상에 무기 콜로이드 입자(5)를 포함하는 마찰 층(3)을 구비한 (예를 들어, 매트 형태의) 섬유 재료를 포함한다.

Description

오염 제어 요소용 보유 재료 및 오염 제어 장치{HOLDING MATERIAL FOR POLLUTION CONTROL ELEMENT AND POLLUTION CONTROL APPARATUS}
본 발명은 오염 제어 요소를 위한 (예를 들어, 매트 형태의) 장착 또는 보유 재료에 관한 것으로, 특히 촉매 담체(catalyst carrier) 또는 필터 요소와 같은 오염 제어 요소를 위한 장착 또는 보유 재료에 관한 것이다. 본 발명은 또한 오염 제어 요소용 보유 재료를 포함하는 오염 제어 장치에 관한 것으로, 특히 내부에 촉매 담체 보유 재료가 로딩된 촉매 변환기(catalytic converter) 또는 필터 요소 보유 재료를 포함하는 배기 가스 정화 장치(예를 들어, 디젤 엔진 배기 필터)에 관한 것이다.
세라믹 촉매 변환기를 사용하는 배기 가스 정화 시스템이 자동차 엔진으로부터의 배기 가스 내에 함유된 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 및 질소 산화물(NOx)을 제거하기 위한 수단으로서 잘 알려져 있다. 세라믹 촉매 변환기는 기본적으로 금속 케이싱, 바꾸어 말하면 하우징의 내부에 예를 들어 벌집형 세라믹 촉매 담체("촉매 요소"로 또한 불림)를 수용한다.
다양한 유형의 세라믹 촉매 변환기가 있다는 것이 잘 알려져 있지만, 무기 섬유를 액체 또는 페이스트형 유기 결합제와 조합함으로써 대체로 얻어지는 (예를 들어, 매트 형태의) 보유 또는 장착 재료로 케이싱과 그 안에 수용되는 촉매 담체 사이의 간극을 채운 구성이 통상적으로 채용된다. 결과적으로, 간극을 채우는 장착 재료는 촉매 담체를 보유하여, 충돌, 진동 등에 의해 야기되는 기계적 충격이 촉매 담체에 의도하지 않게 가해지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 그러한 구성의 촉매 변환기 내에서는 촉매 담체의 파단 또는 이동이 발생하지 않는다. 그러므로, 요구되는 작용이 장기간에 걸쳐 실행될 수 있다. 또한, 전술한 장착 재료는 보유 기능뿐만 아니라 단열 기능도 갖는다.
오염 제어 요소(예를 들어, 촉매 담체)가 케이싱 내로 로딩될 때, 가압 삽입 시스템이 일반적으로 채용되어, 장착 또는 보유 재료가 오염 제어 요소의 외주연부 둘레에 감겨 그와 일체화되고 일체화된 몸체가 그 후에 원통형 케이싱 내로 압력 하에서 삽입되도록 한다. 가압 삽입 시스템에서의 오염 제어 요소의 로딩("캐닝(canning)"으로 또한 불림)의 생산성을 개선하고, 보유 재료의 완충 능력(부피성(bulkiness))을 증가시키고, 보유 재료를 구성하는 무기 섬유가 공기 중에서 분산되는 것을 방지하기 위하여, 다양한 유형의 오염 제어 요소 보유 재료가 제안되었다. 예를 들어, 촉매 담체, 촉매 담체의 외주연부를 덮는 금속 쉘(케이싱), 및 촉매 담체와 케이싱 사이에 배치된 보유 및 밀봉 재료를 포함하는 촉매 변환기를 제안하는 일본 특허 공개 제2001-259438호의 청구의 범위를 참조. 이러한 촉매 변환기의 경우에, 본 명세서에서 언급되는 바와 같은 보유 재료에 대응하는 보유 및 밀봉 재료는 100 ㎠ 당 50 내지 3000개의 밀도로 니들 펀칭을 받은 무기 섬유 매트를 포함하고, 주로 0 초과이고 2 중량% 이하의 유기 성분 함량을 갖고, 0.15 내지 0.45 g/㎤의 충전 밀도에서 300 내지 1000℃로 가열될 때 5 내지 500 ㎪의 표면 압력을 발생시킨다.
또한, 예를 들어, 0.5 내지 20 중량%의 유기 결합제 또는 무기 결합제인 결합제가 무기 섬유의 매트형 배열을 구비한 매트형 재료에 첨가되어 부착되고, 조립 후의 충전 밀도가 0.1 내지 0.6 g/㎤의 범위 내에 있도록 조절되며, 매트형 재료에 첨가되어 도포된 결합제 내의 고형물의 비가 두께 방향으로 3개의 동일한 섹션(상부 섹션, 중간 섹션, 및 하부 섹션)에 대해 평가되는 경우에 상부 섹션 및 하부 섹션 내의 결합제 중의 고형물의 비가 중간 섹션 내에서보다 더 높은, 전술한 것과 유사한 구성의 촉매 변환기 내에서 사용되는 촉매 담체 보유 재료를 제안하는 일본 특허 공개 제2002-4848호의 청구의 범위를 참조.
또한, 예를 들어, 구성 요소로서 매트형 구성으로 조립되고 촉매 담체와 촉매 담체의 외주연부를 덮는 금속 쉘 사이의 간극 내에 배치된 세라믹 섬유들을 포함하는 촉매 변환기용 보유 밀봉 재료로서, 무기 물질로 구성된 피크-밸리(peak-and-valley) 구조가 세라믹 섬유의 외측 표면 상에 제공된 보유 밀봉 재료를 제안하는 일본 특허 공개 제2002-206421호의 청구의 범위를 참조. 이러한 보유 밀봉 재료에서, 무기 물질로 구성된 피크-밸리 구조는 바람직하게는 평균 입자 크기가 50 내지 1,000 ㎚인 금속 산화물 입자를 포함한다.
발명의 개요
그러나, 예를 들어, 일본 특허 공개 제2002-206421호에 설명된 바와 같이, 촉매 담체 보유 재료를 구성하는 세라믹 섬유의 표면이 금속 산화물 입자를 그에 점착시킴으로써 피크-밸리 구조를 구비할 때, 세라믹 섬유의 표면 상에 금속 산화물 입자의 현탁액을 코팅하고 그 다음 고온에서 소결하는 방법이 사용된다. 그러므로, 세라믹 섬유들을 함께 연결하는 가교(bridge)가 형성되거나, 세라믹 섬유들 사이의 미끄러짐이 저하되고, 이에 의해 보유 재료를 경화시킨다. 결과적으로, 조립 중에 보유 재료 균열의 위험이 있거나, 보유 재료가 촉매 담체 상에 감겨질 때 생산성이 감소할 수 있다. 또한, 고온에서의 소결 공정이 포함되기 때문에, 작업 공정은 복잡해지고, 제작 비용이 증가된다.
본 발명은 전술한 그리고 다른 문제점들 중 하나 이상을 해결하고, 촉매 담체 및 필터 요소와 같은 오염 제어 요소를 장착하는 데 효과적인 장착 또는 보유 재료를 제공한다.
본 발명의 목적은 열 저항, 표면 압력 유지 능력, 배기 가스 부식 저항, 및 작동성이 우수할 수 있고, 오염 제어 요소(예를 들어, 촉매 담체) 둘레에 감겨 이를 보유하는 보유 재료가 오염 제어 장치(예를 들어, 촉매 변환기)의 케이싱 내로 억지 끼워맞춤될 때, 오염 제어 요소 또는 케이싱 및 보유 재료의 분리 및 변위를 피하는 것을 가능케 하며, 오염 제어 요소가 케이싱 내로 로딩된 후에 오염 제어 요소를 이동시키지 않고서 보유할 수 있는, 촉매 담체 보유 재료 또는 다른 오염 제어 요소용 보유 재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 오염 제어 요소를 위한 이러한 장착 또는 보유 재료를 포함하는 오염 제어 장치, 보다 구체적으로는 내부에 로딩된 촉매 담체 보유 재료를 갖는 촉매 변환기 또는 필터 요소를 위한 보유 재료를 포함하는 배기 가스 정화 장치를 제공하는 것이다.
종래 기술의 전술한 문제점을 해결하기 위해 수행된 포괄적인 연구의 결과, 본 발명자는 촉매 담체 보유 재료 또는 다른 오염 제어 요소 보유 재료에 대해 요구되는 특성이 압축 상태의 보유 재료를 사용함으로써 그리고 보유 재료의 표면, 즉 촉매 담체와 접촉하는 표면 및/또는 케이싱과 접촉하는 표면 상에 본 발명의 고유한 방법에 의해 특정한 미세 입자를 배치함으로써, 제조 공정을 복잡하게 하지 않고서 실현될 수 있음을 발견하였고, 이러한 발견은 본 발명의 창작으로 이어졌다. 이러한 특정한 미세 입자는 (a) 보유 또는 장착 재료와 오염 제어 요소(예를 들어, 촉매 담체) 사이 그리고/또는 (b) 보유 또는 장착 재료와 케이싱 사이에서 마찰 계수를 증가시킬 수 있는 유형의 것이다.
본 발명은 그의 일 태양에 따르면, 케이싱 내부의 오염 제어 요소 둘레에 감겨 이를 보유하고, 케이싱과 오염 제어 요소 사이에 배치되며, 바람직하게는 소정 두께를 갖는 매트 형태의 섬유 재료를 포함하는, 오염 제어 요소를 위한 보유 또는 장착 재료를 제공한다. 보유 재료는 그에 인가되는 일정한 압축력 하에서 케이싱과 오염 제어 요소 사이에 배치되고, 케이싱 측의 보유 재료의 외주연 표면 및/또는 오염 제어 요소 측의 보유 재료의 내주연 표면 상에서 무기 콜로이드 입자를 포함하는 마찰 층을 구비한다.
또한, 본 발명은 그의 다른 태양에 따르면, 케이싱과, 케이싱 내부에 배치된 오염 제어 요소와, 케이싱과 오염 제어 요소 사이에 배치되는 오염 제어 요소를 위한 보유 또는 장착 재료를 포함하는 오염 제어 장치를 제공한다. 오염 제어 요소를 위한 보유 재료는 본 발명에 따른 오염 제어 요소를 위한 보유 재료이다.
본 발명에 따른 오염 제어 장치는 바람직하게는 촉매 변환기, 또는 배기 가스 정화 장치, 예를 들어 내연 기관용 배기 가스 여과 장치이다.
오염 제어 요소(예를 들어, 촉매 담체)가 오염 제어 장치(예를 들어, 촉매 변환기) 내의 (예를 들어, 매트 형태의) 보유 또는 장착 재료에 의해 보유될 때, 오염 제어 요소의 보유력은 하기의 식에 의해 표현된다.
보유력 = (보유 재료 내에서 발생되는 압력) x (정지 마찰 계수)
그러므로, 보유 재료의 압축량을 증가시킴으로써 보유 재료에 의해 발생되는 압력을 증가시키는 것 또는 보유 재료의 마찰 계수를 증가시키는 것이 오염 제어 요소의 보유력을 증가시키기 위해 채용될 수 있는 2가지 일반적인 수단이다. 본 발명에 따르면, 특정한 무기 콜로이드 입자를 포함하는 마찰 층이 바람직하게는 매트 형태인 보유 재료의 표면 상에 형성된다. 그러므로, 이러한 마찰 층의 존재로 인해, 보유 재료의 표면은 보유 재료를 구성하는 세라믹 섬유 또는 다른 무기 섬유의 표면보다 더 높은 마찰 계수를 나타내는 표면 형상(고도의 전기, 자기, 및/또는 화학적 상호 작용을 갖는 분자 표면 상태)을 부여 받을 수 있다. 또한, 그러한 표면 형상의 존재로 인해, 보유 재료의 표면과 오염 제어 요소의 표면 또는 케이싱의 표면 사이의 마찰 계수는 증가될 수 있다. 본 발명에 따르면, 보유 재료와 케이싱 사이의 마찰 계수는 케이싱이 금속판, 예를 들어 스테인레스강(SS)으로 된 때, 특히 현저하게 증가될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 무기 콜로이드 입자를 사용함으로써 장착 재료의 표면에 미세한 피크-밸리 구조를 부여하는 것은 예를 들어 SS 판으로 된 케이싱과 오염 제어 요소의 표면 사이의 동적 상호 작용을 생성하는 것을 가능케 한다. 그러므로, 마찰 계수의 증가는 훨씬 더 현저할 수 있다. 또한, 무기 콜로이드 입자와 함께 유기 결합제를 사용하고 유기 결합제로 입자들을 서로 부착시키는 것은 보유 재료 표면 상의 무기 콜로이드 입자를 양호한 안정성으로 보유하고 입자가 보유 재료 표면으로부터 방출되거나 떨어져 나가는 것을 방지하는 것을 가능케 한다.
본 발명은 배기 가스 부식 저항, 표면 압력 유지 능력, 및 작동성이 우수하고, 오염 제어 요소 둘레에 감겨 이를 보유하는 보유 재료가 대응하는 케이싱 내로 억지 끼워맞춤될 때, 오염 제어 요소(예를 들어, 촉매 담체) 및 보유 재료의 분리 및 변위를 회피하는 것을 가능케 하고, 오염 제어 요소가 케이싱 내로 로딩된 후에, 오염 제어 요소를 이동시키지 않고서 보유할 수 있는 촉매 담체 또는 다른 오염 제어 요소를 위한 보유 재료를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 오염 제어 요소를 위한 보유 재료는 무기 콜로이드 입자가 보유 재료 표면에 고정 부착될 때, 소결 공정을 요구하지 않고, 그러므로 제조 공정이 단순화될 수 있고, 제작 비용이 감소될 수 있다.
본 발명은 또한 오염 제어 요소를 위한 이러한 보유 재료를 포함하고 내구성 및 다른 특징이 우수한 오염 제어 장치, 예를 들어 내부에 로딩된 촉매 담체 보유 재료를 갖는 촉매 변환기 또는 필터 요소를 위한 보유 재료를 포함하는 배기 가스 정화 장치(예를 들어, 디젤 배기 필터)를 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 오염 제어 요소는 유리하게는 자동차 엔진, 발전기, 및 다른 내연 기관에서 배기 가스를 처리하기 위해 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 촉매 변환기의 구성을 도시하는 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 촉매 변환기의 선분 A-A를 따른 단면도.
도 3은 도 1에 도시된 촉매 변환기 내의 촉매 담체 보유 재료 내의 마찰 층을 개략적으로 도시하는 단면도.
도 4는 촉매 담체 보유 재료의 마찰 계수를 측정하기 위한 방법을 개략적으로 도시하는 단면도.
도 5는 실시예 1에서 제조된 촉매 담체 보유 재료 내에서의 유기 결합제 및 콜로이드 실리카의 비와 실리카 입자의 방출비 사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 실시예 1에서 제조된 촉매 담체 보유 재료 내에서의 SS 판과 매트 사이의 마찰 계수와 콜로이드 실리카의 양 사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 7은 실시예 1에서 제조된 촉매 담체 보유 재료 내에서의 보유 재료와 매트 사이의 마찰 계수와 콜로이드 실리카의 양 사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 8은 실시예 2에서 제조된 촉매 담체 보유 재료 내에서의 유기 결합제 및 콜로이드 알루미나의 비와 알루미나 입자의 방출비 사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 9는 실시예 2에서 제조된 촉매 담체 보유 재료 내에서의 SS 판과 매트 사이의 마찰 계수와 콜로이드 알루미나의 양 사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 10은 실시예 2에서 제조된 촉매 담체 보유 재료 내에서의 보유 재료와 매트 사이의 마찰 계수와 콜로이드 알루미나의 양 사이의 관계를 나타내는 그래프.
본 발명에 따른 오염 제어 요소 및 오염 제어 장치를 위한 보유 또는 장착 재료는 유리하게는 다양한 형태로 실시될 수 있다. 예를 들어, 오염 제어 요소는 촉매 담체(또는 촉매 요소), 필터 요소(예를 들어, 디젤 또는 다른 엔진을 위한 배기 가스 정화 필터), 또는 임의의 다른 오염 제어 요소일 수 있다. 유사하게, 오염 제어 장치는 촉매 변환기, 배기 가스 정화 장치, 예를 들어 디젤 또는 다른 엔진을 위한 배기 가스 정화 장치(예를 들어, 디젤 입자 필터 유닛), 또는 내부에 장착된 오염 제어 요소에 대응하는 임의의 다른 오염 제어 장치일 수 있다. 본 발명의 구현예는 촉매 담체 보유 재료 및 촉매 변환기를 구체적으로 참조하여 아래에서 설명될 것이지만, 본 발명은 그러한 모드로 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 촉매 변환기는 자동차 엔진 및 다른 내연 기관 내에서 배기 가스를 처리하는 데 특히 적합하고, 적어도 케이싱 및 케이싱 내부에 배치된 촉매 담체(촉매 요소)를 포함하도록 구성된다. 또한, 본 명세서에서 더욱 상세하게 후술되는 본 발명에 따른 촉매 담체 보유 재료는 촉매 담체의 외주연 표면 둘레에 감기도록 케이싱과 촉매 담체 사이에 설치된다. 그러므로, 케이싱의 내주연 표면은 촉매 담체 보유 재료의 외주연 표면과 밀접하게 접촉한다.
촉매 담체 보유 재료는 바람직하게는 케이싱 내에 설치될 때 적절한 체적 밀도를 갖도록 적절하게 압축되는데, 바꾸어 말하면 그에 인가되는 일정한 압축력 하에서 사용된다. 클램쉘 압축, 충전 압축, 및 압박 압축이 압축 수단으로서 알려져 있다. 본 발명에 따른 촉매 담체 보유 재료는 유리하게는 촉매 담체 보유 재료가 충전 압축의 경우에서와 같이, 압력 하에서 예를 들어 원통형 케이싱 내로 밀려 들어가는 소위 억지 끼워맞춤 구조의 촉매 변환기의 제조 시에 사용될 수 있다.
억지 끼워맞춤 구조를 채용하는 한, 본 발명에 따른 촉매 변환기는 다양한 유형의 촉매 변환기를 포함할 수 있다. 촉매 변환기는 바람직하게는 모놀리식적으로 성형된 촉매 요소를 포함하는 촉매 변환기, 즉 모놀리식(monolithic) 촉매 변환기이다. 촉매 변환기가 벌집형 단면을 구비한 작은 통로를 갖는 촉매 요소를 포함하기 때문에, 촉매 변환기는 종래의 펠릿형(pellet-type) 촉매 변환기보다 크기가 더 작고, 배기 가스 저항은 배기 가스와의 충분한 접촉 표면적을 보장하면서 감소될 수 있다. 결과적으로, 배기 가스가 더 높은 효율로 처리될 수 있다.
본 발명에 따른 촉매 변환기는 유리하게는 다양한 내연 기관을 구비한 조립체 내에서 배기 가스를 처리하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 촉매 변환기는 자동차, 버스, 및 트럭과 같은 차량의 배기 시스템 내에 탑재될 때 그의 우수한 작동 효과를 충분히 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 촉매 변환기의 전형적인 예를 도시하는 측면도이다. 이러한 도면은 촉매 변환기의 구조의 이해를 용이하게 하기 위해 촉매 변환기의 주요 구성요소의 단면도를 도시한다. 도 2는 도 1의 선분 A-A를 따른 촉매 변환기의 단면도이다. 그러한 도면에서와 같이, 촉매 변환기(10)는 금속 케이싱(4)과, 금속 케이싱(4) 내부에 배치된 모놀리식 고체 촉매 담체(1)와, 금속 케이싱(4)과 촉매 담체(1) 사이에 배치된 본 발명에 따른 촉매 담체 보유 재료(2)를 포함한다. 촉매 담체 보유 재료(2)는 본 명세서에서 더욱 상세하게 후술되는 바와 같이, 소정의 두께를 갖는 매트 형태의 적합한 섬유 재료를 포함하고, 촉매 담체 측의 매트의 내주연 표면 및/또는 금속 케이싱 측의 외주연 표면(표면 영역) 상에서 무기 콜로이드 입자를 포함하는 마찰 층을 갖는다. 도면에서, 촉매 담체 보유 재료(매트)(2)의 표면 영역의 도 3의 단면도로부터 명백한 바와 같이, 무기 콜로이드 입자(5)를 포함하는 마찰 층(3)은 금속 케이싱(4) 측의 매트의 외주연 표면 상에 선택적으로 형성된다. 원추형 배기 가스 입구 포트(12) 및 배기 가스 출구 포트(13)가 촉매 변환기(10)에 부착된다.
본 발명에 따른 촉매 변환기(10)의 경우에, 본질적으로 접착제 또는 감압 시트(pressure-sensitive sheet)와 같은 접합 수단이 촉매 담체(1)와 촉매 담체 보유 재료(2) 사이에 도입될 필요가 없다. 그러나, 그러한 접합 수단이 본 발명의 작동 효과에 악영향을 미치지 않고 촉매 담체(1)와 촉매 담체 보유 재료(2) 사이의 밀접한 접촉을 개선하고 캐닝 작업을 용이하게 할 것으로 예상될 수 있다면, 접합 수단이 추가로 사용될 수 있다. 접합 수단은 보통 국부적으로 사용되는 것이 바람직하다. 또한, 보호 코팅 등이 촉매 담체 보유 재료(2) 상에 제공되어 그의 표면을 손상 등으로부터 보호할 수 있지만, 이는 대체로 필요치 않다. 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 또는 천연 고무의 필름 또는 부직포 천이 마찰 층(3)이 형성된 후에 마찰 층(3)의 상부 상에 부착될 수 있다.
더욱 구체적으로 설명하자면, 금속 케이싱 내부에 위치된 고체 촉매 담체는 보통 복수의 배기 가스 채널을 갖는 벌집형 구조의 세라믹 촉매 담체로 구성된다. 본 발명에 따른 촉매 담체 보유 재료는 촉매 담체 둘레에 감김으로써 배치된다. 단열체로서의 기능에 추가하여, 촉매 담체 보유 재료는 금속 케이싱 내부에서 촉매 담체를 보유하고, 촉매 담체와 금속 케이싱 사이에 형성된 간극을 밀봉한다. 그러므로, 이는 배기 가스가 바이패스로서 촉매 담체를 통해 유동하는 것을 방지하거나 적어도 이러한 바람직하지 않은 유동을 최소화할 수 있다. 또한, 촉매 담체 보유 재료는 금속 케이싱 내부에 견고하고 탄성적으로 지지된다.
본 발명에 따른 촉매 변환기에서, 금속 케이싱은 기술 분야에 공지된 다양한 금속 재료로부터 그의 원하는 작동 효과에 대응하는 임의의 형상으로 제조될 수 있다. 바람직한 금속 케이싱은 스테인레스강 시트(SS 시트)로부터 제조되고, 도 1에 도시된 형상을 갖는다. 필요하다면, 임의의 적절한 형상의 금속 케이싱이 철, 알루미늄, 또는 티타늄, 또는 이들의 합금과 같은 금속으로부터 제조될 수 있다는 것은 당연하다.
금속 케이싱과 유사하게, 고체 촉매 담체는 보통의 촉매 변환기 내에서 채용되는 것과 유사한 재료로부터 유사한 형상을 갖도록 제조될 수 있다. 적절한 촉매 담체는 금속, 세라믹 등으로부터 제조되며 당업자에게 잘 알려진 촉매 변환기를 포함한다. 적절한 촉매 담체의 일례가 미국 재발행 특허 제27,747호에 개시되어 있다. 촉매 모놀리스의 상세한 설명이 예를 들어 문헌[Stroom et al. "Systems Approach to Packaging Design for Automotive Catalytic Converters" in Publication No. 900500 of SAE Technical Papers], 문헌[Howitt "Thin Wall Ceramics as Monolithic Catalyst Support" in Publication No. 800082 of SAE Technical Papers], 및 문헌[Howitt et al. "Flow Effect in Monolithic Honeycomb Automotive Catalytic Converter" in Publication No. 740244 of SAE Technical Papers]에 의해 제공된다.
전술한 촉매 담체 상에 지지되어야 하는 촉매는 통상적으로 금속(예를 들어, 백금, 루테늄, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 니켈, 및 팔라듐)과, 금속 산화물(예를 들어, 오산화바나듐 및 이산화티타늄)이고, 바람직하게는 코팅의 형태로 사용된다. 그러한 촉매 코팅의 상세한 설명은 예를 들어 미국 특허 제3,441,381호에서 볼 수 있다.
본 발명을 실시함에 있어서, 촉매 변환기는 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이, 다양한 방법에 의해 다양한 구성으로 제조될 수 있다. 촉매 변환기가 본질적으로 예를 들어 금속 케이싱 내에 벌집형 세라믹 촉매 담체를 수용함으로써 제조되고, 최종 촉매 담체(촉매 요소)가 예를 들어 벌집형 세라믹 단일체 상에, 백금, 로듐, 및 팔라듐과 같은 귀금속으로 된 촉매 층(촉매 코팅)을 지지함으로써 제조되는 것이 특히 바람직하다. 그러한 구성을 채용하는 것은 비교적 높은 온도에서 효과적인 촉매 작용을 나타내는 것을 가능케 한다.
본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 촉매 담체 보유 재료는 금속 케이싱과 그의 내부에 위치된 촉매 요소 사이에 배치된다. 촉매 담체 보유 재료는 소정의 두께를 갖는 섬유 재료의 매트, 블랭킷 등을 포함한다. 촉매 담체 보유 재료는 하나의 부재로부터의 단일 매트의 형태로 구성될 수 있거나, 예를 들어 둘 이상의 부재들을 라미네이팅하여 접착식으로 접합시킴으로써 접합에 의해 얻어진 복합 매트의 형태로 구성될 수 있다. 매트, 블랭킷 등의 형태의 촉매 담체 보유 재료를 사용하는 것은 보통 취급성 등의 관점에서 유리하지만, 필요하다면 촉매 담체 보유 재료는 다른 형태를 가질 수 있다. 촉매 담체 보유 재료의 크기는 그의 목표 응용에 따라 넓은 범위 내에서 변경될 수 있다. 예를 들어, 매트형 촉매 담체 보유 재료가 자동차 촉매 변환기 내로 로딩됨으로써 사용될 때, 보유 재료는 보통 약 1.5 내지 15 ㎜의 두께, 약 200 내지 500 ㎜의 폭, 및 약 100 내지 150 ㎜의 길이를 갖는다. 필요하다면, 그러한 보유 재료는 가위, 칼 등으로 원하는 형상 및 크기로 절단시 사용될 수 있다.
촉매 담체 보유 재료는 섬유 재료, 바람직하게는 무기 섬유를 포함한다. 촉매 담체 보유 재료를 형성하기 위해 바람직한 무기 섬유는 유리 섬유, 세라믹 섬유, 탄소 섬유, 탄화규소 섬유, 붕소 섬유를 포함하지만, 필요하다면 다른 무기 섬유가 사용될 수 있다. 그러한 무기 섬유는 개별적으로 또는 두 종류 이상의 섬유들의 조합으로 사용될 수 있고, 복합 섬유의 형태 또는 다른 형태로 사용될 수 있다. 그러한 무기 섬유들 중에서 특히 바람직한 것은 알루미나 섬유, 실리카 섬유, 및 알루미나-실리카 섬유와 같은 세라믹 섬유이다. 그러한 세라믹 섬유는 개별적으로 또는 두 종류 이상의 섬유들의 조합으로 사용될 수 있고, 복합 섬유의 형태 또는 다른 형태로 사용될 수 있다. 다른 무기 재료가 전술한 세라믹 섬유 또는 다른 무기 섬유와 함께 첨가 재료로서 사용될 수 있다. 적합한 첨가 재료의 예는 지르코니아, 마그네시아, 칼시아, 산화크롬, 산화이트륨, 및 산화란탄을 포함한다. 그러한 첨가 재료는 보통 분말 또는 미세 입자의 형태로 사용되고, 개별적으로 또는 둘 이상의 첨가 재료들의 혼합물로서 사용될 수 있다.
구체적인 예에서, 촉매 담체 보유 재료를 구성하는 무기 섬유는 예를 들어 알루미나(Al2O3) 및 실리카(SiO2)를 포함하는 무기 섬유로 구성된다. 여기서, 무기 섬유는 2가지 성분: 알루미나 및 실리카를 포함하고, 이러한 경우의 알루미나와 실리카의 배합비는 바람직하게는 약 40:60 내지 96:4의 범위 내이다. 알루미나와 실리카의 배합비가 이러한 범위 밖에 있으면, 예를 들어 40% 미만의 알루미나의 배합비는 저하된 열 저항과 같은 문제점을 야기한다.
무기 섬유의 두께(평균 직경)에 대해 구체적인 제한은 없지만, 평균 직경이 약 2 내지 7 ㎛인 것이 바람직하다. 무기 섬유가 약 2 ㎛ 미만의 평균 직경을 가지면, 섬유는 취성이 되어 불충분한 강도를 갖는 경향이 있다. 역으로, 섬유가 약 7 ㎛를 초과하는 평균 직경을 가지면, 보유 재료는 성형하기가 어려워지는 경향이 있다.
더욱이, 두께와 유사하게, 무기 섬유의 길이도 또한 제한되지 않는다. 그러나, 섬유가 약 0.5 내지 50 ㎜의 평균 길이를 갖는 것이 바람직하다. 무기 섬유의 평균 길이가 약 0.5 ㎜ 미만이면, 보유 재료가 그러한 섬유를 사용함으로써 형성될 때 효과가 나타나지 않는다. 역으로, 평균 길이가 약 50 ㎜를 초과하면, 섬유의 취급성이 저하되고, 보유 재료를 제조하기 위한 공정은 원활하게 실시하기가 어렵다.
다른 방법에 따르면, 본 발명이 실시될 때, 알루미나 섬유의 라미네이팅된 시트를 주로 포함하는 알루미나계 섬유 매트도 촉매 담체 보유 재료로서 유리하게 사용될 수 있다. 그러한 알루미나계 섬유 매트에서, 알루미나 섬유의 평균 길이는 보통 약 20 내지 200 ㎜의 범위 내이고, 섬유의 두께(평균 직경)는 보통 약 1 내지 40 ㎛의 범위 내이다. 알루미나 섬유는 바람직하게는 Al2O3/SiO2 중량비(Al2O3/SiO2)가 약 70/30 내지 74/26인 멀라이트(mullite) 섬유이다.
전술한 알루미나계 섬유 매트는 예를 들어 알루미늄 옥시클로라이드와 같은 알루미나 공급원, 실리카 졸과 같은 실리카 공급원, 폴리(비닐 알코올)과 같은 유기 결합제, 및 물의 혼합물을 포함하는 방사(spinning) 출발 용액을 사용함으로써 제조될 수 있다. 따라서, 방사된 알루미나 섬유 전구체가 라미네이팅되어 시트를 형성하고, 그 다음 바람직하게는 니들 펀칭을 받고, 그 후에 보통 약 1000 내지 1300℃의 고온에서 소결된다.
본 발명에 따른 촉매 담체 보유 재료는 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 케이싱(4)과 그 안에 로딩된 촉매 담체(1) 사이에 삽입되는 소정의 두께를 갖는 섬유 재료의 매트(2)를 포함하고, 매트는 촉매 담체(1)의 외주연 표면 둘레에 감긴다. 이러한 매트형 촉매 담체 보유 재료(2)에서, 케이싱(4)과의 마찰 계수를 증가시킬 수 있는 무기 콜로이드 입자(5)가 선택적으로 배치되고, 마찰 층(3)이 특히 이러한 표면 영역 내에서만, 케이싱(4) 측의 보유 재료의 외주연 표면(2a) 내에 형성된다. 더욱이, 필요하다면, 무기 콜로이드 입자를 포함하는 마찰 층이 촉매 담체(1) 측의 촉매 담체 보유 재료(2)의 내주연 표면(2b) 상에 또한 배치될 수 있다(이는 도면에 도시되어 있지 않음).
본 발명을 실시함에 있어서, 촉매 담체 보유 재료의 마찰 층은 다양한 기술을 사용함으로써 형성될 수 있지만, 유리하게는 이미 제조된 섬유 재료의 매트의 표면 상에 무기 재료, 바람직하게는 금속 산화물의 미세 입자를 포함하는 콜로이드 용액을 코팅함으로써 형성될 수 있다. 따라서, 마찰 층을 실질적으로 구성하는 무기 콜로이드 입자는 바람직하게는 금속 산화물 미세 입자를 포함하는 콜로이드 용액으로부터 유도된다.
다양한 유형의 무기 재료의 미세 입자가 무기 콜로이드 입자를 형성하도록 사용될 수 있지만, 바람직한 무기 재료는 금속 산화물, 질화물, 및 탄화물을 포함하고, 그러한 재료는 바람직하게는 열 저항성을 갖는다. 예를 들어, 열 저항성을 갖는 금속 산화물의 바람직한 예는 실리카, 알루미나, 멀라이트, 지르코니아, 마그네시아, 및 티타니아를 포함하지만, 이러한 목록은 제한적이지 않다. 다른 적합한 재료의 예는 질화붕소 및 탄화붕소를 포함한다. 그러한 무기 재료는 개별적으로 또는 둘 이상의 무기 재료들의 조합으로 사용될 수 있다.
전술한 무기 콜로이드 입자가 무기 재료의 유형 및 원하는 마찰 개선 효과에 대응하여 다양한 입자 크기로 사용될 수 있지만, 약 1 내지 100 ㎚의 평균 입자 크기를 갖는 것이 보통 바람직하다. 무기 콜로이드 입자의 평균 입자 크기가 1 ㎚ 미만이면, 마찰 증가 효과에 기여할 수 있는 마찰 층은 형성하기가 불가능하다. 역으로, 무기 콜로이드 입자의 평균 입자 크기가 100 ㎚를 초과하면, 입자는 너무 크고, 마찰 증가에 적절하게 기여할 수 없으며, 떨어져 나갈 수 있다. 무기 콜로이드 입자의 평균 입자 크기는 더욱 바람직하게는 약 10 내지 80 ㎚의 범위 내이고, 가장 바람직하게는 약 20 내지 50 ㎚의 범위 내이다.
본 발명에 따른 촉매 담체 보유 재료에서, 마찰 층은 보유 재료의 표면 영역에 무기 콜로이드 입자를 다양한 양으로 첨가함으로써 형성될 수 있지만, 보통은 무기 콜로이드 입자가 보유 재료의 총 중량에 기초하여 약 0.01 내지 30 중량%의 양으로 첨가되는 것이 바람직하다. 첨가되는 무기 콜로이드 입자의 양이 0.01 중량% 미만이면, 무기 콜로이드 입자를 첨가하는 효과가 나타나지 않고, 그러므로 마찰 계수는 증가할 것으로 예상될 수 없다. 역으로, 첨가되는 무기 콜로이드 입자의 양이 30 중량%를 초과하면, 매트는 단단해지고, 보유 재료는 사용 중에 균열이 생성되거나 구부러진다. 첨가되는 무기 콜로이드 입자의 양은 더욱 바람직하게는 약 0.05 내지 25 중량%이고, 가장 바람직하게는 약 0.1 내지 10 중량%이다.
전술한 무기 콜로이드 입자에 의해 구성된 마찰 층은 촉매 담체 보유 재료가 제조된 후에 임의의 방법에 의해 보유 재료를 처리함으로써 형성될 수 있다. 촉매 담체 보유 재료의 제조를 설명하자면, 보유 재료는 건식 방법 및 습식 방법을 포함한 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 건식 방법에 기초한 제조는 무기 섬유의 라미네이팅된 본체를 니들 펀칭함으로써 실시될 수 있다. 또한, 습식 방법은 무기 섬유를 유기 결합제와 혼합하고, 무기 섬유를 펼치고, 슬러리를 준비하고, 종이 성형 방법에 의해 성형하고, 성형된 본체를 가압하는 단계를 포함하는 일련의 공정에 의해 실시될 수 있다.
무기 콜로이드 입자를 포함하는 마찰 층은 바람직하게는 예를 들어 제조된 촉매 담체 보유 재료(섬유 재료 매트)의 표면 상에 금속 산화물과 같은 무기 재료의 미세 입자를 포함하는 콜로이드 용액을 코팅함으로써 형성될 수 있다. 코팅에 적합한 방법의 예는 롤 코팅, 분사 코팅, 필름 전사, 및 침지 코팅을 포함한다. 원하는 마찰 층은 코팅 공정의 완료 시에 예를 들어 약 100 - 200℃의 온도에서 건조를 수행함으로써 얻어질 수 있다. 종래의 기술에서 필수적이었던 소결과 같은 고온에서의 열처리는 이러한 제조 방법에서는 요구되지 않는다는 것이 명확하다. 그러므로, 코팅 액체는 섬유 재료 매트와 독립적으로 단독으로 준비될 수 있고, 이는 공정 조건의 관점에서 유리하다.
본 발명에 따르면, 전술한 바와 같이, 촉매 담체 보유 재료의 표면 상에 무기 콜로이드 입자를 포함하는 마찰 층을 배치하는 것은 촉매 담체 표면과 예를 들어 SS 시트 또는 다른 금속 시트로부터 형성된 케이싱 사이의 마찰 계수를 증가시키는 것을 가능케 한다. 그러므로, 촉매 담체 보유 재료와 이를 사용하는 촉매 변환기의 성능이 개선될 수 있다. 본 발명자에 의해 발견된 바와 같이, 유기 결합제가 촉매 담체 보유 재료의 표면 영역 상에 형성된 마찰 층 내의 전술한 무기 콜로이드 입자와 함께 사용되는 것이 바람직하다. 마찰 층을 무기 콜로이드 입자와 함께 유기 결합제를 포함하도록 구성하는 것은 마찰 층의 기능을 더욱 개선하고, 무기 콜로이드 입자가 방출되거나 떨어져 나가는 것을 방지하고, 촉매 변환기를 가열하기 전후에 마찰 계수를 증가시키는 것을 가능케 한다.
무기 콜로이드 입자와 함께 채용되는 유기 결합제의 종류 및 양에 대해 구체적인 제한은 없고, 유리한 재료가 접착제 등의 기능을 갖는 재료로부터 사용을 위해 선택될 수 있다. 예를 들어, 아크릴 수지, 스티렌-부타디엔 수지, 아크릴로니트릴 수지, 폴리우레탄 수지, 천연 고무, 및 라텍스 등의 형태로 공급되는 폴리(비닐 아세테이트) 수지가 유기 결합제로서 사용될 수 있다. 또한, 그러한 유기 결합제는 가요성 열경화성 수지, 예를 들어 불포화 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지, 또는 폴리비닐 에스테르 수지를 포함할 수 있다.
유기 결합제가 무기 콜로이드 입자와 함께 사용될 때, 유기 결합제가 다양한 양으로 사용될 수 있지만, 무기 콜로이드 입자에 대해 1/20 이상의 양(중량비)으로 첨가함으로써 유기 결합제를 사용하는 것이 보통 바람직하다. 이는 유기 결합제가 무기 콜로이드 입자에 대해 1/20 이상의 양(중량비)으로 첨가된 후에만, 유기 결합제를 첨가하는 효과가 관찰되고, 무기 콜로이드 입자가 촉매 담체 보유 재료의 표면에 더욱 신뢰할 수 있게 고정되어 그 안에 보유되기 때문이다. 또한, 유기 결합제의 총량이 촉매 담체 보유 재료의 표면적에 따른 특정 양인, 보유 재료의 중량에 기초하여 15 중량% 이상이 되면, 연소 가스는 촉매 변환기가 실제 차량에 탑재되어 사용될 때, 가스 센서 상에 악영향을 생성할 수 있다. 그러므로, 사용되는 유기 결합제의 양은 바람직하게는 15 중량% 미만이다.
본 발명에 따르면, 전술한 바와 같이, 촉매 담체 보유 재료의 표면 상에 무기 콜로이드 입자 및 유기 결합제를 동시에 코팅하고 배치하는 것은 보유 재료를 구성하는 섬유 재료 내부에서의 무기 콜로이드 입자의 투과를 제어하고 보유 재료의 표면 영역 상에 원하는 마찰 층을 형성하는 것을 가능케 한다. 그러나, 표면 영역 내의 무기 콜로이드 입자의 선택적인 분포는 보유 재료의 섬유 재료 및 무기 콜로이드 입자의 무기 재료가 거의 동일한 조성을 가질 때 측정 및 확인이 매우 어렵다는 것을 고려하여, 본 발명에 따르면, 무기 콜로이드 용액 및 유기 결합제가 동시에 코팅되고 건조되면, 무기 콜로이드 입자의 분포는 오븐 내에서 900℃에서 1시간 동안 촉매 담체 보유 재료를 보유하는 동안의 가열 감량(loss on heat)으로부터 측정된다.
[ 실시예 ]
본 발명은 본 발명의 실시예를 참조하여 본 명세서에서 후술될 것이다. 본 발명이 그러한 실시예로 제한되지 않는 것은 당연하다.
실시예 1:
본 실시예에서,
(1) 무기 콜로이드 입자와 유기 결합제의 배합비와, 무기 콜로이드 입자의 방출비 사이의 관계,
(2) SS 판과 매트 사이의 마찰 계수와 무기 콜로이드 입자의 양 사이의 관계, 및
(3) 촉매 담체와 매트 사이의 마찰 계수와 무기 콜로이드 입자의 양 사이의 관계가 무기 콜로이드 입자와 유기 결합제의 배합비가 촉매 담체 보유 재료의 마찰 층의 형성 중에 변경된 경우에 대해 시험되었다.
0.4 g/㎤의 매트 표면 밀도를 갖는 니들 펀칭된 알루미나 섬유 매트(상표명 마프텍(MAFTEC), 미쯔비시 케미칼 펑셔널 프로덕츠, 인크.(Mitsubishi Chemical Functional Products, Inc.)에 의해 제조됨)를 준비하였다. 알루미나 섬유 매트의 크기는 260 ㎜ (길이) x 90 ㎜ (폭) x 12.5 ㎜ (두께)였다. 또한, 무기 콜로이드 입자: 콜로이드 실리카(상표명 스노우텍스-O(SNOWTEX-O), 닛산 케미칼 컴퍼니, 엘티디.(Nissan Chemical Co., Ltd.)에 의해 제조됨) 및 유기 결합제: 아크릴 라텍스(상표명 니폴(NIPOL) LX-820A, 니폰 제온 컴퍼니, 엘티디.(Nippon Zeon Co., Ltd.)에 의해 제조됨)를 하기의 표 1에서 설명되는 바와 같이 상이한 배합비로 물 속에서 교반하고 혼합하여, 마찰 층을 형성하기 위해 사용하였다. 4가지 유형의 콜로이드 코팅 용액을 준비하였다.
그 다음 각각 코팅 용액을 알루미나 섬유 매트의 표면 상에 분사 코팅하였다. 코팅을 받은 알루미나 섬유 매트를 180℃의 오븐 내로 위치시키고, 수분 함량이 약 50%가 될 때까지 건조시키고, 그 다음 145℃로 설정된 원통형 건조기 내에서 더욱 완전하게 건조시켰다. 건조된 알루미나 섬유 매트에서, 미세 실리카 입자가 그 표면에 부착된 것을 확인하였다.
미세 실리카 입자의 방출비의 결정
미세 실리카(SiO2) 입자의 방출비(중량%)를 전술한 방식으로 제조되어 미세 실리카 입자가 부착된 각각의 알루미나 섬유 매트에 대해 후술하는 절차에 따라 측정하였다.
일본 산업 표준(JIS K-6830)에 설명된 충격 시험기를 준비하였고, 충격 시험을 이러한 표준에서 설명된 지침에 따라 실시하였다. 시험 방법은 다음과 같다.
(1) 샘플(크기: 100 ㎜ x 100 ㎜)을 펀칭 다이로 제조하고, 그의 질량을 측정하였다.
(2) 샘플을 JIS K-6830에 설명된 충격 시험기 내에 설치하고, 30°의 각도로부터 충격을 가했다.
(3) 시험을 거친 샘플을 충격 시험기에서 꺼내고, 그의 질량을 다시 측정하였다.
(4) 미세 실리카 입자의 분산량을 시험 전후에 측정된 샘플의 질량차로부터 계산하였다. 하기의 표 1에 설명되고 첨부된 도 5에 도시된 측정 결과(미세 실리카 입자의 방출비, 중량%)를 얻었다.
Figure 112013107365404-pat00001
상기 표 1 및 도 5에 설명된 측정 결과로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 라텍스 비(미세 실리카 입자에 대한 라텍스의 비)가 1/20보다 더 높을 때, 미세 실리카 입자의 방출이 효과적으로 방지될 수 있다.
SS 판과 매트 사이의 마찰 계수
SS 판과 매트 사이의 마찰 계수를 전술한 방식으로 제조되어 미세 실리카 입자가 부착된 알루미나 섬유 매트에 대해 시마즈 코퍼레이션(Shimazu Corp.)에 의해 제조된 오토그래프(Autograph) AGS100D(상표명)를 사용함으로써 후술하는 절차에 따라 측정하였다.
각각의 샘플을 50 ㎜의 길이, 25 ㎜의 폭, 및 12.5 ㎜의 두께를 갖는 샘플편을 얻기 위해 절단하였다. 그 다음, 도 4에 도시된 바와 같이, 마찰 층(3)을 갖는 표면 측에 대향하는 측에 있는 샘플편(2)의 표면을 양면 접착 테이프(42)에 의해 SS 판(46)에 고정시켰다.
그 다음 약 1 m의 길이를 갖는 스테인레스강 코드(cord, 43)를 준비하고, 그의 일 단부를 SS 판(46)에 고정시켰다. 풀리 블록(45)을 로드 셀(load cell, 44) 바로 아래에 배치하였고, 샘플편(2)에 고정된 SS 판(46)이 로드 셀(44)이 상승될 때 지표면에 대해 평행하게 이동하도록, 강철 코드(43)의 타 단부를 풀리 블록(45)을 거쳐 로드 셀(44)에 고정시켰다.
그 다음 샘플편(2)을 SS 판(41) 상에 위치시켜서 지표면에 대해 평행하도록 그에 고정시켰고, SS 판(41)의 중심축은 풀리 블록(45)에 대해 정확히 수직이었다. 여기서, 케이싱 대신 사용된 SS 판(41)은 2B 처리(냉간 압연 처리)를 받았고, 약 0.2 내지 0.5 ㎛의 표면 조도(Ra)를 갖도록 기계가공되었다. 또한, 로드 셀(44)의 높이를 샘플편(2)이 풀리 블록(45)으로부터 최대 거리의 위치에서 로딩될 수 있도록 조정하였다.
그 다음 12 ㎏의 하중(47)을 SS 판(46) 상에 고정 장착하였고, 그 후에 로드 셀(44)을 상승시켰고, 스테인레스강 코드(43)를 100 ㎝/min의 당김 속도로 화살표에 의해 도시된 방향으로 당겼다. 샘플편(2)이 SS 판(41)의 표면에서 미끄러지기 직전에 측정한 하중을 정지 마찰력(kgf)으로서 기록하였고, 이를 SS 판(46)을 포함한 샘플편(2)에 인가된 하중으로 나눔으로써 정지 마찰 계수를 계산하였다. 아래의 표 2에 설명되고 첨부된 도 6에 도시된 측정 결과(SS 판과 매트 사이의 마찰 계수)를 얻었다. 또한, 표 및 도면의 "SiO2의 양"은 매트의 총 중량에 대한 미세 실리카 입자의 양을 의미한다.
Figure 112013107365404-pat00002
촉매 담체와 매트 사이의 마찰 계수
촉매 담체와 매트 사이의 마찰 계수를 전술한 방식으로 제조되어 미세 실리카 입자가 부착된 알루미나 섬유 매트에 대해 시마즈 코퍼레이션에 의해 제조된 오토그래프 AGS100D(상표명)를 사용함으로써 SS 판과 매트 사이의 마찰 계수와 관련하여 전술한 절차를 따라 측정하였다.
샘플을 절단하여 샘플편을 제조했고, 그러한 샘플편을 도 4에 도시된 시험기 상에 장착하였다. 그러나, 이러한 경우에, 목적이 촉매 담체와 매트 사이의 마찰 계수를 측정하는 것이기 때문에, 촉매 담체(상표명 "허니세람(HONEYCERAM)", 니폰 가이시 가부시끼가이샤(Nippon Gaishi K. K.)에 의해 제조된 모놀리식 본체)를 도 4에 도시된 케이싱 역할을 하는 SS 판(41) 대신에 사용하였다. 촉매 담체는 약 2.5 m의 표면 조도(Ra)를 가졌다.
12 ㎏의 하중(47)을 SS 판(46) 상에 고정 장착하였고, 그 후에 로드 셀(44)을 상승시켰고, 스테인레스강 코드(43)를 100 ㎝/min의 당김 속도로 화살표에 의해 도시된 방향으로 당겼다. 샘플편(2)이 SS 판(41)의 표면에서 미끄러지기 직전에 측정한 하중을 정지 마찰력(kgf)으로서 기록하였고, 이를 SS 판(46)을 포함한 샘플편(2)에 인가된 하중으로 나눔으로써 정지 마찰 계수를 계산하였다. 하기의 표 3에 설명되고 첨부된 도 7에 도시된 측정 결과(촉매 담체와 매트 사이의 마찰 계수)를 얻었다.
Figure 112013107365404-pat00003
도 6 및 도 7에 도시된 마찰 계수의 근사화 곡선에서와 같이, 무기 콜로이드 입자(미세 실리카 입자)의 도포량이 매트 중량에 기초하여 0.01 중량% 이상일 때, 마찰 계수의 증가는 SS 판과 매트 사이의 마찰 계수 및 촉매 담체와 매트 사이의 마찰 계수에 대해 관찰될 수 있다. 또한, 본 실시예에서 마찰 계수를 측정하기 위해 사용된 SS 판의 표면 및 모놀리스 본체의 표면이 약 2.5 ㎛의 조도(Ra)를 갖기 때문에, 본 발명의 경우에, 마찰 계수를 증가시키는 효과는 케이싱 및 촉매 담체가 약 2.5 ㎛ 이상의 표면 조도(Ra)를 가질 때 얻어질 수 있다라고 일반적으로 말할 수 있다.
실시예 2:
본 실시예에서:
(1) 무기 콜로이드 입자와 유기 결합제의 배합비와, 무기 콜로이드 입자의 방출비 사이의 관계,
(2) SS 판과 매트 사이의 마찰 계수와 무기 콜로이드 입자의 양 사이의 관계, 및
(3) 촉매 담체와 매트 사이의 마찰 계수와 무기 콜로이드 입자의 양 사이의 관계가 무기 콜로이드 입자와 유기 결합제의 배합비가 촉매 담체 보유 재료의 마찰 층의 형성 중에 변경된 경우에 대해, 실시예 1에서 설명된 절차에 따라 시험되었다.
미세 콜로이드 입자: 콜로이드 알루미나(닛산 케미칼 컴퍼니, 엘티디.에 의해 제조됨, 상표명 알루미나 SOL-200) 및 유기 결합제: 아크릴 라텍스(롬 앤 하스 컴퍼니, 엘티디.(Rohm and Haas Co., Ltd.)에 의해 제조됨, 상표명 ST-954)를 하기의 표 4에서 설명되는 바와 같이 상이한 배합비로 물 속에서 교반하고 혼합하여, 마찰 층을 형성하기 위해 사용하였다. 3가지 유형의 콜로이드 코팅 용액을 준비하였다. 그 다음 각각의 코팅 용액을 알루미나 섬유 매트의 표면 상에 분사 코팅하고 건조시켰다. 건조된 알루미나 섬유 매트에서, 알루미나가 그 표면에 부착된 것을 확인하였다.
미세 실리카 입자의 방출비의 결정
미세 알루미나(Al2O3) 입자의 방출비(중량%)를 전술한 방식으로 제조되어 미세 실리카 입자가 부착된 각각의 알루미나 섬유 매트에 대해 실시예 1에서 설명된 절차에 따라 측정하였다. 하기의 표 4에 설명되고 첨부된 도 8에 도시된 측정 결과(미세 알루미나 입자의 방출비, 중량%)를 얻었다.
Figure 112013107365404-pat00004
상기 표 4 및 도 8에서 설명된 측정 결과로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 라텍스 비(미세 알루미나 입자에 대한 라텍스의 비)가 1/20보다 더 높을 때, 미세 알루미나 입자의 방출이 효과적으로 방지될 수 있다.
SS 판과 매트 사이의 마찰 계수
SS 판과 매트 사이의 마찰 계수를 전술한 방식으로 제조되어 미세 알루미나 입자가 부착된 알루미나 섬유 매트에 대해 실시예 1에서 설명된 절차에 따라 측정하였다. 하기의 표 5에 설명되고 첨부된 도 9에 도시된 측정 결과(SS 판과 매트 사이의 마찰 계수)를 얻었다. 또한, 표 및 도면의 "Al2O3의 양"은 매트의 총 중량에 대한 미세 알루미나 입자의 양을 의미한다.
Figure 112013107365404-pat00005
촉매 담체와 매트 사이의 마찰 계수
촉매 담체와 매트 사이의 마찰 계수를 전술한 방식으로 제조되어 미세 알루미나 입자가 부착된 알루미나 섬유 매트에 대해 실시예 1에서 설명된 절차에 따라 측정하였다. 하기의 표 6에 설명되고 첨부된 도 10에 도시된 측정 결과(촉매 담체와 매트 사이의 마찰 계수)를 얻었다.
Figure 112013107365404-pat00006
도 9 및 도 10에 도시된 마찰 계수의 근사화 곡선에서와 같이, 무기 콜로이드 입자(미세 알루미나 입자)의 도포량이 매트 중량에 기초하여 0.01 중량% 이상일 때, 마찰 계수의 증가는 SS 판과 매트 사이의 마찰 계수 및 촉매 담체와 매트 사이의 마찰 계수에 대해 관찰될 수 있다. 또한, 본 실시예에서 마찰 계수를 측정하기 위해 사용된 SS 판의 표면 및 모놀리스 본체의 표면이 약 2.5 ㎛의 조도(Ra)를 갖기 때문에, 본 발명의 경우에, 마찰 계수를 증가시키는 효과는 케이싱 및 촉매 담체가 약 2.5 ㎛ 이상의 표면 조도(Ra)를 가질 때 얻어질 수 있다라고 일반적으로 말할 수 있다.
실시예 3:
촉매 변환기의 제작
실시예 1 및 2의 평가 시험에서 양호한 측정 결과를 산출한 샘플에 대해, 그러한 샘플과 동일한 구조의 마찰 층을 구비한 알루미나 섬유 매트를 제조하였다. 그 다음 알루미나 섬유 매트를 78 ㎜의 외경 및 100 ㎜의 길이를 구비한 원통 형상을 갖는 별도로 준비한 촉매 담체(니폰 가이시 가부시끼가이샤에 의해 제조된 모놀리스 본체, 상표명 "허니세람")의 외주연부 둘레에 감겼다. 알루미나 섬유 매트가 둘레에 감긴 촉매 담체를 84 ㎜의 내경 및 120 ㎜의 길이를 구비한 원통형 스테인레스강 케이싱 내로 가이드 콘(guide cone)을 사용하여 40 ㎜/sec로 억지 끼워맞춤시켰다. 이러한 캐닝 공정에서, 촉매 담체와 케이싱 사이의 간극은 약 3 ㎜였다. 억지 끼워맞춤은 촉매 담체 측면, 케이싱 측면, 그리고 촉매 담체 측면 및 케이싱 측면 상의 양 표면 상에 마찰 층이 형성된 알루미나 섬유 매트를 사용함으로써 수행되었지만, 목표 촉매 변환기는 촉매 담체 또는 알루미나 섬유 매트의 손상 및 조립 작동성의 감소와 같은 불편함이 없이 제조될 수 있었다. 또한, 촉매 담체와 알루미나 섬유 매트 사이에서 변위가 발생하지 않았다. 또한, 얻어진 촉매 담체는 실제 사용 시에 목표 배기 가스 정화 기능을 충분히 나타낼 수 있었다.

Claims (10)

  1. 케이싱 내부의 오염 제어 요소 둘레에 감겨 이를 보유하고, 케이싱과 오염 제어 요소 사이에 배치되는, 오염 제어 요소를 위한 보유 재료로서,
    소정 두께, 외주연 표면, 및 내주연 표면을 갖는 무기 섬유 재료 매트와;
    무기 콜로이드 입자를 각각 포함하는 적어도 2개의 마찰 층을 포함하며,
    하나의 상기 마찰 층은 상기 매트의 외주연 표면 상에 있고, 다른 마찰 층은 상기 매트의 내주연 표면 상에 있고,
    상기 보유 재료가 케이싱과 오염 제어 요소 사이에서 오염 제어 장치 내에 배치될 때, 상기 하나의 마찰 층은 케이싱과 접촉하고, 상기 다른 마찰 층은 오염 제어 요소와 접촉하는 보유 재료.
  2. 제1항에 있어서, 상기 무기 콜로이드 입자는 1 내지 100 ㎚의 평균 입자 크기를 갖는 보유 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 상기 마찰 층은 상기 매트의 표면 상에서의 무기 재료의 미세 입자를 포함하는 콜로이드 용액의 코팅인 보유 재료.
  4. 오염 제어 장치로서,
    케이싱, 상기 케이싱 내부에 배치된 오염 제어 요소, 및 제1항 또는 제2항에 따른 보유 재료를 포함하며,
    상기 보유 재료는 상기 오염 제어 장치 내부에 상기 오염 제어 요소를 장착하기 위해 상기 케이싱과 상기 오염 제어 요소 사이에 배치되는 오염 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서, (a) 상기 오염 제어 요소는 촉매 담체이고, 상기 오염 제어 장치는 촉매 변환기이거나, (b) 상기 오염 제어 요소는 필터 요소이고, 상기 오염 제어 장치는 배기 가스 정화 장치인 오염 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 보유 재료는 촉매 변환기 내부에 촉매 담체를 장착하거나 배기 가스 정화 장치 내부에 필터 요소를 장착하도록 작용하게 된 오염 제어 장치.
  7. 제4항에 따른 오염 제어 장치를 포함하는, 내연 기관을 위한 배기 시스템.
  8. 제7항에 따른 배기 시스템을 포함하는 내연 기관.
  9. 제7항에 따른 배기 시스템을 구비한 내연 기관을 포함하는 차량.
  10. 제7항에 따른 배기 시스템을 구비한 내연 기관을 포함하는 발전기.
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