KR20120098678A - 부직 매트 및 이를 갖는 오염 제어 장치 - Google Patents

부직 매트 및 이를 갖는 오염 제어 장치 Download PDF

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Abstract

대체로 대향하는 제1 및 제2 주 표면과, 대체로 대향하는 제1 및 제2 에지를 가진 길이부를 갖는 부직 층으로, 부직 층은 무기 섬유를 포함하며, 결합제 함량이 부직 층의 총 중량을 기준으로 7 중량% 이하이고, 적어도 하나의 스티칭 선이 있다. 부직 층은, 예를 들어 오염 제어 장치를 위한 장착 매트를 위해 유용하다.

Description

부직 매트 및 이를 갖는 오염 제어 장치{NON-WOVEN MAT AND POLLUTION CONTROL DEVICE WITH THE SAME}
가솔린 엔진을 위한 촉매 변환기와 같은 오염 제어 장치는 30년 넘게 알려져 왔다. 최근 수년간에는, 디젤 차량에 대한 더욱 엄격한 규제가 디젤 산화 촉매 (DOC), 디젤 미립자 필터 (DPF), 및 선택적 촉매 환원 장치 (SCR)를 포함하는 다른 오염 제어 장치 사용의 빠른 증가를 가져왔다. 오염 제어 장치는 금속 하우징 또는 케이싱을 전형적으로 포함하는데, 오염 제어 요소가 탄성 및 가요성 장착 매트에 의해 케이싱 내에 견고하게 장착되어 있다. 디젤 산화 변환기를 비롯한 촉매 변환기는 모놀리식(monolithic) 구조체 상에 전형적으로 코팅된 촉매를 포함한다. 모놀리식 구조체는 전형적으로 세라믹이지만, 금속 모놀리스가 또한 알려져 있다. 가솔린 엔진 내의 촉매는 일산화탄소 및 탄화수소를 산화시키고 질소의 산화물을 환원시켜 대기 오염을 제어한다. 디젤 산화 촉매는 존재하는 임의의 일산화탄소뿐만 아니라 매연 입자의 용해성 유기분을 산화시킨다.
디젤 미립자 필터 또는 트랩은 전형적으로는 다공성 결정질 세라믹 재료로부터 전형적으로 제조되는 벌집형 모놀리식 구조체를 갖는 벽 유동 필터(wall-flow filter)이다. 벌집형 구조체의 교대하는 셀들은 전형적으로 배기 가스가 하나의 셀 내로 진입하고 다공성 벽을 통해 인접한 셀로 가압되어 여기서 구조체를 빠져나갈 수 있도록 막혀 있다. 이러한 방식으로, 디젤 배기 가스 내에 존재하는 작은 매연 입자가 수집된다. 때때로, 배기 가스의 온도가 매연 입자의 소각 온도(incineration temperature)보다 높게 증가하여 매연 입자가 연소된다. 이러한 과정을 "재생"이라고 칭한다.
선택적 촉매 환원기는 구조 및 기능(즉, NOx의 환원)이 촉매 변환기와 유사하다. 선택적 촉매 환원기 모놀리스에 도달하기 전에 기체 또는 액체 환원제 (일반적으로 암모니아 또는 요소)가 배기 가스에 첨가된다. 혼합된 기체는 NOx 배출물과 암모니아 또는 요소 사이의 반응을 야기한다. 반응은 NOx 배출물을 순수한 질소와 산소로 변환시킨다.
오염 제어 장치 내에서 사용되는 모놀리스 및 특히 세라믹 오염 제어 모놀리스는 깨지기 쉽고, 진동 또는 충격 손상 및 파단에 대해 취약하다. 모놀리스는 이를 포함하는 금속 하우징보다 대체로 한 차수 정도로 크기가 더 작은 열팽창 계수를 갖는다. 이는 오염 제어 장치가 가열됨에 따라, 하우징의 내부 주연 벽과 모놀리스의 외부 벽 사이의 간극이 증가한다는 것을 의미한다. 금속 하우징이 매트의 단열 효과로 인해 더 작은 온도 변화를 겪을지라도, 금속 하우징의 더 높은 열팽창 계수는 하우징이 세라믹 모놀리스의 팽창보다 더 빠르게 더 큰 주연 크기로 팽창하게 한다. 이러한 열 사이클은 오염 제어 장치의 수명 및 사용 동안 수백회 발생한다.
노면 충격 및 진동으로 인한 세라믹 모놀리스의 손상을 피하고, 열팽창 차이를 보상하고, 배기 가스가 모놀리스와 금속 하우징 사이를 통과하는 것(그에 의해 촉매를 우회하는 것)을 방지하기 위하여, 장착 매트가 세라믹 모놀리스와 금속 하우징 사이에 배치된다. 이러한 매트는 모놀리스를 필요한 온도 범위에 걸쳐 제 위치에 유지하기에는 충분하지만 세라믹 모놀리스를 손상시킬 만큼은 크지 않은 압력을 가한다. 공지의 오염 제어 장착 매트는 무기(예를 들어, 세라믹) 섬유, 및 유기 및/또는 무기 결합제로 구성된 팽창성 및 비팽창성 시트 재료를 포함한다. 세라믹 모놀리스와 장착 재료를 금속 하우징 내에 배치 또는 삽입하는 과정을 캐닝(canning)이라고 부르며, 이는 팽창성 시트 또는 세라믹 매트를 모놀리스 둘레에 감싸고 감싸진 모놀리스를 하우징 내로 삽입하는 것과 같은 공정을 포함한다.
비교적 저온 응용(예를 들어, 디젤 미립자 필터)에서, 전형적인 유기 성분 함량(9% 이상)은 통상 (예를 들어, 강성을 갖거나 또는 탄성 감소로 인해) 매트의 물리적 특성에 해롭다. 전체 유기 성분 함량의 감소는 전형적으로 저온(전형적으로 350℃ 이하)에서 장착 매트에 대한 증가된 성능을 초래하지만, 매트의 내부 강도에 해로워, 캐닝(canning) 공정 동안 매트 전단(shearing)으로 이어질 수 있다.
본 발명은 대체로 대향하는 제1 및 제2 주 표면, 대체로 대향하는 제1 및 제2 에지를 가진 길이부, 및 적어도 35 ㎜(일부 실시 형태에서는, 적어도 40 ㎜, 45 ㎜, 50 ㎜, 60 ㎜, 70 ㎜, 80 ㎜, 90 ㎜, 100 ㎜, 또는 심지어 적어도 150 ㎜; 일부 실시 형태에서는, 100 ㎜ 내지 400 ㎜ 범위)의 폭을 갖는 부직 층을 설명하는데, 여기서 부직 층은 무기 섬유(예를 들어, 내화성 세라믹 섬유, 다결정 세라믹 섬유, 및/또는 생체용해성 섬유, 등)를 포함하며, 결합제 함량이 부직 층의 총 중량을 기준으로 7 중량% 이하(일부 실시 형태에서는, 6, 5, 4, 3, 2 이하, 또는 1 이하; 일부 실시 형태에서는, 0)이고, 스티칭(stitching)을 가지며, 여기서 스티칭은
(a) 적어도 하나의 (선택적으로는 2개, 3개, 4개 또는 그 이상의) 지그재그 스티칭 선(들) - 여기서 지그재그 스티칭은 부직 층의 제1 및 제2 에지 각각의 적어도 10 ㎜(일부 실시 형태에서는, 9 ㎜, 8 ㎜, 7 ㎜, 6 ㎜, 또는 심지어 5 ㎜; 5 ㎜ 내지 10 ㎜ 범위) 이내로 연장함 - ; 및
(b) 적어도 2개의 (선택적으로는 3개, 4개, 또는 그 이상의) 스티칭 선(선택적으로 3개, 4개 또는 그 이상) - 제1 스티칭 선은 제1 에지로부터 5 ㎜ 내지 30 ㎜ 범위(일부 실시 형태에서는, 5 ㎜ 내지 25 ㎜, 5 ㎜ 내지 20 ㎜, 5 ㎜ 내지 15 ㎜, 또는 심지어 5 ㎜ 내지 10 ㎜ 범위), 그리고 제2 스티칭 선은 제2 에지로부터 5 ㎜ 내지 30 ㎜ 범위(일부 실시 형태에서는, 5 ㎜ 내지 25 ㎜, 5 ㎜ 내지 20 ㎜, 5 ㎜ 내지 15 ㎜, 또는 심지어 5 ㎜ 내지 10 ㎜ 범위) 내에 있음 - 중 적어도 하나이다.
본 명세서에 기재된 부직 층 및 매트는, 예를 들어, 오염 제어 장치에 유용하다. 예시적인 오염 제어 장치는 본 명세서에 기재된 부직 층 또는 매트를 사용하여 케이싱 내에 장착된 오염 제어 요소(예를 들어, 촉매 변환기, 디젤 미립자 필터, 또는 선택적 촉매 환원 요소)를 포함한다. 일부 바람직한 실시 형태에서, 스티칭의 존재는 부직 층이 오염 제어 요소 둘레에 감싸이고 오염 제어 장치의 관형 금속 쉘(케이싱) 내로 삽입될 때 부직 층의 제1 및 제2 주 표면의 전단을 감소시키거나 방지한다.
다른 태양에서, 본 발명은 부직 층을 포함하는 매트를 사용하여 케이싱 내에 장착된 오염 제어 요소(예를 들어, 촉매 변환기, 디젤 미립자 필터, 또는 선택적 촉매 환원 요소)를 포함하는 오염 제어 장치를 설명하는데, 상기 부직 층은 대체로 대향하는 제1 및 제2 주 표면, 대체로 대향하는 제1 및 제2 에지를 가진 길이부, 및 폭을 가지며, 여기서 부직 층은 무기 섬유(예를 들어, 내화성 세라믹 섬유, 다결정 세라믹 섬유, 및/또는 생체용해성 섬유)를 포함하며 결합제 함량이 부직 층의 총 중량을 기준으로 7 중량% 이하(일부 실시 형태에서는, 6 중량%, 5 중량%, 4 중량%, 3 중량%, 2 중량% 이하 또는 1 중량% 이하; 일부 실시 형태에서는 0 중량%)이며, 층의 길이를 따라 적어도 하나의 (선택적으로는, 2개, 3개, 4개, 또는 그 이상의) 스티칭 선(들)이 있으며, 여기서 스티칭의 존재는 부직 층이 오염 제어 요소 둘레에 감싸이고 케이싱 내로 삽입될 때 부직 층의 제1 및 제2 표면의 전단을 적어도 (일부 실시 형태에서 적어도 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 또는 심지어 적어도 50%만큼) 감소시킨다.
매트 및/또는 부직 층의 다른 선택적인 특징은 앞선 문단에서 설명된 매트와 부직 층에 대해 본 명세서에 기재된 바와 같다.
본 명세서에 기재된 부직 층의 실시 형태의 이점은 부직 층의 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이의 전단량을 최소화하면서 저 결합제 장착 매트를 관형 쉘 내로 삽입시키는 능력을 포함할 수 있다. 유의한 양의 전단은 부식 문제, 오염 제어 장치의 막힘, 부품 표면적의 감소로 인한 내구성 성능 문제 등을 야기할 수 있다.
<도 1 내지 도 3>
도 1 내지 도 3은 본 명세서에 기재된 예시적인 부직 층의 평면도.
<도 4>
도 4는 본 명세서에 기재되는 예시적인 부직 층을 가진 본 명세서에 기재되는 예시적인 오염 제어 장치의 부분 개방 사시도.
<도 5>
도 5는 오염 제어 요소 및 예시적인 장착 매트를 오염 제어 장치의 케이싱 내로 설치하는 것을 도시하는 사시도.
<도 5a>
도 5a는 오염 제어 장치의 케이싱 내의 오염 제어 요소와 예시적인 장착 매트의 단면도.
도 1을 참조하면, 예시적인 층(10)은 에지(12, 13), 설부(tongue)(14), 홈(groove)(15), 및 스티칭(16, 17)을 갖는다.
도 2를 참조하면, 예시적인 층(20)은 에지(22, 23), 설부(24), 홈(25), 및 스티칭(26, 27, 28)을 갖는다.
도 3을 참조하면, 예시적인 층(30)은 에지(32, 33), 설부(34), 홈(35), 및 스티칭(36)을 갖는다.
도 4를 참조하면, 오염 제어 장치(40)는 대체로 절두 원추형인 입구 및 출구 단부(42, 43)를 각각 구비한 금속 케이싱(41)을 포함한다. 본 발명에 따른 예시적인 부직 층(45)에 의해 둘러싸인 오염 제어 요소(44)가 케이싱(41) 내에 배치된다. 부직 층(45)은 모놀리식 요소(44)를 케이싱(41) 내에 단단히 그러나 탄성적으로 지지 및 유지하는 역할을 하고 오염 제어 요소 케이싱(44)과의 사이의 간극을 밀봉하여, 배기 가스가 오염 제어 요소(44)를 우회하는 것을 방지 또는 감소(바람직하게는 최소화)시킨다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이 "섬유"는 길이가 적어도 5 마이크로미터이고 종횡비(즉, 길이 대 직경)가 적어도 3:1이다.
예시적인 유용한 무기 섬유는 실리케이트, 알루미네이트, 알루미노-실리카 화합물, 지르콘, 생체용해성 조성물(예를 들어, 칼슘 마그네슘 실리케이트 및 마그네슘 실리케이트), 유리 조성물(예를 들어, S-유리 및 E-유리), 비결정형, 결정형 및 부분 결정형 조성물, 및 광물 섬유(현무암), 미네랄 울(mineral wool), 및 조합과 같은 다양한 산화물뿐만 아니라 탄화물(예를 들어, 탄화규소 및 탄화규소), 질화물(예를 들어, 질화규소 및 질화붕소), 및 그 조합을 포함한다.
일부 실시 형태에서, 무기 섬유 층은 연화점을 가지며 무기 섬유의 총 중량을 기준으로 총체적으로 95 중량% 이하의 SiO2(존재한다면) 및 Al2O3(존재한다면)를 포함하는 유리(즉, 임의의 장범위 결정 구조가 없는 용융물 및/또는 증기 상으로부터 유도된 재료)를 포함하며, 이 경우 유리는 그 개시 내용이 참고로 본 명세서에 포함되는 ASTM C338-93(2008)에 의해 측정된 연화점이 적어도 400℃이다.
예시적인 마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유에는 E-유리 섬유, S-유리 섬유, S-2 유리 섬유, R-유리 섬유, 및 그 혼합물이 포함된다. E-유리, S-유리 및 S-2 유리는, 예를 들어, 미국 사우스캐롤라이나주 아이켄 소재의 어드밴스트 글래스파이버 얀즈, 엘엘씨(Advanced Glassfiber Yarns, LLC)로부터 구매가능하다. R-유리는, 예를 들어, 프랑스 샹베리 소재의 오웬 코닝 베트로텍스(Owens Corning Vetrotex)로부터 구매가능하다.
일부 실시 형태에서, 무기 섬유 층은 내화성 세라믹 섬유(예를 들어, 알루미노실리케이트 섬유(어닐링된 알루미노실리케이트 섬유 및 비결정형 알루미노실리케이트 섬유 포함), 알루미나 섬유, 실리카 섬유, 및 현무암 섬유)를 포함한다. 내화성 세라믹 섬유의 맥락에서 "내화성"은 하소된 카올린 점토 또는 알루미나와 실리카의 조합의 용융, 블로잉 또는 방사로부터 생산된 비결정형 인조 무기 재료를 말한다. 지르코니아, 티타니아, 마그네시아, 산화철, 산화칼슘, 및 알칼리와 같은 다른 산화물이 또한 존재할 수 있다. 내화 재료의 SiO2 함량은 20 중량%보다 크며, Al2O3는 20 중량%보다 크며, 여기서 SiO2와 Al2O3는 총체적으로 무기 재료의 95% 을 구성한다. 선택적으로, 내화성 세라믹 섬유는 열처리에 의해 부분적으로 또는 완전히 결정화될 수 있다. 예시적인 비결정형 내화성 알루미노실리케이트 세라믹 섬유에는 블로운 또는 스펀 비결정형 내화성 세라믹 섬유(예를 들어, 미국 조지아주 어거스타 소재의 서멀 세라믹스(Thermal Ceramics)로부터 상표명 "카오울(KAOWOOL)" 및 "세라파이버(CERAFIBER)"로 그리고 미국 뉴욕주 나이아가라 폴스 소재의 유니프랙스 코포레이션(Unifrax Corporation)으로부터 상표명 "파이버프랙스(FIBERFRAX)"로 구매가능함)를 포함한다.
일부 실시 형태에서, 무기 섬유 층은 다결정 세라믹 섬유(예를 들어, 미국 미시간주 첼시 소재의 사필 오토모티브(Saffil Automotive)로부터 상표명 "사필(SAFFIL)"로 그리고 미국 버지니아주 체사피크 소재의 미츠비시 케미칼스 유에스에이, 인크.(Mitsubishi Chemicals USA, Inc.)로부터 "매프택(MAFTEC)"으로 입수가능한 것들)를 포함한다.
일부 실시 형태에서, 무기 섬유 층은 생체용해성 섬유(예를 들어, 마그네슘 실리케이트 섬유 또는 칼슘 마그네슘 실리케이트 섬유 중 적어도 하나)를 포함한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "생체용해성 무기 섬유"는 생리학적 매질 또는 생리학적 모조 매질(simulated physiological medium)에서 분해될 수 있는 무기 섬유를 말한다. 생리학적 매질은 동물 또는 사람의 폐와 같은 호흡계에서 전형적으로 발견되는 체액을 지칭하지만 이로 한정되는 것은 아니다. 예시적인 생체용해성 무기 섬유는 규소, 마그네슘 및 칼슘의 산화물로 구성된 것들(칼슘 마그네슘 실리케이트 섬유 포함)을 포함한다. 이러한 유형의 섬유는 전형적으로 칼슘 마그네슘 실리케이트 섬유 및 마그네슘 실리케이트 섬유로 불린다.
생체용해성 섬유는 예를 들어 미국 뉴욕주 나이아가라 폴스 소재의 유니프랙스 코포레이션으로부터 상표명 "이소프랙스(ISOFRAX)" 및 "인설프랙스(INSULFRAX)"로, 멕시코 몬테레이 소재의 뉴텍 화이버라텍(Nutec Fiberatec)으로부터 상표명 "수퍼맥(SUPERMAG) 1200"으로, 그리고 미국 조지아주 오거스타 소재의 써멀 세라믹스로부터 상표명 "수퍼울(SUPERWOOL)"로 구매가능하다. "수퍼울 607" 생체용해성 섬유는 예를 들어 60 내지 70 중량%의 SiO2, 25 내지 35 중량%의 CaO, 4 내지 7 중량%의 MgO 및 미량의 A12O3를 포함한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "열처리된 실리카 섬유"는 적어도 5분의 열처리 기간 동안 적어도 400℃의 열처리 온도에 노출된, 적어도 95 중량%의 SiO2를 포함하는 무기 섬유를 말한다.
예시적인 열처리된 높은 실리카 함량 섬유는 예를 들어 미국 캘리포니아주 가드나 소재의 힛코 카본 컴포지츠, 인크.(Hitco Carbon Composites, Inc.)로부터 상표명 "리프라실(REFRASIL)"로 구매가능하다. 예를 들어, "리프라실 F100" 섬유는 약 96 내지 약 99 중량%의 SiO2를 함유한다.
현무암 섬유는 광물인 현무암으로부터 제조된다. 현무암은 대부분의 국가에서 볼 수 있는 경질의 조밀한 화산암이다. 현무암을 파쇄하고, 세척하고, 용융하고, 백금-로듐 압출 부싱(bushing)에 공급하여 연속 필라멘트를 형성한다. 섬유가 광물로부터 유래하기 때문에, 섬유의 조성은 다양할 수 있으나 일반적으로, 중량 기준으로, 약 45 내지 약 55%의 SiO2, 약 2 내지 약 6%의 알칼리, 약 0.5 내지 약 2%의 TiO2, 약 5 내지 약 14%의 FeO, 약 5 내지 약 12%의 MgO, 적어도 약 14 중량%의 Al2O3, 및 흔히 거의 약 10%의 CaO의 조성을 갖는다.
일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 부직 층은 부직 층의 중량 기준으로 최대 7 (또는 그 이상) 중량%의 양으로 유기 결합제를 추가로 함유한다. 오염 제어 장치에서 전형적으로 직면하게 되는 것들과 같은 상승된 온도들에서 부직 층 또는 부직 층을 포함하는 다층 매트가 사용될 때, 유기 결합제는 전형적으로 연소에 의해 제거된다(burned off).
본 명세서에 기재된 부직 층은 예를 들어 당업계에 알려진 습식(전형적으로 웨트-레이드(wet-laid)) 또는 건식(전형적으로 드라이-레이드(dry-laid)) 공정을 이용하여 제조될 수 있다. 선택적으로, 본 명세서에 기재된 부직 층은 열처리될 수 있다. 전형적으로, 부직 층은 폭이 100 ㎜ 내지 400 ㎜ 범위 내에 있다.
일부 실시 형태에서, 무기 섬유에는 숏(shot)이 없거나 또는 매우 낮은 양의 숏(예를 들어, 섬유의 총 중량 기준으로 1 중량% 미만)을 함유하는 반면, 다른 실시 형태에서 숏 함량은 섬유의 총 중량 기준으로 50 중량%보다 더 클 수 있다.
적합한 스티칭 실은 본 명세서의 검토 후 당업자에게 명백할 것이다. 스티칭을 위한 예시적인 실은 폴리에스테르 또는 나일론 실 중 적어도 하나를 포함하는 것을 포함하지만, 다른 실 조성도 또한 유용할 수 있다. 예시적인 실 텍스(tex)는, 예를 들어 300, 200, 125, 100, 또는 50을 포함하지만, 다른 실 텍스도 또한 유용할 수 있다.
무기 실(inorganic thread) 또는 고온 실(high temperature thread)이 또한 이용될 수 있으며, 부품 상의 두께를 통해 꿰매기에 충분한 강도, 그리고 세라믹 섬유 및 질석과 같은 무기 입자와 같은 무기 섬유를 꿰매기에 충분한 강도를 가진 임의의 실이 이용될 수 있다. 유기 실이 바람직한데, 이는 전형적으로 사용중에 고온에 노출될 경우 분해될 것이며 전형적으로 장착 매트의 유지 성능에 영향을 주지 않을 것이기 때문이다.
선택적으로, 본 명세서에 기재된 부직 층은 니들 펀칭된다(needle-punched)(즉, 예를 들어, 미늘형(barbed) 니들에 의한 매트의 다수의 전체적이거나 부분적인 (일부 실시 형태에서는, 전체적인) 침투에 의해 섬유의 물리적 엉킴이 있다). 부직 매트는 종래의 니들 펀칭 장치를 이용하여 니들 펀칭될 수 있다.
선택적으로, 본 명세서에 기재된 부직 층, 또는 매트의 다른 층은 비팽창성이거나 팽창성일 수 있다(즉, 팽창성 재료를 포함함(예를 들어, 질석을 포함함)). 일부 실시 형태에서, 매트는 비팽창성인 (즉, 팽창성 재료가 없는(예를 들어, 질석이 없는)) 것이 바람직하다. 팽창성 재료는 부직 층 내에 그리고/또는 하나 이상의 별도의 층으로서 존재할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "비팽창성"은 동일한 조건 하에서 두께의 10% 미만의 자유 팽창을 나타내는 재료를 말한다. 일부 비팽창성 재료는 가열될 때 8% 미만, 6% 미만, 4% 미만, 2% 미만, 또는 1% 미만으로 팽창한다.
팽창성 층은 적어도 일 유형의 팽창성 재료를 포함한다. 팽창성 층은 무기 섬유, 유기 결합제, 가소제, 습윤제, 분산제, 소포제, 라텍스 응결제, 살진균제, 충전재, 무기 결합제, 및 유기 섬유를 추가로 포함할 수 있다.
예시적인 팽창성 재료에는 비팽창 질석, 하이드로바이오타이트(hydrobiotite), 미국 특허 제3,001,571호(해치(Hatch))에 기재되어 있는 수팽윤성 합성 불소 4규소계 운모(tetrasilicic fluorine type mica), 미국 특허 제4,521,333호(그라함(Graham) 등)에 기재되어 있는 알칼리 금속 규산염 과립, 팽창성 흑연, 또는 그 조합이 포함된다. 알칼리 금속 규산염 과립은 예를 들어 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 상표명 "엑스팬트롤(EXPANTROL) 4BW"로 구매가능하다. 팽창성 흑연은 예를 들어 미국 오하이오주 클리블랜드 소재의 유카르 카본 컴퍼니, 인크.(UCAR Carbon Co., Inc.)로부터 상표명 "그라포일 그레이드(GRAFOIL GRADE) 338-50"으로 구매가능하다. 비팽창 질석은 예를 들어 미국 뉴욕주 뉴욕 소재의 코메탈스 인크.(Cometals Inc.)로부터 구매가능하다. 일부 응용에서, 팽창성 재료는 비팽창 질석, 팽창성 흑연 또는 그 조합으로부터 선택된다. 질석은 예를 들어 인산이수소암모늄, 질산암모늄, 염화암모늄, 염화칼륨, 또는 당업계에 공지되어 있는 다른 용해성 염과 같은 염으로 처리될 수 있다.
팽창성 층은 흔히 팽창성 층의 중량을 기준으로 적어도 5 중량%, 적어도 10 중량%, 적어도 20 중량%, 적어도 30 중량%, 적어도 40 중량%, 적어도 50 중량% 또는 적어도 60 중량%의 팽창성 재료를 포함한다. 일부 팽창성 층에서, 이 층에는 무기 섬유가 없을 수 있다. 다른 팽창성 층에서, 이 층에는 무기 섬유 및 유기 결합제가 없을 수 있다. 또 다른 팽창성 층에서, 이 층은 팽창성 층의 중량을 기준으로 5 내지 약 85 중량%의 팽창성 재료와 20 중량% 미만의 유기 결합제를 포함한다. 무기 섬유는 일부 팽창성 층에 포함되어 있다.
예시적인 팽창성 층은 예를 들어 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 상표명 "인터람(INTERAM) 550, "인터람 700", 및 "인터람 800" 으로 구매가능하다. 이들 층은 통상 벌크 밀도가 약 0.4 g/㎤ 내지 약 0.7 g/㎤이며 단위면적 당 중량은 약 1050 g/㎡ 내지 약 8140 g/㎡이다.
팽창성 층(들)을 포함하는 본 명세서에 기재된 매트의 일부 실시 형태에서, 부직 층(들)은 유리 섬유를 함유하고 팽창성 층(들)은 질석을 함유한다.
선택적으로, 에지 보호 재료가 본 명세서에 기재된 매트에 첨가될 수 있다. 에지 보호 재료는 예를 들어 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 제5,008,086호 (메리(Merry))에 기재된 바와 같이 에지 주위에 권취되는 스테인레스강 와이어일 수 있다. 다른 적합한 에지 보호 재료는 예를 들어 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 제4,156,533호 (클로스(Close) 등)에 기재된 바와 같이 편조형(braided) 또는 로프형 유리, 세라믹 또는 금속 섬유를 포함한다. 에지 보호 재료는 또한, 예를 들어 개시 내용이 참고로 포함된 EP 639 701 A2호(호워스(Howorth) 등)(1995년 2월 22일자로 공개), EP 639 702 A2호(호워스 등)(1995년 2월 22일자로 공개) 및 EP 639 700 A2호(스트룸(Stroom) 등)(1995년 2월 22일자로 공개)에 기재된 바와 같이 유리 입자를 가진 조성물로부터 형성될 수 있다. 다른 예시적인 에지 보호 재료는, 예를 들어 개시 내용이 참고로 포함된 국제 특허 공개 WO2008156942호(2008년 12월 24일자로 공개)에 기재되어 있다.
특정 층의 두께는 특정 응용에 따라 변할 수 있다. 전형적으로, 부직 층은 평균 두께가 3 ㎜ 내지 50 ㎜ 범위 내에 있지만, 이러한 범위 밖의 두께 또한 유용할 수 있다. 일부 실시 형태에서, (존재한다면) 팽창성 층의 두께는 부직 층(들)의 각각의 두께 이하이다.
전형적으로, 부직 층은 평량이 1000 g/㎡ 내지 7000 g/㎡ 범위 내에 있지만, 이러한 범위 밖의 평량 또한 유용할 수 있다.
전형적으로, 부직 층은 제조된 그대로의 벌크 밀도가 0.05 g/㎤ 내지 0.3 g/㎤ 범위 내에 있지만, 이러한 범위 밖의 제조된 그대로의 벌크 밀도 또한 유용할 수 있다.
본 명세서에 기재된 부직 층 및 매트는, 제조된 그대로, 500℃를 초과하여 가열하기 전에, 적용가능하다면, 부직 층 또는 매트의 총 중량을 기준으로, 7 중량% 이하(일부 실시 형태에서는, 6, 5, 4, 3, 2, 1 중량% 이하 또는 심지어 0 중량%)의 유기 재료를 함유한다.
부직 층은 그 자체가, 예를 들어, 오염 제어 장치를 위한 장착 매트로서 사용될 수 있거나, 또는 다른 층(예를 들어, 하나 이상의 다른 부직 층, 무기 섬유를 포함하는 층(들) 및/또는 팽창성 층(들))을 추가로 포함할 수 있다. 오염 제어 장치의 금속 케이싱은 스테인레스강을 포함한, 그러한 용도를 위해 당업계에 알려진 재료로부터 제조될 수 있다.
본 명세서에 기재된 장착 매트를 사용하여 장착될 수 있는 예시적인 오염 제어 요소에는 가솔린 오염 제어 요소뿐만 아니라, 디젤 오염 제어 요소가 포함된다. 오염 제어 요소는 촉매 변환기 또는 미립자 필터 또는 트랩일 수 있다. 촉매 변환기는 금속 하우징 내에 장착된 모놀리식 구조체 상에 전형적으로 코팅된 촉매를 포함한다. 촉매는 전형적으로 필요 온도에서 작동하고 유효하도록 구성된다. 예를 들어, 가솔린 엔진과의 사용을 위해 촉매 변환기는 전형적으로 400℃ 내지 950℃ 범위의 온도에서 유효하여야 하는 반면, 디젤 엔진의 경우에는 더 낮은 온도(전형적으로 350℃ 이하)가 일반적이다. 모놀리식 구조체는 전형적으로 세라믹이지만, 금속 모놀리스가 또한 때때로 사용된다. 촉매는 대기 오염을 제어하기 위해 배기 가스 내에서 일산화탄소 및 탄화수소를 산화시키고 질소 산화물을 환원시킨다. 가솔린 엔진에서, 3가지의 이러한 모든 오염물이 소위 "3원 변환기(three way converter)" 내에서 동시에 반응될 수 있지만, 대부분의 디젤 엔진에는 디젤 산화 촉매 변환기만이 구비되어 있다. 질소 산화물을 환원시키는 촉매 변환기는 대체로 별도의 촉매 변환기로 이루어진다. 가솔린 엔진과 함께 사용하기 위한 오염 제어 요소의 예에는 예를 들어 미국 뉴욕주 코닝 소재의 코닝 인크.(Corning Inc.) 또는 일본 나고야 소재의 엔지케이 인슐레이터스, 엘티디.(NGK Insulators, LTD.)로부터 구매 가능한 근청석(cordierite)으로 제조된 것, 또는 예를 들어 독일 로말 소재의 에미텍(Emitec)으로부터 구매 가능한 금속 모놀리스가 포함된다.
적합한 선택적 촉매 환원 요소는 예를 들어 미국 뉴욕주 코닝 소재의 코팅 인크.로부터 입수가능하다.
디젤 미립자 필터 또는 트랩은 전형적으로는 다공성 결정질 세라믹 재료로부터 전형적으로 제작되는 벌집형 모놀리식 구조체를 갖는 벽 유동 필터이다. 벌집형 구조체의 교대하는 셀들은 전형적으로 배기 가스가 하나의 셀 내로 진입하고 다공성 벽을 통해 인접한 셀로 가압되어 여기서 구조체를 빠져나갈 수 있도록 막혀 있다. 이러한 방식으로, 디젤 배기 가스 내에 존재하는 작은 매연 입자가 수집된다. 근청석으로 제조된 적합한 디젤 미립자 필터는 예를 들어 코닝 인크. 및 엔지케이 인슐레이터스, 인크.로부터 구매가능하다. 탄화규소로 제조된 디젤 미립자 필터는 예를 들어 일본의 이비덴 컴퍼니, 리미티드(Ibiden Co. Ltd.)로부터 구매가능하며, 예를 들어 2002년 2월 12일자로 공개된 JP 2002047070A호에 기재된다.
본 발명의 이점 및 실시 형태는 하기 실시예에 의해 추가로 예시되지만, 이들 실시예에서 상술되는 특정 재료 및 그 양과, 기타 조건 및 상세 사항은 본 발명을 지나치게 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 모든 부 및 백분율은 달리 지시되지 않는 한 중량 기준이다.
비교예 A
팽창성 재료(4000 g/㎡; 미국 미네소타주 세인트폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 상표명 "인터람 매트 마운트(INTERAM MAT MOUNT) 700"으로 입수가능함)의 층을 무기 접착제(약 200 g/㎡의 코팅 중량)를 이용하여 비팽창성 재료 (2000 g/㎡; 상표명 "인터람 매트 마운트 1220NC"로 입수가능함)의 층에 라미네이팅시켰다. 팽창성 재료("인터람 매트 마운트 700")는 5 중량% 미만의 유기 결합제를 목표로 가졌다. 비팽창성 재료("인터람 매트 마운트 1220NC")는 유기 결합제를 함유하지 않았다.
부품을 다이-커터 프레스를 이용하여 절단하고, 부품의 입구와 출구 에지(최장 에지)를, 각각의 매트 에지의 선형 ㎜ 당 0.0118 그램의 최종 중량의 에지 보호 재료를 위해, 에지 보호 재료(쓰리엠 컴퍼니로부터 상표명 "쓰리엠 에지 프로텍션 플러스(EDGE PROTECTION PLUS)"로 입수가능함)를 이용하여 처리하였다. 매트는 에지 보호 재료없이 길이가 888 ㎝이고 폭이 148 ㎝였다.
실시예 1
실시예 1은, 도 1에 대체로 도시된 바와 같이 각각의 에지로부터 약 1.25 ㎝(0.5 인치) 떨어져서, (에지 보호 재료가 적용된 후) 부품의 각각의 에지를 따라 스티칭 선을 부가하기 위해 유기 실(폴리에스테르, 상부와 바닥 실에 대해 125 g/㎞(125 텍스))을 이용한 것을 제외하고는, 비교예 A를 위해 설명된 바와 같이 제조하였다. 텍스는 섬유의 선형 질량 밀도를 위한 측정 단위이며 1000 미터 당 그램 단위의 질량으로 정의된다.
실시예 2
실시예 2는, 도 2에 대체로 도시된 바와 같이 부품의 중간을 따라 제3 스티칭 선이 부가된 것을 제외하고는 실시예 1에 대해 설명한 바와 같이 제조하였다.
실시예 3
실시예 3은, 도 3에 대체로 도시된 바와 같이 각각의 에지로부터 약 1.25 ㎝(0.5 인치) 떨어져서, (에지 보호 재료가 적용된 후) 부품의 에지들 사이에 지그재그 스티칭 선을 부가하기 위해 유기 실(폴리에스테르, 상부와 바닥 실에 대해 125 g/㎞(125 텍스))을 이용한 것을 제외하고는, 비교예 A에 대해 설명한 바와 같이 제조하였다. 지그재그 패턴의 각도는 100°였다.
예시적인 실시예 I
예시적인 실시예 I는, 라미네이션 공정 전에 비팽창성 부품의 각각의 가장자리를 따라 스티칭 선을 부가하기 위하여 유기 실(폴리에스테르, 상부와 바닥 실에 대해 125 g/㎞(125 텍스))을 이용한 것을 제외하고는, 비교예 A에 대해 설명한 바와 같이 제조하였다. 따라서, 스티칭은 전체 부품에 걸쳐서가 아니라, 비팽창성 층에 걸쳐서만 적용되었다.
비교예 B
비교예 B는 팽창성 재료("인터람 매트 마운트 700")의 중량이 3600 g/㎡인 것을 제외하고는, 비교예 A에 대해 설명한 바와 같이 제조하였다.
실시예 4
실시예 4는, 각각의 에지로부터 약 1.25 ㎝(0.5 인치) 떨어져서, (에지 보호 재료가 적용된 후) 부품의 각각의 에지를 따라 스티칭 선을 부가하기 위해 유기 실(폴리에스테르, 상부와 바닥 실에 대해 125 g/㎞(125 텍스))을 이용한 것을 제외하고는, 비교예 B에 대해 설명한 바와 같이 제조하였다.
비교예 C
비교예 C는, 팽창성 재료("인터람 매트 마운트 700")의 중량이 3600 g/㎡이고 비팽창성 재료의 중량이 1700 g/㎡이며 쓰리엠 컴퍼니로부터 상표명 "인터람 매트 마운트 1200NC"로 입수가능한 것을 제외하고는, 비교예 A에 대해 설명한 바와 같이 제조하였다. 비팽창성 재료("인터람 매트 마운트 1200NC")는 유기 결합제를 함유하지 않았다.
실시예 5
실시예 5는, 각각의 에지로부터 약 1.25 ㎝(0.5 인치) 떨어져서, (에지 보호 재료가 적용된 후) 부품의 각각의 에지를 따라 스티칭 선을 부가하기 위해 유기 실(폴리에스테르, 상부와 바닥 실에 대해 125 g/㎞(125 텍스))을 이용한 것을 제외하고는, 비교예 C에 대해 설명한 바와 같이 제조하였다.
비교예 A 내지 비교예 C 및 실시예 1 내지 실시예 6을 케이싱 내로 채워 넣었다. 모든 매트를 888 ㎜(10.5 인치) 기재, 8 ㎜ 갭 디자인에 맞도록 다이-절단하였으며, 폭이 148 ㎜(4 인치)이고, 설부와 홈 디자인을 가졌다. 캐닝/채우기 공정을 100 kN의 로드 셀(미국 미네소타주 에덴 프래리 소재의 엠티에스(MTS)로부터 입수함)에서 실시하였다. 채우기 속도는 150 내지 500 ㎜/min으로 설정하였다. 다이-컷 매트를 267.1 ㎜ 직경과 152.4 ㎜ 길이를 가진 근청석 기재를 통한 종래의 디젤 산화 촉매 유동 둘레에 수동으로 감싸서, 매트의 입구 에지를 기재 면과 동일한 수준에 두었다. 도 5를 참조하면, 조립체(기재 둘레에 감싸진 매트)(51)를, 채우기 콘(54)이 쉘(55) 상에 놓여 있는 상태로, 빈 스테인레스강 쉘(55)의 상부에, 로드 셀 프레임 상에 두었다. 채우기 콘(54)을 빈 쉘(55) 상의 중심에 두었다. 금속 플레이트를 조립체의 상부에 두었으며 로드 셀을 이용하여 조립체(51)를 채우기 콘(54)을 통해 방향(57)으로 스테인레스강 쉘(55) 내로 밀었다.
조립체(51)를 채우기 콘(54)을 통해 스테인레스강 쉘(55) 내로 밀고 난 후, 캔의 원주 둘레에서, 90도씩 떨어진, 4개의 위치에서 깊이 게이지를 이용하여 매트 전단을 측정하였다. 매트를 처음부터 기재의 면과 동일한 수준에 두었기 때문에, 매트 전단은 기재의 면과 돌출 매트 사이의 깊이에 의해 추정하였다(도 5a 참조). 도 5a를 참조하면, 매트(53B)가 변위(56)를 갖고서 쉘(55B) 내의 기재(52B) 둘레를 감쌌다. 결과가 하기 표에 제공된다.
고 장착 밀도를 조사하기 위하여, 조립체(51)를 MTS 프레임 상에 놓인 채우기 콘 내에 두고, 외경이 285.75 ㎜이고 내경이 282.62 ㎜인 409 스테인레스강 쉘을 통해 최종 갭이 7.76 ㎜가 되도록 밀었다.
저 장착 밀도를 조사하기 위하여, 매트(53)를 외경이 262.51 ㎜인 (근청석 기재 대신) 스테인레스강 캔 둘레를 감싸고, 외경이 285.75 ㎜이고 내경이 282.62인 409 스테인레스강 쉘을 통해 최종 갭이 10.05 ㎜가 되도록 밀었다. 생성된 장착 밀도를 하기 식을 이용하여 각각의 매트에 대해 계산하였다:
MD = 매트 평량 / 갭
캔 내에서의 최종 매트 장착 밀도는 상기 표에서 나타난다.
본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어남이 없는 본 발명에 대한 미리 알 수 있는 수정 및 변경은 당업자에게는 명백할 것이다. 본 발명은 예시 목적으로 본 출원에 개시된 실시 양태들에 한정되지 않아야 한다.

Claims (17)

  1. 부직 층으로서, 대체로 대향하는 제1 및 제2 주 표면, 대체로 대향하는 제1 및 제2 에지를 가진 길이부, 및 적어도 35 ㎜의 폭을 갖고, 무기 섬유를 포함하고, 결합제 함량이 부직 층의 총 중량을 기준으로 7 중량% 이하이고, 스티칭을 가지며, 여기서 스티칭은
    (a) 적어도 하나의 지그재그 스티칭 선 - 여기서 지그재그 스티칭은 부직 층의 제1 및 제2 에지 각각의 적어도 10 ㎜ 이내로 연장함 - ; 및
    (b) 적어도 2개의 스티칭 선 - 여기서 제1 스티칭 선은 제1 에지로부터 5 ㎜ 내지 30 ㎜ 범위 내에 있고, 제2 스티칭 선은 제2 에지로부터 5 ㎜ 내지 30 ㎜ 범위 내에 있음 - 중 적어도 하나인, 부직 층.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 지그재그 스티칭 선이 존재하며, 스티칭은 제1 및 제2 에지의 각각 10 ㎜ 이내인 부직 층.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 모든 스티칭은 선형 또는 비선형인 부직 층.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 스티칭 선은 비선형인 부직 층.
  5. 제1항에 있어서, 적어도 제1 및 제2 스티칭선이 존재하며, 제1 스티칭선은 제1 에지로부터 5 ㎜ 내지 10 ㎜ 범위 내에 있으며, 제2 스티칭 선은 제2 에지로부터 5 ㎜ 내지 10 ㎜ 범위 내에 있는 부직 층.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 부직 층의 총 중량을 기준으로 0 중량%의 결합제 함량을 갖는 부직 층.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 폭이 100 ㎜ 내지 400 ㎜ 범위 내에 있는 부직 층.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 평량이 1000 g/㎡ 내지 7000 g/㎡ 범위 내에 있는 부직 층.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 팽창성 재료를 추가로 포함하는 부직 층.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제조된 그대로의 벌크 밀도가 0.05 g/㎤ 내지 0.3 g/㎤ 범위 내에 있는 부직 층.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 평균 두께가 3 ㎜ 내지 50 ㎜ 범위 내에 있는 부직 층.
  12. 매트로서, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 부직 층과 무기 섬유를 포함하는 다른 층을 포함하며, 결합제 함량이 매트의 총 중량을 기준으로 7 중량% 이하인 매트.
  13. 매트로서, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 부직 층과 팽창성 층을 포함하며, 결합제 함량이 매트의 총 중량을 기준으로 7 중량% 이하인 매트.
  14. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 부직 층을 포함하는 매트를 이용하여 케이싱 내에 장착된 오염 제어 요소를 포함하는 오염 제어 장치.
  15. 제12항 또는 제13항의 매트를 사용하여 케이싱 내에 장착된 오염 제어 요소를 포함하는 오염 제어 장치.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 스티칭의 존재는 오염 제어 요소 둘레에 감싸이고 오염 제어 장치를 제조하기 위해 케이싱 내로 삽입될 때 부직 층의 제1 및 제2 주 표면의 전단을 적어도 감소시키는 오염 제어 장치.
  17. 제16항에 있어서, 스티칭의 존재는, 부직 층이 오염 제어 요소 둘레에 감싸이고 오염 제어 장치를 제조하기 위해 케이싱 내로 삽입될 때, 부직 층의 제1 및 제2 주 표면의 전단을 적어도 10%만큼 감소시키는 오염 제어 장치.
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