KR20200135853A - 활성화된 다공성 섬유 및 이를 포함하는 제품 - Google Patents

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Abstract

적어도 5 ㎡/g 의 표면적을 갖는 무기 섬유 및 상기 무기 섬유에 혼입된 그리고/또는 상기 무기 섬유의 적어도 일부에 적용된 활성제를 함유하는 조성물. 조성물을 포함하는 제품은 섬유 집합체, 복합 재료, 필터 엘리먼트, 촉매 엘리먼트, 배기 가스 처리 장치 및 기타 배기 시스템 구성요소, 및 페이퍼를 포함할 수 있다.

Description

활성화된 다공성 섬유 및 이를 포함하는 제품
본 출원은 2018 년 4 월 4 일에 출원된 미국 가특허출원 제 62/652,551 호를 우선권 주장하며, 그 내용 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
본 발명은 다공성 무기 섬유 및 그 무기 섬유의 적어도 일부에 혼입 및/또는 적용된 활성제를 포함하는 활성화된 섬유 조성물, 및 그 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 제품 형태에 관한 것이다.
많은 제조, 산업적 및 기타 공정은 환경으로 배출하기 전에 어느 정도 처리되어야 하는 폐가스를 생성한다. 예를 들어, 전력 생산은 종종 열을 생성하도록 탄소 기반 연료를 연소시킴으로써 수행되며, 이 열은 증기 터빈을 통해 전기로 변환될 수 있다. 유사하게, 콘크리트 및 유리 생산 공장은 생산 공정의 일부로서 열을 생성하기 위해 연료를 연소시킨다. 또한, 많은 시스템에서 사용될 수 있는 내연 기관은 가솔린 또는 디젤 연료와 같은 연료를 연소시킴으로써 전력 및/또는 동력을 생성한다. 이러한 모든 공정은 환경으로의 배출 전에 어느 정도 처리되어야 하는 폐가스를 생성할 수 있다.
이러한 폐가스에는 일산화탄소, 이산화탄소, 질소 산화물, 황 산화물, 수소 염화물, 수소 불화물, 비소, 붕소, 납, 수은 및 기타 유해 가스 (예컨대, 미연소 탄화수소 ("HC") 및 휘발성 유기 화합물 ("VOC")) 및/또는 입자가 포함될 수 있다. 폐가스의 이러한 바람직하지 않은 성분의 일부 또는 전부가 다양한 종래 기술에 의해 제거될 수 있는데, 그 중 다수는 환경으로의 배출 전에 바람직하지 않은 성분을 물리적으로 제거 및/또는 화학적으로 변경할 수 있는 필터 및/또는 촉매 지지체를 포함한다.
이러한 저감 공정을 수행하기 위한 종래 구성요소들의 다수는 결함이 있다. 예를 들어, 특정 상황에서, 세라믹 허니콤 필터/촉매 지지체는 배기 가스에서 발견되는 바람직하지 않은 성분을 제거 및/또는 화학적으로 개질하는 데 사용된다. 이러한 지지체는 바람직하지 않게 무거울 수 있고, 내열성이 낮을 수 있으며, 그리고/또는 설치 및/또는 작동하는 데 비용이 많이들 수 있다.
환경으로의 배출 전에 처리되어야 하는 폐가스를 생성하는 산업적 공정의 일례가 유동 접촉 분해 (fluid catalytic cracking, "FCC") 이다. FCC 공정은 고분자량 탄화수소를 가솔린 또는 올레핀과 같은 더 유용한 단쇄 탄화수소 그룹으로 변환시키는 데 사용된다. FCC 공정은 증기 생산, 공급원료 가열 및 촉매 재생에 다량의 에너지를 소비한다. FCC 공정은 공급원료를 촉매화하고 촉매 지지체 재료를 재생하는 데 필요한 에너지의 양을 줄일 수 있는 저비용 촉매 지지체 재료뿐만 아니라 FCC 공정에서 생성된 폐가스의 처리 효율을 증가시키는 재료로부터의 이익을 얻을 것이다.
다른 산업적 공정은 또한 다음과 같은 개선된 촉매 지지체 재료로부터의 이익을 얻을 수 있다: 알루미나에서 은 촉매를 사용하는 에틸렌 옥사이드의 합성; 알루미나에서 몰리브덴-코발트 촉매를 사용하는 석유의 탈황; 니켈/백금 촉매를 사용하는 시클로헥산으로의 벤젠 수소화; 니켈 촉매를 사용하는 합성 가스 ("syn gas") 의 생산; 알루미나에서 백금 및 레늄 촉매를 사용하는 나프타의 개질; 알루미나에서 은 촉매를 사용하는 에폭시에탄의 제조; 또는 바나듐 촉매를 사용하는 황산의 제조.
필요한 것은 폐가스 처리 시스템 및 기타 제조/산업적 공정을 위한 경량, 고온 저항성, 저비용 및/또는 에너지 효율적인 구성요소를 생산하기 위해 다양한 제품 형태에서 사용될 수 있는 조성물이다. 이러한 조성물 및/또는 제품 형태는 구형, 분말 등과 같은 기존 세라믹 기재를 이러한 조성물/제품 형태로 대체할 수 있다.
다공성 무기 섬유 및 그 무기 섬유의 적어도 일부에 혼입 및/또는 적용된 활성제를 포함하는 활성화된 섬유 조성물이 제공된다. 특정 실시형태에서, 활성화된 섬유 조성물은 (a) (i) 적어도 5 ㎡/g 의 표면적; (ii) 적어도 5 부피% 의 다공성; 또는 (iii) 적어도 0.005 mL/g 의 기공 부피 중 적어도 하나를 갖는 무기 섬유, 및 (b) 무기 섬유의 적어도 일부에 혼입 및/또는 적용된 활성제를 포함할 수 있다.
또한, 본원에 개시된 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 다양한 제품 형태가 제공된다. 제품 형태는, 제한 없이, 섬유 집합체, 복합 재료, 필터 엘리먼트, 촉매 엘리먼트, 배기 시스템의 구성요소, 촉매 지지 재료, 페이퍼, 담요, 매트, 펠트, 직물, 필름 등을 포함할 수 있다.
활성화된 섬유 조성물 및 결과적인 제품 형태는 종래의 제품 형태에 비해 이점을 제공한다. 예컨대, 세라믹 허니콤 필터/촉매 지지체는 무겁고, 취급 및 설치 중에 손상되기 쉽고, 비교적 낮은 온도 내성을 가지며, 비교적 비용이 많이 들 수 있다. 본원에 개시된 활성화된 섬유 조성물로 제조된 필터 엘리먼트/촉매 엘리먼트는 중량이 더 가볍고, 손상되기 덜 쉬우며, 더 높은 온도 내성을 가지며, 그리고/또는 종래의 세라믹 허니콤 제품보다 비용이 덜 들 수 있다. 이러한 이점은 본원에 개시된 활성화된 섬유 조성물로부터 제조될 수 있는 많은 제품 형태뿐만 아니라 본원에 개시된 다른 제품 형태에도 동일하게 적용된다.
단지 예시 목적으로 의도되는 첨부 도면을 참조하여 주제의 실시형태들이 개시된다. 주제는 그 적용에 있어서 도면에 예시된 구성요소들의 구성 또는 배열의 세부 사항으로 제한되지 않는다. 달리 표시되지 않는 한, 유사한 도면 부호들은 유사한 구성요소들을 나타내기 위해 사용된다.
도 1a 는 여기에서 설명되는 바와 같은 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 제품 형태의 예시적인 실시형태이다.
도 1b 는 여기에서 설명되는 바와 같은 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 제품 형태의 예시적인 실시형태이다.
도 1c 는 여기에서 설명되는 바와 같은 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 제품 형태의 예시적인 실시형태이다.
도 1d 는 여기에서 설명되는 바와 같은 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 제품 형태의 예시적인 실시형태이다.
도 1e 는 여기에서 설명되는 바와 같은 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 제품 형태의 예시적인 실시형태이다.
도 1f 는 여기에서 설명되는 바와 같은 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 제품 형태의 예시적인 실시형태이다.
도 1g 는 여기에서 설명되는 바와 같은 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 제품 형태의 예시적인 실시형태이다.
도 1h 는 여기에서 설명되는 바와 같은 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 제품 형태의 예시적인 실시형태이다.
도 2 는 여기에서 설명되는 바와 같은 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 제품 형태의 예시적인 실시형태이다.
도 3 은 여기에서 설명되는 바와 같은 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 배기 시스템의 예시적인 실시형태이다.
도 4 는 여기에서 설명되는 바와 같은 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 배기 시스템의 예시적인 실시형태이다.
도 5 는 여기에서 설명되는 바와 같은 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 배기 시스템의 예시적인 실시형태이다.
도 6 은 여기에서 설명되는 바와 같은 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 배기 시스템의 예시적인 실시형태이다.
도 7 은 여기에서 설명되는 바와 같은 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 배기 시스템의 예시적인 실시형태이다.
도 8 은 여기에서 설명되는 바와 같은 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 배기 시스템의 예시적인 실시형태이다.
도 9 는 여기에서 설명되는 바와 같은 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 배기 시스템의 예시적인 실시형태이다.
도 10 은 여기에서 설명되는 바와 같은 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 배기 시스템의 예시적인 실시형태이다.
도 11 은 여기에서 설명되는 바와 같은 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 배기 시스템의 예시적인 실시형태이다.
도 12a 는 종래의 세라믹 허니콤 필터의 사진이다.
도 12b 는 종래의 세라믹 허니콤 필터의 사진이다.
도 13 은 도 12a 및 도 12b 에 도시된 세라믹 허니콤 필터의 배압 발생을 보여주는 그래프이다.
도 14a 는 예 1 의 결과를 요약한 그래프이다.
도 14b 는 예 1 의 결과를 요약한 그래프이다.
도 15a 는 예 2 의 결과를 요약한 그래프이다.
도 15b 는 예 2 의 결과를 요약한 그래프이다.
도 16a 는 예 3 의 결과를 요약한 그래프이다.
도 16b 는 예 3 의 결과를 요약한 그래프이다.
여기에 개시된 조성 중량 백분율에 관하여, 조성물의 총 중량 백분율이 100% 를 초과할 수 없다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 5 중량% 내지 94 중량% 의 성분 X, 0 초과 내지 55 중량% 이하의 성분 Y 및 0 초과 내지 85 중량% 이하의 성분 Z 를 포함하는 조성물은 100 중량% 를 초과하지 않을 것이며, 각 성분의 양은 총 조성물의 100 중량% 를 초과하지 않으면서 각 성분의 원하는 양을 포함하도록 조정될 것이다.
값의 범위가 본 개시에서 설명될 때 (예를 들어, 제한없이, "X 내지 Y", "적어도 X", 또는 "최대 Y"), 종점을 포함하는 그 범위 내의 모든 값이 관련 특성에 대한 가능한 값으로서 또는 더 좁은 범위의 가능한 대안적인 최소 및/또는 최대로서 (단, 물론 임의의 특정 범위의 최소는 최대를 초과하지 않음) 언급되고 개시된 것으로 간주되는 것을 의도하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "1 내지 10" 의 범위는 1 에서 10 까지의 연속체를 따라 각각의 모든 가능한 수를 나타내는 것으로 판독되어야 한다. 범위 내의 임의의 모든 값이 특정된 것으로 간주된다고 본 발명자들이 인식하고 이해하며, 본 발명자들이 전체 범위 및 그 범위 내의 모든 값을 소유한다는 것을 이해하여야 한다. 대안적인 값 및/또는 더 좁은 범위가 본 명세서에서 명시적으로 언급될 수도 있지만, 본 개시는 이 단락에서 설명된 이해에 따라서 단지 구체적으로 개시된 값 및/또는 범위로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
다공성 무기 섬유
무기 섬유는 하나 이상의 유형의 무기 섬유를 단독으로 또는 조합으로 포함할 수 있다. 물리적 특성을 유지하면서 다공성으로 제조되고 활성제를 포함할 수 있는 임의의 무기 섬유가 사용될 수 있다. 특정 실시형태에서, 무기 섬유는 무기 산화물 섬유, 세라믹 섬유, 내화성 세라믹 섬유, 다결정 울 섬유, 알루미나 섬유, 고 알루미나 섬유, 유리 섬유, 실리카 섬유, 베마이트 섬유, 저-생체 지속성 섬유, 알칼리 토류 실리케이트 섬유, 칼시아-알루미나 섬유, 지르코니아 섬유 또는 티타니아 섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 무기 섬유를 제조하기 위한 임의의 공지된 방법에 의해 생산될 수 있다. 특정 실시형태에서, 무기 섬유는 졸-겔 공정을 통해 생산될 수 있다. 예시적인 졸-겔 섬유 생산 공정은 다음을 포함한다:
Figure pct00001
필요에 따라 원하는 금속 염 또는 화합물의 비율을 포함하는 용액 또는 졸을 형성함.
Figure pct00002
섬유화에 필요한 유동학을 제공하기 위해, 유기 폴리머와 같은 방사 보조제를 용액 또는 졸에 포함시킴.
Figure pct00003
완제품에 바람직한 것으로 간주되는 임의의 기타 물질 (성능 향상을 위한 상 변화 억제제 또는 금속 산화물 분말; 여기에 설명된 적어도 하나의 활성제; 및/또는 무기 섬유에 대한 활성제의 접착력 향상을 위한 도펀트를 포함하지만, 이에 제한되지 않음) 을 용액 또는 졸에 포함시킴.
Figure pct00004
다음을 포함하는 (이에 국한되지 않음) 확립된 섬유화 방법에 의해 용액 또는 졸로부터 생성된 재료를 섬유화함:
o 용액 또는 졸을 회전 디스크에 제공함, 회전 디스크에서 섬유로 원심 압출 ("방사" 라고 칭함) 될 수 있음;
o 용액 또는 졸을 압출 노즐 (또는 그 어셈블리) 에 제공하고, 감쇠 공기 흐름을 가지면서 또는 감쇠 공기 흐름 없이 용액 또는 졸을 연속 또는 불연속 섬유로서 압출함; 그리고
o 전기방사.
Figure pct00005
생성된 섬유를 건조 및 하소 단계를 거치게 하여, 물, 잔류 유기 성분 및 휘발성 염 음이온을 제거함.
Figure pct00006
섬유를 추가 열처리하여 결정 구조를 성장시킴.
액체를 방사하기 위해 임의의 수단이 사용될 수 있다. 예를 들어, 주변 표면에 복수의 노즐 오리피스들을 갖는 실린더 형태의 원심 방출 방사 기계 내에 방사액이 배치될 수 있다. 방사기를 고속으로 회전시키면, 방사 용액이 노즐 오리피스를 통해 건조 대기 내로 방출되어 액체가 섬유질 형태로 변환된다. 그 후, 생성된 섬유질 재료는 건조되어 물을 제거하고 고온에서, 예컨대 실리카 섬유의 경우 700 ℃ 내지 1500 ℃ 에서 하소, 즉 가열되어 다결정 섬유를 생산한다. 섬유는 약 5 ~ 200 ㎡/g, 특정 실시형태에서 60 내지 140 ㎡/g 의 BET 표면적 및 5% 내지 60% 의 다공성을 가질 수 있다.
대안적으로, 액체는 노즐 오리피스들을 갖는 용기 내에 배치되고 용기 아래에 위치된 빠르게 회전하는 디스크로 낙하하게 될 수 있다. 결과적으로, 낙하하는 방사 용액은 건조 대기 내로 날려져 방사되거나 섬유질 형태로 변환된다. 생성된 섬유는 이전에 논의된 것처럼 건조 및 가열된다. 다른 예에서, 액체는 노즐 오리피스들을 갖는 용기 내에 배치되고 횡방향으로 고속 가스 스트림을 공급하면서 낙하하게 될 수 있다. 결과적으로, 낙하하는 방사 용액은 건조 대기 내로 날려져서 섬유질 형태로 변환된다.
용액을 개구에 강제 통과시키기 전에 용액을 30 ℃ 에서 40 ℃ 로 가열할 수 있다. 사전 가열은 용매의 신속한 기화를 가능하게 하여, 산화물 전구체가 더 빠르게 섬유 형태를 취하게 한다.
이러한 졸 겔 방법은 실록산과 같은 비이온성 계면 활성제를 함유하는 수성 졸을 사용함으로써 제어된 다공성을 도입한다. 이는 그린 섬유에 미셀 (micelles) 을 도입하고, 이는 최종 소성 (fired) 섬유 구조에서 제어된 치수의 공극을 남긴다.
특정 실시형태에서, 방사 온도는 25 ℃ 일 수 있고, 표면 활성제는 45 ℃ 미만의 방사 용액에서 흐림점을 가질 수 있다. 방사 온도가 증가함에 따라, 표면 활성제의 허용 가능한 흐림점이 증가한다. 예를 들어, 50 ℃ 의 방사 온도의 경우, 표면 활성제의 흐림점은 70 ℃ 미만일 것이다. 특정 실시형태에서, 표면 활성제의 흐림점은 방사 온도보다 적어도 5℃ 높고, 방사 온도보다 15℃ 이하로 높다.
여기서 사용되는 용어 "방사 온도" 는 섬유 형성 공정의 압출 및 인발 (연장) 단계들 동안 방사 용액 또는 졸이 이르는 최대 온도를 의미한다. 따라서, 가열된 환경으로의 용액 또는 졸의 압출은 그린 섬유로의 인발 (연장) 동안 용액 또는 졸의 온도 상승을 초래할 것이다. 이러한 경우의 방사 온도는 인발 (연장) 이 완료되기 전에 용액 또는 졸 (그린 섬유) 에 의해 달성되는 최대 온도이다. 방사 온도는 감쇠 공기의 습구 온도일 수 있다.
여기서 사용되는 "표면 활성제의 흐림점" 은 표면 활성제를 함유하는 방사 용액이 가열 시 흐려지는 온도이다. 비이온성 계면 활성제의 수용액은 가열 시 흐려지며, 이의 흐림점은 10 ㎖ 의 용액을 함유하는 비등 튜브를 차가운 교반 수 욕에 침지한 다음, 욕을 분당 1℃ 의 속도로 가열함으로써 결정된다. 튜브 내의 용액을 교반하지 않거나 주걱 (spatula) 으로 매우 부드럽게 (기포를 피하기 위해) 교반한다. 용액은 1-2 ℃ 이내의 좁은 온도 범위에서 흐려지고, 그러면 흐림 온도 또는 흐림점이 인식될 수 있다.
여러 화학적 유형의 표면 활성제가 사용될 수 있으며, 그러한 화학적 유형의 예는 알킬에톡실레이트, 알킬페닐-에톡실레이트, 폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드 블록 공중합체, 빗형 실록산-폴리에톡실레이트 공중합체 및 폴리에톡실레이티드 아민이다. 표면 활성제의 이 화학적 부류 각각에는 공정에서 유용하기에는 너무 높은 흐림점을 갖는 것 및 공정에서 유용한 것이 있을 수 있음을 이해할 것이다. 그러나, 공정에서의 사용 적합성을 결정하기 위해 표면 활성제의 흐림점을 측정하는 것은 단순한 일상적인 실험의 문제이다. 적합한 흐림점을 제공하기 위해 표면 활성제들의 블렌드 또는 혼합물이 사용될 수 있다.
방사 용액에 사용된 표면 활성제의 양은 넓은 범위 내에서 다를 수 있지만, 보통 방사 용액을 기준으로 적어도 1 중량% 일 것이다. 표면 활성제의 양은 용액의 1 중량% 내지 15 중량% 일 수 있고, 특정 실시형태에서, 용액의 3 중량% 내지 10 중량% 일 수 있다.
방사 용액 또는 졸은 표면 활성제에 더하여 섬유를 위한 안정화 및/또는 소결 첨가제의 전구체를 함유할 수 있다. 임의의 실시형태에서, 표면 활성제 자체가 생성된 섬유에서 상 안정화제 또는 소결제의 소스일 수 있다. 예를 들어, 실록산 공중합체를 표면 활성제로서 사용하면, 규소 산화물 전구체를 섬유를 구성하는 실리카로 분해하기 위해 섬유가 가열되는 때 섬유에 실리카가 형성된다. 따라서, 전구체가 방사 용액 또는 졸에 혼입될 수 있는 안정화제는 실리카 섬유를 위한 실리카 졸과 같은 실리카이다.
섬유가 내열성이고/이거나 적절한 기계적 강도를 갖는 것을 보장하기 위해, 섬유 전구체의 하소는 저온 (예컨대, 150℃) 에서 시작하여 최종 고온 조건 (예컨대, 700℃ 내지 1500℃) 로 증가할 수 있다. 열처리 공정을 지원하기 위해, 노에 증기를 추가하는 것 등에 의해 열처리 노 내부의 다른 분위기가 사용될 수 있다. 다른 가열 속도 (종종 "램프 속도" 라고도 함) 를 사용하고/하거나 일정 시간 동안 고정된 온도를 유지하는 것은, 섬유에서 결정자의 농도와 크기를 변경하는 것과 같이 하소 공정에 영향을 미칠 수 있다. 미국 특허 제 3,950,478 호가 이와 관련한 정보를 제공하며, 그 전체 개시는 인용에 의해 여기에 포함된다.
완성된 무기 섬유에 존재하는 결정자의 농도 및 크기는 결정 성장 억제제의 추가 및/또는 원하는 결정학을 갖는 핵 형성 "시드" 의 추가에 의해 또한 제어될 수 있다. 특정 실시형태에서, 이는 표면 에너지가 낮은 것을 보장하고 표면 산도를 최대화하면서 다공성을 유지하기 위해 결정학적 조성물을 제어하는 것을 포함할 수 있다. 결정 성장 억제제는 결정립의 움직임을 방지하여 큰 결정의 형성을 방지하는 미립자를 포함할 수 있다 ("Zener pinning" 으로 알려져 있음). 특정 실시형태에서, 실리카, 마그네시아, 지르코니아 및/또는 이트리아 입자는 알루미나 섬유에서 결정 성장 억제제로서 사용될 수 있다. 특정 실시형태에서, 알루미나, 마그네시아 및/또는 이트리아 입자는 지르코니아 섬유에서 결정 성장 억제제로서 사용될 수 있다. 특정 실시형태에서, 인산염은 티타니아 섬유에서 결정 성장 억제제로서 사용될 수 있다. 원하는 결정학을 갖는 핵 형성 시드는 타깃 결정상의 활성화 에너지를 감소시켜, 하소 동안 섬유에서 타깃 결정상의 우선 성장을 촉진할 수 있다. 특정 실시형태에서, 작은 농도의 철, 구리 및/또는 결정질 알루미나는 알루미나 섬유에서 결정학적 성장을 촉진할 수 있다. 특정 실시형태에서, 작은 농도의 루틸 티타니아 및/또는 토라이트는 지르코니아 섬유에서 결정학적 성장을 촉진할 수 있다. 이러한 실시형태에서, "작은 농도" 는 0.1 중량% 이하와 같은 1 중량% 미만을 의미할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 세라믹 섬유를 포함할 수 있다. 제한 없이, 적절한 세라믹 섬유는 알루미나 섬유, 알루미노-실리케이트 섬유, 알루미나-보리아-실리케이트 섬유, 알루미나-지르코니아-실리케이트 섬유, 지르코니아-실리케이트 섬유, 지르코니아 섬유 및 유사한 섬유를 포함한다. 적절한 알루미나-실리케이트 세라믹 섬유는 등록 상표 FIBERFRAX 의 Unifrax I LLC (Tonawanda, New York, USA) 로부터 상업적으로 입수 가능하다. FIBERFRAX 내화성 세라믹 섬유는 45 내지 75 중량% 알루미나 및 25 내지 55 중량% 실리카의 섬유화 생성물을 포함한다. FIBERFRAX 섬유는 최대 1540℃ 의 작동 온도와 최대 1870℃ 의 융점을 나타낸다.
특정 실시형태에서, 알루미노-실리케이트 섬유는 다음을 포함할 수 있다: 40 중량% 내지 60 중량% A12O3 및 60 중량% 내지 40 중량% SiO2; 50 중량% A12O3 및 50 중량% SiO2; 30 중량% A12O3 및 70 중량% SiO2; 45 내지 51 중량% A12O3 및 46 내지 52 중량% SiO2; 또는 30 내지 70 중량% A12O3 및 30 내지 70 중량% SiO2.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 64 중량% 내지 66 중량% SiO2, 24 중량% 내지 25 중량% A12O3, 및 9 중량% 내지 10 중량% MgO 를 함유하는 알루미나-실리카-마그네시아 유리 섬유를 포함할 수 있다.
제한 없이, 저-생체 지속성 섬유의 적절한 예는, 인용에 의해 본원에 포함되는 미국 특허 6,953,757, 6,030,910, 6,025,288, 5,874,375, 5,585,312, 5,332,699, 5,714,421, 7,259,118, 7,153,796, 6,861,381, 5,955,389, 5,928,975, 5,821,183, 및 5,811,360 에 개시된 그러한 섬유를 포함한다.
적절한 저-생체 지속성 섬유는 알칼리 토류 실리케이트 섬유, 예컨대 칼시아-마그네시아-실리케이트 섬유 또는 마그네시아-실리케이트 섬유, 칼시아-알루미네이트 섬유, 포타시아-칼시아-알루미네이트 섬유, 포타시아-알루미나-실리케이트 섬유 또는 소디아-알루미나-실리케이트 섬유를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
특정 실시형태에서, 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 마그네슘 및 실리카의 산화물들의 혼합물의 섬유화 생성물을 포함할 수 있다. 이 섬유는 흔히 마그네슘-실리케이트 섬유로 지칭된다. 마그네슘-실리케이트 섬유는 60 내지 90 중량% 실리카, 0 초과 내지 35 중량% 마그네시아 및 5 중량% 이하의 불순물; 65 내지 86 중량% 실리카, 14 내지 35 중량% 마그네시아 및 5 중량% 이하의 불순물; 또는 70 내지 86 중량% 실리카, 14 내지 30 중량% 마그네시아 및 5 중량% 이하의 불순물의 섬유화 생성물을 포함할 수 있다. 적절한 마그네슘-실리케이트 섬유는 등록 상표 ISOFRAX 로 Unifrax I LLC (Tonawanda, New York) 로부터 상업적으로 입수 가능하다. 상업적으로 입수 가능한 ISOFRAX 섬유는 일반적으로 70 내지 80 중량% 실리카, 18 내지 27 중량% 마그네시아 및 4 중량% 이하의 불순물의 섬유화 생성물을 포함한다. 특정 실시형태에서, 섬유는 85 중량%의 실리카 및 15 중량%의 마그네시아의 섬유화 생성물을 포함한다.
특정 실시형태에서, 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 칼슘, 마그네슘 및 실리카의 산화물들의 혼합물의 섬유화 생성물을 포함할 수 있다. 이 섬유들은 흔히 칼시아-마그네시아-실리케이트 섬유로 지칭된다. 특정 실시형태에서, 칼시아-마그네시아-실리케이트 섬유는 45 내지 90 중량% 실리카, 0 초과 내지 45 중량% 칼시아, 0 초과 내지 35 중량% 마그네시아, 및 10 중량% 이하의 불순물; 또는 71.25 초과 내지 85 중량% 실리카, 0 초과 내지 20 중량% 마그네시아, 5 내지 28.75 중량% 칼시아, 및 0 내지 5 중량% 지르코니아의 섬유화 생성물을 포함한다.
적절한 칼시아-마그네시아-실리케이트 섬유는 등록 상표 INSULFRAX 로 Unifrax I LLC (Tonawanda, New York) 로부터 상업적으로 입수 가능한 것을 포함한다. 특정 실시형태에서, 칼시아-마그네시아-실리케이트 섬유는 61 내지 약 67 중량%의 실리카, 27 내지 약 33 중량%의 칼시아, 및 2 내지 7 중량%의 마그네시아의 섬유화 생성물을 포함한다. 특정 실시형태에서, 칼시아-마그네시아-실리케이트 섬유는 79 중량%의 실리카, 18 중량%의 칼시아, 및 3 중량%의 마그네시아를 포함한다. 다른 적절한 칼시아-마그네시아-실리케이트 섬유는 상표명 SUPERWOOL 607, SUPERWOOL 607 MAX 및 SUPERWOOL HT 로 Thermal Ceramics (Augusta, Georgia) 로부터 상업적으로 입수 가능한 것을 포함한다. SUPERWOOL 607 섬유는 60 내지 70 중량%의 실리카, 25 내지 35 중량%의 칼시아, 4 내지 7 중량% 의 마그네시아, 및 미량의 알루미나를 포함한다. SUPERWOOL 607 MAX 섬유는 60 내지 70 중량% 실리카, 16 내지 22 중량% 칼시아, 및 12 내지 19 중량% 마그네시아, 및 미량의 알루미나를 포함한다. SUPERWOOL HT 섬유는 74 중량% 실리카, 24 중량% 칼시아 및 미량의 마그네시아, 알루미나 및 철 산화물을 포함한다.
특정 실시형태에서, 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 칼슘 및 알루미늄의 산화물들의 혼합물의 섬유화 생성물을 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 칼시아-알루미네이트 섬유의 적어도 90 중량% 는 50 내지 80 중량% 의 칼시아, 20 내지 50 중량% 미만의 알루미나, 및 10 중량% 이하의 불순물; 또는 50 내지 80 중량% 의 알루미나, 20 내지 50 중량% 미만의 칼시아, 및 10 중량% 이하의 불순물의 섬유화 생성물을 포함한다. 특정 실시형태에서, 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 칼륨, 칼슘 및 알루미늄의 산화물들의 혼합물의 섬유화 생성물을 포함할 수 있다 ("포타시아-칼시아-알루미네이트 섬유"). 특정 실시형태에서, 포타시아-칼시아-알루미네이트 섬유는 10 내지 50 중량% 의 칼시아, 50 내지 약 90 중량% 의 알루미나, 0 초과 내지 10 중량% 의 포타시아 및 10 중량% 이하의 불순물의 섬유화 생성물을 포함한다.
특정 실시형태에서, 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 마그네슘, 실리카, 리튬 및 스트론튬의 산화물들의 혼합물의 섬유화 생성물을 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 65 내지 86 중량% 실리카, 14 내지 35 중량% 마그네시아, 리튬 산화물 및 스트론튬 산화물; 또는 65 내지 86 중량% 실리카, 14 내지 35 중량% 마그네시아, 0 초과 내지 1 중량% 리튬 산화물 및 0 초과 내지 5 중량% 스트론튬 산화물을 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 마그네슘, 실리카, 리튬 및 스트론튬의 산화물들의 혼합물의 섬유화 생성물을 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 65 내지 86 중량 % 실리카, 14 내지 35 중량% 마그네시아, 리튬 산화물 및 스트론튬 산화물; 65 내지 86 중량% 실리카, 14 내지 35 중량% 마그네시아, 0 초과 내지 1 중량% 리튬 산화물 및 0 초과 내지 5 중량% 스트론튬 산화물; 14 내지 35 중량% 마그네시아, 및 0 초과 내지 0.45 중량% 리튬 산화물; 14 내지 35 중량% 마그네시아, 및 0 초과 내지 5 중량% 스트론튬 산화물; 또는 70 중량% 이상의 실리카, 마그네시아, 및 0 초과 내지 10 중량% 의 철 산화물을 포함한다.
적절한 실리카 섬유는 상표 BELCOTEX 로 독일의 BelChem Fiber Materials GmbH 로부터, 등록 상표 REFRASIL 로 Gardena California 의 Hitco Carbon Composites, Inc. 로부터, 그리고 표기 PS-23(R) 로 Republic of Belarus 의 Polotsk-Steklovolokno 로부터 입수 가능한 침출 유리 섬유를 포함한다.
BELCOTEX 섬유는 표준 타입의 스테이플 섬유 프리-얀 (pre-yarn) 이다. 이 섬유는 550 tex 의 평균 섬도를 가지며, 일반적으로 알루미나에 의해 개질된 규산으로 만들어진다. BELCOTEX 섬유는 비정질이며, 일반적으로 94.5 % 실리카, 4.5 % 알루미나, 0.5 % 미만의 나트륨 산화물, 및 0.5 % 미만의 다른 성분을 함유한다. 이 섬유는 9 미크론의 평균 섬유 직경 및 1500℃ 내지 1550℃ 의 융점을 갖는다. 이 섬유는 1100℃ 까지의 온도에 대해 내열성이 있으며, 전형적으로 샷 프리 (shot free) 및 바인더 프리이다.
BELCOTEX 섬유와 같은 REFRASIL 섬유는 1000℃ 내지 1100℃ 온도 범위에서의 적용에 대해 단열을 제공하기 위해 실리카 함량이 높은 비정질 침출 유리 섬유이다. 이 섬유는 직경이 6 내지 13 미크론이고, 1700℃ 의 융점을 갖는다. 섬유는, 침출 후, 전형적으로 95 중량% 의 실리카 함량을 갖는다. 알루미나는 다른 성분이 1 % 이하의 양으로 존재하면서 4 중량% 의 양으로 존재할 수 있다.
Polotsk-Steklovolokno 로부터의 PS-23 (R) 섬유는 실리카 함량이 높은 비정질 유리 섬유이며, 적어도 1000℃ 에 대한 내성을 요구하는 적용에서 단열에 적절하다. 이 섬유는 5 내지 20 mm 의 섬유 길이 및 9 미크론의 섬유 직경을 갖는다. REFRASIL 섬유와 같은 이 섬유는 1700℃ 의 융점을 갖는다.
특정 실시형태에서, 유리 섬유는 63 내지 67 중량% SiO2, 3 내지 5 중량% Al2O3, 4 내지 7 중량% CaO, 2 내지 4 중량% MgO, 4 내지 7 중량% B2O3, 14 내지 17 중량% Na2O, 0 초과 내지 2 중량% K2O, 0 초과 내지 1 중량% ZnO, 0 초과 내지 1 중량% Fe2O3, 0 초과 내지 1 중량% BaO, 및 0 초과 내지 1 중량% F2 의 섬유화 생성물을 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 E-유리 섬유를 포함할 수 있다. E-유리 섬유는 52 중량% 내지 56 중량% SiO2, 16 중량% 내지 25 중량% CaO, 12 중량% 내지 16 중량% A12O3, 5 중량% 내지 10 중량% B2O3, 5 중량% 이하 MgO, 2 중량% 이하의 나트륨 산화물 및 칼륨 산화물 및 미량의 철 산화물 및 플루오라이드, 예컨대 55 중량% SiO2, 15 중량% A12O3, 7 중량% B2O3, 3 중량% MgO, 19 중량% CaO 및 미량의 상기한 재료들의 조성을 포함할 수 있다.
높은 비표면적, 높은 인장 강도, 일관된 유리 화학 및 순도와 같은 물리적 성질을 갖는 적절한 유리 섬유는 Unifrax Specialty Fibers (Tonawanda N.Y.) 로부터 입수 가능하다. 이 섬유는 회전 및 화염 감쇠 제조 공정에 의해 생산된다. 평균 섬유 직경은 매우 미세한 0.25 ㎛ 내지 5.0 ㎛ 이다. 유리 섬유 조성의 예가 아래의 표 1 에 제시되어 있다.
Figure pct00007
유리 섬유는 그로부터 l가, 2가 및 3가 유리형성 금속 산화물 성분을 추출하여 본질적으로 실리카로 구성되고 10 부 미만의 그러한 금속 산화물 내지 90 부의 SiO2 및 심지어 1 또는 2 부의 낮은 그러한 산화물의 비율을 포함하고 나머지 산화물은 SiO2 인 섬유를 남기는 것에 의해 고 실리카 섬유로 변환될 수 있다. 이는, 실리카 이외의 산화물 실질적으로 전부를 추출하기에 충분한 온도와 시간에서, SiO2 를 공격하는, 아인산 또는 인산 이외의 산으로 제조된 형태 또는 루스 매스 (loose masses) 에서 섬유를 침출함으로써 달성된다. 그 후, 처리된 섬유는 실질적으로 산이 없는 상태로 세척되고, 원하는 경우, 섬유를 탈수 및 수축시키기 위해 고온에서 가열될 수 있다. 상기 공정은 직경과 길이 모두에서 섬유의 수축을 초래한다.
적절한 침출 산은 예를 들어 HCl, H2SO4, HNO3, 아세트산, 클로로아세트산, 및 염소화된 저분자량 지방산, 예컨대 트리클로로아세트산을 포함한다. 산의 강도는 넓은 범위, 예를 들어 0.1 N 내지 5 N 또는 그 이상에 걸쳐 다를 수 있다. 침출 공정은 100℉ 에서 산의 비등점까지의 고온에서, 또는 대기압 하에 오토클레이브에서 침출을 수행함으로써 비등점보다 높은 고온에서 일어날 수 있다.
섬유를 재료적으로 수축시키지 않으면서 수화 수 (water of hydration) 및 흡착수 (adsorbed water) 를 제거하기에 충분한 시간 동안 400℉ 내지 500℉ 의 온도 등으로 가열함으로써 실질적으로 수화 수 전부 그리고 흡착수 전부를 제거하기에 충분한 시간 동안 고온에서 탈수에 의해 섬유를 수축시키는 것이 바람직할 수 있다.
붕규산 유리 섬유는 실리카 이외의 금속 산화물을 제거하기 위해 산으로 용이하게 침출될 수 있고, 1000℉ 초과의 온도, 바람직하게는 1400℉ 내지 1600℉ 의 온도로 가열함으로써 탈수될 수 있다. 산 추출 공정의 적절한 제어에 의해, 소성 후 생성된 섬유는 높은 실리카 함량을 함유하고, 불화수소산 추출법에 의해 결정되는 90% 또는 99.9% 만큼 높은 실리카일 수 있다.
실리카 섬유의 제조 방법은 미국 특허 2,215,039, 2,221,709, 2,461,841, 2,491,761, 2,500,092, 2,624,658, 2,635,390, 2,686,954, 2,718,461, 및 2,730,475 에 개시되어 있으며, 그 전체 개시 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 45 내지 75 중량% 알루미나 및 25 내지 55 중량% 실리카의 섬유화 생성물을 함유하는 내화성 세라믹 섬유를 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 60 내지 90 중량% 실리카, 0 초과 내지 35 중량% 마그네시아 및 5 중량% 이하의 불순물의 섬유화 생성물을 함유하는 알칼리 토류 실리케이트 섬유를 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 45 내지 90 중량% 실리카, 0 초과 내지 45 중량% 칼시아, 0 초과 내지 35 중량% 마그네시아, 및 10 중량% 이하의 불순물의 섬유화 생성물을 함유하는 알칼리 토류 실리케이트 섬유를 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 칼시아 및 실리카의 섬유화 생성물을 함유하는 알칼리 토류 실리케이트 섬유를 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 20 내지 80 중량% 칼시아 및 20 내지 80 중량% 알루미나를 함유하는 칼시아-알루미나 섬유를 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 90 중량% 이상의 실리카를 함유하는 실리카 섬유를 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 90 중량% 이상의 알루미나를 함유하는 알루미나 섬유를 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 95 내지 97 중량% 알루미나 및 3 내지 5 중량% 실리카의 섬유화 생성물을 함유하는 다결정 울 섬유를 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로 20 내지 100 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다. 무기 섬유가 무기 섬유에 혼입된 활성제를 포함하는 실시형태에서, 이러한 무기 섬유는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로 활성화된 섬유 조성물의 100 중량% 까지 포함될 수 있다. 특정 실시형태에서, 무기 섬유는, 활성화된 섬유 조성물에 존재하는 무기 섬유의 양 및 활성화된 섬유 조성물에 존재하는 활성제의 양이 함께 활성화된 섬유 조성물의 전체 중량과 동일하게 되는 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다. 특정 실시형태에서, 무기 섬유는, 활성화된 섬유 조성물에 존재하는 무기 섬유의 양, 활성화된 섬유 조성물에 존재하는 활성제의 양, 및 조성에 존재하는 여기서 기술된 임의의 다른 성분의 양이 함께 활성화된 섬유 조성물의 전체 중량과 동일하게 되는 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 20 내지 99 중량%, 20 내지 98 중량%, 20 내지 97 중량%, 20 내지 96 중량%, 20 내지 95 중량%, 20 내지 94 중량%, 20 내지 93 중량%, 20 내지 92 중량%, 20 내지 91 중량%, 20 내지 90 중량%, 20 내지 85 중량%, 20 내지 80 중량%, 20 내지 75 중량%, 20 내지 70 중량%, 20 내지 65 중량%, 20 내지 60 중량%, 20 내지 55 중량%, 또는 20 내지 50 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 25 내지 99 중량%, 25 내지 98 중량%, 25 내지 97 중량%, 25 내지 96 중량%, 25 내지 95 중량%, 25 내지 94 중량%, 25 내지 93 중량%, 25 내지 92 중량%, 25 내지 91 중량%, 25 내지 90 중량%, 25 내지 85 중량%, 25 내지 80 중량%, 25 내지 75 중량%, 25 내지 70 중량%, 25 내지 65 중량%, 25 내지 60 중량%, 25 내지 55 중량%, 또는 25 내지 50 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 30 내지 99 중량%, 30 내지 98 중량%, 30 내지 97 중량%, 30 내지 96 중량%, 30 내지 95 중량%, 30 내지 94 중량%, 30 내지 93 중량%, 30 내지 92 중량%, 30 내지 91 중량%, 30 내지 90 중량%, 30 내지 85 중량%, 30 내지 80 중량%, 30 내지 75 중량%, 30 내지 70 중량%, 30 내지 65 중량%, 30 내지 60 중량%, 30 내지 55 중량%, 또는 30 내지 50 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 35 내지 99 중량%, 35 내지 98 중량%, 35 내지 97 중량%, 35 내지 96 중량%, 35 내지 95 중량%, 35 내지 94 중량%, 35 내지 93 중량%, 35 내지 92 중량%, 35 내지 91 중량%, 35 내지 90 중량%, 35 내지 85 중량%, 35 내지 80 중량%, 35 내지 75 중량%, 35 내지 70 중량%, 35 내지 65 중량%, 35 내지 60 중량%, 35 내지 55 중량%, 또는 35 내지 50 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 40 내지 99 중량%, 40 내지 98 중량%, 40 내지 97 중량%, 40 내지 96 중량%, 40 내지 95 중량%, 40 내지 94 중량%, 40 내지 93 중량%, 40 내지 92 중량%, 40 내지 91 중량%, 40 내지 90 중량%, 40 내지 85 중량%, 40 내지 80 중량%, 40 내지 75 중량%, 40 내지 70 중량%, 40 내지 65 중량%, 40 내지 60 중량%, 40 내지 55 중량%, 또는 40 내지 50 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 45 내지 99 중량%, 45 내지 98 중량%, 45 내지 97 중량%, 45 내지 96 중량%, 45 내지 95 중량%, 45 내지 94 중량%, 45 내지 93 중량%, 45 내지 92 중량%, 45 내지 91 중량%, 45 내지 90 중량%, 45 내지 85 중량%, 45 내지 80 중량%, 45 내지 75 중량%, 45 내지 70 중량%, 45 내지 65 중량%, 45 내지 60 중량%, 45 내지 55 중량%, 또는 45 내지 50 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 50 내지 99 중량%, 50 내지 98 중량%, 50 내지 97 중량%, 50 내지 96 중량%, 50 내지 95 중량%, 50 내지 94 중량%, 50 내지 93 중량%, 50 내지 92 중량%, 50 내지 91 중량%, 50 내지 90 중량%, 50 내지 85 중량%, 50 내지 80 중량%, 50 내지 75 중량%, 50 내지 70 중량%, 50 내지 65 중량%, 50 내지 60 중량%, 또는 50 내지 55 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 제 1 무기 섬유 및 제 2 무기 섬유를 포함할 수 있다. 제 1 무기 섬유는 제 2 무기 섬유의 다공성과 다른 다공성을 가질 수 있다. 제 1 무기 섬유는 제 2 무기 섬유의 평균 섬유 직경과 다른 평균 섬유 직경을 가질 수 있다. 제 1 무기 섬유는 제 2 무기 섬유의 평균 섬유 길이와 다른 평균 섬유 길이를 가질 수 있다. 제 1 무기 섬유는 제 2 무기 섬유의 조성과 다른 조성을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 0.25 내지 20 ㎛, 0.25 내지 18 ㎛, 0.25 내지 16 ㎛, 0.25 내지 14 ㎛, 0.25 내지 12 ㎛, 0.25 내지 10 ㎛, 0.25 내지 9 ㎛, 0.25 내지 8 ㎛, 0.25 내지 7 ㎛, 0.25 내지 6 ㎛, 또는 0.25 내지 5 ㎛ 의 중앙 섬유 직경을 갖는다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 0.5 내지 20 ㎛, 0.5 내지 18 ㎛, 0.5 내지 16 ㎛, 0.5 내지 14 ㎛, 0.5 내지 12 ㎛, 0.5 내지 10 ㎛, 0.5 내지 9 ㎛, 0.5 내지 8 ㎛, 0.5 내지 7 ㎛, 0.5 내지 6 ㎛, 또는 0.5 내지 5 ㎛ 의 중앙 섬유 직경을 갖는다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 1 내지 20 ㎛, 1 내지 18 ㎛, 1 내지 16 ㎛, 1 내지 14 ㎛, 1 내지 12 ㎛, 1 내지 10 ㎛, 1 내지 9 ㎛, 1 내지 8 ㎛, 1 내지 7 ㎛, 1 내지 6 ㎛, 또는 1 내지 5 ㎛ 의 중앙 섬유 직경을 갖는다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 1.5 내지 20 ㎛, 1.5 내지 18 ㎛, 1.5 내지 16 ㎛, 1.5 내지 14 ㎛, 1.5 내지 12 ㎛, 1.5 내지 10 ㎛, 1.5 내지 9 ㎛, 1.5 내지 8 ㎛, 1.5 내지 7 ㎛, 1.5 내지 6 ㎛, 또는 1.5 내지 5 ㎛ 의 중앙 섬유 직경을 갖는다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 2 내지 20 ㎛, 2 내지 18 ㎛, 2 내지 16 ㎛, 2 내지 14 ㎛, 2 내지 12 ㎛, 2 내지 10 ㎛, 2 내지 9 ㎛, 2 내지 8 ㎛, 2 내지 7 ㎛, 2 내지 6 ㎛, 또는 2 내지 5 ㎛ 의 중앙 섬유 직경을 갖는다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 2.5 내지 20 ㎛, 2.5 내지 18 ㎛, 2.5 내지 16 ㎛, 2.5 내지 14 ㎛, 2.5 내지 12 ㎛, 2.5 내지 10 ㎛, 2.5 내지 9 ㎛, 2.5 내지 8 ㎛, 2.5 내지 7 ㎛, 2.5 내지 6 ㎛, 또는 2.5 내지 5 ㎛ 의 중앙 섬유 직경을 갖는다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 3 내지 20 ㎛, 3 내지 18 ㎛, 3 내지 16 ㎛, 3 내지 14 ㎛, 3 내지 12 ㎛, 3 내지 10 ㎛, 3 내지 9 ㎛, 3 내지 8 ㎛, 3 내지 7 ㎛, 3 내지 6 ㎛, 또는 3 내지 5 ㎛ 의 중앙 섬유 직경을 갖는다.
중앙 섬유 직경의 표준 편차는 2 ㎛ 이하, 1.8 ㎛ 이하, 1.6 ㎛ 이하, 1.4 ㎛ 이하, 1.2 ㎛ 이하, 1 ㎛ 이하, 0.9 ㎛ 이하, 0.8 ㎛ 이하, 0.7 ㎛ 이하, 0.6 ㎛ 이하, 또는 0.5 ㎛ 이하일 수 있다.
일부 실시형태에서, 활성화된 섬유 조성물은 저 호흡성 (low respirable) 섬유로 형성될 수 있으며, 즉 활성화된 섬유 조성물은 0.1 중량% 미만의, 3 ㎛ 미만의 직경을 갖는 섬유를 함유할 수 있다. 일부 실시형태에서, 무기 섬유는 3 내지 5 ㎛ 의 중앙 섬유 직경을 갖고, 무기 섬유의 0.1 중량% 미만은 3 ㎛ 미만의 직경을 갖는다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 500℃ 이상, 600℃ 이상, 700℃ 이상, 800℃ 이상, 900℃ 이상, 1000℃ 이상, 1100℃ 이상, 1200℃ 이상, 1300℃ 이상, 1400℃ 이상, 1500℃ 이상, 1600℃ 이상, 1700℃ 이상, 1800℃ 이상, 1900℃ 이상, 또는 2000℃ 이상의 융점을 가질 수 있다. 특정 실시형태에서, 무기 섬유는 500℃ 이상, 600℃ 이상, 700℃ 이상, 800℃ 이상, 900℃ 이상, 1000℃ 이상, 1100℃ 이상, 1200℃ 이상, 또는 1300℃ 이상의 온도에서 안정하다. 특정 온도에서 "안정"한 무기 섬유는, 30 분 동안 그 온도로 가열된 후, 기공 크기와 표면적이 가열 전 측정치의 5% 이내임을 의미한다.
적절한 무기 섬유의 생산 공정에서, 아래에서 보다 상세히 기재되는 바와 같이 그리고 유럽 특허 출원 0 318 203 및 미국 특허 5,176,857 에 기술된 바와 같이, 전구체 금속 염을 함유하는 용액 상에 비이온성 표면 활성제를 포함시킴으로써 다공성이 섬유 구조에 도입될 수 있으며, 이들의 전체 개시 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다. 표면 활성제의 예는 알킬에톡실레이트, 알킬페닐에톡실레이트, 폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드 블록 공중합체, 빗형 실록산-폴리에톡실레이트 공중합체 및 폴리에톡실레이티드 아민을 포함한다. 표면 활성제의 첨가 및 용액 또는 졸에서의 생성된 미셀 크기를 제어함으로써, 섬유질 생성물에서의 기공의 부피 및 치수를 직접 제어할 수 있다. 기공 크기는 수십 옹스트롬의 수준으로까지 제어될 수 있다. 다공성의 존재는 표면적 대 부피 비율을 섬유 단독의 경우보다 더 높은 값으로 유도한다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 (i) 적어도 15 ㎡/g 의 표면적; (ii) 적어도 10 부피% 의 다공성; 또는 (iii) 적어도 0.01 mL/g 의 기공 부피 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 (i) 적어도 30 ㎡/g 의 표면적; (ii) 적어도 15 부피% 의 다공성; 또는 (iii) 적어도 0.03 mL/g 의 기공 부피 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 (i) 적어도 45 ㎡/g 의 표면적; (ii) 적어도 20 부피% 의 다공성; 또는 (iii) 적어도 0.05 mL/g 의 기공 부피 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 (i) 적어도 60 ㎡/g 의 표면적; (ii) 적어도 25 부피% 의 다공성; 또는 (iii) 적어도 0.07 mL/g 의 기공 부피 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 (i) 적어도 75 ㎡/g 의 표면적; (ii) 적어도 30 부피% 의 다공성; 또는 (iii) 적어도 0.09 mL/g 의 기공 부피 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 (i) 적어도 90 ㎡/g 의 표면적; (ii) 적어도 35 부피% 의 다공성; 또는 (iii) 적어도 0.1 mL/g 의 기공 부피 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 (i) 5 내지 220 ㎡/g 의 표면적; (ii) 5 부피% 내지 60 부피% 의 다공성; 또는 (iii) 0.005 내지 0.25 mL/g 의 기공 부피 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 (i) 90 내지 220 ㎡/g 의 표면적; (ii) 35 부피% 내지 60 부피% 의 다공성; 또는 (iii) 0.1 내지 0.25 mL/g 의 기공 부피 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 적어도 5 ㎡/g, 적어도 15 ㎡/g, 적어도 30 ㎡/g, 적어도 45 ㎡/g, 적어도 60 ㎡/g, 적어도 75 ㎡/g, 또는 적어도 90 ㎡/g 의 표면적을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 최대 220 ㎡/g, 최대 200 ㎡/g, 최대 180 ㎡/g, 최대 160 ㎡/g, 최대 140 ㎡/g, 최대 120 ㎡/g, 또는 최대 100 ㎡/g 의 표면적을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 5 내지 220 ㎡/g, 5 내지 200 ㎡/g, 5 내지 180 ㎡/g, 5 내지 160 ㎡/g, 5 내지 140 ㎡/g, 5 내지 120 ㎡/g, 또는 5 내지 100 ㎡/g 의 표면적을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 15 내지 220 ㎡/g, 15 내지 200 ㎡/g, 15 내지 180 ㎡/g, 15 내지 160 ㎡/g, 15 내지 140 ㎡/g, 15 내지 120 ㎡/g, 또는 15 내지 100 ㎡/g 의 표면적을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 30 내지 220 ㎡/g, 30 내지 200 ㎡/g, 30 내지 180 ㎡/g, 30 내지 160 ㎡/g, 30 내지 140 ㎡/g, 30 내지 120 ㎡/g, 또는 30 내지 100 ㎡/g 의 표면적을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 45 내지 220 ㎡/g, 45 내지 200 ㎡/g, 45 내지 180 ㎡/g, 45 내지 160 ㎡/g, 45 내지 140 ㎡/g, 45 내지 120 ㎡/g, 또는 45 내지 100 ㎡/g 의 표면적을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 60 내지 220 ㎡/g, 60 내지 200 ㎡/g, 60 내지 180 ㎡/g, 60 내지 160 ㎡/g, 60 내지 140 ㎡/g, 60 내지 120 ㎡/g, 또는 60 내지 100 ㎡/g 의 표면적을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 75 내지 220 ㎡/g, 75 내지 200 ㎡/g, 75 내지 180 ㎡/g, 75 내지 160 ㎡/g, 75 내지 140 ㎡/g, 75 내지 120 ㎡/g, 또는 75 내지 100 ㎡/g 의 표면적을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 90 내지 220 ㎡/g, 90 내지 200 ㎡/g, 90 내지 180 ㎡/g, 90 내지 160 ㎡/g, 90 내지 140 ㎡/g, 90 내지 120 ㎡/g, 또는 90 내지 100 ㎡/g 의 표면적을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 적어도 5 부피%, 적어도 10 부피%, 적어도 15 부피%, 적어도 20 부피%, 적어도 30 부피%, 또는 적어도 35 부피% 의 다공성을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 최대 60%, 최대 55%, 최대 50%, 최대 45%, 또는 최대 40% 의 다공성을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 5% 내지 60%, 5% 내지 55%, 5% 내지 50%, 5% 내지 45%, 또는 5% 내지 40% 의 다공성을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 10% 내지 60%, 10% 내지 55%, 10% 내지 50%, 10% 내지 45%, 또는 10% 내지 40% 의 다공성을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 15% 내지 60%, 15% 내지 55%, 15% 내지 50%, 15% 내지 45%, 또는 15% 내지 40% 의 다공성을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 20% 내지 60%, 20% 내지 55%, 20% 내지 50%, 20% 내지 45%, 또는 20% 내지 40% 의 다공성을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 25% 내지 60%, 25% 내지 55%, 25% 내지 50%, 25% 내지 45%, 또는 25% 내지 40% 의 다공성을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 30% 내지 60%, 30% 내지 55%, 30% 내지 50%, 30% 내지 45%, 또는 30% 내지 40% 의 다공성을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 35% 내지 60%, 35% 내지 55%, 35% 내지 50%, 35% 내지 45%, 또는 35% 내지 40% 의 다공성을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 적어도 0.005 mL/g, 적어도 0.01 mL/g, 적어도 0.03 mL/g, 적어도 0.05 mL/g, 적어도 0.07 mL/g, 적어도 0.09 mL/g, 또는 적어도 0.1 mL/g 의 기공 부피를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 최대 0.25 mL/g, 최대 0.2 mL/g, 최대 0.18 mL/g, 최대 0.16 mL/g, 최대 0.14 mL/g, 또는 최대 0.12 mL/g 의 기공 부피를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 0.005 mL/g 내지 0.25 mL/g, 0.005 내지 0.2 mL/g, 0.005 내지 0.18 mL/g, 0.005 내지 0.16 mL/g, 0.005 내지 0.14 mL/g, 또는 0.005 내지 0.12 mL/g 의 기공 부피를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 0.01 mL/g 내지 0.25 mL/g, 0.01 내지 0.2 mL/g, 0.01 내지 0.18 mL/g, 0.01 내지 0.16 mL/g, 0.01 내지 0.14 mL/g, 또는 0.01 내지 0.12 mL/g 의 기공 부피를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 0.03 mL/g 내지 0.25 mL/g, 0.03 내지 0.2 mL/g, 0.03 내지 0.18 mL/g, 0.03 내지 0.16 mL/g, 0.03 내지 0.14 mL/g, 또는 0.03 내지 0.12 mL/g 의 기공 부피를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 0.05 mL/g 내지 0.25 mL/g, 0.05 내지 0.2 mL/g, 0.05 내지 0.18 mL/g, 0.05 내지 0.16 mL/g, 0.05 내지 0.14 mL/g, 또는 0.05 내지 0.12 mL/g 의 기공 부피를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 0.07 mL/g 내지 0.25 mL/g, 0.07 내지 0.2 mL/g, 0.07 내지 0.18 mL/g, 0.07 내지 0.16 mL/g, 0.07 내지 0.14 mL/g, 또는 0.07 내지 0.12 mL/g 의 기공 부피를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 0.09 mL/g 내지 0.25 mL/g, 0.09 내지 0.2 mL/g, 0.09 내지 0.18 mL/g, 0.09 내지 0.16 mL/g, 0.09 내지 0.14 mL/g, 또는 0.09 내지 0.12 mL/g 의 기공 부피를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 0.1 mL/g 내지 0.25 mL/g, 0.1 내지 0.2 mL/g, 0.1 내지 0.18 mL/g, 0.1 내지 0.16 mL/g, 0.1 내지 0.14 mL/g, 또는 0.1 내지 0.12 mL/g 의 기공 부피를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 20 내지 300 Å, 50 내지 300 Å, 50 내지 250 Å, 50 내지 200 Å, 50 내지 150 Å, 100 내지 200 Å, 100 내지 150 Å, 또는 150 내지 200 Å 의 평균 기공 반경을 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 무기 섬유는 10 내지 200 Å, 50 내지 200 Å, 100 내지 200 Å, 150 내지 200 Å, 10 내지 150 Å, 50 내지 150 Å, 10 내지 100 Å, 10 내지 50 Å, 50 내지 100 Å, 또는 100 내지 150 Å 의 기공 직경 분포를 가질 수 있다.
다공성 시스템의 "골격" 구조 (예컨대, 기공 직경, 기공 길이, 기공 깊이 및/또는 표면적) 가 촉매 공정의 효율에 영향을 미칠 수 있다는 것이 밝혀졌다. 기공은 활성 물질의 얇은 커버리지를 허용하고 타깃 반응물이 구조에 자유롭게 출입 할 수 있도록 충분히 넓어야 한다. 기공이 너무 길고/거나 깊으면, 반응물이 트래핑되어 효율을 감소시킬 수 있다. 따라서, 무기 섬유의 표면에 우선적으로 위치되는 다공성을 제공하고, 기공의 길이 및/또는 깊이를 제한하고, 그리고/또는 기공 직경을 조정하는 것이 특히 바람직할 수 있다.
다공성 제어는 다수의 상이한 공정 변수를 사용하여 수행될 수 있다. 용액에서 상이한 표면 활성제들, 예컨대 상이한 미셀 크기 또는 상이한 작용기를 갖는 실록산 성분들을 결합하는 것은 기공 크기/분포 제어를 제공할 수 있다. 섬유화 및/또는 건조 동안 온도 및/또는 습도를 변경하는 것은, 열처리 전에 전구체 섬유에서 용매의 농도를 증가 또는 감소시킬 수 있으므로, 다공성에 영향을 미칠 수 있다. 전술한 것처럼 하소 조건을 변경하는 것은 또한 다공성에 영향을 미칠 수 있다.
무기 섬유의 중앙 직경을 줄임으로써, 표면적은 최대화될 수 있다. 전술한 섬유 생산 공정은 0.25 ㎛ 내지 20 ㎛ 의 중앙 직경, 2 ㎛ 미만 또는 심지어 1 ㎛ 미만의 표준 편차를 갖는 무기 섬유를 제공하도록 맞춤화될 수 있다. 중앙 섬유 직경을 제어하는 방법의 비제한적인 예는 다음을 포함한다: 폴리비닐 알코올, 폴리아크릴아미드 (예컨대 부분 가수분해된 폴리아크릴아미드), 폴리아크릴산, 폴리에틸렌 옥사이드, 카르복시알킬 셀룰로오스 히드록시알킬 셀룰로오스, 알킬 셀룰로오스, 가수분해된 전분, 덱스트란, 구아 검, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리에틸렌 글리콜, 알긴산, 폴리이소부틸렌 유도체, 폴리실록산의 공중합체, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리우레탄 또는 에스테르 중 하나 이상과 같은 전술한 바와 같은 상이한 도핑 보조제 (이러한 종의 각각의 상이한 분자량 및 농도의 혼합물을 포함함) 의 사용; 도핑 보조제에 따라, 중앙 섬유 직경이 증가 또는 감소될 수 있다. 섬유화 용액의 점도를 감소시키는 것은, 섬유화 스피너에서 섬유화 노즐의 구멍 크기가 감소하여 노즐을 통한 유량이 감소하고 섬유화 스피너의 회전 속도를 증가시키거나 섬유화 압출 공정에서 공기 압력을 증가시킬 것이므로, 감소된 중앙 섬유 직경을 갖는 섬유를 초래할 것이다.
특정 실시형태에서, 섬유에서 총 다공성의 적어도 25%, 그리고 다른 실시형태에서 25% 보다 훨씬 더 높은 비율이 축선방향으로 정렬된 기공에 의해 제공된다. 본원에서 사용되는 용어 "축선방향으로 정렬된 기공" 은 섬유의 축선에 대해 정확히 평행하게 배향된 기공으로 제한되지 않으며, 축선에 대해 30 도까지의 각도로 배향된 일부 기공을 포함한다. 특정 실시형태에서, 축선방향으로 정렬된 기공의 대부분은 축선에 대해 본질적으로 평행하고, 특히 축선으로부터 10 도 이하로 벗어날 수 있다. 또한 축선방향으로 정렬된 부분 및 반경방향으로 정렬된 부분과 같은 비축선방향으로 정렬된 부분 (예컨대, 반경방향 기공과 연통하는 축선방향 기공을 포함하는 미로 기공) 을 갖는 기공은 축선방향으로 정렬된 그의 부분에 대해 축선방향으로 정렬된 기공으로 간주된다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 축선방향으로 정렬된 기공은 폐쇄 기공일 수 있거나, 또는 섬유 표면으로 개방될 수 있다.
섬유의 정렬된 기공 구조는 겔 섬유, 즉 실리카 섬유의 경우 실리카 전구체를 섬유의 무기 실리카로 변환시키기 위한 열처리 전에 형성된 그린 섬유 내에서 적절한 구조화에 의해 생성될 수 있다. 겔 섬유에서 원하는 구조를 생성하기 위해서는 특정 방사 조건이 필요하다. 스테이플 방사 공정은 섬유를 미세한 직경으로 빠르게 끌어 당기고, 결과적으로 겔 섬유가 당겨지고 확장 응력을 받으면서 방사 용액 또는 졸의 점도는 섬유 단면에 걸쳐 빠르고 균일하게 증가한다. 빠르게 증가하는 점도와 높은 스핀/드로우 비율의 조합은 원하는 겔 섬유 구조를 생성하기에 충분한 강도와 지속 시간의 동력을 제공한다. 올바른 조건에서 작동되는 블로우 방사는 500 내지 2,500 의 전체 스핀/드로우 비율을 제공하며, 여기서 전체 스핀/드로우 비율은 스피너렛 구멍에서의 겔 섬유의 속도와 방사 용액 또는 졸의 속도 사이의 비율이다.
활성제
본원에 사용되는 용어 "활성제" 는 유체에서 바람직하지 않은 성분을 화학적으로 변경하고/하거나 유체로부터 바람직하지 않은 성분을 흡착하며, 무기 섬유에 혼입되고/되거나 적용될 수 있는 임의의 조성물 또는 재료를 나타낸다.
무기 섬유"에 혼입된다" 는 것은 섬유를 생산하는 데 사용되는 졸-겔 재료에 활성제를 첨가하는 것과 같이 무기 섬유의 생산 동안 활성제가 무기 섬유에 첨가된다는 것을 의미한다. 따라서, 활성제는 무기 섬유의 필수 성분을 형성한다. 따라서, 활성제는 각 개별 섬유에 걸쳐 균질하게 존재할 수 있거나, 특정 가공 기술을 통해, 각 무기 섬유의 표면 근처에서 더 높은 농도와 같이 각 무기 섬유의 특정 부분에 더 높은 농도로 존재할 수 있다.
무기 섬유"에 적용된다" 는 것은 그린 무기 섬유를 형성한 후 어느 시점에 활성제가 무기 섬유에 적용된다는 것을 의미한다. 예를 들어, 제한 없이, 활성제는 졸-겔 공정의 방사 단계 직후와 같이 그린 무기 섬유가 형성된 직후에 무기 섬유에 추가될 수 있다. 이는 이 단계에서 섬유에 액체 형태의 활성제를 스프레이함으로써 달성될 수 있다. 추가적으로, 또는 대안적으로, 비제한적인 예는 무기 섬유 생산 공정의 완료 후, 예를 들어 액체 형태의 활성제를 스프레이함으로써 또는 그렇지 않으면 무기 섬유에 활성제를 코팅함으로써, 무기 섬유에 활성제를 코팅하는 것을 포함한다. 활성제는 무기 섬유 생산 공정의 임의의 적절한 단계 전에, 중에 또는 후에 추가적으로 또는 대안적으로 적용될 수 있다.
특정 실시형태에서, 활성제는 촉매 활성제 (catalytically-활성제) 또는 가스 포획제 (gas-capture agent) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 촉매 활성제는 백금, 루비듐, 안티몬, 구리, 은, 팔라듐, 루테늄, 비스무트, 아연, 니켈, 코발트, 크롬, 세륨, 티타늄, 철, 바나듐, 금 또는 망간 중 적어도 하나를 원소 및/또는 화합물 형태로 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 촉매 활성제가 화합물 형태인 경우, 화합물은 이 원소들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 가스 포획제는 이산화탄소 포획제, 질소 산화물 (NOx) 포획제, 또는 미량 금속 (예컨대 납 또는 카드뮴) 용 흡착제 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이산화탄소 포획제는 칼슘 산화물을 포함할 수 있다. 질소 산화물 (NOx) 포획제는 바륨 산화물, 바륨 수산화물, 탄산바륨 또는 이들의 혼합물과 같은 적어도 하나의 바륨 함유 화합물을 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 바륨 함유 화합물은 감마-알루미나와 같은 세라믹 재료에 지지될 수 있다. 미량 금속용 흡착제는 알루미노-실리케이트 화합물을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 알루미노-실리케이트 화합물이 의미하는 것은 순수한 알루미나에서 순수한 실리카에 이르기까지 다양할 수 있는 화합물이다. 특정 실시형태에서, 알루미노-실리케이트 화합물은 실리카, 카올린, 보크사이트, 규조토, 수산화 마그네슘 실리케이트, 알루미나, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 활성제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로 0 초과 내지 50 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다. 특정 실시형태에서, 활성제는 활성화된 섬유 조성물에 존재하는 활성제의 양 및 활성화된 섬유 조성물에 존재하는 무기 섬유의 양이 함께 활성화된 섬유 조성물의 전체 중량과 동일하게 되는 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다. 특정 실시형태에서, 활성제는 활성화된 섬유 조성물에 존재하는 활성제의 양, 활성화된 섬유 조성물에 존재하는 무기 섬유의 양, 및 활성화된 섬유 조성물에 존재하는 여기서 기술된 임의의 다른 성분의 양이 함께 활성화된 섬유 조성물의 전체 중량과 동일하게 되는 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 활성제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.01 내지 50 중량%, 0.05 내지 50 중량%, 0.1 내지 50 중량%, 0.5 내지 50 중량%, 1 내지 50 중량%, 2 내지 50 중량%, 3 내지 50 중량%, 4 내지 50 중량%, 5 내지 50 중량%, 6 내지 50 중량%, 7 내지 50 중량%, 8 내지 50 중량%, 9 내지 50 중량%, 또는 10 내지 50 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 활성제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.01 내지 45 중량%, 0.05 내지 45 중량%, 0.1 내지 45 중량%, 0.5 내지 45 중량%, 1 내지 45 중량%, 2 내지 45 중량%, 3 내지 45 중량%, 4 내지 45 중량%, 5 내지 45 중량%, 6 내지 45 중량%, 7 내지 45 중량%, 8 내지 45 중량%, 9 내지 45 중량%, 또는 10 내지 45 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 활성제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.01 내지 40 중량%, 0.05 내지 40 중량%, 0.1 내지 40 중량%, 0.5 내지 40 중량%, 1 내지 40 중량%, 2 내지 40 중량%, 3 내지 40 중량%, 4 내지 40 중량%, 5 내지 40 중량%, 6 내지 40 중량%, 7 내지 40 중량%, 8 내지 40 중량%, 9 내지 40 중량%, 또는 10 내지 40 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 활성제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.01 내지 35 중량%, 0.05 내지 35 중량%, 0.1 내지 35 중량%, 0.5 내지 35 중량%, 1 내지 35 중량%, 2 내지 35 중량%, 3 내지 35 중량%, 4 내지 35 중량%, 5 내지 35 중량%, 6 내지 35 중량%, 7 내지 35 중량%, 8 내지 35 중량%, 9 내지 35 중량%, 또는 10 내지 35 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 활성제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.01 내지 30 중량%, 0.05 내지 30 중량%, 0.1 내지 30 중량%, 0.5 내지 30 중량%, 1 내지 30 중량%, 2 내지 30 중량%, 3 내지 30 중량%, 4 내지 30 중량%, 5 내지 30 중량%, 6 내지 30 중량%, 7 내지 30 중량%, 8 내지 30 중량%, 9 내지 30 중량%, 또는 10 내지 30 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 활성제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.01 내지 25 중량%, 0.05 내지 25 중량%, 0.1 내지 25 중량%, 0.5 내지 25 중량%, 1 내지 25 중량%, 2 내지 25 중량%, 3 내지 25 중량%, 4 내지 25 중량%, 5 내지 25 중량%, 6 내지 25 중량%, 7 내지 25 중량%, 8 내지 25 중량%, 9 내지 25 중량%, 또는 10 내지 25 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 활성제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.01 내지 20 중량%, 0.05 내지 20 중량%, 0.1 내지 20 중량%, 0.5 내지 20 중량%, 1 내지 20 중량%, 2 내지 20 중량%, 3 내지 20 중량%, 4 내지 20 중량%, 5 내지 20 중량%, 6 내지 20 중량%, 7 내지 20 중량%, 8 내지 20 중량%, 9 내지 20 중량%, 또는 10 내지 20 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 활성제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.01 내지 15 중량%, 0.05 내지 15 중량%, 0.1 내지 15 중량%, 0.5 내지 15 중량%, 1 내지 15 중량%, 2 내지 15 중량%, 3 내지 15 중량%, 4 내지 15 중량%, 5 내지 15 중량%, 6 내지 15 중량%, 7 내지 15 중량%, 8 내지 15 중량%, 9 내지 15 중량%, 또는 10 내지 15 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 활성제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.01 내지 10 중량%, 0.05 내지 10 중량%, 0.1 내지 10 중량%, 0.5 내지 10 중량%, 1 내지 10 중량%, 2 내지 10 중량%, 3 내지 10 중량%, 4 내지 10 중량%, 5 내지 10 중량%, 6 내지 10 중량%, 7 내지 10 중량%, 8 내지 10 중량%, 또는 9 내지 10 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
활성제가 무기 섬유에 혼입되는 실시형태에서, 활성제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 0 초과 내지 10 중량%, 0.0001 내지 10 중량%, 0.0002 내지 10 중량%, 0.0003 내지 10 중량%, 0.0004 내지 10 중량%, 0.0005 내지 10 중량%, 0.0006 내지 10 중량%, 0.0007 내지 10 중량%, 0.0008 내지 10 중량%, 0.0009 내지 10 중량%, 0.001 내지 10 중량%, 0.002 내지 10 중량%, 0.003 내지 10 중량%, 0.004 내지 10 중량%, 0.005 내지 10 중량%, 0.006 내지 10 중량%, 0.007 내지 10 중량%, 0.008 내지 10 중량%, 0.009 내지 10 중량%, 0.01 내지 10 중량%, 0.02 내지 10 중량%, 0.03 내지 10 중량%, 0.04 내지 10 중량%, 0.05 내지 10 중량%, 0.06 내지 10 중량%, 0.07 내지 10 중량%, 0.08 내지 10 중량%, 0.09 내지 10 중량%, 0.1 내지 10 중량%, 0.2 내지 10 중량%, 0.3 내지 10 중량%, 0.4 내지 10 중량%, 0.5 내지 10 중량%, 0.6 내지 10 중량%, 0.7 내지 10 중량%, 0.8 내지 10 중량%, 0.9 내지 10 중량%, 또는 1 내지 10 중량% 의 양으로 존재할 수 있다.
활성제가 무기 섬유에 혼입되는 실시형태에서, 활성제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 0 초과 내지 8 중량%, 0.0001 내지 8 중량%, 0.0002 내지 8 중량%, 0.0003 내지 8 중량%, 0.0004 내지 8 중량%, 0.0005 내지 8 중량%, 0.0006 내지 8 중량%, 0.0007 내지 8 중량%, 0.0008 내지 8 중량%, 0.0009 내지 8 중량%, 0.001 내지 8 중량%, 0.002 내지 8 중량%, 0.003 내지 8 중량%, 0.004 내지 8 중량%, 0.005 내지 8 중량%, 0.006 내지 8 중량%, 0.007 내지 8 중량%, 0.008 내지 8 중량%, 0.009 내지 8 중량%, 0.01 내지 8 중량%, 0.02 내지 8 중량%, 0.03 내지 8 중량%, 0.04 내지 8 중량%, 0.05 내지 8 중량%, 0.06 내지 8 중량%, 0.07 내지 8 중량%, 0.08 내지 8 중량%, 0.09 내지 8 중량%, 0.1 내지 8 중량%, 0.2 내지 8 중량%, 0.3 내지 8 중량%, 0.4 내지 8 중량%, 0.5 내지 8 중량%, 0.6 내지 8 중량%, 0.7 내지 8 중량%, 0.8 내지 8 중량%, 0.9 내지 8 중량%, 또는 1 내지 8 중량% 의 양으로 존재할 수 있다.
활성제가 무기 섬유에 혼입되는 실시형태에서, 활성제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 0 초과 내지 6 중량%, 0.0001 내지 6 중량%, 0.0002 내지 6 중량%, 0.0003 내지 6 중량%, 0.0004 내지 6 중량%, 0.0005 내지 6 중량%, 0.0006 내지 6 중량%, 0.0007 내지 6 중량%, 0.0008 내지 6 중량%, 0.0009 내지 6 중량%, 0.001 내지 6 중량%, 0.002 내지 6 중량%, 0.003 내지 6 중량%, 0.004 내지 6 중량%, 0.005 내지 6 중량%, 0.006 내지 6 중량%, 0.007 내지 6 중량%, 0.008 내지 6 중량%, 0.009 내지 6 중량%, 0.01 내지 6 중량%, 0.02 내지 6 중량%, 0.03 내지 6 중량%, 0.04 내지 6 중량%, 0.05 내지 6 중량%, 0.06 내지 6 중량%, 0.07 내지 6 중량%, 0.08 내지 6 중량%, 0.09 내지 6 중량%, 0.1 내지 6 중량%, 0.2 내지 6 중량%, 0.3 내지 6 중량%, 0.4 내지 6 중량%, 0.5 내지 6 중량%, 0.6 내지 6 중량%, 0.7 내지 6 중량%, 0.8 내지 6 중량%, 0.9 내지 6 중량%, 또는 1 내지 6 중량% 의 양으로 존재할 수 있다.
활성제가 무기 섬유에 혼입되는 실시형태에서, 활성제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 0 초과 내지 4 중량%, 0.0001 내지 4 중량%, 0.0002 내지 4 중량%, 0.0003 내지 4 중량%, 0.0004 내지 4 중량%, 0.0005 내지 4 중량%, 0.0006 내지 4 중량%, 0.0007 내지 4 중량%, 0.0008 내지 4 중량%, 0.0009 내지 4 중량%, 0.001 내지 4 중량%, 0.002 내지 4 중량%, 0.003 내지 4 중량%, 0.004 내지 4 중량%, 0.005 내지 4 중량%, 0.006 내지 4 중량%, 0.007 내지 4 중량%, 0.008 내지 4 중량%, 0.009 내지 4 중량%, 0.01 내지 4 중량%, 0.02 내지 4 중량%, 0.03 내지 4 중량%, 0.04 내지 4 중량%, 0.05 내지 4 중량%, 0.06 내지 4 중량%, 0.07 내지 4 중량%, 0.08 내지 4 중량%, 0.09 내지 4 중량%, 0.1 내지 4 중량%, 0.2 내지 4 중량%, 0.3 내지 4 중량%, 0.4 내지 4 중량%, 0.5 내지 4 중량%, 0.6 내지 4 중량%, 0.7 내지 4 중량%, 0.8 내지 4 중량%, 0.9 내지 4 중량%, 1 내지 4 중량%, 또는 3 내지 4 중량% 의 양으로 존재할 수 있다.
활성제가 무기 섬유에 혼입되는 실시형태에서, 활성제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 0 초과 내지 2 중량%, 0.0001 내지 2 중량%, 0.0002 내지 2 중량%, 0.0003 내지 2 중량%, 0.0004 내지 2 중량%, 0.0005 내지 2 중량%, 0.0006 내지 2 중량%, 0.0007 내지 2 중량%, 0.0008 내지 2 중량%, 0.0009 내지 2 중량%, 0.001 내지 2 중량%, 0.002 내지 2 중량%, 0.003 내지 2 중량%, 0.004 내지 2 중량%, 0.005 내지 2 중량%, 0.006 내지 2 중량%, 0.007 내지 2 중량%, 0.008 내지 2 중량%, 0.009 내지 2 중량%, 0.01 내지 2 중량%, 0.02 내지 2 중량%, 0.03 내지 2 중량%, 0.04 내지 2 중량%, 0.05 내지 2 중량%, 0.06 내지 2 중량%, 0.07 내지 2 중량%, 0.08 내지 2 중량%, 0.09 내지 2 중량%, 0.1 내지 2 중량%, 0.2 내지 2 중량%, 0.3 내지 2 중량%, 0.4 내지 2 중량%, 0.5 내지 2 중량%, 0.6 내지 2 중량%, 0.7 내지 2 중량%, 0.8 내지 2 중량%, 0.9 내지 2 중량%, 또는 1 내지 2 중량% 의 양으로 존재할 수 있다.
활성제가 무기 섬유에 혼입되는 실시형태에서, 활성제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 0 초과 내지 1 중량%, 0.0001 내지 1 중량%, 0.0002 내지 1 중량%, 0.0003 내지 1 중량%, 0.0004 내지 1 중량%, 0.0005 내지 1 중량%, 0.0006 내지 1 중량%, 0.0007 내지 1 중량%, 0.0008 내지 1 중량%, 0.0009 내지 1 중량%, 0.001 내지 1 중량%, 0.002 내지 1 중량%, 0.003 내지 1 중량%, 0.004 내지 1 중량%, 0.005 내지 1 중량%, 0.006 내지 1 중량%, 0.007 내지 1 중량%, 0.008 내지 1 중량%, 0.009 내지 1 중량%, 0.01 내지 1 중량%, 0.02 내지 1 중량%, 0.03 내지 1 중량%, 0.04 내지 1 중량%, 0.05 내지 1 중량%, 0.06 내지 1 중량%, 0.07 내지 1 중량%, 0.08 내지 1 중량%, 0.09 내지 1 중량%, 0.1 내지 1 중량%, 0.2 내지 1 중량%, 0.3 내지 1 중량%, 0.4 내지 1 중량%, 0.5 내지 1 중량%, 0.6 내지 1 중량%, 0.7 내지 1 중량%, 0.8 내지 1 중량%, 또는 0.9 내지 1 중량% 의 양으로 존재할 수 있다.
활성화된 섬유 조성물의 기타 성분
특정 실시형태에서, 상기한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물은 상이한 무기 섬유 조성물들의 블렌드를 추가로 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 상기한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물은 2차 무기 섬유를 추가로 포함할 수 있다. "2차 무기 섬유" 는 전술한 "제 2 무기 섬유" 와 다르다는 점에 유의한다. 2차 무기 섬유는 전술한 무기 섬유의 하나 이상의 특징에서 전술한 무기 섬유와 상이할 수 있다. 구체적으로, 전술한 다양한 실시형태에서, 무기 섬유는 임의의 수의 방식으로 특징지어질 수 있다. 2차 무기 섬유가 전술한 임의의 실시형태에 포함되는 경우, 2차 무기 섬유는 2차 무기 섬유가 포함될 수 있는 특정 실시형태에서 무기 섬유의 특징과 상호 배타적인 하나 이상의 특징을 갖는다는 점에서 무기 섬유와 다를 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 2차 무기 섬유는 (i) 4 ㎡/g 미만의 표면적; (ii) 4 부피% 미만의 다공성; 또는 (iii) 0.004 mL/g 미만의 기공 부피 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 2차 무기 섬유는 활성제된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 80 중량% 이하, 1 내지 80 중량%, 5 내지 80 중량%, 10 내지 80 중량%, 15 내지 80 중량%, 20 내지 80 중량%, 25 내지 80 중량%, 30 내지 80 중량%, 35 내지 80 중량%, 40 내지 80 중량%, 45 내지 80 중량%, 또는 50 내지 80 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 2차 무기 섬유는 활성제된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 70 중량% 이하, 1 내지 70 중량%, 5 내지 70 중량%, 10 내지 70 중량%, 15 내지 70 중량%, 20 내지 70 중량%, 25 내지 70 중량%, 30 내지 70 중량%, 35 내지 70 중량%, 40 내지 70 중량%, 45 내지 70 중량%, 또는 50 내지 70 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 2차 무기 섬유는 활성제된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 60 중량% 이하, 1 내지 60 중량%, 5 내지 60 중량%, 10 내지 60 중량%, 15 내지 60 중량%, 20 내지 60 중량%, 25 내지 60 중량%, 30 내지 60 중량%, 35 내지 60 중량%, 40 내지 60 중량%, 45 내지 60 중량%, 또는 50 내지 60 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 2차 무기 섬유는 활성제된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 50 중량% 이하, 1 내지 50 중량%, 5 내지 50 중량%, 10 내지 50 중량%, 15 내지 50 중량%, 20 내지 50 중량%, 25 내지 50 중량%, 30 내지 50 중량%, 35 내지 50 중량%, 40 내지 50 중량%, 또는 45 내지 50 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 2차 무기 섬유는 활성제된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 40 중량% 이하, 1 내지 40 중량%, 5 내지 40 중량%, 10 내지 40 중량%, 15 내지 40 중량%, 20 내지 40 중량%, 25 내지 40 중량%, 30 내지 40 중량%, 또는 35 내지 40 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 2차 무기 섬유는 활성제된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 30 중량% 이하, 1 내지 30 중량%, 5 내지 30 중량%, 10 내지 30 중량%, 15 내지 30 중량%, 20 내지 30 중량%, 또는 25 내지 30 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 상기한 임의의 실시형태의 활성제된 섬유 조성물은 유기 섬유, 금속 섬유, 탄소 섬유 또는 이들의 조합을 추가로 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 상기한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물은 바인더를 추가로 포함할 수 있다. 바인더는 유기 바인더 및/또는 무기 바인더를 포함할 수 있다. 유기 바인더는 중합체 에멀젼, 용매계 중합체, 무용매 중합체, 전분, 유기 바인더 섬유 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 중합체 에멀젼은 라텍스, 천연 고무 라텍스, 스티렌-부타디엔 라텍스, 부타디엔-아크릴로니트릴 라텍스, 아크릴레이트/메타크릴레이트 중합체/공중합체의 라텍스, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 용매계 중합체는 아크릴, 폴리우레탄, 비닐 아세테이트, 셀룰로오스, 고무계 유기 중합체, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 무용매 중합체는 천연 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 엘라스토머, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 전분은 감자 전분, 옥수수 전분, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 유기 바인더 섬유는 폴리비닐 알코올 ("PVA") 섬유, 미소섬유상 셀룰로오스 섬유, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
무기 바인더는 실리카, 알루미나, 티타니아, 아연, 마그네시아, 지르코니아 또는 이들의 혼합물을 포함하는 콜로이드성 무기 산화물 분산물을 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 바인더는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 50 중량% 이하, 예컨대 0.1 내지 50 중량%, 0.5 내지 50 중량%, 1 내지 50 중량%, 2 내지 50 중량%, 3 내지 50 중량%, 4 내지 50 중량%, 5 내지 50 중량%, 6 내지 50 중량%, 7 내지 50 중량%, 8 내지 50 중량%, 9 내지 50 중량%, 또는 10 내지 50 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 바인더는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 45 중량% 이하, 예컨대 0.1 내지 45 중량%, 0.5 내지 45 중량%, 1 내지 45 중량%, 2 내지 45 중량%, 3 내지 45 중량%, 4 내지 45 중량%, 5 내지 45 중량%, 6 내지 45 중량%, 7 내지 45 중량%, 8 내지 45 중량%, 9 내지 45 중량%, 또는 10 내지 45 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 바인더는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 40 중량% 이하, 예컨대 0.1 내지 40 중량%, 0.5 내지 40 중량%, 1 내지 40 중량%, 2 내지 40 중량%, 3 내지 40 중량%, 4 내지 40 중량%, 5 내지 40 중량%, 6 내지 40 중량%, 7 내지 40 중량%, 8 내지 40 중량%, 9 내지 40 중량%, 또는 10 내지 40 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 바인더는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 35 중량% 이하, 예컨대 0.1 내지 35 중량%, 0.5 내지 35 중량%, 1 내지 35 중량%, 2 내지 35 중량%, 3 내지 35 중량%, 4 내지 35 중량%, 5 내지 35 중량%, 6 내지 35 중량%, 7 내지 35 중량%, 8 내지 35 중량%, 9 내지 35 중량%, 또는 10 내지 35 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 바인더는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 30 중량% 이하, 예컨대 0.1 내지 30 중량%, 0.5 내지 30 중량%, 1 내지 30 중량%, 2 내지 30 중량%, 3 내지 30 중량%, 4 내지 30 중량%, 5 내지 30 중량%, 6 내지 30 중량%, 7 내지 30 중량%, 8 내지 30 중량%, 9 내지 30 중량%, 또는 10 내지 30 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 상기한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물은 팽창성 재료를 추가로 포함할 수 있다. 팽창성 재료는 조성물로부터 제조된 제품 형태 내에 기계적 지지를 제공하기 위해 조성물의 최초 사용시 팽창할 수 있다. 팽창성 재료는 또한 본 기술분야에 알려져 있을 수도 있는 다른 이점을 제공할 수 있다. 팽창성 재료는 운모, 비팽창 질석, 이온 교환 질석, 열처리된 질석, 하이드로바이오타이트, 알칼리성 금속 실리케이트, 활석, 점토, 팽창성 흑연, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 팽창성 재료는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 50 중량% 이하, 예컨대 1 내지 50 중량%, 2 내지 50 중량%, 3 내지 50 중량%, 4 내지 50 중량%, 5 내지 50 중량%, 10 내지 50 중량%, 15 내지 50 중량%, 20 내지 50 중량%, 25 내지 50 중량%, 30 내지 50 중량%, 35 내지 50 중량%, 40 내지 50 중량%, 또는 45 내지 50 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 팽창성 재료는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 45 중량% 이하, 예컨대 1 내지 45 중량%, 2 내지 45 중량%, 3 내지 45 중량%, 4 내지 45 중량%, 5 내지 45 중량%, 10 내지 45 중량%, 15 내지 45 중량%, 20 내지 45 중량%, 25 내지 45 중량%, 30 내지 45 중량%, 35 내지 45 중량%, 또는 40 내지 45 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 팽창성 재료는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 40 중량% 이하, 예컨대 1 내지 40 중량%, 2 내지 40 중량%, 3 내지 40 중량%, 4 내지 40 중량%, 5 내지 40 중량%, 10 내지 40 중량%, 15 내지 40 중량%, 20 내지 40 중량%, 25 내지 40 중량%, 30 내지 40 중량%, 또는 35 내지 40 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 팽창성 재료는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 35 중량% 이하, 예컨대 1 내지 35 중량%, 2 내지 35 중량%, 3 내지 35 중량%, 4 내지 35 중량%, 5 내지 35 중량%, 10 내지 35 중량%, 15 내지 35 중량%, 20 내지 35 중량%, 25 내지 35 중량%, 또는 30 내지 35 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 팽창성 재료는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 30 중량% 이하, 예컨대 1 내지 30 중량%, 2 내지 30 중량%, 3 내지 30 중량%, 4 내지 30 중량%, 5 내지 30 중량%, 10 내지 30 중량%, 15 내지 30 중량%, 20 내지 30 중량%, 또는 25 내지 30 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 팽창성 재료는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 25 중량% 이하, 예컨대 1 내지 25 중량%, 2 내지 25 중량%, 3 내지 25 중량%, 4 내지 25 중량%, 5 내지 25 중량%, 10 내지 25 중량%, 15 내지 25 중량%, 또는 20 내지 25 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 팽창성 재료는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 20 중량% 이하, 예컨대 1 내지 20 중량%, 2 내지 20 중량%, 3 내지 20 중량%, 4 내지 20 중량%, 5 내지 20 중량%, 10 내지 20 중량%, 또는 15 내지 20 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
특정 실시형태에서, 팽창성 재료는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 15 중량% 이하, 예컨대 1 내지 15 중량%, 2 내지 15 중량%, 3 내지 15 중량%, 4 내지 15 중량%, 5 내지 15 중량%, 또는 10 내지 15 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
임의의 실시형태에서, 활성화된 섬유 조성물은 무기 섬유에 혼입되고/되거나 무기 섬유의 적어도 일부에 적용되는 2차 작용제를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 2차 작용제는 환경 조건 (예컨대, 온도 또는 조성) 에 따라 가스를 선택적으로 포획하고 방출하는 원소를 포함할 수 있다. 2차 작용제의 비제한적인 예는 탄산바륨, 바륨 산화물, 바륨 수산화물, 및 감마-알루미나를 포함하는 세라믹 지지 바륨 화합물을 포함한다. 이러한 화합물은 가스 스트림 온도가 충분히 높을 때 방출되는 질소 산화물 (NOx) 을 선택적으로 포획한다. 활성제가 촉매인 실시형태에서, 방출 온도는 촉매의 라이트오프 (light-off) 온도보다 높을 수 있다. 여기에 사용되는 "라이트오프 온도" 는, 배기 가스 스트림이 배기 가스 처리 장치에서 나올 때 현지 규정 및/또는 산업 관례를 준수하도록 배기 가스 처리 장치가 배기 가스 스트림을 처리할 수 있는 온도이다. 임의의 실시형태에서, NOx 포획 재료는, 폐가스가 활성제와 상호 작용하기 전에 NOx 포획 재료와 상호 작용하도록 활성제 앞에 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 방출 제어 장치 내에 위치될 수 있다. 다른 실시형태에서, NOx 포획 재료는 활성제에 근접하게 배치될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 폐가스는 NOx 포획 재료와 활성제에 거의 동시에 도달한다.
2차 작용제의 다른 비제한적인 예는 세륨, 란탄, 바륨, 및 산소를 저장할 수 있는 기타 금속을 포함한다. 배출 제어 장치 (예컨대, 자동차 산업에서 사용되는 장치) 에 포함된 경우, 산소 저장 재료는 저산소 작업 동안 (예컨대, 연료가 풍부한 작업 동안) CO 를 CO2 로 변환할 때 산소 소스를 제공할 수 있다. 이러한 산소 저장 재료는 산소가 풍부한 상태 (예컨대, 엔진의 희박 작동) 에서 산화물을 용이하게 형성하며 이는 저산소 작동 동안에 공기 혼합물의 산소 농도가 떨어질 때 방출된다. 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 방출 제어 장치에서, 산소 저장 재료는 예를 들어 활성제에 근접하게 위치될 수 있다.
임의의 실시형태에서, 무기 섬유에 혼입되거나 적용되든지, 2차 작용제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로 0 내지 20 중량% 를 구성할 수 있다. 일부 실시형태에서, 2차 작용제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.001 내지 15 중량%, 0.01 내지 10 중량%, 0.10 내지 9 중량%, 0.25 내지 8 중량%, 0.5 내지 7 중량%, 0.75 내지 6 중량%, 1 내지 5 중량%, 1.5 내지 4 중량%, 1.75 내지 3 중량%, 1 내지 2 중량%, 0.5 내지 1.5 중량%, 0.1 내지 1 중량%, 0.25 내지 0.75 중량%, 0.01 내지 0.5 중량%, 또는 0.1 내지 0.5 중량% 의 양으로 존재한다.
섬유 집합체
전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 섬유 집합체가 또한 제공된다. 특정 실시형태에서, 섬유 집합체는 니들링 및/또는 스티칭 등에 의해 치밀화될 수 있다. 섬유 집합체는 다음의 제품 형태를 포함할 수 있다: 매트, 담요, 보드, 종이, 펠트, 그물형 제품 (예컨대, 섬유 슬러리를 진공 형성하여 형성된 제품), 또는 직물.
도 1a 내지 도 1h 는 본원에 기술된 조성물로부터 형성될 수 있는 섬유 집합체의 다양한 기하학적 형상을 도시한다. 섬유 집합체는 에어-레이잉 (air-laying), 습식-레이잉 (예컨대, 제지 (paper-making) 유형 공정) 또는 진공 성형과 같은 임의의 공지된 방법을 통해 형성될 수 있다.
복합 재료
전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 복합 재료, 및 활성화된 섬유 조성물을 적어도 부분적으로 지지하는 지지 매트릭스 (support matrix) 가 또한 제공된다. 지지 매트릭스는 여기에 설명된 것과 유사한 제품 형태로 사용되는 공지된 재료를 포함할 수 있다.
예를 들어, 무기 산화물 촉매 지지 재료는 제올라이트, 알루미나, 지르코니아, 실리카 또는 티타니아의 루스 분말을 콤팩트화함으로써 제조될 수 있으며, 소량의 양립 가능한 무기 바인더를 포함할 수 있다. 이러한 지지 재료의 다공성 및 촉매 운반 능력은 적어도 부분적으로, 루스 분말의 다공성 및 콤팩트화된 구조에서 루스 분말들 사이의 공간에 의해 제어된다. 전술한 조성물은 지지 재료의 촉매 운반 능력을 지지하거나 개선하면서 지지 재료의 물리적 특성 (기계적 강도 등) 을 개선하기 위해 이러한 지지 재료에 혼입될 수 있다.
특정 실시형태에서, 복합 재료는 무기 산화물 지지 매트릭스 및 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물을 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 무기 산화물 지지 매트릭스 및 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물은 다양한 성분의 유사하거나 상이한 화학 조성물로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 반복되는 열 팽창 및 수축 사이클 동안 복합 재료에 대한 손상 기회를 감소시키도록 재료들의 유사한 열 팽창을 갖기 위해, 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물에 존재하는 무기 섬유와 유사한 화학 조성을 갖는 무기 산화물 지지 매트릭스를 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 복합 재료는 또한 복합 재료의 물리적/화학적 특성을 개선하기 위해 바인더 및/또는 기타 첨가제를 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 복합 재료는 복합 재료의 총 중량을 기준으로, 99.9 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 0.1 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 99.5 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 0.5 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 99 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 1 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 98 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 2 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 97 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 3 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 96 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 4 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 95 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 5 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 90 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 10 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 85 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 15 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 80 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 20 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 70 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 30 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 60 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 40 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 50 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 50 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 40 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 60 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 30 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 70 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 20 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 80 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 15 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 85 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 10 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 90 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 5 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 95 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 4 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 96 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 3 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 97 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 2 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 98 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 1 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 99 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 0.5 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 99.5 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물, 또는 0.1 중량% 이하의 무기 산화물 지지 매트릭스 및 99.9 중량% 초과의 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물을 포함할 수 있다.
필터 엘리먼트
전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 필터 엘리먼트가 또한 제공된다. 특정 실시형태에서, 필터 엘리먼트는 배기 가스 스트림으로부터 바람직하지 않은 재료를 제거 및/또는 변경하는 기능할 수 있다. 특정 실시형태에서, 필터 엘리먼트는 주로 배기 가스 스트림으로부터 바람직하지 않은 입자 재료를 제거하는 기능을 할 수 있지만, 또한 배기 스트림에서 바람직하지 않은 가스를 흡착하고/하거나 화학적으로 변경하는 기능을 할 수 있다. 전술한 바와 같이, 본원에 개시된 필터 엘리먼트는 세라믹 허니콤 필터 엘리먼트와 같은 종래의 필터 엘리먼트를 대체할 수 있다. 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 본원에 개시된 필터 엘리먼트는 종래의 필터 엘리먼트와 비교하여 다음의 이점 중 하나 이상을 가질 수 있다: 감소된 비용; 감소된 크기; 감소된 무게; 낮은 배압 생성; 증가된 여과 성능; 더 적은 온도 규제; 더 적은 위치 규제; 및 증가된 촉매 효율.
예를 들어, 촉매 변환기, 디젤 미립자 필터 또는 촉매 디젤 미립자 필터와 같은 배기 가스 처리 장치는 전형적으로 환경으로 배출되는 오염 물질의 양을 줄이기 위해 자동차의 배기 시스템에 포함된다. 오늘날 사용되는 배기 가스 처리 장치는 일단 라이트오프 온도에 도달하면 만족스럽게 작동하지만, 라이트오프 기간 동안 오염 문제가 존재한다. 예를 들어, 배기 가스 처리 장치를 포함하는 자동차 배기 시스템에서 환경으로 배출되는 대부분의 오염 물질이 라이트오프 기간 동안 배출되는 것으로 확인되었다.
여기에서 사용되는 라이트오프 온도는, 배기 가스 스트림이 배기 가스 처리 장치에서 나올 때 현지 규정 및/또는 산업 관례를 준수하도록 배기 가스 처리 장치가 배기 가스 스트림을 처리할 수 있는 온도이다. 라이트오프 기간은 배기 가스 처리 장치가 그의 라이트오프 온도에 도달하는 데 필요한 시간이다.
필터 엘리먼트가 고온을 견딜 수 있기 때문에 배기 가스 소스에 더 가깝게 배치될 수 있다면, 필터 엘리먼트는 배기 가스에 의해 더 빨리 가열되어, 필터 엘리먼트의 라이트오프 기간을 줄일 것이다.
본원에 설명된 필터 엘리먼트는 필터 엘리먼트의 밀도, 필터 엘리먼트에서의 무기 섬유의 배향, 및/또는 필터 엘리먼트의 유연성을 변경함으로써 원하는 배압 생성, 엘리먼트를 통한 가스 유동, 및/또는 여과 성능을 제공하도록 또한 맞춤화될 수 있다. 예를 들어, 배압 생성은 도 12a 및 도 12b 에 각각 도시된 400 cpsi 및 900 cpsi 세라믹 허니콤 필터와 같은 종래의 필터 엘리먼트에 대해 관찰된 범위 내에서 조정될 수 있다. 2 인치 직경의 파이프에서 측정된 이러한 400 cpsi 및 900 cpsi 세라믹 허니콤 필터의 전형적인 배압 생성이 도 13 에 도시되어 있다.
특정 실시형태에서, 필터 엘리먼트는 외부 지지 구조체를 포함할 수 있다. 외부 지지 구조체는 금속 메쉬 또는 세라믹 메쉬와 같은 메쉬를 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 필터 엘리먼트는 필터 엘리먼트 내에 제공된 금속 와이어를 포함할 수 있으며, 이는 열 전달을 증가시키고 라이트오프 기간을 더욱 감소시킬 수 있다.
특정 실시형태에서, 필터 엘리먼트는 필터 엘리먼트의 외부 표면의 일부에 적용된 바인더를 추가로 포함할 수 있다. 바인더는 유기 바인더 및/또는 무기 바인더를 포함할 수 있다. 유기 바인더는 중합체 에멀젼, 용매계 중합체, 무용매 중합체, 전분, 유기 바인더 섬유 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 중합체 에멀젼은 라텍스, 천연 고무 라텍스, 스티렌-부타디엔 라텍스, 부타디엔-아크릴로니트릴 라텍스, 아크릴레이트/메타크릴레이트 중합체/공중합체의 라텍스, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 용매계 중합체는 아크릴, 폴리우레탄, 비닐 아세테이트, 셀룰로오스, 고무계 유기 중합체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 무용매 중합체는 천연 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 엘라스토머, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 전분은 감자 전분, 옥수수 전분, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 유기 바인더 섬유는 VA 섬유, 미소섬유상 셀룰로오스 섬유, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
무기 바인더는 실리카, 알루미나, 티타니아, 아연, 마그네시아, 지르코니아 또는 이들의 조합을 포함하는 콜로이드성 무기 산화물 분산물을 포함할 수 있다.
필터 시스템
전술한 임의의 실시형태에 따른 복수의 필터 엘리먼트를 포함하는 필터 시스템이 또한 제공된다. 특정 실시형태에서, 복수의 필터 엘리먼트 중 적어도 둘은 다음의 방식 중 적어도 하나에서 서로 상이할 수 있다: (a) 각 필터 엘리먼트에 존재하는 무기 섬유의 다공성; (b) 각 필터 엘리먼트에 존재하는 무기 섬유의 섬유 직경; (c) 각 필터 엘리먼트에 존재하는 무기 섬유의 섬유 길이; (d) 각 필터 엘리먼트에 존재하는 무기 섬유의 섬유 조성; (e) 각 필터 엘리먼트에 존재하는 활성제의 유형; (f) 각 필터 엘리먼트의 열전달 계수; 또는 (g) 각 필터 엘리먼트의 온도 저항.
특정 실시형태에서, 필터 시스템은 배기 가스 소스에 근접하게 위치된 제 1 필터 엘리먼트 및 제 1 필터 엘리먼트로부터 하류에 위치된 제 2 필터 엘리먼트를 포함할 수 있으며, 제 1 필터 엘리먼트 및 제 2 필터 엘리먼트는 배기 가스 스트림에서 바람직하지 않은 재료를 제거 및/또는 변경하는 상이한 기능을 수행한다. 예를 들어, 특정 실시형태에서, 필터 시스템은, 보다 복잡한 유기 가스를 이산화탄소 또는 일산화탄소로 환원시키도록 의도된 촉매 활성제를 포함하며 배기 가스 소스에 근접하게 위치된 제 1 필터 엘리먼트, 및 환원 반응이 완료된 후 이산화탄소 및/또는 일산화탄소를 흡착하도록 의도된 활성제를 포함하며 제 1 필터 엘리먼트로부터 하류에 위치된 제 2 필터 엘리먼트를 포함할 수 있다.
촉매 엘리먼트
전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 촉매 엘리먼트가 또한 제공된다. 촉매 엘리먼트는 위에서 설명되고 논의된 필터 엘리먼트와 적어도 동일한 이점을 제공할 것으로 예상된다. 위에서 개시된 필터 엘리먼트가 또한 촉매 기능을 제공할 수 있기 때문에, 여기에 개시된 필터 엘리먼트 및 촉매 엘리먼트는 많은 중복되는 용도 및 기능을 가질 수 있고, 따라서 유사한 이점을 제공할 것이다.
특정 실시형태에서, 촉매 엘리먼트는 외부 지지 구조체를 포함할 수 있다. 외부 지지 구조체는 금속 메쉬 및/또는 세라믹 메쉬와 같은 메쉬를 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 촉매 엘리먼트는 촉매 엘리먼트 내에 제공된 금속 와이어를 추가로 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 촉매 엘리먼트는 촉매 엘리먼트의 외부 표면의 일부에 적용된 바인더를 추가로 포함할 수 있다. 바인더는 유기 바인더 및/또는 무기 바인더를 포함할 수 있다. 유기 바인더는 중합체 에멀젼, 용매계 중합체, 무용매 중합체, 전분, 유기 바인더 섬유 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 중합체 에멀젼은 라텍스, 천연 고무 라텍스, 스티렌-부타디엔 라텍스, 부타디엔-아크릴로니트릴 라텍스, 아크릴레이트/메타크릴레이트 중합체/공중합체의 라텍스, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 용매계 중합체는 아크릴, 폴리우레탄, 비닐 아세테이트, 셀룰로오스, 고무계 유기 중합체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 무용매 중합체는 천연 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 엘라스토머, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 전분은 감자 전분, 옥수수 전분, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 유기 바인더 섬유는 PVA 섬유, 미소섬유상 셀룰로오스 섬유, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
무기 바인더는 실리카, 알루미나, 티타니아, 아연, 마그네시아, 지르코니아 또는 이들의 혼합물을 포함하는 콜로이드성 무기 산화물 분산물을 포함할 수 있다.
배기 시스템의 구성요소 및 배기 시스템
전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 내부 라이닝을 포함하는 배기 도관이 또한 제공된다. 특정 실시형태에서, 배기 도관은 외부 도관 및 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 내부 라이닝을 포함할 수 있다.
도관의 내부 공간의 실질적으로 전부를 채우는 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 배기 도관이 또한 제공된다.
도 2 는 본원에 설명되는 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 도관의 일 실시형태를 보여준다. 도 2 을 참조하면, 활성화된 섬유 조성물 (10) 을 포함하는 필터 엘리먼트 (1) 가 도시되어 있다. 활성화된 섬유 조성물 (10) 은 배기 스트림을 대면하는 제 1 투과성 지지체 (11) 및 제 1 투과성 지지체 반대편의 제 2 투과성 지지체 (12) 에 둘러싸일 수 있다. 제 1 및 제 2 투과성 지지체 (11, 12) 는 가스가 활성화된 섬유 조성물 (10) 과 접촉할 수 있도록 가스의 통과를 허용한다. 일부 실시형태에서, 제 1 및 제 2 투과성 지지체 (11, 12) 는 금속 메쉬 또는 중합체 메쉬와 같은 메쉬로 제조될 수 있다. 둘러싸인 활성화된 섬유 조성물 (10) 은 예를 들어 시일 (20) 에 의해 도관 (30) 내에 고정될 수 있다. 시일 (20) 은 임의의 적절한 형상 및 크기일 수 있고, 일부 실시형태에서 예를 들어 개스킷 또는 용접부일 수 있다. 도 2 에서, 처리될 가스가 우측에서 좌측으로 필터 엘리먼트 (1) 를 향해 유동한다. 필터 엘리먼트 (1) 의 전방 단부가 활성화된 섬유 조성물 (10) 보다 덜 투과성인 캡 (15) 을 포함하므로, 가스는 활성화된 섬유 조성물 (10) 을 통해 유동하게 된다. 그리고, 처리된 가스는 도관 (30) 을 통해 좌측으로 계속 유동한다.
도 3 을 참조하면, 필터 엘리먼트의 하류 단부 (2) 는 대안적으로, 패킹된 (packed) 단부 (16) 의 투과성이 활성화된 섬유 조성물 (10) 의 투과성보다 작도록 패킹된 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 패킹된 단부 (16) 를 포함할 수 있다. 패킹된 단부 (16) 는 패킹된 단부 (16) 를 제자리에 유지하기 위해 제 3 및 제 4 투과성 지지체 (13, 14) 를 포함할 수 있다. 지지체 (13, 14) 는 지지체 (11, 12) 와 동일하거나 유사할 수 있고, 그와 일체로 형성될 수 있다.
도 4 는 활성화된 섬유 조성물이 도관 (30) 의 전체 단면에 걸쳐 있기 때문에 유입 가스 (우측에서 좌측으로) 가 활성화된 섬유 조성물 (10) 을 통해 흐르게 강제되는 대안적인 필터 엘리먼트 (1) 를 묘사한다. 활성화된 섬유 조성물 (10) 의 두 층이 도시되어 있지만, 임의의 수의 층이 사용될 수 있다. 제 1 및 제 2 투과성 지지체 (11, 12) 는 전술한 것과 동일할 수 있다. 일부 실시형태에서, 활성화된 섬유 조성물 (10) 은 수직이 아닌 각도로, 예를 들어 도 5 에 도시된 것처럼 도관 (30) 내에 배치될 수 있다. 도 4 및 도 5 에 도시된 실시형태들에서, 활성화된 섬유 조성물 (10) 의 형태는 도관 (30) 의 단면 형태에 적절하게 맞춰질 수 있다. 또한, 도 4 및 도 5 의 실시형태들에서. 시일 (20) 은 예를 들어 개스킷, 용접부, 접착제, 또는 임의의 다른 고정 메커니즘과 같은 임의의 적절한 형태일 수 있다. 일부 실시형태에서, 시일은 포함되지 않고, 활성화된 섬유 조성물 (10) 은 압입에 의해 또는 도관 (30) 의 외부로부터 활성화된 섬유 조성물 (10) 에 삽입된 나사, 못 또는 핀에 의해 제자리에 고정된다.
도 6 은 도관 (30) 내에 활성화된 섬유 조성물 (10) 을 고정하는 대안적인 방식을 도시한다. 도 6 에서, 활성화된 섬유 조성물 (10) 은 제 1 투과성 지지체 (11) 와 제 2 투과성 지지체 (12) 사이에 위치되고, 둘러싸인 활성화된 섬유 조성물은 밀봉부들 (21) 사이에 위치되고, 이는 도관 (30) 의 개별 부분에 연결된다. 밀봉부들 (21) 은 임의의 적절한 수단에 의해 서로 연결될 수 있고, 이에 의해 둘러싸인 활성화된 섬유 조성물을 고정할 수 있다.
도 7 을 참조하면, 도관은 입구 (231) 및 출구 (233) 에 연결된 드럼 (230) 을 포함할 수 있다. 활성화된 섬유 조성물 (210) 은 그의 각 측에서 제 1 투과성 지지체 (211) 및 제 2 투과성 지지체 (212) 에 의해 지지될 수 있다. 도 7 에서, 활성화된 섬유 조성물 (10) 이 캡 (215) 에 의해 일 단부가 덮여 있는 드럼 (230) 의 전체 길이에 걸쳐 있기 때문에, 폐가스는 활성화된 섬유 조성물 (210) 을 통과하게 강제된다.
도 8 에 도시된 다른 실시형태에서. 사이클론 스타일 반응기가 사용될 수 있다. 구체적으로, 도 8 에서, 폐가스는 입구 (331) 를 통해, 상부 드럼 (330B) 보다 작은 직경을 갖는 하부 드럼 (330A) 내로 공급될 수 있다. 하부 드럼 (330A) 에서, 활성화된 섬유 (310A) 의 유동층이 폐가스와 상호 작용한다. 상부 드럼 (330B) 에서, 느슨한 활성화된 섬유 (310B) 가 드문드문 존재한다. 작동 동안, 폐가스는 하부 드럼 (330A) 으로부터 상부 드럼 (330B) 으로 이동하여, 활성화된 섬유 (330A, 330B) 에 의해 처리되고, 처리된 가스는 출구 (332) 를 통해 반응기 밖으로 흐른다.
도 9 는 도관 (130) 이 활성화된 섬유 조성물 (110) 로 코팅되어 있는 일 실시형태를 보여준다. 도 9 에서, 도관의 내부 표면 (130A) 은 활성화된 섬유 조성물의 외부 표면 (110A) 과 접촉하고 있다. 추가로, 활성화된 섬유 조성물의 내부 표면 (110B) 은 활성화된 섬유 조성물 (110) 을 고정하기 위해 투과성 지지체 (111) 를 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 배기 도관은 유체와 구조체 사이의 접촉을 증가시켜 활성제의 활성을 증가시키기 위해 통과하는 유체의 유동 경로를 방해하는 내부 구조체를 포함할 수 있으며, 내부 구조체는 본원에 기술된 활성화된 섬유 조성물을 포함한다. 특정 실시형태에서, 내부 구조체는 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 나선형 구조를 포함할 수 있다. 도 10 은 내부에 배치된 배플 (40) 을 갖는 도관 (30) 을 묘사한다. 배플 (40) 은 활성화된 섬유 조성물로 형성될 수 있고, 예컨대 활성화된 섬유지로 형성될 수 있다. 도 11 은 도관을 통해 길이방향으로 진행되는 본원에 기술된 나선형-배향 활성화된 섬유 조성물 (50) 을 갖는 도관 (30) 을 묘사한다.
또한, 전술한 임의의 실시형태에 따른 필터 엘리먼트 및/또는 촉매 엘리먼트를 포함하는 배기 가스 처리 장치가 제공된다. 예를 들어, 자동차 엔진의 배기 가스를 처리하는 배기 가스 처리 장치는 배기 가스에 존재하는 질소 산화물의 환원 및 일산화탄소와 탄화수소의 산화에 영향을 미치기 위해 사용된다.
자동차 촉매 변환기는 외부 금속 하우징 및 장착 매트에 의해 외부 금속 하우징 내에 유지되는 부서지기 쉬운 촉매 지지 구조체를 포함할 수 있다. 장착 매트는 외부 금속 하우징의 내부 표면과 부서지기 쉬운 촉매 지지 구조체의 외부 표면 사이에 위치된다. 부서지기 쉬운 촉매 지지 구조체는 당업계에서 흔히 "모노리스" 로 지칭된다. 모노리스는 세라믹 또는 금속 재료로 제조될 수 있다. 장착 매트는 촉매 변환기의 작동 동안에 부서지기 쉬운 촉매 지지 구조체를 적절한 위치에 유지하기에 충분한 단열 및 유지 압력을 제공한다.
디젤 연료를 사용하는 자동차에 디젤 미립자 트랩이 사용될 수 있다. 디젤 미립자 트랩은 일반적으로 외부 금속 하우징 및 장착 매트에 의해 외부 금속 하우징 내에 유지되는 부서지기 쉬운 미립자 필터 구조체를 포함한다. 장착 매트는 하우징의 내부 표면과 미립자 필터의 외부 표면 사이에 위치된다. 촉매 변환기처럼, 매트는 디젤 미립자 필터의 작동 동안 외부 금속 하우징 내의 적절한 위치에 미립자 필터를 유지하기 위한 단열 및 유지 압력을 제공한다.
위에서 언급한 바와 같이, 촉매 변환기 및 디젤 미립자 필터의 촉매 지지 구조체는 종종 매우 부서지기 쉽다. 실제로, 이 구조체는 심지어 작은 응력이 금가게 하거나 파쇄하기에 충분할 정도로 매우 부서지기 쉬울 수 있다. 열 및 기계적 충격과 위에서 언급한 기타 응력으로부터 부서지기 쉬운 구조체를 보호하기 위해 그리고 단열 및 가스 시일을 제공하고 부서지기 쉬운 구조체를 하우징 내의 제자리에 유지하기 위해, 부서지기 쉬운 구조체와 하우징 사이의 간극 내에 장착 또는 지지 재료의 적어도 한 겹 또는 층을 위치시키는 것이 알려져 있다. 따라서, 자동차 배기 가스 처리 장치의 부서지기 쉬운 촉매 지지 구조체 또는 미립자 필터와 외부 하우징 사이에 위치되는 장착 매트는 고온 저항성을 나타낼 수 있으며, 장치의 작동 동안 촉매 지지 구조체 또는 미립자 필터를 적절한 위치에 유지하기 위해 필요한 유지 압력을 발휘할 수 있다.
배기 가스 처리 장치는 부서지기 쉬운 촉매 지지 구조체 또는 디젤 미립자 필터의 주변의 적어도 일부 주위에 장착 매트를 감싸고 감싸진 구조체를 하우징 내에 위치시킴으로써 조립된다. 촉매 지지 구조체 또는 디젤 미립자 필터를 감싸는 동안, 장착 매트는 부서지기 쉬운 촉매 지지 구조체 주위에 구부러져야 한다. 장착 매트에 인장 응력이 가해져, 장착 매트의 균열 또는 인열이 초래될 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 부서지기 쉬운 구조체를 감싸는 데 무거운 기초 중량 (basis weight) 장착 매트가 사용되는 때 또는 타원형 구조체와 같이 랩이 대략 타이트한 반경인 때 문제가 악화된다.
따라서, 배기 가스 처리 장치는 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물로 제조된 장착 매트를 사용함으로써 또는 전체 부서지기 쉬운 구조체-장착 매트 조립체를 본원에 설명된 필터 엘리먼트/촉매 엘리먼트로 대체함으로써 개선될 수 있다. 종래의 장착 매트를 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 장착 매트로 교체함으로써 장착 매트는 배기 가스 처리 장치의 촉매 활성을 도울 수 있다. 전체 부서지기 쉬운 구조체-장착 매트 조립체를 본원에 기술된 바와 같은 필터 엘리먼트/촉매 엘리먼트로 대체함으로써, 배기 가스 처리 장치는 더 튼튼하게 제조될 수 있고, 제조가 더 용이할 수 있고, 더 짧은 라이트오프 기간이 가능할 수 있고, 그리고/또는 촉매 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 전술한 임의의 실시형태에 따른 하나 이상의 필터 엘리먼트 및/또는 하나 이상의 촉매 엘리먼트를 포함하는 배기 시스템이 제공된다. 특정 실시형태에서, 배기 시스템은 다음 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 전술한 임의의 실시형태에 따른 필터 엘리먼트; 전술한 임의의 실시형태에 따른 촉매 엘리먼트; 전술한 임의의 실시형태에 따른 배기 가스 처리 장치; 전술한 임의의 실시형태에 따른 배기 도관, 또는 이들의 임의의 조합. 자동차용 머플러와 같은 임의의 배기 시스템은 본원에 설명된 바와 같은 하나 이상의 제품 형태를 포함할 수 있다.
또한, 배기를 생성하는 내연 기관 및 전술한 임의의 실시형태에 따른 배기 시스템을 포함하는 장치가 제공된다. 이 장치는 내연 기관으로부터 배기 시스템으로 배기를 전달하는 도관을 추가로 포함할 수 있으며, 배기 시스템은 내연 기관으로부터 하류에 있다. 배기 시스템은 적어도 하나의 필터 엘리먼트 및 적어도 하나의 촉매 엘리먼트를 포함할 수 있다. 필터 엘리먼트는 촉매 엘리먼트의 하류에 있을 수 있거나, 또는 촉매 엘리먼트는 필터 엘리먼트의 하류에 있을 수 있다. 필터 엘리먼트 및 촉매 엘리먼트는 전술한 실시형태에 따른 도관을 통해 연결될 수 있다.
본원에 설명된 배기 시스템이 외부 환경으로 배기되기 시작하기 전에 처리될 필요가 있을 수 있는 배기 가스를 생성하는 임의의 공정으로부터의 배기 가스를 처리하는 데 사용될 수 있다는 것을 또한 이해하여야 한다. 예를 들어, 화석 연료 또는 기타 연료로부터의 에너지 생산과 같은 많은 산업 공정은 본원에 설명된 배기 시스템들 또는 개별 배기 시스템의 포함으로부터 이점을 얻을 수 있는 복잡한 배기 가스 처리 시스템을 필요로 한다. 본원에 개시된 장치는 그러한 복잡한 산업 배기 시스템의 단일 엘리먼트, 그러한 시스템의 다중 엘리먼트, 또는 전체 시스템을 대체할 수 있다.
차량
전술한 장치를 포함하고/하거나 전술한 배기 시스템을 포함하는 차량이 또한 제공된다. 많은 관할권은 차량이 배기 가스 배출 규정을 준수할 것을 요구한다. 본원에 설명된 활성화된 섬유 조성물 및 제품 형태는 이러한 훨씬 더 엄격한 규제 요건을 준수하기 위한 더 효율적이면서 비용이 덜 드는 해법을 제공할 수 있다.
다양한 제품 형태
전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 촉매 지지 재료가 또한 제공된다. 촉매 지지 재료는 수소를 생산하기 위한 증기-메탄 개질과 같은 촉매 공정을 통한 화학 물질 생산에 흔히 사용된다. 전술한 실시형태의 활성화된 섬유 조성물은 촉매 지지 재료에 사용되는 때 더 높은 온도 안정성, 증가된 이용 가능한 활성 부피, 더 낮은 생성물 밀도 및/또는 활성 공간을 통한 증가된 거리와 같은 이점을 제공할 수 있다. 촉매 지지 재료는 다음의 반응기 형태로 제공될 수 있다: 충전층, 고정층, 유동층, 활성화된 필터 구조체, 활성화된 페이퍼, 활성화된 플루트 페이퍼, 슬러리 층 및 트리클 층.
또한, 전술한 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 페이퍼가 제공된다. 또한, 페이퍼를 포함하는 양성자 교환막 ("PEM") 연료 전지가 제공된다. PEM 연료 전지에 사용되는 경우, 본원에 기술된 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 페이퍼는 활성 부피를 최대화하고/하거나 촉매 엘리먼트 (상당히 비쌀 수 있음) 의 더 나은 이용을 제공하기 위해 얇은, 촉매 코팅된 페이퍼를 제공할 수 있다.
본원에 설명된 실시형태는 단지 예시적인 것이며, 당업자가 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변형 및 수정을 행할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러한 모든 변형 및 수정이 전술한 바와 같은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 의도된다. 또한, 본 발명의 다양한 실시형태들이 원하는 결과를 제공하기 위해 조합될 수 있으므로, 개시된 모든 실시형태들이 반드시 택일적이지 않다.
본 주제의 이하의 실시형태가 개시된다:
다음을 포함하는 활성화된 섬유 조성물: (a) (i) 적어도 5 ㎡/g 의 표면적; (ii) 적어도 5 부피% 의 다공성; 또는 (iii) 적어도 0.005 mL/g 의 기공 부피 중 적어도 하나를 갖는 무기 섬유, 및 (b) 무기 섬유의 적어도 일부에 혼입 및/또는 적용된 활성제.
무기 섬유는 (i) 적어도 15 ㎡/g 의 표면적; (ii) 적어도 10 부피% 의 다공성; 또는 (iii) 적어도 0.01 mL/g 의 기공 부피 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 무기 섬유는 (i) 적어도 30 ㎡/g 의 표면적; (ii) 적어도 15 부피% 의 다공성; 또는 (iii) 적어도 0.03 mL/g 의 기공 부피 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 무기 섬유는 (i) 적어도 45 ㎡/g 의 표면적; (ii) 적어도 20 부피% 의 다공성; 또는 (iii) 적어도 0.05 mL/g 의 기공 부피 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 무기 섬유는 (i) 적어도 60 ㎡/g 의 표면적; (ii) 적어도 25 부피% 의 다공성; 또는 (iii) 적어도 0.07 mL/g 의 기공 부피 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 무기 섬유는 (i) 적어도 75 ㎡/g 의 표면적; (ii) 적어도 30 부피% 의 다공성; 또는 (iii) 적어도 0.09 mL/g 의 기공 부피 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 무기 섬유는 (i) 적어도 90 ㎡/g 의 표면적; (ii) 적어도 35 부피% 의 다공성; 또는 (iii) 적어도 0.1 mL/g 의 기공 부피 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 무기 섬유는 (i) 5 내지 220 ㎡/g 의 표면적; (ii) 5 내지 60 부피% 의 다공성; 또는 (iii) 적어도 0.005 내지 0.25 mL/g 의 기공 부피 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 무기 섬유는 (i) 90 내지 220 ㎡/g 의 표면적; (ii) 35 내지 60 부피% 의 다공성; 또는 (iii) 적어도 0.1 내지 0.25 mL/g 의 기공 부피 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
무기 섬유는 적어도 5 ㎡/g 의 표면적, 적어도 15 ㎡/g 의 표면적, 적어도 30 ㎡/g 의 표면적, 적어도 45 ㎡/g 의 표면적, 적어도 60 ㎡/g 의 표면적, 적어도 75 ㎡/g 의 표면적, 적어도 90 ㎡/g 의 표면적, 및/또는 최대 220 ㎡/g 의 표면적을 가질 수 있다.
무기 섬유는 적어도 5 부피%, 적어도 10 부피%, 적어도 15 부피%, 적어도 20 부피%, 적어도 25 부피%, 적어도 30 부피%, 적어도 35 부피%, 및/또는 최대 60 부피% 의 다공성을 가질 수 있다.
무기 섬유는 적어도 0.005 mL/g, 적어도 0.01 mL/g, 적어도 0.03 mL/g, 적어도 0.05 mL/g, 적어도 0.07 mL/g, 적어도 0.09 mL/g, 적어도 0.1 mL/g, 및/또는 최대 0.25 mL/g 의 기공 부피를 가질 수 있다.
무기 섬유는 20 내지 300 Å 의 평균 기공 반경을 가질 수 있다. 무기 섬유는 10 내지 200 Å 의 기공 직경 분포를 가질 수 있다. 무기 섬유는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로 20 내지 100 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다. 무기 섬유는 제 1 무기 섬유 및 제 2 무기 섬유를 포함할 수 있고, 제 1 무기 섬유는 제 2 무기 섬유의 다공성과 상이한 다공성을 가질 수 있고, 그리고/또는 제 1 무기 섬유는 제 2 무기 섬유의 평균 섬유 직경과 상이한 평균 섬유 직경을 가질 수 있고, 그리고/또는 제 1 무기 섬유는 제 2 무기 섬유의 평균 섬유 길이와 상이한 평균 섬유 길이를 가질 수 있고, 그리고/또는 제 1 무기 섬유는 제 2 무기 섬유의 조성과 상이한 조성을 가질 수 있다.
무기 섬유는 0.25 내지 20 ㎛ 의 중앙 섬유 직경을 가질 수 있고, 중앙 섬유 직경의 표준 편차는 2 ㎛ 이하 또는 1 ㎛ 이하일 수 있다.
무기 섬유는 500℃ 이상, 또는 1,000℃ 이하의 온도를 견딜 수 있다. 무기 섬유는 무기 산화물 섬유, 세라믹 섬유, 내화성 세라믹 섬유, 다결정 울 섬유, 알루미나 섬유, 고 알루미나 섬유, 유리 섬유, 실리카 섬유, 베마이트 섬유, 저-생체 지속성 섬유, 알칼리 토류 실리케이트 섬유, 칼시아-알루미나 섬유, 지르코니아 섬유, 티타니아 섬유 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
무기 섬유는 45 내지 75 중량% 알루미나 및 25 내지 55 중량% 실리카의 섬유화 생성물을 함유하는 내화성 세라믹 섬유를 포함할 수 있다. 무기 섬유는 60 내지 90 중량% 실리카, 0 초과 내지 35 중량% 마그네시아 및 5 중량% 이하의 불순물의 섬유화 생성물을 함유하는 알칼리 토류 실리케이트 섬유를 포함할 수 있다. 무기 섬유는 45 내지 90 중량% 실리카, 0 초과 내지 45 중량% 칼시아, 0 초과 내지 35 중량% 마그네시아, 및 10 중량% 이하의 불순물의 섬유화 생성물을 함유하는 알칼리 토류 실리케이트 섬유를 포함할 수 있다. 무기 섬유는 칼시아 및 실리카의 섬유화 생성물을 함유하는 알칼리 토류 실리케이트 섬유를 포함할 수 있다. 무기 섬유는 20 내지 80 중량% 칼시아 및 20 내지 80 중량% 알루미나를 함유하는 칼시아-알루미나 섬유를 포함할 수 있다. 무기 섬유는 90 중량% 이상의 실리카를 함유하는 실리카 섬유를 포함할 수 있다. 무기 섬유는 90 중량% 이상의 알루미나를 함유하는 알루미나 섬유를 포함할 수 있다. 무기 섬유는 95 내지 97 중량% 알루미나 및 3 내지 5 중량% 실리카의 섬유화 생성물을 함유하는 다결정 울 섬유를 포함할 수 있다.
활성제는 촉매 활성제, 가스 포획제 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 촉매 활성제는 원소 및/또는 화합물 형태의 백금, 루비듐, 안티몬, 구리, 은, 팔라듐, 루테늄, 비스무트, 아연, 니켈, 코발트, 크롬, 세륨, 티타늄, 철, 바나듐, 금 및/또는 망간을 포함할 수 있고, 촉매 활성제가 화합물 형태인 경우, 화합물은 이 원소들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 가스 포획제는 이산화탄소 포획제, 질소 산화물 (NOx) 포획제, 및/또는 미량 금속용 흡착제를 포함할 수 있다. 이산화탄소 포획제는 칼슘 산화물을 포함할 수 있다. 질소 산화물 (NOx) 포획제는 바륨 함유 화합물을 포함할 수 있다. 활성제는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로 0 초과 내지 50 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
활성화된 섬유 조성물은 2차 무기 섬유를 더 포함할 수 있다. 2차 무기 섬유는 (i) 4 ㎡/g 미만의 표면적; (ii) 4 부피% 미만의 다공성; 또는 (iii) 0.004 mL/g 미만의 기공 부피 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 2차 무기 섬유는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로 1 내지 80 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
활성화된 섬유 조성물은 유기 섬유, 금속 섬유 및/또는 탄소 섬유를 더 포함할 수 있고, 바인더를 더 포함할 수 있다. 바인더는 유기 바인더 및/또는 무기 바인더를 포함할 수 있다. 유기 바인더는 중합체 에멀젼, 용매계 중합체, 무용매 중합체, 전분, 유기 바인더 섬유 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 중합체 에멀젼은 라텍스, 천연 고무 라텍스, 스티렌-부타디엔 라텍스, 부타디엔-아크릴로니트릴 라텍스, 아크릴레이트/메타크릴레이트 중합체/공중합체의 라텍스, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 용매계 중합체는 아크릴, 폴리우레탄, 비닐 아세테이트, 셀룰로오스, 고무계 유기 중합체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 무용매 중합체는 천연 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 엘라스토머, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 전분은 감자 전분, 옥수수 전분, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 유기 바인더 섬유는 폴리비닐 알코올 섬유 및/또는 미소섬유상 셀룰로오스 섬유를 포함할 수 있다. 무기 바인더는 실리카, 알루미나, 티타니아, 아연, 마그네시아, 지르코니아 또는 이들의 혼합물을 포함하는 콜로이드성 무기 산화물 분산물을 포함할 수 있다. 바인더는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 50 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
활성화된 섬유 조성물은 팽창성 재료를 더 포함할 수 있다. 팽창성 재료는 운모, 비팽창 질석, 이온 교환 질석, 열처리된 질석, 하이드로바이오타이트, 알칼리성 금속 실리케이트, 활석, 점토, 및/또는 팽창성 흑연을 포함할 수 있다. 팽창성 재료는 활성화된 섬유 조성물의 총 중량을 기준으로 1 내지 50 중량% 의 양으로 활성화된 섬유 조성물에 존재할 수 있다.
또한, 위에서 논의된 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 섬유 집합체가 제공된다. 섬유 집합체는 치밀화 및/또는 니들링 및/또는 스티칭될 수 있다.
또한, 위에서 논의된 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물 및 활성화된 섬유 조성물을 적어도 부분적으로 지지하는 지지 매트릭스를 포함하는 복합 재료가 제공된다. 지지 매트릭스는 무기 산화물 재료를 포함할 수 있다.
또한, 위에서 논의된 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 필터 엘리먼트가 제공된다. 필터 엘리먼트는 외부 지지 구조체를 포함할 수 있고, 이는 메쉬를 포함할 수 있다. 메쉬는 금속 메쉬 및/또는 세라믹 메쉬를 포함할 수 있다. 필터 엘리먼트는 또한 필터 엘리먼트 내에 제공된 금속 와이어 및/또는 필터 엘리먼트의 외부 표면의 일부에 적용되는 바인더를 포함할 수 있다. 바인더는 전술한 바와 같을 수 있다.
또한, 복수의 전술한 필터 엘리먼트를 포함하는 필터 시스템이 제공된다. 복수의 필터 엘리먼트 중 둘은 다음의 방식 중 적어도 하나에서 서로 상이할 수 있다: (a) 각 필터 엘리먼트에 존재하는 무기 섬유의 다공성; (b) 각 필터 엘리먼트에 존재하는 무기 섬유의 섬유 직경; (c) 각 필터 엘리먼트에 존재하는 무기 섬유의 섬유 길이; (d) 각 필터 엘리먼트에 존재하는 무기 섬유의 섬유 조성; (e) 각 필터 엘리먼트에 존재하는 활성제의 유형; (f) 각 필터 엘리먼트의 열전달 계수; 또는 (g) 각 필터 엘리먼트의 온도 저항.
또한, 위에서 논의된 임의의 실시형태의 활성화된 섬유 조성물을 포함하는 촉매 엘리먼트가 제공된다. 촉매 엘리먼트는 전술한 것과 같은 외부 지지 구조체를 포함할 수 있고, 그리고/또는 촉매 엘리먼트 내에 제공된 금속 와이어 및/또는 촉매 엘리먼트의 외부 표면의 일부에 적용된 바인더를 포함할 수 있다. 바인더는 전술한 바와 같을 수 있다.
또한, 전술한 하나 이상의 필터 엘리먼트; 및/또는 전술한 하나 이상의 촉매 엘리먼트를 포함하는 배기 시스템이 제공된다.
예:
예 1:
알루미나 섬유의 4 개의 샘플 (등록상표 SAFFIL 로 Unifrax I LLC (Tonawanda, New York, USA) 로부터 입수 가능함, 130 ㎡/g 의 표면적) 을 다양한 양의 백금족 금속함유 촉매 ("PGM") 로 함침시켜서, 활성화된 섬유 샘플을 제공하였다. 구체적으로, 활성화된 섬유 샘플은 0.015 g 의 PGM, 0.022 g 의 PGM, 0.0307 g 의 PGM, 및 0.0462 g 의 PGM 을 가졌다. 2:1 의 Pt:Pd 비율을 얻도록 PtNO3 용액과 PdNO3 용액을 혼함하여 PGM 을 제조하였다.
활성화된 섬유 샘플 각각을, 400 ℃ 의 출구 온도를 갖는 등온로 (isothermal furnace) 로부터의 가스에 노출시켰다. 그 다음, 가스는 배출 농도를 측정하는 보정된 가스 배출 분석기 뱅크에 공급되었다. 이러한 측정으로부터, 활성화된 섬유 샘플 각각에 대해 라이트오프 곡선이 생성되었고, 이는 시간 범위에 걸친 변환 성능을 보여준다. 도 14a 는 일산화탄소의 변환에 대한 라이트오프 곡선을 보여주며, 도 14b 는 휘발성 유기 화합물 ("VOC") 의 변환에 대한 라이트오프 곡선을 보여준다.
예 2:
종래의 세라믹 허니콤 필터, 즉 직경이 각각 2" 인 400 cpsi 필터 및 900 cpsi 필터를, PGM 을 함유하는 슬러리로 워시코팅하였다. 코팅된 허니콤 필터에서 측정된 PGM 함량은 400 cpsi 필터의 경우 0.0477 g 이었고, 900 cpsi 필터의 경우 0.0307 g 이었다. 필터는 예 1 에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 예 1 로부터의 0.022 g PGM 활성화 섬유 샘플 및 0.0462 활성화 섬유 샘플에 대한 라이트오프 곡선과 함께 도 15a 및 도 15b 에 도시되어 있다.
도 15a 및 도 15b 에 도시된 바와 같이. 활성화된 섬유 샘플 각각은 900 cpsi 필터를 능가하였고, 400 cpsi 필터를 크게 능가하였다. 이는 0.022 g PGM 활성화 섬유 샘플이 900 cpsi 필터에서 PGM 양의 72% 미만, 400 cpsi 필터에서 PGM 양의 절반 미만을 함유했음에도 불구하고 관찰된다.
예 3:
알루미나 섬유의 샘플 (등록상표 SAFFIL 로 Unifrax I LLC (Tonawanda, New York, USA) 로부터 입수 가능함, 130 ㎡/g 의 표면적) 을 0.0462 g 의 PGM 으로 함침시켜서, 활성화된 섬유 샘플을 제공하였다. 400 cpsi 필터를, PGM 을 함유하는 슬러리에서 워시코팅하였고, 400 cpsi 필터에서 측정된 PGM 양은 0.0448 g 이었다. 각각의 활성화된 섬유 샘플 및 400 cpsi 필터를 예 1 에서 설명한 방식으로 평가하였다.
그 후, 많은 적용에서 경험되는 가혹한 조건을 시뮬레이션하기 위해, 24 시간 동안 800℃ 에 공기 중에서 가열함으로써 활성화된 섬유 샘플 및 400 cpsi 필터는 가속 시효 (accelerated aging) 를 거쳤다. 이어서, 시효 처리된 샘플을 예 1 에서 설명한 방식으로 평가하였다. 결과를 도 16a 및 도 16b 에 나타낸다. 도 16a 및 도 16b 에 도시된 바와 같이. 시효 처리된 활성화된 섬유 샘플은 400 cpsi 필터에 비해 우수한 내구성을 보여주었다. 실제로, 시효 처리된 활성화된 섬유 샘플은 CO 변환과 VOC 변환 둘 다에서 시효 처리된 400 cpsi 필터와 프레시 400 cpsi 필터 둘 다보다 더 짧은 라이트오프 시간을 가졌다.

Claims (29)

  1. 적어도 5 ㎡/g 의 표면적을 갖는 무기 섬유, 및
    상기 무기 섬유에 혼입된 그리고/또는 상기 무기 섬유의 적어도 일부에 적용된 (applied) 활성제
    를 포함하는 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성제는 전이금속함유 촉매인, 조성물.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 활성제는, 상기 조성물의 총 중량을 기준으로, 0 초과 내지 10 중량% 의 양으로 존재하는, 조성물.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 활성제는, 상기 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.5 내지 5 중량% 의 양으로 존재하는, 조성물.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 활성제는, 상기 조성물의 총 중량을 기준으로, 1 내지 3 중량% 의 양으로 존재하는, 조성물.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 활성제는 백금족 금속함유 촉매를 포함하는, 조성물.
  7. 제 2 항에 있어서,
    이산화탄소 포획제, 질소 산화물 포획제, 또는 납 또는 카드뮴용 흡착제로부터 선택된 적어도 하나의 2차 작용제를 더 포함하고,
    상기 2차 작용제는 상기 무기 섬유에 혼입되거나 상기 무기 섬유의 적어도 일부에 적용되는, 조성물.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 포획제는 탄산바륨, 바륨 산화물, 및 바륨 수산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나이고,
    상기 질소 산화물 포획제는 세륨, 란탄 및 바륨으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나이며,
    상기 납 또는 카드뮴용 흡착제는 알루미노-실리케이트 화합물인, 조성물.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 무기 섬유는 0.5 내지 10 ㎛ 의 중앙 섬유 직경을 갖는, 조성물.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 무기 섬유는 4 내지 10 ㎛ 의 중앙 섬유 직경을 갖고, 상기 무기 섬유의 0.1 중량% 미만은 3 ㎛ 미만의 직경을 갖는, 조성물.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 무기 섬유는 1500℃ 이상의 융점을 갖는, 조성물.
  12. 가스 처리 방법으로서,
    상기 가스를, 적어도 5 ㎡/g 의 표면적을 갖는 무기 섬유 및 상기 무기 섬유에 혼입된 그리고/또는 상기 무기 섬유의 적어도 일부에 적용된 활성제를 포함하는 활성화된 섬유 조성물과 접촉하게 하는 단계
    를 포함하고,
    상기 가스는 일산화탄소, 이산화탄소, 질소 산화물, 황 산화물, 수소 염화물, 수소 불화물, 비소, 붕소, 납, 수은, 미연소 탄화수소 및 휘발성 유기 화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는, 가스 처리 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 활성제는 전이금속함유 촉매인, 가스 처리 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 활성제는, 상기 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.5 내지 5 중량% 의 양으로 존재하는, 가스 처리 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 활성제는 백금족 금속함유 촉매를 포함하는, 가스 처리 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    이산화탄소 포획제, 질소 산화물 포획제, 또는 납 또는 카드뮴용 흡착제로부터 선택된 적어도 하나의 2차 작용제를 더 포함하고,
    상기 2차 작용제는 상기 무기 섬유에 혼입되거나 상기 무기 섬유의 적어도 일부에 적용되는, 가스 처리 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 포획제는 탄산바륨, 바륨 산화물, 및 바륨 수산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나이고,
    상기 질소 산화물 포획제는 세륨, 란탄 및 바륨으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나이며,
    상기 납 또는 카드뮴용 흡착제는 알루미노-실리케이트 화합물인, 가스 처리 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 무기 섬유는 4 내지 10 ㎛ 의 중앙 섬유 직경을 갖고, 상기 무기 섬유의 0.1 중량% 미만은 3 ㎛ 미만의 직경을 갖는, 가스 처리 방법.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 무기 섬유는 1500℃ 이상의 융점을 갖는, 가스 처리 방법.
  20. 적어도 5 ㎡/g 의 표면적을 갖는 무기 섬유 및 상기 무기 섬유에 혼입된 그리고/또는 상기 무기 섬유의 적어도 일부에 적용된 활성제를 포함하는 활성화된 섬유 조성물; 및
    투과성 지지체로서, 상기 활성화된 섬유 조성물이 상기 투과성 지지체 내에 에워싸이고, 상기 투과성 지지체는 그를 통한 유체 전달을 허용하는, 상기 투과성 지지체
    를 포함하는, 방출 제어 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 활성제는 전이금속함유 촉매인, 방출 제어 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 활성제는, 상기 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.5 내지 5 중량% 의 양으로 존재하는, 방출 제어 장치.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 활성제는 백금족 금속함유 촉매를 포함하는, 방출 제어 장치.
  24. 제 21 항에 있어서,
    이산화탄소 포획제, 질소 산화물 포획제, 또는 납 또는 카드뮴용 흡착제로부터 선택된 적어도 하나의 2차 작용제를 더 포함하고,
    상기 2차 작용제는 상기 무기 섬유에 혼입되거나 상기 무기 섬유의 적어도 일부에 적용되는, 방출 제어 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 포획제는 탄산바륨, 바륨 산화물, 및 바륨 수산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나이고,
    상기 질소 산화물 포획제는 세륨, 란탄 및 바륨으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나이며,
    상기 납 또는 카드뮴용 흡착제는 알루미노-실리케이트 화합물인, 방출 제어 장치.
  26. 제 20 항에 있어서,
    상기 무기 섬유는 4 내지 10 ㎛ 의 중앙 섬유 직경을 갖고, 상기 무기 섬유의 0.1 중량% 미만은 3 ㎛ 미만의 직경을 갖는, 방출 제어 장치.
  27. 제 21 항에 있어서,
    상기 무기 섬유는 1500℃ 이상의 융점을 갖는, 방출 제어 장치.
  28. 제 21 항에 있어서,
    상기 투과성 지지체는 메쉬인, 방출 제어 장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 투과성 지지체는 금속 메쉬 또는 중합체 메쉬인, 방출 제어 장치.
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