汚染物質制御デバイス用の多層装着マット
耐高温性の無機繊維と、任意選択で有機バインダと、任意選択で膨張性材料とを含む、排気ガス処理デバイス用の多層装着マット。複数の装着マットプライは、装着マットのｘ−ｙ平面に配向された無機繊維の大部分を含有する。排気ガス処理デバイスハウジングと、ハウジング内に弾性的に装着された脆弱な触媒支持構造と、ハウジングと脆弱な触媒支持構造との間の隙間に設けられた多層装着マットとを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
自動車排気系で使用される触媒コンバータおよびディーゼル微粒子トラップのような排気ガス処理デバイスで使用するためのマットが提供される。このマットは、排気ガス処理デバイスの外側ハウジング内に脆弱構造を装着するための装着マットとして、あるいは排気ガス処理デバイスのエンドコーンにおける断熱材として使用することができる。また、触媒コンバータまたはディーゼル微粒子トラップのような排気ガスの処理のためのデバイスも提供される。このデバイスは、装着マットによって、ハウジング内に装着された脆弱構造を含むことができ、装着マットは、ハウジングと脆弱構造との間の隙間に設けられているか、あるいはエンドコーンセクションにおける断熱材として、そのマットを含んでもよい。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス処理デバイスは、エンジンからの排出物による大気汚染を低減するために、自動車で使用される。広く使用される排気ガス処理デバイスの例として、触媒コンバータ、ディーゼル微粒子トラップ、および他の汚染物質制御デバイスが挙げられる。
【発明の概要】
【０００３】
自動車エンジンの排気ガスを処理するための触媒コンバータは、ハウジングと、一酸化炭素および炭化水素の酸化ならびに窒素酸化物の還元をもたらすために使用される触媒を支持するための脆弱な触媒支持構造と、ハウジング内に脆弱な触媒支持構造を弾性的に支持するために、脆弱な触媒支持構造の外側表面とハウジングの内側表面との間に設けられた装着マットとを含む。
【０００４】
別のタイプの排気ガス処理デバイスは、選択的な触媒還元ユニットであり、選択的な触媒還元ユニットの活性部分は、化学還元および排気流中の望ましくない生成物の除去を促進するために、触媒でコーティングされた脆弱な基質を含む。
【０００５】
別のタイプの排気ガス処理デバイスは、ＮＯxトラップであり、ＮＯxトラップの活性部分は、アルカリ物質またアルカリ土類物質を含む脆弱な触媒担体を含む。トラップは、「吸着」プロセスと「再生」プロセスとが循環する循環様式で動作する。吸着中には、基質は、ＮＯx種を吸入し、ニトレート種として、触媒基質の表面上にＮＯx種を捕捉する。再生中には、ＮＯxトラップに還元物質が導入され、基質からニトレート種を取り除き、還元して窒素にする。
【０００６】
ディーゼルエンジンによって生成された汚染物質を制御するためのディーゼル微粒子トラップは、一般に、ハウジングと、ディーゼルエンジンの排出物から微粒子を収集するための脆弱な微粒子フィルタまたはトラップと、ハウジング内に脆弱なフィルタまたはトラップ構造を弾性的に保持するために、フィルタまたはトラップの外側表面とハウジングの内側表面との間に設けられる装着マットとを含む。
【０００７】
脆弱構造は、一般に、アルミニウム酸化物、二酸化ケイ素、マグネシウム酸化物、ジルコニア、コージライト、炭化ケイ素などのような金属の、または脆いセラミック材料の脆弱な材料から製造されるモノリス構造を含む。これらの材料は、複数のガスフローチャネルをもつ骨組みタイプの構造を提供する。これらのモノリス構造は、非常に脆弱なので、しばしば、小さな衝撃荷重または応力であっても、それらを破損または破砕するのに十分であることがある。上記の熱性の機械的衝撃および他の応力から脆弱構造を保護するために、あるいは断熱性または気密性を提供するために、脆弱構造とハウジングとの間の隙間内に、装着マットが配置される。
【０００８】
採用される装着マット材料は、脆弱構造の製造業者または排気ガス処理デバイスの製造業者によって規定される多くの設計および物理的要件のうちのいずれも満たすことができなければならない。たとえば、装着マット材料は、排気ガス処理デバイスが、幅広い温度変動を経験し、それにより、脆弱構造に関して金属ハウジングの大幅な拡張または収縮が生じ、次いで、一定の時間にわたって、装着マットの大幅な圧縮および解放サイクルが生じるときであっても、脆弱構造上で効果的な残留保持圧力を励起することができなければならならない。
【０００９】
排気ガス処理デバイスで使用されるセラミック基質および金属基質は、無機繊維ベースの装着マットをもつ金属ハウジング内に装着することが最も多い。この装着マット材料は、無機繊維のみを含有することができる。しかしながら、装着マット材料は、他のタイプの繊維，有機バインダ、無機フィルタ、および／または膨張性材料を含有してもよい。
【００１０】
装着マットは、基質を定位置に効果的に保持するために、広範囲の動作温度にわたって機能しなければならない。基質は、振動に起因して、基質に作用する軸方向力にさらされる。また、装着マットは、金属ハウジングが、基質自体よりも大きく、またはそれよりも小さく拡張するという事実を補償する。様々な排気ガス処理デバイスは、約２０℃〜約１２００℃の温度範囲の周囲温度にわたって動作する。したがって、装着マットは、広い温度範囲にわたって、ロバストな保持圧力性能を提供しなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】サブジェクト装着マットを含む例示的な排気ガス処理デバイスの部分図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
排気ガス処理デバイス用途で使用するための多層装着マットが提供される。装着マットは、耐熱性無機繊維と、任意選択で、犠牲として焼失するように適合されるのが一般的な有機質バインダとを含む複数のプライを含み、装着マットプライのうちの少なくとも１つまたは複数は、装着マットのｘ−ｙ平面に配向された無機繊維の大半または大部分を含む。ある特定の実施形態によれば、少なくとも１つの装着マットプライは、任意選択で膨張性材料を含んでもよい。
【００１３】
また、排気ガスを処理するためのデバイスも提供される。このデバイスは、外側金属ハウジングと、装着マットによってハウジング内に装着される少なくとも１つの脆弱構造とを含み、この装着マットは、ハウジングの内側表面と脆弱構造の外側表面との間に設けられる。用語「脆弱構造」は、金属またはセラミックのモノリスなどの構造、あるいは脆弱または本質的に脆弱であってもよく、本明細書に記載されるような装着マットによる恩恵を受けることになるような構造物を意味し、そのような構造を含むものである。
【００１４】
触媒コンバータ触媒構造は、一般に、ハウジング内に耐熱性材料によって装着された、１つまたは複数の多孔質の管状構造またはハニカム様構造を含む。各構造は、排気ガス処理デバイスのタイプに応じて、約６．５平方センチメートル（１平方インチ）あたり約２００個〜約９００個またはそれよりも多くのチャネルまたはセルを含むことができる。ディーゼル微粒子トラップは、特定のトラップ内のチャネルまたはセルがそれぞれ、一端で閉じている点で、触媒コンバータ構造とは異なる。高温焼失プロセスによって再生されるまで、多孔質構造中の排気ガスから、微粒子が収集される。装着マットの自動車以外の適用例として、化学産業の排出（排気）スタック用の触媒コンバータを含むことができる。
【００１５】
図１では、排気ガスを処理するためのデバイスの１つの例示的な形態を、参照符号１０で示す。装着マットは、図１に示されたデバイスで使用するように限定されるものではなく、したがって、その形状は、例示的な実施形態として示されているにすぎないことを理解されたい。実際には、装着マットを使用して、ディーゼル触媒構造、ディーゼル微粒子トラップなどのような、排気ガスを処理するのに好適な任意の脆弱構造を装着または支持することができる。
【００１６】
ある特定の例示的な実施形態によれば、触媒コンバータ１０は、フランジ１６によって一緒に保持された２片の金属、たとえば、耐高温性スチールで形成されたハウジング１２を含むことができる。代替的には、ハウジングは、あらかじめ形成されたキャニスタを含むことができ、そのキャニスタに、装着マットを巻き付けた脆弱構造が挿入される。ハウジング１２は、一端に入口１４を、また、対向する端部に出口（図示せず）を含む。入口１４および出口は、外側端部に好適に形成され、それにより、入口１４および出口を、内燃機関の排気系中の導管に固定することができる。デバイス１０は、装着マット２０によって、ハウジング１２内に支持および拘束される、脆弱なセラミックのモノリス１８のような脆弱構造を含んでいる。モノリス１８は、一端にある入口から対向する端部にある出口まで軸方向に延びる複数の気体通過通路を含む。モノリス１８は、任意の知られる様式および構造で、任意の好適な耐火性金属またはセラミック材料から構築することができる。モノリスは、典型的には、断面構造が楕円または円形であるが、他の形状が可能である。
【００１７】
モノリスは、一定の距離または一定の隙間だけ、ハウジングの内側表面から離隔しており、その距離または隙間は、利用されるデバイス、たとえば、触媒コンバータ、ディーゼル触媒構造、またはディーゼル微粒子トラップのタイプおよび設計にしたがって変えることができる。この隙間を装着マット２０で埋めて、セラミックのモノリス１８に弾性的な支持が提供される。弾性的な装着マット２０は、外部環境に対する断熱と、脆弱構造に対する機械的支持の両方を提供し、それにより、広範囲の排気ガス処理デバイスの動作温度にわたって、機械的衝撃から脆弱構造が保護される。
【００１８】
一般に、装着マットは、耐熱性無機繊維を含む複数のプライを含み、任意選択で、犠牲として焼失するように適合された有機質バインダを含むことができ、少なくとも１つのプライ、または複数の装着マットプライは、装着マットのｘ−ｙ平面に配向された無機繊維の大半を含む。装着マット２０は、広い温度範囲にわたって、排気ガス処理デバイス１０のハウジング１２内に脆弱な触媒支持構造を弾性的に保持するのに十分な保持圧力を提供することができる。
【００１９】
典型的には、ウェットレイドされた膨張性マットまたは非膨張性マットは、ロトフォーマーのような製紙デバイス上で、単一の層として製造される。マットが、別々に製造された複数のプライまたは層で作製される場合、装着マットの性能および保持力が大幅に改善されることが分かった。たとえば、単層の基礎質量が１０００ｇ／ｍ2の装着マットの性能は、それぞれの基礎質量が１００ｇ／ｍ2の層を１０枚の製造し、それらを組み合わせて、基礎質量が１０００ｇ／ｍ2（ｇｓｍ）の多プライ装着マットを作成することによって改善することができる。
【００２０】
ウェットレイドされたマットの基礎質量および厚み分布は、典型的には、ドライレイドされたマットよりも均一である。ウェットレイドシステムでは、希釈レベルが高く、化学物質が分散していることを利用して、均一なシートを製造することができる。しかしながら、装着マットが、所与の基礎質量の単一の厚い層として製造されるときには、繊維の大部分は、シートの所望のｘ−ｙ平面以外の方向に配向され、あるいは置かれる。この現象により、装着マットの耐荷重能力が低減される結果となる。複数の薄層シートを製造し、それらを組み合わせてターゲットとなる基礎質量および厚みを達成することによって、繊維の大部分を強制的にｘ−ｙ平面中に置き、装着マット製品の性能全体を高めることができる。
【００２１】
繊維が装着マットの内側で置かれる配向は、マットの性能に影響を及ぼす。性能または保持圧力を最大にするためには、すべての繊維が、装着マットのｘ−ｙ平面に配向されることが理想的である。すべてのまたはほとんどの繊維をｘ−ｙ平面中に配置することによって、マットは、理論的には、ちょうど１繊維厚さでなければならず、それにより、確実に、マット構造（の厚み）を貫通して垂直に交差する繊維が全くないようになる。装着マットがより厚く、より重くなると、より多くの繊維が、ｘ−ｙ平面以外の方向に配向されるようになる。ｘ−ｙ平面以外の配向のこれらの繊維は、理論的には、いかなる荷重にも耐えられず、したがって、保持圧力には寄与しない。典型的な非膨張性装着マットは、約１２００ｇｓｍ以上である。その質量でのマットの厚みは、８ｍｍ以上であり、多くの繊維が装着マットのｘ−ｙ平面以外の方向に配向されている。
【００２２】
ある厚みおよび／またはあるの重さの装着マットのｘ−ｙ平面に配向された繊維の大半を達成するためのプロセスは、個別の薄いプライまたは層を製造することと、複数の層を組み合わせて、所望の基礎質量および／または厚みの装着マットを製造することとを含む。このようにすると、繊維の大部分は、ｘ−ｙ平面または方向に配向されることになり、垂直に配向された質量にまったく耐えられない繊維のパーセンテージを減らすことによって、耐荷重面積がより大きくなる。得られた装着マットは、同じ基礎質量および／または厚みの単層装着マットよりも引張応力が高くなり、性能がはるかに高くなる。
【００２３】
ある実施形態では、個別の膨張性または非膨張性の繊維プライまたは層は、それぞれ、厚みが約３ｍｍ、基礎質量が１メートル平方あたり約３０〜約５０グラム（ｇｓｍ）となり得る。個別のプライが重ねられ、または積層され、約１０以上の層のスタックを、限定ではなく例として（後述の）ニードリングすることによって処理した後、得られた多層マットは、厚みが約１０ｍｍとなり、基礎質量が１５００ｇｓｍとなり得る。
【００２４】
対象の装着マットで利用される耐高温性の無機繊維は、装着マット形成プロセスに耐え、排気ガス処理デバイスの動作温度に耐え、その動作温度における、排気ガス処理デバイスのハウジング内に脆弱構造を保持するための保持圧力性能を最小限にすることができる。限定することなく、装着マットおよび排気ガス処理デバイスを準備するために使用することができる好適な無機繊維には、高アルミナ多結晶繊維、ムライト繊維、アルミノシリケート繊維またはカオリン繊維のような耐火性セラミック繊維、アルミナジルコニアシリカ繊維、Ｓガラス繊維またはＳ２ガラス繊維のようなアルミナマグネシアシリカ繊維、せん断浸出ガラス高シリカ繊維、限定的ではなく、カルシアマグネシアシリカ繊維およびマグネシアシリカ繊維のような生体溶解性のアルカリ土類シリケート繊維を含む生体溶解性無機繊維、あるいはそれらの組合せが含まれる。
【００２５】
ある特定の実施形態によれば、装着マットを準備するために使用される耐高温性の無機繊維は、アルミナを含むセラミック繊維が含まれる。限定することなく、好適なセラミック繊維には、アルミナ繊維、ムライト繊維、アルミノシリケート繊維、アルミナジルコニアシリカ繊維、および同様の繊維が含まれる。高アルミナ多結晶繊維は、約７２〜約１００質量パーセントのアルミナと約０〜約２８質量パーセントのシリカとからなる繊維化生成物を含むことができる。好適なアルミノシリケートセラミック繊維は、Ｕｎｉｆｒａｘ Ｉ ＬＬＣ（米国ニューヨーク州ナイアガラフォールズ）からＦＩＢＥＲＦＲＡＸという登録商標で市販されている。ＦＩＢＥＲＦＲＡＸ（登録商標）セラミック繊維は、約４５〜約７５質量パーセントのアルミナと、約２５〜約５５質量パーセントのシリカとを含む溶融物の繊維化生成物を含む。ＦＩＢＥＲＦＲＡＸ（登録商標）繊維は、最高約１５４０℃の動作温度および最高約１８７０℃の融点を示す。ＦＩＢＥＲＦＲＡＸ（登録商標）繊維で、耐高温性のシートおよび紙を容易に形成することができる。
【００２６】
ある実施形態では、アルミノシリケート繊維のような耐火性セラミック繊維（ＲＣＦ）は、約４０質量パーセント〜約６０質量パーセントのＡｌ2Ｏ3と、約６０質量パーセント〜約４０質量パーセントのＳｉＯ2とを含むことができ、いくつかの実施形態では、約４７〜約５３質量パーセントのアルミナと、約４７〜５３質量パーセントのシリカとを含むことができる。ＲＣＦ繊維は、成分材料の溶融物から吹き付ける、または紡ぐことができる繊維化生成物である。
【００２７】
アルミナジルコニアシリカ繊維は、アルミナとシリカとジルコニアとからなる繊維化生成物を含み、ある特定の実施形態では、約２９〜約３１質量パーセントのアルミナ、約５３〜約５５質量パーセントのシリカ、および約１５〜約１７質量パーセントのジルコニアの量で含む。
【００２８】
アルミナ／シリカ／マグネシアガラス繊維は、典型的には、約６４質量パーセント〜約６６質量パーセントのＳｉＯ2と、約２４質量パーセント〜約２５質量パーセントのＡｌ2Ｏ3と、約９質量パーセント〜約１１質量パーセントのＭｇＯとを含む。
【００２９】
ある実施形態では、装着マットは、高シリカ含有量を有する、溶融形成されたアモルファスで耐高温性の浸出ガラス繊維を含む。用語「高シリカ含有量」とは、繊維に含有されたシリカが、繊維中の任意の他の組成成分よりも多いことを意味する。実際には、浸出後のこれらの繊維のシリカ含有量は、典型的には、結晶質の石英由来の繊維または純粋なシリカ繊維を除けば、Ｓガラス繊維を含む、シリカを含有する任意の他のガラス繊維よりも多い。一実施形態では、装着マットには、膨張性材料、ゾルゲル由来のガラスシリカ繊維、および／または裏打ち層もしくは強化層がないことが理解されよう。
【００３０】
一般には、浸出ガラス繊維のシリカ含有量は、少なくとも６７質量パーセントである。ある実施形態では、浸出ガラス繊維は、少なくとも９０質量パーセントのシリカを含有し、これらのうちのいくつかでは、約９０質量パーセント〜９９質量パーセント未満のシリカを含有する。これらの浸出ガラス繊維の平均繊維径は、少なくとも約３．５ミクロン以下であることがあり、少なくとも約５ミクロン以下であることが多い。平均的には、ガラス繊維の直径は、典型的には、約９ミクロンであり、最大で約１４ミクロンである。
【００３１】
シリカ含有量が高く、触媒コンバータまたは他の知られる排気ガス処理デバイス用の装着マットを製造する際に使用するのに好適な浸出ガラス繊維の例として、ドイツのＢｅｌＣｈｅｍ Ｆｉｂｅｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＧｍｂＨからＢＥＬＣＯＴＥＸという商標で入手可能な浸出ガラス繊維、米国カリフォルニア州ガーディーナのＨｉｔｃｏ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，Ｉｎｃ．からＲＥＦＲＡＳＩＬという登録商標で入手可能な浸出ガラス繊維、およびベラルーシ共和国のＰｏｌｏｔｓｋ−ＳｔｅｋｌｏｖｏｌｏｋｎｏからＰＳ−２３（Ｒ）という品名で入手可能な浸出ガラス繊維が挙げられる。
【００３２】
ＢＥＬＣＯＴＥＸ繊維は、標準的なタイプのステープル繊維のプリヤーンである。これらの繊維の平均繊度は、約５５０テックスであり、一般には、アルミナによって改質されたケイ酸から作製される。ＢＥＬＣＯＴＥＸ繊維はアモルファスであり、一般には、約９４．５パーセントのシリカと、約４．５パーセントのアルミナと、０．５パーセント未満の酸化ナトリウムと、０．５パーセント未満の他の構成成分とを含有する。これらの繊維の平均繊維径は約９ミクロンであり、融点は１５００℃〜１５５０℃の範囲である。これらの繊維は、最高１１００℃の温度に対して耐熱性であり、典型的には、ショットフリーかつバインダフリーである。
【００３３】
ＲＥＦＲＡＳＩＬ繊維は、ＢＥＬＣＯＴＥＸ繊維と同様に、１０００℃〜１１００℃の温度範囲の適用に関する断熱材を提供するための、シリカ含有量が高いアモルファスな浸出ガラス繊維である。これらの繊維の直径は、約６〜約１３ミクロンであり、融点は約１７００℃である。浸出後、繊維のシリカ含有量は、典型的には、約９５質量パーセントとなる。アルミナは、約４質量パーセントの量で、他の成分は、１パーセント以下の量で存在し得る。
【００３４】
Ｐｏｌｏｔｓｋ−ＳｔｅｋｌｏｖｏｌｏｋｎｏのＰＳ−２３（Ｒ）繊維は、シリカ含有量が高く、少なくとも約１０００℃に対する耐性を必要とする適用例に関する断熱材に好適なアモルファスなガラス繊維である。これらの繊維の繊維長は、約５〜約２０ｍｍの範囲であり、繊維径は約９ミクロンである。これらの繊維の融点は、ＲＥＦＲＡＳＩＬ繊維と同様に、約１７００℃である。
【００３５】
使用することができる好適な耐高温性の生体溶解性無機繊維には、限定することなく、カルシアマグネシアシリケート繊維またはマグネシアシリケート繊維のようなアルカリ土類シリケート繊維、カルシアアルミネート繊維、ポタジアカルシアアルミネート繊維、ポタジアアルミナシリケート繊維、あるいはソディアアルミナシリケート繊維が含まれる。
【００３６】
用語「生体溶解性」無機繊維とは、溶解可能である、あるいは他の場合には生理学的媒体中で、または模擬肺体液、生理食塩水、緩衝生理食塩水などのような模擬生理学的媒体中で分解可能である無機繊維を指す。繊維の溶解度は、模擬生理学的媒体における繊維の溶解度を経時的に測定することによって評価することができる。また、生体溶解度は、試験動物に繊維を直接移植した効果を観察することによって、あるいは、繊維に曝露された動物またはヒト、すなわち、生体残留性を検査することによって推定することができる。
【００３７】
生理学的媒体における繊維の生体溶解度（すなわち、非耐久性）を測定するための方法は、Ｕｎｉｆｒａｘ Ｉ ＬＬＣに譲渡された米国特許第５，８７４，３７５号に開示されており、その内容は本明細書に参照として組み込まれる。他の方法は、無機繊維の生体溶解度を評価するのに好適である。ある実施形態によれば、生体溶解性繊維は、３７℃の模擬肺液のフロー（０．３ｍｌ／分）に０．１ｇサンプルとして曝露されたときに、少なくとも３０ｎｇ／ｃｍ2／時の溶解度を示す。他の実施形態によれば、生体溶解性無機繊維は、３７度の模擬肺液のフロー（３ｍｌ／分）に０．１ｇのサンプルとして曝露されたときに、少なくとも５０ｎｇ／ｃｍ2／時の溶解度、または少なくとも１００ｎｇ／ｃｍ2／時、または少なくとも１０００ｎｇ／ｃｍ2／時の溶解度を示すことがある。
【００３８】
繊維の生体溶解度を推定するための別の手法は、繊維の構成成分に基づく。たとえば、ドイツでは、成分指標（ＫＩ値）に基づいて、吸入性の無機酸化物繊維を分類している。ＫＩ値は、アルカリとアルカリ土類酸化物との質量パーセントの和及び、無機酸化物繊維中の酸化アルミニウムの質量パーセントの２倍の差引きによって計算される。生体溶解性である無機繊維のＫＩ値は、典型的には、約４０以上である。
【００３９】
限定することなく、排気ガス処理デバイス用の装着マットを準備するために使用することができる生体溶解性アルカリ土類シリケート繊維の好適な例として、米国特許第６，９５３，７５７号、米国特許第６，０３０，９１０号、米国特許第６，０２５，２８８号、米国特許第５，８７４，３７５号、米国特許第５，５８５，３１２号、米国特許第５，３３２，６９９号、米国特許第５，７１４，４２１号、米国特許第７，２５９，１１８号、米国特許第７，１５３，７９６号、米国特許第６，８６１，３８１号、米国特許第５，９５５，３８９号、米国特許第５，９２８，０７５号、米国特許第５，８２１，１８３号、および米国特許第５，８１１，３６０号に開示される繊維が挙げられ、当該特許は、参照として本明細書に組み込まれる。
【００４０】
ある実施形態によれば、生体溶解性アルカリ土類シリケート繊維は、マグネシウム酸化物およびシリカ酸化物の混合物からなる繊維化生成物を含むことができる。これらの繊維は、一般に、マグネシウムシリケート繊維と呼ばれる。マグネシウムシリケート繊維は、一般に、約６０〜約９０質量パーセントのシリカと、０〜約３５質量パーセント（０質量パーセントは含まず）のマグネシアと、５質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含む。ある実施形態によれば、アルカリ土類シリケート繊維は、約６５〜約８６質量パーセントのシリカと、約１４〜約３５質量パーセントのマグネシアと、５質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含む。他の実施形態によれば、アルカリ土類シリケート繊維は、約７０〜約８６質量パーセントのシリカと、約１４〜約３０質量パーセントのマグネシアと、５質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含む。好適なマグネシウムシリケート繊維は、Ｕｎｉｆｒａｘ Ｉ ＬＬＣ（米国ニューヨーク州ナイアガラフォールズ）からＩＳＯＦＲＡＸという登録商標で市販されている。市販されているＩＳＯＦＲＡＸ（登録商標）繊維は、一般に、約７０〜約８０質量パーセントのシリカと、約１８〜約２７質量パーセントのマグネシアと、４質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含む。
【００４１】
ある実施形態によれば、生体溶解性アルカリ土類シリケート繊維は、カルシウム酸化物と、マグネシウム酸化物と、シリカ酸化物との混合物からなる繊維化生成物を含むことができる。これらの繊維は、一般に、カルシアマグネシアシリカ繊維と呼ばれる。ある実施形態によれば、カルシアマグネシアシリケート繊維は、約４５〜約９０質量パーセントのシリカと、０〜約４５質量パーセント（０質量パーセントは含まず）のカルシアと、０〜約３５質量パーセント（０質量パーセントは含まず）のマグネシアと、１０質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含む。ある実施形態では、生体溶解性カルシアマグネシアシリカ繊維は、約１５％〜約３５％のＣａＯと、約２．５％〜約２０％のＭｇＯと、約６０％〜約７０％のＳｉＯ2を含む。
【００４２】
有用なカルシアマグネシアシリケート繊維は、Ｕｎｉｆｒａｘ Ｉ ＬＬＣ（米国ニューヨーク州ナイアガラフォールズ）からＩＮＳＵＬＦＲＡＸという登録商標で市販されている。ＩＮＳＵＬＦＲＡＸ（登録商標）繊維は、一般に、約６１〜約６７質量パーセントのシリカと、約２７〜約３３質量パーセントのカルシアと、約２〜約７質量パーセントのマグネシアとからなる繊維化生成物を含む。他の好適なカルシアマグネシアシリケート繊維は、Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ（米国ジョージア州オーガスタ）からＳＵＰＥＲＷＯＯＬ ６０７、ＳＵＰＥＲＷＯＯＬ ６０７ ＭＡＸおよびＳＵＰＥＲＷＯＯＬ ＨＴという商品名で市販されている。ＳＵＰＥＲＷＯＯＬ（登録商標）６０７繊維は、約６０〜約７０質量パーセントのシリカと、約２５〜約３５質量パーセントのカルシアと、約４〜約７質量パーセントのマグネシアと、痕跡量のアルミナとを含む。ＳＵＰＥＲＷＯＯＬ（登録商標）６０７ ＭＡＸ繊維は、約６０〜約７０質量パーセントのシリカと、約１６〜約２２質量パーセントのカルシアと、約１２〜約１９質量パーセントのマグネシアと、痕跡量のアルミナとを含む。ＳＵＰＥＲＷＯＯＬ（登録商標）ＨＴ繊維は、約７４質量パーセントのシリカと、約２４質量パーセントのカルシアと、痕跡量のマグネシア、アルミナおよび酸化鉄とを含む。
【００４３】
ある実施形態によれば、生体溶解性アルカリ土類シリケート繊維は、カルシウム酸化物とアルミニウム酸化物との混合物からなる繊維化生成物を含むことができる。ある実施形態によれば、少なくとも９０質量パーセントのカルシアアルミネート繊維は、約５０〜約８０質量パーセントのカルシアと、約２０質量パーセント〜５０質量パーセント以下のアルミナと、１０質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含む。他の実施形態によれば、少なくとも９０質量パーセントのカルシアアルミネート繊維は、約５０〜約８０質量パーセントのアルミナと、約２０から５０質量パーセント（２０質量パーセントは含まず）のカルシアと、１０質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含む。
【００４４】
ある実施形態によれば、生体溶解性アルカリ土類シリケート繊維は、カリウム酸化物とカルシウム酸化物とアルミニウム酸化物との混合物からなる繊維化生成物を含むことができる。ある実施形態によれば、ポタジアカルシアアルミネート繊維は、約１０〜約５０質量パーセントのカルシアと、約５０〜約９０質量パーセントのアルミナと、０〜約１０質量パーセント（０質量パーセントは含まず）のポタジアと、１０質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含む。
【００４５】
生体溶解性繊維は、典型的には、溶解形成することができるアモルファスな無機繊維またはガラス繊維であり、化学的純度が高い（約９８％超の）繊維であり、平均直径が、約１μｍ〜約１０μｍの範囲であり、ある実施形態では、約２μｍ〜約４μｍの範囲であり得る。特に必要とされるものではないが、繊維は、当分野でよく知られるように加工することができる。
【００４６】
任意選択で、装着マットに組み込むことができる膨張性材料として、限定することなく、拡張していないバーミキュライト、イオン交換されたバーミキュライト、加熱処理されたバーミキュライト、拡張可能なグラファイト、ハイドロバイオタイト、水膨潤四ケイ酸フッ素雲母、アルカリ金属シリケート、またはそれらの混合物を含むことができる。膨張性材料は、装着マット中に、最終的なマットの約１０質量％〜約６０質量％の量で存在し得る。装着マットは、２つ以上のタイプの膨張性材料の混合物を含むことができる。膨張性材料は、米国特許第５，３８４，１８８号に記載されるように、約９：１〜約１：２のバーミキュライト：グラファイトの相対量で、拡張していないバーミキュライトと拡張可能なグラファイトとの混合物を含むことができる。
【００４７】
いくつかの実施形態では、装着マットは、耐高温性の無機繊維の実質的に非拡張性の多層シートと、任意選択で、バインダとを含むことができる。「実質的に非拡張」とは、膨張性シートまたは紙の場合に予測されるように、熱を加えたときに、シートが容易には拡張しないことを意味する。もちろん、シートは、拡張熱係数に基づいて、いくらか拡張する。しかしながら、膨張特性に基づいて生じる拡張と比較すると、拡張量は、わずかである。このタイプの装着マットには、実質的に、膨張性材料がなくてもよいことが理解されよう。
【００４８】
装着マットは、１つまたは複数の有機バインダを含む。バインダ粉末のような固体、液体、溶液、分散物、ラテックス、乳化物、または同様の形態として、有機バインダを提供することができる。有機バインダは、硬化後に、設置された装着マットから焼失させることができる可撓性材料である熱可塑性または熱硬化性バインダを含むことができる。好適な有機バインダの例として、限定するものではないが、アクリルラテックス、（メタ）アクリルラテックス、スチレンとブタジエンとのコポリマー、ビニルピリジン、アクリルニトリル、アクリルニトリルとスチレンとのコポリマー、ビニルクロライド、ポリウレタン、ビニルアセテートとエチレンとのコポリマー、ポリアミドなどが挙げられる。他の樹脂は、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、およびポリビニルエステルのような、低温で可撓性の熱硬化性樹脂を含む。
【００４９】
有機バインダは、装着マットの総質量に基づいて、装着マット中に、０〜約２０質量パーセント（０質量パーセントは含まず）の量で、ある実施形態では、約０．５〜約１５質量パーセントの量で、他の実施形態では、約１〜約１０質量パーセントの量で、いくつかの実施形態では、約２〜約８質量パーセントの量で含まれ得る。
【００５０】
装着マットは、樹脂バインダまたは液体バインダの代わりに、またはそれに加えて、高分子バインダ繊維を含むことができる。これらの高分子バインダ繊維は、耐熱性無機繊維を１つに結合させる際に役立つように、装着マットの総質量に基づいて、０〜約２０質量パーセント（０質量パーセントは含まず）の、ある実施形態では、約１〜約１５質量パーセントの、他の実施形態では、約２〜約１０質量パーセントの範囲の量で使用することができる。バインダ繊維の好適な例として、ポリビニルアルコール繊維、ポリエチレンおよびポリプロピレンのようなポリオレフィン繊維、アクリル繊維、ポリエステル繊維、エチルビニルアセテート繊維、ナイロン繊維、およびそれらの組合せが挙げられる。
【００５１】
典型的には、有機バインダは、繊維を１つに結合するために最初に採用される犠牲バインダである。「犠牲」とは、装着マットの温度が動作温度へと上昇するにつれて、有機バインダが、装着マットから最終的に焼失することを意味し、金属ハウジング内に脆弱構造を支持するための装着マットの成分として、無機繊維と、任意選択で膨張性材料とが残る。
【００５２】
バインダのための溶媒は、水、またはアセトンのような好適な有機溶媒を含むことができる。（使用される場合）溶媒におけるバインダの溶液強度は、所望のバインダ荷重およびバインダシステムの加工性（粘性、固体含量など）に基づいて、従来の方法によって求めることができる。
【００５３】
ある実施形態では、多層装着マットは、コロイド状シリカ、コロイド状アルミナ、コロイド状ジルコニア、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つをさらに含むことができる。装着マットの総質量に基づいて、約０．１質量パーセント〜約１０質量パーセントの量で、コロイド状無機酸化物を装着マットに加えることができる。
【００５４】
シート様の材料を形成するための当分野で知られる任意の方法で、装着マット材料を製造することができる。たとえば、ハンドレイドまたはマシンレイドのいずれかの従来の製紙プロセスを使用して、シート材料を準備することができる。シート材料を作製するために、ハンドシートモールド、長網抄紙機、またはロトフォーマー抄紙機を使用することができる。
【００５５】
たとえば、製紙プロセスを使用して、無機繊維と、有機バインダと、任意選択で膨張性材料とを一緒に混合して、混合物またはスラリーを形成することができる。繊維成分は、約０．２５％〜約５％の粘稠度または固体含量（９９．７５〜９５部の水に対して０．２５〜５部の固体）で混合することができる。構成成分のスラリーは、生成を促進するために、水で希釈することができ、凝集剤および排液保持助剤と、任意選択で、他の添加物とをスラリーに加えることによって凝集させることができる。凝集された混合物またはスラリーを、製紙機械上に置き、それらで繊維を含有する紙のプライまたはシートを形成する。次いで、複数の湿潤したプライまたはシートのスタックを、空気乾燥またはオーブン乾燥などによって乾燥させる。採用される標準的な製紙技法のより詳細な説明については、米国特許第３，４５８，３２９号を参照されたい。この特許の開示は、その開示が本明細書に参照として組み込まれる。
【００５６】
代替的には、スラリーを真空キャスティングすることによって、プライまたはシートを形成することができる。この方法によれば、構成成分のスラリーは、先に置かれたウェブ上にウェットレイドされる。スラリーから水分の大部分を引き出すために、ウェブを真空にし、それにより、湿潤したプライまたはシートが形成される。次いで、複数の湿潤したプライまたはシートのスタックを、典型的にはオーブン中で乾燥させる。プライまたはシートのスタックは、乾燥前または乾燥後に、ローラのセットを通過させて、スタックを圧縮することができる。
【００５７】
主題の装着マットを作製するためのプロセスの一実施形態では、耐高温性繊維と、任意選択で有機バインダと、任意選択で膨張性材料とを含むプライまたは層は、ロトフォーマー上にウェットレイドされ、依然として湿潤している紙またはシートの複数のプライまたは層は、積層され、乾燥オーブンを通って供給される前に、「ニードル処理器」を通して処理される。このプロセスは、シートを乾燥させる前に、水性製紙溶液またはスラリーで依然として湿潤させておきながら、繊維の一部分を撚合および交絡させるように、繊維をニードルパンチングすることを含んでもよい。したがって、得られた装着マットは、同様の厚みまたは密度をもつ従来技術の装着マットと比較して、強度が増している。
【００５８】
（通常は、繊維化ステップの直後に行われる）典型的な繊維ニードリング動作では、繊維の破損を防ぎ、繊維の移動および交絡をしやすくするために、潤滑液（通常は、油、または他の潤滑性の有機物質）が使用される。このプロセスの一実施形態では、湿潤形成する製紙プロセスからの水を使用して、ニードリングのプロセスを補助することができる。代替的には、ニードリングプロセスの前に、ウェットレイドされたシートを乾燥させてもよい。
【００５９】
ニードリングとは、繊維の一部分を、紙またはシート内の配向から移動させ、紙またはシートの向かい合った表面間の距離をいくらか延長させる任意の動作を意味する。ニードリング装置は、典型的には、繊維のウェブが置かれる、または移動する水平表面と、下向きに延びたニードルのアレイを担持するニードルボードと含む。ニードルボードは、ニードルを往復運動させてウェブに出し入れし、ウェブの繊維のうち一部を、ウェブの表面と実質的に交差する平面に再配向する。ニードルは、ウェブを通して、繊維を１方向から押すことができ、あるいは、たとえば、ニードル上の羽根を使用することによって、ウェブの頂部から繊維を押すことも、ウェブの底部から繊維を引くこともできる。典型的には、羽根付きニードルにより、繊維紙またはシートを完全に、または部分的に貫通させることによって、繊維のわずかな部分が物理的に交絡する。
【００６０】
それに加えて、またはそれに代えて、繊維を撚合または交絡させるために、水交絡する方法を使用してもよい。水交絡プロセスでは、ワイヤスクリーンまたは有孔ドラムのような有孔表面上に繊維を支持した状態で、少量で高強度の水のジェットを、緩んだ繊維の層またはシートに衝突させる。液体ジェットにより、比較的短く、端部が緩んでいる繊維を再配置させ、繊維の少なくともいくつかの部分を互いに、物理的に交絡させ、巻き付け、および／または撚合させる。
【００６１】
依然として湿潤している紙または真空キャストマットのニードリングまたは水交絡の後、マットは、任意選択で、プレス加工することができ、オーブン中で、たとえば、限定ではなく約８０℃〜約７００℃で乾燥させる。
【００６２】
ウェットニードリングステップにより、脆い繊維であっても、大幅に破損させることなく織ることができるようになる。ウェットニードリングは、さらに、有機バインダが完全に焼失した後でも、車両の初期動作中などに高強度を実現し、その結果、マットは、自動車排気系が経験する振動状態下であっても耐久性が維持されることになる。
【００６３】
装着マットプライは、ある適用例で容易に使用するためには、密度が低すぎることがあることを留意されたい。したがって、装着マットプライは、薄いプライを積層することと、より高密度を実現するために、当分野で知られる任意の様式で処理することとを含むさらなる高密度化を受けることができる。上述のような高密度化の１つのそのような様式は、繊維をニードルパンチして、繊維の一部分を撚合および交絡させることである。それに加えて、またはそれに代えて、本明細書で詳細に上述したように、水交絡する方法を使用してもよい。別の代替方法は、プレスローラを通して繊維を圧延することによって、繊維をプレス加工してマット形態にすることである。マルチプライマットの高密度化のこれらの方法のいずれか、あるいはこれらの方法の組合せは、正確で所望される形態の装着マットを得るために容易に使用することができる。
【００６４】
上述の技法のうちのどれを採用するにかかわらず、複合物をダイスタンプなどによって切断し、再現可能な公差の厳密な形状およびサイズの装着マットを形成することができる。装着マット２０は、ニードリングなどによって高密度化すると、好適な取扱い特性を示し、これは、取扱いが容易で、多くの他の繊維ブランケットまたはマットのように、人の手で砕くことができるほど脆くはないことを意味する。装着マット２０は、ひび割れすることなく、脆弱構造１８または同様の脆弱構造のまわりに、容易かつ柔軟に嵌合させ、または巻き付け、次いで、触媒コンバータハウジング１２内に配置することができる。一般には、装着マットが巻き付けられた脆弱構造をハウジング中に挿入することができ、あるいは、装着マットが巻き付けられた脆弱構造のまわりに、ハウジングを構築または製造することができる。
【００６５】
以下の例は、装着マットおよび排気ガス処理デバイスをさらに示すことのみを目的として記載される。示された例は、装着マット、装着マットが組み込まれた排気ガス処理デバイス、あるいは装着マットまたは排気ガス処理デバイスを任意の様式で作製する方法を限定するものとして解釈するべきではない。
【００６６】
比較例１
ハンドシートモールドを使用して、装着マットの１６００ｇｓｍ単層を製造した。主に、ＲＣＦと少量の有機バインダとからマットを作製した。ハンドシートを乾燥させ、次いで、９ｍｍのターゲット厚さまでプレス加工した。ターゲット厚さにすることにより、マットの密度は、約１８０ｋｇ／ｍ3になった。
【００６７】
実施例２
ハンドシートモールドを使用して、それぞれが１６０ｇｓｍの１０枚の装着マットを製造した。主に、ＲＣＦと少量の有機バインダ繊維とから各シートを作製した。１０枚のハンドシートを乾燥させ、一緒にプレス加工して、比較例１のターゲット厚の１６００ｇｓｍ多層マットを形成した。ターゲット厚さにより、多層マットの密度は、約１８０ｋｇ／ｍ3になった。
【００６８】
実施例３
ロトフォーマーを使用して、７２５ｇｓｍシートを２枚製造した。主に、ＲＣＦと少量の追加の耐高温性の無機繊維とからシートを作製した。次いで、２枚のシートを組み合わせ、ニードルパンチングを使用して高密度化した。ニードルパンチング後、多層マットを焼成し、８．５ｍｍのターゲット厚さまで機械的に圧延した。ターゲット厚さにすることにより、マットの密度は、１７２ｋｇ／ｍ3になった。
【００６９】
実施例４
ロトフォーマーを使用して、３５０ｇｓｍシートを４枚製造した。主に、ＲＣＦと少量の追加の耐高温性の無機繊維とからシートを作製した。次いで、４枚のシートを組み合わせ、ニードルパンチングを使用して高密度化した。ニードルパンチング後、多層マットを焼成し、実施例３のターゲット厚さまで機械的に圧延した。ターゲット厚さにより、多層マットの密度は、１７２ｋｇ／ｍ3となった。
【００７０】
実施例５
ロトフォーマーを使用して、１７５ｇｓｍシートを８枚製造した。主に、ＲＣＦと少量の追加の耐高温性の無機繊維とからシートを作製した。次いで、８枚のシートを組み合わせ、ニードルパンチングを使用して高密度化した。ニードルパンチング後、多層マットを焼成し、実施例３のターゲット厚さまで機械的に圧延した。ターゲット厚さにより、多層マットの密度は、１７２ｋｇ／ｍ3になった。
【００７１】
試験
１０００サイクル試験を使用して、上記例に記載したように製造された様々なサンプルの性能を試験した。９００℃の高温面温度および５５０℃の冷温面温度において実施される標準的な１０００サイクル隙間拡張試験の１０００機械的サイクルにわたって試験を行った。隙間拡張は、８％で維持され、試験マットの隙間のバルク密度は０．３ｇ／ｃｍ3であった。
【００７２】
用語「サイクル」とは、モノリス（すなわち、脆弱構造）とハウジングとの間の隙間が、特定の距離にわたって、所定の速さで開閉することを意味する。現実的な状況をシミュレートするために、ハウジングと所与の直径の脆弱構造との間の隙間の拡張は、たとえば、約９００℃の温度における従来のハウジングの熱拡張係数を計算することによって求めることができる。次いで、試験の基準を満たし、１０００サイクル後にターゲットとなる最小保持力を実現する最終マット基礎質量が選択される。当業者であれば、これらのパラメータを採用して、不必要な実験を行うことなく、この１０００サイクル試験を行うことができることが理解されよう。すなわち、上記のセットパラメータにより、当業者は、マットの特徴または隙間のサイズにかかわらず、マットの効果的な保持圧力について同様の比較を行うことができるようになる。
【００７３】
以下の表１に、１０００サイクル後の各例の最小保持圧力を報告する。
表１
比較例１ （単層） １３．６ｋＰａ
実施例２ （１０層） １７．８ｋＰａ
実施例３ （２層） ２８ｋＰａ
実施例４ （４層） ３６ｋＰａ
実施例５ （８層） ４０ｋＰａ
【００７４】
実施例２の多層マットは、マットのｘ−ｙ平面に配向された繊維の割合が増大しており、比較例１の単層装着マット全体で、保持圧力が３０％増大することが立証された。マットのｘ−ｙ平面に配向された繊維の割合が増大したマットプライの数が増えると、対応する単一のプライマットのターゲット厚さを維持しながらも、実施例３〜５の多層マットの保持圧力が２０〜３０％増大することが立証された。
【００７５】
これらのマットは、触媒コンバータおよびディーゼル微粒子トラップ産業に有利である。装着マットは、ダイカットすることができ、可撓性形態の、取扱いを容易にする薄いプロファイルの弾性支持体として動作可能であり、それにより、所望の場合に、ひび割れすることなく、触媒支持構造全体に巻き付けることができるようになる。代替的には、装着マットは、触媒支持構造の少なくとも一部分の外周または周囲全体のまわりに一体的に巻き付けてもよい。また、装着マットは、部分的に巻き付けられ、所望される場合には、ガスバイパスを防止するために、いくつかの従来のコンバータデバイスで現在使用されるようなエンドシールを含んでもよい。
【００７６】
また、上述された装着マットは、とりわけ、自動二輪車および他の小型エンジン機械用の従来の自動車触媒コンバータおよび自動車プレコンバータだけでなく、高温スペーサ、ガスケット、さらに次世代の自動車基部の触媒コンバータシステムのような様々な適用例で有用である。一般には、上述された装着マットは、室温において保持圧力を励起するために、より重要な点では、熱循環を含めて、上昇した温度において保持圧力を保持する能力を提供するために、マットまたはガスケットを必要とする任意の適用例で使用することができる。
【００７７】
上述された主題の装着マット材料は、排気ガス処理デバイスにおけるエンドコーン断熱材として使用することができる。ある実施形態によれば、排気ガス処理デバイス用のエンドコーンが提供される。本エンドコーンは、一般に、外側金属コーンと、内側金属コーンと、外側金属コーンと内側金属コーンとの間の隙間または空間内に設けられたエンドコーン断熱材とを備える。
【００７８】
他の実施形態によれば、このエンドコーンは、外側金属コーンと、外側金属コーンの内側表面に隣接して配置されたコーン断熱材の少なくとも１つの層とを含むことができる。これらの実施形態によれば、このエンドコーンアセンブリには、内側金属コーンがない。そうではなく、本コーン断熱材は、デバイスを通過する高温ガスに対して耐性がある自己支持型コーン構造を提供するために、既知の方法で剛性化される。
【００７９】
少なくとも１つのエンドコーンを含む排気ガス処理デバイスが提供される。本排気ガス処理デバイスは、ハウジングと、ハウジング内の配置された脆弱構造と、ハウジングに排気パイプを取り付けるために、入口エンドコーンアセンブリと、出口エンドコーンアセンブリとを備えることができ、各エンドコーンアセンブリは、内側エンドコーンハウジングと、外側エンドコーンハウジングと、エンドコーン断熱材とを含む。主題の多層装着マットは、エンドコーン断熱材として設けることができ、排気ガス処理デバイスの２重壁エンドコーンアセンブリの内側コーンハウジングと外側コーンハウジングとの間に配置することができる。
【００８０】
また、上述された装着マットは、保護的に装着しなければならない脆弱なハニカムタイプ構造を含むものを含んで、排気または排出スタック内に配置された、化学産業で採用される触媒コンバータで使用することができる。
【００８１】
本発明の主題の第１の実施形態は、耐高温性の無機繊維と、任意選択で有機バインダと、任意選択で膨張性材料とを備える排気ガス処理デバイス用の多層装着マットを含み、このマットは、繊維シートの複数のプライから形成され、少なくとも１枚の繊維シート中の繊維の大部分は、少なくとも１枚の繊維シートのｘ−ｙ平面内に配向される。
【００８２】
第１の実施形態の多層装着マットは、繊維シートの複数のプライ中の繊維の大部分が、繊維シートの複数のプライのｘ−ｙ平面内に配向されることをさらに含むことができる。
【００８３】
上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかまたは両方の多層装着マットは、繊維シートがウェットレイドされることをさらに含むことができる。
【００８４】
上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットは、ウェットニードリング、ドライニードリング、水交絡、またはプレス加工のうちの少なくとも１つによって、繊維のわずかな部分を多層装着マット内で物理的に交絡させることをさらに含むことができる。
【００８５】
上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットは、無機繊維が、高アルミナ多結晶繊維、耐火性セラミック繊維、ムライト繊維、アルミナジルコニアシリカ繊維、アルミナマグネシアシリカ繊維、ガラス繊維、耐高温性の生体溶解性繊維、浸出ガラスシリカ繊維、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つであることをさらに含むことができる。高アルミナ多結晶繊維は、約７２〜約１００質量パーセントのアルミナと、約０〜約２８質量パーセントのシリカとからなる繊維化生成物を含むことができる。耐火性セラミック繊維は、約４５〜約７５質量パーセントのアルミナと、約２５〜約５５質量パーセントのシリカとからなる繊維化生成物を含むアルミノシリケート繊維を含むことができる。生体溶解性繊維は、約６５〜約８６質量パーセントのシリカと、約１４〜約３５質量パーセントのマグネシアと、約５質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含むマグネシアシリカ繊維を含むことができる。生体溶解性繊維は、約４５〜約９０質量パーセントのシリカと、０〜約４５質量パーセント（０質量パーセントは含まず）のカルシアと、０〜約３５質量パーセント（０質量パーセントは含まず）のマグネシアとからなる繊維化生成物を含むカルシアマグネシアシリカ繊維を含むことができる。
【００８６】
上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットは、膨張性材料が、拡張していないバーミキュライト、イオン交換されたバーミキュライト、加熱処理されたバーミキュライト、拡張可能なグラファイト、ハイドロバイオタイト、水膨潤四ケイ酸フッ素雲母、アルカリ金属シリケート、またはそれらの混合物のうち少なくとも１つであることをさらに含むことができる。膨張性材料は、拡張していないバーミキュライトを含むことができる。
【００８７】
上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットは、有機バインダが、アクリルラテックス、（メタ）アクリルラテックス、スチレンとブタジエンとのコポリマー、ビニルピリジン、アクリルニトリル、アクリルニトリルとスチレンとのコポリマー、ビニルクロライド、ポリウレタン、ビニルアセテートとエチレンとのコポリマー、ポリアミド、シリコーン、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、およびポリビニルエステル、ならびにそれらの混合物のうちの少なくとも１つを含むことをさらに含むことができる。
【００８８】
上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットは、有機バインダが、ポリビニルアルコール繊維、ポリオレフィン繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、アクリル繊維、ポリエステル繊維、エチルビニルアセテート繊維、ナイロン繊維、およびそれらの組合せのうちの少なくとも１つを含むことをさらに含むことができる。
【００８９】
上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットは、コロイド状シリカ、コロイド状アルミナ、コロイド状ジルコニア、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つをさらに含むことができる。
【００９０】
本発明の主題の第２の実施形態は、上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットを製造するためのプロセスを含み、耐高温性繊維、任意選択で有機バインダ、および任意選択で膨張性材料を備える湿潤した紙またはシートを準備することと、湿潤した紙またはシートの複数のプライを一緒に積層することと、乾燥前に、湿潤した紙またはシートプライのスタック内のプライ間で、繊維の一部分を撚合または交絡させることとを含む。
【００９１】
第２の実施形態の方法は、前記撚合または交絡させることが、湿潤した紙またはシートプライのスタックをニードルパンチングすること、または水交絡することのうちの少なくとも１つを含むことをさらに含むことができる。
【００９２】
本発明の主題の第３の実施形態は、ハウジングと、ハウジング内に弾性的に装着された脆弱構造と、ハウジングと脆弱構造との間の隙間に設けられる装着マットとを備える排気ガス処理デバイスを含み、装着マットは、上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットである。
【００９３】
第３の実施形態の排気ガス処理デバイスは、このデバイスが、触媒コンバータまたはディーゼル微粒子トラップであることをさらに含むことができる。
【００９４】
本発明の主題の第４の実施形態は、外側金属コーンと、内側金属コーンと、前記外側金属エンドコーンと内側金属エンドコーンの間に設けられたコーン断熱材とを備える排気ガス処理デバイス用のエンドコーンを含み、前記コーン断熱材は、上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットを含む。
【００９５】
本発明の主題の第５の実施形態は、外側金属コーンと、上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットを備える自己支持型コーン断熱材とを備える排気ガス処理デバイス用のエンドコーンを含み、このコーン断熱材は、前記外側金属エンドコーンの内側表面に隣接して設けられる。
【技術分野】
【０００１】
自動車排気系で使用される触媒コンバータおよびディーゼル微粒子トラップのような排気ガス処理デバイスで使用するためのマットが提供される。このマットは、排気ガス処理デバイスの外側ハウジング内に脆弱構造を装着するための装着マットとして、あるいは排気ガス処理デバイスのエンドコーンにおける断熱材として使用することができる。また、触媒コンバータまたはディーゼル微粒子トラップのような排気ガスの処理のためのデバイスも提供される。このデバイスは、装着マットによって、ハウジング内に装着された脆弱構造を含むことができ、装着マットは、ハウジングと脆弱構造との間の隙間に設けられているか、あるいはエンドコーンセクションにおける断熱材として、そのマットを含んでもよい。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス処理デバイスは、エンジンからの排出物による大気汚染を低減するために、自動車で使用される。広く使用される排気ガス処理デバイスの例として、触媒コンバータ、ディーゼル微粒子トラップ、および他の汚染物質制御デバイスが挙げられる。
【発明の概要】
【０００３】
自動車エンジンの排気ガスを処理するための触媒コンバータは、ハウジングと、一酸化炭素および炭化水素の酸化ならびに窒素酸化物の還元をもたらすために使用される触媒を支持するための脆弱な触媒支持構造と、ハウジング内に脆弱な触媒支持構造を弾性的に支持するために、脆弱な触媒支持構造の外側表面とハウジングの内側表面との間に設けられた装着マットとを含む。
【０００４】
別のタイプの排気ガス処理デバイスは、選択的な触媒還元ユニットであり、選択的な触媒還元ユニットの活性部分は、化学還元および排気流中の望ましくない生成物の除去を促進するために、触媒でコーティングされた脆弱な基質を含む。
【０００５】
別のタイプの排気ガス処理デバイスは、ＮＯxトラップであり、ＮＯxトラップの活性部分は、アルカリ物質またアルカリ土類物質を含む脆弱な触媒担体を含む。トラップは、「吸着」プロセスと「再生」プロセスとが循環する循環様式で動作する。吸着中には、基質は、ＮＯx種を吸入し、ニトレート種として、触媒基質の表面上にＮＯx種を捕捉する。再生中には、ＮＯxトラップに還元物質が導入され、基質からニトレート種を取り除き、還元して窒素にする。
【０００６】
ディーゼルエンジンによって生成された汚染物質を制御するためのディーゼル微粒子トラップは、一般に、ハウジングと、ディーゼルエンジンの排出物から微粒子を収集するための脆弱な微粒子フィルタまたはトラップと、ハウジング内に脆弱なフィルタまたはトラップ構造を弾性的に保持するために、フィルタまたはトラップの外側表面とハウジングの内側表面との間に設けられる装着マットとを含む。
【０００７】
脆弱構造は、一般に、アルミニウム酸化物、二酸化ケイ素、マグネシウム酸化物、ジルコニア、コージライト、炭化ケイ素などのような金属の、または脆いセラミック材料の脆弱な材料から製造されるモノリス構造を含む。これらの材料は、複数のガスフローチャネルをもつ骨組みタイプの構造を提供する。これらのモノリス構造は、非常に脆弱なので、しばしば、小さな衝撃荷重または応力であっても、それらを破損または破砕するのに十分であることがある。上記の熱性の機械的衝撃および他の応力から脆弱構造を保護するために、あるいは断熱性または気密性を提供するために、脆弱構造とハウジングとの間の隙間内に、装着マットが配置される。
【０００８】
採用される装着マット材料は、脆弱構造の製造業者または排気ガス処理デバイスの製造業者によって規定される多くの設計および物理的要件のうちのいずれも満たすことができなければならない。たとえば、装着マット材料は、排気ガス処理デバイスが、幅広い温度変動を経験し、それにより、脆弱構造に関して金属ハウジングの大幅な拡張または収縮が生じ、次いで、一定の時間にわたって、装着マットの大幅な圧縮および解放サイクルが生じるときであっても、脆弱構造上で効果的な残留保持圧力を励起することができなければならならない。
【０００９】
排気ガス処理デバイスで使用されるセラミック基質および金属基質は、無機繊維ベースの装着マットをもつ金属ハウジング内に装着することが最も多い。この装着マット材料は、無機繊維のみを含有することができる。しかしながら、装着マット材料は、他のタイプの繊維，有機バインダ、無機フィルタ、および／または膨張性材料を含有してもよい。
【００１０】
装着マットは、基質を定位置に効果的に保持するために、広範囲の動作温度にわたって機能しなければならない。基質は、振動に起因して、基質に作用する軸方向力にさらされる。また、装着マットは、金属ハウジングが、基質自体よりも大きく、またはそれよりも小さく拡張するという事実を補償する。様々な排気ガス処理デバイスは、約２０℃〜約１２００℃の温度範囲の周囲温度にわたって動作する。したがって、装着マットは、広い温度範囲にわたって、ロバストな保持圧力性能を提供しなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】サブジェクト装着マットを含む例示的な排気ガス処理デバイスの部分図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
排気ガス処理デバイス用途で使用するための多層装着マットが提供される。装着マットは、耐熱性無機繊維と、任意選択で、犠牲として焼失するように適合されるのが一般的な有機質バインダとを含む複数のプライを含み、装着マットプライのうちの少なくとも１つまたは複数は、装着マットのｘ−ｙ平面に配向された無機繊維の大半または大部分を含む。ある特定の実施形態によれば、少なくとも１つの装着マットプライは、任意選択で膨張性材料を含んでもよい。
【００１３】
また、排気ガスを処理するためのデバイスも提供される。このデバイスは、外側金属ハウジングと、装着マットによってハウジング内に装着される少なくとも１つの脆弱構造とを含み、この装着マットは、ハウジングの内側表面と脆弱構造の外側表面との間に設けられる。用語「脆弱構造」は、金属またはセラミックのモノリスなどの構造、あるいは脆弱または本質的に脆弱であってもよく、本明細書に記載されるような装着マットによる恩恵を受けることになるような構造物を意味し、そのような構造を含むものである。
【００１４】
触媒コンバータ触媒構造は、一般に、ハウジング内に耐熱性材料によって装着された、１つまたは複数の多孔質の管状構造またはハニカム様構造を含む。各構造は、排気ガス処理デバイスのタイプに応じて、約６．５平方センチメートル（１平方インチ）あたり約２００個〜約９００個またはそれよりも多くのチャネルまたはセルを含むことができる。ディーゼル微粒子トラップは、特定のトラップ内のチャネルまたはセルがそれぞれ、一端で閉じている点で、触媒コンバータ構造とは異なる。高温焼失プロセスによって再生されるまで、多孔質構造中の排気ガスから、微粒子が収集される。装着マットの自動車以外の適用例として、化学産業の排出（排気）スタック用の触媒コンバータを含むことができる。
【００１５】
図１では、排気ガスを処理するためのデバイスの１つの例示的な形態を、参照符号１０で示す。装着マットは、図１に示されたデバイスで使用するように限定されるものではなく、したがって、その形状は、例示的な実施形態として示されているにすぎないことを理解されたい。実際には、装着マットを使用して、ディーゼル触媒構造、ディーゼル微粒子トラップなどのような、排気ガスを処理するのに好適な任意の脆弱構造を装着または支持することができる。
【００１６】
ある特定の例示的な実施形態によれば、触媒コンバータ１０は、フランジ１６によって一緒に保持された２片の金属、たとえば、耐高温性スチールで形成されたハウジング１２を含むことができる。代替的には、ハウジングは、あらかじめ形成されたキャニスタを含むことができ、そのキャニスタに、装着マットを巻き付けた脆弱構造が挿入される。ハウジング１２は、一端に入口１４を、また、対向する端部に出口（図示せず）を含む。入口１４および出口は、外側端部に好適に形成され、それにより、入口１４および出口を、内燃機関の排気系中の導管に固定することができる。デバイス１０は、装着マット２０によって、ハウジング１２内に支持および拘束される、脆弱なセラミックのモノリス１８のような脆弱構造を含んでいる。モノリス１８は、一端にある入口から対向する端部にある出口まで軸方向に延びる複数の気体通過通路を含む。モノリス１８は、任意の知られる様式および構造で、任意の好適な耐火性金属またはセラミック材料から構築することができる。モノリスは、典型的には、断面構造が楕円または円形であるが、他の形状が可能である。
【００１７】
モノリスは、一定の距離または一定の隙間だけ、ハウジングの内側表面から離隔しており、その距離または隙間は、利用されるデバイス、たとえば、触媒コンバータ、ディーゼル触媒構造、またはディーゼル微粒子トラップのタイプおよび設計にしたがって変えることができる。この隙間を装着マット２０で埋めて、セラミックのモノリス１８に弾性的な支持が提供される。弾性的な装着マット２０は、外部環境に対する断熱と、脆弱構造に対する機械的支持の両方を提供し、それにより、広範囲の排気ガス処理デバイスの動作温度にわたって、機械的衝撃から脆弱構造が保護される。
【００１８】
一般に、装着マットは、耐熱性無機繊維を含む複数のプライを含み、任意選択で、犠牲として焼失するように適合された有機質バインダを含むことができ、少なくとも１つのプライ、または複数の装着マットプライは、装着マットのｘ−ｙ平面に配向された無機繊維の大半を含む。装着マット２０は、広い温度範囲にわたって、排気ガス処理デバイス１０のハウジング１２内に脆弱な触媒支持構造を弾性的に保持するのに十分な保持圧力を提供することができる。
【００１９】
典型的には、ウェットレイドされた膨張性マットまたは非膨張性マットは、ロトフォーマーのような製紙デバイス上で、単一の層として製造される。マットが、別々に製造された複数のプライまたは層で作製される場合、装着マットの性能および保持力が大幅に改善されることが分かった。たとえば、単層の基礎質量が１０００ｇ／ｍ2の装着マットの性能は、それぞれの基礎質量が１００ｇ／ｍ2の層を１０枚の製造し、それらを組み合わせて、基礎質量が１０００ｇ／ｍ2（ｇｓｍ）の多プライ装着マットを作成することによって改善することができる。
【００２０】
ウェットレイドされたマットの基礎質量および厚み分布は、典型的には、ドライレイドされたマットよりも均一である。ウェットレイドシステムでは、希釈レベルが高く、化学物質が分散していることを利用して、均一なシートを製造することができる。しかしながら、装着マットが、所与の基礎質量の単一の厚い層として製造されるときには、繊維の大部分は、シートの所望のｘ−ｙ平面以外の方向に配向され、あるいは置かれる。この現象により、装着マットの耐荷重能力が低減される結果となる。複数の薄層シートを製造し、それらを組み合わせてターゲットとなる基礎質量および厚みを達成することによって、繊維の大部分を強制的にｘ−ｙ平面中に置き、装着マット製品の性能全体を高めることができる。
【００２１】
繊維が装着マットの内側で置かれる配向は、マットの性能に影響を及ぼす。性能または保持圧力を最大にするためには、すべての繊維が、装着マットのｘ−ｙ平面に配向されることが理想的である。すべてのまたはほとんどの繊維をｘ−ｙ平面中に配置することによって、マットは、理論的には、ちょうど１繊維厚さでなければならず、それにより、確実に、マット構造（の厚み）を貫通して垂直に交差する繊維が全くないようになる。装着マットがより厚く、より重くなると、より多くの繊維が、ｘ−ｙ平面以外の方向に配向されるようになる。ｘ−ｙ平面以外の配向のこれらの繊維は、理論的には、いかなる荷重にも耐えられず、したがって、保持圧力には寄与しない。典型的な非膨張性装着マットは、約１２００ｇｓｍ以上である。その質量でのマットの厚みは、８ｍｍ以上であり、多くの繊維が装着マットのｘ−ｙ平面以外の方向に配向されている。
【００２２】
ある厚みおよび／またはあるの重さの装着マットのｘ−ｙ平面に配向された繊維の大半を達成するためのプロセスは、個別の薄いプライまたは層を製造することと、複数の層を組み合わせて、所望の基礎質量および／または厚みの装着マットを製造することとを含む。このようにすると、繊維の大部分は、ｘ−ｙ平面または方向に配向されることになり、垂直に配向された質量にまったく耐えられない繊維のパーセンテージを減らすことによって、耐荷重面積がより大きくなる。得られた装着マットは、同じ基礎質量および／または厚みの単層装着マットよりも引張応力が高くなり、性能がはるかに高くなる。
【００２３】
ある実施形態では、個別の膨張性または非膨張性の繊維プライまたは層は、それぞれ、厚みが約３ｍｍ、基礎質量が１メートル平方あたり約３０〜約５０グラム（ｇｓｍ）となり得る。個別のプライが重ねられ、または積層され、約１０以上の層のスタックを、限定ではなく例として（後述の）ニードリングすることによって処理した後、得られた多層マットは、厚みが約１０ｍｍとなり、基礎質量が１５００ｇｓｍとなり得る。
【００２４】
対象の装着マットで利用される耐高温性の無機繊維は、装着マット形成プロセスに耐え、排気ガス処理デバイスの動作温度に耐え、その動作温度における、排気ガス処理デバイスのハウジング内に脆弱構造を保持するための保持圧力性能を最小限にすることができる。限定することなく、装着マットおよび排気ガス処理デバイスを準備するために使用することができる好適な無機繊維には、高アルミナ多結晶繊維、ムライト繊維、アルミノシリケート繊維またはカオリン繊維のような耐火性セラミック繊維、アルミナジルコニアシリカ繊維、Ｓガラス繊維またはＳ２ガラス繊維のようなアルミナマグネシアシリカ繊維、せん断浸出ガラス高シリカ繊維、限定的ではなく、カルシアマグネシアシリカ繊維およびマグネシアシリカ繊維のような生体溶解性のアルカリ土類シリケート繊維を含む生体溶解性無機繊維、あるいはそれらの組合せが含まれる。
【００２５】
ある特定の実施形態によれば、装着マットを準備するために使用される耐高温性の無機繊維は、アルミナを含むセラミック繊維が含まれる。限定することなく、好適なセラミック繊維には、アルミナ繊維、ムライト繊維、アルミノシリケート繊維、アルミナジルコニアシリカ繊維、および同様の繊維が含まれる。高アルミナ多結晶繊維は、約７２〜約１００質量パーセントのアルミナと約０〜約２８質量パーセントのシリカとからなる繊維化生成物を含むことができる。好適なアルミノシリケートセラミック繊維は、Ｕｎｉｆｒａｘ Ｉ ＬＬＣ（米国ニューヨーク州ナイアガラフォールズ）からＦＩＢＥＲＦＲＡＸという登録商標で市販されている。ＦＩＢＥＲＦＲＡＸ（登録商標）セラミック繊維は、約４５〜約７５質量パーセントのアルミナと、約２５〜約５５質量パーセントのシリカとを含む溶融物の繊維化生成物を含む。ＦＩＢＥＲＦＲＡＸ（登録商標）繊維は、最高約１５４０℃の動作温度および最高約１８７０℃の融点を示す。ＦＩＢＥＲＦＲＡＸ（登録商標）繊維で、耐高温性のシートおよび紙を容易に形成することができる。
【００２６】
ある実施形態では、アルミノシリケート繊維のような耐火性セラミック繊維（ＲＣＦ）は、約４０質量パーセント〜約６０質量パーセントのＡｌ2Ｏ3と、約６０質量パーセント〜約４０質量パーセントのＳｉＯ2とを含むことができ、いくつかの実施形態では、約４７〜約５３質量パーセントのアルミナと、約４７〜５３質量パーセントのシリカとを含むことができる。ＲＣＦ繊維は、成分材料の溶融物から吹き付ける、または紡ぐことができる繊維化生成物である。
【００２７】
アルミナジルコニアシリカ繊維は、アルミナとシリカとジルコニアとからなる繊維化生成物を含み、ある特定の実施形態では、約２９〜約３１質量パーセントのアルミナ、約５３〜約５５質量パーセントのシリカ、および約１５〜約１７質量パーセントのジルコニアの量で含む。
【００２８】
アルミナ／シリカ／マグネシアガラス繊維は、典型的には、約６４質量パーセント〜約６６質量パーセントのＳｉＯ2と、約２４質量パーセント〜約２５質量パーセントのＡｌ2Ｏ3と、約９質量パーセント〜約１１質量パーセントのＭｇＯとを含む。
【００２９】
ある実施形態では、装着マットは、高シリカ含有量を有する、溶融形成されたアモルファスで耐高温性の浸出ガラス繊維を含む。用語「高シリカ含有量」とは、繊維に含有されたシリカが、繊維中の任意の他の組成成分よりも多いことを意味する。実際には、浸出後のこれらの繊維のシリカ含有量は、典型的には、結晶質の石英由来の繊維または純粋なシリカ繊維を除けば、Ｓガラス繊維を含む、シリカを含有する任意の他のガラス繊維よりも多い。一実施形態では、装着マットには、膨張性材料、ゾルゲル由来のガラスシリカ繊維、および／または裏打ち層もしくは強化層がないことが理解されよう。
【００３０】
一般には、浸出ガラス繊維のシリカ含有量は、少なくとも６７質量パーセントである。ある実施形態では、浸出ガラス繊維は、少なくとも９０質量パーセントのシリカを含有し、これらのうちのいくつかでは、約９０質量パーセント〜９９質量パーセント未満のシリカを含有する。これらの浸出ガラス繊維の平均繊維径は、少なくとも約３．５ミクロン以下であることがあり、少なくとも約５ミクロン以下であることが多い。平均的には、ガラス繊維の直径は、典型的には、約９ミクロンであり、最大で約１４ミクロンである。
【００３１】
シリカ含有量が高く、触媒コンバータまたは他の知られる排気ガス処理デバイス用の装着マットを製造する際に使用するのに好適な浸出ガラス繊維の例として、ドイツのＢｅｌＣｈｅｍ Ｆｉｂｅｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＧｍｂＨからＢＥＬＣＯＴＥＸという商標で入手可能な浸出ガラス繊維、米国カリフォルニア州ガーディーナのＨｉｔｃｏ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，Ｉｎｃ．からＲＥＦＲＡＳＩＬという登録商標で入手可能な浸出ガラス繊維、およびベラルーシ共和国のＰｏｌｏｔｓｋ−ＳｔｅｋｌｏｖｏｌｏｋｎｏからＰＳ−２３（Ｒ）という品名で入手可能な浸出ガラス繊維が挙げられる。
【００３２】
ＢＥＬＣＯＴＥＸ繊維は、標準的なタイプのステープル繊維のプリヤーンである。これらの繊維の平均繊度は、約５５０テックスであり、一般には、アルミナによって改質されたケイ酸から作製される。ＢＥＬＣＯＴＥＸ繊維はアモルファスであり、一般には、約９４．５パーセントのシリカと、約４．５パーセントのアルミナと、０．５パーセント未満の酸化ナトリウムと、０．５パーセント未満の他の構成成分とを含有する。これらの繊維の平均繊維径は約９ミクロンであり、融点は１５００℃〜１５５０℃の範囲である。これらの繊維は、最高１１００℃の温度に対して耐熱性であり、典型的には、ショットフリーかつバインダフリーである。
【００３３】
ＲＥＦＲＡＳＩＬ繊維は、ＢＥＬＣＯＴＥＸ繊維と同様に、１０００℃〜１１００℃の温度範囲の適用に関する断熱材を提供するための、シリカ含有量が高いアモルファスな浸出ガラス繊維である。これらの繊維の直径は、約６〜約１３ミクロンであり、融点は約１７００℃である。浸出後、繊維のシリカ含有量は、典型的には、約９５質量パーセントとなる。アルミナは、約４質量パーセントの量で、他の成分は、１パーセント以下の量で存在し得る。
【００３４】
Ｐｏｌｏｔｓｋ−ＳｔｅｋｌｏｖｏｌｏｋｎｏのＰＳ−２３（Ｒ）繊維は、シリカ含有量が高く、少なくとも約１０００℃に対する耐性を必要とする適用例に関する断熱材に好適なアモルファスなガラス繊維である。これらの繊維の繊維長は、約５〜約２０ｍｍの範囲であり、繊維径は約９ミクロンである。これらの繊維の融点は、ＲＥＦＲＡＳＩＬ繊維と同様に、約１７００℃である。
【００３５】
使用することができる好適な耐高温性の生体溶解性無機繊維には、限定することなく、カルシアマグネシアシリケート繊維またはマグネシアシリケート繊維のようなアルカリ土類シリケート繊維、カルシアアルミネート繊維、ポタジアカルシアアルミネート繊維、ポタジアアルミナシリケート繊維、あるいはソディアアルミナシリケート繊維が含まれる。
【００３６】
用語「生体溶解性」無機繊維とは、溶解可能である、あるいは他の場合には生理学的媒体中で、または模擬肺体液、生理食塩水、緩衝生理食塩水などのような模擬生理学的媒体中で分解可能である無機繊維を指す。繊維の溶解度は、模擬生理学的媒体における繊維の溶解度を経時的に測定することによって評価することができる。また、生体溶解度は、試験動物に繊維を直接移植した効果を観察することによって、あるいは、繊維に曝露された動物またはヒト、すなわち、生体残留性を検査することによって推定することができる。
【００３７】
生理学的媒体における繊維の生体溶解度（すなわち、非耐久性）を測定するための方法は、Ｕｎｉｆｒａｘ Ｉ ＬＬＣに譲渡された米国特許第５，８７４，３７５号に開示されており、その内容は本明細書に参照として組み込まれる。他の方法は、無機繊維の生体溶解度を評価するのに好適である。ある実施形態によれば、生体溶解性繊維は、３７℃の模擬肺液のフロー（０．３ｍｌ／分）に０．１ｇサンプルとして曝露されたときに、少なくとも３０ｎｇ／ｃｍ2／時の溶解度を示す。他の実施形態によれば、生体溶解性無機繊維は、３７度の模擬肺液のフロー（３ｍｌ／分）に０．１ｇのサンプルとして曝露されたときに、少なくとも５０ｎｇ／ｃｍ2／時の溶解度、または少なくとも１００ｎｇ／ｃｍ2／時、または少なくとも１０００ｎｇ／ｃｍ2／時の溶解度を示すことがある。
【００３８】
繊維の生体溶解度を推定するための別の手法は、繊維の構成成分に基づく。たとえば、ドイツでは、成分指標（ＫＩ値）に基づいて、吸入性の無機酸化物繊維を分類している。ＫＩ値は、アルカリとアルカリ土類酸化物との質量パーセントの和及び、無機酸化物繊維中の酸化アルミニウムの質量パーセントの２倍の差引きによって計算される。生体溶解性である無機繊維のＫＩ値は、典型的には、約４０以上である。
【００３９】
限定することなく、排気ガス処理デバイス用の装着マットを準備するために使用することができる生体溶解性アルカリ土類シリケート繊維の好適な例として、米国特許第６，９５３，７５７号、米国特許第６，０３０，９１０号、米国特許第６，０２５，２８８号、米国特許第５，８７４，３７５号、米国特許第５，５８５，３１２号、米国特許第５，３３２，６９９号、米国特許第５，７１４，４２１号、米国特許第７，２５９，１１８号、米国特許第７，１５３，７９６号、米国特許第６，８６１，３８１号、米国特許第５，９５５，３８９号、米国特許第５，９２８，０７５号、米国特許第５，８２１，１８３号、および米国特許第５，８１１，３６０号に開示される繊維が挙げられ、当該特許は、参照として本明細書に組み込まれる。
【００４０】
ある実施形態によれば、生体溶解性アルカリ土類シリケート繊維は、マグネシウム酸化物およびシリカ酸化物の混合物からなる繊維化生成物を含むことができる。これらの繊維は、一般に、マグネシウムシリケート繊維と呼ばれる。マグネシウムシリケート繊維は、一般に、約６０〜約９０質量パーセントのシリカと、０〜約３５質量パーセント（０質量パーセントは含まず）のマグネシアと、５質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含む。ある実施形態によれば、アルカリ土類シリケート繊維は、約６５〜約８６質量パーセントのシリカと、約１４〜約３５質量パーセントのマグネシアと、５質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含む。他の実施形態によれば、アルカリ土類シリケート繊維は、約７０〜約８６質量パーセントのシリカと、約１４〜約３０質量パーセントのマグネシアと、５質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含む。好適なマグネシウムシリケート繊維は、Ｕｎｉｆｒａｘ Ｉ ＬＬＣ（米国ニューヨーク州ナイアガラフォールズ）からＩＳＯＦＲＡＸという登録商標で市販されている。市販されているＩＳＯＦＲＡＸ（登録商標）繊維は、一般に、約７０〜約８０質量パーセントのシリカと、約１８〜約２７質量パーセントのマグネシアと、４質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含む。
【００４１】
ある実施形態によれば、生体溶解性アルカリ土類シリケート繊維は、カルシウム酸化物と、マグネシウム酸化物と、シリカ酸化物との混合物からなる繊維化生成物を含むことができる。これらの繊維は、一般に、カルシアマグネシアシリカ繊維と呼ばれる。ある実施形態によれば、カルシアマグネシアシリケート繊維は、約４５〜約９０質量パーセントのシリカと、０〜約４５質量パーセント（０質量パーセントは含まず）のカルシアと、０〜約３５質量パーセント（０質量パーセントは含まず）のマグネシアと、１０質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含む。ある実施形態では、生体溶解性カルシアマグネシアシリカ繊維は、約１５％〜約３５％のＣａＯと、約２．５％〜約２０％のＭｇＯと、約６０％〜約７０％のＳｉＯ2を含む。
【００４２】
有用なカルシアマグネシアシリケート繊維は、Ｕｎｉｆｒａｘ Ｉ ＬＬＣ（米国ニューヨーク州ナイアガラフォールズ）からＩＮＳＵＬＦＲＡＸという登録商標で市販されている。ＩＮＳＵＬＦＲＡＸ（登録商標）繊維は、一般に、約６１〜約６７質量パーセントのシリカと、約２７〜約３３質量パーセントのカルシアと、約２〜約７質量パーセントのマグネシアとからなる繊維化生成物を含む。他の好適なカルシアマグネシアシリケート繊維は、Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ（米国ジョージア州オーガスタ）からＳＵＰＥＲＷＯＯＬ ６０７、ＳＵＰＥＲＷＯＯＬ ６０７ ＭＡＸおよびＳＵＰＥＲＷＯＯＬ ＨＴという商品名で市販されている。ＳＵＰＥＲＷＯＯＬ（登録商標）６０７繊維は、約６０〜約７０質量パーセントのシリカと、約２５〜約３５質量パーセントのカルシアと、約４〜約７質量パーセントのマグネシアと、痕跡量のアルミナとを含む。ＳＵＰＥＲＷＯＯＬ（登録商標）６０７ ＭＡＸ繊維は、約６０〜約７０質量パーセントのシリカと、約１６〜約２２質量パーセントのカルシアと、約１２〜約１９質量パーセントのマグネシアと、痕跡量のアルミナとを含む。ＳＵＰＥＲＷＯＯＬ（登録商標）ＨＴ繊維は、約７４質量パーセントのシリカと、約２４質量パーセントのカルシアと、痕跡量のマグネシア、アルミナおよび酸化鉄とを含む。
【００４３】
ある実施形態によれば、生体溶解性アルカリ土類シリケート繊維は、カルシウム酸化物とアルミニウム酸化物との混合物からなる繊維化生成物を含むことができる。ある実施形態によれば、少なくとも９０質量パーセントのカルシアアルミネート繊維は、約５０〜約８０質量パーセントのカルシアと、約２０質量パーセント〜５０質量パーセント以下のアルミナと、１０質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含む。他の実施形態によれば、少なくとも９０質量パーセントのカルシアアルミネート繊維は、約５０〜約８０質量パーセントのアルミナと、約２０から５０質量パーセント（２０質量パーセントは含まず）のカルシアと、１０質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含む。
【００４４】
ある実施形態によれば、生体溶解性アルカリ土類シリケート繊維は、カリウム酸化物とカルシウム酸化物とアルミニウム酸化物との混合物からなる繊維化生成物を含むことができる。ある実施形態によれば、ポタジアカルシアアルミネート繊維は、約１０〜約５０質量パーセントのカルシアと、約５０〜約９０質量パーセントのアルミナと、０〜約１０質量パーセント（０質量パーセントは含まず）のポタジアと、１０質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含む。
【００４５】
生体溶解性繊維は、典型的には、溶解形成することができるアモルファスな無機繊維またはガラス繊維であり、化学的純度が高い（約９８％超の）繊維であり、平均直径が、約１μｍ〜約１０μｍの範囲であり、ある実施形態では、約２μｍ〜約４μｍの範囲であり得る。特に必要とされるものではないが、繊維は、当分野でよく知られるように加工することができる。
【００４６】
任意選択で、装着マットに組み込むことができる膨張性材料として、限定することなく、拡張していないバーミキュライト、イオン交換されたバーミキュライト、加熱処理されたバーミキュライト、拡張可能なグラファイト、ハイドロバイオタイト、水膨潤四ケイ酸フッ素雲母、アルカリ金属シリケート、またはそれらの混合物を含むことができる。膨張性材料は、装着マット中に、最終的なマットの約１０質量％〜約６０質量％の量で存在し得る。装着マットは、２つ以上のタイプの膨張性材料の混合物を含むことができる。膨張性材料は、米国特許第５，３８４，１８８号に記載されるように、約９：１〜約１：２のバーミキュライト：グラファイトの相対量で、拡張していないバーミキュライトと拡張可能なグラファイトとの混合物を含むことができる。
【００４７】
いくつかの実施形態では、装着マットは、耐高温性の無機繊維の実質的に非拡張性の多層シートと、任意選択で、バインダとを含むことができる。「実質的に非拡張」とは、膨張性シートまたは紙の場合に予測されるように、熱を加えたときに、シートが容易には拡張しないことを意味する。もちろん、シートは、拡張熱係数に基づいて、いくらか拡張する。しかしながら、膨張特性に基づいて生じる拡張と比較すると、拡張量は、わずかである。このタイプの装着マットには、実質的に、膨張性材料がなくてもよいことが理解されよう。
【００４８】
装着マットは、１つまたは複数の有機バインダを含む。バインダ粉末のような固体、液体、溶液、分散物、ラテックス、乳化物、または同様の形態として、有機バインダを提供することができる。有機バインダは、硬化後に、設置された装着マットから焼失させることができる可撓性材料である熱可塑性または熱硬化性バインダを含むことができる。好適な有機バインダの例として、限定するものではないが、アクリルラテックス、（メタ）アクリルラテックス、スチレンとブタジエンとのコポリマー、ビニルピリジン、アクリルニトリル、アクリルニトリルとスチレンとのコポリマー、ビニルクロライド、ポリウレタン、ビニルアセテートとエチレンとのコポリマー、ポリアミドなどが挙げられる。他の樹脂は、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、およびポリビニルエステルのような、低温で可撓性の熱硬化性樹脂を含む。
【００４９】
有機バインダは、装着マットの総質量に基づいて、装着マット中に、０〜約２０質量パーセント（０質量パーセントは含まず）の量で、ある実施形態では、約０．５〜約１５質量パーセントの量で、他の実施形態では、約１〜約１０質量パーセントの量で、いくつかの実施形態では、約２〜約８質量パーセントの量で含まれ得る。
【００５０】
装着マットは、樹脂バインダまたは液体バインダの代わりに、またはそれに加えて、高分子バインダ繊維を含むことができる。これらの高分子バインダ繊維は、耐熱性無機繊維を１つに結合させる際に役立つように、装着マットの総質量に基づいて、０〜約２０質量パーセント（０質量パーセントは含まず）の、ある実施形態では、約１〜約１５質量パーセントの、他の実施形態では、約２〜約１０質量パーセントの範囲の量で使用することができる。バインダ繊維の好適な例として、ポリビニルアルコール繊維、ポリエチレンおよびポリプロピレンのようなポリオレフィン繊維、アクリル繊維、ポリエステル繊維、エチルビニルアセテート繊維、ナイロン繊維、およびそれらの組合せが挙げられる。
【００５１】
典型的には、有機バインダは、繊維を１つに結合するために最初に採用される犠牲バインダである。「犠牲」とは、装着マットの温度が動作温度へと上昇するにつれて、有機バインダが、装着マットから最終的に焼失することを意味し、金属ハウジング内に脆弱構造を支持するための装着マットの成分として、無機繊維と、任意選択で膨張性材料とが残る。
【００５２】
バインダのための溶媒は、水、またはアセトンのような好適な有機溶媒を含むことができる。（使用される場合）溶媒におけるバインダの溶液強度は、所望のバインダ荷重およびバインダシステムの加工性（粘性、固体含量など）に基づいて、従来の方法によって求めることができる。
【００５３】
ある実施形態では、多層装着マットは、コロイド状シリカ、コロイド状アルミナ、コロイド状ジルコニア、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つをさらに含むことができる。装着マットの総質量に基づいて、約０．１質量パーセント〜約１０質量パーセントの量で、コロイド状無機酸化物を装着マットに加えることができる。
【００５４】
シート様の材料を形成するための当分野で知られる任意の方法で、装着マット材料を製造することができる。たとえば、ハンドレイドまたはマシンレイドのいずれかの従来の製紙プロセスを使用して、シート材料を準備することができる。シート材料を作製するために、ハンドシートモールド、長網抄紙機、またはロトフォーマー抄紙機を使用することができる。
【００５５】
たとえば、製紙プロセスを使用して、無機繊維と、有機バインダと、任意選択で膨張性材料とを一緒に混合して、混合物またはスラリーを形成することができる。繊維成分は、約０．２５％〜約５％の粘稠度または固体含量（９９．７５〜９５部の水に対して０．２５〜５部の固体）で混合することができる。構成成分のスラリーは、生成を促進するために、水で希釈することができ、凝集剤および排液保持助剤と、任意選択で、他の添加物とをスラリーに加えることによって凝集させることができる。凝集された混合物またはスラリーを、製紙機械上に置き、それらで繊維を含有する紙のプライまたはシートを形成する。次いで、複数の湿潤したプライまたはシートのスタックを、空気乾燥またはオーブン乾燥などによって乾燥させる。採用される標準的な製紙技法のより詳細な説明については、米国特許第３，４５８，３２９号を参照されたい。この特許の開示は、その開示が本明細書に参照として組み込まれる。
【００５６】
代替的には、スラリーを真空キャスティングすることによって、プライまたはシートを形成することができる。この方法によれば、構成成分のスラリーは、先に置かれたウェブ上にウェットレイドされる。スラリーから水分の大部分を引き出すために、ウェブを真空にし、それにより、湿潤したプライまたはシートが形成される。次いで、複数の湿潤したプライまたはシートのスタックを、典型的にはオーブン中で乾燥させる。プライまたはシートのスタックは、乾燥前または乾燥後に、ローラのセットを通過させて、スタックを圧縮することができる。
【００５７】
主題の装着マットを作製するためのプロセスの一実施形態では、耐高温性繊維と、任意選択で有機バインダと、任意選択で膨張性材料とを含むプライまたは層は、ロトフォーマー上にウェットレイドされ、依然として湿潤している紙またはシートの複数のプライまたは層は、積層され、乾燥オーブンを通って供給される前に、「ニードル処理器」を通して処理される。このプロセスは、シートを乾燥させる前に、水性製紙溶液またはスラリーで依然として湿潤させておきながら、繊維の一部分を撚合および交絡させるように、繊維をニードルパンチングすることを含んでもよい。したがって、得られた装着マットは、同様の厚みまたは密度をもつ従来技術の装着マットと比較して、強度が増している。
【００５８】
（通常は、繊維化ステップの直後に行われる）典型的な繊維ニードリング動作では、繊維の破損を防ぎ、繊維の移動および交絡をしやすくするために、潤滑液（通常は、油、または他の潤滑性の有機物質）が使用される。このプロセスの一実施形態では、湿潤形成する製紙プロセスからの水を使用して、ニードリングのプロセスを補助することができる。代替的には、ニードリングプロセスの前に、ウェットレイドされたシートを乾燥させてもよい。
【００５９】
ニードリングとは、繊維の一部分を、紙またはシート内の配向から移動させ、紙またはシートの向かい合った表面間の距離をいくらか延長させる任意の動作を意味する。ニードリング装置は、典型的には、繊維のウェブが置かれる、または移動する水平表面と、下向きに延びたニードルのアレイを担持するニードルボードと含む。ニードルボードは、ニードルを往復運動させてウェブに出し入れし、ウェブの繊維のうち一部を、ウェブの表面と実質的に交差する平面に再配向する。ニードルは、ウェブを通して、繊維を１方向から押すことができ、あるいは、たとえば、ニードル上の羽根を使用することによって、ウェブの頂部から繊維を押すことも、ウェブの底部から繊維を引くこともできる。典型的には、羽根付きニードルにより、繊維紙またはシートを完全に、または部分的に貫通させることによって、繊維のわずかな部分が物理的に交絡する。
【００６０】
それに加えて、またはそれに代えて、繊維を撚合または交絡させるために、水交絡する方法を使用してもよい。水交絡プロセスでは、ワイヤスクリーンまたは有孔ドラムのような有孔表面上に繊維を支持した状態で、少量で高強度の水のジェットを、緩んだ繊維の層またはシートに衝突させる。液体ジェットにより、比較的短く、端部が緩んでいる繊維を再配置させ、繊維の少なくともいくつかの部分を互いに、物理的に交絡させ、巻き付け、および／または撚合させる。
【００６１】
依然として湿潤している紙または真空キャストマットのニードリングまたは水交絡の後、マットは、任意選択で、プレス加工することができ、オーブン中で、たとえば、限定ではなく約８０℃〜約７００℃で乾燥させる。
【００６２】
ウェットニードリングステップにより、脆い繊維であっても、大幅に破損させることなく織ることができるようになる。ウェットニードリングは、さらに、有機バインダが完全に焼失した後でも、車両の初期動作中などに高強度を実現し、その結果、マットは、自動車排気系が経験する振動状態下であっても耐久性が維持されることになる。
【００６３】
装着マットプライは、ある適用例で容易に使用するためには、密度が低すぎることがあることを留意されたい。したがって、装着マットプライは、薄いプライを積層することと、より高密度を実現するために、当分野で知られる任意の様式で処理することとを含むさらなる高密度化を受けることができる。上述のような高密度化の１つのそのような様式は、繊維をニードルパンチして、繊維の一部分を撚合および交絡させることである。それに加えて、またはそれに代えて、本明細書で詳細に上述したように、水交絡する方法を使用してもよい。別の代替方法は、プレスローラを通して繊維を圧延することによって、繊維をプレス加工してマット形態にすることである。マルチプライマットの高密度化のこれらの方法のいずれか、あるいはこれらの方法の組合せは、正確で所望される形態の装着マットを得るために容易に使用することができる。
【００６４】
上述の技法のうちのどれを採用するにかかわらず、複合物をダイスタンプなどによって切断し、再現可能な公差の厳密な形状およびサイズの装着マットを形成することができる。装着マット２０は、ニードリングなどによって高密度化すると、好適な取扱い特性を示し、これは、取扱いが容易で、多くの他の繊維ブランケットまたはマットのように、人の手で砕くことができるほど脆くはないことを意味する。装着マット２０は、ひび割れすることなく、脆弱構造１８または同様の脆弱構造のまわりに、容易かつ柔軟に嵌合させ、または巻き付け、次いで、触媒コンバータハウジング１２内に配置することができる。一般には、装着マットが巻き付けられた脆弱構造をハウジング中に挿入することができ、あるいは、装着マットが巻き付けられた脆弱構造のまわりに、ハウジングを構築または製造することができる。
【００６５】
以下の例は、装着マットおよび排気ガス処理デバイスをさらに示すことのみを目的として記載される。示された例は、装着マット、装着マットが組み込まれた排気ガス処理デバイス、あるいは装着マットまたは排気ガス処理デバイスを任意の様式で作製する方法を限定するものとして解釈するべきではない。
【００６６】
比較例１
ハンドシートモールドを使用して、装着マットの１６００ｇｓｍ単層を製造した。主に、ＲＣＦと少量の有機バインダとからマットを作製した。ハンドシートを乾燥させ、次いで、９ｍｍのターゲット厚さまでプレス加工した。ターゲット厚さにすることにより、マットの密度は、約１８０ｋｇ／ｍ3になった。
【００６７】
実施例２
ハンドシートモールドを使用して、それぞれが１６０ｇｓｍの１０枚の装着マットを製造した。主に、ＲＣＦと少量の有機バインダ繊維とから各シートを作製した。１０枚のハンドシートを乾燥させ、一緒にプレス加工して、比較例１のターゲット厚の１６００ｇｓｍ多層マットを形成した。ターゲット厚さにより、多層マットの密度は、約１８０ｋｇ／ｍ3になった。
【００６８】
実施例３
ロトフォーマーを使用して、７２５ｇｓｍシートを２枚製造した。主に、ＲＣＦと少量の追加の耐高温性の無機繊維とからシートを作製した。次いで、２枚のシートを組み合わせ、ニードルパンチングを使用して高密度化した。ニードルパンチング後、多層マットを焼成し、８．５ｍｍのターゲット厚さまで機械的に圧延した。ターゲット厚さにすることにより、マットの密度は、１７２ｋｇ／ｍ3になった。
【００６９】
実施例４
ロトフォーマーを使用して、３５０ｇｓｍシートを４枚製造した。主に、ＲＣＦと少量の追加の耐高温性の無機繊維とからシートを作製した。次いで、４枚のシートを組み合わせ、ニードルパンチングを使用して高密度化した。ニードルパンチング後、多層マットを焼成し、実施例３のターゲット厚さまで機械的に圧延した。ターゲット厚さにより、多層マットの密度は、１７２ｋｇ／ｍ3となった。
【００７０】
実施例５
ロトフォーマーを使用して、１７５ｇｓｍシートを８枚製造した。主に、ＲＣＦと少量の追加の耐高温性の無機繊維とからシートを作製した。次いで、８枚のシートを組み合わせ、ニードルパンチングを使用して高密度化した。ニードルパンチング後、多層マットを焼成し、実施例３のターゲット厚さまで機械的に圧延した。ターゲット厚さにより、多層マットの密度は、１７２ｋｇ／ｍ3になった。
【００７１】
試験
１０００サイクル試験を使用して、上記例に記載したように製造された様々なサンプルの性能を試験した。９００℃の高温面温度および５５０℃の冷温面温度において実施される標準的な１０００サイクル隙間拡張試験の１０００機械的サイクルにわたって試験を行った。隙間拡張は、８％で維持され、試験マットの隙間のバルク密度は０．３ｇ／ｃｍ3であった。
【００７２】
用語「サイクル」とは、モノリス（すなわち、脆弱構造）とハウジングとの間の隙間が、特定の距離にわたって、所定の速さで開閉することを意味する。現実的な状況をシミュレートするために、ハウジングと所与の直径の脆弱構造との間の隙間の拡張は、たとえば、約９００℃の温度における従来のハウジングの熱拡張係数を計算することによって求めることができる。次いで、試験の基準を満たし、１０００サイクル後にターゲットとなる最小保持力を実現する最終マット基礎質量が選択される。当業者であれば、これらのパラメータを採用して、不必要な実験を行うことなく、この１０００サイクル試験を行うことができることが理解されよう。すなわち、上記のセットパラメータにより、当業者は、マットの特徴または隙間のサイズにかかわらず、マットの効果的な保持圧力について同様の比較を行うことができるようになる。
【００７３】
以下の表１に、１０００サイクル後の各例の最小保持圧力を報告する。
表１
比較例１ （単層） １３．６ｋＰａ
実施例２ （１０層） １７．８ｋＰａ
実施例３ （２層） ２８ｋＰａ
実施例４ （４層） ３６ｋＰａ
実施例５ （８層） ４０ｋＰａ
【００７４】
実施例２の多層マットは、マットのｘ−ｙ平面に配向された繊維の割合が増大しており、比較例１の単層装着マット全体で、保持圧力が３０％増大することが立証された。マットのｘ−ｙ平面に配向された繊維の割合が増大したマットプライの数が増えると、対応する単一のプライマットのターゲット厚さを維持しながらも、実施例３〜５の多層マットの保持圧力が２０〜３０％増大することが立証された。
【００７５】
これらのマットは、触媒コンバータおよびディーゼル微粒子トラップ産業に有利である。装着マットは、ダイカットすることができ、可撓性形態の、取扱いを容易にする薄いプロファイルの弾性支持体として動作可能であり、それにより、所望の場合に、ひび割れすることなく、触媒支持構造全体に巻き付けることができるようになる。代替的には、装着マットは、触媒支持構造の少なくとも一部分の外周または周囲全体のまわりに一体的に巻き付けてもよい。また、装着マットは、部分的に巻き付けられ、所望される場合には、ガスバイパスを防止するために、いくつかの従来のコンバータデバイスで現在使用されるようなエンドシールを含んでもよい。
【００７６】
また、上述された装着マットは、とりわけ、自動二輪車および他の小型エンジン機械用の従来の自動車触媒コンバータおよび自動車プレコンバータだけでなく、高温スペーサ、ガスケット、さらに次世代の自動車基部の触媒コンバータシステムのような様々な適用例で有用である。一般には、上述された装着マットは、室温において保持圧力を励起するために、より重要な点では、熱循環を含めて、上昇した温度において保持圧力を保持する能力を提供するために、マットまたはガスケットを必要とする任意の適用例で使用することができる。
【００７７】
上述された主題の装着マット材料は、排気ガス処理デバイスにおけるエンドコーン断熱材として使用することができる。ある実施形態によれば、排気ガス処理デバイス用のエンドコーンが提供される。本エンドコーンは、一般に、外側金属コーンと、内側金属コーンと、外側金属コーンと内側金属コーンとの間の隙間または空間内に設けられたエンドコーン断熱材とを備える。
【００７８】
他の実施形態によれば、このエンドコーンは、外側金属コーンと、外側金属コーンの内側表面に隣接して配置されたコーン断熱材の少なくとも１つの層とを含むことができる。これらの実施形態によれば、このエンドコーンアセンブリには、内側金属コーンがない。そうではなく、本コーン断熱材は、デバイスを通過する高温ガスに対して耐性がある自己支持型コーン構造を提供するために、既知の方法で剛性化される。
【００７９】
少なくとも１つのエンドコーンを含む排気ガス処理デバイスが提供される。本排気ガス処理デバイスは、ハウジングと、ハウジング内の配置された脆弱構造と、ハウジングに排気パイプを取り付けるために、入口エンドコーンアセンブリと、出口エンドコーンアセンブリとを備えることができ、各エンドコーンアセンブリは、内側エンドコーンハウジングと、外側エンドコーンハウジングと、エンドコーン断熱材とを含む。主題の多層装着マットは、エンドコーン断熱材として設けることができ、排気ガス処理デバイスの２重壁エンドコーンアセンブリの内側コーンハウジングと外側コーンハウジングとの間に配置することができる。
【００８０】
また、上述された装着マットは、保護的に装着しなければならない脆弱なハニカムタイプ構造を含むものを含んで、排気または排出スタック内に配置された、化学産業で採用される触媒コンバータで使用することができる。
【００８１】
本発明の主題の第１の実施形態は、耐高温性の無機繊維と、任意選択で有機バインダと、任意選択で膨張性材料とを備える排気ガス処理デバイス用の多層装着マットを含み、このマットは、繊維シートの複数のプライから形成され、少なくとも１枚の繊維シート中の繊維の大部分は、少なくとも１枚の繊維シートのｘ−ｙ平面内に配向される。
【００８２】
第１の実施形態の多層装着マットは、繊維シートの複数のプライ中の繊維の大部分が、繊維シートの複数のプライのｘ−ｙ平面内に配向されることをさらに含むことができる。
【００８３】
上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかまたは両方の多層装着マットは、繊維シートがウェットレイドされることをさらに含むことができる。
【００８４】
上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットは、ウェットニードリング、ドライニードリング、水交絡、またはプレス加工のうちの少なくとも１つによって、繊維のわずかな部分を多層装着マット内で物理的に交絡させることをさらに含むことができる。
【００８５】
上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットは、無機繊維が、高アルミナ多結晶繊維、耐火性セラミック繊維、ムライト繊維、アルミナジルコニアシリカ繊維、アルミナマグネシアシリカ繊維、ガラス繊維、耐高温性の生体溶解性繊維、浸出ガラスシリカ繊維、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つであることをさらに含むことができる。高アルミナ多結晶繊維は、約７２〜約１００質量パーセントのアルミナと、約０〜約２８質量パーセントのシリカとからなる繊維化生成物を含むことができる。耐火性セラミック繊維は、約４５〜約７５質量パーセントのアルミナと、約２５〜約５５質量パーセントのシリカとからなる繊維化生成物を含むアルミノシリケート繊維を含むことができる。生体溶解性繊維は、約６５〜約８６質量パーセントのシリカと、約１４〜約３５質量パーセントのマグネシアと、約５質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含むマグネシアシリカ繊維を含むことができる。生体溶解性繊維は、約４５〜約９０質量パーセントのシリカと、０〜約４５質量パーセント（０質量パーセントは含まず）のカルシアと、０〜約３５質量パーセント（０質量パーセントは含まず）のマグネシアとからなる繊維化生成物を含むカルシアマグネシアシリカ繊維を含むことができる。
【００８６】
上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットは、膨張性材料が、拡張していないバーミキュライト、イオン交換されたバーミキュライト、加熱処理されたバーミキュライト、拡張可能なグラファイト、ハイドロバイオタイト、水膨潤四ケイ酸フッ素雲母、アルカリ金属シリケート、またはそれらの混合物のうち少なくとも１つであることをさらに含むことができる。膨張性材料は、拡張していないバーミキュライトを含むことができる。
【００８７】
上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットは、有機バインダが、アクリルラテックス、（メタ）アクリルラテックス、スチレンとブタジエンとのコポリマー、ビニルピリジン、アクリルニトリル、アクリルニトリルとスチレンとのコポリマー、ビニルクロライド、ポリウレタン、ビニルアセテートとエチレンとのコポリマー、ポリアミド、シリコーン、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、およびポリビニルエステル、ならびにそれらの混合物のうちの少なくとも１つを含むことをさらに含むことができる。
【００８８】
上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットは、有機バインダが、ポリビニルアルコール繊維、ポリオレフィン繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、アクリル繊維、ポリエステル繊維、エチルビニルアセテート繊維、ナイロン繊維、およびそれらの組合せのうちの少なくとも１つを含むことをさらに含むことができる。
【００８９】
上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットは、コロイド状シリカ、コロイド状アルミナ、コロイド状ジルコニア、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つをさらに含むことができる。
【００９０】
本発明の主題の第２の実施形態は、上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットを製造するためのプロセスを含み、耐高温性繊維、任意選択で有機バインダ、および任意選択で膨張性材料を備える湿潤した紙またはシートを準備することと、湿潤した紙またはシートの複数のプライを一緒に積層することと、乾燥前に、湿潤した紙またはシートプライのスタック内のプライ間で、繊維の一部分を撚合または交絡させることとを含む。
【００９１】
第２の実施形態の方法は、前記撚合または交絡させることが、湿潤した紙またはシートプライのスタックをニードルパンチングすること、または水交絡することのうちの少なくとも１つを含むことをさらに含むことができる。
【００９２】
本発明の主題の第３の実施形態は、ハウジングと、ハウジング内に弾性的に装着された脆弱構造と、ハウジングと脆弱構造との間の隙間に設けられる装着マットとを備える排気ガス処理デバイスを含み、装着マットは、上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットである。
【００９３】
第３の実施形態の排気ガス処理デバイスは、このデバイスが、触媒コンバータまたはディーゼル微粒子トラップであることをさらに含むことができる。
【００９４】
本発明の主題の第４の実施形態は、外側金属コーンと、内側金属コーンと、前記外側金属エンドコーンと内側金属エンドコーンの間に設けられたコーン断熱材とを備える排気ガス処理デバイス用のエンドコーンを含み、前記コーン断熱材は、上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットを含む。
【００９５】
本発明の主題の第５の実施形態は、外側金属コーンと、上述された第１の実施形態または後続の実施形態のうちのいずれかの多層装着マットを備える自己支持型コーン断熱材とを備える排気ガス処理デバイス用のエンドコーンを含み、このコーン断熱材は、前記外側金属エンドコーンの内側表面に隣接して設けられる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐高温性の無機繊維と、
任意選択で有機バインダと、
任意選択で膨張性材料と
を備える排気ガス処理デバイス用の多層装着マットであって、
前記マットが、繊維シートの複数のプライから形成され、
少なくとも１つの繊維シート中の繊維の大部分が、前記少なくとも１つの繊維シートのｘ−ｙ平面内に配向される、
多層装着マット。
【請求項２】
繊維シートの前記プライのうちの複数中の繊維の大部分が、繊維シートの前記プライのうちの前記複数のｘ−ｙ平面内に配向される、請求項１に記載の多層装着マット。
【請求項３】
前記繊維シートがウェットレイドされる、請求項１に記載の多層装着マット。
【請求項４】
前記繊維のわずかな部分が、ウェットニードリング、ドライトニードリング、水交絡、またはプレス加工のうちの少なくとも１つによって、前記多層装着マット内で物理的に交絡される、請求項１に記載の多層装着マット。
【請求項５】
前記無機繊維が、高アルミナ多結晶繊維、耐火性セラミック繊維、ムライト繊維、アルミナジルコニアシリカ繊維、アルミナマグネシアシリカ繊維、ガラス繊維、耐高温性の生体溶解性繊維、浸出ガラスシリカ繊維、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の多層装着マット。
【請求項６】
前記高アルミナ多結晶繊維が、約７２〜約１００質量パーセントのアルミナと、約０〜約２８質量パーセントのシリカとからなる繊維化生成物を含む、請求項５に記載の多層装着マット。
【請求項７】
前記耐火性セラミック繊維が、約４５〜約７５質量パーセントのアルミナと、約２５〜約５５質量パーセントのシリカとからなる繊維化生成物を含むアルミノシリケート繊維を含む、請求項５に記載の多層装着マット。
【請求項８】
前記生体溶解性繊維が、約６５〜約８６質量パーセントのシリカと、約１４〜約３５質量パーセントのマグネシアと、約５質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含むマグネシアシリカ繊維を含む、請求項５に記載の多層装着マット。
【請求項９】
前記生体溶解性繊維が、約４５〜約９０質量パーセントのシリカと、０〜約４５質量パーセント（０質量％は含まず）のカルシアと、０〜約３５質量パーセント（０質量％は含まず）のマグネシアとからなる繊維化生成物を含むカルシアマグネシアシリカ繊維を含む、請求項５に記載の多層装着マット。
【請求項１０】
前記膨張性材料が、拡張していないバーミキュライト、イオン交換されたバーミキュライト、加熱処理されたバーミキュライト、拡張可能なグラファイト、ハイドロバイオタイト、水膨潤四ケイ酸フッ素雲母、アルカリ金属シリケート、またはそれらの混合物のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の多層装着マット。
【請求項１１】
前記膨張性材料が、拡張していないバーミキュライトを含む、請求項１０に記載の多層装着マット。
【請求項１２】
前記有機バインダが、アクリルラテックス、（メタ）アクリルラテックス、スチレンとブタジエンとのコポリマー、ビニルピリジン、アクリルニトリル、アクリルニトリルとスチレンとのコポリマー、ビニルクロライド、ポリウレタン、ビニルアセテートとエチレンとのコポリマー、ポリアミド、シリコーン、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、およびポリビニルエステル、ならびにそれらの混合物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の多層装着マット。
【請求項１３】
前記有機バインダが、ポリビニルアルコール繊維、ポリオレフィン繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、アクリル繊維、ポリエステル繊維、エチルビニルアセテート繊維、ナイロン繊維、およびそれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の多層装着マット。
【請求項１４】
コロイド状シリカ、コロイド状アルミナ、コロイド状ジルコニア、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項１に記載の多層装着マット。
【請求項１５】
耐高温性繊維、任意選択で有機バインダ、および任意選択で膨張性材料を含む湿潤した紙またはシートを準備することと、前記湿潤した紙またはシートの複数のプライを一緒に積層することと、乾燥前に、湿潤した紙またはシートプライの前記スタック内のプライ間で、前記繊維の一部分を撚合または交絡させることとを含む、請求項１〜１４のいずれかに記載の多層装着マットを製造するための方法。
【請求項１６】
前記撚合または交絡させることが、湿潤した紙またはシートプライの前記スタックをニードルパンチングすること、または水交絡することのうちの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
ハウジングと、
前記ハウジング内に弾性的に装着された脆弱構造と、
前記ハウジングと前記脆弱構造との間の隙間に設けられる装着マットと
を含む排気ガス処理デバイスであって、
前記装着マットが、請求項１〜１４のうちのいずれか１つに規定される、
排気ガス処理デバイス。
【請求項１８】
前記デバイスが、触媒コンバータまたはディーゼル微粒子トラップである、請求項１７に記載の排気ガス処理デバイス。
【請求項１９】
外側金属コーンと、
内側金属コーンと、
前記外側金属エンドコーンと前記内側金属エンドコーンとの間に設けられたコーン断熱材であって、請求項１〜１４のうちのいずれかに記載の前記多層装着マットを含む、コーン断熱材と、
を備える、排気ガス処理デバイス用のエンドコーン。
【請求項２０】
外側金属コーンと、
請求項１〜１４のうちのいずれかに記載の前記多層装着マットを備える自己支持型コーン断熱材と
を備える排気ガス処理デバイス用のエンドコーンであって、
前記コーン断熱材が、前記外側金属コーンの内側表面に隣接して設けられる、
排気ガス処理デバイス用のエンドコーン。
【請求項１】
耐高温性の無機繊維と、
任意選択で有機バインダと、
任意選択で膨張性材料と
を備える排気ガス処理デバイス用の多層装着マットであって、
前記マットが、繊維シートの複数のプライから形成され、
少なくとも１つの繊維シート中の繊維の大部分が、前記少なくとも１つの繊維シートのｘ−ｙ平面内に配向される、
多層装着マット。
【請求項２】
繊維シートの前記プライのうちの複数中の繊維の大部分が、繊維シートの前記プライのうちの前記複数のｘ−ｙ平面内に配向される、請求項１に記載の多層装着マット。
【請求項３】
前記繊維シートがウェットレイドされる、請求項１に記載の多層装着マット。
【請求項４】
前記繊維のわずかな部分が、ウェットニードリング、ドライトニードリング、水交絡、またはプレス加工のうちの少なくとも１つによって、前記多層装着マット内で物理的に交絡される、請求項１に記載の多層装着マット。
【請求項５】
前記無機繊維が、高アルミナ多結晶繊維、耐火性セラミック繊維、ムライト繊維、アルミナジルコニアシリカ繊維、アルミナマグネシアシリカ繊維、ガラス繊維、耐高温性の生体溶解性繊維、浸出ガラスシリカ繊維、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の多層装着マット。
【請求項６】
前記高アルミナ多結晶繊維が、約７２〜約１００質量パーセントのアルミナと、約０〜約２８質量パーセントのシリカとからなる繊維化生成物を含む、請求項５に記載の多層装着マット。
【請求項７】
前記耐火性セラミック繊維が、約４５〜約７５質量パーセントのアルミナと、約２５〜約５５質量パーセントのシリカとからなる繊維化生成物を含むアルミノシリケート繊維を含む、請求項５に記載の多層装着マット。
【請求項８】
前記生体溶解性繊維が、約６５〜約８６質量パーセントのシリカと、約１４〜約３５質量パーセントのマグネシアと、約５質量パーセント以下の不純物とからなる繊維化生成物を含むマグネシアシリカ繊維を含む、請求項５に記載の多層装着マット。
【請求項９】
前記生体溶解性繊維が、約４５〜約９０質量パーセントのシリカと、０〜約４５質量パーセント（０質量％は含まず）のカルシアと、０〜約３５質量パーセント（０質量％は含まず）のマグネシアとからなる繊維化生成物を含むカルシアマグネシアシリカ繊維を含む、請求項５に記載の多層装着マット。
【請求項１０】
前記膨張性材料が、拡張していないバーミキュライト、イオン交換されたバーミキュライト、加熱処理されたバーミキュライト、拡張可能なグラファイト、ハイドロバイオタイト、水膨潤四ケイ酸フッ素雲母、アルカリ金属シリケート、またはそれらの混合物のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の多層装着マット。
【請求項１１】
前記膨張性材料が、拡張していないバーミキュライトを含む、請求項１０に記載の多層装着マット。
【請求項１２】
前記有機バインダが、アクリルラテックス、（メタ）アクリルラテックス、スチレンとブタジエンとのコポリマー、ビニルピリジン、アクリルニトリル、アクリルニトリルとスチレンとのコポリマー、ビニルクロライド、ポリウレタン、ビニルアセテートとエチレンとのコポリマー、ポリアミド、シリコーン、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、およびポリビニルエステル、ならびにそれらの混合物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の多層装着マット。
【請求項１３】
前記有機バインダが、ポリビニルアルコール繊維、ポリオレフィン繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、アクリル繊維、ポリエステル繊維、エチルビニルアセテート繊維、ナイロン繊維、およびそれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の多層装着マット。
【請求項１４】
コロイド状シリカ、コロイド状アルミナ、コロイド状ジルコニア、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項１に記載の多層装着マット。
【請求項１５】
耐高温性繊維、任意選択で有機バインダ、および任意選択で膨張性材料を含む湿潤した紙またはシートを準備することと、前記湿潤した紙またはシートの複数のプライを一緒に積層することと、乾燥前に、湿潤した紙またはシートプライの前記スタック内のプライ間で、前記繊維の一部分を撚合または交絡させることとを含む、請求項１〜１４のいずれかに記載の多層装着マットを製造するための方法。
【請求項１６】
前記撚合または交絡させることが、湿潤した紙またはシートプライの前記スタックをニードルパンチングすること、または水交絡することのうちの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
ハウジングと、
前記ハウジング内に弾性的に装着された脆弱構造と、
前記ハウジングと前記脆弱構造との間の隙間に設けられる装着マットと
を含む排気ガス処理デバイスであって、
前記装着マットが、請求項１〜１４のうちのいずれか１つに規定される、
排気ガス処理デバイス。
【請求項１８】
前記デバイスが、触媒コンバータまたはディーゼル微粒子トラップである、請求項１７に記載の排気ガス処理デバイス。
【請求項１９】
外側金属コーンと、
内側金属コーンと、
前記外側金属エンドコーンと前記内側金属エンドコーンとの間に設けられたコーン断熱材であって、請求項１〜１４のうちのいずれかに記載の前記多層装着マットを含む、コーン断熱材と、
を備える、排気ガス処理デバイス用のエンドコーン。
【請求項２０】
外側金属コーンと、
請求項１〜１４のうちのいずれかに記載の前記多層装着マットを備える自己支持型コーン断熱材と
を備える排気ガス処理デバイス用のエンドコーンであって、
前記コーン断熱材が、前記外側金属コーンの内側表面に隣接して設けられる、
排気ガス処理デバイス用のエンドコーン。
【図１】
【公表番号】特表２０１３−５１４４９５（Ｐ２０１３−５１４４９５Ａ）
【公表日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４４７５４（Ｐ２０１２−５４４７５４）
【出願日】平成２２年１２月１５日（２０１０．１２．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０６０４９３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０８４４７５
【国際公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【出願人】（５００４２１４６２）ユニフラックス ワン リミテッド ライアビリティ カンパニー (19)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１５日（２０１０．１２．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０６０４９３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０８４４７５
【国際公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【出願人】（５００４２１４６２）ユニフラックス ワン リミテッド ライアビリティ カンパニー (19)
【Ｆターム（参考）】
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