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KR100414539B1 - 모노리스지지재의제조방법 - Google Patents

모노리스지지재의제조방법 Download PDF

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KR100414539B1
KR100414539B1 KR1019960707270A KR19960707270A KR100414539B1 KR 100414539 B1 KR100414539 B1 KR 100414539B1 KR 1019960707270 A KR1019960707270 A KR 1019960707270A KR 19960707270 A KR19960707270 A KR 19960707270A KR 100414539 B1 KR100414539 B1 KR 100414539B1
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KR
South Korea
Prior art keywords
monolith
thickness
support material
organic binder
mat
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Application number
KR1019960707270A
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English (en)
Inventor
마모루 쇼지
토시아키 사사끼
히토시 오타
마사유키 가스야
Original Assignee
미쓰비시 가가꾸 가부시키가이샤
신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
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Publication date
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First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=26429603&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=KR100414539(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by 미쓰비시 가가꾸 가부시키가이샤, 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤 filed Critical 미쓰비시 가가꾸 가부시키가이샤
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Abstract

내연기관의 배기 가스계에 사용되는 모노리스 지지재의 제조방법이 기재되어 있다. 특정 모노리스 지지재는 압축된 알루미나 섬유 매트에 유기 결합제를 균일하게 분산시킴에 의해 제조되며 고온 배기 가스와 접촉시킴에 의해 유기 결합제를 열분해시킨 경우 두께 복원성을 나타내며, 또 모노리스 외주면과 금속제 케이싱 내주면 사이에 면압을 작용시켜 모노리스를 유지한다. 상기 모노리스 지지재는 우수한 내구성과 가스 밀폐성을 갖고 또 촉매 컨버터는 격심한 진동이나 충격을 받아도 장기간 사용할 수 있다.

Description

모노리스 지지재의 제조방법
내연기관의 배기계에는 배기 가스중의 일산화탄소 또는 각종 탄화수소 등의 유해 성분을 처리하기 위해, 중금속 및 귀금속 등을 촉매로 함유하는 각종의 촉매 컨버터가 배기 가스 정화 장치로서 사용된다. 이들 촉매 컨버터는 사용된 촉매의 형태에 따라 다음 2종으로 분류된다:
(1) 세라믹 등의 과립 담체에 촉매 금속을 담지시켜 형성한 펠릿상 촉매 및 이 펠릿상 촉매를 수용하는 금속제 케이싱으로 구성된 촉매 컨버터.
(2) 내부에 다수의 배기 가스 통로를 갖는 관상 모노리스 담체 (이하, "모노리스"로 약칭한다)에 촉매 금속을 담지시켜 형성한 소위 일체형 촉매 및 이 일체형 촉매를 수용하고 또 그 양단이 배기 가스 도관에 접속된 금속제 케이싱으로 구성된 촉매 컨버터.
촉매 컨버터(2)는 촉매 컨버터(1)에서 관찰되는 펠릿 사이의 충돌에 의한 마모가 없고, 장치 자체를 비교적 작게할 수 있기 때문에 촉매 컨버터(1) 보다 널리 보급되어 있다. 촉매 컨버터(2)에서 모노리스를 금속제 케이싱내에 확실하게 고정시키기 위해 모노리스 지지재를 모노리스 주변에 권취시킨다.
모노리스에 내열성을 부여하기 위하여 세라믹제 및 금속제의 모노리스가 많이 사용되고 있다. 또 배기 가스 통과시의 저항을 적게하고 또 촉매 효율을 높이기 위하여, 배기 가스 유로에서 보다 큰 표면적을 확보할 수 있는 허니컴 구조의 모노리스가 주류를 이루고 있다.
적합한 금속제 케이싱 구조로서는 모노리스 부재가 금속제 케이싱의 쉘 절반부 사이에 샌드위치되어 있고 또 셀 절반부의 접합 부분을 용접시킨 2분할 클램쉘 구조, 또는 금속제 케이싱에 모노리스를 삽입시킨 스터핑 박스(stuffing box) 구조가 채용된다.
클램쉘 또는 스터핑 박스 구조중 어떤 구조에서도, 상기 모노리스 지지재의 두께는 금속제 케이싱내에 모노리스를 안정하게 고정하기 위해 모노리스 외주면과 금속제 케이싱 내주면 사이의 간극과 동일하거나 또는 약간 두꺼울 필요가 있다. 그 이유는 모노리스에 대한 모노리스 지지재의 고정력이 감소되면, 작업중에 금속제 케이싱 내에서의 모노리스의 분리나 변동, 또는 모노리스 외주부로부터의 배기 가스의 누출 등의 문제가 생기기 때문이다. 이러한 문제의 발생은 촉매 컨버터에는 치명적인 결함으로 된다.
특히, 세라믹제 모노리스를 사용한 촉매 컨버터에서는 모노리스 자체의 열팽창이 적고 또 금속제 케이싱의 열팽창이 크기 때문에, 작업중에 모노리스 외주면과 금속제 케이싱 내주면 사이의 간극이 확대된다. 그 결과, 모노리스 지지재의 지지력이 감소되는 경향이 있다. 또 촉매 컨버터 제조 시에, 극단적인 크기를 갖거나 외부 치수에서 비교적 높은 분산력을 나타내는 모노리스가 사용된 경우에는 조립 시에 모노리스를 안정하게 지지하는데 필요한 지지력을 얻을 수 없게되는 경우도 있다.
따라서, 작업중 상온에서 부터 작동시의 고온에 이르기까지 넓은 온도 범위에서 소정의 모노리스 지지재의 지지력을 발휘하기 위해, 모노리스 지지재는 각종 모노리스의 외경 치수의 변화에 의해 생긴 간극의 변화 및 모노리스 및 금속제 케이싱의 열팽창 차이에 의한 간극의 변화를 주시할 필요가 있다.
근년, 금속제 케이싱내에 모노리스를 고정하는 방법이 연구되어왔다. 그 결과, 모노리스의 외주면과 금속제 케이싱의 내주면 사이의 간극에 장착된 모노리스 지지재로서 무기질 섬유를 각종 형태로 형성하는 것에 의해 제조된 모노리스 지지재가 제안되어 있다. 지금까지 개시된 모노리스 지지재 기술과 그의 문제점은 다음과 같다.
일본 공개 특허 공보 제1989-240715호에는 두께 방향으로 재봉 압축된 넌 쇼트(non shot) 세라믹 섬유로 구성된 탄성 매트 (모노리스 지지재)가 제안되어 있다. 그러나, 이러한 탄성 매트는 재봉 피치를 작게 하지 않으면 소망하는 두께로 압축될 수 없다. 재봉 피치를 작게 하면 탄성 매트를 손상시켜 탄성을 상실하게되는 문제, 또는 탄성 매트의 양단 접합부에서 래버린스(labyrinth) 구조를 형성하는것과 같은 섬세한 가공이 곤란하게 되는 문제를 유발한다. 또 탄성 매트의 재봉 단부에서 실이 너덜더널 해지거나 끊어지는 문제를 유발한다.
영국 특허 제2171180A호 명세서에는 플라스틱제 백에 무기질 섬유를 진공팩킹하여 제조한 매트상 제품 (모노리스 지지재)이 제안되어 있다. 그러나, 이러한 매트상 제품에 사용된 플라스틱제 백은 유연성이 없다. 또한 모노리스에 밀착시켜 매트상 제품을 권취하기가 곤란하기 때문에 플라스틱제 백의 양단 결합 단부에서 래버린스 구조를 형성하게 되어 밀폐성에서 문제를 유발한다. 또한 이 플라스틱제 백 필름은 수송하거나 조립하는 동안 부서지기 쉬운 문제도 있다.
미국 특허 제 4693338호 명세서에는 세라믹 섬유에 소량의 결합제를 첨가하여 이것을 고도로 압축시켜 제조한 블랭킷 및 세라믹 섬유제의 편직사를 병용한 모노리스 지지재가 제안되어 있다. 그러나, 이러한 모노리스 지지재는 장착 및 조립이 복잡하므로 불만족스럽게 된다.
일본 공개 특허 공보 제1978-2753호에는 유기 결합제와 함께 세라믹 섬유, 실리카 섬유, 유리 섬유 등의 섬유계 단열재를 실제 사용 상태 이상으로 성형압축시켜 만든 단열재(모노리스 지지재)가 제안되어 있다. 그러나 이러한 모노리스 지지재는 유기 결합제의 분해에 따른 두께 회복성은 갖지만 탄력성이 열등하고 또 고온영역에서 연화수축 등의 열에 의한 열화가 진행되는 결점이 있다. 또한 모노리스 지지재의 두께가 간극 보다 얇기 때문에 결합제가 분해될 때까지는 모노리스가 케이싱내에서 움직이게 되어 모노리스가 손상을 입을 우려가 있다.
일본 공개 특허 공보 제 1995-77036호에는 금속제 케이싱과 금속제 케이싱내에 수용된 세라믹 허니컴 촉매 (모노리스)와 허니컴 촉매의 외면과 금속제 케이싱의 내면 사이에 압축상태로 배치시킨 모노리스 지지재로서의 세라믹 섬유 매트를 구비하고 있는 내열성, 비열팽창성 세라믹 섬유로 제조된 촉매 컨버터가 제시되어 있다. 여기에 기술된 촉매 컨버터는 실용 온도 범위내에서는 크게 변화되지 않는 압축 특성을 갖는 세라믹 섬유 매트를 포함한다. 그러나, 상기 세라믹 섬유 매트에는 결합제가 함유되어 있지 않기 때문에, 조립 시에 고도로 압축시켜 사용할 필요가 있다. 이 때문에 작업성 열화 및 매트의 기계적 강도 부족으로 섬유가 파열되거나 비산하는 문제도 있다.
일본 공개 특허 공보 제1982-56615호에는 금속제 케이싱, 세라믹제 모노리스, 금속제 케이싱의 내주면과 모노리스 외주면 사이의 간극에 장착되는 모노리스 지지재로서 밀봉재를 포함하는 배기 가스 정화장치가 기재되어 있다. 상기 밀봉재는 6 내지 30 ㎛의 섬유 직경의 세라믹 결합제로 구성되며, 그의 부피밀도는 0.1 내지 0.35 g/㎤ 이다. 또한 밀봉재는 장착전의 두께에 대한 장착후의 두께의 비가 2.7 내지 8.7로 되도록 압축되어 있다. 그러나, 상기 밀봉재는 부피 밀도가 작고 또 장착시의 압축율이 크기 때문에 장치 조립시의 작업성에 난점이 있다.
한편, 모노리스 지지재로서 세라믹 섬유의 내열성, 쿠션성을 고려하고 또 세라믹 섬유의 지지력을 보강하는 의미로 흑운모(vermiculite) 등의 열팽창재를 세라믹 섬유와 혼합하여 제조한 시트재도 제안되어 있다.
일본 공개 특허 공보 제1995-127443호에는 금속제 케이싱과, 세라믹 허니컴 촉매(모노리스)와, 압축상태로 배치되고 또 그의 복원력에 의해 세라믹 허니컴 촉매를 지지하는 세라믹 섬유 매트로 구성된 지지 부재 (모노리스 지지재)를 구비하고 또 배기 가스의 유로 방향에 지지 부재를 고정하는 고정부재가 금속제 케이싱에 설치된 세라믹 허니컴 촉매 컨버터가 기재되어 있다. 그러나 세라믹 섬유 매트로 구성된 지지부재는 장착시에 압축 상태가 지지되지 않고 고도로 압축되지 않으면 안되기 때문에 작업성이 열등하고 세라믹 섬유 자체가 끊어지는 문제가 있다. 또 허니컴 촉매의 유동을 방지하기 위한 고정부재가 그의 체결력에 의해 허니컴 촉매를 파손시킬 우려가 있다.
또한 일본 공개 특허 공보 제1983-17335호에는 일체형 촉매(모노리스), 일체형 촉매의 주위 방향으로 분할되고 일체형 촉매의 외주면 주위에 권취된 세라믹 섬유 성형체(모노리스 지지재) 및 일체형 촉매를 고정하는 케이싱으로 구성된 일체형 촉매 성분 (촉매 컨버터)의 제조방법에 있어서, 세라믹 섬유 성형체를 그의 외주로 부터 분할 구조의 압축 링을 통하여 체결하고 압축 링의 단부를 세라믹 섬유 성형체의 단면과 함께 유지 링에 의해 피복하여 케이싱에 수용하는 방법이 개시되어 있다. 이러한 기술에 의한 촉매 컨버터에서 세라믹 섬유 성형체는 조립시의 파손을 방지하고 배기 가스로부터 섬유 성형체의 단부를 보호한다. 그러나, 일체형 촉매와 케이싱 사이의 간극, 즉 모노리스 외주면과 금속제 케이싱 내주면 사이의 간극이 이들의 열팽창율의 차이에 의해 현저히 변동하기 때문에 세라믹 섬유의 성형체에 의한 충분한 지지 효과를 기대하기 어렵다.
한편, 코디에라이트(cordierite)를 주성분으로 한 세라믹제 모노리스는 비교적 저가로 열적 치수 안정성이 우수하기 때문에 가장 널리 사용되고 있다. 배기 가스 규제강화에 따라서, 온도 특성을 높여서 촉매 효율을 높이기 위해서는 허니컴의 벽 두께를 얇게 하고 표면적을 높이며 또 열용량을 적게 하는 노력이 행해지고 있다. 그러나, 세라믹제 모노리스는 제조상의 제약 및 구조물의 기계적 강도 면으로부터 벽 두께에 제한이 있다. 이에 따라, 세라믹제 모노리스에 비하여 금속제 모노리스가 더 바람직한 것으로 확인되고 있다.
금속제 모노리스는 일반적으로 50 내지 100 ㎛ 두께의 알루미늄 함유 페라이트계 스테인레스강 호일로 구성된다. 페라이트계 호일 이외의 스테인레스강 호일중에서 예컨대 오스테나이트계 스테인레스강 호일은 열팽창이 크고 마르텐사이트계 스테인레스강 호일은 굴곡가공이 어렵기 때문에, 이들은 실제로 이용할 수 없었다.
페라이트계 스테인레스강 호일제 모노리스는 평평한 호일과 주름잡힌 호일을 롤상으로 권취하고 롤의 마주보는 면을 납땜하는 것에 의해 결합시켜 원통형 물질을 형성한다. 이러한 금속제 모노리스는 그의 벽 두께를 세라믹제 모노리스의 벽 두께에 비교하여 1/2 내지 1/3 이하로 감소시킬 수 있다. 따라서, 세라믹제 모노리스와 동일한 크기임에도 불구하고 금속제 모노리스는 상당히 높은 개구율 및 표면적을 나타내며 또 높은 배기 가스 정화 효율을 얻을 수 있다. 금속제 모노리스는 제작시 치수 정확도가 우수하고 파열되기 어려운 점 등의 이점을 갖기 때문에 금후의 모노리스의 주류로서 이용될 것으로 기대된다.
상기한 바와 같이 금속제 모노리스를 사용한 촉매 컨버터에서, 납땜에 의해 금속제 모노리스를 결합시킬 수 있도록 모노리스를 주위 금속제 케이싱에 대하여 일체적으로 결합시킬 수 있는 구조가 채용되고 있다. 그러나 금속제 모노리스를 사용한 상기 구조는 세라믹제 모노리스를 채용한 구조에 비하여 촉매용 담체로서 전술한 바와 같은 이점을 갖는다. 모노리스에 생긴 열이 직접 외주의 금속제 케이싱으로 전달되기 때문에 금속제 모노리스는 아이들링(idling)시에 냉각되기 쉬운 문제가 있다.
금속제 모노리스를 사용한 촉매 컨버터에 관한 기술로서는 일본 공개 특허 공보 제1989-80620호에 피복관, 금속제 모노리스 및 피복관과 금속제 모노리스 사이에 배치된 열팽창 시트재를 포함하는 배기 가스 정화용 촉매 담체가 개시되어 있다. 그러나, 금속제 모노리스가 800℃ 이상의 온도를 갖는 배기 가스에 노출되면, 내열강도가 극히 낮아지게 된다. 상기한 일본 공개 실용실안 공보에 기재된 금속제 모노리스의 경우, 모노리스 외주에 권취된 열팽창 시트재에 의한 팽창 압력에 의해 허니컴 모노리스가 쉽게 휘어는 문제가 있다.
또한 상술한 문제를 해결하기 위하여, 일본 공개 특허 공보 제1994-126191호에는 금속제 모노리스를 사용한 촉매 컨버터에 있어서 모노리스 지지재에 의해 세라믹제 모노리스를 고정하는데 사용되었던 방식과 동일한 방식으로 금속재 모노리스를 촉매 컨버터에 고정시키려한 기술이 기재되어 있다. 상기 일본 공개 특허 공보에 기재된 촉매 컨버터는 금속 호일로 구성된 평판 및 주름진 판을 롤상으로 권취하여 형성한 허니컴 구조의 모노리스, 이러한 모노리스의 외주면에 결합된 단축의 금속제 링, 모노리스를 수용하는 케이싱 및 링과 케이싱 사이의 간극에 장착된 열팽창성 밀봉재로 구성된다.
상기 일본 공개 특허 공보에 기재된 촉매 컨버터에서는 모노리스의 열팽창이은도 상승에 의해 금속제 링 등의 모노리스 지지재 보다 크게 되기 때문에 금속제 링 등의 모노리스 지지재에 의해 일시적으로 높은 체결력이 발생된다. 더구나 세라믹 울로 구성된 열팽창성 밀봉재가 금속제 링을 통하여 모노리스를 한층 더 압축하기 때문에 모노리스는 휘어지기 쉽다. 그 결과, 작업 시에 모노리스가 금속제 케이싱내에서 유동하기 쉬운 문제가 있다.
또 국제공개 WO 94/24425호에는 세라믹 섬유 및 결합제로 구성된 일체형 복합 시트를 포함하는 매트로서 세라믹 섬유가 실질적으로 쇼트를 포함하지 않고 평균 섬유 길이가 약 1 내지 약 10cm 이며, 더구나 매트가 유연 구조의 일체성을 갖고 간극에 고정된 상태에서 약 20 내지 1200℃에 걸쳐 실질적으로 일정한 압력을 나타내는 매트가 개시되어 있다. 그러나, 이러한 매트는 복잡한 건조 공정을 필요로 하고 또 장착시의 압축량이 현저히 크기 때문에 작업성이 열화되는 문제가 있다. 또 간극에 장착되면 특정 특성, 즉 실질적으로 일정 압력이라는 특성이 생긴다고 기재되어 있으므로, 매트내의 유기 결합제 수지의 함량이 적게되면, 장착시에 케이싱과의 마찰에 의해 섬유의 파손이 생기기 쉽다. 따라서, 모노리스에 대한 매트의 지지력의 약화 및 모노리스 외주부로부터의 배기 가스의 유출등이 예상된다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은 촉매 컨버터의 조립 시에 미리 얇게 압축 상태로 유지시키기 때문에 장착이 용이한 모노리스 지지재이고, 사용할 때에는 가열에 의해 두께 복원력을 나타내며 또 모노리스 외주면과 금속제 케이싱 내주면에서 소망하는 면압을 발현할 수 있으며, 장기간 사용하여도 열화되지 않으며 또한 빠른 유속의 배기 가스에 노출되어도 침식되지 않으며,충분한 가스 밀폐성을 유지할 수 있는 모노리스 지지재의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 모노리스(monolith) 지지재의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 제조되는 모노리스 지지재는 조립시에는 유기 결합제의 결합력에 의해 압축상태로 유지되고, 가열후에는 유기 결합제의 열분해에 의해 두께를 복원하며 또 양면 고정상태로 소망하는 면압을 발현한다. 촉매 컨버터에서, 상기 모노리스 지지재는 모노리스를 장기간에 걸쳐 케이싱내에 안정적으로 고정시킨다.
도1은 촉매 컨버터의 확대 사시도이다.
도2는 모노리스에 대한 모노리스 지지재의 권취 방식을 나타내는 사시도이다.
도3은 본 발명에서 사용하는 알루미나 섬유 매트의 모노리스 지지재에 이르기까지의 상태 변화를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명자들은 상기한 목적을 달성하기 위해 연구한 결과, 모노리스의 외주면과 금속제 케이싱의 내주면 사이의 간극에 대응하는 두께로 압축시킨 경우에 소정의 복원력을 갖는 알루미나 섬유 매트로 된 모노리스 지지재를 제조함에 의해, 모노리스의 휘어짐을 방지함과 동시에 모노리스 지지재가 충분한 지지 효과를 발휘하게 할 수 있음을 발견하였다. 본 발명은 이러한 발견을 기초로 완성되었다.
즉, 본 발명은 모노리스 지지재의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 다양한 예를 이하에 기재한다.
본 발명에서는, 원통형으로 형성되고 또 배기 가스 정화용 촉매를 담지하는 모노리스와, 모노리스를 수용하고 또 그의 양단이 배기 가스 도관에 접속된 금속제 케이싱과, 모노리스 외주면과 금속제 케이싱 내주면 사이의 간극에 장착되는 모노리스 지지재로 구성된 촉매 컨버터에 사용하기 위한 모노리스 지지재의 제조방법에있어서, (I) 부피 밀도 0.05 내지 0.20 g/㎤의 알루미나 섬유 매트에 열분해에 의해 소실될 수 있는 유기 결합제를 함유하는 용액을 함침시키는 제 1 공정, (II) 유기 결합제-함유 용액이 함침된 알루미나 섬유 매트를 그의 두께 방향으로 1/2 내지 1/15배로 압축하는 제 2 공정, (III) 압축된 알루미나 섬유 매트의 두께를 유지한 그대로 유기 결합제-함유 용액의 용매를 제거하는 제 3 공정을 포함하고, 상기 유기 결합제를 열분해한 후 양면 개방 상태로 두께 복원성을 가지며, 두께가 상기 간극에 대응하게 감소된 압축 상태에서 복원 면압이 0.05 내지 3MPa(0.5 내지 30 kg/㎠)인 것을 특징으로 하는 모노리스 지지재의 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 따라 제조된 모노리스 지지재는 원통형으로 형성되고 또 배기가스 정화용 촉매를 담지하는 모노리스와, 모노리스를 수용하고 또 그의 양단이 배기 가스 도관에 접속된 금속제 케이싱과, 모노리스 외주면과 금속제 케이싱 내주면 사이의 간극에 장착되는 모노리스 지지재로 구성된 촉매 컨버터에 사용될 수 있다.
배기 가스 정화용 촉매를 담지시킨 원통형의 모노리스와, 배기가스 도관에 접속된 원통형의 금속제 케이싱과, 모노리스의 외주면과 금속제 케이싱의 내주면 사이의 간극에 장착된 모노리스 지지재로 구성된 촉매 컨버터의 제조방법에 있어서, 상기 모노리스는 페라이트계 스테인레스강 호일로 구성되고 또 허니컴 구조를 가지며, 상기 방법은 (I) 원통형의 모노리스의 외주면에 모노리스 지지재를 권취하는 제 1 공정과, (II) 상부 쉘 부재 및 하부 쉘 부재로 구성되는 2분할 구조의 금속제 케이싱에 대하여, 모노리스 지지재가 권취된 상기 모노리스를 수용한 후 상기 상부 쉘 부재와 하부 쉘 부재를 합쳐서 접합부의 외주를 용접하는 제 2 공정으로구성되며, 상기 모노리스 지지재는 두께 방향으로 압축된 알루미나 섬유 매트 및 이 알루미나 섬유 매트에 균일하게 분산되고 또 열분해에 의해 소실될 수 있는 유기 결합제로 구성되며, 유기 결합제를 열분해시킨 경우 두께가 상기 간극에 대응하게 감소된 압축상태에서 모노리스 지지재의 복원 면압이 0.1 내지 4.0 kg/㎠ 범위인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 모노리스 지지재의 제조방법에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 따라 제조된 모노리스 지지재는 원통형으로 형성되고 또 배기가스 정화용 촉매를 담지하는 모노리스와, 모노리스를 수용하고 또 그 양단이 배기 가스 도관에 접속된 금속제 케이싱과, 모노리스 외주면과 금속제 케이싱 내주면 사이의 간극에 장착되는 모노리스 지지재로 구성된 촉매 컨버터에 이용될 수 있다. 모노리스 지지재는 내연기관으로부터의 고온의 배기 가스에 노출되면 유기 결합제가 열분해됨에 의해 두께 복원성을 나타내고, 이로써 모노리스 지지재는 모노리스 외주면과 금속제 케이싱 내주면에 면압을 작용시키게되어 금속제 케이싱내에 모노리스를 확실하게 지지시킨다.
이하의 설명에서, 본 발명에 사용할 용어에 관하여 다음과 같이 정의한다.
기재 매트라는 것은 알루미나 섬유 매트를 말하고, 압축 매트라는 것은 두께 방향으로 압축된 상태의 기재 매트를 말한다. 또한, 본 발명에 사용된 매트는 두께가 거의 균일한 알루미나 섬유로 구성된 부직포상의 집적체로서 블랭킷 또는 블록으로 칭해지는 것도 포함된다.
모노리스 지지재의 정상 상태 두께라는 것은 두께 방향으로 압축력이 전혀 가해지지 않은 기재 매트의 두께를 말한다 (도3(a)에 도시된 두께 (A)).
압축 두께라는 것은 압축 매트의 두께를 말한다 (도3(b)에 도시된 두께(B)).
모노리스 지지재의 정상상태 두께라는 것은 촉매 컨버터에 장착되기 전의 모노리스 지지재 (성형체)의 두께를 말한다 (도3(c)에 도시된 두께(C)).
간극이라는 것은 모노리스의 외주면과 금속제 케이싱의 내주면 사이에 형성되는 공간을 말한다 (도3(d)에 도시된 부호 (D)).
이하의 설명에서는 모노리스 지지재를 간단히 "지지재"로 약칭한다.
먼저, 본 발명의 제 1 요지에 따른 지지재를 도3을 참조하여 설명한다.
도3에서, 참조부호(3)으로 표시되는 상기 지지재는 압축 매트 및 이 압축 매트에 균일하게 분산되어 있고 열분해에 의해 매트로부터 소실될 수 있는 유기 결합제로 구성된다. 이 지지재를 제조하는 방법은 (I) 기재 매트에 유기 결합제를 함유하는 용액을 함침시키는 제 1 공정, (II) 유기 결합제를 함유하는 용액이 함침된 기재 매트를 두께 방향으로 압축하는 제 2 공정, 및 (III) 압축된 기재 매트의 두께 (B)를 유지시킨 그대로 유기 결합제를 함유하는 용액의 용매를 제거하는 제 3 공정으로 구성되며, 제 3 공정에서 수득된 지지재(3)의 두께 (C)는 제 2 공정에서 수득된 압축 매트의 압축 두께 (B)의 1 내지 1.5배이며, 유기 결합제를 열분해시킨 경우 상기 매트는 양면 개방 상태로 두께 복원성을 갖고, 또 지지재의 두께가 상기 간극에 대응하게 감소된 압축 상태에서 지지재의 면압이 0.5 내지 30 kg/㎠ 범위인 것을 특징으로 한다. 지지재가 간극에 대응하는 두께를 갖는 압축 상태를 이하, "양면 고정상태"로 약칭한다.
기재 매트를 구성하는 알루미나 섬유는 매트가 압축 매트 형태인 경우 두께 복원성을 갖는 섬유, 즉 매트의 두께 방향으로의 압축력에 대하여 반발력을 갖는 섬유로부터 선택된다. 알루미나 섬유는 일반적으로는 1 내지 50 ㎛의 섬유 직경, 0.5 내지 500 mm의 섬유길이를 갖고, 바람직하게는 1 내지 10 ㎛의 섬유 직경 및 0.5 내지 300 mm의 섬유길이를 갖는다.
알루미나 섬유의 대표예로서는 실리카 성분 함량이 5중량% 이하, 즉 알루미나 성분 함량이 95중량% 이상인 알루미나-실리카계 결정질 단섬유 이외에, 알루미나가 70 내지 95중량% 이상이고 또 잔여 실리카로 구성되는 일반적인 알루미나 섬유를 들 수 있다. 특히, 알루미나 72 중량%를 함유하는 멀라이트 섬유는 고온 안정성 및 탄력성이 우수하므로 바람직한 알루미나 섬유이다.
알루미나 섬유로 총칭되는 상기 알루미나-실리카계의 다결정질 섬유는 최고 사용온도가 약 1200℃인 비정질의 세라믹 섬유 보다도 내열성이 우수하고, 따라서 내연기관으로부터 배출된 배기가스 온도 보다도 훨씬 높은 1500 내지 1600℃ 온도에서의 사용에도 견딜 수 있다. 더구나, 상기 알루미나 섬유로 된 압축 매트는 탄력성이 풍부하고 또 세라믹 섬유에서 보이는 연화 수축 등의 열에 의한 열화도 극히 적기 때문에 시간 경과에 따른 열화가 적은 지지재(3)를 제공한다.
기재 매트는 상기 알루미나 섬유의 1종을 단독으로 사용한 기재 매트이어도 좋고, 2종 이상을 혼용한 기재 매트이어도 좋다. 기재 매트는 1종의 알루미나 섬유의 단독 사용에 의한 동종 또는 이종의 매트를 복수매 적층시킨 적층 매트일 수 있다. 기재 매트의 부피 밀도는 통상 0.05 내지 0.20 g/㎤, 바람직하게는 0.05 내지 0.15 g/㎤ 이다. 기재 매트의 부피 밀도가 0.05 g/㎤ 보다 작으면 압축율이 크게된다. 한편, 기재 매트의 부피 밀도가 0.2 g/㎤을 초과하면 지지재의 두께 복원력이 불충분하게 된다.
본 발명의 방법으로 제조된 지지재(3)는 그의 두께 방향으로 압축된 매트중에 균일하게 분산된 유기 결합제를 함유한다. 이 유기 결합제의 결합력은 원래의 두께로 복원되는 것을 억제한다.
상기 유기 결합제로서는, 상온하에서 압축 매트의 압축 두께 (B)를 유지할 수 있고 또 열분해된 후 매트의 원래 두께를 복원시키는 종류라면 유기 화합물로 구성된 어떤 결합제라도 특별한 제한없이 본 발명에 사용될 수 있다. 유기 결합제는 지지재(3)가 사용되는 온도에서 용이하게 열분해되어 매트로 부터 소실되는 것이 바람직하다. 그러나, 유기 결합제가 목적 온도에서 결합제로서의 성질을 상실하여 지지재의 원래 두께를 복원시키면, 유기 결합제는 열분해에 의해 매트로 부터 소실될 필요가 없다. 지지재(3)는 통상 600℃ 이상 또는 고온영역에서는 900 내지 1000℃의 온도에 노출되므로, 유기 결합제는 약 600℃ 이하의 온도에서 단시간에 열분해되어 결합제로서 성질을 상실하는 것이 바람직하다. 유기 결합제는 열분해되는 온도 범위에서 매트로부터 소실되는 것이 더욱 바람직하다.
유기 결합제로서는 각종 고무, 수용성 고분자 화합물, 열가소성수지, 열경화성수지 등을 사용할 수 있다. 고무 종류로서는 천연 고무; 에틸 아크릴레이트와 클로로에틸비닐 에테르의 공중합체, n-부틸 아크릴레이트와 아크릴로니트릴의 공중합체와 같은 아크릴 고무; 부타디엔 및 아크릴로니트릴의 공중합체와 같은 니트릴 고무; 부타디엔 고무 등을 들 수 있다. 수용성 고분자 화합물로서는, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리비닐 알코올 등을 들 수 있다. 열가소성수지의 예는 아크릴산, 아크릴산 에스테르, 아크릴아미드, 아크릴로니트릴, 메타크릴산, 메타크릴산 에스테르 등의 단독 중합체 및 공중합체 형태의 아크릴 수지, 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체; 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체 등을 들수 있다. 또한 열경화성 수지로서는 비스페놀 타입 에폭시 수지, 노볼락 타입 에폭시 등을 들 수 있다.
상기 유기 결합제는 수용액, 수분산형의 에멀젼, 라텍스 또는 유기 용매를 사용한 용액으로서 사용된다. 이하, 이들 유기 결합제를 총칭하여 "결합제액"이라고 칭한다.
상기 결합제액으로서는, 시중에서 구입할 수 있는 결합제를 그대로 또는 물 등으로 희석하여 사용할 수 있다. 유기 결합제는 반드시 1종일 필요는 없고, 2종 이상의 혼합물도 사용될 수 있다.
상기 유기 결합제중에는, 아크릴고무, 니트릴 고무 등의 합성 고무; 카르복시메틸 셀룰로오스, 폴리비닐 알코올 등의 수용성 고분자 화합물; 및 아크릴 수지로 구성된 군으로부터 선택된 화합물이 바람직하다. 그중에서도 아크릴 고무, 니트릴 고무, 카르복시메틸 셀룰로오스, 폴리비닐 알코올, 아크릴 고무에 포함되지 않는 아크릴 수지 등이 특히 바람직하다. 이들 유기 결합제는 결합제액을 제조하고 또 결합제액을 압축 매트중으로 함침시키는 동안 용이하게 처리될 수 있다. 또한 이들 유기 결합제는 비교적 저 함량이어도 충분한 두께 구속력을 발휘할 수 있을뿐만 아니라 사용 온도 조건하에서 용이하게 열분해되므로 탁월한 유연성과 높은 기계적 강도를 갖는 지지재(3)를 제공한다.
압축 매트중의 유기 결합제의 함량은 특히 한정되지 않고, 압축 매트에 사용된 섬유의 종류, 압축 매트의 압축 두께 (B), 압축에 대한 반발력 등에 의해 적절하게 선정할 수 있다. 상기 함량은 통상은 알루미나 섬유 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부 (고형분 기준)이다. 압축 매트중의 유기 결합제의 함량이 10 중량부 미만이면, 압축 매트의 압축 두께 (B)를 유지하기가 곤란하다. 그러나, 압축 매트의 압축 두께 (B)를 유지하기 위해서는 매트에 함유된 유기 결합제의 함량이 30 중량부를 초과할 필요가 없다. 유기 결합제의 함량이 너무 많은 경우는 지지재의 제조 비용이 높아지게 될 뿐만 아니라 유기 결합제의 전체 양을 열분해하기가 곤란하게 된다. 이러한 관점으로부터, 압축 매트중의 유기 결합제의 함량은 15 내지 25 중량부의 범위로 하는 것이 바람직하다.
상기 지지재(3)는 (I) 기재 매트에 유기 결합제를 함침시키는 제 1 공정, (II) 유기 결합제를 함유하는 용액이 함침된 기재 매트를 두께 방향으로 압축하는 제 2 공정, (III) 압축된 기재 매트의 압축 두께 (B)를 유지시킨 그대로 유기 결합제 함유 용액의 용매를 제거하는 제 3 공정을 포함하는 본 발명의 방법에 의해 제조될 수 있다. 제 1 공정에서 사용된 기재 매트의 정상 상태 두께 (A)는 지지재(3) 두께(C)의 2 내지 10배로 하는 것이 바람직하다.
또한 제 2 공정에서 수득한 압축 매트의 압축 두께 (B)는 두께 회복성, 압축에 대한 반발력, 목적으로 하는 지지재(3)에 소망하는 복원 면압, 가스 밀폐성 등에 의해 결정될 수 있다. 상기한 복원율을 달성하기 위해, 기재 매트의 정상 상태 두께 (A)에 대한 압축 매트의 압축 두께 (B)의 비율은 일반적으로 약 1/1.25 이하, 바람직하게는 1/2 내지 1/15 범위로 된다. 또한 제 3 공정에서 수득한 지지재(3)의 두께 (C)는 제 2 공정에서 수득한 압축 매트의 압축 두께 (B)의 1 내지 1.5배로 된다. 상기 각 공정의 상세한 내용은 본 발명에 따른 지지재(3)의 제조 방법에서 하기와 같이 설명한다.
상기한 설명으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 지지재(3)에서 기재 매트의 구체적인 재질 및 특정 정상 상태 두께 (A) 등은 그 두께 방향에서 탄력성, 촉매 컨버터의 간극(D), 지지재(3)에 소망하는 복원 면압, 가스 밀폐성을 기본으로 하여 결정된다.
본 발명에 따라 형성된 지지재(3)는 유기 결합제를 열분해시킨 경우 양면 개방상태로 두께 복원성을 갖는다. 지지재의 양면이 고정 상태로 유지되는 경우, 양면에 대하여 복원 면압은 0.05 내지 3MPa(0.5 내지 30 kg/㎠), 바람직하게는 0.05 내지 0.8MPa(0.5 내지 8 kg/㎠)로 설정된다.
지지재(3)의 복원 면압은 촉매 컨버터에 장착된 상태에서는 직접 측정할 수 없기 때문에, 촉매 컨버터로 장착되기 전에 측정된 성형체의 값으로부터 결정될 수 있다. 이러한 복원 면압은 다음과 같은 방법에 의해 측정할 수 있다.
(1) 성형체의 한쪽면을 고정 면판에 접촉시키고 또 다른쪽 면을 면압 측정용의 면판에 접촉시킨 다음 양면과 면판의 접촉을 유지하면서 성형체에 함유된 유기 결합제를 열분해시켜 면판에 발생하는 면압을 직접적으로 측정하는 방법.
(2) 성형체에 함유된 유기 결합제는 양면 해방된 상태에서 열분해되어 성형체를 복원시킨 후, 성형체를 면판에 의해 열분해전의 두께(C)까지 압축시키고, 압축을 실시하기 위해 면판에 인가된 압력을 지지재의 복원 면압으로서 측정하는 간접적으로 측정하는 방법.
상기 방법중에서 후자의 간접적으로 측정하는 방법이 간편해서 바람직하다. 본 발명의 후술하는 실시예에서는 압축 매트 제조시의 압축력은 복원 면압을 나타내는 지표로서 사용된다.
지지재의 복원 면압을 상기한 범위로 규정하는 이유는 다음과 같다. 즉, 복원 면압이 0.5 kg/㎠ 미만이면, 금속제 케이싱에 대한 모노리스 (1)의 고정이 불확실하게될 우려가 있다. 한편, 30 kg/㎠를 초과하는 복원 면압은 모노리스(1)의 고정력으로서 불필요하다. 상기 범위의 복원 면압이면 아무 문제없이 모노리스(1) 외주 근처에 우수한 가스 밀폐성을 달성할 수 있다.
지지재의 상기 복원성은 지지재(3)의 두께 (C)에 대한 유기 결합제 열분해후의 양면 개방 상태에서의 두께, 즉 양면 개방상태에서의 두께 복원율로 규정될 수 있다. 이러한 두께 복원율은 2 내지 10배 범위인 것이 바람직하다.
유기 결합제의 열분해 전후의 지지재의 두께를 각각 d0mm 및 d mm로 한 경우, 지지재(3)의 두께 복원율은 하기 식(I)으로 정의된다.
두께 복원율 = d/d0............(I)
본 발명의 지지재(3)는 상기 재료 구성에 의해 부피밀도가 0.1 내지 0.5 g/㎤, 바람직하게는 0.2 내지 0.4 g/㎤으로 설정된다. 또한, 상기 지지재는 10 내지 40 kg/㎠의 인장강도 및 200 내지 700 kg/㎠의 인장 탄성율을 갖는 것이 바람직하다.
상기한 물성을 구비한 지지재(3)는 촉매 컨버터에 장착되는 경우 열분해 후에 발현되는 복원 면압에 의해 모노리스를 굽히지 않고 확실하게 지지할 수 있다.
또한, 본 발명의 지지재(3)의 두께 (C)는 촉매 컨버터의 간극(D)에 맞게 결정될 수 있다. 일반적으로, 간극(D)가 2 내지 8 mm, 바람직하게는 3 내지 6 mm 범위인 경우, 적절한 지지재(3)의 두께(C)는 3 내지 10 mm 범위이다. 지지재(3)의 두께는 간극(D)의 1.0 내지 2.0배, 바람직하게는 1.0 내지 1.6배이다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 지지재에 대해서는 도3을 참조하여 설명한다.
도3에서, 참조부호(3)으로 표시되는 지지재는 두께 방향으로 압축된 기재 매트 및 이 기재 매트에 균일하게 분산되어 있고 열분해에 의해 소실될 수 있는 유기 결합제로 구성된다. 이 지지재는 유기 결합제에 의해 압축상태로 유지되고 0.1 내지 0.5 g/㎤의 부피 밀도를 가지며, 유기 결합제를 열분해시킨 경우에 양면 개방상태에서 2 내지 10배의 두께 복원율을 갖고, 또 양면 고정상태에서 복원 면압이 0.5 내지 30 kg/㎠인 것을 특징으로 한다.
상기 지지재(3)는 본 발명의 제 1 요지에 따른 지지재(3)에서와 동일한 기재를 사용하여 제조될 수 있다. 또한, 상기 지지재는 본 발명에 따른 지지재에 대하여 사용된 동일한 공정에 의해서도 제조할 수 있다. 이러한 경우, 지지재(3)는 유기 결합제에 의해 압축 상태가 유지되고 0.1 내지 0.5 g/㎤의 부피 밀도를 가지며,유기 결합제를 열분해시킨 경우, 양면 개방 상태에서 1.25 내지 10배의 두께 복원율을 갖고 양면 고정상태에서 복원 면압이 0.5 내지 30 kg/㎠인 것이 중요하다.
상기 지지재(3)의 다른 물성은 본 발명의 제 1 요지에 따른 지지재(3)의 물성과 동일한 것이 바람직하다. 구체적으로는, 기재 매트의 정상상태 두께 (A)는 지지재(3) 두께 (C)의 2 내지 10배인 것이 바람직하다. 또한, 유기 결합제는 아크릴 고무, 니트릴 고무, 카르복시메틸 셀룰로오스, 폴리비닐 알코올 및 아크릴 고무에 포함되지 않는 아크릴 수지로 구성되는 군으로 부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다. 유기 결합제의 함량은 알루미나 섬유 매트 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 제 1 요지의 지지재와 유사하게, 지지재는 양면 고정상태에서 복원 면압이 0.5 내지 8 kg/㎠이고, 단위 인장 강도가 10 내지 40 kg/㎠이며 또 인장탄성율이 200 내지 700 kg/㎠인 것이 바람직하다.
이어서, 본 발명에 따라 제조된 지지재의 제조방법에 관하여 도3을 참조하여 설명한다.
상기 제조 방법은 (I) 부피 밀도 0.05 내지 0.2 g/㎤, 바람직하게는 0.05 내지 0.15 g/㎤의 기재 매트에 열분해에 의해 소실될 수 있는 유기 결합제를 함유하는 용액을 함침시키는 제 1 공정, (II) 유기 결합제-함유 용액이 함침된 기재 매트를 그 두께 방향으로 압축시켜 기재 매트 두께의 1/2 내지 1/15 두께를 갖는 압축된 기재 매트를 형성하는 제 2 공정, (III) 압축된 기재 매트의 두께 (B)를 유지시킨 그대로 결합제-함유 용액의 용매를 제거하는 제 3 공정을 포함하며, 상기 유기 결합제를 열분해시킨 경우에, 지지재(3)는 양면 개방 상태에서 두께 복원성을 갖고, 또 양면 고정 상태에서 복원 면압이 0.5 내지 30 kg/㎠인 것을 특징으로 한다.
상기 제조 방법에 있어서, 기재 매트 및 유기 결합제 용액으로서는 상기한 바와 같은 것을 사용할 수 있다.
상기 제 1 공정은 기재 매트로 유기 결합제액을 함침시키는 공정이다.
기재 매트는 0.05∼0.2 g/㎤, 바람직하게는 0.05∼0.15 g/㎤ 및 상기와 똑같은 정상 상태 두께를 갖는다 또한, 유기 결합제 용액은 수용액, 수성 분산형 에멀전, 라텍스 또는 유효 성분으로서 아크릴 고무, 니트릴 고무, 카르복시메틸 셀룰로오스, 폴리비닐 알코올 또는 아크릴 수지를 함유하는 유기 용매를 사용하는 용액의 형태로 사용되는 것이 적합하다. 용액 중의 유기 결합제의 농도는 유기 결합제 용액을 기재 매트에 함침시키는 방법에 따라 적절하게 결정될 수 있지만, 매트 등에 보유될 유기 결합제의 양은 일반적으로 2∼50중량%이다.
유기 결합제 용액을 기재 매트에 함침시키는 방법으로서는, 기재 매트를 유기 용액에 침지시키는 방법 또는 유기 결합제 용액을 기재 매트에 분무시키는 방법을 이용할 수 있다. 처리할 기재 매트가 큰 정상 상태 두께(A)를 갖는 경우에, 침지법을 이용하는 것이 바람직하다. 한편, 처리할 기재 매트가 작은 정상 상태 두께(A)를 갖는 경우에는, 분무법을 사용하는 것이 바람직하다. 분무법으로 함침하는 경우에, 약간의 스트링(stringing) 현상을 나타내는 에멀전 형의 유기 결합제 용액이 적절하게 사용된다.
한편, 기재 매트의 함침은 유기 결합제 용액에 출발물질로서 사용된 부피가 큰 알루미나 섬유를 분산 및 현탁시킨 다음, 여과 또는 제지 기술에 의해 스크린판 또는 다공성 판에 현탁된 알루미나 섬유를 수집함으로써 실시되어 알루미나 섬유의 편평한 퇴적 물질을 형성한다. 이 방법에서, 알루미나 섬유는 분산 및 현탁 과정에서 절단되기 쉬우므로 분산 및 현탁 작업에서 조심해야 한다. 그러므로, 사용된 유기 결합제 용액은 점도가 낮은 것이 바람직하다.
상기 제 2공정에서, 유기 결합제 용액으로 함침된 기재 매트는 그 두께 방향으로 압축됨으로써, 목적하는 지지재(3)의 두께(C)를 측정하여 지지재내의 유기 결합제의 함량을 조절한다.
압축 수단으로서, 압축판이나 압축 로울러가 기재 매트를 압축하도록 사용될 수 있다. 압축판은 2개의 액체 침투성 플레이트 부재를 포함할 수 있다. 압축판의 전형적인 예로는 펀칭 금속, 수지 네트, 금속 네트(메쉬), 다공성 판, 공기-침투성 판 등을 포함할 수 있다. 이들 압축 수단은 결합제 용액을 흡수하기 위한 수단과 함께 사용되는 것이 바람직하다. 더욱이, 압축법은 액체 원심 분리제거법과 함께 실시되는 것이 바람직하다. 특히, 압축된 매트의 표면으로부터 액체를 제거하면 유기 결합제가 불균일하게 분산되지 않고 그 표면 위에 집중적으로 위치하지 않도록 한다. 이는 유기 결합제의 사용으로 인한 여러 가지 불편한점, 예를 들면 후속 제 3공정 등에서 용매의 제거(건조)를 위해 사용된 건조 장치에 결합제가 부착되는 것을 효과적으로 방지하게 된다.
상기 제 3공정에서, 유기 결합제 용액에 함유된 용매는 제 2공정에서 얻어진 압축 매트의 압축 두께(B)를 유지하면서 제거되기 때문에, 압축된 매트가 비건조 상태에서 그 두께를 일시적으로 복원하지 않도록 하고 유기 결합제가 불균일하게분포되지 않도록 하며 그 표면에 집중적으로 위치하지 않도록 한다.
제 3공정은 유기 결합제가 열화 및 분해되지 않는 온도 조건하에서 고온 공기를 공급함으로써 급속하게 실시된다. 그 이유는 유기 결합제 용액에 함유된 유기 결합제가 침전되지 않아 매트 내에서 유기 결합제의 편중된 분포를 피할 수 있기 때문이다. 그 결과, 복원 표면 압력이 큰 지지재(3)를 얻을 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 지지재(3)는 유기 결합제가 열 분해될 때 그의 양단 개방 상태에서 두께 복원성을 나타내고, 양단부가 고정 상태로 유지될 때 0.05 내지 3MPa(0.5∼30 kg/㎠), 바람직하게는 0.05 내지 0.8MPa(0.5∼8 kg/㎠) 의 복원 면압을 가질 것이 요구된다.
그 다음, 본 발명에 따라 제조된 모노리스 지지재를 사용하는 촉매 컨버터를 도1∼3을 참조하여 설명한다.
도1에 나타낸 촉매 컨버터는 배기 가스를 정화하기 위한 촉매를 담지하는 원통형 모노리스(1), 배기관에 연결되고 모노리스를 수용하는 금속제 케이싱(2), 및 모노리스(1)의 외주면과 금속제 케이싱(2)의 내주면 사이의 간극(D)에 삽입된 지지재(3)를 포함한다. 지지재(3)는 그 두께 방향으로 압축된 기재 매트 및 열분해시 소실될 수 있고 기재 매트에 균일하게 분산된 유기 결합제로 이루어져 있다. 지지재(3)의 제조 방법은 (I) 기재 매트를 유기 결합제 용액으로 함침시키는 제 1공정, (II) 유기 결합제 용액으로 함침된 기재 매트를 그 두께 방향으로 압축하는 제 2공정, 및 (III) 압축된 기재 매트의 정상 상태 두께(A)를 유지하면서 유기 결합제 용액의 용매를 제거하는 제 3공정을 포함하고, 여기서 제 3공정에서 얻어진지지재(3)의 두께(C)는 제 2공정에서 얻어진 압축 기재 매트의 압축 두께(B)의 1∼1.5배이고, 유기 결합제가 열 분해될 때 지지재(3)는 양단부의 개방 상태에서 두께 복원성을 나타내고 양단 고정 상태에서 0.5∼30 kg/㎠의 복원 표면압을 갖는다.
도면에 나타낸 촉매 컨버터에서, 허니컴 구조를 갖는 모노리스(1)가 바람직한 실시 양태로서 사용된다. 도면에서, 참조부호(2a)는 금속제 케이싱의 상부 쉘 부재를 나타내고, 참조부호(21a)는 상부 쉘 부재(2a)의 플랜지부를 나타내고, 참조부호(2b)는 금속제 케이싱의 하부 쉘 부재를 나타내고, 참조부호(21b)는 하부 쉘 부재(2b)의 플랜지부를 나타내고, 참조부호(22a,22b)는 섀시 등의 차량 본체에 촉매 컨버터를 고정하기 위한 볼트 구멍을 나타내고, 참조부호(4,5)는 촉매 컨버터가 배기 파이프와 결합되는 구멍을 나타낸다.
상기 촉매 컨버터에서, 기재 매트의 정상 상태 두께(A)는 지지재(3)의 두께(C)의 2∼10배가 바람직하다.
상기 촉매 컨버터는 배기 가스를 정화하기 위한 촉매를 담지하는 원통형 모노리스(1), 배기관에 연결되고 모노리스를 수용하는 금속제 케이싱(2), 및 모노리스(1)의 외면과 금속제 케이싱(2)의 내면 사이의 간극(D)에 삽입된 지지재(3)를 포함한다.
상기 촉매 컨버터에서, 지지재(3)는 간극(D)와 동일한 두께를 가질 필요가 없고, 간극(D)보다 약간 더 큰 두께를 갖는 지지재가 장착될 수 있다. 그러나, 지지재의 두께가 너무 크거나 지지재가 금속제 케이싱 상에서 거의 미끄럼 이동 가능하지 않을 때, 지지재가 외부로 돌출하고 플랜지부(21a,21b)의 결합면사이에 위치하게 되어 그 결합 면이 서로 용접될 수 없게 되는 불편한 점이 발생한다. 결과적으로, 지지재(3)의 두께(C)는 촉매 컨버터의 간극(D)의 1.0∼2.0배가 바람직하다. 또한, 제 2공정에서 얻어진 압축 매트가 압축 히스테리시스로 인해 충분한 복원력을 나타낼 수 없을 가능성이 있기 때문에, 압축 매트의 압축 두께(B)는 간극(D)보 더 큰 것이 바람직하다.
또한, 지지재(3)는 촉매 컨버터에 고정될 때 0.18∼0.8g/㎤, 바람직하기로는 0.2∼0.6g/㎤ 의 초기 부피 밀도 및 0∼8g/㎠의 초기 면압을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 간극(D)에서 지지재(3)의 복원 면압은 유기 결합제의 열분해시 0.5∼8 kg/㎠ 인 것이 바람직하며, 이는 초기 면압의 50∼90% 또는 110∼150%에 상당한다.
도면에 나타낸 촉매 컨버터에서, 금속제 케이싱(2)은 서로 일체적으로 연결되는 상부 쉘 절반부(2a)와 하부 쉘 절반부(2b)를 포함하는 2분할형 클램쉘 구조를 갖는다. 상하 쉘 부재(2a,2b)에는 플랜지부(21a,21b)가 각각 제공되어 있고, 이들은 상하 쉘 부재가 용접에 의해 서로 연결될 때 결합 면으로서 작용한다. 또한, 금속제 케이싱의 하부 쉘 부재(2b)에는 촉매 컨버터와 배기관을 연결하기 위한 구멍(4,5)이 제공되어 있다. 한편, 모노리스(1)를 수용하도록 원통형으로 미리 형성된 스터핑 박스 구조의 케이싱이 금속제 케이싱(2)으로서 사용될 수 있다.
금속제 케이싱(2)은 모노리스(1)의 외경보다 더 큰 내경을 가지며 그 사이에 약 3∼6mm, 통상 약 4mm의 간극(D)이 형성되어 지지재(3)가 삽입되도록 한다. 지지재(3)는 간극(D)의 1.0∼2.0배, 바람직하기로는 1.0∼1.6배인 두께(C)를 갖고, 모노리스(1)의 외주면 전체에 걸쳐 장착되어 있다. 그러나, 지지재(3)는 외주면 전체에 걸쳐 연장될 필요가 없다. 대신에, 스트립형 지지재가 모노리스의 외주 면의 길이 방향 중앙부 주위에만 장착될 수 있거나, 또는 2개의 스트립형 지지재가 모노리스의 외주 면의 양단부에 장착될 수 있다. 또한, 알루미나 섬유보다 내열성이 더 낮은 알루미나/실리카계 섬유로 이루어진 세라믹 섬유 매트가 본 발명에 따라 제조된 지지재와 함께 사용될 수 있어서, 저온 금속제 케이싱의 옆에 놓인 세라믹 섬유 매트가 허니컴 모노리스의 옆에 놓인 지지재 위에 적층된다.
상기 촉매 컨버터는 이하의 촉매 컨버터의 제조 방법에 의해 기본적으로 제조될 수 있다.
상기 촉매 컨버터의 제조 방법을 도1∼3을 참조하여 이하에 설명한다.
상기 공정은 배기 가스를 정화하기 위한 촉매를 담지하는 원통형 모노리스(1), 배기관에 연결되는 금속제 케이싱(2), 및 모노리스(1)의 외면과 금속제 케이싱(2)의 내면 사이의 간극(D)에 삽입된 지지재(3)를 포함하는 촉매 컨버터를 제조하는 데 이용되고, (I) 원통형 모노리스(1)의 외주면에 지지재(3)를 권취하는 제 1공정, 및 (II) 상부 쉘 부재(2a)와 하부 쉘 부재(2b)로 이루어진 2분할형 구조를 갖는 원통형 금속제 케이싱에 모노리스 지지재가 권취되어 있는 원통형 모노리스(1)를 수용한 후, 상하 쉘 부재(2a,2b)를 서로 접촉시키고, 그 접촉된 주위부를 용접함으로써 서로 연결시키는 제 2공정을 포함한다. 지지재(3)는 그의 두께 방향으로 압축된 기재 매트 및 열분해시 분산될 수 있고 기재 매트에 균일하게 분산된 유기 결합제를 포함한다. 또한, 그 두께가 간극(D)에 대응하고 함유된 유기결합제가 열 분해되는 압축된 상태에서 지지재(3)가 유지되는 경우에, 지지재(3)는 0.1∼4.0 kg/㎠의 복원 면압을 나타낼 수 있다.
상기 제 1공정에서, 지지재(3)는 원통형 모노리스(1)의 외주면에 권취된다. 지지재(3)는 요부 및 돌기를 갖는 권취 양단부에 형성되고, 이들은 권취 종료 후에 서로 맞물려 결합한다.
상기 제 2공정에서, 지지재가 완전 권취된 모노리스(1)는 하부 쉘 부재(2b) 내에 놓이고 상부 쉘 부재(2a)는 하부 쉘 부재(2b)와 접속 결합된다. 상하 쉘 부재(2a,2b)는 용접에 의해 서로 외주 결합부에서 연결된다. 이 경우에, 지지재(3)의 두께(C)가 일반적으로 간극(D)의 2배 이하, 바람직하기로는 1.7배 이하, 더욱 바람직하기로는 1.6배 이하라면, 지지재의 일부는 외부로 돌출될 수 없으며 플랜지부들(21a, 21b) 사이에 놓인다.
이하에서 설명되는 촉매 컨버터는 2분할형 금속제 케이싱(2)을 포함한다. 한편, 금속제 케이싱(2)이 일체형 원통형이라면, 지지재(3)가 권취된 모노리스(1)는 금속제 케이싱의 개방 단부를 통해 모노리스를 누름으로써만 금속제 케이싱 내에 장착될 수 있다. 이 경우에, 지지재(3)의 두께(C)는 간극(D)의 약 1.0∼1.7배가 바람직하다.
그 다음, 촉매 컨버터의 다른 제조 방법을 도1∼3을 참조하여 설명한다.
상기 방법은 배기 가스를 정화하기 위한 촉매를 담지하는 원통형 금속 모노리스(1), 배기관에 연결되고 모노리스(1)를 수용하는 금속제 케이싱(2), 및 모노리스(1)의 외면과 금속제 케이싱(2)의 내면 사이의 간극(D)에 삽입된 지지재(3)를 포함하는 촉매 컨버터를 제조하는 데 이용되고, 여기서 허니컴 구조를 갖고 페라이트 계 스테인레스강 호일로 이루어진 모노리스(1)는 지지재(3)에 의해 직접 지지되고, 지지재(3)는 (I) 기재 매트를 유기 결합제 용액으로 함침시키는 제 1공정, (II) 유기 결합제 용액으로 함침된 기재 매트를 그 두께 방향으로 압축하는 제 2공정, 및 (III) 압축된 기재 매트의 두께를 유지하면서 유기 결합제 용액의 용매를 제거하는 제 3공정을 포함한다. 또한, 두께가 간극(D)에 대응하고 거기에 함유된 유기 결합제가 열 분해되는 압축 상태로 지지재(3)가 유지되는 경우, 지지재(3)는 0.1∼4.0 kg/㎠의 복원 면압을 가질 수 있다.
상기에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 하기에서 설명하는 우수한 효과를 제공할 수 있다.
즉, 본 발명의 방법에 따라 제조되는 지지재는 내구성이 우수한 압축된 알루미나 섬유 몸체로 이루어지므로, 내연기관으로 부터 방출되는 배기 가스에 노출될 때에도 부식이나 열화를 방지하고 높은 유속과 고온을 갖게 된다. 그 외에, 지지재내에 함유된 유기 결합제는 고온의 배기 가스에 노출될 때 열분해 및 소실될 수 있기 때문에, 지지재는 그 두께를 복원하고 탄성을 나타내므로, 모노리스와 케이싱 사이의 간극이 완전히 폐쇄되어 높은 유속의 배기 가스에 노출될때 배기 가스의 누출과 섬유의 비산을 방지할 수 있다. 그 결과, 모노리스는 안정적인 방법으로 금속제 케이싱 내에서 소정의 보유력에 의해 보유될 수 있다.
상기 지지재는 모노리스 및 금속제 케이싱의 온도 변화에 따라 간극의 크기가 시간에 따라 변할 수 있으므로, 모노리스는 금속제 케이싱 내에서 탄력적으로고정될 수 있다. 또한, 지지재는 그 두께를 기재 매트로서의 알루미나 섬유 매트의 초기 두께로까지 복원할 수 있는 두께-복원 특성을 가지므로, 모노리스는 장기간 케이싱 내에 안정적으로 보유될 수 있다.
또한, 상기 지지재가 촉매 컨버터에 조립될 때, 지지재의 두께는 유기 결합제의 결합력에 의해 훨씬 더 얇게 유지되므로, 지지재는 지지재 자체를 손상시키지 않고 촉매 컨버터의 내부로 쉽게 장착될 수 있다.
촉매 컨버터는 상기 지지재를 사용할 수 있다. 따라서, 촉매 컨버터는 심한 진동이나 충격을 장시간 견딜 수 있다. 그 외에, 상기 지지재는 촉매 컨버터에 쉽게 장착되기 때문에, 촉매 컨버터의 제조가 매우 용이하고, 그에 따라 촉매 컨버터의 제조 단가도 절감된다.
발명의 최선의 실시 양태
본 발명은 다음 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명된다. 그러나, 본 발명은 이들 실시예에 의해 한정되지 않고 첨부된 청구범위의 범위 또는 정신을 벗어나지 않는 한 여러 가지로 변경 또는 변형될 수 있다. 이하의 설명에서, 도1∼3에서 사용된 참조부호가 다시 인용되고, 실시예 및 비교예의 값은 표 1∼3에 열거한다. 또한, "%"는 별도 지시가 없는 한 중량 기준이다.
실시예 1
기재 매트로서, 정상 상태 두께(A) 16mm, 폭 600mm 및 길이 3600 mm를 갖는 멀라이트 섬유(상표명: "MAFTECBLANKET", Mitsubishi Chemical Corporation사 제품, 부피 밀도 0.10 g/㎤, 평균 섬유 직경 4 ㎛ 및 섬유 길이 20∼200 mm, 알루미나 성분 72% 및 실리카 성분 28%)를 제조하였다.
두께를 5.5mm로 감소시키도록 기재 매트를 압축할 때, 압축된 매트의 압축된 두께(B)를 유지하기 위해서는 2.0kg/㎠의 압력이 필요하다. 압축 매트가 압축 두께(B)로 5분 동안 유지된 후 압력을 낮추므로 매트는 16mm 까지 그 두께를 복원할 수 있는 복원 특성을 갖는 것으로 밝혀졌다.
그 다음, 상기 기재 매트는 유기 결합제 용액(상표명: "LX874", Nippon Zeon Co., Ltd.사 제품, 고체 함량 45%의 아크릴레이트 고무의 수성 분산형 에멀전)에 1분 동안 침지되었다. 그 다음, 유기 결합제 용액에 침지된 기재 매트의 양면을 메쉬 크기가 0.33mm인 2개의 폴리에스테르 네트로 샌드위치된 그 외측을 2매의 펀칭 금속(구멍 직경 3.5mm, 개구율 22.7%, 두께 2.3mm)으로 누른 후, 일면 측으로부터 흡인하면서 압축함으로써 5.5mm의 압축 두께(B)까지 압축하였다. 계속해서, 이 압축 두께(B)를 유지한 채로, 100℃의 열풍으로 3시간 건조하였다. 냉각후, 폴리에스테르 네트 및 펀칭 금속을 압축된 기재 매트로 부터 제거하여 목적하는 지지재(3)를 얻었다.
얻어진 지지재(3)는 두께(C)가 6.0mm로 유기 결합제(고형분)의 함량이 알루미나섬유 매트 100중량부에 대해 13중량부이었다. 이 지지재(3)를 간극(D)에 대응하는 두께 4mm까지 압축하는 데 요하는 압력은 4.1 kg/㎠이고, 간극(D)가 4mm로 설계된 촉매 컨버터에 장착한 때의 면압, 즉 지지재의 초기 면압이 4.1 kg/㎠인 것이 확인되었다. 또한, 얻어진 지지재(3)로부터 폭이 20mm, 길이 150mm의 띠를 절취하고, 폭을 20mm, 스판을 80mm로 하여 인장시험기(상표명: "Shimadzu Autograph IS-500", Shimadzu Seisakusho Co., Ltd. 사 제품)를 사용하고, 인장 속도 5mm/분의 조건에서 인장 강도 및 인장 탄성율을 측정하였다(표참조).
또한, 인장탄성율(E)은, 시편의 길이를 1o, 시편의 연신율을 △1, 인장강도를 Pn, 시편의 단면적을 A로 할 때, 다음 식으로부터 얻어졌다:
E = (Pn/A) / (△1/1o)
단위 인장 강도 Pa = Pn/A
그 다음, 얻어진 지지재(3)로 부터 시료를 절취한 후, 800℃의 오븐 온도에서 1시간 가열하여 함유된 유기 결합제를 열 분해하였다. 그 결과, 지지재(3)의 두께(C)는 15mm로 복원되고, 상기 (I)식으로 부터 얻은 두께 복원율은 2.5배로 확인되었다.
또한, 두께가 복원된 지지재(3)를 간극(D)에 대응하는 4mm의 두께로 압축하였다. 간극(D)에 대응하는 두께를 유지하는 데 요하는 압력은 4.0 kg/㎠이었다. 따라서, 얻어진 지지재(3)는 이를 간극(D)이 4mm로 설계된 촉매 컨버터에 장착하여 사용되고, 유기 결합제가 연소한 후에는 4.0 kg/㎠의 복원 면압으로 고정할 수 있음이 확인되었다.
그 다음, 복원된 지지재(3)(두께(C) 6.0mm)로 부터 폭이 80mm, 길이가 320mm인 띠를 절취하고, 이를 도2에 나타낸 바와 같이 모노리스(1)의 외주 면에 권취한 후, 도1에 나타낸 구조의 2분할형 금속제 케이싱(2)(간극 4mm)내에 세트함으로써,그 캐닝성을 시험하였다. 그 결과, 절취된 띠는 모노리스(1)의 외주면에 밀착시켜 용이하게 권취될 수 있고, 또한, 금속제 케이싱(2)내에 세트할 때에도 플랜지부(21a, 21b)사이에서 돌출 되거나 샌드위치 되지 않고, 우수한 캐닝성을 나타내는 것이 확인되었다.
실시예 2 ∼ 7
표에 나타낸 부피 밀도, 정상 상태 두께(A)의 기재 매트를 이용하고, 표에 나타낸 압축 두께(B)로 압축한 외에는 실시예 1과 동일하게 조작하여 두께(C)의 지지재(3)를 얻었다.
얻어진 지지재(3)의 유기 결합제(고형분)의 함유량은 표에 나타낸 바와 같다. 이 지지재(3)를 간극(D)까지 압축하는 데 요하는 압력, 즉, 초기 압력과 실시예 1과 동일한 방법으로 측정한 단위 인장 강도 및 인장 탄성율을 표에 나타낸다.
한편, 얻어진 지지재(3)로 부터 시편을 절취하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 결합제를 열 분해하였다. 이 때의 두께를 복원율, 또는 두께가 복원된 지지재(3)를 간극(D)로 압축하는 데 요하는 압력, 즉 연소 후의 면압을 마찬가지로 표에 나타낸다.
그 다음, 표에 나타낸 간극(D)를 갖는 2분할형 금속제 케이싱(2)을 사용한 이외는 실시예 1과 동일한 조작을 하여 촉매 컨버터의 캐닝성을 조사하고, 절취된 띠는 모노리스(1)의 외주면에 밀착시켜 용이하게 권취될 수 있고, 또한, 금속제 케이싱(2)내에 세트할 때도, 플랜지부(21a, 21b) 사이에서 돌출 되거나 샌드위치 되지 않고, 촉매 컨버터가 우수한 캐닝성을 나타내는 것이 확인되었다.
비교예 1
실시예 1에 기재된 방법과 동일하게 유기 결합제 용액을 함침시킨 알루미나 질 섬유 매트의 양면을 메쉬 크기가 0.33mm인 2개의 폴리에스테르 네트로 샌드위치된 그 외측을 2매의 펀칭 금속(구멍 직경 3.5mm, 개구율 22.7%, 두께 2.3mm)으로 누른 후, 일면 측으로부터 흡인하면서 압축함으로써 5.5mm의 압축 두께(B)까지 압축하였다. 계속해서, 이 압축 두께(B)를 유지한 채로 매트를 건조하는 실시예 1의 방법 대신에, 일방의 폴리에스테르 네트 및 펀칭 금속을 제거하여 편면을 해방한 상태로 건조한 결과, 두께(C)가 13mm로 유기 결합제(고형분)를 13 중량부 함유하는 성형체가 얻어졌다.
그 다음, 얻어진 성형체(두께(C) 13mm)로 부터 지지재로서 폭이 80mm, 길이 320mm의 띠를 절취하고, 이를 도1에 나타낸 구조의 2분할형 금속제 케이싱(간극:4mm)내로 장착하였다. 그러나, 이와 같이 부피가 큰 띠형 지지재는 모노리스(1)의 외주 면으로의 권취가 곤란하고, 또한, 캐닝시에도 플랜지부(21a, 21b) 사이에서 심하게 돌출 되거나 샌드위치 되었고, 금속제 케이싱 내에 세트할 수 없었다(표참조).
실시예 8
기재 매트로서, 정상 상태 두께(A) 12mm, 폭 600mm 및 길이 3600 mm를 갖는 멀라이트 섬유(상표명: "MAFTECBLANKET", Mitsubishi Chemical Corporation사 제품, 부피 밀도 0.1 g/㎤, 평균 섬유 직경 4 ㎛ 및 섬유 길이 20∼200 mm, 알루미나 성분 72% 및 실리카 성분 28% 함유)를 준비하였다.
그 다음, 상기 기재 매트를 사용하여 실시예 1과 동일한 방식으로 두께(C)가 6.0mm, 유기 결합제(고형분)의 함유량이 15중량부, 부피밀도가 0.23 g/㎤인 지지재(3)를 얻었다. 상기 기재 매트는 유기 결합제를 첨가하지 않은 상태에서, 4.0mm까지 압축하는 데 요하는 압력은 2.1 kg/㎠이고, 또한 유기 결합제 함침후 얻어진 성형체에서 4.0mm까지 압축하는 데 요하는 압력, 즉 초기 면압은 2.2 kg/㎠이었다. 그 결과, 유기 결합제가 압축 매트의 특성을 저해하지 않고 두께의 복원을 억제하고 있는 것이 확인되었다. 또한, 얻어진 지지재(3)의 두께 복원율을 실시예 1과 동일한 방법으로 측정한 결과, 복원율은 2.0이었다(표 참조).
계속해서, Cr 20%, 알루미늄 5%를 함유하는 두께가 60 ㎛의 스테인레스강 호일로 이루어진 평박과, 주름 높이가 1.25mm, 피치가 2.5mm의 주름진 호일을 적층 권취한 후, 진공로에서 확산 접합하고, 직경이 89mm, 길이가 130mm인 모노리스(1)를 준비하였다. 계속해서, 그 모노리스(1)에 알루미나 피복층을 도포 형성한 후, 촉매 성분으로서 Pt 및 Ph를 담지시켰다. 그리고, 촉매를 담지시킨 모노리스(1)의 외주에 상기 지지재(3)를 도2에 나타낸 방법으로 권취한 후, 이를 도1에 나타낸 구조의 금속제 케이싱(2)에 수용하여 촉매 컨버터를 구성하였다. 간극(D)로부터 산출한 지지재(3)의 두께(C) 및 장착 부피밀도는 각각 4.0mm 및 0.35 g/㎤이었다(표참조).
상기 조립에 있어서, 지지재(3)의 일부가 플랜지부(21a, 21b)의 사이에는 샌드위치되지 않고, 적절히 금속제 케이싱에 장착된 것이 확인되었다. 계속해서, 이 촉매 컨버터를 엔진 시험 장치에 장착하여, 상온 내지 830℃의 온도에서 600회의고온 열 싸이클 시험을 실시하였다. 그 결과, 모노리스(1)의 외주면으로부터의 누출이 없고, 또한 시험 후에 분해하여 본 즉, 모노리스(1)의 어긋남 및 모노리스(1)의 휨이 없음이 확인되었다.
실시예 9
기재 매트의 정상 상태 두께(A)를 15mm로 한 외는, 실시예 8과 동일한 방법으로 두께(C)가 6.8mm, 유기 결합제(고형분)의 함유량이 20중량부, 부피밀도가 0.26 g/㎤인 지지재(3)를 얻었다.
얻어진 지지재(3)를 4.0mm까지 압축하는 데 요하는 압력, 즉 초기 압력은 4.0 kg/㎠이었다. 실시예 1과 동일한 방법으로 측정한 두께 복원율 및 결합제 연소 후의 면압을 표에 나타낸다.
계속해서, 실시예 8과 동일한 방법으로 촉매 컨버터를 제조하였다. 금속제 케이싱(2)내에 장착된 지지재(3)의 두께(C)는 4.0mm, 장착 부피 밀도는 0.45 g/㎤이었다(표참조).
그리고, 실시예 8과 동일한 방법으로 고온 열 사이클 시험을 실시한 결과, 모노리스(1)의 어긋남 및 모노리스(1) 외주 면으로부터의 누출은 없었다. 단, 극히 미미하게 모노리스(1)의 변형이 확인되었기 때문에, 지지재(3)의 장착 부피밀도는 상기 값이 상한 치로 추정되었다.
실시예 10:
정상상태 두께(A)가 8 mm 이고 또 부피 밀도가 0.05 g/㎤인 것을 제외하고는 실시예 1에서 사용된 조성과 동일한 기재 매트에 실시예 1에서 사용된 것과 동일한유기 결합제를 함침시켜 두께(C)가 6.0 mm이고 부피 밀도가 0.07 g/㎤이며 유기 결합제 5중량부(고형분 함량)를 함유하는 지지재(3)로서 성형체를 수득하였다. 이렇게 수득한 지지재(3)를 두께가 4.0 mm 이하로 감소되도록 압축시키면, 여기에 소요되는 압력이 0.1 kg/㎠임이 밝혀졌다. 이어, 촉매를 담지한 모노리스(1)를 실시예 1에서 정의된 것과 동일한 조건하에서 제조하고 금속제 케이싱내에 수용시켜 촉매 컨버터를 제조하였다. 금속제 케이싱(2)내에 장착된 지지재(3)는 4.0 mm의 두께(C) 및 장착시 0.105 g/㎤의 부피 밀도를 갖는다(표 참조).
상기와 같이 제조된 촉매 컨버터를 실시예 1에 정의된 바와 같은 동일한 방식으로 고온 열 사이클 시험 처리하였다. 그 결과, 모노리스(1)의 굽힘이나 불량한 밀폐성으로 인한 모노리스(1)의 외주면으로부터 누출은 전혀 발생하지 않았음이 확인되었다. 그러나, 모노리스(1)가 약간 이동한 것이 관찰되므로, 상기 측정한 장착시의 지지재의 부피 밀도는 그 하한인 것으로 추정되었다.
실시예 11
정상상태 두께(A)가 6 mm인 기재 매트가 사용된 이외에는 실시예 8에서 정의된 것과 동일한 과정을 실시하여 두께(C)가 5.5 mm 이고 또 부피 밀도가 0.13 g/㎤이며 유기 결합제 20중량부(고형분 함량)를 함유하는 지지재(3)를 수득하였다.
이렇게 하여 수득한 지지재(3)를 그의 두께가 4.0 mm로 감소되도록 압축시키면, 여기에 소요되는 압력, 즉 초기 압력이 0.6 kg/㎠임이 확인되었다. 또한 단위 인장 강도, 인장탄성율, 두께 복원율 및 연소후 면압 모두는 실시예 1에 기재된 방식으로 측정하여 표에 나타내었다.
이어서, 13%의 Cr 및 2%의 Si로 구성되고 두께가 40 ㎛인 평평한 호일 및 주름 높이가 1.25 mm이고 또 피치가 2.5 mm인 주름진 호일 형태인 스테인레스강 호일을 적층시켜 권취하였다. 권취된 호일을 진공로에서 확산법에 의해 결합시켜 직경이 89 mm이고 길이가 130 mm인 모노리스(1)를 제조하였다. 계속하여, 이렇게 제조된 모노리스상에 실시예 1에서와 동일한 조건하에서 촉매를 담지시켰다. 상기한 지지재(3)를 촉매가 담지된 모노리스(1)의 외주면 주변에 도2에 도시한 방식으로 권취시켰다. 모노리스(1)는 내경이 97mm인 금속제 케이싱(2)내에 수용되어 촉매 컨버터를 생성하였다. 지지재(3)의 장착시 두께(C) 및 부피 밀도는 각각 4.0 mm 및 0.18 g/㎤ 이었다(표 참조).
이렇게 제조된 촉매 컨버터를 실시예 1에 기재한 방식으로 고온 열 사이클시험 처리하였다. 그 결과, 모노리스(1)의 이동, 밀폐 불량으로 인한 모노리스(1)의 외주면으로 부터의 누출 및 모노리스(1)의 굽힘등이 유발되지 않았음이 확인되었다. 또한 상기 시험후 분석은 누출이나 모노리스(1)의 굽힘이 발생되지 않았음을 나타내었다.
비교예 2:
정상상태의 두께(A)가 5.5 mm 이고 또 부피 밀도가 0.61 g/㎤인 시중에서 구입할 수 있는 열팽창성 기재 매트를 사용한 이외에는 실시예 8에서와 동일한 과정으로 실시하여 촉매 컨버터를 제조하였다. 이렇게 제조된 촉매 컨버터를 상술한 바와 같은 방식으로 고온 열 사이클 시험처리하였다. 그 결과, 50회에 도달하면, 모노리스(1)는 미끄러져 지지재로 부터 분리되었다. 분리된 모노리스(1)의 전체 외주면에 걸쳐 굽힘이 관찰되었고 모노리스의 직경도 89 mm 에서 장착시 86 mm로 감소되었다.
본 발명에 따라 제조된 모노리스 지지재는 압축 상태에서 케이싱내에 용이하게 장착될 수 있고, 유기 결합제를 열분해시키면 두께를 복원하므로 장기간에 걸쳐 안정하게 모노리스를 고정할 수 있고 또 확실하게 가스 밀폐성을 발휘한다. 또한 상기의 특정 모노리스 지지재를 사용한 본 발명의 촉매 컨버터는 격심한 진동 및 충격에 대하여 모노리스가 안정하게 지지되고 또 내구성이 우수하다. 따라서 본 발명은 높은 정화효율을 추구하는 각종 차량의 내연기관에 장착되는 고성능 촉매 컨버터로서 우수한 효과를 발휘한다.

Claims (6)

  1. 배기 가스 정화용 촉매를 담지하는 원통형 모노리스,
    상기 모노리스를 수용하고 배기 가스 도관에 연결된 금속제 케이싱, 및
    상기 모노리스의 외주면과 금속제 케이싱의 내주면 사이의 간극에 장착되는 모노리스 지지재를 포함하는 촉매 컨버터에 사용하기 위한 모노리스 지지재의 제조 방법으로서,
    (I) 0.05 내지 0.20 g/㎤의 부피 밀도 및 제1의 비압축 두께를 가진 알루미나 섬유 매트에 열분해에 의해 소실될 수 있는 유기 결합제를 함유하는 용액을 함침시키는 제 1 공정,
    (II) 유기 결합제 함유 용액이 함침된 알루미나 섬유 매트를 상기 제1의 비압축 두께의 1/2 내지 1/15배인 제2의 압축 두께로 되도록 그의 두께 방향으로 압축하는 제 2 공정,
    (III) 상기 알루미나 섬유 매트의 제2의 압축 두께를 유지한 그대로 알루미나 섬유 매트에서 유기 결합제 함유 용액의 용매를 제거하고 유기 결합제를 압축된 알루미나 섬유 매트 내에 남게 함으로써, 통상의 비압축 상태에서 알루미나 섬유 매트의 제2의 압축 두께의 1 내지 1.5배의 두께를 갖는 모노리스 지지재를 제공하는 제 3 공정을 포함하며,
    상기 모노리스 지지재에 함유된 유기 결합제가 열 분해될 때,
    상기 모노리스 지지재는 그의 양면이 개방 상태로 유지되는 비압축 조건일때 두께 복원성을 나타내며,
    압축된 조건일 때의 상기 모노리스 지지재의 복원 면압은 0.05 내지 3MPa(0.5 내지 30 kg/㎠)의 범위로 되어 상기 모노리스 지지재의 두께가 모노리스의 외주면과 금속제 케이싱의 내주면 사이의 간극에 대응하게 되는 모노리스 지지재의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유기 결합제의 함량은 알루미나 섬유 매트 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 30 중량부 범위인 모노리스 지지재의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유기 결합제는 아크릴 고무, 니트릴 고무, 카르복시메틸 셀룰로오스, 폴리비닐 알코올 및 아크릴 고무 이외의 아크릴 수지로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료로 되는 모노리스 지지재의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 모노리스 지지재는 그의 양면이 비압축 상태일 때 2 내지 10배의 두께 복원율을 갖게 되는 모노리스 지지재의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 모노리스 지지재는 0.1 내지 0.5 g/㎥의 부피 밀도를 갖는 모노리스 지지재의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 모노리스 지지재는 1내지 4MPa(10 내지 40 kg/㎠)의단위 인장 강도를 갖는 모노리스 지지재의 제조 방법.
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