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KR20180048977A - 오염 제어 요소를 랩핑 및 장착하는 장착 부재 - Google Patents

오염 제어 요소를 랩핑 및 장착하는 장착 부재 Download PDF

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KR20180048977A
KR20180048977A KR1020187009302A KR20187009302A KR20180048977A KR 20180048977 A KR20180048977 A KR 20180048977A KR 1020187009302 A KR1020187009302 A KR 1020187009302A KR 20187009302 A KR20187009302 A KR 20187009302A KR 20180048977 A KR20180048977 A KR 20180048977A
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KR
South Korea
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mounting member
mounting
contamination control
control element
inorganic particles
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Application number
KR1020187009302A
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English (en)
Inventor
울리히 쿤제
케르스틴 로젠
Original Assignee
쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Filing date
Publication date
Application filed by 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니 filed Critical 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

본 발명은 오염 제어 장치의 케이싱 내에 오염 제어 요소를 랩핑 및 장착하는 장착 부재에 관한 것으로, 상기 장착 부재는 무기 섬유 재료; 및 무기 입자를 포함하고, 상기 무기 입자는 매트 대부분의 전반에 걸쳐 분포되어 있으며 DIN ISO 13320에 따라 측정된 800 nm 내지 15000 nm(DV 50), 바람직하게는 1000 nm 내지 15000 nm(DV 50)의 평균 직경을 포함한다.

Description

오염 제어 요소를 랩핑 및 장착하는 장착 부재
본 발명은 오염 제어 장치의 케이싱 내에 오염 제어 요소를 랩핑(wrapping) 및 장착하는 장착 부재로서, 상기 장착 부재가 무기 섬유 재료 및 무기 입자를 포함하는 장착 부재에 관한 것이다. 본 발명은 또한 오염 제어 장치의 케이싱 내에 오염 제어 요소를 랩핑 및 장착하는 장착 부재의 제조 방법에 관한 것이다.
세라믹 촉매 변환기를 이용한 배기 가스 정화 시스템은 자동차 엔진으로부터의 배기 가스에 포함된 일산화탄소(CO), 탄화수소류(HC), 및 산화질소류(NOx) 등을 제거하는 수단으로 공지되어 있다. 근본적으로, 세라믹 촉매 변환기는 일반적으로 금속 케이싱 내에 벌집형의 세라믹 촉매 담체 등을 보관한다. 다른 배기 가스 정화 시스템은 디젤 또는 가솔린 엔진의 배기 가스로부터의 미립자를 제거하기 위한 세라믹 미립자 필터를 포함한다.
다양한 유형의 세라믹 촉매 변환기가 있지만, 일반적인 형태는 촉매 담체 또는 필터, 촉매 담체 또는 필터를 보관하는 케이싱, 및 촉매 담체 또는 필터의 외부 표면과 케이싱의 내부 표면 사이의 간극을 충전시키는 단열 부재를 제공한다. 단열 부재는 촉매 담체 또는 필터를 장착하며, 충격 및 진동 등으로 인한 기계적 충격이 촉매 담체 또는 필터에 의도하지 않게 가해지는 것을 방지한다. 이럼으로써, 촉매 담체 또는 필터의 이동 및 파괴는 충분히 억제될 수 있으며, 따라서 원하는 효과가 장기간에 걸쳐 제공될 수 있다. 이러한 유형의 단열 부재는 일반적으로 장착 부재라고도 불리는데, 그 이유는 상기 부재가 촉매 담체 또는 필터와 같은 오염 제어 요소를 금속 쉘 등에 장착하는 기능을 갖기 때문이다.
일본 특허 제2002 206 421 A2호에는 고온에서 오염 제어 장치의 오염 제어 요소를 보유하는 기능을 충분히 유지할 수 있는 촉매 변환기용 홀딩 및 밀봉 재료가 개시된다. 홀딩 및 장착 재료는 세라믹 섬유를 포함한다. 섬유는 소결에 의해 섬유에 추가된 무기 입자로 이루어진 불균일 구조물을 포함한다.
국제 특허 공개 WO 2012/106295 A1호에는 오염 제어 요소가 케이싱 내에 조립될 때 무기 섬유 재료의 산포를 충분히 억제할 수 있고, 케이싱의 내부 표면과 오염 제어 요소 사이에서 충분히 높은 접촉 압력을 유지할 수 있는 장착 부재가 개시된다. 장착 부재는 무기 섬유 재료로 만들어진 매트, 및 매트 대부분의 전반에 걸쳐 함침되는 유기 결합제 및 무기 미세 입자를 함유하는 응집 물질을 제공한다.
미국 특허 제8,071,040 B2호에는 알루미나 및/또는 고온 내성 생분해성(biosoluble) 무기 섬유를 함유하는 고온 내성 세라믹 섬유, 결합제 연소 전에 승온에서 적어도 부분적으로 액화하는 유기 결합제, 콜로이드 무기 산화물 및 선택적으로 팽창성 물질을 포함하는 배기 가스 처리 장치용 장착 매트가 개시된다. 장착 매트는 쉽게 설치할 수 있고 매트 두께와 해당 전단 강도 및 유지 압력 성능에 있어서 상당한 손실없이 광범위한 유입 가스 온도에 걸쳐 기능할 수 있다.
상기에 인용된 문헌은 특히, 장착 부재의 개선된 유지 또는 접촉 압력 및 감소된 섬유 산포를 갖는 오염 제어 장치에서 사용시 장착 부재의 개선된 거동을 다룬다. 어떠한 문헌도 오염 제어 장치의 조립 동안 장착 부재의 신장(elongation)을 감소시키는 문제를 다루지 않는다. 장착 부재의 신장은 원래 매트의 너비와 오염 제어 장치에 조립 후 매트의 너비 사이의 길이 차이이다.
이러한 거동은 장착 부재의 예상 장착 밀도보다 낮은 밀도를 초래할 수 있고, 따라서 오염 제어 장치의 사용 동안 장착 부재(매트)의 접촉 압력을 낮출 수 있다. 더 큰 면적 중량을 가진 장착 부재를 사용함으로써, 이러한 영향에 대한 잠재적 보상이 시스템에 비용을 추가시킨다.
오염 제어 요소용 장착 부재의 너비는 전형적으로 오염 제어 장치의 세라믹 요소의 길이를 완전히 또는 그것의 상당 부분을 덮도록 채택된다. 장착 부재가 조립 후 세라믹 요소의 에지에 비해 연장되는 것을 피하기 위해 장착 부재의 신장은 고려될 필요가 있다. 신장이 낮을수록 더 넓은 장착 부재의 사용을 가능케 하여 금속 쉘 내 세라믹 요소의 보다 높은 유지력을 유도한다.
상기에 비추어, 본 발명의 목적은, 한편으로는 광범위한 온도 범위에 걸쳐 사용시 오염 제어 장치 내에서 오염 제어 요소를 보유하는 기능을 충분히 유지할 수 있고, 다른 한편으로는 오염 제어 장치의 조립시 개선된 거동을 갖는, 예를 들면 캐닝(canning)시 감소된 신장을 제공하는, 장착 부재를 제공하는 것이다. 신장의 감소는 비교적 고가인 무기 섬유 재료의 양을 감소시키고, 다른 한편으로는 충분히 높은 장착 밀도를 확보하는데 도움이 된다.
오염 제어 장치의 케이싱 내에 오염 제어 요소를 랩핑 및 장착하는 장착 부재는, 본 발명에 따르면, 오염 제어 장치의 사용시 우수한 성능을 제공할 수 있고 캐닝시 감소된 신장을 가질 수 있다는 것이 발견되었다. 그러한 장착 부재는 하기의 특징들을 가질 수 있다:
- 무기 섬유 재료; 및
- 장착 부재 대부분의 전반에 걸쳐 분포되어 있으며, DIN ISO 13320에 따라 측정된 800 nm 내지 15000 nm, 바람직하게는 1000 nm 내지 15000 nm(DV 50)의 평균 직경을 포함하는 무기 입자.
입자 크기는 체적을 기준으로 중간 입자 직경인 DV 50으로 정의하며, 즉 입자의 50 부피%는 이 직경보다 작고 50%는 더 크다. 직경은 DIN ISO 13320에 따라 측정한다.
장착 부재의 대부분에 걸쳐 분포되어 있는 무기 입자 - 입자의 크기는 청구된 범위 내에 있음 - 를 갖고 오염 제어 장치의 케이싱 내에 오염 제어 요소를 랩핑 및 장착하는 장착 부재가, 오염 제어 장치의 장착시 개선된 신장을 제공하면서, 여전히 광범위한 온도 범위에 걸쳐 사용시 오염 제어 장치 내 오염 제어 요소에 대해 충분한 보유력을 보여준다는 것이 발견되었다. 신장의 긍정적인 영향은 또한 제조시 폐기물을 줄일 수 있고, 따라서 가격 이점을 제공할 수 있다는 것이다.
일 실시 형태에 따르면, 장착 부재의 무기 섬유 재료에는 유리 섬유, 세라믹 섬유, 탄소 섬유, 탄화 규소 섬유 또는 붕소 섬유 또는 이들의 조합의 군으로부터 선택된 섬유가 포함될 수 있다. 오염 제어 장치에서 발생하는 고온 및 오염 제어 장치의 사용시 요구되는 유지력을 견딜 수 있는 한 다른 섬유들도 가능하다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 무기 섬유 재료는 니들 펀칭될 수 있다. 예를 들면 스티치 본딩(stitch-bonding), 수지 접합(resin bonding), 가압 및/또는 이들의 조합과 같은 무기 섬유 재료를 압축하는 다른 방법들이 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 무기 입자는 금속 산화물, 금속 수산화물, 금속 산화물 수산화물, 규산염, 점토, 질화물, 탄화물, 황화물, 탄산염 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 이들은 예를 들어, 미국 Sasol Corporation의 Dispal™ 입자로부터 선택될 수 있다. 미국 Sasol Corporation의 Dispal™ 23N4-80 및 Dispal™ 18N4-80 입자를 이용하여 매우 우수한 결과들이 달성되었고, 이는 본 특허 출원의 실시예 섹션에서 설명할 것이다.
일 실시 형태에 따르면 장착 부재는 최대 3 중량%의 유기 결합제를 함유할 수 있다. 실시예에 나타난 바와 같이, 어떠한 결합제 없이도 우수한 결과들을 달성하는 것이 또한 가능한다. 그러나, 특정 조건하에서 결합제를 사용하면 더 나은 결과의 신장을 유도할 수 있다. 사용되는 결합제의 양은 사용 중인 오염 제어 장치 내에서 오염 제어 요소를 충분히 보유하는 능력에 관하여 최적화 될 필요가 있다.
다른 실시 형태에 따르면, 무기 입자는 무기 입자를 함유하는 수계 슬러리를 사용하여 매트를 통해 함침될 수 있다. 매트에 걸쳐 입자를 분포시키는 쉬운 방법은 슬러리, 예를 들어 수계 슬러리를 제조하여 슬러리를 매트 상에 도포하는 것이다. 슬러리는 매트의 대부분에 걸쳐 입자를 이동하게 하는 농도여야 할 필요가 있다. 슬러리가 너무 농축된 경우 - 이는 슬러리 내 입자의 농도가 너무 높을 경우를 의미함 - 입자는 장착 부재의 표면 상에 머물고 장착 부재 내로 이동하지 않을 위험이 존재한다. 섬유 적층 공정 동안 섬유를 매트에 놓기 전에 입자들을 섬유와 혼합함으로써, 장착 부재 내에 입자를 분포시키는 것이 또한 가능하다.
슬러리는 적어도 80 중량%, 바람직하게는 90 중량% 및 더욱 바람직하게는 95 중량%의 물을 함유할 수 있다. 슬러리는 또한 유기 결합제를 함유할 수 있다.
유기 결합제는 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 스티렌, 부타다이엔, 비닐 피리딘, 아크릴로니트릴, 비닐 클로라이드, 비닐 아세테이트, 비닐 알코올 또는 에틸렌, 폴리우레탄, 폴리아미드, 실리콘, 폴리에스테르, 에폭시 수지 또는 이들의 조합의 중합체 또는 공중합체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 장착 부재 내의 무기 입자의 농도는 0.5 내지 5 중량%, 바람직하게는 1.0 내지 2.5 중량% 일 수 있다.
또 다른 실시 형태에 따르면, 본 발명에 따른 장착 부재의 장착 밀도의 최대 감소는 0.4 g/㎤ 의 계산된 장착 밀도로 스터핑(stuffing)시 장착 부재의 신장에 의해 야기되어 3%일 수 있다. 오염 제어 장치 내 장착 부재의 계산된 장착 밀도(매트 신장이 없다고 가정함)는, 금속 쉘 내부 직경에서 오염 제어 요소 외부 직경을 뺀 차이값으로 면적 당 중량의 2배값을 나누어 계산한다. 하기의 식들이 계산 방법을 나타낸다:
MDc ― 계산된 장착 밀도
W/Am ― 장착 부재(매트)의 면적 당 중량 또는 면적 중량
IDms ― 금속 쉘 내부 직경
ODpce ― 오염 제어 요소 외부 직경
Wtm ― (매트)의 중량
Lm ― 매트의 길이
Wm ― 매트의 너비(= 오염 제어 요소의 길이)
Figure pct00001
여기서 W/A는 하기와 같이 계산된다:
Figure pct00002
장착 밀도 감소의 계산: 캐닝 후 장착 부재는 캐닝 공정 동안의 신장으로 인해 오염 제어 요소에 비해 연장될 수 있다. 이 부분의 매트를 절단하여 칭량한다. 이 절단 부분의 중량을 원래의 매트 중량에서 빼고 캐닝 후 감소된 매트의 면적 당 중량을 원래의 치수를 기준으로 계산한다. 캐닝 후 장착 밀도는 캐닝 후 면적 당 중량을 사용하여 계산된다. 장착 밀도의 차이는 계산된 장착 밀도의 백분율로 계산된다. 하기의 식들이 계산 방법을 나타낸다:
MDred ― 장착 밀도 감소
MDac ― 캐닝 후 장착 밀도
Wtem ― 캐닝 후 오염 제어 요소의 에지에 비해 연장된 매트의 중량
Figure pct00003
장착 부재는 매트 부재에 배치된 팽창성 재료를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "팽창성 재료"는 충분한 양의 열 에너지에 노출시 확장, 발포, 또는 팽윤하는 재료를 의미한다. 팽창성 장착 부재를 제조하는 데 사용하기에 유용한 팽창성 재료에는 미팽창 질석 광석(unexpanded vermiculite ore), 처리된 미팽창 질석 광석, 부분적으로 탈수된 질석 광석, 팽창 흑연, 팽창 흑연과 처리되거나 처리되지 않은 미팽창 질석 광석의 혼합물, 가공된 팽창 규산나트륨, 예를 들어, 미국 St. Paul, Minn 소재의 3M Company로부터 구매 가능한, EXPANTROL™ 불용성 규산나트륨, 및 이들의 혼합물이 포함될 수 있지만 이로 한정되지 않는다. 바람직한 구매 가능한 팽창 흑연 재료의 다른 예로는 미국 Cleveland, Ohio 소재의 UCAR Carbon Co., Inc.의 GRAFOIL™ Grade 338-50 팽창 흑연 박편이 있다.
본 발명은 또한 하기의 단계들을 포함하는 오염 제어 장치의 케이싱 내에 오염 제어 요소를 랩핑 및 장착하는 장착 부재의 제조 방법에 관한 것이다.
- DIN ISO 13320에 따라 측정된 800 nm 내지 15000 nm(DV 50), 바람직하게는 DIN ISO 13320에 따라 측정된 1000 nm 내지 15000 nm(DV 50)의 평균 직경을 갖는 미세 무기 입자를 함유하는 수계 슬러리를 제조하는 단계; 및
- 무기 섬유 재료를 함유하는 매트를 슬러리로 함침시키는 단계.
본 발명에 따른 방법은 함침시키는 단계 이후에 건조시키는 단계를 또한 포함할 수 있다. 건조시키는 단계는 실온 또는 예를 들면 100℃ 내지 180℃의 온도와 같은 승온에서 실시할 수 있다. 건조시키는 단계는 또한 공기 스트림을 사용하여 실시할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 사용되는 슬러리는 유기 결합제를 함유할 수 있다.
그리고 마지막으로 본 발명은 오염 제어 장치의 케이싱 내에 오염 제어 요소를 랩핑 및 장착하는 장착 부재를 제조하는 무기 입자의 용도에 관한 것이며, 미세 입자의 평균 직경은 DIN ISO 13320에 따라 측정된 800 nm 내지 15000 nm(DV 50), 바람직하게는 DIN ISO 13320에 따른 1000 nm 내지 15000 nm(DV 50)의 범위이다.
이제, 본 발명의 특정 실시 형태를 예시하는 다음의 도면을 참조하여 본 발명이 더 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 보유재를 예시하는 사시도이다;
도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 오염 제어 장치를 개략적으로 예시한 단면도이다.
본 명세서에서 본 발명의 아래의 다양한 실시 형태가 기술되고 도면에 도시되는데, 여기서 동일 요소들에는 동일한 도면 부호들이 제공된다.
도 1은 본 발명의 장착 부재의 일 예를 예시하는 사시도이다. 이 도면에 예시된 장착 부재(10)가 예를 들어 둥근 원통형 또는 타원 원통형 외부 형상을 갖는 오염 제어 요소(30) 둘레에 감길 수 있는데, 이는 케이싱(20) 내에 요소를 보유하기 위함이다(도 2 참조). 모든 다른 형상의 오염 제어 요소(30)가 또한 가능하다. 장착 부재(10)는 오염 제어 요소(30)의 외주 길이와 일치하는 길이를 갖는다. 장착 부재(10)는, 예를 들어 일 단부에 볼록 부분(10a)을, 그리고 다른 단부에 오목 부분(10b)을 갖고, 장착 부재(10)가 오염 제어 요소(30) 둘레에 감길 때 볼록 부분(10a)과 오목 부분(10b)이 상호 맞물리게 하는 형상을 갖지만, 정합을 위한 형상은 특별히 제한되지 않고, 정합 영역에서 배기 가스의 누설을 효과적으로 방지할 수 있는 임의의 형상이 허용가능하며, L 형상과 같은 다른 형상이 또한 가능하다. 장착 부재(10)는 또한 오염 제어 요소(30)의 길이와 일치하는 너비를 갖는다. 위에서 이미 지적했듯이, 장착 부재(10)의 너비는, 오염 제어 요소(30) 둘레에 감긴 장착 부재(10)가 케이싱(20) 내로 스터핑될 때, 발생할지 모를 장착 부재(10)의 신장을 고려해야 할 필요가 있고, 스터핑 후 장착 부재(10)가 오염 제어 요소(30)의 에지에 비해 연장되는 것을 피해야 할 필요가 있다.
도 2는 오염 제어 장치(50) 내 오염 제어 요소(30)를 보유하기 위해 사용되는 장착 부재(10)를 도시한다. 오염 제어 요소(30)의 구체적인 예는 엔진으로부터의 배기 가스를 정화하기 위해 사용되는 촉매 담체 또는 필터 요소 등이다. 오염 제어 장치(50)의 구체적인 예로는 촉매 변환기 및 배기 가스 정화 장치(예를 들어, 미립자 필터 장치)가 포함된다.
도 2에 예시된 오염 제어 장치(50)는 케이싱(20), 케이싱(20) 내에 제공된 오염 제어 요소(30), 및 케이싱(20)의 내부 표면과 오염 제어 요소(30)의 외부 표면 사이에 제공된 장착 부재(10)를 갖는다. 또한, 오염 제어 장치(50)는 배기 가스가 오염 제어 요소(30)에 도입되는 곳인 가스 흡입 포트(21) 및 오염 제어 요소(30)를 통과한 배기 가스가 배출되는 곳인 가스 배출 포트(22)를 갖는다.
케이싱(20)의 내부 표면과 오염 제어 요소(30)의 외부 표면 사이의 간극의 너비는 1.5 내지 15 mm, 바람직하게는 3 내지 10 mm 일 수 있다. 장착 부재(10)는 바람직하게는, 케이싱(20)과 오염 제어 요소(30) 사이의 적합한 벌크 밀도를 달성하기 위해 적절하게 압축된 상태에 있다. 오염 제어 요소(30)를 보유하기 위한 본 발명에 따른 장착 부재(10)를 사용함으로써, 충분히 높은 표면 압력이 케이싱(20)의 내부 표면과 오염 제어 요소(30) 사이에서 유지될 수 있다. 더욱이, 오염 제어 요소를 오염 제어 장치 내로 장착시 신장이 종래의 장착 부재에 비해 감소될 수 있으며, 따라서 비교적 고가인 무기 섬유 재료의 사용 양이 감소될 수 있다.
실시예
실시예를 참조하여 본 발명을 설명한다. 본 발명은 결코 이들 실시예에 의해 제한되지 않음에 유의한다.
모든 실시예는 Mitsubishi Plastics Inc.의 알루미나-실리카 섬유 블랭킷(Maftec MLS2)을 기반으로 한다. 매트를 무기 입자의 슬러리로 스프레이 함침시킨다. 일부 실시예에서, 무기 입자 이외에 슬러리에 추가의 유기 라텍스 결합제를 첨가한다. 함침된 매트를 건조시키고 이후 시험한다. 시험은 승온에서의 다중 사이클의 압축 시험 및 매트 신장을 결정하기 위한 견고한 스터핑 시험을 포함한다.
실시예 구성 성분:
무기 입자: 미국 12120 Wickchester Lane, Houston TX 77079 소재의 Sasol Corporation의 Dispal™ 23N4-80, Dispal™ 18N4-80
유기 결합제: 독일 Ludwigshafen 소재의 BASF SE의 Acronal™ A273S
비교예 구성 성분:
무기 입자: Snowtex™ OS; 일본 Nissan Chemical Industries; 콜로이드 알루미나; 일본 Nissan Chemical Industries
유기 결합제: Nipol™ LX 874; 일본 Nippon Zeon Co.
슬러리 제조:
하기 표에 따른 양의 물에 무기 입자를 첨가하고, 실험 믹서기로 5 분 동안 교반하여 함침용 슬러리를 제조하였다. 일부 샘플에서(또한 하기 표 참조) 추가의 유기 결합제를 나중에 첨가하고, 1 분 동안 추가로 교반하였다.
Figure pct00004
실시예 1:
MLS 2 블랭킷의 시트를 조각으로 절단하고, DIN ISO 13320에 따라 측정된 입자 크기가 1.87 nm(DV 50) 인 Dispal™ 23N4-80 입자를 함유하는 전술된 슬러리를 블랭킷 상에 분무하여 함침시켰다. 액체를 이러한 방식으로 블랭킷 내로 함침시킨 후에, 150℃ 공기 온도의 강제 공기 건조기에서 15분 동안 건조를 수행하였다. 함침되고 건조된 장착 부재는 약 1.5 중량%의 입자를 함유하였다.
실시예 2:
MLS 2 블랭킷의 시트를 조각으로 절단하고, DIN ISO 13320에 따라 측정된 입자 크기가 1.87 nm(DV 50) 인 Dispal™ 23N4-80 입자와 유기 결합제 Acronal™ A273S를 함유하는 전술된 슬러리를 블랭킷 상에 분무하여 함침시켰다. 액체를 이러한 방식으로 블랭킷 내로 함침시킨 후에, 150℃ 공기 온도의 강제 공기 건조기에서 15분 동안 건조를 수행하였다. 함침되고 건조된 장착 부재는 약 1.5 중량%의 무기 입자 및 0.8 중량%의 유기 결합제를 함유하였다.
실시예 3:
MLS 2 블랭킷의 시트를 조각으로 절단하고 DIN ISO 13320에 따라 측정된 입자 크기가 3.51 nm(DV 50)인 Dispal™ 18N4-80 입자를 함유하는 전술된 슬러리를 블랭킷 상에 분무하여 함침시켰다. 액체를 이러한 방식으로 블랭킷 내로 함침시킨 후에, 150℃ 공기 온도의 강제 공기 건조기에서 15분 동안 건조를 수행하였다. 함침되고 건조된 장착 부재는 약 1.5 중량%의 입자를 함유하였다.
실시예 4:
MLS 2 블랭킷의 시트를 조각으로 절단하고 DIN ISO 13320에 따라 측정된 입자 크기가 3.51 nm(DV 50)인 Dispal™ 18N4-80 입자와 유기 결합제 Acronal™ A273S를 함유하는 전술된 슬러리를 블랭킷 상에 분무하여 함침시켰다. 액체를 이러한 방식으로 블랭킷 내로 함침시킨 후에, 150℃ 공기 온도의 강제 공기 건조기에서 15분 동안 건조를 수행하였다. 함침되고 건조된 장착 부재는 약 1.5 중량%의 입자 및 0.8 중량%의 유기 결합제를 함유하였다.
비교예 1a:
어떠한 처리도 하지 않은 MLS 2 블랭킷을 조각으로 절단하고 비교예 1a로 사용하였다. 스터핑 및 다중 사이클 시험을 위해, 장착 밀도를 실시예 1 및 실시예 2의 장착 밀도로 조정하였다.
비교예 1b:
어떠한 처리도 하지 않은 MLS 2 블랭킷을 조각으로 절단하고 비교예 1b로 사용하였다. 스터핑 및 다중 사이클 시험을 위해, 장착 밀도를 실시예 3 및 실시예 4의 장착 밀도로 조정하였다.
비교예 2:
68.55 g의 무기 콜로이드 입자(Snowtex™ OS, Nissan Chemical Industries, Ltd.가 제조함) 및 2.0 g의 유기 결합제(Nipol™ LX874, Nippon Zeon Co., Ltd.가 제조함)를 1429.50 g의 물에 첨가하고 5 분 동안 교반하여 비교 샘플을 제조하였다. 무기 콜로이드 입자는 DIN ISO 13320에 따라 측정된 16.9 nm (DV 50)의 입자 크기를 가졌다. 전술된 슬러리를 블랭킷 상에 분무하여 니들 펀칭된 알루미나 섬유 블랭킷(Mitsubishi Plastics, Inc.가 제조함)을 함침시켰다. 액체를 이러한 방식으로 블랭킷 내로 함침시킨 후에, 온도가 150℃로 설정된 강제 공기 건조기를 사용하여 15분 동안 건조를 수행하였다.
63 g의 콜로이드 실리카(Snowtex™ OS) 및 10 g의 Nipol™ LX874를 65 g의 물에 첨가하고 1분 동안 교반하여 무기 콜로이드 입자 및 유기 결합제를 함유하는 제2 액체를 제조하였다. 이전에 제1 액체로 함침시켰던 블랭킷의 상부 및 하부 표면 모두에 제2 액체를 코팅하였다. 총 7g/m2 의 양의 콜로이드 실리카를 양 표면 상에 분무하였고 유기 결합제의 총량은 0.8%였다. 함침된 재료를 온도가 150℃로 설정된 강제 공기 건조기에서 5분 동안 건조시켰다.
비교예 3:
201 g의 콜로이드 알루미나(알루미나 졸, Nissan Chemical Industries, Ltd.가 제조함) 및 3.99 g의 유기 결합제(Nipol™ LX874, Nippon Zeon Co., Ltd.가 제조함)를 2790 g의 물에 첨가하고 5분 동안 교반하여 콜로이드 입자 및 유기 결합제를 함유하는 제1 액체를 제조하였다. 무기 콜로이드 입자는 DIN ISO 13320에 따라 측정된 0.76 nm (DV 50)의 입자 크기를 가졌다. 전술된 슬러리를 블랭킷 상에 분무하여 니들 펀칭된 알루미나 섬유 블랭킷(Mitsubishi Plastics, Inc.가 제조함)을 함침시켰다. 액체를 이러한 방식으로 블랭킷 내로 함침시킨 후에, 온도가 150℃로 설정된 강제 공기 건조기를 사용하여 15분 동안 건조를 수행하였다.
63 g의 콜로이드 실리카(Snowtex™ OS) 및 10 g의 Nipol™ LX874를 65 g의 물에 첨가하고 1분 동안 교반하여 무기 콜로이드 입자 및 유기 결합제를 함유하는 제2 액체를 제조하였다. 이전에 제1 액체로 함침시켰던 블랭킷의 상부 및 하부 표면 모두에 제2 액체를 코팅하였다. 총 7g/m2의 양의 콜로이드 실리카를 양 표면 상에 분무하였고 유기 결합제의 총량은 0.8%였다. 함침된 재료를 온도가 150℃로 설정된 강제 공기 건조기에서 5분 동안 건조시켰다.
비교예 4:
68.55 g의 무기 콜로이드 입자(Snowtex™ OS, Nissan Chemical Industries, Ltd.가 제조함) 및 2.0 g의 유기 결합제(Nipol™ LX874, Nippon Zeon Co., Ltd.가 제조함)를 1429.50 g의 물에 첨가하고 5 분 동안 교반하여 추가로 비교 샘플을 제조하였다. 무기 콜로이드 입자는 DIN ISO 13320에 따라 측정된 16.9 nm (DV 50)의 입자 크기를 가졌다. 전술된 슬러리를 블랭킷 상에 분무하여 니들 펀칭된 알루미나 섬유 블랭킷(Mitsubishi Plastics, Inc.가 제조함)을 함침시켰다. 액체를 이러한 방식으로 블랭킷 내로 함침시킨 후에, 온도가 150℃로 설정된 강제 공기 건조기를 사용하여 15분 동안 건조를 수행하였다.
평가 시험
입자 크기의 측정
입자 크기는 DIN ISO 13320: 2009 (E)에 따른 레이저 회절을 이용하여 결정된다. 입자 크기는 체적을 기준으로 중간 입자 직경인 DV 50으로 정의하며, 즉 입자의 50 부피%는 이 직경보다 작고 50%는 더 크다.
다중 사이클 압축의 측정
다중 사이클 압축 시험은 애플리케이션을 설계하는데 자주 사용된다. 상기 예들을 650℃의 온도에서 시험하였고, 간극은 폐쇄 간극과 개방 간극 밀도 사이에서 1000회 사이클링 하였다. 사이클링 후 개방 간극 압력을 기록한다.
이들 예들의 시험을 위해, 독일 Ulm 소재 Zwick Gmbh & Co KG의 Zwick/Roell Model Z010의 재료 시험기를 이용하였다. 시험기는 고정식의 하측 가열성 스테인리스 강 블럭 및 최대 10 kN의 힘을 측정할 수 있는 로드 셀 및 시험기의 이동가능한 크로스헤드에 장착된 상측 가열성 스테인리스 강 블럭을 구비하였다. 시험을 위해, 50.8 mm 직경을 가진 각각의 실시예 및 비교예 샘플을 장착 부재로부터 절단하여 하측 가열성 스테인리스 강 블럭 위에 놓았다. 크로스헤드를 하향 이동시켜 장착 부재를 0.366 g/㎤의 장착 부재의 밀도에 상응하는 규정된 폐쇄 간극에 압축시켰다. 간극을 일정하게 유지하면서, 가열성 스테인리스 강 블럭의 온도를 650℃로 상승시켰다. 온도가 650℃에 도달한 후 0.366 g/㎤ 의 장착 부재의 밀도에 상응하는 폐쇄 간극 위치 및 0.329 g/㎤ 의 장착 부재의 밀도에 상응하는 개방 간극 위치 사이에서 간극을 사이클링하였다. 1000회 사이클 후 시험을 멈추고 1000회 사이클 후 개방 간극 압력을 기록하였다.
신장의 측정
견고한 스터핑 실험을 수행하여 장착 부재의 신장을 결정하였다. 원하는 계산된 장착 밀도를 달성하도록, 장착 부재의 면적 중량, 금속 쉘 내부 직경 및 오염 제어 요소 외부 직경을 선택하였다. 금속 쉘을 스위스
Figure pct00005
소재의 회사 Wecotech의 수축기를 사용하여 보정하였다. 입구 측에서의 내부 쉘 직경과 보정된 내부 직경 사이의 전이각은 각각의 예에 대해 일정한 조건을 보장하기 위해 14° 내지 16°로 유지하였다.
장착 부재는 오염 제어 요소의 전체 길이를 덮을 수 있도록 절단하였다. 장착 부재로 상응하는 오염 제어 요소 주위를 랩핑하고, 1.6°의 축소각을 갖는 스터핑 깔때기를 사용하여 스터핑을 실시하였다. 미국 Eden Prairie, MN 소재의 MTS의 압축 시험기 MTS Alliance RT/30을 이용하여 규정 속도 500 mm/min에서 장착 부재와 함께 오염 제어 요소를 금속 쉘 내로 밀어넣었다.
스터핑 후 매트는 스터핑 공정 동안의 신장으로 인해 오염 제어 요소에 비해 연장되었다. 이 부분의 매트를 절단하고 칭량하여 오염 제어 장치 내에 매트의 유효 장착 밀도를 결정하였다.
다음 표에서, 모든 실시예 및 비교예의 입자 직경뿐만 아니라 측정된 신장 및 다중 사이클 압축 시험의 결과를 나타낸다.
Figure pct00006
*계산된 장착 밀도: 오염 제어 장치 내의 장착 부재의 계산된 장착 밀도이다(매트 신장이 없다고 가정함). 계산된 장착 밀도는 금속 쉘 내부 직경에서 오염 제어 요소 외부 직경을 뺀 차이값으로 면적 당 중량의 2배값을 나누어 계산한다.
MDc ― 계산된 장착 밀도
W/Am ― 장착 부재(매트)의 면적 당 중량 또는 면적 중량
IDms ― 금속 쉘 내부 직경
ODpce ― 오염 제어 요소 외부 직경
Wtm ― (매트)의 중량
Lm ― 매트의 길이
Wm ― 매트의 너비(= 오염 제어 요소의 길이)
Figure pct00007
**장착 밀도 감소: 캐닝 후 매트는 캐닝 공정 동안의 신장에 기인하여 오염 제어 요소에 비해 연장된다. 이 부분의 매트를 절단하여 칭량한다. 이 절단 부분의 중량을 원래의 매트 중량에서 빼고, 캐닝 후 감소된 매트의 면적 당 중량을 원래의 치수를 기준으로 계산한다. 캐닝 후 장착 밀도는 캐닝 후 면적 당 중량을 사용하여 계산한다. 장착 밀도의 차이는 계산된 장착 밀도의 퍼센트 단위로 계산한다.
MDred ― 장착 밀도 감소
MDac ― 캐닝 후 장착 밀도
Wtem ― 캐닝 후 오염 제어 요소의 에지에 비해 연장된 매트의 중량
Figure pct00008
결과는 다음과 같다:
상기 표로부터, 매트를 통해 분포된 무기 입자를 가진 실시예 1 내지 실시예 4는 비교예 1a 및 비교예 1b 보다 적은 신장을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 비교예 2, 비교예 3 및 비교예 4는 캐닝 동안 완전히 실패하였고, 매트는 캔 내로 들어가지 않았고 파괴되었다. 이러한 장착 부재에 대해서는 신장을 측정할 수 없었다.
그 결과는 또한, 1.5% Dispal™ 23N4-80을 이용한 실시예 1 및 실시예 2가 다중 사이클 압축 시험에서 더 높은 결과를 나타낸다는 것을 보여준다. 실시예 3 및 실시예 4의 1000회 사이클 후 개방 간극 압력은 비교예 1a 또는 비교예 1b의 개방 간극 압력 보다 낮지만 이들은 여전히 허용가능하다.

Claims (17)

  1. 오염 제어 장치의 케이싱 내에 오염 제어 요소를 랩핑(wrapping) 및 장착하는 장착 부재로서,
    - 무기 섬유 재료; 및
    - 장착 부재 대부분의 전반에 걸쳐 분포되어 있으며, DIN ISO 13320에 따라 측정된 800 nm 내지 15000 nm (DV 50), 바람직하게는 DIN ISO 13320에 따라 측정된 1000 nm 내지 15000 nm (DV 50)의 평균 직경을 포함하는 무기 입자
    를 포함하는, 장착 부재.
  2. 제1항에 있어서, 무기 섬유 재료는 유리 섬유, 세라믹 섬유, 탄소 섬유, 탄화 규소 섬유 또는 붕소 섬유 또는 이들의 조합의 군으로부터 선택되는 섬유를 포함하는, 장착 부재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 장착 부재의 무기 섬유 재료는 니들 펀칭된, 장착 부재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 무기 입자는 금속 산화물, 금속 수산화물, 금속 산화물 수산화물, 규산염, 점토, 질화물, 탄화물, 황화물, 탄산염 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 장착 부재.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 무기 입자는 미국 Sasol Corporation의 Dispal™ 입자로부터 선택되는, 장착 매트.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 장착 부재는 최대 3 중량%의 유기 결합제를 함유하는, 장착 부재.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 무기 입자는 무기 입자를 함유하는 수계 슬러리를 사용하여 매트를 통해 함침되는, 장착 부재.
  8. 제7항에 있어서, 슬러리는 적어도 80 중량%의 물, 바람직하게는 90 중량%의 물 및 더 바람직하게는 95 중량%의 물을 함유하는, 장착 부재.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 슬러리는 유기 결합제를 함유하는, 장착 부재.
  10. 제9항에 있어서, 유기 결합제는 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 스티렌, 부타다이엔, 비닐 피리딘, 아크릴로니트릴, 비닐 클로라이드, 비닐 아세테이트, 비닐 알코올 또는 에틸렌, 폴리우레탄, 폴리아미드, 실리콘, 폴리에스테르, 에폭시 수지 또는 이들의 조합의 중합체 또는 공중합체 중 적어도 하나를 포함하는, 장착 부재.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 장착 부재 내의 무기 입자의 농도는 0.5 내지 5 중량%, 바람직하게는 1.0 내지 2.5 중량%인, 장착 부재.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 0.4 g/㎤의 계산된 장착 밀도로 스터핑(stuffing)시, 장착 부재의 신장(elongation)에 의해 야기된 장착 밀도의 최대 감소가 3% 인, 장착 부재.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 장착 부재는 장착 부재에 배치된 팽창성 재료를 포함하는, 장착 부재.
  14. 오염 제어 장치의 케이싱 내에 오염 제어 요소를 랩핑 및 장착하는 장착 부재를 제조하는 방법으로서,
    - DIN ISO 13320에 따라 측정된 800 nm 내지 15000 nm(DV 50), 바람직하게는 DIN ISO 13320에 따라 측정된 1000 nm 내지 15000 nm(DV 50)의 평균 직경을 갖는 미세 무기 입자를 함유하는 수계 슬러리를 제조하는 단계; 및
    - 무기 섬유 재료를 함유하는 매트를 슬러리로 함침시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 함침시키는 단계 후에 건조시키는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 슬러리는 유기 결합제를 함유하는, 방법.
  17. 오염 제어 장치의 케이싱 내에 오염 제어 요소를 랩핑 및 장착하는 장착 부재를 제조하기 위한 무기 입자의 용도로서, 미세 입자의 평균 직경이 DIN ISO 13320에 따라 측정된 800 nm 내지 15000 nm(DV 50), 바람직하게는 DIN ISO 13320에 따라 측정된 1000 nm 내지 15000 nm(DV 50)의 범위인, 무기 입자의 용도.
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