专利名称：垫材及废气处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及含有玻璃纤维的垫材，特别是涉及在车辆等的废气处理装置中使用的垫材。
背景技术：
汽车的辆数进入本世纪后飞跃性地增加，与之成比例地，从汽车内燃机排出的废气量也一味地随之急剧增大。特别是由于在柴油发动机的废气中含有的各种物质成为引起污染的原因，因此现在一直对世界环境带来深刻的影响。在这种情况下，提出了各种废气处理装置并进行实际应用。一般的废气处理装置的构造为在连接发动机排气歧管的排气管的途中设置筒状部件(壳体)，其中配置具有废气入口及出口用的开口面并在内部具有多个细微气孔的废气处理体。作为废气处理体的一个例子，具有催化剂载体、及柴油微粒过滤器(DPF)这样的废气过滤器等。例如DPF的情况，利用上述构造，废气从废气处理体的入口开口面通过出口开口面而被排出这期间，微粒子被捕捉在气孔周围的壁上，能够除去废气中的微粒子。在这样的废气处理体与壳体之间设有保持和密封材。保持和密封材用于防止在车辆行车中等的由废气处理体与壳体的抵接而导致的破损，进而防止废气从壳体与废气处理体的间隙泄漏。另外，保持和密封材具有防止废气处理体因废气的排气压力而脱落的作用。 再有废气处理体为了维持反应性需要保持高温，也需要保持和密封材具有绝热性能。作为满足这些条件的部件，存在包含氧化铝纤维等无机纤维的垫材。该垫材通过缠绕在废气处理体的除开口面以外的外周面的至少一部分上，通过缠带等与废气处理体一体被固定，从而作为保持和密封材发挥作用。之后，该一体产品被压入壳体内而构成废气处理装置。一般来说，垫材包含氧化铝纤维等无机纤维及有机粘结剂等，由针刺处理法或抄制法等制造。最近例如为了低成本化等，提出使用一种垫材，该垫材使用E玻璃等玻璃纤维来代替氧化铝纤维(例如参见专利文献1)。现有技术文献如下专利文献1 (日本)特表2006-516043号公报
发明内容
本发明要解决的课题如下然而，使用了 E玻璃等玻璃纤维的以往的垫材存在初期保持力低的问题。再有，废气处理装置内的废气处理体随着由废气的流通及停止所导致的温度上升及降低而承受膨胀及收缩的反复循环。因此，保持和密封材在使用中对应该废气处理体的膨胀及收缩举动，承受压缩及复原的反复负载。然而，在使用了 E玻璃等玻璃纤维的垫材中，当这样的压缩及复原循环反复进行时，则存在垫材保持力大幅下降的问题。因此，在将使用了 E玻璃等玻璃纤维的垫材用于保持和密封材时，有可能由于初期保持力不足、和/或垫材经时保持力下降，被该垫材保持的废气处理体脱落。因此，本发明鉴于这样的问题，本发明的目的是提供一种垫材，虽然该垫材是包含玻璃纤维的垫材，但初期保持力高、在承受压缩及复原的反复负载后也维持较好的保持力。 另外，本发明还以提供具有这样的垫材作为保持和密封材的废气处理装置为目的。用于解决上述课题的手段如下本发明提供一种垫材，其为含有玻璃纤维的垫材，所述玻璃纤维以重量比计含有 52 Si02、9 17wt% 的 A1203、17 Ca0、0 9wt%&Mg0、0 4wt% 的TiO2、及0 aiO，实质上不含有化03，Na2O和K2O的总和在0 2wt%的范围，在将所述垫材设置在上部板与下部板之间，表观密度(apparent density) GBD = 0. 35g/cm3的条件下，将所述上部板以15°C /分的升温速度升温的同时，将所述下部板以8. 6°C /分的升温速度升温，在所述上部板及所述下部板的温度分别达到700°C及400°C时测得的面压力为IOOkPa以上。这里，在本发明的垫材中，所述玻璃纤维可以实质上不含有氟。另外，在本发明的垫材中，所述玻璃纤维可以以重量比计含有59 62wt%的 Si02、12 Al203、20 CaO、l 4wt%WMg0、0 0.TiO2，实质上不含有&i0，Na2O和K2O的总和在O Iwt%的范围。另外，在本发明的垫材中，所述玻璃纤维可以以重量比计含有56 62wt %的 SiO2,9 15wt % 的 A1203、17 25wt % 的 Ca0、0 5wt % 的 Mg0、0 4wt % 的 Ti02、以及 O 5衬％的&10，Nei2O和K2O的总和在O Iwt%的范围。另外，在根据本发明的垫材中，所述玻璃纤维的平均直径可以在9 μ m 13 μ m的范围。另外，在本发明的垫材中，所述玻璃纤维的平均长度可以在Imm IOmm的范围或 5mm IOOmm的范围。另外，在本发明的垫材中，可以还含有有机粘结剂。
另外，在本发明的垫材中，可以还含有膨胀材料。所述膨胀材料可以包含从由蛭石、膨润土(bentonite)、金云母、珍珠岩、膨胀石墨、及膨胀氟云母构成的组中选定的至少一种材料。再有，在本发明中提供一种废气处理装置，该废气处理装置包括具有使废气流通的两个开口面的废气处理体、在所述废气处理体的除开口面以外的外周面的至少一部分上缠绕使用的保持和密封材、以及容纳缠绕有所述保持和密封材的所述废气处理体的筒状部件，其中，所述保持和密封材由具有上述特征的垫材构成。这里，在该废气处理装置中，所述废气处理体可以是催化剂载体或废气过滤器。本发明的效果如下根据本发明，能够提供一种垫材，该垫材虽然是包含玻璃纤维的垫材，但初期保持力高、在承受压缩及复原的反复负载后也维持较好的保持力的垫材。另外，还能够提供具有这样的垫材作为保持和密封材的废气处理装置。
图1是模式表示本发明的垫材的一个例子的立体图。图2是使用本发明的垫材而构成废气处理装置时的一结构图。
图3是表示本发明的废气处理装置的一个构成例的图。图4是概略表示本发明的垫材的制造方法的流程的一个例子的图。图5是概略表示本发明的垫材的另一个制造方法的流程的一个例子的图。图6是表示初期面压力评价用的实验装置的概略结构的图。图7是表示实施例1、2及比较例1的样品的上台620的温度与样品650的初期面压力的关系的图表。图8是表示实施例1、2及比较例1的样品的初期面压力(Ptl)的值的图表。图9是表示实施例1、2及比较例1的样品的1000次循环后的面压力(P·。)的值的图表。图10是表示实施例3及比较例2的样品的初期面压力的温度变化的图表。
具体实施例方式下面，参照附图对本发明更具体地进行说明。图1中表示本发明的垫材的概略立体图。另外图2中表示将图1所示的垫材作为保持和密封材使用而构成废气处理装置时的概略组装图。如图1所示，本发明的垫材30被形成为具有长边(与X方向平行的边)和短边 (与Y方向平行的边)70、71，实质上为矩形。在短边70、71上分别设置嵌合凸部50和嵌合凹部60。另外，在短边71的与嵌合凹部60相邻的位置上形成两个凸部61。但是，本发明的垫材的短边70、71不限定于图1的形状，例如也可以使用完全不具有图1那样的嵌合部的结构，或也可使用各短边分别具有多个嵌合凸部50及嵌合凹部60的结构等。需要说明的是，在本说明书中，所谓的“实质上为矩形”是包括如图1所示的，在其短边上具有一组嵌合凸部50及嵌合凹部60的矩形的概念。另外，“实质上为矩形”也包括其长边与短边相交的角部具有90度以外的角度的形状(例如是具有曲率的形状)。该垫材30被用作保持和密封材M时，以其长边方向为卷绕方向(图1的X方向) 的方式被使用。另外，当垫材30作为保持和密封材被卷绕在催化剂载体等废气处理体20 上时，如图2所示，垫材30的嵌合凸部50与嵌合凹部60被嵌合，垫材30被固定到废气处理体20上。之后，将卷绕有保持和密封材M的废气处理体20通过压入等压入到由金属等构成的筒状的壳体12内并安装。作为垫材，尽管存在包含氧化铝纤维那样的无机纤维及有机粘结剂的垫材，但最近例如为了低成本化，作为无机纤维提出了使用例如E玻璃那样的玻璃纤维。这里，E玻璃是指具有表1的“E玻璃的组成”栏所示的组成的玻璃的总称。换言之，E玻璃是指以重量比计含有52 62Wt%的Si02、12 16wt%&Al203、 16 Ca0、0 Mg0、5 B203、0 1.TiO2, Nei2O 禾口 K2O 的总和在0 2wt%的范围的玻璃。然而，在使用了 E玻璃那样的玻璃纤维的垫材中，与使用了氧化铝纤维的垫材相比，存在初期保持力低的问题。再有，废气处理装置内的废气处理体随着由于废气的流通及停止而产生的温度上升及下降，承受膨胀及收缩的反复循环。因此，保持和密封材在使用中对应该废气处理体的膨胀及收缩举动，承受压缩及复原的反复负载。然而，在使用了 E玻璃那样的玻璃纤维的垫材中，当这样的压缩及复原循环反复进行时，则存在垫材保持力大幅下降的问题。因此，在将使用了 E玻璃等玻璃纤维的垫材用于保持和密封材时，有可能由于初期保持力不足、和/或垫材经时保持力下降，被该垫材保持的废气处理体脱落。鉴于这样的问题，本申请的发明人在此之前一直在反复专心进行研究开发。并且发现在使用特定的组成及特性的玻璃纤维时，能够取得初期保持力的显著提高、并即便在承受压缩及复原的反复负载后也能维持较好的保持力的垫材，得到本发明。换言之，在本发明中，提供包含玻璃纤维的垫材，所述玻璃纤维以重量比计含有 52 Si02、9 17wt% 的 A1203、17 Ca0、0 9wt%&Mg0、0 4wt% 的TiO2、及0 aiO，实质上不含有化03，Na2O和K2O的总和在O 2wt%的范围，在将所述垫材设置在上台与下台之间，GBD = 0. 35g/cm3的条件下，将所述上台以15°C /分的升温速度升温的同时，将所述下台以8. 6 °C /分的升温速度升温，在所述上台及所述下台的温度分别达到700°C及400°C时测得的面压力为IOOkPa以上。需要说明的是，垫材的面压力的详细的测定方法在之后的实施例栏进行说明。在下述表1的“本发明的玻璃纤维的组成”栏中表示出包含在本发明的垫材中的玻璃纤维的组成。玻璃纤维以重量比计含有52 62衬％的Si02、9 17衬％的Al203、17
Ca0、0 9wt%&Mg0、0 4wt% 的 TiO2、及 O 5wt% 的 SiO，实质上不含有化03， 妝20和K2O的总和在O 2wt%的范围。在本发明的垫材中使用的玻璃纤维与E玻璃不同， 具有实质上不含有化03的特征。一般来说认为化03具有使玻璃纤维的软化点(softening point)下降的作用。在本发明中，由于从玻璃纤维中排除了该化03，因此能够抑制玻璃纤维软化点的下降。另外，由此，能够提高高温下的玻璃纤维的强度。这样的本发明的垫材具有初期的保持力显著提高的特征。另外，即使是在承受高温的压缩及复原的反复负载的环境下，也能够抑制保持力的下降，并发挥长时间稳定的保持力。需要说明的是，在本发明的垫材中，特别优选的是，玻璃纤维的组成以重量比计含有 59 62wt % ^ Si02、12 15wt% 的 Al203、20 24wt % 的 CaOU 4wt % 的 MgO,0 0. TiO2,实质上不含有&ι0，Na2O和K2O的总和在0 Iwt %的范围(也称为“第1 玻璃纤维组成”)。或者优选的是，玻璃纤维的组成以重量比计含有56 62wt%的Si02、9 15wt% 的 Al203、17 Ca0、0 Mg0、0 Ti02、以及 0 SiO， Na2O和K2O的总和在0 Iwt%的范围(也称为“第2玻璃纤维组成”)。在下述表1中同时表示出本发明第1及第2玻璃纤维组成。需要说明的是，在本发明的垫材30中，除了玻璃纤维，还可以含有有机粘结剂。作为有机粘结剂，例如可使用环氧树脂、丙烯酸树脂、橡胶系树脂、苯乙烯聚树脂 (styrene resin)等。有机粘结剂的含有量(相对于垫材总重量的有机粘结剂的重量)优选为例如在1 IOwt%的范围。但是，当使用具备该垫材的废气处理装置时，浸渍在垫材中的有机粘结剂成为从废气处理装置排出的有机成份量增加的一个原因。因此，有机粘结剂的含量优选为尽可能少，例如在垫材中可完全不浸有有机粘结剂。需要说明的是，在本发明中，垫材30可还含有膨胀材料。膨胀材料优选为具有在 400°C 800°C的范围膨胀的特性。
作为膨胀材料，例如可列举出蛭石、膨润土(bentonite)、金云母、珍珠岩、膨胀石墨、及膨胀氟云母等。当使用这样的膨胀材料时，垫材30在400°C 800°C的范围膨胀，由此，即便处于超过玻璃纤维强度降低的700°C的高温区域，也能够使垫材的保持力提高。膨胀材料的添加量并不特别限定，例如优选为相对于垫材的全部重量处于 IOwt% 范围。这样的本发明的垫材30例如可作为废气处理装置10的保持和密封材使用。图3 中表示出本发明的废气处理装置10的一个构成例。废气处理装置10具有在外周面上卷绕有保持和密封材M废气处理体20、容纳该废气处理体20的壳体12、以及分别连接至壳体12的入口侧及出口侧的废气的进口管2 及出口管4。入口管2及出口管4以在与壳体12连接的位置上径增大的方式呈锥形。另夕卜，在图3的例子中，废气处理体20为具有用作废气的入口及出口的开口面，并且在平行于废气流动方向具有多个贯穿孔的催化剂载体。催化剂载体例如可以由蜂窝状的堇青石 (cordierite)等构成。但是，本发明的废气处理装置10并不限定于这样的结构。例如，废气处理体20也可为一部分贯穿孔被封口的废气过滤器，例如多孔碳化硅、多孔堇青石、或多孔钛酸铝等的DPF(柴油微粒过滤器)。这里，保持和密封材M由包含上述的玻璃纤维的垫材构成。因此，保持和密封材 M在初期阶段对废气处理体20具有良好的保持力。另外，在这样的废气处理装置10中，即使是由于废气的流通及停止的反复而而对保持和密封材M施加压缩及复原的反复负载， 保持和密封材M的保持力的下降率也能够被明显抑制。因此，在长期使用后，废气处理体 20从预定位置错开或脱落被抑制，废气处理装置10的可靠性提高。(本发明垫材的制造方法1)下面，参照图4对本发明垫材的制造方法的一个例子进行说明。图4是概略表示本发明的垫材的制造流程的一个例子的图。本发明的垫材的制造方法包括(A)准备具有上述组成的玻璃纤维的步骤(SllO)；(B)使用该玻璃纤维，调制层叠片的步骤(S120)；以及(C)由所述层叠片，通过针刺法形成垫材的步骤(S130)。在此方法中，通过所谓的“针刺法”制作垫材。所谓的“针刺法”是在包含无机纤维的层叠片中进行针的插入抽出而制作垫材的方法的总称。下面，对各步骤详细进行说明。(步骤 Sl 10)在步骤SllO中，准备具有上述组成的玻璃纤维。玻璃纤维的长度并无特别限定。 但是，玻璃纤维优选为比较长的玻璃纤维，以在之后的针刺处理时纤维彼此容易互相缠绕。 玻璃纤维的“平均长度”优选在例如5mm IOOmm的范围(例如50mm)。需要说明的是，“平均长度”是将随机选取的100根纤维的全长平均的值。玻璃纤维的直径并无特别限定。玻璃纤维的“平均直径”优选在例如9 μ m 13 μ m 的范围(例如11 μ m)。该“平均直径”是将随机选取的300根纤维的直径通过SEM(扫描电子显微镜Scanning Electron Microscope)测定，将其平均的值。
(步骤 S120)接着，使用上述玻璃纤维进行开纤处理(opening)，由此形成棉状的层叠片。开纤处理可通过例如梳棉(carding)法来实施。在此方法中，形成被称为纤维幅(web)的无纺布(non-woven fabrics)，通过将其多层层叠而形成层叠片。(步骤 S130)接着，由所述层叠片，通过“针刺法”形成垫材。通常的情况下，在针刺法中使用针刺装置。通常，针刺装置由可沿针刺方向(通常为上下方向)往返移动的针板、及设在层叠片的表面及背面的两面侧的一对支撑板构成。在针板上以例如大约25 5000个/IOOcm2 的密度装有用于刺入层叠片的多个针。各支撑板上设有针刺用的多个贯穿孔。因此，在用一对支撑板将层叠片从两面压住的状态下，通过使针板靠近或远离层叠片，从而在层叠片中进行针的插入拔出，形成玻璃纤维交织的垫材。此外，作为另一种结构，针刺装置也可以具有两组针板。各针板分别具有各自的支撑板。将两组针板分别设置在层叠片的表面及背面，用各支撑板将层叠片从两面固定。在此，在一个针板上，以进行针处理时不会与另一个针板的针群发生位置重合的方式布置针。 另外，在各支撑板上，考虑到两个针板的针布置情况，以从层叠片的两面侧进行针刺处理时针不会与支撑板抵接的方式设置多个贯穿孔。可使用这种装置，用两组支撑板将层叠片从两面侧夹住，并使用两组针板从层叠片的两侧进行针刺处理。通过用这种方法进行针刺处理，从而处理时间被缩短。接着，对该玻璃纤维进行热处理。热处理温度优选为例如600°C 800°C的范围 (例如7000C )，热处理的时间优选为例如10分钟 24小时的范围(例如20分钟)。最后，将通过这样制造的垫材裁剪成预定的形状(例如图1所示的在长方体端面具有凹部和凸部的形状)，制作出本发明的垫材。(本发明垫材的制造方法2)下面，参照图5对本发明的垫材的另外的制造方法(第2方法)的一个例子进行说明。图5是概略表示本发明的垫材的另一个制造流程的一个例子的图。该第2制造方法包括(A)准备具有上述组成的玻璃纤维的步骤(S210)；(B)使用该玻璃纤维，调制浆料(slurry)的步骤(S220)；以及(C)由上述浆料，通过抄制法形成垫材的步骤(S230)。在此方法中，通过所谓的“抄制法”制作垫材。所谓的“抄制法”是向抄制模具中流入无机纤维的浆料，对该抄制模具进行吸引脱水而得到垫材的方法的总称。下面，对各步骤详细进行说明。(步骤 S210)由于准备玻璃纤维的步骤与上述针刺法中的步骤SllO的工序实质上相同，因此省略其说明。需要说明的是，“抄制法”的情况中，玻璃纤维的长度优选为较短的纤维。玻璃纤维的“平均长度”优选在例如Imm IOmm的范围(例如3mm)。玻璃纤维的直径并无特别限定，“平均直径”优选在例如9 μ m 13 μ m的范围(例如11 μ m)。(步骤 S220)接着，使用在步骤S210得到的玻璃纤维，通过以下方法调制浆料。首先，将预定量的玻璃纤维与有机粘结剂放入水中混合。也可进而在其中添加无机粘结剂和/或凝聚剂。另外，也可添加由上述的材料构成的膨胀材料。作为无机粘结剂，例如使用氧化铝溶胶和硅溶胶等。另外作为有机粘结剂，使用胶乳(latex)等。有机粘结剂的含量优选在20重量％以内。当比20重量％多时，从废弃处理装置排出的有机成份的量显著增加。接着，将得到的混合物在抄纸器(paper machine)等混合器内搅拌，调制被开纤的浆料。通常，搅拌优选进行大约20秒 120秒。(步骤 S230)接着，由得到的浆料，通过“抄制法”制作垫材。首先，将浆料导入例如在底部开有微小的孔的成型器中。进而，通过例如从成型器的下侧，由吸引装置等吸引水份进行脱水处理，从而得到预定形状的原料垫材。接着，通过使用压力器等将该原料垫材压缩，以预定的温度加热、干燥，从而制作出垫材。压缩处理优选以通常压缩后的片密度为大约0. 10g/cm3 0. 40g/cm3的方式进行。 加热干燥处理优选将原料垫材设置在烘箱等热处理器内，以例如90°C 180°C的温度，进行大约5 60分钟。实施例下面，通过实施例对本发明的效果进行说明。(实施例1)首先，准备平均直径ΙΙμπιΦ的市场出售的玻璃纤维。该玻璃纤维的标称组成为在表1中“第1玻璃纤维组成”栏所示的组成，具体来说，以重量比计含有59 62wt%的 Si02、12 Al203、20 CaO、l 4wt%WMg0、0 0.TiO2，实质上不含有aiO，Na2O和K2O的总和在O 的范围。另外，该玻璃纤维中实质上不含有 B2O30[表 1]
权利要求
1.一种垫材，其为含有玻璃纤维的垫材，其特征在于，所述玻璃纤维以重量比计含有52 Si02、9 Al203、17 27wt% 的 Ca0、0 Mg0、0 TiO2、及 0 SiO，实质上不含有化03，Na2O 和K2O的总和在0 范围，在将所述垫材设置在上部板与下部板之间，GBD = 0. 35g/cm3的条件下，将所述上部板以15°C /分的升温速度升温的同时，将所述下部板以8. 6°C /分的升温速度升温，在所述上部板及所述下部板的温度分别达到700°C及400°C时测得的面压力为IOOkPa以上。
2.根据权利要求1所述的垫材，其特征在于，所述玻璃纤维实质上不含有氟。
3.根据权利要求1所述的垫材，其特征在于，所述玻璃纤维以重量比计含有59 Si02、12 Al203、20 Ca0、l 4wt%&Mg0、0 0.TiO2,实质上不含有&10，妝20和K2O的总和在0 Iwt %的范围。
4.根据权利要求1所述的垫材，其特征在于，所述玻璃纤维以重量比计含有56 62wt%&Si02、9 15wt%mAl203、17 25wt%mCa0、0 5wt%&Mg0、0 4wt%mTi02、 以及0 SiO，Na2O和K2O的总和在0 Iwt %的范围。
5.根据权利要求1所述的垫材，其特征在于，所述玻璃纤维的平均直径在9μπι 13 μ m的范围。
6.根据权利要求1所述的垫材，其特征在于，所述玻璃纤维的平均长度在Imm IOmm 的范围或5mm IOOmm的范围。
7.根据权利要求1所述的垫材，其特征在于，所述垫材还含有有机粘结剂。
8.根据权利要求1所述的垫材，其特征在于，所述垫材还含有膨胀材料。
9.根据权利要求8所述的垫材，其特征在于，所述膨胀材料包含从由蛭石、膨润土、金云母、珍珠岩、膨胀石墨、及膨胀氟云母构成的组中选定的至少一种材料。
10.一种废气处理装置，该废气处理装置包括 具有使废气流通的两个开口面的废气处理体；在所述废气处理体的除开口面以外的外周面的至少一部分上缠绕使用的保持和密封材；以及容纳缠绕有所述保持和密封材的所述废气处理体的筒状部件， 所述废气处理装置的特征在于，所述保持和密封材由权利要求1至9中任一项所述的垫材构成。
11.根据权利要求10所述的废气处理装置，其特征在于，所述废气处理体是催化剂载体或废气过滤器。
全文摘要
本发明提供一种垫材，其为含有玻璃纤维的垫材，所述玻璃纤维以重量比计含有52～62wt％的SiO2、9～17wt％的Al2O3、17～27wt％的CaO、0～9wt％的MgO、0～4wt％的TiO2、及0～5wt％的ZnO，实质上不含有B2O3，Na2O和K2O的总和在0～2wt％的范围，在将所述垫材设置在上部板与下部板之间，GBD＝0.35g/cm3的条件下，将所述上部板以15℃/分的升温速度升温的同时，将所述下部板以8.6℃/分的升温速度升温，在所述上部板及所述下部板的温度分别达到700℃及400℃时测得的最大面压力为100kPa以上。
文档编号F01N3/28GK102472141SQ201080029029
公开日2012年5月23日 申请日期2010年6月30日 优先权日2009年7月1日
发明者山崎努, 杉野顺一 申请人:揖斐电株式会社