(57)【要約】【課題】  有機バインダーの使用量を減じても、好ましくは全く使用せずとも無機繊維を良好に結束でき、従来と同等の厚さを維持できる触媒コンバーター用保持材、並びに有機バインダーの焼失作業を不要にすることも可能で、触媒担体を長期にわたり良好に保持でき、有機バインダーに由来する排気ガスを発生することもない触媒コンバーターを提供する。【解決手段】  触媒担体と、触媒担体を収容する金属製ケーシングと、触媒担体に巻回されて触媒担体と金属製ケーシングとの間隙に介装される保持材とを備えた触媒コンバーターに用いられる保持材であって、無機繊維を膨潤性粘土鉱物を含むバインダーで結束した触媒コンバーター用保持材、及び前記触媒コンバーター用保持材で触媒担体を保持し金属製ケーシングに収容した触媒コンバーター。【選択図】      図１
2005036725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒担体と、触媒担体を収容する金属製ケーシングと、触媒担体に巻回されて触媒担体と金属製ケーシングとの間隙に介装される保持材とを備えた触媒コンバーターに用いられる保持材であって、無機繊維を膨潤性粘土鉱物を含むバインダーで結束してなることを特徴とする触媒コンバーター用保持材。
【請求項２】
前記バインダーを、膨潤性粘土鉱物換算で前記無機繊維１００重量部に対して０．０５〜３重量部含有することを特徴とする請求項１記載の触媒コンバーター用保持材。
【請求項３】
前記膨潤性粘土鉱物がスメクタイト系粘土鉱物であることを特徴とする請求項１または２記載の触媒コンバーター用保持材。
【請求項４】
前記スメクタイト系粘土鉱物の層間イオンがナトリウム型であることを特徴とする請求項３記載の触媒コンバーター用保持材。
【請求項５】
前記無機繊維が、アルミナ繊維、ムライト繊維、シリカアルミナ繊維、シリカ繊維、ガラス繊維及びロックウールから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の触媒コンバーター用保持材。
【請求項６】
有機成分が保持材全量の３質量％未満であることを特徴とする請求項１〜４の何れ１項に記載の触媒コンバーター用触媒。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の触媒コンバーター用保持材により触媒担体を保持して金属製ケーシングに収容されていることを特徴とする触媒コンバーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車等の排気ガス浄化用の触媒コンバーター及び触媒コンバーターに用いられる触媒担体の保持材に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車両には、周知の如く、そのエンジンの排気ガス中に含まれる一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物等の有害成分を除去するために、排気ガス浄化用触媒コンバーターが積載されている。このような触媒コンバーターは、一般に、図１に断面図にて示されるように、筒状に形成され触媒担体１と、触媒担体１を収容する金属製のケーシング２と、触媒担体１に装着されて触媒担体１とケーシング２との間隙に介装される保持材３とから構成されている。
【０００３】
触媒担体１としては、例えばコージェライト等からなる円筒状のハニカム状成形体に貴金属触媒等が担持されたものが一般的であるため、触媒担体１とケーシング２との間隙に介装される保持材３には、自動車の走行中に振動等によって触媒担体１がケーシング２に衝突して破損しないように触媒担体１を安全に保持する機能と、触媒担体１とケーシング２との間隙から未浄化の排気ガスが漏れないようにシールする機能とを兼ね備えることが必要とされている。そこで、現在では、アルミナ繊維やムライト繊維、あるいはその他のセラミック繊維等の無機繊維を有機バインダーを用いて所定厚さのマット状あるいは円筒状に成形した保持材が主流となっている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−６６３３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記保持材３に使用させる有機バインダーとしては、ゴム類、水溶性有機高分子化合物、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が一般的である。また、保持材３は厚すぎると、触媒担体１への巻装作業並びにケーシング２への装着作業がし難くなるため、ある程度薄くする必要がある。そのため、一般的な保持材３では、これらの有機バインダーを保持材全量の５〜８重量％、多いものでは１０重量％程度使用している。
【０００５】
しかし、最近では、浄化効率を高めるために触媒担体１は１０００℃近くまで加熱されるため、上記に挙げた有機バインダーは容易に分解、焼失してＣＯ2やＣＯ、各種の有機系ガスが発生する。また、有機バインダーが焼失する過程において、保持材３の担体持力が低下し、触媒担体１が脱落することがある。
【０００６】
また、排気ガス規制は厳しくなる一方であり、この有機バインダーに由来するＣＯ2等により規定値を上回る可能性がある。更に、最近ではエンジンの電子制御が進んでいるが、本来の排気ガスに関係の無いＣＯ2が存在すると、排気系のセンサー類を誤作動させてエンジンの電子制御にも悪影響が出てくる。このような不具合を防ぐために、メーカーは出荷前に焼成処理して有機バインダーを焼失する作業を行っているが、この焼成処理は排気下で行ったり、遠隔操作で行わなければならず、メーカーにとって大きな負担となっている。
【０００７】
有機バインダーの使用量を減少することも考えられているが、減量分だけ無機繊維の結束力が弱まり、保持材３が厚くなり、組み付け性が悪化するという問題が生じる。特に、マット状保持材としたときに、組み付け作業が困難になる。
【０００８】
このように、従来の保持材は有機バインダーに由来する様々な問題を抱えている。そこで、本発明は、有機バインダーの使用量を減じても、好ましくは全く使用せずとも無機繊維を良好に結束でき、従来と同等の厚さを維持できる触媒コンバーター用保持材、並びに有機バインダーの焼失作業を不要にすることも可能で、触媒担体を長期にわたり良好に保持でき、有機バインダーに由来する排気ガスを発生することもない触媒コンバーターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、触媒担体と、触媒担体を収容する金属製ケーシングと、触媒担体に巻回されて触媒担体と金属製ケーシングとの間隙に介装される保持材とを備えた触媒コンバーターに用いられる保持材であって、無機繊維を膨潤性粘土鉱物を含むバインダーで結束してなることを特徴とする触媒コンバーター用保持材、並びに前記触媒コンバーター用保持材により触媒担体を保持して金属製ケーシングに収容されていることを特徴とする触媒コンバーターを提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、有機バインダーの使用量を減じても、好ましくは全く使用せずとも無機繊維を良好に結束でき、従来と同等の厚さを維持できる触媒コンバーター用保持材が提供される。また、有機バインダーの焼失作業を不要にすることも可能で、触媒担体を長期にわたり良好に保持でき、有機バインダーに由来する排ガスを発生することもない触媒コンバーターが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る保持材について詳細に説明する。
【００１２】
本発明の保持材は、無機繊維を膨潤性粘土鉱物のみで、もしくは他の無機バインダー、あるいは極く少量の有機バインダーを併用して、所定形状に成形したものである。ここで、膨潤性粘土鉱物とは、層状構造を有し、水と接触すると層間に水分子を吸着して膨潤する粘土鉱物のことをいう。本発明では、Ａ．Ｃ．Ｃ．法（American Colloid Company規格）で測定した膨潤度が３ｍｌ／２ｇ以上、好ましくは１０ｍｌ／２ｇ以上、更に好ましくは３０ｍｌ／２ｇ以上の膨潤性粘土鉱物が好適であり、具体的にはモンモリロナイト、バイデライト、ノントロナイトといったスメクタイト系粘土鉱物を好適に使用できる。また、スメクタイト系粘土鉱物の中でも、層間イオンがナトリウム型のものは膨潤力が大きく、特に好ましい。また、バインダーとしてこれらの膨潤性粘土鉱物を含む粘土類も使用可能であり、例えばモンモリロナイトを主成分とする粘土鉱物であるベントナイトも使用することができる。
【００１３】
粒径については、特に制限されるものではないが、５μｍ〜５ｍｍ程度のものが適している。
【００１４】
尚、上記Ａ．Ｃ．Ｃ．法による膨潤度は次のように求められる。即ち、試料２．０ｇを精製水１００ｍｌを入れた１００ｍｌの共栓付メスシリンダーに約１０回に分けて加えた後、栓をする。但し、先に加えた試料がほとんど内壁に付着せず、スムーズにシリンダー底に沈着するように１回の加える量を加減し、また先に加えた試料がほとんど沈着してのち次の試料を加える。加え終わってから２４時間放置し、容器内に堆積した試料の見掛け容積（ｍｌ）を読み取り、この値がＡ．Ｃ．Ｃ．法による膨潤度（ｍｌ／２ｇ）となる。
【００１５】
一般に、保持材は、無機繊維とバインダーを含む水性スラリーを出発原料とし、抄造法や吸引脱水成形法によりマット状や円筒状等に成形して得られる。このとき、バインダーとして、コロイダルシリカやアルミナゾル等の従来の無機バインダーを用いると、水性スラリーはコロイド溶液となり、乾燥する際に繊維間に入り込んだシリカやアルミナの微粒子同士が結合する。そのため、保形するためにこれらを多量に添加する必要があり、得られる保持材は硬質で柔軟性が低いものとなる。これに対し、膨潤性粘土鉱物は膨潤した状態で無機繊維間に入り込み、水性スラリーは糊状を呈するようになる。そして、乾燥する際に層間の水が除かれて元の層状結晶に収縮し、繊維間に層状の結晶が入り込むため、少量の添加で十分に効果があり、得られる保持材は適度の柔軟性を有するものとなる。
【００１６】
膨潤性粘土鉱物は、上記作用による十分な結束力を確保するために、膨潤性粘土鉱物換算で無機繊維１００重量部に対して０．０５重量部以上使用する。また、膨潤性粘土鉱物量が多くなりすぎると、保持材としたときに硬くなり過ぎて触媒担体への装着性に劣るようになることから、上限は無機繊維１００重量部に対して３重量部とする。無機繊維の結束力や触媒担体への装着性をバランスよく満足するためには、膨潤性粘土鉱物量を無機繊維１００重量部に対して０．５〜２重量部とすることがより好ましい。
【００１７】
また、必要に応じて、バインダーとして従来から保持材に使用されている無機バインダーを併用することができる。無機バインダーしては、例えばガラスフリット、コロイダルシリカ、アルミナゾル、シリカゾル、珪酸ソーダ、チタニアゾル、珪酸リチウム、水ガラス等が挙げられる。これら無機バインダーの使用量は、ベントナイト、スメクタイトまたはモンモリロナイトの使用量を考慮し、保持材の柔軟性を維持しつつ、結束力を向上できるように適宜選択される。
【００１８】
更には、少量であれば、有機バインダーを併用してもよい。有機バインダーは公知のもので構わず、ゴム類、水溶性有機高分子化合物、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、有機繊維等を使用できる。具体的には、ゴム類の例としては、ｎ−ブチルアクリレートとアクリロニトリルの共重合体、エチルアクリレートとアクリロニトリルの共重合体、ブタジエンとアクリロニトリルの共重合体、ブタジエンゴム等がある。水溶性有機高分子化合物の例としては、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等がある。熱可塑性樹脂の例としては、アクリル酸、アクリル酸エステル、アクリルアミド、アクリロニトリル、メタクリル酸、メタクリル酸エステル等の単独重合体および共重合体、アクリロニトリル・スチレン共重合体、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体等がある。熱硬化性樹脂としては、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂等がある。有機繊維としては、ポリビニルアルコール繊維、バルプ、レーヨン繊維等が挙げられる。本発明においては、特に上述した有機バインダーを使用した場合、得られる保持材に柔軟性が付与され、触媒担体への装着作業が容易になる。有機バインダーの使用量は、保持材に柔軟性を得えられる量であれば制限ないが、無機繊維１００重量部に対して最大でも３重量部に留めることが好ましい。有機バインダーが３重量部を越える場合は、ＣＯ2やＣＯ、各種の有機系ガスが発生するようになり、従来と同様の不具合が生じる。有機バインダーの特に好ましい使用量は、無機繊維１００重量部に対して１重量部未満である。尚、下限値は、保持材に柔軟性を付与できる量であれば制限はないが、無機繊維１００重量部に対して０．２重量部が一般的である。
【００１９】
無機繊維としては、従来から保持材に用いられている種々の無機繊維を用いることができる。例えば、アルミナ繊維、ムライト繊維、あるいはその他のセラミック繊維等を適宜使用できる。より具体的には、アルミナ繊維としては、例えばＡｌ2Ｏ3が９０重量％以上（残りはＳｉＯ2分）であって、かつＸ線的には低結晶化度のものが好ましく、また、その平均繊維径が３〜７μｍ、ウｒットボリューム４００〜１０００ｃｃ／５ｇが好ましい。ムライト繊維としては、例えばＡｌ2Ｏ3分／ＳｉＯ2分重量比が７０／３０〜８０／２０程度のムライト組成であって、かつＸ線的には低結晶化度のものが好ましく、また、その平均繊維径が３〜７μｍ、ウエットボリューム４００〜１０００ｃｃ／５ｇが好ましい。
【００２０】
尚、上記ウエットボリュームは、次の方法で算出される。
乾燥した繊維材料５ｇを少数点２桁以上の精度を有する秤で計量する。
計量した繊維材料を５００ｇのガラスビーカーに入れる。
（２）のガラスビーカーに温度２０〜２５℃の蒸留水を４００ｃｃ程度入れ、攪拌機を用いて繊維材料を切断しないように慎重に攪拌し、分散させる。この分散は超音波洗浄機を使用してもよい。
（３）のガラスビーカーの中味を１０００ｍｌのメスシリンダーに移し、目盛で１０００ｃｃまで蒸留水を加える。
（４）のメスシリンダーの口を手等で塞ぎ、水が漏れないように注意しながら上下逆さまにして攪拌する。これを計１０回繰り返す。
攪拌停止後、室温下で静置し、３０分経過後の繊維沈降体積を目視で計測する。
上記操作を３サンプルについて行い、その平均値を測定値とする。
【００２１】
その他のセラミック繊維としては、シリカアルミナ繊維やシリカ繊維を挙げることができるが、何れも従来から保持材に使用されているもので構わない。また、ガラス繊維やロックウールを配合してもよい。
【００２２】
本発明の保持材を作製する方法は、特に制限されるものではなく、従来の有機バインダーを使用した製造方法に準じることができる。例えば、適当な多孔性中空板状の金型の上に６５〜２００メッシュの金網を装着して抄型を用意し、そこへ、無機繊維及び膨潤性粘土鉱物、必要により無機バインダー、更に必要に応じて少量の有機バインダーを含む水性スラリーを流し込み、吸引脱水し、乾燥することにより、フラットなマット状の保持材が得られる。また、上記性スラリーには、必要に応じて、分散剤や安定化剤等の公知の種々の添加剤を適量配合することができる。
【００２３】
また、触媒担体の外周とケーシングの内周の形状に合わせて無機繊維を円筒状に成形した所謂モールド型の保持器とすることもできる。マット状保持材では、触媒担体に巻装した後、この巻装状態をテープ等により保持しなければならないが、このモールド型保持器ではそのような作業が不要となり、触媒コンバーターを生産する上で有利となる。
【００２４】
尚、モールド型保持器とするには、円筒状の金網を用いて上記の吸引脱水成形を行えばよい。
【００２５】
また、装着性や作業性を補うために、保持材を不織布あるいはフィルムで覆うことも可能である。これらは、保持材の両面あるいは片面に固定される。片面の場合は、ケーシングと接触する側の面に配置する。不織布やフィルムの種類は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、和紙、レーヨン紙等が挙げられる。接着の方法は、それ自身を熱融着させる方法、ＥＶＡ接着剤やアクリル接着剤により接着する方法等がある。
【００２６】
上記の如く形成される本発明の保持材は、図１に示すように、従来と同様に触媒担体１に巻装されてケーシング２との間隙に介装される。
【００２７】
本発明はまた、上記の保持材で触媒担体１を保持しケーシング２に収容した触媒コンバーターを提供するが、本発明の触媒コンバーターは、焼成作業が不要で、また焼成に伴う保持力の低下もなく、更には有機バインダーに由来する排ガスを排出することもない。
【実施例１】
【００２８】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。
【００２９】
（実施例１）
平均繊維径４μｍ、ウエットボリューム８００ｃｃ／５ｇのアルミナ繊維１００重量部と、膨潤度５０ｍｌ／２ｇのモンモリロナイト１重量部とを水中で混合し、更にノニオン系凝集剤を０．１重量部加えて水性スラリーを調製した。そして、この調製した水性スラリーを２００メッシュのステンレス製の円筒状金網を用いて吸引脱水して円筒状の成形体となし、それをさらに１０５℃で加熱乾燥して、内径１００ｍｍ、厚さ７ｍｍ、長さ１００ｍｍで重量５１ｇの円筒状保持材を得た。
【００３０】
（実施例２）
平均繊維径４μｍ、ウエットボリューム８００ｃｃ／５ｇのアルミナ繊維１００重量部と、膨潤度５０ｍｌ／２ｇのモンモリロナイト１重量部とを水中で混合し、更にノニオン系凝集剤を０．１重量部加えて水性スラリーを調製した。そして、この調整した水性スラリーを２００メッシュのステンレス製の長方体状金網を用いて吸引脱水してマット状の成形体をなし、それをさらに１０５℃で加熱乾燥して、長さ３３０ｍｍ、厚さ７ｍｍ、幅１００ｍｍで重量５１ｇのマット状の保持材を得た。
【００３１】
（比較例１）
平均繊維径４μｍ、ウエットボリューム８００ｃｃ／５ｇのアルミナ繊維１００重量部と、有機バインダーとしてのアクリルエマルジョン１０重量部とを水中で混合し、更にノニオン系凝集剤を０．１重量部加えて水性スラリーを調製した。そして、この調整した水性スラリーを２００メッシュのステンレス製の長方体状金網を用いて吸引脱水してマット状の成形体をなし、それをさらに１０５℃で加熱乾燥して、長さ３３０ｍｍ、厚さ７ｍｍ、幅１００ｍｍで重量５１ｇのマット状の保持材を得た。
【００３２】
（実装試験）
実施例１、実施例２及び比較例１で得られた各保持材を、外径１００ｍｍ、長さ１１０ｍｍの円筒状ハニカム構造のコージェライト製触媒担体に巻装し、ステンレス製ケーシングに装着して触媒コンバーターを作製した。そして、作製した各触媒コンバーターをガソリンエンジンの排気管に接続し、排気ガスを通過させた。排気ガスの通過中、各触媒コンバーターから排出されるガスを分析した。
【００３３】
比較例１の保持材を装着した触媒コンバーターでは、排気ガスの通過直後に有機バインダーに由来すると思われる有機系ガスが検出され、ＣＯ2濃度及びＣＯ濃度も、実施例１及び実施例２の保持材を装着した触媒コンバーターに比べて格段に高かった。また、排気ガスの通過を続けたところ、実施例１及び実施例２の保持材を装着した触媒コンバーターは安定した浄化作用を示し、シール性能も長期間維持されていた。これに対し、比較例１の保持材を装着した触媒コンバーターでは、ガスの通過を続けたところ、排気ガスの漏れが認められ、触媒コンバーターを分解したところ、保持材が作製当初の装着位置から大きくずれていた。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】触媒コンバーターを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    触媒担体
２    ケーシング
３    保持材
【図１】
2005036725.tif 000003