(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚染防止要素を取り付けるためのマットとして又は防火仕切りとして使用するのに好適な多層シートの形成方法であって、
汚染防止要素のための取り付け用マット又は防火仕切りを製造するのに好適な無機材料を含有する少なくとも第１及び第２の水性スラリーを提供し；
前記第１のスラリーを基材上に付着させ；
前記基材上で前記第１のスラリーを部分脱水して第１の層を形成し；
前記第１の層上に第２の層を形成することにより複数の層を形成するように第２のスラリーを付着させ；
前記第２の層を部分脱水し；
上記の層を乾燥させて多層シートを形成する；
ことを含む多層シートの形成方法。
【請求項２】
汚染防止要素を取り付けるためのマットとして又は防火仕切りとして使用するのに好適な多層シートの形成方法であって、
汚染防止要素を取り付けるためのマット又は防火仕切りを製造するのに好適な無機材料をそれぞれ含む第１の水性スラリー及び第２の水性スラリーを提供し、
前記第１のスラリーから得られた第１の層および前記第２のスラリーから得られた第２の層を乾燥させて多層シートを形成すること、
を含む多層シートの形成方法。
【請求項３】
（ａ）ハウジングと、
（ｂ）前記ハウジング内に配置された汚染防止要素と、
（ｃ）前記ハウジングと前記汚染防止要素の間に配置された可撓性で膨張性である多層シートであって、（Ａ）少なくとも一つの非成形性で可撓性で非膨張性である層と、（Ｂ）膨張性材料を含む少なくとも１つの非成形性で可撓性で膨張性である層とを含み、これらの層が、補助的な結合手段を用いずに単一シートを形成している多層シートと、
を含んで成る汚染防止装置。
【請求項４】
（ａ）ハウジングと、
（ｂ）前記ハウジング内に配置された汚染防止要素と、
（ｃ）前記ハウジングと前記要素の間に配置された可撓性で膨張性である多層シートであって、
（Ａ）未膨張のバーミキュライト鉱石、未膨張の処理バーミキュライト鉱石、部分脱水バーミキュライト鉱石、膨張性グラファイト、膨張性ケイ酸ナトリウム、またはそれらの混合物である第１の膨張性材料を含む第１の非成形性で可撓性で膨張性である層と、
（Ｂ）未膨張のバーミキュライト鉱石、未膨張の処理バーミキュライト鉱石、部分脱水バーミキュライト鉱石、膨張性グラファイト、膨張性ケイ酸ナトリウム、またはそれらの混合物である第２の膨張性材料を含む第２の非成形性で可撓性で膨張性である層とを含み、前記第１の膨張性材料と前記第２の膨張性材料とは互いに異なり、これらの層が、補助的な結合手段を用いずに単一シートを形成している多層シートと、
を含んで成る汚染防止装置。
【請求項５】
（ａ）少なくとも１つの非成形性で可撓性で非膨張性である層と、（ｂ）膨張性材料を含む少なくとも１つの非成形性で可撓性で膨張性である層とを含み、これらの層が補助的な結合手段を用いずに単一シートを形成していることを特徴とする可撓性で膨張性である多層シート。
【請求項６】
（ａ）未膨張のバーミキュライト鉱石、未膨張の処理バーミキュライト鉱石、部分脱水バーミキュライト鉱石、膨張性グラファイト、膨張性ケイ酸ナトリウム、またはそれらの混合物である第１の膨張性材料を含む第１の非成形性で可撓性で膨張性である層と、
（ｂ）未膨張のバーミキュライト鉱石、未膨張の処理バーミキュライト鉱石、部分脱水バーミキュライト鉱石、膨張性グラファイト、膨張性ケイ酸ナトリウム、またはそれらの混合物である第２の膨張性材料を含む第２の非成形性で可撓性で膨張性である層、
とを含み、前記第１の膨張性材料と前記第２の膨張性材料とは互いに異なり、これらの層が、補助的な結合手段を用いずに単一シートを形成していることを特徴とする防火仕切り。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、防火仕切りとして、または触媒コンバーター及びディーゼルパーティキュレイトフィルターまたはトラップ用の取付けマットとして有用な可撓性膨張性シートに関し、特に、異なった膨張性特性を有する少なくとも２つの層を有する可撓性多層膨張性シートを含むこのような装置に関する。
背景技術
汚染防止装置は、大気汚染を防止するために自動車に使用される。このような装置は、触媒コンバーター及びディーゼルパーティキュレイトフィルターまたはトラップを含む。
触媒コンバーターは一般に、前記触媒を担持するセラミックモノリシック構造体を含有する。
前記モノリシック構造体を金属から作製することもできる。ディーゼルパーティキュレイトフィルターまたはトラップは、一般に多孔性の結晶性セラミック材料から作製されたハネカムモノリシック構造体を有する壁流フィルターである。
これらの装置の各々が、セラミックまたは鋼などの金属から作製されたモノリシック構造体を保持する金属ハウジング（一般にステンレス鋼）を有する。
モノリシック構造体は、その上に触媒を有する壁を有する。同触媒は、一酸化炭素及び炭化水素を酸化させ、エンジン排気ガス中の窒素の酸化物を低減させて大気汚染を防止する。
セラミックモノリスはしばしば、それらの肉厚及び平方インチ当たりの開口またはセルの数（cpsi）によって記載される。
１９７０年代初期では、１２ミルの肉厚及び３００cpsiのセル密度のモノリスが普通であった（「１２/３００モノリス」）。
排気ガス法がより厳しくなるにつれて、モノリスの幾何学的な表面積の増大、熱容量の減少、圧力降下の減少のために、肉厚が減少した。標準は６/４００モノリスにまで向上した。
それらの薄い壁によって、セラミックモノリシック構造体は壊れやすく、振動または衝撃により損傷及び折損しやすい。
損傷を与える力は、エンジン組み立て中の乱暴な取り扱い、または落下から生じ、エンジン振動または凸凹の路面上の移動から生じることがある。
モノリスはまた、路面吹付けとの接触など、高い熱衝撃による損傷を受けやすい。
前記セラミックモノリスは、それらを含有する金属ハウジングよりほぼ１桁小さい熱膨張率を有する。
例えば、金属ハウジングの外周壁とモノリスとの間の間隙は初めは約４ｍｍであり、エンジンが触媒コンバーターモノリシック要素を２５℃から約９００℃の最高動作温度に加熱するとき、合計約０．３３ｍｍ増大させることができる。
同時に、前記金属製ハウジングは、約２５℃〜約５３０℃の温度に上昇する。
前記金属製ハウジングがより小さい温度変化を受けても、金属製ハウジングのそれに伴う熱膨張が大きくなるため、ハウジングをモノリシック要素の膨張より速くより大きい外周寸法に膨張させる。
このような熱サイクルは一般に、車両の寿命中、何百回または何千回も起る。
路面衝撃及び振動によるセラミックモノリスに与える損傷を回避するために、熱膨張差を緩和し、排気ガスがモノリスと金属製ハウジングとの間を通り抜ける（それによって触媒を迂回する）のを妨ぐために、取り付けマットまたは取り付けペースト材料がセラミックモノリスと金属ハウジングとの間に配置される。
モノリスをハウジング内に置くプロセスはキャニングとも呼ばれ、１枚のマット材料をモノリスの周りに捲回する工程、捲回されたモノリスを前記ハウジング内に挿入する工程、閉じられたハウジングを加圧する工程、及びハウジングの横端縁に沿ってフランジを融着する工程を含む。
ペーストを、おそらく、キャニングプロセスの工程として、モノリスと金属ハウジングとの間の間隙に射出することができる。
一般に、ペーストまたは取り付けシート材料は、無機結合剤、無機繊維、膨張性の材料、有機結合剤、充填剤及び他の補助剤などである。
前記材料は、シート、マット、またはペーストとして用いることができる。
ハウジング内にモノリスを取り付けるために用いられる周知のマット材料、ペースト、及び膨張性シート材料は、例えば、米国特許第３，９１６，０５７号（ハッチら）、４，３０５，９９２号（ランガーら）、４，３８５，１３５号（ランガーら）、５，２５４，４１０号（ランガーら）、５，２４２，８７１号（橋本ら）、３，００１，５７１号（ハッチ）、５，３８５，８７３号（マクネイル）、５，２０７，９８９号（マクネイル）及び英国特許第１，５２２，６４６号（ウッド）に記述されている。
これらの材料の何れについても、取り付け材料は、長期間の使用にわたり動作温度の全範囲で十分に弾性のままであるのが望ましい。
絶えず排気ガス基準を改善するために、触媒コンバーターをエンジンに近づけることによって、触媒コンバーター中を移動する排気ガスの温度を上昇させることが望ましい。
より高温の触媒コンバーター及びその内部の排気ガスは、排気ガスによる汚染を取り除く反応効率を増大させる。
より高温の触媒コンバーター温度を使用するとき、前記取り付け材料は、苛酷な温度に耐えることができなければならない。
更に、取り付け材料の熱伝達特性は、接近して取り付けられたエンジン部品を高温の排気ガス温度から守るためにより重要になる。
コンバーターの表皮温度を低下させることは、エンジン室内の熱損傷及び乗員室中への放射を防ぐのに重要である。
触媒コンバーター運転を向上させるために絶えずセラミックモノリシック構造体の肉厚を減少させることが望ましい。４/４００、４/６００、４/９００、３/６００、３/９００及び２/９００モノリスなど、壁が非常に薄いモノリスが開発され、または遠からず開発されることが期待される。
非常に薄い壁を有するモノリスは更により敏感で、折損しやすい。代表的な膨張性取付け構造体は、触媒コンバーターの使用中に初期取り付け圧よりも高い圧力にまで増加する圧縮圧を提供する。
触媒コンバーターの使用中の圧縮圧を増加させることはまた、前記モノリスを振動による損傷または機械的衝撃から十分に保護するための支持マットまたはペーストの能力を低減させる。
これらのいろいろな問題のために、公開された報告によれば、エンジンの近くに取り付けられる非常に薄い壁のモノリスのために膨張性取り付けマットを用いないように勧めている。例えば、ウメハラらの「Design Development of High Temperature Manifold Converter Using Thin Wall Ceramic Substrate」、SAE論文No. ９７１０３０、１２３-１２９ページ、１９９７年を参照のこと。
前記取り付け材料の露出端縁は、特に取り付け材料が何度も熱サイクルにかけられるとき、脈動高温排気ガスによる浸蝕を受けやすい。
苛酷な条件下で、一定時経過とともに、取り付け材料は浸蝕することがあり、同材料の部分が吹き飛ばされることがある。時間がたつと、取り付け材料の相当な量が吹き飛ばされることがあり、取り付け材料はモノリスに必要とされる保護を提供することができない。
浸蝕問題の解決としては、ステンレス鋼ワイヤースクリーン（例えば、米国特許第５，００８，０８６号を参照のこと）、編組またはロープ状セラミック（すなわち、ガラス、結晶性セラミック、またはガラスセラミック）繊維編組または金属ワイヤー材料（例えば、米国特許第４，１５６，３３３号（クローズら））、及びガラス粒子を有する組成物から形成された端縁保護剤（例えば、欧州特許第６３９７０１ A1号（ホワースら）、欧州特許第６３９７０２ A1号（ホワースら）及び欧州特許第６３９７００ A1号（ストルームら）を参照のこと）を使用するなどがあり、排気ガスによる膨張性マットの端縁を浸蝕から保護する。
これらの解決法は、モノリスのための一次支持体として最新技術の状態の取り付け材料を使用する。
周知の接着多層取り付けマットは一般に、最初に前記の層を別々に形成した後、前記層を接着剤またはフィルムまたは他の手段、例えば、ステッチまたはステープルを用いて互いに接着することによって作製される。
一般に、接着剤によりまたはフィルムにより接着された多層取り付けマットは、触媒コンバーター内で用いられるとき望ましくない煙及び臭気を生じる、より多量の有機材料を含有する。
このような煙及び臭気を防ぐために、取り付けマットは、有機結合剤を焼き取るために据付ける前に予熱されなければならない。
接着剤またはフィルム結合層はまた、マットの耐熱性に影響を及ぼす。
更に、このような取り付けマットは、前記の層を互いに結合するコスト及び用いられる接着剤またはフィルムのコストのために製造により費用がかかる。
機械的に接着または結合された多層の取り付けマットの不便な点としては、付加的な工程及び材料の経費などであり、マットは、ステッチまたはステープルがマットに貫通する場所などの機械的結合の箇所で弱くなることがある。
他の多層取り付けマットは、触媒コンバーターハウジング内に別々に取り付ける必要がある分離した層からなる。
膨張性グラファイトまたは膨張性グラファイトと未膨張バーミキュライトとの混合物を含有する単一層マットまたはシートの不便な点は、一般に、シート全体に均一または一様な組成を有するこのような単一シート構造体が、所望の低温膨張のために比較的多量の膨張性グラファイトを必要とし、マットのコストを増大させるということである。
このように、広範囲の動作温度及び多数の熱サイクルにわたってモノリスと金属ハウジングとの間の変化する間隙を緩和するように、十分に弾性があり且つ圧縮可能な取り付け方法に対する需要が存在する。
最新技術の状態の取り付け材料はそれら自体の実用性及び利点を有するが、汚染防止装置に使用するための取り付け材料を改善する需要が依然としてある。
更に、取り付けマットを形成する際の主要な問題の一つは、材料のコストと性能の特質との間のバランスをとることである。できる限り低コストでこのような高品質の取り付け方法を提供することが望ましい。
発明の要旨
本発明は、触媒コンバーター要素またはディーゼルパーティキュレイトフィルター用の取り付け材としてまたは防火仕切りとして有用な多層膨張性マットまたはシートを提供する。実施例の一つにおいて、セラミックモノリスに隣接した層が、安価なショット含有無機繊維材料とより高価なショットを含まない無機繊維材料との混合物を含有する。金属ハウジングに隣接した層は、膨張性材料を含有する。本発明の更に別の実施例において、金属ハウジングに隣接した層は十分に薄く、膨張性材料は、膨張性材料がセラミックモノリスと金属ハウジングとの間の間隙が膨張し始めるまで膨張し始めない十分高い泡沸温度を有する。
本発明の利点としては、例えば、前記可撓性多層シートが、接着剤または他の補助結合手段を用いずに作製され、比較的より少ない膨張性材料を用いて特定の温度範囲にわたり、膨張または泡沸するように配合をたてることができ、連続プロセスを用いて作製することができ、２つ以上の別々に結合されたマットよりも取り扱いが容易で据え付けにより少ない労力を必要とし、接着剤が必要とされないため、接着剤により結合または貼り合わせたシートより少ない有機材料を必要とする。
前述の概要及び以下の詳細な説明との両方が例を示して説明するのに役立ち、クレームに記載した本発明を更に説明するものであると理解されよう。本発明の特徴及び利点が、以下の記載及び例に更に示され、明白となろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施例に取り入れられた、分解図で示した触媒コンバーターの斜視図である。
図２は、本発明の実施例に取り入れられた、ディーゼルパーティキュレイトフィルターの長さ方向の中央断面図である。
図３は、表２の実条件造作試験の間隙変化対加熱／時間間隔のプロットである。
図４は、表２の実条件造作試験の温度対径方向位置対加熱／時間間隔のグラフである。
図５は、先行技術の膨張性取り付けマットの実条件造作試験の結果である。
図６は、実施例１０の取り付けマットの実条件造作試験の結果である。
図７は、実施例１１の取り付けマットの実条件造作試験の結果である。
図８は、実施例１２の取り付けマットの実条件造作試験の結果である。
図９は、実施例１３の取り付けマットの実条件造作試験の結果である。
図１０は、実施例１４の取り付けマットの実条件造作試験の結果である。
図１１は、実施例１３の泡沸温度範囲と重なった図４の温度対径方向位置対時間のグラフである。
図１２は、他の比較例の実条件造作試験結果である。
上に示した図面は所望の実施例を明らかにするが、本発明の他の実施例もまた考えられ、そのいくつかは考察において指摘される。例外なく、この開示内容は図示によって、本発明の具体的に説明した実施例を提示するが、制限条件ではない。多数の他の小さな改良及び実施例を、この発明の原理の範囲及び精神から逸れることなく当業者は考案することができる。
発明の詳細な説明
一般的にみて、本発明の可撓性多層シートは実質的に無機系であり、層の少なくとも１つが膨張性材料を含む少なくとも２つの非成形性の可撓性層を含む。前記２つの層は望ましくは、単一湿式（wetlaid）シートにおいて一つの層を他の層の上面に同時形成するなど、補助結合手段を用いることなく単一の弾性シートを形成する。
本発明の膨張性シートの特有の特徴の１つは、シートは、全体として特に横断面において、非均質組成を有するということである。この特徴は、各隣接した層が、均一だが異なった組成物を有する少なくとも２つの隣接した層から単一シートを形成することに起因する。所望のシートは、セラミック繊維を含有する非膨張性層、未膨張バーミキュライト、未膨張の処理バーミキュライトの何れか、または両方の混合物を含有する膨張性層を含む。他の実施例においては、第１の膨張性層が膨張性グラファイトを含有し、第２の膨張性層が未膨張バーミキュライト、未膨張処理バーミキュライトの何れか、または両方の混合物を含有する。別の実施例において、第１の膨張性層が膨張性グラファイトと未膨張バーミキュライトとの混合物を含有し、第２の膨張性層が未膨張バーミキュライト、未膨張の処理バーミキュライトの何れか、または両方の混合物を含有する。
実施例の一つにおいて、本発明の多層膨張性シートは、補助結合手段を用いることなく単一のシートを形成する、少なくとも一つの非成形性の可撓性非膨張性層と、膨張性材料を含む少なくとも一つの非成形性の可撓性膨張性層と、を含む。別の実施例において、本発明の多層膨張性シートは、補助結合手段を用いることなく単一のシートを形成する、少なくとも（a）第１の膨張性材料を含む第１の非成形性の膨張性層と、（ｂ）第２の膨張性材料を含む第２の非成形性の膨張性層とを提供し、第１及び第２の膨張性材料は異なっている。
別の実施例において、本発明は、本発明の多層シートを用いる触媒コンバーターまたはディーゼルパーティキュレイトフィルターまたは汚染防止装置を提供する。本発明の汚染防止装置は、ハウジングと、モノリシック構造体または要素と、補助結合手段を用いることなく単一シートを形成する、（a）少なくとも１つの非成形性の可撓性非膨張性層と、（b）膨張性材料を含む少なくとも１つの非成形性の可撓性膨張性層とを含む、前記構造体を所定の位置に保持するように前記構造体と前記ハウジングとの間に配置された多層膨張性シートとを含む。更に別の実施例において、本発明は、ハウジングと、モノリシック構造体または要素と、補助結合手段を用いることなく単一シートを形成する、（a）第１の膨張性材料を含む第１の非成形性の可撓性非膨張性層と、（b）第２の膨張性材料を含む第２の非成形性の可撓性膨張性層とを含む、前記構造体を所定の位置に保持するように前記構造体と前記ハウジングとの間に配置された多層膨張性シートとを含む。
別の実施例において、本発明は、補助結合手段を用いることなく単一シートを形成する、少なくとも（a）吸熱性充填剤を含む非成形性の可撓性非膨張性層と、（b）膨張性材料を含む非成形性の可撓性膨張性層とを含む防火仕切りとして有用な可撓性多層膨張性シートを含む。
別の実施例において、本発明は、（a）無機材料を含む第１のスラリー及び第２のスラリーであって、そのスラリーの少なくとも一つが膨張性材料を含有する第１のスラリー及び第２のスラリーを提供する工程と、（b）前記第１のスラリーを透過性の基材上に付着させる工程と、（c）前記第１のスラリーを部分脱水して第１の層を形成する工程と、（d）前記第２のスラリーを前記第１の層上に付着させる工程と、（e）前記第２のスラリーを部分脱水して第２の層を形成する工程とを含み、前記層が補助結合手段を用いることなく単一シートを形成する、多層膨張性シートを作製するための連続方法を提供するものである。
概して、本発明の多層シートの均一な層の各々が、全多層シートの０．３〜９９．７乾燥重量パーセントを占めることができる。望ましくは、前記層の各々が前記シートの１．５〜９８．５乾燥重量パーセント、より望ましくは８〜９２乾燥重量パーセント、さらにより望ましくは１５〜８５乾燥重量パーセントを占める。実施例の一つにおいて、内層は前記シートの少なくとも５０乾燥重量パーセント、より望ましくは前記シートの約６０〜８５乾燥重量パーセントを占める。乾燥重量パーセントを個々のスラリー組成物から計算することができる。
本発明のシートは、例えば、触媒コンバーター及びディーゼルパーティキュレイトフィルターの取り付け用に、及び建造物内の防火シートまたは防火仕切として有用である。もちろん、層の各々の組成、厚さ、及び幅は、何れの考えられる最終用途にも合うようにいろいろであってもよい。
概して、本発明の多層膨張性シートは、厚さが少なくとも０．１ｍｍ、望ましくは少なくとも０．５ｍｍ、より望ましくは少なくとも１ｍｍである。汚染防止装置に使用するための本発明の多層膨張性シートの代表的な層厚は、約２〜約１１ｍｍの範囲である。
汚染防止装置で使用中に加熱される前に、本発明の膨張性シートは可撓性且つ弾性であり、破断したり望ましくない割れを生じることなく取り扱い及び屈曲可能であり、モノリスの周りに捲回されることができる。
本発明の多層シートはまた、補助結合手段を用いることなく単一シートを形成する３つ以上の非成形性の可撓性層において、その少なくとも一つが膨張性材料を含む層を含むシートも考えられる。
本明細書において「補助結合手段を用いることなく」は、樹脂、接着剤、粘着テープ、ステッチ、ステープル、及び他の外部的に用いられる結合手段を使用しないことを意味する。
本明細書において「層」は、均一な組成物を有する希釈スラリーを先ず沈積させ、次に少なくとも部分脱水することによって別々に形成される均一な組成を有するある厚さの層を意味する。本発明の多層シートの層の各々が同じまたは異なった厚さ及び層厚を有してもよい。
本明細書において「非成形性の層」は、抄紙技術を用いる湿式で塗られる固形分１０パーセント以下を含有する材料の組成物から作製される層を意味する。
本明細書において「膨張性材料」は、十分な量の熱エネルギー曝露したときに、膨張、発泡、または膨潤する材料を意味する。
本明細書において「膨張性層」は、膨張性材料を含有するシートの層を意味する。
本明細書において「非膨張性層」は、膨張性材料を含有しないシートの層を意味する。
本発明の非成形性の可撓性膨張性層は、可撓性且つ弾性のシートになるように湿式で塗ることができる材料の組成物を含む。概して、本発明の非成形性の可撓性膨張性層は、前記層の約５〜約８５乾燥重量パーセントの膨張性材料と、２０乾燥重量パーセント未満の有機結合剤とを含む。
前記非成形性の可撓性膨張性層は、望ましくは、約５〜約８５乾燥重量パーセントの膨張性材料と、約０．５〜約１５乾燥重量パーセントの有機結合剤と、約１０〜約６５乾燥重量パーセントの無機繊維とを含み、より望ましくは、約５〜約７０乾燥重量パーセントの膨張性材料と、約０．５〜約９乾燥重量パーセントの有機結合剤と、約３０〜約４５乾燥重量パーセントの無機繊維とを含む。本発明の非成形性の可撓性膨張性層はまた、一つ以上の無機充填剤、無機結合剤、有機繊維、及びそれらの混合物を含有することができる。
別の非成形性の可撓性膨張性層は、望ましくは、約２０乾燥重量パーセント〜約６５乾燥重量パーセントの未膨張バーミキュライトフレークまたは鉱石と、約１０乾燥重量パーセント〜約６５乾燥重量パーセントの無機繊維と、約０．５乾燥重量パーセント〜約２０乾燥重量パーセントの有機結合剤と、４０乾燥重量パーセントまでの無機充填剤とを含む。
別の非成形性の可撓性膨張性層は、望ましくは、約２０乾燥重量パーセント〜約９０乾燥重量パーセントの膨張性グラファイトと、約１０乾燥重量パーセント〜約６５パーセントの無機繊維と、約０．５乾燥重量パーセント〜約２０乾燥重量パーセントの有機結合剤と、４０乾燥重量パーセントまでの無機充填剤とを含む。
別の非成形性の可撓性膨張性層は、望ましくは、約２０乾燥重量パーセント〜約９０乾燥重量パーセントの膨張性ケイ酸ナトリウムと、約１０乾燥重量パーセント〜約６５パーセントの無機繊維と、約０．５乾燥重量パーセント〜約２０乾燥重量パーセントの有機結合剤と、４０乾燥重量パーセントまでの無機充填剤とを含む。
別の非成形性の可撓性膨張性層は、望ましくは、膨張性グラファイトと処理または未処理の何れかの未膨張バーミキュライトとの混合物、約２０乾燥重量パーセント〜約９０乾燥重量パーセント（前記膨張性グラファイトが前記膨張性混合物の約５〜約９５乾燥重量パーセントであり、前記未膨張バーミキュライトが前記膨張性混合物の約９５〜約５乾燥重量パーセントである）と、約１０乾燥重量パーセント〜約５０乾燥重量パーセントの無機繊維と、約０．５乾燥重量パーセント〜約２０乾燥重量パーセントの有機結合剤と、４０乾燥重量パーセントまでの無機充填剤とを含む。
膨張性材料の選択は、所望の最終用途によって変化することができる。例えば、より高い温度については、すなわち、約５００℃より高い温度では、未膨張バーミキュライト材料が約３００℃〜約３４０℃の温度範囲で膨張し始めて膨張する金属ハウジングと触媒コンバーター中のモノリスとの間の膨張する間隙を塞ぐので、それらは好適である。より低い温度での使用については、すなわち、ディーゼルのモノリスまたはパーティキュレイトフィルター中など、約５００℃より低い温度では、膨張性グラファイトが約２１０℃の温度で膨張または泡沸し始めるので、膨張性グラファイトまたは膨張性グラファイトと未膨張バーミキュライト材料との混合物が望ましい。処理バーミキュライトもまた有用であり、約２９０℃の温度で膨張する。
有用な膨張性材料は、未膨張バーミキュライト鉱石、処理された未膨張バーミキュライト鉱石、部分脱水バーミキュライト鉱石、膨張性グラファイト、膨張性グラファイトと処理または未処理の未膨張バーミキュライト鉱石との混合物、加工した膨張性ケイ酸ナトリウム、例えば、ミネソタ州、セントポールのミネソタマイニングアンドマニュファクチュアリングカンパニー製のEXPANTROLTTM不溶性ケイ酸ナトリウム、及びそれらの混合物を含むがそれらに制限されない。本発明の用途のために、然るべく、膨張性材料の上述の例の各々は異なっていて互いに区別できると考えられる。所望の膨張性材料は、未膨張バーミキュライト鉱石、処理された未膨張バーミキュライト鉱石、膨張性グラファイト、及びそれらの混合物などである。望ましい市販の膨張性グラファイト材料の例は、オハイオ州、クリーブランドのUCARカーボン社のGRAFOILTM銘柄３３８-５０の膨張性グラファイトフレークである。
処理された未膨張バーミキュライトフレークまたは鉱石は、従来技術で周知の、リン酸二水素アンモニウム、硝酸アンモニウム、塩化アンモニウム、塩化カリウム、または他の好適な化合物などのイオン交換塩でイオン交換される等の方法によって処理された未膨張バーミキュライトなどである。
取り付けマットに取り入れられた膨張性材料の量及び種類は、製品のコストに大幅に寄与する。未膨張バーミキュライトなどの未処理の膨張性材料は、処理された膨張性材料よりも概して安価であるが、異なった泡沸温度及び膨張の量及び速度を提供する。一つの実施例において、本発明は望ましくは、膨張性粒子がマット全体の約０乾燥重量％以上約３０乾燥重量％未満であるような膨張性材料の低比率により著しい泡沸膨張を生じる。時宜を得た著しい泡沸膨張が、マットの外層にまたは外側に膨張性粒子を非均一に配することによって得られる。
好適な有機結合剤の材料は、ポリマーエマルジョン水溶液、溶液型ポリマー液及びポリマーまたはポリマー樹脂（固形分１００パーセント）などである。ポリマーエマルジョン水溶液は、ラテックスの形の有機結合剤ポリマー及びエラストマー、例えば、天然ゴムラテックス、スチレン-ブタジエンラテックス、ブタジエン-アクリロニトリルラテックス、エチレン酢酸ビニルラテックス、及びアクリレート及びメタクリレートのポリマー及びコポリマーのラテックスである。ポリマー及びポリマー樹脂は、天然ゴム、ブタジエンスチレンゴム、及び他の弾性ポリマー樹指などである。アクリルラテックス及びポリ酢酸ビニル有機結合剤が望ましい。
望ましい市販の有機結合剤の例は、ペンシルベニア州、フィラデルフィアのローム＆ハス製のRHOPLEX▲Ｒ▼HA-８（固形分４５．５重量パーセントの水性アクリルエマルジョン）、ペンシルベニア州、アレンタウンのエア・プロダクツ製のAIRFLEX▲Ｒ▼６００BP（固形分５５パーセントのポリ酢酸ビニル水性エマルジョン）などである。
有用な無機繊維は、例えば、ガラス繊維、セラミック繊維、グラファイト繊維またはボロン繊維などの非酸化物の無機繊維、及びそれらの混合物などである。有用なセラミック繊維は、それのホウケイ酸アルミン酸繊維、アルミノケイ酸塩繊維、アルミナ繊維、及びそれらの混合物などである。
望ましいホウケイ酸アルミン酸繊維の例は、ミネソタ州、セントポールのミネソタマイニングアンドマニュファクチュアリングカンパニー製の商品名「NEXTEL」３１２及び「NEXTEL」４４０などである。望ましいアルミノケイ酸塩繊維の例は、ニューヨーク州、ナイアガラフォールズのユニフラックスコーポレーション製の商品名「FIBERFRAX」７０００M、ジョージア州、オーガスタのサーマルセラミックス製の「CERAFIBER」、及び日本、東京の新日鐵化学製の「SNSCタイプ１２６０ D1」などである。望ましい市販のアルミナ繊維の例は、英国、ウィドネスチュシアーのICIケミカルズアンドポリマーズ製の多結晶性アルミナ繊維であるSAFFILTM繊維である。
他の好適な無機繊維の例は、石英繊維、例えば、ノースカロライナ州、スレーターのJ.P.スティーブンスインク製の商品名「ASTROQUARTZ」と、アルミノケイ酸マグネシウムガラス繊維などのガラス繊維、例えば、オハイオ州、グランヴィルのオーエンズ-コーニンググラスファイバーコーポレーション製の商品名「S2-GLASS」と、炭化ケイ素繊維、例えば、日本、東京の日本カーボン、またはミシガン州、ミッドランドのダウ・コーニング製の商品名「NICALON」と、マサチューセッツ州、ローウェルのテクストロンスペシャルティマテリアル製の「TYRANNO」と、窒化ケイ素繊維、例えば、ニューヨーク州、ニューヨークのトレンエネルギーインタナショナルコーポレーション製の窒化ケイ素繊維と、ベルギー、ツヴェレーガンのベッカート製のBEKI-SHIELD▲Ｒ▼GR９０／C2／４ステンレス鋼繊維などの小径の金属繊維と、オハイオ州、ガハンナのリボンテクノロジーコーポレーション製の商品名「RIBTEC」のマイクロメタル繊維と、それらの混合物などである。有用な市販の炭素（グラファイト）繊維（非膨張性）は、ユタ州、マグナのハーキュリーズアドバンストマテリアルシステムズ製の商品名「IM7」などである。
本発明の非成形性の可撓性膨張性層はまた、一つ以上の充填剤材料を含有することができる。充填剤材料は、約９０乾燥重量パーセントまでの量、望ましくは約６０パーセントまでの量で、より望ましくは４０パーセントまでの量で可撓性膨張性層中に存在することができる。
好適な充填剤及び非膨張性粒子は、例えば、ガラス粒子、空洞ガラス球、炭酸カルシウムなどの不活性充填剤材料、マイカ、パーライト、膨張バーミキュライト、加工された膨張バーミキュライトプレートリット、剥離バーミキュライトなどの補強及び／または軽重量充填剤材料、アルミニウム３水和物、リン酸マグネシウム６水和物、ホウ酸亜鉛、及び水酸化マグネシウムなどの吸熱性充填剤材料、及びそれらの混合物などである。
本発明の非成形性の可撓性膨張性層はまた、前記層の約９０乾燥重量パーセントまで、望ましくは約３０乾燥重量パーセントまで、及びより望ましくは約１５乾燥重量パーセントまでの無機結合剤を含有することができる。有用な無機結合剤は、ベントナイト、及びコロイドシリカなどの粘土材料、及びそれらの混合物などである。
本発明の非成形性の可撓性膨張性層はまた、有機繊維約９０乾燥重量パーセントまで、望ましくは約１０乾燥重量パーセントまで、より望ましくは約３乾燥重量パーセントまでを含有することができる。有用な有機繊維は、KEVLAR▲Ｒ▼ポリアミド系繊維などのアラミド繊維、熱結合繊維、例えばHoeschst Celanese HC-１０６複合繊維、及びレーヨン繊維、ポリオレフィン系繊維、それらの混合物などである。
本発明の非成形性の可撓性膨張性層としての使用に適した組成物を有する膨張性シート材料の他の好適な例は、米国特許第３，９１６，０５７号（ハッチら）、４，３０５，９９２号（ランガーら）、４，３８５，１３５号（ランガーら）、５，２５４，４１０号（ランガーら）、４，８６５，８１８号（メリーら）、５，１５１，２５３号（メリーら）、５，２９０，５２２号（ロジャースら）、５，５２３，０５９号（ランガー）（各々、その内容を本願明細書に引用したものとする）に記載された材料などがある。
本発明の多層の可撓性シートはまた、少なくとも一つの非成形性の可撓性非膨張性層を含むことができる。概して、非成形性の可撓性非膨張性層は、無機の繊維、有機結合剤、充填剤材料、有機繊維の少なくとも一つを含有することができ、またはそれらの何れの組合せも含有することができる。有用な非膨張性層は、無機繊維と有機結合剤、有機結合剤と有機繊維の組合せを含む。
好適な非成形性の可撓性非膨張性層は、約１０乾燥重量パーセント〜約９９．５乾燥重量パーセントの無機繊維、約０．５乾燥重量パーセント〜約２０乾燥重量パーセントの有機結合剤、９０乾燥重量パーセントまでの充填剤を含む。望ましい可撓性非膨張性層は、約２０〜約９９．５乾燥重量パーセントの無機繊維、約０．５〜２０乾燥重量パーセントの有機結合剤、６０乾燥重量パーセントまでの充填剤を含む。本発明の非成形性の可撓性舞膨張性層はまた、一つ以上の有機繊維、無機結合剤、及びそれらの混合物を含有することができる。
本発明の非成形性の可撓性非膨張性層に有用な無機繊維は、上述の無機繊維、及び特に、ニューヨーク州、ナイアガラフォールズのユニフラックスコーポレーション製の商品名「FIBERFRAX」７０００M、ジョージア州、オーガスタのサーマルセラミックス製の「CERAFIBER」のアルミノケイ酸塩繊維、英国、ウィドネスチュシアーのICIケミカルズアンドポリマーズ製の商品名SAFFILTM繊維の多結晶性アルミナ繊維、コロラド州、デンバーのシュラーインタナショナルカンパニー製のガラス繊維、ジルコニア-シリカ繊維、結晶性アルミナウィスカー、及び微小ガラス繊維などの無機繊維、オーエンズ-コーニング製の商品名「S-2 GLASS」HTなどの耐熱ガラス繊維、及びそれらの混合物などである。
一般的にいえば、相当な量のショットを含有する無機繊維は、ショットを含まない無機繊維ほど高価ではない。しかしながら、米国特許第４，９２９，４２９号（その内容を本願明細書に引用したものとする）に論じられているように、ショットを含まない無機繊維は概して、室温への戻りを含めてあらゆる温度で保持力をより良好に維持するより弾性のマットを提供する。用いられた無機繊維の種類もまた、コストに影響を与える。一般的にいえば、アルミナ／シリカ約５０％／５０％の繊維などのアルミナ／シリカ無機繊維は、比較的高価でない。
実施例の一つにおいて、本発明は、ショットを含まない無機繊維とショットを有する無機繊維との混合物を含む。この混合物は、望ましくは、非膨張性層と膨張性層との両方において用いられる。そのように混合物を用いるとき、前記外層のショットを含まない無機繊維は、前記内層のショットを含まない無機繊維と同じ種類であり、前記外層のショットを有する無機繊維は内層のショット有する無機繊維と同じ種類である。同様に、ショットを含まない無機繊維とショットを有する無機繊維との相対的な比率は、内層と外層の両方について同じである。これは、両方の層全体にばらつきのない熱伝導率及び比熱を生じると考えられる。
前記混合物は、少なくとも約４０乾燥重量％のショットを有する無機繊維、最大約９８乾燥重量％までのショットを有する無機繊維を含むことができる。前記ショットの含有量は、無機バルク含有量の約１０％より多く、より望ましくは約２５％より多く、最も望ましくは、５０％が繊維、５０％がショットのバルクのように、約５０％である。無機繊維は、アルミナ／シリカ約５０％／５０％の繊維のようなアルミナ／シリカ繊維であってもよい。
前記混合物は、０％より多いショットを含まない無機繊維と、約５０％までのショットを含まない無機繊維とを含むことができる。本発明は、望ましくは、前記層の０乾燥重量％より多く約３０乾燥重量％までのショットを含まない無機繊維を含む。本発明は更により望ましくは、無機繊維含有量の乾燥重量パーセントとして、約２５％のショットを含まない無機繊維と７５％のショットを有する無機繊維との混合物を用いる。本発明は、望ましくは、約９６％のアルミナ繊維など、ショットを含まない無機繊維として高アルミナ繊維を用いる。ショットを含まない無機繊維のより多い範囲もまた用いることができるが、本発明は、ショットを含まない無機繊維を少量用いる場合でも、有利な結果を生じる。
本発明の非成形性の可撓性非膨張性層に有用な有機結合剤は、上述の有機結合剤及び特に天然ゴムラテックス、ポリポリ酢酸ビニル、スチレン-ブタジエンラテックス、ブタジエンアクリロニトリルラテックス、アクリレート及びメタクリレートポリマー及びコポリマーのラテックスなどである。
本発明の非成形性の可撓性非膨張性層に有用な充填剤は、上述の充填剤及び特に、膨張バーミキュライト、剥離バーミキュライト、空洞ガラス微小球、パーライトの他、アルミナ３水和物、リン酸マグネシウム６水和物、炭酸カルシウムなど、及びそれらの混合物などである。充填剤材料は、約９０乾燥重量パーセントまでの量、望ましくは約６０パーセントまでの量、より望ましくは４０パーセントまでの量で前記可撓性非膨張性層中に存在してもよい。
本発明の非成形性の可撓性非膨張性層に有用な無機結合剤としては、前記非成形性の可撓性膨張性層について上述した無機結合剤、特に、ベントナイト及び他のクレーなどが挙げられる。無機結合剤は、前記非成形性の可撓性層中に、前記層の約９０乾燥重量パーセントまで、望ましくは約３０乾燥重量パーセントまで、より望ましくは、約１５乾燥重量パーセントまで存在することができる。
本発明の非成形性の可撓性非膨張性層に有用な有機繊維としては、前記非成形性の可撓性膨張性層について上述した有機繊維を挙げることができる。有機繊維は、本発明の非成形性の可撓性層中に、前記層の約９０乾燥重量パーセントまで、望ましくは約１０乾燥重量パーセントまで、より望ましくは、３乾燥重量パーセントまでの量で存在してもよい。
本発明の層の何れかに含まれてもよい他の混合剤または加工助剤は、脱泡剤、界面活性剤、分散剤、界面活性剤、湿潤剤、沈殿を促進するための塩、殺真菌剤、及び殺菌剤などである。概して、これらの種類の添加剤は、約５乾燥重量パーセント未満の量で前記層の一つ以上に含まれる。
望ましくは、本発明の多層シートは、所望の材料を含有する少なくとも２つの希釈した（望ましくは、固形分５重量パーセントを超えない）水性スラリーをつくり、前記第１のスラリーを、抄紙機のスクリーンまたは「ワイヤー」などの透過性基材上に付着させ、前記第１のスラリーを重力及び／または真空によって部分脱水して基礎または「下部」層を形成し、前記第２のスラリーを前記部分脱水された下部層に付着させ、前記第２または上部層を部分脱水し、次に加圧して両方の層を、例えば、加圧ロールで高密度化した後、前記シートを加熱ロールで完全に乾燥させて前記完成シートを形成することによって作製される。本発明のシートの層のどれかまたは何れも前記シートの下部層として最初に形成されることができると理解されよう。しかしながら、乾燥時に最も厚い層（内側の非膨張性層など）が、望ましくは最初に形成される層である。
スラリーを部分的に脱水した層上に付着させてから脱水する工程により、両方のスラリーの成分が部分的に混ぜ合わせられる。この混ぜ合わせにより、前記層を永久的に且つ有効に接着し、前記層をきれいに分離することができない一体シートを形成する。層の成分の混ぜ合わせは、実質的に可視的ではなく、または２つの層の間の可視的な境界または勾配層を形成する程度であってもよい。何れの場合でも、前記層は永久的に互いに結合しており、各層がシート全体の一部分である単一シートを形成する。第１の層のスラリーが脱水されているときに第２の層のスラリーを第１の層のスラリー上に付着させることにより、前記層間の混ぜ合わせが非常によくなされる。第２の層のスラリーを部分的に脱水された最初に形成された層上に付着させることにより、可視的な混ぜ合わせがほとんどない２つの異なっているが結合された層を提供する。前者は、ワイヤーフォーマの傾斜ワイヤー部表面で真空脱水を用いて、相次いで両方のスラリーを付着させてから部分脱水することによって達成される。後者は、ワイヤーフォーマの前記傾斜部表面に前記下部層を付着及び真空形成し、次にワイヤーフォーマの平面または平坦な部分上に（より下の層を通って）十分な真空によって上部層を付着及び脱水することによって達成される。上部層は、膨張性または他のより高密度の充填剤材料からの望ましくない沈降を妨ぐように十分な速度で脱水されるのが望ましい。十分な脱水速度は、「混ぜ合わせ」または「勾配」層の外側に均一な組成物を有する層を提供する。
概して、スラリーを作製するとき、膨張性材料及び（用いるならば）より高密度の充填剤などのより高密度の材料を、付着工程のすぐ前に一定の速度でより小容積の撹拌槽内のスラリーに添加する。前記充填剤及び膨張性材料を含有するスラリーは、これらの粒子が前記個々の層を形成する前に混合タンク内で沈降しないように十分に撹拌される。このようなスラリーは、より高密度の粒子の望ましくない沈降を妨ぐためにワイヤー上に付着されたほとんど直後に部分的に脱水されるのがよい。スラリーの真空脱水が望ましい。
部分的に脱水された多層シートが形成された後、前記シートは最終用途製品を形成するために乾燥される。有用な乾燥手段は、圧縮または加圧ローラーを通して前記シート材料を湿潤加圧し、次に、前記シート材料を加熱ローラー中に送り従来技術に周知の強制熱風乾燥することを含む。
本発明の多層シートを、傾斜及び平ワイヤー部と、このような機械に通常装備されたヘッドボックスの他に第２のヘッドボックスとを有する長網抄紙機を用いて作製することができる。本発明の多層シートはまた、多層シートを作製するように設計された何れかの市販の傾斜ワイヤーフォーマ上に、例えば、ニューヨーク州、ハドソンフォールズのサンディヒルコーポレーション製のDOUMATTMDELTAFORMERTM上に作製することができる。望ましい長網抄紙機は、傾斜スクリーン領域と後続の平または水平スクリーン領域との両方を有し、「第２」層を下部層上に第２のヘッドボックスから付着させ、次いで真空を用いて脱水させることができる。
更に、本発明の多層シートは更に端縁保護材料を含むことができる。好適な材料は、米国特許第５，００８，０８６号（メリー）（その内容を本願明細書に引用したものとする）に記載されているような端縁の周りに捲回されたステンレス鋼ワイヤースクリーン、及び米国特許第４，１５６，５３３号（クローズら）（その内容を本願明細書に引用したものとする）に記載されているような、編組またはロープ状セラミック（すなわち、ガラス、結晶性セラミック、またはガラスセラミック）繊維編組または金属ワイヤー材料などである。端縁保護剤はまた、欧州特許６３９７０１ A1号（ホワースら）、欧州特許第６３９７０２ A1号（ホワースら）、及び欧州特許第６３９７００ A1号（ストルームら）、（全てその内容を本願明細書に引用したものとする）。
別の実施例において、本発明は、本発明の多層シートを用いた、汚染防止装置、例えば、触媒コンバーターまたはディーゼルパーティキュレイトフィルターを提供する。図１は、メリーらに対する米国特許第４，８６５，８１８号で開示されたものと同様であるが本発明の実施例を取り入れた触媒コンバーターを示す。触媒コンバーター１０は、前記コンバーター１０内に取り付けられたモノリシック構造体上に一般に塗被される触媒を含有する。モノリシック構造体２０は一般にセラミックであるが、これまでは金属モノリスが用いられている。前記触媒は、一酸化炭素及び炭化水素を酸化させ、自動車排気ガス中の窒素の酸化物を低減させて大気汚染を防止する。
触媒コンバーター１０は、内部にモノリシック構造体２０を保持する金属ハウジング１１を含む。ハウジング１１は入口及び出口端部１２及び１３をそれぞれ有する。
モノリシック構造体２０は概して、表面積が大きい非常に薄い壁を有するため、壊れやすく、折損しやすい。モノリシック構造体２０はまた、それが含まれる金属（通常、ステンレス鋼）ハウジング１１よりはぼ一桁小さい熱膨張率を有する。衝撃及び振動によるモノリス２０への損傷を回避し、熱膨張差を緩和させ、排気ガスがモノリス２０と金属ハウジング１１との間を通過するのを防ぐために、本発明による膨張性シート材料はモノリシック構造体２０と金属ハウジング１１との間に配置される。シート材料３０は、第１の端部３１と第２の端部３２とを有することができる。
カンまたケーシングとも称されるハウジング１１をこのような用途に従来技術に周知の好適な材料から作製することができ、一般に金属から作製する。望ましくは、ハウジング１１はステンレス鋼から作製される。
モノリスとも称される好適な触媒コンバーター要素２０は、従来技術に周知であり、金属またはセラミックから作製される触媒コンバーター要素を含む。モノリスまたは要素２０を用いて、コンバーター１０のための触媒材料を支持する。有用な触媒コンバーター要素は、例えば、米国再発行特許第２７，７４７号（ジョンソン）（その内容本願明細書に引用したものとする）に開示されている。セラミック触媒コンバーター要素は、例えば、ニューヨーク州、コーニングのコーニングインク、及び日本、名古屋のNGKインシュレータリミテッド製の市販品である。例えば、ハネカムセラミック触媒保持体は、コーニングインク製の商品名「CELCOR」、NGKインシュレータリミテッド製の商品名「HONEYCERAM」である。金属触媒コンバーター要素は、ドイツのゲーエムベーハーアンドカンパニー製の市販品である。
本発明のモノリス２０は特に、非常に薄い壁で囲われたセラミック要素であってもよい。この用途において、「非常に薄い壁で囲われた」モノリスは、６ミル未満（０．１５ｍｍ未満）の壁厚を有するモノリスである。非常に薄い壁のモノリス２０は、さらにより望ましくは、壁厚が４ミル以下（０．１０ｍｍ以下）、例えば４/４００、４/６００、４/９００、３/６００、３/９００または２/９００モノリスなどのモノリスであってもよい。
触媒のモノリスに関する更に詳細な説明については、例えば、Advanced Ceramic Substrate：Catalytic Performance Improvement by High Geometric Surface Area and Low Heat Capacity』、ウメハラら、論文No. ９７１０２９、SAEテクニカルペーパーシリーズ、１９９７年、『Systems Approach to Packaging Design for Automotive Catalytic Converterｓ』、ストルームら、論文No. ９００５００、SAEテクニカルペーパーシリーズ、１９９０年、『Thin Wall Ceramics as Monolithic Catalyst Supports』、ホウィット、論文８０００８２、SAEテクニカルペーパーシリーズ、１９８０年、及び『Flow Effects in Monolithic Honeycomb Automotive Catalytic Converters』、ホウィットら、論文No. ７４０２４４、SAEテクニカルペーパーシリーズ、１９７４年を参照のこと。
触媒コンバーター要素上に塗被された触媒材料は、従来技術に周知の触媒材料（例えば、ルテニウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、ニッケル、パラジウム及びプラチナなどの金属、五酸化バナジウム及び二酸化チタンなどの金属酸化物）などである。触媒の塗料に関するより詳細な説明については、例えば、米国特許第３，４４１，３８１号（キースら）を参照のこと。
図２は、フィッシャーらに対する米国特許第５，１７４，９６９号で開示されたものと同様であるが本発明の実施例を取り入れたディーゼルパーティキュレイトフィルターを示す。前記ディーゼルパーティキュレイトフィルターまたはトラップ４０は、チューブ束を含むハネカムモノリシック構造体を有する壁流フィルターである。触媒は一般に、ディーゼルパーティキュレイトフィルター４０に取り付けたモノリシック構造体４２に塗被される。前記触媒は、一酸化炭素及び炭化水素を酸化させ、ディーゼルエンジン排気ガス中の窒素の酸化物を低減させて大気汚染を防止する。
ディーゼルパーティキュレイトフィルター４０は、その中にモノリシック構造体４２を保持する金属ハウジング４４を含む。ハウジング４４は入口及び出口端部４６及び４８をそれぞれ有する。
モノリシック構造体４２は概して、表面積が大きい非常に薄い壁を有するため、壊れやすく、折損しやすい。モノリシック構造体４２はまた、それが含まれる金属（通常、ステンレス鋼）ハウジング４４よりほぼ一桁小さい熱膨張率を有する。衝撃及び振動によるモノリス４２への損傷を回避し、熱膨張差を緩和させ、排気ガスがモノリス４２と金属ハウジング４４との間を通過するのを防ぐために、本発明による膨張性シート材料はモノリシック構造体４２と金属ハウジング４４との間に配置される。有用なモノリシック型ディーゼルパーティキュレイトフィルタ要素４２は一般に、ハネカム多孔性の結晶性セラミック（例えば、コージライト）材料からなる壁流フィルターである。前記ハネカム構造体の交互のセルは一般に、排気ガスが一つのセル内に入り、一つのセルの多孔性壁を通して圧入され、別のセルを通って前記構造体を出るように、塞がれる。前記ディーゼルパーティキュレイトフィルタ要素４２の大きさは、特定の用途の必要に応じて決まる。有用なディーゼルパーティキュレイトフィルタ要素は、例えば、ニューヨーク州、コーニングのコーニングインク、及び日本、名古屋のNGKインシュレータリミテッド製の市販品である。有用なディーゼルパーティキュレイトフィルタ要素は、『Cellular Ceramic Diesel Particulate Fiiter』、ホウィットら、論文No. ８１０１１４、SAEテクニカルペーパーシリーズ、１９８１年に論じられている。
使用するときに、本発明の多層シート３０、５０は、触媒コンバーター１０またはディーゼルパーティキュレイトフィルター４０の何れかと同様に、モノリス２０、４２とハウジング１１、４４との間に配置される。これは、モノリス２０、４２を本発明の多層シート３０、５０で捲回し、前記捲回されたモノリスをハウジング１１、４４内に挿入し、前記ハウジング１１、４４を密封することによって実施されることができる。膨張性多層シート３０、５０は、ハウジング１１、４４内の適所にモノリス２０、４２を保持し、モノリス２０、４２とハウジング１１、４４との間の間隙を密封して排気ガスがモノリス２０、４２を迂回するのを防ぐ。
多層シート３０、５０はモノリス２０、４２とハウジング１１、４４との間で著しく圧縮される。例えば、多層シートの厚さは、周間隙の１００％より大きく約４００％までである。多層シート３０、５０の圧縮は、望ましくは約２０〜５００kPaである初期取り付け圧を提供する。前記圧縮はまた、多層シートの取付け密度を約０．３〜０．６ｇ／ccの望ましい取付け密度に、より望ましくは約０．４〜０．５ｇ／ccの取付けの密度に、最も望ましくは約０．４５ｇ／ccの取付け密度に増大させる。
マット３０、５０は、補助結合手段を用いることなく単一シートを形成する、（a）非膨張性または膨張性であってもよい少なくとも一つの非成形性の可撓性層と、（b）望ましくは、膨張性材料を含む少なくとも一つの非成形性の可撓性膨張性層とを含む多層シートである。
触媒コンバーター１０に使用するのに適した多層シート３０の例は、セラミック繊維と有機結合剤とを含む非成形性の可撓性非膨張性層と、未膨張のバーミキュライト、セラミック繊維及び有機結合剤を含む非成形性の可撓性膨張性層とを含む。
ディーゼルパーティキュレイトフィルター４０に使用するのに適した多層シート５０の例は、セラミック繊維、未膨張バーミキュライト及び有機結合剤を含む第１の非成形性の可撓性膨張性層と、セラミック繊維、膨張性グラファイト及び有機結合剤を含む第２の非成形性の可撓性膨張性層とを含む。
ハウジングとモノリスとの間の多層シートの位置確定は、シートの層の組成物に依存している。例えば、膨張性グラファイトなどの膨張性材料を含有する本発明のシートの膨張性層は、有利にはディーゼルモノリスに隣接して配置される。これは、ディーゼルパーティキュレイトフィルターが約５００℃より低い温度に加熱され、膨張性グラファイトが約２１０℃の温度で膨張し始めるためである。
汚染防止装置の使用中、前記取り付けマットは、すべての動作温度において、多数の熱サイクルの間、弾性のままであるのが望ましい。一つの実施例において、本発明は、約５００kPaより小さい最大取り付け圧と、約１５kPaより大きい最小取り付け圧とを提供する。提供される最小取り付け圧が約２０kPaより大きいのが望ましいこともある。別の実施例において、本発明は、初期浸蝕速度が約０．１ｇ未満／時間、より望ましくは初期浸蝕速度が約０．０５ｇ未満／時間、最も望ましくは初期浸蝕速度が約０．０１ｇ／時間以下など、浸蝕の程度が小さい。
別の実施例において、本発明は、構造体の壁、床及び天井の開口を通って火が広がるのを制限するための防火仕切りとして有用な多層シート材料を提供する。
防火仕切りとして有用な多層膨張性シートの例は、前記層は補助結合手段を用いることなく単一のシートを形成する、未膨張バーミキュライト、有機結合剤及びアルミナ３水和物を含む第１の非成形性の可撓性膨張性層と、膨張性グラファイト、有機結合剤及びアルミニウム３水和物を含む第２の非成形性の可撓性膨張性層とを含む。
防火仕切りとして使用するのに望ましい多層シート材料の例は、前記層は補助結合手段を用いることなく単一のシートを形成する、米国特許第４，６００，６３４号（その内容を本願明細書に引用したものとする）で記載されているようなアルミナ３水和物を含む非成形性の可撓性層と、膨張性材料を含む非成形性の可撓性膨張性層とを含む。
使用時に、防火仕切りとして有用な本発明の多層シートは望ましくは、膨張性材料を含有する層が熱くなる可能性が最も高い側に向くように位置確定されている。
本発明はまた、３つ以上の層を有する膨張性シートにおいて、少なくとも一つの層が膨張性材料を含み、隣接した層が望ましくは、異なった組成物からなる膨張性シートも考察する。
実条件造作試験（RCFT）
RCFTは、標準的な使用の間、モノリス（金属またはセラミック）を有する（自動車の、またはディーゼルの）触媒コンバーターに、またはディーゼルパーティキュレイトトラップに見い出される実条件をつくり、それらのつくり出された標準的な使用条件下で取り付け材料によって加えられた圧力を測定する試験である。
独立して制御された、２つの５０．８mm×５０．８mmの加熱ステンレス鋼プラテンは、それぞれ、金属ハウジング及びモノリスの温度をシミュレートするように異なった温度に加熱される。同時に、プラテン間のスペースまたは間隙は、特定の種類の一般的な触媒コンバーターの温度及び熱膨張率から計算された値だけ増大した。プラテンの温度と間隙を以下の表１及び２に示す。取り付け材料によって加えられた圧力を、ノースカロライナ州、リサーチトライアングルパークのMTSシステムズコーポレーション製の伸び計を有するシンテックIDコンピュータ制御ロードフレームによって測定する。
0004130972.tif 000002
上記の表１の条件は、４０９のステンレス鋼シェルを有する直径１２．７cmのセラミックモノリスを利用し、セラミックモノリスを有するディーゼル触媒コンバーターに見い出される条件の代表例である。
0004130972.tif 000003
上記の表２の条件は、ステンレス鋼シェルを有し初期間隙が４mmのセラミックモノリスを利用し、加熱及び冷却の全サイクル中に自動車の触媒コンバーターに見い出される条件の代表例である。例えば、表２の条件は、相当な距離にわたり自動車を運転してエンジンを十分に暖め、エンジンを切り、エンジンを周囲条件に完全に再冷却することを可能にするようなサイクルを利用する。このような熱サイクルは一般に、車両の寿命の間に何百回、何千回と生じる。
図３及び４は、上記の表２の実条件造作試験のグラフ図である。熱条件が実際の触媒コンバーター内でどのようであるかについての詳細な理解が、本発明の取り付けマットが先行技術の取り付けマットよりも改善された結果を如何にもたらすか理解するのに有用である。
何れかの特定の時における取り付け材料によって塞がれた間隙とセラミックモノリスの動作温度との間の関係は、複雑な、非線形の現象である。図３に示すように、全熱運転サイクル中の間隙の変化を３つの基礎部分に特性決定することができる。初期低温加熱（すなわち、エンジンの初期運転中、時間／加熱間隔「a」から時間／加熱間隔「j」まで）中に、間隙は変化のない部分６０を有する。高温加熱（すなわち、エンジンが定常状態の熱動作条件に近づくとき、時間／加熱間隔「ｋ」から時間／加熱間隔「ｕ」まで）中、前記間隙は高い増大部分６２を経る。間隙増大の著しい部分６２は、間隙の大きさの相当な増大が観察されるモノリス２０の最も低い温度である、温度Tgから始まる。冷却中（すなわち、エンジンを止めて冷却させた後、時間／加熱間隔「ｖ」から周囲温度まで）、間隙は一定した下落部分６４を経る。エンジンが全熱サイクルより少ない時間、駆動させられるか、または、エンジンが完全に冷却する前に再起動される場合、いろいろな部分６０、６２、６４が混ざり合うことがわかる。
間隙変化とセラミックモノリスの温度との間の関係が更に、図４に対して説明される。選択された時間／加熱間隔に対してのモノリス表面温度及びハウジング表面温度は、触媒コンバーターの実際のエンジン加熱中及び冷却中になされた測定に基づいている。エンジンの加熱／冷却サイクル中の時間の関数としての取り付けマットの温度対径方向位置が、いくつかの仮定に基づいてモデル化される。
モノリシック壁２０の位置は、その熱膨張率６８（それが線６８の傾きを決定する）に従って温度の関数として外向きに移動する。モノリス２０の熱膨張率６８が比較的低いため、モノリス２０の端縁の径方向位置は、２５C〜９００Cのその加熱サイクル中、非常にわずかしか変わらない。ハウジング壁１１の位置はまた、温度の関数として、そのより高い熱膨張率７０のために非常に大きい傾きで、外向きに移動する。その比較的より大きい体積膨張率７０のために、外周壁１１の径方向位置は、２５C〜５３０Cのその加熱サイクル中に著しく変化する。
温度差７２は、モノリス２０と取り付けマット３０との間の界面の熱接触抵坑のために少なくとも加熱サイクルの間、存在すると考えられる。同様に、少なくとも加熱サイクルの間、温度差７４が、取り付けマット３０とハウジング１１の外周壁との間の熱接触抵坑のために存在すると考えられる。熱接触抵抗はまた、定常状態（時間／加熱間隔「ｕ」）と冷却（時間／加熱間隔「ｖ」〜「ll」）中に存在するが、温度差は非常に小さくなると考えられる。接触熱抵抗及び得られた温度差７２、７４の大きさは周知ではなく、取り付けマット３０の材料とセラミックモノリシック２０及びハウジング１１の材料との間の分子の相互作用に基づいて系から系へと変化する。温度差７２、７４は、モノリス２０からハウジング１１までの全体的な温度低下に対してかなり小さいと考えられる。
単純化のために、取り付けマット３０全体の温度分布は、線形に減少するものとしてモデル化される。たいていの触媒コンバーター装置内の熱伝達が半径方向であることが温度分布線のそれぞれに曲率を提供すると考えられるが、曲率の大きさは、マット３０の半径がその厚さに比較して非常に小さいため、非常に小さい。更に、熱伝達は一時的であり、それはまた、マット３０全体の温度プロフィールの曲率の大きさに影響を与える。図４に示した温度分布は、取り付けマット３０の何れの界面も含まない、取り付けマット３０中の熱伝導率の一定値に基づいている。上記の仮説は各取り付けマットの特定環境に基づいて変化するが、図４に示した温度分布プロフィールは、本発明の説明のためには十分である。
セラミックモノリス２０が初期加熱されるとき、時間に依存する熱勾配が取り付けマット３０全体に生じる。２５℃（周囲温度）から５００℃まで（すなわち、時間間隔「a」から時間間隔「j」、Tm＝４７５℃）のモノリス２０の一般的な加熱サイクル中に、ハウジング１１が、２５℃から７０℃まで（Th＝４５℃）、温度が相対的にわずかな大きさ増大するにすぎない。モノリス２０からの初期熱の多くがハウジング１１に直接伝えられず、むしろ取り付けマットの比熱の関数として取り付けマット３０の温度を増大させるときに吸収される。更に、取り付けマット３０を介して熱伝導は瞬間的に起こらず、むしろ取り付けマット３０を介する熱伝導率の関数として時間を要する。これらの要因は、モノリス２０からハウジング１１までの加熱の加熱「遅れ」を生じる。
金属ハウジング１１の熱膨張率７０は、セラミックモノリス２０の熱膨張率の約１０倍である。加熱／時間間隔［a」〜「j」の間、TmとThとの間の差は、熱膨張率６８、７０における差によって一様に相殺され、間隙は実質的に一定のままである。
高温加熱中、エンジンが定常熱動作条件に近づくとき、熱「遅れ」が継続または追いついてハウジング１１の温度をかなり上げる。５５０℃から９００℃まで（すなわち、時間間隔「ｋ」から時間間隔「ｕ」まで、Tm＝３５０℃）モノリス２０の加熱中、ハウジング１１は、８５℃から５３０℃まで（Th＝４４５℃）、温度を相対的にかなり上昇させる。金属ハウジング１１のより高い熱膨張率７０が、より大きい温度変化と組み合わさり、前記間隙はかなり増加する。
冷却中、モノリス２０のための熱源はなく、その温度プロフィールは、触媒コンバーター内に蓄積された熱エネルギーを散逸させるために必要な時間に起因する。加熱「遅れ」効果は、取り付けマット３０の内側及び外側の両方に同様にみられ、取り付けマット３０の全体にわたり温度勾配は、傾きが非常により小さくなる。９００℃から５０℃まで（すなわち、時間間隔「ｕ」から時間間隔「ll」まで、Tm＝８５０℃）モノリス２０の冷却中、ハウジング１１は相応に、５３０℃から５０℃（Th＝４８０℃）に温度が減少する。金属のより高い熱膨張率７０はより小さい温度変化を補う以上のことをし、間隙はゆっくりと減少する。
理想的な取り付けマットは、セラミックモノリシック及び外周壁について、達したいろいろな熱温度での間隙の大きさの変化を反映する膨張特性を有する。更に、取り付けマットは、熱サイクル及び何れの圧縮サイクルにも関係なく実質的に一定のままである弾力特性を有する。前記マットの加熱及び熱サイクルは、脆性の原因となったり、耐浸蝕性を低下させたりするのは望ましくない。コストが低く、他方ですべての間隙の変化において実質的に一定した保持力を維持する取り付けマットを製造することが望ましい。本発明は、膨張性材料の熱膨張特性が間隙の変化に対してより良好に利用されることを可能にする。
厚さ測定
可撓性非成形性のシートの厚さは、シート上に０．７psi（４．８kPa）を加える直径２-１/２インチ（６．３５センチ）の重りを置き、圧縮された厚さを測定することによって測定される。本明細書に用いられるように、シートまたは層の「厚さ」は、前記シートがセラミックモノリシック２０と金属ハウジング１１の外周壁との間に据付け時に実質的により大きい力で圧縮されているけれども、この測定によって求められる。外層の厚さと内層の厚さとの間の比較をマット３０、５０上の何れの周位置においても行なうことができる。
厚さの測定は、未膨張バーミキュライトまたは他の膨張性材料の膨張を起こす第１及び後続の熱サイクルの前にも行なわれる。更に説明されるように、圧縮力（したがってまた、マット３０、５０の圧縮解除された厚さ）は、マット３０、５０の圧縮及び加熱履歴に基づいて変化することがある。
冷間浸蝕試験
この試験は、触媒コンバーター内の実際の条件より苛酷な条件下で行われる人工促進試験であり、マット取り付け材料の耐浸蝕性についての比較データを提供する。
測定用試料を２．５４cm×２．５４cmの正方形に切り分け、秤量し、取付け密度０．７００＋／−０．００５ｇ／cm3を得るようにスペーサを用いて２枚の高温インコネル６０１鋼板の間に取り付けた。次に、試験集成装置を８００℃で２時間加熱し、室温に冷却する。次に、冷却試験集成装置を、毎分２０サイクルでマットの端縁上で前後に振動するエアジェットの前３．８mmに置く。試験は、０．２グラムの材料がなくなるかまたは２４時間後、どちらか最初に起った後、中止される。エアジェットは、毎秒３０５メーターの速度でマット上に衝突する。浸蝕速度は、損失重量を試験の時間で割って求め、グラム／時間（ｇ／hr）で記録する。
例
以下に記載した例は、傾斜ワイヤー部と後続の平らなワイヤー部とを有する抄紙機上で作製された。傾斜ワイヤー部は水平方向から２３度の角度に傾けた。第１のヘッドボックスを傾斜ワイヤー部上に取り付けた。第２のヘッドボックスを、第１のヘッドボックスのスラリー池内の傾斜ワイヤー部上または平らなワイヤー部上に取り付けた。ヘッドボックスは、移動ワイヤー上へのスラリーの流れ速度を制御することができるスラリー池領域を提供する。真空供給源またはボックスを、スラリーがワイヤー部に付着したときそれらを脱水するために各ヘッドボックスの下方やや前に置いた。スラリーがワイヤー上に付着する間に比較的濃い充填剤及び膨張性粒子の望ましくない沈降を妨ぐために、スラリーの脱水がワイヤー上へのスラリーの付着と同時に起こるように、真空ボックスを、ヘッドボックスに十分に近接させて置いた。抄紙機を、コンベヤベルトを介して従来の湿潤加圧ロール及び一連の従来の蒸気加熱乾燥ロールに接続し、最後に従来の巻き取りロールに接続した。従来のポンプを用いて、前記スラリーをヘッドボックスの各々にポンプで汲み出し、ポンプ速度を流れ制御装置を用いて制御した。
実施例１〜５
セラミック繊維（FIBERFRAXTM７０００M、ニューヨーク州、ナイアガラフォールズのユニフラックスコーポレーション製）１００ポンド（４５．４kg）を、１分間、モードンスラッシメーカ内の水９６０ガロン（３，６３４Ｌ）中でスラッシした。繊維スラッシを、２０００ガロン（７，５２０Ｌ）チェストに移し、更に水１４０ガロン（５２６Ｌ）で希釈した。固形分４５．５パーセントのラテックス（RHOPLEX▲Ｒ▼HA-８、ペンシルベニア州、フィラデルフィアのローム＆ハス製）３９ポンド（１７．７kg）を、混合しながら添加した。次に、硫酸アルミニウム（固形分５０パーセント）１１ポンド（５．０kg）を添加してラテックスを凝固させた。このラテックス繊維スラリーは、以下、配合物「A」と称される。
第２のスラリーは、９６０ガロン（３，６３４Ｌ）の水中でセラミック繊維（FIBERFRAXTM７０００M）１００ポンド（４５．４kg）をスラッシして１分間混合することによって調製された。膨張バーミキュライト（ZONOLITE▲Ｒ▼＃５、マサチューセッツ州、ケンブリッジのW. R. グレイスカンパニー製）４３ポンド（１９．５kg）を前記スラッシされた繊維に添加し、分散されるまで混合した。
繊維によって膨張したバーミキュライトスラリーを、１５００ガロン（５，６７８Ｌ）チェストにポンプで汲み出し、更に水１４０ガロン（５２６Ｌ）で希釈した。ラテックス（RHOPLEX▲Ｒ▼HA-８、固形分４５．５パーセント）３９ポンド（１７．７kg）を混合しながら添加し、ミョウバン（固形分５０パーセント）１１ポンド（５．０kg）を添加してラテックスを凝固させた。このスラリーは、以下、配合物「B」と称される。
配合物A及びBスラリーを別の５０ガロン（１８９Ｌ）混合タンクに計量しながら供給し、以下、「V」と称される２０〜５０メッシュのメッシュサイズを有する未膨張バーミキュライトと、以下、「G」と称される膨張性グラファイト（GRAFOIL▲Ｒ▼グレード３３８-５０の膨張性グラファイトフレーク、オハイオ州、クリーブランドのUCARカーボン社製）とを計量し、実質的に一定の濃度を維持するのに十分な速度で「A」及び／または「B」スラリー中に混合した。膨張性材料を含有するスラリーは、膨張性材料をスラリー中で懸濁状態に維持するのに十分な速度で回転する三羽根プロペラを用いて連続撹拌された。スラリー及び粒子を可変速度で計量しながら供給し、所望の乾燥重量の組成物及び層厚を有する多層シートを作製するために上部または下部層ヘッドボックスに誘導した。下部層ヘッドボックス内に入ったスラリーを、水平回転混合ロールを用いて連続撹拌を続けた。両方のヘッドボックスを、前述のように、ワイヤーの傾斜部上に取り付けた。ワイヤー速度を約２フィート／分（０．６１ｍ／分）に維持し、所望の層の基本重量及び厚さに達するように、A及びBスラリーを約５ガロン／分（１８．９Ｌ／分）の速度でそれぞれのヘッドボックスにポンプで汲み出した。十分な真空をスラリーに適用し、形成され脱水された層を得た。次に、脱水された多層シートをローラーを通して湿潤加圧し、乾燥ローラーを用いて乾燥させ、次に巻き取りスタンド上に捲回して連続ロールを形成した。実施例１〜５の全シート厚さ、シート及び層の基本重量、各層のV及びGの乾燥重量パーセントを、以下の表３に示す。
実施例６
セラミック繊維（FIBERFRAXTM７０００M）７５ポンド（３４．１kg）を、９０秒間、モードン スラッシメーカ内の水１４０ガロン（５２６Ｌ）中でスラッシしてから、２０００ガロン（７，５７０Ｌ）チェストに移した。セラミック繊維（FIBERFRAXTM７０００M）を更に７５ポンド（３４．１kg）を、上述のようにスラッシし、２０００ガロン（７５７０Ｌ）チェストに添加し、配合されたバッチをすすぎ水２５０ガロン（９４６Ｌ）で希釈した。次いで、ラテックス（AIRFLEXTM６００BP、固形分５５パーセント）２２ポンド（１０kg）と、液体アルミン酸ナトリウム（NALCOTM２３７２、イリノイ州、ネーパービルのナルコケミカル製）３．３ポンド（１．５kg）と、脱泡剤（FOAMASTERTMIII、ニュージャージー州、エジソンのヘンケルカンパニー製）３．１オンス（０．０９リットル）とを混合しながら前記チェストに添加した。２〜３分後に、混合物のｐＨを測定すると５．６であった。次いで、硫酸アルミニウム（固形分５０パーセント）２３ポンド（１０．４kg）を、同容積の水で希釈し、スラリーを形成するように混合しながらゆっくりと前記チェストに添加した。このスラリーは、以下、配合物「C」と称される。
次に、配合物「C」スラリーの２００ガロン（７５７Ｌ）を、１５００ガロン（５６７８Ｌ）チェスト内に送り込み、更に２００ガロン（７５７Ｌ）の水で希釈した。このスラリー５０ガロン（１８９Ｌ）を、チェストから排出させた。得られたスラリーは、以下、配合物「D」と称される。膨張性グラファイト（G）（GRAFOILTMグレード３３８-５０膨張性グラファイトフレーク）５０ポンド（２２．７kg）を、混合しながら、配合物「D」スラリーに添加した。このときに、赤色染料（GRAPHTOLTMレッド顔料分散系、ニュージャージー州、イーストハノーバーのサンドズカラーズアンドケミカルズ製）３．４オンス（０．１Ｌ）を、基礎素材を含有する２０００ガロン（７５７０Ｌ）チェスト内の配合物「C」スラリーに添加した。下部出口から２インチ（５．１センチ）ホースを通ってポンプで汲み出すことによってスラリーの再循環及び連続混合を、両方のチェスト内で全ての固形分を懸濁状態にするのに十分な速度に維持した。
次に、配合物「C」スラリーを計量し、所望の基礎ウェブ基礎重量を維持するのに十分な速度で５０ガロン（１８９Ｌ）容量の混合タンクに供給した。未膨張バーミキュライト（V）を、シートの下部層中のバーミキュライトの所望の比率を保つのに十分な速度で混合タンクに添加した。これらの比率は、最初に、バーミキュライトを含まない形成された層の基本重量を測定し、次に、未膨張バーミキュライトを混合タンク中に計量しながら供給する前に配合物「C」スラリーの混合タンクへの流動を調節し、次いで、得られた下部層の所望の基本重量を得るために未膨張バーミキュライトの添加速度を調節することによって得られた。
混合タンクから配合物「C」＋Vスラリーを、上述の抄紙機の傾斜ワイヤー部上に取り付けた第１のヘッドボックスに重力によって送り込み、毎分２６．４インチ（６７．１cm）のワイヤー速度で幅１２インチ（３０．５cm）の層を形成した。配合物「D」＋Gスラリーを、抄紙機の平らなワイヤー部上に取り付けた第２のヘッドボックスに供給した。十分な真空が、配合物「D」＋Gスラリーを、前記スラリーを部分脱水して約７０重量パーセントの膨張性グラファイトを有する非成形性の可撓性層を形成するように供給する場所に下部層を介して十分な真空を維持した。実施例６を以下の表３に示す。
0004130972.tif 000004
上記の多層シートは全て、可撓性且つ弾性であり、前記層が層間の境界できれいに分離されることができないように、前記層を互いに接着した。多層シートの例はそれぞれ、破断または望ましくない割れを生じることなく取り扱うことができる。上記の例はまた、このような可撓性且つ弾性である多層シートを、多層が接着剤または他の補助結合手段を用いて互いに接着される工程と比較するときより安価でより効率的である連続工程を用いて作製することができることを示す。
実施例７
上述の実施例６及び下記の比較例１を試験し、上述の実条件造作試験（RCFT）下で保持力を比較した。RCFTで使用した温度は、ディーゼル触媒コンバーター中でみい出される温度を代表するものである。比較例１（C1）は、ミネソタ州、セントポールのミネソタマイニングアンドマニュファクチュアリングカンパニー製の商品名「INTERAM」タイプ２００の平方メートル当たり４０７０グラム（公称）の単一層の、未膨張バーミキュライト含有低温膨張性セラミック繊維シートであった。実施例６及びC1のための出発取付け密度は、それぞれ、立方センチメートル当たり０．９及び１．０グラムであった。
実施例６及びC1のためのRCFTの結果を以下の表４に示す。試験の結果は、本発明の多層シートが比較例１のシートよりその温度範囲にわたりより大きな圧力または保持力を提供することを示す。
0004130972.tif 000005
実施例８
上部層の未膨張バーミキュライト及び膨張性グラファイトと、下部層の未膨張バーミキュライトとの混合物を含有するシートを、実施例１〜５について上に記載したように作製した。実施例８を以下の表５に示す。
0004130972.tif 000006
実施例８の多層膨張性シートは可撓性であり、破断または望ましくない割れを生じることなく取り扱うことができる。実施例８の多層シートはまた、層間の境界できれいに分離されることができない。
実施例９
上述の実施例８及び下記の比較例２を試験し、自動車の触媒コンバーターのための上述の温度プロフィールを用いるRCFT下で保持力を比較した。比較例（C2）は、平方メートル当たり３１００グラム（公称）の単一層の、未膨張処理バーミキュライト含有膨張性セラミック繊維シートであり、ミネソタ州、セントポールのミネソタマイニングアンドマニュファクチュアリングカンパニー製の商品名「INTERAM」タイプ１００である。実施例８及びC2のための出発取付け密度は、立方センチメートル当たり１．０グラムであった。
実施例８及びC2のためのRCFTの結果を以下の表６に示す。試験の結果は、実施例８の膨張性多層シートが比較例２の膨張性シートよりその温度範囲にわたりより大きな圧力または保持力を提供し、低温（２５〜４００℃）で圧力低下がより小さいことを示す。
0004130972.tif 000007
保持圧力は、初期保持力のパーセント増加として数値的に特性決定することができる（加熱／時間間隔「f」の）第１サイクル最小値を有する：
（183-65）/183=64%
保持圧力は、約３００〜３４０℃の泡沸温度Tintよりも高い温度への未膨張バーミキュライト材料の第１の加熱に伴い、加熱／時間間隔「f」から加熱／時間間隔「r」まで相当な増加部分を有する。保持圧力は、初期保持力のパーセント増加として数値的に特性決定することができる（加熱／時間間隔「r」での）第１サイクル最大値を有する：
（1022-183）/183=458%
この第１サイクル最大値は、第１サイクルの間の膨張性材料の全膨張が加熱／時間間隔「r」（ハウジングが４３０℃である）で実質的に完了していることを示す。保持圧力は、サイクル後の周囲保持力８０まで低下する（すなわち、第１サイクル損失を有する）。第１サイクル損失は約４１％である。第１サイクル損失は、マット材料の高い圧縮／加熱履歴の持続する効果に起因する。
比較例２の別のRCFT結果を更に図５に示す。このRCFTは、ミネソタ州、セントポールのミネソタマイニングアンドマニュファクチュアリングカンパニー製の異なった「INTERAM」タイプ１００マット上で行なわれ、取付けの密度におけるわずかな差のために、表６に示す取り付け圧よりやや高い取付け圧（すなわち、１８３kPaより高く約３００kPa）を提供する。第１サイクル最小値７６は約６０％であり、第１サイクル最大値７８は約３０５％であり、第１サイクル損失を初期保持力のパーセント減少として数値的に特性決定することができる：
（300-146）/300=51%
図５はまた、比較例２の取り付けマットの後続の熱／圧縮サイクルを示す。保持圧力は、初期保持力のパーセント減少として数値的に特性決定することができる後続サイクル最小値８２を有する：
（300-90）/300=70%
後続サイクル最小値点８２を用いて、サイクル後の周囲保持力８０のパーセント減少として数値的に特性決定された、第２サイクル損失を求めることができる：
（145-90）/145=38%
理想的な取り付けマットは、第１サイクル最小値７６、第１サイクル最大値７８、第１サイクル損失、後続サイクル最小値８２、及び第２サイクル損失を可能な限りゼロパーセント近くに（すなわち、一定圧力に近く）低減させる。
実施例１０〜１６
約５０％の繊維及び５０％のショットを含有する５０％のシリカ、５０％のアルミナバルク（KAOWOOL▲Ｒ▼HA Bulk、ジョージア州、オーガスタのサーマルセラミックス製）１４ポンド（６．３kg）と、実質的にショットを含有しない９６％アルミナ繊維（SAFFIL▲Ｒ▼LDM、英国、ウィドネスチュシアーのICIケミカルズアンドポリマーズ製）４．２ポンド（１．９kg）とを６５秒間、モードンスラッシメーカ内の水４００ガロン（１５１４Ｌ）でスラッシした。前記繊維スラッシを１５００ガロン（５６７９Ｌ）チェストに移し、更にすすぎ水３００ガロン（１１３６Ｌ）で希釈した。アクリル酸のエチル酢酸ビニルラテックス結合剤（固形分５５％のAIRFLEX▲Ｒ▼６００BP、ペンシルベニア州、アレンタウンのエアプロダクツ製）６ポンド（２．７kg）を、混合しながら、添加した。抄紙用ミョウバンとして周知の硫酸アルミニウム水溶液（固形分５０パーセント）６ポンド（２．７kg）を添加してラテックスを凝固させる。消泡剤（FOAMASTER▲Ｒ▼III、ニュージャージー州、エジソンのヘンケルコーポレーション製）２／３オンス（２０ミリリットル）と、０．１％液体ポリアクリルアミド凝集剤（NALCO▲Ｒ▼７５３０、イリノイ州、ネーパービルのナルコケミカルカンパニー製）７ポンド（３．２kg）も添加した。このラテックス繊維スラリーは、以下、配合物「E」と称される。
配合物「E」スラリーは、スラリーの約８０％の一つの部分と、スラリーの約２０％の第２の部分と、２つの別の部分に分けられた。メッシュサイズが１８〜５０メッシュである未膨張バーミキュライト（コーメタルズインク製）の量を計量しながら供給し、実質的に一定の濃度を維持する速度で「E」スラリーの２０％部分に混入させた。前記膨張性材料を含有する「E」スラリーを連続撹拌し、膨張性材料を前記スラリー中で懸濁状態に保った。
「E」スラリーの８０％部分は下部層ヘッドボックスに誘導され、膨張性粒子を含有する「E」スラリーの２０％部分は上部層ヘッドボックスに誘導され、所望の乾燥重量組成物を有する多層シートを作製する。ワイヤー速度を約１．７フィート／分（０．５２ｍ／分）に維持し、前記スラリー部分を約１６ガロン／分（６１Ｌ／分）の全速度でそれぞれのヘッドボックスにポンプで汲み出し、所望の層の基礎重量及び厚さを得た。十分な真空をスラリーに適用し、形成され脱水された層を得た。次に、脱水された多層シートをローラーを通して湿潤加圧し、乾燥ローラーを用いて乾燥させてから、連続ロールを形成するために巻き取りスタンド上に捲回した。実施例１０〜１４の各層及び全体の層中の膨張性粒子の乾燥重量パーセンテージ、全シート厚さ、層及びシートの基本重量を以下の表７に示す。
0004130972.tif 000008
実施例１０〜１４のRCFTの結果を図６〜１０に示す。これらの試料の各々について、RCFTを多数の熱／圧縮サイクルについて行なった。後続サイクルについての試験結果は、各第１サイクルについての試験結果と著しく異なっている。間隙の変化は前の熱／圧縮サイクルに関係なく実質的に一様に起こるが、マットによって加えられる圧力は著しく変化する。すなわち、各マットの前の熱及び圧縮履歴は、後続熱サイクルにおける保持圧力の大きさに著しく影響を与える。
いろいろな相互に関係し合う効果は、各マットの以前の熱及び圧縮履歴によって生み出された相当な変化に寄与すると考えられる。泡沸膨張の大きさは、未膨張バーミキュライトと前に膨張したバーミキュライトとでは著しく異なっている。未膨張バーミキュライトが最初にその泡沸温度Tintに加熱されるときに著しく膨張するが、泡沸膨張特性は後続熱サイクルについては著しく低減される。大きい圧縮力は、マット中の繊維母材に著しく影響を及ぼすと考えられる。特に高温と組み合わせるとき、マット中の大きな圧縮力は、顕微鏡的繊維損傷、収縮及び／または圧縮硬化を起こすことがあり、大きな取り付け圧力／温度の後に繊維母材に、より弾性を失わせ取り付け力を低下させる。圧縮及び高温サイクルが繊維母材に及ぼす効果はまた、マットの耐浸蝕特性及びマットの熱伝導率を変えることがある。比較例２と比べた実施例１０〜１４のそれぞれについて、第１サイクル最小値７６、第１サイクル最大値７８、第１サイクル損失、後続サイクル最小値８２及び第２サイクル損失を以下の表８に記録する。
0004130972.tif 000009
理想的な取り付けマットは、第１サイクル最小値７６、第１サイクル最大値７８、第１サイクル損失、後続サイクル最小値８２、及び第２サイクル損失を可能な限りゼロパーセント近くに（すなわち、一定圧力に近く）低減させる。膨張性材料も含む比較例２と対比すると、本発明は望ましくは、第１サイクル最大値７８を約１００％より小さい値に、より望ましくは約５０％より小さい値に、更により望ましくは約１０％より小さい値に低減させる。同じ繊維混合物を含有するが膨張性層を含まない実施例１０と対比すると、本発明は望ましくは第１サイクル最小値７６を約９０％より小さい値に、更により望ましくは約７５％より小さい値に低減させる。実施例１０と対比すると、本発明は望ましくは後続サイクル最小値８２を約９５％より小さい値に、より望ましくは約９０％以下の値に、より望ましくは約７５％以下の値に低減させる。同様に実施例１０と対比すると、本発明は望ましくは第２サイクル損失を約９５％より小さい値に、より望ましくは約８５％より小さい値に、更により望ましくは約４５％以下の値に低減させる。これらのすぐれた結果が、少量の膨張性材料及び少量のショットを含まない高アルミナ繊維だけなど、最小の材料費で得られる。
本発明のすぐれた結果を図１１に対して更に説明することができる。図１１は、図３の温度-径方向位置-時間／加熱間隔グラフに重ねられた実施例１３の「泡沸領域」８４を含む。「泡沸領域」８４は、マット３０の膨張性材料の泡沸温度によって及び膨張性材料の径方向位置によって規定される。実施例１３の膨張性材料は、約３００〜３４０℃の泡沸温度Tintを有する未膨張バーミキュライトである。他の膨張性材料は異なった泡沸温度を有し、より狭いまたはより広い泡沸温度で泡沸することができる。実施例１３の膨張性材料は、（マット３０がモノリス２０とハウジング１１との間で圧縮された後）マット３０の厚さの外側の約１５〜４０％に配されるだけである。
本発明のマット全体の熱の伝達はかなり連続的なままであると考えられる。すなわち、マットが同時形成されるため、また、多分、マットがマット全体に同じ無機繊維混合物を有するため、マットの２つの層の間に熱接触抵坑（すなわち、温度の不連続点）を残さずに熱をマット中に伝達する。したがって、マット中の線形温度分布の仮説は、依然としてかなり正確である。
泡沸領域８４に達する第１の温度線は加熱／時間間隔「j」の後に、ほぼ加熱／時間間隔「ｌ」において存在する。これは、前記間隙の大きな増加部６２の始めと一致する。温度線が泡沸領域を通過するとき（すなわち、ほぼ加熱／時間間隔「ｑ」まで）、膨張性材料が膨張する。膨張性材料の膨張は、ちょうど前記間隙が最も増大しているとき、RCFT曲線（図９）のこの重要な段階の間に取り付け圧力を増大させる。
マット中に用いて適切に配した膨張性材料の比率が小さい場合、マットの限られた膨張が起るにすぎず、第１サイクル最大値７８が非常に低い。高温での高圧縮力による繊維母材の弾性の低減が最小に抑えられる。したがって、後続サイクルが、繊維母材によって提供された最大弾力性及び保持力を維持する。
本発明の最も望ましい利点を得るために、外層の厚さtoと内層の厚さtiとの比は、前記間隙が高増加部６２に達するまで温度曲線が泡沸領域８４に達しないのが好ましい。モノリス温度５００℃（周囲温度より４７５℃高い）で間隙が非常に増大する場合、これは、次のように数学的に表すことができる：
to≦（to+ti）（Tint-25℃）/475℃
熱伝達の一時的効果、前記系の径方向性質、及び２つの層間の熱伝導率の何れの差も前記取り付けマット中の熱勾配の線形性に影響を及ぼすと考えるならば、泡沸領域８４の縁部は、本発明の利点を実質的に保持したまま約１０〜２０％の範囲内で変化することができる。大きな間隙増加部６２を開始するモノリスの温度Tgはまた、間隙の大きさまたは熱伝導率が著しく変わるなら、５００℃と異なっていることがある。すなわち、：
0.8（to+ti）（Tint-25℃°）/（Tg-25℃）≦to≦1.2（to+ti）（Tint-25℃）/（Tg-25℃）
図１２は、実施例１０と同様であるがショットを含まない高アルミナ無機繊維を含有しない単一層の非膨張性マットの単一サイクルRCFTを示す。代わりに、無機繊維材料は全て、約５０％の繊維と約５０％のショットとを含有する約５０％アルミナ５０％シリカバルクによって提供された。図６〜１０に示す実施例１０〜１４と比較するとわかるように、このマットは、第１サイクル最小値１００％、第１サイクル損失６８％、次サイクル最小値１００％及び第２サイクル損失１００％など、好ましくない結果を生じる。実施例１０〜１４の各々のショットを含まない無機繊維とショットを含む無機繊維とを組合せると、より良好な結果を生じる。
冷間浸蝕試験を実施例１０、１１及び２つの付加的な実施例１５及び１６について行なわれた。冷間浸蝕試験のパラメータ及び結果は、以下の表９に示す。
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このデータが示すように、本発明は、外層中のバーミキュライト粒子含有量があまり多くない場合、約０．１ｇ未満／時間、より望ましくは約０．０１ｇ以下／時間、最も望ましくは約０．００１ｇ以下／時間など、すぐれた浸蝕速度の結果を生じる。浸蝕速度は、取付けの密度に対して著しく変化し、より高い取付けの密度を高バーミキュライト含有量のマットまたは高バーミキュライト含有量の層を有するマットのために用いることができる。
同等物
いろいろな改良及び変更を本発明の精神または範囲から外れることなく本発明の物品及び方法に行ない得ることは、当業者には明白であろう。例えば、本明細書に論じたいろいろな層の各々の層厚は、層全体にわたり実質的に一定である。側端縁がより厚くマットの中心とは異なった熱特性を提供するような、領域により均一な構造を有しないマットは、本発明内で作製されることができるとみなされる。この発明は、本明細書に示した具体的な実施例及び例よって不当に制限されるものではなく、このような例及び実施例は、以下に示すクレームによってのみ制限される本発明の範囲内の例によって与えられると理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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