오염 제어 장치용 장착 매트 document_id A220623064867

오염 제어 장치는 전형적으로 탄성 및 가요성 장착 매트에 의해 케이싱 내에 견고하게 장착된 모놀리식 요소(monolithic element)를 구비한 금속 하우징을 포함한다. 오염 제어 장치는 보편적으로 대기 오염을 제어하기 위해 자동차에 채용된다. 일반적으로, 오염 제어 장치는 처리될 배기 가스의 유형에 따라 설계되는데, 그 이유는 배기 가스의 조성뿐만 아니라 그의 온도가 배기 가스를 발생시키는 엔진의 유형에 따라 상이할 수 있기 때문이다. 따라서, 가솔린 엔진뿐만 아니라 디젤 엔진의 배기 가스를 처리하기 위해 사용되는 오염 제어 장치들이 공지되어 있다. 오염 제어 장치는 촉매 변환기(catalytic converter) 및 미립자 필터 또는 트랩(trap)을 포함한다. 2가지 유형의 장치가 현재 널리 사용된다 - 촉매 변환기 및 디젤 미립자 필터 또는 트랩. 촉매 변환기는 금속 하우징 내에 장착된 모놀리식 구조체 상에 전형적으로 코팅된 촉매를 포함한다. 모놀리식 구조체는 전형적으로 세라믹이지만, 금속 모놀리스가 또한 사용되기도 하였다. 촉매는 대기 오염을 제어하기 위해 자동차 배기 가스 내에서 일산화탄소 및 탄화수소를 산화시키고 질소 산화물을 환원시킨다. 디젤 미립자 필터 또는 트랩은 전형적으로는 다공성 결정질 세라믹 재료로부터 전형적으로 제작되는 벌집형 모놀리식 구조체를 갖는 벽 유동 필터이다. 벌집형 구조체의 교대하는 셀(cell)들은 전형적으로 배기 가스가 하나의 셀 내로 진입하고 다공성 벽을 통해 인접한 셀로 가압되어 여기서 구조체를 빠져나갈 수 있도록 막혀 있다. 이러한 방식으로, 디젤 배기 가스 내에 존재하는 작은 매연 입자가 수집된다. 오염 제어 장치 내에서 사용되는, 모놀리스 및 특히 세라믹 오염 제어 모놀리스는 깨지기 쉽고, 진동 또는 충격 손상 및 파단에 대해 취약하다. 모놀리스는 이를 포함하는 금속 하우징보다 대체로 한 차수 정도로 크기가 더 작은 열팽창 계수를 갖는다. 이는 오염 제어 장치가 가열됨에 따라, 하우징의 내부 주연 벽과 모놀리스의 외부 벽 사이의 간극이 증가한다는 것을 의미한다. 유사하게, 오염 제어 장치의 온도가 강하함에 따라(예를 들어, 엔진이 꺼졌을 때), 이러한 간극은 감소한다. 금속 하우징이 매트의 단열 효과로 인해 더 작은 온도 변화를 겪을지라도, 금속 하우징의 더 높은 열팽창 계수는 하우징이 모놀리식 요소의 팽창보다 더 빠르게 보다 큰 주연 크기로 팽창하게 한다. 이러한 더 높은 열팽창 계수는 또한 금속 하우징이 모놀리식 요소보다 더 빠르게 보다 작은 주연 크기로 수축하게 한다. 열 사이클 및 이러한 결과적인 물리적 변화는 오염 제어 장치의 수명 및 사용 중에 수백 또는 심지어 수천 회 발생할 수 있다. (예를 들어, 도로 충격 및 진동으로부터의) 세라믹 모놀리스와 같은 오염 제어 요소에 대한 손상을 피하고, 열 팽창 차이를 보상하고, 배기 가스가 모놀리스와 금속 하우징 사이를 통과하는 것(이에 의해 촉매 및/또는 필터를 바이패스하는 것)을 방지하기 위해, 장착 매트가 오염 제어 요소와 하우징 사이에 배치된다. 이러한 매트는 오염 제어 요소를 필요한 온도 범위에 걸쳐 제 위치에 유지하기 위한 충분한 압력을 가해야 하지만 오염 제어 요소(예를 들어, 세라믹 모놀리스)를 손상시킬만큼 크지는 않은 압력을 가해야 한다. 당업계에서 설명된 많은 장착 매트는 전형적으로 고온에서 작동하는 가솔린 엔진으로부터의 배기 가스의 처리를 위한 촉매 변환기의 촉매 담체(catalyst carrier)를 장착하기 위해 개발되었다. 공지된 장착 매트는 세라믹 섬유, 팽창성 재료 및 유기 및/또는 무기 결합제로 구성된 팽창성 시트 재료를 포함한다. 하우징 내에 촉매 변환기를 장착하기 위해 유용한 팽창성 시트 재료는 예를 들어 미국 특허 제3,916,057호(해치(Hatch) 등), 제4,305,992호(랭어(Langer) 등), 제5,151,253호(메리(Merry) 등), 제5,250,269호(랭어), 및 제5,736,109호(하워스(Howorth) 등)에 설명되어 있다. 최근에, 다결정질 세라믹 섬유 및 결합제로 구성된 비팽창성 매트가, 극도로 얇은 셀 벽으로 인해 현저하게 낮은 강도를 갖는 소위 초박벽 모놀리스에 대해 특별히 사용되어 왔다. 비팽창성 매트의 예는 예를 들어 미국 특허 제4,011,651호(브래드베리(Bradbury) 등), 제4,929,429호(메리), 제5,028,397호(메리), 제5,996,228호(쇼지(Shoji) 등), 및 제5,580,532호(로빈슨(Robinson) 등)에 설명되어 있다. 다결정질 섬유는 보통의 용융 형성된 세라믹 섬유보다 훨씬 비싸고, 따라서 이러한 섬유를 사용하는 매트는 예를 들어 초박벽 모놀리스에서와 같이 절대적으로 필요한 경우에만 사용된다. 미국 특허 제5,290,522호는 5 마이크로미터 초과의 직경을 갖는 60 중량％ 이상의 샷이 없는(shot-free) 고강도 마그네슘 알루미노실리케이트 유리 섬유를 포함하는 부직(non-woven) 장착 매트를 갖는 촉매 변환기를 설명한다. 이러한 참고 문헌에 교시된 장착 매트는 매트가 700℃ 초과의 배기 가스 온도를 겪는 실시예에서의 시험 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이 고온 응용에서 주로 사용하도록 의도된다. 미국 특허 제5,380,580호는 (a) 20 중량％ 이상이 결정질인 알루미노실리케이트계 섬유들의 총 중량을 기준으로, 60 내지 약 85 중량％ 범위 내의 산화알루미늄 및 40 내지 약 15 중량％ 범위 내의 산화규소를 포함하는 알루미노실리케이트 섬유와, (b) 결정질 석영 섬유와, (c) (a)와 (b)의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 샷이 없는 세라믹 산화물 섬유를 포함하는 가요성 부직 매트 - 상기 알루미노실리케이트계 섬유 및 상기 결정질 석영 섬유의 조합 중량은 상기 부직 매트의 총 중량의 50 중량％ 이상임 - 를 설명하고 있다. 가요성 부직 매트는 탄화규소 섬유, 질화규소 섬유, 탄소 섬유, 질화규소 섬유, 유리 섬유, 스테인레스강 섬유, 황동 섬유, 소멸성(fugitive) 섬유, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 고강도 섬유를 추가로 포함할 수 있다. 디젤 산화 촉매(DOC)가 방출되는 디젤 미립자의 가용성 유기 성분(soluble organic fraction, SOF)을 산화시키기 위해 현대의 디젤 엔진에서 사용된다. 비교적 낮은 배기 가스 온도 때문에, 종래의 장착 재료에 의한 DOC의 장착은 문제가 되었다. 터보-차지 직분사(turbo-charged direct injection, TDI) 엔진과 같은 현대의 디젤 엔진의 배기 가스는 결코 300℃를 초과할 수 없다. 이러한 온도는 대부분의 팽창성 매트를 팽창시키기 위해 필요한 온도 아래이다. 이러한 팽창은 촉매 변환기 내에서 적절한 압력을 발현하여 유지하기 위해 필요하다. 미국 특허 제6,231,818호는 비정질 무기 섬유로 구성된 비팽창성 매트를 사용함으로써 저온 디젤 촉매를 장착하는 기존의 어려움을 극복하려고 시도한다. 이 특허에서는 매트에 유기 결합제가 없을 수 있음이 교시되어 있지만, 예에서 사용되는 매트들 중 일부는 상당량의 결합제의 사용을 요구하는 것으로 보인다. 또한, 이러한 미국 특허에 개시된 장착 매트가 디젤 엔진, 특히 TDI 엔진으로부터의 배기 가스의 처리에 대해 여전히 적절하게 작용하지 않음이 밝혀졌다. 유럽 특허 제1388649호는 부직 매트가 금속 케이싱과 디젤 오염 제어 모놀리스 사이에 배치된 상태로 금속 케이싱 내에 배열된 디젤 오염 제어 모놀리스를 포함하는, 디젤 엔진과 함께 사용하기에 적합한 오염 제어 장치를 개시한다. 부직 매트는 5 ㎛이상의 수평균(number average) 직경 및 0.5 내지 15 ㎝의 길이를 갖는 절단된 마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유들을 매트의 총 중량을 기준으로 90 중량％ 이상을 포함하는 비팽창성 매트이고, 유리 섬유는 니들 펀칭되거나 스티치 본딩되고, 매트는 유기 결합제가 없거나 실질적으로 없다. 발명의 개요 종래 기술에 개시된 장착 매트가 디젤 오염 제어 모놀리스에 대해 양호한 유지 특성을 제공할 수 있지만, 장착 매트를 더욱 개선하기 위한 요구가 지속적으로 있으며, 특히 저온에서 탄성 및 유지력이 바람직하게 개선될 수 있을 것이다. 아울러, 더 쉽고 더 간편한 방식으로 그리고 더 적당한 비용으로 제조될 수 있는 그러한 개선된 장착 매트를 얻기 위한 요구가 있을 것이다. 추가로, 하기의 시험들 중 적어도 하나 이상에서 양호 내지는 우수한 성능을 보이는 다른 장착 매트를 찾기 위한 요구가 있었다: 실제 조건 설비 시험(Real Condition Fixture Test; RCFT), 주기적 압축 시험, 및 고온 진동 시험. 바람직하게는, 장착 매트는 또한 양호한 건강, 안전 및 환경 특성을 갖는다. 일 태양에서, 본 발명은 오염 제어 장치 내에 오염 제어 요소 또는 모놀리스를 장착하기 위한 장착 매트를 제공하는데, 상기 장착 매트는 길고 짧은 무기 섬유들의 혼합물을 갖는 층을 포함하고, 상기 짧은 섬유는 약 13 ㎜ 이하의 길이를 갖고, 상기 긴 섬유는 약 20 ㎜ 이상의 길이를 갖고, 상기 짧은 섬유들의 양은 상기 길고 짧은 섬유들의 혼합물의 총 중량을 기준으로 약 3 중량％ 이상이다. 특정 실시 형태에서, 길고 짧은 섬유들의 혼합물은 연속적으로 형성되어, 필요한 길이로 (예를 들어, 이후의 섬유 또는 매트 처리에서 섬유를 파단함으로써) 절단되거나 달리 세그먼트화된 길고 짧은 세라믹 섬유들의 혼합물이다. 본 발명의 특정 실시 형태에서, 장착 매트는 층의 총 중량을 기준으로 약 90 중량％ 이상의 마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유를 갖는 층을 포함하고, 유리 섬유는 길고 짧은 섬유들의 혼합물을 포함하고, 짧은 섬유는 약 13 ㎜ 이하의 길이를 갖고, 긴 섬유는 약 20 ㎜ 이상의 길이를 갖고, 짧은 섬유들의 양은 유리 섬유들의 총 중량을 기준으로 약 3 중량％ 이상이다. 장착 매트는 오염 제어 요소 또는 모놀리스 및 특히 디젤 오염 제어 요소를 장착하는 데 유익한 특성을 갖는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 실시예에서 기술되는 압축 시험에 의해 측정되는 냉간 유지력이 개선될 수 있다. 그러한 보다 길고 짧은 섬유들을 포함하는 본 발명의 장착 매트가 약 200 ㎪ 이상, 바람직하게는 약 250 ㎪ 이상의 정적 압축 시험 결과를 나타내는 것이 바람직하다. 또한, 양호한 결과가 고온 진동 시험에서 본 발명의 장착 매트에 의해 달성될 수 있다. 다른 태양에서, 본 발명은 장착 매트의 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은 복수의 연속적으로 형성된 무기 섬유들을 제공하는 단계; 연속적으로 형성된 무기 섬유들을 약 13 ㎜ 이하의 길이를 갖는 짧은 섬유 및 약 20 ㎜ 이상의 길이를 갖는 긴 섬유로 세그먼트화하는 단계; 길고 짧은 섬유들을 함께 혼합하여 섬유 혼합물을 형성하는 단계; 및 길고 짧은 섬유들의 혼합물을 사용하여 장착 매트를 형성하는 단계를 포함한다. 세그먼트화 단계는 약 13 ㎜ 이하의 길이를 갖는 짧은 섬유 및 약 20 ㎜ 이상의 길이를 갖는 긴 섬유 중 적어도 하나를 생성하기 위해 장착 매트 형성 단계 중에 섬유 혼합물 내의 길고 짧은 섬유들을 파단시키는 단계를 포함할 수 있다. 세그먼트화 단계는 또한 약 13 ㎜ 이하의 길이를 갖는 짧은 섬유 및 약 20 ㎜ 이상의 길이를 갖는 긴 섬유 중 적어도 하나를 생성하기 위해 연속적으로 형성된 무기 섬유들을 길고 짧은 섬유들로 절단하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 세그먼트화 작업을 수행하기 전에, 연속적으로 형성된 무기 섬유를 필요한 길이보다 더 긴 길이로 절단하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 추가의 태양에서, 본 발명은 케이싱 또는 하우징 내에 배열된 오염 제어 요소 또는 모놀리스를 포함하고, 장착 매트가 케이싱과 오염 제어 요소 사이에 배치되며, 장착 매트가 상기에서 한정된 장착 매트인 오염 제어 장치를 제공한다. 또 다른 태양에서, 본 발명은 디젤 엔진과, 상기에서 한정된 오염 제어 장치를 포함하는 기계를 제공한다. 또 다른 태양에서, 본 발명은 디젤 엔진으로부터의 배기 가스를 상기에서 한정된 오염 제어 장치로 처리하여 배기 가스를 처리하는 방법을 제공한다. '디젤 오염 제어 요소'라는 용어는 디젤 엔진으로부터의 배기 가스에 기인한 오염을 감소시키는 데 적합하고/하거나 적합하도록 된, 특히 예를 들어 350℃ 이하의 저온에서 오염을 감소시키는 데 있어서 작동하는 모놀리식 구조체를 포함하는 구조물을 의미한다. 디젤 오염 제어 요소는 촉매 담체, 디젤 미립자 필터 요소 또는 트랩 및 NOx 흡수기 또는 트랩을 제한없이 포함한다. '마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유'라는 용어는 규소, 알루미늄 및 마그네슘의 산화물을, 다른 산화물, 특히 다른 금속 산화물의 존재를 배제하지 않으면서, 포함하는 유리 섬유를 포함한다.