JP2010168706A - マット材、排気ガス処理装置およびマット材を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、圧縮／復元の繰り返し負荷を受けた後にも、比較的良好な保持力を維持することが可能なマット材を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明では、複数の無機繊維を含むマット材であって、前記無機繊維の少なくとも一部は、コア部と該コア部を取り囲む表層とを有し、前記表層には、前記コア部よりも多くのシリカ（ＳｉＯ_２）が含まれていることを特徴とするマット材が提供される。
【選択図】図３

Description

本発明は、無機繊維を含むマット材に関し、特に、車両等の排気ガス処理装置に使用されるマット材に関する。

自動車の台数は、今世紀に入って飛躍的に増加しており、それに比例して、自動車の内燃機関から排出される排気ガスの量も急激な増大の一途を辿っている。特にディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる種々の物質は、汚染を引き起こす原因となるため、現在では、世界環境にとって深刻な影響を与えつつある。

このような事情の下、各種排気ガス処理装置が提案され、実用化されている。一般的な排気ガス処理装置は、エンジンの排気ガスマニホールドに連結された排気管の途上に筒状部材（ケーシング）を設け、その中に、排気ガスの入口および出口用の開口面を有し、内部に微細な気孔を多数有する排気ガス処理体を配置した構造となっている。排気ガス処理体の一例としては、触媒担持体、およびディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等の排気ガスフィルタがある。例えばＤＰＦの場合、上述の構造により、排気ガスが排気ガス処理体の入口開口面から出口開口面を通って排出される間に、気孔の周囲の壁に微粒子がトラップされ、排気ガス中から微粒子を除去することができる。

このような排気ガス処理体とケーシングの間には、通常保持シール材が設置される。保持シール材は、車両走行中等における排気ガス処理体とケーシングの当接による破損を防ぎ、さらにケーシングと排気ガス処理体との隙間から排気ガスがリークすることを防止するために用いられる。また、保持シール材は、排気ガスの排圧により排気ガス処理体が脱落することを防止する役割を有する。さらに排気ガス処理体は、反応性を維持するため高温に保持する必要があり、保持シール材には断熱性能も要求される。これらの要件を満たす部材としては、無機繊維を含むマット材がある。

このマット材は、排気ガス処理体の開口面を除く外周面の少なくとも一部に巻き付けられ、テーピング等によって排気ガス処理体と一体固定化されることにより、保持シール材として機能する。その後、この一体品は、ケーシング内に圧入されて排気ガス処理装置が構成される。

一般に、マット材は、無機繊維と、有機バインダ等とを含み、ニードル処理法または抄造法等により製作される。最近、有機バインダの含有量を抑制するため、マット材に含まれる無機繊維として、Ｅ−ガラスのようなガラス繊維を使用することが提案されている（特許文献１）。

特表２００６−５１６０４３号公報

しかしながら、前述のようなガラス繊維を使用したマット材は、比較的耐熱性が低いという問題がある。

また、一般に、排気ガス処理装置内の排気ガス処理体は、排気ガスの流通／停止による温度上昇／低下に伴い、膨脹／収縮の繰り返しサイクルを受ける。従って、保持シール材は、使用時に、この排気ガス処理体の膨脹／収縮挙動に対応して、圧縮／復元の繰り返し負荷を受ける。しかしながら、ガラス繊維を使用したマット材では、このような圧縮／復元サイクルを繰り返すと、マット材の保持力が大きく低下してしまう。またこのようなマット材の保持力の低下は、該マット材に保持される排気ガス処理体の脱落につながるおそれがあるという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、本発明では、圧縮／復元の繰り返し負荷を受けた後にも、比較的良好な保持力を維持することが可能なマット材、およびそのようなマット材を製造する方法を提供することを目的とする。また、そのようなマット材を保持シール材として備える排気ガス処理装置を提供することを目的とする。

本発明では、複数の無機繊維を含むマット材であって、
前記無機繊維の少なくとも一部は、コア部と該コア部を取り囲む表層とを有し、
前記表層には、前記コア部よりも多くのシリカ（ＳｉＯ_２）が含まれていることを特徴とするマット材が提供される。

ここで、本発明によるマット材において、前記表層には、９０ｗｔ％以上のシリカ（ＳｉＯ_２）が含まれていても良い。

また、本発明によるマット材において、前記コア部と表層とにより構成された無機繊維全体に含まれるシリカ（ＳｉＯ_２）の含有量は、６０％以上１００％未満であっても良い。

また、本発明によるマット材において、前記コア部と表層とにより構成された無機繊維の平均直径は、８μｍ〜１２μｍの範囲であっても良い。

また、本発明によるマット材において、前記コア部は、シリカ（ＳｉＯ_２）を５２ｗｔ％〜５６ｗｔ％、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を１２ｗｔ％〜１６ｗｔ％、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を最大６ｗｔ％、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）を５ｗｔ％〜１０ｗｔ％、酸化カルシウム（ＣａＯ）を１６ｗｔ％〜２５ｗｔ％含んでも良い。

また、本発明によるマット材は、さらに、有機バインダを有しても良い。

また、本発明では、
排気ガスの流通する２つの開口面を有する排気ガス処理体と、
前記排気ガス処理体の開口面を除く外周面の少なくとも一部に巻き付けて使用される保持シール材と、
該保持シール材が巻き回された前記排気ガス処理体を収容する筒状部材と、
で構成される排気ガス処理装置であって、
前記保持シール材は、前述のいずれかの特徴を有するマット材で構成されることを特徴とする排気ガス処理装置が提供される。

ここで、前記排気ガス処理体は、触媒担持体または排気ガスフィルタであっても良い。

さらに本発明では、
無機繊維を含むマット材を製造する方法であって、
（Ａ）コア部と該コア部を取り囲む表層とを有する無機繊維を形成するステップであって、前記表層には、前記コア部よりも多くのシリカ（ＳｉＯ_２）が含まれるステップと、
（Ｂ）前記ステップ（Ａ）の無機繊維を用いて、積層シートを調製するステップと、
（Ｃ）前記積層シートから、ニードリング法によりマット材を形成するステップと、
を有することを特徴とする方法が提供される。

この本発明による方法は、さらに、
（Ｄ１）前記ステップ（Ａ）の後であって、前記ステップ（Ｂ）の前に、前記ステップ（Ａ）の無機繊維を４００℃〜８００℃の温度範囲で加熱処理するステップ、または
（Ｄ２）前記ステップ（Ｃ）の後に、前記マット材を４００℃〜８００℃の温度範囲で加熱処理するステップ
を有しても良い。

また、本発明による方法において、前記ステップ（Ｂ）において使用される無機繊維は、５０ｍｍ〜１００ｍｍの平均長さを有しても良い。

また、本発明による方法において、前記ステップ（Ａ）は、シリカ（ＳｉＯ_２）を含むガラス繊維を酸処理するステップを有しても良い。

また、本発明による方法において、前記ガラス繊維は、シリカ（ＳｉＯ_２）を５２ｗｔ％〜５６ｗｔ％、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を１２ｗｔ％〜１６ｗｔ％、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を最大６ｗｔ％、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）を５ｗｔ％〜１０ｗｔ％、酸化カルシウム（ＣａＯ）を１６ｗｔ％〜２５ｗｔ％含んでも良い。

さらに本発明では、
無機繊維を含むマット材を製造する方法であって、
（Ａ）コア部と該コア部を取り囲む表層とを含む無機繊維を形成するステップであって、前記表層には、前記コア部よりも多くのシリカ（ＳｉＯ_２）が含まれるステップと、
（Ｂ）ステップ（Ａ）の無機繊維を用いて、スラリーを調製するステップと、
（Ｃ）前記スラリーから、抄造法によりマット材を形成するステップと、
を有することを特徴とする方法が提供される。

この本発明による方法は、さらに、
（Ｄ１）前記ステップ（Ａ）の後であってステップ（Ｂ）の前に、前記ステップ（Ａ）の無機繊維を４００℃〜８００℃の温度範囲で加熱処理を実施するステップ、または
（Ｄ２）前記ステップ（Ｃ）の後に、前記マット材を４００℃〜８００℃の温度範囲で加熱処理を実施するステップ
を有しても良い。

また、本発明による方法において、前記ステップ（Ｂ）において使用される無機繊維は、３ｍｍ〜１５ｍｍの平均長さを有しても良い。

また、本発明による方法において、前記ステップ（Ａ）は、シリカ（ＳｉＯ_２）を含むガラス繊維を酸処理するステップを有しても良い。

また、本発明による方法において、前記ガラス繊維は、シリカ（ＳｉＯ_２）を５２ｗｔ％〜５６ｗｔ％、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を１２ｗｔ％〜１６ｗｔ％、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を最大６ｗｔ％、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）を５ｗｔ％〜１０ｗｔ％、酸化カルシウム（ＣａＯ）を１６ｗｔ％〜２５ｗｔ％含んでも良い。

本発明では、圧縮／復元の繰り返し負荷を受けた後にも、比較的良好な保持力を維持することが可能な保マット材、およびそのようなマット材を製造する方法を提供することが可能となる。また、そのようなマット材を保持シール材として備える排気ガス処理装置が提供される。

本発明によるマット材の一例を模式的に示した斜視図である。 本発明によるマット材を使用して、排気ガス処理装置を構成するときの一構成図である。 本発明によるマット材に含まれる無機繊維の断面構造を模式的に示した図である。 本発明による排気ガス処理装置の一構成例を示す図である。 本発明によるマット材の製造方法のフローの一例を概略的に示した図である。 本発明によるマット材の別の製造方法のフローの一例を概略的に示した図である。 サイクル試験装置の概略的な構成を示した図である。

以下、図面を参照して、本発明をより詳しく説明する。図１には、本発明によるマット材の概略的な斜視図を示す。また図２には、図１に示したマット材を保持シール材として使用し、排気ガス処理装置を構成する際の概略的な組立図を示す。

図１に示すように、本発明によるマット材３０は、長辺（Ｘ方向に平行な辺）と短辺（Ｙ方向に平行な辺）を有し、実質的に矩形状となるように形成される。短辺７０および７１には、それぞれ嵌合凸部５０および嵌合凹部６０が設置されている。また、短辺７１の嵌合凹部６０に隣接する位置には、２つの凸部６１が形成されている。ただし本発明のマット材の短辺７０、７１は、図１の形状に限られるものではなく、例えば、図１のような嵌合部を全く有さないものや、各短辺が、それぞれ、嵌合凸部５０および嵌合凹部６０を複数有するもの等も使用できる。なお、本願において、「実質的に矩形状」とは、図１に示すような、短辺に１組の嵌合凸部５０と嵌合凹部６０を有する矩形を含む概念である。さらに、「実質的に矩形状」には、長辺と短辺の交差するコーナー部が、９０゜以外の角度を有する形状（例えば、曲率を有するもの）も含まれる。

このマット材３０は、保持シール材２４として使用する場合、長辺方向が巻回方向（図１のＸ方向）となるようにして使用される。またマット材３０が、保持シール材２４として触媒担持体等の排気ガス処理体２０に巻き付けられた際には、図２に示すように、マット材３０の嵌合凸部５０と嵌合凹部６０が嵌合され、マット材３０が排気ガス処理体２０に固定される。その後、保持シール材２４が巻き回された排気ガス処理体２０は、圧入等により、金属等で構成された筒状のケーシング１２内に圧入され、装着される。

一般に、マット材は、無機繊維と有機バインダとを含む。例えば、前述の特許文献１には、無機繊維として、ガラス繊維（例えば、Ｅ−ガラス）が使用されることが記載されている。

しかしながら、そのようなガラス繊維を使用したマット材は、比較的耐熱性が低いという問題がある。

また、排気ガス処理装置内の排気ガス処理体は、排気ガスの流通／停止による温度上昇／低下に伴い、膨脹／収縮の繰り返しサイクルを受ける。従って、保持シール材は、使用時に、この排気ガス処理体の膨脹／収縮挙動に対応して、圧縮／復元の繰り返し負荷を受ける。しかしながら、ガラス繊維を使用したマット材では、このような圧縮／復元サイクルを繰り返すと、マット材の保持力が大きく低下してしまう。またこのようなマット材の保持力の低下は、該マット材に保持される排気ガス処理体の脱落につながるおそれがあるという問題がある。

これに対して、本発明によるマット材３０では、無機繊維として、シリカ（ＳｉＯ_２）を含むコア部と、このコア部を取り囲むように設置され、コア部よりもシリカ（ＳｉＯ_２）の含有量が多い表層との、少なくとも２層で構成された無機繊維が使用される。

図３には、本発明に使用される無機繊維（以下、「２層構造無機繊維」と称する）３００の概略的な断面図を示す。

この図の例では、本発明のマット材３０に使用される２層構造無機繊維３００は、シリカ（ＳｉＯ_２）を含むコア部３１０と、このコア部３１０よりもシリカ（ＳｉＯ_２）の含有量が多い表層３２０とを有する。

ここで、表層３２０に含まれるシリカ（ＳｉＯ_２）含有量は、９０ｗｔ％以上であることが好ましい。また、２層構造無機繊維３００全体に含まれるシリカ（ＳｉＯ_２）の平均的な含有量（すなわち、コア部と表層とを区別しない場合のシリカ（ＳｉＯ_２）の含有量）は、６０ｗｔ％以上、１００％未満であることが好ましい。

なお、多くの場合、２層構造無機繊維３００は、８〜１２μｍ程度の直径を有する。従って、このような微細な２層構造無機繊維において、断面構造が図３に示すような形態となっていることを把握することは、実際上、極めて困難である。そこで、本願では、無機繊維に２層構造が形成されていることは、２層構造無機繊維の断面に対するＥＰＭＡライン分析結果により確認した。すなわち、得られた分析結果において、無機繊維の表面に相当する部分（両端側）のシリカ（ＳｉＯ_２）の濃度が、その他の領域に比べて、相対的に高くなっている場合、図３に示すような２層構造が形成されているものと判定とした。

また、表層３２０に含まれるシリカ（ＳｉＯ_２）含有量については、無機繊維の外側から、プローブ線（電子線、X線等）を照射する方法により測定した。

さらに、２層構造無機繊維３００全体に含まれるシリカ（ＳｉＯ_２）の平均的な含有量は、従来の分析法、例えば、蛍光Ｘ線法、または所定量の無機繊維の全体を一旦溶解した後、酸化剤を加えてシリカ（ＳｉＯ_２）のみを析出させて、この重量を測定する方法により把握した。

次に、このような構成を有する本発明のマット材の特徴的効果について説明する。

一般に、シリカ（ＳｉＯ_２）は、前述のＥ−ガラスのようなガラスに比べて、良好な耐熱性を有する材料として知られている。本発明の２層構造無機繊維３００を含むマット材３０では、そのような耐熱性の良好なシリカ（ＳｉＯ_２）を多く含む表層３２０によって、無機繊維表面が被覆されている。従って、本発明によるマット材３０では、従来のガラス繊維を使用したマット材に比べて、耐熱性が有意に向上する。

また、本発明による２層構造無機繊維３００を含むマット材３０では、後述するように、高温下においても、圧縮／復元の繰り返し後の保持力の低下率が低いという特徴を有する。

この原因については、現時点では、十分に把握されていないが、例えば、以下のように推察することができる。

シリカ（ＳｉＯ_２）は、他のセラミックス材料に比べて、熱膨張率が比較的低いという特徴がある。従って、本発明に使用される２層構造無機繊維３００では、コア部３１０の方が、表層部３２０に比べて熱膨張率が大きくなる可能性が高くなる。例えば、コア部３１０がＥ−ガラスで構成され、表層３２０がシリカ（ＳｉＯ_２）で構成されると仮定した場合、コア部３１０の熱膨張係数は、５．５×１０^−６／℃程度であるのに対して、表層３２０の熱膨張係数は、０．５×１０^−６／℃程度）となる。

この場合、高温環境下では、２層構造無機繊維３００の表層３２０側には、圧縮応力が生じ、コア部側３１０には、引張応力が生じることになる。このような状態では、高温の繰り返し応力負荷環境において、無機繊維が損壊したり割れたりすることが生じにくくなり、これにより、２層構造無機繊維３００では、圧縮／復元の繰り返し後の保持力の低下率が低く抑えられると考えられる。

なお、この推察は、一例であって、本発明は、必ずしもこのような挙動が生じる材料系に限定されるものではない。すなわち、他の原理によって、本発明による効果（圧縮／復元の繰り返し後の保持力の低下率が低く抑えられるという効果）が得られても良い。

このような特徴により、本発明によるマット材は、高温の圧縮／復元の繰り返し負荷を受ける環境においても、保持力の低下が抑制され、長時間安定な保持力を発揮することができる。

なお、一般に、シリカ（ＳｉＯ_２）繊維は、他の無機材料の繊維に比べて、強度（引張強度）が比較的低いという欠点がある。しかしながら、本発明では、シリカ（ＳｉＯ_２）の含有量の高い部分は、無機繊維の表層３２０側に限られ、コア部３１０に含まれるシリカ（ＳｉＯ_２）の含有量は、表層３２０に比べて低く抑えられている。従って、本発明では、シリカ（ＳｉＯ_２）を使用することによる無機繊維の強度（引張強度）低下の影響は、最小限に抑制される。

次に、本発明によるマット材３０に含まれる各構成物について、より詳しく説明する。

（無機繊維）
本発明のマット材３０に含まれる２層構造無機繊維３００において、コア部３１０は、該コア部３１０に含まれるシリカ（ＳｉＯ_２）の含有量が、表層３２０のシリカ（ＳｉＯ_２）含有量よりも少なくなっている限り、いかなる材料で構成されても良い。コア部３１０は、例えば、Ｅ−ガラス、Ｓ−ガラス、およびＳ２−ガラス等のガラスで構成されても良い。ここで、Ｅ−ガラスは、シリカ（ＳｉＯ_２）を５２ｗｔ％〜５６ｗｔ％、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を１２ｗｔ％〜１６ｗｔ％、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を最大６ｗｔ％、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）を５ｗｔ％〜１０ｗｔ％、酸化カルシウム（ＣａＯ）を１６ｗｔ％〜２５ｗｔ％含むガラスの総称である。また、Ｓ−ガラスは、シリカ（ＳｉＯ_２）を６５ｗｔ％、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を２５ｗｔ％、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を１０ｗｔ％含むガラスの総称である。

一方、表層３２０は、コア部３１０に比べて多くのシリカ（ＳｉＯ_２）を含む。シリカ（ＳｉＯ_２）の含有量は、例えば、９０ｗｔ％以上であっても良い。表層３２０は、さらに、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等を含んでも良い。

（有機バインダ）
本発明のマット材３０は、さらに有機バインダを含んでも良い。有機バインダとしては、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ゴム系樹脂、スチレン系樹脂などが使用できる。有機バインダには、例えば、アクリル系（ＡＣＭ）、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）樹脂等を用いることができる。有機バインダの含有量（マット材の総重量に対する有機バインダの重量）は、例えば、１．０〜１０．０重量％の範囲である。ただし、マット材に含浸される有機バインダは、そのようなマット材を備える排気ガス処理装置を使用した際に、装置から排出される有機成分量を増加させる一因となる。従って、有機バインダは、マット材に含浸しない方がより好ましいといえる。

このような本発明によるマット材３０は、例えば、排気ガス処理装置１０の保持シール材として使用することができる。図４には、本発明による排気ガス処理装置１０の一構成例を示す。

排気ガス処理装置１０は、保持シール材２４が外周面に巻き回された排気ガス処理体２０と、該排気ガス処理体を収容するケーシング１２と、該ケーシングの入口側および出口側のそれぞれに接続された、排気ガスの入口管２および出口管４とを有する。入口管２および出口管４は、ケーシング１２と接続される位置で径が拡張されるように、テーパ形状となっている。この図の例では、排気ガス処理体２０は、排気ガスの入口と出口用の開口面を有し、ガス流と平行な方向に多数の貫通孔を有する触媒担持体である。触媒担持体は、例えばハニカム状の多孔質炭化珪素等で構成される。ただし、本発明の排気ガス処理装置１０は、このような構成に限られるものではない。例えば、排気ガス処理体２０を貫通孔の一部が目封じされたＤＰＦとすることも可能である。

ここで、保持シール材２４は、本発明による２層構造無機繊維３００を含むマット材３０で構成されている。従って、このような排気ガス処理装置１０では、保持シール材２４の耐熱性が向上し、例えば、２００℃〜６００℃のような幅広い排気ガス温度環境において、排気ガス処理装置１０を使用することが可能になる。

また、このような排気ガス処理装置１０では、排気ガスの流通／停止の繰り返しによって、保持シール材２４に圧縮／復元の繰り返し負荷が加わっても、保持シール材２４の保持力の低下率が有意に抑制される。従って、長時間使用後に、排気ガス処理体２０が所定の位置からずれたり、脱落したりすることが抑制され、排気ガス処理装置１０の信頼性が向上する。

（本発明によるマット材の製造方法）
次に、図５を参照して、本発明によるマット材の製造方法の一例について説明する。

図５は、本発明によるマット材の製造フローの一例を概略的に示した図である。

本発明によるマット材の製造方法は、
（Ａ）前述のような特徴を有する２層構造無機繊維を形成するステップ（Ｓ１１０）と、
（Ｂ）２層構造無機繊維を用いて、積層シートを調製するステップ（Ｓ１２０）と、
（Ｃ）前記積層シートから、ニードリング法によりマット材を形成するステップ（Ｓ１３０）と、
を有する。なお、必要な場合、ステップＳ１１０とステップＳ１２０の間、またはステップＳ１３０の後、さらに、
（Ｄ）得られた２層構造無機繊維（ステップＳ１１０とステップＳ１２０の間に実施する場合）、または得られたマット材を加熱処理するステップ（ステップＳ１３０の後に実施する場合）（Ｓ１４０）を実施しても良い。

この方法では、いわゆる「ニードリング法」により、マット材が製作される。「ニードリング法」とは、無機繊維を含む積層シートにニードルを抜き差しして、マット材を製作する方法の総称である。

以下、各ステップについて、詳しく説明する。

（ステップＳ１１０）
ステップＳ１１０では、前述のような構成の２層構造無機繊維が製作される。２層構造無機繊維の製作方法は、特に限られないが、ここでは、シリカ（ＳｉＯ_２）を含むガラス繊維をベースとして、２層構造無機繊維を作製する方法について説明する。

まず、シリカ（ＳｉＯ_２）を含むガラス繊維を準備する。ガラス繊維としては、例えば、前述のような組成を有するＥ−ガラス、Ｓ−ガラス、Ｓ２−ガラス等が使用できる。

ガラス繊維の長さは、特に限られないが、後のニードリング処理の際に、繊維同士が容易に絡み合うよう、ガラス繊維は、比較的長いものが好ましい。ガラス繊維の「平均長さ」は、例えば、５０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲である。なお、「平均長さ」は、ランダムに採取した１００本の繊維の全長を平均した値である。

ガラス繊維の直径は、特に限られず、平均直径は、例えば、８μｍ〜１２μｍの範囲である。この「平均直径」は、ランダムに採取した３００本の繊維の直径をＳＥＭにより測定し、これらを平均した値である。

次に、このガラス繊維を酸処理する。この酸処理により、ガラス繊維に含まれるシリカ（ＳｉＯ_２）以外の成分が選択的に溶解し、表層には、中心部分に比べて、シリカ（ＳｉＯ_２）の含有量の多い層が形成される。すなわち、この酸処理により、ガラス繊維をコア部とし、残留シリカ（ＳｉＯ_２）を表層とする２層構造無機繊維が得られる。

酸処理は、例えば、酸を含む溶液中に、ガラス繊維を浸漬させることにより行われる。酸処理に使用される酸は、例えば塩酸等であっても良い。酸処理の温度および時間は、ガラス繊維からなるコア部と、シリカ（ＳｉＯ_２）含有量の高い表層とを有する、少なくとも２層の構造の無機繊維が得られる限り、特に限られない。例えば、酸処理の温度は、室温〜９０℃の範囲であっても良く、酸処理の時間は、例えば、１時間〜２４時間の範囲であっても良い。

その後、得られた２層構造無機繊維を水洗し、乾燥処理を行う。乾燥処理は、２層構造無機繊維を、例えば１００℃〜２００℃の温度に保持することにより、行われても良い。

（ステップＳ１２０）
次に、前述の２層構造無機繊維を用いて開繊処理が行われ、これにより、綿状の積層シートが形成される。開繊処理は、例えば、カーディング法により、実施されても良い。この方法では、ウェブと呼ばれる不織布が形成され、これが多数積層されることにより、積層シートが形成される。

（ステップＳ１３０）
次に、前記積層シートから、「ニードリング法」により、マット材が形成される。

通常の場合、ニードリング法には、ニードリング装置が用いられる。

通常、ニードリング装置は、突き刺し方向（通常は上下方向）に往復移動可能なニードルボードと、積層シートの表面および裏面の両面側に設置された一対の支持板とで構成される。ニードルボードには、積層シートに突き刺すための多数のニードルが、例えば約２５〜５０００個／１００ｃｍ^２の密度で取り付けられている。また各支持板には、ニードル用の多数の貫通孔が設けられている。従って、一対の支持板によって積層シートを両面から押さえつけた状態で、ニードルボードを積層シートの方に近づけたり遠ざけたりすることにより、ニードルが積層シートに抜き差しされ、無機繊維が交絡されたマット材が形成される。

また、別の構成として、ニードリング装置は、２組のニードルボードを備えても良い。各ニードルボードは、それぞれの支持板を有する。２組のニードルボードを、それぞれ、積層シートの表面および裏面に配設して、各支持板で積層シートを両面から固定する。ここで、一方のニードルボードには、ニードリング処理時に他方のニードルボードのニードル群と位置が重ならないように、ニードルが配置されている。また、それぞれの支持板には、両方のニードルボードのニードル配置を考慮して、積層シートの両面側からのニードリング処理時に、ニードルが支持板に当接しないように、多数の貫通孔が設けられている。このような装置を用いて、２組の支持板で積層シートを両面側から挟み、２組のニードリングボードで積層シートの両側からニードリング処理が行われても良い。このような方法でニードリング処理を行うことにより、処理時間が短縮される。

（ステップＳ１４０）
次に、必要に応じて、マット材の加熱処理が実施されても良い。前述のような、ガラス繊維を酸処理することにより２層構造無機繊維を形成する方法の場合、得られた２層構造無機繊維を加熱処理することにより、２層構造無機繊維、さらには、最終的に得られるマット材の耐薬品性が向上する。これは、加熱処理により、２層構造無機繊維の表層の緻密性が向上するためである。

加熱処理は、例えば、４００℃〜８００℃の温度で実施される。

なお、マット材の加熱処理は、必ずしもこの段階で実施する必要はない。例えば、マット材の加熱処理は、前述のステップＳ１１０とステップＳ１２０の間に実施されても良い。

一般に、マット材のハンドリング性を向上させるため、得られたマット材には、樹脂のような有機バインダが含浸される。有機バインダとしては、前述のようなものが使用される。なお、有機バインダは、必ずしも添加する必要はない。

最後に、このようにして製造されたマット材が所定の形状に裁断され（例えば図１に示す形状）、本発明によるマット材が製作される。

（本発明によるマット材の別の製造方法）
次に、図６を参照して、本発明によるマット材の別の製造方法（第２の方法）の一例について説明する。

図６は、本発明によるマット材の別の製造フローの一例を概略的に示した図である。

この第２の製造方法は、
（Ａ）前述のような特徴を有する２層構造無機繊維を形成するステップ（Ｓ２１０）と、
（Ｂ）２層構造無機繊維を用いて、スラリーを調製するステップ（Ｓ２２０）と、
（Ｃ）前記スラリーから、抄造法によりマット材を形成するステップ（Ｓ２３０）と、
を有する。なお、必要な場合、さらにステップＳ２１０とステップＳ２２０の間、またはステップＳ２３０の後に、
（Ｄ）得られた２層構造無機繊維（ステップＳ２１０とステップＳ２２０の間に実施する場合）、または得られたマット材（ステップＳ２３０の後に実施する場合）を加熱処理するステップ（Ｓ２４０）を実施しても良い。

この方法では、いわゆる「抄造法」により、マット材が製作される。「抄造法」とは、抄造型に無機繊維のスラリーを流し込み、この抄造型を吸引脱水してマット材を得る方法の総称である。

以下、各ステップについて、詳しく説明する。

（ステップＳ２１０）
この２層構造無機繊維を形成するステップは、前述のニードリング法におけるステップＳ１１０の工程と実質的に等しいため、説明は省略する。

なお、ガラス繊維の長さは、特に限られないが、この方法の場合、ガラス繊維は、比較的短いものが好ましい。ガラス繊維の「平均長さ」は、例えば、３ｍｍ〜１５ｍｍの範囲である。ガラス繊維の直径は、特に限られず、「平均直径」は、例えば、８μｍ〜１２μｍの範囲である。

（ステップＳ２２０）
次に、ステップＳ２１０で得られた２層構造無機繊維を用いて、以下の方法により、スラリーが調製される。

まず、前述の方法で調製した所定量の２層構造無機繊維と、有機バインダとを水に入れて、混合する。さらに、これに、無機バインダおよび／または凝集剤を添加しても良い。

無機バインダとしては、例えばアルミナゾルおよびシリカゾル等が使用される。また有機バインダとしては、ラテックス等が使用される。有機バインダの含有量は、２０重量％以内であることが好ましい。２０重量％よりも多くなると、排気ガス処理装置から排出される有機成分の量が有意に増加する。

次に、得られた混合物を抄紙器等の混合器内で撹拌し、開繊されたスラリーを調製する。通常、撹拌は、２０秒〜１２０秒程度行われる。

（ステップＳ２３０）
次に、得られたスラリーを用いて、抄造法により、マット材が製作される。

まず、スラリーが、例えば底部に微細な孔の開いた成形器に導入される。さらに、例えば、成形器の下側から、吸引装置等により、水分を吸引し、脱水処理を行うことにより、所定の形状の原料マットが得られる。

次に、この原料マットをプレス器等を用いて圧縮し、所定の温度で加熱、乾燥させることにより、マット材が製作される。圧縮処理は、通常圧縮後のシート密度が０．１０ｇ／ｃｍ^３〜０．４０ｇ／ｃｍ^３程度となるように行われる。加熱乾燥処理は、原料マットをオーブン等の熱処理器内に設置し、例えば９０〜１８０℃の温度で、５〜６０分程度行われる。

（ステップＳ２４０）
以上の工程により、本発明によるマット材を製造することができるが、ステップＳ２１０と、ステップＳ２２０の間に、さらに、２層構造無機繊維の加熱処理を実施しても良い。これにより、前述のように、２層構造無機繊維、さらには最終的に得られるマット材の耐薬品性をさらに高めることができる。

なお前述のように、第２の方法の場合、加熱処理は、必ずしもこの段階で実施する必要はない。例えば、加熱処理は、ステップＳ２３０の後に実施されても良い。

以下、本発明の効果を実施例により説明する。

（実施例１）
平均直径９μｍφ、平均長さが７５ｍｍのＥ−ガラス製繊維を準備し、これを酸処理した。酸処理は、Ｅ−ガラス製繊維を、６０℃の１Ｎ塩酸中に２０分間浸漬させることにより実施した。これにより、シリカ（ＳｉＯ_２）の含有量が高い表層と、Ｅ−ガラス製コア部とを有する２層構造無機繊維が得られた。

なお、２層構造無機繊維が形成されていることは、ＥＰＭＡライン分析により確認した。また、２層構造無機繊維の表層に含まれるシリカ（ＳｉＯ_２）の含有量をＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析により測定したところ、シリカ（ＳｉＯ_２）の含有量は、９４．４８ｗｔ％であった。

さらに、２層構造無機繊維全体に含まれる代表的な成分の平均的な含有量（すなわち、コア部と表層とを区別しない場合の含有量）を分析した。ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯおよびＣａＯは、２層構造無機繊維全体を、フラックス（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７）を用いて溶融固化させた後、蛍光Ｘ線法により分析した。Ｂ_２Ｏ_３は、ＩＣＰ発光分析法により分析した。

表１には、測定結果を示す。この表には、参考のため、酸処理前のＥ−ガラス製繊維の代表的な成分の含有量についても示した。

この結果から、２層構造無機繊維全体には、６５．６ｗｔ％のシリカ（ＳｉＯ_２）が含まれており、この量は、酸処理前のＥ−ガラス製繊維に含まれるシリカ（ＳｉＯ_２）の含有量（５４．５ｗｔ％）よりも高いことがわかる。

次に、この２層構造無機繊維を大気炉内に設置し、７００℃で２０分間の加熱処理を実施した。

次に、得られた２層構造無機繊維を用いて、前述の「抄造法」により、マット材を製作した。

まず、２層構造無機繊維、有機バインダ（ラテックス）、および無機バインダ（アルミナゾル）を水に入れて、混合する。次に、得られた混合物を混合器内で、６０秒間撹拌し、開繊されたスラリーを調製した。次に、得られたスラリーを底部に微細な孔の開いた成形器に注入した。成形器の下側から、吸引装置を用いて水分を吸引することにより、原料マットを得た。

次に、得られた原料マットをプレス器を用いて圧縮した。さらに、この原料マットを、オーブン内に設置し、１５０℃で、６０分間保持することにより、実施例１に係るマット材が得られた。

（実施例２）
実施例１と同様の方法により、実施例２に係るマット材を製作した。ただし、実施例２では、酸処理後に、２層構造無機繊維の加熱処理は、実施しなかった。その他の条件は、実施例１の場合と同様である。

（比較例１）
実施例１と同様の方法により、比較例１に係るマット材を製作した。ただし、比較例１では、Ｅ−ガラス製繊維の酸処理および加熱処理は、行わなかった。すなわち、比較例１では、Ｅ−ガラス製繊維をそのまま用いて、マット材を製作した。

（比較例２）
実施例１と同様の方法により、比較例２に係るマット材を製作した。ただし、比較例２では、酸処理は、Ｅ−ガラス製繊維を、６０℃の１Ｎ塩酸中に２４時間浸漬させることにより実施した。この酸処理後には、Ｅ−ガラス製繊維は、シリカ（ＳｉＯ_２）の単相状態となった。

その後、得られた酸処理繊維に対して、７００℃で２０分間の加熱処理を実施した。

その他のマット材の製作条件は、実施例１の場合と同様である。

（サイクル試験）
各マット材の圧縮／復元の繰り返し負荷後の保持力の変化を把握するため、実施例１、比較例１、および比較例２の各サンプルを用いて、サイクル試験を行った。

サイクル試験は、サイクル試験装置を用いて実施した。図７には、サイクル試験装置の概略を示す。

サイクル試験装置７００は、下台７１０と、該下台７１０の上部に配置される上台７２０と、を備える。下台７１０および上台７２０は、同一の形状および寸法を有し、鉛直方向に揃うように配置される。また下台７１０および上台７２０は、いずれも内蔵ヒータ（図示されていない）を有しており、下台７１０および上台７２０のそれぞれを、所定の温度まで昇温することができる。下台７１０は、該下台７１０の下面で支持体７３０と接続されている。支持体７３０は、非可動式であり、このため、下台７１０も固定されている。一方、上台７２０は、該上台７２０の上面で支持体７４０と接続されている。支持体７４０は、鉛直方向に移動することが可能であり、このため、上台７２０も上下に可動である。また、上台７２０は、ロードセルとなっており、上台７２０と下台７１０が接触された状態では、上台７２０の下面に加わる荷重を測定することができる。

このようなサイクル試験装置を用いて、以下の手順により、各サンプルの圧縮／復元繰り返し負荷後の保持力の変化を測定した。

まず、サイクル試験装置７００において、下台７１０の上面に、前述のいずれかのサンプル７５０（５６．４２ｍｍφ）が設置される。次に、支持体７４０を下降させることにより、上台７２０が下降される。上台７２０は、サンプル７５０の見かけの密度ＧＢＤが０．３８ｇ／ｃｍ^３となるまで下降される。なお、ＧＢＤは、（サンプル７５０の質量／サンプル７５０の面積／サンプル７５０の厚さ）で求められる指標値である。

次に、下台７１０および上台７２０の温度がそれぞれ、３００℃および５００℃となるように（すなわち、サンプル７５０の下面側の温度が３００℃となり、上面側の温度が５００となるように）、下台７１０および上台７２０内のヒータを加熱する。

昇温中は、上台７２０を徐々に上昇させ、サンプル７５０がこれらの所定の温度に昇温された際に、サンプルの見かけの密度ＧＢＤが０．３５ｇ／ｃｍ^３となるように、サンプルの圧縮を徐々に開放する。

下台７１０および上台７２０の温度がそれぞれ、３００℃および５００℃となった状態で、見かけの密度ＧＢＤを０．３５ｇ／ｃｍ^３に維持したまま、サンプル７５０を５分間保持する。その後、サンプルの見かけの密度ＧＢＤが０．３８ｇ／ｃｍ^３となるまで、上台７２０を下降させた後、上台７２０を見かけの密度ＧＢＤが０．３５ｇ／ｃｍ^３となるまで上昇させる。このときの荷重をロードセルで測定し、これを１サイクル後のサンプルの保持力（Ｐ_１）（単位ｋＰａ）とする。

このような操作を１０００回繰り返す。１０００回目に、サンプルの見かけの密度ＧＢＤが０．３５ｇ／ｃｍ^３となるまで、上台７２０を上昇させたときのロードセルの荷重（Ｐ_１０００）（単位ｋＰａ）を測定する。

得られた結果から、以下の式により、サンプルの保持力の低下率を測定した。

保持力の低下率Ｄ（％）
＝｛（Ｐ_１−Ｐ_１０００）／（Ｐ_１）｝×１００ （１）式

表２には、各サンプルのサイクル試験によって得られた１サイクル後のサンプルの保持力（Ｐ_１）、１０００サイクル後のサンプルの保持力（Ｐ_１０００）、および保持力の低下率Ｄ（％）をまとめて示す。

この結果から、実施例１のサンプルは、比較例１および比較例２のサンプルに比べて、保持力の低下率Ｄ（％）が有意に小さくなっていることがわかる。

（加熱処理の効果について（参考））
実際の排気ガス処理装置において使用される保持シール材は、排気ガスに含まれる各種化学成分に晒される。そのため、マット材に含まれる無機繊維は、良好な耐薬品性を有することが好ましい。

このような観点から、参考のため、実施例１および２において使用した２層構造無機繊維を使用して、耐薬品性の評価試験を行った。

試験は、２層構造無機繊維（１ｇ）を９０℃の３Ｎ塩酸中に３時間浸漬し、浸漬前後の２層構造無機繊維の重量変化を測定することにより実施した。

実施例１で使用した２層構造無機繊維の場合、重量変化量は、４．８％であった。一方、実施例２で使用した２層構造無機繊維の場合、重量変化量は、１０．１％であった。

この結果から、ガラス繊維の酸処理によって２層構造無機繊維を形成した場合、２層構造無機繊維の加熱処理を実施することにより、耐薬品性が向上することがわかった。

これは、以下のように推察される。酸処理直後の２層構造無機繊維に含まれる表層は、酸処理の際に、シリカ（ＳｉＯ_２）を除く他のガラス繊維構成成分が除去されることにより形成された、多数の微細なポアを有するものと考えられる。このようなポアが多数存在すると、２層構造無機繊維が酸などの化学成分に晒される領域が増し、その結果、無機繊維の劣化が加速される。一方、加熱処理を実施した場合、このような微細なポアが消滅し、表層が緻密化する。そのため、２層構造無機繊維が化学成分に晒される領域が相対的に減り、耐薬品性が向上するものと考えられる。

本発明のマット材は、車両等に使用される排気ガス処理装置の保持シール材に適用することができる。

１０ 排気ガス処理装置
１２ 金属ケーシング
２０ 排気ガス処理体
２４ 保持シール材
３０ マット材
５０ 嵌合凸部
６０ 嵌合凹部
３００ ２層構造無機繊維
３１０ コア部
３２０ 表層
７００ サイクル試験装置
７５０ サンプル。

Claims (18)

1. 複数の無機繊維を含むマット材であって、
   前記無機繊維の少なくとも一部は、コア部と該コア部を取り囲む表層とを有し、
   前記表層には、前記コア部よりも多くのシリカ（ＳｉＯ_２）が含まれていることを特徴とするマット材。
2. 前記表層には、９０ｗｔ％以上のシリカ（ＳｉＯ_２）が含まれていることを特徴とする請求項１に記載のマット材。
3. 前記コア部と表層とにより構成された無機繊維全体に含まれるシリカ（ＳｉＯ_２）の含有量は、６０％以上１００％未満であることを特徴とする請求項１または２に記載のマット材。
4. 前記コア部と表層とにより構成された無機繊維の平均直径は、８μｍ〜１２μｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のマット材。
5. 前記コア部は、シリカ（ＳｉＯ_２）を５２ｗｔ％〜５６ｗｔ％、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を１２ｗｔ％〜１６ｗｔ％、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を最大６ｗｔ％、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）を５ｗｔ％〜１０ｗｔ％、酸化カルシウム（ＣａＯ）を１６ｗｔ％〜２５ｗｔ％含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載のマット材。
6. さらに、有機バインダを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載のマット材。
7. 排気ガスの流通する２つの開口面を有する排気ガス処理体と、
   前記排気ガス処理体の開口面を除く外周面の少なくとも一部に巻き付けて使用される保持シール材と、
   該保持シール材が巻き回された前記排気ガス処理体を収容する筒状部材と、
   で構成される排気ガス処理装置であって、
   前記保持シール材は、請求項１乃至６のいずれか一つに記載のマット材で構成されることを特徴とする排気ガス処理装置。
8. 前記排気ガス処理体は、触媒担持体または排気ガスフィルタであることを特徴とする請求項７に記載の排気ガス処理装置。
9. 無機繊維を含むマット材を製造する方法であって、
   （Ａ）コア部と該コア部を取り囲む表層とを有する無機繊維を形成するステップであって、前記表層には、前記コア部よりも多くのシリカ（ＳｉＯ_２）が含まれるステップと、
   （Ｂ）前記ステップ（Ａ）の無機繊維を用いて、積層シートを調製するステップと、
   （Ｃ）前記積層シートから、ニードリング法によりマット材を形成するステップと、
   を有することを特徴とする方法。
10. さらに、
    （Ｄ１）前記ステップ（Ａ）の後であって、前記ステップ（Ｂ）の前に、前記ステップ（Ａ）の無機繊維を４００℃〜８００℃の温度範囲で加熱処理するステップ、または
    （Ｄ２）前記ステップ（Ｃ）の後に、前記マット材を４００℃〜８００℃の温度範囲で加熱処理するステップ
    を有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記ステップ（Ｂ）において使用される無機繊維は、５０ｍｍ〜１００ｍｍの平均長さを有することを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記ステップ（Ａ）は、シリカ（ＳｉＯ_２）を含むガラス繊維を酸処理するステップを有することを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一つに記載の方法。
13. 前記ガラス繊維は、シリカ（ＳｉＯ_２）を５２ｗｔ％〜５６ｗｔ％、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を１２ｗｔ％〜１６ｗｔ％、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を最大６ｗｔ％、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）を５ｗｔ％〜１０ｗｔ％、酸化カルシウム（ＣａＯ）を１６ｗｔ％〜２５ｗｔ％含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 無機繊維を含むマット材を製造する方法であって、
    （Ａ）コア部と該コア部を取り囲む表層とを含む無機繊維を形成するステップであって、前記表層には、前記コア部よりも多くのシリカ（ＳｉＯ_２）が含まれるステップと、
    （Ｂ）ステップ（Ａ）の無機繊維を用いて、スラリーを調製するステップと、
    （Ｃ）前記スラリーから、抄造法によりマット材を形成するステップと、
    を有することを特徴とする方法。
15. さらに、
    （Ｄ１）前記ステップ（Ａ）の後であってステップ（Ｂ）の前に、前記ステップ（Ａ）の無機繊維を４００℃〜８００℃の温度範囲で加熱処理を実施するステップ、または
    （Ｄ２）前記ステップ（Ｃ）の後に、前記マット材を４００℃〜８００℃の温度範囲で加熱処理を実施するステップ
    を有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記ステップ（Ｂ）において使用される無機繊維は、３ｍｍ〜１５ｍｍの平均長さを有することを特徴とする請求項１４または１５に記載の方法。
17. 前記ステップ（Ａ）は、シリカ（ＳｉＯ_２）を含むガラス繊維を酸処理するステップを有することを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか一つに記載の方法。
18. 前記ガラス繊維は、シリカ（ＳｉＯ_２）を５２ｗｔ％〜５６ｗｔ％、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を１２ｗｔ％〜１６ｗｔ％、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を最大６ｗｔ％、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）を５ｗｔ％〜１０ｗｔ％、酸化カルシウム（ＣａＯ）を１６ｗｔ％〜２５ｗｔ％含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。

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