生產膠結并具有表皮的陶瓷蜂窩結構的方法技術

在用于向陶瓷蜂窩施加表皮、或將所述陶瓷蜂窩與另外的蜂窩或另一種材料粘合的膠結劑組合物中提供有機聚合物粒子。所述有機聚合物粒子的存在減少了所述膠結劑組合物滲透過所述蜂窩的多孔壁。以這種方式，看到蜂窩巢室堵塞較少，并且減少了當膠結劑組合物施加于陶瓷蜂窩時經常看到的熱沖擊性能降低。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】【專利摘要】在用于向陶瓷蜂窩施加表皮、或將所述陶瓷蜂窩與另外的蜂窩或另一種材料粘合的膠結劑組合物中提供有機聚合物粒子。所述有機聚合物粒子的存在減少了所述膠結劑組合物滲透過所述蜂窩的多孔壁。以這種方式，看到蜂窩巢室堵塞較少，并且減少了當膠結劑組合物施加于陶瓷蜂窩時經常看到的熱沖擊性能降低。【專利說明】本申請要求2011年7月22日提交的美國臨時申請N0.61/510，811的優先權。本專利技術涉及制造陶瓷蜂窩結構的方法。具有薄壁、開放巢室(cell)的蜂窩狀結構廣泛地用作過濾器和作為催化劑載體應用。它們經常通過過濾掉微粒(例如煙塵粒子)和/或氣溶膠微滴用于處理燃燒氣體，或作為將排氣的某些組分(例如NOx化合物)催化轉化成無害化合物(例如N2和H2O)的催化材料的載體。這些蜂窩狀結構經常被稱為“壁流”裝置，因為所述巢室壁是多孔的并且當應用所述結構時氣體透過所述壁。流體在它們透過所述多孔壁時被過濾和/或接觸活性催化劑材料。用于處理燃燒氣體的蜂窩通常由陶瓷材料制成，因為所述蜂窩在它使用期間要經歷高溫。陶瓷蜂窩以擠塑方法制造。前體材料、液體(通常是水)、通常致孔劑和一種或多種粘合劑的可擠塑混合物通過模頭擠出，形成具有所需的蜂窩結構的生坯。生坯然后在一個或多個步驟中焙燒，形成陶瓷蜂窩。 膠結劑經常施加于所述蜂窩，主要是出于兩種原因。首先，陶瓷“表皮”通常施加于蜂窩結構周緣。這防止氣體從蜂窩的側面逸出。所述“表皮”通過焙燒包含無機粘合劑和通常一些陶瓷纖維的膠結材料而制成。其次，在有些情況下，兩個或更多個較小的蜂窩被膠結在一起形成較大的蜂窩結構。這允許由較容易生產的較小節段構造較大的蜂窩。這樣做的另一個優點是以這種方式制造的分段式蜂窩比整塊式蜂窩更抗熱沖擊。所述膠結劑組合物，如“表皮”組合物，包含無機粘合劑，并且被焙燒以產生所述膠結劑。在所述表皮或膠結劑施加過程期間，所述粘合劑由于毛細作用遷移通過蜂窩結構的孔隙，并滲入相鄰的巢室中。當焙燒所述膠結組合物時，以這種方式遷移的粘合劑部分或完全地堵塞那些巢室。這引起了若干問題。穿過所述堵塞或部分堵塞的巢室、以及作為整體的蜂窩結構有較高的壓降。因此，需要更多的功迫使氣體通過所述過濾器。在內燃機環境下，這導致燃料效率損失。堵塞或部分堵塞的巢室還可以以幾種方式降低所述過濾器的熱穩固性。所述堵塞減少了氣流通過受影響的巢室，這可產生局部較高或較低的溫度以及整個所述過濾器中更高的溫度梯度。由于所述堵塞的或部分堵塞的巢室，捕獲的煙塵或其它粒子在整個過濾器中變得分布不均勻。另外，由于存在從膠結劑遷移進入的無機粘合劑，蜂窩基材的彈性模量局部變得較高。這可導致在所述過濾器局部部分的材料熱沖擊性能降低。所有這些因素可促進機械和/或熱故障。因為較難以在堵塞的或部分堵塞的巢室中產生必要的再生溫度，所以所述堵塞的或部分堵塞的巢室也降低了再生效率。因此，希望找到一種經濟有效的方式來減少那些粘合劑遷移到蜂窩結構的巢室中。實現它的一種方式是引入阻斷粘合劑通過蜂窩壁的孔隙的物理屏障。在這種方式中，聚合涂層被施加于待施加膠結劑的蜂窩結構表面。膠結劑則施加在所述聚合涂層上，并且所述涂層在焙燒所述膠結劑時或之前被燒掉。這種方式是有效的，但是需要進行幾個附加的加工步驟(施加并干燥所述聚合物涂層)，因此增加了生產成本。需要的是更便宜然而有效的防止粘合劑遷移的方式。本專利技術是將膠結層施加到多孔陶瓷蜂窩結構上的方法，所述方法包括以下步驟:(a)向陶瓷蜂窩的至少一個多孔表面施加膠結劑組合物，所述陶瓷蜂窩包含由相交的多孔壁限定的多個軸向延伸的巢室，和(b)焙燒所述蜂窩和膠結劑組合物，其中所述膠結劑組合物含有至少一種無機粘合劑、至少一種無機填充劑、載液和分散在所述載液中的粒度從約10納米至100微米的有機聚合物粒子。已經發現，在所述膠結劑組合物中存在少量有機聚合物粒子非常有效地減少了無機粘合劑遷移通過蜂窩壁的孔隙。于是，較少的巢室發生堵塞，并且改善了與堵塞有關的問題。這種結果相當令人驚訝，因為，與以前的方法不同，在施加膠結劑組合物之前沒有向所述蜂窩施加聚合物層并且干燥。相反，在膠結劑組合物中存在所述聚合物粒子足以減少粘合劑遷移。粘合劑遷移減少導致較少的巢室堵塞，這進而導致通過所述過濾器的較小的壓降，并在蜂窩使用和/或再生時在所述蜂窩內產生較小的溫度梯度。因為粘合劑遷移減少，底下的蜂窩基材的彈性模量很少或沒有出現增加，并且沒有顯著危害蜂窩的抗熱沖擊性。所述陶瓷蜂窩的特征在于具有軸向延伸通過蜂窩體長度的多個巢室。所述巢室由多個同樣軸向延伸通過所述蜂窩長度的相交壁限定。所述壁和所述交點限定巢室的數量以及它們的橫截面形狀和尺寸。許多過濾或催化應用中的典型的蜂窩將含有25至1000個巢室/平方英寸(約4至150個巢室/平方厘米)橫截面積(即橫截所述巢室的縱向延伸)。壁厚通常為0.05至10_，優選從0.2至1_，雖然更大或更小的壁厚也可能使用。所述陶瓷蜂窩的壁是多孔的。壁的孔隙度可以低到5體積％或高達約90體積％。優選的孔隙度是至少25體積％，更優選的孔隙度是至少40體積％和還更優選的孔隙度是至少50體積％。孔隙度可通過各種浸沒法或水銀孔率法測量。所述壁孔隙的體積平均孔徑是至少5微米并尤其是至少10微米`，最多50微米，最多35微米或最多25微米。“孔徑”為了本專利技術的目的表示為通過水銀孔率法(其假定圓柱形孔隙)測量的表觀體積平均孔徑。所述陶瓷蜂窩可以是整塊的(即在單片中形成)，或可以是較小蜂窩的組件，所述較小蜂窩單獨制造然后通常利用陶瓷膠結劑組裝在一起。在這樣的組件中的陶瓷膠結劑在一些實施方式中是如本文中所述的焙燒膠結劑組合物。所述陶瓷蜂窩可以由無機材料例如氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氮氧化硅、碳氮化硅、莫來石、堇青石、3 -鋰輝石、鈦酸鋁、硅酸鍶鋁或硅酸鋰鋁制成。在優選實施方式中，所述陶瓷蜂窩的至少一部分是針狀莫來石。在一些實施方式中，針狀莫來石蜂窩將含有至少0.5重量％殘余氟,它是在氟黃玉(fluorotopaz)分解形成針狀莫來石針結構之后殘留的。所述膠結劑組合物含有至少一種無機粘合劑、至少一種無機填充劑、載液和分散在所述載液中的粒度為約10納米至100微米的有機聚合物粒子。合適的無機粘合劑是在焙燒所述膠結劑組合物時形成玻璃狀粘合劑相的材料。合適的粘合劑包括膠態二氧化硅、膠態氧化鋁、或膠態二氧化硅和膠態氧化鋁的混合物。無機粘合劑可以占所述膠結劑組合物的固體部分重量的10至70%，優選15至50%并更優選20至40%。所述組合物中的“固體”是在焙燒步驟完成之后殘留的那些無機材料。所述無機填充劑粒子是在焙燒膠結劑組合物時不形成粘合相的材料，并因此區別于所述膠結劑組合物的無機粘合劑組分。所述無機填充劑粒子在整個焙燒過程中反而保持它們的微粒本質，雖然它們可以通過所述粘合相與其它粒子或與無機纖維結合。所述填充劑粒子可以是非晶的、部分結晶或完全結晶的。所述無機填充劑粒子可以含有被玻璃包圍的結晶相。所述填充劑粒子可以具有與陶瓷蜂窩的熱膨脹系數非常匹配的熱膨脹系數。在200°C至600°C的溫度范圍內，所述填充劑粒子的平均熱膨脹系數可以，例如，與陶瓷蜂窩相差不超過2ppm/°C，優選不超過lppm/°C。在一些實施方式中，所述本文檔來自技高網...

【技術保護點】
用于將膠結層施加到多孔陶瓷蜂窩結構上的方法，所述方法包括以下步驟：（a）向陶瓷蜂窩的至少一個多孔表面施加膠結劑組合物，所述陶瓷蜂窩包含由相交的多孔壁限定的多個軸向延伸的巢室，和（b）焙燒所述蜂窩和膠結劑組合物，其中所述膠結劑組合物含有至少一種無機粘合劑、至少一種無機填充劑、載液和分散在所述載液中的粒度為約10納米至100微米的有機聚合物粒子。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：P·C·沃塞杰普卡，蔡軍，A·科蒂施，
申請(專利權)人：陶氏環球技術有限責任公司，
類型：
國別省市：