具有塗覆通道的多孔陶瓷製品及其製造方法
2023-08-08 10:37:51
專利名稱：具有塗覆通道的多孔陶瓷製品及其製造方法
具有塗覆通道的多孔陶瓷製品及其製造方法相關申請交叉參考本申請根據35U.S.C.§ 119要求2010年8月31日提交的美國臨時申請序列第61/378486號的優先權，以其內容為基礎並通過參考全文結合於此。背景本發明一般涉及多孔陶瓷製品，更具體涉及具有通道的多孔陶瓷製品，所述通道在生坯狀態下塗覆有漿液材料。由擠出的蜂窩陶瓷製造的柴油機微粒過濾器和催化劑基材是現代發動機中位於處理系統之後的關鍵部件，用來滿足當前和未來的排放法規要求。堇青石是目前用於基材的主流材料選擇，也可用於柴油機微粒過濾器，尤其是重負荷應用中。還可考慮將基於堇青石的過濾器用於汽油機微粒過濾器，如果未來的排放標準有這種要求的話。其他材料選擇包括穩定化的鈦酸鋁(AT)和碳化矽(SiC)，重結晶的或Si粘結的都可以。這些產品通常通過以下方式製造:擠出過程，然後是乾燥和高溫熱處理過程(燒制)。對於過濾器，還需要額外的步驟來堵塞蜂窩通道。堇青石和鈦酸鋁蜂窩體是合成陶瓷，其使用的擠出批料主要包含在燒制步驟中進行反應從而形成成品陶瓷的前體材料，例如氧化鋁、氧化矽、氧化鈦等。添加額外的組分以調節流變性質並幫助形成具有所需結構的孔隙。因為僅在原料在高溫熱處理過程中進行化學反應之後才獲得最終材料，所以在該處理之前，通常將蜂窩結構和批料材料稱為處於「生坯」狀態。除了可能的材料差別，目前用於過濾器和基材的蜂窩結構的差別還在於:單位面積的孔道數量，通常表述為每平方英寸孔數(cpsi);網狀物厚度；以及壁材料的孔隙率特徵，即孔隙率和孔徑分布。目前製造的所有商業化擠出產品都具有沿著從入口面到出口面的壁以及穿過從一個通道到相鄰通道的壁板的基本均勻的孔隙率和孔徑分布，所述多孔特徵主要由生坯批料的組成以及隨後的熱處理步驟決定。而且，這些產品具有基本恆定的從入口到出口的壁板厚度，該厚度由擠出模頭的尺寸決定。相比之下，在商業上也能得到在徑向方向具有變化的壁板厚度(即壁板物厚度從中心到外皮增大)從而提高機械強度的產品。這種變化通常通過擠出模頭的不同狹縫尺寸進行設計，所述尺寸沿著部件主軸同樣沒有變化。
對於只要求基材的應用(沒有像柴油機微粒過濾器那樣對通道進行堵塞)，通常通過修補基面塗覆工藝在基材上設置催化活性材料。在這種工藝中，催化活性材料以漿液形式施加，漿液中分散並溶解有催化劑材料。由於粉漿澆注效應的驅使，催化劑顆粒主要沉積在基材的幾何形狀表面上，有一些部分事實上穿透到基材孔隙結構中並發揮固定錨的作用，在塗層和基材壁之間提供良好的粘合。要增大粘合程度，優選採用具有高孔隙率的網狀表面和定製的孔徑。但是，要防止塗料過度地穿透到壁中，以免由於擴散限制而降低催化劑的利用率，優選採用具有較低孔隙率的網狀表面和較細的孔隙。另外，孔隙率非常低的基材在機械強度方面具有優勢。對於所謂壁流式過濾器內的煙炱過濾情況，如目前在柴油機發動機上所使用的，隨著煙炱被捕集到過濾器壁中，壓降增大。從發動機運行和燃料經濟性方面考慮，這種情況是不利的。要控制系統的整體壓降，需要使過濾器頻繁接觸某些條件(再生)，在接觸過程中，對累積的碳基物質進行氧化。一般來說，壓降由蜂窩體的幾何性質決定，即:通道的水壓直徑、供流動的開放面積、壁板厚度和幾何形狀或過濾面積。另外，在存在煙炱的情況下，由於穿透到微結構中的煙炱量(深床過濾)以及累積在過濾器壁表面上的煙炱量(餅過濾)，壓降增大。由於多孔壁中的流動限制以及較高比速度的原因，深床煙炱(沉積在多孔壁內)對壓降的影響比作為濾餅沉積的煙炱對壓降的影響明顯更為顯著。已經觀察到，當孔徑減小時，通常在中值孔徑低於約10微米時，該影響降低。使孔徑減小產生的缺點是，即使在沒有煙炱的情況下，壁的滲透性也會成比例地隨著孔徑的平方降低，並隨著壁厚度線性降低。因此，用孔徑大且孔隙率高的基材支承的孔徑小且孔隙率高的薄表面層能解決上述至少一些問題。如上所述，這種壓降隨著煙炱累積而增大的現象需要頻繁再生過濾器並通過氧化除去累積的煙炱。在某些情況下，即稱為不受控再生的情況下，在這種氧化步驟中釋放的熱量可能很明顯，導致過濾器內的溫度升高。在極端情況下，這會導致過濾器因為熱應力甚至熔化而損壞。對於過濾器材料已經發現，在體積熱容量(體相密度X比熱容量)與極端煙炱再生情況下觀察到的峰值溫度之間存在強烈關聯。對於高的體積熱容量值，觀察到較低的溫度。所以，對於具有給定的比熱容量(焦耳/千克.開爾文)的給定材料和給定的最高溫度，需要較高的體相密度才能提高煙炱質量限制。後者可通過使用孔隙率較低的材料或設計具有較小開放通道體積(即較厚壁板)的過濾器來實現。在過濾器應用中，通常在過濾器出口處觀察到最高的溫度，因此，在出口處具有較高密度能減緩溫度的升高。但是對於壓降，優選具有較高孔隙 率和較薄壁的過濾器。類似於上述關於基材的權衡，過濾器設計必須進行優化以平衡這些矛盾的特徵，但是這些設計都未能顯示出可通過連續擠出工藝經濟地實現。目前不僅將催化活性材料塗覆在基材上，還將其塗覆在一些過濾器上。已堵塞的微粒過濾器的催化塗層通常存在於多孔壁結構之內。從滲透性方面考慮這在許多情況下是優選的，經常是塗覆工藝導致的結果，在這些塗覆工藝中，由於過濾器通道具有交替的堵塞圖案，所以迫使漿液流過壁。共同的限制條件是，由於存在超過一種類型的催化活性材料，所以要通過壁板或壁對催化劑的功能性進行任何分離在技術上是難以實現的。採用在壁的一側具有小孔隙的不對稱孔隙結構將有助於過篩/粉漿澆注從壁的該側施加的漿液中的催化劑顆粒，防止其明顯穿透到孔隙結構中。可以從壁板的另一側施加另外的催化劑材料，使其例如沉積到多孔壁結構中。對於具有均勻孔徑和穿過壁板的孔隙結構的現有過濾器產品，這即便不是不可能，也是極其困難的。以上應用實例雖然不是窮盡性的，但也證明需要這樣的基材和過濾器基材主體，即其壁板沿著壁板從入口面到出口面具有不同的性質，或者穿過壁板從一個通道到相鄰通道具有不同的性質。但是，這些設計無法通過連續擠出工藝以經濟、可行的方式實現。產生在壁板規模上具有這種可變性的結構的現有方法以向燒制後的基材主體施加漿液為基礎，類似於上述催化劑塗覆工藝。但是，這些方法需要額外的熱處理步驟，一般會產生具有不同熱機械性質的界面，從而導致熱應力，並且由於孔隙結構不連續而是存在於分開的層中而具有較低的滲透性。通過使用多個具有性質梯度的層可以解決後一個問題，但是這要以高製造成本為代價。
發明概述本發明的一種實施方式涉及製造多孔陶瓷製品的方法。該方法包括提供一種生坯多孔陶瓷體，其包含粘合劑材料和多個通道。此外，該方法包括用包含生坯塗層組合物和溶劑的漿液塗覆多個通道中的至少一個通道，從而在所述多個通道中的至少一個通道上形成塗層。在用漿液進行塗覆時，優選粘結劑不溶於溶劑中，並且所述多個通道中的至少一個通道未堵塞。本發明的另一個實施方式涉及生坯多孔陶瓷體。該生坯多孔陶瓷體包括粘結劑材料和多個通道。在多個通道中的至少一個通道上存在塗層。該塗層由包含生坯塗層組合物和溶劑的漿液形成。優選粘結劑材料不溶於溶劑，被塗層塗覆的所述多個通道中的至少一個通道未堵塞。本發明的另一個實施方式涉及由生坯多孔陶瓷體燒製得到的多孔陶瓷製品。該生坯多孔陶瓷體包含粘結劑材料和多個通道。在所述多個通道中的至少一個通道上存在塗層。該塗層由包含生坯塗層組合物和溶劑的漿液形成。優選粘結劑材料不溶於溶劑，被塗層塗覆的所述多個通道中的至少一個通道未堵塞。以下詳述中將提出另外的特性和優點，部分特性和優點對於閱讀了本說明書的本領域技術人員而言將是顯而易見的，或可通過如本說明書及其權利要求書和附圖所述實施一些實施方式而了解。應該理解，以上簡述和以下詳述都只是示例性的，目的是提供理解權利要求書的性質和特徵的概況或框架。包括附圖以提供進一步的理解，附圖結合在本說明書中並構成說明書的一部分。
了一種或多種實施方式，與說明書一起解釋各種實施方式的原理和操作。附圖簡要描述圖1A-1C圖示說明了在燒製件的壁而不是生坯件的壁上塗覆塗層組合物；圖2繪出將生坯件浸入具有不同水含量的溶劑組合物中時的每小時重量損失；圖3圖示說明了結合有本文所述塗覆工藝的製造工藝流程圖；圖4A-4B顯示了兩張光學照片，示出根據本文所述工藝對生坯多孔陶瓷體的通道進行塗覆的各方面；圖5A-5F顯示了燒制之後的多孔陶瓷製品的SEM照片，其中位於塗層上的表面區域具有不同於體相陶瓷的表面區域的孔隙率；圖6A-6B顯示了燒制之後的兩個樣品的SEM照片，其中的基材一個塗覆有塗層，另一個沒有塗層；圖7A-7C顯示了燒制後的陶瓷的SEM表面照片，這些陶瓷用於裸露基材、未添加成孔劑的已塗覆基材以及有成孔劑的已塗覆基材；圖8說明負載煙炱之後的信噪比(N/S)；圖9A-9B繪出不同的堵塞DPF型過濾器的壓降和N/S數據；圖10A-10B繪出具有已塗覆和未塗覆通道的堵塞DPF型過濾器的壓降和N/S ；圖11顯示已塗覆和未塗覆DPF過濾器的過濾效率-煙炱負載量的關係圖；和圖12繪出不同的堵塞DPF型過濾器的抗毀性 (survivability)測試結果,所述過濾器的通道塗覆有不同量的塗層。
發明詳述本發明揭示了一種對多孔陶瓷製品的性質進行定製的新穎方法。該方法包括向生坯多孔陶瓷的壁施塗薄的生坯塗層，隨後燒制塗覆件，將塗層和壁都轉化成多孔陶瓷過濾器。生坯多孔體優選是包含無機前體、有機與無機粘結劑、成孔劑、油和水的擠出蜂窩體。生坯塗料優選是合適的液體載體、無機前體和任選成孔劑的混合物，所述液體載體選自不損害生坯基材主體的一些液體。合適的液體載體的一些例子包括具有可接受性質的醇，例如可接受程度的疏水性和揮發性，不過也可使用其他的合適液體。生坯塗料的其他無機和有機原料可以與製造生坯基材主體所用的原料具有類似的性質或者是相同的原料。另外，可採用類似的技術手段定製塗層的性質，例如其孔徑和孔隙率。燒制生坯塗層和基材時，生坯塗層和基材中存在的前體和成孔劑會反應和/或燒盡，導致形成具有良好連接的固體相的多孔陶瓷體。由於塗層以生坯狀態施塗，所以當製品生坯的壁具有比燒制後的主體更低的孔隙率和更小的孔徑時，能夠在整個壁中形成至少兩個相對分立的區域，一個區域由基材材料的生坯組合物決定，另一個區域由塗層的生坯組合物決定。例如，若通道壁的兩側經過塗覆，或者若施加了不同組合物的多個塗層，則可觀察到更多數量的區域。由於優選反應與燒結同時發生，所以所有區域都能良好連接，就固體相而言是連續的。兩個區域中的孔隙空間也可非常良好地連接，因為來自成孔添加劑的氣相產物必須通過塗層逃逸。通過選擇生坯塗層的組成，可明顯改變所得燒制後的已塗覆陶瓷的空間性質。例如，通過適當選擇粒徑和批料材料，可形成與基礎基材材料區域相比具有更大或更小孔徑和/或孔隙率，甚至具有不同化學組成的塗層。增加生坯狀態的塗層不僅能改善這種塗層的性質和均勻性，還能明顯降低製造無機薄膜時的成本和複雜性，至少一個原因在於，只需要單獨的燒制步驟。相比之下，常規的製造無機薄膜的方法通常包括多個塗覆、乾燥和燒制步驟。通過提供其性質沿著橫穿壁的方向或順著壁的方向變化的整體式基材材料，能解決目前在許多應用中遭遇的一個或多個難題。例如，形成與體相壁相比孔徑較小且孔隙率相等或較大的薄表面層，能在柴油機微粒過濾器(DPF)中導致深床過濾減少且煙炱負載壓降減小的有益效果。另外，這種層能增大過濾效率，同時對背壓的影響最小。這種薄表面層還有助於沉積用於DPF的壁上催化塗層。還能形成其性質(孔隙率、孔徑和/或厚度)沿著過濾器長度變化的表面層。例如，其壁厚度沿著長度增大的過濾器可具有減小的熱軸向梯度。關於基材的其他例子包括以下情況:用具有較大的孔隙率、孔徑和表面粗糙度的薄層塗覆低孔隙率且高強度的基材，以增大其上施加的催化劑塗層的粘合性。在本文揭示百分比增大或減小時，所述百分比增大或減小應理解為相對於所述參數在未增大或未減小時的大小。例如，若被塗層塗覆的壁或通道的表面孔隙率為30%，以下陳述「塗層的表面孔隙率至少比其所塗覆的通道上的壁的表面孔隙率大5%」應理解為表示塗層的表面孔隙率為至少1.05 X 30%，而不是表示至少35%。本文所揭示的一些實施方式提供了應用於能改善所得燒製件中的特定性質的生坯多孔陶瓷的方法。還可提供通過這種方法製造的製品。與塗覆燒製件相比，塗覆生坯件可具有一個或多個優點，尤其 是當燒製件為明顯多孔時。關於塗覆燒製件的一個常見問題是，若孔隙足夠大，則構成塗層的顆粒會穿透到基材中。關於這種方式的難題如圖1A中所示，在該圖中，來自塗層的顆粒12穿透到基材孔隙結構10中，顯著降低了壁的整體滲透性。解決這個問題的常規方案是使層中的粒徑逐步減小，其中較小的顆粒12層疊在較大的顆粒14上，如圖1B中所示，從而在任何塗覆步驟中都發生有限的穿透。材料層疊在頂層中達到頂峰，在頂層中對粒徑和燒結條件進行選擇，以實現最終粒徑和孔隙率。每個塗覆步驟通常都進行至少兩次，以確保在沉積下一批最小粒徑的顆粒之前已經形成較小顆粒的連續層。但是對於陶瓷材料的情況，這是一種極端高成本的工藝方式，因為需要多個塗覆、乾燥和(高溫)燒制步驟。通過如圖1C所示塗覆多孔性較低的生坯件16，構成漿液的顆粒12可以小到如所需粒徑，因為供漿液穿透的孔隙很少或幾乎沒有，使得製造成本和複雜性明顯降低。另一個優點是改善了塗層和基材之間的粘合性，因為生坯件和塗層都是生坯狀態，在燒制過程中，前體在塗層和壁層之內以及經過界面反應，形成最終產品。另一個優點是，所形成的塗層是壁上塗層，因為生坯件通常具有低孔隙率和非常小的孔徑。這使得其可用作阻擋層，非常適合於在其他應用中形成壁上催化劑塗層。應該對用於無機相和成孔劑相的溶劑載體進行選擇，使得生坯件的壁中的粘結劑材料例如甲基纖維素不溶於該溶劑。例如，若使用水基漿液施加塗層，則漿液中的水會溶解一定量的來自壁的甲基纖維素粘結劑。為說明這一點，製備含有5種不同溶劑的漿液，並施加到多孔生坯件上。前兩種溶劑是醇，具體為丁醇和異丙醇(IPA)。後三種溶劑是醇-水混合物，具體是:異丙醇和10%水，異丙醇和25%水，以及異丙醇和50%水。如圖2所示，隨著溶劑中的水含量增大，生坯件的重量損失(每小時的重量％)也增大，導致最終產品強度明顯降低。因此，本文提供了一種製造多孔陶瓷製品的方法，其包括提供生坯多孔陶瓷體，該生坯多孔陶瓷體包含粘結劑材料和多個通道。該方法還包括用包含生坯塗層組合物和溶劑的漿液對多個通道中的至少一個通道進行塗覆，從而在多個通道中的至少一個通道上形成塗層。該粘結劑材料應不溶於該溶劑。另外，在一些優選的實施方式中，用漿液進行塗覆時，多個通道中的至少一個通道是 未堵塞的。合適的溶劑組分可包括例如醇、酯醇、酯、烴、醛、酮和羧酸。漿液中所用的溶劑優選包含伯醇、仲醇或叔醇中的至少一種。可用作溶劑的醇的例子包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戍醇和己醇。可使用的酯醇的一個例子是Texanol (2，2，4_三甲基-1，3_戍二醇單異丁酸酯)，可使用的酯的一個例子是光膜加強劑(Optifilm Enhancer>300 (丙酸,2-甲基1，Γ -[2，2_ 二甲基-1- (1-甲基乙基)_1，3-丙二基]酯)，以上兩種產品都由伊斯曼化學公司(Eastman Chemical Company)銷售。漿液中使用的生坯塗層組合物優選包含無機前體。對無機前體的選擇取決於所需的組合物。例如，生坯塗層組合物可包含以下材料，例如氧化鋁、氧化鈦、氧化矽、碳酸鍶、碳酸鈣和/或氧化鑭。為生坯塗層組合物選擇的材料可以與為形成生坯多孔陶瓷體的體相壁中的陶瓷組合物而選擇的材料相同或不同，例如生坯多孔陶瓷體中以鈦酸鋁作為主要相，以長石作為次要相。可任選向生坯塗層組合物中加入成孔劑，以產生塗層孔隙率。雖然成孔劑的量和種類可根據所需孔隙率而變化，但是成孔劑的優選實施方式包括例如由馬鈴薯、稻米和/或玉米衍生的澱粉，其量例如約為1-50重量％追加量。如以上討論的，在一種或多種實施方式中，生坯多孔陶瓷體可包含在燒制時發生反應從而形成鈦酸鋁(AT)的材料。但是，生坯多孔陶瓷體並不限於發生反應以形成AT的材料，可包括在高溫處理時發生反應以形成氧化物或非氧化物陶瓷的任何材料或材料混合物，包括金屬、金屬互化物、多鋁紅柱石、堇青石、氧化鋁(A1203)、鋯石、鹼金屬和鹼土金屬鋁娃酸鹽、尖晶石、I丐鈦礦(persovskite)、氧化錯、氧化鋪、碳化娃(SiC)、氮化娃(Si3N4)、氧氮化矽鋁(SiAlON)和沸石。生坯多孔陶瓷體中的一種優選粘結劑是纖維素醚。優選的纖維素醚的例子包括甲基纖維素和羥丙基甲基纖維素，包括從陶氏化學公司(Dow Chemical Company)得到的Methocel系列產品。優選的粘結劑材料還可包括多元醇，例如聚乙烯醇(PVA)。在一系列示例性實施方式中，生坯多孔陶瓷體和生坯塗層組合物可具有相同或基本相同的成分。在另一系列示例性實施方式中，生坯多孔陶瓷體和生坯塗層組合物可具有至少一些不同的成分。在另一系列示例性實施方式中，生坯塗層組合物可包含兩種或更多種不同的塗層組合物。例如，生坯塗層組合物可包含與生坯多孔陶瓷體具有相同或基本相同成分的第一塗層組合物以及有至少一些不同於生坯多孔陶瓷體的成分的第二塗層組合物。或者，生坯塗層組合物可包含兩種或更多種塗層組合物，它們各自具有至少一些不同於生坯多孔陶瓷體的成分。可以將兩種或更多種塗層組合物塗覆到陶瓷的不同通道上，例如將第一塗層組合物塗覆到入口通道上，將第二塗層組合物塗覆到出口通道上。例如，生坯塗層組合物可包含至少一種特定材料，該特定材料在燒制時會發生反應形成至少一種選自下組的材料:鈦酸鋁(AT)、金屬、金屬互化物、多鋁紅柱石、堇青石、氧化鋁(A1203)、鋯石、鹼金屬和鹼土金屬鋁矽酸鹽、尖晶石、鈣鈦礦、氧化鋯、氧化鈰、碳化矽(SiC)、氮化矽(Si3N4)、氧氮化矽鋁(SiAlON)和沸石，該特定材料可以與生坯多孔陶瓷體中的材料相同或不同。應注意，若生坯塗層組合物與生坯多孔陶瓷體不同，則應優選該生坯多孔陶瓷體在燒制時是熱力學 穩定的，或其在燒結溫度下至少是動力學受限的。生坯塗層組合物還可包含粘結劑材料。應優選對該粘結劑材料進行選擇，從而在乾燥之後為塗層提供生坯強度，並且優選該粘結劑能分散於生坯塗層組合物中使用的任何液體載體中。用於生坯塗層組合物的粘結劑材料的優選材料包括膠狀勃姆石(A100H)、膠狀氧化矽、膠狀氧化鈦、原矽酸四乙酯(TE0S)、原矽酸四甲酯(TM0S)、烷氧化鋁、烷氧化鈦和聚乙烯醇縮丁醛，不過可使用能溶於或分散於液體載體中的任何粘結劑。對膠狀粘結劑如勃姆石或氧化矽的表面化學性質的改性是必須的，用於確保在所選溶劑中的良好分散性。至關重要的是，使用在加熱時轉化成無機材料的粘結劑材料時，應優選對生坯粉漿的化學性質進行調節，以應對這種額外的無機物，從而獲得所需的燒制後化學物質(例如AT、多鋁紅柱石等)。在用漿液塗覆生坯多孔陶瓷體的通道之前，可以對多個通道中的一個或多個通道進行掩蔽，使得漿液只在未掩蔽的一個或多個通道上進行塗覆。例如在一系列優選的實施方式中，可以在塗覆漿液之前對計劃堵塞用作出口通道的通道進行掩蔽，使得漿液只在計劃堵塞用作入口通道的通道上進行塗覆。或者，可以在塗覆漿液之前對計劃堵塞用作入口通道的通道進行掩蔽，使得漿液只在計劃堵塞用作出口通道的通道上進行塗覆。另外，可以對通道進行掩蔽，從而將不同的漿液組合物塗覆到不同的通道上，以及/或者將不同量的漿液組合物塗覆到不同的通道上。可通過將漿液傾倒在生坯多孔陶瓷體的頂表面上並任由重力牽拉漿液流下通道(瀑布法)，實現塗層的施塗。利用加壓空氣迫使通道中過多的漿液離開整體件的端部，從而使塗料沿著軸向方向分配，並除去任何可能導致通道堵塞的材料。還可通過將生坯多孔陶瓷體浸入漿液中，實現塗層的施塗。例如，在希望塗層厚度沿著至少一些通道的軸向長度變化的實施方式中，可以將生坯多孔陶瓷體浸入漿液中，並沿著其軸向長度浸入不同次數和/或浸入不同長度。施加塗層的其他方法可包括利用真空在通道上牽拉漿液，以及將漿液泵吸到通道上。圖3示出將本文所述的塗覆工藝(在陰影框中顯示)結合到範圍更廣的製造工藝中去的一個例子的流程圖。例如，使用與現有工藝中類似的原料製備了漿液之後110 (例如，從無機物包108、成孔劑包106和漿液液體104)，塗覆步驟可以作為乾燥步驟100和燒制步驟116之間的步驟插入。在圖3所示的示例性工藝中，用漿液塗覆生坯多孔陶瓷體112，然後在專門的乾燥步驟114中乾燥，該步驟任選可通過本領域眾所周知的方法如冷凝、吸附或吸收方法回收漿液液體104。還可將回收的液體再循環102回到漿液製備步驟。然後在燒制過程116中按照本領域普通技術人員已知的方法對經過塗覆和乾燥的生坯基材進行燒制。燒制過程之後，可以按照本領域中已知的方法對得到的多孔陶瓷製品進行堵塞(在過濾器情況中)和精飾118。圖4A和4B顯示了按照本文所述方法對生坯多孔陶瓷製品的通道進行塗覆的各方面。圖4A顯示生坯多孔陶瓷樣品的端視圖，該樣品進行了掩蔽以阻擋對出口通道進行塗覆(對端面施加連續掩模，然後使用雷射燒盡覆蓋入口通道的掩蔽材料)。圖4B顯示沿著軸向方向的塗層分布極佳，很清楚只對交替的通道進行了塗覆(亮色)，而其他通道保持未塗覆(暗色)。圖5A-5F顯示多孔陶瓷製品在燒制後的SEM照片，顯示在塗層上形成孔隙率不同於體相陶瓷的表面區域。具體來說，圖5A-C顯示第一基材，其通道壁的兩側塗覆有塗層組合物，該組合物提供較小的塗層孔徑(「小孔徑塗層」)，圖OT-F顯示第二基材，其通道壁的兩側塗覆有塗層組合物，該組合物提供略大的塗層孔徑(「中孔徑塗層」)。圖5A-B以兩种放大程度顯示第一基材的精飾後截面圖，圖OT-E以同樣的兩种放大程度顯示第二基材的精飾後截面圖。圖5C顯示第一基材的俯視通道圖，圖5F顯示第二基材的俯視通道圖。通過對精飾後截面圖和俯視通道圖進行比較，可以鑑別出表面孔隙率和體相孔隙率之間的差另O。塗層和基材之間的界面難以區分，充分證明塗層是良好粘合的。表I中列出用於這些實施例的塗層組合物，其中的漿液通過將這些組合物以粉末形式與異丙醇混合而製備。製備塗層組合物時，所用的粉末與溶劑的比例通常隨著所需塗層厚度和可接受的塗層施加數量變化。一般來說，粉漿的固體濃度越高，則所得塗層越稠，相反，粉漿的固體濃度越低，則所得塗層越稀。粉漿中固體濃度的優選範圍約為20-75%，例如約為35-60%。還可通過加入聚合物來改變粘度,從而定製厚度。此外，使用無機粘結劑如醇分散的膠狀勃姆石能顯著增 大塗層生坯的強度。其他的示例性粘結劑包括能分散在IPA、原矽酸四乙酯(TE0S)、原矽酸四甲酯(TMOSO)和聚乙烯醇縮丁醛中的膠狀氧化矽。使用在加熱時能轉化成無機材料的粘結劑時，應優選調節生坯粉漿的化學性質，以應對這種額外的無機物，從而獲得所需的燒制後化學物質(AT、多鋁紅柱石等)。表I
權利要求
1.一種製造多孔陶瓷製品的方法，該方法包括: 提供包含粘結劑材料和多個通道的生坯多孔陶瓷體；和 用包含生坯塗層組合物和溶劑的漿液塗覆所述多個通道中的至少一個通道，從而在所述多個通道中的至少一個通道上形成塗層； 其中，粘結劑材料不溶於溶劑中，所述多個通道中的至少一個通道在用漿液塗覆時未堵塞。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述溶劑包含下組中的至少一種:醇、酯醇、酯、烴、醛、酮和羧酸。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述溶劑包含選自下組中的至少一種伯醇、仲醇或叔醇:甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇和己醇。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述生坯多孔陶瓷體包含至少一種在燒制時發生反應形成至少一種選自下組的材料的材料:鈦酸鋁(AT)、金屬、金屬互化物、多鋁紅柱石、堇青石、氧化鋁(A1203)、碳化矽(SiC)、氮化矽(Si3N4)、氧氮化矽鋁(SiAlON)和沸石。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述粘結劑材料包含至少一種纖維素醚。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述生坯塗層組合物包含至少一種在燒制後發生反應以形成至少一種選自下組的材料的材料:鈦酸鋁(AT)、金屬、金屬互化物、多鋁紅柱石、堇青石、氧化鋁(A1203)、鋯石、鹼金屬和鹼土金屬鋁矽酸鹽、尖晶石、鈣鈦礦、氧化鋯、氧化鈰、碳化矽(SiC)、氮化矽(Si3N4)、氧氮化矽鋁(SiAlON)和沸石。
7.如權利要求1 所述的方法，其特徵在於，所述多個通道中的至少一個通道在對所述多個通道中的任何通道進行塗覆之前進行掩蔽，所述漿液僅塗覆在未掩蔽的一個或多個通道上。
8.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，對計劃堵塞作為出口通道的通道進行掩蔽，漿液僅塗覆在計劃堵塞作為入口通道的通道上。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，用漿液塗覆所述多個通道中的至少一個通道的步驟包括至少一種選自下組的方法:傾倒漿液使其沿至少一個通道流下(瀑布法)，將生坯多孔陶瓷體浸入漿液中，利用真空在通道上牽拉漿液，以及將漿液泵吸到通道上。
10.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在燒制步驟之後，所述塗層的厚度與其塗覆的通道上的壁厚度之比至少約為1:100。
11.如權利要求1所述的多孔陶瓷製品，其特徵在於，所述塗層的厚度使過濾器的封閉前向面積增大1-25%。
12.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在燒制步驟之後，塗層厚度沿著所述多個通道中至少一個通道的軸向長度變化，使得在沿著通道軸向長度的第一點處的封閉前向面積比沿著通道軸向長度的第二點處的封閉前向面積大至少5%。
13.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在燒制步驟之後，塗層的表面孔隙率比其塗覆的通道上的壁的表面孔隙率大至少5%。
14.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在燒制步驟之後，塗層中孔隙的平均孔徑比其塗覆的通道上的壁中孔隙的平均孔徑小至少5%。
15.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在燒制步驟之後，塗層中孔隙的平均孔徑比其塗覆的通道上的壁中孔隙的平均孔徑大至少5%。
16.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在燒制和堵塞步驟之後，與未塗覆的過濾器相比，所述多孔陶瓷製品表現出減小的負載煙炱後壓降噪聲與信號比。
17.如權利要求1所述的多孔陶瓷製品，其特徵在於，與未塗覆的過濾器相比，所述多孔陶瓷製品在給定煙炱負載量條件下表現出增大的過濾效率。
18.一種生坯多孔陶瓷體，其包含: 粘結劑材料和多個通道； 在所述多個通道中的至少一個通道上的塗層； 其中，所述塗層由包含生坯塗層組合物和溶劑的漿液形成；和 其中，所述粘結劑材料不溶於所述溶劑，塗覆有塗層的所述多個通道中的至少一個通道是未堵塞的。
19.如權利要求18所述的生坯多孔陶瓷體，其特徵在於，所述溶劑包含以下的至少一種:醇、酯醇、酯、烴、醛、酮和羧酸。
20.如權利要求18所述的生坯多孔陶瓷體，其特徵在於，所述生坯多孔陶瓷體包含至少一種在燒制時發生反應形成至少一種選自下組的材料的材料:鈦酸鋁(AT)、金屬、金屬互化物、多鋁紅柱石、堇青石、氧化鋁(A1203)、碳化矽(SiC)、氮化矽(Si3N4)、氧氮化矽鋁(SiAlON)和沸石。
21.如權利要求18所述的生坯多孔陶瓷體，其特徵在於，所述粘結劑材料包含至少一種纖維素醚。
22.如權利要 求18所述的生坯多孔陶瓷體，其特徵在於，所述漿液僅塗覆在計劃堵塞作為入口通道的通道上。
23.一種由生坯多孔陶瓷體燒制的多孔陶瓷製品，該生坯多孔陶瓷體包含: 粘結劑材料和多個通道； 在所述多個通道中的至少一個通道上的塗層； 其中，所述塗層由包含生坯塗層組合物和溶劑的漿液形成；和 其中，所述粘結劑材料不溶於溶劑中，塗覆有塗層的所述多個通道中的至少一個通道是未堵塞的。
24.如權利要求23所述的多孔陶瓷製品，其特徵在於，所述塗層的厚度使過濾器的封閉前向面積增大1_25%。
25.如權利要求23所述的多孔陶瓷製品，其特徵在於，所述塗層的厚度沿著所述多個通道中至少一個通道的軸向長度變化，使得在沿著通道軸向長度的第一點處的封閉前向面積比在沿著通道軸向長度的第二點處的封閉前向面積大至少5%。
26.如權利要求23所述的多孔陶瓷製品，其特徵在於，所述塗層的表面孔隙率比其塗覆的通道上的壁的表面孔隙率大至少5%。
27.如權利要求23所述的多孔陶瓷製品，其特徵在於，所述塗層中孔隙的平均孔徑比其塗覆的通道上的壁中孔隙的平均孔徑小至少5%。
28.如權利要求23所述的多孔陶瓷製品，其特徵在於，所述塗層中孔隙的平均孔徑比其塗覆的通道上的壁中孔隙的平均孔徑大至少5%。
29.如權利要求23所述的多孔陶瓷製品，其特徵在於，與未塗覆的過濾器相比，所述多孔陶瓷製品在給定的煙炱負載量條件下表現出增大的過濾效率。
30.如權利要求23所述的多孔陶瓷製品，其特徵在於，與未塗覆的過濾器相比，所述多孔陶瓷製品表現出減小的負 載煙炱後壓降噪聲與信號比。
全文摘要
由包含粘結劑材料和多個通道的生坯多孔陶瓷體製得多孔陶瓷製品。至少一個通道塗覆有包含生坯塗層組合物和溶劑的漿液，從而形成塗層。所述粘結劑材料不溶於所述溶劑。
文檔編號F01N3/022GK103080047SQ201180041692
公開日2013年5月1日 申請日期2011年8月19日 優先權日2010年8月31日
發明者T·R·寶格, W·A·卡特勒, K·J·德魯裡, T·P·聖克萊爾, P·D·特珀謝, J·F·小懷特 申請人:康寧股份有限公司