陶瓷壁流過濾器的製造技術
2023-04-23 11:50:51 2
專利名稱：陶瓷壁流過濾器的製造技術
陶瓷壁流過濾器的製造
本申請要求由S. 0gunwumi等人於2005年6月1日提交的標題為"陶瓷壁流過濾 器的製造"的美國臨時申請No. 60/686， 497的權益。
背景技術：
本發明涉及多孔陶瓷顆粒過濾器的製造，更具體地，涉及用於對多孔陶瓷蜂窩 體的選定孔道進行密封以此形成壁流陶瓷過濾器的改進的材料以及方法。
發現陶瓷壁流過濾器的用途在不斷擴大，可用於從柴油或其它內燃機的排氣流 中去除微粒汙染物。已知有許多從由多孔陶瓷形成孔道蜂窩體結構製造這類過濾器 的方法。最普遍採用的方法是將密封材料的固化封堵物置於這種結構的交替孔道的 端部，可以堵塞流體不直接流過孔道，並迫使流體流通過蜂窩體的孔道壁，然後從 該過濾器排出。這種方法在美國專利No.6，809，139中說明，該專利描述了使用包含 能形成堇青石(Mg0-Al203-Si02)的陶瓷粉末混合物以及熱固性或熱塑性粘合劑體系 的密封材料來形成這種封堵物。
在製造封堵的陶瓷過濾器產品時注意到的問題之一是確保封堵物的完整性和 耐久性。許多已知的封堵方法涉及使用特定的封堵組合物，這種組合物必須在相對 高溫下烘焙，適當固化封堵材料，並使封堵材料牢固結合到該結構的多孔孔道壁上。 其它方法涉及使用"冷固化"接合劑(cement)，而接合劑不是通過高溫烘焙固化的， 因此不能在內燃機排氣系統中的高溫和壓力下提供足夠的強度和耐久性。
對成功的封堵材料的其它要求包括為與填充材料物理相容性的相對低的熱膨 脹係數(CTE)，以及在內燃機排氣流中填充存在的水蒸汽中的穩定性。要求低熱膨 脹，以使固化的封堵物能夠抵抗封堵物或陶瓷蜂窩體孔道壁的熱應力破裂，並能在 反覆的熱循環下保持與孔道壁的結合。以前的某些封堵混合物產生的接合劑的熱膨 脹係數比焙燒後的孔道壁上陶瓷材料高得多。對於重複熱循環，封堵孔道的CTE不 匹配可能導致在封堵物/基質界面上的分離或者在過濾器面上的碎裂。
要求水分穩定性是為了避免封堵材料在發動機的排氣環境中發生化學變化。所 述的排氣環境會使封堵物的物理和化學特性發生不希望的改變。當然，提供封堵材
3料和蜂窩體陶瓷之間長期的高粘合力的封堵物的物理和化學穩定性是為了壁流過 濾器的壽命而保持封堵物-孔道密封完整性所必需的。
發明概述
根據本發明，提供一類用於陶瓷壁流過濾器的封堵混合物，這類混合物解決了 普通壁流過濾器材料的物理和化學穩定性差的問題，並且提供了在壁流發動機排氣 過濾器的潮溼、高應力環境中具有良好物理和化學穩定性的封堵物。因此，由這些 混合物形成的封堵物提供了與壁流過濾器材料長期穩定的良好結合的密封。
本發明另一方面，提供了在過濾器體的選定孔道中加入固化的封堵物的多孔陶 瓷壁流過濾器體，所述封堵物與壁流過濾器材料能達到良好的物理和化學匹配，與 過濾器體的孔道壁形成永久的密封。
本發明提供的封堵混合物包含(a)低膨脹的耐火填料；(b)永久性無機粘合劑； (C)液體賦形劑，和(d)可溶於賦形劑的臨時粘合劑。低膨脹的耐火填料對確保與 壁流過濾器材料的相容性很重要，而永久性無機粘合劑的作用是使密封固化和韌 化，以及將耐火填料粘合到多孔孔道壁並密封。雖然優選的賦形劑是水，優選的臨 時粘合劑是可水溶的粘合劑，但是可以替代使用醇基、石油基的或其它類型的賦形 劑，和溶於這些賦形劑的臨時粘合劑。
因此，本發明的多孔陶瓷壁流過濾器體由孔道蜂窩體支承，其中，在選定的孔 道中加入封堵物，以永久密封多孔孔道壁。封堵物顯示改進了與壁流過濾器材料的 化學和物理相容性。壁流過濾器材料包含低膨脹的耐火填料和永久性無機粘合劑， 以便將耐火填料固結為整體封堵物並將封堵物密封在孔道孔道壁上。
發明詳述
目前被用來製造壁流陶瓷過濾器的常規多孔陶瓷材料包括堇青石、碳化矽、氮 化矽、鈦酸鋁、(3-鋰霞石和(3-鋰輝石之類的陶瓷。某些情況下，這些陶瓷是通過 原位反應性燒結孔道蜂窩體的預製件形成的；其它情況下，陶瓷粉末本身簡單地燒
結在一起，產生所需孔隙度和強度的多孔蜂窩體。當壁流過濾器是低膨脹的過濾器
時，即由低熱膨脹的陶瓷如反應性燒結的堇青石和在100(TC測得的熱膨脹係數小於 約25X10-7"C的鈦酸鋁形成的過濾器時，可以提供為單塊蜂窩體結構，或者需要時， 為粘合的蜂窩體組合件。當蜂窩體由碳化矽之類高熱膨脹陶瓷形成時， 一般需要粘 合的蜂窩體組合件。構成本發明的封堵混合物主體的低膨脹耐火填料可以採用任何方便的形式引 入到封堵混合物中；所述的合適形式包括粉末、小聚集物、陶瓷纖維等。在優選 的接合劑實施方式中，低膨脹的耐火填料可以是預反應的無定形或結晶陶瓷粉末， 在封堵物固化或過濾器的使用溫度下其組成或結構不會發生明顯的變化。這可以避 免需要採用高固化溫度來使封堵物組分化學反應，並確保耐火填料不會在固化或使 用期間喪失其低熱膨脹特性。
為了提高密封體與用於製造蜂窩體的多孔陶瓷材料的化學和物理相容性，應使 用平均熱膨脹係數不超過30 x10—7°C (25-80(TC)的過濾器。蜂窩體的熱膨脹係數與 固化的密封體的熱膨脹係數之差應優選不大於約20 x 10—7°C(25-80(TC)。此外， 對與這些材料的化學相容性，填料或者在組成上與蜂窩體的組成相類似，或者在使 用條件下，在與蜂窩體和與永久性無機粘合劑接觸時是熱穩定的和相對惰性的。
膨脹係數能與常規壁流過濾器材料的膨脹係數合理匹配的適當的耐火填料包 括碳化矽、氮化矽、堇青石、鈦酸鋁、鋁酸鈣、卩-鋰霞石和卩-鋰輝石的粉末， 以及例如通過對矽鋁酸鹽粘土進行處理形成的矽鋁酸鹽的耐火纖維。
本發明的封堵混合物中的永久性無機粘合劑一般由膠體或細粉碎的氧化矽或 矽酸鹽材料組成，或源自這些材料，這些材料不含有機物或有機物含量很低。這些 材料能簡便地完全分散在本發明的封堵混合物中，提供對耐火填料的有效固結和對 陶瓷蜂窩體結構的孔道壁的良好密封。
重要的一點是，氧化矽(silica)永久性無機粘合劑是細粉碎的氧化矽，以在 相對較低的固化溫度提供必要的粘合效力。為此目的，砂和其它粗的氧化矽材料不 具有足夠的反應性。細粉碎的氧化矽是指最大平均粒度不超過約0. 5微米的氧化矽。
適合用作粘合劑的氧化矽或矽酸鹽材料的例子包括:矽膠和粉末化氧化矽或矽 酸鹽玻璃。矽酸鹽玻璃粘合的填料封堵物的一個潛在優點是，可以選擇矽酸鹽(玻 璃)在再生的峰值溫度時"軟化"，因此"減輕"使用期間在封堵物或過濾器內形 成的任何應力。
使用這些粘合劑對確保足夠的封堵物強度和對陶瓷蜂窩體過濾器結構的多孔 孔道壁的密封很重要。因此，封堵物不僅必須具有以下物理性質，包括接近於蜂窩 體材料的熱膨脹係數，而且封堵物的強度和與蜂窩體壁的粘合性必須足夠高，能承 受熱排氣流產生的壓力梯度。當用於製造低膨脹的陶瓷蜂窩體過濾器時，對具備良 好物理相容性和密封性能的封堵物的特定目標性質的例子如下
5斷裂強度(棒彎曲)的模數>500 psi
線性熱膨脹係數(x10—7/°C，800-25'C冷卻)S 30
封堵物推出破壞力〉6 lbf
提供封堵混合物可流動的或糊料稠度的賦形劑優選是水，雖然如上所述可以使用其它對於合適的臨時粘合劑顯示溶劑作用的液體賦形劑。對優選加入水
作為賦形劑的封堵混合物，適合用於這種封堵混合物的臨時粘合劑包括可水溶的纖維素粘合劑， 一般為纖維素衍生物，如纖維素醚。具體例子包括甲基纖維素和羥丙基甲基纖維素。
本發明的封堵混合物中耐火填料和無機粘合劑的相對比例可依據填料的選擇以及將填料固結成單塊封堵物並將封堵物密封在過濾器的孔道內所採用的處理方法來改變。粘合劑與填料的重量比值一般在低至1:20至高達2:3的範圍。粘合劑的比例較低可能導致封堵物固結不充分，或者對孔道壁的密封較差，而添加過量粘合劑可能降低封堵物的耐熔性，以及降低封堵物與多孔陶瓷孔道壁的物理和化學相容性。
本發明的封堵混合物可用於使用"冷固化"封堵物的封堵方法以及熱固化封堵物的方法。在冷固化封堵中，要求只乾燥封堵混合物，形成與蜂窩體的孔道壁的密封。加熱封堵的蜂窩體至35-ll(TC溫度範圍對加速乾燥有用。在某些冷固化封堵方法中，預期最後的封堵物固結，包括去除殘餘的臨時粘合劑的副產物並對密封體增強，甚至可能發生在對過濾器進行隨後處理過程(在催化或灌裝過程中)或者在過濾器首次用於排氣系統期間。
採用熱固化封堵物時，固化溫度一般在至少能有效去除臨時粘合劑和任選的有機潤滑劑和增塑劑的溫度至較高的固化溫度範圍，所述固化溫度下能達到粘合劑活化，使耐火過濾器固結並密封單塊封堵物在蜂窩體的孔道壁中。最高至約IOO(TC的溫度範圍通常能更充分地熱固化上面所述的封堵混合物的大多數耐火組分。
本發明的封堵混合物另外還包含少量任選添加的其它組分，以達到如提高臨時粘合劑的效力或改進混合物的可塑性或潤滑性，以提高與常規封堵方法的相容性。合適的任選添加劑的例子包括增塑劑，如聚乙烯醇縮丁醛樹脂增塑劑，潤滑劑如礦物油。 一般而言，這些任選添加劑的總比例不會超過最終封堵混合物重量的10%。
參見以下實施例可以更進一步的理解本發明，這些實施例意圖進行說明，而不是構成限制。
實施例I -含纖維的封堵混合物和接合劑
適於對可組裝成多孔壁流過濾器體的由碳化矽擠出的片段中選定的孔道進行封堵的封堵混合物是由以下組分的耐火填料混合物混合製成矽鋁酸鹽纖維、鈦酸鋁粉末和鋁酸鈣粉末，該混合物的按重量％的組成列於下面表1A中
表1A -碳化矽片段過濾器的封堵混合物耐火填料4. 9% Kaowool 矽鋁酸鹽纖維 9. 8%鈦酸鋁粉末 9.8%鋁酸鈣粉末 29.4.%碳化矽粉末
永久性粘合劑6. 9%矽膠
臨時粘合劑0. 98%甲基纖維素
賦形劑38. 22%水
將這些組分捏合成均質糊料，然後，將形成的糊料注入碳化矽蜂窩體片段中選定孔道的端部。還將同樣的糊料施用於多個進行了選擇封堵的片段之間，以形成由該糊料層連接的片段束。然後，對由此形成的選擇封堵的片段束加熱
至ll(TC並保持一定的時間，足以乾燥和部分固化封堵物和粘合的接合劑，從而提供粘合的選擇封堵的碳化矽壁流過濾器體。
可以以相同的方式，使用組成與上述基本上相同，但碳化矽耐火填料粉末被同樣重量的氮化矽粉末替代的類似的封堵混合物，形成粘合的選擇封堵的壁流過濾器體，其中，氮化矽的擠出的蜂窩體片段形成了過濾器的蜂窩體結構。
可以使用類似組成但省略了碳化矽填料粉末的改進的封堵混合物，來選擇封堵整體的陶瓷蜂窩體結構，該結構中，多孔陶瓷孔道是由鈦酸鋁形成的。合
適的封堵混合物的代表例子列於下面表1B，組成按照混合物的重量份列出
表1B -鈦酸鋁整體過濾器的封堵混合物耐火填料13. 9%鈦酸鋁 13.9%鋁酸媽 6. 94% Kaowool 矽鋁酸鹽纖維
永久性粘合劑9. 77%矽膠
臨時粘合劑1.39%甲基纖維素
賦形劑54. 1%水
再次，對封堵的鈦酸鋁過濾器體只需要中等加熱至約ll(TC的溫度，以乾燥和初始固化並且將封堵混合物粘合到該蜂窩體孔道的多孔陶瓷壁上。
7實施例2 -填充粉末的封堵混合物
對於需反覆使用劇烈再生過程以通過燃燒從過濾器去除被捕集的含碳微粒的高溫柴油機排氣過濾應用，基於具有低熱膨脹特性的預燒結(預反應)耐火陶瓷粉末的封堵混合物能提供改進的熱相容性和化學穩定性。基於預反應的堇青石或鈦酸鋁粉末的封堵混合物提供了低熱膨脹和高溫穩定性的良好綜合性能，並且在按照本發明與預合適的永久性粘合劑組合使用時，能提供具有優良強度和密封特性的封堵物。此外，這種封堵混合物可以與任何低膨脹的多孔陶瓷過濾器材料一起使用，包括例如堇青石和鈦酸鋁材料，不必特別考慮所使用的耐火粉末填料是否來自相同類或不同類陶瓷組合物。原因是這些粉末在過濾器實際使用的溫度下基本上是惰性的。
用於封堵堇青石或鈦酸鋁陶瓷蜂窩體結構的三種封堵混合物的例子列於
下面表2中。表2中的組成按照重量％列出，不包括添加在該混合物中的水賦
形劑
表2 -預反應的粉末封堵混合物
混合物A混合物B混合物C耐火填料堇青石粉末63. 5%堇青石粉末93%鈦酸鋁粉末79. 1%
永久性粘合劑Ludox 膠體 氧化矽 玻璃粉末*19. 8% 15. 9%Silbond H-4 矽酸鹽樹脂6%Ludox 膠體 氧化矽19. 7%
臨時粘合劑Methocel 纖 維素醚0. 8%Methocel 纖維素醚0.8%Methocel 纖維素醚1. 2%
任選增塑劑Butvar B_720. 2%
* Corning Code 7761硼矽酸鹽玻璃粉末(78. 56%Si02， 18. 58% B203, 2. 77% K20, 0 . 09% AL203)
這些混合物各自與水賦形劑摻混，形成糊料狀稠度，可用於封堵鈦酸鋁陶瓷蜂窩體結構中選擇的孔道，該蜂窩體結構被轉化為鈦酸鋁組合物的陶瓷壁流過濾器體。在冷固化的封堵混合物情況，由上面的混合物A為例，將糊料混合物簡便地引入鈦酸鋁蜂窩體的選擇孔道中，該封堵體然後在約100。F烘箱內乾燥2小時，去除封堵物中過量的水。用於該混合物的堇青石耐火填料的平均線性熱膨脹係數在25-800'C溫度範圍約為15xl0—7'C，從膨脹匹配考慮，該封堵物與過濾器體的鈦酸鋁蜂窩體體微粒物理相容，並顯示良好的高溫組成穩定性。
類似地，用上面封堵混合物B或C通過添加適當的水轉變為糊料，用其進
8行封堵的鈦酸鋁蜂窩體將顯示良好的封堵物穩定性、強度和密封特性。例如，
在混合物B的情況，該混合物是有用的熱固化組合物，封堵體可以加熱至乾燥溫度，如上面冷固化混合物A的情況，然後，加熱到最高100(TC的固化溫度。在此情況，固化會完全活化永久性粘合劑，因而立即固結，並將封堵物密封在該蜂窩體結構的多孔鈦酸鋁陶瓷壁中。
實施例3 -填充混合粉末的封堵混合物
使用填充多種粉末的封堵混合物的另一些例子，來改進封堵物性質，這些混合物按照最終封堵混合物的重量份計列於下面表3。混合的耐火填料由兩種不同粒度(40微米和12微米)的堇青石粉末組成。
表3 -混合填料的封堵混合;吻
混合物D混合物E
耐火填料堇青石粉末(40 um) 堇青石粉末(12 um)50 3030 50
永久性粘合劑Ludox HS40膠體氧化矽 硼矽酸鹽玻璃粉末*25 2025 20
臨時粘合劑Methocel A4M纖維素醚12
任選潤滑劑硬脂酸 Durasyn 162油一0. 6 6
賦形劑水2032
* Corning Code 7740硼矽酸鹽玻璃粉末
這些封堵混合物特別適合用於對鈦酸鋁蜂窩體進行封堵。樣品E混合物顯示改善了在降低封堵壓力下對陶瓷蜂窩體進行封堵使的潤滑性。
權利要求
1. 一種用於陶瓷壁流過濾器的封堵混合物，該混合物包含低膨脹的耐火填料；永久性無機粘合劑；液體賦形劑；和可溶於賦形劑的臨時粘合劑。
2. 如權利要求l所述的封堵混合物，其特徵在於，所述液體賦形劑是水， 所述臨時粘合劑是可水溶的纖維素粘合劑。
3. 如權利要求1所述的封堵混合物，其特徵在於，所述耐火填料選自以下 矽鋁酸鹽纖維，以及碳化矽、氮化矽、堇青石、鈦酸鋁、鋁酸鈣、(3-鋰霞石和 卩-鋰輝石的粉末。
4. 如權利要求2所述的封堵混合物，其特徵在於，所述永久性無機粘合劑 是粉末化的氧化矽或矽酸鹽玻璃。
5. 如權利要求1所述的封堵混合物，該混合物還包含潤滑劑或增塑劑。
6. 如權利要求l所述的封堵混合物，其特徵在於，所述永久性無機粘合劑 與所述耐火填料的重量比值在1:20至2:3範圍。
7. —種多孔陶瓷壁流過濾器體，該過濾器體包括其中結合了多個由多孔陶 瓷孔道壁限定的平行孔道的蜂窩體結構，選定的孔道中加入了對孔道壁永久密 封的封堵物，其中，所述封堵物包含低膨脹的耐火填料和永久性無機粘合劑， 所述永久性無機粘合劑使所述耐火填料固結成為封堵物並將封堵物密封在孔 道壁中。
8. 如權利要求7所述的多孔陶瓷壁流過濾器體，其特徵在於，具有包含 選擇以下的陶瓷的組合物堇青石、碳化矽、氮化矽、鈦酸鋁、(3-鋰霞石和(3-鋰輝石。
9. 如權利要求8所述的多孔陶瓷壁流過濾器體，其特徵在於，所述封堵 物含有低膨脹的耐火陶瓷填料，還含有永久性無機粘合劑；所述填料選自矽 鋁酸鹽纖維，以及碳化矽、氮化矽、堇青石、鈦酸鋁、鋁酸鈣、卩-鋰霞石和(3-鋰輝石，所述永久性無機粘合劑選自粉末化氧化矽和矽酸鹽玻璃。
10. 如權利要求9所述的多孔陶瓷壁流過濾器體，其特徵在於，所述永久 性無機粘合劑與所述耐火填料的重量比值在1:20至2:3範圍。
全文摘要
提供了整體或片段結構的多孔陶瓷壁流過濾器體，其中，蜂窩體孔道被封堵接合劑交替封堵。所述封堵接合劑中加入了低膨脹耐火填料和永久性無機粘合劑。該永久性無機粘合劑提供改進的封堵物完整性和封堵物與多孔陶瓷蜂窩體孔道粘合性。
文檔編號B01D46/00GK101500683SQ200680019512
公開日2009年8月5日 申請日期2006年5月31日 優先權日2005年6月1日
發明者B·P·尤西安克, B·S·基爾克, D·馬達法利, R·J·佩斯利, S·B·奧古米 申請人:康寧股份有限公司