用於催化式排氣淨化器的安裝墊的製作方法

2023-06-20 12:16:51 2

專利名稱：用於催化式排氣淨化器的安裝墊的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於在汙染控制裝置中安裝汙染控制單塊(monolith)的安裝墊(mounting mat)。具體地，本發明涉及這樣一種安裝墊，該安裝墊由一層玻璃纖維和一層由溶膠凝膠(sol-gel)工藝獲得的陶瓷纖維組成。而且，本發明還涉及一種汙染控制裝置。
背景技術：
汙染控制裝置通常用於機動車輛以便控制大氣汙染。目前，廣泛使用的兩種類型的裝置為催化式排氣淨化器和柴油微粒過濾器或捕捉器。催化式排氣淨化器包含一催化劑，該催化劑一般是塗在一個安裝在金屬外殼內的單塊結構上。該單塊結構通常是陶瓷的，儘管金屬單塊同樣已經在使用。該催化劑氧化一氧化碳和碳氫化合物並還原汽車排氣中的氮氧化物，從而控制大氣汙染。
柴油微粒過濾器或捕捉器通常是壁流式過濾器，該過濾器具有蜂窩式單塊結構，通常由多孔結晶陶瓷材料製成。所述蜂窩式結構的其它替換蜂室(cell)通常被塞住以便於汽車排氣進入一個蜂室並被強迫通過多孔壁到達鄰近蜂室，在該鄰近蜂室汽車排氣可以排出該結構。這樣，存在於柴油排氣中的這些小的煤煙微粒就可以被收集。
用於汙染控制裝置中的所述的單塊尤其是陶瓷汙染控制單塊是通常易碎的，而且也容易受到振動或震動損壞和破壞的影響。這些單塊通常具有在數量級上比包含它們的金屬外殼更小的熱膨脹係數。這就意味著當汙染控制裝置被加熱時，在外殼的內圓周壁與單塊的外壁之間的縫隙就增大。儘管，由於所述墊的絕緣作用，所述金屬外殼遭受了一更小的溫度變化，但是所述金屬外殼的更高的熱膨脹係數會引起外殼比所述單塊元件更快地膨脹到一更大圓周尺寸。在所述汙染控制裝置使用和使用期限時期，這樣的熱循環發生成百上千次。
為了避免由於如公路震動或振動引起對陶瓷單塊的損壞、為了補償熱膨脹差異以及為了防止汽車排氣穿過所述單塊和金屬外殼之間(由此旁通過了催化劑)，而在所述陶瓷單塊與金屬外殼之間設置了安裝墊。這些安裝墊必須施加足夠的壓力來將所述單塊在超過所期望溫度範圍時固定位於適當位置，而不會讓這樣多的壓力來損壞陶瓷單塊。
近來，存在一種發展趨勢，傾向於提高組成汙染控制單塊的每個單位面積內的蜂室數量而減少蜂室的壁厚。這樣的汙染控制單塊被稱為薄壁或超薄壁單塊，而且通常具有400到1200個蜂室/平方英寸(cpsi)和不大於5密耳的壁厚，即0.005」(0.127mm)。由於減小的壁厚，這些單塊更容易遭受損壞，並因此更加迫切需要用於安裝這樣的單塊的安裝墊。
在本領域中已經描述了許多安裝墊。公知的安裝墊包括由陶瓷纖維、膨脹材料和有機和/或無機粘結劑構成的膨脹片狀材料。例如，在美國專利3,916,057(Hatch等)、4,305,992(Langer等)、5,151,253(Merry等)、5,250,269(Langer)和5,736,109(Howorth等)中描述了用於在外殼中安裝催化式排氣淨化器的膨脹片狀材料。膨脹安裝墊具有這樣的缺點在使用時，當汙染控制單塊加熱時，它們會施加太多的壓力在汙染控制單塊上。結果，膨脹安裝墊不太適合於安裝薄壁和超薄壁單塊。
美國專利5,290,522描述了一種具有無紡布安裝墊的催化式排氣淨化器，該安裝墊包括至少60％重量的無緯紗高強度的矽酸鎂鋁玻璃纖維，該玻璃纖維具有大於5微米的直徑。然而，這樣的安裝墊並不具有充足的控制強度來足夠在高溫下安裝薄壁和超薄壁單塊和保護它們不受震動和損壞。
美國專利5,380,580公開了一種由物理纏起的無緯紗陶瓷氧化纖維構成的無紡布墊。該墊被指導用作過濾介質、安裝墊和聲或熱絕緣體。在一個這樣的例子中，公開了一種無紡布墊，該墊包括一層多晶陶瓷纖維和一層玻璃纖維。該墊明顯地意欲用於熱絕緣，但不容易適合作一個用於在汙染控制裝置中安裝汙染控制單塊的安裝墊。同樣，這裡也沒有教導這樣的兩層墊如何用作安裝墊。
由多晶陶瓷纖維和粘結劑構成的非膨脹墊已經被建議用於安裝所謂的超薄壁單塊。例如，在美國專利4,011,651(Bradbury等)、4,929,429(Merry)、5,028,397(Merry)、5,996,228(Shoji等)和5,580,532(Robinson等)中公開了非膨脹墊的例子。多晶纖維通常通過一個在如美國專利3,760,049中描述的溶膠凝膠工藝來形成，而其它陶瓷纖維通常是熔融形成。可惜的是，多晶纖維比熔融形成的陶瓷纖維如陶瓷玻璃纖維更昂貴，且因此，多晶纖維安裝墊經常會昂貴得令人不敢問津。
因此，令人期望的是，找到更多適合於在汙染控制裝置中安裝汙染控制單塊的安裝墊，尤其是，找到可以用於安裝薄壁或超薄壁單塊的安裝墊。優選地，這樣的安裝墊提供了一個很好的特別是在高溫下控制單塊的控制力，而沒有施加引起損壞所述單塊的太大壓力。優選地，所述安裝墊可以以低的成本生產，而且優選地所述安裝墊同樣有利於環境保護。

發明內容
本發明提供了一種用於在汙染控制裝置中安裝汙染控制單塊的安裝墊。所述安裝墊具有0.12-0.3克/cm3的容積密度，而且包括(i)一層碎矽酸鎂鋁玻璃纖維層，和(ii)一層可從溶膠凝膠工藝獲得的陶瓷纖維層。
優選地，所述碎矽酸鎂鋁玻璃纖維層和陶瓷纖維層限定了所述墊的相對的主要表面。
本發明還提供了一種汙染控制裝置，該裝置包含一個設置在金屬外殼中的汙染控制單塊，其中，在所述金屬外殼與汙染控制單塊之間設置有一個安裝墊。所述安裝墊包括(i)一層碎矽酸鎂鋁玻璃纖維層，和(ii)一層可從溶膠凝膠工藝獲得的陶瓷纖維層。
所述安裝墊這樣設置以便於所述陶瓷纖維層面向汙染控制單塊。所述的術語「面向」包括這樣的實施例一是在所述單塊與墊的陶瓷纖維層之間沒有另外層，二是在它們之間存在一層或更多另外的層。這樣的選擇層可以是安裝墊的部分，也可以不是安裝墊的部分，但是當存在這樣的選擇層時優選地不是安裝墊的部分，而且這樣選擇層可以包括如塗層、平紋棉麻織物層或薄膜層，目的在於減少來自於纖維的可能的皮膚刺激。同樣，任何這樣的選擇層應當被選擇以便於它們不會本質上破壞本發明的優點，也就是說，具有任何這樣的選擇層的安裝墊的性能至少應當是沒有選擇層的類似安裝墊的性能的至少90％。
已經發現，根據本發明的安裝墊可以以比以單層多晶纖維為主的安裝墊更低的成本生產。同樣，當所述汙染控制裝置用於如機動車輛時，且當以這樣的方式在汙染控制裝置中安裝汙染控制單塊以便於從溶膠凝膠工藝獲得的所述陶瓷纖維層面向所述單塊時，可以在汙染控制裝置使用期限內在低溫和高溫循環期出現時在低溫和高溫下維持足夠的控制力。


提供下述附圖只是為了分析說明目的和更好地理解本發明，而不是意圖以任何方式將本發明限制在其中，附圖如下圖1是以分解的形式顯示的本發明的催化式排氣淨化器的透視圖。
圖2示意性地顯示了本發明的安裝墊的剖視圖。
具體實施例方式
參考圖1，汙染控制裝置10包括金屬外殼11，該金屬外殼11分別具有通常為截頭圓錐體的入口和出口端12和13。在所述外殼11內設置有一個汙染控制單塊20。圍繞所述汙染控制單塊20是本發明的安裝墊30，而且該安裝墊30用於在所述外殼11內緊密而有彈性地支撐所述單塊元件20。所述安裝墊30在外殼內將汙染控制單塊20固定在適當位置，並密封所述汙染控制單塊20與外殼11之間的縫隙，因此能防止廢氣旁通過汙染控制單塊20，或使得旁通過汙染控制單塊20的廢氣最小化。
所述金屬外殼可以由本領域已知的用於這樣用途的材料製成，如包括不鏽鋼。
汙染控制單塊可以安裝有本發明的安裝墊，該汙染控制單塊包括汽油汙染控制單塊以及柴油汙染控制單塊。所述汙染控制單塊可以是一催化式排氣淨化器或一微粒過濾器或捕捉器。催化式排氣淨化器包含一催化劑，該催化劑通常塗在一單塊結構上，而該單塊結構安裝在一金屬外殼內。所述催化劑通常在所要求的溫度下是適宜操作和有效的。例如，用於汽油發動機的催化式排氣淨化器應當在400℃-950℃的溫度範圍內是有效的，然而，對於柴油發動機的較低溫度來說，溫度不高於350℃是常見的。所述單塊結構通常為陶瓷，儘管金屬單塊同樣已經在使用。所述催化劑氧化一氧化碳和碳氫化合物並還原汽車排氣中的氮氧化物，從而控制大氣汙染。儘管在一個汽油發動機中，所有這三種汙染物會在一個所謂的「三通淨化器(three wayconverter)」中同時反應，但是，大多數柴油發動機只設置有一個柴油氧化催化式排氣淨化器。用於還原氮氧化物的催化式排氣淨化器在今天只是有限地用於柴油發動機，該催化式排氣淨化器通常由一個單獨的催化式淨化器構成。用於汽油發動機的汙染控制單塊的例子包括如下由堇青石製成的汙染控制單塊或金屬單塊，其中，所述的堇青石在商業上可由Corning Inc.(Corning，N.Y.)或NGK Insulators，LTD.(Nagoya，Japan)獲得，而金屬單塊在商業上可由Emitec(Lohmar，Germany)獲得。
柴油微粒過濾器或捕捉器通常是壁流式過濾器，該過濾器為蜂窩式單塊結構，通常由多孔多晶陶瓷材料製成。所述蜂窩結構的替換蜂室通常被塞住以便於汽車排氣進入一個蜂室並被強迫通過所述多孔壁而到達鄰近蜂室，在該鄰近蜂室，汽車排氣排出所述結構。這樣，就可以收集在柴油排氣中存在的這些小的煤煙微粒。由堇青石製成的適合的柴油微粒過濾器在商業上可以由Corning Inc.(Corning，N.Y.)和NGK Insulators，LTD.(Nagoya，Japan)獲得。由金剛砂製成的柴油微粒過濾器在商業上可由Ibiden Co.Ltd.(Japan)獲得，並且在如JP2002047070A中已經予以說明。
本發明所述的安裝墊可以用於安裝所謂的薄壁或超薄壁汙染控制單塊。尤其，所述安裝墊可以用於安裝400-1200cpsi且具有不大於0.005」(0.127mm)的壁厚度的汙染控制單塊。可以用安裝墊安裝的汙染控制單塊的例子包括薄壁單塊4mil/400cpsi和4mil/600cpsi以及超薄壁單塊3mil/600cpsi、2mil/900cpsi和2mil/1200cpsi。
圖2顯示了本發明的安裝墊的示意性斷面圖。如所見的那樣，安裝墊30包括一碎矽酸鎂鋁玻璃纖維層31和一陶瓷纖維層32，其中該陶瓷纖維32可以從溶膠凝膠工藝獲得。當所述安裝墊30被用於在汙染控制裝置中安裝一汙染控制單塊時，所述安裝墊30被如此設置以便於層32最靠近所述汙染控制單塊，即層32面向汙染控制單塊，而層31最靠近所述汙染控制裝置的金屬外殼，即層31面向所述汙染控制裝置的金屬外殼。這樣，層31限定了圖1中的安裝墊30的表面33，而層32限定安裝墊30的相反面(在圖1中不可見)。已經發現，相反的設置並不會提供與本發明相關的好處，在該相反的設置中，層32應當限定安裝墊30的表面33。
儘管圖2顯示了僅由兩層構成的安裝墊構造，但是應當明白的是，該墊可以包括更多的層。例如，不同纖維成分的層可以包括在圖2所示的層31和層32之間。同樣，多於一層的玻璃纖維也可以使用，由此，這些層可以在如構成這些層的玻璃纖維的化學成分和/或構成這些成分的玻璃纖維尺寸上不同。這樣，替代單一的玻璃纖維層31，可以使用兩層或更多層玻璃纖維與由溶膠凝膠工藝形成的陶瓷纖維層32組合使用。例如，所述安裝墊可以包括一層由溶膠凝膠工藝形成的陶瓷纖維層、一層由S2玻璃製成的玻璃纖維層以及一層由R玻璃或E玻璃製成的玻璃纖維層。
安裝墊30通常具有一個容積密度，即在安裝進入汙染控制裝置之前的容積密度在0.12-0.3克/cm3之間，優選地在0.12-0.25克/cm3之間。當安裝墊被安裝時，它通常具有0.2-0.6克/cm3的安裝密度，優選地安裝密度在0.3-0.5克/cm3之間，即所述安裝墊在安裝時被壓縮。
所述安裝墊通常被如此設計成以便於在安裝時，所述由溶膠凝膠工藝獲得的陶瓷纖維層的厚度至少為0.5mm，優選地至少為0.7mm。然而，根據所述汙染控制單塊的特性和類型，同樣可考慮更小的厚度。然而，通常，陶瓷纖維層的厚度應當足夠熱絕緣所述玻璃纖維層。
在無紡布安裝墊中使用的矽酸鎂鋁玻璃纖維通常具有至少5μm的平均直徑和0.5-15cm之間的長度，優選地在1-12cm之間。優選地，所述平均直徑至少為7μm，而且通常在7到14μm的範圍中。優選地，所述玻璃纖維是分離的(individualized)。為了提供分離的纖維(即每種纖維彼此獨立)，可以切碎麻(tow)或紗線(yarn)纖維，例如使用一玻璃粗紗切割機(例如，在商業上可以從Finn Fram，Inc.，ofPacoma，Calif.的商標為「MODEL 90GLASS ROVING CUTER」中獲得)達到期望的長度(通常在大約0.5到大約15cm的範圍內)。所述纖維通常無緯紗(shot free)或包含很低量的緯紗(shot)，通常少於纖維總重量的1％。另外，所述纖維通常在直徑上是相當一致的，即具有平均在+/-3μm內的直徑的纖維的量通常至少為矽酸鎂鋁玻璃纖維總重量的70％，優選地至少為80％，而且，最優選地至少為90％。
所述矽酸鎂鋁玻璃纖維優選地包括10-30％重量的氧化鋁、52-70％重量的氧化矽以及1-12％重量的氧化鎂。前述氧化物的重量百分數是以Al2O3、SiO2和MgO理論量為依據計算的。還應當明白的是，所述矽酸鎂鋁玻璃纖維還可能包括其它氧化物。例如，其它可以存在的氧化物包括鈉或鉀的氧化物、硼氧化物和鈣氧化物。所述矽酸鎂鋁玻璃纖維的特定例子包括E玻璃纖維、S和S-2玻璃纖維以及R玻璃纖維，其中E玻璃纖維的成分通常為大約55％SiO2、11％Al2O3、6％B2O3、18％CaO、5％MgO和5％其它氧化物，S和S-2玻璃纖維的成分通常為大約65％SiO2、25％Al2O3和10％MgO，R玻璃纖維的成分通常為大約60％SiO2、25％Al2O3、9％CaO和6％MgO。例如，E玻璃、S玻璃和S-2玻璃可以從Advanced Glassfiber Yarns LLC獲得，而R玻璃可以從Saint-Gobain Vetrotex獲得。
除了矽酸鎂鋁玻璃纖維外，所述墊的玻璃纖維層可以包含10％重量的纖維。然而，優選地，所述玻璃纖維層僅由矽酸鎂鋁玻璃纖維構成。如果其它纖維包含在所述玻璃纖維層中，它們通常會是非晶態纖維，而且優選地它們同樣具有至少5μm的平均直徑。優選地，所述玻璃纖維層將會沒有具有3μm或更小直徑的纖維或基本上是沒有具有3μm或更小直徑的纖維，尤其是，所述墊將不會有小於5μm直徑的纖維或基本上不會有小於5μm直徑的纖維。在這裡的「基本上沒有」意思是指這樣的小直徑的纖維的量不到2％的重量，優選地不到玻璃纖維層中的纖維總重量的1％。
所述陶瓷纖維層包括可以從溶膠凝膠工藝獲得的陶瓷纖維。所述術語「溶膠凝膠」工藝意思是指所述纖維可以通過紡紗或擠出溶液或分散體或所述纖維構成成分的通常粘性濃縮物或其中的初級粒子而形成。所述溶膠凝膠工藝因此與熔融形成纖維工藝形成對比，藉此，這些纖維通過擠出纖維的組成成分的熔融物而形成。例如，美國專利3,760,049公開了一種適合的溶膠凝膠工藝，其中，教導了通過孔擠出金屬化合物的溶液或分散體從而形成連續的新纖維，然後該新纖維被燒制而獲得陶瓷纖維，由此製成了陶瓷纖維。所述金屬化合物通常為可鍛燒成金屬氧化物的金屬化合物。經常，溶膠凝膠形成纖維是結晶或半結晶的，這樣的纖維在本領域被稱為多晶纖維。
根據所述溶膠凝膠工藝，形成纖維的金屬化合物的溶液或分散體的例子包括含氧的鋯化合物的水成溶液，如雙乙酸鋯，該溶液或分散體中包含了矽膠，如在美國專利3,709,706中所公開的。另一個例子包括水可溶或水可分散的鋁和硼化合物的水成溶液，如水成基醋酸鋁，或一雙相系統，該系統包含矽膠質分散體的水成混合物和水可溶或水可分散鋁和硼化合物。其它可通過溶膠凝膠工藝製成的代表性的難熔金屬氧化物纖維包括氧化鋯、鋯石、氧化鈣-氧化鋯、氧化鋁、鋁酸鎂、矽酸鋁等。另外，這樣的纖維可以包含各種不同的金屬氧化物，如氧化鐵、氧化鉻(chromia)和氧化鈷。
用於安裝墊的陶瓷纖維層中的陶瓷纖維包括多晶氧化物陶瓷纖維如多鋁紅柱石、氧化鋁、高氧化鋁鋁矽酸鹽、鋁矽酸鹽、氧化鋯、氧化鈦、氧化鉻等。優選的纖維通常為高氧化鋁的結晶纖維，包括大約67-98％重量的氧化鋁和大約33-2％重量的氧化矽。這些纖維通常是有市售的，如3M Company的「NEXTEL550」，Dyson Group PLC(Sheffield，UK)的SAFFILTM，Mitsubishi Chemical Corp.(Tokyo，Japan)的MAFTEC，Unifrax，(Niagara Falls，N.Y)的FIBERMAXTM，以及ALTRA纖維(Rath GmbH，Germany)。
適合的多晶氧化物陶瓷纖維還包括鋁硼矽酸鹽(aluminoborosilicate)纖維，該鋁硼矽酸鹽纖維優選地包含大約55-75％重量的氧化鋁、大於零而小於大約45％(優選地為大於零而小於44％)重量的氧化矽以及大於零而小於25％(優選地為大約1-5％)重量的氧化硼(分別以Al2O3、SiO2和B2O3為基礎的理論氧化物而計算)。所述鋁硼矽酸鹽纖維優選地至少有50％重量的結晶體，更優選地至少有75％重量的結晶體，而最優選地為100％重量的結晶體(即結晶纖維)。例如，所述鋁硼矽酸鹽纖維有市售，例如3M Company的「NEXTEL312」和「NEXTEL440」。
通過溶膠凝膠工藝可獲得的陶瓷纖維通常無緯紗或包括很低量的緯紗，通常少於陶瓷纖維總重量的1％。同樣，所述陶瓷纖維通常具有1-16μm的平均直徑。在一個優選的實施例中，所述陶瓷纖維具有5μm或更大的平均直徑，而且，優選地，所述陶瓷纖維沒有小於3μm直徑的纖維或基本上沒有小於3μm直徑的纖維，更優選地，所述陶瓷纖維將不會有小於5μm直徑的纖維或基本上不會有小於5μm直徑的纖維。在這裡的「基本上沒有」意思是指這樣的小直徑的纖維的量不到2％的重量，優選地不到陶瓷纖維層中的纖維總重量的1％。因此，在本發明的一個特別優選的實施例中，所述陶瓷纖維層和玻璃纖維層以及任何其它選擇的層基本上沒有小於3μm直徑的纖維。所述陶瓷纖維通常與上述的玻璃纖維一樣是分離的。
根據一種用於製造無紡布墊的方法，碎而相互分離(individualized)的纖維(優選地，長度為大約2.5-5cm)送進到一傳統制網機(例如，可以在Rando Machine Corp.of Macedon，N.Y.的商標「RANDO WEBBER」中購買，或者可以在Scan Web Co.of Denmark的商標「DAN WEB」中購買)，其中，這些纖維可以拖到鉛絲紗或網孔帶(如金屬或尼龍帶)上。如果使用「DAN WEB」型制網機，這些纖維優選地使用錘式粉碎機然後再用吹風機相互分離。為了有助於方便處理該墊，可以在平紋棉麻織物上製成該墊或將該墊放在平紋棉麻織物上。依靠這些纖維的長度，所製成的墊通常具有充足的可操縱性以便被傳送到針衝孔機，而不需要支撐物(如平紋棉麻織物)。
所述無紡布墊同樣可以使用傳統的制網或紡織梳理來製成。對於制網工藝，所述纖維長度優選地為大約0.5-6cm。
所述安裝墊優選地為針衝孔無紡布墊。針衝孔無紡布墊涉及這樣一種墊，其中，存在由多重完全或局部(優選為完全)穿透該墊而提供的纖維物理纏繞性，如使用刺針穿透。所述無紡布墊可以使用傳統針衝孔儀器(如針衝孔機，該機可以在Dilo of Germany的商標「DILO」中購買，該機設置有刺針(如，該針可以從Foster Needle Company，Inc.，of Manitowoc，Wis.購買))進行針衝孔，從而提供一針衝孔的無紡布墊。提供纖維纏繞性的針衝孔通常包括壓縮該墊然後衝孔並穿過該墊拖動刺針。每單位面積墊的針衝孔優選數量根據特定的使用而不同。通常，針衝孔無紡布墊而提供大約5-60針衝孔/cm2。優選地，針衝孔該墊提供了大約10-20針衝孔/cm2。
選擇性地，所述墊可以使用傳統的技術(參見美國專利4,181,514(Lefkowitz等)，該專利文獻公開的內容作為參考包含在本文中用於指導針腳式接合無紡布墊)進行針腳式接合。通常，該墊使用有機線進行針腳式接合。在進行針腳式接合期間，一薄層有機或無機片狀材料可以放置在所述墊的任一側或兩側，從而防止或最小化這些線切穿過該墊。在期望針腳線不在使用中被分解的地方，可以使用無機線如陶瓷或金屬線(如不鏽鋼)。這些針腳的間隔通常為3-30mm，以便於所述纖維在整個墊的區域上均勻地壓縮。
根據上述工藝，所述玻璃纖維層和陶瓷纖維層可以分別形成，而且，所獲得的單獨的針衝孔或針腳式接合層然後可以通過針衝孔或針腳式接合彼此接合。選擇性地，可以形成一玻璃纖維層和陶瓷纖維層的網，而且之後該網可以被針衝孔或針腳接合以形成一無紡布安裝墊。因此，在後者的結構中，所述玻璃纖維層和陶瓷纖維層在彼此接合之前不用分別針衝孔接合或針腳接合。
本發明參考下述實施例進一步地描述，但並不是意圖限制本發明在這些實施例。
實施例在實施例和對比例中所用的材料A.從溶膠凝膠工藝獲得的陶瓷纖維墊(多晶纖維)A1 三菱化學公司的MaftecTMMLS-3針粘毯(needle-bondedblanket)(72％Al2O3，28％SiO2，沒有粘接劑，容積密度0.16克/cc)A2 IbidenTMN4(72％Al2O3，28％SiO2，沒有粘接劑，容積密度0.18克/cc)A3 3M 1101 HT(72％Al2O3，28％SiO2，沒有粘接劑，容積密度0.14克/cc)A4 3M 1101 HT(96％Al2O3，4％SiO2，沒有粘接劑，容積密度0.16克/cc)A5 3M NextelTM312針粘毯(62％Al2O3，24％SiO2，14％B2O3，沒有粘接劑，容積密度0.14克/cc)B.玻璃纖維墊B R玻璃纖維被製成無紡布墊，如下所示40升R玻璃纖維(通常的成分為60％SiO2，25％Al2O3，9％CaO和6％MgO)，該纖維具有ca.10μm的直徑，碎成36mm的長度，從德國Herzogenrath的Saint-Gobain Vetrotex Deutschland GmbH獲得。該纖維其本上無緯紗。
所述玻璃纖維在一個雙區(two-zone)Larche打開機(opener)中打開。所述第一區具有一個2m/min的給料速度和一個2500rev/min的Lickerin滾動速度。所述第二區具有一個4m/min的給料速度和一個2500rev/min的Lickerin滾動速度。所述輸出速度為6.5m/min。
然後，將所述打開的纖維餵入一傳統成網機器(商業上可由紐約Rando Machine Corp.of Macedon的商標為「Rando Webber」獲得)，其中，所述的纖維被吹到一多孔金屬輥上而形成一個連續網。然後，所述連續網在一個傳統針敲平頭釘器(needle tacker)上針粘起來。所述針速度為100cycles/min，而所述輸出速度是1.1m/min。所述安裝墊的「每單位面積上的重量」可以調整為所期望的那樣。所述材料具有接近0.12克/cc的容積密度。
測試方法-真實條件固定測試(Real Condition Fixture Test)(RCFT)該測試模式實際條件建立在一個在通常使用期間的汙染控制裝置上，該裝置具有一個塗有催化劑的單塊或柴油微粒過濾器，而且該測試模式測量了在這些模式使用條件下被安裝材料施加的壓力。所述真實條件固定測試(RCFT)方法詳細地描述在Material Aspects inAutomotive Pollution Control Devices(ed.Hans Bode，Wiley-VCH，2002，206-208頁)中。
兩塊被獨立控制的50.8mm×50.8mm的被加熱不鏽鋼壓盤被分別加熱到不同的溫度來模擬所述金屬外殼和單塊溫度。同時，兩塊壓盤之間的空間或縫隙由溫度和所指定類型的典型汙染控制裝置的熱膨脹係數計算出的值而增大了。用於汙染控制裝置的高速驅動條件由900℃的單塊溫度和530℃的金屬外殼溫度來模擬。
在每塊安裝墊樣品上執行三次循環的真實條件固定測試(RCFT)。在測試樣品上安裝的墊的容積密度和安裝前的容積密度總結在表2中。
當第一和第二盤的溫度最初增加、被控制在峰值溫度15分鐘然後減少時，由墊所施加的壓力持續地被測量。所述代表單塊溫度的盤從室溫加熱到900℃、控制15秒鐘然後回到室溫。同時，所述代表外殼溫度的盤從室溫加熱到530℃、控制15秒鐘然後回到室溫。每次加熱循環都被稱為一個真實條件固定測試(RCFT)循環。在進行三次真實條件固定測試(RCFT)循環之後，數據被記錄在表2中。
分別在第一和第三次循環時，在測試開始時記錄在室溫下的壓力，同樣記錄在峰值溫度(900℃/500℃)下的壓力。
實施例1實施例1中的安裝墊由一層具有0.16克/cc容積密度的A1墊放置到一層具有0.12克/cc容積密度的B墊上而構成。所述合併而成的墊具有0.14克/cc的容積密度。見下面的表1中。
所述真實條件固定測試(RCFT)在測試方法下按上述的方法來進行。在測試開始之前，通過將所述墊的多晶纖維層側向著所述RCFT測試組件的更熱側放置而將所述墊的R玻璃纖維層側向著所述RCFT測試組件的更冷側放置，再壓縮所述雙層墊到0.35克/cc的安裝密度，這樣就可以測試實施例1的兩層墊。這就導致了在室溫下的217KPa的開始壓力。
RCFT的結果都總結在表2中。在第一次溫度循環期間，所述墊顯示了在峰值溫度下的55KPa的壓力。在第三次溫度循環期間，所述墊顯示了在峰值溫度下的43KPa的壓力。該壓力便於將所述單塊固定在適當位置，而沒有擠壓它。
對比例1對比例1包括了一個具有單一層的針粘、多晶纖維墊，所述的多晶纖維具有72％Al2O3和28％SiO2的成分。在測試之前，其容積密度接近0.16克/cc。而在測試開始之前，它被壓縮到0.35克/cc的安裝密度。這就導致了在室溫下的257KPa的開始壓力。RCFT的結果顯示了在第一次循環期間在峰值溫度下的壓力為104KPa。在第三次循環期間在峰值溫度下的壓力為88KPa。
對比例2對比例2包括了一個具有單一層的R玻璃纖維墊，所述的玻璃纖維具有大約0.12克/cc的容積密度。而在測試開始之前，它被壓縮到0.32克/cc的安裝密度。這就導致了在室溫下的250KPa的開始壓力。RCFT的結果顯示了在第一次循環期間在峰值溫度下的壓力為10KPa。在第三次循環期間在峰值溫度下的壓力為0KPa。
對比例3對比例3使用實施例1所描述的墊來進行。所述雙層墊以R玻璃向著所述RCFT的熱側而以多晶纖維層向著所述RCFT的冷側而放置在所述測試組件中，與實施例1排列相反。在測試開始之前，所述墊被壓縮到0.35克/cc的安裝密度。這就導致了在室溫下的281KPa的開始壓力。
RCFT的數據顯示了在第一次循環期間在峰值溫度下的壓力為6KPa。在第三次循環期間在峰值溫度下的峰值壓力為5KPa。
對比例4-7對比例4-7分別使用單一層的多晶纖維來進行，詳細的描述在上述的「用於實施例和對比例的材料」中。
RCFT結果總結在表2中。
表1墊構成

表2RCFT結果

*900℃/530℃，分別為在測試期間的所述組件的熱側(代表了單塊溫度)和冷側(代表了外殼溫度)的峰值溫度。
權利要求
1.一種用於在汙染控制裝置中安裝汙染控制單塊的安裝墊，該安裝墊具有0.12-0.3克/cm3的容積密度，而且它包括(i)一層碎矽酸鎂鋁玻璃纖維層，和(ii)一層能從溶膠凝膠工藝獲得的陶瓷纖維層。
2.根據權利要求1所述的安裝墊，其中，所述的碎矽酸鎂鋁玻璃纖維層和陶瓷纖維層限定了所述墊的相對的主要表面。
3.根據權利要求1所述的安裝墊，其中，所述碎矽酸鎂鋁玻璃纖維層包含所述層總重量的至少90％的玻璃纖維。
4.根據權利要求1所述的安裝墊，其中，在所述的碎矽酸鎂鋁玻璃纖維層和所述陶瓷纖維層之間存在一層或更多的其它層。
5.根據前述任一權利要求所述的安裝墊，其中，所述玻璃纖維和所述陶瓷纖維具有5μm或更大的平均直徑以及0.5-15cm的長度。
6.根據前述任一權利要求所述的安裝墊，其中，所述的碎矽酸鎂鋁玻璃纖維層和所述陶瓷纖維層的每層都被針接合或針腳接合，而且這些層又彼此針接合或針腳接合。
7.根據權利要求6所述的安裝墊，其中，所述安裝墊沒有有機粘接劑或包含的所述有機粘接劑不到所述墊總重量的2％。
8.根據前述任一權利要求所述的安裝墊，其中，所述碎矽酸鎂鋁玻璃纖維包括玻璃纖維總重量的10-30％的氧化鋁、52-70％的氧化矽以及1-12％的氧化鎂，而且所述氧化鋁、氧化矽和氧化鎂的重量百分數是分別以Al2O3、SiO2和MgO的理論量為依據計算的。
9.根據權利要求8所述的安裝墊，其中，所述碎鋁矽酸玻璃纖維選自由E玻璃、S玻璃、S2玻璃、R玻璃及其混合物組成的組中。
10.汙染控制裝置，該裝置包含設置在金屬外殼中的汙染控制單塊，其中，在所述金屬外殼與汙染控制單塊之間設置有安裝墊，其特徵在於，所述安裝墊包括(i)一層碎矽酸鎂鋁玻璃纖維層，和(ii)一層可從溶膠凝膠工藝獲得的陶瓷纖維層，而且，其中，所述安裝墊這樣設置以便於所述陶瓷纖維層面向汙染控制單塊。
11.根據權利要求10所述的汙染控制裝置，其中，所述無紡布墊的安裝密度為0.2-0.6克/cm3。
12.根據權利要求10或11所述的汙染控制裝置，其中，所述的汙染控制單塊包括400-1200蜂室/平方英寸，其中所述的蜂室壁具有小於0.005」(0.127mm)的厚度。
全文摘要
本發明提供一種用於在汙染控制裝置(10)中安裝汙染控制單塊(20)的安裝墊(30)。該安裝墊具有0.12－0.3克/cm
文檔編號F01N3/28GK1806101SQ200480016286
公開日2006年7月19日 申請日期2004年4月16日 優先權日2003年6月10日
發明者理察·P·梅裡 申請人:3M創新有限公司