[发明专利]具有无机连结的挤出的多孔基底

说明书

技术领域

本发明整体涉及挤出多孔基底的挤出工艺，并且在一个具体实施中涉及挤出多孔陶瓷基底的挤出工艺。

背景技术

许多工艺需要刚性基底，以便为各种工艺提供协助和支持。例如，将基底用于过滤应用，以过滤颗粒物、分离不同的物质或者除去空气中的细菌或微生物。这些基底可被构造成能在空气、废气或废液中操作，并可以制造成能承受较大的环境或化学应力。在另一个例子中，将催化材料沉积在基底上，以便有利于进行化学反应。例如，可将贵金属沉积在合适的基底上，然后该基底可以通过催化作用将危险性废气转化成低毒气体。通常，这些刚性基底在具有较高的孔隙率时操作会更加有效。

孔隙率通常是作为固体材料的特性，定义为开放空间占此材料总体积的百分比。例如，具有50％孔隙率的基底有一半的体积被开放空间占据。这样，具有较高孔隙率的基底的单位体积质量低于具有较低孔隙率的基底。一些应用得益于较低质量的基底。例如，如果将基底用于支持催化过程，并且该催化过程在高温下进行，那么具有较低热质量的基底可更快地加热至它的操作温度。这样，将催化剂加热至操作温度所用的时间，即起燃时间，通过使用更多孔并且更低热质量的基底得以减少。

渗透性也是基底的一个重要特性，特别是过滤和催化用基底。渗透性与孔隙率有关，因为渗透性是对流体(例如液体或气体)可穿过基底的容易程度的量度。大多数应用得益于高渗透性基底。例如，当后处理过滤器为内燃机提供较低的背压时，内燃机可更加有效率地运作。使用渗透性较高的基底可产生低背压。由于渗透性比孔隙率更难测量，因此孔隙率常用作基底渗透性的替代指标。然而，这并非特别准确的特性，因为若孔未普遍地开放和互连，则高孔隙率的基底仍可能仅具有限的渗透性。例如，聚苯乙烯泡沫塑料饮水杯由高度多孔的泡沫材料制成，但液体流却无法渗透该饮水杯。因此，在考虑孔隙率和渗透性的重要性时，也必须对基底的孔结构进行检查。在聚苯乙烯泡沫塑料杯的例子中，聚苯乙烯泡沫材料具有闭合的孔网络。这表示泡沫含有许多非连通孔和/或终端封闭的孔。这样，虽然泡沫内有许多空隙和开放空间，但由于这些孔并未连通，流体或气体无法从泡沫的一侧流至另一侧。随着更多的通道开始互连，那么流体的通道亦开始从一侧到另一侧得以形成。在此情况下，此材料称为拥有更加开放的孔网络。在材料中形成的连接通道越多，此物质的渗透性会变得越高。如果每个孔均与至少一个其他通道连接，并且所有孔均允许流体穿过由此材料形成的壁的整个厚度，在此情况下，此基底会被定义为具有完全开放的孔网络。一定要注意胞室和孔之间的差异。胞室是指贯穿(通常相互平行但非必须)蜂窝状基底的通道。通常，蜂窝状基底是指每平方英寸上具有多少个胞室的内容。例如，每平方英寸具有200个胞室的基底沿着该基底的主轴具有200个通道。另一方面，孔是指材料自身内部的间隙，例如在构成隔开两个平行通道或胞室的壁的材料。完全或大部分开放的孔网络基底在过滤或催化行业中还是未知的。反而，即使是最多孔可用的挤出基底，也是开放孔和闭合孔的混合体。

因此，许多应用都迫切需要具有高孔隙率的基底，并具有能确保同样高渗透性的内部孔结构。另外，基底还必须形成具有足够刚性的结构以支持特殊应用的结构和环境要求。例如，要附加到内燃机的过滤器或催化转化器必须能够经受可能的环境冲击、热要求以及制造和使用应力。最后，基底的制造成本需足够低以允许广泛应用。例如，为了降低汽车造成的全球污染程度，在发达国家以及发展中国家过滤基底都必须经济实用。因此，过滤器和催化转化器基底的总成本结构在基底的设计和选择工艺中是一个主要考虑因素。

已经证明，挤出是一种制造等截面刚性基底的高效和经济型工艺。更具体地讲，陶瓷粉体材料的挤出是制备内燃机过滤器和催化基底最广泛应用的工艺。在这几年中，挤出粉体陶瓷的工艺得以迅速发展，使得如今挤出的基底可以具有接近60％的孔隙率。这些挤出的多孔基底具有良好的强度特性、可灵活地且规模化地制造、保持高质量水平、并且非常有成本效益。然而，粉体陶瓷材料的挤出已经达到了孔隙率的可实施上限，并且进一步增大孔隙率将会导致不可接受的低强度。例如，如果孔隙率大于60％，挤出的陶瓷粉体基底尚未证明具有足够的强度能在柴油微粒过滤器的严苛环境下运作。在已知挤出工艺的另一个限制中，其希望通过增加基底的表面积来得到更高效的催化转化。为了增加表面积，挤出的陶瓷粉体基底曾试图增加胞室密度，但增加胞室密度导致了为内燃机带来无法接受的背压。因此，挤出的陶瓷粉体基底在极高孔隙率下不具备足够的强度，并且当需要增大的表面积时还会产生不可接受的背压。因此，陶瓷粉体的挤出看来已受到了实际应用的限制。