[发明专利]用于制备耐热冲击性陶瓷蜂窝状结构体的改良接合剂及制备它们的方法

说明书

申请日权益的要求

本申请要求2008年3月20日提交的美国申请系列号61/038,266的申请日的权益，处于所有的目的，该美国申请通过引用结合到此。

发明领域

本发明涉及具有改善的耐热冲击性的陶瓷过滤器及其制备方法。具体地，该过滤器和方法涉及一种改良陶瓷接合剂用于将陶瓷微粒过滤器组装在一起以制备更大的耐热冲击性过滤器的应用。

发明背景

柴油发动机由于它们运行的方式而排出烟灰(soot)粒子或非常细的冷凝物小滴或这二者的团块(微粒)以及典型的有害汽油发动机排气(即，HC和CO)。这些“微粒”(本文中，柴油机烟灰(Diesel soot))富有稠合的多环烃，它们中的一些可能是致癌的。

由于对柴油机烟灰给健康带来的危险的认识与对柴油发动机提供的更大燃料效率的需要相冲突，颁布了抑制允许排放的柴油机烟灰的量的规定。为了对付这些挑战，使用了烟灰过滤器。当使用这样的过滤器时，所述过滤器必需通过燃烧掉烟灰来周期性再生。烟灰的这种燃烧导致了由于轴向和径向温度差所引起的应力，这可以引起过滤器的破裂。

为了克服应力，通过将更小的蜂窝体(honeycomb)组装成更大的蜂窝体，而使陶瓷蜂窝体比如热交换器和过滤器降低了应力和使蜂窝体破裂的可能。比如由EP 1508355所述，在蜂窝体之间的接合剂层已经被用于例如增加导热性，从而降低在组装的蜂窝体中达到的最终温度。为了实现改善的导热性，这些接合剂/密封层/粘合剂已经使用了陶瓷微粒以增加热质/传导性并且提高应用到更小的蜂窝片段上的容易性。比如由美国专利5,914,187所述，通常这样的接合剂通过使用陶瓷纤维和陶瓷粘结剂和有机粘结剂而增量(augment)，从而促进烧结之前的接合剂的应用(例如，降低微粒的析出)并且改善了接合剂的一些机械性质比如韧性。

不幸的是，这些增量材料的使用导致了在使用接合剂或效力降低方面的问题。例如，虽然有机粘结剂的使用有助于减少接合剂的粒子分离，但另一方面必需加以移除，从而延缓了制备所述部分的过程并且还冒由于热梯度和排放气体的压力所导致的损害的危险，所述热梯度是由于有机物的燃烧所引起的。纤维的使用还趋向于降低由于不充分填充所导致的接合剂层的热质和导热性并且降低任何大幅度地将纤维填充至载流流体中而不过分增加粘度的能力。

因此，期望提供一种由更小的陶瓷蜂窝体组装的更大蜂窝体以及其制备方法，所述方法避免了上面描述的一种或多种问题，比如在使用之前从组装的过滤器中移除有机粘结剂。

发明概述

本发明的一个方面是一种陶瓷蜂窝状结构体，所述陶瓷蜂窝状结构体包含已经通过接合剂粘附在一起的至少两个单独的更小的陶瓷蜂窝体，所述接合剂包含无机纤维和粘合相，其中所述更小的蜂窝体和纤维通过粘合相粘合在一起，所述粘合相包含无定形硅酸盐、铝酸盐或铝-硅酸盐玻璃，并且所述接合剂具有至多约5体积％的其它无机粒子。在一个特别的实施方案中，小部分(即，按体积计少于1/2的粘合相)具有结晶相，所述结晶相具有不连续的膨胀系数。″不连续的″是指在特定温度或在小的温度范围内(over a small temperature)，在热膨胀的阶梯式变化的情况下，结晶相转变成另一种晶体学(crystallography)，比如石英-鳞石英-方英石。

本发明的另外的方面是一种形成蜂窝状结构体的方法，所述方法包括：将在第一蜂窝状片段在其外表面的至少一个上与接合剂接触，所述接合剂包含平均长度在100微米至1000微米之间的无机纤维、载流流体、胶状无机溶胶并且没有其它无机粒子，其中所述纤维的固体负载量(solids loading)为接合剂总体积的至少约10体积％；将第二蜂窝状片段与第一蜂窝状片段机械接触，以使接合剂插入在所述蜂窝状片段之间，使得所述蜂窝状片段被粘合；充分地加热粘合的片段，以在接合剂的纤维和所述蜂窝状片段之间形成无定形陶瓷粘结，从而形成蜂窝状结构体。

在另一个方面，本发明是一种制备陶瓷接合剂的方法，所述方法包括：

(a)将无机纤维与带有负或正表面电荷的第一溶胶混合，随后；以及

(b)将带有与第一溶胶的表面电荷相反的表面电荷的第二溶胶混合到步骤(a)的混合物中，以形成陶瓷接合剂。该接合剂令人惊奇地具有所期望的流变性质，从而在没有有机粘合剂的存在下允许接合剂容易地铺展并且粘附到陶瓷蜂窝状片段上。此外，取决于接合剂中的氧化铝与二氧化硅的比率，热膨胀系数可以与各种陶瓷比如富铝红柱石相匹配。