[发明专利]生产胶结并具有表皮的陶瓷蜂窝结构的方法

说明书

本申请要求2011年7月22日提交的美国临时申请No.61/510,811的优先权。

本发明涉及制造陶瓷蜂窝结构的方法。

具有薄壁、开放巢室(cell)的蜂窝状结构广泛地用作过滤器和作为催化剂载体应用。它们经常通过过滤掉微粒（例如烟尘粒子）和/或气溶胶微滴用于处理燃烧气体，或作为将排气的某些组分（例如NO_x化合物）催化转化成无害化合物（例如N₂和H₂O）的催化材料的载体。这些蜂窝状结构经常被称为“壁流”装置，因为所述巢室壁是多孔的并且当应用所述结构时气体透过所述壁。流体在它们透过所述多孔壁时被过滤和/或接触活性催化剂材料。

用于处理燃烧气体的蜂窝通常由陶瓷材料制成，因为所述蜂窝在它使用期间要经历高温。

陶瓷蜂窝以挤塑方法制造。前体材料、液体（通常是水）、通常致孔剂和一种或多种粘合剂的可挤塑混合物通过模头挤出，形成具有所需的蜂窝结构的生坯。生坯然后在一个或多个步骤中焙烧，形成陶瓷蜂窝。

胶结剂经常施加于所述蜂窝，主要是出于两种原因。首先，陶瓷“表皮”通常施加于蜂窝结构周缘。这防止气体从蜂窝的侧面逸出。所述“表皮”通过焙烧包含无机粘合剂和通常一些陶瓷纤维的胶结材料而制成。其次，在有些情况下，两个或更多个较小的蜂窝被胶结在一起形成较大的蜂窝结构。这允许由较容易生产的较小节段构造较大的蜂窝。这样做的另一个优点是以这种方式制造的分段式蜂窝比整块式蜂窝更抗热冲击。所述胶结剂组合物，如“表皮”组合物，包含无机粘合剂，并且被焙烧以产生所述胶结剂。

在所述表皮或胶结剂施加过程期间，所述粘合剂由于毛细作用迁移通过蜂窝结构的孔隙，并渗入相邻的巢室中。当焙烧所述胶结组合物时，以这种方式迁移的粘合剂部分或完全地堵塞那些巢室。这引起了若干问题。穿过所述堵塞或部分堵塞的巢室、以及作为整体的蜂窝结构有较高的压降。因此，需要更多的功迫使气体通过所述过滤器。在内燃机环境下，这导致燃料效率损失。

堵塞或部分堵塞的巢室还可以以几种方式降低所述过滤器的热稳固性。所述堵塞减少了气流通过受影响的巢室，这可产生局部较高或较低的温度以及整个所述过滤器中更高的温度梯度。由于所述堵塞的或部分堵塞的巢室，捕获的烟尘或其它粒子在整个过滤器中变得分布不均匀。另外，由于存在从胶结剂迁移进入的无机粘合剂，蜂窝基材的弹性模量局部变得较高。这可导致在所述过滤器局部部分的材料热冲击性能降低。所有这些因素可促进机械和/或热故障。

因为较难以在堵塞的或部分堵塞的巢室中产生必要的再生温度，所以所述堵塞的或部分堵塞的巢室也降低了再生效率。

因此，希望找到一种经济有效的方式来减少那些粘合剂迁移到蜂窝结构的巢室中。

实现它的一种方式是引入阻断粘合剂通过蜂窝壁的孔隙的物理屏障。在这种方式中，聚合涂层被施加于待施加胶结剂的蜂窝结构表面。胶结剂则施加在所述聚合涂层上，并且所述涂层在焙烧所述胶结剂时或之前被烧掉。这种方式是有效的，但是需要进行几个附加的加工步骤（施加并干燥所述聚合物涂层），因此增加了生产成本。需要的是更便宜然而有效的防止粘合剂迁移的方式。

本发明是将胶结层施加到多孔陶瓷蜂窝结构上的方法，所述方法包括以下步骤：（a）向陶瓷蜂窝的至少一个多孔表面施加胶结剂组合物，所述陶瓷蜂窝包含由相交的多孔壁限定的多个轴向延伸的巢室，和（b）焙烧所述蜂窝和胶结剂组合物，其中所述胶结剂组合物含有至少一种无机粘合剂、至少一种无机填充剂、载液和分散在所述载液中的粒度从约10纳米至100微米的有机聚合物粒子。

已经发现，在所述胶结剂组合物中存在少量有机聚合物粒子非常有效地减少了无机粘合剂迁移通过蜂窝壁的孔隙。于是，较少的巢室发生堵塞，并且改善了与堵塞有关的问题。这种结果相当令人惊讶，因为，与以前的方法不同，在施加胶结剂组合物之前没有向所述蜂窝施加聚合物层并且干燥。相反，在胶结剂组合物中存在所述聚合物粒子足以减少粘合剂迁移。粘合剂迁移减少导致较少的巢室堵塞，这进而导致通过所述过滤器的较小的压降，并在蜂窝使用和/或再生时在所述蜂窝内产生较小的温度梯度。因为粘合剂迁移减少，底下的蜂窝基材的弹性模量很少或没有出现增加，并且没有显著危害蜂窝的抗热冲击性。