[发明专利]用于陶瓷蜂窝结构体的胶接剂和表皮材料

说明书

本发明涉及用于陶瓷过滤器的胶接剂和表皮材料，还涉及用于向陶瓷过滤器涂敷表皮的方法和用于组装分段的陶瓷过滤器的方法。

在用途如排放控制装置，特别是在具有内燃机的交通工具中，广泛使用陶瓷蜂窝状结构体。这些结构体也用作催化剂载体。蜂窝结构体含有许多轴向小室，所述轴向小室延伸结构体从入口段到出口端的长度。所述小室被同样沿着结构体的纵向长度延伸的多孔壁限定和分隔。个体的小室分别在出口端或入口端除去帽部，以形成出口或入口小室。通常通过以交替的图案排列入口和出口室，使入口小室至少部分地被出口小室环绕，且反之亦然。在作业过程中，气体流进入入口小室，穿过多孔壁并进入出口小室，并从出口小室的出口端排出。当气体流穿过壁时，颗粒物质和气溶胶液滴被壁俘获。

这些蜂窝结构体当它们被使用时经常经历大的温度变化。一个具体的用途，即柴油机微粒过滤器，是说明性的。在交通工具正常作业期间，用作柴油机微粒过滤器的陶瓷蜂窝结构体经历范围可以从低至-40℃到几百℃的温度。此外，当经由高温氧化除去被捕获的有机烟灰粒子时，这些柴油机微粒过滤器在“烧除”或再生循环期间周期性地暴露在甚至更高的温度下。伴随这些温度改变的热膨胀和收缩造成在蜂窝结构体中的显著的机械应力。作为这些应力的结果，部件经常显示机械故障。在“热震”事件期间，当巨大和迅速的温度变化造成在蜂窝结构体中的巨大温度梯度时，该问题特别严重。因此，用于这些用途的陶瓷蜂窝结构体被设计为提供良好的抗热震性。

提高陶瓷蜂窝中的抗热震性的一种途径是将它分段。代替由单一的独块体形成整个蜂窝结构体，分别制造许多较小的蜂窝，并随后将它们组装成较大的结构体。使用无机胶接剂将所述较小的蜂窝粘结在一起。无机胶接剂通常比蜂窝结构体更有弹性。正是此较大的弹性允许热引发的应力通过结构体耗散，从而降低了可能导致裂纹形成的高局部应力。分段途径的实例见于USP7，112,233、USP7,384,441、USP7,488,412和USP7,666,240中。

分段途径是有帮助的，但是也表现它自己的问题。无机胶接剂材料倾向于渗透进入与胶接剂层相邻的小室壁中。在许多情况下，胶接剂甚至渗透通过那些壁进入每个片段周边的小室中，从而窄化或甚至阻塞这些小室。此渗透具有若干不利效果。周边的壁变得更致密，因为孔变得被胶接剂填充。这些更致密的壁起到热壑(heat sink)的作用，它们比结构体的其他部分更慢地改变温度，且因此形成温度梯度。此外，更少的气体可以流过由于胶接剂向其中的渗透而变得窄化或阻塞的小室；这也导致在结构体内更高的温度梯度。这些温度梯度促进了开裂和故障。

无论蜂窝结构体是否另外分段，向蜂窝结构体的周边涂敷表皮层以形成周边表皮也是常见的。此表皮材料是无机胶接剂，很像用于将分段的蜂窝结合在一起的胶接剂。它可以渗透进入周边壁和蜂窝的小室，且当它这样做时，它导致更高的温度梯度，很像在分段蜂窝中的胶接剂层所做的。这些较高的温度梯度降低了蜂窝的抗热震性。

改善这些问题的一种方法是用屏蔽涂层(如有机聚合物层，其在烧制步骤期间烧掉)涂布蜂窝。另一种方法是增加胶接剂组合物的粘度。每种途径都有缺点，如增加加工步骤(和相关的成本)，增加使胶接剂固化所需的干燥时间，以及导致在胶接剂层中的开裂和缺陷。

所希望的是提供一种用于制备具有良好抗热震性的陶瓷蜂窝的方法。特别地，所希望的是提供一种不容易渗透进入陶瓷蜂窝壁的无机胶接剂和表皮材料。

本发明是一种形成蜂窝结构体的方法，所述方法包括：在具有多孔壁的陶瓷蜂窝的至少一个表面上形成未固化的无机胶接剂组合物的层，并随后烧制所述未固化的无机胶接剂组合物和所述陶瓷蜂窝，以在所述陶瓷蜂窝的所述至少一个表面上形成固化的胶接剂层，

其中，所述未固化的无机胶接剂组合物含有至少一种无机填料的粒子、至少一种载体流体和无机粘合剂，并且此外，其中所述无机粘合剂的至少75重量％是粘土矿物，且其中胶态氧化铝和胶态二氧化硅一起占所述无机粘合剂的重量的0至25％。

所述固化的胶接剂层可以形成分段的蜂窝结构体的片段之间的粘合层、表皮层、或这两者。

已经发现，基于粘土矿物而不是胶态氧化铝和/或胶态二氧化硅的胶接剂组合物与胶态氧化铝和二氧化硅粒子相比较少地渗透进入陶瓷蜂窝的多孔壁中。这是意想不到的，因为粘土矿物的粒径通常远远小于蜂窝壁中的孔，并且当液体载体存在时会因此期望将由于毛细作用被拉入孔中。作为降低粘合剂渗透的结果，更少的胶接剂组合物渗透进入壁中和进入毗邻的小室中，并且降低了与胶接剂组合物的渗透相关的热梯度。这导致与当胶态材料形成粘合剂时相比更大的抗热震性。