[发明专利]制造多孔莫来石‑铝假板钛矿复合材料的方法

说明书

本申请为申请号为201280024776.6、申请日为2012年03月29日、发明名称为“制造多孔莫来石-铝假板钛矿复合材料的方法”的专利申请的分案申请。

本申请要求2010年3月29日提交的美国临时申请No.61/468,644的优先权。

本发明涉及制造多孔莫来石-铝假板钛矿(mullite-tialite)复合体的方法。

针状莫来石采取高纵横比的针的形式。大量这些针形成高表面积、高孔隙度的结构。所述针状结构提供了机械强度和高孔隙度的组合，这是相当有益的。针状莫来石还具有出色的耐高温性。由于这种性质组合，发现了针状莫来石蜂窝体作为微粒捕集器用于过滤动力设备排放的废气中的烟尘的用途。动力设备可以是活动的或固定的。活动的动力设备的例子是内燃机，例如柴油发动机。固定的动力设备包括电力装置和/或蒸汽发生装置。多孔针状莫来石体还可用作催化剂载体，例如汽车催化转化器中贵金属的载体。

制造多孔针状莫来石体的便利方式以含有铝和硅原子源的“生坯”开始。通过在氟源存在下加热，成形为具有近似化学式为Al₂(SiO₄)F₂的氟黄玉(Fluorotopaz)化合物。氟黄玉然后热分解形成莫来石，所述莫来石的近似化学式为3Al₂O₃·2SiO₂。用这种方法形成的莫来石晶体采取大量互连的针的形式。所述针通常直径在3和40微米之间。互连的针形成多孔结构，其中孔隙占所述莫来石体体积的40至85％。像这些的途径描述于WO 90/01471、WO 99/11219、WO 03/82773和WO 04/96729中。

针状莫来石的抗热冲击性略低于对例如微粒过滤器和催化剂载体应用所要求的，主要是由于它的比较高的热膨胀系数，在20-800℃温度范围内大约是5.2ppm/摄氏度(5.2X 10^-6℃^-1)。热再生期间，在有些动力设备操作中使用的针状莫来石体可能经历在数分钟或甚至数秒的时间内温度升高到数百摄氏度。在这些条件下，抗热冲击性不充分经常导致破裂。通过设计所述过滤器，可能某种程度上改善这个问题。然而，更可取的方式是通过致力于所述陶瓷的材料性质、同时保持其它期望的属性例如高孔隙度和良好的机械完整性来改善抗热冲击性。

为了形成莫来石与热膨胀系数低于莫来石的其它陶瓷材料的复合材料，已有各种尝试。

因此，例如，莫来石-堇青石复合材料描述于USP 5,079,064、EP 0 164 028、US 5,045,514和USP 5,407,871。这些参考文献中描述的复合材料利用溶胶-凝胶或烧灼途径制造，不产生针状莫来石。这些体的孔隙度一般对于过滤和催化剂载体应用而言不够高，并且达不到针状莫来石结构典型的机械强度与高孔隙度的粘结。在WO 2010/033763中描述了用于制造针状莫来石和堇青石复合材料的方法。在该方法中，在硅和镁原子源存在下烧灼针状莫来石体，以形成线膨胀系数比单独的针状莫来石低的复合材料。所述针状莫来石本身可以在镁原子源存在下形成，然后烧灼以产生所述复合材料。这种方法可以产生具有良好机械强度和低热膨胀系数的高孔隙度复合材料。

另一种已经研究的复合材料是莫来石-钛酸铝复合材料。钛酸铝表现出高度各向异性的热膨胀(即，膨胀沿着结晶轴差异很大)。据认为，这在大的钛酸铝晶体内引起了内应力，其导致当所述材料从产生它的烧灼温度冷却时产生微裂纹。微裂纹进而造成总体热膨胀系数低并因此造成良好的抗热冲击性，这是所期望的，但是也导致机械强度低的缺点。因此，通过与莫来石形成复合材料来提高钛酸铝蜂窝体的机械强度，已经进行了各种尝试。USP 4,855,265、WO 2004/011124、WO 2006/0021308和USP 7,071,135都例示了这种方法。在每个例子中，都通过烧灼含有铝、硅和钛原子(以及在有些例子中还有铁或稀土原子)的氧化物前体得混合物来形成所述复合材料。这种方法不产生针状莫来石。因此，通过使用牺牲型致孔剂和/或使用大粒度前体，赋予所述复合材料孔隙度。如前所述，利用这种方式难以获得具有高孔隙度、高度互连的孔隙、足够的机械强度和抗热冲击性的复合材料。

希望提供一种针状莫来石体，它具有有用的高孔隙度、良好机械强度和低线性热膨涨系数(CTE)的组合。还需要可以制备这样的多孔针状莫来石体的方法。