專利名稱：蜂窩結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用作過濾器的蜂窩結(jié)構(gòu)，所述過濾器用于收集和去除從內(nèi)燃機(諸如柴油機)排出的廢氣中的顆粒等。
背景技術(shù)：
近年來，在從機動車(諸如公共汽車或卡車、施工機械等)的內(nèi)燃機排出的廢氣中所含的顆粒(諸如煙灰)對環(huán)境或人體健康造成了危害，這已成為一個問題。
因此，人們已提出了使用由多孔陶瓷制成的蜂窩結(jié)構(gòu)的各種過濾器，來用于收集廢氣中的顆粒并凈化廢氣。
作為背景技術(shù)中所述的蜂窩結(jié)構(gòu)，例如，人們已提出了由兩個或多個蜂窩狀部分和用于將這些部分彼此結(jié)合的結(jié)合層構(gòu)成的蜂窩結(jié)構(gòu)，其中所述粘合層的楊氏模量不高于蜂窩狀部分的楊氏模量的20％，或者結(jié)合層的材料強度低于蜂窩狀部分的材料強度(例如，參見專利文獻1JP 2001-190916A)。
據(jù)描述，由于在使用中產(chǎn)生的熱應(yīng)力太小因而不能產(chǎn)生裂縫，因此所述蜂窩結(jié)構(gòu)具有耐久性。

發(fā)明內(nèi)容
通常，對用于收集廢氣中的顆粒并通過催化劑使廢氣中的諸如CO、HC等的氣體成分轉(zhuǎn)換的過濾器，要求其在發(fā)動機啟動之后的較早階段內(nèi)具有高廢氣轉(zhuǎn)換率。為此，一般認(rèn)為必須減小蜂窩結(jié)構(gòu)的熱容量。
作為用于減小蜂窩結(jié)構(gòu)的熱容量的方法，用于使蜂窩結(jié)構(gòu)具有高孔隙率的方法和用于減小蜂窩結(jié)構(gòu)單元壁厚度的方法已被提出。
當(dāng)如此減小蜂窩結(jié)構(gòu)的熱容量時，可能出現(xiàn)溫度易于局部升高或降低的部分。因此，蜂窩結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能增加，因此在蜂窩結(jié)構(gòu)中可出現(xiàn)裂縫。
當(dāng)使用前述方法時，蜂窩結(jié)構(gòu)的強度會被降低。這種強度的降低還導(dǎo)致在蜂窩結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生裂縫。
在專利文獻1中披露的蜂窩結(jié)構(gòu)中，可通過將蜂窩狀部分彼此結(jié)合的結(jié)合層來緩和熱應(yīng)力從而避免產(chǎn)生裂縫。然而，在專利文獻1中的蜂窩結(jié)構(gòu)中，沒有考慮到蜂窩狀部分自身的熱容量。因此，由于蜂窩結(jié)構(gòu)中的單元密度、單元壁厚度、孔隙率等，可能不會充分地達到避免在蜂窩結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)諸如裂縫等的損壞的效果。因此，要求不斷改進。
本發(fā)明人致力于探索解決前述問題的方法。因此，本發(fā)明人新發(fā)現(xiàn)，如果形成蜂窩結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷元件的表觀密度與將多孔陶瓷元件彼此結(jié)合的粘合劑層的楊氏模量之間滿足預(yù)定關(guān)系，那么不管孔隙率或單元壁的厚度如何，都可在蜂窩結(jié)構(gòu)中避免出現(xiàn)裂縫。因此，本發(fā)明人提出了本發(fā)明。
也就是說，本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)是這樣一種蜂窩結(jié)構(gòu)，其中，多個多孔陶瓷元件通過粘合劑層結(jié)合，每個所述多孔陶瓷元件都具有多個單元，所述單元被平行地設(shè)置同時被單元壁隔開，并且所述單元沿所述蜂窩結(jié)構(gòu)的縱向方向延伸，所述蜂窩結(jié)構(gòu)的特征在于滿足由表達式(1)表示的關(guān)系2≤B≤100/3×A-10/3 (1)其中A(g/cm3)表示所述多孔陶瓷元件的表觀密度，B(GPa)表示所述粘合劑層的楊氏模量。
在本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選的是，(多孔陶瓷元件的)表觀密度A在0.4g/cm3到0.7g/cm3的范圍內(nèi)，更優(yōu)選的是，表觀密度A在0.4g/cm3到0.6g/cm3的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選的是，陶瓷元件的孔隙率在20％到80％的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的多孔陶瓷元件由兩種陶瓷粉末制成，一種相對粗糙，另一種相對精細(xì)。
本發(fā)明的粘合劑層可以由選自于無機粘結(jié)劑、有機粘結(jié)劑、和無機纖維組成的群組的材料制成。
還優(yōu)選的是，在所述蜂窩結(jié)構(gòu)滿足表達式(1)后，再對所述蜂窩結(jié)構(gòu)中的所述單元壁的至少一部分施加催化劑。
依照本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)，多孔陶瓷元件的表觀密度A和粘合劑層的楊氏模量B滿足前述表達式(1)所示的關(guān)系。因此，粘合劑層可充分地緩和蜂窩結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而可避免在蜂窩結(jié)構(gòu)或粘合劑層中出現(xiàn)諸如裂縫等損壞。
具體而言，當(dāng)希望蜂窩結(jié)構(gòu)具有高孔隙率或薄單元壁時，多孔陶瓷元件的熱容量被減小從而使熱應(yīng)力易于增加。然而，當(dāng)形成了滿足前述表達式(1)所示關(guān)系的粘合劑層以將多孔陶瓷元件彼此結(jié)合時，可避免在蜂窩結(jié)構(gòu)或粘合劑層中出現(xiàn)諸如裂縫等的損壞。因此，本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)尤其適合于解決具有高孔隙率或薄單元壁的蜂窩結(jié)構(gòu)帶來的問題，在背景技術(shù)中認(rèn)為這樣的蜂窩結(jié)構(gòu)易于產(chǎn)生諸如裂縫等損壞。


圖1是示意性地示出了本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)的實施方案的透視圖。
圖2A是示意性地示出了形成本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)的每個多孔陶瓷元件的透視圖，而圖2B是沿圖2A中的線A-A所截的截面圖。
圖3A和3B是示意性地示出了用于測量推擠(沖壓)強度(pushing(punching)strength)的方法的概念性圖。
圖4是收集效率測量系統(tǒng)的說明圖。
圖5是表示粘合劑層的楊氏模量與多孔陶瓷元件的表觀密度之間的關(guān)系圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)是這樣一種蜂窩結(jié)構(gòu)，其中，多個多孔陶瓷元件通過粘合劑層結(jié)合，每個所述多孔陶瓷元件都具有多個單元，所述多個單元被平行地設(shè)置同時被單元壁隔開，并且所述單元沿所述蜂窩結(jié)構(gòu)的縱向方向延伸，所述蜂窩結(jié)構(gòu)的特征在于滿足由表達式(1)表示的關(guān)系2≤B≤100/3×A-10/3 (1)
其中A(g/cm3)表示所述多孔陶瓷元件的表觀密度，B(GPa)表示所述粘合劑層的楊氏模量。
在滿足前述表達式(1)的蜂窩結(jié)構(gòu)中，也就是說，在當(dāng)多孔陶瓷元件的表觀密度A較低(熱容量較低)時粘合劑層的楊氏模量做得較低的蜂窩結(jié)構(gòu)中，多孔陶瓷元件中產(chǎn)生的熱應(yīng)力可被緩和，從而可避免出現(xiàn)諸如裂縫等損壞。
另一方面，如果，粘合劑層的楊氏模量B(GPa)低于2GPa的話，粘合劑層自身的強度將過低，從而在粘合劑層中會出現(xiàn)裂縫或者在粘合劑層的部分地方會開始出現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)的損壞。
如果粘合劑層的楊氏模量B(GPa)超過了100/3×A-10/3的數(shù)值，則多孔陶瓷元件中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力不能通過粘合劑層充分地緩和。因此在蜂窩結(jié)構(gòu)(多孔陶瓷元件)中出現(xiàn)裂縫。
這里，數(shù)值A(chǔ)(g/cm3)表示所述多孔陶瓷元件的表觀密度。數(shù)值A(chǔ)可通過以下表達式(2)計算表觀密度A(g/cm3)＝真密度(g/cm3)×(100-孔隙率(％))×(100-開口面積比(open area ratio)(％))÷10000 (2)本說明書中的真密度表示多孔陶瓷元件的材料所具有的密度，而表觀密度表示根據(jù)多孔陶瓷元件外觀所占據(jù)的體積(例如，圖2中方柱形的體積)計算的密度。開口面積比指在蜂窩結(jié)構(gòu)的端面的平面視圖中，端面開口部分的總面積與端面的總面積之間的比值。如果蜂窩結(jié)構(gòu)具有高孔隙率或薄單元壁的話，當(dāng)包括單元密度在內(nèi)的其它條件為固定的時，蜂窩結(jié)構(gòu)的表觀密度將減小。
開口面積比指在蜂窩結(jié)構(gòu)的端面的平面視圖中，端面開口部分的總面積與端面的總面積之間的比值，通常用百分?jǐn)?shù)表示?？蓞⒁娙毡緲?biāo)準(zhǔn)協(xié)會(Japanese Standards Association(2001))編寫出版的“Glossaryof Technical Terms in Japanese Industrial Standards (5thEdition)。例如，多孔陶瓷元件的開口面積比可用下述方式測量計算。首先，利用例如游標(biāo)卡尺或長度測量儀測量蜂窩結(jié)構(gòu)端面上的開口尺寸和蜂窩結(jié)構(gòu)的端面尺寸。然后根據(jù)測量獲得的尺寸計算開口的面積和端面的整個面積。最后，開口面積比從i)計算得到的開口面積的總和與ii)計算得到的端面總面積獲得。
在前述表達式(1)中，數(shù)值(表觀密度)A優(yōu)選地在0.4g/cm3到0.7g/cm3的范圍內(nèi)。如果表觀密度A小于0.4g/cm3的話，多孔陶瓷元件自身的強度將不足，從而不能充分地實現(xiàn)本發(fā)明的前述效果。因此，可能存在蜂窩結(jié)構(gòu)不能用作過濾器的情況。另一方面，如果表觀密度A超過了0.7g/cm3的話，使用了這樣的多孔陶瓷元件的蜂窩結(jié)構(gòu)的熱容量將過大，以至于可能損害溫升特性。因此，當(dāng)蜂窩結(jié)構(gòu)被設(shè)計成用于容納和承載催化劑以用作DPF(柴油機排氣煙塵過濾器)時，會是不利的。
更優(yōu)選的是，數(shù)值(表觀密度)A在0.4g/cm3到0.6g/cm3的范圍內(nèi)。當(dāng)表觀密度A在該范圍內(nèi)時，使用了多孔陶瓷元件的蜂窩結(jié)構(gòu)的熱容量小到使溫升特征不被降低，但效果變得更強。另外，蜂窩結(jié)構(gòu)的重量會變得更輕。而且，當(dāng)蜂窩結(jié)構(gòu)被設(shè)計成用于容納和承載催化劑以用作DPF時，會是有利的。
在本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)中，通過粘合劑層將多個多孔陶瓷元件彼此結(jié)合在一起，在每個所述多孔陶瓷元件中，多個單元被平行地設(shè)置同時被單元壁隔開，并且這些單元沿所述蜂窩結(jié)構(gòu)的縱向方向延伸。優(yōu)選的是，所述的多個單元中的每個單元都在其一端被密封。
在下文中將參照附圖描述本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)。下面將針對這樣的蜂窩結(jié)構(gòu)，即其中多個單元中的每個單元在其一端被密封的蜂窩結(jié)構(gòu)，作出描述。然而，在本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)中，所述多個單元的端部不必總是被密封。
圖1是示意性地示出了本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)的實施方案的透視圖。圖2A是形成圖1中所示的蜂窩結(jié)構(gòu)的每個多孔陶瓷元件的透視圖。圖2B是沿圖2A中的線A-A所截的多孔陶瓷元件的截面圖。
如圖1中所示，在本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)10中，由碳化硅等制成的多個多孔陶瓷元件20通過粘合劑層11組合在一起以形成圓柱形陶瓷塊15。在陶瓷塊15周圍形成有涂層12。
在圖1中所示的蜂窩結(jié)構(gòu)10中，陶瓷塊具有圓柱形形狀。然而，在本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)中，陶瓷塊不局限于圓柱形形狀。所述陶瓷塊可具有任何形狀，諸如橢圓柱形或者棱柱形(如果其為柱形的話)。
在每個多孔陶瓷元件20中，如圖2A和2B中所示，多個單元21被平行地設(shè)置成沿縱向方向延伸，并且將單元21彼此分離的單元壁(壁部分)23被用作過濾器。也就是說，多孔陶瓷元件20中形成的每個單元21在廢氣的入口側(cè)或出口側(cè)的一端中由塞子22密封，如圖2B中所示。流入到一個單元21中的廢氣在穿過用于將單元21彼此分離的單元壁23之后必定會從另一個單元21中流出。
多孔陶瓷元件20的表觀密度A和粘合劑層11的楊氏模量滿足前述表達式(1)所示的關(guān)系。因此，在蜂窩結(jié)構(gòu)10中，多孔陶瓷元件20中產(chǎn)生的熱應(yīng)力可由粘合劑層緩和，因此可避免在多孔陶瓷元件中出現(xiàn)諸如裂縫等損壞。
蜂窩結(jié)構(gòu)10主要由多孔陶瓷制成。多孔陶瓷材料的例子可包括氮化物陶瓷，諸如氮化鋁、氮化硅、氮化硼和氮化鈦；碳化物陶瓷，諸如碳化硅、碳化鋯、碳化鈦、碳化鉭和碳化鎢；氧化物陶瓷，諸如氧化鋁、氧化鋯、堇青石、莫來石、硅石和鈦酸鋁等。蜂窩結(jié)構(gòu)10可由兩種或多種材料制成，如可由硅和碳化硅的復(fù)合物制成。當(dāng)使用硅和碳化硅的復(fù)合物時，優(yōu)選地加入占總量5重量％到45重量％的硅。
至于前述多孔陶瓷的材料，耐熱性較高、機械特性卓越并且導(dǎo)熱性較高的碳化硅基陶瓷是優(yōu)選的。碳化硅基陶瓷是指包含至少60重量％的碳化硅的陶瓷。
對蜂窩結(jié)構(gòu)(多孔陶瓷元件)的平均孔徑?jīng)]有具體限制。平均孔徑的優(yōu)選下限為1μm，并且其優(yōu)選上限為100μm。如果平均孔徑小于1μm的話，壓力損失將較高。而另一方面，如果平均孔徑大于100μm的話，顆粒將會穿過所述氣孔以至于不能收集顆粒。這樣，收集顆粒的效率會被降低。
對蜂窩結(jié)構(gòu)(多孔陶瓷元件)的孔隙率沒有具體限制?？紫堵实膬?yōu)選下限為20％，并且其優(yōu)選上限為80％。如果孔隙率低于20％的話，蜂窩結(jié)構(gòu)的氣孔可能容易堵塞。而另一方面，如果孔隙率高于80％的話，蜂窩結(jié)構(gòu)的強度將過低以至于蜂窩結(jié)構(gòu)可能容易損壞。
可通過背景技術(shù)中已知的方法測量孔隙率，例如，通過壓汞法、阿基米德法、使用掃描電子顯微鏡(SEM)的方法等。
對蜂窩結(jié)構(gòu)(多孔陶瓷元件)的開口面積比沒有具體限定。開口面積比的優(yōu)選下限為50％，而其優(yōu)選上限為80％。如果開口面積比低于50％的話，壓力損失將較高。而另一方面，如果開口面積比高于80％的話，蜂窩結(jié)構(gòu)的強度可能較低。
孔隙率和開口面積比中的每個都是決定表觀密度A的一個因素。因此，最好考慮多孔陶瓷元件的表觀密度A來適當(dāng)?shù)剡x擇孔隙率和開口面積比。
在蜂窩結(jié)構(gòu)(多孔陶瓷元件)中，單元壁厚度的優(yōu)選下限是0.1mm，并且其優(yōu)選上限為0.5mm。更優(yōu)選的上限為0.35mm。
如果單元壁的厚度小于0.1mm的話，蜂窩結(jié)構(gòu)的強度可能會太低。而另一方面，如果單元壁的厚度大于0.5mm的話，壓力損失可能會太大，并且蜂窩結(jié)構(gòu)的熱容量可能會過高，以至于當(dāng)蜂窩結(jié)構(gòu)容納并承載催化劑時，在發(fā)動機啟動之后廢氣不能被立即轉(zhuǎn)換。
更優(yōu)選的是，構(gòu)成每個多孔陶瓷元件20的塞子22和單元壁23是由同一種多孔陶瓷制成的。從而可增強塞子22和單元壁23之間的粘合強度。另外，當(dāng)將塞子22的孔隙率調(diào)節(jié)得與單元壁23的孔隙率相等時，塞子22的熱膨脹系數(shù)可與單元壁23的熱膨脹系數(shù)相匹配，從而避免由于制造或使用蜂窩結(jié)構(gòu)時的熱應(yīng)力而在塞子22和單元壁23之間產(chǎn)生間隙或者在塞子22中或抵靠在塞子22的單元壁23的部分中產(chǎn)生裂縫。另外，單元壁是指用于將所述單元21彼此分離的單元壁和各多孔陶瓷元件20的外周部分兩者。
對塞子22的厚度沒有具體限制。例如，當(dāng)塞子22是由多孔碳化硅制成的時，優(yōu)選下限為1mm，并且優(yōu)選上限為20mm。更優(yōu)選的下限為3mm，并且更優(yōu)選的上限為10mm。
在本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)10中，粘合劑層11具有緩和熱應(yīng)力的前述功能。另外，粘合劑層11形成在多孔陶瓷元件20之間，從而用作將多個多孔陶瓷元件20彼此粘接的粘合劑。另外，粘合劑層11還用于防止廢氣泄漏出來。
對形成粘合劑層11的材料沒有具體限制，但是如果已固化的材料的楊氏模量滿足前述表達式(1)的話，則可使用任何這樣的材料。例如，可使用由無機粘結(jié)劑、有機粘結(jié)劑以及無機纖維和/或無機顆粒制成的材料。
前述無機粘結(jié)劑的例子可包括硅溶膠、氧化鋁溶膠等。這些無機粘結(jié)劑中的每種都可被單獨使用，或者可將它們中的兩種或多種一起使用。在所述無機粘結(jié)劑中，硅溶膠是優(yōu)選的。
前述有機粘結(jié)劑的例子可包括聚乙烯醇、甲基纖維素、乙基纖維素、羧甲基纖維素等。這些有機粘結(jié)劑中的每種都可被單獨使用，或者可將它們中的兩種或多種一起使用。在所述有機粘結(jié)劑中，羧甲基纖維素是優(yōu)選的。
前述無機纖維的例子可包括以下物質(zhì)的陶瓷纖維、晶須等硅石-氧化鋁、莫來石、氧化鋁、硅石、硼酸鋁晶須等。這些無機纖維中的每種都可被單獨使用，或者可將它們中的兩種或多種一起使用。在所述無機纖維中，硅石-氧化鋁纖維是優(yōu)選的。
前述無機顆粒的例子可包括碳化物、氮化物等。具體而言，可使用由碳化硅、氮化硅、氮化硼等制成的無機粉末等。這些無機顆粒中的每種都可被單獨使用，或者可將它們中的兩種或多種一起使用。在所述無機顆粒中，導(dǎo)熱性較高的碳化硅是優(yōu)選的。
另外，根據(jù)需要，諸如囊(即，以氧化物基陶瓷作為成分的空心微珠、球形丙烯酸類顆粒、石墨等)之類的成孔劑可被加入到用于形成密封劑層的糊劑中。
對所述囊沒有具體限制。所述囊的例子可包括氧化鋁囊、硅石-氧化鋁囊、玻璃微珠、白砂(Shirasu)囊、飛塵(FA)囊等。在這些囊中，硅石-氧化鋁囊是優(yōu)選的。
涂層12形成在陶瓷塊15的外圓周表面上。涂層12用作避免廢氣從陶瓷塊15的外圓周表面泄漏的密封劑，并且當(dāng)蜂窩結(jié)構(gòu)10被安裝在內(nèi)燃機的排氣通路中時用作使蜂窩結(jié)構(gòu)定形和增強的強化物。
與形成粘合劑層11的材料相似的材料可被用作形成涂層12的材料。
粘合劑層11和涂層12可由同一種材料制成或者可由不同的材料制成。而且，當(dāng)粘合劑層11和涂層12是由同一種材料制成的時，粘合劑層11的材料和涂層12的材料可具有同一個配料比或者可具有彼此不同的配料比。
在本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)中，所述單元可被分類為兩種單元，即，入口側(cè)單元組和出口側(cè)單元組。屬于入口側(cè)單元組的每個單元在其出口側(cè)一端由塞子密封以使得其垂直于縱向方向的截面的總面積相對于作為整體的蜂窩結(jié)構(gòu)的端表面而言大大地增加。屬于出口側(cè)單元組的每個單元在其入口側(cè)一端由塞子密封以使得其垂直于縱向方向的截面的總面積大大地減小。
入口側(cè)單元組和出口側(cè)單元組的組合包括(1)形成入口側(cè)單元組的每個單元的垂直截面等于形成出口側(cè)單元組的每個單元的垂直截面、并且形成入口側(cè)單元組的單元的數(shù)量大于形成出口側(cè)單元組的單元的數(shù)量的情況；(2)形成入口側(cè)單元組的每個單元的垂直截面不同于形成出口側(cè)單元組的每個單元的垂直截面、并且形成入口側(cè)單元組的單元的數(shù)量也不同于形成出口側(cè)單元組的單元的數(shù)量的情況；以及(3)形成入口側(cè)單元組的每個單元的垂直截面大于形成出口側(cè)單元組的每個單元的垂直截面、并且形成入口側(cè)單元組的單元的數(shù)量等于形成出口側(cè)單元組的單元的數(shù)量的情況。
形成入口側(cè)單元組的單元和/或形成出口側(cè)單元組的單元可由形狀、垂直截面面積等一致的一種單元構(gòu)成，或者可由形狀、垂直截面面積等不同的兩種或多種單元構(gòu)成。
催化劑可由本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)中的單元壁的至少一部分來容納和承載。
當(dāng)本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)容納和承載了能使廢氣中的諸如CO、HC、NOx等的有害氣體成分轉(zhuǎn)換的催化劑時，由于催化反應(yīng)，就可充分地使廢氣中的有害氣體成分轉(zhuǎn)換。
當(dāng)容納和承載了有助于顆粒燃燒的催化劑時，就可以更加容易地燃燒并去除所述顆粒。因此，本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)可提高凈化廢氣的性能，并且還可減少燃燒顆粒所需的能量。
對催化劑沒有具體限制。例如，所述催化劑可為由諸如鉑、鈀或銠之類的貴金屬制成的催化劑。除貴金屬以外，可被容納并承載的化合物可包括堿金屬(元素周期表的I族)、堿土金屬(元素周期表的II族)、稀土金屬(元素周期表的III族)、過渡金屬等。
優(yōu)選的是，在蜂窩結(jié)構(gòu)的表面被預(yù)先涂覆有氧化鋁等的催化劑承載層之后，再將催化劑附著于蜂窩結(jié)構(gòu)。
催化劑承載層的例子可包括氧化物陶瓷，諸如氧化鋁、二氧化鈦、氧化鋯、二氧化硅等。
容納并承載前述催化劑的蜂窩結(jié)構(gòu)用作與在背景技術(shù)中已知的帶有催化劑的DPF(柴油機排氣煙塵過濾器)相似的氣體凈化器。因此，這里將省略對本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)還用作催化劑載體的詳細(xì)描述。
接下來，將針對制造前述蜂窩結(jié)構(gòu)的方法作出描述。
首先，擠出以前述陶瓷作為其主要部分的原料糊劑。由此制造出方柱形陶瓷成型體。
對原料糊劑沒有具體限制。優(yōu)選地，原料糊劑可以使得在已制造出的蜂窩結(jié)構(gòu)中孔隙率達到20-80％。例如，可通過向由前述陶瓷制成的粉末中加入粘結(jié)劑、分散介質(zhì)液體等獲得原料糊劑。
對陶瓷粉末的粒徑?jīng)]有具體限制。在隨后的灼燒程序中，陶瓷粉末優(yōu)選地具有低收縮量。例如，100重量份的具有約0.3-70μm平均粒徑的粉末優(yōu)選地與5-65重量份的具有約0.1-1.0μm平均粒徑的粉末相組合。
可通過調(diào)節(jié)陶瓷粉末的灼燒溫度和粒徑來調(diào)節(jié)多孔陶瓷元件的孔徑等。
可預(yù)先對陶瓷粉末進行氧化處理。
對粘結(jié)劑沒有具體限制。粘結(jié)劑的例子可包括甲基纖維素、羧甲基纖維素、羥乙基纖維素、聚乙二醇、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。
通常，優(yōu)選地將1-15重量份的粘結(jié)劑與100重量份的陶瓷粉末混合。
對分散介質(zhì)液體沒有具體限制。分散介質(zhì)液體的例子可包括有機溶劑(諸如苯)、酒精(諸如甲醇)、水等。
混合適當(dāng)量的分散介質(zhì)液體以使得原料糊劑的粘性在預(yù)定范圍內(nèi)。
這些陶瓷粉末、粘結(jié)劑和分散介質(zhì)液體通過ATTRITOR或類似設(shè)備混合、通過捏合機等充分地捏合，之后將其擠出。
根據(jù)需要，可將成型助劑加入到原料糊劑中。
對成型助劑沒有具體限制。成型助劑的例子可包括乙二醇、糊精、脂肪酸、脂肪酸皂、聚乙烯醇等。
此外，根據(jù)需要，諸如囊(即，以氧化物基陶瓷作為成分的空心微珠、球形丙烯酸類顆粒、石墨等)之類的成孔劑可被加入到原料糊劑中。對所述囊沒有具體限制。所述囊的例子可包括氧化鋁囊、玻璃微珠、白砂囊、飛塵(FA)囊、莫來石囊等。在這些囊中，氧化鋁囊是優(yōu)選的。
接下來，使用微波干燥器、熱風(fēng)干燥器、爐、高頻干燥器、減壓干燥器、真空干燥器、冰凍干燥器等來干燥陶瓷成型體以使其形成為陶瓷干燥體。接著，將預(yù)定量的堵塞糊劑(所述堵塞糊劑將用作塞子)填充到入口側(cè)單元組的每個出口側(cè)一端中和出口側(cè)單元組的每個入口側(cè)一端中。這樣，所述單元被堵塞并密封。
對所述堵塞糊劑沒有具體限制。優(yōu)選地在隨后步驟中制造出來的所述塞子的孔隙率將為30-75％。例如，可使用與前述原料糊劑相似的糊劑。
接下來，由堵塞糊劑堵住的陶瓷干燥體在預(yù)定條件下被脫脂(例如，在200-500℃下)并且被灼燒(例如，在1,400-2,300℃下)。由此，可制造出由多孔陶瓷制成的并且整體形成為單一燒結(jié)體的多孔陶瓷元件20。
在背景技術(shù)中制造由多孔陶瓷形成的過濾器所使用的條件可適用于對陶瓷干燥體進行脫脂和灼燒的條件。
接下來，使將用作粘合劑層11的粘合劑糊劑施加于多孔陶瓷元件20的側(cè)表面以形成粘合劑糊劑層。將另一個多孔陶瓷元件20層疊在粘合劑糊劑層上。重復(fù)該程序以制造出具有預(yù)定尺寸的多孔陶瓷元件組件。
已詳細(xì)描述了形成粘合劑糊劑的材料。因此，這里將省略對于所述材料的描述。必須考慮多孔陶瓷元件20的表觀密度和所要形成的粘合劑層的楊氏模量來選擇所述材料。
接下來，多孔陶瓷元件組件被加熱。這樣，粘合劑糊劑層被干燥并且被固化以形成粘合劑層11。
接著，將其中多個多孔陶瓷元件20通過粘合劑層11被結(jié)合在一起的多孔陶瓷元件組件由金剛石切割器等切割開從而制造出圓柱形陶瓷塊15。
涂層12由前述涂料糊劑形成在陶瓷塊15的外圓周上。這樣，可制造出這樣的蜂窩結(jié)構(gòu)10，其中圓柱形陶瓷塊15的外圓周部分中設(shè)有涂層12，其中圓柱形陶瓷塊15具有通過粘合劑層11結(jié)合在一起的多個多孔陶瓷元件20。
之后，根據(jù)需要由蜂窩結(jié)構(gòu)(單元壁)容納并承載催化劑。所述催化劑可被容納并承載在還未形成為組件的多孔陶瓷元件上。
例如，當(dāng)容納并承載有催化劑時，可將具有大比表面積的氧化鋁涂層(膜)形成在單元壁的表面上，并且將助催化劑和諸如鉑之類的催化劑加到氧化鋁涂層(膜)的表面上。
這一代表性的實施方案的蜂窩結(jié)構(gòu)的前提條件是多孔陶瓷元件20的表觀密度A是在對該蜂窩結(jié)構(gòu)施加催化劑承載層和/或催化劑之前測量得到的。對蜂窩結(jié)構(gòu)施加催化劑承載層和/或催化劑的過程改變了多孔陶瓷元件20的表觀密度A。即使蜂窩結(jié)構(gòu)在所述施加過程之前滿足(例如)表達式(1)，然而最終的蜂窩結(jié)構(gòu)可能不會滿足表達式(1)。在本說明書及權(quán)利要求書中，例如這樣的表述“蜂窩結(jié)構(gòu)滿足表達式(1)”是指蜂窩結(jié)構(gòu)“在施加催化劑承載層和/或催化劑的過程之前”滿足表達式(1)。
應(yīng)注意到，被施加的催化劑和被施加的催化劑承載層可以被酸除去。因此，即使蜂窩結(jié)構(gòu)具有催化劑和/或催化劑承載層，多孔陶瓷元件20的表觀密度A和粘合劑層11的楊氏模量B可以在除去該催化劑和/或催化劑承載層之后再得到。
實例下面將舉出實例以更詳細(xì)地描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明不僅僅局限于這些實例。
1-1多孔陶瓷元件A的形成將5,940重量份的平均粒徑為22μm的α-碳化硅粗糙粉末和2,550重量份的平均粒徑為0.5μm的α-碳化硅精細(xì)粉末濕混在一起。另外，加入700重量份的有機粘結(jié)劑(甲基纖維素)、280重量份的直徑為40μm的丙烯酸中空顆粒、330重量份的增塑劑(由日本油脂株式會社(NOFCorp.)制造的Unilube)、150重量份的潤滑劑(丙三醇)和適量的水，并且進行捏合以獲得混合組合物。
之后，將混合組合物擠出以制造出圖2A-2B中所示的棱柱形粗制成型體。
接著，使用微波干燥器等干燥粗制成型體以使其形成為陶瓷干燥體。之后，用成分與粗制成型體的成分相似的堵塞糊劑堵塞預(yù)定單元。
之后，再次用干燥器干燥粗制成型體，之后在正常壓力下在氬氣環(huán)境下在400℃下脫脂并在2,200℃下灼燒三小時。這樣，就制造出由碳化硅燒結(jié)體制成的多孔陶瓷元件A?？紫堵蕿?8％，平均孔徑為14μm，多孔陶瓷元件A的尺寸為34.3mm×34.3mm×150mm，單元21的數(shù)量(單元密度)為54.3個單元/cm2，單元壁23的厚度為0.175mm，表觀密度為0.4(g/cm3)，并且開口面積比為75.9％。
1-2多孔陶瓷元件B-F的制造除如表1中所示的那樣改變材料粉末的填料量等以外，以與前述過程1-1中相同的方式制造由具有表1中所示形狀的碳化硅燒結(jié)體制成的多孔陶瓷元件B-F。
1-3多孔陶瓷元件G的制造將8,000重量份的平均粒徑為40μm的α-碳化硅粗糙粉末和2,000重量份的平均粒徑為5μm的Si粉末濕混在一起。此外，加入700重量份的有機粘合劑(甲基纖維素)、330重量份的增塑劑(由日本油脂株式會社制造的Unilube)、150重量份的潤滑劑(丙三醇)和適量水，并且進行捏合以獲得混合組合物。
之后，將混合組合物擠出以制造出圖2A-2B中所示的棱柱形粗制成型體。
接著，使用微波干燥器等來干燥粗制成型體以使其形成為陶瓷干燥體。之后，用成分與粗制成型體的成分相似的堵塞糊劑堵塞預(yù)定單元。
之后，再次用干燥器干燥粗制成型體，之后在正常壓力下在氬氣環(huán)境下在400℃下脫脂并在1,450℃下灼燒0.5小時。這樣，就制造出由Si-SiC燒結(jié)體制成的多孔陶瓷元件G?？紫堵蕿?2％，平均孔徑為11μm，多孔陶瓷元件G的尺寸為34.3mm×34.3mm×150mm，單元21的數(shù)量(單元密度)為46.5個單元/cm2，單元壁23的厚度為0.2mm，表觀密度為0.44(g/cm3)，并且開口面積比為74.6％。
1-4多孔陶瓷元件H的制造除如表1中所示的那樣改變材料粉末的填料量等以外，以與前述過程1-3中相同的方式制造由具有表1中所示形狀的Si-SiC燒結(jié)體制成的多孔陶瓷元件H。
表1

MC甲基纖維素中空顆粒直徑為40μm的丙烯酸中空顆粒在表中粒徑、孔徑和孔隙率為平均值。
表達式1右側(cè)得到的數(shù)值是指100/3×(表觀密度)-10/3的計算值。
2-1粘合劑糊劑A-I的制備將選自平均粒徑為0.5μm的碳化硅粉末、硅溶膠(溶膠中的二氧化硅含量30重量％)、硅石-氧化鋁纖維(平均纖維直徑為3μm、平均纖維長度為60μm)、氧化鋁纖維(平均纖維直徑為5μm、平均纖維長度為60μm)、硼酸鋁晶須(平均纖維直徑為0.5μm、平均纖維長度為20μm)、硅石-氧化鋁囊(平均粒徑為75μm)、羧甲基纖維素和水中的所需成分混合并捏合，以制備粘合劑糊劑A-I。在表2中示出了各個成分的填料量。所述填料量由重量份表示。
在粘合劑糊劑A-I的制備中，加入所需量的水以使得每種粘合劑糊劑的粘性為40±5P。
表2

表中的填料量由重量份表示。
另外，表2還示出了已固化的粘合劑糊劑A-I的楊氏模量(GPa)。
實例1使用粘合劑糊劑B作為2mm厚的粘合劑層，將16(4×4)個多孔陶瓷元件A粘合在一起之后由金剛石切割器進行切割。這樣，就制造出圓柱形陶瓷塊15(見圖1)。
接下來，將粘合劑糊劑B用作形成涂層的糊劑并且涂覆到陶瓷塊15的外圓周部分上，厚度為0.5mm，之后在120℃下進行干燥。這樣，就制造出了圓柱形蜂窩結(jié)構(gòu)10，其直徑為143.8mm，長度為150mm。
實例2-16和比較例1-11除多孔陶瓷元件與粘合劑糊劑(包含形成涂層的糊劑)的組合如表3中所示的那樣改變以外，以與實例1中相同的方式制造蜂窩結(jié)構(gòu)。
表3


評價(1)孔隙率的測量以壓汞法使用孔隙率測定儀(由株式會社島津制作所(ShimadzuCorp.)制造的Autopore III 9420)根據(jù)壓汞法測量孔徑在0.1μm到360μm的范圍內(nèi)的氣孔分布。
在表1中示出了多孔陶瓷元件的孔隙率和平均孔徑。
(2)推擠(沖壓)強度的測量在爐中將每種蜂窩結(jié)構(gòu)加熱到800℃，之后迅速冷卻到室溫(通過自然靜置冷卻到室溫)。之后，用以下方法測量推擠(沖壓)強度。其結(jié)果示在表3中。
在推擠(沖壓)強度的測量中，如圖3A和3B中所示，蜂窩結(jié)構(gòu)10被安裝在基底45上，通過直徑為30mm的鋁模具40將沖壓負(fù)載(壓制速度為1mm/分鐘)施加于蜂窩結(jié)構(gòu)10中心中的多孔陶瓷元件上。這樣，就測量出抗斷強度(推擠強度)。Instron萬多能試驗機(5582型)用于測量所述強度。
(3)收集顆粒的效率的測量使用圖4中所示的收集效率測量系統(tǒng)270測量收集顆粒的效率。圖4是收集效率測量系統(tǒng)的說明圖。
收集效率測量系統(tǒng)270被設(shè)置成這樣的掃描活動性粒度分析儀(SMPS)，其具有2L共軌類型柴油機276、允許廢氣從發(fā)動機276中流出的排氣管277、與排氣管277相連接并使包裹在氧化鋁墊子272中的蜂窩結(jié)構(gòu)10固定的金屬殼體271、用于對未流入到蜂窩結(jié)構(gòu)10中的廢氣進行取樣的取樣器278、用于對已流過蜂窩結(jié)構(gòu)10的廢氣進行取樣的取樣器279、用于對各取樣器278和279所提取的廢氣樣品進行稀釋的稀釋器280、以及用于測量包含在已稀釋的廢氣中的顆粒量的PM計數(shù)器281(由TSI公司制造的濃縮顆粒計數(shù)器3022A-S)。這里，與前述測量(2)中用于測量推擠(沖壓)強度所使用的樣品相似，使用加熱到800℃之后迅速冷卻到室溫的蜂窩結(jié)構(gòu)10。
接下來，將描述測量程序。操縱發(fā)動機276以使得發(fā)動機速度達到2,000分鐘-1并且扭矩達到47Nm。這樣，來自于發(fā)動機276的廢氣進入蜂窩結(jié)構(gòu)10中。在這種情況下，從PM計數(shù)器281所測量的PM顆粒的數(shù)量中掌握未流入到蜂窩結(jié)構(gòu)10中的廢氣的PM量P0和已流入到蜂窩結(jié)構(gòu)10中的廢氣的PM量P1。使用以下表達式(3)計算收集顆粒方面的效率。
收集效率(％)＝(P0-P1)/P0×100 (3)在表3中示出了結(jié)果。
圖5是表示粘合劑層的楊氏模量B(GPa)與多孔陶瓷元件的表觀密度A(g/cm3)之間的關(guān)系圖，其中橫坐標(biāo)表示多孔陶瓷元件的表觀密度A(g/cm3)，縱坐標(biāo)表示粘合劑層的楊氏模量B(GPa)。圖5中，下直線表示粘合劑層的楊氏模量B(GPa)的下限值為2，上直線表示粘合劑層的楊氏模量B(GPa)的上限值與多孔陶瓷元件的表觀密度A(g/cm3)成正比例關(guān)系。即，上直線與表達式B＝2對應(yīng)，下直線與表達式B＝100/3×A-10/3對應(yīng)。例如，當(dāng)多孔陶瓷元件的表觀密度A(g/cm3)分別為0.4g/cm3，0.55g/cm3，0.6g/cm3，0.7g/cm3時，粘合劑層的楊氏模量B(GPa)的上限值分別為10GPa，15GPa，16.7GPa，20GPa。
如表3中所示，在多孔陶瓷元件的表觀密度與粘合劑層的楊氏模量之間滿足前述表達式(1)所示的關(guān)系的實例中的蜂窩結(jié)構(gòu)中，即使在對其施加了熱沖擊之后，推擠(沖壓)強度和收集效率也是很高的?？梢哉J(rèn)為這是由于在多孔陶瓷元件和粘合劑層中沒有出現(xiàn)諸如裂縫等的任何致命損壞。表1-3中所記載的實例1-16和比較例1-11都在圖5中標(biāo)記出，其中，棱形標(biāo)記代表各實例1-16，方塊標(biāo)記代表各比較例1-11。從圖5可以看出，代表各實例1-16的棱形標(biāo)記均處于上、下直線之間，即，各實例1-16均滿足表達式(1)。各比較例1-11均不滿足表達式(1)。
另一方面，在比較例的蜂窩結(jié)構(gòu)中，推擠(沖壓)強度不高于實例中的任何蜂窩結(jié)構(gòu)的1/3。而且，收集效率不高于實例中的任何蜂窩結(jié)構(gòu)的80％?？梢哉J(rèn)為這是由于在進行熱處理時在蜂窩結(jié)構(gòu)和/或粘合劑層中出現(xiàn)了諸如裂縫等的損壞。
權(quán)利要求
1.一種蜂窩結(jié)構(gòu)，其中多個多孔陶瓷元件通過粘合劑層結(jié)合，每個所述多孔陶瓷元件都具有多個單元，所述單元被平行地設(shè)置同時被單元壁隔開，并且所述單元沿所述蜂窩結(jié)構(gòu)的縱向方向延伸，所述蜂窩結(jié)構(gòu)的特征在于滿足由表達式(1)表示的關(guān)系2≤B≤100/3×A-10/3(1)其中A(g/cm3)表示所述多孔陶瓷元件的表觀密度，B(GPa)表示所述粘合劑層的楊氏模量。
2.依照權(quán)利要求1所述的蜂窩結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述表觀密度A在0.4g/cm3到0.7g/cm3的范圍內(nèi)。
3.依照權(quán)利要求1所述的蜂窩結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述表觀密度A在0.4g/cm3到0.6g/cm3的范圍內(nèi)。
4.依照權(quán)利要求1到3中任意一項所述的蜂窩結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述陶瓷元件的孔隙率在20％到80％的范圍內(nèi)。
5.依照權(quán)利要求1所述的蜂窩結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多孔陶瓷元件由兩種陶瓷粉末制成，所述粉末中的一種相對粗糙，另一種相對精細(xì)。
6.依照權(quán)利要求1到5中任意一項所述的蜂窩結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述粘合劑層由選自于無機粘結(jié)劑、有機粘結(jié)劑、和無機纖維組成的群組的材料制成。
7.依照權(quán)利要求1到5中任意一項所述的蜂窩結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述蜂窩結(jié)構(gòu)滿足表達式(1)后，再對所述蜂窩結(jié)構(gòu)中的所述單元壁的至少一部分施加催化劑。
全文摘要
一種蜂窩結(jié)構(gòu)，其中多個多孔陶瓷元件通過粘合劑層結(jié)合，每個所述多孔陶瓷元件都具有多個單元，所述單元被平行地設(shè)置同時被單元壁隔開，并且所述單元沿所述蜂窩結(jié)構(gòu)的縱向方向延伸，所述蜂窩結(jié)構(gòu)的特征在于滿足由表達式(1)表示的關(guān)系2≤B≤100/3×A－10/3 (1)，其中A(g/cm
文檔編號C04B38/00GK1844645SQ200610072678
公開日2006年10月11日 申請日期2006年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月8日
發(fā)明者國枝雅文 申請人:揖斐電株式會社