相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求2014年8月29日提出的美國臨時(shí)專利申請?zhí)?2/044,086的優(yōu)先權(quán)。該申請的全部內(nèi)容通過引用并入本文。
發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及用作例如催化轉(zhuǎn)化器的催化劑載體的金屬基材，和施加于基材的確保隨后洗涂層良好附著的底漆洗涂層。
發(fā)明背景
催化轉(zhuǎn)換器被廣泛用于處理內(nèi)燃機(jī)的廢氣。污染物如未燃碳?xì)浠衔?hc)和一氧化碳(co)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的二元催化轉(zhuǎn)化器中被氧化成危害更小的二氧化碳(co2)，而在使用三元催化轉(zhuǎn)化器，例如在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的那些時(shí)，在燃燒過程中形成的氮氧化物(nox)可被還原成氮?dú)狻?/p>
用作催化轉(zhuǎn)化器中催化劑載體的基材通常由陶瓷材料制成。堇青石，一種還含有鐵、鎂和鋁的硅酸鹽材料，是一種廣泛使用的材料。堇青石是一種熱膨脹系數(shù)非常低的難熔材料?；谋辉O(shè)計(jì)成具有蜂窩狀內(nèi)部結(jié)構(gòu)。蜂窩狀結(jié)構(gòu)提供在其上沉積催化劑的大表面積，以促進(jìn)氣態(tài)廢氣與盡可能多的催化材料接觸。
還提出金屬基材用作基底，通常形成為具有高表面積的金屬箔。然而不幸的是，用于涂覆具有催化劑的基材的許多標(biāo)準(zhǔn)洗涂層不能很好地附著在金屬基材上。這樣的洗涂層將會(huì)從金屬基材上脫落，這降低了催化轉(zhuǎn)換器的性能，因此是不可接受的。
因此，需要一種促進(jìn)洗涂層附著到用作催化轉(zhuǎn)化器基材的金屬基材的組合物和方法。
發(fā)明簡述
本文中所描述的是具有底漆層的金屬基材。該基材適合在催化轉(zhuǎn)換器中使用。
在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明包括涂覆的金屬基材，其包含金屬基材和直接置于金屬基材上的包含勃姆石的底漆層，其中所述底漆層包含至少80％的勃姆石。金屬基材可以包含蜂窩結(jié)構(gòu)或波紋狀金屬箔結(jié)構(gòu)?？梢造褵诮饘倩纳系牡灼釋?。煅燒后，底漆層可以以約0.5g/l至約4g/l，例如約1g/l至約4g/l，例如約1.5g/l至約4g/l，例如約1g/l至約3.5g/l，例如約1g/l至約3g/l，例如約1g/l至約2.5g/l，例如約1g/l至約2g/l，約1.5g/l至約2.5g/l，約1.75g/l至約2.25g/l，約2g/l，約1g/l至約3.5g/l，約1.5g/l至約3.5g/l，例如約2g/l至約4g/l，例如約2g/l至約3g/l，約2g/l至約3.5g/l，約2.5g/l至約3.5g/l，約2.75g/l至約3.25g/l，或約3g/l存在，或具有上述厚度。
本文公開的任何實(shí)施方案的金屬基材可以包括不銹鋼。不銹鋼可以包含至少16％的鉻。不銹鋼可以包含至少3％的鋁。不銹鋼可以包含至少16％的鉻和至少3％的鋁。
本文公開的任何實(shí)施方案的涂覆的金屬基材可以進(jìn)一步包含直接置于底漆層上面的額外洗涂層。
在另外的實(shí)施方案中，本發(fā)明包括制備涂覆的金屬基材的方法，包括：a)提供金屬基材；b)形成勃姆石顆粒的水懸浮液；c)將勃姆石顆粒懸浮液施加于金屬基材；和d)干燥和煅燒具有所施加的勃姆石的金屬基材。在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬基材可以包括不銹鋼。不銹鋼可以包含至少16％的鉻。不銹鋼可以包含至少3％的鋁。不銹鋼可以包含至少16％的鉻和至少3％的鋁。用于懸浮勃姆石顆粒的水可包括去離子水。勃姆石顆粒懸浮液可以在施加于金屬基材之前進(jìn)行聲處理。在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，勃姆石顆粒懸浮液可以被聲處理，然后在聲處理后離心，可將離心懸浮液的上清液施加于金屬基材。煅燒可以在500℃-600℃的溫度下進(jìn)行至少約2小時(shí)。煅燒后，底漆層可以以約0.5g/l至約4g/l，例如約1g/l至約4g/l，例如約1.5g/l至約4g/l，例如約1g/l至約3.5g/l，例如約1g/l至約3g/l，例如約1g/l至約2.5g/l，例如約1g/l至約2g/l，約1.5g/l至約2.5g/l，約1.75g/l至約2.25g/l，約2g/l，約1g/l至約3.5g/l，約1.5g/l至約3.5g/l，例如約2g/l至約4g/l，例如約2g/l至約3g/l，約2g/l至約3.5g/l，約2.5g/l至約3.5g/l，約2.75g/l至約3.25g/l，或約3g/l存在，或具有上述厚度。
在該方法的進(jìn)一步實(shí)施方案中，額外的洗涂層可以直接沉積在底漆層上面。
發(fā)明詳述
本發(fā)明提供用于獲得洗涂層與金屬基材良好附著的組合物和方法，其使用含勃姆石底漆洗涂層，其在沉積其它洗涂層之前沉積在金屬基材上。包含勃姆石的底漆層能夠使得金屬基材用作在催化轉(zhuǎn)換器中的催化劑載體。
定義
本公開提供了幾個(gè)實(shí)施方案?？梢灶A(yù)期的是來自任何實(shí)施方案的任何特征可以與任何其它實(shí)施方案的任何特征相結(jié)合。以這種方式，所公開特征的混合配置都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
當(dāng)數(shù)值在本文中使用術(shù)語“約”或“大約”表示時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解，兩者指定的值以及合理接近指定值的值都包括在內(nèi)。例如，描述“約50℃”或“大約50℃”包括50℃本身以及接近50℃的值都被披露。因此，短語“約x”或“大約x”包括x值本身的描述。如果說明一個(gè)范圍，例如“約50℃至60℃”，應(yīng)當(dāng)理解兩個(gè)由端點(diǎn)指定的值都包括在內(nèi)，而且對于各個(gè)端點(diǎn)或兩個(gè)端點(diǎn)，靠近各個(gè)端點(diǎn)或兩個(gè)端點(diǎn)的值都包括在內(nèi)；也就是說，“約50℃至60℃”相當(dāng)于引用“50℃至60℃”和“約50℃至約60℃?！?/p>
應(yīng)當(dāng)理解，本文所描述的發(fā)明的各方面和實(shí)施方案包括“包括”，“由……組成”和/或“基本由……組成”方面和實(shí)施方案。對于本文所描述的所有方法、系統(tǒng)、組合物和裝置，該方法、系統(tǒng)、組合物和裝置可以包括所列組分或步驟，或者可以由或基本由所列組分或步驟組成。當(dāng)系統(tǒng)、組合物或裝置被描述為“基本由所列組分組成”，該系統(tǒng)、組合物或裝置包含所列組分，并且可以含有實(shí)質(zhì)上不影響系統(tǒng)、組合物或裝置性能的其它組分，但要么不包含除明確所列那些組分外實(shí)質(zhì)上影響系統(tǒng)、組合物或裝置性能的任何其它組分；或要么不包含實(shí)質(zhì)上影響系統(tǒng)、組合物或裝置性能的足夠濃度或量的額外組分。當(dāng)方法被描述為“基本上由所列步驟組成”時(shí)，該方法包括所列步驟，并且可以包括實(shí)質(zhì)上不影響該方法結(jié)果的其它步驟，但該方法不包括除明確所列那些步驟外實(shí)質(zhì)上影響方法結(jié)果的任何其它步驟。
本文描述的系統(tǒng)、組合物、基材、和方法，包括如本文中所描述的任何本發(fā)明實(shí)施方案，可以單獨(dú)使用，也可以結(jié)合其它系統(tǒng)、組合物、基材、和方法使用。
金屬基材
用于本發(fā)明的金屬基材應(yīng)具有良好的耐熱沖擊性、良好的耐腐蝕性、和良好的耐機(jī)械沖擊性。不銹鋼可以用作催化轉(zhuǎn)換器基材的材料。具有至少12％的鉻含量的不銹鋼是優(yōu)選的。
適于與底漆洗涂層使用的基材是emitecpartno.616394，一種具有19％鉻和3％鋁的不銹鋼整料。
該金屬基材為適用作催化轉(zhuǎn)化器的形式。一種合適的形式為蜂窩結(jié)構(gòu)。其它形式包括波紋狀金屬箔，或波紋狀和扁平的金屬箔的交替薄片。適用作本發(fā)明金屬基材的金屬箔結(jié)構(gòu)的實(shí)例公開于：brück,r.等人,“flowimprovedefficiencybynewcellstructuresinmetallicsubstrates,”saetechnicalpaper950788,1995,doi:10.4271/950788；held,w.等人,“improvedcelldesignforincreasedcatalyticconversionefficiency,”saetechnicalpaper940932,1994,doi:10.4271/940932；brück,r.等人,“metalsupportedflow-throughparticulatetrap；anon-blockingsolution”,saetechnicalpaper2001-01-1950,doi:10.4271/2001-01-1950；chang,c.等人,“aluminumcladferriticstainlesssteelfoilformetalliccatalyticconvertersubstrateapplications,”saetechnicalpaper960556,1996,doi:10.4271/960556；和美國專利號4,301,039,4,402,871,4,886,711；和5,366,139。適用于本發(fā)明的金屬基材的供應(yīng)商包括emitec(emitecgesellschaftfüremissionstechnologiembh,lohmar,germany)和metalsubstrate(coppell,texas,unitedstatesofamerica)。
從供應(yīng)商獲得的基材用醇(如乙醇或甲醇)和去離子水洗滌，然后在使用之前干燥并煅燒。
底漆洗涂層組合物
用于創(chuàng)建底漆層的洗涂層包含勃姆石。勃姆石也稱為γ-氧化鋁氫氧化物或水合氧化鋁，具有分子式alo(oh)，也寫為αl2o3·η2o。勃姆石可以從眾多供應(yīng)商處購買。在一些實(shí)施方案中，勃姆石顆粒的尺寸可以為在尺寸上0.5微米至100微米。
為了將勃姆石施加到金屬基材上用作勃姆石底漆層，制備勃姆石顆粒的水懸浮液。優(yōu)選地，去離子水用于勃姆石懸浮液，例如可從各供應(yīng)商獲得的18兆歐(即，18兆歐-厘米)水。在一些實(shí)施方案中也可使用蒸餾水。
在一些實(shí)施方案中，分散劑、表面活性劑、或洗滌劑可以添加到用于懸浮液的水中。在一個(gè)實(shí)施方案中，分散劑以約0.5％至約6％(重量/重量)，約1％至約5％，約2％至約4％，約2.5％至約3.5％，或約3％的量使用。優(yōu)選的值為約3％。適合使用的分散劑和表面活性劑包括jeffsperse，如
勃姆石以如下濃度加入到水中：約1％至約20％(重量/重量)，約5％至約20％，約1％至約15％，約5％至約15％，約8％至約12％，約2％至約12％，約3％至約12％，約3％至約10％，約4％至約8％，約5％至約8％，約5％至約7％，約5.5％至約6.5％，或約4％，約5％，約6％，約7％，約8％，約9％，約10％，約11％，約12％，約13％，約14％，或約15％。約10％的勃姆石為優(yōu)選值。約6％的勃姆石為第二優(yōu)選值。
而其它固體，例如氧化鋁，可以與勃姆石混合使用形成底漆層，勃姆石應(yīng)占水懸浮液中固體的至少約80重量％。在其它實(shí)施方案中，勃姆石占水懸浮液中固體的至少約90重量％，水懸浮液中固體的至少約95重量％，水懸浮液中固體的至少約99重量％，或水懸浮液中固體的至少約99.5重量％。在其它實(shí)施方案中，懸浮在水懸浮液中的固體基本上由(或由)勃姆石組成。
攪拌勃姆石水懸浮液，并將懸浮液的ph用冰醋酸調(diào)整到ph為4。在一些實(shí)施方案中，然后將懸浮液聲處理長達(dá)約10小時(shí)。聲處理后，將懸浮液離心以除去大顆粒。傾析出上清液，并可將離心勃姆石懸浮液的上清液立即用于涂覆金屬基材，如通過將懸浮液傾倒通過金屬蜂窩。“瀑布”方法可用于涂敷金屬基材，這需要反復(fù)將懸浮液傾倒在基材上，直至達(dá)到所需重量攝取。在一些實(shí)施方案中，過量的勃姆石懸浮液利用空氣吹掉，例如通過使用氣刀。在懸浮液上吹空氣，直至達(dá)到設(shè)定值。
然后將在基材上的勃姆石涂層干燥以除去水分。典型地，該基材在約70℃干燥，但可以在水沸點(diǎn)以下的任何溫度下進(jìn)行干燥。干燥時(shí)間可以在約1-2分鐘至約1-2小時(shí)之間變化；在一個(gè)實(shí)施例中使用約70℃下約5分鐘的時(shí)間。
干燥后，將勃姆石涂覆的基材例如在約500℃至700℃，典型地在約550℃下煅燒幾小時(shí)至數(shù)小時(shí)。在一個(gè)實(shí)施方案中，將勃姆石涂覆的基材在120℃下煅燒約2小時(shí)，然后在550℃下煅燒約2小時(shí)。煅燒將任何有機(jī)污染物氧化，并提供勃姆石涂層對下層基材的良好附著。然后將煅燒的勃姆石涂覆的基材冷卻，得到具有含有勃姆石的底漆層的金屬基材。
煅燒后，勃姆石底漆層(底漆洗涂層)的厚度可以為約0.5g/l至約4g/l，例如約1g/l至約4g/l，例如約1.5g/l至約4g/l，例如約1g/l至約3.5g/l，例如約1g/l至約3g/l，例如約1g/l至約2.5g/l，例如約1g/l至約2g/l，約1.5g/l至約2.5g/l，約1.75g/l至約2.25g/l，約2g/l，約1g/l至約3.5g/l，約1.5g/l至約3.5g/l，例如約2g/l至約4g/l，例如約2g/l至約3g/l，約2g/l至約3.5g/l，約2.5g/l至約3.5g/l，約2.75g/l至約3.25g/l，或約3g/l。優(yōu)選的厚度為約3g/l。第二優(yōu)選的厚度為約2g/l。
如上所述，其它固體，例如氧化鋁，可以與勃姆石混合用于形成底漆層。在具有煅燒的含勃姆石的底漆層的所得金屬基材中，勃姆石應(yīng)占底漆層的至少約80重量％。在其它實(shí)施方案中，勃姆石占底漆層的至少約90重量％，底漆層的至少約95重量％，底漆層的至少約99重量％，或底漆層的至少約99.5重量％。在其它實(shí)施方案中，底漆層基本上由(或由)勃姆石組成。
然后可以將任何所需的洗涂層應(yīng)用到具有煅燒的勃姆石底漆層的基材上，例如護(hù)角填充層(典型地，氧化鋁)、含沸石層、含氧化鈰層(例如，含hsa-20層)、或含鉑族金屬層?？梢允褂玫南赐繉拥膶?shí)例包括在美國專利號：us8,507,401、us8,575,059、us8,481,449、us8,652,992、us8,557,727、us8,669,202和美國專利申請公開號us2011/0143916中公開的結(jié)合催化劑的洗涂層。還可以使用在下列出版物中所公開的洗涂層：美國專利號8,679,433、美國專利申請公開2014/0140909號、和美國專利申請?zhí)?1/858,551、61/894,341、61/894,346、61/915,973、61/969,035和61/985,388。
通過標(biāo)識引用在本文中提及的所有出版物、專利、專利申請和公布的專利申請的公開內(nèi)容以其整體通過引用并入本文。
盡管為了清楚地理解，已經(jīng)通過闡述和實(shí)施例相當(dāng)詳細(xì)地描述了前述發(fā)明，但顯然對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，某些改變和修改將被實(shí)施。因此，說明書和實(shí)施例不應(yīng)被解釋為限制本發(fā)明的范圍。