BR112020000065A2

BR112020000065A2 - nivelamento sem contato de uma suspensão washcoat

Info

Publication number: BR112020000065A2
Application number: BR112020000065-5A
Authority: BR
Inventors: Juergen Koch; Astrid Mueller
Original assignee: Umicore Ag & Co. Kg
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2020-07-14
Also published as: CA3068945A1; US11590484B2; US20200215523A1; KR20200026875A; CN111148570A; DE102017115138A1; WO2019008082A1; JP2020527100A; JP7184823B2; EP3648884A1; KR102513068B1; CN111148570B

Abstract

A invenção se refere a um processo e um aparelho para revestir substratos de catalisadores de gases de exaustão de veículos automotivos. A invenção descreve particularmente um aperfeiçoamento desses processos de revestimento no qual uma suspensão (washcoat) contendo o material catalítico é aplicada ao dito substrato (substrato monolítico) a partir de cima (processo de carga medida).

Description

"NIVELAMENTO SEM CONTATO DE UMA SUSPENSÃO WASHCOAT"

[0001] A presente invenção se refere a um processo e um aparelho para revestir substratos de catalisadores de gases de exaustão de veículos automotivos. Em particular, a invenção descreve um aperfeiçoamento desses processos de revestimento no qual uma suspensão (washcoat) contendo o material cataliticamente ativo é aplicada ao dito substrato (monólito de substrato) a partir de cima (o assim chamado processo de “carga medida”).

[0002] Os gases de exaustão de motores de combustão em veículos automotivos tipicamente contém os gases nocivos monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos (HC), óxidos de nitrogênio (NOx) e, possivelmente, óxidos de enxofre (SOx), bem como particulados que em sua maioria consistem em resíduos de fuligem e, possivelmente, aglomerados orgânicos aderentes. Essas são chamadas emissões primárias. CO, HC e particulados são os produtos da combustão incompleta do combustível no interior da câmara de combustão do motor. Óxidos de nitrogênio se formam no cilindro a partir de nitrogênio e oxigênio contidos no ar de admissão quando as temperaturas de combustão localmente excedem 1400 °C. Óxidos de enxofre resultam da combustão de compostos orgânicos de enxofre, pequenas quantidades dos quais estão sempre presentes em combustíveis não sintéticos. A fim de remover essas emissões, que são nocivas à saúde e ao meio ambiente, dos gases de exaustão de veículos automotivos, diversas tecnologias catalíticas para a purificação de gases de exaustão têm sido desenvolvidas, cujo princípio fundamental é geralmente baseado no direcionamento dos gases de exaustão que necessitam purificação sobre um corpo em formato de colmeia ou monólito de fluxo contínuo ou de fluxo em parede com um revestimento cataliticamente ativo aplicado a ele. O catalisador facilita a reação química de diferentes componentes de gases de exaustão, enquanto forma produtos não nocivos, como dióxido de carbono e água.

[0003] Os monólitos de fluxo contínuo ou de fluxo em parede acima descritos são, consequentemente, também chamados de substratos de catalisador, substratos ou monólitos de substrato, uma vez que carregam o revestimento cataliticamente ativo sobre sua superfície ou nos poros que formam essa superfície. O revestimento cataliticamente ativo é geralmente aplicado ao substrato de catalisador na forma de uma suspensão em uma assim chamada operação de revestimento. Muitos desses processos foram publicados no passado por fabricantes de conversores catalíticos de gases de exaustão automotivos (documentos EP1064094B1, EP2521618B1, WO10015573A2, EP1136462B1).

[0004] O documento US6478874 afirma que um vácuo é usado para retirar uma suspensão washcoat para cima através dos canais de um monólito de substrato. O documento US4609563 também descreve um processo no qual um sistema de carregamento medido é usado para o revestimento catalítico de um substrato. Esse sistema compreende um processo de revestimento de um substrato monolítico cerâmico com uma quantidade predeterminada e precisamente controlada da suspensão washcoat usando um vácuo (a seguir no presente documento denominada “carga medida”). O substrato monolítico é imerso em uma quantidade quantitativamente determinada de suspensão washcoat. A suspensão washcoat é,

então, retirada pelo vácuo para dentro do monólito de substrato. Nesse caso, entretanto, é difícil revestir o substrato monolítico, de modo que os perfis de revestimento dos canais no substrato monolítico sejam uniformes.

[0005] Ao contrário, é também estabelecido um processo no qual uma quantidade específica de suspensão washcoat (carga medida) é aplicada ao lado superior de um monólito de substrato na vertical, sendo essa quantidade tal que fica retida, de forma praticamente completa, dentro do monólito fornecido (documento US6599570). Por meio de um dispositivo de vácuo/pressão que atua sobre uma das extremidades do monólito, a suspensão washcoat é sugada/prensada totalmente para dentro do monólito sem escape de suspensão em excesso na extremidade inferior do monólito (documento WO9947260A1). Vide também nesse contexto os documentos JP5378659B2, EP2415522A1 e JP2014205108A2 da empresa Cataler.

[0006] As suspensões washcoat em partes altamente viscosas, que geralmente também têm um alto limite de fluxo, rotineiramente formam uma superfície irregular e não uniforme quando aplicada a um substrato de catalisador (monólito de substrato) orientado verticalmente. Durante a sucção para dentro do substrato, isso resulta, então, na possível formação da frente de revestimento não uniforme e na sucção da suspensão de revestimento para dentro do substrato em diferentes extensões. Em particular no caso de revestimentos parciais para a produção de produtos em zonas, uma distribuição homogênea é de particular importância para garantir que uma atividade catalítica reproduzível e uniforme seja garantida ao longo de todo o comprimento e seção transversal do substrato.

[0007] O nivelamento de suspensões washcoat sobre o monólito de substrato é conhecido. O documento EP1900442A1 da Cataler descreve um processo no qual o washcoat aplicado é aplainado por forças centrífugas durante a rotação do substrato ou pela vibração do substrato. Entretanto, esse processo tem a desvantagem de que o estresse mecânico sobre o substrato de catalisador, devido à rotação ou vibração, leva à danificação ou ao descascamento da estrutura de colmeia de parede fina e extremamente sensível. Além disso, ao introduzir forças de cisalhamento em toda a quantidade de washcoat aplicada, suas propriedades reológicas são influenciadas, de modo que uma penetração indesejada nos canais já pode ocorrer antes do pulso de sucção. O documento EP0398128A1 da Degussa AG revela um processo no qual o monólito de substrato é girado durante a aplicação da suspensão washcoat. Isso garante a aplicação uniforme do washcoat ao substrato; entretanto, não ocorre nenhum aplainamento ou nivelamento da superfície.

[0008] O documento US2010221449A1 descreve um processo para a remoção de estruturas indesejadas e defeitos de uma camada de verniz aplicada a um substrato pela aplicação de um fluxo de ar sobre ele. A eficácia do fluxo de ar pode ser confirmada pelo uso de ultrassom. A unidade de aplainamento nesse caso faz parte de um sistema de revestimento complexo que consiste em uma unidade de aplicação (impressora), uma unidade de aplainamento e uma unidade de secagem. Papel ou papelão com uma fina camada de verniz (< 1 mm) é revestida com esse sistema.

[0009] Ampo, K. et al. "Leveling viscous fluids using ultrasonic waves", JJAPS, (2004), vol. 43, pp. 2857 – 2861 descreve um processo para o aplainamento de líquidos viscosos, nesse caso um material fotorresistente sobre um substrato, usando tecnologia de ultrassom. Essa publicação descreve testes para o aplainamento de líquidos (0,01 Pa*s), que possuem uma viscosidade muito baixa em comparação ao washcoat, em camadas finas sobre substratos não porosos. O documento US2012321816A1 reivindica um método para o aplainamento de camadas finas (cerca de 100 µm) de tintas em gel de alta viscosidade (0,106 Pa*s) usando ultrassom.

[0010] O objetivo da presente invenção foi fornecer um processo aperfeiçoado e um aparelho correspondentemente operacional para revestir monólitos de substrato com uma suspensão washcoat para uso como catalisadores de gases de exaustão de veículos automotivos. O processo deve garantir que, em particular, catalisadores revestidos por zonas com um limite de zona uniforme ou um perfil de zona idealmente uniforme possam ser produzidos. Um processo que funcione dessa forma deve levar a menos rejeições e a produtos que possuem melhor desempenho na purificação de gases de exaustão. Esse processo e esse aparelho seriam, portanto, preferenciais de um ponto de vista econômico e ecológico.

[0011] Esses e outros objetivos obviamente resultantes da técnica anterior são alcançados por um processo e um método com as características da presente reivindicação 1 e da reivindicação 11. As reivindicações dependentes se referem a outras modalidades aperfeiçoadas do ensinamento de acordo com a invenção.

[0012] Ao aplicar a suspensão washcoat a uma extremidade de um monólito de substrato na vertical em uma primeira etapa em um processo para revestir um monólito de substrato do tipo de fluxo contínuo ou de fluxo em parede com uma suspensão washcoat, permitindo que uma força de cisalhamento na forma de pressão transmitida por gás, em particular o ar, atue sobre a superfície da suspensão washcoat em uma etapa seguinte e, subsequentemente, sugando e/ou prensando a suspensão washcoat para dentro do monólito de substrato, sendo o objetivo proposto vantajosamente alcançado, porém não de maneira óbvia.

[0013] Surpreendentemente, foi descoberto que, pela ação de um fluxo de gás, não somente camadas muito finas de líquidos viscosos na faixa de µm podem ser aplainadas sobre a superfície, mas suspensões cerâmicas de alta viscosidade (por exemplo, até vários 100 Pa*s) e limites de fluxo muito pronunciados (por exemplo, 100 Pa) em camadas espessas (0,5 a 15 cm) também podem ser aplainadas e niveladas. Até onde se sabe, o uso de fluxos de gás laminares ou turbulentos, bem como continuamente ou periodicamente intermitentes para o nivelamento sem contato de camadas de washcoat espessas ainda não foi descrito na técnica anterior.

[0014] A força de cisalhamento na forma de pressão exigida para aplainamento pode ser transmitida, de preferência, por um fluxo de ar. Entretanto, também pode ser necessário que outros gases sejam usados para essa finalidade, por exemplo, gases inertes ou gases redutores. O fluxo pode ser então fornecido de acordo com o conhecimento familiar aos versados na técnica por meio de tanques de pressão ou cilindros de pressão com esses gases. Em uma modalidade preferencial da presente invenção, a força de cisalhamento na forma de pressão é gerada por um método selecionado a partir do grupo que consiste em um fluxo contínuo de gás/ar ou um fluxo pulsante de gás/ar, ou uma mistura destes. Como já indicado, o fluxo de gás/ar pode ter uma característica laminar ou turbulenta. Os versados na técnica sabem como esses fluxos de ar ou fluxos de gás podem ser gerados (https://www.ziegener- frick.de/fileadmin/downloads/pdf/lufttechnik/geblaeseluft/m istral/Mistral_SSHD/MISTRAL_185155_Produktinfo.pdf;https:// www.conatex.com/catalog/physik_lehrmittel/schulerubungen/en ergieumwandlung_elektrochemie_energiequellen_dynamot/produc t-luftstromerzeuger/sku-1001916#.WS1elk2wdeU). Os versados na técnica podem otimizar os parâmetros necessários para essa finalidade, por exemplo, velocidade de fluxo, distância desde a suspensão washcoat, movimento do fluxo etc. por meio de ações de rotina. O resultado deve ser que a necessidade de nivelamento da suspensão washcoat aplicada por vibração externa do monólito de substrato frágil pode ser reduzida ao máximo possível. Em uma modalidade muito preferencial, o processo de acordo com a invenção, portanto, dispensa qualquer outro método além da ação de acordo com a invenção para realizar o nivelamento da suspensão washcoat aplicada. Nesse caso, o nivelamento ocorre exclusivamente de maneira sem contato pela transmissão da força de cisalhamento por ar ou por um gás por meio de uma pressão.

[0015] Em uma outra modalidade preferencial, a presente invenção se refere a um processo para revestir monólitos de substrato com uma suspensão washcoat na qual a força de cisalhamento na forma de pressão que atua sobre a superfície da suspensão washcoat aplicada por meio de um gás, em particular o ar, é uma ação por força alternante. Isso significa que a pressão que atua sobre a superfície da suspensão washcoat aplicada pelo gás se altera no decorrer do tempo, de modo que a pressão é reduzida continuamente ou gradualmente durante a ação. Deve ficar entendido que, depois de atingir o limite de fluxo da suspensão washcoat, somente uma força menor é necessária para realizar o nivelamento da sua superfície.

[0016] Deve ser observado, nesse sentido, que a pressão que atua por meio do gás não é tão alta a ponto de a suspensão washcoat ser aspergida ou de outra forma adversamente afetada. Também, não deve ser tão lenta a ponto de nenhum efeito poder ser percebido dentro de um período adequado de tempo. De preferência, a pressão atuante deve ter uma magnitude tal que a força de cisalhamento introduzida por área exceda o limite de fluxo do washcoat usado e o leve, assim, para um estado fluível.

[0017] De acordo com um método preferencial, a pressão sobre a superfície da suspensão washcoat aplicada pode ser fornecida por um ou mais geradores de onda de som ou pressão, de preferência um ressonador ultrassônico de alta frequência. Nesse caso, o ressonador ultrassônico não imerge na suspensão, mas gera ondas de pressão sonora que atuam sobre a superfície do líquido por oscilação ultrassônica no ar a uma determinada distância da superfície de washcoat. Uma fonte comum de ultrassom (por exemplo, http://www.labo.de/marktuebersichten/marktuebersicht--- labo-marktuebersicht-ultraschall-homogenisatoren.htm) pode ser orientada em direção à superfície da suspensão washcoat de acordo com os versados na técnica. Dentro do escopo da invenção, a suspensão presente sobre o monólito de substrato é, então, exposta a ultrassom por um período suficiente de tempo. De preferência, a força de cisalhamento é gerada por ultrassom a uma frequência de cerca de 18.000 a cerca de 90.000 Hz, de preferência de

18.000 a 60.000 Hz, e em particular, de preferência de

19.000 a 43.000 Hz.

[0018] Por exemplo, o processador ultrassônico gera oscilações mecânicas longitudinais na faixa de frequência de 18.000 Hz a 90 kHz por excitação elétrica. As oscilações são amplificadas pelo sonotrodo e amplamente transmitidas ao meio circundante (como regra, um líquido) pela face de extremidade. A amplitude mecânica do sonotrodo pode ser aumentada ou reduzida instalando-se um reforçador, em que a energia ultrassônica aplicada ao meio pode ser continuamente ajustada pelo controle de energia do processador ultrassônico.

[0019] Se a pressão que atua como resultado do ultrassom for implementada com a energia indicada acima, cerca de 0,1 a cerca de 60, de preferência de 1 a 30 e, muito particularmente, de preferência de 1 a 10 segundos, será geralmente suficiente para nivelar adequadamente a superfície da suspensão washcoat aplicada. A pressão do ar ou fluxo de gás direcionado à superfície do washcoat é, em particular, de preferência maior que o limite de fluxo do washcoat. Quando o limite de fluxo é excedido, o washcoat estruturalmente viscoso começa a fluir e pode, dessa forma, facilmente aplainar as irregularidades na superfície do líquido.

[0020] Em uma outra modalidade preferencial da invenção, a força de cisalhamento que atua na forma de pressão também pode ser gerada por um fluxo de gás/ar a partir de um bocal. Esses bocais de gás/ar são conhecidos dos versados na técnica. Os assim chamados bocais de fenda ou lâmina são, de preferência, usados para gerar fluxos laminares de ar (https://de.wikipedia.org/wiki/luftklinge). A título de exemplo, as Figuras 1 a 3 mostram várias modalidades bocais de gás com os quais o gás, em particular o ar, pode ser direcionado à superfície da suspensão washcoat aplicada. A realizada a entrada de energia, conforme declarado, por meio de um fluxo contínuo ou intermitente de gás que exerce pressão sobre a superfície da suspensão washcoat estruturalmente viscosa. A força que o fluxo de gás/ar assim exerce sobre a superfície da suspensão leva ao cisalhamento e, dessa forma, à liquefação do washcoat quando o limite de fluxo é excedido. A) Geometria de substrato redonda

[0021] Para substratos de catalisador tendo uma geometria de substrato redonda, as seguintes modalidades dos bocais de gás/ar ou dos geradores de som são preferivelmente usadas: - bocal plano móvel com l=d e fenda contínua ou orifícios individuais que podem ser movimentados na direção x sobre o substrato (Fig. 2a) - borrifador de ar montado de forma fixa tendo um diâmetro correspondente ao substrato e com uma pluralidade de aberturas de ar individuais (Fig. 3) - bocal plano giratório tendo um comprimento l=d ou l=d/2 e uma fenda contínua ou uma pluralidade de orifícios individuais (Fig. 1a – d)

[0022] O comprimento do bocal (I) é correspondido ao diâmetro do substrato (d), sendo o bocal tipicamente igual ou maior que o diâmetro do substrato. Entretanto, também podem ser usados bocais tendo um comprimento de bocal mais curto que o diâmetro dos substratos, ou partes da superfície do substrato podem ser completamente ou parcialmente separadas do fluxo de gás/ar por uma folha metálica protetora de gás/ar sólida ou perfurada fixada. Dessa maneira, diferentes regiões da superfície de washcoat podem ser niveladas. A pressão do fluxo de gás/ar exigida para ultrapassar o limite de fluxo do washcoat pode ser adequadamente ajustada pelos versados na técnica pela seleção da pressão de gás/ar fornecida e da largura da abertura da fenda de ar. A largura de abertura da fenda do bocal é de 0,1 a 5 mm; as larguras de fenda de 0,5 a 1 mm são preferivelmente usadas.

[0023] Modalidades preferenciais, como um bocal plano giratório com um comprimento l=d ou l=d/2 (d=diâmetro do substrato de catalisador) com (a) uma fenda contínua ou (b) uma pluralidade de orifícios individuais como mostrado a título de exemplo na Fig. 1, são, de preferência, usadas em substratos tendo geometrias de face de extremidade redondas. Típicos diâmetros de monólitos cerâmicos estão na ordem de 4 a 7 polegadas [10,2 a 17,8 cm] para aplicações no setor de automóveis para passageiros.

[0024] Com relação ao uso de ultrassom ou infrassom, um gerador de onda de som ou pressão montado centralmente é aqui adequado; é preferivelmente usado um ressonador ultrassônico de alta frequência. B) Geometria de substrato oval

[0025] Para substratos de catalisador tendo uma geometria de substrato oval, as seguintes modalidades dos bocais de gás/ar ou dos geradores de som são preferivelmente usadas: - bocal plano móvel com l=d e fenda contínua ou orifícios individuais que podem ser movimentados na direção x sobre o substrato (Fig. 2a) - borrifador de gás/ar montado de forma fixa tendo uma geometria correspondente ao substrato com uma pluralidade de aberturas de gás/ar individuais (Fig. 3) - bocal plano giratório tendo um comprimento l=dmax e uma fenda contínua ou uma pluralidade de orifícios individuais (dmax corresponde ao maior diâmetro de elipse do substrato oval)

[0026] Com relação ao uso de ultrassom ou infrassom, uma faixa montada de forma fixa com uma pluralidade de geradores de onda de som ou pressão é adequada; uma pluralidade de ressonadores ultrassônicos é de preferência usada.

[0027] A unidade de nivelamento, ou seja, a unidade para geração do fluxo contínuo ou do fluxo pulsante de gás/ar, pode ser adicionalmente móvel na direção z, e, como resultado, o fluxo de volume do gás que impacta sobre a superfície do washcoat pode ser regulado, e a pressão exigida para ultrapassar o limite de fluxo pode ser então ajustada. Quando o washcoat começa a fluir, a distância do bocal de ar até a superfície pode ser aumentada, o que reduz significativamente o risco de respingo.

[0028] Os monólitos de substrato a serem fornecidos com a suspensão washcoat de acordo com o presente processo são do tipo de fluxo contínuo ou de fluxo em parede. Esses monólitos de substrato são geralmente corpos de substrato cilíndricos com um eixo de cilindro, duas faces de extremidade, uma superfície lateral e um comprimento axial L. Eles são formados como colmeia por uma pluralidade de canais desde a primeira face de extremidade até a segunda face de extremidade. A fim de aplicar a suspensão washcoat, os monólitos de substrato são alinhados verticalmente com o eixo do cilindro e a suspensão washcoat é aplicada à parte superior das duas faces de extremidade dos monólitos de substrato.

[0029] Na técnica anterior, os monólitos de fluxo contínuo são substratos de catalisador comuns que podem consistir em materiais metálicos ou cerâmicos. Cerâmicas refratárias, como cordierita, carbeto de silício ou titanato de alumínio etc. são preferivelmente usadas. O número de canais por área é caracterizado pela densidade celular que tipicamente varia entre 300 e 900 células por polegada quadrada (cpsi). A espessura de parede das paredes de canal em cerâmicas varia entre 0,5 a 0,05 mm.

[0030] Todos os materiais cerâmicos habituais na técnica anterior podem ser usados como monólitos de fluxo em parede. Os substratos de filtro porosos de fluxo em parede feitos de cordierita, carbeto de silício ou titanato de alumínio são preferivelmente usados. Esses substratos de filtro de fluxo em parede possuem canais de entrada e saída, em que as respectivas extremidades a jusante dos canais de entrada e as extremidades a montante dos canais de saída são deslocadas umas em relação às outras e fechadas com “plugues” herméticos a gás. Nesse caso, os gases de exaustão que devem ser purificados e que fluem através do substrato de filtro são forçados a passar através da parede porosa entre o canal de entrada e o canal de saída, os quais proporcionam um excelente efeito de filtro de particulado. A propriedade de filtração dos particulados pode ser projetada por meio de porosidade, distribuição de poro/raios, e espessura da parede. O material do catalisador pode estar presente na forma de suspensões washcoat em e/ou sobre as paredes porosas entre os canais de entrada e de saída. Também podem ser usados monólitos de fluxo em parede que foram extrudados diretamente ou com o auxílio de aglutinantes dos materiais de catalisador correspondentes, o que significa que as paredes porosas consistem diretamente no material de catalisador, como pode acontecer no caso de catalisadores de SCR à base de zeólito ou vanádio. Esses monólitos de SCR extrudados também podem ser fornecidos, conforme descrito acima, com uma suspensão washcoat em e/ou sobre as paredes porosas. Os substratos preferivelmente usados podem ser obtidos dos documentos EP1309775A1, EP2042225A1 ou EP1663458A1.

[0031] As suspensões washcoat usadas dentro do escopo da presente invenção são aqueles tipicamente usados para a fabricação de catalisadores de gases de exaustão de veículos automotivos. No contexto da presente invenção, a consistência da suspensão washcoat deve ser tal que não escorra para dentro dos canais do monólito de substrato imediatamente após a aplicação. Isso pode ser alcançado por várias ações. Por exemplo, em uma modalidade vantajosa, a viscosidade da suspensão washcoat pode ser ajustada de modo que (por exemplo, por aditivos, como agentes tixotrópicos (por exemplo, como no documento WO2016023808A1) ou ajustando-se a concentração dos constituintes ou pela quantidade de solvente usado, ajustando-se uma determinada temperatura etc.) penetre nos canais somente mediante a aplicação de pressão negativa na face de extremidade inferior e/ou pressão positiva na face de extremidade superior dos monólitos de substrato. Os agentes conforme contemplados no documento WO9947260A1, os quais ajudam a inibir a penetração da suspensão washcoat dentro do monólito de substrato (por exemplo, uma íris fechada ou uma membrana permeável), também podem ser usados nesse aspecto.

[0032] As suspensões aqui consideradas são estruturalmente viscosas (https://de.wikipedia.org/wiki/Strukturviskosit%C3 %A4t), possuem corpos sólidos e contêm os componentes cataliticamente ativos ou seus precursores, bem como óxidos inorgânicos, como óxido de alumínio, dióxido de titânio, óxido de zircônio, óxido de cério ou combinações destes, em que os óxidos podem ser dopados, por exemplo, com silício ou lantânio. Óxidos de vanádio, cromo, manganês, ferro, cobalto, cobre, zinco, níquel, ou metais terrosos raros, como lantânio, cério, praseodímio, neodímio, promécio, samário, európio, gadolínio, térbio, disprósio, hólmio, érbio, túlio, itérbio, ou combinações destes, podem ser usados como componentes cataliticamente ativos. Metais nobres como platina, paládio, ouro, ródio, irídio, ósmio, rutênio e combinações destes também podem ser usados como componentes cataliticamente ativos. Esses metais também podem estar presentes como ligas compostas por estes metais ou com outros metais ou como óxidos. No meio de revestimento líquido, os metais também podem estar presentes como um precursor, como nitratos, sulfitos, ou organilas dos ditos metais nobres e misturas destes, e, em particular, podem ser usados nitrato de paládio, sulfito de paládio, nitrato de platina, sulfito de platina ou Pt(NH3)4(NO3)2. O componente cataliticamente ativo pode ser, então, obtido a partir do precursor por calcinação entre cerca de 400 °C e cerca de 700 °C. O meio de revestimento estruturalmente viscoso tem geralmente um teor de sólidos entre 35 e 52 % em peso. As viscosidades da suspensão washcoat estão geralmente entre 0,015 e 100 Pa*s, de preferência de 0,1 a 50 Pa*s e, em particular, de preferência de 1 a 50 Pa*s (viscosidade: norma DIN EN ISO 3104:1999-12). Dependendo da composição química e dos aditivos usados, diferentes washcoats possuem diferentes limites de fluxo. De acordo com a definição da norma EN ISO 3219-1, o limite de fluxo é a tensão de cisalhamento acima da qual a amostra se comporta como um líquido. O limite de fluxo é, assim, a força necessária para destruir a estrutura quiescente de um tecido e permitir um fluxo subsequente como um líquido. De acordo com as interações dos constituintes do washcoat entre si, essas suspensões têm geralmente limites de fluxo diferentemente altos de 0,1 até mais que 100 Pa.

[0033] De acordo com a presente invenção, a suspensão de revestimento é aplicada aos monólitos de substrato a partir de cima. Para essa finalidade, a suspensão washcoat é despejada sobre os monólitos de substrato, ou seja, sua face de extremidade superior, a partir de cima. Isso pode ocorrer de acordo com a técnica anterior. Um possível método pode ser obtido, por exemplo, do documento EP2415522A1. Após o nivelamento, a suspensão washcoat é sugada e/ou prensada para dentro do monólito de substrato. Em uma modalidade vantajosa dessa variante, os monólitos de substrato são previamente enrolados com uma camisa protetora ou fornecidos a partir de cima com um recipiente adaptado no formato das faces de extremidade dos substratos, de modo que as laterais da superfície externa dos corpos de substrato não entrem em contato com a suspensão de revestimento (vide, por exemplo, o documento EP1900442A1). A camada da suspensão washcoat a ser tratada no contexto da presente invenção não deve ser muito espessa, mas também não muito fina após a aplicação ao monólito de substrato. Como regra, a espessura de camada da suspensão sobre o monólito de substrato após o nivelamento estará na faixa de 0,5 a 15 cm, de preferência de 1 a 10 cm e, em particular, de preferência de 2 a 8 cm, sendo que a espessura da camada de washcoat aplicada resulta da quantidade da suspensão necessária para o revestimento das paredes do canal do substrato e da sua densidade e o tamanho da face de extremidade superior do substrato. A quantidade de revestimento, por sua vez, depende da superfície da área a ser revestida e da espessura de camada desejada no substrato.

[0034] Um outro objetivo do presente aparelho é o revestimento de um monólito de substrato do tipo de fluxo contínuo ou de fluxo em parede com uma suspensão washcoat.

O aparelho permite que o processo acima mencionado seja realizado de forma bem-sucedida. Para essa finalidade, é necessário, de acordo com a invenção, que o aparelho compreenda: - uma unidade para travar o monólito de substrato na posição vertical; - uma unidade para aplicar uma quantidade de suspensão washcoat ao monólito de substrato na vertical; - uma unidade para gerar uma força de cisalhamento na forma de pressão que é transmitida para a superfície da suspensão washcoat por ar ou gás.

[0035] A unidade para travar o monólito de substrato na posição é conhecida dos versados na técnica. Nesse sentido, é feita referência aos documentos WO2015140630A1, EP2321048B1 (a estação de processo para o revestimento de acordo com a invenção também pode ser controlada por uma mesa giratória de indexação) ou US4609563. Se o monólito de substrato estiver então presente na estação de processo de uma maneira vertical reversivelmente travada, a unidade adicional para aplicar uma quantidade de supressão de washcoat aos monólitos de substrato na vertical é ativada. Essa unidade pode ser obtida, por exemplo, do documento EP2415522A1 acima mencionado. A unidade para geração de uma força de cisalhamento na forma de pressão que é transmitida para a superfície da suspensão washcoat por ar ou gás subsequentemente entra em ação. É feita referência às declarações acima com relação ao processo. É evidente que os procedimentos e modalidades preferenciais descritas para o processo também se aplicam mutatis mutandis ao aparelho e vice-versa.

[0036] O nivelamento sem contato de uma superfície de washcoat irregularmente conformada ocorre de preferência por meio de um fluxo de ar/gás laminar ou turbulento, contínuo ou periodicamente intermitente. A geração do fluxo de gás contínuo pode ser alcançada, nesse caso, por pressão positiva. Para o nivelamento, é então direcionado para a superfície da camada de washcoat espessa por um bocal de gás/ar giratório ou horizontalmente móvel (lâmina de ar, borrifador de ar). Um fluxo de ar/gás que ocorre periodicamente pode ser gerado por um gerador de onda de som ou pressão. Geradores de onda de som na faixa de infrassom e ultrassom podem ser usados nesse caso. Os fluxos de ar/gás que ocorrem periodicamente são, de preferência, gerados por um ressonador ultrassônico de alta frequência que é vantajosamente montado de maneira fixa centralmente acima do monólito de substrato ou livremente móvel no plano ou altura. O nivelamento da superfície de líquido também pode ser realizado combinando-se os dois métodos. Durante a operação de nivelamento, a energia introduzida pode ser continuamente ou gradualmente reduzida aumentando-se a distância da unidade de aplainamento até a superfície ou reduzindo-se a pressão de ar ou a potência do ressonador.

[0037] É particularmente preferida uma modalidade do presente aparelho na qual o aparelho possui uma unidade que é capaz de formar um aro em torno do monólito de substrato, de modo que nenhuma suspensão washcoat possa escorrer pelo monólito de substrato no lado externo durante a ação da força de cisalhamento na forma de pressão. Nesse sentido, é feita referência à literatura (documento EP1900442A1).

[0038] Por fim, deve ser observado que o aparelho de acordo com a invenção também fornece uma possibilidade de levar a suspensão washcoat aplicada e nivelada para dentro do monólito de substrato. Isso é realizado por uma unidade adicional de sucção ou pressão no aparelho de acordo com a invenção. Também é possível e preferencial levar a suspensão washcoat para dentro do monólito de substrato por ambas as ações simultaneamente. Isso leva a uma formação mais uniforme do perfil de revestimento no monólito de substrato. As unidades de sucção e pressão desse tipo são suficientemente familiares aos versados na técnica (vide a literatura na parte introdutória).

[0039] Por exemplo, para essa finalidade, um vácuo pode ser de preferência aplicado à face de extremidade inferior do monólito de substrato, por exemplo, pela abertura de uma válvula para um tanque evacuado de pressão negativa. Ao mesmo tempo, ar ou outro gás que seja inerte ao monólito de substrato revestido e à suspensão washcoat, como nitrogênio, pode, por exemplo, ser fornecido sob pressão desde as faces de extremidade superiores do monólito de substrato até a face de extremidade superior. De modo semelhante, esse fornecimento também pode ser alternado ou revertido uma vez ou várias vezes, o que, de acordo com o documento US7094728B2, resulta em um revestimento mais uniforme dos canais dentro dos corpos de substrato.

[0040] Em vez de aplicar uma pressão negativa (“sugando” os monólitos de substrato), uma pressão positiva também pode ser aplicada (“soprando” os monólitos de substrato). Para tanto, ar ou outro gás que seja inerte em relação aos monólitos de substrato revestidos e à suspensão washcoat,

como nitrogênio, é fornecido sob pressão à face de extremidade inferior ou inferior. Ao fazer isso, as faces de extremidade opostas às faces de extremidade às quais pressão de ar/gás está sendo aplicada devem garantir fluxo de saída suficiente do gás. Para essa finalidade, pode ser aplicada uma pressão negativa (vácuo), embora isso não seja absolutamente necessário. Entretanto, uma pressão de ar/gás também não deve ser aplicada a partir dos lados opostos a fim de garantir uma vazão suficiente para remover a suspensão washcoat em excesso dos canais dos monólitos de substrato. De uma maneira similar ao processo de acordo com o documento US7094728B2, que é brevemente descrito acima, a pressão positiva pode, nesse caso, ser aplicada de forma alternada às faces de extremidade superior e inferior.

[0041] Se necessário, os monólitos de substrato também podem ser revestidos múltiplas vezes com suspensões washcoat. Isso pode ocorrer, a princípio, antes ou depois da calcinação da suspensão washcoat previamente aplicada, ou, ainda, após a secagem da mesma pelo fluxo de gás que passa, sendo esse último método o preferencial. No caso de uma pluralidade de sucessivas etapas de revestimento, a suspensão de revestimento pode ter a mesma composição ou uma composição diferente da suspensão washcoat previamente aplicada.

[0042] Os corpos de substrato são finalmente secos e, sem seguida, submetidos a um tratamento térmico (calcinação).

[0043] A ideia principal da presente invenção é que o nivelamento da suspensão washcoat aplicada antes do revestimento ocorra da forma mais completa possível sem contato e contaminação ou que uma alteração da suspensão washcoat possa ser assim completamente excluída. De acordo com a invenção, a aplicação de força ocorre somente nas camadas do washcoat próximas da superfície e não na suspensão completa. O resultado desse procedimento é que as propriedades reológicas da suspensão mudam somente próximas da superfície, ou seja, a liquefação do material ao ultrapassar o limite de fluxo ocorre somente na superfície. Isso impede com sucesso que toda a quantidade aplicada de washcoat se liquefaça como resultado do afinamento por cisalhamento e que penetre no substrato de catalisador de uma maneira não controlada antes que o pulso de pressão seja aplicado. Uma vez que a aplicação de força para o nivelamento também não ocorre pelo movimento ou vibração do monólito de substrato, danos ao substrato sensível são ainda excluídos. O método é adicionalmente caracterizado pelo fato de que não exige um mecanismo complexo para girar ou vibrar o substrato. Ao desacoplar a unidade de nivelamento do sistema de transporte do substrato, é possível uma adaptação modular e simples do aparelho às diferentes geometrias e dimensões dos monólitos de substrato. A entrada de energia exigida para o aplainamento dos washcoats diferentemente viscosos pode ser facilmente ajustada pelos parâmetros de processo, a saber, pressão de gás/ar e geometria do bocal, bem como pela frequência infrassônica/ultrassônica e a distância em relação à superfície.

[0044] Foi um objetivo da presente invenção desenvolver uma forma de nivelamento de uma superfície irregularmente conformada de uma suspensão washcoat na qual a entrada de energia exigida para o nivelamento ocorre sem contato direto com o washcoat e a força de nivelamento atua somente na superfície do washcoat. Portanto, a ação dessa força não tem nenhum efeito ou, no máximo, leves efeitos sobre as propriedades reológicas do restante do washcoat. Além disso, por meio do procedimento de acordo com a invenção para o nivelamento de superfície sem contato, a quantidade medida e aplicada de suspensão washcoat (“carga medida”) deve permanecer inalterada.

[0045] O processo de acordo com a invenção e o aparelho de acordo com a invenção garantem um revestimento homogêneo dos monólitos de substrato e, assim, permitem uma atividade catalítica mais uniforme dos catalisadores acabados. No caso de catalisadores em zona com washcoats diferentes ou idênticos, um limite de zona claramente definido é possível como resultado da terminação reta da frente do revestimento, a qual pode ter um efeito positivo sobre a perda de pressão. Em termos de tecnologia de produção, o procedimento de acordo com a invenção oferece maior segurança contra o escape local e não controlado da suspensão de revestimento durante o processo de revestimento. O nivelamento pode impedir a ruptura do washcoat, de modo a rejeitar reduções de velocidade no caso de um processo de “carga medida” dessa maneira.

[0046] O nivelamento é o aplainamento de maiores diferenças de elevação dentro da camada de washcoat espessa oposta ao aplainamento de superfície de camadas finas a fim de se obter uma superfície de alta qualidade e livre de defeitos do produto acabado. Fig. 1:

[0047] Os desenhos nas Figs. 1a a d representam várias modalidades de um bocal de gás/ar centralmente giratório. Nesse caso, o comprimento do bocal de gás/ar (bocal plano, bocal de lâmina) é adaptado ao diâmetro do substrato. O tipo de fluxo de gás/ar pode ser influenciado pelo tipo e formato da abertura de saída. Um fluxo laminar pode ser criado por uma fenda contínua tendo uma largura de 0,5 a 5 mm, ao passo que uma pluralidade de pequenos orifícios de saída, em vez da fenda contínua, gera um fluxo turbulento. Um bocal plano giratoriamente montado pode ser girado de uma maneira simples por um fluxo de gás/ar que sai ortogonalmente para o eixo de rotação através de uma abertura separada montada na extremidade do bocal. Alternativamente, outros mecanismos elétricos ou mecânicos também podem ser usados para girar o bocal. Fig. 2:

[0048] A Figura 2 mostra diagramas esquemáticos de um bocal de gás/ar que é guiado sobre o substrato na direção x para realizar a operação de aplainamento. Esse bocal plano também pode ter uma fenda contínua ou uma multiplicidade de orifícios individuais de saída de ar. Fig. 3:

[0049] O desenho mostra um borrifador de gás/ar que corresponde, em termos de seu tamanho e formato (redondo, oval, angular), à geometria do substrato usado. A descarga do fluxo de gás/ar ocorre através de aberturas na placa inferior, cujo tamanho e quantidade são selecionados de modo que o fluxo de ar resultante possa exercer pressão suficiente sobre a superfície de washcoat para ultrapassar o limite de fluxo.

Exemplo 1:

[0050] São colocados em uma bandeja 50 g de um washcoat estruturalmente viscoso tendo uma viscosidade de 370 mPa*s a uma taxa de cisalhamento de 150/s e um teor de sólidos de 42 %. Devido ao limite de fluxo do washcoat, uma superfície irregular é formada durante o despejo. Para aplainar a superfície, é usado um gerador ultrassônico com uma frequência de 20 kHz e um potência de 4 kW. A geração e transmissão de som para o ar circundante ocorrem por meio de um sonotrodo circular com uma face de extremidade de 3,8 cm2. Depois que o gerador ultrassônico é acionado, a distância entre o sonotrodo e a superfície do washcoat é continuamente reduzida até que, a uma distância de 1 a 2 cm, a pressão sonora das ondas de ar geradas pela oscilação ultrassônica realiza o aplainamento da superfície. A pressão sonora exigida para o aplainamento também pode ser ajustada controlando-se a própria energia ultrassônica. Exemplo 2:

[0051] O washcoat do Exemplo 1 é colocado em uma bandeja. Devido ao pronunciado limite de fluxo do washcoat usado (aproximadamente 100 Pa), uma superfície irregular é formada durante o preenchimento na bandeja. Um bocal plano tendo uma largura de fenda de 1 mm e um comprimento de fenda de 6 cm é montado acima da superfície do washcoat. O bocal de lâmina é conectado a um fornecimento de ar comprimido e operado a uma pressão de ar de 6 bar. Rebaixando-se o bocal até a superfície da suspensão cerâmica, a uma distância de 10 cm em relação à superfície, o limite de fluxo do washcoat é ultrapassado e a superfície do líquido é nivelada pela pressão gerada do fluxo de ar.

Toda a superfície pode ser aplainada por um movimento linear do bocal.

Selecionando-se adequadamente os parâmetros de largura da fenda, distância do bocal em relação à superfície do washcoat e pressão do ar, os versados na técnica podem selecionar o desempenho do fluxo laminar de ar gerado de modo que a pressão aplicada à superfície de líquido possa ser ajustada da maneira desejada até o limite de fluxo do washcoat usado em cada caso.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo para revestir um monólito de substrato do tipo de fluxo contínuo ou de fluxo em parede com uma suspensão washcoat caraterizado pelo fato de que - a suspensão washcoat é aplicada a partir de cima em direção a uma extremidade de um monólito de substrato na vertical em uma primeira etapa, - permite-se que a pressão transmitida por gás atue sobre a superfície da suspensão washcoat em uma etapa subsequente, e - a suspensão washcoat é subsequentemente sugada para dentro e/ou prensada para dentro do monólito de substrato.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caraterizado pelo fato de que a força de cisalhamento é gerada por um método selecionado a partir do grupo que consiste em um fluxo de gás contínuo, um fluxo de gás pulsante, ou uma mistura destes.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 e/ou 2, caraterizado pelo fato de que a pressão que atua sobre a suspensão washcoat pelo gás é reduzida continuamente ou gradualmente durante a ação.

4. Processo, de acordo com uma das reivindicações anteriores, caraterizado pelo fato de que a pressão que atua como resultado de gás ou som é maior que o limite de fluxo da suspensão washcoat.

5. Processo, de acordo com uma das reivindicações anteriores 1 a 4, caraterizado pelo fato de que a pressão é gerada por um fluxo pulsante de gás/ar a partir de um gerador de onda de som ou pressão.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 5, caraterizado pelo fato de que a pressão é gerada por ultrassom a uma frequência de cerca de 18.000 a cerca de 90.000 Hz.

7. Processo, de acordo com uma das reivindicações 5 e/ou 6, caraterizado pelo fato de que a pressão é gerada por ultrassom por um período de cerca de 0,1 a cerca de 60 segundos.

8. Processo, de acordo com uma das reivindicações anteriores 1 a 4, caraterizado pelo fato de que a pressão é gerada por um fluxo de gás/ar a partir de um bocal de ar.

9. Processo, de acordo com uma das reivindicações anteriores, caraterizado pelo fato de que a suspensão washcoat tem uma viscosidade de 0,01 a 100 Pa*s.

10. Processo, de acordo com uma das reivindicações anteriores, caraterizado pelo fato de que a suspensão washcoat sobre o monólito de substrato tem uma espessura de 0,5 a 15 cm.

11. Aparelho para revestir um monólito de substrato do tipo de fluxo contínuo ou de fluxo em parede com uma suspensão washcoat caraterizado porcompreender: - uma unidade para travar o monólito de substrato na posição vertical; - uma unidade para aplicar uma quantidade de suspensão washcoat a partir de cima em direção ao monólito de substrato na vertical; - uma unidade para gerar uma força de cisalhamento na forma de pressão que é transmitida para a superfície da suspensão washcoat por ar ou gás.

12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 11, caraterizado pelo fato de que o aparelho possui uma unidade que forma um aro em torno do monólito de substrato, de modo que nenhuma suspensão washcoat possa escorrer pelo monólito de substrato no lado externo durante a ação da pressão.