BRPI0618693A2 - porous substrate - Google Patents

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BRPI0618693A2
BRPI0618693A2 BRPI0618693-9A BRPI0618693A BRPI0618693A2 BR PI0618693 A2 BRPI0618693 A2 BR PI0618693A2 BR PI0618693 A BRPI0618693 A BR PI0618693A BR PI0618693 A2 BRPI0618693 A2 BR PI0618693A2
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BR
Brazil
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fibers
substrate
fiber
porous substrate
extrusion
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Application number
BRPI0618693-9A
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Portuguese (pt)
Inventor
Bilal Zuberi
Robert G Lachenauer
Sunilkumar C Pillai
Original Assignee
Geo2 Technologies Inc
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Abstract

SUBSTRATO POROSO. A presente invenção refere-se a uma mistura extrusável que é fornecida para produzir um substrato altamente poroso usando-se um processo de extrusão. Mais particularmente, a presente invenção capacita fibras, tais como fibras orgânicas, inorgânicas, de vidro, cerâmicas ou de metal, para ser misturadas em uma massa que quando extrusada e curada forma um substrato altamente poroso. Dependendo da mistura particular, a presente invenção capacita porosidades de substrato de cerca de 60% a cerca de 90%, e igualmente capacita vantagens de processo em outras porosidades. A mistura extrusável pode usar uma grande variedade de fibras e aditivos, e é adaptável a uma grande variedade de ambientes e aplicações de operação. Fibras, as quais têm uma relação de aspecto maior que 1, são selecionadas de acordo com exigências de substrato, e são misturadas com aglutinantes, formadores de poro, ajudantes de extrusão e fluido para formar uma massa homogênea extrusável. A massa homogênea é extrusada para um substrato verde. O material mais volátil é preferencialmente removido do substrato verde, o que permite às fibras se interligar e entrar em contato entre si. à medida que o processo de cura continua, uniões de fibra com fibra são formadas para produzir uma estrutura tendo uma rede de poros substancialmente abertos. O substrato poroso resultante é útil em muitas aplicações, por exemplo, como um substrato para um hospedeiro de filtro ou de catalisador, ou conversor catalítico.POROUS SUBSTRATE. The present invention relates to an extrusable mixture that is provided to produce a highly porous substrate using an extrusion process. More particularly, the present invention enables fibers, such as organic, inorganic, glass, ceramic or metal fibers, to be mixed into a mass which when extruded and cured forms a highly porous substrate. Depending on the particular blend, the present invention enables substrate porosities from about 60% to about 90%, and also enables process advantages in other porosities. The extrusable mixture can use a wide variety of fibers and additives, and is adaptable to a wide range of operating environments and applications. Fibers, which have an aspect ratio greater than 1, are selected according to substrate requirements, and are mixed with binders, pore builders, extrusion helpers and fluid to form a homogeneous extrusable mass. The homogeneous mass is extruded to a green substrate. The most volatile material is preferably removed from the green substrate, which allows the fibers to interconnect and contact each other. As the curing process continues, fiber-to-fiber joints are formed to produce a structure having a substantially open pore network. The resulting porous substrate is useful in many applications, for example, as a substrate for a filter or catalyst host, or catalytic converter.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SUBSTRATO POROSO".Patent Descriptive Report for "POROSO SUBSTRATE".

ANTECEDENTESBACKGROUND

1. PEDIDOS RELACIONADOS1. RELATED REQUESTS

Este pedido reivindica prioridade para o pedido de patente provi- sório US número 60/737.237, depositado em 16 de novembro de 2005, e intitulado "System for Extruding a Porous Substrate"; para o pedido de pa- tente U.S. número 11/323.430, depositado em 30 de dezembro de 2005, e intitulado "An Extrudable Mixture for Forming a Porous Block"; para o pedido de patente U.S. número 11/322.777, depositado em 30 de dezembro de 2005, e intitulado "Process for Extruding a Porous Substrate"; e para o pedi- do de patente U.S. número 11/323.429, depositado em 30 de dezembro de 2005, e intitulado "An Extruded Porous Substrate e Products Using the Sa- me"; todos os quais estão incorporados neste documento em suas totalida- des.This application claims priority for US provisional patent application number 60 / 737,237, filed November 16, 2005, entitled "System for Extruding a Porous Substrate"; U.S. Patent Application No. 11 / 323,430, filed December 30, 2005, entitled "An Extrudable Mixture for Forming a Porous Block"; U.S. Patent Application No. 11 / 322,777, filed December 30, 2005, entitled "Process for Extruding a Porous Substrate"; and U.S. Patent Application No. 11 / 323,429, filed December 30, 2005, entitled "An Extruded Porous Substrate and Products Using the Health"; all of which are incorporated in this document in their entirety.

2. CAMPO2. FIELD

A presente invenção refere-se de uma maneira geral, a um pro- cesso de extrusão para extrusar um substrato poroso, e em uma implemen- tação particular a um processo de extrusão para extrusar um substrato ce- râmico poroso.The present invention relates generally to an extrusion process for extruding a porous substrate, and in a particular implementation to an extrusion process for extruding a porous ceramic substrate.

3. DESCRIÇÃO DE TÉCNICA RELACIONADA3. DESCRIPTION OF RELATED TECHNIQUE

Muitos processos exigem substratos rígidos para facilitar e su- portar vários processos. Por exemplo, substratos são usados em aplicações de filtragem para filtrar matéria particulada, separar substâncias diferentes, ou remover bactéria ou germes do ar. Estes substratos podem ser construí- dos para operar em ar, gases de exaustão ou líquidos, e podem ser fabrica- dos para suportar tensões químicas ou ambientais substanciais. Em um ou- tro exemplo, materiais catalíticos são depositados no substrato para facilitar reações químicas. Por exemplo, um metal precioso pode ser depositado em um substrato apropriado, e o substrato pode então agir para converter catali- ticamente gases de exaustão perigosos em gases menos nocivos. Tipica- mente, estes substratos rígidos operam mais eficazmente com uma porosi- dade mais alta.Many processes require rigid substrates to facilitate and support multiple processes. For example, substrates are used in filtration applications to filter out particulate matter, separate different substances, or remove bacteria or germs from the air. These substrates may be constructed to operate in air, exhaust gases or liquids, and may be manufactured to withstand substantial chemical or environmental stresses. In another example, catalytic materials are deposited on the substrate to facilitate chemical reactions. For example, a precious metal may be deposited on a suitable substrate, and the substrate may then act to catalytically convert hazardous exhaust gases into less harmful gases. Typically, these rigid substrates operate more effectively with a higher porosity.

Porosidade é definida de uma maneira geral como a propriedade de um material sólido definindo a porcentagem do volume total desse mate- rial que é ocupado por espaço aberto. Por exemplo, um substrato com poro- sidade de 50% tem metade do volume do substrato ocupado por espaços abertos. Deste modo, um substrato com uma porosidade mais alta tem me- nos massa por volume do que um substrato com uma porosidade mais bai- xa. Algumas aplicações se beneficiam de um substrato de massa inferior. Por exemplo, se um substrato for usado para suportar um processo catalíti- co, e o processo catalítico operar em uma temperatura elevada, um substra- to com uma massa térmica inferior esquentará mais rapidamente para a sua temperatura operacional. Deste modo, o tempo para o catalisador ser aque- cido para a sua temperatura operacional, isto é, tempo de aquecimento, é reduzido pelo uso de um substrato mais poroso e menos maciço termica- mente.Porosity is generally defined as the property of a solid material defining the percentage of the total volume of this material that is occupied by open space. For example, a 50% porous substrate has half the volume of the substrate occupied by open spaces. Thus, a substrate with a higher porosity has less mass per volume than a substrate with a lower porosity. Some applications benefit from a lower mass substrate. For example, if a substrate is used to support a catalytic process, and the catalytic process operates at a high temperature, a substrate with a lower thermal mass will heat up faster to its operating temperature. In this way, the time for the catalyst to be heated to its operating temperature, i.e. heating time, is reduced by the use of a more porous and less thermally massive substrate.

Permeabilidade também é uma importante característica para substratos, particularmente substratos de filtragem e catalíticos. A permeabi- lidade está relacionada à porosidade, em que a permeabilidade é uma medi- da de quão facilmente um fluido, tal como um líquido ou gás, pode fluir atra- vés do substrato. Muitas aplicações se beneficiam de um substrato altamen- te permeável. Por exemplo, um motor de combustão interna opera de forma mais eficiente quando o filtro de tratamento posterior fornece menor contra- pressão para o motor. Contrapressão baixa é criada pelo uso de um substra- to altamente permeável. Uma vez que permeabilidade é mais difícil para medir do que porosidade, porosidade é freqüentemente usada como um guia substituto para a permeabilidade de um substrato. Entretanto, esta não é uma caracterização particularmente precisa já que um substrato pode ser bastante poroso, mas ainda ter permeabilidade limitada se os poros não es- tiverem de uma maneira geral abertos e interligados. Por exemplo, um copo para beber de isopor é formado de um material de espuma altamente poro- sa, mas não é permeável ao fluxo de líquido. Portanto, na consideração da importância de porosidade e permeabilidade, a estrutura de poro do substra- to também deve ser examinada. No exemplo do copo de isopor, o material de isopor tem uma rede de poros fechados. Isto significa que a espuma con- tém muitos poros não-conectados e/ou fechados. Deste modo, existem mui- tos espaços abertos e vazios dentro da espuma, mas uma vez que os poros não são conectados o fluido ou gás não pode fluir de um lado da espuma para o outro. À medida que mais canais começam a se interligar, então ca- minhos de fluido começam a se formar de um lado para o outro. Em um caso como este o material é dito possuir rede de poros mais abertos. Quanto mais canais conectados formados através do material, tanto mais alta se torna a permeabilidade para a substância. No caso onde cada poro é conectado a pelo menos um outro canal, e todos os poros levam em conta fluido escoar através da espessura total da parede formada do material, o substrato seria definido como tendo uma rede de poros completamente abertos. É importan- te notar a diferença entre células e poros. Células se referem aos canais que se desenvolvem (de uma maneira geral paralelos uns aos outros, mas não necessariamente) através do substrato alveolar. Freqüentemente, os subs- tratos alveolares são referidos no contexto de quantas células eles têm por polegada quadrada (centímetro quadrado). Por exemplo, um substrato com 200 células por polegada quadrada (31 células por centímetro quadrado) tem 200 canais ao longo do eixo geométrico de início do substrato. Poros, por outro lado, se referem às folgas dentro do material propriamente dito, tais como no material que constitui a parede separando dois canais ou célu- las paralelas. Completamente ou na maioria das vezes substratos de rede de poros abertos não são conhecidos nas indústrias de filtragem ou catalíti- cas. Em vez disto, mesmo os substratos extrusados disponíveis mais poro- sos são um híbrido de porosidade de poro aberto e poro fechado.Permeability is also an important feature for substrates, particularly filtering and catalytic substrates. Permeability is related to porosity, where permeability is a measure of how easily a fluid, such as a liquid or gas, can flow through the substrate. Many applications benefit from a highly permeable substrate. For example, an internal combustion engine operates more efficiently when the aftertreatment filter provides less back pressure to the engine. Low back pressure is created by the use of a highly permeable substrate. Since permeability is more difficult to measure than porosity, porosity is often used as a surrogate guide for the permeability of a substrate. However, this is not a particularly accurate characterization as a substrate can be quite porous but still have limited permeability if the pores are not generally open and interconnected. For example, a Styrofoam drinking glass is formed of a highly porous foam material, but is not permeable to liquid flow. Therefore, in consideration of the importance of porosity and permeability, the pore structure of the substrate should also be examined. In the example of the Styrofoam cup, the Styrofoam material has a closed pore web. This means that the foam contains many unconnected and / or closed pores. Thus, there are many open and empty spaces within the foam, but since the pores are not connected the fluid or gas cannot flow from one side of the foam to the other. As more channels begin to interconnect, then paths of fluid begin to form from side to side. In such a case the material is said to possess more open pore web. The more connected channels formed through the material, the higher the permeability to the substance becomes. In the case where each pore is connected to at least one other channel, and all pores take into account fluid flowing through the total wall thickness formed of the material, the substrate would be defined as having a fully open pore network. It is important to note the difference between cells and pores. Cells refer to channels that develop (generally parallel to each other, but not necessarily) through the alveolar substrate. Often, alveolar substrates are referred to in the context of how many cells they have per square inch (square centimeter). For example, a 200 cell per square inch substrate (31 cells per square centimeter) has 200 channels along the substrate start geometric axis. Pores, on the other hand, refer to gaps within the material itself, such as in the wall material separating two parallel channels or cells. Completely or most often open pore mesh substrates are not known in the filtration or catalytic industries. Instead, even the most porous available extruded substrates are an open pore and closed pore hybrid.

Desta maneira, é altamente desejável para muitas aplicações que substratos sejam formados com alta porosidade, e com uma estrutura interna de poro que capacite uma alta permeabilidade de forma similar. Também, os substratos têm que ser formados com uma estrutura suficien- temente rígida para suportar as exigências estruturais e ambientais para a- plicações particulares. Por exemplo, um filtro ou conversor catalítico que é para ser fixado ao motor de combustão interna deve ser capaz de resistir aos prováveis choques ambientais, exigências térmicas e tensões de fabri- cação e de uso. Finalmente, o substrato necessita ser produzido em um cus- to baixo o suficiente para levar em conta uso muito difundido. Por exemplo, a fim de afetar o nível de poluição pelo mundo inteiro proveniente de automó- veis, um substrato de filtragem deve ser disponível e utilizável em países desenvolvidos assim como em países em desenvolvimento. Desta maneira, a estrutura de custo total para substratos de filtros e conversor catalítico é uma substancial consideração no processo de projeto e seleção do substra- to.Thus, it is highly desirable for many applications for substrates to be formed with high porosity, and with an internal pore structure that enables similarly high permeability. Also, substrates must be formed with a sufficiently rigid structure to withstand the structural and environmental requirements for particular applications. For example, a filter or catalytic converter that is to be attached to the internal combustion engine must be able to withstand likely environmental shocks, thermal requirements, and manufacturing and use stresses. Finally, the substrate needs to be produced at a low enough cost to account for widespread use. For example, in order to affect the worldwide level of pollution from cars, a filtering substrate must be available and usable in developed as well as developing countries. Thus, the total cost structure for filter substrates and catalytic converter is a substantial consideration in the substrate design and selection process.

Extrusão tem comprovado ser um processo eficiente e de baixo custo para fabricar substratos rígidos de seção transversal constante. Mais particularmente, extrusão de material cerâmico em pó é o processo mais amplamente usado para fazer substratos de filtro e catalíticos para motores de combustão interna. Durante os anos o processo de extrusar cerâmicas pulverizadas avançou de maneira tal que substratos podem agora ser extru- sados tendo porosidades se aproximando de 60%. Estes substratos porosos extrusados têm tido boas características de resistência, podem ser fabrica- dos flexivelmente, podem ser fabricados em escala, mantêm altos níveis de qualidade e são de custo muito baixo. Entretanto, extrusão de material ce- râmico pulverizado tem alcançado um limite superior prático de porosidade, e aumentos adicionais na porosidade parecem resultar em uma resistência inaceitavelmente baixa. Por exemplo, à medida que a porosidade é aumen- tada para além de 60%, o substrato de pó cerâmico extrusado não tem se comprovado forte o suficiente para operar no ambiente severo de um filtro particulado de diesel. Em uma outra limitação dos processos de extrusão conhecidos, tem sido desejado aumentar a área de superfície em um subs- trato para levar em conta conversão catalítica mais eficiente. A fim de au- mentar área de superfície, têm-se experimentado em substratos de pó ce- râmico extrusados aumentar densidade de célula, mas o aumento na densi- dade de célula tem resultado em uma inaceitável contrapressão para o mo- tor. Assim, o substrato de pó cerâmico extrusado não tem resistência sufici- ente em porosidades muito altas, e também produz inaceitável contrapres- são quando existe uma necessidade de área de superfície aumentada. Des- ta maneira, a extrusão de pó cerâmico parece ter alcançado seus limites prá- ticos de utilidade.Extrusion has proven to be an efficient and inexpensive process to manufacture constant cross section rigid substrates. More particularly, extrusion of ceramic powder material is the most widely used process for making filter and catalytic substrates for internal combustion engines. Over the years the process of extruding pulverized ceramics has advanced such that substrates can now be extruded having porosities approaching 60%. These extruded porous substrates have had good strength characteristics, can be flexibly manufactured, can be manufactured to scale, maintain high quality levels and are very low cost. However, extrusion of pulverized ceramic material has reached a practical upper limit of porosity, and further increases in porosity appear to result in unacceptably low resistance. For example, as porosity is increased beyond 60%, the extruded ceramic powder substrate has not proven strong enough to operate in the harsh environment of a diesel particulate filter. In another limitation of known extrusion processes, it has been desired to increase the surface area in a substrate to account for more efficient catalytic conversion. In order to increase surface area, extruded ceramic powder substrates have been experimented with increasing cell density, but the increase in cell density has resulted in unacceptable motor back pressure. Thus, the extruded ceramic powder substrate does not have sufficient strength at very high porosities, and also produces unacceptable counter pressure when there is a need for increased surface area. Thus, the extrusion of ceramic powder seems to have reached its practical limits of utility.

Em um esforço para obter porosidades mais altas, fornecedores de filtro têm tentado se deslocar para papéis cerâmicos pregados. Usando tais papéis cerâmicos pregados, porosidades de cerca de 80% são possíveis com contrapressão muito baixa. Com tal contrapressão baixa, estes filtros têm sido usados em aplicações, tais como mineração, onde contrapressão extremamente baixa é uma necessidade. Entretanto, o uso dos filtros de pa- pel cerâmico pregado tem sido esporádico, e não tem sido amplamente ado- tado. Por exemplo, papéis cerâmicos pregados não têm sido eficazmente usados em ambientes severos. A fabricação dos papéis cerâmicos pregados exige o uso de um processo de fazer papel que cria estruturas de papel ce- râmico que são relativamente fracas, e não parecem ser de baixo custo quando comparado aos filtros extrusados. Adicionalmente, a formação de papéis cerâmicos pregados permite muito pouca flexibilidade na forma e densidade de célula. Por exemplo, é difícil criar um filtro de papel pregado com grandes canais de entrada e canais de saída menores, o que pode ser desejável em algumas aplicações de filtragem. Desta maneira, o uso de pa- péis cerâmicos pregados não tem satisfeito à exigência de substratos de filtro e catalíticos de porosidade mais alta.In an effort to achieve higher porosities, filter suppliers have been trying to move to nailed ceramic papers. Using such nailed ceramic papers, porosities of about 80% are possible with very low back pressure. With such low back pressure, these filters have been used in applications such as mining where extremely low back pressure is a necessity. However, the use of nailed ceramic paper filters has been sporadic, and has not been widely adopted. For example, nailed ceramic papers have not been effectively used in harsh environments. The manufacture of nailed ceramic papers requires the use of a papermaking process that creates ceramic paper structures that are relatively weak, and do not appear to be inexpensive compared to extruded filters. Additionally, the formation of nailed ceramic papers allows very little flexibility in cell shape and density. For example, it is difficult to create a paper filter with large input channels and smaller output channels, which may be desirable in some filtering applications. Thus, the use of nailed ceramic papers has not satisfied the requirement of higher porosity filter and catalytic substrates.

Em um outro exemplo de um esforço para aumentar porosidade e evitar as desvantagens do papel pregado, alguns têm construído substra- tos pela formação de uma massa com precursores cerâmicos e cuidadosa- mente processar a massa para desenvolver cristais capilares monocristali- nos em um padrão poroso. Entretanto, o desenvolvimento destes cristais no local exige controle cuidadoso e preciso do processo de cura, tornando o processo difícil para escala, relativamente caro e propenso a defeitos. Adi- cionalmente, este difícil processo somente dá mais alguns pontos porcentu- ais em porosidade. Finalmente, o processo somente desenvolve um cristal capilar cristalino do tipo mulita, o que limita a aplicabilidade do substrato. Por exemplo, mulita é conhecida por ter um grande coeficiente de expansão tér- mica, o que torna os cristais capilares de mulita cristalina indesejáveis em muitas aplicações necessitando uma ampla faixa operacional de temperatura e transições de temperatura acentuadas.In another example of an effort to increase porosity and avoid the disadvantages of nailed paper, some have constructed substrates by forming a mass with ceramic precursors and carefully processing the mass to develop monocrystalline capillary crystals in a porous pattern. . However, developing these crystals on site requires careful and precise control of the curing process, making the process difficult to scale, relatively expensive and prone to defects. In addition, this difficult process only gives a few more percentage points in porosity. Finally, the process only develops a mullite crystalline capillary crystal, which limits the applicability of the substrate. For example, mullite is known to have a large coefficient of thermal expansion, which makes crystalline mullite capillary crystals undesirable in many applications requiring a wide operating temperature range and sharp temperature transitions.

Desta maneira, a indústria tem uma necessidade de um substra- to rígido que tenha alta porosidade e uma alta permeabilidade associada. Preferivelmente, o substrato seria formado tal como uma rede de células abertas altamente desejável, seria de baixo custo de fabricação e seria fabri- cado com propriedades físicas, químicas e de reação flexíveis.Thus, the industry has a need for a rigid substrate that has high porosity and associated high permeability. Preferably, the substrate would be formed such as a highly desirable open cell network, would be of low manufacturing cost and would be manufactured with flexible physical, chemical and reaction properties.

SUMÁRIOSUMMARY

Resumidamente, a presente invenção fornece uma mistura ex- trusável para produzir um substrato altamente poroso usando-se um proces- so de extrusão. Mais particularmente, a presente invenção capacita fibras, tais como fibras orgânicas, inorgânicas, de vidro, cerâmicas ou de metal, para ser misturadas em uma massa que quando extrusada e curada forma um substrato altamente poroso. Dependendo da mistura particular, a presen- te invenção capacita porosidades de substrato de cerca de 60% a cerca de 90%, e igualmente capacita vantagens de processo em outras porosidades.Briefly, the present invention provides an extrusable mixture to produce a highly porous substrate using an extrusion process. More particularly, the present invention enables fibers, such as organic, inorganic, glass, ceramic or metal fibers, to be mixed into a mass which when extruded and cured forms a highly porous substrate. Depending on the particular mixture, the present invention enables substrate porosities from about 60% to about 90%, and also enables process advantages at other porosities.

A mistura extrusável pode usar uma grande variedade de fibras e aditivos, e é adaptável a uma grande variedade de ambientes e aplicações de opera- ção. Fibras, que tenham uma relação de aspecto maior que 1, são selecio- nadas de acordo com exigências de substrato, e são misturadas com agluti- nantes, formadores de poro, ajudantes de extrusão, e fluido para formar uma massa extrusável homogênea. A massa homogênea é extrusada para um substrato verde. O material mais volátil é preferencialmente removido do substrato verde, o que permite às fibras se interligar e entrar em contato en- tre si. À medida que o processo de cura continua, uniões de fibra com fibra são formadas para produzir uma estrutura tendo uma rede de poros subs- tancialmente abertos. O substrato poroso resultante é útil em muitas aplica- ções, por exemplo, tal como um substrato para um hospedeiro de filtro ou de catalisador, ou conversor catalítico.The extrudable blend can use a wide variety of fibers and additives, and is adaptable to a wide variety of operating environments and applications. Fibers, which have an aspect ratio greater than 1, are selected according to substrate requirements, and are mixed with binders, pore formers, extrusion aids, and fluid to form a homogeneous extrudable mass. The homogeneous mass is extruded to a green substrate. The most volatile material is preferably removed from the green substrate, which allows the fibers to interconnect and contact each other. As the curing process continues, fiber-to-fiber joints are formed to produce a structure having a substantially open pore web. The resulting porous substrate is useful in many applications, for example, as a substrate for a filter or catalyst host, or catalytic converter.

Em um exemplo mais específico, fibras cerâmicas são selecio- nadas com uma distribuição de relação de aspecto entre cerca de 3 e cerca de 1.000, embora mais tipicamente esteja na faixa de cerca de 3 a cerca de 500. A relação de aspecto é a razão do comprimento da fibra dividido pelo diâmetro da fibra. As fibras cerâmicas são misturadas com aglutinante, for- mador de poro e um fluido em uma massa homogênea. Um processo de mistura de cisalhamento é empregado para distribuir de forma mais comple- ta as fibras uniformemente na massa. O material cerâmico pode ser em vo- lume em torno de 8% a cerca de 40% da massa, o que resulta em um subs- trato tendo porosidade entre cerca de 92% e cerca de 60%. A massa homo- gênea é extrusada para um substrato verde. O material aglutinante é remo- vido do substrato verde, o que permite às fibras se sobrepor e entrar em contato entre si. À medida que o processo de cura continua, uniões de fibra com fibra são formadas para produzir uma rede de células abertas rígida. Tal como usado nesta descrição, "curar" é definido para incluir duas importantes etapas de processo: 1) remoção de aglutinante e 2) formação de união. O processo de remoção de aglutinante remove água livre, remove a maioria dos aditivos, e capacita contato de fibra com fibra. O substrato poroso resul- tante é útil em muitas aplicações, por exemplo, tal como um substrato para um filtro ou conversor catalítico.In a more specific example, ceramic fibers are selected with an aspect ratio distribution of from about 3 to about 1,000, although more typically in the range from about 3 to about 500. Aspect ratio is the ratio. of fiber length divided by fiber diameter. The ceramic fibers are mixed with binder, pore former and a fluid in a homogeneous mass. A shear mixing process is employed to distribute the fibers more evenly in the dough. The ceramic material may be about 8% to about 40% by weight, which results in a substrate having a porosity of about 92% to about 60%. The homogeneous mass is extruded to a green substrate. The binder material is removed from the green substrate, which allows the fibers to overlap and contact each other. As the healing process continues, fiber to fiber joints are formed to produce a rigid open cell network. As used in this description, "curing" is defined to include two important process steps: 1) binder removal and 2) bonding. The binder removal process removes free water, removes most additives, and enables fiber to fiber contact. The resulting porous substrate is useful in many applications, for example, as a substrate for a filter or catalytic converter.

Em um outro exemplo específico, um substrato poroso pode ser produzido sem o uso de formadores de poro. Neste caso, o material cerâmi- co pode ser, em volume, em torno de 40% a cerca de 60% ou mais da mas- sa, o que resulta em um substrato tendo porosidade entre cerca de 60% e cerca de 40%. Uma vez que nenhum formador de poro não é usado, o pro- cesso de extrusão é simplificado, e é de custo muito compensador. Tam- bém, a estrutura resultante é uma rede de poros substancialmente abertos altamente desejável.In another specific example, a porous substrate may be produced without the use of pore formers. In this case, the ceramic material may be by volume from about 40% to about 60% or more of the mass, which results in a substrate having a porosity of about 60% to about 40%. Since no pore former is not used, the extrusion process is simplified and cost-effective. Also, the resulting structure is a highly desirable substantially open pore network.

Vantajosamente, o sistema de extrusão de fibra revelado produz um substrato tendo alta porosidade, e tendo uma rede de poros abertos que capacita uma alta permeabilidade associada, assim como tendo resistência suficiente de acordo com as necessidades de aplicação. O sistema de extru- são de fibra também produz um substrato com custo suficientemente baixo para capacitar uso muito difundido dos filtros e conversores catalíticos resul- tantes. O sistema de extrusão é facilmente escalável para produção em massa, e leva em conta químicas e construções flexíveis para suportar grandes quantidades de aplicações. A presente invenção representa um uso pioneiro de material de fibra em uma mistura extrusável. Esta mistura extru- sável fibrosa capacita extrusão de substratos com porosidades muito altas, em uma produção escalável, e em uma maneira de baixo custo. Por capaci- tar fibras para ser usadas no processo de extrusão repetível e robusto, a presente invenção capacita produção em massa de filtros e substratos cata- líticos para amplo uso por todo o mundo.Advantageously, the disclosed fiber extrusion system produces a substrate having high porosity, and having an open pore network that enables associated high permeability, as well as having sufficient strength according to application needs. The fiber extrusion system also produces a substrate at a sufficiently low cost to enable widespread use of the resulting filters and catalytic converters. The extrusion system is easily scalable for mass production, and takes into account flexible chemicals and constructions to support large amounts of applications. The present invention represents a pioneering use of fiber material in an extrudable blend. This extrusable fibrous blend enables extrusion of substrates with very high porosities, in scalable production, and in a low cost manner. By enabling fibers to be used in the repeatable and robust extrusion process, the present invention enables mass production of filters and catalytic substrates for wide use worldwide.

Estes e outros recursos da presente invenção tornar-se-ão apa- rentes a partir de uma leitura da descrição a seguir, e podem ser realizados com uso dos meios e combinações particularmente salientados nas reivindi- cações anexas.These and other features of the present invention will become apparent from a reading of the following description, and may be realized using the means and combinations particularly set forth in the appended claims.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS

Os desenhos constituem uma parte desta especificação e inclu- em modalidades exemplares da invenção, a qual pode ser incorporada em várias formas. Deve ser entendido que em alguns casos vários aspectos da invenção podem estar mostrados exagerados ou ampliados para facilitar um entendimento da invenção.The drawings form part of this specification and include exemplary embodiments of the invention which may be incorporated in various forms. It should be understood that in some cases various aspects of the invention may be shown to be exaggerated or extended to facilitate an understanding of the invention.

A figura 1 é um diagrama de blocos de um sistema para extrusar um substrato poroso de acordo com a presente invenção.Figure 1 is a block diagram of a system for extruding a porous substrate according to the present invention.

A figura 2 é uma ilustração de uma mistura extrusável fibrosa de acordo com a presente invenção.Figure 2 is an illustration of a fibrous extrudable blend according to the present invention.

As figuras 3A e 3B são ilustrações de uma rede de poros abertos de acordo com a presente invenção.Figures 3A and 3B are illustrations of an open pore network in accordance with the present invention.

A figura 4 é uma imagem de microscópio eletrônico de uma rede de poros abertos de acordo com a presente invenção e de uma rede de po- ros fechados da técnica anterior.Figure 4 is an electron microscope image of an open-pore network in accordance with the present invention and a prior art closed-powder network.

A figura 5 é uma ilustração de um bloco de filtro usando um substrato poroso de acordo com a presente invenção.Figure 5 is an illustration of a filter block using a porous substrate according to the present invention.

A figura 6 são tabelas de fibras, aglutinantes, formadores de po- ro, fluidos e reologias úteis com a presente invenção.Figure 6 are tables of fibers, binders, dust formers, fluids and rheology useful with the present invention.

A figura 7 é um diagrama de blocos de um sistema para extrusar um substrato poroso de acordo com a presente invenção.Figure 7 is a block diagram of a system for extruding a porous substrate according to the present invention.

A figura 8 é um diagrama de blocos de um sistema para curar um substrato poroso de acordo com a presente invenção.Figure 8 is a block diagram of a system for curing a porous substrate according to the present invention.

A figura 9 é um diagrama de blocos de um sistema para proces- sar fibras para um substrato poroso de acordo com a presente invenção.Figure 9 is a block diagram of a fiber processing system for a porous substrate according to the present invention.

A figura 10 é um diagrama para extrusar um substrato poroso de gradiente de acordo com a presente invenção.Figure 10 is a diagram for extruding a gradient porous substrate according to the present invention.

A figura 11 é um diagrama para extrusar um substrato poroso de gradiente de acordo com a presente invenção.Figure 11 is a diagram for extruding a gradient porous substrate according to the present invention.

A figura 12 é um diagrama para extrusar um substrato poroso de gradiente de acordo com a presente invenção.Figure 12 is a diagram for extruding a gradient porous substrate according to the present invention.

DESCRIÇÃO DETALHADADETAILED DESCRIPTION

Descrições detalhadas de exemplos da invenção são fornecidas neste documento. Deve ser entendido, entretanto, que a presente invenção pode ser exemplificada em várias formas. Portanto, os detalhes específicos revelados neste documento não são para ser interpretados como limitações, mas ao invés disso como uma base representativa para mostrar aos versa- dos na técnica como empregar a presente invenção em sistema, estrutura ou maneira virtualmente toda detalhada.Detailed descriptions of examples of the invention are provided herein. It should be understood, however, that the present invention may be exemplified in various forms. Therefore, the specific details disclosed herein are not to be construed as limitations, but rather as a representative basis for showing those skilled in the art how to employ the present invention in virtually all detailed system, structure or manner.

Referindo-se agora à figura 1, está ilustrado um sistema para extrusar um substrato poroso. De uma maneira geral, o sistema 10 usa um processo de extrusão para extrusar um substrato verde que pode ser curado para o produto de substrato altamente poroso final. O sistema 10 vantajosa- mente produz um substrato tendo alta porosidade, tendo uma rede de poros substancialmente abertos capacitando uma alta permeabilidade associada, assim como tendo resistência suficiente de acordo com as necessidades de aplicação. O sistema 10 também produz um substrato com custo suficiente- mente baixo para capacitar uso muito difundido dos filtros e conversores ca- talíticos resultantes. O sistema 10 é facilmente escalável para produção em massa, e leva em conta químicas e construções flexíveis para suportar grandes quantidades de aplicações.Referring now to Figure 1, a system for extruding a porous substrate is illustrated. Generally, system 10 uses an extrusion process to extrude a green substrate that can be cured into the final highly porous substrate product. The system 10 advantageously produces a substrate having high porosity, having a substantially open pore network enabling associated high permeability, as well as having sufficient strength according to the application needs. System 10 also produces a substrate at a sufficiently low cost to enable widespread use of the resulting filters and catalytic converters. System 10 is easily scalable for mass production, and takes into account flexible chemicals and constructions to support large amounts of applications.

O sistema 10 capacita um processo de extrusão altamente flexí- vel e assim é capaz de acomodar uma faixa ampla de aplicações específi- cas. Ao usar o sistema 10, o projetista de substrato primeiro estabelece as exigências para o substrato. Estas exigências podem incluir, por exemplo, tamanho, permeabilidade ao fluido, porosidade desejada, tamanho de poro, características de resistência mecânica e choque, estabilidade térmica, e limitações de reatividade química. De acordo com estas e outras exigências, o projetista seleciona materiais para usar na formação de uma mistura extru- sável. Com importância, o sistema 10 capacita o uso das fibras 12 na forma- ção de um substrato extrusado. Estas fibras podem ser, por exemplo, fibras cerâmicas, fibras orgânicas, fibras inorgânicas, fibras poliméricas, fibras óxi- das, fibras vítreas, fibras de vidro, fibras amorfas, fibras cristalinas, fibras não-óxidas, fibras de carbeto, fibras de metal, outras estruturas de fibras i- norgânicas, ou uma combinação destas. Entretanto, para facilidade de expli- cação, o uso de fibras cerâmicas será descrito, embora deva ser percebido que outras fibras podem ser usadas. Também, o substrato freqüentemente será descrito como um substrato de filtragem ou um substrato catalítico, em- bora outros usos estejam considerados e dentro do escopo deste preceito. O projetista seleciona o tipo particular de fibra com base nas necessidades es- pecíficas de aplicação. Por exemplo, a fibra cerâmica pode ser selecionada como uma fibra de mulita, uma fibra de silicato de alumínio, ou outro material de fibra cerâmica comumente disponível. As fibras tipicamente necessitam ser processadas 14 para cortar as fibras em um comprimento utilizável, o que pode incluir um processo de corte antes de misturar as fibras com aditi- vos. Também, as várias etapas de mistura e formação no processo de extru- são cortarão adicionalmente as fibras.System 10 enables a highly flexible extrusion process and is thus capable of accommodating a wide range of specific applications. When using system 10, the substrate designer first establishes the requirements for the substrate. These requirements may include, for example, size, fluid permeability, desired porosity, pore size, mechanical and shock resistance characteristics, thermal stability, and limitations of chemical reactivity. In accordance with these and other requirements, the designer selects materials for use in forming an extrusable mixture. Importantly, system 10 enables the use of fibers 12 in forming an extruded substrate. Such fibers may be, for example, ceramic fibers, organic fibers, inorganic fibers, polymeric fibers, oxide fibers, glass fibers, glass fibers, amorphous fibers, crystalline fibers, non-oxide fibers, carbide fibers, metal fibers. , other organic fiber structures, or a combination thereof. However, for ease of explanation, the use of ceramic fibers will be described, although it should be noted that other fibers may be used. Also, the substrate will often be described as a filtering substrate or a catalytic substrate, although other uses are considered and within the scope of this precept. The designer selects the particular type of fiber based on the specific application needs. For example, ceramic fiber may be selected as a mullite fiber, an aluminum silicate fiber, or other commonly available ceramic fiber material. Fibers typically need to be processed 14 to cut the fibers to a usable length, which may include a cutting process before mixing the fibers with additives. Also, the various mixing and forming steps in the extrusion process will further cut the fibers.

De acordo com exigências específicas, os aditivos 16 são adi- cionados. Estes aditivos 16 podem incluir aglutinantes, dispersantes, forma- dores de poro, plastificadores, ajudantes de processamento, e materiais de reforço. Também, o fluido 18, o qual é tipicamente água, é combinado com os aditivos 16 e as fibras 12. As fibras, aditivos e o fluido são misturados em uma reologia extrusável 21. Esta mistura pode incluir mistura seca, mistura molhada e mistura de cisalhamento. As fibras, aditivos e o fluido são mistu- rados até que uma massa homogênea é produzida, a qual distribui e arranja uniformemente as fibras dentro da massa. A massa fibrosa e homogênea é então extrusada para formar um substrato verde 23. O substrato verde tem resistência suficiente para se manter conjuntamente através do processo remanescente.According to specific requirements, additives 16 are added. These additives 16 may include binders, dispersants, pore formers, plasticizers, processing aids, and reinforcing materials. Also, fluid 18, which is typically water, is combined with additives 16 and fibers 12. The fibers, additives and fluid are mixed in an extrusable rheology 21. This mixture may include dry blending, wet blending and blending. shear. The fibers, additives and fluid are mixed until a homogeneous mass is produced which evenly distributes and arranges the fibers within the mass. The homogeneous fibrous mass is then extruded to form a green substrate 23. The green substrate has sufficient strength to hold together through the remaining process.

O substrato verde é então curado 25. Tal como usado nesta descrição, "curar" é definido para incluir duas importantes etapas de proces- so: 1) remoção de aglutinante e 2) formação de união. O processo de remo- ção de aglutinante remove água livre, remove a maioria dos aditivos e capa- cita contato de fibra com fibra. Freqüentemente o aglutinante é removido usando-se um processo de aquecimento que queima o aglutinante, mas de- ve ser entendido que outros processos de remoção podem ser usados de- pendendo do aglutinante específico usado. Por exemplo, alguns aglutinantes podem ser removidos usando-se um processo de evaporação ou sublima- ção. Alguns aglutinantes e ou outros componentes orgânicos podem se fun- dir antes de degradar para uma fase de vapor. À medida que o processo de cura continua uniões de fibra com fibra são formadas. Estas uniões facilitam a rigidez estrutural global, assim como criam a porosidade e a permeabilida- de desejáveis para o substrato. Desta maneira, o substrato curado 30 é um substrato altamente poroso de quase todas as fibras unidas em uma rede de poros abertos 30. O substrato pode então ser usado como um substrato para muitas aplicações, incluindo um substrato para aplicações de filtragem e a- plicações de conversão catalítica. Vantajosamente, o sistema 10 tem capaci- tado um processo de extrusão desejável para produzir substratos tendo po- rosidades de até cerca de 90%.The green substrate is then cured 25. As used in this description, "curing" is defined to include two important process steps: 1) binder removal and 2) bonding. The binder removal process removes free water, removes most additives and enables fiber to fiber contact. Often the binder is removed using a heating process that burns the binder, but it should be understood that other removal processes may be used depending on the specific binder used. For example, some binders may be removed using an evaporation or sublimation process. Some binders and or other organic components may melt before degrading to a vapor phase. As the healing process continues fiber to fiber joints are formed. These joints facilitate overall structural stiffness as well as creating desirable substrate porosity and permeability. Thus, the cured substrate 30 is a highly porous substrate of almost all fibers joined in an open pore web 30. The substrate can then be used as a substrate for many applications, including a substrate for filtration and application applications. of catalytic conversion. Advantageously, system 10 has enabled a desirable extrusion process to produce substrates having pores of up to about 90%.

Referindo-se agora á figura 2, está ilustrado um material extru- sável 50. O material extrusável 50 está pronto para extrusão por uma extru- sora, tal como uma extrusora de pistão ou de rosca. A mistura extrusável 52 é uma massa homogênea incluindo fibras, plastificadores e outros aditivos, tal como exigido pela aplicação específica. A figura 2 ilustra uma parte am- pliada 54 da massa homogênea. Deve ser percebido que a parte ampliada 54 pode não estar desenhada em escala, mas é fornecida como uma ajuda para esta descrição. A mistura extrusável 52 contém fibras, tais como as fi- bras 56, 57 e 58. Estas fibras foram selecionadas para produzir um substrato final altamente poroso e rígido com características térmicas, químicas, me- cânicas e de filtragem desejadas. Tal como deve ser percebido, corpos substancialmente fibrosos não foram considerados para ser extrusáveis uma vez que eles não têm plasticidade deles próprios. Entretanto, constatou-se que por meio de seleção apropriada de plastificadores e controle de proces- so, uma mistura extrusável 52 compreendendo fibras pode ser extrusada. Deste modo, as vantagens de custo, escala e flexibilidade de extrusão po- dem ser estendidas para incluir os benefícios disponíveis ao usar material fibroso.Referring now to Figure 2, an extrudable material 50 is illustrated. The extrudable material 50 is ready for extrusion by an extruder, such as a piston or screw extruder. Extrudable blend 52 is a homogeneous mass including fibers, plasticizers and other additives as required by the specific application. Figure 2 illustrates an enlarged portion 54 of the homogeneous mass. It should be appreciated that the enlarged part 54 may not be drawn to scale, but is provided as an aid to this description. Extrudable blend 52 contains fibers such as fibers 56, 57 and 58. These fibers have been selected to produce a highly porous and rigid final substrate with desired thermal, chemical, mechanical and filtration characteristics. As should be understood, substantially fibrous bodies were not considered to be extrusable since they have no plasticity of their own. However, it has been found that by appropriate plasticizer selection and process control, an extrudable blend 52 comprising fibers can be extruded. Thus, the advantages of extrusion cost, scale and flexibility can be extended to include the benefits available when using fibrous material.

De uma maneira geral, uma fibra é considerada para ser um ma- terial com um diâmetro relativamente pequeno tendo uma relação de aspec- to maior que um. A relação de aspecto é a razão do comprimento da fibra dividido pelo diâmetro da fibra. Tal como usado neste documento, o 'diâme- tro' da fibra assume para simplicidade que a forma seccional da fibra é um círculo; esta suposição de simplificação é aplicada às fibras independente- mente da sua verdadeira forma seccional. Por exemplo, uma fibra com uma relação de aspecto de 10 tem um comprimento que é 10 vezes o diâmetro da fibra. O diâmetro da fibra pode ser de 6 micros, embora diâmetros na fai- xa de cerca de 1 mícron a cerca de 25 mícrons são prontamente disponíveis. Será entendido que fibras de diâmetros e relações de aspecto muito diferen- tes podem ser usadas de forma bem-sucedida no sistema 10. Tal como será descrito com mais detalhes com referência às figuras posteriores, existem diversas alternativas para selecionar relações de aspecto para as fibras. Também deve ser percebido que a forma das fibras está em contraste acen- tuado para o pó cerâmico típico, onde a relação de aspecto de cada partícu- la cerâmica é aproximadamente 1.Generally speaking, a fiber is considered to be a material with a relatively small diameter having an aspect ratio greater than one. Aspect ratio is the ratio of fiber length divided by fiber diameter. As used herein, the fiber 'diameter' assumes for simplicity that the sectional shape of the fiber is a circle; This simplification assumption is applied to fibers regardless of their true sectional shape. For example, a fiber with an aspect ratio of 10 has a length that is 10 times the diameter of the fiber. The fiber diameter may be 6 microns, although diameters ranging from about 1 micron to about 25 microns are readily available. It will be appreciated that fibers of very different diameter and aspect ratios can be used successfully in system 10. As will be described in more detail with reference to the following figures, there are several alternatives for selecting aspect ratios for the fibers. . It should also be noted that the shape of the fibers is in sharp contrast to the typical ceramic powder, where the aspect ratio of each ceramic particle is approximately 1.

As fibras para a mistura extrusável 52 podem ser metálicas (al- gumas vezes também referidas como fios metálicos de pequeno diâmetro), embora a figura 2 seja discutida com referência às fibras cerâmicas. As fi- bras cerâmicas podem estar em um estado amorfo, um estado vítreo, um estado cristalino, um estado policristalino, um estado monocristalino, ou em um estado de vidro-cerâmico. Ao fazer a mistura extrusável 52, um volume relativamente pequeno de fibra cerâmica é usado para criar o substrato po- roso. Por exemplo, a mistura extrusável 52 pode ter somente cerca de 10% a 40% de material de fibra cerâmica em volume. Deste modo, depois de cu- rar, o substrato poroso resultante terá uma porosidade de cerca de 90% a cerca de 60%. Deve ser percebido que outras quantidades de material de fibra cerâmica podem ser selecionadas para produzir outros valores de po- rosidade.The fibers for the extrudable blend 52 may be metallic (sometimes also referred to as small diameter metallic threads), although Figure 2 is discussed with reference to ceramic fibers. The ceramic fibers may be in an amorphous state, a vitreous state, a crystalline state, a polycrystalline state, a monocrystalline state, or a glass-ceramic state. In making the extrudable blend 52, a relatively small volume of ceramic fiber is used to create the powdery substrate. For example, extrudable blend 52 may have only about 10% to 40% by volume ceramic fiber material. Thus, after curing, the resulting porous substrate will have a porosity of from about 90% to about 60%. It should be noted that other amounts of ceramic fiber material may be selected to produce other porosity values.

A fim de produzir uma mistura extrusável, as fibras são tipica- mente combinadas com um plastificador. Deste modo, as fibras são combi- nadas com outros aditivos orgânicos ou inorgânicos selecionados. Estes adi- tivos fornecem três propriedades chaves para o extrusado. Primeiro, os adi- tivos permitem que a mistura extrusável tenha uma reologia apropriada para extrusão. Segundo, os aditivos fornecem ao substrato extrusado, o qual é tipicamente chamado de um substrato verde, resistência suficiente para manter a sua forma e posição das fibras até que estes aditivos sejam remo- vidos durante o processo de cura. E terceiro, os aditivos são selecionados de maneira que eles queimam no processo de cura em um modo que facilita arranjar as fibras em uma construção de sobreposição, e em um modo que não enfraquece a estrutura rígida formada. Tipicamente, os aditivos incluirão um aglutinante, tal como o aglutinante 61. O aglutinante 61 age como um meio para reter as fibras na posição e fornecer resistência para o substrato verde. As fibras e aglutinante(s) podem ser usados para produzir um subs- trato poroso tendo uma porosidade relativamente alta. Entretanto, para au- mentar porosidade ainda mais, formadores adicionais de poro, tais como o formador de poro 63, podem ser adicionados. Formadores de poro são adi- cionados para aumentar espaço aberto no substrato curado final. Formado- res de poro podem ser esféricos, alongados, fibrosos, ou irregulares em for- ma. Formadores de poro são selecionados não somente pela sua capacida- de para criar espaço aberto e com base no seu comportamento de degrada- ção térmica, mas também para auxiliar na orientação das fibras. Deste mo- do, os formadores de poro auxiliam no arranjo das fibras em um padrão de sobreposição para facilitar união apropriada entre fibras durante estágio pos- terior da cura. Adicionalmente, formadores de poro também desempenham um papel no alinhamento das fibras em direções preferidas, o que afeta a expansão térmica do material extrusado e a resistência ao longo de diferen- tes eixos geométricos.In order to produce an extrusable blend, the fibers are typically combined with a plasticizer. In this way the fibers are combined with other selected organic or inorganic additives. These additives provide three key properties for the extrudate. First, the additives allow the extrudable mixture to have a proper rheology for extrusion. Second, the additives provide the extruded substrate, which is typically called a green substrate, with sufficient strength to maintain its shape and fiber position until these additives are removed during the curing process. And third, the additives are selected so that they burn in the curing process in a mode that facilitates arranging the fibers in an overlapping construction, and in a mode that does not weaken the rigid structure formed. Typically, the additives will include a binder, such as binder 61. Binder 61 acts as a means for holding the fibers in position and providing resistance to the green substrate. The fibers and binder (s) may be used to produce a porous substrate having a relatively high porosity. However, to further increase porosity, additional pore builders, such as pore builder 63, may be added. Pore formers are added to increase open space in the final cured substrate. Pore formers may be spherical, elongated, fibrous, or irregular in shape. Pore formers are selected not only for their ability to create open space and based on their thermal degradation behavior, but also to aid in fiber orientation. In this way, pore formers assist in arranging the fibers in an overlapping pattern to facilitate proper joining between fibers during the later stage of curing. In addition, pore formers also play a role in aligning fibers in preferred directions, which affects the thermal expansion of the extruded material and strength along different geometrical axes.

Tal como descrito anteriormente de forma resumida, a mistura extrusável 52 pode usar uma ou mais fibras selecionadas dos muitos tipos de fibras disponíveis. Adicionalmente, a fibra selecionada pode ser combina- da com um ou mais aglutinantes selecionados de uma grande variedade de aglutinantes. Também, um ou mais formadores de poro podem ser adiciona- dos selecionados de uma grande variedade de formadores de poro. A mistu- ra extrusável pode usar água ou outro fluido como o seu agente plastificante, e pode ter outros aditivos adicionados. Esta flexibilidade na formação quími- ca capacita a mistura extrusável 52 para ser vantajosamente usada em mui- tos tipos diferentes de aplicações. Por exemplo, combinações de mistura podem ser selecionadas de acordo com necessidades ambientais, de tem- peratura, químicas, físicas exigidas, ou com outra exigência. Adicionalmente, uma vez que a mistura extrusável 52 é preparada para extrusão, o produto extrusado final pode ser formado flexivelmente e de modo econômico. Em- bora não ilustrado na figura 2, a mistura extrusável 52 é extrusada por meio de uma extrusora de rosca ou de pistão para formar um substrato verde, o qual é então curado para o produto de substrato poroso final.As briefly described above, the extrudable blend 52 may use one or more fibers selected from the many available fiber types. Additionally, the selected fiber may be combined with one or more selected binders from a wide variety of binders. Also, one or more pore formers may be added from a wide variety of pore formers. The extrudable mixture may use water or another fluid as its plasticizing agent, and may have other additives added. This flexibility in chemical formation enables the extrudable mixture 52 to be advantageously used in many different types of applications. For example, blending combinations may be selected according to required environmental, temperature, chemical, physical, or other requirements. Additionally, since the extrudable mixture 52 is prepared for extrusion, the final extruded product can be flexibly and economically formed. Although not shown in Figure 2, the extrudable mixture 52 is extruded by means of a screw or piston extruder to form a green substrate which is then cured to the final porous substrate product.

A presente invenção representa um uso pioneiro de material de fibra em um lote ou mistura plástica para extrusão. Esta mistura extrusável fibrosa capacita extrusão de substratos com porosidades muito altas, em uma produção escalável, e em uma maneira de baixo custo. Por capacitar fibras para ser usadas no processo de extrusão repetível e robusto, a pre- sente invenção capacita produção em massa de substratos de filtros e catalí- ticos para amplo uso por todo o mundo. Referindo-se à figura 3A, está ilustrada uma área curada ampli- ada de um substrato poroso. A parte de substrato 100 está ilustrada depois da remoção do aglutinante 102 e depois do processo de cura 110. Depois da remoção do aglutinante 102, fibras, tais como as fibras 103 e 104 são inici- almente retidas na posição com material aglutinante, e à medida que o mate- rial aglutinante queima, as fibras são expostas para ficar em uma estrutura de sobreposição, mas soltas. Também, um formador de poro 105 pode ser posicionado para produzir espaço aberto adicional, assim como para alinhar ou arranjar fibras. Uma vez que as fibras compreendem somente um volume relativamente pequeno da mistura extrusável, muitos espaços abertos 107 existem entre as fibras. À medida que o aglutinante e o formador de poro são queimados, as fibras podem se ajustar ligeiramente para adicionalmente entrar em contato umas com as outras. O aglutinante e os formadores de poro são selecionados para queimar em uma maneira controlada, assim co- mo para não interromper o arranjo das fibras ou ter o colapso de substrato na queima. Tipicamente, o aglutinante e os formadores de poro são selecio- nados para degradar ou queimar antes de formar uniões entre as fibras. À medida que o processo de cura continua as fibras de sobrepondo e se to- cando começam a formar uniões. Deve ser percebido que as uniões podem ser formadas de diversos modos. Por exemplo, as fibras podem ser aqueci- das para permitir a formação de uma união sinterizada auxiliada por líquido na interseção ou nós das fibras. Esta sinterização de estado líquido pode resultar das fibras particulares selecionadas, ou pode resultar de aditivos adicionais adicionados à mistura ou revestidos sobre as fibras. Em outros casos, pode ser desejável formar uma união sinterizada de estado sólido.The present invention represents a pioneering use of fiber material in a batch or plastic blend for extrusion. This extrusable fibrous blend enables extrusion of substrates with very high porosities, in a scalable production, and in a low cost manner. By enabling fibers to be used in the robust repeatable extrusion process, the present invention enables mass production of filter and catalytic substrates for wide use worldwide. Referring to Figure 3A, an enlarged cured area of a porous substrate is illustrated. Substrate part 100 is illustrated after removal of binder 102 and after the curing process 110. After removal of binder 102, fibers such as fibers 103 and 104 are initially retained in position with binder material and at the same time. As the binder material burns, the fibers are exposed to an overlapping structure, but loose. Also, a pore former 105 may be positioned to produce additional open space as well as to align or arrange fibers. Since the fibers comprise only a relatively small volume of the extrudable mixture, many open spaces 107 exist between the fibers. As the binder and pore former are burned out, the fibers may adjust slightly to additionally come into contact with each other. The binder and pore formers are selected to burn in a controlled manner, as well as not to disrupt the arrangement of the fibers or to have substrate collapse in the burn. Typically, the binder and pore formers are selected to degrade or burn before forming joints between the fibers. As the healing process continues the overlapping and touching fibers begin to form joints. It should be understood that unions can be formed in various ways. For example, the fibers may be heated to allow the formation of a liquid-assisted sintered joint at the intersection or knots of the fibers. This liquid state sintering may result from the particular fibers selected, or may result from additional additives added to the blend or coated on the fibers. In other cases, it may be desirable to form a solid state sintered union.

Neste caso, as uniões de intercessão formam uma estrutura de grão conec- tando fibras se sobrepondo. No estado verde, as fibras também não têm u- niões físicas formadas umas com as outras, mas ainda podem exibir algum grau de resistência verde por causa do enrolamento das fibras umas nas outras. O tipo particular de união selecionada será dependente da seleção de materiais de base, resistência desejada, e químicas e ambientes de ope- ração. Em alguns casos, as uniões são causadas pela presença de agluti- nantes inorgânicos se apresentando na mistura que retêm as fibras conjun- tamente em uma rede conectada. E não queimam durante o processo de cura.In this case, the intercession joints form a grain structure connecting overlapping fibers. In the green state, the fibers also do not have physical joints formed with each other, but may still exhibit some degree of green resistance because of the coiling of the fibers together. The particular type of joint selected will depend on the selection of base materials, desired strength, and chemical and operating environments. In some cases, joints are caused by the presence of inorganic binders present in the mixture that hold the fibers together in a connected network. And do not burn during the healing process.

Vantajosamente, a formação de uniões, tais como as uniões 112 facilita a formação de uma estrutura substancialmente rígida com as fibras. As uniões também capacitam a formação de uma rede de poros abertos tendo porosidade muito alta. Por exemplo, o espaço aberto 116 é criado na- turalmente pelo espaço entre fibras. O espaço aberto 114 é criado à medida que o formador de poro 105 degrada ou queima. Deste modo, o processo de formação de união de fibra cria uma rede de poros abertos sem nenhum ou virtualmente sem canais limitados. Esta rede de poros abertos gera alta permeabilidade, alta eficiência de filtragem, e permite alta área de superfície para adição de catalisador, por exemplo. Deve ser percebido que a formação de uniões pode depender do tipo de união desejada, tal como sinterização de estado sólido ou líquido com auxílio/estado líquido, e de aditivos presen- tes durante o processo de cura. Por exemplo, os aditivos, seleção de fibra particular, o tempo de aquecimento, o nível de aquecimento e o ambiente de reação podem todos ser ajustados para criar um tipo particular de união.Advantageously, forming joints such as joints 112 facilitates the formation of a substantially rigid structure with the fibers. Joints also enable the formation of an open pore network having very high porosity. For example, open space 116 is naturally created by the space between fibers. Open space 114 is created as pore former 105 degrades or burns. Thus, the fiber bonding process creates a network of open pores with no or virtually no limited channels. This open pore network generates high permeability, high filtration efficiency, and allows high surface area for catalyst addition, for example. It should be appreciated that the formation of joints may depend on the desired joining type, such as solid or liquid assisted / liquid state sintering, and additives present during the curing process. For example, additives, particular fiber selection, heating time, heating level and reaction environment can all be adjusted to create a particular type of joint.

Referindo-se agora à figura 3B, está ilustrada uma outra área curada ampliada de um substrato poroso. A parte de substrato 120 está ilus- trada depois da remoção do aglutinante 122 e depois do processo de cura 124. A parte de substrato 120 é similar à parte de substrato 100 descrita com referência à figura 3A, assim não será descrita detalhadamente. O substrato 120 foi formado sem o uso de formadores de poro específicos, assim a rede de poros abertos total 124 resultou do posicionamento das fibras com um material aglutinante. Deste modo, substratos de porosidade moderadamente alta podem ser formados sem o uso de quaisquer formadores de poro espe- cíficos, reduzindo assim o custo e complexidade para fabricação de tais substratos de moderada porosidade. Constatou-se que substratos tendo uma porosidade na faixa de cerca de 40% a cerca de 60% podem ser pro- duzidos neste modo.Referring now to Figure 3B, another enlarged cured area of a porous substrate is illustrated. Substrate part 120 is illustrated after removal of binder 122 and after curing process 124. Substrate part 120 is similar to substrate part 100 described with reference to Figure 3A, so will not be described in detail. Substrate 120 was formed without the use of specific pore formers, thus the total open pore network 124 resulted from the positioning of the fibers with a binder material. Thus, moderately high porosity substrates can be formed without the use of any specific pore builders, thereby reducing the cost and complexity for manufacturing such moderately porous substrates. It has been found that substrates having a porosity in the range of from about 40% to about 60% can be produced in this mode.

Referindo-se agora à figura 4, está ilustrado um conjunto de i- magens de microscópio eletrônico 150. O conjunto de imagens 150 primei- ramente ilustra uma rede de poros abertos 152 criada desejavelmente usan- do uma mistura extrusável fibrosa. Como pode ser visto, fibras têm uniões formadas nos nós de cruzamento de fibras, e o formador de poro e os agluti- nantes foram queimados, deixando uma rede porosa de poros abertos. Em contraste acentuado, a imagem 154 ilustra uma típica rede de células fecha- das feita usando-se processos conhecidos. A rede de poros parcialmente fechados tem uma porosidade relativamente alta, mas pelo menos parte da porosidade é derivada dos canais fechados. Estes canais fechados não con- tribuem para a permeabilidade. Deste modo, uma rede de poros abertos e uma rede de poros fechados tendo a mesma porosidade, a rede de poros abertos terá uma característica de permeabilidade mais desejável.Referring now to Figure 4, an electron microscope image set 150 is illustrated. Image set 150 first illustrates an open pore network 152 desirably created using a fibrous extrudable blend. As can be seen, fibers have joints formed at the fiber crossing nodes, and the pore former and binders have been burned, leaving a porous web of open pores. In sharp contrast, image 154 illustrates a typical closed cell network made using known methods. The partially closed pore network has a relatively high porosity, but at least part of the porosity is derived from the closed channels. These closed channels do not contribute to permeability. Thus, an open pore network and a closed pore network having the same porosity, the open pore network will have a more desirable permeability characteristic.

A mistura extrusável e o processo descritos de uma maneira ge- ral até aqui são usados para produzir um substrato altamente vantajoso e poroso. Em um exemplo, o substrato poroso pode ser extrusado para um substrato de bloco de filtro 175 tal como ilustrado na figura 5. O bloco de substrato 175 foi extrusado usando-se uma extrusora de pistão ou de rosca. A extrusora pode ser condicionada para operar em temperatura ambiente, temperatura ligeiramente elevada ou em uma janela de temperatura contro- lada. Adicionalmente, diversas partes da extrusora podem ser aquecidas para diferentes temperaturas para afetar as características lentas, histórico de cisalhamento e características de transformação em gel da mistura de extrusão. Adicionalmente, o tamanho das matrizes de extrusão também po- de ser dimensionado desta maneira para ajustar a contração esperada no substrato durante o processo de aquecimento e sinterização. Vantajosamen- te, a mistura extrusável foi uma mistura extrusável fibrosa tendo plastificador e outros aditivos suficientes para permitir extrusão de material fibroso. O blo- co de estado verde extrusado foi curado para remover água livre, queimar aditivos e formar uniões estruturais entre fibras. O bloco resultante 175 tem características de porosidade altamente desejáveis, assim como excelente permeabilidade e alta área de superfície utilizável. Também, dependendo das fibras particulares e dos aditivos selecionados, o bloco 175 pode ser construído para filtragem de profundidade vantajosa. O bloco 176 tem os canais 179 que se estendem longitudinalmente através do bloco. As entra- das para o bloco 178 podem ser aberturas deixadas para um processo de fluxo contínuo, ou cada abertura pode ser encaixada para produzir um efeito de fluxo de parede. Embora o bloco 175 esteja mostrado com canais hexa- gonais, deve ser percebido que outros padrões e tamanhos podem ser usa- dos. Por exemplo, os canais podem ser formados com um padrão de canal quadrangular, retangular, ou triangular arranjados uniformemente; um pa- drão de canal quadrangular/retangular ou octogonal/quadrangular tendo maiores canais de entrada; ou em um outro padrão de canal simétrico ou assimétrico. As formas e tamanhos precisos dos canais ou células podem ser ajustados pelo ajuste do projeto da matriz. Por exemplo, um canal qua- drado pode ser feito para ter cantos curvos pelo uso de EDM (Usinagem por Eletroerosão) para modelar os pinos na matriz. Tais cantos arredondados são providos para aumentar a resistência do produto final, apesar de uma contrapressão ligeiramente mais alta. Adicionalmente, o projeto de matriz pode ser modificado para extrusar substratos alveolares onde as paredes têm diferentes espessuras e o revestimento tem uma espessura diferente daquela do resto das paredes. De forma similar, em algumas aplicações, um revestimento externo pode ser aplicado ao substrato extrusado para defini- ção final do tamanho, forma, contorno e resistência.The extrudable mixture and process described in general herein is used to produce a highly advantageous and porous substrate. In one example, the porous substrate may be extruded to a filter block substrate 175 as illustrated in Figure 5. Substrate block 175 was extruded using a piston or screw extruder. The extruder may be conditioned to operate at room temperature, slightly elevated temperature or in a controlled temperature window. Additionally, various parts of the extruder may be heated to different temperatures to affect the slow characteristics, shear history and gel characteristics of the extrusion mixture. Additionally, the size of the extrusion dies may also be sized in this way to adjust the expected contraction in the substrate during the heating and sintering process. Advantageously, the extrudable mixture was a fibrous extrusable mixture having plasticizer and other additives sufficient to permit extrusion of fibrous material. The extruded green block was cured to remove free water, burn additives and form structural joints between fibers. The resulting block 175 has highly desirable porosity characteristics as well as excellent permeability and high usable surface area. Also, depending on the particular fibers and additives selected, block 175 may be constructed for advantageous depth filtration. Block 176 has channels 179 extending longitudinally through the block. The inlets for block 178 may be openings left for a continuous flow process, or each opening may be fitted to produce a wall flow effect. Although block 175 is shown with hex channels, it should be noted that other patterns and sizes can be used. For example, channels may be formed with a uniformly arranged quadrangular, rectangular, or triangular channel pattern; a quadrangular / rectangular or octagonal / quadrangular channel pattern having larger input channels; or in another symmetrical or asymmetrical channel pattern. The precise shapes and sizes of channels or cells can be adjusted by adjusting the matrix design. For example, a square channel can be made to have curved corners by using EDM (EDM) to model the pins in the die. Such rounded corners are provided to increase end product strength, despite slightly higher back pressure. Additionally, the die design can be modified to extrude honeycomb substrates where the walls have different thicknesses and the coating has a different thickness than the rest of the walls. Similarly, in some applications, an external coating may be applied to the extruded substrate for final definition of size, shape, contour and strength.

Quando usado como um dispositivo de fluxo contínuo, a alta po- rosidade do bloco 176 capacita uma grande área de superfície para a aplica- ção de material catalítico. Deste modo pode ser feito um conversor catalítico altamente eficaz e eficiente, com o conversor tendo uma baixa massa térmi- ca. Com uma massa térmica baixa como esta o conversor catalítico resultan- te tem boas características de tempo de aquecimento, e usa de forma efici- ente material catalítico. Quando usado em um exemplo de fluxo de parede ou filtragem de parede, a alta permeabilidade das paredes de substrato ca- pacitam contrapressões relativamente baixas, ao mesmo tempo que facili- tando filtragem de profundidade. Esta filtragem de profundidade capacita remoção particulada eficiente, assim como facilita regeneração mais eficaz. Em projeto de fluxo de parede, o fluido escoando através do substrato é for- çado a se deslocar através das paredes do substrato, capacitando conse- quentemente um contato mais direto com as fibras compondo a parede. A- quelas fibras apresentam uma alta área de superfície para acontecer poten- ciais reações, tal como se um catalisador estivesse presente. Uma vez que a mistura extrusável pode ser formada de uma grande variedade de fibras, aditivos e fluidos, a química da mistura extrusável pode ser ajustada para gerar um bloco tendo características específicas. Por exemplo, se o bloco final for desejado para ser um filtro de particulado de diesel, as fibras são selecionadas para considerar operação segura mesmo na temperatura ex- trema de uma regeneração não controlada. Em um outro exemplo, se o blo- co for para ser usado para filtrar um tipo particular de gás de exaustão, a fibra e as uniões são selecionadas assim como não para reagir com o gás de exaustão através da faixa de temperatura operacional esperada. Embora as vantagens do substrato de alta porosidade tenham sido descritas com referência a filtros e conversores catalíticos, deve ser percebido que muitas outras aplicações existem para o substrato altamente poroso.When used as a continuous flow device, the high porosity of block 176 enables a large surface area for the application of catalytic material. In this way a highly effective and efficient catalytic converter can be made, with the converter having a low thermal mass. With such a low thermal mass the resulting catalytic converter has good heating time characteristics and efficiently uses catalytic material. When used in an example wall flow or wall filtration, the high permeability of the substrate walls enables relatively low backpressures while facilitating depth filtration. This depth filtration enables efficient particulate removal as well as facilitates more effective regeneration. In wall flow design, fluid flowing through the substrate is forced to travel through the substrate walls, thereby enabling a more direct contact with the fibers composing the wall. Those fibers have a high surface area for potential reactions to occur, as if a catalyst were present. Since the extrudable mixture may be formed from a wide variety of fibers, additives and fluids, the chemistry of the extrudable mixture may be adjusted to generate a block having specific characteristics. For example, if the final block is desired to be a diesel particulate filter, the fibers are selected to consider safe operation even at the extreme temperature of uncontrolled regeneration. In another example, if the block is to be used to filter a particular type of exhaust gas, the fiber and joints are selected as well as not to react with the exhaust gas over the expected operating temperature range. Although the advantages of high porosity substrate have been described with reference to filters and catalytic converters, it should be understood that many other applications exist for the highly porous substrate.

A mistura extrusável fibrosa, tal como descrita com referência à figura 2, pode ser formada de uma grande variedade de materiais de base. A seleção dos materiais apropriados é baseada de uma maneira geral nas condições químicas, mecânicas e ambientais em que o substrato final deve operar. Desta maneira, uma primeira etapa no projeto de um substrato poro- so é entender a aplicação final para o substrato. Com base nestas exigên- cias, fibras particulares, aglutinantes, formadores de poro, fluidos e outros materiais podem ser selecionados. Também deve ser percebido que o pro- cesso aplicado aos materiais selecionados pode afetar o produto de substra- to final. Uma vez que a fibra é o material estrutural primário no produto de substrato final, a seleção do material de fibra é crítica para capacitar o subs- trato final para operar na sua aplicação pretendida. Desta maneira, as fibras são selecionadas de acordo com as exigências de união exigidas, e um tipo particular de processo de união é selecionado. O processo de união pode ser uma sinterização de estado líquido, sinterização de estado sólido, ou uma união exigindo um agente de união tal como formadores de vidro, vidro, argilas, cerâmicas, precursores cerâmicos ou soluções coloidais. O agente de união pode ser parte de uma das construções de fibra, de um revestimen- to sobre a fibra, ou de um componente em um dos aditivos. Também deve ser percebido que mais de um tipo de fibra pode ser selecionado. Também deve ser percebido que algumas fibras podem ser consumidas durante o processo de cura e união. Na seleção da composição de fibra a temperatura final de operação é uma consideração importante, de maneira que estabili- dade térmica da fibra pode ser mantida. Em um outro exemplo, a fibra é se- lecionada de maneira que ela permanece quimicamente inerte e não-reativa na presença de gases, líquidos ou matéria particulada sólida esperados. A fibra também pode ser selecionada de acordo com seu custo, e algumas fibras podem apresentar preocupações de saúde por causa de seus peque- nos tamanhos e, portanto, seu uso pode ser evitado. Dependendo do ambi- ente mecânico, as fibras são selecionadas de acordo com sua capacidade para formar uma estrutura rígida forte, assim como para manter a integrida- de mecânica exigida. Deve ser percebido que a seleção de uma fibra ou conjunto de fibras apropriadas pode envolver trocas compensatórias de de- sempenho e aplicação. A figura 6, tabela 1, mostra diversos tipos de fibras que podem ser usadas para formar um mistura extrusável fibrosa. De uma maneira geral, as fibras podem ser cerâmica óxida ou não-óxida, vidro, or- gânica, inorgânica, ou elas podem ser metálicas. Para materiais cerâmicos, as fibras podem estar em diferentes estados, tais como amorfo, vítreo, poli- cristalino ou monocristalino. Embora a tabela 1 ilustre muitas fibras disponí- veis, deve ser percebido que outros tipos de fibras podem ser usados.The fibrous extrudable mixture as described with reference to Figure 2 may be formed from a wide variety of base materials. Selection of appropriate materials is generally based on the chemical, mechanical and environmental conditions under which the final substrate must operate. Thus, a first step in the design of a porous substrate is to understand the final application to the substrate. Based on these requirements, particular fibers, binders, pore formers, fluids and other materials can be selected. It should also be noted that the process applied to selected materials may affect the final substrate product. Since fiber is the primary structural material in the final substrate product, selection of fiber material is critical to enable the final substrate to operate in its intended application. In this way, the fibers are selected according to the required joining requirements, and a particular type of joining process is selected. The bonding process may be a liquid state sintering, solid state sintering, or a bonding requiring a bonding agent such as glass formers, glass, clays, ceramics, ceramic precursors or colloidal solutions. The bonding agent may be part of one of the fiber constructs, a fiber coating, or a component in one of the additives. It should also be noted that more than one fiber type can be selected. It should also be noted that some fibers may be consumed during the healing and bonding process. In selecting fiber composition the final operating temperature is an important consideration, so that thermal stability of the fiber can be maintained. In another example, the fiber is selected so that it remains chemically inert and non-reactive in the presence of expected gases, liquids or solid particulate matter. Fiber can also be selected according to its cost, and some fibers may have health concerns because of their small sizes and therefore their use can be avoided. Depending on the mechanical environment, the fibers are selected according to their ability to form a strong rigid structure as well as to maintain the required mechanical integrity. It should be noted that selecting an appropriate fiber or set of fibers may involve compensatory exchanges of performance and application. Figure 6, table 1, shows various types of fibers that can be used to form a fibrous extrudable blend. Generally speaking, the fibers may be oxide or non-oxide ceramic, glass, organic, inorganic, or they may be metallic. For ceramic materials, the fibers may be in different states, such as amorphous, vitreous, polycrystalline or monocrystalline. Although Table 1 illustrates many available fibers, it should be understood that other types of fibers may be used.

Aglutinantes e formadores de poro podem então ser seleciona- dos de acordo com o tipo de fibra selecionado, assim como outras caracte- rísticas desejadas. Em um exemplo, o aglutinante é selecionado para facilitar um tipo particular de união de estado líquido entre as fibras selecionadas. Mais particularmente, o aglutinante tem um componente que em uma tempe- ratura de união reage para facilitar o fluxo de uma união líquida para os nós de fibras se cruzando. Também, o aglutinante é selecionado por sua capaci- dade para plastificar a fibra selecionada, assim como para manter seu esta- do de resistência verde. Em um exemplo, o aglutinante também é seleciona- do de acordo com o tipo de extrusão sendo usado, e a temperatura exigida para a extrusão. Por exemplo, alguns aglutinantes formam uma massa gela- tinosa quando aquecidos demais e, portanto, somente podem ser usados em processos de extrusão de temperatura mais baixa. Em um outro exemplo, o aglutinante pode ser selecionado de acordo com seu impacto sobre caracte- rísticas de mistura de cisalhamento. Deste modo, o aglutinante pode facilitar corte de fibras para a relação de aspecto desejada durante o processo de mistura. O aglutinante também pode ser selecionado de acordo com suas características de degradação ou queima. O aglutinante necessita ser capaz de reter as fibras de uma maneira geral no lugar, e não desorganizar a estru- tura de fibra formada durante a queima. Por exemplo, se o aglutinante quei- mar muito rapidamente ou violentamente, os gases escapando podem de- sorganizar a estrutura formada. Também, o aglutinante pode ser selecionado de acordo com a quantidade de resíduo que o aglutinante deixa para trás depois de queimado. Algumas aplicações podem ser altamente sensíveis a tal resíduo.Binders and pore formers can then be selected according to the selected fiber type as well as other desired characteristics. In one example, the binder is selected to facilitate a particular type of liquid state bond between the selected fibers. More particularly, the binder has a component which at a bonding temperature reacts to facilitate the flow of a liquid bond to the intersecting fiber nodes. Also, the binder is selected for its ability to plasticize the selected fiber as well as to maintain its green strength status. In one example, the binder is also selected according to the type of extrusion being used, and the temperature required for extrusion. For example, some binders form a greasy mass when overheated and can therefore only be used in lower temperature extrusion processes. In another example, the binder may be selected according to its impact on shear mixing characteristics. In this way, the binder can facilitate fiber cutting to the desired aspect ratio during the mixing process. The binder may also be selected according to its degradation or burning characteristics. The binder needs to be able to hold the fibers generally in place, and not to disrupt the fiber structure formed during burning. For example, if the binder burns too quickly or violently, escaping gases may degenerate the formed structure. Also, the binder can be selected according to the amount of residue that the binder leaves behind after burning. Some applications may be highly sensitive to such residue.

Formadores de poro podem não ser necessários para a forma- ção de porosidades relativamente moderadas. Por exemplo, o arranjo e a- condicionamento natural das fibras dentro do aglutinante pode cooperar para capacitar uma porosidade de cerca de 40% a cerca de 60%. Deste modo, um substrato de porosidade moderada pode ser gerado usando-se um pro- cesso de extrusão sem o uso de formadores de poro. Em alguns casos, a eliminação de formadores de poro capacita um substrato poroso mais eco- nômico para ser fabricado quando comparado aos processos conhecidos. Entretanto, quando uma porosidade de mais do que cerca de 60% é exigida, formadores de poro podem ser usados para causar espaço de ar adicional dentro do substrato depois da cura. Os formadores de poro também podem ser selecionados de acordo com suas características de degradação ou queima, e também podem ser selecionados de acordo com seus tamanho e forma. Tamanho de poro pode ser importante, por exemplo, para capturar tipos particulares de matéria particulada, ou para capacitar permeabilidade particularmente alta. A forma dos poros também pode ser ajustada, por e- xemplo, para auxiliar no alinhamento apropriado das fibras. Por exemplo, uma forma de poro relativamente alongada pode arranjar fibras em um pa- drão mais alinhado, enquanto que uma forma mais irregular ou esférica pode arranjar as fibras em um padrão mais aleatório.Pore builders may not be necessary for the formation of relatively moderate porosities. For example, the natural arrangement and conditioning of the fibers within the binder may cooperate to enable a porosity of from about 40% to about 60%. Thus, a moderate porosity substrate can be generated using an extrusion process without the use of pore formers. In some cases, the elimination of pore formers enables a more economical porous substrate to be manufactured compared to known processes. However, when a porosity of more than about 60% is required, pore formers may be used to cause additional air space within the substrate after curing. Pore formers can also be selected according to their degradation or burning characteristics, and can also be selected according to their size and shape. Pore size may be important, for example, to capture particular types of particulate matter, or to enable particularly high permeability. The shape of the pores may also be adjusted, for example, to aid in proper fiber alignment. For example, a relatively elongated pore shape may arrange fibers in a more aligned pattern, while a more irregular or spherical shape may arrange fibers in a more random pattern.

A fibra pode ser fornecida de um fabricante como uma fibra cor- tada e usada diretamente no processo, ou uma fibra pode ser fornecida em um formato de volume, o qual é tipicamente processado antes do uso. De qualquer modo, considerações de processo devem levar em conta como a fibra é para ser processada para a sua distribuição de relação de aspecto desejável final. De uma maneira geral, a fibra é inicialmente cortada antes da mistura com outros aditivos, e então é cortada adicionalmente durante as etapas de mistura, cisalhamento e extrusão. Entretanto, a extrusão também pode ser executada com fibras não cortadas ao se ajustar a reologia para tornar a mistura de extrusão extrusável em pressões de extrusão razoáveis e sem ocasionar fluxos de dilatância na mistura de extrusão quando colocada sob pressão na face de matriz de extrusão. Deve ser percebido que o corte das fibras para a distribuição de relação de aspecto apropriada pode ser fei- to em vários pontos no processo global. Uma vez que a fibra tenha sido se- lecionada e cortada para um comprimento utilizável, ela é misturada com aglutinante e formador de poro. Esta mistura pode ser feita primeiramente em uma forma seca para iniciar o processo de mistura, ou pode ser feita como um processo de mistura molhado. Fluido, o qual é tipicamente água, é adicionado à mistura. A fim de obter o nível exigido de distribuição homogê- nea, a mistura é misturada por cisalhamento em um ou mais estágios. A mis- tura de cisalhamento ou mistura dispersiva fornece um processo de mistura homogênea altamente desejável para distribuir uniformemente as fibras na mistura, assim como para cortar adicionalmente fibras para a relação de as- pecto desejada.The fiber may be supplied from a manufacturer as a cut fiber and used directly in the process, or a fiber may be supplied in a volume format, which is typically processed before use. However, process considerations should take into account how the fiber is to be processed for its final desirable aspect ratio distribution. Generally, the fiber is initially cut prior to mixing with other additives, and then further cut during the mixing, shearing and extrusion steps. However, extrusion can also be performed with uncut fibers by adjusting the rheology to make the extrusion mixture extrusable at reasonable extrusion pressures and without causing dilatation flows in the extrusion mixture when placed under pressure on the extrusion die face. It should be noted that fiber cutting for proper aspect ratio distribution can be done at various points in the overall process. Once the fiber has been selected and cut to a usable length, it is mixed with binder and pore former. This mixing may be done first in a dry form to begin the mixing process, or it may be done as a wet mixing process. Fluid, which is typically water, is added to the mixture. In order to achieve the required level of homogeneous distribution, the mixture is shear mixed in one or more stages. Shear mixing or dispersive blending provides a highly desirable homogeneous blending process for evenly distributing the fibers in the blend as well as for additionally cutting fibers to the desired aspect ratio.

A figura 6, tabela 2, mostra diversos aglutinantes disponíveis para seleção. Deve ser percebido que um único aglutinante pode ser usado ou que múltiplos aglutinantes podem ser usados. Os aglutinantes são de uma maneira geral divididos em classificações orgânicas e inorgânicas. Os aglutinantes orgânicos de uma maneira geral queimarão em uma temperatu- ra mais baixa durante a cura, enquanto que os aglutinantes inorgânicos tipi- camente formarão uma parte da estrutura final em uma temperatura mais alta. Embora diversas seleções de aglutinante estejam listadas na tabela 2, deve ser percebido que diversos outros aglutinantes podem ser usados. A figura 6, tabela 3, mostra uma lista de formadores de poro disponíveis. For- madores de poro podem ser definidos de uma maneira geral como orgânicos ou inorgânicos, com os orgânicos tipicamente queimando em uma tempera- tura mais baixa do que os inorgânicos. Embora diversos formadores de poro estejam listados na tabela 3, deve ser percebido que outros formadores de poro podem ser usados. A figura 6, tabela 4, mostra diferentes fluidos que podem ser usados. Embora deva ser percebido que água pode ser o fluido mais econômico e freqüentemente usado, algumas aplicações podem exigir outros fluidos. Embora a tabela 4 mostre diversos fluidos que podem ser u- sados, deve ser percebido que outros fluidos podem ser selecionados de acordo com as exigências específicas de aplicação e processo.Figure 6, table 2 shows several binders available for selection. It should be understood that a single binder may be used or that multiple binders may be used. Binders are broadly divided into organic and inorganic classifications. Organic binders will generally burn at a lower temperature during curing, while inorganic binders will typically form a part of the final structure at a higher temperature. Although several binder selections are listed in table 2, it should be noted that several other binders may be used. Figure 6, table 3, shows a list of available pore formers. Pore formers can be broadly defined as organic or inorganic, with organics typically burning at a lower temperature than inorganic ones. Although several pore formers are listed in table 3, it should be understood that other pore formers may be used. Figure 6, table 4 shows different fluids that can be used. While it should be noted that water may be the most economical and frequently used fluid, some applications may require other fluids. Although Table 4 shows various fluids that can be used, it should be noted that other fluids can be selected according to specific application and process requirements.

Em geral, a mistura pode ser ajustada para ter uma reologia a- propriada para extrusão vantajosa. Tipicamente, reologia apropriada resulta da seleção e mistura apropriadas de fibras, aglutinantes, dispersantes, plas- tificadores, formadores de poro e fluidos. Um alto grau de mistura é necessá- rio para fornecer adequadamente plasticidade para as fibras. Uma vez que a fibra, aglutinante e o formador de poro apropriados tenham sido seleciona- dos, a quantidade de fluido é tipicamente ajustada de forma final para satis- fazer à reologia apropriada. Uma reologia apropriada pode ser indicada tal como por um de dois testes. O primeiro teste é um teste subjetivo e informal onde uma gota de mistura é removida e colocada entre os dedos de um ope- rador de extrusão qualificado. O operador é capaz de identificar quando a mistura desliza de forma apropriada entre os dedos, indicando que a mistura está em uma condição apropriada para extrusão. Um segundo teste mais objetivo conta com medir características físicas da mistura. De uma maneira geral, a resistência ao cisalhamento versus pressão de compactação pode ser medida usando um reômetro anular confinado (isto é, alta pressão). Me- dições são feitas e plotadas de acordo com uma comparação de resistência de coesão versus dependência de pressão. Pela medição da mistura em várias misturas e níveis de fluido, um gráfico de reologia identificando pontos de reologia pode ser criado. Por exemplo, a tabela 5, figura 6, ilustra um grá- fico de reologia para uma mistura cerâmica fibrosa. O eixo geométrico 232 representa resistência de coesão e o eixo geométrico 234 representa de- pendência de pressão. A área extrusável 236 representa uma área onde ex- trusão fibrosa é altamente provável de ocorrer. Portanto, uma mistura carac- terizada por qualquer medição estando incluída na área 236 é provavelmen- te mistura para extrusar de forma bem-sucedida. Certamente, deve ser per- cebido que o gráfico de reologia está sujeito a muitas variações, e assim al- guma variação no posicionamento da área 236 é para ser esperada. Adicio- nalmente, existem diversos outros testes diretos e indiretos para medir reo- logia e plasticidade, e percebe-se que qualquer número deles pode ser em- pregado para verificar se a mistura tem a reologia certa para ela ser extrusa- da para a forma final do produto desejado.In general, the mixture may be adjusted to have a suitable rheology for advantageous extrusion. Suitable rheology typically results from the proper selection and mixing of fibers, binders, dispersants, plasticizers, pore formers and fluids. A high degree of mixing is necessary to adequately provide fiber plasticity. Once the appropriate fiber, binder and pore former have been selected, the amount of fluid is typically final adjusted to meet the appropriate rheology. An appropriate rheology may be indicated as by one of two tests. The first test is a subjective and informal test where a drop of mixture is removed and placed between the fingers of a qualified extrusion operator. The operator is able to identify when the mixture slides properly between the fingers, indicating that the mixture is in a suitable condition for extrusion. A second, more objective test relies on measuring physical characteristics of the mixture. In general, shear strength versus compaction pressure can be measured using a confined annular rheometer (ie high pressure). Measurements are made and plotted according to a comparison of cohesion resistance versus pressure dependence. By measuring the mixture at various mixtures and fluid levels, a rheology chart identifying rheology points can be created. For example, Table 5, Figure 6 illustrates a rheology chart for a fibrous ceramic mixture. The geometric axis 232 represents cohesion resistance and the geometric axis 234 represents pressure dependence. Extrusable area 236 represents an area where fibrous extrusion is highly likely to occur. Therefore, a mixture characterized by any measurement being included in area 236 is probably a mixture for successful extrusion. Of course, it should be noted that the rheology graph is subject to many variations, and thus some variation in the positioning of area 236 is to be expected. In addition, there are several other direct and indirect tests for measuring rheology and plasticity, and it can be seen that any number of them can be employed to verify that the mixture has the right rheology to extrude it into shape. end of the desired product.

Uma vez que a reologia apropriada tenha sido alcançada, a mis- tura é extrusada por meio de uma extrusora. A extrusora pode ser uma ex- trusora de pistão, uma extrusora de rosca simples, ou uma extrusora de ros- ca dupla. O processo de extrusão pode ser altamente automatizado, ou pode exigir intervenção humana. A mistura é extrusada através de uma matriz tendo a forma seccional transversal desejada para o bloco de substrato. A matriz tem sido selecionada para formar de modo suficiente o substrato ver- de. Deste modo, um substrato verde estável é criado que pode ser manuse- ado através do processo de cura, ao mesmo tempo que mantendo sua forma e alinhamento de fibra.Once the appropriate rheology has been achieved, the mixture is extruded through an extruder. The extruder can be a piston extruder, a single screw extruder, or a double screw extruder. The extrusion process may be highly automated, or may require human intervention. The mixture is extruded through a die having the desired cross-sectional shape for the substrate block. The matrix has been selected to sufficiently form the green substrate. In this way a stable green substrate is created that can be handled through the curing process while maintaining its fiber shape and alignment.

O substrato verde é então seco e curado. A secagem pode a- contecer em condições ambientes, em condições de temperatura e umidade controladas (tais como em fornos controlados), em fornos de micro-ondas, fornos RF e fornos de convecção. A cura de uma maneira geral exige a re- moção de água livre para secar o substrato verde. É importante secar o substrato verde em uma maneira controlada assim como para não introduzir fissuras ou outros defeitos estruturais. A temperatura pode então ser elevada para queimar aditivos, tais como aglutinantes e formadores de poro. A tem- peratura é controlada para garantir que os aditivos são queimados em uma maneira controlada. Deve ser percebido que queima de aditivo pode exigir ciclos de temperaturas através de vários ciclos cronometrados e vários ní- veis de calor. Uma vez que os aditivos são queimados, o substrato é aqueci- do para a temperatura exigida para formar uniões estruturais nos pontos ou nós de interseção de fibra. A temperatura exigida é selecionada de acordo com o tipo de união exigida e a química das fibras. Por exemplo, uniões sin- terizadas auxiliadas por líquido são tipicamente formadas em uma tempera- tura menor do que uniões de estado sólido. Também deve ser percebido que a quantidade de tempo na temperatura de união pode ser ajustada de acor- do com o tipo específico de união sendo produzida. O ciclo térmico total po- de ser executado no mesmo forno, em fornos diferentes, em processos por lote ou contínuos e em condições ambientes ou de atmosfera controlada. Depois de as uniões de fibra terem sido formadas, o substrato é resfriado lentamente até a temperatura ambiente. Deve ser percebido que o processo de cura pode ser realizado em um forno ou em múltiplos fornos/fornalhas, e pode ser automatizado em fornos/fornalhas de produção, tais como fornos túneis.The green substrate is then dried and cured. Drying can take place under ambient conditions, controlled temperature and humidity conditions (such as controlled ovens), microwave ovens, RF ovens and convection ovens. Curing generally requires the removal of free water to dry the green substrate. It is important to dry the green substrate in a controlled manner as well as not to introduce cracks or other structural defects. The temperature may then be raised to burn additives such as binders and pore formers. The temperature is controlled to ensure that additives are burned in a controlled manner. It should be noted that additive firing may require temperature cycling through various timed cycles and various heat levels. Once the additives are burned, the substrate is heated to the temperature required to form structural joints at the fiber intersection points or nodes. The required temperature is selected according to the required joint type and fiber chemistry. For example, liquid-aided synthetic joints are typically formed at a lower temperature than solid-state joints. It should also be noted that the amount of time at the joint temperature can be adjusted according to the specific type of joint being produced. The total thermal cycle can be performed in the same oven, in different ovens, in batch or continuous processes and under ambient or controlled atmosphere conditions. After the fiber joints have been formed, the substrate is cooled slowly to room temperature. It should be appreciated that the curing process can be performed in one furnace or in multiple furnaces, and can be automated in production furnaces, such as tunnel furnaces.

Referindo-se agora à figura 7, está ilustrado um sistema para extrusar um substrato poroso. O sistema 250 é um processo altamente flexí- vel para produzir um substrato poroso. A fim de projetar o substrato, as exi- gências de substrato são definidas tal como mostrado no bloco 252. Por e- xemplo, o uso final do substrato define de uma maneira geral as exigências de substrato, as quais podem incluir restrições de tamanho, restrições de temperatura, restrições de resistência e restrições de reação química. Adi- cionalmente, o custo e a facilidade de fabricação da massa do substrato po- dem determinar e impulsionar certas seleções. Por exemplo, uma alta taxa de produção pode requerer a geração de temperaturas relativamente altas na matriz de extrusão e, portanto, são selecionados aglutinantes que operam em uma temperatura elevada sem endurecimento ou formação de gel. Em extrusões usando aglutinantes de alta temperatura, as matrizes e o cilindro podem necessitar ser mantidos em uma temperatura relativamente mais alta tal como 60°C a 180°C. Em um caso como este, o aglutinante pode fundir, reduzindo ou eliminando a necessidade de fluido adicional. Em um outro e- xemplo, um filtro pode ser projetado para capturar matéria particulada, assim a fibra é selecionada para permanecer não-reativa com a matéria particulada mesmo em temperaturas elevadas. Deve ser percebido que uma faixa ampla de aplicações pode ser acomodada, com uma faixa ampla de possíveis mis- turas e processos. Os versados na técnica perceberão as trocas compensa- tórias envolvidas na seleção de fibras, aglutinantes, formadores de poro, fluidos e etapas de processo. De fato, uma das vantagens significativas do sistema 250 é a sua flexibilidade tal como para a seleção de composição de mistura e os ajustes para os processos.Referring now to Figure 7, a system for extruding a porous substrate is illustrated. System 250 is a highly flexible process for producing a porous substrate. In order to design the substrate, substrate requirements are defined as shown in block 252. For example, substrate end use generally defines substrate requirements, which may include size restrictions, temperature restrictions, resistance restrictions and chemical reaction restrictions. In addition, the cost and ease of manufacture of substrate mass can determine and drive certain selections. For example, a high throughput rate may require the generation of relatively high temperatures in the extrusion die and therefore binders that operate at an elevated temperature without hardening or gel formation are selected. In extrusions using high temperature binders, the dies and the cylinder may need to be kept at a relatively higher temperature such as 60 ° C to 180 ° C. In such a case, the binder may melt, reducing or eliminating the need for additional fluid. In another example, a filter may be designed to capture particulate matter, so the fiber is selected to remain unreactive with particulate matter even at elevated temperatures. It should be noted that a wide range of applications can be accommodated, with a wide range of possible mixtures and processes. Those skilled in the art will appreciate the compensatory changes involved in the selection of fibers, binders, pore formers, fluids and process steps. Indeed, one of the significant advantages of the 250 system is its flexibility such as for mixing composition selection and process adjustments.

Uma vez que as exigências de substrato tenham sido definidas, uma fibra é selecionada da tabela 1 da figura 6 tal como mostrado no bloco 253. A fibra pode ser de um único tipo, ou pode ser uma combinação de dois ou mais tipos. Também deve ser percebido que algumas fibras podem ser selecionadas para ser consumidas durante o processo de cura. Também, aditivos podem ser adicionados às fibras, tais como revestimentos sobre as fibras, para introduzir outros materiais na mistura. Por exemplo, agentes dis- persantes podem ser aplicados às fibras para facilitar separação e arranjo de fibras, ou ajudantes de união podem ser revestidos sobre as fibras. No caso de ajudantes de união, quando as fibras alcançam temperaturas de cura, os ajudantes de união auxiliam na formação e fluxo de uniões de estado líquido. Uma composição típica para obter porosidade > 80% <table>table see original document page 28</column></row><table>Once the substrate requirements have been defined, a fiber is selected from Table 1 of Figure 6 as shown in block 253. The fiber may be of a single type, or may be a combination of two or more types. It should also be noted that some fibers may be selected to be consumed during the healing process. Also, additives may be added to the fibers, such as coatings on the fibers, to introduce other materials into the blend. For example, dispersing agents may be applied to the fibers to facilitate fiber separation and arrangement, or joining aids may be coated onto the fibers. In the case of joining aids, when the fibers reach cure temperatures, joining aids assist in the formation and flow of liquid state joints. A typical composition for porosity> 80% <table> table see original document page 28 </column> </row> <table>

Um aglutinante é então selecionado da tabela 2 da figura 6 tal como mostrado no bloco 255. O aglutinante é selecionado para facilitar re- sistência de estado verde, assim como queima controlada. Também, o aglu- tinante é selecionado para produzir suficiente plasticidade na mistura. Se necessário, um formador de poro é selecionado da tabela 3 da figura 6 tal como mostrado no bloco 256. Em alguns casos, porosidade suficiente pode ser obtida somente por meio do uso de fibras e aglutinantes. A porosidade é alcançada não somente pelas características de acondicionamento natural das fibras, mas também pelo espaço ocupado pelos aglutinantes, solventes e outros componentes voláteis que são liberados durante os estágios de de- saglutinação e cura. Para alcançar porosidades mais altas, formadores de poro adicionais podem ser adicionados. Os formadores de poro também são selecionados de acordo com as suas capacidades de queima controlada, e também podem auxiliar na plastificação da mistura. O fluido, o qual é tipica- mente água, é selecionado da tabela 4 da figura 6 tal como mostrado no blo- co 257. Outros materiais líquidos podem ser adicionados, tais como um dis- persante, para auxiliar na separação e arranjo de fibras, e plastificadores e ajudantes de extrusão para melhorar comportamènto de fluxo da mistura. Este dispersante pode ser usado para ajustar as cargas eletrônicas de su- perfície nas fibras. Deste modo, fibras podem ter as suas cargas controla- das para fazer com que fibras individuais repilam umas às outras. Isto faci- lita uma distribuição de fibras mais homogênea e aleatória. Uma composi- ção típica para mistura pretendida para criar um substrato com porosidade > 80% está mostrada acima. Deve ser percebido que a mistura pode ser a- justada de acordo com a porosidade-alvo, a aplicação específica e conside- rações de processo.A binder is then selected from Table 2 of Figure 6 as shown in block 255. The binder is selected to facilitate green state resistance as well as controlled burning. Also, the binder is selected to produce sufficient plasticity in the mixture. If necessary, a pore former is selected from Table 3 of Figure 6 as shown in block 256. In some cases, sufficient porosity can be obtained only by using fibers and binders. Porosity is achieved not only by the natural conditioning characteristics of the fibers, but also by the space occupied by the binders, solvents, and other volatile components that are released during the deglutination and curing stages. To achieve higher porosities, additional pore builders may be added. Pore formers are also selected according to their controlled burning capabilities, and can also aid in the plasticization of the mixture. The fluid, which is typically water, is selected from Table 4 of Figure 6 as shown in block 257. Other liquid materials may be added, such as a dispersant, to aid in fiber separation and arrangement. , and plasticizers and extruders to improve the flow behavior of the mixture. This dispersant can be used to adjust the electronic surface loads on the fibers. In this way, fibers can have their loads controlled to make individual fibers repel each other. This facilitates a more homogeneous and random fiber distribution. A typical mixing composition intended to create a substrate with> 80% porosity is shown above. It should be noted that the mixture can be adjusted according to target porosity, specific application and process considerations.

Tal como mostrado no bloco 254, as fibras selecionadas no blo- co 252 devem ser processadas para ter uma distribuição de relação de as- pecto apropriada. Esta relação de aspecto é preferida para ser na faixa de cerca de 3 a cerca de 500 e pode ter um ou mais modos de distribuição. De- ve ser percebido que outras faixas podem ser selecionadas, por exemplo, até cerca de uma relação de aspecto de 1.000. Em um exemplo, a distribui- ção de relações de aspecto pode ser distribuída aleatoriamente por toda a faixa desejada, e em outros exemplos as relações de aspecto podem ser selecionadas em valores de modo mais distinto. Constatou-se que a relação de aspecto é um importante fator na definição das características de acondi- cionamento para as fibras. Desta maneira, a relação de aspecto e a distribu- ição de relações de aspecto são selecionadas para implementar uma parti- cular exigência de resistência e porosidade. Também deve ser percebido que o processamento das fibras na sua distribuição de relação de aspecto preferida pode ser executado em vários pontos no processo. Por exemplo, fibras podem ser cortadas por um processador de entidade externa e entre- gues em uma predeterminada distribuição de relação de aspecto. Em um outro exemplo, as fibras podem ser fornecidas em uma forma de volume, e processadas para uma relação de aspecto apropriada tal como em uma eta- pa preliminar no processo de extrusão. Deve ser percebido que a mistura, mistura de cisalhamento ou mistura dispersiva, e aspectos de extrusão do processo 250 também podem contribuir para o corte e divisão das fibras. Desta maneira, a relação de aspecto das fibras introduzidas originalmente na mistura será diferente daquela relação de aspecto no substrato final cu- rado. Desta maneira, o efeito de corte e divisão da mistura, mistura de cisa- lhamento, e extrusão deve ser considerado durante a seleção da distribuição de relação de aspecto apropriada 254 introduzida no processo.As shown in block 254, the fibers selected in block 252 must be processed to have an appropriate aspect ratio distribution. This aspect ratio is preferred to be in the range of from about 3 to about 500 and may have one or more modes of delivery. It should be understood that other ranges can be selected, for example, up to about an aspect ratio of 1,000. In one example, the distribution of aspect ratios may be randomly distributed over the entire desired range, and in other examples the aspect ratios may be more distinctly selected in values. It was found that aspect ratio is an important factor in defining the packaging characteristics for fibers. In this way, the aspect ratio and the distribution of aspect ratios are selected to implement a particular strength and porosity requirement. It should also be noted that processing of the fibers at their preferred aspect ratio distribution can be performed at various points in the process. For example, fibers may be cut by an external entity processor and delivered at a predetermined aspect ratio distribution. In another example, the fibers may be supplied in bulk form and processed to an appropriate aspect ratio such as a preliminary stage in the extrusion process. It should be appreciated that mixing, shear mixing or dispersive mixing, and extrusion aspects of process 250 may also contribute to the cutting and splitting of the fibers. In this way, the aspect ratio of the fibers originally introduced into the blend will be different from that of the aspect ratio in the finished final substrate. Thus, the cutting and splitting effect of mixing, shear mixing, and extrusion should be considered when selecting the appropriate aspect ratio distribution 254 introduced in the process.

Com as fibras processadas para a distribuição de relação de as- pecto apropriada, as fibras, aglutinantes, formadores de poro e fluidos são misturados em uma massa homogênea, tal como mostrado no bloco 262. Este processo de mistura pode incluir um aspecto de mistura seca, um as- pecto de mistura molhada e um aspecto de mistura de cisalhamento. Cons- tatou-se que mistura de cisalhamento ou dispersiva é desejável para produ- zir uma distribuição altamente homogênea de fibras dentro da massa. Esta distribuição é particularmente importante por causa da concentração relati- vamente baixa de material cerâmico na mistura. À medida que a mistura homogênea está sendo misturada, a reologia da mistura pode ser ajustada tal como mostrado no bloco 264. À medida que a mistura é misturada a sua reologia continua a mudar. A reologia pode ser testada de forma subjetiva, ou pode ser medida para estar de acordo com a área desejável tal como i- Iustrado na tabela 5 da figura 6. Mistura estando incluída nesta área deseja- da tem uma alta probabilidade de ser extrusada de forma apropriada. A mis- tura é então extrusada para um substrato verde tal como mostrado no bloco 268. No caso de extrusoras de rosca, a mistura também pode acontecer dentro da extrusora propriamente dita, e não em um misturador separado. Em tais casos, a história de cisalhamento da mistura tem que ser cuidado- samente gerenciada e controlada. O substrato verde tem resistência verde suficiente para reter a sua forma e arranjo de fibra durante o processo de cura. O substrato verde é então curado tal como mostrado no bloco 270. O processo de cura inclui remoção de qualquer água remanescente, queima controlada da maioria dos aditivos, e a formação de uniões de fibra com fi- bra. Durante o processo de queima as fibras mantêm a sua relação de ema- ranhadas e de cruzamento, e à medida que o processo de cura prossegue, as uniões são formadas nos pontos ou nós de cruzamento. Deve ser perce- bido que as uniões podem resultar de um processo de união de estado líqui- do ou de um estado sólido. Também deve ser entendido que parte das uni- ões pode ser por causa de reações com aditivos fornecidos no aglutinante, formadores de poro, tais como revestimentos sobre as fibras, ou nas fibras propriamente ditas. Depois de as uniões terem sido formadas o substrato é resfriado lentamente para a temperatura ambiente.With the fibers processed for proper aspect ratio distribution, the fibers, binders, pore formers and fluids are blended into a homogeneous mass as shown in block 262. This blending process may include a dry blending aspect. , a wet mixing aspect and a shear mixing aspect. It has been found that shear or dispersive mixing is desirable to produce a highly homogeneous distribution of fibers within the mass. This distribution is particularly important because of the relatively low concentration of ceramic material in the mixture. As the homogeneous mixture is being mixed, the rheology of the mixture may be adjusted as shown in block 264. As the mixture is mixed its rheology continues to change. The rheology may be subjectively tested, or may be measured to meet the desired area as shown in Table 5 of Figure 6. Mixture being included in this desired area has a high probability of extrusion. appropriate. The mixture is then extruded to a green substrate as shown in block 268. In the case of screw extruders, mixing can also take place within the extruder itself, and not in a separate mixer. In such cases, the shear history of the mixture has to be carefully managed and controlled. The green substrate has sufficient green strength to retain its fiber shape and arrangement during the curing process. The green substrate is then cured as shown in block 270. The curing process includes removal of any remaining water, controlled burning of most additives, and formation of fiber fiber joints. During the burning process the fibers maintain their tangled and crisscrossing relationship, and as the curing process proceeds, the joints are formed at the crisscrossing points or knots. It should be understood that joints may result from a liquid state bonding process or a solid state bonding process. It should also be understood that part of the joints may be due to reactions with additives provided in the binder, pore formers such as coatings on the fibers, or on the fibers themselves. After the joints have been formed the substrate is slowly cooled to room temperature.

Referindo-se agora à figura 8, está ilustrado um método para curar um substrato fibroso poroso. O método 275 tem um substrato verde tendo um conteúdo cerâmico fibroso. O processo de cura primeiro remove lentamente a água remanescente do substrato tal como mostrado no bloco 277. Tipicamente, a remoção de água pode ser feita em uma temperatura relativamente baixa em um forno. Depois de a água remanescente ter sido removida, os aditivos orgânicos podem ser queimados tal como mostrado no bloco 279. Estes aditivos são queimados ém uma maneira controlada para facilitar arranjo apropriado das fibras, e para assegurar que gases e resíduos escapando não interferem com a estrutura de fibra. À medida que os aditivos queimam, as fibras mantêm seu arranjo de sobreposição, e podem adicio- nalmente entrar em contato nos pontos ou nós de cruzamento tal como mos- trado no bloco 281. As fibras são posicionadas nestes arranjos de sobrepo- sição usando o aglutinante, e podem ter padrões particulares formados por meio do uso de formadores de poro. Em alguns casos, aditivos inorgânicos podem ter sido usados, os quais podem combinar com as fibras, ser consu- midos durante o processo de formação de união, ou permanecer como uma parte da estrutura de substrato final. O processo de cura segue para formar uniões de fibra com fibra tal como mostrado no bloco 285. O tempo e tempe- ratura específicos exigidos para criar as uniões depende do tipo das fibras usadas, tipo dos ajudantes ou agentes de união usados, e do tipo de união desejada. Em um exemplo, a união pode ser um aglutinante sinterizado de estado líquido gerada entre fibras tal como mostrado no bloco 286. Tais uni- ões são auxiliadas por formadores de vidro, vidros, precursores cerâmicos ou fluxos inorgânicos presentes no sistema. Em um outro exemplo, um aglu- tinante sinterizado de estado líquido pode ser criado usando ajudantes ou agentes de sinterização tal como mostrado no bloco 288. Os ajudantes de sinterização podem ser fornecidos como um revestimento sobre as fibras, como aditivos, de aglutinantes, de formadores de poro, ou da química das fibras propriamente ditas. Também, a união de fibra com fibra pode ser for- mada por uma sinterização de estado sólido entre fibras tal como mostrado no bloco 291. Neste caso, as fibras que se cruzam exibem crescimento de grão e transferência de massa, resultando na formação de uniões químicas nos nós e em uma estrutura rígida global. No caso de sinterização de estado líquido, uma massa de material de união se acumula nos nós de cruzamento das fibras, e forma a estrutura rígida. Deve ser percebido que o processo de cura pode ser feito em um ou mais fornos, e pode ser automatizado em um forno industrial tipo túnel ou fornalha.Referring now to Figure 8, a method for curing a porous fibrous substrate is illustrated. Method 275 has a green substrate having a fibrous ceramic content. The curing process first slowly removes the remaining water from the substrate as shown in block 277. Typically, water can be removed at a relatively low temperature in an oven. After the remaining water has been removed, the organic additives can be burned as shown in block 279. These additives are burned in a controlled manner to facilitate proper fiber arrangement, and to ensure that escaping gases and debris do not interfere with the structure. Fiber As the additives burn, the fibers maintain their overlapping arrangement, and may additionally come into contact at the crossing points or nodes as shown in block 281. The fibers are positioned in these overlapping arrangements using the binder, and may have particular patterns formed through the use of pore formers. In some cases, inorganic additives may have been used which may combine with the fibers, be consumed during the bonding process, or remain as a part of the final substrate structure. The curing process proceeds to form fiber-to-fiber joints as shown in block 285. The specific time and temperature required to create the joints depends on the type of fibers used, the type of auxiliaries or joining agents used, and the type. desired joint strength. In one example, the joint may be a sintered liquid binder generated between fibers as shown in block 286. Such joints are aided by glass formers, glass, ceramic precursors or inorganic fluxes present in the system. In another example, a liquid sintered binder may be created using sintering aids or agents as shown in block 288. Sintering aids may be provided as a coating on the fibers as additives of binders of pore formers, or the chemistry of the fibers themselves. Also, the fiber-to-fiber joint can be formed by a solid state sintering between fibers as shown in block 291. In this case, the intersecting fibers exhibit grain growth and mass transfer, resulting in the formation of joints. chemicals in the nodes and in a rigid global structure. In the case of liquid state sintering, a mass of bonding material accumulates at the fiber crossing nodes and forms the rigid structure. It should be appreciated that the curing process can be done in one or more furnaces, and can be automated in a tunnel or furnace type industrial furnace.

Referindo-se agora à figura 9, está ilustrado um processo para preparar fibras. O processo 300 mostra que fibras de volume são recebidas tal como mostrado no bloco 305. As fibras de volume tipicamente têm fibras muito longas em um arranjo de agrupadas e entrelaçadas. Tais fibras de vo- lume devem ser processadas para separar e cortar de forma adequada as fibras para uso no processo de mistura. Desta maneira, as fibras de volume são misturadas com a água 307 e possivelmente com um agente dispersan- te 309 para formar uma pasta fluida 311. O dispersante 309 pode ser, por exemplo, um ajustador de pH ou um ajustador de carga para auxiliar as fi- bras no afastamento de umas das outras. Deve ser percebido que diversos tipos diferentes de dispersantes podem ser usados. Em um exemplo, as fi- bras de volume são revestidas com um dispersante antes da introdução na pasta fluida. Em um outro exemplo, o dispersante é simplesmente adiciona- do à mistura de pasta fluida 311. A mistura de pasta fluida é misturada inten- samente tal como mostrado no bloco 314. Esta mistura intensa age para cor- tar e separar as fibras de volume para uma distribuição de relação de aspec- to utilizável. Tal como descrito anteriormente, a relação de aspecto para o uso inicial das fibras será diferente daquele da distribuição no substrato final, já que o processo de mistura e de extrusão corta adicionalmente as fibras.Referring now to Figure 9, a process for preparing fibers is illustrated. Process 300 shows that bulk fibers are received as shown in block 305. Bulk fibers typically have very long fibers in a bundled and interlaced arrangement. Such bulk fibers must be processed to properly separate and cut the fibers for use in the blending process. In this way, the bulk fibers are mixed with water 307 and possibly a dispersing agent 309 to form a slurry 311. The dispersant 309 may be, for example, a pH adjuster or a charge adjuster to aid in they keep away from each other. It should be noted that several different types of dispersants may be used. In one example, the volume fibers are coated with a dispersant prior to introduction into the slurry. In another example, the dispersant is simply added to the slurry mixture 311. The slurry mixture is thoroughly blended as shown in block 314. This intense blend acts to cut and separate the bulk fibers. for a usable aspect ratio distribution. As described above, the aspect ratio for the initial use of the fibers will differ from that of the final substrate distribution since the mixing and extrusion process further cuts the fibers.

Depois de as fibras terem sido cortadas para uma distribuição de aspecto apropriada, a água é na maioria das vezes removida usando-se um filtro-prensa 316 ou por pressionar contra um filtro em um outro equipamen- to. Deve ser percebido que outros processos de remoção de água podem ser usados, tais como secagem por congelamento. O filtro-prensa pode usar pressão, vácuo ou outro dispositivo para remover água. Em um exemplo as fibras cortadas são secas adicionalmente para um completo estado seco tal como mostrado no bloco 318. Estas fibras secas podem então ser usadas em um processo de mistura seca 323 onde elas são misturadas com outros aglutinantes e formadores de poro secos tal como mostrado no bloco 327. Esta mistura inicial seca auxilia na geração de uma massa homogênea. Em um outro exemplo, o conteúdo de água das fibras filtradas é ajustado para conteúdo de umidade apropriada tal como mostrado no bloco 321. Mais par- ticularmente, água suficiente é deixada no pedaço de fibra cortada para faci- litar mistura molhada tal como mostrado no bloco 325. Constatou-se que por deixar parte da água de pasta fluida com as fibras, separação e distribuição adicional das fibras podem ser obtidas. Aglutinantes e formadores de poro também podem ser adicionados no estágio de mistura molhada, e a água 329 pode ser acrescentada para se obter a correta reologia. A massa tam- bém é misturada por cisalhamento tal como mostrado no bloco 332. A mistu- ra de cisalhamento também pode ser feita pela passagem da mistura através de matrizes em forma de espaguete usando-se uma extrusora de rosca, uma extrusora de rosca dupla, ou um misturador de cisalhamento (tal como mis- turador tipo lâmina em sigma). A mistura de secagem também pode aconte- cer em um misturador sigma, um misturador de alto cisalhamento, e dentro da extrusora de rosca. O processo de mistura de cisalhamento é desejável para criar para trabalho uma massa mais homogênea 335 que tenha plasti- cidade desejável e reologia extrusável para extrusão. A massa homogênea 335 tem uma distribuição de fibras uniforme, com as fibras posicionadas em uma matriz de sobreposição. Deste modo, à medida que a massa homogê- nea é extrusada para um bloco de substrato e curada, às fibras é permitido que se unam em uma estrutura rígida. Adicionalmente, esta estrutura rígida forma uma rede de poros abertos tendo alta porosidade, alta permeabilidade e alta área de superfície.After the fibers have been cut to an appropriate appearance distribution, water is most often removed using a filter press 316 or by pressing against a filter in another apparatus. It should be understood that other water removal processes may be used, such as freeze drying. The filter press may use pressure, vacuum or other device to remove water. In one example the chopped fibers are further dried to a complete dry state as shown in block 318. These dried fibers can then be used in a dry blending process 323 where they are blended with other dry pore binders and binders as shown. in block 327. This dry initial mixture assists in the generation of a homogeneous mass. In another example, the water content of the filtered fibers is adjusted to the appropriate moisture content as shown in block 321. More particularly, sufficient water is left in the cut fiber piece to facilitate wet mixing as shown in block 325. It has been found that by leaving part of the slurry water with the fibers, further separation and distribution of the fibers can be obtained. Binders and pore formers may also be added at the wet mixing stage, and water 329 may be added for correct rheology. The dough is also shear mixed as shown in block 332. Shear mixing can also be done by passing the mixture through spaghetti dies using a screw extruder, a twin screw extruder. , or a shear mixer (such as a sigma blade mixer). The drying mixture may also occur in a sigma mixer, a high shear mixer, and within the screw extruder. The shear mixing process is desirable to create a more homogeneous mass 335 that has desirable plasticity and extrudable rheology for extrusion to work. The homogeneous mass 335 has a uniform fiber distribution with the fibers positioned in an overlap matrix. Thus, as the homogeneous mass is extruded into a substrate block and cured, the fibers are allowed to join in a rigid structure. Additionally, this rigid structure forms a network of open pores having high porosity, high permeability and high surface area.

Referindo-se agora à figura 10, está ilustrado um método para produzir um bloco de substrato de gradiente. O processo 350 é projetado para capacitar a fabricação e extrusão de um bloco de substrato tendo uma característica de gradiente. Por exemplo, um substrato pode ser produzido tendo um primeiro material na direção do centro do bloco, e um material dife- rente na direção para fora do bloco. Em um exemplo mais específico, um material tendo um coeficiente de expansão térmica mais baixo é usado na direção do centro do bloco onde particularmente calor alto é esperado, en- quanto que um material com coeficiente de expansão térmica relativamente alto é usado nas áreas externas onde menos calor é esperado. Deste modo, uma propriedade de expansão mais unificada pode ser mantida para o bloco total. Em um outro exemplo, áreas selecionadas de um bloco podem ter ma- terial cerâmico de densidade mais alta para fornecer suporte estrutural au- mentado. Estes elementos de suporte estrutural podem ser arranjados con- centricamente ou arranjados axialmente no bloco. Desta maneira, os materi- ais específicos podem ser selecionados de acordo com gradientes deseja- dos em porosidade, tamanho de poro ou química de acordo com as exigên- cias de aplicação. Adicionalmente, o gradiente pode requerer o uso de mais de dois materiais.Referring now to Figure 10, a method for producing a gradient substrate block is illustrated. Process 350 is designed to enable fabrication and extrusion of a substrate block having a gradient feature. For example, a substrate may be produced having a first material in the direction of the center of the block, and a different material in the direction out of the block. In a more specific example, a material having a lower thermal expansion coefficient is used toward the center of the block where particularly high heat is expected, while a material with a relatively high thermal expansion coefficient is used in outdoor areas where Less heat is expected. In this way a more unified expansion property can be maintained for the total block. In another example, selected areas of a block may have higher density ceramic material to provide increased structural support. These structural support elements can be arranged concentric or axially arranged in the block. In this way, specific materials can be selected according to desired gradients in porosity, pore size or chemistry according to the application requirements. Additionally, the gradient may require the use of more than two materials.

Em um exemplo, a estrutura de gradiente pode ser produzida pelo fornecimento de um cilindro de um primeiro material 351. Uma lâmina de um segundo material 353 é enrolada em volta do cilindro 351 tal como mostrado pela ilustração 355. Deste modo, a camada B 353 se toma um tu- bo concêntrico em volta do cilindro interno 351. O cilindro provido de camada 355 é então colocado em uma extrusora de pistão, o ar é retirado e a massa é extrusada através de uma matriz. Durante o processo de extrusão, materi- al misturará na interface entre o material Aeo material B, facilitando uma interface sem interrupção. Uma interface como esta capacita a sobreposição e união de fibras entre os dois diferentes tipos de materiais, facilitando assim uma estrutura total mais forte. Uma vez que o material foi extrusado, curado e acondicionado, ele produz um pacote de filtro ou conversor catalítico 357 tendo um substrato de gradiente. Mais particularmente, o material A se for- ma no centro do substrato, enquanto que o material B 361 se forma nas par- tes externas. Deve ser percebido que mais de dois materiais podem ser u- sados, e que tamanho de poro, porosidade e características químicas podem ser ajustadas de forma gradual.In one example, the gradient structure may be produced by providing a cylinder of a first material 351. A blade of a second material 353 is wrapped around cylinder 351 as shown in illustration 355. Thus, layer B 353. a concentric tubing is taken around the inner cylinder 351. The layered cylinder 355 is then placed in a piston extruder, air is withdrawn and the mass is extruded through a die. During the extrusion process, material will mix at the interface between material A and material B, facilitating an uninterrupted interface. Such an interface enables fiber overlap and joining between the two different types of materials, thus facilitating a stronger overall structure. Once the material has been extruded, cured and packaged, it produces a filter pack or catalytic converter 357 having a gradient substrate. More particularly, material A forms at the center of the substrate, while material B 361 forms at the outer parts. It should be noted that more than two materials can be used, and that pore size, porosity and chemical characteristics can be adjusted gradually.

Referindo-se agora à figura 11, um outro processo 375 está des- crito para criar um substrato de gradiente. No processo 375, um primeiro cilindro 379 é fornecido aproximadamente do tamanho do cilindro de extru- são de pistão. Em um exemplo, o cilindro externo 379 é o cilindro real usado na extrusora de pistão. Um tubo interno 377 tendo um diâmetro menor do que o do tubo externo 379 é fornecido. Os tubos são arranjados concentri- camente de maneira que o tubo interno 377 é posicionado concentricamente dentro do tubo 379. Péletes de um primeiro material de mistura extrusável 383 são depositados dentro do tubo 377, enquanto que péletes de um se- gundo material de mistura extrusável 381 são depositados no anel entre o tubo 377 e o tubo 379. O tubo interno é removido cuidadosamente, de ma- neira que o material A é circundado concentricamente pelo material 381. O arranjo de material é então colocado no pistão de extrusão, o ar é removido, e é extrusado através de uma matriz. Uma vez extrusado, curado e acondi- cionado, um substrato de gradiente tal como descrito com referência à figura 10 é produzido. Deve ser percebido que mais de dois anéis concêntricos podem ser criados, e que vários tipos de gradientes podem ser produzidos.Referring now to Figure 11, another process 375 is described for creating a gradient substrate. In process 375, a first cylinder 379 is provided approximately the size of the piston extrusion cylinder. In one example, outer cylinder 379 is the actual cylinder used in the piston extruder. An inner tube 377 having a smaller diameter than outer tube 379 is provided. The tubes are arranged concentrically so that the inner tube 377 is positioned concentrically within the tube 379. Pellets of a first extrusable mixing material 383 are deposited within tube 377, while pellets of a second extrusable mixing material 381 are deposited in the ring between tube 377 and tube 379. The inner tube is carefully removed so that material A is concentrically surrounded by material 381. The material arrangement is then placed in the extrusion piston, air is removed, and is extruded through a die. Once extruded, cured and packaged, a gradient substrate as described with reference to Figure 10 is produced. It should be noted that more than two concentric rings can be created, and that various types of gradients can be produced.

Referindo-se agora à figura 12, está ilustrado um outro método de construção de um substrato de gradiente. O método 400 tem uma coluna de mistura extrusável 402 tendo discos alternantes de dois materiais extru- sáveis. A mistura extrusável 402 tem um primeiro material 403 adjacente a um segundo material 404. Em um exemplo, o material A é relativamente po- roso, enquanto que o material B é menos poroso. Durante a extrusão, o ma- terial fluirá através da matriz de extrusão fazendo com que fibras da parte A e da parte B se misturem em um arranjo de sobreposição. Deste modo, cada parte A e B é unida conjuntamente para se tornar um bloco de substrato fi- broso. Mediante cura e acondicionamento, um filtro 406 é criado. O filtro 406 tem uma primeira parte 407 tendo porosidade relativamente alta e uma se- gunda parte 408 tendo menos porosidade. Deste modo, gás fluindo através do filtro 406 é primeiramente filtrado através de uma área de alta porosidade tendo grande tamanho de poro, e então filtrado através de uma área menos porosa tendo menor tamanho de poro. Deste modo, as partículas grandes são capturadas na área 407, enquanto que as partículas menores são captu- radas na área 408. Deve ser percebido que o tamanho e número de discos de material podem ser ajustados de acordo com as necessidades de aplica- ção.Referring now to Figure 12, another method of constructing a gradient substrate is illustrated. Method 400 has an extrusable mixing column 402 having alternating discs of two extrusable materials. Extrudable mixture 402 has a first material 403 adjacent to a second material 404. In one example, material A is relatively powdery, while material B is less porous. During extrusion, the material will flow through the extrusion die causing fibers from part A and part B to blend in an overlapping arrangement. In this way, each part A and B is joined together to become a fiber substrate block. Upon cure and packaging, a 406 filter is created. Filter 406 has a first part 407 having relatively high porosity and a second part 408 having less porosity. Thus, gas flowing through the filter 406 is first filtered through a high porosity area having large pore size, and then filtered through a less porous area having smaller pore size. Thus, large particles are captured in area 407, while smaller particles are captured in area 408. It should be understood that the size and number of material discs can be adjusted to suit application needs.

O sistema de extrusão de fibra oferece grande flexibilidade na implementação. Por exemplo, uma faixa ampla de fibras e aditivos pode ser selecionada para formar a mistura. Diversas opções de mistura e extrusão existem, assim como opções relacionadas a método, tempo e temperatura de cura. Com os preceitos revelados, os versados nas técnicas de extrusão entenderão que muitas variações poderão ser usadas. Substrato alveolar é um projeto comum para ser produzido usando a técnica descrita na presente invenção, mas outras formas, tamanhos, contornos e projetos podem ser extrusados para várias aplicações.The fiber extrusion system offers great flexibility in implementation. For example, a wide range of fibers and additives may be selected to form the blend. Several blending and extrusion options exist, as well as curing method, time and temperature options. With the precepts revealed, those skilled in extrusion techniques will understand that many variations can be used. Alveolar substrate is a common design to be produced using the technique described in the present invention, but other shapes, sizes, contours and designs can be extruded for various applications.

Para certas aplicações, tais como uso em dispositivos de filtra- gem (DPF, filtros de óleo/ar, filtros de gás quente, filtros de ar, filtros de á- gua, etc.) ou dispositivos catalíticos (tais como conversores catalíticos de 3 vias, catalisadores SCR, desionizadores, desodorizadores, reatores biológi- cos, reatores químicos, catalisadores de oxidação, etc.) os canais em um substrato extrusado podem necessitar ser obstruídos. Material de composi- ção similar ao substrato extrusado é usado para obstruir o substrato. A obs- trução pode ser feita no estado verde ou em um substrato sinterizado. A maioria das composições para obstrução exigem tratamento térmico para curar e se unir ao substrato extrusado.For certain applications such as use in filtration devices (DPF, oil / air filters, hot gas filters, air filters, water filters, etc.) or catalytic devices (such as 3-way catalytic converters). SCR catalysts, deionizers, deodorizers, biological reactors, chemical reactors, oxidation catalysts, etc.) The channels in an extruded substrate may need to be clogged. Composite material similar to the extruded substrate is used to clog the substrate. The obstruction may be in the green state or on a sintered substrate. Most clogging compositions require heat treatment to cure and bond to the extruded substrate.

Embora modalidades particulares preferidas e alternativas da presente invenção tenham sido reveladas, estará aparente para os versados na técnica que muitas diferentes modificações e extensões da tecnologia descrita anteriormente podem ser implementadas usando o preceito desta invenção descrita neste documento. Todas as tais modificações e extensões devem ser consideradas para ser incluídas no verdadeiro espírito e escopo da invenção tal como discutido nas reivindicações anexas.While particular preferred and alternative embodiments of the present invention have been disclosed, it will be apparent to those skilled in the art that many different modifications and extensions of the above described technology may be implemented using the precept of this invention described herein. All such modifications and extensions should be considered to be included in the true spirit and scope of the invention as discussed in the appended claims.

Claims (10)

1. Substrato poroso, caracterizado pelo fato de que possui uma porosidade na faixa de cerca de 60% a cerca de 90%, tem uma estrutura formada de fibras inorgânicas unidas, e é produzido por um processo de ex- trusão compreendendo: misturar uma fibra inorgânica com aditivos e um fluido para for- mar uma mistura extrusável; extrusar a mistura extrusável para um substrato verde; e curar o substrato verde para o substrato poroso.Porous substrate, characterized in that it has a porosity in the range of from about 60% to about 90%, has a structure formed of joined inorganic fibers, and is produced by an extrusion process comprising: mixing a fiber inorganic with additives and a fluid to form an extrudable mixture; extruding the extrudable mixture to a green substrate; and curing the green substrate to the porous substrate. 2. Substrato poroso, de acordo com a reivindicação 1, caracteri- zado pelo fato de que a etapa de cura gera uniões de fibra com fibra que formam a estrutura.Porous substrate according to claim 1, characterized in that the curing step generates fiber to fiber joints that form the structure. 3. Substrato poroso, de acordo com a reivindicação 1, caracteri- zado pelo fato de que as uniões são formadas por sinterização ou por for- mação de uniões de vidro, vidro-cerâmico ou cerâmicas.Porous substrate according to Claim 1, characterized in that the joints are formed by sintering or forming glass, ceramic-glass or ceramic joints. 4. Substrato poroso como definido na reivindicação 1, caracteri- zado pelo fato de que a etapa de cura gera uniões de fibra com fibra que formam uma rede de poros abertos.Porous substrate as defined in claim 1, characterized in that the curing step generates fiber-to-fiber joints that form a network of open pores. 5. Substrato poroso, de acordo com a reivindicação 1, caracteri- zado pelo fato de que as fibras inorgânicas têm uma relação de aspecto dis- tribuída de um modo na faixa de 3 a 1.000.Porous substrate according to claim 1, characterized in that the inorganic fibers have a aspect ratio of about 3 to 1,000. 6. Substrato poroso, de acordo com a reivindicação 1, caracteri- zado pelo fato de que as fibras inorgânicas são selecionadas da tabela 1 da figura 6.Porous substrate according to Claim 1, characterized in that the inorganic fibers are selected from Table 1 of Figure 6. 7. Substrato poroso, de acordo com a reivindicação 1, caracteri- zado pelo fato de que pelo menos alguns contatos de fibra com fibra não formam uniões.Porous substrate according to claim 1, characterized in that at least some fiber-to-fiber contacts do not form joints. 8. Substrato poroso, de acordo com a reivindicação 1, caracteri- zado pelo fato de que substancialmente todos os contatos de fibra com fibra formam uniões.Porous substrate according to claim 1, characterized in that substantially all fiber-to-fiber contacts form joints. 9. Substrato poroso, de acordo com a reivindicação 1, caracteri- zado pelo fato de que inclui adicionalmente uma primeira união de seção de substrato usando um primeiro tipo de união de fibra com fibra, e uma segun- da seção de substrato usando um segundo tipo de união de fibra com fibra.Porous substrate according to claim 1, characterized in that it further includes a first substrate section joint using a first fiber-to-fiber joint type, and a second substrate section using a second substrate section. fiber to fiber joint type. 10. Substrato poroso, de acordo com a reivindicação 1, caracte- rizado pelo fato de que as fibras inorgânicas incluem materiais cristalinos, amorfos, de vidro ou cerâmicos.Porous substrate according to claim 1, characterized in that the inorganic fibers include crystalline, amorphous, glass or ceramic materials.
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