CN101274291A - 蜂窝状金属丝网载体上涂覆氧化铝涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
一种在蜂窝状金属丝网载体上涂覆氧化铝涂层的方法，属于金属载体涂层制备技术领域。其特征是蜂窝金属丝网载体成型后，对金属表面进行预处理，然后蜂窝状金属丝网载体浸渍在含有γ－Al2O3粉和铝粉的浆料中，通过电沉积的方法在蜂窝状金属丝网载体表面沉积γ－Al2O3粉和铝粉，最后煅烧涂覆上涂层的蜂窝状金属载体。其中所述蜂窝状金属载体材料是含铝不锈钢金属丝网，涂层在蜂窝状金属丝网载体表面分散均匀、不龟裂，涂层厚度为30～80μm；铝粉的加入提高了涂层的抗热震性能和抗机械振动性能，提高涂层与蜂窝状金属丝网间粘合度。本发明的有益效果是该方法适用于环保领域如机动车尾气、固定源尾气和催化燃烧领域涉及的气固催化反应所用的催化剂载体涂层的制备。
Description
技术领域
本发明属于金属载体涂层制备技术领域，涉及一种在蜂窝状金属丝网载体上涂覆氧化铝涂层的方法。
背景技术
催化剂大多需要附着在一定的催化剂载体上进行催化，为了扩大催化剂和载体的接触面积，需要在载体上涂覆一层高比表面积的涂层，γ-Al2O3具有较大的比表面积是催化剂载体制备技术中最常用的载体介质之一。
金属载体具有热容小、热导率高、排气阻力小等优点，但金属载体的金属载体的比表面积很小。使用时需要在表面负载一层高比表面积的涂层。
由于金属载体与陶瓷涂层材料的热膨胀系数相差较大，使得载体与涂层之间的粘合强度较差，涂层易龟裂、剥落。而涂层和载体的粘合度对整体式催化的催化效果以及寿命有重要的影响，只有涂层附着牢固，不易脱落，才能使附着在其表面的催化活性组分有效地发挥作用，因此国内外的研究者都在积极研究改善涂层和金属载体结合性能的方案。
目前，由于金属载体的优点，吸引人们对金属载体涂层的制备。
对于金属载体表面涂层的制备技术，有下面四个典型的例子：
(一)邵潜等人在中华人民共和国国家知识产权局发表的专利申请：“一种在蜂窝载体上涂覆活性组分的方法”[申请(专利号：02120774.7；公开(公告)号：CN1461672A]；其技术方案是：将蜂窝载体竖直放置，载体是一种具有颗粒捕捉功能的蜂窝载体，在载体的下端施加真空，同时，在载体的上端连续喷淋含有活性组分的浆料，载体下端的压力大约为0至85千帕，直到喷淋得浆液充满所有的孔道，旋转载体180度，重复前面的操作，再次旋转载体180度，放置载体，使多余的浆液从孔道中流出。该方法的缺点是：(1)需要具有颗粒捕捉功能的载体；(2)需要真空条件且需要多次涂覆才能完成；(3)浆液容易堵塞孔道；(4)涂层分布不均匀。
(二)潘陆等人在中华人民共和国国家知识产权局发表的专利申请：“一种高比表面积三氧化二铝涂层制备方法及用该方法制备的涂层和金属载体三效催化器”[申请(专利号：200610165094.3；公开(公告)号：CN1970152A]
其技术方案是：准备浆料：将三氧化二铝及其配料研磨后制浆，按浆料总量的0.2～1％加入有机醇类共聚物表面活性剂，搅拌均匀备用；制备涂层：将前述三氧化二铝浆料涂覆于载体表面，并经烘干、焙烧和老化处理。该方法操作简单。但该方法不能提高涂层和金属载体间的粘合度，涂层容易龟裂和脱落。
(三)Shik Chung等人在Ind.Eng.Chem.Res.2004，43，907-912上发表的文章：“包覆Al/Al2O3的蜂窝状金属丝网载体的研制及其催化燃烧有机污染物研究”(Development of Al/Al2O3-Coated Wire-Mesh Honeycombs for CatalyticCombustion of Volatile Organic Compounds in Air)一文中，其方案是：第一步，采用电沉积法在金属丝网上沉积铝粉；第二步，在通He气的条件下800℃煅烧3小时，然后在空气的条件下500℃煅烧5小时目的是在丝网表面形成一层三氧化二铝膜用于负载催化剂。优点：采用电沉积法使涂层在金属载体上均匀沉积，涂层无龟裂。缺点：(1)涂层比表面积小；(2)形成的三氧化二铝涂层薄；(3)需要在He气中加热条件苛刻，不易操作。
(四)全燮、孙红等人在中华人民共和国国家知识产权局发表的专利申请：“一种具有氧化铝涂层的蜂窝状金属丝网载体及其制备方法”[申请(专利号：200710010359.7；公开(公告)号：CN101049577]其特征在于：将附着牢固氧化铝涂层的多个平板状和多个瓦楞状金属丝网加工制成带有涂层的蜂窝状金属丝网载体，载体内部为三维通透结构，载体骨架材料为不锈钢金属丝网；蜂窝状金属丝网载体成形之前，采用电沉积的方法在平板状和瓦楞状金属丝网表面制备氧化铝涂层，γ-Al2O3粉末为沉积材料。该涂层制备方法的优点是涂层均匀涂覆在金属丝网表面，涂层无龟裂。缺点：(1)涂层是在载体未成型前涂覆，成型时易对涂层造成破坏；(2)涂层和基体问的粘合度不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在蜂窝状金属丝网载体上涂覆氧化铝涂层的方法，解决现有技术存在的金属载体与涂层之间粘合度较差、涂层制备工艺复杂、涂层在金属表面涂覆不均匀、易龟裂剥落等问题。
本发明的技术方案包括如下步骤：
第一步，蜂窝状金属丝网载体的预处理：蜂窝状金属丝网载体浸入硫酸溶液中，在超声的条件下浸泡3～10min取出后用去离子水冲洗，然后在100～120℃下干燥1～3h。
第二步，沉积液的制备：向不断搅拌的无水乙醇中加入20～60g/Lγ-Al2O3和4～40g/L铝粉，然后加入聚丙烯酸乙醇溶液和异丙醇铝无水乙醇溶液，聚丙烯酸和异丙醇铝的浓度分别为1.0～10.0mg/L和0.1～0.5g/L，搅拌30min后在超声震荡器中超声30min。
第三步，搅拌的情况下在浆液中加入10～40V电压5h，使用电极为不锈钢电极。
第四步，沉积液在搅拌的条件下，蜂窝状金属丝网载体完全浸没在沉积液中，以蜂窝状金属丝网载体为阴极，不锈钢平板为阳极，不锈钢电极在池底，蜂窝状金属载体在电极上方，沉积电压为10～80V，沉积时间为10～30min，电沉积后，载体在常温下晾干。
第五步，置于马弗炉中以120℃/h的升温速度升至800～1000℃，保温1～3h。涂层比表面积20～230m2/g。
对于本发明所述的蜂窝状金属丝网材料选择含铝的不锈钢丝网；涂层原料中γ-Al2O3粉和铝粉的粒径为2～28μm；如果沉积液中γ-Al2O3粉和铝粉粒径小于2μm，颗粒容易团聚，沉降到反应器底部，不利于沉积到载体表面；粒径大于28μm时，颗粒容易沉降，也不利于沉积。涂层是通过电沉积的方法实现，沉积电压为直流电压10～80V，沉积时间为10～30min。
本发明电沉积电压和沉积时间的选择与蜂窝状金属丝网载体体积大小、需要氧化铝涂层的厚度有关，当需要金属载体体积一定时，氧化铝涂层的厚度随着电沉积电压和时间的增加而增大；当需要沉积的涂层的厚度一定时，需要沉积涂层的金属载体体积越大，则需要的电沉积电压越大和沉积时间越长。电沉积液的成分影响着涂层与金属丝网之间的粘合强度，γ-Al2O3和铝粉在浆料中质量比为0～10；当γ-Al2O3和铝在浆料中质量比为0时，即全部为铝粉时，涂层与蜂窝状载体粘合度强，涂层的比表面积20m2/g；当γ-Al2O3和铝在浆料中质量比为1时，涂层比表面积为80m2/g，涂层在进行超声测试和热震荡测试后脱落率为1.0％；当γ-Al2O3和铝在浆料中质量比为10时，涂层比表面积为230m2/g得到的涂层在进行超声测试和热震荡测试后脱落率为24.7％。因此改变铝粉在沉积液中的含量可解决涂层和金属载体的粘合度问题。
在无水乙醇中加入γ-A12O3粉、铝粉、聚丙烯酸乙醇溶液和异丙醇铝时，当聚丙烯酸和异丙醇铝的浓度分别为2.035mg/L和0.18g/L时，可以得到均匀的涂层。
当焙烧温度低于800℃时，金属载体中铝不能很好的溢出，涂层不能牢固的附着在金属载体表面；高于1000℃涂层的比表面积将减小。
本发明的效果和益处是：
(1)蜂窝状金属丝网采用含铝不锈钢为材料，在高温下该金属载体溢出的铝和涂层中的铝结合形成一结合层，该层不仅可以使涂层和金属载体间有强的粘合力度，而且该层还可以对在高温下金属丝热膨胀对涂层的破坏起保护作用；
(2)载体成型后通过电沉积的方法在金属丝网表面制备氧化铝涂层，氧化铝涂层均匀附着在其表面，涂层无龟裂；
(3)通过加入铝粉提高了涂层的抗热震性能和抗机械振动性能；
(4)通过改变浆料中铝粉的含量可改变涂层与蜂窝状金属丝网载体间的粘合度和涂层的表面积；
(5)电沉积液以γ-Al2O3粉和铝粉为原料，在金属丝网表面制备的涂层表面没有皲裂，具有高的比表面积；
(6)涂层是采用电沉积一次性涂覆到蜂窝状金属丝网载体表面，工艺简单，适用于环保领域如机动车尾气、固定源尾气和催化燃烧领域涉及的气固催化反应所采用的催化剂载体涂层的制备。
附图说明
图1是在900℃温度下焙烧2h得到的金属丝网上氧化铝涂层的环境扫描电镜图(ESEM)。
本发明的金属丝网上涂层的扫描电镜图，是采用JSM-5600LV扫描电镜，在加速电压为20kV的条件下拍摄的。由图中可见，涂层附着均匀、致密，表面没有皲裂。
图2是电沉积液中γ-Al2O3粉和铝粉的比值与形成涂层进行的机械震荡测试和热冲击测试后损失率所形成的曲线图。图中横坐标为γ-Al2O3和铝粉的比值，纵坐标为涂层经测试后的损失率。
其中机械震荡测试在超声波清洗器中进行(数控超声波清洗器，KQ5200DE)超声30min；热冲击测试是把样品加热到90O℃后迅速在空气中冷却，重复12次。
具体实施例
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1：选用0Fe25Cr5Al的含铝不锈钢丝网(30目，丝径0.3mm)的蜂窝状载体规格为
第一步，蜂窝状金属丝网载体浸入10％的硫酸溶液中，在超声的条件下浸泡5min，取出后用去离子水冲洗，然后在100℃下干燥5h；
第二步，向不断搅拌的184ml无水乙醇中加入8gγ-Al2O3粉(粒径5～10μm)和0.8g铝粉(粒径为4～5μm)，然后加入4ml 1.016g/L的聚丙烯酸乙醇溶液和12ml的3g/L异丙醇铝乙醇溶液，浆液总体积为200ml。搅拌30min后在超声震荡器中超声30min；
第三步，搅拌的情况下在浆液中施加10V电压5h，所用电极为不锈钢电极；
第四步，沉积液在搅拌的条件下，蜂窝状金属丝网载体完全浸没在沉积液中，以蜂窝状金属丝网载体为阴极，不锈钢平板为阳极，不锈钢电极在池底，蜂窝状金属丝网载体在电极正上方，沉积电压为20V；沉积时间为20min，电沉积后，在100℃下干燥8h；
第五步，置于马弗炉中以120℃/h的升温速度升至800℃，保温2h。
结果显示该实例中涂层无龟裂，也无剥落，在机械震荡测试(数控超声波清洗器，KQ5200DE)30min后再进行热冲击测试(样品加热到900℃后迅速在空气中冷却，重复12次)后涂层总损失为24.7％。
实施例2：选用0Fe25Cr5Al的含铝不锈钢丝网(30目，丝径0.3mm)的蜂窝状载体规格为
第一步，蜂窝状金属丝网载体浸入硫酸溶液中，在超声的条件下浸泡5min，取出后用去离子水冲洗，然后在100℃下干燥8h；
第二步，向不断搅拌的184ml无水乙醇中加入8gγ-Al2O3粉(粒径5～10μm)和2.0g铝粉(粒径为4～5μm)，然后加入4ml 1.016g/L的聚丙烯酸乙醇溶液和12ml的3g/L异丙醇铝乙醇溶液，浆液总体积为200ml。搅拌30min后在超声震荡器中超声30min；
第三步，搅拌的情况下在浆液中施加20V电压5h，所用电极为不锈钢电极；
第四步，沉积液在搅拌的条件下，蜂窝状金属丝网载体完全浸没在沉积液中，以蜂窝状金属丝网载体为阴极，不锈钢平板为阳极，不锈钢电极在池底，蜂窝状金属丝网载体在电极正上方，沉积电压为30V；沉积时间为18min，电沉积后，在100℃下干燥8h；
第五步，置于马弗炉中以120℃/h的升温速度升至900℃，保温2h。
结果显示该实例中涂层无龟裂，也无剥落，在机械震荡测试(数控超声波清洗器，KQ5200DE)30min后再进行热冲击测试(样品加热到900℃后迅速在空气中冷却，重复12次)后涂层总损失为10.9％。
实施例3：选用0Fe25Cr5Al的含铝不锈钢丝网(30目，丝径0.3mm)的蜂窝状载体规格为
第一步，蜂窝状金属丝网载体浸入硫酸溶液中，在超声的条件下浸泡10min取出后用去离子水冲洗，然后在100℃下干燥8h；
第二步，向不断搅拌的184ml无水乙醇中加入8.0gγ-Al2O3粉(粒径5～10μm)和8.0g铝粉(粒径为4～5μm)，然后加入4ml 1.016g/L的聚丙烯酸乙醇溶液和12ml的3g/L异丙醇铝乙醇溶液液，浆液总体积为200ml。搅拌30min后在超声震荡器中超声30min；
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第四步，沉积液在搅拌的条件下，蜂窝状金属丝网载体完全浸没在沉积液中，以蜂窝状金属丝网载体为阴极，不锈钢平板为阳极，不锈钢电极在池底，蜂窝状金属丝网载体在电极正上方，沉积电压为30V；沉积时间为20min，电沉积后，在100℃下干燥8h；
第五步，置于马弗炉中以120℃/h的升温速度升至900℃，保温2h。
结果显示该实例中涂层涂层无龟裂，也无剥落，在机械震荡测试(数控超声波清洗器，KQ5200DE)30min后再进行热冲击测试(样品加热到900℃后迅速在空气中冷却，重复12次)后涂层总损失为1.0％。
如前面所述，证实按本发明实施方案的涂层和含铝的蜂窝状金属丝网载体之间的粘合度极好，涂层均匀分布在载体表面，既无龟裂也无脱落。
Claims (6)
1.蜂窝状金属丝网载体上涂覆氧化铝涂层的方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，蜂窝状金属丝网载体的预处理：蜂窝状金属丝网载体浸入硫酸溶液中，在超声的条件下浸泡3～10min取出后用去离子水冲洗，然后在100～120℃下干燥1～3h；
第二步，沉积液的制备：向不断搅拌的无水乙醇中加入20～60g/Lγ-Al2O3粉、4～40g/L铝粉、聚丙烯酸、异丙醇铝，聚丙烯酸和异丙醇铝的浓度分别为1.0～10.0mg/L和0.1～0.5g/L，搅拌30min后再在超声震荡器中超声30min；
第三步，搅拌的情况下在浆液中施加10～40V电压5h，使用电极为不锈钢电极；
第四步，沉积液在搅拌的条件下，蜂窝状金属丝网载体完全浸没在沉积液中，采用电沉积方法沉积涂层，以蜂窝状金属丝网载体为阴极，不锈钢平板为阳极，不锈钢电极在池底，蜂窝状金属丝网载体在电极上方，电沉积后，载体在常温下晾干；
第五步，置于马弗炉中以120℃/h的升温速度升至800～1000℃，保温1～3h，涂层比表面积20～230m2/g。
2.根据权利要求1所述的蜂窝状金属丝网载体上涂覆氧化铝涂层的方法，其特征在于所述金属丝网材料为含铝的不锈钢丝网。
3.根据权利要求1或2所述的蜂窝状金属丝网载体上涂覆氧化铝涂层的方法，其特征在于所述涂层原料中γ-Al2O3粉和铝粉的粒径为2～28μm。
4.根据权利要求1或2所述的蜂窝状金属丝网载体上涂覆氧化铝涂层的方法，其特征在于通过控制电沉积电压和沉积时间来控制氧化铝涂层的厚度，沉积电压为直流电压10～80V，沉积时间为10～30min。
5.根据权利要求1或2所述的蜂窝状金属丝网载体上涂覆氧化铝涂层的方法，其特征在于在无水乙醇中加入γ-Al2O3粉、铝粉、聚丙烯酸和异丙醇铝，其中聚丙烯酸乙醇溶液和异丙醇铝乙醇溶液为2.035mg/L和0.18g/L。
6.根据权利要求1或2所述的蜂窝状金属丝网载体上涂覆氧化铝涂层的方法，其特征在于通过改变铝粉在沉积液中的含量控制涂层和金属载体的粘合度，γ-Al2O3粉和铝粉在浆料中质量比为0～10。
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