CN101300086A - 用于含钝化和催化涂层的多孔陶瓷过滤器的微波法 - Google Patents

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Abstract

一种对多孔陶瓷催化剂载体进行基底涂覆的方法，该方法包括用钝化涂料通过真空浸渗法涂覆所述载体，然后将所述载体置于微波场中，干燥所述涂料，并形成聚合膜。该方法还包括用催化剂涂料或基面涂料涂覆所述载体，然后将所述载体置于第二微波场中，从而除去所述催化剂涂料或基面涂料中水分。

Description

用于含钝化和催化涂层的多孔陶瓷过滤器的微波法
技术领域
本发明涉及将催化剂或催化剂载体涂层施加到陶瓷载体上的方法。更具体地，本发明涉及用催化剂涂层涂覆陶瓷基材的方法，该方法采用预涂覆即钝化步骤来改进催化基材的性质，具体改进措施是减少催化剂和/或载体涂料扩散到基材的细孔或微裂结构中，并在施涂之后干燥钝化和催化涂层。
背景技术
为了适应美国和欧洲实行的日益严格的柴油机排放法规，需要对用于处理柴油机废气的壁流式蜂窝陶瓷过滤器在设计和性能上作出根本性改进，这最近引起了人们的高度关注。除了其他方面的改进外，人们正在改变设计，采用催化剂涂层控制烃和/或氮氧化物的排放。人们的目标是开发出经过改进的耐高温、抗高热冲击、低成本的蜂窝烟尘过滤器，这种过滤器与先进的排放控制催化剂技术相适应，可替代目前的高成本和/或未加催化剂的微粒过滤器。
为上述应用开发的各种过滤器设计方案中，有一类是耐火陶瓷氧化物过滤器，它们对在过滤器除碳再生循环中遇到的废气高温以及在启动和再生过程中快速加热和冷却过滤器时出现的热冲击具有改进的耐受性。目前用于制造过滤器的两种组分是堇青石和钛酸铝。为这些应用设计的蜂窝过滤器中所采用先进堇青石和钛酸铝组合物的例子见述于题为“堇青石体”(CORDIERITE BODY)的美国专利第6541407号、题为“富铝红柱石-钛酸铝柴油机废气过滤器”(MULLITE-ALUMINUM TITANATE DIESEL EXHAUST FILTER)的美国专利第6849181号和题为“适合高温应用的锶长石钛酸铝”(STRONTIUMFELDSPAR ALUMINUM TITANATE FOR HIGH TEMPERATUREAPPLICATIONS)的美国专利第6620751号，这些专利各自以其全部内容通过引用结合于此。用于与催化剂相适应的耐火陶瓷微粒过滤器的其他材料有耐火的碱金属锆磷酸盐和低膨胀性碱金属硅铝酸盐，后者如β-锂霞石和铯榴石。这些组合物以及铝酸钙之类的其他微裂陶瓷材料中，有许多可考虑用作流通型催化剂载体，用以控制汽车发动机和柴油机排放的氮氧化物(NOx)
先进钛酸铝陶瓷最有望用在柴油机废气过滤器中，因为这些陶瓷符合或超过了高熔点、高热容量和低膨胀性中的多数规范。然而，可用于微粒过滤器的上述及其他多孔陶瓷遇到的一个困难是，在将催化剂沉积到过滤器壁上的整个过程中，它们需要同时保持高透气性和低热膨胀系数。一个普遍要求是，这些过滤器应保持低平均线性热膨胀系数(CTE)。为了保持过滤器的抗热冲击性能，较佳的是，在25℃-1000℃范围内，因施涂基面涂层(washcoat)和催化剂而导致的CTE增加量平均不应超过10×10-7/℃，且涂有基面涂层的过滤器的CTE值在同样的温度范围内不应超过20×10-7/℃。此外，在对过滤器进行再生以除去截留的微粒之后，当废气空速最高达到150000小时-1的时候，催化过滤器的透气性应当足以将压降保持在8千帕以内。
将氧化铝或其他基面涂料用于承载所需的排放控制催化剂时，它们的一个典型缺陷是CTE显著增加而过滤器透气性下降。当前的理解是，在施加基面涂层或催化的过程中，过滤器壁的孔隙和存在于大部分陶瓷材料中的结构性微裂隙(裂隙宽0.1-3微米)里常常会填入基面涂料。在高度微裂陶瓷如钛酸铝的情况中，特别是当基面涂料中包含粒径非常小的材料(例如粒径在0.02-0.1微米的范围内)，因而有利于基面涂料填充微裂隙时，这个问题尤为突出。
这些材料中有许多之所以具有低CTE，一个重要因素是其具有微裂隙，裂隙在受热过程中封闭起来，阻碍所述材料的尺寸增加。因此，在某些情况下，这些微裂隙中填入基面涂料成分后，会大幅度提高涂覆了基面涂层的结构的膨胀系数，例如达到40-50×10-7/℃。在这样的CTE水平上，废气过滤器在常规使用条件下可能受到结构破坏的风险是不可接受的。
对于在汽油发动机排放控制中采用的常规流通型催化剂基材，解决基面涂料填入微裂隙问题的一种方法是在施加相关催化剂之前采用所谓的钝化涂料。这些钝化涂料是在施涂基面涂料之前施涂到陶瓷基材壁上的预涂料，所述预涂料能够阻挡基面涂料侵入陶瓷微裂结构。题为“整体型催化剂载体的处理”(TREATMENT OF MONOLITHIC CATALYST SUPPORTS)的美国专利第4532228号提供了一些涂料实例，这些涂料可被碳化或以其他方式固化，以提供基面阻挡层，待基面涂层施涂完毕后再除去，所述专利的完整内容通过引用结合于此。
对于钛酸铝之类的高微裂陶瓷，为了提供足够的保护，防止其CTE增加，同时有效防止陶瓷壁的透气性下降到不可接受的程度，人们已经采用特定的聚合物阻挡层作为钝化涂层。具体而言，这些聚合物阻挡层主要由聚合物材料组成，所述聚合物材料含疏水和亲水官能团，使之至少在酸性基面涂料介质的存在下，能够溶解和/或分散在极性介质中，在基材上形成中性或亲水性表面。具有这些特性的具体聚合物类型的例子包括紫罗烯聚合物、酸活化氨基丙烯酸酯类共聚物和脂族丙烯酸类共聚物。为满足上述要求而采用的另一种方法包括在烃类聚合物组成的基材上施涂钝化聚合物阻挡层，然后在该聚合物阻挡层上面施涂选定陶瓷基面涂料的水分散体，以提供陶瓷涂覆的基材。这些减小CTE而使整体陶瓷壁的透气性最大化的方法见述于提交于2003年8月14日、题为“含催化剂涂层的多孔陶瓷过滤器”(POROUS CERAMIC FILTER WITHCATALYST COATINGS)的美国专利申请第10/641638号，其完整内容通过引用结合于此。
因此，采用上述施涂钝化和催化涂层的方法制造低CTE、高透气性过滤器的生产工艺是耗时，因而成本也高的过程。具体而言，在过滤器上施涂钝化涂层后，通常要采用12-24小时的漫长干燥过程来从涂层中除水。此干燥过程的长短是决定过滤器在生产过程中进入下一个干燥步骤的快慢，以及整个过程最终完成的快慢和过滤器进入市场的快慢的重要因素。而且，施涂催化剂涂层之后要完成另一个干燥步骤，因此进一步增加了整个制造周期所需的时间。不仅如此，目前采用的干燥过程通常要使用在操作和维护方面花费都较高的对流炉，在生产中需要占用较大面积以确保获得足够的处理能力。
需要一种在陶瓷载体，特别是在柴油机排放过滤器上施涂和干燥钝化涂层和催化剂涂层的方法，该方法能防止高微裂陶瓷的CTE增加，同时有效防止陶瓷壁的透气性下降到不可接受的程度。此外，该方法还应该通过显著减少生产过程中所需的干燥时间来减少任何给定过滤器的制造时间，应该进一步减少制造过程中所需的钝化剂总量，从而降低总成本，减小任何给定过滤器在操作中的背压。
发明概述
本发明提供了改进的钝化涂层和催化剂涂覆体系，其在处理具有高孔隙率的高微裂蜂窝陶瓷过滤器时具有特别的优点。钝化涂覆体系基于一系列聚合物涂层，它们在基面涂覆过程中能有效覆盖或预填微裂隙和微孔，同时保护过滤器的高孔隙陶瓷壁的透气性。优选体系还能改进基材的基面涂覆特性，使得能够施涂高涂覆量的基面涂料和催化剂。此外，这些优选体系改进了钝化涂层的干燥过程和催化剂涂层或基面涂层的干燥过程。最后，这些体系具有足够的耐受性，在基面涂覆过程中的各个步骤能够保持有效的阻挡功能，但在基面涂覆完成后仍容易除去，不会破坏位于其上的陶瓷材料，基面涂层与陶瓷过滤器本体的连接或附着力也不会受损。
在一个重要方面，本发明包括一种保护含微孔或微裂结构的多孔陶瓷基材，防止涂层介质中存在的微粒填入微结构的方法，所述方法包含在基材上施涂“钝化”聚合物阻挡层和利用微波场干燥该钝化聚合物阻挡层以除去钝化层中水分的步骤，其中所述钝化聚合物阻挡层包含具有亲水和疏水官能团的烃类聚合物，所述烃类聚合物至少能够在酸性基面涂覆介质存在下溶于或分散于极性介质，在基材上形成中性或亲水性表面。具有上述特性、可选用于阻挡层的具体聚合物的例子包括聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯胺、聚乙烯醇/乙烯氨共聚物、聚乙烯醇/乙烯基甲酰胺共聚物、明胶、紫罗烯聚合物、酸活化的氨基丙烯酸酯共聚物和脂族丙烯酸共聚物。施加微波场以除去钝化涂层中水分的步骤可防止CTE增加，同时防止陶瓷基材壁的透气性下降。此外，施加微波场可显著缩短从钝化涂层中除去水分所需的总体干燥时间。
另一方面，本发明包括一种改进的方法，用于在多孔涂层基材上基面涂覆(washcoating)一个选定陶瓷材料层，并通过施加微波场除去基面涂层中的水分来干燥该基面涂层。该方法包括以下步骤：在基材上施涂由上述烃类聚合物组成的“钝化”聚合物阻挡层，得到经聚合物涂覆的陶瓷基材，然后在该经聚合物涂覆的基材上涂覆所选定陶瓷基面涂覆材料的水性分散体，得到经陶瓷涂覆的基材。此后，对该经陶瓷涂覆的基材施加微波场，使其干燥，并使陶瓷基面材料结合到该基材上。
用于形成这些阻挡涂层的优选聚合紫罗烯、丙烯酸共聚物和酸活化的氨基丙烯酸酯类共聚物可具有这样的一般特征，即它们是水溶性或水分散性聚合物，在水性基面涂料介质所具有的典型酸性环境中同时具有亲水性和疏水性。这些聚合物涂层不仅提供了牢固的阻挡层，可防止微粒侵入微孔陶瓷基材，而且在典型的基面制剂存在下形成中性或亲水性表面，该表面在某些情况下可在该过程的基面涂覆阶段提高涂覆效率。最后，所述聚合物在基面涂覆完成后，仅需在中等温度下热分解即可从互连微通道结构中彻底除去，而不会破坏其上面的基面涂层。
尽管不想受限于理论，但根据目前的认识，这些聚合物涂层通过毛细作用同时部分预占和阻塞了微裂陶瓷基材中的裂隙结构和陶瓷基材的互连微通道(互连微孔)壁结构，这种观点是为先进壁流式微粒过滤器提出来的。后面将据此证明，基面涂覆完成后，要使发动机废气过滤设备有效发挥性能，必须将高效微粒过滤作用和高透气性结合起来。此外，在干燥基面涂层和/或活化催化剂的过程中除去聚合物后，原来无法通向催化剂基面涂层微粒的孔打通了，因此有助于改进总体透气性和催化活性。这些聚合物涂层使足够多的打孔保持通畅，因此，对于高活性催化微粒废气过滤器，其所需的活性催化剂的有效沉积通常能够实现。
附图说明
以下结合附图更全面地描述本发明，其中：
图1是要根据本发明处理的多孔陶瓷材料的一个截面的电子显微图；
图2是已根据本发明处理的多孔陶瓷材料的一个截面的电子显微图。
发明详述
为控制发动机废气的排放而将催化剂与陶瓷废气微粒过滤器组合使用，对催化剂的涂覆带来一些特殊的问题。具体而言，这是因为陶瓷过滤器壁中的互连孔在催化剂涂覆过程中必须保留下来，以满足废气处理系统对废气压降的要求。此外，催化剂涂覆过程必须快速而经济地完成，以提供具有工业实用性的过滤器。
本发明方法涉及如上所述处理多孔陶瓷催化剂载体，如上述的柴油机废气微粒捕集器或过滤器，并且包括用钝化或阻挡涂层涂覆该载体，优选通过真空浸渗(vaccum infiltration)法来施涂，随后对该载体施加电磁场，优选微波场。所述方法还包括用催化剂涂料或基面涂料涂覆该载体，然后对该载体施加第二电磁场，同样优选微波场。虽然要求钝化和催化涂料具有微波活性，但较佳的是，钝化材料和催化剂涂料各自具有微波极化基团，或者在可通过微波加热的介质或混合物中施涂。此外，该载体的材料也可受微波作用，这样在涂覆过滤器时，可用微波场间接加热钝化材料或催化剂基面涂料，如包含碱金属锆磷酸盐、铌酸盐、SiC和钙钛矿。本说明书介绍的钝化和催化涂覆过程各自要求在施涂特定涂料后进行加热和/或干燥。
钛酸铝组合物(如用来制造柴油机过滤器的钛酸铝组合物)的多孔陶瓷蜂窝壁中孔结构的一个实例见附图1，其为一个典型壁的截面的扫描电子显微图，其中白色粗线代表20微米长度。该壁内的典型钛酸铝晶畴表示为10所在区域，可容纳活性催化剂的典型大孔开口表示为12所在区域。在此特定陶瓷中，结晶钛酸铝约占据陶瓷的60体积％，而大孔的体积占据该材料余下的40体积％。
图1中更细小的特征包括微裂隙和微通道，其中微裂隙如陶瓷中钛酸铝晶畴之间形成的许多裂隙14，微通道如陶瓷内将大孔空间连起来的许多通道16。后者的直径通常在1-10微米范围内，因此容易被基面涂料微粒填进来。这种含微裂隙和微通道的晶体结构是其中含有钛酸铝作为主要晶相的陶瓷蜂窝体的特征结构，也是其他具有合适的透气性、可用作壁流式过滤材料的陶瓷的特征结构。优选的基材是钛酸铝构成主要晶相的基材，即晶相占该结构50重量％以上。
图1中的微孔和微裂隙代表材料中要避免基面涂料渗入的区域。如果在以图1所示微裂隙和微孔形貌为特征的陶瓷壁上直接施涂催化剂基面涂料，经基面涂覆的过滤器的热膨胀和过滤器压降均将大幅度增加，因为基面涂料渗入了这些特征微结构中。如上所述，可利用各种钝化涂层来防止基面涂料渗入经处理的材料的特征微结构中。
聚乙烯醇/乙烯氨(PVOH/VAM)、聚乙烯醇/乙烯基甲酰胺(PVOH/VF)共聚物或明胶特别适合用来在多孔陶瓷催化剂载体材料上提供钝化或阻挡涂层，因为它们与常规基面涂料和催化剂涂料以及相应的处理过程高度适应。这些阻挡涂层材料形成黏度较低的水溶液或分散体，它们充分渗入多孔微裂陶瓷基材的孔结构中。此外，干涂层是亲水性的，因而容易被这种基面涂料和催化剂涂料制剂湿润，这样它们就不会干扰这种制剂在催化剂载体上的分布。利用常规程序，容易在干阻挡层上沉积足量的基面涂料(催化剂)。
上述类型的众多共聚物和明胶溶液中的任何一种均可采用。可用的明胶是以诸如牛皮、牛骨、猪皮和鱼皮为来源的明胶。明胶可以是A型或B型，可具有任意布鲁姆(Bloom)值。优选离子含量低的明胶，例如摄影级明胶。布鲁姆值较低或为0的明胶也是优选的，因为它们在溶解或处理的过程中不需要加热。特别优选的明胶是美国新泽西州诺兰特产品有限公司(Norland Products，Inc.of Cransbury，NJ，USA)生产的高分子量鱼明胶。明胶溶液作为钝化涂料的应用在题为“经涂覆的陶瓷催化剂载体和方法”(Coated Ceramic Catalyst Supportsand Method)的美国专利申请第11/057911号中有详细描述，该申请的完整内容通过引用结合于此。
能形成可流动的阻挡层涂料水溶液的市售PVOH/VAM和PVOH/VF共聚物具有较宽的分子量范围。分子量范围约为10000-140000的市售共聚物尤其合适。乙烯氨或乙烯基甲酰胺在共聚物中的含量也可以变化，以满足具体应用的要求。市售共聚物的具体例子包括ErkolTM M6、M12、M6i和M12i共聚物，购自Erkol，S.A.，Tarragona，ES。共聚物在钝化涂料中的应用在上面提到的美国专利申请第11/057911中有详细描述。
虽然不作要求，但是，在基面涂料或催化剂涂料中遇到的条件可能造成阻挡层涂料发生有害的相互作用的情况下，可以向这些液态阻挡层涂料制剂中加入化学交联剂。将这些交联剂加入聚合物水溶液后，它们会使聚合物在干燥过程中发生交联，显著降低干涂料的水溶性。水溶性降低可减小阻挡层涂料在基面涂覆过程中发生迁移的可能性，例如共聚物从阻挡层涂料中析出后迁移到基面涂层或催化剂涂层中，这会导致催化剂效率降低。同时，在基面涂覆或催化过程中，可最大程度减少共聚物从陶瓷的微孔或微裂区域发生任何可能的溶解，这种溶解会让微粒侵入微孔或微裂隙。
合适的交联剂是所含官能团能与基底钝化明胶或共聚物上的一个或多个官能团发生反应的那些交联剂。特别有用的交联剂是那些直到钝化涂料液体已经沉积到多孔陶瓷基材上才发生交联作用的交联剂。在运输和储存过程中很少发生或不发生交联的交联剂和基底涂料优选掺合成一份式(one-part)组合物予以储存；但是将共聚物和交联剂分开储存并在需要的时候再加以掺合的两份式(two-part)组合物也是合适的。
特别合适的交联剂是包含两个或多个官能团的材料，所述官能团在使用所述材料的条件下能够与基底明胶或共聚物阻挡层材料上的官能团发生反应。对于明胶基阻挡层涂料制剂，所述交联剂所含的官能团应能与羧基、氨基、醇和酚基官能团沿蛋白质聚合物链发生相互作用；而对于PVOH/VAM共聚物制剂，所述交联剂应能与侧羟基和/或氨基官能团发生有效相互作用。
优选的可交联聚合物包括水溶性聚合紫罗烯，如含氨基官能团的水溶性紫罗烯。恰当交联之后，这些聚合物可提供特别具有耐受性并具有适当靶向作用的阻挡层，可防止微粒侵入陶瓷微孔和微通道，但在典型的基面涂料或催化剂水性制剂存在下，表面仍能保持中性或亲水性，因而它们不会影响催化剂或基面涂料自这些溶液中沉积的效率。而且，由这些聚合物形成的交联阻挡涂层仅需在中等温度下发生热分解，即可从陶瓷材料的互连微通道结构中完全清除，不会留下残留物，也不会破坏上面的基面涂层。对交联剂和交联聚合物的详细描述见上面提到的美国专利第11/057911号，以及题为“含催化剂涂层的多孔陶瓷过滤器”(POROUS CERAMIC FILTERS WITH CATALYST COATINGS)的美国专利申请公开第2005/0191480A1号，其完整内容通过引用结合于此。
常规有机钝化涂料与通常呈酸性的含氧化铝溶液之间的相容性不是没有特定的缺陷。典型的氧化铝基面涂料制剂是凝胶溶液，其包含平均粒径为2-5微米的氧化铝或氧化铝前体，所处酸性水介质的pH为3-4。已知用于微裂阻挡涂层的一些组合物包含疏水性的、通过共价键结合的直-CH2-链聚合物，它们不易在亲水性陶瓷表面上形成均匀的钝化层。此外，这些聚合物沉积形成的表面通常不显亲水性。
此外，尽管从易于处理的角度看，聚合物具有简单的亲水性或水溶性是有利的，但此性质可能不足以保证聚合物能形成有效的阻挡涂层体系，以保护微裂陶瓷。水溶性涂层与基面涂料溶液接触时，具有再溶解的天然倾向，因而在沉积期间，尤其是在干燥基面涂层的过程中，会使陶瓷内部的微裂隙和微通道受到基面涂料的侵入。大部分聚合物中存在的疏水基团在干燥时倾向于发生表面分离，导致所得膜的疏水性比所需要的疏水性更强，从而减小了从水基基面涂料悬浮体中吸收基面涂料的程度。
紫罗烯聚合物是具有高电荷密度的线性聚合物系列，它们能避免在水性基面涂料介质中形成过高的疏水性和高溶解性。这些聚合物的特征在于其中存在二甲基铵电荷中心，这些中心通过交替出现的含x和y亚甲基的烷基链片段互连。优选的紫罗烯聚合物是水溶性线性聚合物，其含有常规季铵基团，与之相连的平衡离子是氯离子，这样的基团使聚合物链具有高电荷密度，在钝化和基面涂覆过程中对聚合物/基材和聚合物/基面涂层之间具有有益的影响。据认为，所施涂的聚合物涂料与含铝溶胶-凝胶基面涂料介质之间以一定方式作用，这种作用方式可促进陶瓷孔内纳米级基面涂料颗粒的团聚。如果发生这样的团聚过程，它将有可能增加基面涂料的平均粒径，从而抑制氧化铝扩散到陶瓷内的微裂隙和微通道中。
第二类聚合物是存在于某些水基丙烯酸类共聚物乳液中的酸活化氨基丙烯酸酯类共聚物，它们既与常规基面涂料浆液具有优异的相容性，又能在防止基面涂料侵入微裂隙和微孔方面提供高度保护，以免基材的CTE升高。这种乳液中存在的酸活化共聚物包含(甲基)丙烯酸主链，该主链同时包含疏水性和亲水性组分，还包含氨基，所述氨基能对施涂常规基面涂料的过程中发生的pH变化作出有效响应。
而具有紫罗烯和丙烯酸酯类共聚物体系的许多优点的第三类阻挡层涂料体系是基于脂族丙烯酸共聚物的，典型的有乙烯丙烯酸蜡共聚物。这些聚合物也具有亲水-疏水混合特性，可以一定范围的分子量得到。这些聚合物以水性蜡分散体的形式销售，可方便地直接施涂到多孔陶瓷基材上，形成阻挡层，可有效限制基面涂料对微裂隙的侵入。有效保护微裂隙所需要的涂料重量类似于紫罗烯和氨基丙烯酸酯类共聚物所用的重量，可通过单个涂覆步骤实现。真空浸渍是优选的，但不作强制要求，因为通过稀释很容易达到适于在环境条件下浸涂的黏度。在干燥步骤之间进行再施涂是有效的，在需要的时候可利用多个聚合物层。
上述三类聚合物阻挡层涂料的一个重要特性是，它们能够有效限制废气渗透性的下降，在向壁流式微孔陶瓷过滤器施涂基面涂层时，这种下降是必然要发生的。至少有一些壁孔结构受到堵塞是不可避免的，由此导致背压上升，但若上升幅度适中的话，不妨视为对通过基面涂覆和催化过程获得催化活性所作出的可接受的牺牲。与在不作聚合物钝化处理的情况下生产的涂有基面涂层的过滤器相比，由上述聚合物材料形成的阻挡涂层最多仅使涂有基面涂层的过滤器的压降稍有升高，通常情况下没有升高。对这三类聚合物阻挡涂层的更详细描述见题为“含催化剂涂层的多孔陶瓷过滤器”(POROUS CERAMIC FILTERSWITH CATALYST COATINGS)的美国专利申请公开第2005/0037147A1号，其完整内容通过引用结合于此。
借助一个通用实例，可以更深入地理解本发明的干燥和/或加热方面。适用于本发明的钝化剂的一个例子是丙烯酸树脂系列，具体涉及乙烯丙烯酸乳液(“4983R”)，可以商品名Michelman Prime 4983R购自美国俄亥俄州辛辛那提市的Michelman公司。此特定乳液具有约30微米的微粒尺寸，分子量为30000克/摩尔，其结构如下：
Figure A20068004045700121
将在本实例中用作钝化剂的溶液稀释到约12％，并加入约2％-3％的异丙醇，以降低表面张力。为了得到合适的CTE，4983R的干重在约1.5％与约3％之间。由于该溶液的粘度较低，可以通过用手工将该载体浸入乳液来涂覆该样品载体，然而，优选在涂覆步骤利用真空浸渗。通过真空浸渗，可以除去截留在载体中的所有空气，从而全面钝化该载体的所有区域。
为了保证在施涂钝化溶液后形成连续有机膜并从中除去水分，接下来必须对该载体采取干燥步骤。此前采用的烘箱干燥程序在约90-110℃的温度范围内进行。该常规干燥程序需要很长的时间才能完成干燥。例如，尺寸在2英寸×6英寸至5.66英寸×5英寸范围内的较大样品，施涂钝化涂料后需要干燥12-24小时才能得到适当干燥。通过采用本发明的微波干燥方法，对于2英寸×6英寸的载体样品，典型的钝化剂在不到30分钟内即可得到充分干燥，而对于5.66英寸×5英寸的载体样品，在不到60分钟内即得到充分干燥。在此特定实例中，将涂覆有钝化乳液的载体置于2.45兆赫(1300瓦)的微波场中。所加微波场优选在1兆赫至10兆赫之间，更优选在1兆赫至5兆赫之间，因为较高的波长可增加渗透深度和干燥效率。
将涂覆有钝化乳液的载体置于微波场中处理之后，对该载体进行基面涂覆或催化。本实例中采用的基面涂料是Al-20，可以商品名Al-20-Nyacol购自美国马里兰州阿什兰(Ashland)市的Nyacol公司。Al-20是一种液态胶状氧化铝制剂，经加热处理后可转变为γ氧化铝基面涂料。如上面讨论钝化涂料时所提到的，基面涂料Al-20可通过手工浸涂的方法施涂到载体上，但基面涂料优选通过真空浸渗的方法施涂。也可采用其他基面涂料，包括Al2O3、TiO2、ZrO2、CeO2、La2O3、元素周期表上过渡金属系列中可用作催化剂的金属、碱金属、碱土金属、尖晶石、沸石和钙钛矿。
类似于上面讨论钝化涂料时所描述的干燥步骤，前面用于干燥催化剂和基面涂料的过程涉及常规烘箱干燥程序，所用温度范围约为90-110℃。这些常规干燥程序也需要很长时间才能完成干燥，干燥时间与干燥钝化涂料的情况差不多。通过采用本发明的微波干燥方法，对于2英寸×6英寸的载体样品，典型的基面涂料在不到30分钟内即可得到充分干燥，而对于5.66英寸×5英寸的载体样品，在不到60分钟内即得到充分干燥。在此特定实例中，将经过基面涂覆的载体置于2.45兆赫(1300瓦)的微波场中。所加微波场优选在1兆赫至10吉赫(GHz)之间，更优选在1兆赫至5吉赫之间，因为较高的波长可增加渗透深度和干燥效率。优选的功率范围是3千瓦-10千瓦/100磅材料。
干燥之后，基面涂层的含水量优选小于或等于1％，更优选小于或等于0.01％，以确保催化剂适当附着，并防止催化剂材料在后续煅烧步骤中流失。如上所述，本发明工艺也适用于上面讨论的可交联有机聚合物。
实施例1-对钝化和催化基面涂料的微波干燥
对于本实验，在钝化干燥步骤和催化剂基面涂层干燥步骤中均采用微波炉。实验中采用尺寸为1.5”×0.5”的多孔钛酸铝陶瓷CTE样品。对于在2003年7月24日提交、题为“钛酸铝基陶瓷制品”(ALUMINUM TITANATE-BASEDCERAMIC ARTICLE)的美国专利申请公开第2004/0092381A1号中描述的具体样品组合物，钛酸铝样品材料的孔隙率为47.59％。该样品在1000℃的CTE为8.7×10-7/℃。此CTE值在表1中报告为8.7，下文将采用类似的标记形式报告其他所有的CTE值。若没有任何钝化剂，施涂基面涂层后得到的CTE较高(44)。
表1
  样品(1×1)   ％钝化   AL-20(G/L)   CTE 1000℃
  对照   0   0   8.7
  对照+AL-20   0   78.85   44
  紫罗烯(微波)   2.4   71.68   11.4
  紫罗烯(微波)   3.2   48   11.4
  紫罗烯(烘箱)   3   40   17.9
  4983R(烘箱)   1.7   7.17   12.6
  4983R(微波)   1   10.75   11.2
  4983R(微波)   2.25   25.1   10.6
在该系列样品中，后面三个数据是用紫罗烯作为处理剂的。从表中可以看到，当采用紫罗烯并在烘箱中干燥(“烘箱”)时，CTE显著高于用微波(“微波”)干燥的情况。相对于其他用紫罗烯处理并进行常规烘箱干燥的样品，紫罗烯处理剂用量较少(2.4％)且基面涂料涂覆量较多(71.68％)的样品具有较低的CTE，这清楚地显示了微波干燥的优点。
表1所示后一系列代表用丙烯酸(4983R)处理的样品。此数据也表明，经微波加热的样品的CTE结果低于经烘箱处理的样品。对于微波程序，在最大功率下，样品在约5分钟的时间内完成干燥。在烘箱中干燥的样品要在30分钟至1小时之间完成干燥。干燥之后，换用基面涂料(AL-20-NYACOL)涂覆，所得材料再次用烘箱或微波干燥。干燥步骤完成后，在550℃将样品煅烧3小时，以除去处理剂并稳定基面涂层。然后将煅烧样品送去测定CTE。
表2所列的下一组实施例显示了对钝化剂和催化剂基面涂料均采用微波干燥方法的优点。在1”×2”钛酸铝样品上涂覆4983R(2％)。在微波炉中以最大功率干燥该样品共5分钟。微波干燥之后，将该样品切下两部分(1.5”×0.5”)，用AL-20进行基面涂覆。基面涂覆完成后，在微波炉中以最大功率再将样品21A干燥5分钟。样品21B在120℃烘箱中干燥过夜。第二天，将这两个样品都在550℃煅烧3小时。CTE结果示于下表2。与常规用烘箱干燥的样品相比，施涂基面涂料后用微波干燥的样品具有较低的CTE。
表2
  样品(4983R)   ％钝化   AL-20(G/L)   CTE 1000℃
  1910-21A   2   36   8.7
  1910-21B   2   28   10
接下来检验了较大的样品，包括用紫罗烯进行处理和基面涂覆的2”×6”过滤器样品。结果示于表3。
表3
  样品(2x6)   ％钝化   AL-20(G/L)   CTE 1000℃
  7325-10B-F71(烘箱)-125c-紫罗烯/AL-20   2.4   25.18   15.3
  7325-54A-F71(微波)-紫罗烯/AL-20   2.5   36.5   11.9
虽然用紫罗烯处理两个样品都是利用真空浸渗技术进行的，但也可利用手工浸涂法。将要用烘箱干燥的样品(烘箱样品)置于125℃烘箱中过夜。将要用微波干燥的样品(微波样品)以最大功率加热10分钟。施涂AL-20后，将烘箱样品再次置于120℃烘箱中过夜。将微波样品总共干燥20分钟。干燥过程以5分钟为单位逐级进行，其中头5分钟以最大功率干燥，接下来的5分钟也以最大功率进行，在剩下的两个5分钟时段将功率降低50％。干燥之后，经基面涂覆的样品在550℃煅烧3小时。微波过程再次得到了较低的CTE。虽然不想受限于理论，但据推测，经微波加热形成的膜在性质上更加均一，对于精细微裂隙更为有效。为了避免过热，对较大的样品可根据需要调节微波功率。用于本实验的微波装置是市售2.45兆赫松下微波炉(1300瓦)。用欧米伽牌(Omega)镍铬铁合金铠式热电偶(TJ36-CAIN-18U-12)对该微波炉加以改进，以监测样品的温度。
通过采用微波干燥，可以看到样品的孔隙率得到了改进，因此，当将其用作柴油机过滤器的载体时，所导致的背压损失较小。上面所讨论的经紫罗烯处理的样品的孔隙率数据列于表4。这些数据显示，通过采用微波干燥方法，所得孔隙率大约比在烘箱中干燥的样品高5％。
表4
  样品   ％钝化   AL-20(G/L)   CTE1000℃   孔隙率％   MPS   总间隙容量(毫升/克)
  紫罗烯(微波-15)   2.4   71.68   11.4   48.5957   12.4013   0.2966
  紫罗烯(微波-16)   3.2   48   11.4   49.2996   12.5779   0.3006
  紫罗烯(烘箱-17)   3   40   17.9   44.4728   9.9411   0.2491
尽管用微波干燥的样品具有较高的基面涂料涂覆量，但所得孔隙率和MPS值比用烘箱干燥的样品高，分别是49％对45％和12.4对10微米。用微波干燥的样品的侵入体积(表5)也显著高于用烘箱干燥的样品。
表5
  样品编号   ％孔隙率   总侵入体积毫升/克  中值孔径(d50)微米
  7325-10B-71紫罗烯/AL20烘箱125C   37.7516   0.1957   7.6728
  7325-54A-71紫罗烯/AL20微波   41.7138   0.2218   7.9708
对于2”×6”样品，也得到类似结果，即用微波处理的样品比用烘箱处理的样品具有更高的孔隙率、MPS和侵入体积。图2所示扫描电子显微图显示，基面涂料位于样品空隙中所需位置。
实施例2-对钝化和催化基面涂料的微波干燥
进一步对由一种水基溶液形成的钝化涂料测评了微波干燥方法，所述溶液由聚乙烯醇/聚乙烯氨(PVOH/VAM)共聚物与聚碳二亚胺交联剂混合形成，该溶液也能有效地处理多孔微裂陶瓷过滤器，以便在进行基面涂覆/催化的时候保持其低CTE。对这种钝化涂料体系进行的热交联研究一般表明，交联反应在100℃需要超过31小时，在125℃需要约6.5小时，在150℃需要约1.5小时。
为了加快交联和干燥速度以提高处理能力，在研究中用微波炉促进此钝化涂料体系的干燥/交联反应。称取由钛酸铝陶瓷组成的3个2”×6”多孔陶瓷过滤器，然后真空浸渗PVOH/VAM溶液。渗透完成后，再次对过滤器称重，然后在配有烤架的1300瓦NN-S543BFR型松下微波炉中，用微波加热不同的时间。
对这样处理过的过滤器再次称重，然后用Nyacol AL-20进行基面涂覆，并用烘箱进行常规干燥，以在其上施涂氧化铝基面涂料。最后，测定基面涂料的涂覆量和CTE的增加情况。
下表6列出了这些测试的代表性结果，以及类似的钛酸铝蜂窝过滤器的结果，该过滤器根据现有技术涂有钝化涂料并经烘箱干燥。表6列出了每个编号样品上所施涂的钝化涂料的重量百分数，所施涂的氧化铝基面涂料的重量(单位为克)，以及进行基面涂覆后CTE的变化(增加的点数乘以10-7/℃)和过滤器压降[增量因素(increase factor)]。注意，表中报告的微波处理样品的CTE变化是在蜂窝过滤器中心部分测得的数值，它们通常比在蜂窝过滤器边缘测得的数值大，这很可能是因为所加微波场的功率未达到最佳均匀度，但很容易校正。
经5.5或6.5分钟微波处理后，所得过滤器压降和热膨胀系数的变化与在常规烘箱中于100℃对过滤器进行24小时热干燥所得相应数值相当，并且同样远小于对未钝化过滤器测得的数值(后者经基面涂覆后所具有的CTE通常增加到40-50(×10-7/℃)点范围内)。因此，就保护钝化涂层的CTE和压降而言，用微波干燥几乎可以在6.5分钟的时间尺度内达到在100℃热烘焙24小时才能达到的效果。
表9
  样品编号   干燥(m＝微波)(c＝烘箱)   钝化涂料(％)   AL-20重量(G/L)   CTE变化   压降变化
  133   微波：5分钟；3.5分钟   3.89   48.01   9.9   1.27x
  125   微波：5.5分钟   4.0   44.97   6.0   1.27x
  132   微波：6.5分钟   4.02   49.18   6.9   1.33x
  72(比较)   c：在100℃下24小时   3.77   48.75   4.5   1.24x

Claims (14)

1.在施涂催化剂或催化剂载体涂层之前对多孔陶瓷催化剂载体进行基底涂覆的方法，其包括以下步骤：
在所述载体上施涂液体混合物涂料以形成经涂覆的载体，所述液体混合物涂料包含水和选自下面的至少一种涂料：聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯胺、聚乙烯醇/乙烯氨共聚物、聚乙烯醇/乙烯基甲酰胺共聚物、明胶、紫罗烯聚合物、酸活化的氨基丙烯酸酯共聚物和脂族丙烯酸蜡共聚物；
将所述载体置于第一微波场中，以干燥涂料，形成聚合膜。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于所述陶瓷载体处于第一微波场中，直到所述至少一种涂料的干重达到约1.5％-3.0％范围之内。
3.如权利要求3所述方法，其特征在于所述第一微波场的施加时间短于或等于约60分钟。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于所述第一微波场在约1兆赫至约10吉赫范围内。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于所述第一微波场在约1兆赫至约5吉赫范围内。
6.如权利要求1所述方法，其特征在于在所述载体上施涂所述液体混合物的步骤包括真空浸渗。
7.如权利要求1所述方法，其还包括：
在所述陶瓷载体经第一微波场处理之后，在所述陶瓷载体上施涂催化剂液体混合物，所述混合物包含水和至少一种比表面积在约10米2/克-约300米2/克范围内的高比表面积基面涂料，所述基面涂料选自：Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2、CeO2、La2O3、尖晶石、沸石、钙钛矿、碱金属、碱土金属以及元素周期表上过渡金属系列中可用作催化剂的金属；
将所述陶瓷载体置于第二微波场中，除去所述催化剂中的水分。
8.如权利要求7所述方法，其特征在于所述载体处于第二微波场中，直到所述至少一种催化剂液体混合物的含水量小于或等于约1％。
9.如权利要求8所述方法，其特征在于所述载体处于第二微波场中，直到所述至少一种催化剂液体混合物的含水量小于或等于约0.01％。
10.如权利要求7所述方法，其特征在于所述第二微波场在约3千瓦-约10千瓦/100磅载体范围内。
11.如权利要求7所述方法，其特征在于所述第二微波场在约1兆赫至约10吉赫范围内。
12.如权利要求11所述方法，其特征在于所述第二微波场在约1兆赫至约5吉赫范围内。
13.如权利要求11所述方法，其特征在于所述第二微波场的施加时间短于或等于约60分钟，以达到催化剂液体混合物的干重。
14.如权利要求1所述方法，其还包括：
提供陶瓷蜂窝体作为多孔陶瓷催化剂载体，其中所述陶瓷蜂窝体包含选自下面的至少一种材料：堇青石、钛酸铝、碱金属锆磷酸盐、铝酸钙和碱金属硅铝酸盐、铌酸盐以及钙钛矿。
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