CN101796277B - 废气处理装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于废气处理装置的安装垫,其包括无机纤维、有机粘合剂、抗氧化剂、任选的粘土和任选的膨胀材料。该废气处理装置包括外壳、弹性安装在该外壳中的易碎的催化剂承载结构、和布置在外壳与该易碎的催化剂承载结构之间的间隙中的安装垫。另外公开了制造用于废气处理装置的安装垫的方法和制造合并有该安装垫的废气处理装置的方法。

Description

废气处理装置

技术领域

[0001] 一种用于处理废气的装置,例如催化式排气净化器或者柴油机颗粒捕集器。该装置包括通过安装垫安装在外壳中的易碎的结构,该安装垫布置在该外壳与该易碎结构之间的间隙中。

[0002] 发明背景

[0003] 废气处理装置被用于汽车来降低发动机排放造成的大气污染。广泛使用的废气处理装置的例子包括催化式排气净化器和柴油机颗粒捕集器。

[0004] 用于处理汽车发动机废气的催化式排气净化器包括外壳、用于保持催化剂的易碎的催化剂承载结构(该催化剂用来进行一氧化碳和烃的氧化以及氮的氧化物的还原)和安装垫,该安装垫布置在易碎的催化剂承载结构外表面与外壳内表面之间来将该易碎的催化剂承载结构弹性保持在外壳中。

[0005] 用于控制柴油发动机所产生的污染的柴油机颗粒捕集器通常包括外壳、用于收集来自柴油机发动机排放物颗粒的易碎的颗粒过滤器或者捕集器、和安装垫,该安装垫布置在该过滤器或者捕集器的外表面与外壳内表面之间来将该易碎的过滤器或者捕集器结构弹性保持在该外壳中。

[0006] 所述的易碎结构通常包含由金属易碎材料或者易碎的陶瓷材料例如氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化锆、堇青石、碳化硅等等制成的单片结构。这些材料提供了具有多个气体流道的骨架类型结构。这些单片结构可以是如此易碎的,以至于甚至小的冲击载荷或者应力经常足以使它们破裂或者压碎。为了保护该易碎的结构免受热和机械振动和其他上述的应力,以及为了提供热绝缘和气密性,将安装垫布置在该易碎的结构与外壳之间的间隙中。

[0007] 所用的安装垫材料应当能够满足由易碎结构制造者或者废气处理装置制造者所提出的诸多设计或者物理要求中的任何一个。例如,该安装垫材料应当能够在易碎的结构上产生有效的残留保持压力,甚至当废气处理装置经历宽的温度波动时也应当如此,该宽的温度波动引起了金属外壳与该易碎结构相比而言明显的膨胀和收缩,这依次引起了安装垫在一定的时期内明显的压缩和释放循环。

[0008] 在废气处理装置中所用的陶瓷和金属基底大部分时候是安装在带有无机纤维基安装垫的金属外壳中的。这种安装垫材料可以仅仅包含无机纤维。但是,该安装垫材料也可以包含其他类型的纤维,有机粘合剂,无机粘合剂和膨胀材料。

[0009] 安装垫必须能够在宽的运行温度范围有效的将基底保持在适当的位置上。基底由于振动而遭受了作用在该基底上的轴向力。安装垫还补偿了这样的事实,即,金属外壳比基底本身膨胀的大或者小。不同的废气处理装置运行在环境条件20°C -大约1200°C的整个温度范围内。所以,安装垫必须在这个宽的温度范围内提供强的保持压力性能。

[0010] 从更有效的发动机设计或者柴油驱动车辆数量的增加而言,由于低温使用变得越来越流行,因此人们更多的期望安装垫能够在低温和高温二者中都表现出色。

[0011] 对于低温废气处理装置应用例如柴油机颗粒捕集器或者柴油机催化剂结构而言,虽然这些装置没有达到在高温催化式排气净化器中所具有的温度,但是所使用的易碎结构的重量和填加技术要求安装垫具有有效的最小残留保持压力。在这些应用中,对于安装垫而言,优选是达到至少大约25kPa的更高的最小剪切强度,来防止易碎结构的移位和损坏。在具有重型基底的如此高的过负载应用中,这些垫子产品的摩擦系数在所使用的条件下仍然是大约0.45。所以,在大约300°C的温度测试1000个循环之后,用于这种类型应用的安装垫应当具有至少大约50kPa的有效的最小残留保持压力。

[0012] 在低温应用中,例如涡轮增压直喷式(TDI)柴油驱动车辆中,废气温度典型的是大约150°C,并且不会超过300°C。在该领域中已经观察到催化式排气净化器(其组装有典型的膨胀垫子)不能有效的具有出乎意料的高频率。

[0013] 造成这些失效的一个原因是废气的温度太低而不能使得膨胀材料(典型是的蛭石粒子)发生膨胀。这甚至在这样的排气净化器中也发现了,该排气净化器已经预热到大约500°C来对膨胀粒子进行预膨胀。当随后用于低温应用时,该垫子不能提供对易碎结构的足够的压力,并且因此是失效的。在高于350°C的温度时,该膨胀粒子膨胀并且提高了垫子对该易碎结构的保持力。

[0014] 弹性是通过用不同的有机粘合剂渗透到安装垫中来实现的。但是,由于在垫子产品中有机粘合剂的存在,该有机粘合剂降解并且引起保持力的损失,因此废气处理装置遭受了差的低温性能(< 300°C )。从室温到大约200°C,保持力的损失是逐步的。但是,保持力的损失在大约200°C -大约250°C时加快。

[0015] 以前已经进行了提高废气处理装置的安装垫材料的低温性能的尝试。一种这样的尝试涉及将膨胀性粒子包括在安装垫中,其在整个温度范围内(在该范围内有机粘合剂具有不利的影响)发生膨胀(即,体积增加)。不幸的是,这样的膨胀性粒子在如下温度发生连续的膨胀,该温度远高于有机粘合剂对垫子性能表现出它们的不利影响的温度。

[0016] 在工业中所需的是一种用于废气处理装置的柔性安装垫,其能够容易的安装,并且其能够在宽范围的入口气体温度中起作用,而没有垫子厚度和相应的保持压力性能的明显损失。

发明内容

[0017] 提供了一种用于废气处理装置的安装垫,该安装垫包含无机纤维,有机粘合剂,抗氧化剂和任选的膨胀材料。

[0018] 根据某些示例性实施方案,该用于废气处理装置的安装垫包含无机纤维,有机粘合剂,粘土,抗氧化剂和任选的膨胀材料。

[0019] 还提供了一种废气处理装置,该装置包含外壳,弹性安装在所述外壳中的易碎的催化剂承载结构,和布置在所述外壳与所述易碎结构之间的间隙中的安装垫,其中所述的安装垫包含无机纤维、有机粘合剂、抗氧化剂和任选的膨胀材料。

[0020] 根据某些示例性实施方案,该废气处理装置包含外壳,弹性安装在所述外壳中的易碎的催化剂承载结构,和布置在所述外壳与所述易碎结构之间的间隙中的安装垫,其中所述的安装垫包含无机纤维、有机粘合剂、粘土、抗氧化剂和任选的膨胀材料。

[0021] 另外提供了一种制造废气处理装置的方法,该方法包含(a)用安装垫包裹在一部分的用于处理废气的易碎结构周围,该安装垫包含(I)无机纤维,(2)有机粘合剂,(3)抗氧化剂和(4)任选的膨胀材料;和(b)将该包裹的易碎结构布置到外壳中,由此该安装垫将该易碎结构弹性保持在外壳中。

[0022] 根据某些示例性实施方案,该制造废气处理装置的方法包含(a)用安装垫包裹在一部分的用于处理废气的易碎结构周围,该安装垫包含(I)无机纤维,(2)有机粘合剂,(3)粘土,(4)抗氧化剂和(5)任选的膨胀材料;和(b)将该包裹的易碎结构布置到外壳中,由此该安装垫将该易碎结构弹性保持在外壳中。

[0023] 进一步提供了一种用于废气处理装置的端锥体,其包含外金属锥体,内金属锥体,和布置在所述的外和内金属端锥体之间的锥体绝缘体,所述的锥体绝缘体包含无机纤维、有机粘合剂、抗氧化剂和任选的膨胀材料。

[0024] 根据某些示例性实施方案,该用于废气处理装置的端锥体包含外金属锥体;内金属锥体;和布置在所述的外和内金属端锥体之间的锥体绝缘体,所述的锥体绝缘体包含无机纤维,有机粘合剂,粘土,抗氧化剂和任选的膨胀材料。

[0025] 进一步提供了一种用于废气处理装置的端锥体,其包含外金属锥体;和邻近所述的外金属端锥体内表面布置的自立式锥体绝缘体,该绝缘体包含无机纤维、抗氧化剂和任选的膨胀材料。

[0026] 根据某些示例性实施方案,该用于废气处理装置的端锥体包含外金属锥体;和邻近所述的外金属端锥体内表面布置的自立式锥体绝缘体,该绝缘体包含无机纤维、粘土、抗氧化剂和任选的膨胀材料。

附图说明

[0027] 图1表示了一种示例性废气处理装置的片断图,该装置包括了本发明的安装垫。

[0028] 图2是一种图表,其描述了与现有技术的安装垫相比,本发明的膨胀安装垫作为温度(V )函数的相对膨胀。

[0029] 图3是一种图表,其描述了与现有技术的安装垫相比,本发明的膨胀安装垫作为温度(V )函数的剪切强度。

[0030] 图4是一种图表,其描述了与现有技术的安装垫相比,本发明的膨胀安装垫作为温度(V )函数的相对膨胀。

[0031] 图5是一种图表,其描述了与现有技术的安装垫相比,本发明的膨胀安装垫作为温度(V )函数的剪切强度。

具体实施方式

[0032] 公开了一种用于废气处理装置应用的安装垫。该安装垫包括至少一种板层或者薄片,其包含了耐热无机纤维,有机粘合剂和抗氧化剂。根据某些实施方案,该安装垫可以任选的包括粘土和/或膨胀材料。已经出乎意料的发现将抗氧化剂包括在该安装垫中降低了经历350°C和更低的温度的垫子的不利的膨胀。该安装垫提供了在宽的温度范围内提高的保持压力性能。

[0033] 还提供了一种用于处理废气的装置。该装置包括了外金属外壳,通过安装垫安装在该外壳中的至少一种易碎结构,该安装垫布置在外壳内表面与易碎结构的外表面之间。术语“易碎的结构”目的是表示和包括结构例如金属或者陶瓷单片等等,其可以是易碎的或者本质易碎的,并且其将受益于例如此处所述的安装垫。[0034] 催化剂结构通常包括一种或多种多孔管状的或者蜂窝状结构,其通过耐热材料安装到外壳中。每个结构的每平方英寸上包括从大约200-大约900个或者更多的通道或者小室,这取决于废气处理装置的类型。柴油机颗粒捕集器不同于催化剂结构之处在于在该颗粒捕集器中的每个通道或者小室是一端或者另一端封闭的。将颗粒从废气中收集到所述的多孔结构中,直到通过高温烧尽方法进行再生。安装垫的非汽车应用可以包括用于化工排放(废气)烟道(stacks)的催化式排气净化器。

[0035] 一种用于处理废气的示例性形式的装置在图1中用数字10来表示。应当理解该安装垫目的并非限制到使用图1所示的装置,并且因此该形状仅仅是作为一种示例性实施方案来表示的。实际上,安装垫可以用于安装或者承载适于处理废气的任何易碎结构,例如柴油机催化剂结构,柴油机颗粒捕集器等等。

[0036] 催化式排气净化器10可以包括通常为管状的外壳12,该外壳是由两片通过边缘

16保持在一起的金属例如耐高温钢形成的。可选择的,该外壳可以包括一种预成形的罐,向其中插入安装垫包裹的易碎结构。外壳12包括在一端上的入口 14和在它的相对一端上的出口(未示出)。入口 14和出口合适的是在它们的外端形成,由此它们能够封闭到内燃机的废气系统中的管道上。装置10包含易碎的结构,例如易碎陶瓷单片18,其通过安装垫20承载和受限到外壳12中。单片18包括多个气体能够通过的通道,该通道从它一端的入口端表面轴向延伸到在它的相对一端的它的出口端表面。单片18可以用任何合适的难熔金属或者陶瓷材料以任何已知的方式和结构来进行构造。单片典型的在横截面外形上是椭圆形或者圆形的,但是其他形状也是可能的。

[0037] 该单片通过一定的距离或者间隙与外壳的内表面间隔开,这将根据所用装置的类型和设计而变化,该装置是例如催化式排气净化器、柴油机催化剂结构或者柴油机颗粒捕集器。将这个间隙用安装垫20填充,来提供对于陶瓷单片18的弹性支撑。弹性安装垫20提供了与外部环境的热绝缘以及对于易碎结构的机械支撑二者,由此保护该易碎结构在废气处理装置工作温度的宽范围内免受机械震动。

[0038] 通常,安装垫包括无机纤维,任选的至少一种类型的膨胀材料,有机粘合剂,粘土和抗氧化剂。安装垫20的组成足以提供一种保持压力性能,来在整个宽的温度范围内将易碎催化剂承载结构18弹性保持在废气处理装置10的外壳12中。

[0039] 任何耐热无机纤维可以用于该安装垫中,只要该纤维能够经受住安装垫的形成加工,能够经受住废气处理装置的工作温度,并且在该工作温度提供最小保持压力性能来将易碎结构保持在废气处理装置外壳中就行。并非限制性的,能够用来制备该安装垫和废气处理装置的合适的无机纤维包括高氧化铝多晶纤维,难熔陶瓷纤维例如硅铝酸盐纤维,氧化铝-氧化镁-二氧化硅纤维,高岭土纤维,碱土金属硅酸盐纤维例如氧化钙-氧化镁-二氧化硅纤维和氧化镁-二氧化硅纤维,S-玻璃纤维,S2-玻璃纤维,E-玻璃纤维,石英纤维,二氧化硅纤维及其组合。

[0040] 根据某些实施方案,能够用来制备该安装垫的耐热无机纤维包含陶瓷纤维。并非限制性的,合适的陶瓷纤维包括氧化铝纤维,氧化铝-二氧化硅纤维,氧化铝-氧化锆-二氧化硅纤维,氧化锆-二氧化硅纤维,氧化锆纤维和类似的纤维。一种有用的氧化铝-二氧化硅陶瓷纤维是在商标名称FIBERPRAX下市售获自Unifrax I LLC (Niagara Falls,纽约)的。该FIBERPRAX陶瓷纤维包含大约45-大约75重量%的氧化铝和大约25-大约55重量%的二氧化硅的纤维化产物。该FIBERPRAX纤维表现出高到大约1540°C的工作温度和高到大约1870°C的熔点。FIBERPRAX纤维容易形成耐高温的薄片和纸张。

[0041] 该氧化铝/ 二氧化硅纤维可以包含大约40重量% -大约60重量%的Al2O3和大约60重量% -大约40重量%的Si02。该纤维可以包含大约50重量%的Al2O3和大约50重量%的Si02。该氧化铝/ 二氧化硅/氧化镁玻璃纤维典型的包含大约64重量% -大约66重量%的SiO2,大约24重量% -大约25重量%的Al2O3和大约9重量% -大约10重量%的1%0。E-玻璃纤维典型的包含大约52重量% -大约56重量%的SiO2,大约16重量% -大约25重量%的0&0,大约12重量% -大约16重量%的Al2O3,大约5重量% -大约10重量%的B2O3,至高大约5重量%的MgO,至高大约2重量%的氧化钠和氧化钾以及痕量的氧化铁和氟化铁,并且典型的组成为55重量%的SiO2,15重量%的Al203,7重量%的B2O3, 3重量%的MgO,19重量%的CaO和痕量的上述材料。

[0042] 并非限制性的,能够用来制备用于废气处理装置的安装垫的生物可溶性碱土金属硅酸盐纤维合适的例子包括在下面中所公开的这些纤维:US专利N0.6953757,6030910,6025288,5874375,5585312,5332699,5714421,7259118,7153796,6861381,5955389,5928075,5821183和5811360,其在此引入作为参考。

[0043] 根据某些实施方案,该生物可溶性碱土金属硅酸盐纤维可以包含镁氧化物和二氧化硅的混合物的纤维化产物。这些纤维通常称作镁-硅酸盐纤维。该镁-硅酸盐纤维通常包含大约60-大约90重量%的二氧化硅,大于O-大约35重量%的氧化镁和5重量%或者更少量杂质的纤维化产物。根据某些实施方案,热处理的碱土金属硅酸盐纤维包含大约65-大约86重量%的二氧化硅,大约14-大约35重量%的氧化镁和5重量%或者更少量杂质的纤维化产物。根据另一种实施方案,热处理的碱土金属硅酸盐纤维包含大约70-大约86重量%的二氧化硅,大约14-大约30重量%的氧化镁和5重量%或者更少量杂质的纤维化产物。一种合适的镁-硅酸盐纤维是在商标名称IS0FRAX下市售自Unifrax ILLC(Niagara Falls,纽约)的。市售的IS0FRAX纤维通常包含大约70-大约80重量%的二氧化硅,大约18-大约27重量%的氧化镁和4重量%或者更少量杂质的纤维化产物。

[0044] 根据某些实施方案,该生物可溶性碱土金属硅酸盐纤维可以包含钙、镁的氧化物和二氧化硅的混合物的纤维化产物。这些纤维通常称作氧化钙-氧化镁-二氧化硅纤维。根据某些实施方案,该氧化钙-氧化镁-硅酸盐纤维包含大约45-大约90重量%的二氧化硅,大于O-大约45重量%的氧化钙,大于O-大约35重量%的氧化镁和10重量%或者更少量杂质的纤维化产物。有用的氧化钙-氧化镁-硅酸盐纤维是在商标名称INSULFRAX下市售自Unifrax I LLC(Niagara Falls,纽约)的。INSULFRAX纤维通常包含大约61-大约67重量%的二氧化硅,大约27-大约33重量%的氧化钙和大约2-大约7重量%的氧化镁的纤维化产物。其他合适的氧化钙-氧化镁-硅酸盐纤维是在商标名称SUPERW00L 607,SUPERffOOL 607 MAX和 SUPERWOOL HT下市售自 Thermal Ceramics (Augusta,乔治亚州)的。SUPERffOOL 607纤维包含大约60-大约70重量%的二氧化硅,大约25-大约35重量%的氧化钙和大约4-大约7重量%的氧化镁以及痕量的氧化铝。SUPERffOOL 607 MAX纤维包含大约60-大约70重量%的二氧化硅,大约16-大约22重量%的氧化钙和大约12-大约19重量%的氧化镁以及痕量的氧化铝。SUPERffOOL HT纤维包含大约74重量%的二氧化硅,大约24重量%的氧化钙和痕量的氧化镁、氧化铝和氧化铁。[0045] 用于生产废气处理装置所用的安装垫的合适的二氧化硅纤维包括下面的这些浸溃玻璃纤维:在商标BELC0TEX下获自德国的BelChemFiber Materials GmbH,在商标名称REFRASIL下获自加州 Gardena 的 Hitco Carbon Composites, Inc.,和在商标名称PS-23 (R)下获自白俄罗斯共和国Polotsk-Steklovolokno。

[0046] BELC0TEX纤维是标准型的人造短纤维预取向丝。这些纤维的平均细度是大约550特克斯,并且通常是由氧化铝改性的硅酸制成的。BELC0TEX纤维是无定形的,并且通常包含大约94.5%的二氧化硅,大约4.5%的氧化铝,小于0.5%的氧化钠和小于0.5%的其他成分。这些纤维的平均纤维直径是大约9微米,熔点范围是1500° -1550°C。这些纤维的耐热性高到1100°C的温度,并且典型的是无杂色的和无粘合剂的。

[0047] 类似于BELC0TEX纤维,REFRASIL纤维是无定形浸溃玻璃纤维,其具有高的二氧化硅含量来提供用于1000° -1100°c温度范围的热绝缘。这些纤维的直径是大约6-大约13微米,并且熔点是大约1700°C。在浸溃之后,该纤维典型的二氧化硅含量是大约95重量%。氧化铝的存在量是大约4重量%,并且其他成分的存在量是I %或者更低。

[0048] 来自Polotsk-Steklovolokno的PS_23 (R)纤维是高二氧化娃含量的无定形的玻璃纤维,并且其适于要求至少耐大约1000°c的应用的热绝缘。这些纤维的纤维长度范围是大约5-大约20mm,并且纤维直径是大约9微米。类似于REFRASIL纤维,这些纤维的熔点是大约 1700°C。

[0049] 能够混入到安装垫中的膨胀材料包括但不限于未膨胀的蛭石,离子交换的蛭石,热处理的蛭石,可膨胀石墨,水黑云母,水溶胀性四硅氟云母,碱金属硅酸盐或者其混合物。安装垫可以包括大于一种类型的膨胀材料的混合物。该膨胀材料可以包含相对量为大约9: 1-大约1: 2蛭石:石墨的未膨胀的蛭石和可膨胀石墨的混合物,如US专利N0.5384188 中所述。

[0050] 该安装垫还包括粘合剂或者大于一种类型的粘合剂的混合物。合适的粘合剂包括有机粘合剂,无机粘合剂和这两种类型的粘合剂的混合物。根据某些实施方案,该膨胀安装垫包括一种或多种有机粘合剂。该有机粘合剂可以作为固体,液体,溶液,分散体,乳胶,乳液或者类似的形式来提供。该有机粘合剂可以包含热塑性或者热固性粘合剂,其在固化后是一种柔性材料,该材料可以在安装垫安装时烧掉。合适的有机粘合剂的例子包括但不限于丙烯酸乳胶,(甲基)丙烯酸乳胶,苯乙烯和丁二烯的共聚物,乙烯基吡啶,丙烯腈,丙烯腈和苯乙烯的共聚物,氯乙烯,聚氨酯,乙酸乙烯酯和乙烯的共聚物,聚酰胺,硅树脂等等。其他树脂包括低温柔性热固性树脂例如不饱和聚酯,环氧树脂和聚乙烯基酯。

[0051] 该有机粘合剂可以以下面的量包括在安装垫中:大于O-大约20重量%,大约

0.5-大约15重量%,大约1-大约10重量%和大约2-大约8重量%,基于该安装垫的总重量。

[0052] 代替树脂质或者液体粘合剂或者除了其之外,该安装垫可以包括聚合物粘合剂纤维。这些聚合物粘合剂纤维可以以大于O-大约20重量%,大约1-大约15重量%和大约

2-大约10重量%的量来帮助将耐热无机纤维粘合在一起,基于100重量%的总组成。粘合剂纤维合适的例子包括聚乙烯醇纤维,聚烯烃纤维例如聚乙烯和聚丙烯,丙烯酸纤维,聚酯纤维,乙基乙酸乙烯酯纤维,尼龙纤维及其组合。

[0053] 典型的,有机粘合剂是一种牺牲粘合剂,其用来将纤维初始粘合在一起。用“牺牲”表示有机粘合剂最后将从安装垫中烧掉,仅仅留下无机纤维、任选的膨胀材料和任选的粘土作为安装垫来将易碎结构承载在金属外壳中。

[0054] 除了有机粘合剂之外,安装垫还可以包括无机粘合剂材料。并非限制性的,合适的无机粘合剂材料包括氧化铝,二氧化硅,氧化锆及其混合物的胶体分散体。

[0055] 根据某些实施方案,该安装垫包括有效量的粘土材料来进一步使得整个垫子厚度降到最低,以及相应的低温性能损失最低,这归因于有机粘合剂软化和纤维重排。并非限制性的,粘土材料可以以大约1-大约10重量%的量包括在膨胀安装垫中,基于安装垫的总重量。该粘土材料可以可选择的以下面的量包括在安装垫中:大约2-大约8重量%或者大约

3-5重量%,基于安装垫的总重量。可以包括在膨胀安装垫中的合适的粘土包括但不限于绿坡缕石,球粘土,斑脱土,锂蒙脱石,蓝晶石,高岭石,蒙脱石,坡缕石,皂石,海泡石,硅线石或者其组合。

[0056] 根据某些实施方案,安装垫包括有效量的绿坡缕石粘土。合适的绿坡缕石粘土是在商标名称Wesil NS下市售自Wesbond,在Min-U-Gel 400P下市售自 ITC Industrials(Hunt Valley, MD),在 PaIyGeI 325NA 下市售自 MinTech International(Bloomington, IN)和 在 Super Gel B 下市售 自ZemexCorporation (Attapulugus, GA)。不受限于任何具体的理论,当有机粘合剂发生软化来响应曝露于废气处理装置运行中的热时,绿坡缕石粘土的拉长的针状晶体结构会影响包含在安装垫中的无机纤维的重排方式。

[0057] 根据某些实施方案,粘土材料还可以包括絮凝的材料和/或胶质化颗粒材料。

[0058] 该安装垫还包括有效量的抗氧化剂来延迟或者阻止包含在安装垫中的有机粘合剂的氧化。根据某些实施方案,该抗氧化剂可以以大约0.1-大约10重量%的量包括在安装垫中,基于安装垫的总重量。该抗氧化剂材料还可以以大约0.3-大约5重量%,或者大约0.5-大约1.5重量%的量包括在安装垫中,基于安装垫的总重量。

[0059] 抗氧化剂材料合适的例子包括主抗氧化剂,次抗氧化剂,多官能抗氧化剂及其组合。并非限制性的,主抗氧化剂非限制性的例子包括空间受阻酚和仲芳胺。合适的空间受阻酹是在商标名称Wingstay下市售自Elikochem(Villejust,法国),在商标名称AgeriteResin和Vanox下市售自RT Vanderbilt (Norwalk CT),以及在商标名称Irganox下市售自CibaSpecialty Chemicals(High Point, NC)。

[0060] 次抗氧化剂合适的例子包括有机磷化合物(其将过氧化物和氢过氧化物分解成为稳定的、非自由基产物)和硫协合剂(其对于长期热老化应用来说非常有效)。

[0061 ] 多官能抗氧化剂最好与主和次抗氧化剂相结合来充当一种抗氧化剂化合物。

[0062] 根据某些实施方案,受阻酚和硫协合剂抗氧化剂的混合物可以用作废气处理装置安装垫的抗氧化剂材料。

[0063] 抗氧化剂材料可以以主抗氧化剂或者主和次抗氧化剂混合物的分散体或者乳液的形式来提供。合适的抗氧化剂分散体是在商标名称Bostex下市售自AkronDispersions(Akron, Ohio),在商标名称 Aquanox 下市售自 Aquaspersions(WestYorkshire,英国),在商标名称 Octolite 下市售自 Tiarco Chemical (Dalton, GA),和在商标名称 Lowinx, Durad 和 Anox 下市售自 Great Lakes Chemical C0.(Indianapolis, IN)。

[0064] 抗氧化剂分散体示例性的例子包括Bostex 24 (其是一种Wingstay L的分散体)和Bostex 362A (其是50%的Wingstay L/DTDTDP协合剂(一种硫协合剂/次抗氧化剂)。Wingstay L (该抗氧化剂包含在Bostex 362A分散体中)的热降解温度大于大约300°C,并且其自燃温度是大约440°C。所以,该抗氧化剂材料将不开始降解或者燃烧,直到达到这样的温度,该温度大约等于安装垫中的有机粘合剂开始分解和膨胀材料例如蛭石变成活性并且开始膨胀时的温度。

[0065] 一种特别合适的抗氧化剂是在商标名称Bostex 362A下市售自AkronDispersions (Akron, Ohio)。根据某些示例性实施方案,在加入到安装垫的其余成分中之前,该抗氧化剂材料是与有机粘合剂材料预先复合的。

[0066] 安装垫可以通过本领域已知的形成片状材料的任何方式来生产。例如,常规的造纸方法,无论是手工铺设还是机器铺设都可以用来制备膨胀片材。手抄纸模制、长网抄纸机或者圆网抄纸机可以用来制造该膨胀片材。

[0067] 例如,使用造纸方法可以将无机纤维,膨胀材料和抗氧化剂与粘合剂或者其他能够充当粘合剂的纤维混合在一起,来形成混合物或者浆体。所述成分的浆体可以通过将絮凝剂加入到该浆体中来进行絮凝。将絮凝的混合物或者浆体放置在造纸机上来形成含有板层或者薄片的纸张。该薄片通过空气干燥或者烘箱干燥来进行干燥。对于所使用的常规造纸技术更详细的说明参见US专利N0.3458329,其公开的内容在此引入作为参考。

[0068] 可选择的,该板层或者薄片可以通过真空流延所述浆体来形成。根据这种方法,将所述成分的浆体湿铺到一种能流过的网上。施加真空到该网上来提取该浆体中大部分的湿气,由此形成了湿的薄片。然后典型的是在烘箱中干燥该湿的板层或者薄片。在干燥之前,该薄片可以通过一组辊子来压缩该薄片。

[0069] 在其他的实施方案中,可以通过常规的手段例如干燥空气流来将纤维加工成安装垫。在这个阶段,垫子具有非常小的结构整体性,并且相对于常规的催化式排气净化器和柴油机捕集器安装垫来说是非常厚的。所形成的垫子因此可以针式干燥(如本领域通常已知的那样)来致密化该垫子和提高其强度。

[0070] 在使用干燥空气层化技术的情况中,垫子可以可选择的通过将粘合剂加入到垫子中,通过渗透来形成不连续的纤维复合材料来进行加工。在这种技术中,粘合剂是在垫子形成后加入的,而非如上面常规的造纸技术所述的形成垫子预浸料坯。这种制备垫子的方法通过减少破裂而有助于保持纤维的长度。

[0071] 用粘合剂渗透垫子的方法包括将垫子完全淹没在液体粘合剂体系中,或者可选择的喷涂该垫子。在一种连续的方法中,纤维垫子(其能够以辊子的形式进行传输)是未卷绕的,并且例如在传送带或者纱幕(scrim)上移动,通过喷嘴,该喷嘴将粘合剂施涂到垫子上。可选择的,该垫子可以在重力作用下通过喷嘴。该垫子/粘合剂预浸料坯然后在压缩辊之间通过,其除去了多余的液体,并且将该预浸料坯致密化到它的大致期望的厚度。该致密化的预浸料坯然后可以通过烘箱来除去任何残存的溶剂,并且如果需要,来部分的固化粘合剂来形成复合材料。干燥和固化温度主要取决于所用的粘合剂和溶剂(如果存在)。该复合材料然后可以切割或者卷绕来用于存储或者运输。

[0072] 安装垫还可以如下来以批次模式进行制造:将垫子的一部分浸入到液体粘合剂中,除去该预浸料坯,并且加压来除去多余的液体,其后干燥来形成复合材料,并且存储或者切割到一定的尺寸。[0073] 应当注意的是该安装垫的密度对于在某些应用中容易使用而言是过低的。因此,它们可以通过本领域已知的任何方式进行进一步的致密化,来提供更高的密度。一种这样的致密化方式是针刺该纤维来使得它们缠绕和卷绕。另外的或者可选择的,可以使用水绕(hydro-entangling)方法。另外一种选项是通过将纤维棍动通过压棍机来将它们压成垫子形状。这些垫子致密化方法中的任意一个或者这些方法的组合可以容易的用来获得具有精确的和期望形式的安装垫。

[0074] 无论使用上述的哪一个技术,该复合材料都可以例如通过模冲压来形成安装垫,该垫子具有可再现公差的精确形状和尺寸。安装垫20表现出合适的例如通过针刺等的致密化处理性能,这意味着它能够容易的进行处理,并且不像许多其他的纤维毯子或者垫子那样脆,以至于在人手里会粉碎。它能够容易的和柔性的安装或者包裹在易碎的结构18或者类似的易碎结构周围,而不会破裂,并因此被布置在催化式排气净化器外壳12中。通常,该安装垫包裹的易碎结构可以插入到外壳中,或者该外壳可以构建或者制作在该安装垫包裹的易碎结构周围。

[0075] 对于非膨胀安装垫而言,在经历了在大约300°C的热表面温度进行的常规1000周期间隙膨胀测试的1000个机械周期之后,该安装垫能够保持至少IOkPa或者至少50kPa的最小保持压力,并且垫子间隙堆积密度是大约0.3-大约0.6g/cm3,间隙膨胀百分率是大约2%。对于膨胀安装垫而言,在经历了在大约300°C的热表面温度进行的常规1000周期间隙膨胀测试的1000个机械周期之后,该安装垫能够保持至少IOkPa或者至少50kPa的最小保持压力,并且垫子间隙堆积密度是大约0.7-大约1.25g/cm3,间隙膨胀百分率是大约2%。可以理解这种测试特别适于这样的安装垫,该安装垫被用来保持在低温使用的高过负载应用中的更重的基底。用于这样的应用的废气处理装置包括柴油机催化剂结构和柴油机颗粒捕集器。

[0076] 用术语“周期”表示单片(即,易碎的结构)和外壳之间的间隙是在具体的距离上以预定的速率变大和变小的。为了模拟实际上的条件,给定直径的外壳和易碎结构之间的间隙的膨胀可以通过计算常规的外壳在例如大约900°C的温度的热膨胀系数来确定。然后对最终垫子的基重进行选择,其将满足该测试的标准,并且在1000个周期之后提供了大于大约IOkPa的最小保持力(Pmin)。目标是以最低的成本来提供足够的支撑,因此可以选择满足该大于大约IOkPa要求的最小基重。

[0077] 在运行中,所述的装置经历了明显的温度变化。由于它们的热膨胀系数之间的差异,外壳的膨胀会大于承载结构18,这样这些元件之间的间隙将稍有增加。在一种典型的情况中,在排气净化器的热循环过程中,该间隙会在大约0.25-大约0.5_的量级上膨胀和收缩。对安装垫的厚度和安装密度进行选择,以使得在全部的条件下保持在至少大约IOkPa的最小保持压力,来防止该易碎结构被震松。在这些条件下由安装垫20所产生的安装压力允许容纳该组件的热特性,而不损失组元的物理完整性。

[0078] 试骀

[0079] 下面所提出的实施例仅仅用于进一步说明该安装垫和废气处理装置。该示例性实施例不应当被解释为对安装垫、并入有该安装垫的废气处理装置、或者以任何方式制造该安装垫或者废气处理装置的方法的限制。

[0080] 相对膨胀[0081] 安装垫的相对膨胀是在单个周期膨胀测试中进行评价的。实施例N0.1代表了一种安装垫,其含有47.5重量%的Fiberfrax难熔陶瓷纤维,45重量%的可膨胀蛭石,6.5重量%的Hycar 26083丙烯酸乳胶和I重量%的斑脱土粘土。

[0082] 实施例N0.2代表了 一种安装垫,其含有47.5重量%的Fiberfrax难熔陶瓷纤维,45重量%的可膨胀蛭石,5.9重量%的Hycar26083丙烯酸乳胶,0.65重量%的抗氧化剂(Bostex 362A)和 I 重量% 的斑脱土粘土(Volclay)。

[0083] 实施例N0.3代表了 一种安装垫,其含有48.5重量%的Fiberfrax难熔陶瓷纤维,45重量%的可膨胀蛭石,5.9重量%的Hycar26083丙烯酸乳胶和0.65重量%的抗氧化剂(Bostex362A)。

[0084] 实施例N0.4代表了 一种安装垫,其含有47.5重量%的Fiberfrax难熔陶瓷纤维,45重量%的可膨胀蛭石,5.9重量%的Hycar26083丙烯酸乳胶,0.65重量%的抗氧化剂(Bostex362A)和I重量%的绿坡缕石粘土(Wesil)。

[0085] 将实施例1-4的垫子放在两个石英撞锤之间。将该安装垫通过施加大约50psi的不变负荷到该垫子上进行压缩。然后使该垫子在室温松弛大约5分钟。然后在垫子被加热到850°C (15°C /min)时测量每个垫子的厚度。单个周期膨胀测试的结果报告在图2中。

[0086] 图2所示的图表表示了膨胀安装垫的作为温度函数的相对膨胀。该结果表明这里存在着包含有机粘合剂的膨胀安装垫在200°C左右对于该粘合剂软化响应的初始负膨胀。不受限于任何具体的理论,据信该有机粘合剂的软化使得安装垫中所存在的无机纤维能够重排。

[0087] 实施例1 (其是一种含有纤维,膨胀材料,有机粘合剂和斑脱土粘土的膨胀安装垫)表现出从100°c到大约400°C的负膨胀,并且在大约275°C到300°C,由于有机粘合剂的氧化而产生负膨胀的急剧增加。

[0088] 实施例2和4 (其是含有纤维,膨胀材料有机粘合剂,抗氧化剂和粘土的膨胀安装垫)与实施例1相比,在100°C -大约400°C的温度范围内表现出提高的负膨胀。

[0089] 实施例3 (其是一种含有纤维,膨胀材料,有机粘合剂和抗氧化剂,但是不含粘土的膨胀安装垫)与含有斑脱土粘土但是不含抗氧化剂的膨胀安装垫相比,在ioo°c -大约400°C的温度范围内表现出提高的负膨胀。实施例3的垫子还表现出这样的负膨胀,其类似于含有抗氧化剂和粘土的膨胀安装垫所表现出负膨胀。因此,其证实了将抗氧化剂单独包括在膨胀安装垫中提高了高到大约400°C的低温应用的垫子的负膨胀。

[0090] 实施例N0.5代表了一种安装垫,其含有67.5重量%的IS0FRAX氧化镁-硅酸盐纤维,20重量%的可膨胀蛭石,10重量%的Hycar26083丙烯酸乳胶和2.5重量%的斑脱土粘土(Volclay)。

[0091] 实施例N0.6代表了 一种安装垫,其含有67.5重量%的IS0FRAX氧化镁-硅酸盐纤维,20重量%的可膨胀蛭石,9.5重量%的Hycar26083丙烯酸乳胶,0.5重量%的抗氧化剂(Bostex362A)和 2.5 重量% 的斑脱土粘土 (Volclay)。

[0092] 实施例N0.7代表了一种安装垫,其含有65重量%的IS0FRAX氧化镁-硅酸盐纤维,20重量%的可膨胀蛭石,9.5重量%的Hycar26083丙烯酸乳胶,0.5重量%的抗氧化剂(Bostex362A)和5重量%的绿坡缕石粘土(Wesil)。

[0093] 将实施例5-7的垫子放在两个石英撞锤之间。将该安装垫通过施加大约50psi的不变负荷到该垫子上进行压缩。然后使该垫子在室温松弛大约5分钟。然后在垫子被加热到850°C (15°C /min)时测量每个垫子的厚度。单个周期膨胀测试的结果报告在图4中。

[0094] 图4所示的图表表示了膨胀安装垫的作为温度函数的相对膨胀。该结果表明这里存在着包含有机粘合剂的膨胀安装垫在200°C左右对于该粘合剂软化响应的初始负膨胀。不受限于任何具体的理论,据信该有机粘合剂的软化使得安装垫中所存在的无机纤维能够重排。

[0095] 实施例5 (其是一种膨胀安装垫,含有纤维,膨胀材料和有机粘合剂,但是不含粘土,也不合抗氧化剂)在200°C -大约300°C连续的表现出进一步的负膨胀,并且在大约275°C到300°C,由于有机粘合剂的氧化而产生负膨胀的急剧增加。

[0096] 实施例6 (其是一种膨胀安装垫,含有纤维,膨胀材料和有机粘合剂和0.5重量%的抗氧化剂)在200°C到大约400°C的温度范围内表现出提高的负膨胀。

[0097] 实施例7 (其是一种膨胀安装垫,含有纤维,膨胀材料和有机粘合剂,5重量%的粘土和0.5重量%的抗氧化剂)与不合粘土或者抗氧化剂的膨胀垫子或者含有0.5重量%抗氧化剂的垫子相比,表现出最大提高的负膨胀。因此,其证实了将粘土和抗氧化剂包含在膨胀安装垫中提高了高到大约400°C的低温应用的垫子的负膨胀。

[0098] 煎切强度

[0099] 评价了仅仅含有粘土、仅仅含有抗氧化剂或者含有相组合的抗氧化剂和粘土的膨胀安装垫在从环境温度到大约500°C的整个温度范围内的剪切强度,并且与不含这些添加剂的膨胀安装垫进行了比较。

[0100] 在工作夹具中将一个恒定的负荷施加到膨胀安装垫样品上。剪切应变(即,材料的变形量)是作为温度的函数来测量的。该剪切强度测试的结果表示在图5中。该结果表明与不含抗氧化剂的安装垫相比,使用抗氧化剂导致了整个抗剪切应变性能的提高。实施例3 (其代表了一种仅仅含有抗氧化剂而不含有粘土的安装垫)表现出这样的抗剪切应变,该应变大于含有粘土但是不含抗氧化剂的安装垫(实施例1)或者含有相组合的绿坡缕石或者斑脱土粘土和抗氧化剂的安装垫(实施例2和4)。

[0101] 该剪切强度测量另外的结果表示在图5中。这些结果表明与不含抗氧化剂的安装垫相比,使用相组合的抗氧化剂和粘土导致了整个抗剪切应变的提高。

[0102] 这些垫子对于催化式排气净化器和柴油机颗粒捕集器工业来说是有利的。该安装垫可以冲切,并且可以用作薄型弹性载体,来提供处理容易性,和处于柔性的形式,以便能够提供对于催化剂承载结构的期望的整个包裹,而没有破裂。可选择的,该安装垫可以整个包裹在至少一部分的催化剂承载结构的整个圆周或者周边周围。如果期望的,该安装垫还可以部分的包裹和包括在一些常规的排气净化器装置中通常所用的端部密封条,来防止气体旁路。

[0103] 上述的安装垫在多种应用中也是有用的,例如用于摩托车和其他小型发动机车辆的常规的汽车催化式排气净化器,和汽车预净化器,以及高温隔离器,垫圈,和甚至将来产生的汽车底盘催化式排气净化器系统。通常,它们可以用于任何的这样的应用中,该应用需要垫子或者垫圈来在室温产生保压,并且更重要的,来提供高温(包括在热循环过程中)保持该保压的能力。

[0104] 该安装垫材料可以用作废气处理装置中的端锥体绝缘体。根据某些实施方案,提供了一种用于废气处理装置的端锥体。该端锥体通常包含外金属锥体、内金属锥体和布置在该外和内金属端锥体之间的间隙或者空间中的端锥体绝缘体。

[0105] 根据其他的实施方案,该端锥体可以包含外金属锥体和至少一层的锥体绝缘体,该绝缘体位于外金属锥体内表面的邻近。根据这些实施方案,该端锥体组件不具有内金属锥体。相反,该锥体绝缘体以某些方式硬化来提供一种自立式锥体结构,该结构能够耐受流过该装置的高温气体。

[0106] 提供了一种包括至少一个端锥体的废气处理装置。该废气处理装置包含外壳,位于该外壳中的易碎结构,用于将废气管道连接到该外壳上的入口和出口端锥体组件,每个端锥体组件含有内端锥体壳和外端锥体壳;并且含有热处理的生物可溶性纤维和任选的膨胀材料的端锥体绝缘体位于该内和外锥体壳之间。

[0107] 上述的安装垫还可以用于化学工业中所用的催化式排气净化器中,该净化器位于废气或者排放烟道中,包括含有易碎的需要保护性安装的蜂窝型结构的这些。

[0108] 该安装垫材料可以用作被动防火材料或者用作挡火材料。该安装垫还可以用在燃料电池中来包裹发热元件。

[0109] 虽然已经参考不同的示例性实施方案对安装垫和废气处理装置进行了描述,但是应当理解可以使用其他类似的实施方案或者可以对所述的实施方案进行改进和增加来执行与此处所述相同的功能,而不偏离该方案。在可选择性方面上述的实施方案不是必需的,因为可以对不同的实施方案进行合并来提供期望的特性。所以,安装垫和废气处理装置不应当局限于任何单一的实施方案,而是在附加的权利要求所述的宽度和范围内进行解释。

Claims (13)

1.一种用于废气处理装置的安装垫,其包含: 无机纤维; 有机粘合剂; 抗氧化剂;和 膨胀材料, 其中在应用中,抗氧化剂降低了在高达400°c温度下的安装垫的负膨胀。
2.权利要求1的安装垫,其中该无机纤维选自高氧化铝多晶纤维、陶瓷纤维、富铝红柱石纤维、玻璃纤维、生物可溶性纤维、石英纤维、二氧化硅纤维及其组合。
3.权利要求2的安装垫,其中该高氧化铝多晶纤维包含大约72-大约100重量%的氧化铝和大约O-大约28重量%的二氧化硅的纤维化产物。
4.权利要求2的安装垫,其中该陶瓷纤维包含硅铝酸盐纤维,该硅铝酸盐纤维包含大约45-大约72重量%的氧化铝和大约28-大约55重量%的二氧化硅的纤维化产物。
5.权利要求2的安装垫,其中该生物可溶性纤维包含氧化镁-二氧化硅纤维,该氧化镁-二氧化硅纤维包含大约65-大约86重量%的二氧化硅、大约14-大约35重量%的氧化镁和大约5重量%或者更少的杂质的纤维化产物。
6.权利要求2的安装垫,其中该生物可溶性纤维包含氧化钙-氧化镁-二氧化硅纤维,该氧化钙-氧化镁-二氧化硅纤维包含大约45-大约90重量%的二氧化硅、大于O-大约45重量%的氧化钙和大于O-大约35重量%的氧化镁的纤维化产物。
7.权利要求1的安装垫,其中该膨胀材料选自未膨胀的蛭石、离子交换的蛭石、热处理的蛭石、可膨胀石墨、水黑云母、水溶胀性四硅氟云母、碱金属硅酸盐或者其混合物。
8.权利要求1的安装垫,其中该抗氧化剂选自主抗氧化剂、次抗氧化剂、多官能抗氧化剂及其组合。
9.权利要求1的安装垫,其中该无机纤维包含氧化镁-二氧化硅纤维,其中该膨胀材料包含蛭石,以及其中该抗氧化剂包含主和次抗氧化剂的混合物。
10.权利要求9的安装垫,其中该安装垫包含大约25-大约100重量%的氧化镁-二氧化硅纤维、大约1-大约30重量%的蛭石和大约0.1-大约10重量%抗氧化剂。
11.权利要求1的安装垫,其包含选自下面的粘土:绿坡缕石、球粘土、斑脱土、锂蒙脱石、蓝晶石、高岭石、蒙脱石、坡缕石、皂石、海泡石、硅线石或者其组合。
12.—种废气处理装置,其包含: 夕卜壳; 弹性安装在该外壳中的易碎催化剂承载结构;和 布置在外壳与该易碎承载结构之间的间隙中的安装垫,其中所述安装垫包含无机纤维、有机粘合剂和抗氧化剂, 其中在应用中,抗氧化剂降低了在高达400°C温度下的安装垫的负膨胀。
13.权利要求12的废气处理装置,其包含至少一个端锥体,该端锥体包含: 外金属锥体; 内金属锥体;和 布置在所述的外和内金属端锥体之间的锥体绝缘体,所述锥体绝缘体包含无机纤维、有机粘合剂和抗氧化剂。
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