CN101801879A - 应用于陶瓷蜂窝体的组合物 - Google Patents

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Abstract

揭示了可应用于蜂窝体的组合物。该组合物可以用作形成陶瓷壁流式过滤器用的堵塞混合物。或者，该组合物可用来在蜂窝体的外部形成外皮涂层。揭示的组合物包含无机粉末批料组合物；有机粘结剂；液体载剂和流变改进剂。该组合物显示改进的流变性质，包括提高屈服强度和减小剪切下的粘度，在各种实施方式中，该组合物能够制备烧结相端部堵塞物，减少在最终干燥和烧制的端部堵塞物中小凹陷和针孔的形成，并且使端部堵塞物具有相对均匀和要求的深度。还揭示由本文所述的堵塞混合物形成端部堵塞的陶瓷壁流式过滤器的方法。

Description

应用于陶瓷蜂窝体的组合物
相关申请
本申请要求于2007年7月31日提交、标题为“应用于陶瓷蜂窝体的组合物”的美国临时申请第60/962,715号的权益。
技术领域
本发明涉及多孔陶瓷微粒过滤器的制备，更具体来说涉及用来对多孔陶瓷蜂窝体的选择的孔道进行密封从而形成壁流式陶瓷过滤器的改进的堵塞混合物和方法。
背景技术
陶瓷壁流式过滤器越来越多地用来从柴油机或者其它内燃机排气流中除去微粒污染物。已知有许多种使用由多孔陶瓷形成的具有孔道的蜂窝体结构制造这类过滤器的方法。最普遍的方法是将密封材料形成的堵塞物置于这种结构的交替孔道的端部，阻挡流过孔道的直接流体流，迫使流体流先通过蜂窝体的多孔孔道壁，然后才离开所述过滤器。柴油发动机应用中使用的微粒过滤器由无机材料形成，对这些无机材料进行选择，以提供极佳的耐热冲击性、低的发动机背压以及在应用中可以接受的耐久性。最常规的过滤器组合物是基于碳化硅、钛酸铝、多铝红柱石和堇青石。通过设计过滤器几何结构，尽可能减小发动机背压，尽可能增大每单位体积的过滤表面积。
柴油机微粒过滤器由平行的孔道阵列构成，这些孔道阵列在一侧以棋盘格图案每隔一个孔道进行密封，使得来自发动机的排气必须通过孔道的壁，才能离开过滤器。这种结构的过滤器可以通过以下方式形成，挤出构成平行孔道阵列的基质，然后在第二加工步骤中每隔一个孔道用密封剂密封或“堵塞”。钛酸铝(AT)和堇青石堵塞混合物流导致在干燥步骤中形成大的针孔和小凹陷。有时，这些针孔和小凹陷在堵塞物的整个长度上延伸，导致这部分被质量控制过程认为是不合格的。小凹陷(可能导致泄漏)也是已知的问题，并且在高孔隙陶瓷如AT和堇青石基材时更为严重。
在堵塞过程中，堵塞混合物的预成形团块被送入基材部分(从撞杆(ram)至团块和基材间的界面)，所述预成形团块能够在活塞/筒体的储器中运动或下降，导致不均匀的堵塞，并且在某些情况，导致基材上未堵塞区域，以及制造和收率方面的困难。此外，目前的堵塞混合物制剂的储存寿命因为粘度随时间变化而较短。
因此，现有技术需要一种改进的堵塞混合物，用来形成陶瓷壁流式过滤器。具体地，需要不会导致形成针孔、小凹陷或大的内空隙的堵塞混合物。还需要具有足够流变性质的堵塞混合物，所述流变性质足以在预成形团块形式时保持该混合物的形状，所述预成形团块在将混合物压入基材时仍能适当流动。
发明内容
本发明提供应用于蜂窝体的改进的组合物。在一个实施方式中，该组合物可用于在蜂窝体外部形成外皮涂层。在另一个实施方式中，该组合物可用作形成陶瓷壁流式过滤器用的堵塞混合物。该堵塞混合物包含一种或多种流变改进剂，将该流变改进剂加入混合物制剂中时可提供高屈服强度和低的剪切下的粘度。由于改进了流变性质，堵塞混合物显示在堵塞深度方面改进的性能，减少或者甚至消除在干燥或烧制的堵塞物中形成明显大于所需孔隙尺寸的小凹陷、针孔或大的内空隙。例如，大的内空隙的最大长度尺寸大于或等于0.5毫米。
在一个实施方式中，本发明提供一种组合物，该组合物包含无机粉末批料组合物、有机粘结剂、液体载剂和流变改进剂。在10/秒剪切速率下测量，所述堵塞混合物显示小于8000Pa-s的毛细管粘度，在60度的角度下测量时，显示小于60毫米/8分钟的倾斜面流动速率。
在另一个实施方式中，本发明提供了一种多孔陶瓷壁流式过滤器，其包含蜂窝体基材，所述基材限定了大量孔道，这些孔道由从上游进口端纵向延伸至下游出口端的多孔孔道壁界定。大量孔道的第一部分包含在下游出口端密封各孔道壁的端部堵塞物，以形成进口孔道，所述大量孔道的第二部分包含在上游进口端密封各孔道壁的端部堵塞物，以形成出口孔道。根据该实施方式，端部堵塞物由本发明的堵塞混合物形成，包含形成陶瓷的无机粉末批料组合物、有机粘结剂、液体载剂和流变改进剂。
在另一个实施方式中，本发明提供了一种制造多孔陶瓷壁流式过滤器的方法。该方法大体包括：提供蜂窝体，该蜂窝体限定出大量孔道，所述孔道由从上游进口端纵向延伸至下游出口端的多孔孔道壁界定。至少一条预先确定的孔道的一部分用本发明的堵塞混合物选择性堵塞，所述堵塞混合物包括以下组分：形成陶瓷的无机粉末批料组合物、有机粘结剂、液体载剂以及流变改进剂。然后所述选择性堵塞的蜂窝体可以在一定的条件下干燥和烧制，所述条件能够在至少一个选择性堵塞的孔道中有效形成烧结相陶瓷堵塞物。在又一个实施方式中，所述组合物可应用于蜂窝体的一个或多个外部部分作为人造外皮，即，应用于蜂窝体的外周边的层或涂层，如人造外皮，其中，涂覆的蜂窝体例如是壁流式过滤器或基材。
在以下详细描述和任意权利要求中部分地提出了本发明的另外一些实施方式，它们部分源自详细描述，或可以通过实施本发明来了解。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是示例和说明性的，不构成对所揭示的本发明的限制。
附图简要说明
附图被结合在本说明书中，并构成说明书的一部分，附图说明了本发明的一些实施方式，并与描述部分一起用于说明本发明的原理，但不构成限制。
图1是根据本发明一个实施方式的示例的端部堵塞的壁流式过滤器的示意图。
图2是根据本发明的一个实施方式的倾斜面测试装置的示意图，该装置用于测量倾斜面流动速率。
图3是用不含流变改进剂的堵塞混合物进行端部堵塞的钛酸铝蜂窝体基材的顶视照片。
图4是用不含流变改进剂的堵塞混合物进行端部堵塞的钛酸铝蜂窝体基材的侧视照片。
图5是按本发明的一个实施方式端部用本发明的堵塞混合物堵塞的钛酸铝蜂窝体基材的顶视照片。
图6是按本发明的一个实施方式端部用本发明的堵塞混合物堵塞的钛酸铝蜂窝体基材的侧视照片。
具体实施方式
相关领域的技术人员会认识并理解，可以对本文所述的本发明的各实施方式进行许多变化，而且仍能实现本发明的有益的结果。还显而易见的是，本发明所需的有益结果中的一部分可以通过选择本发明的一些特征而不利用其他的特征来获得。因此，本领域技术人员会认识到，对本发明的许多更改和修改都是可能的，在某些情况下甚至是希望的，并且是本发明的一部分。因此，提供的以下描述作为对本发明原理的说明而不构成对本发明的限制。
如本文中所用，单数形式的“一个”，“一种”和“该”包括复数的指代物，除非文本中有另外的明确表示。因此，例如，对“流变改进剂”的引用包括具有两种或更多种此类“流变改进剂”的实施方式，除非文本中有另外的明确表示。
本文所用，除非有具体的相反表示，否则，无机组分的“重量％”或“重量百分数”或“重量份”均基于包含该组分的无机粉末批料组合物的总重量。
如本文中所用，“追加”表示基于并相对于100重量份形成陶瓷的无机粉末批料组分，一种组分如有机粘结剂、液体载剂或成孔剂的重量百分数。
此处所用的词语“任选的”或“任选地”意味着随后描述的事件或情况可能出现或者可能不出现，并且该描述包括所述事件或情况发生的实例及不发生的实例。
如上简要概述的，本发明提供适合应用于蜂窝体的组合物。在一个实施方式中，该组合物适合用作形成陶瓷壁流式过滤器用的堵塞混合物。在另一个实施方式中，所述组合物适合用作在蜂窝体的一个或多个外部部分上的人造外皮涂层。在这些优点中，组合物显示提高的屈服强度。当用作堵塞混合物时，屈服强度的提高因此能够降低干燥和烧制过程中不希望的下陷或小凹陷。此外，本发明的组合物与常规组合物的粘度相比，还显示降低在剪切下的粘度。当用作堵塞混合物时，这种剪切下的粘度下降还能够提高对所需堵塞物在孔道中的深度的控制能力。
本发明的组合物一般包含无机粉末批料组合物、有机粘结剂、液体载剂和流变改进剂。如本文中所用，流变改进剂表示能够改变堵塞混合物的一种或多种流变性质(包括例如粘度和屈服强度)，不会对该堵塞混合物的性能产生不利影响的堵塞混合物组分。根据本发明的一个实施方式，流变改进剂可以是非离子型表面活性剂。可用作流变改进剂的非离子型表面活性剂的示例种类包括：聚乙二醇；改性的聚乙二醇，例如聚乙二醇-油酸酯、聚乙二醇二油酸酯、烷基改性的聚乙二醇；聚丙二醇、改性的聚丙二醇；甘油；烷基山梨醇；脂肪醇；改性或未改性的聚乙二醇和改性或未改性的聚丙二醇的共聚物。可使用的商业可得的非离子型表面活性剂的具体例子包括：聚乙二醇二油酸酯、聚氧乙烯(2)油基醚，脱水山梨醇单月桂酸酯、丙三醇单油酸酯和油醇。在以下文献中可发现另外的商业可得的非离子型表面活性剂：McCutcheon乳化剂和洗涤剂，北美版，糖果制造商出版公司(McCutcheon’s Emul sifiers and Detergents，NorthAmerican edition，The Manufacturing Confectioner Publishing Co.)，GlenRock，N.J.，1995。
在又一个实施方式中，流变改进剂可以是一种油品，例如天然油或合成油。适合用作本发明堵塞混合物中的流变改进剂的商业可得油品的具体例子包括：花生油，大豆油，植物油，和合成的单酯和多酯，例如以下物质的烷基(丁基、己基、辛基、癸基、十二烷基等)酯：油酸、己二酸、壬二酸、癸二酸、十二烷二酸、邻苯二甲酸、二聚合油(粗辛烯)(dimerate)，新戊二醇、二羟甲基丙烷、季戊四醇(C3-C20酸酯，如，丙酸酯、辛酸酯、2-乙基己酸酯、油酸酯等)，其混合物等；聚α-烯烃液体，聚内烯烃液体和聚丁烯液体；矿物油；硅油。商业可得的各种天然油和合成油的列表可在以下文献中找到：Rudnick，L.S.，Shubkin，R.L.(1999)，合成润滑剂和高性能功能流体(SyntheticLubricants and High-Performance Functional Fluids)，第二版(2nd ed.)，Marcel and Dekker，NY，ISBN 0-8247-0194-1。在又一个实施方式中，适合用于本发明的堵塞混合物的流变改进剂是热解法氧化硅。
在一些实施方式中，流变改进剂作为追加物存在，其量为无机粉末批料组合物的约0.1重量％至15重量％范围，优选约为0.1-10重量％，包括例如1.0重量％，2.0重量％，3.重量％，4.0重量％，5.0重量％，6.0重量％，7.0重量％，8.0重量％，和9.0重量％，以及在这些值的任何范围中的量。例如，在另一个实施方式中，需要作为追加物加入的流变改进剂的用量为所述无机粉末批料组合物的4.0-8.0重量％。在一些实施方式中，流变改进剂是热解法氧化硅，其作为追加物的添加量为无机粉末批料组合物的0.1-2重量％范围。在其他实施方式中，流变改进剂是有机流变改进剂，例如，油品或非离子型表面活性剂，其作为追加物的添加量为无机粉末批料组合物的大于2重量％。
所述无机粉末批料组合物可以由足以形成所需烧结相陶瓷组合物的无机批料组分的组合组成，包括例如由陶瓷、玻璃-陶瓷、玻璃、及其组合组成的烧结相占优势的组合物。应理解，本文所用的玻璃、陶瓷和/或玻璃-陶瓷组合物的组合包括物理组合和/或化学组合，如混合物或复合物。为此，适合用于这些无机陶瓷粉末批料混合物的示例的非限制性无机粉末材料可包括：堇青石，钛酸铝，多铝红柱石，粘土，高岭土，氧化镁源，滑石，锆石，氧化锆，尖晶石，氧化铝形成源(包括氧化铝和其前体)，氧化硅形成源(包括氧化硅和其前体)，硅酸盐，铝酸盐，铝硅酸锂，氧化铝氧化硅(alumina silica)，长石，氧化钛，熔凝石英，氮化物，碳化物，硼化物，如碳化硅，氮化硅或它们的混合物。
例如，在一个实施方式中，无机粉末批料组合物可以包含形成钛酸铝的组分的混合物，该混合物可以在能够有效提供烧结相钛酸铝组合物的条件下加热。根据这个实施方式，所述无机粉末批料组合物包含粉末化原料，包括氧化铝源、氧化硅源、以及氧化钛源。这些无机粉末化原料可以例如选择为适当的用量，以提供烧结相钛酸铝陶瓷组合物，该组合物以氧化物重量百分数基准表示，包含约8-15重量％的SiO2，约45-53重量％的Al2O3，约27-33重量％的TiO2。一种示例的无机钛酸铝前体粉末批料组合物可包含约10％石英；约47％氧化铝；约30％氧化钛和约13％另外的无机添加剂。适合用于形成钛酸铝的其他非限制性的示例无机批料组分混合物包括在以下美国专利、美国专利申请和国际专利申请中揭示的那些：美国专利4,483,944；4,855,265；5,290,739；6,620,751；6,942,713；6,849,181；美国专利申请：2004/0020846；2004/0092381；和PCT申请公开WO 2006/015240；WO 2005/046840和WO2004/011386。上述参考文献的全部内容都参考结合入本文中。
在又一个实施方式中，无机粉末批料组合物可以包含形成堇青石的组分的混合物，该混合物可以在能够有效提供烧结相堇青石组合物的条件下加热。根据该实施方式，形成陶瓷的无机粉末批料组合物可包含氧化镁源；氧化铝源；和氧化硅源。例如但不限制，可以选择无机陶瓷粉末批料组合物，以提供一种堇青石组合物，该组合物主要由以下组分组成：约49-53重量％的SiO2，约33-38重量％的Al2O3和约12-16重量％的MgO。为此，一种示例的无机堇青石前体粉末批料组合物可包含约33-41重量％的氧化铝源、约46-53重量％的氧化硅源和约11-17重量％的氧化镁源。适合用来形成堇青石的示例性而非限制性的无机批料组分混合物包括以下文献中揭示的那些：美国专利3,885,977；RE 38,888；6,368,992；6,319,870；6,24,437；6,210,626；5,183,608；5,258,150；6,432,856；6,773,657；6,864,198；以及美国专利申请公开2004/0029707；2004/0261384；这些文献的全文内容参考结合于本文。
氧化铝形成源的示例性而非限制性的例子包括：金刚砂或α-氧化铝、γ-氧化铝，、过渡氧化铝、水铝矿和三羟铝石之类的氢氧化铝、勃姆石、水铝石、异丙醇铝等。所述氧化铝源的中值粒度优选大于5微米，包括例如中值粒度最大为10微米，15微米，20微米，或者甚至25微米。商业可得的氧化铝源可包括相对粗的氧化铝，例如Alcan C-700系列，其粒度约为4-6微米，比表面积约为0.5-1米2/克，如C-701TM，以及相对细的氧化铝，其粒度约为0.5-2微米，比表面积约为8-11米2/克，如可从Alcoa获得的A-16SG。
如果需要，氧化铝源还可以包括可分散的氧化铝形成源。如本文所用，可分散的氧化铝形成源是至少能显著分散在溶剂或液体介质中和可用来提供在溶剂或液体介质中的胶态悬浮液的氧化铝形成源。一个实施方式中，可分散的氧化铝源可以是相对高表面积的氧化铝源，其比表面积至少为20米2/克。或者，可分散的氧化铝源的比表面积至少为50米2/克。在一个示例性实施方式中，适合用于本发明方法的可分散的氧化铝源包括α-羟基氧化铝(aluminum oxidehydroxide)(AlOOH·H2O)，通常称作勃姆石，假勃姆石和一水合铝。在另一个示例性实施方式中，可分散的氧化铝源包括所谓的过渡或活化的氧化铝(即，氧化氢氧化铝(aluminum oxyhydroxide)和
Figure GPA00001052943900071
η-、ρ-、ι-、κ-、γ-、δ-和θ-氧化铝)，它们可以包含各种含量的通过化学方式结合的水或者羟基官能团。可用于本发明的商业可得的可分散的氧化铝源的具体例子包括但不限于：Dispal Boehmite(可从德克萨斯，休斯顿的CONDEA维斯塔公司(CONDEA VistaCompany of Houston，Texas)购得)和α-氧化铝A1000(可从玛特公司(Almatis，Inc.)购得)。
在一个实施方式中，合适的氧化硅源包括粘土或混合物，例如，生高岭土，煅烧的高岭土，和/或它们的混合物。非限制性的示例粘土包括：非分层的高岭石生粘土，其粒度约为7-9微米，表面积约为5-7米2/克；如Hydrite MPTM，其粒度约为2-5微米，表面积约为10-14米2/克，如Hydrite PXTM和K-10生粘土，分层的高岭石，其粒度约为1-3微米，表面积约为13-17米2/克，如KAOPAQUE-10TM，煅烧的粘土，粒度约为1-3微米，表面积约为6-8米2/克，如Glomax LL。上面指定的所有材料都可以从Dry Branch Kaolin，Dry Branch，Ga获得。
在另一个实施方式中，还应当理解所述氧化硅形成源还可包含晶体氧化硅，例如石英或方石英，非晶体二氧化硅，例如熔凝石英或者溶胶-凝胶氧化硅，硅树脂，沸石，以及硅藻土氧化硅。为此，商业可得的石英氧化硅形成源包括但不限于Imsil A25氧化硅(可从俄亥俄州拜斯维的拉庚纳粘土公司(LagunaClay Co.，of Byesville，Ohio)获得)。在另一个实施方式中，氧化硅形成源可包括加热时能形成游离氧化硅的化合物，例如，硅酸或硅有机金属化合物。
氧化钛源优选自但不限于：金红石和锐钛型氧化钛。在一个实施方式中，可以对氧化钛源的中值粒度进行最优化，以免未反应的氧化物被快速生长的晶核截留在烧结的陶瓷体中。因此，在一个实施方式中，氧化钛的中值粒度最大为20微米。
示例性而非限制性的氧化镁形成源可以包括滑石。在另一个实施方式中，合适的滑石可包括平均粒度至少约为5微米，至少约8微米，至少约12微米或者甚至至少约15微米的滑石。粒度可采用粒度分布(PSD)技术，优选通过Micrometrics公司的Sedigraph进行测量。在一些实施方式中，滑石的粒度为15-25微米。在另一个实施方式中，滑石可以是扁平状滑石。如本文所用，扁平状滑石指显示小片状颗粒形态的滑石，即颗粒具有两个长尺寸和一个短尺寸，或者例如，小片状的长度和宽度比其厚度要大得多。在一个实施方式中，滑石具有的形态指数(MI)大于约0.50，0.60，0.70或0.80。因此，如美国专利5,141,686中揭示的，形态指数是对滑石的扁平程度(platiness)的一个度量。测量形态指数的一种常规方法是将样品放置在一夹持器中，使扁平状滑石最大尺寸定位在该样品夹持器的平面内。然后，对定向的滑石进行x-射线衍射(XRD)图谱测定。采用以下等式，形态指数可以将滑石的扁平特征与其XRD峰强度半定量关联：
M = I x I x + 2 I y
其中，Ix是峰强度，Iy是反射强度。因此，适合用于本发明的氧化镁源的商业可得的实例包括但不限于Mistron 002和F-Cor(100目)(来自加拿大安大略，奥卡飞立的鲁泽纳卡公司(Luzenac，Inc.of Oakville，Ontario，Canada))以及96-67Talc(来自蒙大纳，迪龙的巴瑞特矿物公司(Barrett’s Minerals，Inc.of Dillon，Montana))。
在另一个实施方式中，无机粉末批料组合物包含一种或多种已烧制即陶瓷化的无机难熔陶瓷组合物的粉末。可用于无机粉末批料组合物的陶瓷化无机难熔组合物的例子包括：碳化硅、氮化硅、钛酸铝、多铝红柱石、铝酸钙和堇青石。在一个实施方式中，无机粉末批料组合物包含烧制的堇青石组合物。适合用于无机粉末批料中的陶瓷化堇青石组合物可以从已知来源购得，包括例如，美国纽约州康宁的康宁有限公司(Corning Incorporated，Corning，NY，USA)。或者，合适的堇青石组合物还可以通过以下方式制造：在能将形成堇青石的批料组合物有效转化为烧结相堇青石的条件下，如上所述加热该组合物。在一个实施方式中，合适的陶瓷化堇青石主要由以下组分组成：约49-53重量％SiO2，约33-38重量％Al2O3和约12-16重量％MgO。
粉末化堇青石的中值粒度d50优选在约10-45微米范围。在另一个实施方式中，粉末化堇青石组分可包括两种或更多种堇青石组合物的掺混物，各组合物具有不同的中值粒度。例如，在一个实施方式中，粉末化堇青石可包括相对粗的粉末化堇青石和相对细的粉末化堇青石的掺混物。如本文中所用，相对粗的堇青石可以是例如中值粒度在约35-45微米范围的粉末化堇青石。如本文中所用，相对细的堇青石可以是例如中值粒度在约10-20微米范围的粉末化堇青石。当粉末化堇青石组合物以两种或更多种具有不同粒度的堇青石组分的掺混物存在时，无机粉末批料组合物例如可包含约40-70重量％相对粗的粉末化堇青石和约30-60重量％相对细的粉末化堇青石。
此外，应理解，无机批料组合物可进一步包含一种或多种附加组分。例如，在一个实施方式中，无机粉末批料组合物可包含无机粘结剂，例如硼硅酸盐玻璃。无机粉末批料组合物中存在附加组分时，所述附加组分的用量例如最多为该无机批料组合物的25重量％，包括例如1重量％，5重量％，10重量％，15重量％，20重量％，以及由这些数值构成的任何重量百分数范围。
为提供本发明的组合物，包含上述粉末化陶瓷材料和任意任选的无机附加组分的无机陶瓷粉末批料组合物可以与流变改进剂、粘结剂和液体载剂一起混合。
粘结剂组分可以包括有机粘结剂、无机粘结剂，或者它们的组合。合适的有机粘结剂包括：水溶性纤维素醚粘结剂，如甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素衍生物、丙烯酸羟基乙酯、聚乙烯醇，和/或它们的任意组合。较好地，组合物中存在的有机粘结剂作为追加物加入计，其量为无机粉末批料组合物的0.1-5.0重量％，更优选其量为无机粉末批料组合物的0.5-2.0重量％。因此，在上述批料组合物中加入有机粘结剂能进一步改进组合物的内聚力和塑性。改进的内聚力和塑性可以例如改进将混合物成形并堵塞蜂窝体的选定的端部的能力。可使用的无机粘结剂的例子包括胶态氧化硅和胶态氧化铝。
一种用于为本发明组合物提供可流动或者糊状稠度的液体载剂是水，但是应理解，可以使用对于合适的临时有机粘结剂显示溶剂作用的其他液体载剂。所述液体载剂组分的含量可以变化，从而为陶瓷批料混合物提供最优化的加工性质以及与该混合物中其它组分的相容性。在一些实施方式中，液体载剂作为追加物加入，其量为无机粉末批料组合物重量的8-60重量％，在其他实施方式中为8-40重量％范围，在其他实施方式中为15-60重量％范围，在一些实施方式中为20-40重量％范围。然而，还应当理解，在另一个实施方式中，需要尽可能减少液体载剂组分的量，同时得到类似糊状的稠度，使其能够在受力作用的情况下进入蜂窝体基材的选定端部。尽可能减少本发明组合物中的液体组分量能进一步降低干燥过程中不希望的干燥收缩和裂纹形成。
除了流变改进剂、液体载剂和粘结剂外，本发明的组合物还可以包含一种或多种任选的的成形助剂或加工助剂。示例的加工助剂或添加剂可包括润滑剂、离子型表面活性剂、增塑剂和烧结助剂。示例的润滑剂可包括妥尔油或者硬脂酸钠。适合用于所述组合物的示例增塑剂包括甘油。此外，合适的烧结助剂通常可包括一种或多种金属的氧化物源，所述金属例如是锶、钡、铁、镁、锌、钙、铝、镧、钇、钛、铋或钨。在一个实施方式中，任选的烧结助剂包括氧化锶源、氧化钙源以及氧化铁源的混合物。在另一个实施方式中，任选的所述烧结助剂包含至少一种稀土金属。应当理解所述烧结助剂可以以粉末和/或液体形式加入批料混合物中。
如上文进一步总结，本发明的组合物可以用作堵塞混合物，提供端部堵塞的多孔陶瓷壁流式过滤器。具体来说，这些堵塞混合物非常适合用来提供端部堵塞的陶瓷蜂窝体。例如，在一个实施方式中，端部堵塞的陶瓷壁流式过滤器可以由蜂窝体基材形成，所述蜂窝体基材具有大量孔道，所述孔道由从上游进口端纵向延伸至下游出口端的多孔孔道壁界定。所述多个孔道的第一部分可包括由本文所述的堵塞混合物形成的端部堵塞物，在下游出口端密封相应的孔道壁，形成进口孔道。所述多个孔道的第二部分也可包括由本文所述的堵塞混合物形成的端部堵塞物，在上游进口端密封相应的孔道壁，形成出口孔道。
因此，本发明还提供了一种制造多孔陶瓷壁流式过滤器的方法，所述过滤器具有陶瓷蜂窝体，以及由多孔陶瓷壁界定的大量孔道，其中选定的孔道各自结合了密封于孔道壁的堵塞物。该方法大体包括以下步骤：提供蜂窝体，其包括大量孔道，所述孔道由从上游进口端纵向延伸至下游出口端的多孔孔道壁界定，使用本文所述的堵塞混合物选择性堵塞至少一个预定孔道的端部。然后所述选择性堵塞的蜂窝体可以在一定的条件下进行烧制，所述条件能够在至少一个选择性堵塞的孔道中有效形成烧结相陶瓷堵塞物。
在一个实施方式中，将被堵塞的蜂窝体基材可以是生坯基材。根据该实施方式，如果用来堵塞生坯基材上选定的孔道的堵塞混合物由本文所述的形成陶瓷的粉末批料组合物组成，则堵塞混合物可以和生坯蜂窝体基材一起在“单次烧制”工艺中同时进行烧制。在另一个实施方式中，将被堵塞的蜂窝体基材可以是已烧制或已陶瓷化的蜂窝体基材。根据该实施方式，烧制端部堵塞物的烧制温度将至少部分地取决于堵塞材料的组成。例如，如果用来堵塞陶瓷化基材上选定孔道的堵塞混合物也是由本文所述的形成陶瓷的粉末批料组合物组成，则堵塞混合物可以在称为“二次烧制”工艺中的第一时间进行烧制。或者，如果用于堵塞陶瓷化基材上选定孔道的堵塞混合物由已烧制或已陶瓷化的无机粉末批料组分组成，则堵塞混合物可以在低于烧制时的温度下加热，也称作“冷定型”堵塞工艺。
参见图2，图中显示了示例性的端部堵塞的壁流式过滤器100。如图所示，所述壁流式过滤器100具有上游进口端102和下游出口端104，以及从所述进口端纵向延伸至出口端的多个孔道108(进口)、110(出口)。所述多个孔道由交叉的多孔孔道壁106形成。所述多个孔道的第一部分在下游出口端(图中未显示)用端部堵塞物112堵塞，从而形成进口孔道，所述多个孔道的第二部分在上游进口端用堵塞物112堵塞，形成出口孔道。示例性的堵塞结构形成了交替的进口孔道和出口孔道，使得流入反应器的流体流通过进口端102处的开放孔道，然后通过多孔孔道壁106，然后通过出口端104处的开放孔道离开反应器。在本文中将示例性的端部堵塞的孔道结构称为“壁流式”结构，这是因为交替孔道堵塞产生的流动路径会引导被处理的流体流通过多孔陶瓷孔道壁，然后离开该过滤器。
所述蜂窝体基材可以由任何适于形成多孔整体型蜂窝体的常规材料形成。例如，在一个实施方式中，所述基材可以由增塑的形成陶瓷的组合物形成。示例性的形成陶瓷的组合物可以包含那些通常已知的用来形成以下物质的那些：堇青石、钛酸铝、碳化硅、氧化铝、锆氧化物、氧化锆、镁稳定化的氧化锆、氧化锆稳定化的氧化铝、钇稳定化的氧化锆、钙稳定化的氧化锆、氧化铝、镁稳定化的氧化铝、钙稳定化的氧化铝、氧化钛、氧化硅、氧化镁、氧化铌(niobia)、氧化铈(ceria)、氧化钒(vanadia)、氮化硅，或它们的任意组合。
所述蜂窝体基材可以根据任何适合用来形成蜂窝体整体型主体的常规方法形成。例如，在一个实施方式中，采用任何已知的陶瓷成形的常规方法，对增塑的形成陶瓷的批料组合物进行成形，制成生坯，所述常规方法包括例如：挤出，注塑，粉浆浇铸，离心浇铸，加压浇铸，干压制等。较好地，陶瓷前体批料组合物包含能够形成例如一种或多种上述烧结相陶瓷组合物的形成陶瓷的无机批料组分，液体载剂，粘结剂，以及一种或多种任选的加工助剂和添加剂，包括例如润滑剂和/或成孔剂。在一个示例性的实施方式中，挤出可以使用液压油缸挤出压机，或两段排气单钻挤出机，或在出料端连接模头组件的双螺杆混合机进行。后一情况中，可以根据材料和其他工艺条件选择适当的螺杆元件，以形成足够的压力，迫使批料物质通过模头。
形成的整体型蜂窝体100的示例孔密度可以为大约70个孔/英寸2(10.9个孔/厘米2)至400个孔/英寸2(62个孔/厘米2)。另外，如上所述，孔道110位于进口端102处的一部分使用组成与主体101相同或类似的糊料堵塞。优选只在孔道的端部进行堵塞，形成深度约为5-20毫米的堵塞物112，但是可以改变堵塞深度。位于出口端104处但并不与在进口端102处堵塞的孔道对应的孔道的一部分也可以类似的图案堵塞。因此，每个孔道优选仅在一端堵塞。优选的排列方式是如图1所示，在指定表面以棋盘格图案每隔一个孔道进行堵塞。另外，所述进口孔道和出口孔道可以具有任意所需的形状。但是，在图1所示的示例性实施方式中，所述孔道的截面形状通常是正方形的。形成后，将生坯体烧制，形成烧结相陶瓷组合物。
可以选择无机批料组分，以便在烧制后产生包含堇青石、富铝红柱石、尖晶石、钛酸铝或它们的混合物的陶瓷蜂窝体制品。例如但不限制，在一个实施方式中，可以选择无机批料组分，以提供一种堇青石组合物，以氧化物重量百分数基准表征，该组合物主要由以下组分组成：约49-53重量％的SiO2，约33-38重量％的Al2O3和约12-16重量％的MgO。为此，一种示例的无机堇青石前体粉末批料组合物较好地包含约33-41重量％的氧化铝源、约46-53重量％的氧化硅源和约11-17重量％的氧化镁源。适合于形成堇青石的示例的非限制性无机批料组分混合物包括在以下专利和专利申请中揭示的那些：美国专利3,885,977；RE 38,888；6,368,992；6,319,870；6,214,437；6,210,626；5,183,608；5,258,150；6,432,856；6,773,657；6,864,198；和美国专利申请公开2004/0029707；2004/0261384。
或者，在另一个实施方式中，蜂窝体可以由选择的无机批料组分形成，以在烧结之后提供多铝红柱石组合物，以氧化物重量百分数基准表征，该组合物主要由以下组分组成：约27-30重量％的SiO2和约68-72重量％的Al2O3。一种示例的无机多铝红柱石前体粉末批料组合物可包含约76％多铝红柱石的难熔集料；约9.0％细粘土和约15％的α-氧化铝。适合形成多铝红柱石的另一个非限制性的示例无机批料组分混合物包括在美国专利6,254,822和6,238,618中所述的那些。
另外，蜂窝体可以由选择的无机批料组分形成，从而在烧制后提供钛酸铝组合物，以氧化物重量百分数为基准计，所述钛酸铝组合物主要由以下组分组成：约8-15重量％的SiO2，约45-53重量％的Al2O3，以及约27-33重量％的TiO2。一种示例的无机钛酸铝前体粉末批料组合物可包含约10％石英；约47％氧化铝；约30％氧化钛和约13％另外的无机添加剂。适合用于形成钛酸铝的其他非限制性的示例无机批料组分混合物包括在以下美国专利、美国专利申请公开和国际专利申请中揭示的那些：美国专利4,483,944；4,855,265；5,290,739；6,620,751；6,942,713；6,849,181；美国专利申请公开：2004/0020846；2004/0092381；和PCT申请公开WO 2006/015240；WO 2005/046840和WO 2004/011386。
一旦形成了蜂窝体基材，就可以通过常规已知的堵塞工艺中的一种迫使本文所述的堵塞混合物按要求的堵塞图案进入生坯蜂窝体基材或已烧制的蜂窝体基材中选定的开放孔道之中，进入所需的深度。例如，选定的孔道可以如图3所示在端部堵塞，以提供“壁流式”结构，通过交替的孔道堵塞形成的流动路径引导流体流或气流进入示例的蜂窝体基材的上游进口端，通过所述多孔陶瓷孔道壁，然后在下游出口端离开过滤器。堵塞可以通过例如使用常规掩模装置和方法(例如在美国专利6,673,300中揭示和描述，该专利全文通过参考结合于本文)进行。
然后对得到的堵塞的蜂窝体进行干燥，随后在能有效将堵塞混合物转化为主要烧结相陶瓷组合物的条件下烧制。有效干燥堵塞材料的条件包括能够除去堵塞混合物中至少基本所有液体载剂的条件。在本文中，所述“至少基本所有”表示堵塞混合物中至少95％、至少98％、至少99％、或者甚至至少99.9％的液体载剂都被除去。适合用来除去液体载剂的示例性而非限制性的干燥条件包括在以下温度条件下对端部堵塞的蜂窝体基材进行加热：温度为至少50℃，至少60℃，至少70℃，至少80℃，至少90℃，至少100℃，至少110℃，至少120℃，至少130℃，至少140℃，或者甚至至少150℃，加热持续时间足以至少基本除去堵塞混合物中的液体载剂。在一个实施方式中，所述能够有效地至少基本除去液体载剂的条件包括在至少60℃的温度加热堵塞混合物。另外，加热可以通过任意常规已知的方法进行，例如热空气干燥，RF和/或微波干燥。
在干燥之后，本文所述的堵塞混合物可以在能够将堵塞材料有效转化为主要烧结相陶瓷组合物的条件下进行烧制。在一个实施方式中，所述烧制堵塞材料的步骤可以是如上所述的“单次烧制”工艺。根据这个实施方式，选择性端部堵塞的蜂窝体基材是由干燥的增塑的形成陶瓷的前体组合物构成的生坯体或未烧制的蜂窝体。能够有效烧制堵塞混合物的条件也能够有效地将生坯的干燥的陶瓷前体组合物转化为烧结相陶瓷组合物。再根据该实施方式，可以使用堵塞混合物选择性地堵塞未烧制的蜂窝体生坯，所述堵塞混合物的组成与蜂窝生坯体的无机组成基本上相同。因此，所述堵塞材料可以例如包含相同的原料源，或者选择的另外原料源，以便至少与生坯蜂窝体的干燥和烧制收缩相匹配。同时单次烧制堵塞混合物和生坯体的有效示例条件可包括在1350-1500℃的最大烧制温度范围，更优选1375-1425℃的最大烧制温度范围对选择性堵塞的蜂窝体进行烧制。
在另一个实施方式中，所述烧制堵塞材料的步骤可以是“二次烧制”工艺。根据这个实施方式，提供的蜂窝体基材已经进行过烧制，以提供陶瓷蜂窝体，然后用本发明的堵塞混合物对所述蜂窝体基材进行选择性端部堵塞。因此，能够有效地烧制堵塞混合物的条件是能够有效地将堵塞混合物转化为陶瓷组合物的条件。为此，需要用堵塞混合物选择性地堵塞所述蜂窝体的一个或多个孔道，形成物理性质类似于蜂窝体的堵塞物，但是该堵塞物可以进行烧制而不会改变陶瓷化的蜂窝体基材的性质。例如，可以选择根据这个实施方式的堵塞混合物，将烧制堵塞物所需的峰值烧制温度降低至低于烧制的陶瓷蜂窝体的峰值烧制温度。
使堵塞混合物在二次加热过程中有效定型或固化的条件也部分地取决于堵塞材料的特定组成。但是，有效加热条件可包括在至少400℃，至少700℃，至少800℃，至少900℃，或者甚至至少1000℃的最高温度下加热堵塞材料。较好地，有机材料因该加热过程而从蜂窝体中除去。
在又一个实施方式中，本发明的组合物还适合用于在挤出的蜂窝体上施用“后施加的”或非共挤出的人造外皮或表面涂层。如本领域技术人员理解的，当形成蜂窝体基材和干燥时，制成的蜂窝体可能需要调整尺寸或成形，以符合指定的终端用途的应用所要求的尺寸和形状公差。因此，形成的蜂窝体的部分外表面可能任选通过已知方法除去，所述方法例如有砂磨、研磨等，以使制成的蜂窝体具有要求的形状。从蜂窝体外表面除去材料后，可以将本发明的组合物施用到外周边，从而在蜂窝体上形成一种后施加的外皮，并将蜂窝体基材上因去除材料而露出或破裂的孔道再次密封。
实施例
为进一步说明本发明的原理，提供以下实施例，以向本领域技术人员提供对构成本文要求权利的堵塞材料和方法以及评价的完整说明和描述。这些实施例规定为仅是本发明的示例，不是用来限制本发明人认为是他们的发明的范围。除非另外指出，否则，份数是重量份数，温度按℃表示或是环境温度，压力为大气压或接近大气压。
在以下实施例中，制备多个堵塞混合物，并通过对抗下陷和变形能力以及毛细管粘度来评价流变性质，包括屈服强度。此外，还评价堵塞混合物形成堇青石蜂窝体制品和钛酸铝蜂窝体制品中的端部堵塞物的性能。具体地，评价的性能包括堵塞材料实现均匀和所需堵塞深度以及提供干燥和烧制后显示很少形成或不形成小凹陷的能力。
评价实施例1-27中包含已烧制或陶瓷化堇青石的堵塞混合物的性能.下面表1列出在实施例1-27中用来制备堵塞混合物的材料。
表1-所用材料
Figure GPA00001052943900151
Figure GPA00001052943900161
实施例28-30评价了包含形成堇青石的陶瓷批料组合物的堵塞混合物的性能。除了表1列出的材料外，在实施例28-30中使用的形成堇青石的陶瓷批料组合物的制剂列于下面表2：
表2-形成堇青石的组合物
  组分   产品名称   供应商   供应商地址   重量％
  滑石   F-Cor   鲁泽纳卡(Luzenac)   Greenwood Village，CO   35.03
  粘土   K-10   艾玛瑞斯(Imerys)   Roswell GA   13.76
  氧化硅   Cerasil 300   优尼明公司(Unimin Corp.)   New Canaan，CT   10.76
  氧化铝   A3000   阿玛提斯甘保(Almatis GmbH)   Frankfurt-am main.Germany   12.73
  氧化铝   Micral 6000(AC714)   阿卢化学公司(Aluchem，Inc.)   Reading，OH   13.76
  组分   产品名称   供应商   供应商地址   重量％
  石墨   Asbury 4740   艾斯波瑞卡本(Asbury Carbon)   Asbury，NJ   12.91
  离子型润滑剂   SAN Liga   皮特格瑞芬(Peter Greven)   Bad Munstereifel，Germany   0.45
  有机粘结剂   Methocel BD06(F240)   陶氏化学品   Midland，MI   0.60
使用表1和表2列出的材料制备的堵塞混合物制剂列于下面表3。
表3-堵塞混合物制剂
  实施例   形成堇青石的组合物   粗堇青石(克)   细堇青石(克)   Pyrex(克)   Methocel(克)   Ludox(克)   水(克)   (流变改进剂)克
  1   -   50   30   20   1   25   24   (RM-3)6
  2   -   50   30   20   1   25   26   (RM-3)6
  3   -   50   30   20   1   25   28   (RM-3)6
  4   -   50   30   20   1   25   32   (RM-3)6
  5   -   50   30   20   1   25   36   (RM-3)6
  6   -   50   30   20   1   25   26   (RM-3)3
  7   -   50   30   20   1   25   26   (RM-4)6
  8   -   50   30   19.5   1   25   26   (RM-5)0.5
  9   -   50   30   20   1   25   26   (RM-1)6
  10   -   50   30   20   1   25   22   (RM-2)6
  11   -   50   30   20   1   25   26   (RM-2)6
  12   -   50   30   20   1   25   28   (RM-2)6
  13   -   50   30   20   1   25   19   (RM-7)6
  14   -   50   30   20   1   25   19   (RM-6)6
  15   -   50   30   20   1   -   40   (RM-7)6
  16   -   50   30   20   1   -   40   (RM-6)6
  17   -   50   30   20   1   -   40   (RM-8)6
  实施例   形成堇青石的组合物   粗堇青石(克)   细堇青石(克)   Pyrex(克)   Methocel(克)   Ludox(克)   水(克)   (流变改进剂)克
  18   -   50   30   20   1   -   40   (RM-10)6
  19   -   50   30   20   1   -   37   (RM-10)6
  20   -   50   30   20   1   -   40   (RM-2)6
  21   -   50   30   20   1   -   38   (RM-9)6
  22   -   50   30   20   1   -   40   (RM-9)6
  23   -   62.5   37.5   -   1   25   20   (RM-2)6
  24   -   62.5   37.5   -   1   25   20   (RM-9)6
  25   -   62.5   37.5   -   1   25   22   (RM-9)6
  26   -   62.5   37.5   -   1   25   26   (RM-12)6
  27   -   62.5   37.5   -   1   25   26   (RM-13)6
  28   100   -   -   -   -   -   31.6   (RM-11)6
  29   100   -   -   -   -   -   31.6   (RM-13)6
  30   100   -   -   -   -   25   10.6   (RM-3)12
为制备上面表3列出的堵塞制剂，将各制剂的干组分称量到250毫升塑料容器中并用盖密封。然后，将干组分振摇1分钟，以保证良好混合。然后加入各制剂的液体组分，并用金属刮刀进行混合，提供制成的堵塞混合物。倾斜面测试、毛细管粘度测试和基材堵塞测试分别要求约75克，150克和225克的批料。为扩大至中试和制造生产线，还可以制备较大批量的这些制剂(如，10千克或更大)。在完成混合堵塞混合物后，即刻进行流变测试和部件的堵塞。
进行倾斜面测试以评价堵塞混合物糊料制剂的抗变形和下陷性能。该测试是对材料保持形状和不屈服的能力的度量，以及提供对材料不形成小凹陷的了解。该测试使用60度倾斜面来测量混合物流动的速率。倾斜面测试设备的示意图示于图2。如图所示，该测试设备包括透明塑料板301(由Lexan
Figure GPA00001052943900171
牌的聚碳酸酯形成)，并具有连接在该塑料板下侧的标尺302。该塑料板相对于水平面成60度角定位。使用内径32毫米、外径36毫米、长度50毫米的氧化硅玻璃管303作为容纳堵塞混合物的容器，该堵塞混合物将以60度角304进行测试。所示玻璃管两端敞开，管中全部装填进行测试的堵塞混合物306，在其端部装有约75克混合物糊料。为保证该管完全装填和不存在任何内空隙，在管中填入过量的堵塞混合物，之后管的两端刮平以去除任何过量物。填充后的管保持水平，用蜡纸封住端部，直到将其插入固定装置305，该固定装置与塑料倾斜面板相连，使该管303的内径与板的表面齐平。将开始流动的时间定义为管中的堵塞混合物开始接触板301表面的时间，并可由该时间进行计算。
所有倾斜面测试均在约22-24℃的室温和约50％相对湿度条件下进行。在即将进行倾斜面测试之前制备混合物糊料制剂。在完成该测试的8分钟时间段内，记录混合物糊料相对于时间的流动的测量值。对堵塞制剂在8分钟的倾斜面测试的结果列于下面表5，其流动的单位为毫米。在一些情况中，倾斜面测试因混合物糊料快速流过板301的端部而较早结束；对没有添加本发明的流变改进剂的一些陶瓷糊料制剂观察到这种现象。
采用毛细管粘度测试来确定和比较堵塞混合物在1/s至50/s剪切速率下的粘度。采用这种表征方法来确定材料在施加剪切时的流动能力，即在泵压混合物糊料并堵塞基材时经历的剪切条件下的流动能力。使用Rosand RH-7毛细管粘度计(Malvern Instruments Inc.10 Southville Road，Southborough MA01772)进行毛细管粘度测试。该粘度计具有一个直径15毫米的筒体/柱塞、以及在该筒体内约250毫米的样品室，使用毛细管模(备件号DA-1.0-0.25-90-15)，其长度为0.25毫米，直径1毫米，入口角度为90度，外径为15毫米。使用250psi压力传感器。柱塞速度与相应的剪切速率示于下面表4中。
表4
  剪切速率(/s)   速度(毫米/分钟)
  1   0.03
  1.63   0.05
  2.66   0.09
  4.34   0.14
  7.07   0.24
  11.53   0.38
  18.8   0.63
  30.66   1.02
  50   1.67
记录作为剪切速率的变量的未经校正的表观粘度。根据将要端部堵塞的蜂窝体的典型孔几何特性和促使堵塞糊料进入选择的蜂窝体孔道通常所需的时间，估计用于将以下实施例中使用的蜂窝陶瓷基材堵塞的剪切速率约为10/s。因此，实施例1-24的堵塞混合物在10/s剪切速率下的表观粘度列于下面表5。
实施例1-30的堵塞混合物进行上述倾斜面测试和毛细管粘度测试后，用来堵塞示例的钛酸铝蜂窝基材和堇青石蜂窝基材。然后评价堵塞的基材的堵塞深度，是否存在形成的小凹陷以及是否存在形成的空隙或针孔。钛酸铝基材包括300个孔/英寸2的孔几何特性和13密耳的壁厚度。钛酸铝蜂窝体的总尺寸为4”×7.8”×6.8”的椭圆形，孔隙率％P约为50-51％。此外，孔隙率％P的中值孔径为12-16微米。类似地，所用堇青石基材的孔几何特性为275个孔/英寸2，壁厚度为15密耳。总体部件的尺寸如下：直径5.66”×长度6”，孔隙率约为50％。
为堵塞蜂窝体，在将用混合物糊料堵塞的陶瓷基材的两端放置棋盘格图案的聚合物掩模。该掩模上具有对基材端部的交替的孔敞开的空洞。使用1英寸宽的掩模带卷缠绕基材端部，因此形成用于堵塞混合物的约5毫米高的堰。在进行堵塞之前即刻制备堵塞混合物制剂，并放置在陶瓷基材上至掩模带堰的顶部。将该组合件放置在水压机中(平行端部推向混合物糊料)，需约5-10秒将糊料推入掩蔽的陶瓷基材。如上所述，根据孔的几何特性和将堵塞糊料推入孔中所需的时间，估算对这些实施例中使用的蜂窝体陶瓷基材进行堵塞时的毛细管粘度剪切速率约为10/s。施压后，除去聚合物掩模；将样品放置在设定为60℃的烘箱中干燥6-24小时。然后切开各部分，以测量填充陶瓷基材的堵塞混合物的深度。这些部分也在约1000℃烧制1-6小时。
倾斜面测试、毛细管粘度计测试和基材堵塞测试的结果示于下面表5。在一些实施方式中，要求堵塞深度达到5-10毫米，以保证所述部分被堵塞(堵塞物不能脱落)，和保证在蜂窝体如柴油机过滤器寿命期间维持所述堵塞物。本发明的堵塞混合物包含流变改进剂，显示优良的堵塞深度，低的毛细管粘度，在干燥或烧制后没有小凹陷或大的内空隙，并具有优良的抗下陷性。
表5
  实施例#   毛细管粘度(Pa-s)   倾斜面   堵塞深度AT(毫米)   堵塞的AT中的小凹陷*   堵塞深度堇青石(毫米)   堵塞的堇青石中的小凹陷*
  1   6000   0   10   无   未测   未测
  2   4100   0   10   无   未测   未测
  3   3000   0   10   无   12   一些
  4   1500   0   10   无   未测   未测
  5   700   23   10   一些   未测   未测
  6   1500   0   10   无   未测   未测
  7   6000   0   10   无   未测   未测
  8   1800   26   5   无   未测   未测
  9   3200   0   10   无   未测   未测
  10   2100   0   10   一些   12   一些
  实施例#   毛细管粘度(Pa-s)   倾斜面   堵塞深度AT(毫米)   堵塞的AT中的小凹陷*   堵塞深度堇青石(毫米)   堵塞的堇青石中的小凹陷*
  11   820   0   10   无   12   一些
  12   140   45   10   无   未测   未测
  13   2200   0   10   一些   未测   未测
  14   2400   0   10   无   未测   未测
  15   1400   0   10   无   未测   未测
  16   1600   0   10   无   未测   未测
  17   900   0   10   无   未测   未测
  18   550   26   10   无   未测   未测
  19   1300   0   8   无   未测   未测
  20   1200   0   10   一些   未测   未测
  21   1400   0   8   无   5   未测
  22   850   20   10   无   未测   未测
  23   2350   15   7   无   未测   未测
  24   2200   5   7   无   未测   未测
  25   3800   0   10   无   7   无
*“一些”表示一些孔的小凹陷深度约为1毫米，但没有大的内空隙；“无”表示没有观察到小凹陷或大的内空隙。
表5中列出的数据表明：实施例1-25的堵塞混合物显示几个改进的流变性质和性能。例如，本发明的堵塞混合物在剪切速率为10/s时显示毛细管粘度小于8000Pa-s。在又一些实施方式中，本发明的一些堵塞混合物在10/s剪切速率下测定时，显示毛细管粘度小于6000Pa-s，小于4000Pa-s，甚至小于2000Pa-s。此外，本发明的堵塞混合物在以60度角度测定时的倾斜面流速小于60毫米/8分钟。在又一些实施方式中，本发明的一些堵塞混合物显示倾斜面流速小于50毫米/8分钟，小于40毫米/8分钟，甚至小于30毫米/8分钟。
此外，本发明的堵塞混合物能够实现在5-10毫米范围的相对均匀的堵塞深度，因此减少表面小凹陷和空隙的形成。例如，在图3和图4中分别示出用类似于实施例2但不含流变改进剂且只有1克水的堵塞制剂进行堵塞的钛酸铝基材的顶视图和侧视图。如图3所示，在该图片顶部的标尺表明在干燥后的堵塞物端部存在约1毫米直径的小凹陷，1毫米长度的空隙或者针孔。类似地，如图4所示，在图片侧面的标尺表明，存在4-5毫米深度的小凹陷和1毫米的间隔或空隙，该结果与1000℃烧制后的结果类似。与此不同，图5和图6分别示出用实施例2的本发明堵塞混合物进行堵塞的钛酸铝基材的顶视图和侧视图，结果与1000℃烧制后的结果类似。这些图片表明，在图3和图4中示出的针孔和小凹陷当使用包含本文所述的流变改进剂的本发明堵塞混合物时就不再存在。
下面，评价实施例25-30的堵塞混合物，这些堵塞混合物用于对由未烧制的形成堇青石的陶瓷前体组合物所形成的生坯蜂窝体进行堵塞。具体地，该生坯蜂窝体由下面表6列出的水增塑的前体批料组合物(将该组合物挤出形成蜂窝体，然后干燥)形成：
表6
  组分   产品名称   供应商   供应商地址   重量份
  滑石   Luzenac F-Cor   鲁泽纳卡   Greenwood Village，CO   39.5
  氧化硅   Silverbond 200   优尼明公司   New Canaan，CT   13.5
  氧化铝   C701氧化铝   阿勒卡(Alcan)   Chicago，IL   12
  三水合铝   AC400铝   阿卢化学公司   Reading，OH   16
  粘土   K-10   艾玛瑞斯   Roswell，GA   17.2
  淀粉   马铃薯淀粉   T.J.哈金森(T.J.Harkins)   Wood Dale，IL   10
  有机粘结剂   Methocel F240   陶氏化学品   Midland，MI   4
  交联剂   Berset2506/Water   Bercen，Inc.   Cranston，RI   2.5
  润滑剂   Emulsia T/water*   康宁公司   Corning，NY   8
  有机粘结剂   Klardaid PC1195   GE Betz   Trevose，PA   .45
  无机粘结剂   AL-20SD   Nyacol，Inc.   Ashland，MA   9
*三乙醇胺和妥尔油的1∶1摩尔比的混合物，用水稀释至10重量％
所用表6列出的增塑的批料组合物，通过挤出方法制备蜂窝体，其直径约为6英寸，长度约为6.5英寸，孔密度约为196个孔/英寸2，孔道壁厚度约为17密耳。然后干燥形成的生坯体，从挤出部分至少基本上除去所有的液体。为堵塞和干燥实施例25-30的生坯蜂窝体，采用实施例1-25中用于堵塞和干燥蜂窝体的方式。然后，对经过堵塞和干燥的生坯蜂窝体评价堵塞深度和是否存在形成的小凹陷。该评价的结果列于下表7：
表7
  实施例#   毛细管粘度(Pa-s)   生坯体中的堵塞深度(毫米)   小凹陷的形成
  25   3800   11   无
  26   550   10   无
  27   500   10   无
  28   1400   12   无
  29   2050   10   轻微
  30   7800   10   无
表7列出的数据再次说明：本发明的组合物甚至用作对未烧制的生坯蜂窝体进行堵塞的堵塞混合物时，具有几个改进的性能性质。具体地，表7显示，实现至少10毫米的均匀堵塞深度，在干燥过程中没有明显形成小凹陷。
最后，应理解，虽然参照一些说明性的具体实施方式描述了本发明，但是并不认为构成对本发明的限制，在不偏离所附权利要求书定义的本发明的广义精神和范围内，可以进行许多的修改。

Claims (51)

1.一种制备多孔陶瓷壁流式过滤器的方法，该方法包括以下步骤：
提供蜂窝体结构，该结构限定出大量孔道，所述孔道由从上游进口端纵向延伸至下游出口端的多孔孔道壁界定；
用堵塞混合物选择性堵塞至少一个预定孔道的端部，该堵塞混合物在10/s剪切速率下测定时其毛细管粘度小于8000Pa-s；和
在能够有效地在至少一个选择性堵塞的孔道中形成烧结相陶瓷堵塞物的条件下对所述选择性堵塞的蜂窝体进行烧制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述堵塞混合物在以60度角度测定时的倾斜面流速小于60毫米/8分钟。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述堵塞混合物包含：
无机批料组合物；
粘结剂；
液体载剂；和
流变改进剂，其选自非离子型表面活性剂、油和热解法氧化硅。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流变改进剂包括非离子型表面活性剂。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流变改进剂包括油。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流变改进剂包括花生油、大豆油、植物油或油醇。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流变改进剂包括热解法氧化硅。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流变改进剂包括聚乙二醇二油酸酯。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流变改进剂包括聚氧乙烯(2)油基醚，脱水山梨醇单月桂酸酯或丙三醇单油酸酯。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无机批料组合物包含堇青石。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述堇青石包括中值粒度在35-45微米范围的第一粉末化堇青石和中值粒度在10-20微米范围的第二粉末化堇青石的掺混物。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无机批料还包含硼硅酸盐玻璃。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘结剂组分包括胶态氧化硅、胶态氧化铝，或它们的组合。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无机粉末批料组合物是形成钛酸铝的批料组合物，包含氧化铝源、氧化硅源和氧化钛源。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无机粉末批料组合物是形成堇青石的批料组合物，包含氧化镁源、氧化铝源和氧化硅源。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无机粉末批料组合物是形成多铝红柱石的批料组合物。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流变改进剂作为追加物加入，其量相对于无机粉末批料组合物重量为0.1-15重量％。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在对选择性堵塞的蜂窝体进行烧制之前，堵塞混合物在能够有效地至少基本上除去液体载剂的条件下进行干燥。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述能够有效地至少基本除去液体载剂的条件包括在60-120℃的温度范围加热堵塞混合物。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述能够有效地烧制堵塞混合物的条件包括在至少400℃对选择性堵塞的蜂窝体进行烧制。
21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述能够有效地烧制堵塞混合物的条件包括在至少1000℃对选择性堵塞的蜂窝体进行烧制。
22.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述能够有效地烧制堵塞混合物的条件包括在1350-1450℃温度范围对选择性堵塞的蜂窝体进行烧制。
23.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蜂窝体由烧制的堇青石组合物构成。
24.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蜂窝体由烧制的钛酸铝组合物构成。
25.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蜂窝体是未烧制的生坯体。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述未烧制的生坯体由形成堇青石的组合物、形成钛酸铝的组合物或形成多铝红柱石的组合物构成。
27.一种制备多孔陶瓷结构的方法，该方法包括以下步骤：
提供蜂窝体，该蜂窝体包含大量限定许多孔道的多孔孔道壁，所述孔道由从进口端纵向延伸至出口端；和
在蜂窝体外周边施用混合物层，该混合物在10/s剪切速率下测定的毛细管粘度小于8000Pa-s。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述蜂窝体采用挤出法形成，并且所述混合物层不与该蜂窝体共挤出。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述蜂窝体由未烧制的形成陶瓷的组分构成。
30.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述蜂窝体由烧制的陶瓷构成。
31.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述蜂窝体和施用的层在能有效形成具有烧结相外层的多孔陶瓷蜂窝体的条件下进行烧制。
32.一种可应用于蜂窝体的组合物，该组合物包含：
无机粉末批料组合物；
粘结剂；
液体载剂；和
流变改进剂，其选自非离子型表面活性剂、油和热解法氧化硅；
其中，所述组合物在10/s剪切速率测定时显示毛细管粘度小于8000Pa-s。
33.如权利要求32所述的组合物，其特征在于，所述组合物在以60度角度测定时的倾斜面流速小于60毫米/8分钟。
34.如权利要求32所述的组合物，其特征在于，所述流变改进剂包括非离子型表面活性剂。
35.如权利要求32所述的组合物，其特征在于，所述流变改进剂包括油。
36.如权利要求32所述的组合物，其特征在于，所述流变改进剂包括花生油、大豆油、植物油或油醇。
37.如权利要求32所述的组合物，其特征在于，所述流变改进剂包括热解法氧化硅。
38.如权利要求32所述的组合物，其特征在于，所述流变改进剂包括聚乙二醇二油酸酯。
39.如权利要求32所述的组合物，其特征在于，所述流变改进剂包括聚氧乙烯(2)油基醚，脱水山梨醇单月桂酸酯或丙三醇单油酸酯。
40.如权利要求32所述的组合物，其特征在于，所述无机批料组合物包含烧制的堇青石。
41.如权利要求32所述的组合物，其特征在于，所述堇青石包括中值粒度在35-45微米范围的第一粉末化堇青石和中值粒度在10-20微米范围的第二粉末化堇青石的掺混物。
42.如权利要求41所述的组合物，其特征在于，所述无机批料还包含硼硅酸盐玻璃。
43.如权利要求32所述的组合物，其特征在于，所述粘结剂组分包括胶态氧化硅、胶态氧化铝，或它们的组合。
44.如权利要求32所述的组合物，其特征在于，所述无机粉末批料组合物是形成钛酸铝的批料组合物，包含氧化铝源、氧化硅源和氧化钛源。
45.如权利要求32所述的组合物，其特征在于，所述无机粉末批料组合物是形成堇青石的批料组合物，包含氧化镁源、氧化铝源和氧化硅源。
46.如权利要求32所述的组合物，其特征在于，所述无机粉末批料组合物是形成多铝红柱石的批料组合物。
47.如权利要求32所述的组合物，其特征在于，所述流变改进剂作为追加物加入，其量相对于无机粉末批料组合物重量为0.1-15重量％。
48.如权利要求32所述的组合物，其特征在于，所述流变改进剂是非离子型表面活性剂，油或它们的组合，流变改进剂作为追加物加入，其量大于无机粉末批料组合物重量的2重量％。
49.如权利要求32所述的组合物，其特征在于，所述流变改进剂是热解法氧化硅，流变改进剂作为追加物加入，其量为无机粉末批料组合物重量的0.1-2重量％。
50.一种多孔陶瓷壁流式过滤器，其包括：
蜂窝体基材，该基材限定出大量孔道，所述孔道由从上游进口端纵向延伸至下游出口端的多孔孔道壁界定；
大量孔道的第一部分包含在下游出口端密封各孔道壁的端部堵塞物，以形成进口孔道，所述大量孔道的第二部分包含在上游进口端密封各孔道壁的端部堵塞物，以形成出口孔道；和
其中，端部堵塞物由包含以下组分的堵塞混合物形成：
无机批料组合物；
粘结剂；
液体载剂；和
流变改进剂，其选自非离子型表面活性剂、油和热解法氧化硅；和
其中，所述堵塞混合物在10/s剪切速率测定时显示毛细管粘度小于8000Pa-s。
51.如权利要求50所述的多孔陶瓷壁流式过滤器，其特征在于，所述堵塞混合物在以60度角度测定时的倾斜面流速小于60毫米/8分钟。
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