CN102076628A - 制备多孔针状富铝红柱石材料体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明制备高度多孔的针状富铝红柱石材料体。使用湿法形成含富铝红柱石前体和造孔剂的生坯。将生坯加热，以顺序移除任何粘结剂、造孔剂和煅烧生坯。煅烧的材料体被富铝红柱石化。该方法形成具有优异强度并且可以容易处理的煅烧材料体。富铝红柱石化的材料体具有非常高的孔隙率、小的孔并且具有优异的断裂强度。

Description

制备多孔针状富铝红柱石材料体的方法

本申请要求2008年6月27日提交的美国临时申请61/076,306的权益。

本发明涉及用于制备多孔针状富铝红柱石材料体(mullite bodies)的方法。

针状富铝红柱石表现出高长宽比的针状物形式。这些细长的针状物的聚集体形成了高度多孔性的结构体，这些结构体的特征在于它们优异的耐温度性。多孔针状富铝红柱石材料体可以被用作微粒捕集器(particulate trap)，用于过滤来自动力装置放出的废气中的烟灰。动力装置可以是移动或固定的。移动动力装置的一个实例是内燃机。固定动力装置包括电力和/或蒸汽产生单元。多孔针状富铝红柱石材料体还可用作催化剂载体，比如在汽车催化转化器中的催化金属用的载体。负载有某些催化剂的多孔针状富铝红柱石材料体可以表现出多种功能，比如起着机械烟灰过滤器的作用，还起着用于将NOx排放物还原和将包含在燃烧废气中的残留烃值和一氧化碳氧化的催化转化器的作用。

多孔针状富铝红柱石材料体还可以在其它类型的化学反应中用作过滤器或用作催化剂用载体，或用作吸附剂用载体比如用于消除砷的TiO₂用载体。

一种制备多孔针状富铝红柱石材料体的常规方法开始于包含铝原子源和硅原子源的“生坯”。将生坯形成为最终产品中所需的近似尺寸和形状。将粘结剂烧掉，并且煅烧生坯。通过在氟源的存在下加热生坯，可以形成具有(理论)经验式Al₂(SiO₄)F₂的氟黄玉(fluorotopaz)化合物。然后，可以将氟黄玉化合物热分解以形成富铝红柱石，该富铝红柱石具有(理论)经验结构3Al₂O₃·2SiO₂。由这种方式形成的富铝红柱石晶体表现出互连针状物的块体形式。该针状物通常具有不超过约25微米的平均直径。互连针状物形成多孔结构体。产物的尺寸和形状非常接近于开始生坯的尺寸和形状。

这些针状富铝红柱石材料体的孔隙率非常重要。富铝红柱石材料体的很多应用需要气体或液体流过该材料体。更高的孔隙率降低了建立通过该材料体的给定流体速率所需的操作压力。在富铝红柱石材料体用作用于一些功能材料比如催化剂或吸附剂的载体的情况下，孔隙率越高倾向于提高材料体的承载能力，这样允许被负载到材料体上的功能材料越多。

然而，孔的尺寸也是重要的。如果孔尺寸变得太大，则富铝红柱石材料体作为过滤器变得更低效。在催化剂或吸附剂的应用中，大的孔产生流过该材料体的试剂将不与催化剂或吸附剂接触的可能性。此外，材料体的机械完整性通常随着孔尺寸变得更大而降低。良好的机械完整性显然是重要的，以使得该材料体能够承受在通常的处理和使用过程中其所经历的机械和热应力。作为实用物质，具有大于60％的孔隙率的富铝红柱石材料体(以及其它陶瓷材料体)趋向于具有不可接受的大孔，这导致过滤效率和物理强度的损失。通常需要保持平均孔尺寸在50微米以下。

通过使用轻微压缩的干燥粉末形成生坯，将针状富铝红柱石材料体的孔隙率制备为达到约80％。轻压制方法允许生坯以低密度形成，这样导致生坯一旦转化成富铝红柱石就产生高的孔隙率。采用轻压制法的问题在于它们仅可以用于制备具有非常简单几何形状的部件。此外，压制方法通常仅适合于用于相对小的部件。大多数的针状富铝红柱石部件都需要具有一定程度的复杂几何形状，并且这些部件可能有些大。更高压力的压制方法可以制备孔隙率在50至70体积％范围内的富铝红柱石材料体，但是再次，这些方法被限制于制备更小的具有简单几何形状的材料体。

大的生坯，以及具有这些复杂几何形状的那些，必需使用湿法而不是使用简单压制方法制备。在这些情况下通常使用挤压和射压造型工艺，但是粉浆浇铸和带材浇铸也可以使用。湿法不能制备非常低密度的生坯，因此，所得针状富铝红柱石的孔隙率很少超过约60体积％。

在一些陶瓷体系中使用造孔剂(Porogens)来制备多孔体。然而，富铝红柱石化工艺(mullitization process)的属性阻碍造孔剂的使用。富铝红柱石生产是多步骤工艺，在该工艺中，形成生坯并且将粘结剂烧掉。在工艺的这个阶段的材料体极端脆弱且难于处理。造孔剂向生坯中的添加反而进一步弱化了该结构，并且可能另外引入裂纹或其它缺陷。在使用其它陶瓷材料的情况下，通过在处理之前对该材料体进行煅烧，一定程度上改善了该问题。煅烧使得在相邻的陶瓷晶粒之间形成桥联，并且这些桥联增强了结构，从而足以使得它被更容易地处理。然而，富铝红柱石存在独特的挑战，因为在现有工艺中，在高于约1100℃的温度的煅烧不利地影响在随后的富铝红柱石化步骤中生长高长宽比晶体的能力。在更低温度的煅烧没有给材料体提供充分的增强。

因此，问题仍在于在更大更复杂的针状富铝红柱石材料体中实现高的孔隙率，，以及由通过湿法制备的生坯开始实现高的孔隙率。该材料体还需要在最小的裂纹或其它缺陷的情况下形成，并且在富铝红柱石化工艺之前，该材料体需要具有足够器械强度，以使它能够容易被处理。此外，这样的高度多孔体应当具有小的孔，在富铝红柱石化之后具有良好的机械强度，并且对于很多最终用途的应用，具有良好的耐热冲击性，所述热冲击是由温度的剧烈变化而引起的。

本发明的一个方面是一种用于制备针状富铝红柱石材料体的方法。所述方法包括：

a)由下列各项形成粘结物质：包含铝原子源和硅原子源的组分，基于除一种或多种液体和一种或多种粘结剂之外的所有组分计的5至60重量％的造孔剂粒子，至少一种液体和任选的粘结剂，所述造孔剂粒子的体积平均有效粒子尺寸为1至50微米；然后

b)将粘结物质成形为生坯；

c)在基本上没有含氟气体的气氛下，将所述生坯加热至足以顺序移除如果存在的粘结剂，然后将造孔剂粒子转化成气体并且产生多孔生坯的温度，然后，

d)在基本上没有含氟气体的气氛下，在1100℃和1400℃之间的温度煅烧多孔生坯，以形成多孔煅烧材料体；然后

e)在包含含氟化合物的气氛的存在下，将多孔煅烧材料体加热至使得该煅烧材料体中的铝原子源和硅原子源与含氟化合物反应以形成氟黄玉的温度，然后，

f)将所述材料体加热至高于800℃的温度，从而分解氟黄玉以形成多孔针状富铝红柱石材料体。

这种方法可用于制备具有非常高孔隙率和小的孔尺寸的多孔针状富铝红柱石材料体。平均孔尺寸典型地低于50微米，并且可以小到1微米。平均孔尺寸优选5至40微米，并且更优选为10至25微米，但是通过使用不同尺寸的造孔剂，可以在一定程度上改变孔尺寸。此外，所述方法制备出具有非常少的裂纹或其它缺陷的材料体。

本发明的一个非常令人惊奇的特征在于：生坯可以在高温煅烧而不破坏富铝红柱石前体形成高长宽比针状物的能力。这与在富铝红柱石体系中的早先观察结果相反。煅烧所述材料体的能力允许所述材料体获得更大的断裂强度。如通过ASTM 1161 4-点弯曲实验测试测量的，即使在70至85％的孔隙率的情况下，断裂强度也典型地为3MPa以上。煅烧材料体的断裂强度在本文中有时称作“煅烧强度”。良好的煅烧强度使得煅烧部件容易被处理。

在本发明中制备的针状富铝红柱石材料体也具有良好的断裂强度，即使在70至85％的孔隙率的情况下，如通过ASTM 1161 4-点弯曲实验测量的，所述断裂强度也通常是10MPa。

本发明的方法特别可用于制备大材料体(比如，如由其外部尺度限定的体积为至少13.5立方英寸(220cm³)，优选为至少96立方英寸(1575cm³)，并且更优选为至少216立方英寸(3540cm³))的那些)，和/或具有复杂几何形状的材料体，比如蜂窝结构体。

在另一方面，本发明是一种多孔富铝红柱石前体煅烧材料体，其具有70至85％孔隙率并且具有至少3MPa的煅烧强度。

在另一方面，本发明是一种多孔针状富铝红柱石材料体，其具有至少70体积％的孔隙率、不大于50微米的体积平均孔尺寸和至少10MPa的断裂强度。

在再另一方面，本发明是一种针状富铝红柱石载体，其涂布有催化剂或吸附剂，所述针状富铝红柱石载体包括：沉积在多孔针状富铝红柱石材料体上的至少一种催化活性材料或吸附剂，所述多孔针状富铝红柱石材料体在催化活性材料的沉积之前具有至少70体积％的孔隙率，不大于50微米的平均孔尺寸和至少10MPa的断裂强度。

生坯至少部分由铝原子源和硅原子源构成。合适的铝原子源和硅原子源包括比如在WO 92/11219、WO 03//082773和WO 04/096729中描述的材料。单一材料可以既起着铝原子源又起着硅原子源的作用。合适的前材料体料的实例包括各种水合的铝硅酸盐如粘土，以及氧化铝、二氧化硅、三氟化铝，各种沸石，甚至是富铝红柱石本身。生坯可以包含例如铝硅酸盐粘土和氧化铝的混合物。备选地，生坯可以包含三氟化铝、二氧化硅和任选的氧化铝的混合物。

生坯应当以1至约4铝原子/摩尔硅原子的摩尔比包含铝原子和硅原子。富铝红柱石的理论组成含有3∶1比率的铝原子和硅原子，经验式为3Al₂O₃·2SiO₂。然而，富铝红柱石晶体可以以不同的铝与硅的比率形成。如在WO 03/082773中所述，在生坯中的铝原子与硅原子的比率可以为2至2.95。备选地，铝与硅原子的比率可以为2至4或为2.5至3.5。

合适地，铝原子源和硅原子源占在不包括造孔剂粒子和可能存在的任何粘结剂的情况下的生坯的55至约95重量％。

铝原子源和硅原子源以可以具有任何合适粒子尺寸的粒子形式提供。这些粒子可以具有小至10纳米或大至约50微米的有效粒子尺寸。优选地，这些粒子的直径为至少100纳米，并且更优选为至少500纳米，并且不超过30微米，优选不超过10微米。在整个本说明书中使用的“有效”粒子尺寸是指如果没有聚集的情况下初级粒子本身的尺寸，或如果它们是聚集体形式，则是聚集体的粒子尺寸。

生坯也包含造孔剂粒子。造孔剂粒子应当占不包括可能存在的任何粘结剂和液体的情况下的生坯的约5至约60重量％。造孔剂粒子可以占不包括任何粘结剂或液体的情况下的生坯重量的至少10，至少20或至少30％。造孔剂粒子可以占不包括任何粘结剂的情况下的生坯重量的不超过50％，更优选不超过40％。

造孔剂粒子应当具有的体积平均有效粒子尺寸为至少1微米，优选为至少3微米，更优选为至少5微米，不超过50微米，优选不超过40微米，更优选为不超过25微米，并且还更优选不超过10微米。造孔剂粒子的尺寸可以接近于铝和硅源的粒子的尺寸。至少80体积％的造孔剂粒子应当具有介于1和50微米之间的有效粒子尺寸。更优选地，至少80体积％的造孔剂粒子应当具有介于3和25微米之间的有效粒子尺寸。还更优选地，至少90体积％的粒子应当具有介于3和10微米之间的有效粒子尺寸。在本文上下文中的粒子尺寸是指粒子的最长尺度。粒子优选具有小于10，更优选为小于5并且还更优选小于2的长宽比(最长的尺度除以最短的尺度)。

造孔剂粒子由在低于1100℃的高温转化成一种或多种气态产物的材料构成。如果使用粘结剂，这是优选的，则造孔剂粒子在高于移除粘结剂所需要的温度的温度形成气体。造孔剂粒子优选当被带到至少400℃，优选至少700℃，但是不高于1000℃，优选不高于900℃的温度时，形成气态产物。造孔剂粒子可以通过例如升华、热分解，或通过一种或多种化学反应如氧化作用而形成气体。在氧化反应的情况下，造孔剂的移除在氧化气氛比如空气、富氧空气或氧气中进行。在另外的情况下，造孔剂粒子可以升华或热分解，在这种情况下，该气氛可以是在造孔剂移除的条件下不与其它原料反应的任何气体或气体混合物。

优选的造孔剂是碳或石墨粒子。具有如上所述粒子尺寸的碳和石墨粒子通常可从很多来源商购获得。合适碳和石墨粒子的一种合适来源是美国新泽西州的Asbury的Asbury Carbons公司。碳或石墨粒子的碳含量优选为至少80重量％，更优选为至少90重量％，还更优选为至少95重量％，并且还更优选为至少98重量％。

生坯可以包含各种其它材料，比如烧结助剂，各种杂质，特别地来自天然粘土原料的杂质，或性能增强化合物，比如在WO 04/096729中描述的性能增强化合物。性能增强化合物是Mg、Ca、Fe、Na、K、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、B、Y、Sc和La中的一种或多种的氧化物，或一种或多种前述元素的化合物，所述化合物在空气中加热时形成氧化物。如果不是氧化物，则性能增强化合物可以是例如氯化物、氟化物、硝酸盐、氯酸盐或硅酸盐，或羧酸盐如乙酸盐。更优选的化合物是Nd、B、Y、Ce、Fe和/或Mg的那些化合物。特别优选的性能增强化合物是水合硅酸镁，比如滑石。另一种优选的性能增强化合物是Nd、Ce、Fe和/或B化合物与Mg、Ca、Y、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc和/或La化合物的混合物。如果性能增强化合物包含硅(比如，当其是硅酸盐时)，由性能增强化合物提供的硅的量在计算生坯中的铝-硅比率时应当被考虑。性能增强化合物合适地占不包括可能存在的任何粘结剂或液体的情况下的生坯重量的至少0.01％，优选为至少0.1％，更优选为至少0.5％并且还更优选至少1％。在不包括任何粘结剂或液体的情况下，它可以占生坯重量的多达12％，但是优选占生坯重量的不超过10％，更优选不超过约5％并且还更优选不超过2％。

所述液体是在不高于100℃、优选不高于50℃并且还更优选不高于25℃的温度为液体的任何材料，并且其足以使形成可成形的粘结物质的其它组分润湿。优选水，但是可以使用其它有机液体，条件是它们使所述其它材料润湿。所述液体应当不溶解其它组分。全部或部分液体可以起着粘结剂用溶剂或分散剂的作用，该粘结剂可以用于形成生坯。

将原料混合在一起以形成可成形的粘结物质，该粘结物质在下面有时被称作“湿混合物”。“粘结的”是指湿混合物的组分粘结在一起以形成粘性的流体物质。“可成形的”是指作为粘性流体物质的混合物可以流动而在轻微或中等外力的作用下不破裂，因此可以通过施加压力而形成为各种形状。

粘结剂可以并且优选与其它材料混合，以帮助将原料粒子粘结在一起，直到生坯烧制。粘结剂是在比移除造孔剂所需的温度低的温度，可以从生坯中热移除的材料。粘结剂可以通过进行升华、热分解和/或其它化学反应比如氧化而热移除。粘结剂优选可以在不高于400℃、优选不高于350℃的温度热移除。

粘结剂适当地为有机聚合物，其可溶于水或其它溶剂中。一种优选类型的粘结剂是水溶性有机聚合物，特别是水溶性纤维素醚。粘结剂通常非常精细地分散或分布在整个生坯中。通常地，粘结剂可以占生坯重量的约1至约7％。更优选的量是约2至5重量％。如果粘结剂处于微粒形式，则它可能对针状富铝红柱石材料体的孔隙率的贡献小。

然后将湿混合物形成具有所需质量、形状和尺度的生坯。可用于将湿混合物成形为生坯的任何方法均可以使用。优选的方法包括射压造型、挤压、粉浆浇铸、带式浇铸等等。合适的这样的工艺在《陶瓷加工原理介绍》Introduction to the Principles of Ceramic Processing，J.，Reed，第20和21章，Wiley Interscience，1988中有描述。

针状富铝红柱石材料体的尺度将通常紧密匹配生坯的尺度。为此原因，通常将生坯形成针状富铝红柱石产品中所需的形状和尺度。生坯典型地为约40至70％的理论密度。理论密度由生坯的各种组分的密度和它们的相应的重量分数确定。

加热生坯以顺序地移除粘结剂和造孔剂。“顺序地”简单地指在造孔剂移除之前移除粘结剂。在多数情况下，粘结剂将在比移除造孔剂时的温度低的温度下移除。粘结剂和造孔剂是通过首先将生坯加热至使粘结剂转化成气体而造孔剂不形成气体的温度(以及其它必要条件，比如如果经由氧化反应移除粘结剂，则存在氧化气氛)而被顺序移除的。这个温度优选不大于400℃。优选的温度是300至400℃。在这个步骤中还移除可能存在的有机挤出添加剂。

在移除粘结剂之后，生坯经历了造孔剂粒子升华或反应的温度和其它条件，结果是，被转化成一种或多种气态副产物。在这过程中的温度在很多情况下将高于移除粘结剂时的温度。造孔剂粒子优选从固体状态直接转化以形成一种或多种气体，而不进行熔融。气态副产物容易经由相邻的原料粒子之间的小的空隙从生坯中扩散出去。如前面所述，如果造孔剂通过氧化反应被转化为气体，则在这个步骤中存在氧化气氛。然而，在这个步骤中可以使用氧气减小(与空气比较)的环境，以防止造孔剂移除过于迅速。这可以防止开裂和其它缺陷的形成。在这个步骤过程中的温度通常高于400℃，并且优选高于700℃。该温度不超过1100℃，优选不超过1000℃，并且还更优选不超过900℃。

固体造孔剂粒子至气体的转化在生坯中、在造孔剂粒子的所在位置产生了孔。这种孔具有与造孔剂移除之前的造孔剂粒子的尺寸和形状接近的尺寸和形状。因此，造孔剂移除步骤产生了具有直径约为1至50微米，优选5至40微米并且更优选为10至25微米的孔的多孔体。由于造孔剂粒子被转化成气体并且从生坯中逃出，因此造孔剂移除步骤伴随生坯的密度的减小。在移除造孔剂粒子之后，所述材料体的密度可以为理论密度的约15％至50％，这取决于所使用的造孔剂的量。在造孔剂移除步骤之后的密度优选不大于理论密度的35％，并且还更优选不大于30％。最优选地，在造孔剂移除步骤之后的密度为理论密度的20至30％。

粘结剂和造孔剂的分别移除减少了在这些步骤过程中在材料体内形成的开裂和其它缺陷的量。尽管本发明不受限于任何理论，但是据认为粘结剂和造孔剂的移除可以涉及放热过程，主要是氧化作用，即材料体的温度可能产生快速的局部变化。这可能导致材料体内的显著温度差，这进而可能导致不均匀或快速的热膨胀，并且产生裂纹或其它缺陷。将粘结剂和造孔剂的移除分开被认为降低了局部温度差在部件内发展的程度，由此降低了由于不均匀或快速热膨胀或收缩所引起的开裂或其它缺陷的量。

然后，通过将多孔生坯加热至至少1100℃，不超过1400℃的温度，而将其进行煅烧。优选至少1150℃的温度，并且更优选至少1200℃的温度。优选的温度是不超过1350℃，特别是不超过1300℃。将煅烧步骤进行足以增加材料体的断裂强度的时间周期。所需要的时间的量在一定程度上将取决于部件尺寸和孔隙率。典型地，15分钟至5小时是足够的。更典型地，需要约30分钟至3小时。特别优选的煅烧时间是45分钟至2小时。

在煅烧步骤过程中材料体获得了断裂强度。这被认为主要是由于原料的一些烧结。一些氟黄玉甚至富铝红柱石的形成都可以在这个步骤中发生，但是这不可能是由于缺乏含氟气体引起的。在煅烧步骤之后的煅烧材料体即使在70至85％的孔隙率，也优选具有至少3MPa，，并且更优选为至少5MPa的断裂强度。

在粘结剂移除、造孔剂移除和煅烧步骤过程中的气氛可以是空气、氧、氮或惰性气体。优选空气。然而，在这些步骤过程中的气氛应当基本上没有含氟气体，以使在这个阶段的氟黄玉形成最小化。在煅烧步骤过程中的压力条件可以使大气压、低于大气压或超大气压。

煅烧材料体的孔隙率和孔尺寸趋向于接近于在移除造孔剂之后但是在煅烧之前的生坯的孔隙率和孔尺寸。孔隙率优选为70至85％，并且体积平均孔尺寸优选为不大于约50微米。

煅烧材料体准备好在单独的步骤中转化成富铝红柱石。富铝红柱石在两个步骤中形成，其中开始的铝原子源和硅原子源反应以形成氟黄玉，氟黄玉随后分解以形成富铝红柱石。这些反应可以从多孔生坯开始，以任何常规方式进行，包括本领域已知的方式。如在WO 92/11219、WO 03/082773和WO 04/096729中描述的制备多孔针状富铝红柱石材料体的方法通常可在此应用。

通过在包含含氟化合物的工艺气体的存在下加热生坯而将生坯转化成氟黄玉。含氟化合物适当地为SiF₄、AlF₃、HF、Na₂SiF₆、NaF、NH₄F或这些中任意两种以上的一些混合物。优选SiF₄。典型优选的是，在真空或惰性气氛比如氮气或惰性气体下加热生坯，直到它达到至少500℃的温度。之后，将含氟化合物引入到炉中，并且持续加热直到达到至少700℃至约950℃的温度。

在优选的工艺中，在氟黄玉形成步骤过程中的工艺温度不超过800℃。这样允许氟黄玉形成反应与形成富铝红柱石的分解反应分开进行，形成富铝红柱石的分解反应即使在工艺气体中存在含氟化合物的情况下，也可以在低至800℃的温度进行。

在氟黄玉形成反应过程中的工艺气体可以含有不超过100％的含氟化合物，但是更实际的是使用混合物，所述混合物含有80至99％、特别是85至95重量％的含氟化合物的，余量为由包含在原料中的杂质形成的或来自氟黄玉形成反应或富铝红柱石形成反应的各种气体产物和副产物。

在氟黄玉形成步骤中，可以在炉中建立工艺气体的流动。这样可以促进被在一起处理的各个材料体之间的更均匀的反应速率，并且在一些情况下，即使在单一材料体内，也通过将含氟化合物补充到炉中可能已经耗尽了含氟化合物的区域中而促进被在一起处理的各个材料体之间的更均匀的反应速率。

整个反应过程中含氟化合物在炉(或封闭区域)中的分压可以被调节或保持到所需的水平。这样进而允许对反应速率的一些控制，进而允许在氟黄玉形成步骤过程对一个或多个生坯的温度的控制。

氟黄玉分解以在多孔体中形成针状富铝红柱石晶体。氟黄玉在其分解时释放四氟化硅。这种过程是吸热的。分解反应可以在低至约800℃的温度进行。在不超过约900℃的一些温度，氟黄玉形成反应和氟黄玉分解反应均可以发生，条件是存在氟源。然而，优选的是，选择条件以使得反应顺序发生而不是同时发生。因此，在氟黄玉分解步骤过程中的温度优选至少1000℃，并且可以高达1700℃。更优选的温度是至少1050℃或至少1100℃。优选的温度可以为不超过1500℃，并且更优选的温度为不超过1200℃。

氟黄玉分解反应通常在非氧化气氛中进行。含氟化合物可以存在于在这个步骤过程的工艺气体中，但是其分压有利地为不大于755mm Hg。含氟化合物的分压可以任何更低的值。还能够使用不存在含氟化合物的气氛。含氟化合物的分压可以用作用于控制在这个步骤过程形成的富铝红柱石针状物的尺寸的工艺变量。在这个步骤过程中工艺气体可以是流动或静止的，尽管流动气氛在降低或消除局部高浓度的含氟化合物中可以提供一些益处，但是其可以使氟黄玉分解反应变慢。

在氟黄玉分解反应完成之后，可以在缺乏含氟化合物的情况下加热材料体，优选在空气中加热材料体，以移除可能存在的残留氟。

当氟黄玉分解形成富铝红柱石时，产生了互连的针状晶体的聚集体。非常惊奇地，当结构体是高度多孔时，煅烧步骤对于随后生长高长宽比的富铝红柱石晶粒的影响很小或没有不利影响。这种情况与在更低的孔隙率(比如不超过约60％孔隙率)看到的效果是不同的，在更低孔隙率的情况下，煅烧步骤对于随后富铝红柱石晶体生长具有明显不利的影响。晶体主要包括结晶富铝红柱石，尽管它能够存在少量的其它结晶和/或玻璃相。例如，晶体可以包含不超过约2体积％的结晶二氧化硅相，比如方英石，这在WO 03/082773中有描述，或包含不超过约10体积％的玻璃状氧化物相，所述玻璃状氧化物相可以含有硅和/或铝，以及一种或多种由前述的烧结助剂和/或性能增强化合物贡献的金属。

针状富铝红柱石晶体在接触的点上结合在一起，以形成总的几何形状和尺度与生坯的几何形状和尺度基本上相同的多孔聚集体。富铝红柱石晶体的长宽比典型地为至少5，优选为至少10，更优选为至少20。晶体可以具有5至50微米的平均晶粒直径。

针状富铝红柱石材料体的孔隙率将响应于在生坯被煅烧之前在该生坯中存在的造孔剂的量而变化。当使用非常低水平的造孔剂粒子时，由本发明的方法制备的针状富铝红柱石材料体可以具有低至50体积％的孔隙率，但是更典型地，孔隙率为至少60体积％。更高水平的造孔剂粒子趋向于导致孔隙率增加。孔隙率可以多达80-85体积％。根据本发明制备的优选的针状富铝红柱石材料体具有70至85体积％的孔隙率，并且更优选75至82体积％的孔隙率。当生坯由没有造孔剂的湿混合物制备时，使用常规方法如果不是不能，就是非常难以获得这么高的孔隙率。

在针状富铝红柱石材料体中可能存在的宏观开口、沟道或空隙不认为是“孔”或不认为对材料体的孔隙率有贡献。对于本发明而言，宏观开口被认为是具有至少500微米的直径或最小尺度的那些开口。因此，例如，在针状富铝红柱石材料体形成过程中或之后，在其内制造的沟道、洞、开口或其它宏观特征对于本发明而言不认为是孔。在蜂窝状构造中的沟道对于本发明而言不是孔。

在给定孔隙率的情况下，根据本发明制备的针状富铝红柱石材料体趋向于具有优异的断裂强度。断裂强度倾向于随孔隙率反向变化。在本发明中制备的具有80至85体积％的孔隙率的针状富铝红柱石材料体通常具有10MPa的断裂强度，该断裂强度是使用根据ASTM-1161的4点弯曲实验测量的。使用本发明更少的多孔针状富铝红柱石材料体可以趋向于具有更高的断裂强度。使用本发明实现的优异的断裂强度可以允许使用比能够以其它方式使用的材料体具有更高孔隙率的材料体。更高的孔隙率在很多过滤和催化应用方面提供了独特的优点，因为在操作过程中看到更小的压降。备选地，孔隙率越高可以允许功能材料比如催化剂负载到富铝红柱石材料体上的负载量越大，而保持相等的在材料体两端的压降。

根据本发明制备的针状富铝红柱石材料体的材料耐热冲击性也非常良好，原因在于它们的高孔隙率。材料的耐热冲击性趋向于随孔隙率而增加，在约80％的孔隙率时，耐热冲击性典型地比孔隙率仅为约60％时高50-75％。因此，本发明提供了一种制备具有非常良好的耐热冲击性的针状富铝红柱石材料体。

在根据本发明制备的针状富铝红柱石材料体中，平均孔尺寸趋向于非常小。体积平均孔直径典型地为小于50微米，优选为5至40微米，并且通常在10至25微米之间。孔直径使用水银孔隙率测量法测量。

根据本发明制备的针状富铝红柱石材料体可用于各种过滤应用中，和/或可用作用于各种类型的功能材料的载体，在所述功能材料中特别令人感兴趣是催化剂的载体。富铝红柱石材料体的热稳定性使得它们非常适合于高温应用，比如用于处理来自移动或固定动力装置的废气。

针状富铝红柱石材料体可以用作微粒过滤器，特别用于移除微粒物动力装置(移动或固定)废气。这种类型的具体应用是用于内燃机特别是柴油机的烟灰过滤器。

可以使用各种方法将功能材料涂敷到针状富铝红柱石材料体上。功能材料可以有机或无机的。无机功能材料比如金属和金属氧化物是特别令人感兴趣的，因为这些中的很多都具有适宜的催化性能，起吸附剂的作用，或表现出一些其它需要的功能。将金属或金属氧化物引入到针状富铝红柱石材料体上的一种方法是通过这样进行的：将材料体用金属的盐或酸的溶液浸渍，然后加热或以其它方式移除溶剂，并且必要时煅烧或以其它方式分解所述盐或酸，以形成所需的金属或金属氧化物。

因此，例如，通常涂敷氧化铝涂层或另一种金属氧化物的涂层，以提供可以在其上沉积催化剂或吸附剂材料的更高的表面积。通过用胶体氧化铝浸渍针状富铝红柱石材料体，之后使气体通过浸渍的材料体，可以沉积氧化铝。这种过程必要时可以重复以沉积所需量的氧化铝。其它陶瓷涂层比如二氧化钛可以以类似方式涂敷。

可以将金属比如钡、铂、钯、银、金等通过如下沉积在针状富铝红柱石材料体上：将材料体(其优选涂布有氧化铝或其它金属氧化物)用金属的可溶性盐比如例如硝酸铂、氯化金、硝酸铑、硝酸四氨基钯、甲酸钡等浸渍，之后干燥并且优选煅烧。用于动力装置废气流，特别是用于车辆的催化转化器可以由针状富铝红柱石材料体以这样的方式制备。

用于将各种无机材料沉积到针状富铝红柱石材料体上的合适方法在例如US 205/0113249和WO2001045828中有描述。

在一个特别优选的实施方案中，可以在一个或多个步骤中将氧化铝和铂，氧化铝和钡，或氧化铝、钡和铂沉积到针状富铝红柱石材料体上，以形成(from)过滤器，所述的过滤器能够同时移除来自动力装置废气的，如来自车辆发动机的微粒如烟灰、NOx化合物、一氧化碳和烃。

下面的实施例是为举例说明本发明而提供的，而没有限制本发明范围的意图。所有的份和百分比都是基于重量的，除非有另外指出。除非有另外规定，本文中表达的所有的分子量均是重均分子量。

实施例1-4和比较例A

比较例A由下列基础配方制备：

将所述组分混合成湿混合物，将该湿混合物挤压形成生坯。生坯的尺度为13mm×1.8mm×75mm。生坯重量约为2克。

加热生坯，使得粘结剂烧掉，然后移除造孔剂粒子，然后将材料体在1100℃煅烧2小时。然后将煅烧材料体转移到单独的烘箱中，并且加工成富铝红柱石。

所得针状富铝红柱石材料体的孔隙率为约56％。

除了(1)在湿混合物中包含15重量份的碳粒子(Asbury 4023，Asbury Carbons，Inc.，粒子尺寸为4至7.5微米)以及(2)在将混合物成形为生坯之后，碳粒子通过在空气中加热至1065℃2小时而被煅烧之外，实施例1以相同的方式制备。所得针状富铝红柱石材料体的孔隙率为约63％。

分别使用30、45和60重量份的所述碳粒子，以与实施例1相同的方式制备实施例2-4。实施例2-4的孔隙率分别为70％、75％和81％。

实施例1-4和比较样品A中的每一个的断裂强度根据ASTM 1161测量。基于样品的断裂强度和弹性模量，计算材料耐热冲击性。结果显示在表1中。

表1

实施例5

以与实施例1中描述的一般方式制备6个针状富铝红柱石材料体，其中孔隙率在64-75％的范围内。部件尺度为0.75英寸×0.75英寸×3英寸(18×18×76mm)。将材料体通过交替地堵塞在正面或背面上的沟道以在每一个面上产生堵头的棋盘形图案，转化成柴油机微粒过滤器。被堵塞的材料体中的5个分别用胶体氧化铝溶液(20％Al₂O₃，Alfa Aesar)饱和。过量的溶液通过摇动而从沟道中移出。使空气流过饱和的材料体，逐渐将流速增加到100升/分钟，直到材料体变得干燥。在一些情况下，重复浸渍和干燥步骤以增加在部件上的氧化铝负载量。将干燥的材料体于500℃、在空气中煅烧1小时。第6个材料体不浸渍，并且用作对照。

表2中示出了6个样品(分别称为实施例5-1至5-6)的孔隙率和氧化铝负载量。将每一个微过滤器的外表面通过用导电带将其紧密缠绕而密封。使空气以100升/分钟的速率流过实施例5-1至5-6中的每一个，并且在每一种情况下测量部件两端的压降。结果显示在表2中。

表2

¹氧化铝负载之前。

表3中的数据表示当孔隙率保持恒定时，压降随氧化铝负载量而增加。然而，越大的孔隙率在持合理的操作压力的同时允许被涂敷到富铝红柱石材料体上的氧化铝的量显著越大。因此，例如，当针状富铝红柱石材料体的孔隙率为64％时，74g/L的氧化铝负载量导致约7英寸水柱的压降。然而，当孔隙率增加至75％时，170g/L的氧化铝负载量或约2-1/2倍大的负载量导致了相等的压降。实施例5-4和5-6具有相同的氧化铝负载量，但是在实施例5-6两端的压降仅为实施例5-4的压降的约三分之一，原因在于实施例5-6的孔隙率比实施例5-4的孔隙率更高(75％对64％)。

实施例6-8

由以在实施例2-4中描述的一般方式制备的针状富铝红柱石材料体，制造10个微孔(cell)×10个微孔×3英寸(7.5cm)长的柴油机微粒过滤器(每平方英寸为200个微孔)。每一个过滤器各自按如下负载氧化铝、钡和铂。将所述材料体分别用胶体氧化铝溶液(20％Al₂O₃，Alfa Aesar)饱和。在沟道中过量的溶液通过摇动材料体而移除，并且空气以20升/分钟的流动速率流过饱和的材料体，直到材料体变得干燥。根据需要重复饱和和干燥步骤，以将部件上的氧化铝负载量增加到125g/L。将干燥的材料体在空气中于500℃煅烧1小时。

将涂布氧化铝的部件浸渍在含有足够铂的硝酸铂稀溶液中，产生3.6g铂/升整料(monolith)的沉积。然后将材料体干燥并且在空气中于500℃煅烧1小时。然后，将部件用含有足够钡的甲酸钡水溶液浸渍，以产生0.25摩尔钡/L整料的沉积，通过使空气流过部件进行干燥，然后在600℃煅烧1小时。

所得浸渍材料体可用作用于动力装置废气的过滤器/催化剂转换器。它们作为NOx转化器的性能通过使用合成废气，使它们在400℃进行富-贫循环来评价。在每一次循环中，贫进料以20升/分钟的速率进料60秒，之后富进料以相同的速率进料3秒。贫进料含有200ppm NO、5％氧和余量氮。富进料含有5000ppm的丙烯和余量氮。离开所述材料体的气体在10次循环之后通过FTIR测量NOx化合物，并且通过比较进料的NO的量与在正离开反应器的气体中检测到的NO、NO₂、N₂O和NH₃量，来计算NOx转化成N₂的％NOx转化率。结果显示在表3中。

表3

在所有的情况下，NO至N₂的转化是优异的，从而证明沉积在这些高孔隙率基底上的催化剂和吸附剂这两者的功效。

Claims (14)

1.一种用于制备针状富铝红柱石材料体的方法，所述方法包括：

a)由下列各项形成粘结物质：包含铝原子源和硅原子源的组分，基于除一种或多种液体和一种或多种粘结剂之外的所有组分计的5至60重量％的造孔剂粒子，至少一种液体和任选的粘结剂，所述造孔剂粒子的体积平均有效粒子尺寸为1至50微米；然后

b)将所述粘结物质成形为生坯；

c)在基本上没有含氟气体的气氛下，将所述生源坯加热至足以顺序移除如果存在的粘结剂，然后将所述造孔剂粒子转化成气体并且产生多孔生坯的温度，然后，

d)在基本上没有含氟气体的气氛下，在1100℃至1400℃之间的温度煅烧所述多孔生坯，以形成多孔煅烧材料体；然后

e)在包含含氟化合物的气氛的存在下，将所述多孔煅烧材料体加热至使得所述煅烧材料体中的所述铝原子源和所述硅原子源与所述含氟化合物反应以形成氟黄玉的温度，然后，

f)将所述材料体加热至高于800℃的温度，从而分解所述氟黄玉以形成多孔针状富铝红柱石材料体。

2.权利要求1所述的方法，其中所述多孔针状富铝红柱石材料体具有70至85体积％的孔隙率。

3.权利要求1或2所述的方法，其中所述针状富铝红柱石材料体具有1至50微米的平均孔尺寸。

4.权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述造孔剂占所述生坯的重量的至少30％。

5.权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述生坯包括粘结剂。

6.权利要求5的方法，其中步骤c)通过将所述生坯加热至不超过400℃的温度以移除粘结剂，然后加热至700至1000℃的温度以移除所述造孔剂粒子而进行。

7.权利要求1-6中任一项所述的方法，其中步骤b)是通过挤压、射压造型或浇铸进行的。

8.权利要求1-7中任一项所述的方法，其中步骤f)是在至少1000℃的温度进行的。

9.权利要求1-8中任一项所述的方法，其中所述含氟化合物包括SiF₄。

10.权利要求1-9中任一项所述的方法，其中在步骤d)之后，所述多孔煅烧材料体具有至少3MPa的断裂强度。

11.权利要求1-10中任一项所述的方法，其中所述针状富铝红柱石材料体具有5至40微米的平均孔尺寸。

12.一种多孔富铝红柱石前体煅烧材料体，所述多孔富铝红柱石前体煅烧材料体的孔隙率为70至85％孔隙率，并且其具有至少3MPa的煅烧强度。

13.一种根据权利要求1-11中任一项制备的多孔针状富铝红柱石材料体，所述多孔针状富铝红柱石材料体具有至少70体积％的孔隙率；不大于50微米的平均孔尺寸和至少10MPa的断裂强度。

14.一种权利要求13的多孔针状富铝红柱石载体，其涂布有至少一种催化活性材料或吸附剂。