CN102482169B - 涂覆蜂窝体的方法 - Google Patents

Abstract

通过以下方式在蜂窝体的外表面上提供了陶瓷涂层：在所述外表面上施涂包含陶瓷或陶瓷形成组分的涂料第一层，对所述第一层的至少一部分进行至少部分的固化，然后在之前施涂并固化的层上添加包含陶瓷或陶瓷形成组分的涂料的一个或多个另外的层。

Description

涂覆蜂窝体的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年5月29日提交的美国申请第12/474,889号的优先权。

背景技术

人们通常在大型陶瓷蜂窝体的外表面上施涂外部陶瓷涂层或“外皮”，从而提供光滑的覆盖表面，以提供高强度和良好的尺寸控制。外皮的施涂通常是在已经对工件进行机械加工，从而提供符合具体直径要求的蜂窝体基质之后进行的，最通常的情况下，是在已经对基质进行烧制从而使其表现出最终的晶体结构和强度之后进行的。通过另外的制造步骤使得施涂的外皮固化，所述另外的制造步骤包括例如干燥，或者，对涂覆的工件进行预烧制，使得外皮材料烧结或者反应烧结。

发明内容

本发明揭示了提供改进的蜂窝体的方法，所述改进的蜂窝体结合了施涂的高强度涂层，该高强度涂层能够在制造和使用过程中防止破坏的发生，并且大体上没有由于制造过程的干燥和/或烧制步骤造成的外皮裂纹。通过采用多层法施涂外皮，确保了这些性质。

本发明的各种实施方式包括用来对蜂窝体(例如蜂窝体基质)施涂陶瓷涂层的方法，该方法包括以下步骤：(i)对所述蜂窝体的外表面施涂第一涂料层，所述涂料层包含陶瓷或形成陶瓷的组分，(ii)在所述第一涂料层上施涂至少一层另外的涂料层，该另外的涂料层包含陶瓷或形成陶瓷的组分，但是(iii)在施涂所述至少一层另外的涂料层之前，所述第一涂料层的至少一部分至少进行部分的固化。

一般来说，根据本发明所述的方法进行的固化包括对所述第一层或者第一层的一部分进行加热，例如通过使得所述第一层的至少一部分暴露于红外辐射、微波辐射、对流加热，或者这些方式的组合。在具体的实施方式中，固化包括使得所述第一层的至少一部分干燥，从而从所述层内除去液体组分，例如水介质。可以通过采用以上加热方法中的一种或者多种的组合来加热所述第一层，以促进干燥。

在一些实施方式中，可以通过使得蜂窝体在施涂过程中旋转，从而促进根据本发明对蜂窝体施涂多层涂层的方法。所述蜂窝体包括相反的(opposing)第一和第二端面以及在所述第一和第二端面之间延伸的外侧表面，所述蜂窝体围绕延伸通过所述第一和第二端面的纵轴设置。在使得所述蜂窝体围绕纵轴旋转的同时，将涂料喷涂在所述蜂窝体的外侧表面上，从而形成所述涂料的第一湿层。所述蜂窝体可以围绕所述纵轴旋转360°或更多，从而施涂所述层或者随后的多个层。然后，在形成随后的湿层之前，使得所述第一湿层至少部分地干燥。在这些方法的其它的具体实施方式中，在使得所述第一湿层至少部分干燥的同时，还使得所述蜂窝体围绕所述纵轴旋转。

喷涂涂料和干燥涂料层的步骤可以以各种方式安排。在一些实施方式中，在对所述第一湿层进行干燥或部分干燥的步骤之前结束所述涂料的喷涂步骤。在其它的实施方式中，所述喷涂涂料的步骤和对制得的湿层进行干燥的步骤同时进行。之后的实施方式的具体例子包括以下步骤：使得所述蜂窝体围绕所述纵轴旋转，将第一涂料层的一部分施涂在与第一旋转弧度(firstarcofrotation)相对应的外表面的第一部分上，然后对所述外表面的第一部分上的第一层进行加热，同时将第一涂料层的其他部分施涂在与第二旋转弧度相对应的外表面的第二部分上。

附图说明

下面结合附图进一步显示了本发明的方法，图中：

图1是根据本说明书的描述制备的涂覆的蜂窝体的透视示意图；

图2是用来制造所述涂覆的蜂窝体的设备的侧面正视示意图；

图3a和3b显示对蜂窝体施涂多层涂层的示意图。

具体实施方式

一种对蜂窝体或基质施涂外皮层(skinlayer)的常规方法是所谓的“刮涂法”。根据该种方法，用于涂料混合物的固体和液体原料进行配比，制得塑料黏结剂(plasticcement)，用板(plate)或刮刀(blade)对该塑料黏结剂进行施涂(apply)和平坦化(smooth)。所述蜂窝体可以是由形成陶瓷的组分组成的干燥的成形体，或者可以是烧制的成形体，其中一种或多种形成陶瓷的组分已经转化为坚固的(strong)整体型陶瓷材料。所述蜂窝体通常在塑料黏结剂施涂过程中进行旋转，从而形成具有合适厚度的平滑层。然后对由此施涂的黏结剂涂层进行干燥，以除去未结合的水，并且优选在适当升高的温度下加热几个小时，例如在65℃加热4小时。在一些情况下，对所述蜂窝体和涂层进行烧制，使得所述涂层或者涂层和蜂窝体转化为整体型陶瓷体或涂层。

所述涂层施涂和干燥工艺存在一些缺陷。比较通常遇到的问题包括在施涂过程中，涂料混合物与蜂窝体基质的粘着性较差，并且在干燥或烧制过程中会形成外皮裂纹。其它的问题包括外皮厚度不均匀，施涂过程中黏结剂糊料不均匀，并且干燥的涂层中存在一些弱点，导致在施涂后的加工或者使用过程中发生外皮剥落或破碎。

本申请所述的蜂窝体涂层或外皮特别适合用于生坯(未烧制的)蜂窝体基质，但是也优选应用于烧制的蜂窝体。使用由原料混合物形成的片材、糊料或浆液制备料，以多个薄层或者薄板的形式将外皮施加于所述生坯基质，所述原料混合物在基质烧制温度下转化为烧结的陶瓷外皮。由此，在单独的烧制步骤中，通过烧制将所述生坯基质转化为坚固的陶瓷基质，将所述糊料或浆液涂层转化为围绕所述基质的侧面周边的无裂纹的耐破碎的陶瓷外皮。图1显示了涂覆过的蜂窝体基材10的示意图，此图并非按照真实比例绘制，其中所述蜂窝体基材10包括圆柱体蜂窝体基质12，该圆柱体蜂窝体基质12具有外表面13，该外表面13上施涂有包括薄板或薄层14a，14b，14c的陶瓷外皮14。蜂窝体通道，例如基材10的通道16平行于基质12的中心轴12a。

根据本发明所述的方法对用来提供蜂窝体外皮的膜、糊料或浆液中结合的陶瓷原料的比例进行选择，以确保与不同过滤器基质材料的相容性。选择其它的组分以确保施涂的涂层的强度和粘着性以及/或者调节烧制的涂层的热膨胀性质，从而与基质的热膨胀性质相匹配。对于由粘土、滑石和氧化铝按照能够在烧制的时候转化为堇青石陶瓷的比例形成的干燥的生坯蜂窝体基质，例如，所述涂料组合物可以包含以下组分的混合物：滑石、粘土、二氧化硅和氧化铝，它们与有机粘合剂和介质组分合并，所述有机粘合剂包括例如甲基纤维素和/或聚环氧乙烷粘合剂，所述介质组分包括例如水。将所得的混合物施涂于未烧制的基质的侧表面，形成涂层，并且与基质在大约1400℃的温度共同烧制，从而将基质和涂层都转化为堇青石。

为了减少根据本发明所述的方法施涂的涂层或外皮中的外皮裂纹以及其他缺陷的目的，所述外皮由薄层或薄板形成。这些方法的实施方式包括以下情况：其中施涂用于固化的各个薄层或薄板的厚度小于2.5毫米，例如各个层的厚度大于或等于0.1毫米，且小于或等于1毫米。可以使用其中涂料为陶瓷或形成陶瓷的组分的浆液或糊料的实施方式，例如其中使用陶瓷或形成陶瓷的组分的可起泡(formable)混合物，甚至带状铸造(tape-cast)片材的情况，由此可以提供改进的结果。

虽然以上描述的涂料都是用来制造本发明所述的改进的蜂窝体产品，但是其中涂料为浆液、所述材料层的至少一层通过以喷流或喷涂浆液的形式施涂在蜂窝体上的方法特别适合用于商业生产。本发明这些方法的一些实施方式包括以下情况：在施涂至少一个涂料层的同时，使得蜂窝体围绕轴旋转。本发明还包括以下的实施方式，其中在所述涂料层的至少一层发生固化的时候，例如通过加热来固化以使其干燥或结合于主体的时候，所述蜂窝体围绕轴旋转。因此以下的描述具体针对这些实施方式，但是本文所述的方法不仅限于此。

如上所述，本发明的方法大体包括通过在蜂窝体基质上施涂涂料制剂的多个薄层或薄板，从而形成外皮。出于这个原因，虽然可以根据选择用来形成所述层的组成、粘度和/或塑性，采用各种方法来施涂薄板层，但是在基质上喷涂或喷流(cascade)浆液化的涂料制剂的方式能够很方便地提供所需的薄板。可以通过喷涂和/或喷流实现的合适的薄板层厚度为0.1-1毫米，但是如果需要的话，可以制得更厚的层，例如最高2.5毫米。

如上文所述，其它的涂覆方法包括在外部基质表面上施涂由带状铸造涂料形成的塑化薄片或者起泡的涂料制剂的喷涂层。对于塑性带施涂，具体来说，可以通过在施涂带材之前对基质进行预热或预先润湿，从而改进层与蜂窝体基质表面的粘着性。

在包括对基质表面喷涂多个薄涂层的所述方法的实施方式中，通常在施涂另外的一个或多个层之前，对施涂的一个或多个层进行部分或完全的干燥。合适的干燥方法包括以下的方式或者它们的组合：红外加热、微波加热和流动的热空气。所述方法的优点可以包括(i)减少干燥裂纹，(ii)减少表面破碎之类的其他涂层缺陷，(iii)外皮材料利用获得改进，(v)改进外皮和基质之间的粘着性，和/或(vi)改进产品的外观。

在施涂另外的层之前对各个层进行干燥，可以特别有效地防止在干燥或烧制过程中使得层叠的涂层出现裂纹。例如可以通过以下方式适当地对薄的糊料层或浆液层进行干燥：热空气枪、红外辐射和/或射频或微波加热。红外辐射干燥可以特别有效地用来使得薄的喷涂层快速干燥。

图2显示了适合用来通过喷涂法，将薄板层施涂于蜂窝体基质的设备的示意图。如图2所示，设备20包括用来支承水平相对的轴杆24a和24b的支承框22，这些轴杆设置用来与圆柱体蜂窝体基质12接触并为其提供支承，使其在设备内旋转。当基质12设置在设备20中时，所述基质12按照图中所示取向，使得蜂窝体通道16和基质的中轴12a与轴杆水平对齐，当电动马达26激活时，轴杆24a可以控制基质12绕轴12a旋转，例如沿箭头25的方向旋转。

框架22还支承了一个或多个喷涂头28，这些喷涂头设置成在基质围绕其轴12a旋转的同时，对基质12的侧表面均匀地沉积浆液化的涂料制剂。最后，框架22还可以支承加热元件，例如红外辐射源30。后一种源设置用来对基质12的侧表面进行直接辐射，对通过喷涂头28沉积于该表面上的涂料进行干燥。

在用来沉积一系列薄涂层中的一个涂层的操作中，基质12可以围绕轴12a旋转360°或者更多，同时通过精确喷涂头对基质施涂浆液薄板。当浆液提供较厚的层的时候，可以仅仅在干燥之前进行一次旋转。当施涂的层是施涂于基质的第一层的时候，可以例如使用海绵、刷子或刮刀在基质上铺展该层并且对该层进行平整化，从而填充所述基质表面内的任何开放通道或者类似的大的凹陷。

在施涂各个涂层的时候，或者施涂之后，启动所述红外辐射源，使得由此形成的湿的涂层至少部分地干燥，然后施涂另外的湿的涂层。如果需要的话，可以在沉积的过程中，或者在所有的薄层都已经沉积之后，进行另外的基质旋转，以用于额外的加热和干燥。当通过喷流涂覆浆液来施涂涂层的时候，可以用受控的释放浆液容器简单地代替喷涂头28。

图3a和3b显示了对图2所示的由蜂窝体基质12组成的蜂窝体施涂的湿的涂层进行同时的施涂和部分干燥的示例性方法的示意图。图3a显示了在对基质的侧表面13施涂薄涂层14b的过程中，蜂窝体基质12的端面示意图(在此具体实施例中，尽管对于所有将要施涂的层来说，该方法可以是相同的，但是可在之前施涂并干燥的薄涂层14a上进行施涂)。

为了施涂薄涂层，例如层14b，在将一部分的层14b沉积在外表面13的第一部分上的同时，使得基质12沿着箭头A所示的方向，围绕旋转纵轴12a旋转通过第一弧度。沉积操作是由精确喷头28提供涂料的形式。图3a中用箭头A的长度通常表示旋转的第一弧度的大小，以及在此步骤中所得的那部分涂覆的外表面13的尺寸。

下面来看图3b，在涂层14b的第一部分涂覆外表面13的第一部分之后，用涂层14b的第二部分覆盖外表面13的另一部分。这次还是由精确喷涂头28进行沉积，并且是在基质12绕轴12a旋转第二旋转弧度的长度的同时进行的。图3b中用箭头B的长度表示旋转的第二弧度的大小，以及在此步骤中涂覆的外表面13的另外部分的尺寸。

在如图3b的箭头B所示，在外表面13的一部分上沉积涂层14b的第二部分的同时，对图3b中的箭头A表示的外表面13的第一部分上设置的涂层14b的第一部分进行加热。加热是采用红外辐射源30进行的，使得设置在外表面13的第一部分上的层14b的该部分至少部分地干燥。可以继续以此种方式旋转通过之后的弧度，直至通过喷涂在外表面13上完成完全的涂覆，并且获得干燥的涂层14b，任选可以以类似的方式施涂另外的涂层。

可以以大量不同的方式来实施图3a和3b所示的蜂窝体的同时涂覆和干燥，可以根据涂料配方的变化以及热源的效率和将要从涂料中除去的液相材料的量来选择方法。这些方法的具体实施方式包括第一旋转弧度小于360°，例如如图所示约为90°的情况。尽管没有要求，但是如图3a和3b所示，外表面13的待涂覆的第一部分和第二部分是彼此相邻的，因此待涂覆的薄涂层的第一部分和第二部分也是彼此相邻的。同时进行施涂和干燥步骤的具体实施方式的其他的例子包括第一旋转弧度为180°的情况，以及所述第一弧度和第二弧度之和为360°的情况。

具体来说，在一些实施方式中，在沉积另外的层之前，中断涂料的施涂，以便对施涂的涂层进行干燥，在多个薄层之一的喷涂过程中，所述蜂窝体经常围绕纵轴旋转超过360°。例如，当转速很高以及/或者喷涂的浆液层非常薄的情况下，所述蜂窝体可以绕着纵轴旋转至少约540°。

从附图和以上的描述可以很明显地看出，在蜂窝体外表面上喷涂涂料的操作并不一定使用两个精确喷涂头进行，包括以各种喷涂角度进行操作的多个喷涂头。可以对设备以及所选喷涂设备的操作模式进行编程，以便于对具有各种尺寸和蜂窝体基质组成的具体的蜂窝体进行涂覆。

通过以下实施例进一步说明了本发明的方法，这些实施例仅仅是说明性的，而非限制性的。

实施例

根据以下步骤制造了结合有蜂窝体基质以及平整的(smooth)基本无缺陷的陶瓷外皮的陶瓷蜂窝体产品，所述基质和外皮都是堇青石组合物。首先提供了直径约为30厘米、长度约为25厘米的圆形圆柱体蜂窝体基质，该基质包括沿着平行于该圆柱体几何旋转轴的方向对齐的蜂窝体通道。该基质是通过以下方式制造的：由包含能够在烧制的时候反应得到反应烧结的堇青石蜂窝体结构的比例的粘土、滑石和氧化铝的组合物形挤出形成干燥的生坯蜂窝体成形体。

首先对所述蜂窝体成形体进行表面研磨，以除去多余的表面材料，直到制得具有上文所述直径的基质。然后提供用于对该基质施涂多层涂层的涂料浆液。所述涂料浆液的组成包含以下组分的混合物：干燥无机粉末、甲基纤维素粘合剂和水介质。所述无机粉末混合物包含11.7重量份的水合高岭土、40.6重量份的滑石、18.6重量份的水合氧化铝、14.7重量份的煅烧氧化铝以及14.4重量份的二氧化硅粉末。所述浆液通过以下方式制备：将所述无机粉末组分与1重量份的甲基纤维素粘合剂充分混和，然后加入去离子水，直至获得粘度约为20帕·秒的可喷涂的流体稠度。所述粉末的粒度保持在约小于400目，例如平均粒度约为38微米，以改进喷涂特性。

然后使用喷枪将此浆液喷涂在所述蜂窝体基质的圆柱形外表面上，所述喷枪使用压缩空气作为助推剂，在100psi的空气压力下进行喷涂。一般来说，30-200psi的空气压力以及5-30帕·秒的浆液粘度可以等效地用于该目的。

首先如上文所述施涂初始的涂料浆液层，然后通过用6千瓦的辐射源施加1.5分钟的辐照，使得施涂的层干燥。该加热操作能够从涂层中有效地除去大约70％的游离水。干燥的涂层的厚度约为0.5毫米。

根据施涂的涂层的厚度以及其它的因素，还可以采用具有较高或较低的功率的IR辐射，例如3-25千瓦的辐射来进行干燥。影响干燥时间的其他因素包括进行涂覆的基质的尺寸(直径和长度)，涂料中包含的介质的量，以及进行加热的涂层的具体组成。

在此干燥处理之后，采用相同的喷涂和红外加热步骤施涂第二涂层并进行干燥。所得的层叠涂层的平均厚度约为1毫米。通过此种方法沉积两个到四个涂层，这些涂层各自的厚度约为0.5毫米，提供了几乎没有干裂纹或者没有干裂纹的干燥粘着涂层。

从以上的描述和实施例可以很明显地看出，所述方法可以用于很宽范围地蜂窝体构型和组成，可以很容易地用于例如在目前用于过滤或以其它的方式处理燃烧发动机废气、从而由其中除去固体和/或气体污染物地地任意蜂窝体产品上制造平滑的、附着的并且大体无缺陷的层状涂层或外皮。通过将涂层的烧制与支承蜂窝体的烧制同时进行可以提供高度耐久性的涂覆的蜂窝体产品，同时简化生产工艺，降低总体生产成本。本领域普通技术人员可以在不背离所附权利要求书的精神和范围的前提下采用本文所述的具体方法的这些和其它的改良和改变。

Claims (7)

1.一种对生坯蜂窝体的外表面施涂陶瓷涂层的方法，所述方法包括

对所述生坯蜂窝体的外表面施涂包含陶瓷或形成陶瓷的组分的第一涂料层，以及

在所述第一涂料层顶上施涂至少一层包含陶瓷或形成陶瓷的组分的另外的涂料层；

其中，在施涂所述另外的涂料层之前，使得所述第一涂料层的至少一部分进行至少部分的固化；

所述涂料层的至少一层是通过将浆液喷流或喷涂到所述生坯蜂窝体的外表面上的方式施涂的；

在施涂至少一个涂料层的同时，使得所述生坯蜂窝体围绕轴旋转；

在使得至少一个涂料层固化的同时，使得所述生坯蜂窝体围绕轴旋转。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少部分的固化包括使得所述第一涂料层的至少一部分暴露于红外辐射、微波辐射、对流加热或其组合。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少部分的固化包括干燥第一涂料层的至少一部分，以从该第一涂料层中除去液体组分。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述干燥包括使得所述第一涂料层的至少一部分暴露于红外辐射、微波辐射、对流加热或其组合。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，施涂用于固化的每个层的厚度小于2.5毫米。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，施涂用于固化的各个层的厚度大于或等于0.1毫米，且小于或等于1毫米。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂料选自:陶瓷或形成陶瓷的组分的浆液,陶瓷或形成陶瓷的组分的糊料。