CN102748108B - 纸质的高强度后处理载体单元的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纸质的高强度后处理载体单元，其特征在于：以长度为L=4000~9000mm，宽度为D1=150~500mm，厚度为d3=0.5~5mm的无机纤维耐热强化纸的滤片为基片，在其上缝制有两条直径为D2=1~10mm呈正弦的强化耐热纤维纸的绳，把纤维纸滤片平铺，喷涂强化液一次，用压缩空气吹扫纸的两面，去除多余的液体，采用50~80℃的热风枪吹干；将强化液处理后的滤片卷绕制备成载体单元，装入壳体。其不论进口端或出口端都分布许多个均匀的契型缓冲空间，在不降低过滤效果的情况下降低背压，延长更换和维修间隔，因此，作为后处理载体，该产品可以用作DOC、POC、DPF和SCR的载体，具有一定的实际意义和较高的实用价值。

Description

纸质的高强度后处理载体单元的制备方法

技术领域

本发明涉及一种纸质的高强度后处理载体单元的制备方法，应用于汽车尾气的DOC、SCR或POC后处理行业。

背景技术

当前，全球面临能源和环境的综合挑战。在传统汽车的排放达标的技术手段选择方面，人们仍然面临不少的难题，例如，如何选择后处理的载体和催化剂等方面。

面对环保法规的日益严格，对微粒的限制越来越严格，从PM2.5~PM10的颗粒物的存在引起社会的广泛的重视；PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物，它的直径还不到人的头发丝粗细的1/20；同理，PM10指直径大于2.5微米、等于或小于10微米，可以进入人的呼吸系统的颗粒物；对于如何处理这些微粒，国外的技术措施是采用DPF过滤器；DPF过滤器可以直接滤除90%的颗粒物，包括上述两种微粒；但是DPF的价格昂贵，推广使用的难度较大。因此，具备这种功能的载体的开发意义重大。

整体上来讲，后处理载体是构成车用后处理平台的关键因素，截止到目前为止，在后处理载体方面绝大多数是进口的陶瓷载体，这种陶瓷载体的机械强度稍差，不太适应于中国的实际情况；同样，一些特殊结构的成熟的金属载体也是被国外的技术和专利垄断，成为制约中国后处理产业发展的关键因素。

因此，如何获得低成本和高性能的后处理载体一直是推进该领域技术进步的核心内容。

根据车用后处理器的使用工况，以及对载体的综合技术要求，金属蜂窝、金属泡沫、金属丝网、金属纤维和无机纤维也是载体材料的不错的选项。

后处理所用的陶瓷载体，通常都是采用专用的金属陶瓷的3M衬垫‘包括’住载体，并把载体和壳体封装固定在一起，满足车辆的冷态和热态的抗振动要求，但是，一方面材料的成本较高，另一方面封装必须采用机器人生产线，影响产品的竞争力。

而上述所用的金属载体单元，在封装时就不使用这种金属陶瓷的3M衬垫。这里，并不是说金属材质的载体的封装就没有一点问题，相反，要满足车辆的冷态和热态的抗振动要求也必须采取多种技术措施；例如，可以把柱状的金属材质的载体整体在真空钎焊炉内进行钎焊处理，此工艺，虽然能很好的解决载体单元的强度问题，但是，设备成本和生产工艺的成本高昂，也完全不符合低碳节能环保的绿色工艺过程的特点；也可以把柱状的金属材质的载体两端加装支撑结构，也可以在柱状的金属材质的载体之间‘横穿加强筋’等等，这些措施都改变了载体的最基本的气流场的分布均匀性，结果是‘局部受力不均’，在通过GB或HJ振动试验时产生位移等形式的损害。

同样，市场上已经有各类金属丝网结构的金属载体出现，但是，对这类样件在规定的500~1000h的台架老化试验中存在不同程度的堵塞问题，实测样件的背压指标检测大于15kPa，最高达到23kPa，背压较高时将导致车辆燃油经济性变差，出现这些堵塞问题的原因归结到底是这类载体的宏观结果和微观结构的匹配存在问题，也就是在增加过滤面积（滤床体积）的同时应该优化气流通道；

在中国专利信息平台，以‘后处理载体封装’、‘后处理壳体封装’和‘壳体封装’进行检索，申请(专利)号为CN201010522911.2的‘一种尾气净化用金属载体及其加工方法’的专利是卷绕而成的波片和平片通过耐高温的黏胶连接的方法；申请(专利)号为CN200510024944.3的‘汽车尾气净化器催化剂金属载体及其制备方法’的专利是泡沫金属的结构；申请(专利)号为CN200910262284.0的‘尾气净化器用金属载体’的专利是一种多层交替叠合的U型平板及U型波形板构成；申请(专利)号为CN200910177855.0的‘一种耐高温的金属载体’的专利是外壳内壁涂布镍基钎焊粉及粘结剂进行高温焊接制作金属载体；申请(专利)号为CN201110048031.0的‘一种用于固定源尾气脱硝的蜂窝状金属丝网催化剂及制备’的专利是蜂窝状金属载体的催化剂的制备；申请(专利)号为CN98125354.7的‘催化剂用金属载体’的专利是具有一个呈圆筒形并含有多个沿轴线方向延伸的通气孔的蜂窝状结构体；申请(专利)号为CN200710010359.7的‘一种具有氧化铝涂层的蜂窝状金属丝网载体及其制备方法’的专利是将多个平板状和多个瓦楞状金属丝网加工制成带有涂层的蜂窝状金属丝网载体；申请(专利)号为CN200720088652.0的‘机动车三元催化净化器金属载体的波纹带及其金属载体’的专利是由多层波纹带与平板带的叠合层卷制焊接成的蜂窝状柱体；申请(专利)号为CN201020206068.2的‘孔网式催化转化器’的专利是由孔网式金属载体是由多条金属波纹网带交叉重叠或由多条金属波纹网带与金属平板网带交叉重叠组成；申请(专利)号为CN201020532458.9的‘一种摩托车的尾气净化金属载体’的专利是多个呈直通孔状结构的过滤孔，过滤孔内间隔设置有若干起阻流作用的径向波纹的蜂窝载体；分析认为上述专利于本发明没有近似性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纸质的高强度后处理载体单元的制备方法，其对现有的后处理载体的性能和结构进行了优化，降低了堵塞的风险，增加了振动试验和背压试验通过的几率，具备实用性和先进性。

本发明的技术方案是这样实现的：一种纸质的高强度后处理载体单元的制备方法，其特征在于：以长度为L=4000~9000mm，宽度为D1=150~500mm，厚度为d3=0.5~5mm的无机纤维耐热强化纸的滤片为基片，在其上缝制有两条以上直径为D2 =1~10mm呈正弦的强化耐热纤维纸的绳，把纤维纸滤片平铺，喷涂强化液一次，用压缩空气吹扫纸的两面，去除多余的液体，采用50~80℃的热风枪吹干；将强化液处理后的滤片卷绕制备成载体单元，装入壳体。

所述的无机纤维耐热强化纸的滤片上缝制的可以是纤维纸的纸板，采用工业缝纫机和碳纤维线缝制，碳纤维线的规格1K~6K，K代表1000 根碳纤维单丝组合而成的束丝。

所述的纤维纸的绳分布由D来控制，D=（1/100~1/600）×L。

所述的强化液按重量份数采用35份的工业球粘土、10份的工业酒精、54.9份的去离子水以及0.1份的工业的氧化镁混合，经过球磨30min，成为一种胶体悬浮液体。

所述的壳体采用厚度为1.5mm的SUS304不锈钢。

所述的滤片上缝制的纤维纸的绳为两条以上，或以非正弦形状的其它形状分布在纤维纸滤片上。

本发明的积极效果是通过卷绕前的滤片进行微观结构的优化，发明了金属绳支撑的‘滤片单元’，在载体宏观规整的前提下，营造围观的不规整，使卷绕后的载体存在丰富的‘契型空间’，增加了气体滤过的面积，减少了被堵塞可能，在使用中具有积极意义。

附图说明

图1滤片切割的示意图

图2滤片卷绕前的叠放示意图

图3是本发明卷绕后的样件示意图

的附图。

具体实施方式：

下面通过实施例对本发明进一步描述，实施例为进一步阐明本发明的特点，不等同于限制本发明，对于本领域的技术人员依照本发明进行的更改，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例1

取d3=0.5mm的硅酸铝纤维纸，长度L=6000mm，宽度D1=300mm作为滤片；沿长度方向划出中心线，取D=1/300×L=20mm，即在每20mm的间隔长度上分布一个正弦线，一边共分布300条正弦线，两组共计600条正弦线，采用市售的3K碳纤维细线，利用工业缝纫机在中心线的两侧分别缝制两条直径1.5mm耐热纤维线绳，使滤片和纤维纸绳成为一体；消耗纤维纸绳约400000mm，剪掉多余的耐热纤维绳，完成滤片的制作；

实施例2

采用35份的工业球粘土、10份的工业酒精、54.5份的去离子水以及0.5份的工业的氧化镁混合物组成液体，经过球磨30min，成为一种胶体悬浮液体；把实施例1的纤维纸滤片平铺，采用喷枪喷涂上述强化液体一次，用压缩空气吹扫纸的两面，去除多余的液体；采用50~80℃的热风枪从一端到另一端均匀的吹干；测量单位面积上喷涂前后的增重为975g/m2。

实施例3

把缝制后并喷涂强化液体的滤片的沿一端手工卷绕，制成圆柱体壮的车用纸质的尾气后处理用载体单元的芯；

实施例4

采用厚度为1.5mm的SUS304不锈钢板作为壳体板，氩弧焊接制备出内径为300mm，高度为340mm筒状壳体，在实施例3制备的载体芯入壳之前，采用实施例2制备的强化液体均匀的涂抹载体芯的外部，然后入壳，两端各用齿板挡条焊接固定；再移入高温炉中200℃温度下保温2h，冷却到室温，完成了后处理载体单元的制备；

按照GB/T 18377-2001《汽油车用催化转化器的技术要求和试验方法》规定的试验方法和设备，采用型号为FAW-DHX-03的载体和后处理器的轴向位移试验台，把实施例中所制备的载体轴向放置于试验台上，压头直径200mm，压头作用力10KN，测量试验后载体的位移为0，气孔无压溃和破坏的现象。

实施例5

滤片的材料是经过强化的无机纤维纸，这种材料在市场上作为普通的商品很容易获得，同样碳纤维线和纤维纸绳也有商品供应，例如，这些市售的无机耐热纤维纸的材质都是无机氧化铝纤维或硅酸铝纤维以及钛酸铝纤维；本发明的耐高温纸采购商品化的硅酸铝纤维纸，牌号为GLGW-83，厚度d3=0.3~5mm，宽度为300mm，成卷的纸，长度不限，体积密度为210kg/m³；

滤片的D1=150~500mm，L=4000~9000mm，以及厚度为d3=0.3~5mm是考虑到本发明所形成的产品可以覆盖从轻型车到重型车的完整产品线；

同样，本发明的一种纸质的尾气后处理用载体单元，为提高载体的强度，卷绕前首先对滤片上的正弦线分布的纤维纸绳进行缝制，由于这种耐热纤维纸强化之前是柔软的纸状，因此缝制是采用工业缝纫机完成操作，进行缝制的目的是增强载体的整体强度，避免发动机热气流的吹扫对载体局部和整体的影响；缝纫时采用工业的碳纤维细线，这种细线的强度达到2~7GPa，可以承受1000℃以上的温度环境，完全可以满足车载后处理工作条件，碳纤维细线相应的工业商品的规格为1K~320K（K代表1000 根碳纤维单丝组合而成的束丝），本发明使用的1~6K的碳纤维线，尽管这种碳纤维线价格较高，但是在本发明中的使用量很少，相应的对成本的影响也就较小；

本发明所述的纤维纸绳直径为D2=1~10mm，或是宽度和高度均为D2=1~10mm的折叠成窄条的纤维纸板，完成缝制后使片层之间结合在一起，使之成为规整的滤片；所采用的纤维绳或纤维纸板，以一定现状分布在两个纤维纸滤片的之间，即起到支撑的作用，借助于它的作用，在滤片之间形成微隙，这些微隙可以让尾气的气流通过，但是由于不是直通孔，滤片就把尾气中的PM截留下来，在滤片上的催化剂的作用下被除去；为保证载体单元的强度，本发明的纤维绳的摆放是正弦分布，有时，在张紧力的作用下也可能变成不完全正弦的类似正弦形状，当然，也可以是其它尖角分布的形状，这在本领域的技术人员都可以实现，如图1所示；纤维绳的直径选为D2=1~10mm，当D2太小时，在卷制压力的作用下，微隙可能太小，甚至消失；相反，当D2过大时，微隙的空间足够大，但是使整个载体的有效过滤体积（面积）缩小，无法实现最佳效果，特备是对于纤维纸这种滤片，D2过大时载体整体径向和轴向的强度将会降低；一般情况下，D2直径较小可以制备过滤隙较小的精细载体单元，相反，D2较大时可以制备过滤隙较大的一般精度的载体单元；本发明的绳不能采用其它的‘实心’的金属丝替代；

纤维绳的分布由D的大小来控制，本发明的D=（1/100~1/600）×L，其中，当D过大时，即正弦线分布过少，例如，如果仅仅分布3~4个正弦形状，环绕后很难形成均匀的契型气隙，因此，本发明的D最大为长度L的1/100=60mm，即当长度L为6000mm时，起码分布100个契型气隙，起到气流分布的均化作用，反之，如果当D过小，即正弦线分布过多，例如多余600个以上的正弦线，不仅生产工艺复杂，效率低下，可能会大大增加载体的质量，影响成本；

本发明的载体所用的滤片是采用了强化技术，其本质是采用35份的工业球粘土、10份的工业酒精、54.9份的去离子水以及0.1份的工业的氧化镁混合物组成强化液体，经过球磨30min，成为一种胶体悬浮液体；工业球粘土是一种优质的无机粘结剂，能在水中进行良好的分散，加入氧化镁之后使纤维纸的机械强度提高4倍，而加入酒精的目的是改善该强化液体在纤维纸上的润湿和铺展效果，球磨的目的是使大的球粘土颗粒细化；把纤维纸滤片平铺，喷枪喷涂该液体一次，用压缩空气吹扫纸的两面，去除多余的液体；采用50~80℃的热风枪从一端到另一端吹干；采用这种物理和化学的增强技术，在保持纤维纸多孔特性等优点的前提下，使纤维内部的丝和丝之间交联的部位粘接为一体，使碳纤维线和纤维纸更好地结合为一体，因此，提高滤片纸的机械强度，满足后处理器的应用条件；把缝制后并喷涂强化液体的滤片一端开始卷绕，制成车用纸质的尾气后处理用载体单元芯；

本发明的载体芯采用厚度为1.5mm的SUS304不锈钢壳体封装成载体单元；

为了保证载体的金属壳体和载体单元芯之间的结合强度，本发明的做法是当载体芯入壳前，在载体芯的外部涂抹上述强化液体，然后入壳封装焊接，焊接完成后，把样件放入烘箱内，200℃温度下保温2h即可完成固化；

按照本发明制作的载体单元，这样，不论进口端或出口端都分布许多个均匀分布的契型缓冲空间，尾气只能通过滤片的本体进行过滤，不存在直通孔隙，该结构在不降低过滤效果的情况下降低背压，延长更换和维修间隔，因此，作为后处理载体，该产品可以用作DOC、POC和SCR的载体；

本发明的一种纸质的高强度后处理载体单元，根据实际车辆发动机的实际排量，从轻型车到重型车，后处理器载体的体积为3~40L之间。

Claims (5)

1.一种纸质的高强度后处理载体单元的制备方法，其特征在于：以长度为L=4000~9000mm，宽度为D1=150~500mm，厚度为d3=0.5~5mm的无机纤维耐热强化纸的滤片为基片，在其上缝制有两条以上直径为D2 =1~10mm呈正弦的强化耐热纤维纸绳或纤维纸板，把无机纤维耐热强化纸的滤片平铺，喷涂强化液一次，用压缩空气吹扫纸的两面，去除多余的液体，采用50~80℃的热风枪吹干；将强化液处理后的无机纤维耐热强化纸的滤片卷绕制备成载体单元，装入壳体。

2.根据权利要求1所述的一种纸质的高强度后处理载体单元的制备方法，其特征在于所述的无机纤维耐热强化纸的滤片上缝制的纤维纸板，采用工业缝纫机和碳纤维线缝制，碳纤维线的规格1K~6K，K代表1000 根碳纤维单丝组合而成的束丝。

3.根据权利要求1所述的一种纸质的高强度后处理载体单元的制备方法，其特征在于所述的纤维纸绳分布由纤维纸绳的直径D来控制，D=（1/100~1/600）×L，D为一个正弦对应的滤片长度方向上的长度。

4.根据权利要求1所述的一种纸质的高强度后处理载体单元的制备方法，其特征在于所述的强化液按重量份数采用35份的工业球粘土、10份的工业酒精、54.9份的去离子水以及0.1份的工业的氧化镁混合，经过球磨30min，成为一种胶体悬浮液体。

5.根据权利要求1所述的一种纸质的高强度后处理载体单元的制备方法，其特征在于所述的壳体采用厚度为1.5mm的SUS304不锈钢。