CN104727903A - 一种陶瓷纤维密封衬垫及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷纤维密封衬垫及其制备方法，属于机动车尾气后处理技术领域。方案一：一种陶瓷纤维密封衬垫，所述衬垫由硅烷偶联剂处理后的陶瓷纤维，未经化学处理的陶瓷纤维，膨胀材料，粘合剂、填料和添加剂制成，其中硅烷偶联剂处理后的陶瓷纤维的重量份数为0～99，未经化学处理的陶瓷纤维的重量份数为0～99，膨胀材料的重量份数为0～60，粘合剂的重量份数为1～15，填料的重量份数为0～5，添加剂的重量份数为0～5；方案二：步骤一、配浆；步骤二、抄网成型；步骤三、干燥；步骤四、切割成型。本发明用于机动车尾气后处理。

Description

一种陶瓷纤维密封衬垫及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷纤维密封衬垫及其制备方法，属于机动车尾气后处理技术领域。

背景技术

汽车三元催化器、柴油机氧化催化转化装置、柴油机选择性催化还原装置和柴油机颗粒过滤器等污染控制装置被广泛应用于机动车尾气后处理领域，对内燃机排出的废气进行处理，使之达到合格的排放标准，以控制大气污染。这些装置一般都包括一个或多个污染控制单元，每个单元中包含陶瓷载体、金属壳体、密封衬垫。

由于陶瓷载体的热膨胀系数比作为其容器的金属壳体低10倍左右，高温下两者间隙增大。密封衬垫在常温与高温下均具有足够的膨胀性能，足以补偿载体与壳体之间的扩大间隙，在整个工作温度区间内起到固定、减震、密封、隔热、消音的作用。陶瓷载体具有硬、脆、易碎裂的特点，若载体碎裂则污染控制单元即失效。密封衬垫不能提供均匀的膨胀力是导致载体碎裂的重要原因之一，因此对衬垫中膨胀性材料的分散性、密封衬垫整体的均匀性提出了要求。由于机动车需要在运行与熄火两种工况交替运行，污染控制单元的温度也随之在常温与高温之间交替，载体与壳体之间的间隙也随之扩大与缩小，对密封衬垫的机械耐久性提出了要求。密封衬垫的边缘暴露在高温尾气气流中，对密封衬垫的耐吹蚀性能提出了要求。

公开号为CN102421598A的中国专利公布了一种无机纤维与聚合物纤维复合的密封衬垫，该衬垫具有良好的柔性，但由于其中含有的聚合物纤维在高温下烧失，该产品并不具备良好的机械耐久性和耐吹蚀性能；公开号为CN101755024B的中国专利公布了一种表面涂覆压敏胶的无机纤维密封衬垫，公开号为CN101772626A的中国专利公布了一种使用热活化粘合剂的无机纤维密封衬垫，公开号为CN101331255B的中国专利公布了一种干法制作长、短无机纤维混合物密封衬垫的工艺，上述三种产品并不具有良好的机械耐久性和耐吹蚀性能；公开号为CN100478169C的中国专利公布了一种由膨胀性能不同的两层无机纤维衬垫组合构成的复合型密封衬垫及其制造方法，公开号为CN101115688B的中国专利公布了一种由生物可溶性无机纤维和经过热处理的无机纤维复合的密封衬垫及其制备工艺，公开号为CN1806101A的中国专利公布了一种具有溶胶-凝胶法制备的陶瓷纤维纤维层与硅酸镁铝玻璃纤维层复合结构的密封衬垫，这三种方法制备的密封衬垫拥有稳定的机械耐久性，但原材料成本很高；公开号为CN1128923C的中国专利公布了一种退火陶瓷纤维与陶瓷多晶纤维混合物组成的密封衬垫，具有良好的耐吹蚀性能，但原材料成本很高。综述，上述几种密封衬垫虽然拥有良好的性能，然而由于其使用的材料和工艺，生产成本居高不下。公开号为CN101900020B的中国专利公布了一种挤压成型的复合型密封衬垫，包含石墨-无机纤维复合层与蛭石-无机纤维复合层，但石墨的引入会导致密封衬垫隔热性能的下降，该产品已被市场淘汰；公开号为CN102877918A的中国专利公布了一种使用金属纤维的密封衬垫，但金属纤维的隔热性能太差，不能应用于实际；公开号为CN102465740A的中国专利公布了一种使用干法挤面皮工艺制作的无机纤维密封衬垫，公开号为CN100554658C和CN101260822B的中国专利公布了真空抽滤、复合成型的密封衬垫，三者的共同特点是密封衬垫不均匀性大，在实际应用中极易造成载碎裂失效。除此之外，国内厂家的产品对密封衬垫的机械耐久性和耐吹蚀性能缺乏理解和关注，导致国产密封衬垫性能长时间落后于世界先进水平。

发明内容

本发明为了上述解决问题，进而提供了一种陶瓷纤维密封衬垫及其制备方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：方案一：一种陶瓷纤维密封衬垫，其特征在于：所述衬垫由硅烷偶联剂处理后的陶瓷纤维，未经化学处理的陶瓷纤维，膨胀材料，粘合剂、填料和添加剂制成，其中硅烷偶联剂处理后的陶瓷纤维的重量份数为0～99，未经化学处理的陶瓷纤维的重量份数为0～99，膨胀材料的重量份数为0～60，粘合剂的重量份数为1～15，填料的重量份数为0～5，添加剂的重量份数为0～5；

方案二：所述方法包括如下步骤：步骤一、配浆：将定量的化学处理后的陶瓷纤维、未经化学处理的陶瓷纤维、膨胀材料、填料加入水中，加入分散剂，配成纤维浓度为3～6％的混合物，再加入消泡剂后，施加高速搅拌对浆料中的固体加以分散使其分布均匀，分散时间为2～30分钟，然后依次添加粘合剂和表面活性剂，在持续的低速搅拌下加入絮凝剂，使浆料中的纤维絮凝成团，膨胀材料与填料被包裹在纤维絮团中。膨胀材料和填料也可以在纤维絮凝之后再加入；

步骤二、抄网成型：将配好的浆料注入放置在真空箱内渗透性丝网之上的成型模具中，静置1-20秒，使浆料中各个纤维絮团之间充分交织，真空度为0.05～0.1MPa，使用压辊压制衬垫湿坯，除去模具，使用抄板将衬垫湿坯从渗透性丝网上取下；

步骤三、干燥：干燥方法为对流干燥或微波干燥或两者的结合；当仅使用对流干燥时，热干空气温度控制在60～120℃，干燥时间为1～12小时；当仅使用微波干燥时，微波频率在2450兆赫干燥时间为0.5～2小时；当对流干燥和微波干燥结合使用时，先利用对流干燥除去密封衬垫中的水分，再使用微波干燥重点对衬垫中心进行加热干燥，除去剩余的水分；

步骤四、切割成型：将干燥后的密封衬垫半成品进一步，按照实际要求的加工图纸，使用激光切割、冲压成型的加工方式制成成品。

本发明的有益效果是：本发明中的陶瓷纤维密封衬垫，使用化学处理后的陶瓷纤维与未经化学处理的陶瓷纤维的混合物作为密封衬垫的骨架材料，与同类产品相比具有更强的机械耐久性能和耐吹蚀性能，且具有原材料成本低的优点。使用新型湿法抄网工艺步骤，不仅使膨胀材料更均匀的分布在无机纤维骨架中，也提高了密封衬垫整体成型的均匀度。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式以下结合具体实施例对本发明做进一步描述和说明。

所述衬垫由硅烷偶联剂处理后的陶瓷纤维，未经化学处理的陶瓷纤维，膨胀材料，粘合剂、填料和添加剂制成，其中硅烷偶联剂处理后的陶瓷纤维的重量份数为0～99，未经化学处理的陶瓷纤维的重量份数为0～99，膨胀材料的重量份数为0～60，粘合剂的重量份数为1～15，填料的重量份数为0～5，添加剂的重量份数为0～5。

膨胀材料包括未膨胀蛭石、可膨胀石墨或上述二者的混合物。

粘合剂包括有机粘合剂和无机粘合剂，其中有机粘合剂包括改性淀粉、羧甲基纤维素钠、乙酸乙酯胶乳、丙烯酸胶乳、天然橡胶胶乳、丁苯胶乳和甲基丙烯酸酯胶乳，无机粘合剂包括硅酸钠、钠基膨润土、钙基膨润土、硅溶胶、铝溶胶、黏土或上述一种或多种成分的组合。

填料包括空心玻璃微珠、膨胀后蛭石、云母、珍珠岩或上述一种或多种成分的组合。

添加剂包括表面活性剂、消泡剂、絮凝剂、分散剂或上述一种或多种成分的组合。

具体实施方式二、硅烷偶联剂处理后的陶瓷纤维按如下步骤制成：步骤一、将硅烷偶联剂配成0.5～1％浓度的稀溶液；步骤二将待处理的陶瓷纤维浸渍在步骤一中的稀溶液中，时间为5～30分钟；步骤三、取出后在80～150℃下烘干备用。

具体实施方式三、所述方法包括如下步骤：步骤一、配浆：将定量的化学处理后的陶瓷纤维、未经化学处理的陶瓷纤维、膨胀材料、填料加入水中，加入分散剂，配成纤维浓度为3～6％的混合物，再加入消泡剂后，施加高速搅拌对浆料中的固体加以分散使其分布均匀，分散时间为2～30分钟，然后依次添加粘合剂和表面活性剂，在持续的低速搅拌下加入絮凝剂，使浆料中的纤维絮凝成团，膨胀材料与填料被包裹在纤维絮团中。膨胀材料和填料也可以在纤维絮凝之后再加入；

步骤二、抄网成型：将配好的浆料注入放置在真空箱内渗透性丝网之上的成型模具中，静置1-20秒，使浆料中各个纤维絮团之间充分交织，真空度为0.05～0.1MPa，使用压辊压制衬垫湿坯，除去模具，使用抄板将衬垫湿坯从渗透性丝网上取下；

步骤三、干燥：干燥方法为对流干燥或微波干燥或两者的结合；当仅使用对流干燥时，热干空气温度控制在60～120℃，干燥时间为1～12小时；当仅使用微波干燥时，微波频率在2450兆赫干燥时间为0.5～2小时；当对流干燥和微波干燥结合使用时，先利用对流干燥除去密封衬垫中的水分，再使用微波干燥重点对衬垫中心进行加热干燥，除去剩余的水分；

步骤四、切割成型：将干燥后的密封衬垫半成品进一步，按照实际要求的加工图纸，使用激光切割、冲压成型的加工方式制成成品。

具体实施方式四、化学处理陶瓷纤维的步骤如下：称取100g陶瓷纤维，其中含量Al₂O₃为55％，SiO₂和Al₂O₃含量为99％，纤维直径为5～8μm，纤维长度为1～20mm，使用除渣工艺除去陶瓷纤维中的渣球，至渣球含量低于5％质量分数。

在2000ml水中加入50g氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)溶液，搅拌水解10分钟。将上述陶瓷纤维全部进入硅烷偶联剂的水解液中，浸渍10分钟后取出，过滤，在80℃烘箱中烘干备用。

制备衬垫的方法如下：步骤一、配浆：称量经过化学处理的陶瓷纤维1830g、未改性的未膨胀蛭石2030g，一同加入80升水中，加入50ml浓硫酸(98％)作分散剂，20ml非离子型消泡剂，使用涡轮搅拌器以200转/分钟的转速分散5分钟。继续加入150g乙酸乙酯胶乳、50g硅酸钠为粘合剂，20ml非离子型表面活性剂。降低搅拌速度至60转/分钟，加入50g聚合氯化铝进行絮凝；

步骤二、抄网成型：将配好的浆料注入尺寸为1m×1m×6mm的模具，静置10秒后，利用真空箱以0.1MPa的真空度抽真空20秒成型。使用两道连续的压辊压制湿坯两次，压辊高度为6mm。除去模具，使用抄板将衬垫湿坯取下。

步骤三、干燥：使用120℃的热干空气对衬垫湿坯进行对流干燥。干燥时间为2小时。

步骤四、切割：使用数控激光切割机，将衬垫加工为所需形状的成品。制成的衬垫的密度为4110g/m²。

具体实施方式五、化学处理陶瓷纤维的步骤如下：称取100g陶瓷纤维，其中含量Al₂O₃为55％，SiO₂和Al₂O₃含量为99％，纤维直径为5～8μm，纤维长度为1～20mm，使用除渣工艺除去陶瓷纤维中的渣球，至渣球含量低于5％质量分数。

在2000ml水中加入50g氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)溶液，搅拌水解10分钟。将上述陶瓷纤维全部进入硅烷偶联剂的水解液中，浸渍10分钟后取出，过滤，在80℃烘箱中烘干备用。

称量未经化学处理的陶瓷纤维930g、经过化学处理的陶瓷纤维930g、未改性的未膨胀蛭石2000g，一同加入80升水中，加入50ml浓硫酸(98％)作分散剂，20ml非离子型消泡剂，使用涡轮搅拌器以180转/分钟的转速分散5分钟。继续加入180g改性淀粉、50g硅酸钠为粘合剂，20ml非离子型表面活性剂。降低搅拌速度至60转/分钟，加入50g聚合氯化铝进行絮凝。

之后的制备流程与具体实施方式四相同。制成的衬垫的密度为4070g/m²。

具体实施方式六、化学处理陶瓷纤维的步骤如下：称取100g陶瓷纤维，其中含量Al₂O₃为55％，SiO₂和Al₂O₃含量为99％，纤维直径为5～8μm，纤维长度为1～20mm，使用除渣工艺除去陶瓷纤维中的渣球，至渣球含量低于5％质量分数。

在2000ml水中加入50g氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)溶液，搅拌水解10分钟。将上述陶瓷纤维全部进入硅烷偶联剂的水解液中，浸渍10分钟后取出，过滤，在80℃烘箱中烘干备用。

称量未经化学处理的陶瓷纤维1850g、未改性的未膨胀蛭石2000g，一同加入80升水中，加入50ml浓硫酸(98％)作分散剂，20ml非离子型消泡剂，使用涡轮搅拌器以200转/分钟的转速分散10分钟。继续加入250g羧甲基纤维素钠为粘合剂，20ml非离子型表面活性剂。降低搅拌速度至60转/分钟，加入50g聚合硫酸铝进行絮凝。

之后的制备流程与具体实施方式四相同。制成的衬垫的密度为4090g/m²。

对比例一：

对比例1中的密封衬垫购自美国某公司，型号为Interam^TM 100，其厚度为6.05mm，面密度为4100g/mm²。

对具体实施方式四至六(分别定义为A、B、C号)和对比例1统一在同样条件下进行产品一致性分析，其结果见表1。

表1

对具体实施方式四至六和对比例1统一在同样条件下进行机械耐久性分析，其结果见表2。

表2

具体实施方式四至六和对比例1统一在同样条件下进行耐吹蚀性能测试，其结果见表3。

表3

通过表1所述一致性对比可知，使用本发明方法进行的实施例四至六中所述的密封衬垫产品在整体材料的均匀度上要优于对比例1；实施例四、五与对比例1相比膨胀材料分散情况更好，实施例六与对比例1相比，膨胀材料分散情况非常接近。可见，使用新型湿法抄网工艺生产密封衬垫，可以保证产品具有很高的均匀度水平。

通过表2所述的机械耐久性分析可知：在经过19次循环后，实施例四中密封衬垫的膨胀力残留值大于对比例1中密封衬垫，说明其机械耐久性更好；实施例五中密封衬垫的膨胀力残留值小于实施例四与对比例1中所述密封衬垫，说明其机械耐久性略差，但与对比例1中所述衬垫的机械耐久性相差不远；实施例六中密封衬垫的膨胀力残留值最小，说明其机械耐久性要劣于实施例四、五和对比例1中所述密封衬垫。可见，使用硅烷偶联剂对密封衬垫的陶瓷纤维原料进行化学处理，可以增强其机械耐久性，并达到先进水平。

通过表3所述的腐蚀率数据可知，实施例四所述密封衬垫的耐吹蚀性能最优，对比例1所述密封衬垫次之，实施例五所述密封衬垫再次，但与对比例1相差不大，最差的是实施例六中所述密封衬垫。可见，使用硅烷偶联剂对密封衬垫的陶瓷纤维原料进行化学处理，可以增强其耐吹蚀性能，并达到先进水平。

测试方法依据如下：

产品一致性分析

该测试测量密封衬垫成品各部分密度及成分的均匀性。使用数控激光切割机从密封衬垫成品各个部位随机取样20个并编号，样品大小为20×20mm。使用精度为0.0001g的分析天平对样品称重并记录。将全部样品置于马弗炉中在750℃下热处理2小时以除去粘合剂，使用乙醇分散后，利用沉降速度差使纤维与膨胀材料分离。膨胀材料干燥后称重并记录。分别计算样品总重量、样品所含膨胀材料重量的均值和方差。

机械耐久性分析

该测试用以测定间隙变化对密封衬垫所能提供的膨胀力的影响，可以提供密封衬垫机械耐久性能的比较性数据。使用激光切割密封衬垫样品至20×20mm，放入马弗炉中在750℃下热处理2小时以除去粘合剂。自然冷却后将样品转移至电子压力测试机上。以0.1mm/秒的速度压缩样品至其在污染物控制单元中实际安装的间隙(本文中所涉及的密封衬垫为4mm)后，静止15秒，读取衬垫样品此时的膨胀力数据，之后以0.1mm/秒的速度释放样品至不受压力的自由状态，记为一次循环。按上述步骤进行20次压缩-释放循环，记录并整理每次循环对应的密封衬垫膨胀力数据。

耐吹蚀性能测试

该测试是在比污染物控制单元真实工作条件更严峻的条件下进行的加速老化测试，可以提供密封衬垫耐吹蚀性能的比较性数据。将密封样品衬垫安装在夹具中，安装间隙为该型号密封衬垫在污染物控制单元中实际的安装间隙(本文中所涉及的密封衬垫为4mm)或在该安装间隙基础上上下各浮动10％，加热至750℃并恒温2小时以除去粘合剂，然后暴露衬垫边缘于不断移动的常温气流中24小时，气流出口压力为0.15MPa，之后停止吹蚀，测定样品质量损失。

Claims (7)

1.一种陶瓷纤维密封衬垫，其特征在于：所述衬垫由硅烷偶联剂处理后的陶瓷纤维，未经化学处理的陶瓷纤维，膨胀材料，粘合剂、填料和添加剂制成，其中硅烷偶联剂处理后的陶瓷纤维的重量份数为0～99，未经化学处理的陶瓷纤维的重量份数为0～99，膨胀材料的重量份数为0～60，粘合剂的重量份数为1～15，填料的重量份数为0～5，添加剂的重量份数为0～5。

2.根据权利要求1所述一种陶瓷纤维密封衬垫，其特征在于硅烷偶联剂处理后的陶瓷纤维按如下步骤制成：步骤一、将硅烷偶联剂配成0.5～1％浓度的稀溶液；步骤二将待处理的陶瓷纤维浸渍在步骤一中的稀溶液中，时间为5～30分钟；步骤三、取出后在80～150℃下烘干备用。

3.根据权利要求1所述一种陶瓷纤维密封衬垫，其特征在于膨胀材料包括未膨胀蛭石、可膨胀石墨或上述二者的混合物。

4.根据权利要求1所述一种陶瓷纤维密封衬垫，其特征在于粘合剂包括有机粘合剂和无机粘合剂，其中有机粘合剂包括改性淀粉、羧甲基纤维素钠、乙酸乙酯胶乳、丙烯酸胶乳、天然橡胶胶乳、丁苯胶乳和甲基丙烯酸酯胶乳，无机粘合剂包括硅酸钠、钠基膨润土、钙基膨润土、硅溶胶、铝溶胶、黏土或上述一种或多种成分的组合。

5.根据权利要求1所述一种陶瓷纤维密封衬垫，其特征在于填料包括空心玻璃微珠、膨胀后蛭石、云母、珍珠岩或上述一种或多种成分的组合。

6.根据权利要求1所述一种陶瓷纤维密封衬垫，其特征在于添加剂包括表面活性剂、消泡剂、絮凝剂、分散剂或上述一种或多种成分的组合。

7.一种权利要求1所述陶瓷纤维密封衬垫的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤一、配浆：将定量的化学处理后的陶瓷纤维、未经化学处理的陶瓷纤维、膨胀材料、填料加入水中，加入分散剂，配成纤维浓度为3～6％的混合物，再加入消泡剂后，施加高速搅拌对浆料中的固体加以分散使其分布均匀，分散时间为2～30分钟，然后依次添加粘合剂和表面活性剂，在持续的低速搅拌下加入絮凝剂，使浆料中的纤维絮凝成团，膨胀材料与填料被包裹在纤维絮团中。膨胀材料和填料也可以在纤维絮凝之后再加入；

步骤二、抄网成型：将配好的浆料注入放置在真空箱内渗透性丝网之上的成型模具中，静置1-20秒，使浆料中各个纤维絮团之间充分交织，真空度为0.05～0.1MPa，使用压辊压制衬垫湿坯，除去模具，使用抄板将衬垫湿坯从渗透性丝网上取下；

步骤三、干燥：干燥方法为对流干燥或微波干燥或两者的结合；当仅使用对流干燥时，热干空气温度控制在60～120℃，干燥时间为1～12小时；当仅使用微波干燥时，微波频率在2450兆赫干燥时间为0.5～2小时；当对流干燥和微波干燥结合使用时，先利用对流干燥除去密封衬垫中的水分，再使用微波干燥重点对衬垫中心进行加热干燥，除去剩余的水分；

步骤四、切割成型：将干燥后的密封衬垫半成品进一步，按照实际要求的加工图纸，使用激光切割、冲压成型的加工方式制成成品。