CN107075995A - 具有分层塞子的蜂窝体及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种多孔陶瓷蜂窝体(10)，其包含形成从第一端面向第二端面轴向延伸的通道(22)的交叉壁、以及包含设置在通道的壁上的第一层(64)和设置在第一层上且向内朝向各通道的轴向中心的第二层(66)的分层塞子(62)。所述塞子对多孔陶瓷蜂窝体的通道在第一端面处的第一部分和通道在第二端面处的第二部分中的至少一种进行密封。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年9月3日提交的美国临时专利申请序列号62/045233的优先权，本申请以该文为基础，该文的内容通过引用全文纳入本申请。
背景
技术领域
本发明的示例性实施方式涉及具有分层塞子的蜂窝体及其制造方法。
背景讨论
陶瓷壁流式过滤器可用于除去柴油发动机、汽油发动机或其它内燃机尾气流中的颗粒污染物。为了从由多孔陶瓷形成的通道式蜂窝体结构制造这种过滤器，进行了多种不同的尝试。例如，一种尝试是在这些结构的交替通道的端部放置由密封材料构成的固化的塞子，所述塞子能够封住通道以使流体无法直接流过通道，从而迫使流体流在离开过滤器前穿过蜂窝体的多孔通道壁。
对从内燃机中排出的尾气进行的后处理可使用负载在高表面积基材上的催化剂和用于除去碳烟炱颗粒的催化过滤器。催化剂载体可以是耐火的、耐热冲击的、在某个范围的pO2条件内是稳定的、不与催化剂系统反应的、以及对尾气流的阻力小的。可在这些应用中使用多孔陶瓷流通蜂窝体基材和壁流式蜂窝体过滤器(本发明中通常称其为蜂窝体)。
封堵蜂窝体结构的各方面包括塞子的深度和塞子的品质。塞子的品质经常与存在于塞子内的空隙有关。通常，可通过降低封堵组合物中水的量、以及/或者通过增大封堵组合物中某些批料组分的粒径来减少空隙的存在。然而，这些改变可能导致塞子的深度不足，从而导致机械强度不足(或“被推出”)。
另一方面，较短的塞子可提供更小的背压以及在相同外部几何构型下更大的过滤器体积，从而降低了再生的频度，并且改善了燃料经济性。而且，较短的塞子能够更好地利用材料，从而降低了过滤器的制造成本。所以，希望提供在尽可能短的同时仍然具有必要的深度以提供足够的机械强度(或“被推出”)的塞子。
陶瓷水泥可用于形成已被加工或“波形化”成所需尺寸的蜂窝体的外表皮，或者外表皮可与蜂窝体一起被共挤出。如本文所用，术语“蜂窝体”包括单一的蜂窝体整体件和例如通过使用陶瓷水泥形成分区段整体件的由封装在一起的多个蜂窝体区段形成的蜂窝体。
背景部分中公开的上述信息仅用于增强对要求保护的本发明的技术背景的理解并且因此可能含有不构成现有技术任意部分的信息或现有技术对本领域普通技术人员的可能启示。
发明概述
本发明的示例性实施方式提供了一种包含分层塞子的蜂窝体。
本发明的示例性实施方式还提供了一种包含分层塞子的蜂窝体的制造方法。
要求保护的本发明的附加特征将在下文的描述中阐述，且其在某种程度上会通过描述或对本发明的实施而变得显而易见。
一种示例性实施方式公开了一种多孔陶瓷蜂窝体，其包含形成从第一端面向第二端面轴向延伸的通道的交叉壁、以及对通道在第一端面处的第一部分和通道在第二端面处的第二部分中的至少一种进行密封的塞子。所述塞子包括设置在各通道的壁上的第一层、和设置在第一层上且向内朝向各通道的轴向中心的第二层。
一种示例性实施方式还公开了一种封堵多孔陶瓷蜂窝体的方法，所述多孔陶瓷蜂窝体包含形成从第一端面向第二端面轴向延伸的通道的交叉壁。该方法包括在第二层料饼上设置第一层料饼；将第二层料饼设置在载体上；以及沿轴向方向将载体与多孔陶瓷蜂窝体压制在一起一段预定的距离，以将第一层和第二层注入通道在第一端面处的第一部分和通道在第二端面处的第二部分的至少一种之中，以形成对通道在第一端面处的第一部分和通道在第二端面处的第二部分中的至少一种进行密封的塞子。所述塞子包含设置在各通道的壁上的由第一层料饼组合物构成的第一层、和设置在第一层上且向内朝向各通道的轴向中心的由第二层料饼组合物构成的第二层。
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，并且意在对要求保护的发明提供进一步解释。
附图的简要说明
附图用来帮助进一步理解本发明，纳入说明书中并构成说明书的一部分，附图显示了本发明的示例性实施方式，与说明书一起用来解释本发明的原理。
图1是显示根据本发明的示例性实施方式的被掩模覆盖的蜂窝体、设置在负载于被膜覆盖的活塞组件上的第二层料饼上的第一层料饼、以及封堵机的背板的侧面剖视图。
图2是显示根据本发明的示例性实施方式的图1中的封堵机中陶瓷体的侧面剖视图，其中，掩模的外周缘被薄膜的边缘密封。
图3是显示根据本发明的示例性实施方式的图1中的封堵机中蜂窝体的侧面剖视图，其中，第一层料饼材料位于蜂窝体的所选通道内的通道壁上，第二层料饼材料位于第一层上且向内朝向各通道的轴向中心。
图4是显示根据本发明的示例性实施方式的具有夹圈开口的图1中的封堵机的侧面剖视图，其中，由位于蜂窝体的所选通道内的通道壁上的第一层料饼材料、和位于第一层上且向内朝向各通道的轴向中心的第二层料饼材料形成的分层塞子对所选的通道进行密封。
图5是显示根据本发明的示例性实施方式的剖开的蜂窝体的端面的照片，其显示了对所选通道进行密封的分层塞子，其中的通道以45°的角度对正方形通道进行剖切。
图6是显示根据本发明的示例性实施方式的剖开的蜂窝体的端面的示意图，其显示了对所选通道进行密封的分层塞子，其中的通道以90°的角度对正方形通道进行剖切。
图7是根据本发明的示例性实施方式的数据图，其显示了凝胶状胶体无机粘合剂(A)的塞子组合物、非凝胶状胶体无机粘合剂(P)的塞子组合物、以及包含具有凝胶状胶体无机粘合剂的组成且与通道壁接触的第一层和位于内部的具有非凝胶状胶体无机粘合剂的第二层的分层塞子之间的塞子强度的比较结果。
图8是根据本发明的示例性实施方式的数据图，其显示了凝胶状胶体无机粘合剂(A)的塞子组合物、非凝胶状胶体无机粘合剂(P)的塞子组合物、以及包含具有凝胶状胶体无机粘合剂的组成且与通道壁接触的第一层和位于内部的具有非凝胶状胶体无机粘合剂的第二层的分层塞子之间的塞子深度的比较结果。
图9是根据本发明的示例性实施方式的数据图，其显示了采用凝胶状胶体无机粘合剂(A)的塞子组合物、非凝胶状胶体无机粘合剂(P)的塞子组合物、以及包含具有凝胶状胶体无机粘合剂的组成且与通道壁接触的第一层和位于内部的具有非凝胶状胶体无机粘合剂的第二层的分层塞子的钛酸铝蜂窝体中的热膨胀系数(CTE)之间的比较结果。
图10是根据本发明的示例性实施方式的具有出口端面被封堵的入口通道和入口端面被封堵的出口通道的蜂窝体的示意性的侧面剖面图。
图11是根据本发明的示例性实施方式的具有出口端面处被封堵的入口通道和偏离入口端面的出口通道塞子的蜂窝体的示意性的侧面剖面图。
图12是根据本发明的示例性实施方式的数据图，其显示了采用图10的示例性实施方式的封堵构造的气体颗粒过滤器(GPF)蜂窝体的出口处累积的烃的量与采用图11的示例性实施方式的封堵构造的塞子偏离入口端面1英寸(2.54cm)的气体颗粒过滤器(GPF)蜂窝体的出口处累积的烃的量的比较。
图13A～13C显示了一种用偏离的分层塞子对蜂窝体进行封堵的方法的侧面剖视图。图13A显示了具有被掩模覆盖的第一端面和设置在第一层料饼上的第一牺牲层的蜂窝体的侧面剖视图，所述第一层料饼设置在第二层料饼上，所述第二层料饼设置在第二牺牲层上。第二牺牲层设置在根据本发明的示例性实施方式的封堵机的活塞组件上。图13B显示了根据本发明的示例性实施方式的位于蜂窝体的所选通道内的通道壁上的第一牺牲层和第一层料饼材料、以及位于第一层上且向内朝向各通道的轴向中心的第二层料饼材料。显示了根据本发明的示例性实施方式，各通道的分层塞子通过第一和第二牺牲层的料饼材料与第一端面隔开。图13C显示了根据本发明的示例性实施方式的与第一端面隔开的各通道的分层塞子。
图14是显示根据本发明的示例性实施方式的蜂窝体的侧面剖面图，第一层料饼设置在第二层料饼上，所述第二层料饼设置在被推入蜂窝体端面处的所选通道内的第三层料饼上。
发明详述
下文中将参照附图对本发明进行更完整的描述，附图中给出了本发明的示例性实施方式。但是，本发明的不同方面能够以多种不同的形式实施，从而不应被理解成受限于本文提出的实施方式。相反，提供这些实施方式使得说明透彻，并能够向本领域技术人员完整地展示本发明的范围。附图中，为了清楚起见，可能对一些层和区域的尺寸和相对尺寸进行了夸张。
应当理解的是，当描述组件或层“在另一个组件或层上”或与另一组件或层“相连”时，其可以直接在另一组件或层上、与另一组件或层直接相连，或者可存在中间组件或层。相反，当描述组件或层“直接在另一组件或层上”或与另一组件或层“直接相连”时，不存在中间组件或层。应当理解的是，处于本发明的目的，“X、Y和Z中的至少一个(种)”可被解释为仅X、仅Y、仅Z，或者两个或更多个项目X、Y和Z的任意组合(例如XYZ、XYY、XY、YZ、ZZ等)。
用于固体颗粒过滤器的蜂窝体，例如过滤器主体10(图1)以及其它应用可由各种材料形成，包括陶瓷、玻璃-陶瓷、玻璃、金属，并且取决于所选的材料而可由各种方法形成。具有均匀的厚薄、孔隙率以及用于固体颗粒过滤应用的交叉壁的蜂窝体可由可塑性可成形且可烧结的打碎成细颗粒的物质颗粒制成，所述物质颗粒在烧成后生成多孔的烧结材料以实现它们的烧结。合适的材料包括金属、陶瓷、玻璃-陶瓷以及其它基于陶瓷的混合物。共同转让给本受让人的美国专利第5258150号公开并要求保护一种用于固体颗粒过滤应用的由挤出的堇青石材料形成这种陶瓷蜂窝整体件的方法，该文献通过应用全文纳入本文，如同全部列于本文。
根据本发明的一些实施方式，如图1所示，至少一个第一端面18被第一掩模28覆盖，第二端面20被第二掩模29覆盖，其中，覆盖步骤可包括按照共同转让给本受让人的美国专利第4557773号和第6673300号中所描述的方法形成掩模28、29，上述文献的内容通过应用全文引入本文，如同全部列于本文。在所例示的例子中，第一端面18被掩模28覆盖，所述掩模28包含由热塑性材料(例如聚酯或PET材料)形成的背面有粘合剂的压敏薄透明或半透明膜。但是，也可使用其它材料，例如聚乙烯、聚丙烯或聚氨酯。通过上述文献中所述的由光学图像分析器控制的开口形成工具(例如激光器)以与所选择的孔道22的第一亚组26相对应的方式穿过掩模而形成开口。
一种示例性的掩模28包含设置成与将要填充封堵材料的孔道22的第一亚组26的端部保持一致的开口30。可使开口30具有合适的尺寸，以使孔道22的第一亚组26的开口端部暴露，而不至于过大而使相邻的孔道22暴露。应当注意的是，如果需要，可提供更大的开口以使若干相邻孔道22也暴露。掩模28包含从第一端面18的外缘16径向向外延伸的外缘38和外周40。
掩模28的主体与蜂窝体10的壁14的交叉基质粘合，以将掩模28固定在规定位置处。掩模可利用丙烯酸粘合剂或者任何类似的粘合物质来粘合，在一种实施方式中，在将掩模28放置在基材10上之前对该掩模施用丙烯酸粘合剂或任何类似的粘合物质。
下一个步骤包括在孔道22的所选亚组内形成塞子。例如包含涂覆有PET、聚乙烯(塑料)的纸板等的薄膜材料42被分层料饼43覆盖。分层料饼43可包含例如封堵材料44的第一平面料饼，其设置在封堵材料45的第二平面料饼上，所述封堵材料44的第一平面料饼包含具有诸如甲基纤维素、增塑剂和水这样的水性粘合剂的陶瓷原材料，所述封堵材料45的第二平面料饼包含具有诸如甲基纤维素、增塑剂和水这样的水性聚合物粘合剂的陶瓷原材料。在下文中对第一和第二平面料饼材料44、45的组成进行更详细地描述。如下所述，膜材料42包括各自从基材体10的外缘16向外延伸的外周46和外缘48。如图所示，由第一和第二平面料饼封堵材料44构成的分层料饼43根据膜材料42来放置，以使膜材料42的外周46上没有分层封堵材料43。在所例示的例子中，分层料饼43的第一和第二平面料饼材料44、45是以具有均匀厚度的平面料饼的形式提供的，但是，也可使用变化的厚度。
如图2、3和4所示，具有分层封堵材料43的膜材料42被置于基于伺服驱动活塞的封堵机上，所述封堵机包括一个平面活塞50，所述平面活塞50被具有第一夹持部52和第二夹持部54的夹持组件51包围。可按照被封堵的蜂窝体结构对活塞50进行塑形，且活塞50可具有与部件大致相当的尺寸。使用夹持组件51的第一和第二夹持部52、54利用膜材料42的外周46对掩模28的外周40进行密封。利用活塞50沿着以箭头60表示的方向在膜材料42上施加作用力，从而迫使分层封堵材料43侵入掩模28的开口30中，对蜂窝体结构10的孔道22的第一亚组26(图3)进行填料并形成多个分层塞子62。可使用背板55对蜂窝体10进行锚固。
然后，将活塞50从蜂窝体结构10的第一端面18上缩回，将掩模28和膜材料42从过滤器主体10上除去。接着，可将过滤器主体10从所关联的封堵机中移除。应当注意的是，在封堵处理过程中，蜂窝体结构10可以任何朝向放置，包括垂直方向和水平方向，并且，可在对孔道22的第一亚组进行封堵的同时在第二端面20处对孔道22的第二亚组27进行封堵，从而显著减少封堵处理的总循环时间。
图4中所示的蜂窝体结构10位于具有打开的夹圈组件51的图1的封堵机中。根据本发明的示例性实施方式，由位于蜂窝体10的所选通道内的通道壁14上的第一层料饼材料44和位于第一层44上且向内朝向各通道22的轴向中心的第二层料饼材料45构成的分层塞子62对所选通道26进行密封。
图5是显示根据本发明的示例性实施方式的剖开的蜂窝体的端面的照片，其显示了对所选通道进行密封的分层塞子，其中以相对于正方形通道45°的角度对通道进行剖切。通道22沿着蜂窝体10的轴向“A”延伸。所示的多层塞子的例子的剖面是使用图中呈黑色的2mm的第一水泥组合物料饼和图中呈白色的(相对于封堵方向60)在上方的2mm的第二水泥组合物料饼制成的。(由于掩模)而不与壁接触的第一水泥组合物(黑色)一直流至塞子底部，形成了由第一水泥组合物构成的尖端，但是，一旦第一组合物的水泥与壁接触，其就在壁上堆积而不易沿壁向下滑动。这导致了第一水泥组合物堆积在入口端面处的通道壁上，而第二水泥组合物(白色)流过通道中间。如下所述，基于上述示例性的流动，相对于单一的(未分层的)塞子能够实现许多优势。
图6是显示根据本发明的示例性实施方式的剖开的蜂窝体的端面的示意图，其显示了对所选通道进行密封的分层塞子，其中以90°的角度对正方形通道进行剖切。图6显示了由设置在各通道22的壁14上的第一层料饼材料44构成的第一层64、和由设置在第一层64上且向内朝向各通道22的轴向中心的第二层料饼材料45构成的第二层66。虽然所例示的实施方式具有根据本发明的示例性实施方式的上述在第一端面18处对所选通道26进行密封的分层塞子62，也可按照类似的方式在第二端面20处对通道27的第二部分进行密封，在此省略其细节。
根据示例性实施方式，下面对形成第一和第二塞子层64、66的第一和第二平面料饼材料44、45的组合物进行更详细说明。所述组合物可包含具有粒径分布的耐火填料、有机粘合剂、无机粘合剂和液体载剂。
对耐火填料、耐火填料的粒径分布、有机粘合剂和无机粘合剂进行选择，以使当所述组合物包含用于对蜂窝体的多个通道进行封堵而施用的活性材料时，由其形成的多个塞子具有所需的性质，例如塞子深度的变化、塞子深度、推出强度、热膨胀系数(CTE)、孔隙率、渗透性等。
耐火填料可包含至少一种无机粉末。所述无机蜂窝可例如包含陶瓷，即经过预反应或预陶瓷化的耐火粉末。在另一些实施方式中，上述粉末可以是耐火玻璃粉末或玻璃-陶瓷粉末。另外，在另一些实施方式中，上述无机粉末的批料混合物可包含两种或更多种上述耐火粉末的组合。示例性的耐火粉末可包括堇青石、莫来石、钛酸铝、碳化硅、氮化硅、铝酸钙、β-锂霞石和β-锂辉石。
根据一些实施方式，耐火填料可包含活性材料。引入所述活性材料以形成各塞子层的结构。活性材料可以是催化活性材料和化学活性材料中的至少一种，且催化活性材料和化学活性材料中的至少一种活性材料在下文中被称为活性材料。活性塞子层不仅是简单地涂覆有活性材料的无活性或非活性(惰性)材料。换言之，形成塞子层的批料水泥组合物包含活性材料。引入活性材料并形成活性塞子的结构。
活性层中的活性材料可以是例如沸石。所述活性材料可以是小孔沸石，例如用作NOx的选择性催化还原的催化剂的铜-菱沸石(CuCHA)、Cu交换沸石、Fe交换沸石、吸烃沸石、分散有诸如Pt、Pd或Rh这样的贵金属的诸如氧化铝、氧化铈或氧化锆这样的高表面积材料、含有氧化钒的高表面积二氧化钛、铑-二氧化钛、碳酸钙、HC捕集材料、含有贵金属的高表面积材料、高表面积材料、车载诊断储氧材料、氧化铈:氧化锆固溶体材料、氧化铈和氧化锆的多相材料、三元催化剂(TWC)、诸如碳酸钾:氧化钴:氧化镧这样的碱土金属氧化物等、以及它们的混合物。
上述组合物还包含含有无机粘合剂的粘合剂组合物。在一些实施方式中，无机粘合剂是诸如凝胶状胶体二氧化硅这样的凝胶状无机粘合剂。无机粘合剂的另一些实施方式可包括非凝胶状胶体二氧化硅、粉末状的二氧化硅或低温玻璃。根据一些实施方式，凝胶状无机粘合剂的引入可使无机粘合剂颗粒向施用了该组合物的蜂窝体的微裂纹内的迁移降到最低或甚至防止上述迁移的发生。所以，如本文所用，术语“凝胶状无机粘合剂”是指固体无机颗粒的胶体分散体，其中，固体无机颗粒与连续液相形成了互联的网络或基质，得到了粘性半刚性材料。另外，应当理解的是，可能存在相对水平或程度的凝胶化。为此，由于胶体分散体可包含粒径小于150nm、例如小于50nm、例如小于25nm、例如小于15nm的固体颗粒，这里所使用的凝胶状无机粘合剂包含分散的无机颗粒的互联网络，其足以防止无机粘合剂颗粒的至少一部分迁移入施用有含有凝胶状无机粘合剂的组合物的蜂窝体结构的微裂纹中。
因此，可随后通过向组合物中添加一种或多种凝胶剂来使非凝胶状胶体二氧化硅凝胶化。在一些实施方式中，胶体二氧化硅可通过提高组合物的离子浓度来凝胶化。在另一些实施方式中，胶体二氧化硅可通过改变组合物的pH来凝胶化。另一些实施方式可包括既提高组合物的离子浓度又改变组合物的pH。应当理解的是，可以任何能够有效提供本文所述的凝胶状无机粘合剂的量来使用凝胶剂。
示例性的胶体二氧化硅可包括可购自W.R格格雷斯公司(W.R.Grace&Company)的HS、AS、SK、PW50和PZ50，并且可通过添加盐和/或改变pH来提高离子浓度以进行凝胶化。PW50EC作为一种多分散胶体二氧化硅，具有比HS-40的小二氧化硅的粒度宽得多的粒度范围。HS-40的D50约为12nm，相比之下，PW50EC具有约10～100nm的粒度分布(PSD)的粒度范围D50。理论上，如果简单地使PW50EC的更大的颗粒分散和位于大块水泥混合物中，则它们不会发生迁移。PW50EC中最小的颗粒仍然能够迁移并迁移入基材内。
本文所述的示例性的组合物还可包含有机粘合剂。有机粘合剂的添加还可有助于组合物在烧成前的内聚性和塑性。该改善了的内聚性和塑性可例如改善对组合物进行塑形的能力。这可在使用该组合物形成表皮涂层或者对蜂窝结构体的所选部分(例如端部)进行封堵时具有优势。示例性的有机粘合剂包括纤维素材料。示例性的纤维素材料包括纤维素酯粘合剂，例如甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素衍生物、以及/或它们的任意组合。例如，纤维素材料包括甲基纤维素和羟丙稀甲基纤维素的组合。例如，有机粘合剂可以无机粉末批料组合物的0.1重量％～5.0重量％的范围内的量、或甚至以无机粉末批料组合物的0.5重量％～2.0重量％的范围内的量作为追加添加存在于组合物中。
用于提供所述组合物以可流动性的或糊料状稠度的一个示例性的液体载剂是水，虽然也可使用其它液体载剂。为此，可改变液体载剂组分的量，以提供最佳的加工性质和与批料混合物中的其它组分的兼容性。根据一些实施方式，液体载剂组分以无机粉末批料组合物的15重量％～60重量％的范围内的量、或者甚至根据一些实施方式可以无机粉末批料混合物的20重量％～50重量％的范围内的量作为追加添加存在。使组合物中液体组分的量最少化还可减轻组合物在干燥处理过程中的干燥收缩。
本文所述的示例性的组合物可任选地包含一种或多种处理助剂，例如增塑剂、润滑剂、表面活性剂、烧结助剂、流变改性剂、触变剂、分散剂或造孔剂。用于制备封堵组合物的一种示例性的增塑剂是甘油。一种示例性的润滑剂可以是烃油或妥尔油。示例性的市售可得的润滑剂包括购自彼得·格里芬·菲特化学有限公司(Peter Greven Fett-Chemie)的Liga GS和购自亿诺化学公司(Innovene)的162烃油。一种市售可得的触变剂是购自的维乐斯公司(Rheox,Inc)的Benaqua 1000。还可任选地使用造孔剂以使所得到的陶瓷化的组合物具有所需的孔隙率。示例性而非限定性的造孔剂可包括石墨、淀粉、聚乙烯珠和/或面粉。可使用的示例性的分散剂包括购自海名斯公司(Elementis)的2000和购自空气产品和化学品有限公司(Air Products and Chemicals,Inc)的1200。
为了制备本文所述的示例性的组合物，可将上述无活性组分和活性组分混合在一起，可将上述无机粉末批料混合物与有机粘合剂混合在一起，然后引入液体载剂和无机粘合剂组分。如上所述，无机粘合剂在被引入组合物之前或之后可以是非凝胶状的或凝胶状的。如果要在加入组合物中之前使无机粘合剂凝胶化，则可向无机粘合剂中加入一种或多种凝胶剂，例如胶体二氧化硅。或者，如果要在加入粉末组合物中之后使无机粘合剂凝胶化，则可将一种或多种凝胶剂直接引入组合物中。还可在加入液体过程中或之前向组合物中引入任何可选的处理助剂。然而，如果需要，可先将诸如聚乙烯醇这样的流变改性剂与无机粘合剂混合，再可选地与耐火粉末混合。一旦所需的组分混合，就可对组合物进行充分混合，以使该组合物具有可流动的糊料状稠度。在一种示例性实施方式中，可使用利特尔福德(Littleford)混合机或Turbula混合机完成如上所述的混合。
本文所述的组合物一旦形成，就可将其施用于限定由如上所述的孔道壁界定的多个孔道的蜂窝体或结构上。在一些示例性实施方式中，本文所述的组合物可用作为了形成壁流式过滤器而对蜂窝体的所选通道进行封堵的封堵材料。在一些实施方式中，多个孔道的第一部分可包含在上游入口端处或附近密封至各通道壁上以形成出口孔道的分层塞子。多个孔道的第二部分还可包含在下游出口端处或附近密封至各通道壁上以形成入口孔道的分层塞子。也可考虑只有一端被封堵的其他结构以及局部被封堵的结构(具有一些未被封堵的通道)。
在多孔陶瓷蜂窝体的示例性实施方式中，第一层64具有第一组合物，第二层66具有第二组合物。图7是根据本发明的示例性实施方式的数据图，其显示了凝胶状胶体无机粘合剂(A)的塞子组合物、非凝胶状胶体无机粘合剂(P)的塞子组合物、以及包含具有凝胶状胶体无机粘合剂的组成且与通道壁14接触的第一层64和位于内部的具有非凝胶状胶体无机粘合剂的第二层66的分层塞子62之间的塞子强度的比较结果。图7中所示的示例性的分层塞子62组合与任一种单层组成塞子本身相比，塞子强度并未出现明显变化。
图8是根据本发明的示例性实施方式的数据图，其显示了凝胶状胶体无机粘合剂(A)的塞子组合物、非凝胶状胶体无机粘合剂(P)的塞子组合物、以及包含具有凝胶状胶体无机粘合剂的组成且与通道壁14接触的第一层64和位于内部的具有非凝胶状胶体无机粘合剂的第二层66的分层塞子62之间的塞子深度的比较结果。图8中所示的示例性的分层塞子62组合相比于任一种单独的组分，得到了增强的塞子探深能力。
图9是根据本发明的示例性实施方式的数据图，其显示了采用凝胶状胶体无机粘合剂(A)的塞子组合物、非凝胶状胶体无机粘合剂(P)的塞子组合物、以及包含具有凝胶状胶体无机粘合剂的组成且与通道壁14接触的第一层64和位于内部的具有非凝胶状胶体无机粘合剂的第二层66的分层塞子62的钛酸铝蜂窝体中的热膨胀系数(CTE)之间的比较结果。图9中所示的示例性的分层塞子62组合保持了凝胶状水泥的CTE且内部大部分为非凝胶状。
根据一些示例性实施方式，第一平面料饼材料44的组合物可包含钝化材料，以使当第一塞子层64形成时，该钝化材料能够防止第二平面料饼材料46的组合物的组分渗透入蜂窝体壁14的细孔和微裂纹结构中。作为另一种示例性实施方式，第一平面料饼材料44的组合物的组成可包含能够在至少一种热处理和化学处理中被除去的暂存组分。
根据示例性实施方式，形成第一和第二塞子层64、66的第一和第二平面料饼材料44、45可以是表1和表2中所示的组成的任意组合。
表1
表2
根据本发明的示例性实施方式，多层塞子相对于均匀或单一组成的塞子展现出优势。根据这些示例性实施方式的实施例1在壁层(第一层64)中具有耐火的细颗粒，且在塞子的芯体层(第二层66)中具有粗耐火颗粒。实施例1展现出的优势在于具有有利于起燃的低总堆积密度，同时，粗颗粒能够防止空隙，而细颗粒通过浸入壁14的基质空隙中而提供粘合性。实施例2展现出与图9中所示的相似的热膨胀系数(CTE)保护。实施例3、4、5和6也展现出CTE保护，但还在塞子的芯体层中展现出的良好的流动。具有不同凝胶剂的实施例3、4、5和6展示了凝胶剂不会明显影响这些结果。
实施例7展示了原位凝胶化使得能够在输送过程中具有稳定的流变性以及在封堵后进行CTE保护。实施例8展示了壁层中的良好的屏障层、CTE保护以及流动良好的芯体层。实施例9展示了壁层中的良好的粘合层、CTE保护以及流动良好的芯体层。粘合层可包含有机硅树脂、胶体二氧化硅和诸如玻璃相这样的在热处理中熔化的材料。实施例10提供了质量小且键和强度大的分层塞子。实施例11和12提供了增加的塞子深度。实施例13和14提供了CTE保护以及改善了的防掉屑性和改善了的耐凿面性(face gouge resistance)。
实施例15使得能够在芯体层中使用大量高水平的造孔剂，所述芯体层先与尾气接触以提供快速起燃，同时允许通过具有包含标准塞子水泥的壁层来降低有机物的总水平。实施例16和17向热处理后的通道中提供了塞子埋头孔。有机层可以是例如蜡。有机层可被烧除并留下偏移的塞子，即轴向偏离进入与端面隔开的通道中的塞子。实施例18提供了增加的塞子深度和CTE保护。实施例19提供了多种优势的组合，例如实施例1、3、15和18中所述的优势。
根据本发明的示例性实施方式，分层塞子62的第一层64可具有第一性质，而第二层66可具有不同于第一性质的第二性质。即，例如，第一性质可以是第一孔隙率(％P1)，第二孔隙率可以是第二孔隙率(％P2)。例如，第一性质可以是第一热膨胀系数(CTE1)，第二性质可以是第二热膨胀系数(CTE2)。不对第一和第二性质做特别限定，可包括密度、渗透率、弹性模量(EMOD)、热冲击参数(TSP)或任何其它可能需要在整个分层塞子62中进行控制的性质。
例如，可能具有优势的是控制分层塞子62的热膨胀系数(CTE)，以使第一层64的CTE1比第二层66的CTE(CTE2)更加与蜂窝体的通道壁14的热膨胀系数(CTE3)相匹配。例如，第一层64可具有第一热膨胀系数(CTE1)，第二层66可具有不同于第一热膨胀系数(CTE1)的第二热膨胀系数(CTE2)，而壁14可具有第三热膨胀系数(CTE3)。例如，热膨胀系数的关系可表述为CTE3≤CTE1＜CTE2。通过这种方式，能够在提供更快的起燃和增加的塞子强度和耐久性的同时减少或消除端面裂纹。
塞子中的不同材料可对壁的CTE3产生不同影响。例如，可能具有优势的是对蜂窝体的通道壁14的CTE(CTE3)进行局部保护，在受保护的位置，封堵水泥与通道壁14相互作用而在提供更快的起燃和增加的塞子强度和耐久性的同时减少或消除端面裂纹。虽然无意受限于理论，CTE保护是指不对微裂纹进行钉固。壁14中的微裂纹的膨胀和收缩会提供低CTE3。对微裂纹进行钉固可提高CTE3。因此，例如第一层64可包含不对壁14中的微裂纹进行钉固的第一组合物，第二层66可包含可对壁14中的微裂纹进行钉固的第二组合物，但是，因为第二层66不与壁14接触，CTE3并未增加。例如，第一层64可包含比第二层66的组合物更少地钉固壁14中的微裂纹的第一组合物，但是，因为第二层66不与壁14接触，与如果第二层66与壁14接触的情况相比，CTE3增加得较少。即，第一层64可提供第一热膨胀系数保护(CP1)，第二层可提供不同于第一热膨胀系数保护(CP1)的第二热膨胀系数保护(CP2)，以减少或消除因与封堵水泥组合物局部相互作用而导致的CTE3的增加。例如，热膨胀系数保护的关系可表述为CP2＜CP1，其中，更大的热膨胀系数保护意味着壁的CTE3的增加更小。通过这种方式，能够在提供更快的起燃和增加的塞子强度和耐久性的同时减少或消除端面裂纹。
在示例性实施方式中，第一层64可与第二层66具有不同的厚度。例如，第一层64的厚度可以是第二层66厚度的0％～10％。例如，当需要CTE保护时，具有很薄的第一层64可具有优势。虽然无意受限于理论，CTE保护是指不对微裂纹进行钉固。在另一种示例性实施方式中，第一层64的厚度可大于或等于第二层66厚度的10％。例如，第一层64的厚度可以是第二层66厚度的10％～90％。例如，第一层64的厚度可以是第二层66厚度的30％～70％，或甚至为40％～60％。
图10是根据本发明的示例性实施方式的具有出口端面80被封堵的入口通道78和入口端面84被封堵的出口通道82的蜂窝体10的示意性的侧面剖面图。入口端面84处塞子86和出口端面80处的塞子88的至少一部分可以是分层塞子62。
图11是根据本发明的示例性实施方式的具有出口端面80被封堵的入口通道78和偏离入口端面84的出口通道塞子86的蜂窝体10的示意性的侧面剖面图。沿轴向(偏离)入口端面84的出口通道塞子86的埋头孔和出口端面80处的入口通道塞子88的至少一部分可以是分层塞子62。这些塞子可以是数毫米至数英寸(约100mm)的埋头孔。
图12是根据本发明的示例性实施方式的数据图，其显示了采用图10的示例性实施方式的封堵构造的气体颗粒过滤器(GPF)蜂窝体的出口处累积的烃的量与采用图11的示例性实施方式的封堵构造的塞子偏离入口端面1英寸(2.54cm)的气体颗粒过滤器(GPF)蜂窝体的出口处累积的烃的量的比较。这些结果可通过在30000小时-1的空速流速下对入口物流中的0.05％的作为烃的C3H6和0.5％的O2使用来得到。在17秒内将入口气体的温度从25℃升至600℃。
图13A～13C显示了一种用偏离的分层塞子对蜂窝体进行封堵的方法的侧面剖视图。图13A显示了根据本发明的示例性实施方式的具有被掩模28覆盖的第一端面84和设置在第一层料饼90上的第一牺牲层的蜂窝体10的侧面剖视图，所述第一层料饼90设置在第二层料饼92上，所述第二层料饼92设置在负载于封堵机的活塞组件50上的第二牺牲层84上。图13B显示了根据本发明的示例性实施方式的位于蜂窝体10的所选通道26内的通道壁上的第一层料饼90材料、和位于第一层上且向内朝向各通道82的轴向中心的第二层料饼92材料。虽然无意受限于理论，第一牺牲层89材料沉积在各通道82的壁14上。第一层料饼90材料随着活塞组件50沿着箭头60的方向前进而沿着第一牺牲层89滑动。第一层料饼90材料在第一牺牲层89和第二层料饼92材料沉积在第一层料饼90材料上之后再沉积在壁14上，随着活塞组件50沿着箭头60的方向前进，所述第一层料饼90材料被第二可选牺牲层94推动着前进。显示了根据本发明的示例性实施方式，各通道82的分层塞子62介由第一和第二牺牲层89、94与第一端面84隔开。图13C显示了根据本发明的示例性实施方式的与第一端面84隔开的各通道82的分层塞子62。可使用热处理或化学处理以除去第一和可选的第二牺牲层89、94的材料。例如，第一和第二牺牲层89、94的材料可以是有机材料。图13C的蜂窝体10显示了通道22在第一端面84处的第一部分26，所述第一端面84处的第一部分26被与第一端面84隔开的分层塞子62密封。但是，本发明并不局限于此，可包括例如通道22在第二端面80处的第二部分27，所述第二端面80处的第二部分27被与第二端面80隔开的分层塞子62密封。
图14是显示根据本发明的示例性实施方式的蜂窝体10的侧面剖面图，第一层料饼90设置在第二层料饼92上，所述第二层料饼92设置在被推入蜂窝体10端面18处的所选通道26内的第三层料饼96上。对本发明的示例性实施方式的方法和分层塞子所作的描述适用于理解第二层66可包含多于一个层。所述的多于一个的层可设置在之前的层上且向内朝向各通道的轴向中心，如同在之前的实施方式中所述的第二层66那样设置在第一层64上且向内朝向各通道的轴向中心。
本发明的示例性实施方式的优势包括对沿轴向和径向变化的塞子性质进行控制、CTE保护、降低起燃温度、质量更小而键和强度更高、塞子长度增加、塞子深度均匀以及上述优势的组合。
本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离本发明的精神或范围的情况下，对所述的示例性实施方式进行各种修改和变动。因此，本发明人的意图是所附权利要求书覆盖本发明的修改和变动，只要这些修改和变动在所附权利要求书和其等同内容的范围之内。
Claims (22)
1.一种多孔陶瓷蜂窝体，其包含：
交叉壁，所述交叉壁形成从第一端面向第二端面轴向延伸的通道；和
塞子，所述塞子对所述通道在所述第一端面处的第一部分和所述通道在所述第二端面处的第二部分中的至少一种进行密封，所述塞子包含：
设置在各通道的所述壁上的第一层、和设置在所述第一层上且向内朝向各通道的轴向中心的第二层。
2.如权利要求1所述的多孔陶瓷蜂窝体，其特征在于，所述第一层包含第一组合物，所述第二层包含第二组合物。
3.如权利要求1或2所述的多孔陶瓷蜂窝体，其特征在于，所述第二组合物不同于所述第一组合物。
4.如权利要求1～3中任一项所述的多孔陶瓷蜂窝体，其特征在于，
所述第一组合物包含第一胶体二氧化硅组合物和第一无机粉末组分，
所述第二组合物包含第二胶体二氧化硅组合物和第二无机粉末组分，
且所述第一无机粉末组分的平均粒径小于所述第二无机粉末组分的平均粒径，
且所述第一胶体二氧化硅组合物的平均粒径大于所述第二胶体二氧化硅组合物的平均粒径。
5.如权利要求1～4中任一项所述的多孔陶瓷蜂窝体，其特征在于，所述第一胶体二氧化硅组合物具有多峰粒径分布。
6.如权利要求1～5中任一项所述的多孔陶瓷蜂窝体，其特征在于，所述第一组合物包含凝胶状的第一胶体二氧化硅组合物，所述第二组合物包含非凝胶状的第二胶体二氧化硅组合物。
7.如权利要求1～6中任一项所述的多孔陶瓷蜂窝体，其特征在于，所述第一组合物包含被吸收入所述蜂窝体的壁中的钝化层，所述钝化层配置成防止所述第二组合物的组分渗透入所述蜂窝体的壁的细孔和微裂纹结构中。
8.如权利要求1～7中任一项所述的多孔陶瓷蜂窝体，其特征在于，所述第一组合物包含能够通过热处理和化学处理中的至少一种被除去的暂存组分。
9.如权利要求1～8中任一项所述的多孔陶瓷蜂窝体，其特征在于，所述第一层和所述第二层中的至少一种包含所述塞子的结构的催化活性组分或化学活性组分。
10.如权利要求1～9中任一项所述的多孔陶瓷蜂窝体，其特征在于，所述催化活性组分在NOx还原反应中具有催化活性，所述化学活性组分在烃还原反应中具有化学活性。
11.如权利要求1～10中任一项所述的多孔陶瓷蜂窝体，其特征在于，所述第一层具有第一性质，所述第二层具有不同于所述第一性质的第二性质。
12.如权利要求1～11中任一项所述的多孔陶瓷蜂窝体，其特征在于，所述第一层具有第一孔隙率，所述第二层具有不同于所述第一孔隙率的第二孔隙率。
13.如权利要求1～12中任一项所述的多孔陶瓷蜂窝体，其特征在于，所述第一层具有第一热膨胀系数保护(CP1)，所述第二层具有不同于所述第一热膨胀系数保护(CP1)的第二热膨胀系数保护(CP2)，
且所述壁具有当所述第一层和所述第二层中的至少一种被设置在所述壁上时局部增大的热膨胀系数(CTE3)。
14.如权利要求1～13中任一项所述的多孔陶瓷蜂窝体，其特征在于，CP2＜CP1，且更大的热膨胀系数保护表示所述壁的CTE3增大的程度更小。
15.如权利要求1～14中任一项所述的多孔陶瓷蜂窝体，其特征在于，所述第二层包含多个层，所述多个层被设置在之前的层之上且向内朝向各所述通道的轴向中心。
16.如权利要求1～15中任一项所述的多孔陶瓷蜂窝体，其特征在于，对所述通道在所述第一端面处的所述第一部分和所述通道在所述第二端面处的所述第二部分中的至少一种进行密封的所述塞子被设置在与相应各端面隔开的相应各通道中。
17.一种封堵多孔陶瓷蜂窝体的方法，所述多孔陶瓷蜂窝体包含形成从第一端面向第二端面轴向延伸的通道的交叉壁，所述方法包括：
在第二层料饼上设置第一层料饼；
将所述第二层料饼设置在载体上；
沿轴向方向将所述载体与所述多孔陶瓷蜂窝体压制在一起一段预定的距离，以将所述第一层和所述第二层注入所述通道在所述第一端面处的第一部分和所述通道在所述第二端面处的第二部分中的至少一种之中，以形成对所述通道在所述第一端面处的所述第一部分和所述通道在所述第二端面处的所述第二部分中的至少一种进行密封的塞子，所述塞子包含设置在各通道的壁上的第一层料饼组合物的第一层、和设置在所述第一层上且向内朝向各通道的轴向中心的第二层料饼组合物的第二层。
18.如权利要求17所述的封堵多孔陶瓷蜂窝体的方法，其特征在于，还包括在将所述载体与所述多孔陶瓷蜂窝体压制在一起之前，在所述第一端面和所述第二端面中的至少一种上设置掩模。
19.如权利要求17或18所述的封堵多孔陶瓷蜂窝体的方法，其特征在于，还包括在将所述载体与所述多孔陶瓷蜂窝体压制在一起之前，对所述载体进行密封，且所述掩模形成含有位于所述第二层料饼上的第一层料饼的储存空间。
20.如权利要求17～19中任一项所述的封堵多孔陶瓷蜂窝体的方法，其特征在于，还包括：
使所述载体和所述多孔陶瓷蜂窝体缩回；以及
使分离部件在所述第一端面和所述第二端面中的至少一种与所述载体之间通过。
21.如权利要求17～20中任一项所述的封堵多孔陶瓷蜂窝体的方法，其特征在于，
在第二层料饼上设置第一层料饼还包括通过在第三层料饼上设置至少一个附加层料饼来形成所述第二层料饼。
22.如权利要求17～21中任一项所述的封堵多孔陶瓷蜂窝体的方法，其特征在于，所述第一层料饼包含第一组合物，所述第二层料饼包含第二组合物。
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