CN109944662A - 蜂窝结构体和蜂窝结构过滤器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种蜂窝结构体和蜂窝结构过滤器，属于车载尾气净化材料领域。该蜂窝结构体包括蜂窝主体和围绕蜂窝主体的表皮层，所述蜂窝主体包括由多孔壁限定的轴向延伸的通道，所述蜂窝主体的径向截面的自中心轴线向至表皮层的径向路径依次由多孔壁内段和多孔壁外段组成，所述多孔壁内段设置的内多孔壁的平均壁厚小于多孔壁外段设置的外多孔壁的平均壁厚，所述径向路径中的多孔壁内段长度占比为71％‑95％。本申请的蜂窝结构体的特定结构的设置方既增加了蜂窝结构体的强度，又保证其良好的抗热冲击性能和较小的背压，且本申请的蜂窝结构体的通过一体成型制得，生产效率高、制备成本低。

Description

蜂窝结构体和蜂窝结构过滤器

技术领域

本申请涉及一种蜂窝结构体和蜂窝结构过滤器，属于车载尾气净化材料领域。

背景技术

颗粒过滤器用于过滤汽油和柴油车排放的细微颗粒物(PM)。颗粒过滤器结构由蜂窝本体和堵孔部分构成。多孔壁间隔的隔室构成蜂窝本体，堵孔部在蜂窝本体的进口端和出口端形成“国际象棋”式交叉。发动机排出的尾气通过蜂窝过滤器的进口端，气体携带的细微颗粒物被封孔部截留，气体穿过多孔隔壁进入相邻隔室流出。蜂窝颗粒过滤器分为汽油颗粒过滤器(GPF)和柴油颗粒过滤器(DPF)，蜂窝颗粒过滤器的材料成熟为陶瓷蜂窝过滤器。

随着排放法规对PM和PN的严格限制，要求颗粒过滤器具有较高的气孔率，如汽油颗粒过滤器的孔隙率为60～70％，高气孔率导致颗粒过滤器的强度低。在生产过程、产品运输、催化剂涂覆、以及封装过程中都可能造成缺陷，严重的会造成开裂，导致产品的报废。

针对高孔隙率颗粒过滤器如汽油颗粒过滤器强度不足的问题。现有技术中通过挤压成型出“一体型蜂窝陶瓷结构体”后，利用喷涂方法在第一外周壁配设第二外周壁，弥补第一外周壁强度的不足。另外，还存在同DPF外周表皮层处理的技术，即通过外圆磨削的加工手段，去除蜂窝陶瓷结构体的外周壁；然后采用植皮工艺，将包含无机陶瓷材料的涂布材料来代替除去的外周壁，形成外周涂布蜂窝陶瓷体。二次涂布蜂窝陶瓷体和外周涂布蜂窝陶瓷体均可以加强蜂窝陶瓷外周的强度，但二次涂布和外周涂布均要多加工序，生产过程控制点增多，保证产品一致性的难度增加。另外，汽油颗粒过滤器体积小，多加工序会降低汽油颗粒过滤器的生产效率。

申请内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种蜂窝结构体和蜂窝结构过滤器，该蜂窝结构体体的结构的设置方式既增加了蜂窝结构体的强度，又保证其良好的抗热冲击性能和较小的背压；且本申请的蜂窝结构体的通过一体成型制得，生产效率高、制备成本低。

该蜂窝结构体包括蜂窝主体和围绕蜂窝主体的表皮层，所述蜂窝主体包括由多孔壁限定的轴向延伸的通道，所述蜂窝主体的径向截面的自中心轴线向至表皮层的径向路径依次由多孔壁内段和多孔壁外段组成，所述多孔壁内段设置的内多孔壁的平均壁厚小于多孔壁外段设置的外多孔壁的平均壁厚，所述径向路径中的多孔壁内段长度占比为71％-95％。

进一步地，所述径向路径中的多孔壁内段长度占比为75％-90％。更进一步地，所述径向路径中的多孔壁内段长度占比的下限选自80％或85％，上限选自80％或85％。当所述径向路径中的多孔壁内段长度占比小于71％时，会造成蜂窝结构体的背压显著升高；当所述径向路径中的多孔壁内段长度占比大于95％时，蜂窝结构体强度无明显增加。

可选地，所述内多孔壁与外多孔壁的平均壁厚的比值为1:1.1-1.8。进一步地，所述内多孔壁与外多孔壁的平均壁厚的比值为1:1.1-1.7。更进一步地，所述内多孔壁与外多孔壁的平均壁厚的比值为1:1.3-1.5。外多孔壁壁厚增加，可以增加蜂窝结构体的强度，当内多孔壁与外多孔壁的平均壁厚的比值为小于1:1.1时，蜂窝陶瓷强度无明显增加；当内多孔壁与外多孔壁的平均壁厚的比值为大于1:1.8时，壁厚差异过大导致蜂窝结构体的抗热冲击性能降低。

可选地，所述内多孔壁和/或外多孔壁为均匀壁厚。进一步地，所述内多孔壁和外多孔壁为均匀壁厚。

可选地，所述内多孔壁厚为0.15-0.40mm。优选地，所述内多孔壁厚为0.22mm。

可选地，所述表皮层的厚度为0.5mm-1.1mm。进一步地，所述表皮层的厚度为0.7mm-1mm。更进一步地，所述表皮层的厚度为0.8mm-0.9mm。表皮层厚度在0.5mm以上时，高气孔率的表皮层可以承受较大的断裂应力，等静压强度明显提升，如果表皮层厚度小于0.5mm时，表皮层强度不足容易发生破损；表皮层厚度大于1.1mm，陶瓷原料的定向排布变差导致热震性能降低和，表皮层厚度过厚在成型过程中会造成与表皮层连接的外多孔壁的扭曲，造成其它性能的降低。

本申请通过增加表皮层厚度以及与表皮层相连区域的外多孔壁壁厚，提高蜂窝结构体的等静压强度；同时又保证良好的抗热冲击性能和较小的背压。

可选地，所述蜂窝主体为圆柱体，所述通道的径向截面为方格，所述通道包括进口通道和出口通道。进一步地，所述通道的径向截面包括圆角或倒角的方格，或其它任一形状。

进一步地，蜂窝结构体的蜂窝主体和表皮层一体成型制得。

可选地，所述蜂窝结构体的制备方法包括下述步骤：将质量比为70-120：4-8：12-18：0.5-3的陶瓷原料、粘结剂、造孔剂和润滑剂混合，捏合成坯土后，经挤出成型、切割、烘干、定型、堵孔和烧结后制得所述的蜂窝结构体。

进一步地，陶瓷原料、粘结剂、造孔剂和润滑剂的质量比为100：6：15：2。

进一步地，所述陶瓷原料选自可烧制成堇青石蜂窝陶瓷的滑石、高岭土、煅烧高岭土、氧化铝、氢氧化铝、勃姆石和氧化硅混合物。

可选地，粘结剂选自甲基纤维素和/或羟丙基甲基纤维素。进一步地，所述粘结为羟丙基甲基纤维素。

可选地，造孔剂选自马铃薯淀粉、木薯淀粉、玉米淀粉的一种或多种的混合物。进一步地，所述造孔剂选用马铃薯淀粉。更进一步地，所述造孔剂选用马铃薯淀粉。

可选地，润滑剂选自妥尔油脂肪酸、色拉油和菜籽油中的至少一种。进一步地，所述润滑剂为妥尔油脂肪酸。

可选地，所述蜂窝结构体的材料选自堇青石、碳化硅、金属、钛酸铝和莫来石的至少一种。进一步地，所述蜂窝结构体体的材料选自堇青石。

根据本申请的另一个方面，提供了一种蜂窝结构体的制备方法，该方法将原料通过挤出机制得蜂窝主体和表皮层层一体成型的蜂窝结构体。

根据本申请的又一个方面，提供了一种蜂窝结构过滤器，所述蜂窝结构过滤器由蜂窝结构体制成，所述的蜂窝结构体选自上述任一的蜂窝结构体和上述任一方法制备的蜂窝结构体。

可选地，所述的蜂窝结构过滤器将蜂窝结构体进行催化剂涂覆和封装过程后制得。

本申请的有益效果包括但不限于：

1.根据本申请的蜂窝结构体，其表皮层厚度和与表皮接近的蜂窝主体的外多孔壁厚的增加可以蜂窝结构体强度，同时限定外多孔壁厚增加的区域和不同壁厚的比值，使得蜂窝结构体既满足强度增加的效果，又有良好的抗热冲击性能和较小的背压。

2.根据本申请的蜂窝结构体的制备方法，该蜂窝结构体的制备方法通过将蜂窝主体和表皮层一体成型，表皮层不用再次处理，生产效率高、制备成本低。

3.根据本申请的蜂窝结构过滤器，该过滤器作为车载过滤器如汽油颗粒捕集器时既具有高强度，又有良好的抗热冲击性能和较小的背压。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例涉及的蜂窝结构体的立体示意图。

图2为本申请实施例涉及的蜂窝结构体的俯视示意图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料和催化剂均通过商业途径购买。

本申请的实施例中分析方法如下：

利用不锈钢压力容器进行等静压强度测试。等静压强度分析方法包括：①将评价对象套入中空的圆柱橡胶套，评价对象被橡胶套紧密包裹，橡胶套两端用盖板密封；②将以上整体投入到以水为介质的容器中，密闭该容器；③对该密闭容器进行加压，到达某一设定压力时，保温5min，如果在5min内听到响声，则说明评价对象无法通过该设定压力；如果5min内未听到响声，则说明评价对象可以通过该设定压力。

利用SuperFlow公司SF-1020型号的流量背压测试仪进行背压测试。背压测试的方法包括：设定空气流量6Nm³/min，将实施例的背压值进行比较评价。

利用马弗炉进行抗热冲击性测试。将评价对象的蜂窝结构体投入到已达到规定温度的电阻炉中，保温30min后，从电阻炉中取出汽油颗粒过滤器，第一时间观察皮肤和端面是否开裂。如果没有发现开裂，冷却至室温(25℃)后再投入电炉中。重复以上过程三次，如果发现开裂，停止测试。如果未发现开裂，电阻炉升温50℃，再次重复以上过程三次。将开裂发生的温度作为评价的标准。

下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。

蜂窝结构体的强度(如等静压强度)、背压和抗热冲击性能为相关性能，在改变蜂窝结构体的结构参数时可提高部分的性能，但是往往会降低其它性能，关键是如何制得综合性能高的蜂窝结构体。通过增加多孔壁的壁厚的方式增加蜂窝结构体的强度是容易想到的，但在增加多孔壁的壁厚的同时会造成背压的增大和抗热冲击性能的降低，本申请提供了一种蜂窝结构体既可满足强度的增加又可使得背压和抗热冲击性能好。

本申请提供一种蜂窝结构体，可用于汽油颗粒过滤器或柴油颗粒过滤器，结构参考图1和图2。该蜂窝结构体包括蜂窝主体1和围绕蜂窝主体的表皮层2，蜂窝主体1包括由多孔壁限定的轴向延伸的通道。蜂窝主体1的径向截面的自中心轴线X的沿径向至表皮层2的径向路径L1由多孔壁内段L2和多孔壁外段L3组成，多孔壁内段L2设置的内多孔壁11的平均壁厚小于多孔壁外段L3设置的外多孔壁12的平均壁厚，多孔壁内段L2在径向路径L1中的长度占比为71％-95％，优选的径向路径L1中的多孔壁内段L2长度占比为75％-90％。径向路径L1由多孔壁内段L2和多孔壁外段L3组成。当径向路径中的多孔壁内段长度占比小于71％时，会造成蜂窝结构体的背压显著升高；当径向路径中的多孔壁内段长度占比大于95％时，蜂窝结构体强度无明显增加。

蜂窝主体1为但不限于圆柱状，通道可不堵孔3或、通过堵孔3形成进气通道和出气通道。堵孔3的方式有多种，可以但不限于蜂窝主体的进气端面和出气端面为“国际象棋”式交叉排布堵孔。表皮层2与蜂窝主体1可以为一体成型或粘接成型。

内多孔壁11和外多孔壁12可以为均匀壁厚或非均匀壁厚。内多孔壁11和外多孔壁12可为非均匀壁厚时，内多孔壁11厚的最大值不大于外多孔壁12厚的最小值。内多孔壁11厚和外多孔壁12厚可设置为蜂窝主体的径向截面的自中心轴线的沿径向至表皮层的径向路径壁厚均匀增大。内多孔壁11和外多孔壁12的孔密度大致相同。

内多孔壁11与外多孔壁12的平均壁厚的比值为1:1.1-1.8。优选的，内多孔壁11与外多孔壁12的平均壁厚的比值为1:1.1-1.7。更优选的，内多孔壁11与外多孔壁12的平均壁厚的比值为1:1.3-1.5。外多孔壁12壁厚增加，可以增加蜂窝结构体的强度，当内多孔壁11与外多孔壁12的平均壁厚的比值为小于1:1.1时，蜂窝陶瓷强度无明显增加；当内多孔壁11与外多孔壁12的平均壁厚的比值为大于1:1.8时，壁厚差异过大导致蜂窝结构体的抗热冲击性能降低。

优选的，内多孔壁厚为0.15-0.40mm。更优选的内多孔壁厚为0.22mm。优选的，内多孔壁11和外多孔壁12为均匀壁厚。

可选地，表皮层的厚度为0.5mm-1.1mm。进一步地，表皮层的厚度为0.7mm-1mm。更进一步地，表皮层的厚度为0.8mm-0.9mm。表皮层厚度在0.5mm以上时，高气孔率的表皮层可以承受较大的断裂应力，等静压强度明显提升，如果表皮层厚度小于0.5mm时，表皮层强度不足容易发生破损；表皮层厚度大于1.1mm，陶瓷原料的定向排布变差导致热震性能降低和，表皮层厚度过厚在成型过程中会造成与表皮层连接的多孔壁的扭曲，造成其它性能的降低。

实施例1蜂窝结构体1#的制备

蜂窝结构体1#的制备方法包括下述步骤：

1)坯土的制备：将100g可烧制成堇青石蜂窝陶瓷的陶瓷原料、6g粘结剂、15g造孔剂和2g润滑剂在犁刀中混合，混合后的泥料经过捏合或炼泥制成坯土；陶瓷坯土原料可选用可制成堇青石的滑石、高岭土、煅烧高岭土、氧化铝、氢氧化铝、勃姆石和氧化硅的混合物；粘结剂选用羟丙基甲基纤维素；造孔材选用马铃薯淀粉；润滑剂选用妥尔油脂肪酸。

2)素坯的制备：将坯土用双螺杆挤出机挤出成型，通过第一模具制成圆柱状的蜂窝结构素坯初品后，切割、微波烘干、制成特定高度的蜂窝陶瓷素坯；

3)堵孔：将蜂窝陶瓷素坯用激光打孔和堵孔后形成“国际象棋”式交叉堵孔的蜂窝结构体；

4)烧结：将堵孔后的蜂窝陶瓷素坯经过排胶和烧结后制得蜂窝结构体1#。蜂窝结构体1#的表皮层厚度为0.80mm，外多孔壁厚0.30mm，内多孔壁厚0.22mm，多孔壁内段与多孔壁外段和多孔壁内段之和比值(L2/L1)为0.8:1。

实施例2蜂窝结构体2#-9#、对比蜂窝结构体1#-6#的制备

按照实施例1制备方法使用不同的模具分别制备蜂窝结构体2#、蜂窝结构体3#、蜂窝结构体4#、蜂窝结构体5#、蜂窝结构体6#、蜂窝结构体7#、蜂窝结构体8#、、蜂窝结构体9#、对比蜂窝结构体1#、对比蜂窝结构体2#、对比蜂窝结构体3#、对比蜂窝结构体4#、对比蜂窝结构体5#和对比蜂窝结构体6#。蜂窝结构体2#-9#、对比蜂窝结构体1#-6#的结构参数：表皮层厚度、外多孔壁厚D1、外多孔壁厚与内多孔壁厚(D1/D2)的比值和、多孔壁内段和多孔壁外段之和即径向路径中的多孔壁内段的占比(L2/L1)，如表1所示，蜂窝结构体1#-9#、对比蜂窝结构体1#-6#的内多孔壁和外多孔壁都为均匀壁厚。

表1

实施例3蜂窝结构体1#-9#、对比蜂窝结构体1#-6#的性能测试

分别对实施例1和2制备的蜂窝结构体1#-9#、对比蜂窝结构体1#-6#的等静压强度、背压和抗热冲击性进行测试。其中，背压测试以蜂窝结构体1#的背压测试值为100％，蜂窝结构体2#-9#、对比蜂窝结构体1#-6#的背压测试值与蜂窝结构体1#进行比较评价；如果超过100％，说明其背压大于蜂窝结构体1#，若小于100％，说明其背压小于蜂窝结构体1#。对以上三个指标进行综合评价，定义等静压强度≥1.05Mpa，背压≤115％，耐热冲击大于650℃的蜂窝结构体评价为“合格”，不符合任何以上三个评价标准一项的视为“不合格”。蜂窝结构体1#-9#、对比蜂窝结构体1#-6#的等静压强度、背压和耐热冲击性的测试结果如表2所示。

表2

蜂窝结构体1#-9#的等静压强度、背压和抗热冲击性综合评价为“合格”。其中，蜂窝结构体9#的等静压强度、背压和抗热冲击性综合性能最好。对比蜂窝结构体1#-2#的表皮层厚度影响等静压强度和抗热冲击性，表皮层厚度小等静压强度小于1.05Mpa，表皮层厚度大抗热冲击性不足导致评价为“不合格”。对比蜂窝结构体3#-4#由于壁厚增强区域比例的过大或大小导致评价为“不合格”；当壁厚增强区域过大，即L2/L1过小，背压明显上升；当壁厚增强区域过小，即L2/L1过大，无法提高等静压强度。对比蜂窝结构体5#的外多孔壁壁厚壁内多孔壁壁厚增强过多则导致性能裂化评价为“不合格”，所以壁厚增强过多，壁厚差异过大，抗热冲击性降低。对比蜂窝结构体6#的壁厚为均匀壁厚没有增强，等静压强度小为“不合格”。

以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种蜂窝结构体，包括蜂窝主体和围绕蜂窝主体的表皮层，所述蜂窝主体包括由多孔壁限定的轴向延伸的通道，其特征在于，所述蜂窝主体的径向截面的自中心轴线向至表皮层的径向路径依次由多孔壁内段和多孔壁外段组成，所述多孔壁内段设置的内多孔壁的平均壁厚小于多孔壁外段设置的外多孔壁的平均壁厚，所述径向路径中的多孔壁内段长度占比为71％-95％。

2.根据权利要求1所述的蜂窝结构体，其特征在于，所述径向路径中的多孔壁内段长度占比为75％-90％。

3.根据权利要求1所述的蜂窝结构体，其特征在于，所述内多孔壁与外多孔壁的平均壁厚的比值为1:1.1-1.8。

4.根据权利要求1所述的蜂窝结构体，其特征在于，所述内多孔壁与外多孔壁的平均壁厚的比值为1:1.1-1.7；

优选地，所述内多孔壁与外多孔壁的平均壁厚的比值为1:1.3-1.5。

5.根据权利要求1所述的蜂窝结构体，其特征在于，所述内多孔壁和/或外多孔壁为均匀壁厚；

优选地，所述内多孔壁厚为0.15-0.40mm。

6.根据权利要求1所述的蜂窝结构体，其特征在于，所述表皮层的厚度为0.5mm-1.1mm。

7.根据权利要求1所述的蜂窝结构体，其特征在于，所述表皮层的厚度为0.7mm-1mm。

8.根据权利要求1所述的蜂窝结构体，其特征在于，所述蜂窝主体为圆柱体，所述通道的径向截面为方格状结构，所述通道包括进气通道和出气通道。

9.权利要求1-8中任一项所述的蜂窝结构体的制备方法，其特征在于，该方法将原料通过挤出机制得蜂窝主体和表皮层一体成型的蜂窝结构体。

10.一种蜂窝结构过滤器，其特征在于，其由蜂窝结构体制成，所述的蜂窝结构体选自权利要求1-8中任一项所述的蜂窝结构体和权利要求9所述的方法制备的蜂窝结构体中的至少一种。