CN112118909A - 多晶硅铝酸盐陶瓷长丝、纤维和非织造垫及其制备和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种非织造制品，该非织造制品包括具有最长主表面尺寸和最短主表面尺寸的二维非织造结构，所述二维非织造结构包含多根不连续多晶硅铝酸盐陶瓷纤维，该多根不连续多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的长度等于二维非织造结构的最长或最短主表面尺寸或者其长度介于那些尺寸之间。
Description
技术领域
本公开涉及制备多晶硅铝酸盐陶瓷连续长丝和不连续纤维、由此类陶瓷长丝和纤维制成的未焙烧(即，生坯)和经焙烧的非织造幅材以及由此类未焙烧(即，生坯)和经焙烧的非织造幅材制成的未焙烧(即，生坯)和经焙烧的非织造结构(例如，非织造陶瓷纤维片材和垫)的方法。更具体地讲，本公开涉及可用于各种商业(例如，汽车、航空航天、工业等)应用(例如，用于电动车辆的绝缘和保护电池、用在内燃机的污染控制装置和其他排气系统部件中的安装和绝缘应用等)的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝、纤维以及非织造陶瓷纤维结构。
背景技术
有许多商业应用需要使用具有耐高温性、高温绝缘性能、高耐腐蚀性等的纤维材料。例如，在机动车辆上采用污染控制装置来控制大气污染。当前广泛使用两种类型的此类装置：催化转化器和柴油颗粒过滤器或捕集器。催化转化器包括催化剂，该催化剂通常涂覆到安装在转化器中的单片结构上。单片结构通常为陶瓷的，但也使用过金属单片。催化剂氧化一氧化碳和碳氢化合物，并减少汽车废气中的氮氧化物，以控制大气污染。柴油颗粒过滤器或捕集器通常为壁流式过滤器，其具有通常由多孔晶体陶瓷材料制成的蜂窝状单片结构。通常，如所构造的，这些装置的每种类型都具有将单片结构或元件保持在其内的金属壳体，该单片结构或元件可以是金属或陶瓷，并且最常见的是陶瓷。陶瓷单片一般具有很薄的壁以提供大量的表面区域，并且是易碎的且容易断裂。它也具有一般比容纳它的金属壳体(通常为不锈钢)小一个数量级的热膨胀系数。
为了避免路面冲击和振动对陶瓷单片造成损坏，为了补偿热膨胀差，并且为了防止废气穿过单片与金属壳体之间，在陶瓷单片与金属壳体之间常常设置有陶瓷垫或膨胀型片状材料。还将陶瓷单片和安装材料设置或插入在金属壳体内的过程称为封装并且包括诸如以下的过程：将膨胀型片材或陶瓷垫包绕在单片周围并且将包绕的单片插入到壳体中。
为了使催化转化器正常工作，它们必须达到其起燃温度。直到达到了其起燃温度，才可能发生污染物排放。为了缩短达到起燃温度所需的时间，应将从发动机到排放控制装置的废气的热量保持在排放系统组件内部。这将减少废气污染物在不被催化的情况下通过排气系统的时间量，并且继而将减少释放到大气的污染物的量。
已知使用安装在排气管或消声器外部的陶瓷绝缘毯或垫来使汽车发动机排气管和催化消声器绝缘。绝缘材料通常由热屏蔽件覆盖或放置在套管式组件中以保护绝缘垫的外部。
发明内容
用于制备非织造幅材的工艺一般被表征为连续长丝纺丝工艺或不连续纤维吹制工艺。长丝纺丝工艺产生通常呈粗纱形式的连续或基本上连续的长丝，其通常需要进一步加工以转化成包含通过对连续和基本上连续的长丝进行分段(例如，通过短切)而产生的不连续纤维的非织造垫。粗纱中的连续长丝通常被短切成较短的纤维股线，该较短的纤维股线可在铺设(例如，通过湿法成网或气流成网)成均匀垫之前被开松成单独的纤维，并且随后通过机械或化学方式固结。这种工艺通常导致一定程度上均匀的纤维直径分布，但由于高成本、大量的工艺步骤以及工艺固有的生产率限制，它不是生产多晶纤维垫的商业上可行的解决方案。
使用纤维吹制工艺还可产生不连续陶瓷纤维。在纤维吹制工艺中，将初始低粘度陶瓷前体分散体或溶胶泵送通过喷嘴，然后使用高速气流将其拉伸和原纤化以形成离散纤维，该离散纤维随后被收集以形成非织造生坯(未焙烧)纤维垫，该非织造生坯纤维垫随后在升高的温度下焙烧以形成非织造陶瓷长丝垫。在纤维形成步骤中低粘度和高流速的组合通常导致宽的纤维直径分布和纤维直径变化性的宽变化，这不允许精确控制用于商业生产的不可呼吸的多晶陶瓷长丝或纤维或者包含此类长丝或纤维的制品的纤维直径。
多晶氧化铝、二氧化硅和硅铝酸盐纤维可承受高操作温度，并且使用非织造陶瓷垫中的那种类型的纤维的若干可商购获得的产品已经用于汽车工业。这些垫中的大多数使用离散的(即，不连续的)陶瓷纤维制成，诸如例如，购自纽约州托纳万达的奇耐联合纤维公司(Unifrax(Tonawanda,NY))的Saffil LDM氧化铝纤维，或购自日本东京的三菱树脂株式会社(Mitsubishi Plastic,Inc.(Tokyo,Japan))的MLS2和MLS3氧化铝/二氧化硅纤维。直径小于3微米的纤维可在所有这些可商购获得的离散陶瓷纤维和用它们制成的产品中找到，这使得纤维可能是可呼吸的(例如，可透气的)。
已知所制造的陶瓷纤维产品在它们的生产和使用期间通常会释放气载可呼吸纤维。可呼吸纤维的直径上限通常被认为是3微米(μm)。在三个耐火陶瓷纤维制造设施中，约90％的空气传播纤维被确定为可呼吸的(即，直径<3μm)，并且约95％的空气传播纤维长度小于50μm(参见例如NIOSH 2006，推荐标准的规范：耐火陶瓷纤维的职业暴露。国家职业安全和健康研究所；http://www.cdc.gov/niosh/docs/2006-123)。
尽管通过向非织造的离散硅铝酸盐陶瓷长丝和由其形成的纤维垫中添加有机和无机粘结剂可以减轻这些与可呼吸的硅铝酸盐纤维有关的健康问题中的一些(因此限制了纤维在空气中传播的风险)，但是仍需要高性能、不可呼吸的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝以及由其制备的非织造幅材和垫，其满足对不可呼吸的纤维的要求(即，长度/直径(L/D)>3:1，并且纤维直径大于3微米)。
简而言之，在一个方面，本公开描述了一种非织造幅材，该非织造幅材包含多根多晶硅铝酸盐陶瓷长丝以形成非织造幅材。可期望长丝缠结并且非织造幅材为内聚的。硅铝酸盐陶瓷长丝可具有小于75重量％、70重量％、65重量％、60重量％、55重量％、50重量％、45重量％、40重量％、35重量％、30重量％或25重量％的平均莫来石百分比；至少20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％、45重量％、50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％的平均莫来石百分比；或者介于任何这些上限和下限之间的任何值的平均莫来石百分比。当根据使用开放间隙设定的疲劳测试进行测量时，非织造幅材在900℃下在1,000次循环之后表现出至少30kPa、35kPa、40kPa、45kPa、50kPa、55kPa、60kPa或更高的压缩弹性。
如本文所用，对于垫、片材或毯所描述的任何公开内容可等同地应用到主要为二维非织造纤维结构的不连续纤维的任何非织造纤维结构，该二维非织造纤维结构的主表面尺寸为其厚度尺寸的至少10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、125、150、175或200倍或更多倍。如本文所用，术语“二维非织造结构”将用于指此类主要为二维的非织造纤维结构。因此，二维非织造结构将包括例如大致或总体为三维的中空圆锥体形或管状或盒状结构。可期望非织造纤维幅材的长丝以及二维非织造结构的纤维为不可呼吸的。
在附加的方面，本公开描述了一种非织造纤维幅材，该非织造纤维幅材包含多根、按重量计大部分(即，大于50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或更多)或者全部长丝，该长丝为连续或基本上连续的生坯或经焙烧的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝。该幅材可被加工成单层或多层的不连续纤维的二维非织造结构，其中至少一根、多根、按重量计大部分(即，大于50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或更多)或者全部纤维是生坯或经焙烧的，并且其长度等于二维非织造结构的最长或最短主表面尺寸(例如，垫、片材或毯的长度或宽度、管的周长等)或者其长度介于那些尺寸之间。当根据使用开放间隙设定的疲劳测试进行测量时，经焙烧的连续或基本上连续的长丝的非织造幅材在900℃下在1,000次循环之后可表现出至少50kPa、55kPa、60kPa、65kPa、70kPa、75kPa、80kPa或更高的压缩弹性。长丝可不缠结，并且非织造幅材可不是内聚的。可期望长丝缠结并且非织造幅材为内聚的。
已被焙烧的此类不连续纤维的二维非织造结构可由经焙烧的长丝的上述非织造纤维幅材制成。如果二维非织造结构由生坯长丝的非织造纤维幅材制成，则二维非织造结构将需要焙烧。无论哪种方式，当根据使用开放间隙设定的疲劳测试进行测量时，所得的经焙烧的不连续纤维的二维非织造结构在900℃下在1,000次循环之后也可表现出至少50kPa的压缩弹性。这些测试结果可能够通过极少或不通过对非织造幅材或二维非织造结构的任何针刺获得。这些测试结果也可能够从仅包含长丝的非织造幅材或仅包含纤维的二维非织造结构获得。
具有最长主表面尺寸和最短主表面尺寸的二维非织造结构，所述二维非织造结构包含多根不连续多晶硅铝酸盐陶瓷纤维，该多根不连续多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的长度等于二维非织造结构的最长或最短主表面尺寸或者其长度介于那些尺寸之间。
这些非织造纤维结构具有非常少的在z方向(平行于结构的厚度)上取向的纤维。已发现此类结构表现出非常高的压缩水平。无针刺，仅大致水平分层的长丝或纤维。
非织造生坯纤维幅材或结构可通过以下方式制备：将无机溶胶凝胶溶液递送穿过具有多个孔口的喷丝头组件以形成长丝流，在长丝流向下移动时对它们进行干燥并拉伸，并且然后在多孔收集器上截断长丝流。作为大量基本上连续的纤维(块状或垫状)沉积在收集器上的长丝采取不是特别可处理的连续幅材的形式。该连续幅材可通过被进一步加工而变得更易于处理。例如，此类后加工可包括但不限于缝合连续幅材和/或将连续幅材包封在薄外皮中。该薄外皮可为连续膜或高度多孔的(例如，呈结网的形式)。当薄外皮由聚合物或其他有机材料制成时，可优选使用呈结网形式的外皮以减少在垫的使用期间(即，在污染控制装置中)将烧掉的有机材料的量。还可能期望，此类有机外皮具有无摩擦或表现出相对较低摩擦系数(即，低于纤维垫表面本身的摩擦系数)的暴露表面，以便有利于垫和污染控制装置的壳体中的污染控制元件的组装(封装)。然后，此类低摩擦有机外皮将在非织造结构的使用期间被烧掉，从而暴露较高摩擦的纤维表面。图9描述了可用于本发明的长丝纺丝和非织造幅材或结构制备方法。
在另一方面，本公开描述了一种非织造纤维幅材，该非织造纤维幅材包含多根、按重量计大部分(即，大于50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或更多)或者全部长丝，该长丝为连续或基本上连续且经焙烧的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝，其中多根、按重量计大部分(即，大于50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或更多)或者全部经焙烧的长丝被经焙烧的前体无机粘结剂(例如，硅氧烷)内聚粘结在一起。每根内聚粘结的长丝在沿其长度的一个或多个位置处粘结到一根或多根其他长丝。以这种方式，该非织造幅材可被表征为内聚粘结的(即，非织造内聚粘结的幅材)。类似地，二维非织造纤维结构可以包含多根、按重量计大部分(即，大于50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或更多)或者全部不连续纤维，该不连续纤维为多晶硅铝酸盐陶瓷且经焙烧的不连续纤维，其中多根、按重量计大部分(即，大于50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或更多)或者全部经焙烧的纤维被经焙烧的前体无机粘结剂(例如，硅氧烷)内聚粘结在一起。每根内聚粘结的不连续纤维在沿其长度的一个或多个位置处粘结到一根或多根其他纤维。以这种方式，该二维非织造结构可被表征为内聚粘结的(即，内聚粘结的二维非织造结构)。该内聚粘结的二维非织造结构可由经焙烧的长丝的非织造内聚粘结的幅材形成(例如，切割、模制、成型等)。另选地，内聚粘结的二维非织造结构可由未焙烧或生坯长丝的非织造幅材形成(例如，切割、模制、成型等)，并且然后焙烧所得生坯结构。因此，前体无机粘结剂(例如，硅氧烷)可在其长丝被焙烧之前或之后被施加到非织造幅材。另选地，也可将前体无机粘结剂(例如，硅氧烷)施加到用经焙烧的纤维或生坯纤维形成的二维非织造结构，随后焙烧前体涂覆的二维非织造结构。
施加前体无机粘结剂(例如，硅氧烷)以便渗透按体积计大部分(即，大于25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或更多)或者全部(例如，通过将非织造幅材或二维非织造结构浸入前体无机粘结剂的浴中、通过将前体无机粘结剂喷涂到幅材或结构上等)。二维非织造结构的纤维的长度可小于或等于二维非织造结构的最长或最短主表面尺寸。可期望二维非织造结构的纤维的长度小于二维非织造结构的最长或最短主表面尺寸。也可期望二维非织造结构的纤维的长度大于二维非织造结构的厚度尺寸。
陶瓷非织造垫可商购获得，并且通常使用湿法成网和干法成网工艺由相对较短的纤维制成，或者机械缠结到针刺毯中。针刺毯可以100％百分比的陶瓷形式或形状获得，因为它们的完整性基于将陶瓷纤维互锁在一起，但只能制成平坦的二维形状。湿法成网陶瓷纤维垫可从由水、陶瓷纤维和潜在填料、有机粘结剂和/或无机粘结剂制成的浆料开始制备成三维形状(例如，中空截头圆锥体形状)。有机粘结剂(例如，作为液体、熔融纤维等)的使用对于确保最终三维结构的完整性、柔韧性和有效性是必要的。三维结构可使用干法成网工艺用陶瓷纤维实现，但将需要使用有机粘结剂来将三维结构保持在一起。
在另一方面，本公开描述了由多根、大部分或全部不连续多晶硅铝酸盐陶瓷纤维制成的三维非织造结构，其中三维非织造结构为自支承的而无需任何有机粘结剂含量。本文描述了此类三维非织造结构的组成和用于制备此类三维非织造结构的方法。
三维非织造结构(例如，垫、片材或毯)可由在焙烧之前使用干法成网工艺在三维模具(例如，参见图5的模具)的腔体中成型的未焙烧或生坯不连续多晶硅铝酸盐陶瓷纤维制成。三维非织造结构包括至少一个或多个三维模制特征结构，其中每个三维模制特征结构具有最短主表面尺寸。可期望每个这些三维模制特征结构用不连续纤维形成，该不连续纤维的长度小于或等于三维模制特征结构的最短主表面尺寸。
在焙烧工艺的初始阶段之前并且可能在焙烧工艺的初始阶段期间，在通过焙烧步骤充分强化生坯纤维之前，可通过使用有机粘结剂将生坯纤维非织造结构的三维形状保持在一起。可期望在将生坯不连续纤维形成为所需三维形状之前或之后，将前体无机粘结剂或其他无机粘结剂施加到生坯不连续纤维。此类前体无机粘结剂和/或其他无机粘结剂可有助于在焙烧工艺的后期阶段期间，当有机粘结剂被有效地烧掉时，以及在焙烧工艺完成并且三维非织造结构已冷却之后，保持非织造纤维结构的三维形状。
未焙烧的纤维或生坯纤维可溶于水中，直到它们暴露于升高的温度，诸如600℃或800℃或更高的温度。施加到生坯前体纤维或生坯前体非织造纤维结构的有机和无机粘结剂不应是水基的，因为它们将溶解纤维。因此，由于相同的原因，湿法成网工艺不应与此类生坯纤维一起使用。
该三维非织造结构可具有若干优点和用途。例如，在制造过程期间，在此类结构内形成的气阱或腔体可改善隔热或隔音性能。此类阱或腔体也可导致非织造结构的柔韧性的改善。此外，缺乏有机含量(即，100％无机材料组合物)可导致最终焙烧的三维非织造结构对于高温环境(即，将降解或燃烧有机材料的温度)、腐蚀性环境(即，可降解有机材料)或两者是期望的。填料可用于部分或完全填充此类阱或腔体内的空间。利用本发明，三维非织造结构可被制成具有有助于减少所用材料量(例如，堆密度)的形状或图案，这继而可减少非织造结构的重量，并且导致成本节约或易于安装或两者。
在另一方面，本公开描述了一种包括非织造幅材的制品，该非织造幅材具有多根不可呼吸的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝，该制品选自过滤制品、隔热制品、隔音制品、防火制品、安装垫制品、垫圈制品、催化剂载体制品以及它们的组合。在某些示例性实施方案中，制品被结合在污染控制装置中，该污染控制装置优选地选自催化转化器、消声器以及它们的组合。污染控制装置可安装在机动车辆的机动车辆排气系统中，该机动车辆选自汽车、摩托车、卡车、船、潜水艇或飞机。其他应用可受益于此类非织造幅材、二维非织造结构(例如，片材、垫和毯等)的高温、高隔绝性能和高耐腐蚀性，诸如用作热和/或防火屏障的制品。在此类应用中，例如，制品可用于防止电动车辆和其他车辆(例如，汽车、飞机、船舶、航天器等)电池和电池模块(例如，模块周围和/或模块之间)、航空航天应用、磨料、过滤等中或周围的热失控事件。
在另一方面，本公开描述了一种制备非织造幅材的方法，该方法包括使水性陶瓷前体溶胶流过至少一个孔口以产生至少一根基本上连续或连续的长丝，其中水性陶瓷前体溶胶包含分散在水中的氧化铝颗粒或二氧化硅颗粒中的至少一者，并且进一步地，其中水性陶瓷前体溶胶还包含可水解的含铝化合物或可水解的含硅化合物中的至少一者；从至少一根基本上连续或连续的长丝中除去水的至少一部分以至少部分地干燥至少一根基本上连续或连续的长丝；使至少部分地干燥的长丝通过缩束装置以将长丝拉伸至一直径；以及在收集器表面上收集至少部分地干燥的长丝作为非织造幅材。
在本公开的各种示例性实施方案中可获得各种意想不到的结果和优点。本公开的示例性实施方案的一个此类优点是多晶硅铝酸盐陶瓷长丝、幅材、垫和使用其制成的制品是不可呼吸的，并且因此不具有职业健康暴露的风险。另一个优点是多晶硅铝酸盐陶瓷长丝具有良好的导热特征。再一个优点是多晶硅铝酸盐陶瓷长丝包含高比例的莫来石，从而导致长丝耐久性和抗破损性的改善。还据信高莫来石(即，至少50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％或甚至90重量％或更多)改善陶瓷长丝的热机械特性(例如，在升高的温度下的热蠕变抗性)。
在某些示例性实施方案中，另一个优点是，当根据本文所述的疲劳测试进行测量时，非织造幅材或垫即使在900℃下在1,000次循环之后也具有优异的压缩弹性。因此，此类示例性非织造纤维幅材或垫在机动车辆隔绝应用和安装应用(例如，安装污染控制元件)中使用时遇到的压缩应力下保持其形状和隔热和/或隔音特征。这些和其它意想不到的结果和优点在以下例示性示例性实施方案和实施例的范围内。
已总结本公开的示例性实施方案的各种方面和优点。上面的发明内容并非旨在描述本公开的当前某些示例性实施方案的每个例示的实施方案或每种实施方式。下面的附图和具体实施方式更具体地举例说明了使用本文所公开的原理的某些优选实施方案。
附图说明
结合附图考虑以下对本公开的各种实施方案的详细描述可更全面地理解本公开，在附图中：
图1是根据本公开的一个实施方案的增强安装垫的剖视图；
图2是根据本公开的实施方案的包括增强安装垫的打开的污染控制装置的透视图，其中垫的多个部分被移除以便更清楚地看到硅铝酸盐陶瓷长丝；
图3是根据本发明的催化转化器的优选实施方案的放大透视图，如美国专利7,261,864中所示，该专利以引用方式全文并入本文；
图4A示出了干法成网或气流成网的成型箱的示意性侧视图，如美国专利9,834,875中所示，该专利以引用方式全文并入本文；
图4B示出了的里戈尔公司(Rigor)干法成网工艺/设备的示意性侧视图，如美国专利9,771,675的图3中所示，该专利以引用方式全文并入本文；
图5示出了可用于形成具有正方形切口形状/腔的图案化气流成网非织造垫的穿孔的图案化收集器表面的顶视图，如美国专利9,771,675中所示，该专利以引用方式全文并入本文；
图6A至图6E示出了根据本发明的不同放大倍数的经焙烧的陶瓷纤维之间的各种无机粘结的扫描电子显微图；
图7示出了来自实施例12的经焙烧的纤维之间的二氧化硅键的EDS元素图像；
图8A和图8B是来自实施例14的三维非织造纤维结构的不同视图；
图9是长丝和幅材形成工艺和设备的示意性侧视图；并且
图10是图9的长丝和幅材形成工艺和设备的示意性侧视图，其中图案化模具(如图5中所示的)设置在幅材形成收集器上和收集的非织造幅材的下面。
在附图中，相似的附图标号指示相似的元件。虽然可不按比例绘制的上面标识的附图阐述了本公开的各种实施方案，但还可想到如在具体实施方式中所提到的其它实施方案。在所有情况下，本公开以示例性实施方案的表示的方式而非通过表述限制来描述当前所公开的公开内容。应当理解，本领域的技术人员可想出许多其它修改和实施方案，这些修改和实施方案落在本公开的范围和实质内。
具体实施方式
对于以下定义术语的术语表，除非在权利要求书或说明书中的别处提供不同的定义，否则整个申请应以这些定义为准。
术语表
在整个说明书和权利要求书中使用某些术语，虽然大部分为人们所熟知，但仍可需要作出一些解释。应当理解：
关于特定层的术语“邻接”意指在某一位置与另一层接合或附接到另一层，在该位置处，两个层彼此紧挨(即，相邻)并直接接触，或彼此邻接但不直接接触(即，在两个层之间插入一个或多个附加层)。
通过所公开的涂覆制品中的各种元件的位置使用取向术语诸如“在...顶上”、“在...上”、“在...之上”“覆盖”、“最上方”、“在...下面”等，我们指元件相对于水平设置的、面向上方的基底的相对位置。然而，除非另外指明，否则本发明并非旨在基底或制品在制造期间或在制造后应具有任何特定的空间取向。
术语“一种(共)聚合物”或“多种(共)聚合物”包括均聚物和共聚物，以及(如通过共挤出或通过包括例如酯交换反应在内的反应)可在可混溶的共混物中形成的均聚物和共聚物。术语“共聚物”包括无规共聚物、嵌段共聚物和星形(例如，树枝状)共聚物。
关于单体、低聚物的术语“(甲基)丙烯酸酯”或意指作为醇与丙烯酸或甲基丙烯酸的反应产物形成的乙烯基官能烷基酯。
通过使用术语“由……分离”来描述层相对于其它层的位置，我们将该层称为被定位在两个其它层之间，但未必与任一层邻接或相邻。
关于数值或形状的术语“约”或“大约”意指该数值或特性或特征的+/-5％，但明确地包括确切的数值。例如，“约”1Pa-sec的粘度是指从0.95Pa-sec至1.05Pa-sec的粘度，但也明确地包括刚好1Pa-sec的粘度。类似地，“基本上正方形”的周边旨在描述具有四条侧棱的几何形状，其中每条侧棱的长度为任何其他侧棱的长度的95％至105％，但也包括其中每条侧棱刚好具有相同长度的几何形状。
术语“不可呼吸的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝”意指使用电子显微镜法测得的直径大于三微米的纤维。
非织造幅材或垫的“基重”可由10cm×10cm幅材或垫样品的重量计算。
非织造幅材或垫的“厚度”可在施加压力为150Pa的条件下，使用测试脚尺寸为5cm×12.5cm的厚度测试计在10cm×10cm幅材或垫样品上测量。
术语“堆密度”是每单位体积的构成幅材的本体陶瓷材料的质量，该术语取自文献。
关于特性或特征的术语“基本上”是指该特性或特征表现出的程度大于该特性或特征的相背对面表现出的程度。例如，“基本上”透明的基底是指与不透射(例如，吸收和反射)相比透射更多辐射(例如，可见光)的基底。因此，透射入射在其表面上的可见光多于50％的基底是基本上透明的，但透射入射在其表面上的可见光的50％或更少的基底不是基本上透明的。
术语“弹性”是指长丝、纤维、非织造幅材、垫或结构、或织物在被压皱或起皱时回弹的能力。
术语“缩束装置”是指用于将熔融聚合物或溶液吸入或拉入直径大大减小的长丝或纤维中的装置。
气流成网或干法成网是指通过将纤维分散在气流中并使用真空将它们从气流冷凝到移动筛网上形成幅材。
术语“内聚垫或幅材”是指在不使用粘结剂的情况下保持在一起的垫或幅材。
术语“分层垫”是指长丝在穿孔的移动筛网上连续积聚以构建厚度和基重，而无需后加工以产生附加的纤维内聚力或缠结或交叉铺网结构。由于幅材的形成，这些层可被分离成片材，所述片材为总体厚度的一部分，在纵向上具有相对较短的层。
交叉铺网机是用于在纤维幅材的整个宽度上折叠或分层纤维幅材的机器。交叉铺网机提供具有纵向纤维取向和横向纤维取向的幅材，可改变幅材宽度或幅材重量。多层幅材通过将幅材以与传送带行进方向成直角的方式来回铺放在传送带上而形成于其上。纤维的取向取决于多个因素，包括幅材递送的速度、传送带的速度和最终幅材的宽度。在许多情况下，大部分纤维将位于横向上。由于幅材的形成，折叠在彼此顶部上的各个层可在纵向和横向上彼此分离成相对较长的片材。
纵向是指幅材在形成时移动的方向。横向是指垂直于纵向的方向。
如本说明书和所附实施方案中所用，除非内容清楚指示其它含义，否则单数形式“一个”、“一种”和“该/所述”包括多个指代物。因此，例如，提及包含“一种化合物”的细纤维包括两种或更多种化合物的混合物。如本说明书和所附实施方案中所用的，除非所述内容明确地另有规定，否则术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用。
如本说明书中所用的，通过端点表述的数值范围包括该范围内所包括的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.8、4和5)。
除非另外指明，否则本说明书和实施方案中所使用的表达量或成分、特性测量等的所有数字在所有情况下均应理解成由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附实施方案列表中示出的数值参数可根据本领域的技术人员利用本公开的教导内容寻求获得的期望特性而变化。最低程度上说，并且在不试图将等同原则的应用限制到受权利要求书保护的实施方案的范围内的情况下，每个数值参数应至少根据所报告的有效位数并通过应用惯常的四舍五入法来解释。
在不脱离本公开实质和范围的情况下，可对本公开的示例性实施方案进行各种修改和更改。因此，应当理解，本公开的实施方案并不限于以下描述的示例性实施方案，而应受权利要求书及其任何等同物中示出的限制因素控制。
现在将具体参考附图对本公开的各种示例性实施方案进行描述。在不脱离本公开实质和范围的情况下，可对本公开的示例性实施方案进行各种修改和更改。因此，应当理解，本公开的实施方案并不限于以下所述的示例性实施方案，而应受权利要求书及其任何等同物中示出的限制因素的控制。
多晶硅铝酸盐陶瓷非织造制品
在一个示例性实施方案中，当前公开描述了一种非织造制品，该非织造制品包括缠结以分别形成内聚非织造幅材或二维非织造结构(例如，垫)的多根基本上连续或连续的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝或不连续的多晶硅铝酸盐陶瓷纤维。硅铝酸盐陶瓷长丝或纤维可具有至少45重量％的平均莫来石百分比。可期望长丝和纤维为不可呼吸的。幅材或二维非织造结构的厚度和基重可通过长丝或不连续纤维连续积聚到移动的穿孔筛网上来达到。以这种方式，可形成厚度和基重相对一致的分层或以其他方式连续的幅材。优选地，当根据使用开放间隙设定的疲劳测试进行测量时，内聚垫在900℃下在1,000次循环之后表现出至少50kPa的压缩弹性。
现在参见图1，根据本公开的实施方案的增强非织造垫10具有第一主表面12、第二主表面14和厚度(即，表面12与14之间的距离)。非织造幅材或垫10具有至少第一层16和任选的第二层18，并且可包括一个或多个附加层(附图中未示出)。每个垫层16和可选的垫层18包含平均莫来石百分比为至少45重量％的基本上连续或连续的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝20。
在一些示例性实施方案中，多晶硅铝酸盐陶瓷长丝20可以与其他长丝或纤维结合使用，优选地，其他长丝或纤维是不可呼吸的。因此，在某些示例性实施方案中，增强垫10可包括选自氧化铝纤维、二氧化硅纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、氧化铝-五氧化二磷纤维、氧化铝-氧化硼-二氧化硅纤维、氧化锆纤维、氧化锆-氧化铝纤维、氧化锆-二氧化硅纤维、以及它们的混合物或组合的其他长丝或纤维(未在附图中示出)，并且优选不可呼吸的长丝或纤维。
在另外的示例性实施方案中，多晶硅铝酸盐陶瓷长丝或纤维20可与其他任选的性能增强材料(例如，膨胀型材料或插入件、非膨胀型插入件、支撑网、粘结剂等)结合使用。因此，在图2所示的实施方案中，任选的增强网22被示出为设置在层16与任选的层18之间，以便与第一主表面12和第二主表面14大致共面。
合适的任选性能增强材料在例如美国专利3,001,571和3,916,057(Hatch等人)；4,305,992、4,385,135、5,254,416(Langer等人)；5,242,871(Hashimoto等人)；5,380,580(Rogers等人)；7,261,864B2(Watanabe)；5,385,873和5,207,989(MacNeil)；以及公布的PCT申请WO 97/48889(Sanocki等人)中有所描述，这些文献中的每篇文献的全部公开内容均以引用方式全文并入本文。
在某些示例性实施方案中，非织造幅材或垫10幅材还包含将多根多晶硅铝酸盐陶瓷长丝粘结在一起的粘结剂，该粘结剂选自无机粘结剂、有机粘结剂以及它们的组合。在一些此类实施方案中，该粘结剂是选自(甲基)丙烯酸类(共)聚合物、聚(乙烯基)醇、聚(乙烯基)吡咯烷酮、聚(环氧乙烷)、聚(乙酸乙烯酯)、聚烯烃、聚酯以及它们的组合的有机粘结剂。在其他实施方案中，该粘结剂是选自二氧化硅、氧化铝、氧化锆、高岭土、膨润土、硅酸盐、云母颗粒以及它们的组合的无机粘结剂。优选地，任选的粘结剂基本上不含有机硅材料。
在一个示例性实施方案中，本公开描述了一种分别包含多根基本上连续或连续的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝或不连续的多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的非织造幅材或二维非织造结构。二维非织造结构的不连续陶瓷纤维的长度等于二维非织造结构的最长或最短主表面尺寸(例如，垫、片材或毯的长度或宽度、非织造管或圆锥体的周长、非织造盒的外周长等)或者其长度介于那些尺寸之间。当根据报告开放间隙设定的疲劳测试进行测量时，连续或基本上连续的长丝的分层非织造幅材和二维非织造结构在900℃下在1,000次循环之后表现出至少50kPa的压缩弹性。
在一个示例性实施方案中，本公开还描述了(a)由通过经焙烧的前体无机粘结剂(例如硅氧烷)粘结在一起的基本上连续或连续的长丝制成的内聚粘结的非织造幅材和(b)由长度等于二维非织造结构的最长或最短主表面尺寸、长度介于这些尺寸之间或长度小于最短主表面尺寸的不连续纤维制成的内聚粘结的二维非织造结构。
在一个示例性实施方案中，本公开还描述了自支承的内聚粘结的三维陶瓷纤维非织造结构，而无需任何有机粘结剂含量。此类非织造纤维结构可为幅材、垫、片材或毯的形式，其具有形成于其相对主表面中的一者或两者中的三维图案化形状。
图3示出了污染控制装置10(例如，催化转化器、颗粒过滤器等)的典型示例，该污染控制装置设置有金属壳体11、位于金属壳体11内的整体式或多部件污染控制元件20(例如，催化元件、过滤元件等)，以及位于金属壳体11与污染控制元件20之间的安装垫30(例如，催化剂载体保持材料)。安装垫30将污染控制装置元件20(例如，催化元件)保持在壳体11中的适当位置，并密封元件20与壳体11之间的间隙，从而防止或最小化废气绕过污染控制元件20。保持材料30由无机纤维构成，所述无机纤维由硅酸铝纤维构成或包含硅酸铝纤维。保持材料30可以具有涂层31，以保护表面免受损坏。如果不是必要的，则可省略涂层31。废气入口12和废气出口13可各自具有结合到污染控制装置10的壳体11的形状中的截头圆锥体形状。
在某些示例性实施方案中，将前体无机粘结剂施用到前体生坯非织造幅材或二维非织造结构上。在焙烧工艺期间，前体无机粘结剂转化成纤维之间的无机粘结。在一些此类实施方案中，前体粘结剂来自硅氧烷家族(硅油等)。优选地，前体无机粘结剂为油基液体，或者另外为不包含水的液体。至少一些液体前体无机粘结剂在被施加之后可表现出一些表面张力，这可导致液体在相邻长丝或纤维之间的交汇点和/或接触点处积聚。在被充分加热(例如，焙烧)以使前体形成无机粘结剂之后，相邻长丝或纤维可在那些交汇点和接触点处变得粘结。长丝与纤维之间的粘结点的程度可通过施用多少前体无机粘结剂来调节，并且在液体前体的情况下，可通过液体前体的粘度来调节。可以这种方式形成二维和三维非织造纤维结构。
图4A示出包括壳体1的干法成网或气流成网的成型箱，纤维3从入口2供应到该壳体中。成型箱被布置在成型丝网4上方，由于成型丝网4下方的真空箱5，导致纤维3被气纺到该成型丝网上，以在干法成型工艺中形成纤维垫6。成型箱5被示出为具有在壳体1中可见的内部元件。然而应该认识到，壳体壁可以由或者透明的材料或者不透明的材料制成。不连续纤维3通过入口2吹入成型箱5的壳体1中。在成型箱5内部，多个齿辊7以一个或多个排的形式提供。在壳体1中，还设置环形带筛机8。该环形带筛机8具有传输路径，包括上行带、竖直部分(在此处，带筛机8沿着向下的方向运动)、下行带(在此处，带筛机8与下方的成型丝网4基本平行地行进)和向上取向的行程。齿辊7使纤维3的团块破裂或破碎，以确保纤维3在成型网4上形成的连续或基本上连续的幅材产品6中均匀分布。入口被示出为定位在带筛机8和齿辊7的上方。然而应该认识到，入口可以设置在带筛机8的上行带的下方，和/或可以设置多个入口(参见例如图4B)，用于将不同种类的纤维和其他材料供应到成型箱。齿辊7和实际上带筛机8然后将协助混合成型箱5的内部的纤维3。根据本发明的方法，连续或基本上连续的非织造幅材可由沉积在成型网4上的不连续纤维3制成，并被传送出成型箱以用于进一步加工(例如，通过分离成离散长度以形成多个二维非织造结构，诸如垫)。
图5示出了由厚橡胶的矩形片材319'构造的橡胶模具的示意图，其中以规则图案切出若干正方形盲孔或通孔500。
图6A示出了在990倍放大倍数下捕集的来自实施例12的经焙烧的陶瓷纤维之间的无机粘结(在圆圈部分内部突出显示)的扫描电子显微图。
图6B至图6E示出了根据本发明的在不同放大倍数下的经焙烧的陶瓷纤维之间的各种无机粘结的附加扫描电子显微图；
图7示出了来自实施例12的经焙烧的纤维之间的二氧化硅键的EDS元素图像；
图8A和图8B是来自实施例14的三维非织造纤维垫的不同视图；
参见图9，根据本发明的长丝和幅材形成工艺和设备可包括提供水性陶瓷前体溶胶的源32，以及使溶胶从源32(例如，储罐)流过喷丝头33的一个或多个孔口，以产生基本上连续或连续的一根或多根对应的生坯长丝34。使生坯长丝34通过干燥设备35，以从其中除去至少一部分水，从而产生一根或多根部分干燥的长丝36。然后使部分干燥的长丝36穿过设备37(例如缩束装置)以被拉出和/或分段，以形成具有所需直径和长度的拉出/分段的部分干燥的长丝38。可期望部分干燥的长丝38具有将导致最终陶瓷长丝或纤维(未示出)的直径不小于或等于三微米的直径。在离开拉延/分段设备37时，可能有利的是具有用于将前体无机粘结剂喷射到干燥长丝38上的工位42。然后可将干燥长丝38收集(例如，作为非织造幅材39)在收集器表面诸如多孔且连续的收集器带43上。然后可将所得的干燥长丝38直接运送或首先包装并且然后运送通过加热炉(未示出)，并且然后充分加热(例如，焙烧)以将部分干燥的长丝38转化成最终的陶瓷长丝或纤维(未示出)，并且如果适用的话，使前体无机粘结剂形成无机粘结剂，并且优选地在交汇点和接触点处将相邻的长丝或纤维粘结在一起。
参见图10，在图9的长丝和幅材形成工艺和设备的一个实施方案中，可将图案化模具44(如图5所示)设置在幅材形成收集器43上和收集的长丝38的下面。
不可呼吸的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝或纤维
在上述非织造制品的一些示例性实施方案中，多根多晶硅铝酸盐陶瓷长丝或纤维中的每根多晶硅铝酸盐陶瓷长丝或纤维是不可呼吸的，并且表现出使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的至少3微米(μm)、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm或甚至12μm的直径，如下文进一步所述。
在某些示例性实施方案中，多根不可呼吸的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝或纤维表现出使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的大于3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm或甚至12μm的平均直径，如下文进一步所述。在一些此类示例性实施方案中，多根不可呼吸的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝或纤维的平均直径不大于100μm、75μm、60μm、50μm、40μm、30μm、20μm或甚至15μm。
在某些目前优选的实施方案中，多根不可呼吸的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝或纤维表现出使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的至少1.33的大于三微米的纤维直径的过程能力指数(Cpk)，如下文进一步所述。在另外的示例性实施方案中，多根不可呼吸的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝或纤维表现出使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的至少1.33的大于三微米的纤维直径的过程性能指数(Ppk)，如下文进一步所述。
在另外的示例性实施方案中，多根多晶硅铝酸盐陶瓷不连续纤维的长度为至少3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm或甚至10mm或更大。在一些此类示例性实施方案中，多根多晶硅铝酸盐陶瓷长丝中的每根多晶硅铝酸盐陶瓷长丝为基本上连续的或连续的。基本上连续是指长丝在具有相对的末端或终止点的同时，就其加工特征和可操作性而言，仍然表现为连续长丝。基本上连续的长丝的长度可在至少约1000mm至最多约10,000或更大的范围内，并且在该更宽范围内的任何范围内(例如，约1,160mm至最多约9,190mm、约1,450mm至最多约8,170mm、约2,050mm至最多约8,960mm、约2,600mm至最多约8,190mm、约3,100mm至最多约7,890mm、约3,750mm至最多约6,950mm等)，增量为5mm。连续长丝可甚至更长。因此，在某些示例性实施方案中，多根多晶硅铝酸盐陶瓷长丝的长度可为1,250mm至至多9,990mm、2100mm至至多8,750mm、2,250mm至至多7,500mm、或甚至3,500mm至至多6,250mm。不连续纤维的长度可在约3mm至最多约1000mm的范围内，并且在该更宽范围内的任何范围内(例如，约6mm至最多约997mm、约19mm至最多约873mm、约35mm至最多约696mm、约60mm至最多约990mm、约108mm至最多约890mm、约250mm至最多约650mm等)，增量为1mm。
在另外的示例性实施方案中，内聚或粘结的非织造幅材、二维非织造结构和/或三维非织造结构的堆密度可在0.05g/cm3至0.3g/cm3、0.06g/cm3至0.25g/cm3或甚至0.07g/cm3至0.2g/cm3的范围内。在一些示例性实施方案中，内聚或粘结的非织造幅材、二维非织造结构和/或三维非织造结构的厚度可为至少1mm、2mm、2.5mm、5mm、7.5mm、10mm、20mm、30mm、40mm、或甚至50mm或更大。在一些此类示例性实施方案中，内聚或粘结的非织造幅材、二维非织造结构和/或三维非织造结构的厚度可为至多100mm、90mm、80mm、70mm、或甚至60mm或更小。
在附加的示例性实施方案中，非织造幅材、二维非织造结构和/或三维非织造结构的基重可为至少15g/m2(gsm)、20gsm、25gsm、30gsm、35gsm、40gsm、45gsm、50gsm、55gsm、60gsm、65gsm、70gsm、75gsm、80gsm、85gsm、90gsm、95gsm、100gsm或甚至更高。在一些此类示例性实施方案中，基重不超过4,000gsm、3,000gsm、2,000gsm、1,000gsm、750gsm、500gsm、250gsm或甚至更低。
在一些示例性实施方案中，多根不可呼吸的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝具有在按重量计60:40至90:10、更优选地按重量计60:40至75:25、按重量计70:30至74:26或甚至按重量计72:28至76:24的范围内的氧化铝与二氧化硅比率。当前最优选的是使用按重量计76:24的氧化铝与二氧化硅比率。
包括多晶硅铝酸盐陶瓷非织造垫的制品
在另一方面，本公开描述了包括上述非织造硅铝酸盐陶瓷幅材的制品，该非织造硅铝酸盐陶瓷幅材具有多根多晶硅铝酸盐陶瓷长丝。可期望不连续纤维为不可呼吸的。在一些此类实施方案中，制品可选自过滤制品、隔热制品、隔音制品、防火制品、安装垫制品、垫圈制品、催化剂载体制品、研磨制品以及它们的组合。在某些示例性实施方案中，该制品结合在污染控制装置中，
在某些此类示例性实施方案中，本公开提供了一种污染控制装置，其包括上述多晶硅铝酸盐陶瓷长丝、非织造制品、幅材和垫。在一些此类示例性实施方案中，污染控制装置选自催化转化器、消声器以及它们的组合。
现在参见图2，根据本公开的污染控制装置60(例如催化转化器和/或排气过滤器)可包括壳体50、安装在该壳体50内部的污染控制元件40(例如催化元件和/或过滤器)，以及夹在其间以便将元件40安装在壳体50内的安装垫10(如本文所述的那些)。壳体50通常由金属诸如不锈钢制成，并且包括入口52和出口54以允许来自内燃机的废气穿过装置60。元件40通常为相对易碎的薄壁单片结构。垫10为元件40提供保护，使其免受与热和机械(例如振动)两者相关的损坏。
可能期望将任选的网片22定位成靠近垫10的表面12(即，可能希望层16比层18相对更薄)。例如，对于总重量为约1600g/m2的垫10和重量在约80g/m2至约160g/m2的范围内的结网22，可能有利的是层16的重量在约40g/m2至约800g/m2的范围内。换句话讲，可期望层16占垫10的总重量的3％至10％的范围内。
因此，在一些示例性实施方案中，污染控制装置还包括膨胀层、加固网、非膨胀型插入件或它们的组合。合适的膨胀层、加固网和非膨胀型插入件在(例如)美国专利3,001,571和3,916,057(Hatch等人)；4,305,992、4,385,135、5,254,416(Langer等人)；5,242,871(Hashimoto等人)；5,380,580(Rogers等人)；7,261,864B2(Watanabe)；5,385,873和5,207,989(MacNeil)；以及公布的PCT申请WO 97/48889(Sanocki等人)中有所描述，这些文献中的每篇文献的全部公开内容均在先前以引用方式全文并入本文中。
在一些此类示例性实施方案中，污染控制装置可安装在机动车辆的机动车辆排气系统中，该机动车辆选自汽车、摩托车、卡车、船、潜水艇或飞机。
制备多晶陶瓷纤维和非织造垫的方法
在另一方面，本公开描述了一种制备非织造垫的方法，该方法包括：
使水性陶瓷前体溶胶流过至少一个孔口以产生至少一根基本上连续或连续的长丝，其中水性陶瓷前体溶胶包含分散在水中的氧化铝颗粒或二氧化硅颗粒中的至少一者，并且进一步地，其中水性陶瓷前体溶胶还包含可水解的含铝化合物或可水解的含硅化合物中的至少一者；
从至少一根基本上连续或连续的长丝中除去水的至少一部分以至少部分地干燥至少一根基本上连续或连续的长丝；
使至少部分地干燥的长丝通过缩束装置以将至少部分地干燥的长丝拉伸至将导致最终陶瓷长丝或纤维的直径不小于或等于三微米的直径；以及
在收集器表面上收集至少部分地干燥的长丝作为非织造幅材。
在一些此类示例性方法中，该至少一个孔口包括定位在与该水性陶瓷前体溶胶的源流体连通的多孔口模头中的多个圆形孔口。任选地，多个孔口中的每个孔口具有50μm至500μm、75μm至400μm、或甚至100μm至250μm的内径。
在一些目前优选的实施方案中，该方法还包括引导气体流靠近至少一根基本上连续或连续的长丝以至少部分地干燥至少一根基本上连续或连续的长丝。目前优选的是对气流进行加热。一般来讲，应将气流加热到至少50℃、75℃、100℃、125℃、150℃、200℃、250℃或甚至更高的温度。
可用于实施本发明所公开的制备至少一根基本上连续或连续的长丝的方法的各种实施方案的合适设备和示例性孔口在美国专利6,607,624中有所描述，该专利的全部公开内容全文以引用方式并入本文。
在一个特别优选的实施方案中，非织造幅材在足以将非织造幅材转化成由具有至少45重量％的平均莫来石百分比的至少一种多晶硅铝酸盐陶瓷长丝构成的蓬松/松散、分层、内聚和/或粘结的非织造幅材或垫的温度和时间下加热(例如，焙烧)。可期望不连续纤维为不可呼吸的。一般来讲，应当将生坯长丝或纤维的非织造幅材加热至至少500℃、750℃、1,000℃、1,250℃、1,500℃或甚至更高的焙烧温度。更高的焙烧温度可导致更短的焙烧时间，相反，更长的焙烧时间可允许使用更低的焙烧温度。一般来讲，焙烧时间应为至少30分钟、1小时、1.5小时、2小时、2.5小时、3.0小时、3.5小时、4小时、4.5小时、5小时、5.5小时、6.0小时、6.5小时、7.0小时、7.5小时、8.0小时、8.5小时、9.0小时、9.5小时、10小时或甚至更长。一般来讲，焙烧时间应小于24小时、23小时、22小时、21小时、20小时、19小时、18小时、17小时、16小时、15小时、14小时、13小时、12小时、11小时或甚至10小时。合适的焙烧炉(即窑)是本领域技术人员熟知的，例如由新泽西州灵戈斯的HED国际有限公司(HEDInternational,Inc.,Ringoes,NJ)制造的连续窑。
水性陶瓷前体溶胶包含分散在水中的氧化铝颗粒或二氧化硅颗粒中的至少一者。合适的氧化铝和二氧化硅溶胶在例如US 7,182,999(Hiroyuki Ohashi等人)并且还可能在美国专利5,380,580(Rogers等人)；8,124,022(Howorth等人)中有所描述。水性陶瓷前体溶胶还可包含可水解含铝化合物或可水解含硅化合物中的至少一者。合适的陶瓷前体溶胶在例如美国专利3,760,049(Borer等人)和4,954,462(Wood等人)中有所描述，这些专利的公开内容全文以引用方式并入本文。
水性陶瓷前体溶胶还包含可水解含铝化合物或可水解含硅化合物中的至少一者。合适的可水解的含铝和含硅化合物在例如美国专利5,917,075(Wolter)；和美国公布专利申请2002/0098142(Brasch等人)中有所描述，这些文献的公开内容全文以引用方式并入本文。在某些目前优选的实施方案中，水性陶瓷前体溶胶包含氯化羟铝和分散的二氧化硅颗粒。
任选地，水性陶瓷前体溶胶还包含水溶性(共)聚合物和消泡剂中的至少一者。可使用任何合适的水溶性(共)聚合物；然而，已经发现聚(乙烯)醇、聚(乙烯)-共-聚(乙烯)醋酸酯共聚物、聚(乙烯)吡咯烷酮、聚(环氧乙烷)以及聚(环氧乙烷)-共-(环氧丙烷)共聚物特别合适。可使用任何合适的消泡剂；然而，当使用中等水解度(例如50％-90％聚(乙酸乙烯酯))聚(乙烯基)醇-共-聚(乙酸乙烯酯)共聚物时，基于长链醇如1-辛醇的消泡剂和多元醇酯诸如购自南卡罗来纳州劳伦斯的企业专业产品有限公司(Enterprise SpecialtyProducts Inc.,Laurens,SC))的FOAM-A-TAC系列消泡剂，例如FOAM-A-TAC402、407和425。
可产生无机粘结以加固本发明的多晶纤维非织造幅材、二维非织造结构和三维非织造结构的内聚性和强度。施加到生坯长丝或纤维非织造结构的前体无机粘结剂不应包含任何水，因为生坯纤维可溶于水中，直到它们被焙烧/烧结，或至少部分地被焙烧/烧结。聚合物有机硅化合物(通常称为有机硅)诸如聚二甲基硅氧烷可用作前体无机粘结剂。
任选的加工步骤
可发现某些任选的加工步骤有利于实践本公开的各种示例性实施方案。例如，可以对内聚陶瓷垫进行针刺、缝编、水力缠结、粘结剂浸渍和将内聚垫短切成离散或不连续的纤维中的至少一者。
因此，在一个当前设想的示例性实施方案中，内聚垫可被短切以制备多根离散的多晶硅铝酸盐陶瓷纤维，其中多根离散的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝各自具有使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的至少三微米的直径。可期望不连续纤维为不可呼吸的。然后，可例如使用湿法成网或气流成网中的至少一种来进一步加工所得的短切纤维，以形成包含离散的硅铝酸盐陶瓷纤维的纤维陶瓷垫。优选地，当根据使用开放间隙设定的疲劳测试进行测量时，所得的纤维陶瓷垫在900℃下在1,000次循环之后表现出至少30kPa的压缩弹性。
本文所述纤维非织造安装垫的实施方案可通过(例如)将短切、单根化的纤维(例如长度为约2.5cm至约5cm)馈送到具有销钉的刺辊(例如得自法国库尔拉维尔的拉劳锡公司(Laroche,Cours la ville,France))和/或常规幅材形成机(例如，可以商品名“RANDOWEBBER”从纽约州马西登的兰多机器公司(Rando Machine Corp.,Macedon,N.Y)商购获得；以商品名“DAN WEB”从丹麦的斯干威博公司(ScanWeb Co.,Denmark)商购获得)中来制备，其中纤维被卷到线材筛网或织带(如金属带或尼龙带)上。如果使用“DAN WEB”型成网机，则优选地先使用锤式粉碎机并且然后使用鼓风机来将纤维单根化。为了便于垫的处理，可在稀松布上形成垫或将垫放置在稀松布上。
本文所述纤维非织造安装垫的实施方案也可例如使用常规的湿法成形或纺织物梳理来制成。就湿法成形工艺而言，纤维长度通常为约0.5cm至约6cm。
在一些实施方案中，特别是对于湿法形成工艺，可有利地使用粘结剂来促进垫的形成。在一些实施方案中，本文所述非织造垫包含基于垫的总重量不大于10重量％(在一些实施方案中不大于4重量％、3重量％、2重量％、1重量％、0.75重量％、0.5重量％、0.25重量％、或甚至不大于0.1重量％)的粘结剂，而其他垫不包含粘结剂。
任选地，本文所述纤维非织造安装垫的一些实施方案是针刺的(即，其中存在通过例如由倒刺针多次完全或部分(在一些实施方案中为完全)穿透该垫而提供的纤维物理缠结)。可使用具有倒刺针(可(例如)从威斯康星州马尼托沃克的福斯特针公司(FosterNeedle Company,Inc.,Manitowoc,WI)或德国的格罗茨-贝克特集团(Groz-BeckertGroup,Germany)商购获得)的常规针刺装置(如，可以(例如)商品名“DILO”从德国的迪乐公司(Dilo Gmbh,Germany)商购的针刺机)来对非织造垫进行针刺，从而得到被针刺的非织造垫。
提供纤维缠绕的针刺通常涉及压缩该垫，并且然后冲孔以及拖拉倒刺针穿过该垫。当垫结构中包含聚合物的和/或双组分的有机纤维时，在针刺期间纤维的物理缠结功效可大体上得到提高。改善的缠结可进一步提高抗拉强度并且提高对非织造垫的处理性。单位面积的垫上的最佳针刺孔数会依据具体应用而有所不同。
通常，对非织造垫进行针刺以提供约5个至约60个针刺孔/cm2(在一些实施方案中，约10个至约20个针刺孔/cm2。
任选地，可采用常规技术来缝编本文所述安装垫的一些实施方案(参见例如美国专利No.4,181,514(Lefkowitz等人)，该专利的公开内容针对其有关缝编非织造垫的教导以引用方式并入本文中)。通常，使用有机线来缝编该垫。薄层的有机或无机片状材料在缝编期间可被设置在垫的任一侧或两侧，以防止线割穿垫或使垫的割穿最小化。如果期望缝合线在使用中不分解，则可使用无机线(例如，陶瓷或金属(诸如不锈钢)。针脚的间距通常为约3mm至约30mm，从而在垫的整个面积上均匀地压缩纤维。
本公开的操作将参照以下详述的实施例另外描述。提供这些实施例以另外说明各种具体和优选的实施方案和技术。然而，应当理解，可做出许多变型和修改而仍落在本公开的范围内。
实施例
这些实施例仅是为了例示性目的，且并非意在过度地限制所附权利要求书的范围。尽管示出本公开的广义范围的数值范围和参数为近似值，但尽可能精确地记录具体示例中示出的数值。然而，任何数值都固有地包含某些误差，其各自的测试测量中所存在的标准偏差必然会引起这种误差。最低程度上说，并且在不试图将等同原则的应用限制到权利要求书的范围内的前提下，至少应当根据所报告的有效位数并通过应用惯常的四舍五入法来解释每个数值参数。
材料汇总
除非另有说明，否则实施例及本说明书其余部分中的所有份数、百分比、比等均以重量计。除非另有说明，否则所用的溶剂和其它试剂可得自威斯康星州密尔沃基的西格玛奥德里奇化学公司(Sigma-Aldrich Chemical Company(Milwaukee,WI))。另外，表1提供了下面的实施例中使用的所有材料的缩写和来源：
表1：材料
测试方法
以下测试方法用于评估本公开的实施例中的一些。
莫来石含量测量规程：
使用内标法使用粉末x射线衍射来测量莫来石含量。使用来自Alfa Aesar(WardHill,MA)的氧化钛,金红石(99.99％)作为内标，并且将其以10重量％均匀地混合到样品粉末中。测量16.4度2θ莫来石峰和26.4度2θ金红石峰的积分强度。分析具有已知莫来石含量的对照样品，以建立使莫来石含量与莫来石峰和金红石峰的相对积分强度相关的校准曲线。通过测量莫来石峰和金红石峰的相对积分强度、并且然后从校准曲线读取莫来石百分比来确定示例性材料的莫来石含量。利用使用Cu Kα辐射的MiniFlex 600衍射仪(日本东京)以一式三份对粉末进行分析。
长丝或纤维直径测量程序：
使用来自PhenomWorld(Eindhoven,The Netherlands)的Phenom纯扫描电子显微镜以至少500X的放大倍数收集本公开的示例性垫(即，手抄纸)的横截面图像。使用来自PhenomWorld的Fibermetric软件测量每个样品的至少80根长丝或纤维。
使用购自宾夕法尼亚州州学院的Minitab公司(Minitab,Inc.,State College,PA)的Minitab统计分析软件测定以下长丝或纤维直径统计：
Cpk(过程能力指数)是过程能力的统计量度：它相对于过程的自然可变性衡量过程接近其规格限制的程度。Cpk定义为：
其中
为平均长丝或纤维直径，LSL为下规定限(3μm)，并且σ为纤维直径的样品标准偏差。
Ppk(过程性能指数)是对过程在其初始设置期间、在其已经进入统计控制状态之前的过程能力的估计。Ppk定义为：
其中
为平均长丝或纤维直径，USL为上规定限(3μm)，LSL为下规定限(3μm)，并且σ为纤维直径的群体的样品标准偏差。
PPM(百万分率)是用于衡量质量性能的量度。一PPM意指百万中的一个(缺陷或事件)或1/1,000,000。
Cpk和Ppk是用于评估产品和过程质量的质量指数。为了确保符合规格，通常必须检查Cpk小于1.33(4西格玛)的产品特征以除去有缺陷的产品，这是所不期望的，因为它增加了制造操作的成本和复杂性。
疲劳测试(在900℃下1,000次循环的垫压缩测量)：
通过以下方式在炉中在900℃下对纤维垫样品进行疲劳测试：将样品放置在附接到位于炉外的单轴负荷传感器的两个石英弹力盘之间的可变间隙中，然后使弹力盘之间的间隙从扩展位置或“开放间隙”垫位置到压缩或“闭合间隙”垫位置循环。该测试大体上遵循共同拥有的美国专利No.5,736,109、7,704,459和8,007,732第10列第6-27行中题为“Heated Cyclic Compression Test”(加热循环压缩试验)的章节中所述的程序，所有三篇参考文献均全文以引用方式并入本文。
从多晶硅铝酸盐陶瓷长丝垫切割1英寸(2.54cm)或2英寸(5.08cm)直径的测试样品。对样品进行称重并记录其重量。基于样品重量，使用以下公式计算开放间隙开度(目标密度0.36g/cc)和闭合间隙开度(目标密度0.40g/cc)：密度(g/cc)＝样品基重(g/cm2)/间隙(cm)。
测试方案概述
使用来自MTS Systems Corporation(Eden Prairie,Minnesota)的材料测试系统(MTS)型号812.05或等同物(其具有0-9kN的负荷传感器和内置的高度测量装置)，以及能够将整个样品加热至900℃的炉。
样品制备条件
1.冲切出1英寸或2英寸直径＝50.8mm+/-0.2mm
2.以精确到0.01克的等级对样品进行称重，并记录质量
3.基于样品重量和所需的安装密度计算所需的间隙
测试条件
1.将样品放置在石英盘之间并接近所需的闭合间隙设置。
2.闭合炉并开始斜升至900℃的温度(一小时)
3.一旦达到900℃的温度，就保持五分钟，之后才开始循环
4.当在900℃下保持五分钟之后，开始间隙在闭合间隙设置和开放间隙设置之间的循环。
5.循环时间为27秒。一个循环定义为间隙从闭合间隙循环到开放间隙并返回到闭合间隙所花费的时间。在测试期间，间隙在闭合间隙和开放间隙之间连续变化，在任一间隙处都无保持时间。
6.在1000次循环之后记录开放间隙压力。
数据采集(负荷和峰/谷)
1.在循环区段起始时开始，并且一旦循环区段完成就结束。负荷数据采集分段成两个部分。第一部分针对前一百次循环每循环记录数据一次，而第二部分针对循环区段的其余循环每一百次循环记录数据一次。
2.当轴向冲程信号达到峰或谷(即，最小和最大间隙)时，峰/谷采集记录数据
3.记录信号：
a.轴向计数
b.轴向负荷
c.轴向冲程
d.实际温度
4.在下表中将
在900℃下在1000次循环之后在测试装置处于开放间隙位置的情况下垫样品抵靠石英弹力盘的剩余抵抗压力(以kPa为单位)报告为“开放C1k”。
溶胶制备方法
以商品名DelPAC XG销售的通式Al2(OH)5Cl的氯化羟铝(ACH)可购自美国马里兰州巴尔的摩的USALCO公司(USALCO,LLC,Baltimore,MD)。所使用的胶态二氧化硅为来自Naperville,IL的Nalco的Nalco 1034A。此报告中的聚乙烯醇(PVA)是部分水解的(87％-89％)并且是高分子量的，以Selvol 523出售、购自Dallas,TX的Sekisui SpecialtyChemical。通过加热至90℃-95℃来将PVA溶液溶解在去离子水中并添加0.027％正辛醇。在所有情况下，溶胶中的有机添加剂的浓度是添加剂相对于氧化铝的重量％。
溶胶制备方法1(对于ACH溶胶72/28Al2O3:SiO2，10％PVA)
将2663.09g的酸稳定的胶态二氧化硅(Nalco 1034A，35.60％二氧化硅)用水(2077.21g)稀释至20％二氧化硅，并且然后借助添加漏斗滴加至或缓慢倾注至10,996.25g的氯化羟铝(ACH，22.17％Al2O3)。借助倾注将添加了0.027％正辛醇(5419.00g)的5％聚(乙烯)醇(高分子量，88％-89％水解)溶液添加至搅拌中的ACH/SiO2混合物。在过滤之前，添加附加的正辛醇(～0.80g)作为抗发泡剂。通过0.45um玻璃纤维过滤器对溶液进行过滤。然后在40℃浴中在10-20毫巴的压力下对溶液进行浓缩。
连续四天对四批进行浓缩。批1-4的粘度在一天后为大约47,000cP、87,000cP、12,000cP和57,000cP，并且全部合并在一起得到约35,000cP的溶胶。
溶胶制备方法2(对于ACH溶胶76/24Al2O3:SiO2，15％PVA)
将156.94g的酸稳定的胶态二氧化硅(Nalco 1034A，34.90％二氧化硅)用水(123.13g)稀释至20％二氧化硅，并且然后借助添加漏斗滴加至800.00g的氯化羟铝(ACH，22.17％Al2O3)。借助倾注将添加了0.027％正辛醇(625.99g)的5％聚(乙烯)醇(高分子量，88％-89％水解)溶液添加至搅拌中的ACH/SiO2混合物。在过滤之前，添加附加的正辛醇(～0.10g)作为抗发泡剂。通过0.45um玻璃纤维过滤器对溶液进行过滤。然后在40℃浴中在20毫巴的压力下对溶液进行浓缩。在浓缩后，粘度为大约47,000cP。
纤维纺丝方法
纤维非织造生坯(即，未焙烧)纤维幅材通过以下方式制备：将无机溶胶凝胶溶液递送穿过具有多个孔口的喷丝头组件以形成长丝流，在长丝流向下移动时对它们进行干燥并拉伸，并且然后在多孔收集器上截断长丝流。作为大量纤维(块状或垫状)沉积在收集器上的长丝如所形成的那样焙烧，并且在后加工之后焙烧。也可以对焙烧的纤维进行后加工。后加工包括但不限于针钉、短切、湿法成网(即，制成水基浆液)、干法成网(例如，气流成网，或者使用梳理机、诸如Rando-Webber(其购自Rando Machine Corporation,Macedon,NY))等。
纤维纺丝方法1
使用具有直径为5密耳(0.13mm)的孔口和为2/1的长度与直径(L/D)比的喷丝头产生生坯纤维或长丝幅材。将溶胶放置在压力罐中，并且用约50psi(0.34MPa)下的压缩空气进行加压。通过购自Zenith Pumps(Monroe,NC)的计量泵(1.168cc/转)将溶胶递送到喷丝头。干燥设备垂直于纤维方向递送加热空气。干燥区的长度为约24英寸(61cm)。生坯纤维由置于干燥区下方约7英寸(18cm)处的空气文丘里管装置拉伸。纤维拉伸装置是一组两个平行气刀。
将多孔收集器带定位在拉细装置底部下方约25英寸(64cm)处。然后，将实施例2、4和6中的生坯纤维焙烧至最终无机状态(例如，硅铝酸盐纤维)。对于实施例1、3和5，在焙烧之前，将多个层堆叠起来并针刺在一起。
纤维纺丝方法2
在具有丙烯板的0.9×0.9×2.4m纺丝塔(3M Fabrication Services,St.Paul,MN)内使用40孔不锈钢模头(Kasen Nozzle,Osaka,Japan)进行纤维化，该不锈钢模头具有6密耳(0.15mm)的孔口直径、L/D＝1、以及0.18英寸(4.6mm)的孔间距。使用压缩氮气(OxygenService Company,St.Paul,MN)在40psi(276kPa)的馈送压力馈送溶胶。具有6×12英寸(15×30cm)出口的空气扩散器(3M制造服务公司(3M Fabrication Services))定位在模头的下游，以向挤出的长丝提供干燥的热空气。到扩散器的空气由两个0.5HP(0.37kW)再生鼓风机(Gast Manufacturing,Inc.,Benton Harbor,MI)提供，总空气流量为27SCFM(0.76m3/min)。
用两个2kW空气加热器(Osram-Sylvania,Wilmington,MA)将空气加热至150℃(在加热器出口之后测量的)。将具有两个平行板的5英寸(13cm)宽的空气拉细装置(3MFabrication Services)定位在空气扩散体下游32cm处。将板间隙设定为0.25英寸(6.4mm)。用转子流量计(King Instrument Company,Garden Grove,CA)将到拉细装置中的气流限制到9SCFM(0.25m3/min)的流量。在拉细装置之后，将纤维分散到安装在拉细装置下方38cm处的12英寸(30cm)直径的真空收集筒上。用3HP(2.2kW)再生鼓风机(MaproInternational s.p.A.,Nova Milanese MB,Italy)提供排气流穿过筒。
生坯长丝或纤维焙烧方法：
生坯长丝或纤维的焙烧可被认为包括两个主要区段。第一区段是低温预焙烧(烧尽)区段，其中除去有机物并且开始形成无机相。第二区段是高温结晶和烧结区段，其中使纤维变致密并且形成高温结晶相。两个区段可分开进行(例如，预焙烧，之后冷却到室温，然后烧结)或在连续过程中顺序进行(例如，预焙烧，之后立即进行烧结而不让材料冷却)。在本文中，预焙烧被认为在高达850℃下发生，并且可在短至20分钟内或几小时内成功地进行。成功预焙烧的长丝和纤维在微观结构上是均匀的、光学透明的、并且易于处理而无破损或粉化。通常，在预焙烧期间将长丝和纤维暴露于水蒸气以改善过程一致性，但这并非实现本文所述特征所严格必需的。40-450托(5,300-60,000Pa)的宽泛水蒸气压力范围是有用的。预焙烧的长丝和纤维可通过插入到保持在预定温度下的箱式炉中来烧结。硅铝酸盐陶瓷长丝或纤维的致密化及其最终相组成由烧结时间和温度确定。用于烧结的一组可用时间/温度组合在1250℃至1370℃的范围内达10分钟、最优选在1270℃至1330℃的范围内，但是可使用多种时间/温度组合来产生几乎相同的结果。
陶瓷纤维垫或幅材
小手抄纸制备方法：
将自来水(900ml)和6克(g)的如上所述制备的无机焙烧不连续纤维加入到共混机。使共混机低速操作10至15秒。使用100ml的自来水将所得浆液冲洗到配备有桨式搅拌器的混合容器中。以中等速度混合稀释的浆液以保持固体悬浮。加入乙烯-醋酸乙烯三元共聚物胶乳(以商品名“AIRFLEX 600BP”从Wacker Chemical Corporation of Munich,Germany获得的(0.38g，55重量％的固体)。加入三滴絮凝剂(来自Ringgold,LA的Mid SouthChemical Co.Inc.的MP 9307C)。移除桨式搅拌器，并且将浆液倾注到80mm直径的片材成形器中并排干。将数片吸墨纸放置在排干片材的表面上，并且用手按压以除去多余的水。然后，将片材在鼓风烘箱中在140℃下干燥达1小时。
大手抄纸制备方法：
将自来水(3000ml)和40克(g)的无机焙烧纤维加入到共混机。使共混机低速操作10至15秒。使用2000ml的自来水将所得浆液冲洗到配备有桨式搅拌器的混合容器中。以中等速度混合稀释的浆液以保持固体悬浮。加入乙烯-醋酸乙烯三元共聚物胶乳(以商品名“AIRFLEX 600BP”从Wacker Chemical Corporation(Munich,Germany),State获得，(2.5g，55重量％的固体))。以0.25g的量添加来自Mid South Chemical Co.Inc.,(Ringgold,LA)的絮凝剂MP 9307C。移除桨式搅拌器，并且将浆液倾注到8英寸乘8英寸(20cm×20cm)的正方形片材成形器中并排干。
将数片吸墨纸放置在排干片材的表面上，并且用手按压以除去多余的水。然后，将片材在吸墨纸之间在20psi的表面压力下按压五分钟。然后，将片材在鼓风烘箱中在140℃下干燥达1小时。
干法成网工艺方法
干法成网方法包括以下步骤：穿过在成型丝网上方设置的具有开放底部的成型箱的入口供应无机纤维，以在所述成型网上形成纤维垫，所述成型箱具有多个纤维分离辊，所述多个纤维分离辊在所述入口与壳体底部之间的所述壳体中设置成至少一排，用于打散纤维团并且通过所述成型网将所述纤维垫输送出所述成型箱(参见图4A和图4B)。
三维垫制备方法1
参见图10，使用纤维纺丝方法1制备生坯纤维。陶瓷组合物为76％氧化铝和24％二氧化硅，以及15％PVA。在纤维收集期间，将具有以规则图案切出的孔的打孔模具(参见图5)定位在移动带上，并且在缩束装置下方运行，使得纤维首先开始积聚到孔中，然后积聚在模具的顶部上，直到在橡胶模具的顶部上形成连续层。在按照生坯纤维焙烧方法将材料焙烧成陶瓷垫之前移除打孔模具。用该方法制备的材料中的纤维是不连续的。
三维垫制备方法2
将前体短切溶胶-凝胶生坯纤维(使用纤维纺丝方法1制备)与有机和无机纤维混合，并使用干法成网工艺(参见图4A和图4B)形成为三维非织造幅材。将具有以规则图案切出的正方形孔的打孔橡胶片材(图5)定位在移动带上方，并且在成形腔室下方运行，其中纤维共混物首先开始积聚到孔中，然后积聚在橡胶片材的顶部上，直到在橡胶模具的顶部上形成连续层。在纤维共混物开始显著覆盖模具的表面之前，纤维的长度允许位于带下方的真空段中的真空抽吸力以填充模具腔体。在模具腔体基本上被填充之后，允许纤维共混物层在模具的整个顶部上形成。
将仍然由橡胶模具支撑的纤维共混物(包括前体生坯陶瓷纤维)输送到设定为高于纤维共混物中所包括的双组分熔融纤维的熔融温度的热风炉内以固结三维图案化的生坯纤维非织造物。在从模具中移除三维图案化垫之后，按照生坯纤维烧制方法将其焙烧成陶瓷非织造物。用该方法制备的材料中的纤维通常是短的。
比较例1
基重为1100gsm的来自Mitsubishi Plastic Inc.Tokyo,Japan)的针刺Maftec(MLS2)毯(不含有机物)。
比较例2
通过按照上文详述的大手抄纸规程将来自MPI的MLS2毯制浆15秒来产生手抄纸垫。
比较例3
通过按照大手抄纸制备部分中详述的大手抄纸规程将来自Unifrax LLC,Tonawanda,NY的Saffil 3D+纤维制浆12秒来产生手抄纸垫。
比较例4
前体溶胶凝胶硅酸铝纤维通过干法成网工艺进行开松/短切。按照三维垫制备方法2，将切碎的/开松的前体纤维再次在干法成网工艺上运行并在橡胶图案化模具上形成。目标基重为1000g/m2。使样品运行通过热风炉以尝试固结非织造物。在该样品中不使用双组分熔融纤维：用于制备生坯纤维的溶胶包含不足以有效地将生坯纤维粘结在一起的聚合物，并且当移除橡胶模具时，垫破裂。该样品不具有足够的内聚力以运行通过焙烧炉。
比较例5
前体溶胶凝胶硅酸铝纤维通过干法成网工艺线进行开松/短切。按照三维垫制备方法2，将具有567g短切/开松前体纤维和29.8g双组分熔融纤维(Trevira 255)的纤维共混物再次在干法成网工艺线上运行并在橡胶图案化模具上形成。将生坯前体纤维样品通过热风炉固结并保持其三维形状。但是，当穿过焙烧炉时，有机熔融纤维被烧尽，并且材料破裂并且不保持其三维形状。
比较例6
按照三维垫制备方法1，将前体溶胶凝胶硅酸铝纤维直接形成到放置在缩束装置下方的真空带上的橡胶模具上。获得具有高基重和低基重的良好图案，但当移除橡胶模具并将生坯纤维幅材焙烧成陶瓷时，保持非常少的三维形状。在该实施例中不使用粘结剂(有机或无机)。
比较例7
按照三维垫制备方法1，将前体溶胶凝胶硅酸铝纤维直接形成到放置在缩束装置下方的真空带上的橡胶模具上。在纤维幅材形成期间，在缩束装置下方将3M有机硅润滑剂施加到生坯纤维幅材。获得具有高基重和低基重的良好图案，但当移除橡胶模具时，保持非常少的三维形状。
实施例1
使用上述的溶胶制备方法(72/28氧化铝/二氧化硅)和纤维纺丝方法1产生生坯纤维非织造幅材。使用具有5密耳孔口大小(0.30英寸(7.6mm)间距)和为2/1的L/D的160孔模头产生生坯纤维幅材。使用Zenith泵(1.168cc/转)以20rpm将溶胶馈送穿过模头，以获得0.233g/孔/分钟的理论溶胶速率。用垂直于纤维运动以40fpm(0.20m/s)吹送的加热空气(58℃)干燥溶胶。通过间隔0.50英寸(1.3cm)的气刀将溶胶拉细成生坯纤维。
使用具有平方间距为3/4英寸(1.9cm)的、来自Manitowoc,WI的Foster NeedleCo.Inc.的15x25x40x3 CB针的定制针板将若干层生坯纤维幅材用针刺在一起。
通过首先在50分钟内加热至750℃、并且然后在40分钟内加热至850℃来对针刺的生坯纤维幅材进行预焙烧。当炉温达到约130℃时，引入大约75托的水蒸气。通过将针刺的生坯纤维幅材插入预热至大约1300℃的加热炉中10分钟来执行最终热处理。
实施例2
使用与实施例1相同的纺丝工艺和条件产生生坯纤维非织造幅材。按照上文提供的焙烧概况对块体生坯纤维幅材进行焙烧。使用小手抄纸垫方法并将纤维制浆10秒来产生手抄纸垫。根据实施例1中的规程对手抄纸垫进行焙烧。
实施例3
使用与实施例1相同的溶胶制备工艺和纺丝工艺产生生坯纤维非织造幅材。使用具有5密耳孔口大小(0.30英寸间距)和为2/1的L/D的160孔模头产生生坯纤维幅材。使用Zenith泵(1.168cc/转)以20rpm将溶胶馈送穿过模头，以获得0.28g/孔/分钟的理论溶胶速率。用垂直于纤维运动以40fpm吹送的加热空气(61℃)干燥溶胶。通过间隔0.50英寸的气刀将溶胶拉细成生坯纤维。
使用具有平方间距为3/4英寸的、来自Manitowoc,WI的Foster Needle Co.Inc.的15×25×40×3CB针的定制针板将若干层生坯纤维幅材用针刺在一起。根据实施例1中的规程对针刺的生坯纤维幅材进行焙烧。
实施例4
使用与实施例3相同的纺丝工艺和条件产生生坯纤维非织造幅材。按照上文提供的焙烧概况对块体生坯纤维幅材进行焙烧。使用小手抄纸垫方法并将纤维制浆10秒来产生手抄纸垫。根据实施例1中的规程对手抄纸垫进行焙烧。
实施例5
使用与实施例1相同的溶胶制备工艺和纺丝工艺产生生坯纤维非织造幅材。使用具有5密耳孔口大小(0.30英寸间距)和为2/1的L/D的105孔模头产生生坯纤维幅材。使用Zenith泵(1.168cc/转)以16rpm将溶胶馈送穿过模头，以获得0.285g/孔/分钟的理论溶胶速率。用垂直于纤维运动以42fpm吹送的加热空气(75C)干燥溶胶。通过间隔0.45英寸的气刀将溶胶拉细成生坯纤维。
使用具有平方间距为3/4英寸(1.9cm)的、来自Manitowoc,WI的Foster NeedleCo.Inc.的15x25x40x3 CB针的定制针板将若干层生坯纤维幅材用针刺在一起。
按照上文提供的焙烧概况对针刺的生坯纤维幅材进行焙烧。按照上述测试方法进行1000次循环的测试。根据实施例1中的规程对针刺的生坯纤维幅材进行焙烧。
实施例6
使用与实施例1相同的纺丝工艺和条件产生生坯纤维非织造幅材。按照上文提供的焙烧概况对块体生坯纤维幅材进行焙烧。使用小手抄纸垫方法并将纤维制浆10秒来产生手抄纸垫。
实施例7
使用上述的溶胶制备方法2(76/24氧化铝/二氧化硅)和纤维纺丝方法2产生生坯纤维非织造幅材。按照根据实施例1的规程的焙烧概况对块体生坯纤维幅材进行焙烧，不同的是使用1285℃的烧结温度。
使用小手抄纸垫方法并将纤维制浆10秒来产生手抄纸垫。
实施例8
使用以上关于溶胶制备方法2(76/24)和纤维纺丝方法2所述的纺丝工艺对生坯纤维进行纺丝。按照根据实施例1的规程的焙烧概况对块体生坯纤维幅材进行焙烧，不同的是使用1315℃的烧结温度。
使用小手抄纸垫方法并将纤维制浆10秒来产生手抄纸(垫)。
实施例9
使用以上关于溶胶制备方法2(76/24)和纤维纺丝方法2所述的纺丝工艺对生坯纤维进行纺丝。按照根据实施例1的规程的焙烧概况对块体生坯纤维幅材进行焙烧，不同的是使用1345℃的烧结温度。
使用小手抄纸垫方法并将纤维制浆10秒来产生手抄纸垫。
实施例10
将由76％氧化铝、24％二氧化硅和15％PVA制成的三层生坯幅材堆叠起来，并且在以1285℃的烧结温度进行焙烧并在1000次循环测试中进行测试之前，运行通过可从美国肯塔基州夏普斯堡的菲特鲁姆公司(Feltloom,Sharpsburg,KY,USA)商购获得的针刺制毡机。烧结后的最终基重为约1200g/m2。
实施例11
将由基重为约400g/m2的76％氧化铝、24％二氧化硅和15％PVA制成的三层纤维幅材(与实施例10相同的生坯纤维幅材)堆叠起来，然后在1285℃的烧结温度下烧制，并在1000次循环测试中进行测试。烧结后的最终基重为约1200g/m2。这些层不是机械缠结的。
实施例12
按照三维垫制备方法，将由76％氧化铝、24％二氧化硅和15％PVA制成的生坯纤维幅材直接形成到放置在缩束装置下方的真空带的橡胶模具上。在纤维收集和积聚在缩束装置下方的橡胶模具上期间，用3M有机硅润滑剂喷雾(美国明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M,St Paul,MN,USA))均匀地涂覆生坯纤维。在1285℃的烧结温度下焙烧薄幅材之前移除模具。获得具有高基重和低基重的良好图案，但当移除橡胶模具时，保持非常少的三维形状。
通过扫描电子显微镜(图5中的红色圆圈区域)和EDS分析(图6)在烧结纤维幅材上观察到纤维之间二氧化硅粘结的存在，从而提供对幅材的内聚性。
实施例13：
将使用纤维纺丝方法1(76％氧化铝、24％二氧化硅、15％PVA)制备并涂覆有3M有机硅润滑剂的短切/开松前体陶瓷纤维与5％Trevira 255-1.6分特，6mm(德国哈特斯海姆的特雷维拉有限公司(Trevira GmbH,Hattersheim,Germany))双组分熔融纤维(29.9g)共混，并形成到具有35mmx35mm正方形切割图案的10mm厚橡胶模具上。通过如三维垫制备方法2中所述运行到烘箱(275F，1m/min)中并且将熔融纤维部分地熔融来将图案化三维前体材料保持在一起。在焙烧之前，将3M有机硅润滑剂施加到三维前体材料的顶部和底部两者。最终焙烧材料非常柔软且蓬松。
实施例14：
将使用纤维纺丝方法1(76％氧化铝、24％二氧化硅、15％PVA)制备并涂覆有3M有机硅润滑剂的短切/开松前体陶瓷纤维与5％Trevira 255(1.6分特，6mm)双组分熔融纤维(29.8g)和5％玻璃微股线110-481(得自美国科罗拉多州的约翰曼菲尔公司(JohnsManville,CO,USA))(29.8g)共混，并形成到具有35mmx35mm正方形切割图案的10mm厚橡胶模具上。如在三维垫制备方法2(290F，0.5m/min)中所述，通过在烘箱中运行而将图案化的3D前体材料保持在一起。在焙烧之前，将3M有机硅润滑剂施加到材料的顶部和底部两者。最终焙烧材料保持其三维图案和形状(图7)。
实施例15：
将使用纤维纺丝方法1(76％氧化铝、24％二氧化硅、15％PVA)制备并涂覆有3M有机硅润滑剂的短切/开松前体陶瓷纤维与10％Trevira 255(1.6分特，6mm)双组分熔融纤维(59.7g)和5％玻璃微股线110-481(得自约翰曼菲尔公司)(29.8g)共混，并形成到具有35mmx35mm正方形切割图案的厚橡胶模具上。如在三维垫制备方法2中所述，通过在290F和0.5m/min下在烘箱中运行而将图案化的3D前体材料保持在一起。在焙烧之前，将3M有机硅润滑剂施加到材料的顶部和底部两者。最终焙烧材料保持其三维图案和形状。
实施例16：
将使用纤维纺丝方法1(76％氧化铝、24％二氧化硅、15％PVA)制备并涂覆有3M有机硅润滑剂的短切/开松前体陶瓷纤维与10％Trevira 255(1.6分特，6mm)长熔融双组分纤维(59.7g)和5％玻璃微股线110-481(得自约翰曼菲尔公司)(29.8g)共混，并形成到具有35mm×35mm正方形切割图案的薄橡胶模具上。如在三维垫制备方法2中所述，通过在290F和0.5m/min下在烘箱中运行而将图案化的3D前体材料保持在一起。在焙烧之前，将3M有机硅润滑剂施加到材料的顶部和底部两者。最终焙烧材料薄于实施例14和15，并且保持其三维图案和形状。
对于比较例和实施例中的每一者，根据莫来石含量测量规程确定莫来石含量；根据长丝直径测量程序确定的长丝直径统计数据(即，直径大于3μm的纤维的平均直径Cpk和Ppk、直径小于3μm的纤维的分数(PPM)和最小直径)和根据疲劳测试确定的剩余电阻压力(Open C1k)报告于下表2中。
表2：
表3：二维和三维自支承垫
第一组示例性实施方案
1.一种非织造制品，所述非织造制品包括
二维(即片状)非织造结构或三维非织造结构，所述二维非织造结构或三维非织造结构包含通过经焙烧的前体无机粘结剂内聚粘结在一起的多根不连续多晶硅铝酸盐陶瓷纤维，其中每根内聚粘结的不连续纤维在沿其长度的一个或多个位置处粘结到一根或多根其他所述不连续纤维。
2.根据实施方案1所述的非织造制品，其中所述二维非织造结构具有最长主表面尺寸和最短主表面尺寸，并且所述内聚粘结的不连续纤维的长度小于所述二维非织造结构的所述最长或最短主表面尺寸。
3.根据实施方案1或2所述的非织造制品，其中所述二维非织造结构具有最长主表面尺寸和最短主表面尺寸，并且所述内聚粘结的不连续纤维的长度小于所述二维非织造结构的所述最短主表面尺寸。
4.根据实施方案1至3中任一项所述的非织造制品，其中所述二维非织造结构具有最长主表面尺寸和最短主表面尺寸，并且所述内聚粘结的不连续纤维的长度大于所述二维非织造结构的厚度尺寸且小于所述二维非织造结构的所述最长或最短主表面尺寸。
5.根据实施方案1至4中任一项所述的非织造制品，其中所述三维非织造结构包括至少一个或多个三维模制特征结构，其中每个三维模制特征结构具有最短主表面尺寸，并且每个所述三维模制特征结构用所述内聚粘结的不连续纤维形成，所述内聚粘结的不连续纤维的长度小于或等于所述三维模制特征结构的所述最短主表面尺寸。
6.根据实施方案1至5中任一项所述的非织造制品，其中所述内聚粘结的不连续纤维的长度大于所述三维非织造结构的厚度尺寸。
7.根据实施方案1至6中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维中的每根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维表现出使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的至少3微米的直径。
8.根据实施方案1至7中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维表现出使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的大于三微米的平均直径，任选地其中所述平均直径不大于20微米。
9.根据实施方案1至8中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维表现出使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的至少1.33的大于三微米的纤维直径的过程能力指数(Cpk)。
10.根据实施方案1至9中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维表现出使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的至少1.33的大于三微米的纤维直径的过程性能指数(Ppk)。
11.根据实施方案1至10中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维中的每根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的长度在至少约3mm至最多约200mm的范围内，并且在所述更宽范围内的任何范围内(例如，约6mm至最多约197mm、约9mm至最多约173mm、约25mm至最多约96mm等)，增量为1mm。
12.根据实施方案1至11中任一项所述的非织造制品，其中所述制品为二维非织造结构，并且所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维中的每根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的长度等于所述二维非织造结构的所述最长或最短主表面尺寸(例如，垫、片材或毯的长度或宽度、非织造管或圆锥体的周长、非织造盒的外周长等)或者其长度介于那些尺寸之间。
13.根据实施方案1至12中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的长度在约50mm至最多约1000mm的范围内，并且在所述更宽范围内的任何范围内(例如，约60mm至最多约990mm、约100mm至最多约890mm、约150mm至最多约550mm等)，增量为5mm。
14.根据实施方案1至13中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品具有0.05g/cm3至0.3g/cm3的堆密度。
15.根据实施方案1至14中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品具有至少0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1.0mm的厚度。
16.根据实施方案1至15中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品具有至多100mm的厚度。
17.根据实施方案1至16中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品具有至少15gsm、20gsm、25gsm、30gsm、35gsm、40gsm、45gsm或50gsm的基重。
18.根据实施方案1至17中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品具有不超过4,000gsm的基重。
19.根据实施方案1至18中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品还包括纤维，所述纤维选自氧化铝纤维、二氧化硅纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、氧化铝-五氧化二磷纤维、氧化铝-氧化硼-二氧化硅纤维、氧化锆纤维、氧化锆-氧化铝纤维、氧化锆-二氧化硅纤维以及它们的混合物或组合。
20.根据实施方案1至19中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的氧化铝与二氧化硅比率按重量计在60:40至90:10的范围内。
21.根据实施方案1至20中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品还包括粘结剂以将所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维粘结在一起，任选地其中所述粘结剂选自无机粘结剂(例如，前体无机粘结剂)、有机粘结剂以及它们的组合。
22.根据实施方案21所述的非织造制品，其中所述粘结剂为选自(甲基)丙烯酸类(共)聚合物、聚(乙烯基)醇、聚(乙烯基)吡咯烷酮、聚(乙酸乙烯酯)、聚烯烃、聚酯以及它们的组合的有机粘结剂。
23.根据实施方案21所述的非织造制品，其中所述粘结剂为无机粘结剂，诸如例如二氧化硅、氧化铝、氧化锆、高岭土、膨润土、硅酸盐、云母颗粒、它们的前体以及它们的任何组合。在一些应用中，可能期望的是所述粘结剂基本上不含有机硅材料。然而，无机粘结可通过焙烧前体无机粘结剂诸如硅油(硅氧烷、聚二甲基硅氧烷等)而形成。
24.根据实施方案1至23中任一项所述的非织造制品，其中所述制品选自过滤制品、隔热制品、隔音制品、防火制品、安装垫、垫圈、催化剂载体、研磨材料或制品以及它们的组合。
25.一种污染控制装置，所述污染控制装置包括根据实施方案1至24中任一项所述的非织造制品。
26.根据实施方案25所述的污染控制装置，所述污染控制装置选自催化转化器、消声器以及它们的组合。
27.根据实施方案25或26所述的污染控制装置，所述污染控制装置还包括膨胀层、加固网、非膨胀型插入件或它们的组合。
28.根据实施方案25至27中任一项所述的污染控制装置，其中所述污染控制装置安装在机动车辆的机动车辆排气系统中，所述机动车辆选自汽车、摩托车、卡车、船、潜水艇或飞机。
29.一种电动车辆电池模块，所述电动车辆电池模块包括根据实施方案1至24中任一项所述的非织造制品。
30.一种制备根据实施方案1至29中任一项所述的非织造制品的方法，所述方法包括：
使水性陶瓷前体溶胶流过多个孔口以产生多根基本上连续或连续的长丝，其中所述水性陶瓷前体溶胶包含分散在水中的氧化铝颗粒或二氧化硅颗粒中的至少一者，并且进一步地，其中所述水性陶瓷前体溶胶还包含可水解的含铝化合物或可水解的含硅化合物中的至少一者；
从所述多根基本上连续或连续的长丝中除去所述水的至少一部分以至少部分地干燥所述多根基本上连续或连续的长丝；
使所述至少部分地干燥的长丝通过缩束装置以将所述长丝拉伸至所需直径；以及
在收集器表面上收集所述至少部分地干燥的长丝作为非织造幅材。
31.根据实施方案30所述的方法，其中所述多个孔口包括定位在与所述水性陶瓷前体溶胶的源流体连通的多孔口模具中的多个圆形孔口，任选地其中所述多个孔口中的每个孔口具有50微米至500微米的内径。
32.根据实施方案30或31所述的方法，所述方法还包括引导气体流靠近所述多根基本上连续或连续的长丝以至少部分地干燥所述多根基本上连续或连续的长丝，任选地其中所述气体流被加热。
33.根据实施方案30至32中任一项所述的方法，其中所述水性陶瓷前体溶胶包含氯化羟铝和二氧化硅，任选地其中所述水性陶瓷前体溶胶还包含水溶性(共)聚合物和消泡剂中的至少一者。
34.根据实施方案30至33中任一项所述的方法，所述方法还包括在加热所述非织造幅材的所述长丝之前或之后，在足以将所述至少部分地干燥的长丝转化成具有所需莫来石含量的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝的温度和时间下将所述非织造幅材转化成非织造垫。
35.根据实施方案30至34中任一项所述的方法，所述方法还包括在足以将所述非织造幅材转化成由多根具有至少45重量％的平均莫来石百分比的所述不连续多晶硅铝酸盐陶瓷长丝构成的松散/蓬松、分层、内聚和/或粘结的非织造幅材的温度和时间下加热所述非织造幅材。
36.根据实施方案34所述的方法，所述方法还包括对所述非织造幅材或垫进行针刺、缝编、水力缠结、粘结剂浸渍和短切中的至少一者。
37.根据实施方案30至36中任一项所述的方法，其中所述非织造幅材被短切以制备多根离散或不连续的多晶硅铝酸盐陶瓷纤维。
38.根据实施方案37所述的方法，其中所述方法还包括湿法成网或气流成网所述离散或不连续的多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的至少一部分中的至少一者，以形成纤维陶瓷垫，并且任选地，使得当根据使用开放间隙设定的疲劳测试进行测量时，所述纤维陶瓷垫在900℃下在1,000次循环之后表现出至少50kPa的压缩弹性。
39.根据实施方案30至38中任一项所述的方法，所述方法还包括在足以将所述至少部分地干燥的长丝转化成具有所需莫来石含量的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝的温度和时间下加热所述非织造幅材。
40.根据实施方案39所述的方法，其中所述多晶硅铝酸盐陶瓷长丝中的每根多晶硅铝酸盐陶瓷长丝具有使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的至少大于或等于三微米的直径。
第二组示例性实施方案
1.一种非织造制品，所述非织造制品包括
二维非织造结构，所述二维非织造结构具有最长主表面尺寸(例如，其长度)和最短主表面尺寸(例如，其宽度)，所述二维非织造结构包含多根不连续多晶硅铝酸盐陶瓷纤维，所述多根不连续多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的长度等于所述二维非织造结构的所述最长或最短主表面尺寸或者其长度介于那些尺寸之间。
2.根据实施方案1所述的非织造制品，其中所述纤维缠结以形成内聚二维非织造结构。
3.根据实施方案1或2所述的非织造制品，其中所述纤维具有至少45重量％的平均莫来石百分比。
4.根据实施方案1至3中任一项所述的非织造制品，其中当根据使用开放间隙设定的疲劳测试进行测量时，所述二维非织造结构在900℃下在1,000次循环之后表现出至少50kPa的压缩弹性。
5.根据实施方案1至4中任一项所述的非织造制品，其中所述二维非织造结构不含针刺。
6.根据实施方案1至5中任一项所述的非织造制品，其中所述二维非织造结构以将所述二维非织造结构保持在一起的量包含有机粘结剂。
7.根据实施方案1至6中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维中的每根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维表现出使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的至少3微米的直径。
8.根据实施方案1至7中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维表现出使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的大于三微米的平均直径，任选地其中所述平均直径不大于20微米。
9.根据实施方案1至8中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维表现出使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的至少1.33的大于三微米的纤维直径的过程能力指数(Cpk)。
10.根据实施方案1至9中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维表现出使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的至少1.33的大于三微米的纤维直径的过程性能指数(Ppk)。
11.根据实施方案1至10中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维中的每根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的长度在至少约3mm至最多约200mm的范围内，并且在所述更宽范围内的任何范围内(例如，约6mm至最多约197mm、约9mm至最多约173mm、约25mm至最多约96mm等)，增量为1mm。
12.根据实施方案1至3中任一项所述的非织造制品，其中所述制品为二维非织造结构，并且所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维中的每根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的长度等于所述二维非织造结构的所述最长或最短主表面尺寸(例如，垫、片材或毯的长度或宽度、非织造管或圆锥体的周长、非织造盒的外周长等)或者其长度介于那些尺寸之间。
13.根据实施方案1至12中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的长度在约50mm至最多约1000mm的范围内，并且在所述更宽范围内的任何范围内(例如，约60mm至最多约990mm、约100mm至最多约890mm、约150mm至最多约550mm等)，增量为5mm。
14.根据实施方案1至13中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品具有0.05g/cm3至0.3g/cm3的堆密度。
15.根据实施方案1至14中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品具有至少0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1.0mm的厚度。
16.根据实施方案1至15中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品具有至多100mm的厚度。
17.根据实施方案1至16中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品具有至少15gsm、20gsm、25gsm、30gsm、35gsm、40gsm、45gsm或50gsm的基重。
18.根据实施方案1至17中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品具有不超过4,000gsm的基重。
19.根据实施方案1至18中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品还包括纤维，所述纤维选自氧化铝纤维、二氧化硅纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、氧化铝-五氧化二磷纤维、氧化铝-氧化硼-二氧化硅纤维、氧化锆纤维、氧化锆-氧化铝纤维、氧化锆-二氧化硅纤维以及它们的混合物或组合。
20.根据实施方案1至19中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的氧化铝与二氧化硅比率按重量计在60:40至90:10的范围内。
21.根据实施方案1至20中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品还包括粘结剂以将所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维粘结在一起，任选地其中所述粘结剂选自无机粘结剂(例如，前体无机粘结剂)、有机粘结剂以及它们的组合。
22.根据实施方案20所述的非织造制品，其中所述粘结剂为选自(甲基)丙烯酸类(共)聚合物、聚(乙烯基)醇、聚(乙烯基)吡咯烷酮、聚(乙酸乙烯酯)、聚烯烃、聚酯以及它们的组合的有机粘结剂。
23.根据实施方案20所述的非织造制品，其中所述粘结剂为无机粘结剂，诸如例如二氧化硅、氧化铝、氧化锆、高岭土、膨润土、硅酸盐、云母颗粒、它们的前体以及它们的任何组合。在一些应用中，可能期望的是所述粘结剂基本上不含有机硅材料。然而，无机粘结可通过焙烧前体无机粘结剂诸如硅油(硅氧烷、聚二甲基硅氧烷等)而形成。
24.根据实施方案1至23中任一项所述的非织造制品，其中所述制品选自过滤制品、隔热制品、隔音制品、防火制品、安装垫、垫圈、催化剂载体、研磨材料或制品以及它们的组合。
25.一种污染控制装置，所述污染控制装置包括根据实施方案24所述的非织造制品。
26.根据实施方案25所述的污染控制装置，所述污染控制装置选自催化转化器、消声器以及它们的组合。
27.根据实施方案25或26所述的污染控制装置，所述污染控制装置还包括膨胀层、加固网、非膨胀型插入件或它们的组合。
28.根据实施方案25至27中任一项所述的污染控制装置，其中所述污染控制装置安装在机动车辆的机动车辆排气系统中，所述机动车辆选自汽车、摩托车、卡车、船、潜水艇或飞机。
29.一种电动车辆电池模块，所述电动车辆电池模块包括根据实施方案24所述的非织造制品。
30.一种制备根据实施方案1至29中任一项所述的非织造制品的方法，所述方法包括：
使水性陶瓷前体溶胶流过多个孔口以产生多根基本上连续或连续的长丝，其中所述水性陶瓷前体溶胶包含分散在水中的氧化铝颗粒或二氧化硅颗粒中的至少一者，并且进一步地，其中所述水性陶瓷前体溶胶还包含可水解的含铝化合物或可水解的含硅化合物中的至少一者；
从所述多根基本上连续或连续的长丝中除去所述水的至少一部分以至少部分地干燥所述多根基本上连续或连续的长丝；
使所述至少部分地干燥的长丝通过缩束装置以将所述长丝拉伸至所需直径；以及
在收集器表面上收集所述至少部分地干燥的长丝作为非织造幅材。
31.根据实施方案30所述的方法，其中所述多个孔口包括定位在与所述水性陶瓷前体溶胶的源流体连通的多孔口模具中的多个圆形孔口，任选地其中所述多个孔口中的每个孔口具有50微米至500微米的内径。
32.根据实施方案30或31所述的方法，所述方法还包括引导气体流靠近所述多根基本上连续或连续的长丝以至少部分地干燥所述多根基本上连续或连续的长丝，任选地其中所述气体流被加热。
33.根据实施方案30至32中任一项所述的方法，其中所述水性陶瓷前体溶胶包含氯化羟铝和二氧化硅，任选地其中所述水性陶瓷前体溶胶还包含水溶性(共)聚合物和消泡剂中的至少一者。
34.根据实施方案30至33中任一项所述的方法，所述方法还包括在加热所述非织造幅材的所述长丝之前或之后，在足以将所述至少部分地干燥的长丝转化成具有所需莫来石含量的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝的温度和时间下将所述非织造幅材转化成非织造垫。
35.根据实施方案30至34中任一项所述的方法，所述方法还包括在足以将所述非织造幅材转化成由多根具有至少45重量％的平均莫来石百分比的所述不连续多晶硅铝酸盐陶瓷长丝构成的松散/蓬松、分层、内聚和/或粘结的非织造幅材的温度和时间下加热所述非织造幅材。
36.根据实施方案34所述的方法，所述方法还包括对所述非织造幅材或垫进行针刺、缝编、水力缠结、粘结剂浸渍和短切中的至少一者。
37.根据实施方案30至36中任一项所述的方法，其中所述非织造幅材被短切以制备多根离散或不连续的多晶硅铝酸盐陶瓷纤维。
38.根据实施方案37所述的方法，其中所述方法还包括湿法成网或气流成网所述离散或不连续的多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的至少一部分中的至少一者，以形成纤维陶瓷垫，并且任选地，使得当根据使用开放间隙设定的疲劳测试进行测量时，所述纤维陶瓷垫在900℃下在1,000次循环之后表现出至少50kPa的压缩弹性。
39.根据实施方案30至38中任一项所述的方法，所述方法还包括在足以将所述至少部分地干燥的长丝转化成具有所需莫来石含量的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝的温度和时间下加热所述非织造幅材。
40.根据实施方案39所述的方法，其中所述多晶硅铝酸盐陶瓷长丝中的每根多晶硅铝酸盐陶瓷长丝具有使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的至少大于或等于三微米的直径。
第三组示例性实施方案
1.一种非织造制品，所述非织造制品包括
多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维，所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维缠结以形成内聚非织造垫，其中所述硅铝酸盐陶瓷纤维具有至少45重量％的平均莫来石百分比，任选地其中当根据使用开放间隙设定的疲劳测试进行测量时，所述内聚垫在900℃下在1,000次循环之后表现出至少30kPa的压缩弹性。
2.根据实施方案1所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维中的每根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维表现出使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的至少3微米的直径。
3.根据实施方案1或2所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维表现出使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的大于三微米的平均直径，任选地其中所述平均直径不大于20微米。
4.根据实施方案1至3中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维表现出使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的至少1.33的大于三微米的纤维直径的过程能力指数(Cpk)。
5.根据实施方案1至4中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维表现出使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的至少1.33的大于三微米的纤维直径的过程性能指数(Ppk)。
6.根据实施方案1至5中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维中的每根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的长度在至少约3mm至最多约200mm的范围内，并且在所述更宽范围内的任何范围内(例如，约6mm至最多约197mm、约9mm至最多约173mm、约25mm至最多约96mm等)，增量为1mm。
7.根据实施方案1至6中任一项所述的非织造制品，其中所述制品为二维非织造结构，并且所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维中的每根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的长度等于所述二维非织造结构的所述最长或最短主表面尺寸(例如，垫、片材或毯的长度或宽度、非织造管或圆锥体的周长、非织造盒的外周长等)或者其长度介于那些尺寸之间。
8.根据实施方案1至6中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的长度在约50mm至最多约1000mm的范围内，并且在所述更宽范围内的任何范围内(例如，约60mm至最多约990mm、约100mm至最多约890mm、约150mm至最多约550mm等)，增量为5mm。
9.根据实施方案1至8中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品具有0.05g/cm3至0.3g/cm3的垫堆密度。
10.根据实施方案1至9中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品具有至少0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1.0mm的厚度。
11.根据实施方案1至10中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品具有至多100mm的厚度。
12.根据实施方案1至11中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品具有至少15gsm、20gsm、25gsm、30gsm、35gsm、40gsm、45gsm或50gsm的基重。
13.根据实施方案1至12中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品具有不超过4,000gsm的基重。
14.根据实施方案1至13中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品还包括纤维，所述纤维选自氧化铝纤维、二氧化硅纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、氧化铝-五氧化二磷纤维、氧化铝-氧化硼-二氧化硅纤维、氧化锆纤维、氧化锆-氧化铝纤维、氧化锆-二氧化硅纤维以及它们的混合物或组合。
15.根据实施方案1至14中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的氧化铝与二氧化硅比率按重量计在60:40至90:10的范围内。
16.根据实施方案1至15中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品还包括粘结剂以将所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维粘结在一起，任选地其中所述粘结剂选自无机粘结剂(例如，前体无机粘结剂)、有机粘结剂以及它们的组合。
17.根据实施方案16所述的非织造制品，其中所述粘结剂为选自(甲基)丙烯酸类(共)聚合物、聚(乙烯基)醇、聚(乙烯基)吡咯烷酮、聚(乙酸乙烯酯)、聚烯烃、聚酯以及它们的组合的有机粘结剂。
18.根据实施方案16所述的非织造制品，其中所述粘结剂为无机粘结剂，诸如例如二氧化硅、氧化铝、氧化锆、高岭土、膨润土、硅酸盐、云母颗粒、它们的前体以及它们的任何组合。在一些应用中，可能期望的是所述粘结剂基本上不含有机硅材料。然而，无机粘结可通过焙烧前体无机粘结剂诸如硅油(硅氧烷、聚二甲基硅氧烷等)而形成。
19.根据实施方案1至18中任一项所述的非织造制品，其中所述制品选自过滤制品、隔热制品、隔音制品、防火制品、安装垫、垫圈、催化剂载体、研磨材料或制品以及它们的组合。
20.一种污染控制装置，所述污染控制装置包括根据实施方案19所述的非织造制品。
21.根据实施方案20所述的污染控制装置，所述污染控制装置选自催化转化器、消声器以及它们的组合。
22.根据实施方案20或21所述的污染控制装置，所述污染控制装置还包括膨胀层、加固网、非膨胀型插入件或它们的组合。
23.根据实施方案20至22中任一项所述的污染控制装置，其中所述污染控制装置安装在机动车辆的机动车辆排气系统中，所述机动车辆选自汽车、摩托车、卡车、船、潜水艇或飞机。
23a.一种电动车辆电池模块，所述电动车辆电池模块包括根据实施方案19所述的非织造制品。
24.一种制备非织造幅材的方法，所述方法包括：
使水性陶瓷前体溶胶流过多个孔口以产生多根基本上连续或连续的长丝，其中所述水性陶瓷前体溶胶包含分散在水中的氧化铝颗粒或二氧化硅颗粒中的至少一者，并且进一步地，其中所述水性陶瓷前体溶胶还包含可水解的含铝化合物或可水解的含硅化合物中的至少一者；
从所述多根基本上连续或连续的长丝中除去所述水的至少一部分以至少部分地干燥所述多根基本上连续或连续的长丝；
使所述至少部分地干燥的长丝通过缩束装置以将所述长丝拉伸至所需直径；以及
在收集器表面上收集所述至少部分地干燥的长丝作为非织造幅材。
25.根据实施方案24所述的方法，其中所述多个孔口包括定位在与所述水性陶瓷前体溶胶的源流体连通的多孔口模具中的多个圆形孔口，任选地其中所述多个孔口中的每个孔口具有50微米至500微米的内径。
26.根据实施方案24或25中任一项所述的方法，所述方法还包括引导气体流靠近所述多根基本上连续或连续的长丝以至少部分地干燥所述多根基本上连续或连续的长丝，任选地其中所述气体流被加热。
27.根据实施方案24至26中任一项所述的方法，其中所述水性陶瓷前体溶胶包含氯化羟铝和二氧化硅，任选地其中所述水性陶瓷前体溶胶还包含水溶性(共)聚合物和消泡剂中的至少一者。
28.根据实施方案24至27中任一项所述的方法，所述方法还包括在加热所述非织造幅材的所述长丝之前或之后，在足以将所述至少部分地干燥的长丝转化成具有所需莫来石含量的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝的温度和时间下将所述非织造幅材转化成非织造垫。
29.根据实施方案24至28中任一项所述的方法，所述方法还包括在足以将所述非织造幅材转化成由多根具有至少45重量％的平均莫来石百分比的基本上连续或连续的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝构成的松散/蓬松、分层、内聚和/或粘结的非织造幅材的温度和时间下加热所述非织造幅材。
30.根据实施方案28所述的方法，所述方法还包括对所述非织造幅材或垫进行针刺、缝编、水力缠结、粘结剂浸渍和短切中的至少一者。
31.根据实施方案24至30中任一项所述的方法，其中所述非织造幅材被短切以制备多根离散或不连续的多晶硅铝酸盐陶瓷纤维。
32.根据实施方案31所述的方法，其中所述方法还包括湿法成网或气流成网所述离散或不连续的多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的至少一部分中的至少一者，以形成纤维陶瓷垫，并且任选地，使得当根据使用开放间隙设定的疲劳测试进行测量时，所述纤维陶瓷垫在900℃下在1,000次循环之后表现出至少50kPa的压缩弹性。
33.根据实施方案24至32中任一项所述的方法，所述方法还包括在足以将所述至少部分地干燥的长丝转化成具有所需莫来石含量的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝的温度和时间下加热所述非织造幅材。
34.根据实施方案33所述的方法，其中所述多晶硅铝酸盐陶瓷长丝中的每根多晶硅铝酸盐陶瓷长丝具有使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的至少大于或等于三微米的直径。
本说明书中通篇提及的“一个实施方案”、“某些实施方案”、“一个或多个实施方案”或“实施方案”，无论在术语“实施方案”前是否包括术语“示例性的”都意指结合该实施方案描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开的某些示例性实施方案中的至少一个实施方案中。因此，在本说明书通篇各处出现的短语诸如“在一个或多个实施方案中”、“在某些实施方案中”、“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不一定是指本公开的某些示例性实施方案中的同一实施方案。此外，具体特征、结构、材料或特性可在一个或多个实施方案中以任何合适的方式组合。
虽然本说明书已经详细地描述了某些示例性实施方案，但是应当理解，本领域的技术人员在理解上述内容后，可很容易地想到这些实施方案的更改、变型和等同物。因此，应当理解，本公开不应不当地受限于以上示出的例示性实施方案。特别地，如本文所用，用端值表述的数值范围旨在包括该范围内所包含的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。另外，本文所用的所有数字都被认为是被术语“约”修饰。
此外，本文引用的所有出版物和专利均以引用的方式全文并入本文中，如同各个单独的出版物或专利都特别地和单独地指出以引用方式并入一般。已对各个示例性实施方案进行了描述。这些实施方案以及其他实施方案均在以下权利要求书的范围内。
Claims (20)
1.一种非织造制品，所述非织造制品包括
具有最长主表面尺寸和最短主表面尺寸的二维非织造结构，所述二维非织造结构包含多根不连续多晶硅铝酸盐陶瓷纤维，所述多根不连续多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的长度等于所述二维非织造结构的最长主表面尺寸或最短主表面尺寸或者其长度介于那些尺寸之间。
2.根据权利要求1所述的非织造制品，其中所述纤维缠结以形成内聚二维非织造结构。
3.根据权利要求1或2所述的非织造制品，其中所述纤维具有至少45重量％的平均莫来石百分比。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的非织造制品，其中当根据使用开放间隙设定的疲劳测试进行测量时，所述二维非织造结构在900℃下在1,000次循环之后表现出至少50kPa的压缩弹性。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的非织造制品，其中所述二维非织造结构不含针刺。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的非织造制品，其中所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维中的每根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维表现出使用利用电子显微镜的长丝直径测量程序所确定的至少3微米的直径。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的非织造制品，其中所述制品为二维非织造结构，并且所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维中的每根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维的长度等于所述二维非织造结构的所述最长主表面尺寸或最短主表面尺寸(例如，垫、片材或毯的长度或宽度、非织造管或圆锥体的周长、非织造盒的外周长等)或者其长度介于那些尺寸之间。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品具有0.05g/cm3至0.3g/cm3的堆密度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品具有至少0.5mm的厚度。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品具有至少15gsm的基重。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的非织造制品，所述非织造制品还包括无机粘结剂以将所述多根多晶硅铝酸盐陶瓷纤维粘结在一起，其中所述无机粘结剂包括二氧化硅、氧化铝、氧化锆、高岭土、膨润土、硅酸盐、云母颗粒、它们的前体以及它们的任何组合。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的非织造制品，其中所述制品选自过滤制品、隔热制品、隔音制品、防火制品、安装垫、垫圈、催化剂载体、研磨材料或制品以及它们的组合。
13.一种污染控制装置，所述污染控制装置包括根据权利要求1至11中任一项所述的非织造制品。
14.根据权利要求13所述的污染控制装置，所述污染控制装置与机动车辆的机动车辆排气系统结合。
15.一种电动车辆电池模块，所述电动车辆电池模块包括根据权利要求1至12中任一项所述的非织造制品。
16.一种制备根据权利要求1至12中任一项所述的非织造制品的方法，所述方法包括：
使水性陶瓷前体溶胶流过多个孔口以产生多根基本上连续或连续的长丝，其中所述水性陶瓷前体溶胶包含分散在水中的氧化铝颗粒或二氧化硅颗粒中的至少一者，并且进一步地，其中所述水性陶瓷前体溶胶还包含可水解的含铝化合物或可水解的含硅化合物中的至少一者；
从所述多根基本上连续或连续的长丝中除去所述水的至少一部分以至少部分地干燥所述多根基本上连续或连续的长丝；
使所述至少部分地干燥的长丝通过缩束装置以将所述长丝拉伸至所需直径；以及
在收集器表面上收集所述至少部分地干燥的长丝作为非织造幅材。
17.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括引导气体流靠近所述多根基本上连续或连续的长丝以至少部分地干燥所述多根基本上连续或连续的长丝，任选地其中所述气体流被加热。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其中所述水性陶瓷前体溶胶包含氯化羟铝和二氧化硅。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，所述方法还包括在加热所述非织造幅材的所述长丝之前，在足以将所述至少部分地干燥的长丝转化成具有所需莫来石含量的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝的温度和时间下将所述非织造幅材转化成非织造垫。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，所述方法还包括在足以将所述非织造幅材转化成由多根具有至少45重量％的平均莫来石百分比的不连续多晶硅铝酸盐陶瓷长丝构成的松散/蓬松、分层、内聚和/或粘结的非织造幅材的温度和时间下加热所述非织造幅材。
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