CN115819108B - 一种高强度高孔隙率的蜂窝陶瓷载体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及蜂窝陶瓷材料技术领域，具体而言，涉及一种高强度高孔隙率的蜂窝陶瓷载体及其制备方法。该蜂窝陶瓷载体采用含有窄粒度分布片状滑石、超细气相氧化铝以及球形二氧化硅吸尘粉的原料烧成得到。本发明使用的窄粒度分布片状滑石可获得超低的热膨胀系数，并可提供分布窄的堆积微孔；超细气相氧化铝和球形二氧化硅吸尘粉料，不需要添加造孔剂，提高烧成合格率，降低成本。本发明的高强度高孔隙率蜂窝陶瓷载体，能够满足国七、欧七未来法规蜂窝陶瓷载体所要求的高孔密度、超薄壁，具有良好的应用前景。

Description

一种高强度高孔隙率的蜂窝陶瓷载体及其制备方法

技术领域

本发明涉及蜂窝陶瓷材料技术领域，具体而言，涉及一种高强度高孔隙率的蜂窝陶瓷载体及其制备方法。

背景技术

未来国七、欧七机动车排放法规对污染物排放的标准进一步加严，需要大大减少冷启动时污染物的排放，因为冷启动占目前国六整车排放约90%。

为了减少冷启动时污染物的排放，应对的策略是在接近发动机位置增加紧耦合的CCSCR、紧耦合的TWC。为满足紧耦合催化剂低温高转化效率的要求，对紧耦合蜂窝陶瓷催化剂载体提出低热值的要求，也就是希望蜂窝陶瓷载体低比热容、轻量化，因此需要蜂窝陶瓷载体提高孔隙率，而现有的陶瓷载体的孔隙率普遍只有30-40%。同时随着催化剂使用数量增加，系统背压会增大，而现有的陶瓷载体的微孔普遍较小，难以满足要求。

现有的解决方法如CN100537213C专利中所描述，采用堇青石、尖晶石、粘土、滑石、氧化铝、氢氧化铝、二氧化硅以及钙、镁、硼、锗、碱金属和过渡金属的氧化物形成陶瓷粉末，同时包含30-70%重量中值粒度为3-8微米的成孔剂，通过加热形成孔隙率50-65%，中值孔径2-4微米，25-800℃热膨胀系数小于10×10^-7/℃、弹性模量为200-400psi的蜂窝陶瓷。该专利存在以下缺陷：1、蜂窝陶瓷的中值孔径小，不能制备大中值孔径,无法将催化剂涂覆进入到微孔孔道内部；2、为了获得高孔隙率，添加了大量（30-70%）造孔剂，容易造成烧成开裂，同时造孔剂聚乙烯蜡微粉原料价格非常高，因此成本非常高。

CN103449840BZ专利中，采用滑石 30-50 重量份，氧化铝 20-30 重量份，氢氧化铝 5-10 重量份，氧化硅 10-20 重量份，高岭土 5-10 重量份以及0.5-1.5 %表面活性剂，2-5 %粘结剂，1-3%的润滑剂和5-10%的造孔剂组成配方，通过混合、捏合、陈腐、挤出成型，微波干燥，在1370-1450℃下烧成，制备30-60平方英寸、0.4-1.2mm壁厚的大孔径蜂窝陶瓷载体。该专利使用原料粒度粗，只能生产底孔密度、厚壁的产品，无法满足国七、欧七未来法规蜂窝陶瓷载体所要求的高孔密度、超薄壁。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高强度高孔隙率的蜂窝陶瓷载体及其制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种高强度高孔隙率的蜂窝陶瓷载体的制备方法，所述蜂窝陶瓷采用含有窄粒度分布片状滑石、超细气相氧化铝以及球形二氧化硅吸尘粉的原料烧成得到。

进一步，所述窄粒度分布片状滑石的径厚比为4~30，粒度D50为23~25μm，粒度D100小于或等于38μm。

进一步，所述超细气相氧化铝的原晶粒径为5-80nm，比表面积为50-200m2/g；其中，氧化铝的质量百分数为98-99.9%。

进一步，所述球形二氧化硅吸尘粉的粒度D50为0.2-1.0微米，比表面积为5-20mm2/g；其中，二氧化硅的质量百分数大于或等于99.5%。

进一步，所述原料的成分包括无机组分、有机组分和水；所述无机组分包括所述窄粒度分布片状滑石、所述超细气相氧化铝和所述球形二氧化硅吸尘粉；所述有机组分包括粘结剂和润滑剂。

进一步，所述原料中，所述无机组分中，各成分的质量百分数为，43.36%~44.21%的窄粒度分布片状滑石、34.43%~35.04%的超细气相氧化铝、21.05%~21.71%的球形二氧化硅吸尘粉。

进一步，所述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮，所述润滑剂为脂肪酸酯类润滑剂。

进一步，所述原料中，以质量份数计，所述无机组分的质量份数为100份，所述粘结剂为6~10份，所述脂肪酸酯类润滑剂为0.20~0.90份，水的质量份数为38~41.5份。

进一步，包括以下步骤：先将所述无机组分和所述粘结剂混合均匀，再加水进行湿混捏合，得到泥料；将所述泥料练制成具有塑性的泥段，并将所述泥段挤出成蜂窝状结构，干燥得到生坯体；对所述生坯体进行尺寸精确切割并烧成，烧成后冷却，得到所述蜂窝陶瓷；其中，所述烧成的温度为1300~1320℃，烧成的保温时间为1~3小时。

本发明还提供一种高强度高孔隙率蜂窝陶瓷载体，采用上述的制备方法制备得到。

本发明的有益效果为：

本发明的高强度高孔隙率蜂窝陶瓷载体的制备方法，使用的窄粒度分布片状滑石，滑石定向排列更好，可以获得超低的热膨胀系数，同时窄粒度分布可以提供分布窄的堆积微孔；

本发明的高强度高孔隙率蜂窝陶瓷载体的制备方法，采用具有丰富微孔的超细气相氧化铝和有丰富微孔的球形二氧化硅吸尘粉料，在烧结过程中，微孔转化为需要的孔隙率和大的中值孔径，不需要添加造孔剂，提高烧成合格率，降低成本；

本发明的高强度高孔隙率蜂窝陶瓷载体，孔隙率可达50-70%，微孔的中值孔径D50为11-30μm，可以将催化剂涂覆进入微孔孔道（in wall），降低涂覆后背压涨幅，同时为了保证催化剂封装时的安全性，等静压强度大于或等于2.0MPa；

本发明的高强度高孔隙率蜂窝陶瓷载体，能够满足国七、欧七未来法规蜂窝陶瓷载体所要求的高孔密度、超薄壁，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的高强度高孔隙率蜂窝陶瓷载体的制备方法中，窄粒度分布片状滑石A2的SEM图；

图2为本发明的高强度高孔隙率蜂窝陶瓷载体的制备方法中，超细气相氧化铝B1的SEM图；

图3为本发明的高强度高孔隙率蜂窝陶瓷载体的制备方法中，球形二氧化硅吸尘粉C1的SEM图。

实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的高强度高孔隙率蜂窝陶瓷载体的制备方法，采用含有窄粒度分布片状滑石、超细气相氧化铝以及球形二氧化硅吸尘粉的原料烧成得到。

本发明的上述制备方法中，使用的窄粒度分布片状滑石，滑石定向排列更好，可以获得超低的热膨胀系数，同时窄粒度分布可以提供分布窄的堆积微孔；超细气相氧化铝具有高比表面积、高纯度、低堆积密度、丰富微孔以及良好分布，烧成时，微孔转化为需要的孔隙率和大的中值孔径，同时超细粒径促进烧结，提高蜂窝陶瓷载体的强度；使用超细的、具有丰富微孔的火焰法制备球形二氧化硅吸尘粉料，烧成时，微孔转化为需要的孔隙率和大的中值孔径，同时超细粒径促进烧结，而且二氧化硅吸尘粉料是固废，成本低。

优选的，窄粒度分布片状滑石的径厚比为4~30，粒度D50为23~25μm，粒度D100小于或等于38μm。

优选的，超细气相氧化铝的原晶粒径为5-80nm，比表面积为50-200m²/g；其中，氧化铝的质量百分数为98-99.9%。

优选的，球形二氧化硅吸尘粉的粒度D50为0.2-1.0微米，比表面积为5-20mm²/g；其中，二氧化硅的质量百分数大于或等于99.5%。

优选的，原料的成分包括无机组分、有机组分和水；无机组分包括窄粒度分布片状滑石、超细气相氧化铝和球形二氧化硅吸尘粉；有机组分包括粘结剂和润滑剂，脂肪酸酯类成分。

优选的，粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮，润滑剂为脂肪酸酯类润滑剂。

使用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）做粘结剂，具有非常优秀的水溶性、成膜性、粘结性、吸湿性、增溶、凝聚；使用脂肪酸酯类做润滑剂，容易分散于水中，具有非常优良的乳化、成膜、润滑性能。

优选的，PVP为粉末状，可以为一种或多种分子量混合形成的混合物。一般，按其平均分子量大小分为四级，习惯上常以K值表示，不同的K值分别代表相应的PVP平均分子量范围，本发明使用PVPK30、PVPK90中的一种或两种混合物。

优选的，原料中，无机组分中，各成分的质量百分数为，43.36%~44.21%的窄粒度分布片状滑石、34.43%~35.04%的超细气相氧化铝、21.05%~21.71%的球形二氧化硅吸尘粉。

优选的，原料中，以质量份数计，无机组分的质量份数为100份，粘结剂为6~10份，脂肪酸酯类润滑剂为0.20~0.90份，水的质量份数为38~41.5份。

本发明的制备方法包括以下步骤：

先采用干法将无机组分的粉料和粘结剂混合均匀，再在装置中加水进行湿混捏合，得到泥料；将泥料练制成具有塑性的泥段，并将泥段挤出成蜂窝状结构，并微波干燥得到生坯体；对所述生坯体进行尺寸精确切割并烧成，烧成后冷却，得到所述蜂窝陶瓷；其中，所述烧成的温度为1300~1320℃，烧成的保温时间为1~3小时。

本发明的高强度高孔隙率的蜂窝陶瓷载体，采用上述的制备方法制备得到。

本发明的高强度高孔隙率的蜂窝陶瓷载体中，蜂窝结构体中蜂窝格子的形状没有特别限制，可以采用三角形、四角形、六角形等单一孔形，也可以是四角形、六角形、非对称形等多种孔型，在蜂窝结构体中无需采用单一孔形状，优选采用例如四角形孔。

本发明的高强度高孔隙率蜂窝陶瓷载体可应用于国七、欧七排放法规紧耦合CCSCR、紧耦合TWC，如柴油车使用的直径5.66-13英寸，高度2-9英寸，孔密度600cpsi壁厚3mil，孔密度400cpsi，壁厚4mil，汽油车使用的2-5.66英寸，高度2-8英寸，孔密度900cpsi，壁厚2mil、孔密度750cpsi，壁厚2mil，孔密度600cpsi壁厚3mil，孔密度400cpsi，壁厚4mil。

以下通过具体的实施例对本发明进行举例说明。

实施例1~10为采用本发明的方法制备的高强度高孔隙率蜂窝陶瓷载体，对比例1为，滑石A143.07%、普通氧化铝34.81%、球形熔融石英22.13%，外加PVPK90为9.5%，造孔剂竹粉40%，润滑剂脂肪酸酯类为0.95%，水38%。

表1为各实施例使用的无机组分的具体化学成分、粒度、形貌的参数。

表2为各实施例使用的无机组分中，各具体成分的质量百分比，以及有机组分和水的质量份数。

表3为各实施例和对比例制得的蜂窝陶瓷载体的性能比较，主要涉及烧成合格率、热膨胀系数、中值孔径、孔隙率以及等静压强度的测定结果。

表1 实施例1~10使用的无机组分的具体化学成分、粒度、形貌的参数

表2 实施例1~10的无机组分中，各具体成分的质量百分比，以及有机组分和水的质量份数

表3 实施例1~10和对比例1的各参数测试结果

从实施例1-10可以看出，随着气相氧化铝的比表面积增大、原晶粒径越小，获得的蜂窝陶瓷的孔隙率越高，等静压强度越大，中值孔径变小，烧成合格率变低。但实施例1-10制备的蜂窝陶瓷载体的性能可达到：烧成合格率达到99.5-100%、热膨胀系数达到小于等于0.16×10^-6/℃、中值孔径达到11-30μm、孔隙率50-70%、等静压达到2.42MPa，性能远远优于对比例。

在本发明的描述中，需要说明的是，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种高强度高孔隙率的蜂窝陶瓷载体的制备方法，其特征在于，所述蜂窝陶瓷载体原料的成分为无机组分、有机组分和水；所述无机组分为窄粒度分布片状滑石、超细气相氧化铝和球形二氧化硅吸尘粉；所述有机组分为粘结剂和润滑剂；

所述窄粒度分布片状滑石的径厚比为4~30，粒度D50为23~25μm，粒度D100小于或等于38μm；

所述超细气相氧化铝的原晶粒径为5-80nm，比表面积为50-200m²/g；所述超细气相氧化铝中，氧化铝的质量百分数为98-99.9%；

所述球形二氧化硅吸尘粉的粒度D50为0.2-1.0微米，比表面积为5-20mm²/g；所述球形二氧化硅吸尘粉中，二氧化硅的质量百分数大于或等于99.5%；

所述无机组分中，各成分的质量百分数为，43.36%~44.21%的窄粒度分布片状滑石、34.43%~35.04%的超细气相氧化铝、21.05%~21.71%的球形二氧化硅吸尘粉；

所述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮，所述润滑剂为脂肪酸酯类润滑剂；

所述原料中，以质量份数计，所述无机组分的质量份数为100份，所述粘结剂为6~10份，所述脂肪酸酯类润滑剂为0.20~0.90份，水的质量份数为38~41.5份；

所述制备方法包括以下步骤：先将所述无机组分、所述粘结剂和所述润滑剂混合均匀，再加水进行湿混捏合，得到泥料；将所述泥料练制成具有塑性的泥段，并将所述泥段挤出成蜂窝状结构，干燥得到生坯体；对所述生坯体进行尺寸精确切割并烧成，烧成后随炉冷却，得到所述蜂窝陶瓷；其中，所述烧成的温度为1300~1320℃，烧成的保温时间为1~3小时；

所述蜂窝陶瓷载体的孔隙率为50-70%，等静压强度大于或等于2.0MPa。

2.一种高强度高孔隙率的蜂窝陶瓷载体，其特征在于，采用权利要求1所述的制备方法制备得到。

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