CN117986030A - 一种蜂窝陶瓷载体及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蜂窝陶瓷载体及其制备方法与应用，所述蜂窝陶瓷载体的制备方法，包括如下步骤：步骤1：将生坯回坯料加水捏合得到生坯回用泥段；步骤2：将生坯回用泥段与原生坯泥段混合并再次捏合得到混合泥段；步骤3：将混合泥段制备为蜂窝陶瓷载体。通过将生坯回坯料中加入纯净水进行捏合，这样使得生坯回坯料能被润湿，且其中的粘结剂、分散剂和润滑剂都是亲水性成分能迅速的溶解在水中，重新复苏，这样可快速降低生坯回坯料中粘合剂的结合力，另外再通过捏合机双轴的微小剪切力，将定向排列好的片状滑石、生高岭土、片状氧化铝快速打散，同时采用加纯净水捏合的方法不会引入杂质，流程简单，时间短，成本比较低。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷技术领域，尤其涉及一种蜂窝陶瓷载体及其制备方法与应用。
背景技术
随着各个国家机动车排放法规升级，为满足污染物排放的标准，机动车一般采用尾气后处理系统利用催化剂的催化转化功能把发动机排气中的污染物一氧化碳CO、碳氢化合物HC和氮氧化物NOx、PN转化成无害的二氧化碳CO2、氮气N2和水H2O，使机动车尾气符合各个国家排放标准。
现有技术中，内燃机后处理系统多使用蜂窝陶瓷材料承载催化剂(催化剂载体)进行污染物的处理，如选择性催化还原SCR催化剂载体、氧化催化转化DOC催化剂载体、柴油车颗粒捕集器催化剂载体(DPF)、汽油车三元催化器TWC催化剂载体、汽油车颗粒物捕集器催化剂载体(GPF)等。
现行的蜂窝陶瓷生产过程会进行成型模具调试、生坯切割，这些过程会产生20-40％的回坯料，为了降低生产成本和避免浪费，将生坯回坯料粉碎、筛分、重新添加到配比中。一般只能回用0-10％，超过10％，由于粉碎需要比较大的力。但是，作为堇青石化原料通常使用的滑石、高岭土等具有层状形状的原料粒子比较柔软，对于机械冲击容易损坏其片状结构，同时机械粉碎过程中，不可避免引入杂质，如氧化铝、氧化硅、金属杂质等，造成回用后会造成产品热膨胀系数增大，特别是当回用超过10％以上，产品热膨胀系数会迅速增大，达到≥1.25×10-6/℃，不能满足现阶段后处理系统对蜂窝陶瓷载体热膨胀系数的要求(≤1.0×10-6/℃)。现有粉碎、筛分、回用生坯回坯料的技术存在不能完全回用，回用率低，粉碎、筛分处理费用高。
为了避免上述由于采用机械粉碎回用造成产品热膨胀系数增大的问题，专利JP2000302533A采用了预先对再生原料进行煅烧，煅烧温度280-580℃，这样使得再生原料中除去粘合剂的至少一部分，使粘合剂的结合力降低或消失，然后以微小的力进行粉碎，达到不破坏其片状结构的目的，达到低热膨胀系数，但是其采用预煅烧再粉碎的处理流程，时间长，成本高，同时由于采用了煅烧工艺，其再生料中价格昂贵的有机助剂如粘结剂、分散剂、润滑剂被分解，无法重新利用，这样会导致生坯回坯料的回用的成本增加。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的之一在于提供一种可对生坯回坯料进行回用以制备蜂窝陶瓷载体，且回用成本低的制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种蜂窝陶瓷载体的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将生坯回坯料加水捏合得到生坯回用泥段；
步骤2：将生坯回用泥段与原生坯泥段混合并再次捏合得到混合泥段；
步骤3：将混合泥段制备为蜂窝陶瓷载体。
上述技术方案中所述生坯回坯料为DOC载体、DPF载体、SCR载体、ASC载体、TWC载体或GPF载体的生坯回坯料。
上述技术方案中所述步骤1中是将生坯回坯料投入双轴捏合机，再加入水进行捏合得到生坯回用泥段。
上述技术方案中所述步骤2中所述生坯回用泥段与原生坯泥段使用双轴捏合机捏合以进行混合。
上述技术方案中所述步骤1和步骤2中捏合时长均为30-60min。
上述技术方案中所述步骤3中所制备的蜂窝陶瓷载体的蜂窝格子的形状为三角形、四角形或六角形的单一孔形，或者是四角形、六角形非对称的孔形。
上述技术方案中所述步骤2中原生坯泥段的最低用量为0。
上述技术方案中所述步骤1中水为纯净水。
本发明的目的之二在于提供一种由生坯回坯料所制得的蜂窝陶瓷载体。
为了实现上述目的，本发明的另一技术方案如下：一种蜂窝陶瓷载体，其特征在于，采用如上所述的方法制得。
本发明的目的之三在于提供一种上述蜂窝陶瓷载体的应用，用作催化剂载体或颗粒捕集器。
本发明的有益效果在于：通过将生坯回坯料中加入纯净水进行捏合，这样使得生坯回坯料能被润湿，且其中的粘结剂、分散剂和润滑剂都是亲水性成分能迅速的溶解在水中，重新复苏，这样可快速降低生坯回坯料中粘合剂的结合力，另外再通过捏合机双轴的微小剪切力，将定向排列好的片状滑石、生高岭土、片状氧化铝快速打散，同时采用加纯净水捏合的方法不会引入杂质，流程简单，时间短，成本比较低，而且能将蜂窝陶瓷生产过程产生的所有生坯回坯料包括无机原料、有机助剂都回用到配料中。
附图说明
图1为生坯回坯料中片状原料定向排列的SEM图；
图2为生坯回坯料的捏合时间和热膨胀系数散点图；
图3为实施例14堇青石定向结晶的SEM图。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
名词解释：
原生坯泥段是制备蜂窝陶瓷载体时未经微波烘干的泥段原料；生坯回坯料是制备蜂窝陶瓷载体是经微波烘干，但未经烧结处理的废料或下脚料(生坯回坯料可以理解成是原生坯材料经微波烘干后的废料或下脚料)；气流粉碎处理的回坯料泥段是将生坯回坯料采用气流粉碎的方式粉碎后再重新加水捏合所制备泥段；球磨粉碎处理的回坯料泥段是将生坯回坯料采用球磨粉碎的方式粉碎后再重新加水捏合所制备泥段。
原材料说明：
蜂窝陶瓷载体原始配方料，包括无机组分和有机组分，其中无机组分包含片状滑石、片状高岭土、片状氧化铝、氢氧化铝、熔融二氧化硅等；有机组分包含有机造孔剂(为石墨烯前驱体、有机小球等)、粘结剂(为甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮一种或者多种)和润滑剂(脂肪酸酯类)。
具体的，原始配方料包括：40份的滑石，26.4份的高岭土，16.6份的氧化铝，8份的氢氧化铝，9份的二氧化硅，1-15份石墨烯前驱体有机造孔剂，6-10份的粘结剂，30-40份的纯净水，0.2-0.9份润滑剂。
原生坯泥段的制备方法包括以下步骤：
采用干法将原始配方中的原料混料(包含原始配方中片状滑石、片状高岭土、片状氧化铝、氢氧化铝、熔融二氧化硅、有机造孔剂和粘结剂混合均匀；再将混合均匀的粉料置于双轴捏合机中，加入纯净水和润滑剂，湿混捏合30-40分钟即得到原生坯泥段。
生坯回用泥段(具有塑性、流动性)的制备方法如下：
获取模具调试和生坯切割产生的废料作为生坯回坯原料；
将100份生坯原料加入到双轴捏合机中，然后加入生坯原料总量30-40份的纯净水，进行湿混、捏合，捏合30-60分钟即得到生坯回用泥段。
生坯回用泥段再制作时直接加入纯净水进行捏合，其优点是采用加水捏合的处理方法不会引入杂质，成本比较低，而且能将蜂窝陶瓷生产过程产生的所有回坯料都回用到配料中。
蜂窝陶瓷载体的制备方法如下：
将原生坯泥段和生坯回用泥段按照任意比例加入到双轴捏合机中，捏合30-60分钟，再将捏合后的泥段练制成具有塑性的泥段；将泥段挤出成蜂窝状结构，并微波干燥为生坯体；将生坯体进行烧成为堇青石蜂窝陶瓷体。
本发明针对不同低温煅烧温度、不同生坯回用比例设计了不同实施例，实施例配比和检测结果如表1所示，另外，表2中还对生坯回坯料采用不同粉碎方式所制地粉料再回用所制得的生坯回坯料作为比较例进行说明，表1和表2中各组分的比例是重量份。
表1堇青石蜂窝载体实施例
表2堇青石蜂窝过滤器比较例
其中，气流粉碎处理的回坯料泥段和球磨粉碎处理的回坯料泥段中生坯回坯料与纯净水的配比与生坯回用泥段中的配比一致，生坯回用泥段、气流粉碎处理的回坯料泥段和球磨粉碎处理的回坯料泥段的区别在于，生坯回用泥段未经粉碎直接加纯净水捏合，气流粉碎处理的回坯料泥段和球磨粉碎处理的回坯料泥段则均是先经过粉碎后再加纯净水捏合。
为了满足现阶段法规，各实施例和各比较例选择了目前蜂窝陶瓷行业最难生产的直径143.8mm，高度152.4mm，孔密度900cpsi，壁厚2.5mil的TWC产品。当然产品的种类、直径、高度、孔密度和壁厚不仅仅局限于此。
实施例和比较例中CTE测试温度范围为25-800℃。
从表1的实施例1-14和图2可以看出，在原生坯泥段和生坯回用泥段混合后捏合时间固定为50分钟的情况下，随着生坯回用料的捏合时间从10分钟到90分钟，热膨胀系数呈下降的趋势，在捏合时间达到50分钟，热膨胀系数达到原始配方泥段同样的水平，随着捏合时间延长，热膨胀系数呈现为稳定值，而泥料塑性从差逐步变为良和优，在捏合时间达到30分钟的时候，泥料性能达到良，可以满足生产需求，但是，当捏合时间超过60分钟后，泥料塑性性能变差，无法满足生产的需求。因此：在保证产品热膨胀系数满足现阶段处理系统对蜂窝陶瓷载体的要求(室温-800℃≤0.5×10-6/℃)，生坯回用泥段的捏合时间需要≥30分钟，在保证泥料塑性性能满足生产的需求，生坯回用泥段的捏合时间需要≤60分钟，所以，生坯回用泥段的最优捏合时间的范围为30-60分钟。在生坯回用泥段的性能满足生产需求的情况(生坯回用泥段的捏合时间30-60分钟)下，原始生坯泥段和生坯回用泥段混合后捏合时间超过60分钟，泥料可塑性能变差，捏合时间少于30分钟，泥料可塑性能也变差，因此原生坯泥段和生坯回用泥段混合后捏合时间的最优范围为30-60分钟。从比较例2-9可以看出，随着粉碎处理的生坯回坯回用量的增加，产品的热膨胀系数增长速度迅速，特别当回用量大于10％以上时，产品的热膨胀系数达到＞0.5×10-6/℃，无法满足现阶段后处理系统对载体的要求。同样发现，气流粉碎的处理方式优于球磨粉碎的处理方式，可能原因是球磨粉碎过程，引入二氧化硅、氧化铝杂质，球磨粉碎过程对生坯回坯中滑石、高岭土、氧化铝原料片状结构破坏严重。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种蜂窝陶瓷载体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将生坯回坯料加水捏合得到生坯回用泥段；
步骤2：将生坯回用泥段与原生坯泥段混合并再次捏合得到混合泥段；
步骤3：将混合泥段制备为蜂窝陶瓷载体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生坯回坯料为DOC载体、DPF载体、SCR载体、ASC载体、TWC载体或GPF载体的生坯回坯料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中是将生坯回坯料投入双轴捏合机，再加入水进行捏合得到生坯回用泥段。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中所述生坯回用泥段与原生坯泥段使用双轴捏合机捏合以进行混合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1和步骤2中捏合时长均为30-60min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中所制备的蜂窝陶瓷载体的蜂窝格子的形状为三角形、四角形或六角形的单一孔形，或者是四角形、六角形非对称的孔形。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中原生坯泥段的最低用量为0。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中水为纯净水。
9.一种蜂窝陶瓷载体，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的方法制得。
10.一种如权利要求9所述的蜂窝陶瓷载体的应用，其特征在于，用作催化剂载体或颗粒捕集器。
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