CN1553885A - 用于排气系统的无机纤维基材及其制造方法 - Google Patents

用于排气系统的无机纤维基材及其制造方法 Download PDF

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Abstract

将一种用于燃烧装置排气系统的纤维基纸质基材硬化方法。在该方法中，用一浸渍分散液浸渍一种生的陶瓷纤维基纸质基材。然后将浸渍过的基材干燥，煅烧和烧成以形成硬化适用于燃烧装置排气系统的基材。该硬化过程至少进行一遍，最好两遍或多遍。该生的纸质基材包含两张或多张生的陶瓷纤维基纸，至少一张有皱褶，与另一张层合在一起形成许多管状的通道。硬化基材包含以陶瓷纤维基纸和陶瓷颗粒聚集物形式存在的耐火陶瓷纤维。陶瓷颗粒聚集物被结合和位置使得在沿着耐火陶瓷纤维并在耐火陶瓷纤维交叉点的隔开位置上将耐火陶瓷纤维结合在一起，因而耐火陶瓷纤维尽管在纸张中，却依然保留着绝大部分其原来的柔性。

Description

用于排气系统的无机纤维基材及其制造方法
技术领域
本发明涉及用在排气系统中的无机纤维基材，具体是涉及包括壁流型和/或直通型基材的排气系统基材，更具体地是涉及用于过滤，再生和/或减少排气系统排放物的基材，再具体地是涉及用于内燃机排气系统的基材。本发明还涉及装有这种基材的装置和制造这种基材的方法。
背景技术
内燃机(如汽车发动机，发电机等)，电厂，焚烧炉以及其它类似的燃烧装置一般都包括把燃烧过程产物排出去的排气系统。这种排气系统一般都包含某种形式的直通型催化基材和/或壁流型过滤基材。燃烧产物可包含未燃烧和/或部分燃烧的副产物，如烟灰颗粒，一氧化碳，NOx等。排气系统一般被设计成能限制这些燃烧副产物排放到大气中去。
已发现颗粒烟灰燃烧副产物是危害人体健康和环境的有害物质。因而，排放这样的烟灰颗粒受到了特别的关注。作为对这种关注的响应，政府已经并正在颁发越来越严格的法规来限制和减少从象内燃机，尤其是柴油机这类排放源的废气。因此，格外的注意力已经针对开发更有效的排气系统，能进一步限制和减少这些燃烧副产物的排放，尤其是过滤载会有颗粒的废气。
一些燃烧装置(如柴油机)会产生令人讨厌的气态(如一氧化碳)和颗粒(如烟灰)的燃烧副产物。这类发动机排气系统的设计通常是具有一催化组件和一过滤部件来限制这两种燃烧副产物的排出。催化转化器典型地包括一具有陶瓷整体式结构的直通型催化基材。常规的直通型催化基材通常在促进排出的气体的燃烧上是有效的(如使一氧化碳燃烧生成二氧化碳)；但是它们的价格偏高，且在排出的颗粒的燃烧上无能为力。市场上有售各种壁流型基材用来过滤废气中的颗粒。这样的过滤基材包括如美国专利U.S.Patent No.4,276,071所披露的整体式多孔陶瓷体。这种挤出的基材已经由多孔材料如堇青石或碳化硅制得。这些挤出的陶瓷过滤器可能会经久耐用和有效，但价格也偏高。用于此目的的便宜些的陶瓷纤维基颗粒过滤器已经制造出来，但迄今这样的过滤器尚未表现出实现商业成效所需的性能(如耐久性和效力)。例如，可见美国专利U.S.PatentNos.3,112,184；3,899,555；4,608,361；4,652,286；4,718,926；5,194,078和5,322,537。人们认为，这些先前的陶瓷纤维基过滤器不能实现商业成效的原因是在它们打算要工作的环境中的耐久性不够。
发明综述
因此，排气系统需要较便宜又经久耐用的纤维基基材可以用作壁流型基材，直通型基材或二者都行。本发明满足了该需求
本发明的一个方面提供了一种方法使用于燃烧装置(如柴油机)排气系统的纤维基纸张硬化方法。在该方法中，用第一浸渍分散液浸渍的一种生的陶瓷纤维基纸。然后将浸渍过的纸干燥，煅烧和烧成，形成硬化纸。该硬化过程至少进行一遍，最好两遍或多遍。生的陶瓷纤维基纸包含耐火陶瓷纤维和一种有机物。该有机物包含一种或多种有机结合剂，也可以合乎需要地包含有机纤维。该有机材料至少部分地为生的纸提供了在运送和形成生的基材时所需的强度和柔性。按照本发明加工的生的纸，其形式旨在例如至少用作壁流式或直通式基材。
第一浸渍分散液包含一种无机结合剂材料和一种渗透剂。该无机结合剂材料包含一种陶瓷组分。该陶瓷材料包含一种陶瓷前体材料，一种陶瓷材料或这二者的组合。该渗透剂包含一种有机物或聚合物。渗透剂足以降低浸渍分散液与生的基材表面(即纤维和结合剂材料形成的表面)之间的界面能，使得浸渍分散液润湿并被吸附到生的纸中而不会造成浸渍分散液中陶瓷组分的显著絮凝或颗粒分离(例如相分离)。浸渍过的纸先干燥，经干燥的纸煅烧，经煅烧的纸再烧成，至少部分地把有机物烧掉并至少使浸渍分散液中的部分陶瓷组分结合在一起，并与纸中的耐火陶瓷纤维结合在一起。陶瓷组分结合在一起以及陶瓷组分与耐火陶瓷纤维结合在一起，使得纤维都结合在一起形成硬化纸，它适用于燃烧装置的排气系统。当纸的形式为基材时，所制得的硬化基材适合用于燃烧装置的排气系统。
烧成之后，耐火陶瓷纤维最好具有烧成陶瓷组分的不连续涂层(例如，聚集物)，烧成陶瓷组分在沿着耐火陶瓷纤维相互交叉点的间隔空间位置上将耐火陶瓷纤维结合在一起，因而该耐火陶瓷纤维尽管在纸张中却依然保留着绝大部分其原来的柔性。纸中这种结合的纤维交叉点存在的量可以通过控制硬化过程来改变，并且可能会取决于根据特定的纸或纸基材的要求，耐火陶瓷纤维需保留其原来的柔性的程度。因此，烧成陶瓷组分涂层某种程度的连续性或许是可以接受的。
有机物可以通过两个或多个烧成步骤(即两遍或多遍硬化过程)被烧尽，而不是在初次烧成(即第一遍硬化过程)中就一下子烧尽。虽然最好是在初次烧成时就把有机物基本上或完全烧尽。这里所用的术语”基本上烧尽”指的是几乎所有的有机物被烧掉。干燥，煅烧和烧成可以都采用相同的热源(如加热炉等)来完成。干燥，煅烧和烧成可以采用一个加热循环，也可以采用多个加热循环。理想的是每一步骤在不同温度下进行(例如，低温下干燥，中间温度下煅烧，更高温度下烧成)。
合乎需要的是，浸渍分散液中至少部分，最好绝大部分或全部的陶瓷组分带有的电荷与至少部分，最好绝大部分或全部的耐火陶瓷纤维带有的电荷相反，这样带有相反电荷的陶瓷组分和耐火陶瓷纤维就相互吸引。这样的电荷差异可以促进陶瓷组分(例如纳米粘土颗粒)吸附到耐火陶瓷纤维上去。这种吸引可以通过调节浸渍分散液的pH值来实现。浸渍分散液还可进一步包含补强颗粒，它带有和耐火陶瓷纤维或陶瓷组分相同的电荷(例如表面电荷)。按照需要，这种补强颗粒所带的电荷可以转化成另一种电荷。浸渍分散液包含不同类型的浸渍颗粒，以及一种或多种不同类型的浸渍颗粒所带的电荷加以转化也是合乎需要的，这样就能实现浸渍颗粒之间的吸引，而否则的话互相并不吸引。
当有机物包含像诸如胶乳这样的有机结合剂材料时，生纸中含有凝结剂(例如包含在用于制造生纸的浆料中)是合乎需要的。凝结剂至少能使有机结合剂材料凝结，并至少使有机结合剂材料附着在至少陶瓷纤维上，最好附着在可能存在于纸中的有机纤维上。
在生纸或硬化的纸或纸基材的浸渍过程中，纸或纸基材的表面暴露(例如浸渍，喷雾等)在浸渍分散液中的速率最好至少要与浸渍分散液芯吸进入并穿过纸的速率一样快，以避免浸渍分散液组分在浸渍过程中的物理分离或使这种现象减少到最低程度。浸渍过程中，纸或纸基材的表面暴露在浸渍分散液中的速率最好高于浸渍分散液芯吸进入并穿过纸的速率。
硬化纸或纸基材可以通过重复上述的硬化过程来进一步地硬化。在这样的进一步的硬化过程中，进一步的烧成会造成附加的浸渍分散液中至少部分，最好是绝大部分或全部的陶瓷组分结合在一起并与纸的陶瓷纤维结合在一起。进一步的烧成还可造成在以前的浸渍分散液中尚未反应的陶瓷组分(如果还有的话)结合在一起并与纸的陶瓷纤维结合在一起。因此，附加的陶瓷组分和以前尚未反应的陶瓷组分的这种反应，可造成耐火陶瓷纤维进一步结合在一起，形成进一步硬化纸或纸基材。在纸或纸基材中的有机结合剂材料基本上烧尽之后，使用不含有大量渗透剂的浸渍分散液是合乎需要的。
本发明的方法还包括从纸浆料生产纸的造纸方法。纸浆料可包含耐火陶瓷纤维和有机结合剂材料。浆料最好还含有金属碳化物(例如碳化硅)的颗粒和一种凝结剂，可能还会有颗粒状陶瓷前体。足量的金属碳化物颗粒可使纸在干燥，煅烧和烧成之后能吸收微波。可用的陶瓷前体颗粒在烧成之后会形成高温陶瓷，凝结剂会使有机结合剂材料凝结在浆料中的陶瓷纤维，金属碳化物颗粒和陶瓷前体上，有机结合剂材料会使纸具有柔性和加工强度。纸浆料最好还包含无机结合剂材料，它是诸如像一种或多种膨润土的陶瓷组分。用于纸浆料的陶瓷组分最好还包含金属氧化物，金属氧化物前体和它们的胶体。
本发明的另一方面提供一种生的陶瓷纤维基的纸或纸基材，或其它的聚合物增强的生的陶瓷纤维三维坯体，它在硬化之后适用于燃烧装置(如柴油机)的排气系统。生纸基材或坯体包含两张或多张构成生基材的生陶瓷纤维基的纸，至少一张纸有平的表面，至少另一张纸是有许多皱褶的，且每一皱褶有一尖顶。一张纸可以是平的，另一张是有皱褶的。每张生纸都包含耐火陶瓷纤维和有机物，有机物中至少包含一种有机结合剂和可用的有机纤维。用于制作生基材的一张或多张或每张生纸最好也包含足量的金属碳化物(例如碳化硅)的颗粒，使得干燥，煅烧和烧成后的纸能吸收微波。用一种无机结合剂把带皱褶的纸张的每个皱褶的尖顶结合在另一张纸的平的表面或皱褶上，把两张纸层合在一起形成许多管状通道。无机结合剂可是高粘度，高固体含量的悬浮液，其中有无机胶结剂组分，以及可有有机胶结剂组分。这种无机胶粘剂可包括耐火陶瓷颗粒(例如氧化铝，堇青石，富铝红柱石，硅铝酸盐等)，陶瓷前体(例如纳米粘土，勃姆石，碱性金属盐，金属氢氧化物，金属羟基氧化物等)或它们的组合。
优选地，形成生基材或坯体的陶瓷纤维纸用至少包含无机结合剂材料的浸渍分散液浸渍，若形成基材的纸含有足够高浓度的有机结合剂材料，则浸渍分散液还包含一种渗透剂。该无机结合剂材料包含一种陶瓷组分。生基材中的浸渍分散液至少部分被干燥。陶瓷组分至少是陶瓷材料和陶瓷前体的一种。浸渍分散液的陶瓷组分优选地包含至少一种或多种纳米粘土和可有的碳化硅。陶瓷组分最好进一步还含有勃姆石，胶态氧化锆和胶态二氧化硅中的一种或多种。陶瓷组分存在的量要不会在基材干燥，煅烧和烧成后，不可接受地降低基材的渗透性和均匀性。陶瓷组分最好包含至少一种带电荷(如正电荷)的纳米粘土，当陶瓷纤维带有相反电荷时，就有助于纳米粘土吸附到陶瓷纤维上去(例如，当陶瓷纤维带正电荷，而纳米粘土带负电荷时)。浸渍分散液的陶瓷组分最好还包含陶瓷颗粒(例如，陶瓷颗粒，陶瓷前体颗粒等)，其平均颗粒直径小于约4微米，至少约80％重量的陶瓷颗粒的平均颗粒直径小于约10微米，至少约95％重量的陶瓷颗粒的平均颗粒直径小于约20微米。陶瓷颗粒的平均颗粒直径不大于约5微米也可合乎需要。陶瓷颗粒的平均颗粒直径不大于约6微米也可合乎需要。
渗透剂包含一种有机分子或聚合物，它足以降低浸渍分散液与生基材表面(即至少由纤维和结合剂形成的表面)之间的界面能，使得浸渍分散液润湿并被吸附到生纸中，而不会造成浸渍分散液中陶瓷组分的显著絮凝或颗粒分离(例如相分离)(即在被吸附的浸渍分散液中的陶瓷组分基本上是均匀的)。渗透剂在浸渍分散液中有足够的溶解度，所以它以能够有效地作为浸渍时的渗透剂的量存在。渗透剂最好包含一种有机分子或聚合物，通过至少(1)降低浸渍分散液的表面张力并(2)降低浸渍分散液和生基材的纸之间界面上的表面能这二者之一来促进浸渍分散液对生基材的润湿。
本发明的还有一个方面，是提供适用于燃烧装置(例如柴油机)排气系统的硬化陶瓷纤维基的纸或纸基材。硬化基材包含陶瓷纤维基的纸，其中包含耐火陶瓷纤维和陶瓷颗粒的聚集物。陶瓷颗粒聚集物被结合和配置，能使在沿着耐火陶瓷纤维相互交叉点的相隔位置上将耐火陶瓷纤维结合在一起，因而在纸中保留其大多原来的柔性。陶瓷颗粒可以是衍生自纳米粘土，碳化硅，勃姆石，胶态二氧化锆，胶态二氧化硅，α-氧化铝，过渡氧化铝，铈土，铈土二氧化锆混合物，钛酸铝，堇青石，富铝红柱石，其它的硅铝酸盐以及它们的组合。该硬化纸基材可与安装材料或衬垫和外壳一起用。基材被放置在外壳中，安装材料置于基材和外壳之间构成一基材组合件。硬化纸基材可以是滤芯，催化剂载体或二者兼有之。硬化纸基材更好能适用于内燃机排气系统。
硬化纸或纸基材最好能用微波加热来再生，以便促进截留在纸或纸基材中的碳，纸或纸基材暴露表面上的残碳，或这二者的燃烧。为了使其具有再生性，至少部分的包含在基材中的陶瓷纤维至少能够部分地被涂覆上或至少部分地含有氧化催化剂材料。这样的纤维一般在制纸过程中加入。为了使其具有再生性，陶瓷颗粒最好包含足够量的金属碳化物颗粒(例如碳化硅)使得硬化纸可以吸收微波。在一示范的用于过滤排放气体的硬化纸或纸基材中，耐火陶瓷纤维包含着含铝的陶瓷纤维以及含碳化硅颗粒的陶瓷颗粒。该示范的纸或纸基材最好还包含着含硅的氧化物材料。
硬化纸中的陶瓷颗粒理想的平均颗粒直径小于约4微米，至少约80％重量的陶瓷颗粒的平均颗粒直径小于约10微米，至少约95％重量的陶瓷颗粒的平均颗粒直径小于约20微米。陶瓷颗粒的平均颗粒直径不大于约5微米也可合乎需要。陶瓷颗粒的平均颗粒直径不大于约6微米也可合乎需要。
更可取地，硬化纸或纸基材中的耐火陶瓷纤维是部分取向的(即在它们的取向上不是完全随机的)。硬化纸中最好有约60％以上的耐火陶瓷纤维的取向在与纸平面平行的约35°以内。还要可取地，透镜状或片状的孔隙能形成或者以另外方式存在于纸内，这些孔隙的取向接近平行于纸平面。这样的透镜状或片状的孔的长轴典型地处于约50微米至300微米的长度范围内，其高度范围为约10至50微米。陶瓷颗粒最好在硬化纸基材内不形成相连的相(即颗粒一般形成不相连的相)。典型地，陶瓷颗粒在硬化纸内的陶瓷纤维上不形成连续的涂层(即颗粒一般形成非连续涂层)。
硬化纸基材可以是壁流型基材或者直通型基材。硬化纸或硬化纸基材可具有70％以上的孔隙率，甚至约80％至95％的空隙率。硬化纸或纸基材的空隙率范围优选约在80％至95％之间，平均流动孔径范围约在10至15微米之间，用孔隙测量仪所测量。硬化纸或纸基材的玻璃含量(一般为玻璃颗粒)要低于5％重量，更优选地要低于2％重量，最优选地要低于1％重量。硬化纸基材的碱金属含量最好要低，低于2％重量，更优选地低于0.5％重量。
此处所用的术语”生(的)”指的是包含有机物和无机纤维的制品或复合材料未经煅烧和烧成过，即未经受足够高的温度把大量或全部的有机物烧掉。这样的制品或复合材料的例子包括本发明的陶瓷纤维基纸基材和用于制造该基材的纸。
此处所用的术语”玻璃”指的是金属氧化物或金属硫化物基的物质，通常有高的碱金属氧化物含量，它与纤维基基材中相邻的陶瓷物质反应引起该陶瓷物质大量的晶粒生长和变脆，或者在硬化过程的煅烧或烧成步骤中熔化，或者在排气系统中的纤维基基材使用时熔化。这样的玻璃物质可包括例如处于以下广泛类别的玻璃：硅铝酸钠和硅铝酸钾，碱金属硼硅酸盐，碱金属硼硅铝酸盐等。注意，按照以上定义的术语，某些处于这些广泛类别中的玻璃可能不是一种玻璃。
此处所用的术语”陶瓷”指的是玻璃以外的陶瓷物质。
此处所用的术语”纳米粘土”指的是粘土的形态为极细的小片，薄片或其它颗粒，其中颗粒的至少一个尺度在纳米范围内。使用至少一个尺寸小于约30纳米，优选地，小于约20纳米的纳米粘土颗粒是合乎需要的。更可取地，纳米粘土颗粒的主尺度，即最大尺寸，小于约50微米。优选地，纳米粘土颗粒的形态为小片或薄片。
此处所用的陶瓷分散液或溶胶指的是一种液体介质，其中加入了陶瓷颗粒(例如粉末，薄片)并均匀地分散在该液体介质中。
此处所用的第一分散液指的是一种分散液，它包含一含有一种陶瓷组分和至少一种渗透剂的溶液。第一分散液至少用作第一浸渍溶液来浸渍聚合物增强的生陶瓷纸或纸坯体。
此处所用的长宽比指的是一个物体的长度与其宽度之比值。在这点上，长度为100微米和宽度为2微米的一根纤维可描述为它具有长宽比50。
此处所用的壁流型纤维基纸基材是废气必须流过基材的壁才能穿过基材(例如颗粒过滤器)。
此处所用的直通型纤维基纸基材是废气接触基材壁的外表面但不必流过基材的壁就能穿过基材(例如催化剂载体)。
此处所用的术语空隙率指的是相对于闭孔空隙率而言的连通孔空隙率。纸中的连通孔空隙率是需要的，因为它让气体渗透穿过纸，而闭孔空隙率不会。
附图的简要说明
图1为按照本发明的纤维基纸基材的透视图。
图2为按照本发明的壁流型纤维基纸基材的部分端视图。
图3为按照本发明的壁流型纤维基纸基材组合件的剖面示意图。
图4为放大100倍的陶瓷纤维纸剖面的显微镜照片，该陶瓷纤维纸已按照本发明被浸渍，干燥，煅烧和烧成一遍。
图5为放大300倍的陶瓷纤维纸表面的显微镜照片，该陶瓷纤维纸已按照本发明被浸渍，干燥，煅烧和烧成一遍。
图6为放大500倍的陶瓷纤维纸剖面显微镜照片，该陶瓷纤维纸已按照本发明被浸渍，干燥，煅烧和烧成一遍。
图7为放大1,500倍的陶瓷纤维纸剖面的显微镜照片，该陶瓷纤维纸已按照本发明被浸渍，干燥，煅烧和烧成一遍。
图8为放大300倍的陶瓷纤维纸表面的显微镜照片，该陶瓷纤维纸已按照本发明被浸渍，干燥，煅烧和烧成两遍。
图9为放大100倍的陶瓷纤维纸剖面的显微镜照片，该陶瓷纤维纸已按照本发明被浸渍，干燥，煅烧和烧成两遍。
图10为放大1,000倍的陶瓷纤维纸剖面的显微镜照片，该陶瓷纤维纸已按照本发明被浸渍，干燥，煅烧和烧成两遍。
图11a为陶瓷纤维纸的平面图，该具有增强图案的陶瓷纤维纸已被浸渍过。
图11b为陶瓷纤维纸的平面图，该具有另一种增强图案的陶瓷纤维纸已被浸渍过。
图11c为陶瓷纤维纸的平面图，该具有另一种增强图案的陶瓷纤维纸已被浸渍过。
实施方式的详细说明
虽然在这里本发明是根据一些特定的实施方式加以描述的，显然对于本行业里的技术人员说来，可以作各种各样的改变，重新安排和替换而不会违反本发明的精神。因此，本发明的范围仅仅限于附在这里的权利要求书及其相当的内容。
本发明提供一种高强度且耐用的耐火陶瓷纤维基的纸质基材，可用于壁流型(例如过滤)和/或直通型(例如催化)的用途。本发明的纤维基纸质基材的诸多特征在于：密度低，强度高，背压低(即空隙率高)，截留效率高，热稳定性高，化学稳定性高。用于过滤时，该纤维基纸质基材可表现出70％以上的空隙率，最高可达约80％至95％的空隙率。可取地地，该纤维基纸质基材的玻璃(一般是玻璃颗粒)含量低，例如，低于约5％重量，优选地低于约2％重量，最好低于1％重量。该纤维基纸质基材的碱金属含量低是合乎需要的，例如低于约法2％重量，优选地低于约0,5％重量，最好低于0.25％重量。玻璃含量低和碱金属含量低给纤维基纸质基材带来更好的化学稳定性和热稳定性。玻璃在与陶瓷纤维接触时的热过程时间使玻璃与陶瓷纤维起化学反应，导致陶瓷纤维强度有一定的降低。除了可用于滤芯和/或催化剂载体外，本发明也适合于再生工艺，例如微波或直接加热，用以促进截留在基材里碳(例如被过滤下来的烟灰颗粒)的燃烧或暴露在基材表面的残碳的燃烧。
一般地说，按照本发明，制造纤维基纸质基材的一个实施方式包括使含有有机结合剂的”生的”陶瓷纤维基纸质基材硬化，这是通过用浸渍分散液或溶胶来浸渍生的基材至少一遍，然后对浸渍过的基材干燥，煅烧和烧成来实现的。干燥，煅烧和烧成步骤可采用一个加热周期或多个加热周期来进行。所得到的硬化纤维基纸质基材如果需要的话，还可通过对已经过一遍硬化基材重复上述步骤多遍来进一步强化以达到合乎需要的强度。
生的陶瓷纤维纸基基材由陶瓷纤维纸形成。这种纸可用常规的造纸方法和设备来制造。在一典型方法中，在一溶液混合器或掺合器中制备陶瓷纤维和其它组分的水分散液或溶剂分散液。其它组分包括无机和/或有机结合剂以及可用的材料包括有机纤维，表面活性剂，粘土，消泡剂和其它颗粒物质。因为纤维断裂通常发生在混合时，所以希望避免过度的纤维断裂，以获得高抗撕裂强度的纸。在这方面，纸纤维的长宽比优选为约50或大于50，更优选为约100或大于100。纤维断裂的程度，因而，纤维的平均长宽比可随着混合的时间和能量，纤维的性质(易碎性和强度)，混合的条件(叶片构造，尺寸，转速)以及纸浆混合物的粘度而变化。确切的参数由实验来确定，造纸业的技术人员都熟知该方法。
在一个实验操作中，纸浆用一掺合机，如韦林氏(Waring)掺合机(DynamicsCorporation of America，New Hartford，Connecticut)进行剪切掺和30至90秒钟，制取造纸前纸浆内陶瓷纤维和有机纤维的均匀混合物。最好包含有机纤维和结合剂如胶乳结合剂，以便赋于纸张柔性和加工强度。凝结剂被加到纸浆中，使有机和/或无机结合剂凝结，并使有机和/或无机结合剂附着在陶瓷纤维和有机纤维上。凝结之后，立即将纸浆湿铺在一细筛或毛毡上。水分或溶剂通过如加压或抽真空被除去，留下一片缠结的含纤维和结合剂的材料。此加压过的纸然后用如50至150℃的烘箱干燥，此聚合物增强的生陶瓷纸片被卷绕起来有待进一步加工。
聚合物增强的生陶瓷纸片的重量，最好在约125克/米2至约175克/米2的范围内，厚度最好在约0,75毫米至1,1毫米的范围内。此纸的拉伸强度最好为约1500kPa或更高，烧成之后，空隙率一般大于70％且能高至约80％-95％的范围，平均流动孔径范围为约10至15微米，用孔隙测定仪测量。
本发明的陶瓷纤维最好由耐火材料制成，使得该纤维在短暂的时间内加热到1200℃后的性能基本保持不变。包含在纸浆中的陶瓷纤维的量为纸浆中固体的大约50％至约80％重量的范围内是合乎需要的，优选地为大约70％至80％重量的范围。陶瓷纤维的直径范围约为1微米至约25微米是合乎需要的。优选的直径范围约为2微米至8微米。陶瓷纤维的长度可以不同，但一般来说，为了生产高抗撕裂强度的纸，纤维长度与直径之比值最好大于100。不同长度，直径和组分的陶瓷纤维可以有利地结合起来生产高强度，均匀的纸。
合适的陶瓷纤维的形成，可以用耐火材料，包括例如金属氧化物，金属氮化物，金属碳化物或它们的组合。合乎需要的是陶瓷纤维至少包含，优选地是绝大部分或全部，由金属氧化物形成的纤维，该金属氧化物包括氧化铝，氧化铝-二氧化硅，氧化铝-氧化硼-二氧化硅，二氧化硅，氧化锆，氧化锆-二氧化硅，氧化钛，氧化钛-二氧化硅，稀土氧化物以及它们地组合。至少一些或全部的包含在纸浆里的陶瓷纤维至少部分地涂覆有或者含有氧化催化剂材料也是合乎需要的。此外，纤维被制成纸之后，用这些催化剂材料至少部分地涂覆陶瓷纤维也是合乎需要的。纸里的陶瓷纤维也可包含催化剂材料。这样的催化剂材料可包括例如，铈土；铈土-氧化鋯；第一过渡系氧化物；钙钛矿，如钛酸盐和稀土钴或锰氧化物；以及其它已知的对柴油烟灰的氧化反应有活性的氧化催化剂。
有机物，诸如有机纤维，最好包含在制造陶瓷纸的纸浆中。合适的有机纤维可包括例如丙烯酸类纤维，人造丝，纤维素，聚酯，尼龙，芳纶以及它们的组合。在一优选的实施方式中，纤维素纤维和/或纤化合成有机纤维加在一起的总量占纸浆中固体的大约10％至约15％重量。纤维素纤维包括例如，北方针叶材长纤维或合成纤维素纤维。纤化有机纤维包括例如，纤化KevlarTM纤维(E。I。du Pont de Nemours andCompany，Wilmington，DE)和纤化聚烯烃纤维，如Fybrel(Mitsui Chemicals America，Incorporeated，Purchase，NY)。纤维素纤维能形成氢键键合，加入这些纤维可提高生纸湿卷材在造纸机中形成时的强度。纤化纤维，其直径最好与陶瓷纤维的直径一样，给纸增加了机械完整性。典型地，纤化纤维具有扭结的结构。可以认为，纤化纤维这种扭结的结构使纤化纤维能与陶瓷纤维机械地缠结，因而显著提高了纸的耐切割性和耐撕裂性。采用纤化纤维带来了附加的机械完整性，相信这是由于能使纸折叠而又保持了纤维纸的完整性。此外，KelvarTM能耐高温使得纸在高温下能维持其完整性，所以能让附加的无机结合剂固化。
生的陶瓷纸可包含有机结合剂，给生纸带来柔性和加工强度。有机结合剂可以是胶乳，热塑性纤维或它们的组合，虽然，胶乳结合剂材料是优选的。热塑性胶乳结合剂优选地被加入到陶瓷纤维浆中，其重量范围为纸浆固体含量的约2％至约10％重量。合适的有机结合剂包那些由聚合物组成的结合剂，这些聚合物的玻璃化转变温度比通常的室温高约20℃。有机结合剂给生的陶瓷纤维纸带来一定程度的热塑性。这样的热塑性对常规的生纸中皱褶和弯曲的形成(例如热成形)又不断裂是合乎需要的，它使成形了的物品的形状在成形之后得以保持。热塑性有机结合剂材料包括丙烯酸类，苯乙烯-丁二烯，丁二烯，聚氯乙烯，丙烯腈-丁二烯和聚醋酸乙烯酯。丙烯酸类结合剂材料是优选的，因为它们能烧掉又不产生过多的有毒副产物。合适的胶乳材料可以从诸如B。F.Goodrich of Cleveland，OH以商品名HYCAR买到。
在被成形为生的陶瓷纤维基纸质基材之前，生纸可用诸如陶瓷前体，陶瓷颗粒(例如粉末，纤维断片，薄片等)无机结合剂材料浸渍。无机结合剂材料可通过把纸浸在由无机结合剂材料构成的溶液(例如浸渍溶胶)中和/或用超声浸渍把无机结合剂材料嵌入等方法被加到纸中去。当纸被浸在这样的溶液中之后，就加以被干燥。当用溶液浸渍后再用超声浸渍或者不用溶液浸渍就采用超声浸渍时，该干燥步骤可部分地或全部地去掉。一旦无机结合剂材料存在于纸中后，可以认为超声浸渍过的纸就像干燥过的，溶胶浸渍过的纸一样能被进一步加工。也可以认为，可以把溶液浸渍和超声浸渍两者组合起来使用。在无机结合剂材料被施加遍及整个生纸之前和/或之后，由于某些如下边讨论的原因，还可以把附加的无机结合剂材料以一种图案施加到生纸上去。或者，也可以把无机结合剂材料以一种图案施加到生纸上去，而不是把无机结合剂材料施加遍及整个生纸。
可以认为，不采用浸渍法或者除了采用浸渍法之外，诸如陶瓷前体，陶瓷颗粒(例如粉末，纤维断片，薄片等)或二者一块的无机结合剂材料可以包含在纸浆中，以提供给陶瓷纸附加的强度和/或改变纸的孔结构。一般来说，陶瓷前体是烧成后会形成高温陶瓷的材料。合适的陶瓷前体包括例如，金属羟基氧化物，低溶解度金属盐和碱金属含量低的低溶解度金属配合物。合适的陶瓷颗粒包括例如，金属氧化物，金属氮化物，金属硼化物和金属碳化物。可能是合适的陶瓷前体的代表性的例子，包括勃姆石(羟基氧化铝)，水合粘土，三水合铝，羟基氧化铁，以及诸如草酸钙，草酸镁，草酸铜和稀土草酸盐那样的草酸盐配合物。合适的陶瓷颗粒的代表性的例子，包括氧化铝粉末，硅铝酸盐，碳化硅，氮化硅，二氧化硅，氮化钛，硼化钛，氮化硼，氧化锆，铈土，氧化铁，氧化镁，稀土氧化物和稀土铝酸盐，铝酸钡，铝酸钙，磷酸锆和稀土磷酸盐。这些添加剂中的某一些可用来给制成的陶瓷纤维基纸质基材带来催化活性或微波感受性。例如，金属碳化物(如碳化硅)可带来微波感受性。此外，例如铈土-二氧化锆合金和氧化铁可带来催化活性。大量的这些添加剂会降低生的陶瓷纤维纸的拉伸强度和柔性，因此难以将生的陶瓷纸高速卷绕和打褶。此外，大量的这些添加剂会减小陶瓷纸的空隙率和/或平均孔径，因此会降低硬化陶瓷纤维基纸质基材的过滤能力。一般来说，可以认为，这些陶瓷前体和陶瓷颗粒的加入量可高至纸浆中陶瓷固体重量的约30％，有可能高达约40％。
加入化学试剂以引起有机结合剂的凝结和附着在纸浆中的纤维和颗粒上，可以是合乎需要的。当胶乳材料用作有机结合剂时，最好加入化学试剂以引起胶乳结合剂的凝结和胶乳结合剂附着在纸浆中的纤维和颗粒上。例如，当胶乳材料用作有机结合剂时，銨铝矾可用作化学试剂。銨铝矾降低了纸浆的pH并提供了聚阳离子金属配合物使阴离子颗粒悬浮液体失稳。其它有用的化学凝结剂包括聚阴离子配合物，阴离子和阳离子聚合物，以及其它已知会在溶液中形成多核阳离子的金属盐或配合物。
生的陶瓷纸能用常规的方法成形为生的陶瓷纤维基纸质基材或其它有聚合物增强的生的陶瓷纤维三维坯体。这样的方法可包括例如，打褶，起波纹皱，卷边，层压，堆集，以及它们的组合。以前的陶瓷纤维基过滤基材及其制造方法的例子可见美国专利3,112,184；3,899,555；4,608,361；4,652,286；4,718,926；5,194,078和5,322,537。在本发明的一个实施方式中，一张聚合物增强的生的陶瓷纤维纸被打褶形成一张有皱褶的纸，皱褶平行，均匀分布在生的陶瓷纸的宽度方向上。把这张有皱褶的纸与第二张同样宽度的平的，经聚合物增强的生的陶瓷纤维纸迭在一起制成有通道的纸质层合材料，其中形成有大量的均匀隔开的管状通道。管状通道是通过把打过褶的纸的交替的皱褶与平的纸张交叉来形成。管状通道沿着有通道的纸质层合材料的宽度方向上延伸。管状通道截面可以是三角形的，半圆形的或任何其它希望的形状。优选的管状通道具有等边三角形截面且有园角。相信这样的形状考虑到了有通道的纸质层合材料中的结合最强，同时又使暴露出来的基材表面积(即管状通道的内表面积)最大。
层合时，可在皱褶的顶或脊或者在两张陶瓷纸的其它接触区域涂覆无机结合剂或者混合的无机/有机结合剂。来增加平纸板与有皱褶的纸张的结合强度。高粘度，高固体的陶瓷颗粒(例如粉末，纤维切片，薄片等)悬浮液可能是合适的，诸如氧化铝，碳化硅或类似颗粒的悬浮液。可加入诸如像胶乳，乙烯基或淀粉基结合剂那样的有机胶结剂组分来增加陶瓷颗粒胶结剂的粘性和胶结性能。纤维基纸质基材在干燥，煅烧和烧成之后，胶结剂里的无机组分留下来起到把层合的纸张结合在一起的作用。
然后，带有通道的纸质层合物被成形为一个三维的制品，以便提供纤维基纸质基材，或者其它的聚合物增强的生的陶瓷纤维坯体。带有通道的纸质层合物可以一层层叠起来或堆积起来，产生一种层合物里有管状通道平行伸展的结构。在形成带有通道的纸质层合物时，可在每个带有通道的纸质层合物的通道的顶或脊或者在两个相邻的层合物的其它接触区域涂覆无机结合剂或者混合的无机/有机结合剂，以增加层合物之间的结合强度。这样的构造的总体形状可以是任意所希望的三维形状(例如立方体，梯形体，园柱体等)。同样，这样的构造的截面可以是任意所希望的形状(例如正方形，矩形，椭园形，梯形，园形等)。可以选择用来装配纤维基纸质基材的纸层合物和纸板的形状和取向来实现想要的形状。
试看图1和3，本发明的纤维基纸质壁流型(即过滤器)或直通型基材10的一种优选构造，是带有通道的纸质层合物12自己卷起来或者卷绕在一根心轴上形成园柱体的形状，它带几分或基本上是园形的或椭球形的剖面，其长度方向或轴向一般与横截面垂直。最后的生的陶瓷纤维坯体10最好是一个绕成螺旋形的部件，它有交替的平纸板14和有皱褶的纸板16。这样的园形的或椭球形截面的园柱体10，与多少带角的形状(如立方体等)相比，比较容易制造与安装在常规的金属外壳式套筒17中(使用合适的装配材料或垫子18)。尽管如此，本发明并不打算仅限于此，还可以包括较为角形的基材坯体。采用基材10制成的过滤器19，可以连接到诸如内燃机(例如汽车发动机，发电机等)，发电厂，焚烧炉等燃烧装置的排气系统里。在卷绕生的带有通道的纸质层合物12时，接触生纸表面可能会在层合物12相邻的卷绕层之间发生某种程度的结合。优选的是，把无机或混合的有机/无机结合剂涂覆在层合物12平的一面，涂覆在有皱褶的一面，或者涂覆在这两面，以强化结合作用，或者在卷绕过程中和卷绕之后在层合物12相邻的卷绕层之间形成结合。
任何用于制造纤维基纸质基材10或其它聚合物增强的生的陶瓷纤维坯体的结合剂，最好都有无机组分，它在煅烧，烧成除去有机组分后继续起到陶瓷纤维纸相邻表面之间胶结剂的作用。此无机组份优选是胶体氧化铝或其它耐火陶瓷材料的高粘度，高固体的悬浮液。胶结剂也可包含有机胶结剂组分，诸如胶乳，乙烯类聚合物或淀粉聚合物。使用有机胶结剂组分的优点在于能增加带有通道的纸质层合物12和陶瓷纤维坯体10的最终结构中陶瓷纤维纸相邻表面之间的表面粘性和结合。
试看图2和3，在一个按照本发明的壁流型纤维基纸质基材10的实施方式中，在壁流型基材10中相邻管状通道26的交替的末端24，其每个都被塞子27封闭，迫使排放气体在例如过滤操作时流过纸壁。因此，每个通道26都有一个开口端和一个封闭端24。这些通道26的封闭端24可以在带有通道的纸质层合物12卷绕形成生的基材之前或过程中，很容易地加以堵塞。堵塞可以这样来实现，即把塞子前体材料沿着生的层合物12的一条边挤出或其他方式施加到通道26中去，并沿着生的层合物12对面的一条边涂覆或其他方式施加塞子前体材料，以填塞与生的层合物12对面的一条边相邻区域的开口皱褶。所施加的塞子前体材料的深度或宽度(即塞子的深度)必须足够深，使得到的塞子27能承受排放气体流过最终基材10的纸壁时所产生的背压。塞子27可接收的最小深度会有所不同，它取决于这样一些因素，诸如所选塞子材料的强度和具体应用时积累起来的背压大小。一般来说，塞子27的深度约为0.5厘米或再深一点而小于3厘米是合乎需要的。
合适的塞子前体材料可包含一种陶瓷材料和一种有机聚合物。在一优选的实施方式中，塞子前体组合物可包含一种陶瓷材料，一种陶瓷前体材料和一种有机聚合物。有机聚合物帮助塞子前体材料与生的陶瓷纸的结着并能增加生塞子的强度，使得生塞子可与生的纤维基纸质基材一起加工处理。适用的有机聚合物可包括有机胶乳材料，有机聚合物溶液，固体有机颗粒，有机纤维和可聚合的有机分子，或它们的组合。陶瓷材料和陶瓷前体材料可以是任何合适的形态，包括例如颗粒(如粉末，纤维切片，薄片等)，盐，盐溶液，胶体和它们的组合。合适的陶瓷材料可包括金属氧化物，金属碳化物，金属氮化物，金属磷酸盐和金属氧氮化物。合适的陶瓷前体材料可包括金属氢氧化物，金属羟基氧化物，金属盐，金属配合物，金属盐溶液和金属配合物溶液。对柴油机烟灰的氧化反应有催化活性的氧化物材料，诸如氧化铈以及包含过渡金属的陶瓷材料，也可包含在塞子组合物中。陶瓷纤维可包含在塞子的材料中，能给塞子提供增强的作用。塞子的材料最好选择得它在热加工过程(如烧成)中表现出来的收缩，与用无机结合剂材料浸渍的陶瓷纤维纸在热加工过程中陶瓷纤维纸的收缩相匹配或接近。这样，在这样的加工过程和最终使用时，塞子材料就能保持与相邻的陶瓷纤维纸壁很紧的气密。
一般地，希望塞子前体材料有高陶瓷含量，比如说，塞子前体材料中的总陶瓷固体含量高于约20％重量。也希望塞子前体材料施涂时粘度足够低，能容易地把生的塞子前体材料施涂(例如挤出和涂布)到生的带有通道的纸质层合物上，但粘度又要足够高，以避免塞子材料被施涂到层合物上之后过度的滴下或下垂。表现出剪切稀化的粘度行为的塞子前体材料是合乎需要的。例如，把触变分散液包含到塞子前体材料中，可获得这样的剪切稀化的粘度行为。在液体涂料工艺中，还能找到其它能获得这类行为的技术。
也希望无机结合剂材料以图案42的形态被使用，这样就能对生的增添了陶瓷颗粒的纸44有增强作用。该无机结合剂材料可包括任何这里所披露的适合于浸渍纸的陶瓷材料，如果认为合乎需要的话，还可包括渗透剂。图案最好是连续的，或者至少是半连续的。增强图案42可形成在纸44的整个表面区域上，在一个或多个选择的区域或二者兼有之(即在一个或多个选择的区域上形成较高浓度的图案)。这样选择的区域可包括，例如打褶的纸接触到平板纸的全部或部分区域。已经发现陶瓷纤维基纸质基材的一些片段会套迭并在长度方向上从基材的剩余部分伸出去(即推出)，如果基材纸层之间的结合太弱而承受不住例如发动机排气所施加的压力的话。因此，增强图案42可以只施加在像那些容易套迭或推出的纸层之间区域。
增强图案42可以是(i)正方形，矩形，菱形(见图11a)或园形开口(见图11b)的交叉阴影线，(ii)彼此留有一定间距的水平线，垂直线或对角线(见图11c)，或(iii)任何其它希望的图案。图11c的线条最好在例如相邻的端点连在一起形成一根连续的线。当纸要用于过滤，据信采用这样的图案可导致纸的强度和耐用性更高，同时又在交叉阴影线内部区域保持了足够的具有高空隙率的纸面积用于过滤。对于过滤或非过滤的用途，据信采用这样的图案还能使要制得有足够强度和耐用性的纸所需的无机结合剂量减少到最低水平。该图案可采用任何合适的工艺施加上去。可利用像丝网印刷，平板印刷或苯胺印刷的印刷工艺或者照相凹版涂覆方法。施加上去之后，图案最好被干燥并被加热到足以使无机结合剂材料固化的温度，但这温度又要不会造成生的纸中的有机结合剂部分或基本上发生分解。图案可以在施加到纸上之后和卷绕成卷之前，在流水线上加以干燥。施加了图案的生的纸在图案被干燥和加热后会变得发硬。因此，有必要在干燥和加热纸使无机结合剂材料固化之前先将其打褶并把施加了图案的生的纸卷绕成基材。当采用横向穿过生的纸的平行线图案时(即与皱褶平行即与纸板的长度方向垂直)，据信可以把施加了图案的生的纸板打褶和卷绕成基材之前，对其干燥和加热使无机结合剂材料固化。
当把有图案的生纸的打了褶的板和平板结合在一起时，由于这些纸板的增强图案的重叠，纸板之间形成了某些百分比的表面区域的结合。据信种重叠增强图案之间的结合，或者甚至有图案的与无图案的区域之间的结合，会比纸板的重叠的无图案的区域之间的结合强度更大，这是因为有图案的区域中的纤维更紧缩密地合并在一起或粘合在一起。
制成一个图案，它包含或由例如，吸收微波的材料(如碳化硅和像钡铁氧体，含稀土的磁性材料和磁铁矿)组成，和/或包含或由例如，导电材料(如碳化硅，纯的或合金金属材料)组成也是合乎需要的，得到的图案作为基材中的加热或再生元件是很实用的。
生的纤维基纸质基材最好借助于本发明的浸渍分散液用包含陶瓷组分的无机结合剂材料浸渍。没有这样的无机结合剂材料时，生的纤维基纸质基材经煅烧和烧成会产生较脆弱的陶瓷纤维基纸质基材，不能用于排气系统。此外，往造纸纸浆中加入一种或多种无机结合剂材料，诸如胶体粘土，胶体纳米粘土，勃姆石，胶体氧化锆和胶体二氧化硅，可提高基材的强度。但是，光采用这个方法是有些限制的。一般来说，只有在往生的陶瓷纤维纸中加入大量的无机结合剂之后，才能采用该技术来获得高强度。对于壁流型纤维基纸质基材来说，这么大量的无机结合剂材料会不可接受地降低基材壁的通透性(即不可接受地增加了壁流型基材的背压)，同时降低了制成的陶瓷纤维基纸质基材的均匀性。
先前工艺的不足之处(例如强度低，机械，化学和热耐久性都低)可以通过本发明的硬化过程加以克服。本发明的一个硬化过程涉及用含有陶瓷组分和最好至少一种渗透剂的主分散液来浸渍生的纤维基纸质基材。当含有大量有机结合剂材料的生的纤维基纸质基材要被浸渍时，渗透剂看来是必要的。主分散液里的陶瓷组分是一种陶瓷前体材料，一种陶瓷材料或它们的混合物。渗透剂包含有机分子或聚合物，足以降低浸渍分散液和生的纤维基纸质基材表面(即至少是由纤维和有机结合剂形成的表面)之间的界面能，这使浸渍分散液润湿并被吸收到形成生基材的纸上，而又不会让浸渍分散液里的陶瓷组分产生显著的絮凝或颗粒分离(如相分离)，即陶瓷组分在所吸收的浸渍分散液中有显著的均匀性。例如，当渗透剂是一种阴离子表面活性剂时，据信此渗透剂至少被吸附在有机结合剂上，使有机结合剂表面变成阴离子型的，由此降低了与浸渍分散液之间的界面能。
在按照本发明的一个硬化过程中，让生的纤维基纸质基材与主溶胶接触，最好把基材浸没在数量足以浸泡整个基材的主分散液中。也可以用喷洒，灌注或别的方法使主分散液与生的基材接触，让主分散液吸收到生的基材里去。在这个浸渍步骤中，主分散液渗透到生的纤维基纸质基材的孔隙里边去，把它的陶瓷组分带到基材的经聚合物增强的生的陶瓷纤维坯体中去。然后，所得到的经分散液浸渍过的生的基材加以干燥，煅烧和烧成，制成初步硬化基材。干燥，煅烧和烧成后，绝大部分或几乎所有浸渍上去的陶瓷组分(即高达约90％或更高)留在孔隙中，与陶瓷纤维化学地结合在一起，给初步硬化基材带来强度。浸渍，干燥，煅烧和烧成这几个步骤被称之为硬化过程。
为了把更多的陶瓷组分材料逐次地沉积到纤维基纸质基材中去，硬化过程可重复进行。用这样的方法，纤维基纸质基材就能被增强到特定基材用途(例如柴油机排气系统的排气过滤器或催化转化器)或别的所希望的用途所需要的程度。虽然可以采用含玻璃和/或无机结合剂大颗粒的分散液来使本发明的陶瓷基纸质基材获得所需的硬化程度，但本发明能够，而且最好是不采用玻璃或无机结合剂大颗粒来实现所需的硬化程度。
每一遍硬化过程造成陶瓷纤维之间以及陶瓷纤维纸各层之间的结合，产生了更硬的更耐久的纤维基纸质基材。已经发现，在初次硬化过程后所用的第二浸渍分散液中可不必使用渗透剂。初次烧成后，生的基材里的有机结合剂被烧掉，使得第二分散液浸渍基材变得容易些。一般来说，随着硬化过程的重复进行，纤维基纸质基材变得更硬和孔隙更少。通过限制基材经受硬化过程的次数，可以使纤维基纸质基材达到较高的强度和耐久性而又保留较高程度的孔隙率。从某一方面来说，更多的经受硬化过程不会有显著有利的作用，比方说，当基材的百分孔隙率已经降低到浸渍分散液不再能渗透到基材的纸壁中去。对于直通型基质而言，基材希望有低的或没有百分孔隙率。因此，根据是否需要分散液具有额外的渗透性能，硬化过程进行过第一次之后所用的浸渍分散液可以包含或不包含渗透剂。
纤维基纸质基材利用分散液去浸渍，最好是均匀地浸渍整个的纤维基纸质基材。已经发现，在分散液浸渍纤维基纸质基材的过程中能发生浸渍分散液组分的物理分离。可以通过把纤维基纸质基材的表面暴露(即接触，例如通过浸渍，喷洒等)给浸渍分散液的速率至少与浸渍分散液芯吸穿过基材的速率一样快，来避免这种物理分离或至少使这种物理分离减少到最小。不论基材表面以前处理过还是未经处理过这都是确实的。为了力求避免这种物理分离或至少使这种物理分离减少到最小，令基材表面暴露给浸渍分散液的速率要高于浸渍分散液芯吸穿过基材坯体的速率。已经发现，纤维基纸质基材浸没到浸渍分散液中去的速率希望高于每秒钟0.25厘米的浸没深度，同时不让空气吸进去。已经发现，至少以这样的速率，暴露即接触速率可典型地保持与芯吸速率一样快或比芯吸速率更快。也已发现，在浸渍分散剂中采用渗透剂能促进纤维基纸质基材的均匀浸渍。此外，浸渍最好进行得使浸渍分散液流经管状通道进入纤维基纸质基材的速率最大而不让空气吸进去。考虑到这一点，最好把带堵塞端的壁流型基材浸没得使管状通道取与浸渍分散液表面平行的方向。由于直通型基材没有堵塞端，所以较好把直通型基材浸没得使管状通道取与浸渍分散液表面或者垂直或者平行的方向。
浸渍过程可在常压下进行或者通过抽真空降低压力来加速浸渍分散液的渗透，同时从纤维基纸质基材中除去所有吸入的空气。可用的抽真空可以在基材正在被浸没或用别的方法与浸渍分散液接触时进行，或者在此之后进行。令纤维基纸质基材在分散液浸渍过程中或在分散液浸渍后暴露于减低的压力下能提供更均匀和更迅速的浸渍。
渗透剂宜选自能提高浸渍分散液对含有机结合剂的生的陶瓷纤维基纸质基材体的润湿的有机分子。渗透剂通过降低浸渍分散液的表面张力以及降低浸渍分散液与基材体之间界面的表面能来促进含有机结合剂的纤维基纸质基材体的润湿。渗透剂在浸渍分散液中必须有足够的溶解度，这样在浸渍时就以能作为有效的渗透剂的量而存在。渗透剂与陶瓷组分必须在浸渍分散液中相容(即不得产生显著的絮凝或颗粒分离)。实用的渗透剂例子包括醇类，有机胺和水溶性聚合物和大分子。能在水性浸渍分散液中用作渗透剂的醇类的代表性的例子，包括诸如异丙醇，乙醇，叔丁醇，丁醇，丙醇，仲丁醇的醇类和其它在水中至少有中等程度溶解度的醇类。适用的有机胺类包括有机季胺的硝酸盐和卤化盐，该有机季胺连接着至少一个有机部分，所述的部分包含多于两个碳原子长的碳链。水溶性聚合物和大分子，诸如那些具有羟基，羧基，环氧乙烷或环氧丙烷键合，酰胺基官能度，sulfanato基，磷酸脂基，氨合物官能度或水溶性的环基如吡咯类也都可用作渗透剂。渗透剂的浓度取决于浸渍分散液的本性以及所选的渗透剂。如果采用诸如那些有倾向吸附在有机结合剂表面上来诱导润湿的表面活性渗透剂，则浓度可以会非常低，如低于浸渍溶胶的约1％重量。如果采用诸如那些增加浸渍溶胶亲油性的醇类，通常渗透剂的浓度必须较高，比如高达分散液的约10％重量或更高。与水溶胶一起用的一种特别有用的渗透剂是异丙醇。
在初始浸渍分散液中的陶瓷组分的形态可以是溶解的形式，可溶的或不可溶的盐，颗粒(如粉末，薄片)的分散液，或者这些物质的组合。适用的溶解形式的例子包括金属盐溶液，诸如硅酸盐，过渡金属盐，稀土金属盐和铝盐的溶液；碱金属盐溶液，诸如碱式铝盐溶液和碱式锆盐溶液；以及金属配合物的溶液，诸如羧酸盐，磷酸盐，醇盐，醇化物，胺配合物和氢氧化物。希望用于本发明浸渍分散液的颗粒是细颗粒，平均粒径小于4微米，最好小于2微米。虽然分散液中的一部分颗粒直径可以较大，比如约10％重量的颗粒直径大于约10微米，希望至少约80％重量的颗粒直径小于约10微米，至少约95％重量的颗粒直径小于20微米。细颗粒直径的浸渍分散液是优选的，因为在含有机结合剂的陶瓷纤维纸中孔隙尺寸非常小。浸渍分散液中特别实用的陶瓷组分包括陶瓷材料和陶瓷前体的胶体分散液，诸如金属碳化物(如碳化硅)，金属氧化物，羟基氧化物和氢氧化物的胶体分散液。可用的氧化物，氢氧化物和羟基氧化物包括胶体纳米粘土，勃姆石，胶体氧化锆和胶体二氧化硅。如下面所述，某些胶体纳米粘土和细颗粒碳化硅的胶体分散液在本发明的浸渍分散液中的作用特别出色。
令人惊讶的是，纳米粘土材料可通过本硬化过程提供强度，而同时又在最终的纤维基纸质基材中保持很大的孔隙率。纳米粘土材料是典型的片状材料(即小片状或薄片状)，典型地被用来制造无孔的涂层。美国矿务局(The U.S.Bureau of Mines)将粘土分成6类：高岭土，球土，火泥，膨润土，漂白土以及普通粘土和页岩石(Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology，4th edition。Volume 6，JohnWiley and Sons，New York，NY，Page 405)。在纳米粘土中优选膨润土，尤其是那些蒙脱石含量高的。除了细颗粒粒径很细和有水分散能力外，蒙脱土有阳离子交换的能力，所以降低了蒙脱土中像钾和钠的阳离子的含量。像钾和钠的阳离子对制得的陶瓷材料的热稳定性有负面影响，因为这些阳离子会反应形成玻璃物质。这些陶瓷组分的阳离子交换能力也可用来引进阳离子，它们在煅烧和烧成时形成催化的氧化物形式。可用来形成催化部位的阳离子包括稀土金属，贵金属，铁，镍，锰，钴，铜，铬，钡，钒，钛以及它们的组合。因此，纳米粘土可以被有利地改性，以产生催化功能以及结合和增强的作用。
当蒙脱石转化为化学稳定的β-方英石时，它表现出材料的性质对耐久的基材纸的形成有贡献。蒙脱石既与纸里的氧化铝纤维又与浸渍在纸里的碳化硅颗粒很好地结合。已经发现蒙脱石在约900℃或900℃以上热解(如烧成)时能直接形成化学稳定的β-方英石。蒙脱石在转变成β-方英石结构之前，至少已开始与纤维和颗粒结合。这些结合至少在转变成β-方英石结构时被保留着。化学稳定的β-方英石在材料特性方面也有另外的优点(例如热膨胀系数低和抗热冲击性高)。热膨胀系数低加上高温稳定性使化学稳定的β-方英石成为用于高至1450℃的最好的耐火材料之一。钙蒙脱石是这样的一种可形成β-方英石的蒙脱石。化学稳定的β-方英石基本上有与β-方英石相同的晶体结构，它是SiO2(即二氧化硅)的一种高温多晶型物。烧成过程中，钙蒙脱石脱水后形成化学稳定的β-方英石。虽然化学稳定的β-方英石具有β-方英石的晶体结构，但是化学稳定的β-方英石的化学组成不是纯二氧化硅。
通常纯的β-方英石在约275℃以下是不稳定的。化学稳定的β-方英石用于本发明时在室温下是稳定的原因，是存在于粘土中的其它离子(例如钙，铝，钠以及有可能铁)继续存在于β-方英石的晶格结构中，因而在低温下稳定了β-方英石的晶体结构。β-方英石是二氧化硅的一种高温低压多晶型物，其中的二氧化硅四面体排列成似菱形的晶格，棱角共享。β-方英石是立方对称的，而α-方英石是四方形的。若是纯二氧化硅，其完全扩张的高温α结构经历了可逆的置换，冷却至约265℃时转变成收缩的α结构。这是通过体积缩小约3.2％来实现的。在化学稳定的或掺杂的方英石中，β反转成α的温度是可变的，它取决于掺杂的程度和掺杂阳离子的本性。为了使β-方英石在降至室温时稳定，必须用足够量的填充阳离子作化学的掺杂(即使化学稳定)。这些阳离子最好均匀地分散在晶体结构中。尤其是在氧化钙-氧化铝-二氧化硅的体系中，当钙与铝的摩尔比为1时可形成化学稳定的β-方英石，铝占据了硅四面体的位置，钙离子占据了所有间隙的非框架位置。推测外来离子杂质存在于间隙中阻碍了在β，α-方英石转变过程中本来会发生的结构收缩。因此，化学稳定的β-方英石在室温下稳定的理由，是因为有足够量的非硅阳离子取代并填充到晶格结构中的缘故。通过独立的分析已经确认，在通过钙蒙脱石烧成时所形成的化学稳定的β-方英石中，如这里所述，铝(由27Al核磁共振光谱)基本上全部是四面体形式。这只有当铝在晶体结构中取代了四面体位置上的硅时才能发生。这样的Al3+取代Si4+结果造成需要另外的阳离子来达到晶体结构的电中性。来自钙蒙脱石的钙和钠离子提供了为达到电中性所需的额外的电荷。虽然本发明的化学稳定的β-方英石的X射线衍射图谱基本上与纯β-方英石的完全相同，但其组成不是纯二氧化硅。
化学稳定的β-方英石在化学上也与β-方英石形式的纯二氧化硅截然不同。纯二氧化硅是酸性氧化物。化学稳定的β-方英石在化学上接近长石矿物，起碱性氧化物的作用。
钙蒙脱石中有钙，钠，氧化铝和二氧化硅，和化学稳定的β-方英石中需要的一样。所以，当钙蒙脱石烧成分解时，自然地就形成了化学稳定的β-方英石。这是一个远比以前已知的方法简单又便宜的生产化学稳定的β-方英石的方法。
化学稳定的β-方英石(CSC)的合成已通过Pechini法(见Sang-Jin Lee KoreanJ.Ceramics，3[2]116(1997)；S.J.Lee and C.H.Lee，Mater.Lett.，45，175(2000))，通过二氧化硅与需要的阳离子共沉淀(见M.A.Saltzberg，S.L.Bors，H.Bergna andS.C.Winchester，J.Am.Ceram.Soc.，75[1]89(1992)；A.J.Perrotta，D.K.Grubbs，E.S.Martin，N.R.Dando，H.A.McKinstry，and C.Y.Huang，J.Am.Ceram.Soc.，72[3]441(1989))，通过对溶胶-凝胶混合物进行喷雾干燥(见E.S.Thomas，J.G.Thompson，R.L.Withers，M.Sterns，Y.Xiao，and R.J.Kirkpatrick，J.Am Ceram.Soc.，77[1]49(1994))，通过离子交换沸石的初期湿法技术(见M。D.Alcala，and J.M.Criado，J.Am。Ceram.Soc.，79[6]1681(1996))，和热处理(见A.J.Perrotta，D.K.Grubbs，E.S.Martin，N.R.Dando，H.A.McKinstry，and C.Y.Huang，J。Am。Ceram。Soc.，72[3]441(1989))来进行。合成β-方英石的专利方法包括在玻璃熔体中沉淀β-方英石的晶体(见J.F.MacDowell，”α和β-方英石玻璃-陶瓷物件和方法”，U.S.PatentNo.3,445,252，issued May 20，1969；C.T.Li.“玻璃，热稳定性高的β-方英石玻璃-陶瓷及方法”，U.S.Patent No.4,073,655，issued February 14，1978)以及溶胶-凝胶法(见A.J.Perrotta，D.K.Grubbs，and E.S.Martin，“制备稳定化的高方英石的过程”U.S.Patent No.4,818,729，issued April 4，1989)。这些制备方法的问题是成本高且难以合成的化学稳定β-方英石。
令人惊讶的是，已经发现，通过对诸如对一种钙蒙脱土那样的蒙脱土进行热处理就能合成基本上或至少基本上纯相的化学稳定β-方英石。钙蒙脱土比较便宜，容易得到。又，钙蒙脱土可加入到溶胶-凝胶组合物或者混合的分散液中，在烧成时形成化学稳定的β-方英石。以这种方式，化学稳定的β-方英石的低热膨胀系数可被用来赋于陶瓷体更高的热稳定性和抗热冲击的能力。如果需要的话，蒙脱土粘土可与玻璃前体材料结合在一起形成韧性的热冲击稳定的化学稳定的β-方英石。还进一步发现了钙蒙脱石可以用别的阳离子，诸如Cu2+，Co2+，Ni2+u，Fe2+，Sr2+，K1+，和NH4 1+等进行离子交换，烧成后得到各种各样不同组成的CSC。
已经证明，通过加热可转化成化学稳定的β-方英石的典型的蒙脱石是一种钙蒙脱石，已经报道了它具有列于下表的如Standard Bentolite SSP(标准胶质陶土SSP)的一般组成。表中还列出该产品的一种低钠形式的组成。这说明了钙蒙脱石可离子交换的性质，它也指出了在该过程中被交换的离子。
    StandardBentolite SSP*     重量百分数     低纳Bentolite     重量百分数
    Na2O     2.52     Na2O     0.4
    MgO     3.06     MgO     2.67
    Al2O3     13.8     Al2O3     15.0
    SiO2     64.4     SiO2     68.6
    K2O     0.25     K2O     0.27
    CaO     2.01     CaO     1.55
    Fe2O3     1.06     Fe2O3     0.22
    TiO2     0.02     TiO2     1.08
*Bentolite SSP是一种由Southern Clay Products，Incorporated，Gonzales，Texas生产并配送的产品。
蒙脱土被分类为双八面体绿土，是层状化合物，每一层的外表面由MO4四面体构成，相邻四面体通过共享的氧连接形成四面体的六角形构造。一般说来，占主要地位的是Si4+，但可发生Al3+或Fe3+取代Si4+。每层的两个表面夹着一由八面体地配位的金属离子组成的内层，其中来自每外表面四面体的氧与八面体层中的金属键合。每个表面四面体上的四个氧中的三个氧与相邻的金属离子共享，第四个四面体氧与八面体层中的金属离子共享。当M3+阳离子取代了四面体层中的Si4+阳离子或当M2+阳离子取代了八面体层中的M3+阳离子时，层上产生了阴离子电荷。该电荷被层间的阳离子，如Na+，Al3+，K+，Mg2+和H+补偿。因此，Bentolite SSP蒙脱石可能的组成是：[(Al2.03Mg0.50Ca0.2Fe0.05Ti0.05K0.02)Si8.0O20(OH)4](Na0.3Ca0.06Mg0.07)。
对纯Bentolite SSP的热解产物进行了研究，以便更仔细地考察所形成的β-方英石的本性。微量分析表明，Bentolite SSP在烧成之后的组成约为16.5％ Al2O3，1.9％CaO，1.15％ Fe2O3，2.7％ Na2O，和74.0％ SiO2。因为X-射线衍射表明该材料基本上是单相的，所以该材料是一种掺杂程度很高的β-方英石。从化学角度看，该材料的组成与某些长石非常相似，但总钾+钠含量较低而氧化钙含量较高(例如伟晶岩长石的组成是74.34％ SiO2，14.45％ Al2O3，2.0％ Na2O和8.6％ K2O)。
虽然这些材料的掺杂程度很高，但在文献里仍被称为β-方英石(例如见：E，S，Thomas，J.G.Thompson，R.L.Withers，M。Sterns，Y，Ziao and R.J.Kirkpatrick，J.Am.Ceram，Soc.，77[1]49-56(1994)；A.Perrotta，D.Grubbs，E.Martin，N。Dando，H。McKinstry，and C。Huang，J.Am.Ceram.Soc.72[3]441-47(1989)；M.D.Alcala，C.Real，and J.Criado，J.Am.Ceram.Soc.，79[6]1681-84(1996)；C.Li，“Glasses，Thermally Stable High(beta)Cristobaliote Glass-Ceramicsand Method”，U.S.Patent 4,073,655，4/4/1997；A.Perrotta，D.Grubbs，and E。Martin，“Process for Preparing Stabilized High Cristobalite”，U.S.Patent4,818,729，10/13/1987)。
此外，在所有情况下，Bentolite SSP本身或者和过滤成分一起烧成都会产生化学稳定的β-方英石作为主要产物。因此，浸渍溶液可以稍加改变(例如陶瓷结合剂材料中的碳化硅与纳米粘土或其它的陶瓷组分如氧化铝的比率可以提高)而不会影响β-方英石是否会形成。
诸如蒙脱土那样的纳米粘土，在有适合的渗透剂存在时，能在浸渍过程中容易地渗透进入含有机结合剂的生的陶瓷纤维纸。特别适合于蒙脱土的渗透剂包括阴离子渗透剂。浸渍分散液中一个个纳米粘土颗粒很小(主尺寸小于约2微米)，所以不会阻塞含有机结合剂的生纸的孔隙。重要的是，在加工开始时，纳米粘土吸附在生纸中的陶瓷纤维上。据信，绝大部分的这种吸附发生在浸渍阶段，但是也可能发生在干燥和煅烧阶段中，或者上述两个阶段中都会发生。浸渍了纳米粘土的生的陶瓷纤维纸烧成时，导致纳米粘土与陶瓷纤维的化学结合。纳米粘土以这种方式使陶瓷纤维网络硬化。此外，纳米粘土具有带正电荷和带负电荷的表面。该现象的产生是由于纳米粘土具有层状结构和片晶形态。纳米粘土片晶的棱在结晶学和元素性质方面与纳米粘土片晶的晶面截然不同。所以，在大多数情况下，在酸性到稍微碱性的pH的条件下，纳米粘土片晶的棱的特征在于带阳离子电荷，而晶面带阴离子电荷。由于晶面占据了绝大部分的表面积，所以纳米粘土在绝大多数pH范围内总的来说是带负电的。因此，尽管不拟受理论解释的约束，但还是可以认为，一般来说在pH约2.5至约8.5的范围内纳米粘土的负电性促进了纳米粘土吸附在陶瓷纤维上，在此pH范围内，陶瓷纤维是带阳离子电荷，而纳米粘土是带阴离子电荷。该pH范围根据纳米粘土的性质可以改变，即取决于组成和可交换的阳离子的含量和种类性。但是，在此pH范围内，纳米粘土的棱仍保持带阳离子电荷。在pH约为2以上，本发明特别实用的浸渍分散液中的陶瓷组分颗粒(即碳化硅颗粒)有带负电荷的表面。因而，纳米粘土棱上的阳离子位置与陶瓷组分颗粒上的阴离子位置相互作用，结果在纤维基纸质基材结构中陶瓷组分颗粒，陶瓷纤维与纳米粘土结合在一起。
纳米粘土的阴离子本性也使诸如水合氧化铝，氧化锆之类(例如以颗粒形态)的阳离子补强添加剂发生结合，这是因为纳米粘土与陶瓷纤维和这些补强添加剂都发生结合的缘故。然而，一般来说，若大量使用像氧化铝和氧化锆那样的细颗粒(即足以使纳米粘土的阴离子本性失效)，则纳米粘土与陶瓷纤维的相互作用可被阻止，给纤维基纸质基材的强度带来有害的影响。因此，据信浸渍分散液的陶瓷组分可有利地包含阳离子或补强添加剂(例如以颗粒形态)至某种程度，即加入的阳离子颗粒的外表面积可高达配方中纳米粘土颗粒可用的外表面积的大约90％。换言之，相信高达约90％的纳米粘土的外表面积可被阳离子颗粒束缚而仍然与陶瓷纤维保持足够的结合。
引进诸如氧化铝和氧化锆的颗粒到本发明中来很方便的一个办法是处理氧化物颗粒，把它们的表面电荷从阳离子的转化成阴离子的。用这种办法，纳米粘土可自由地与陶瓷纤维以及纤维基纸质基材中氧化物颗粒发生作用(即化学键合，静电吸引或两者兼有之)。把阳离子的颗粒转化成阴离子的颗粒通常的方法，包括以下的技术：(1)用诸如例如多元羧酸官能团的聚合物及其盐，多亚磺酸官能团的聚合物及其盐，多磷酸官能团的聚合物及其盐，聚甲基丙烯酸及其盐等的聚阴离子材料处理氧化物颗粒，使得聚阴离子材料吸附在氧化物颗粒的表面，让氧化物颗粒带上负电荷；(2)用诸如酒石酸盐，柠礞酸盐等的多价阴离子盐或配合物处理氧化物颗粒，使得多价阴离子盐或配合物吸附在阳离子的颗粒的表面，让氧化物颗粒带上负电荷；(3)用一种氧化物胶体涂布氧化物颗粒或者涂料本身带负电荷。后面这种方法的一个例子是用硅酸钠或另一种可水解的金属配合物处理氧化物颗粒，通过水解把硅酸盐的氧化物涂布在氧化物颗粒表面使形成二氧化硅涂覆的氧化物颗粒。
已经发现，在本发明的浸渍分散液中与纳米粘土颗粒一起使用小尺寸的陶瓷组分颗粒是特别有效的。小尺寸的陶瓷颗粒可容易地分散在纳米粘土颗粒分散液中形成稳定的分散液，沉降缓慢(即更长时间保持悬浮状态)。此外，小尺寸的陶瓷组分颗粒可促进分散液浸渍到基材的陶瓷纤维纸中去。小尺寸的陶瓷颗粒也为烧成过程中较低温度下陶瓷颗粒的结合，以增强所制得的多孔纤维基纸质基材作好了准备。在浸渍生的纤维基纸质基材时，希望陶瓷组分颗粒的颗粒大小为平均粒径小于4微米，最好是平均粒径小于2微米。平均粒径约1微米或更细也可有效地使用。虽然分散液中一部分的陶瓷组分颗粒可能粒径较大，例如约10％重量的陶瓷组分颗粒可能大于约10微米，最好至少约80％重量的陶瓷组分颗粒直径小于约10微米，至少约95％重量的陶瓷组分颗粒直径小于约20微米。一般来说，碳化硅颗粒以及其它这类陶瓷组分颗粒的表面电荷是阴离子的。这样的颗粒因而可以与阳离子的陶瓷纤维以及纳米粘土的阳离子部分键合。令人惊讶的是，当与合适的渗透剂一起使用时，像碳化硅颗粒这样的陶瓷组分颗粒能够容易地渗透到生的纸中间去。
在煅烧和烧成过程中，纳米粘土颗粒，陶瓷组分颗粒(例如碳化硅颗粒)和其它陶瓷添加剂(例如碱金属盐，金属氧化物和羟基氧化物颗粒)把它们自己结合在一起并与陶瓷纤维结合在一起形成坚固但仍有柔性的陶瓷纤维纸。试看图4-7，扫描电镜(SEM)对初始烧成的陶瓷纤维纸截面的检查，揭示出它的显微结构在沿着纤维28以及在与纤维28被来自陶瓷颗粒的嵌缝材料30所交叉的一些相隔部位上含有结合在一起的耐火陶瓷纤维28。先前用于使纤维基基材硬化气相沉积技术能产生硬化材料的较均匀和连续的涂层。与采用气相沉积技术硬化纤维基基材不同，存在于本发明的纸中的陶瓷纤维28未被浸渍分散液的连续涂层均匀地涂覆。相反，被浸渍分散液带进来的陶瓷颗粒30在沿着纤维28以及与纤维28交叉的隔开部位上(例如见图5和10的标记34)被束缚在陶瓷纤维28的表面上(例如见图7和10)。以这样的方式，由于纤维28在沿着纤维长度方向上的间隔部位结合在一起，而且未被均匀和连续地被涂覆，本发明的纸中的陶瓷纤维28保留了大部分它们原来的柔性。此外，参见图4-7，纤维基纸质基材10的壁的内部的特征在于孔隙32的表面包含陶瓷纤维28以及结合在一起的浸渍颗粒30的陶瓷烧结块34。颗粒30也可以隔开存在(即未聚集的)，以及以烧结块34形态存在。初始的硬化过程一般强化了纤维基纸质基材，足以使它能至少经受得住接下来的硬化过程。
在硬化陶瓷纤维纸中的陶瓷纤维28在经过一遍或多遍硬化过程之后，是多少取向的(即在其取向上不是完全随机的)。SEM对硬化陶瓷纤维纸截面的检查揭示出，总的说来，陶瓷纸中多于大约60％的纤维28排成与跟陶瓷纸平行的平面成约35°角。这些纤维28互相缠结在一起，通过颗粒状的陶瓷材料30互相结合在一起，颗粒状的陶瓷材料30结合在其长度方向上的随机点上。初次浸渍后，看来孔隙32的结构的绝大部分均匀地随机分布在纸中，但是纤维28的取向产生了较大孔隙32在纸平面上一定的取向。
尽管本发明含有颗粒的分散液正被浸渍到生的含有机结合剂的陶瓷纤维纸中去，但用SEM检查，在陶瓷纤维基纸质基材的硬化结构中，几乎观察不到自由的即未束缚的颗粒材料30。正是由于在硬化陶瓷纤维基纸质基材10中没有自由的或未束缚的颗粒材料30，才使得基材表现出粉尘低的特点。硬化陶瓷纤维基纸质基材中粉尘含量高，可能表明陶瓷纤维被陶瓷组分颗粒结合得差。如果这种自由的或未束缚的颗粒在使用时从排气系统中散发出来也可能是有害的。
胶态二氧化硅即二氧化硅分散液也可用于本发明的浸渍溶胶。胶态二氧化硅通过把多股纤维结合在一起，给纤维基纸质基材提供了强度。但是过分使用二氧化硅会增加基材体的脆性以及产生粉尘的程度。过分使用二氧化硅还会降低烧成过的纤维基纸质基材的化学稳定性。为了避免使用二氧化硅带来的这些缺点，已经发现二氧化硅作为添加剂的用量希望低于浸渍溶胶中固体量的约45％重量，低于约35％则更合乎需要，优选低于约25％，更优选低于约15％。在最终陶瓷纤维基纸质基材中通过浸渍带进来的二氧化硅含量低于基材的约10％重量也是希望的，低于约7％则更合乎需要，优选低于约4％，更优选低于约1％。
胶体勃姆石(即一水合α氧化铝)也可用作浸渍溶胶中的陶瓷组分。胶体勃姆石能发挥结合某些陶瓷纤维，尤其是那些含硅的陶瓷纤维的作用。胶体勃姆石和胶态二氧化硅一起使用时特别的有效。引进勃姆石的优点，在于煅烧时会转化成能用作金属基催化剂的催化剂载体的高表面积过渡氧化铝。由于有非常高的表面积，过渡氧化铝是优异的催化剂载体。但在高温下它们不稳定，会转化为α相。这样的转化伴随着氧化铝晶体结构的收缩。这样的收缩会导致陶瓷纤维基材强度的损失。因此，可把稳定化离子引进到过渡氧化铝的晶体结构中来提高向α氧化铝转化的温度。该稳定化可以通过在第二遍浸渍时往基材中引进少量的多至约20％重量的氧化铝，可溶的稀土离子，可溶的硅配合物，胶体形态的二氧化硅，可溶的钡离子或它们的组合来实现。
通过把纳米粘土和带有渗透剂的碳化硅，二氧化硅和勃姆石的分散液组合起来，可以制备浸渍分散液，使得到的陶瓷纤维基纸质基材在浸渍，干燥，煅烧和烧成后坚固，可运送并呈现出高孔隙率。这些材料(纳米粘土，碳化硅，二氧化硅和勃姆石)可为本发明优异的陶瓷纤维基纸质基材起到基础的作用，尤其是当结合了将这里描述的那些能提高强度的陶瓷组分和催化剂进行后续浸渍时。按照本发明，不使用二氧化硅和勃姆石也可获得令人满意的基材。在第一遍硬化过程进行之后，渗透剂是可以用。
陶瓷纤维基纸质基材的强度可以通过至少接受第二遍的硬化过程(即浸渍，干燥，煅烧和烧成)大大地提高。类似的浸渍分散液可用于后续的硬化过程来增加基材的强度和耐久性，赋予基材催化活性或者这两种效果。一般来说，在这样的后续硬化过程中使用渗透剂是可以的，浸渍分散液中平均粒径例如大至5微米或更大的较大的陶瓷颗粒和陶瓷前体颗粒能被成功地引入这些后续的硬化过程中。总的来说，在第一遍硬化过程之后(即在有机结合剂被除去之后)，陶瓷纤维基纸质基材可再次被浸渍，干燥，煅烧和烧成，尽管在再次烧成之前，只有一步干燥后或在多次干燥和煅烧步骤之后可以进行另一次浸渍。
参见图8-10，经受过第一遍和第二遍的硬化过程之后的陶瓷纤维基纸被截开，用扫描电镜检查该纸的截面。令人惊讶的是，经受第二遍硬化过程(即浸渍，干燥，煅烧和烧成)后，纸的显微结构发生了非常大的变化。除了第二遍硬化过程引入的另外的陶瓷材料30使纸进一步致密化外，截面检查揭示了第二遍硬化过程能导致透镜状的或似片状的孔隙36在陶瓷纤维/有机结合剂复合纸中分布的形成。对被检查的陶瓷纤维基纸的样品而言，这些孔隙36的长轴的长度一般在约50至约300微米范围内，高度在约10至50微米范围内。这些似片状孔隙36的长轴排列得接近平行于陶瓷纸平面。该硬化纸的内部结构的特征，在于它类似于，具有长的或似片状孔隙的开孔泡沫材料的结构。孔隙36具有由被颗粒粘住的纤维形成的多孔边界。此边界可以是锯齿状的或不规则的。陶瓷粘结材料30在纸的表面上的密度稍高。参见图9，当在放大100倍的扫描电镜下观察时，陶瓷粘结材料30在纸内部的密度显得很均匀。尽管不希望拘泥于理论解释，但可认为，本发明硬化纸的独特结构使本发明的硬化纤维基纸质基材坚固，耐久又足够多孔，可作为优异的过滤器，催化剂载体或者作为这两者。
硬化陶瓷纤维纸中的陶瓷颗粒30(例如碳化硅颗粒，金属氧化物颗粒等)在整个硬化纸质基材10中并不形成邻接的相(即颗粒30典型地形成不邻接的相)。此外，陶瓷颗粒30在纸内的纤维28上典型地并不形成连续的涂层(即颗粒30典型地形成不连续的涂层)。代之的，是颗粒30典型地在不连续的聚集物34中存在，烧结块有助于把纤维28结合在一起。有些烧结块34典型地与纸中的相邻烧结块34结合在一起。即使如此，可能还是希望使陶瓷颗粒30在纤维28上形成连续的涂层，在硬化基材10的体内形成连续的基质。
碳化硅和碳氧化硅是制造通用的高性能陶瓷纤维基纸质基材特别有用的陶瓷组分。这些组分的任何一种或者两者都可被引入造纸过程中或是被加到一遍或多遍浸渍操作中。这些硅的碳化物之所以合乎需要，是因为它们可通过加热把氧化物陶瓷纤维结合住，形成化学和热稳定的，坚固和耐久的多孔耐火复合纸材料。在经历至少一遍硬化加工后，这些碳化物能吸收微波能量，所以能用微波加热硬化纤维基纸质基材。这样的微波适应性用于再生过程可能是理想的。此外，在硬化纤维基纸质基材中的这些碳化物具有很好的导热性，有了这些碳化物可提高硬化基材的导热性。较高的导热性可能是需要的，因为在使用时它能使热从纤维基纸质基材中的较热的部位消散出去。已经发现，把这些硅的碳化物与含铝和/或铝化合物(例如氧化铝)的陶瓷纤维结合起来使用可能是特别有利的，因为这样形成的硬化复合纸要比只单独用碳化硅或碳氧化硅所形成的硬化复合纸更坚固，更加热稳定和更加不发脆。
硬化过两遍的陶瓷纤维基纸质基材可以再进一步经历一遍或多遍另外的硬化处理，来提高基材的强度和耐久性以及改变基材表面的性质。
本发明的至少硬化过一遍，最好至少硬化过两遍的陶瓷纤维基纸质基材的外表面，可以施涂一层耐久的陶瓷涂层来选择性地硬化。这样的陶瓷涂层可以提供耐久的表面以减轻因比如说柴油机产生的废气穿过基材时的磨蚀作用对于多孔陶瓷纤维基纸质基材的磨损。施涂这样的陶瓷涂层还可以强化和增强塞子，防止在塞子材料周围或贯穿塞子材料而形成孔洞。也可以往陶瓷纤维基纸质基材的非过滤表面施涂这些陶瓷涂层以增加基材的破碎强度，这样一来就可在用外壳密封时采用较高的装配压力。较高的装配压力有助于使基材在外壳中稳定化。这方面有用的陶瓷涂层包括来源于陶瓷颗粒与玻璃颗粒的混合物的玻璃-陶瓷涂层，包含诸如像被来源于粘土的陶瓷材料结合在一起的含铝和/或铝化合物(例如氧化铝)陶瓷颗粒，含硅颗粒或者金属碳化物颗粒的与粘土结合的陶瓷涂层，来源于诸如碱性金属盐溶液，金属盐溶液，部分水解的金属烷氧化物以及从它们衍生出的物质的陶瓷前体溶胶的涂层。
一般希望用来净化柴油机排出的烟雾的陶瓷纤维基的壁流型纸质基材或过滤器能俘获排出的颗粒副产物，并能使这些颗粒氧化以防止烟灰过多地积聚在过滤器里。这样的烟灰积聚引起过滤压力或背压升高，最终导致过滤器的失效。提供热量可以将烟灰氧化掉，但是一般来说，要实现烟灰完全氧化所需的温度高于通常柴油机废气的温度。本发明的过滤器可用于一种排气系统，它包含借助外部能源升高过滤器温度的手段。这可以通过任何常规的技术，包括例如微波能，电阻加热以及使加到废气流里的燃料燃烧来实现。
在本发明的另一个实施方式中，本发明的壁流型以及直通型的基材可用催化剂材料或催化剂前体的溶液或分散液处理，将陶瓷纤维基纸质基材活化成催化剂载体。作为附加或代替的另一种方法，可以在基材形成过程中引入催化物质使其成为构成陶瓷纤维基纸质基材整体的一个部分。已赋予催化性的过滤器可以结合其它的催化剂系统和再生技术用来形成一个非常有效地除去内燃机排出的烟雾或其它热气体中的颗粒和气体杂质的排气系统。
本发明的纤维基纸质基材可用来承载一些不同种类的催化剂，以促进燃烧装置排气中碳质材料(例如烟灰，一氧化碳，烃类)的氧化和其它污染物(例如NOX)的还原。催化本发明的纤维基纸质基材的一种方法是在基材制造过程中的一个或多个部位引入催化剂前体，催化材料或它们的组合。这样的催化组分可以在最初的造纸过程，在一遍或多遍浸渍步骤中，加到硬化纤维基纸质基材体中。合适的催化材料可包括包含金属，诸如铂，钯，铑，铁，镍，银，钌，铜或它们的组合以及这些金属的合金和化合物，金属氧化物，诸如氧化铁，氧化铜，碱土金属氧化物和碱土金属铝酸盐，稀土氧化物，稀土铝酸盐，氧化铈，氧化钒，氧化锰，氧化钴，第一行的过渡金属-稀土金属氧化物化合物和混合物，具有钙钛矿和钙钛矿同类晶体结构的氧化物，金属磷酸盐和磷酸盐-氧化物混合物。
催化剂存在的一种形式可以是催化剂材料的颗粒或者催化剂材料承载在载体颗粒上，载体颗粒被吸附在本发明的陶瓷纤维基纸质基材的陶瓷组分材料上。催化的金属，金属混合物或金属合金，可以直接承载在陶瓷纤维和陶瓷组分材料上，或者先承载在一种催化氧化物材料上，然后直接施涂到纤维和陶瓷组分材料上去。这些催化剂也可以作为本发明的纤维基基材的陶瓷纤维和陶瓷组分材料表面的部分涂层而存在。
催化金属或金属化合物可以以金属盐溶液的形式施涂到纤维基纸质基材上。金属盐可经过化学的方法(例如化学还原)变成活化的金属形式，或者加热分解成活化的金属形式，吸附在陶瓷纤维和陶瓷组分材料的表面上产生催化活性。催化金属或金属化合物可以形成胶体分散液或吸附在胶体载体上，然后通过浸渍或其它浸渍工艺施涂到陶瓷纤维和陶瓷组分材料上。催化金属或金属化合物的施涂也可以用常规的气相沉积工艺来进行。
本发明的纤维基纸质基材可与其它催化基材和催化剂材料(例如NOX还原催化剂)一起使用。NOX还原催化剂包括，例如承载在氧化铝，氧化铈或氧化铝-氧化铈上的铑，可以与本发明的纤维基纸质基材一起使用，例如通过将NOX还原成氮气而除去废气中的NOX。如果需要的话，NOX氧化催化剂也可以与本发明的纤维基纸质基材一起使用。利用NOX氧化催化剂，NOX被氧化成NO2，NO2又可用来帮助碳质材料(例如被俘获在过滤器里的烟灰)的氧化。如果需要的话，NOX氧化催化剂可以承载在本发明的过滤器或别的基材上，使得在原位就产生较高氧化态的氮氧化物。
除非另外指出，所有的百分数均为重量百分数。
试验方法
强度与刚性
经浸渍，煅烧和烧成的(即硬化)陶瓷纤维纸的强度和刚性用MTS Sintech 10D(Minneapolis，MN)测试工作台进行测定。一片9cm×9cm方的陶瓷纸试样装在两片金属片之间，每片有一个2.5cm的孔。将载有金属片的工作台固定，令一根直径2.85毫米的平头杆在孔中央与试样接触。试验在十字头速度为1毫米/分钟条件下进行。用一个负载为25N的测力传感器将平头杆击穿纸试样所需要的力记录下来。用一数字数据采集系统记录下载荷-位移曲线。将载荷-位移曲线的峰值载荷作为最高载荷，以克为单位记录下来。测定载荷-位移曲线初始上升段的直线部分的斜率作为刚性，以牛顿/毫米(N/mm)为单位记录下来。
透气性
陶瓷纤维纸的透气性用一台Geppert Engineering MN0034型渗透性测定仪(Geppert Engineering，Inc.，St。Paul，MN)按照ASTM D737-75(“织物透气性标准测试方法”)来测定。其测试室是一根内径为7.0厘米长45.7厘米的管子。陶瓷纤维纸试样用一个园形的橡皮贴面的夹具装在管子的入口端以避免试样在测试时损坏。在管子的另一端装着一块有一个4.0毫米测量锐孔的板。用一台HP33P型真空吹气机抽空气通过管子，穿过过滤器，测试室和4毫米的锐孔板，用一台可变自耦变压器在120伏电压下调节吹气机的速度。用U型管测压计测量测试室内的压力和测试室真空侧的压力。
将试样装在测试室入口端的夹具上。真空吹气机的速度被调节至测试室压力为1.28厘米水柱。维持测试室压力为1.28厘米水柱时，通过测量测试室的压力和4毫米锐孔板真空侧的压力来求出透气性。透气性求出的单位为立方英尺每分钟每平方英尺，并被转换成立方厘米每秒钟每平方厘米(cc/sec/cm2)。
为了按照本发明将纸制成纤维基纸质基材之前，优化浸渍过程和陶瓷纤维纸的性质，强度和透气性试验是在纸试样上进行的。
效率和烟灰收集试验
用一陶瓷纤维装配垫(InteramTM 1100HT装配垫由Minnesota Mining &Manufacturing Co.，St.Paul MN提供)包住一直径约14.4厘米，长约15.2厘米的过滤器以置备一个制成的褶纸过滤器，并将该过滤器放在一直径约15厘米，长约15.2厘米的304不锈钢绞压器套筒中。套筒用绞压带和软管夹收紧然后点焊上，把密度约为1540克/平方米的装配垫压缩至约6毫米的厚度。套筒的每一端用不锈钢圈点焊上。用第二个垫子(InteramTM100HT由Minnesota Mining & Manufacturing Co.，St.PaulMN提供)包住套筒，包裹好的套筒并压紧进入一金属试验罐中，置于炉子中加热到600℃使膨胀型装配垫膨胀开。金属试验罐模拟柴油机过滤罐。给装在罐中的过滤器称重，装上热电偶，给金属罐的每一头用螺栓固定住一个锥形头。给带有锥形头的装在罐中的过滤器再次称重。
接着将装在罐中的过滤器安装在Cummins 6A3.4柴油机的一根排气管上。在罐中的过滤器的前后，排气管上接有取样口，该过滤器中装有标本效率过滤器支架。取样口位于离最近的流动转折点的十倍管径处。入口和出口各装有两个标本效率过滤器。标本效率过滤器是Pallflex Membrane石英过滤器(Pall Corp.，Ann Arbor，MI提供)，使用前它们被储存在过滤器支架上，放在82℃的烘箱中至少调整4小时。柴油机废气绕开过滤器直至发动机的冷却液温度达到约95℃。发动机转速设定在2400rpm，液压负荷约为12.4兆帕。一旦达到了所希望的发动机转速和压力负荷，用一Dimension发动机控制器(Research Inc.，Minneapolis，MN)来维持设定值。此时，废气被切换至流经过滤器。记录下加载时间。发动机运转直至过滤器后的压降达到10kPa或20kPa，如试验结果中所注明。当希望的压降达到时，记录下时间，通过取样口对废气取样2分钟。通过取样口的流量约为80升/分钟。所用的粗气取样步骤如SAE Paper 950516(Nathan R.Bruner)中所述。然后，废气被切换至走旁路，发动机空转。把试验罐取下来至少冷却一小时。对过滤器称重算出收集在过滤器中的烟灰的克数。再把过滤器装回到废气管上。在废气走旁路的模式下将发动机的转速和液压负荷提高到操作条件，然后将废气切换到流经过滤器。发动机运转至第二次压降达到，通常为40kPa。
过滤器效率是通过对过滤器前一定体积的废气中和经过了过滤器后该体积的废气中颗粒的质量的取样和测量来测定的。入口和出口的各两个PallflexTM膜过滤器从过滤支架上被取下，面对面地被放在Petri培养皿中以防止烟灰损失，称重前在25℃及55％的相对湿度下调整8小时。根据过滤前后收集到的颗粒重量，依下式算出效率百分数：
效率百分数％＝(1-((DSSooted-DSClean)/(USSooted-USClean)))×100
式中，DSSooted为过滤器下游的烟灰加滤纸的重量，
DSClean为过滤器下游的滤纸的重量，
USSooted为过滤器上游的烟灰加滤纸的重量，
USClean过滤器上游的滤纸的重量。
实用的过滤器的效率应高于约70％，希望高性能的废气过滤器效率应高于约85％，优选高于约90％，最好是高于约95％。
制备生的陶瓷纤维基纸
用典型的造纸法制备生的陶瓷纤维基纸，它含有约72％重量的Saffil RF陶瓷纤维(Saffil Ltd.，Widnes，Cheshire UK)，4％ Hycar 26-138丙烯酸乳胶(BFGoodrich，Cleveland，Ohio)，12％纤维素纤维(Crestbrook Pine，Crestbrook ForestIndustries，Ltd.，Cranbrook，British Columbia，Canada)，12％原纤化纤维(E.I.DuPont de Nemours and Company，Wilmington，Delaware)。将纤维和乳胶在水中掺合制成总固含量约2％的纸浆。加入足够量的约70％的銨铝矾溶液将pH调至5-6，使乳胶聚合物凝结。把纸浆倒在一金属筛上形成纸。对纸稍稍湿压，然后干燥。制得的生的陶瓷纤维纸的基重约为140克/平方米，平均厚度约为0.85毫米。纸片被切成9厘米×9厘米方的试样，供后处理和测试。
制备生的陶瓷纤维过滤器
将上述生的陶瓷纤维纸打褶形成接近等边三角形的截面，其每边长约3.2-3.5毫米，这样来制备生的陶瓷纤维纸过滤元件。打完褶的纸与第二张平的生陶瓷纤维纸叠起来形成一层合物。该层合物自己卷绕16圈形成一个直径约14.4厘米，长约15.2厘米的园柱形的生陶瓷纤维纸过滤元件。在卷绕之前，将一种塞子材料挤压到层合时由打过褶的纸与平纸的交叉所形成的通道的一端部分。纸的对面一侧通道的另一端也同样填进塞子，层合物被卷绕起来，这样就封住了生陶瓷纤维纸过滤元件上各交替通道的对面一端。塞子材料宽约10-15毫米。在约30克自来水中混合23克煅烧氧化铝(Alcoa A-2/颗粒大小约5微米，Alcoa World Alumina LLC，Pittsburg PA提供)，45克片状氧化铝(48M/颗粒大小约150微米，C-E Minerals，King of Prussia PA提供)，30克碳化硅(F-500/颗粒大小约13微米，Exolon-ESK，Tonawanda NY提供)，5克胶乳结合剂(Hycar 26315，BF Goodrich Co.，ClevelandOH提供)，约0.5克胶体氧化铝(AL-20，Nyacol Nano Technologies，Inc.，Ashland，MA提供)来制备塞子材料。在卷绕过程中，含有220克胶体氧化铝(AL-20，NyacolNano Technologies提供)，44克喷雾干燥的胶体氧化铝(AL-20SD，Nyacol NanoTechnologies提供)和14克碳化硅粉末(F-500，Exolon-ESK提供)的混合物被少量地涂覆在皱褶的顶上，以提供给打过褶的生陶瓷纸与平的生陶瓷纸补充的结合。制成的生陶瓷纤维纸过滤器在约150℃温度下干燥2-3小时。水分含量取决于施加塞子时所希望的粘度，可以不同。
制备分散液
分散液I-3％纳米粘土分散液：12.0克的粉末钙蒙脱石纳米粘土(BentoliteTMSSP纳米粘土，Southern Clay Products，Gonzales，TX提供)在烧杯中用磁力搅拌棒分散在388.0克的去离子水中。继续搅拌直至混合物调匀。
分散液II-4％纳米粘土分散液：16.0克的BentoliteTMSSP纳米粘土在烧杯中用磁力搅拌棒被分散在384.0克的去离子水中。继续搅拌直至混合物调匀。
分散液III-5％纳米粘土分散液：20.0克的BentoliteTMSSP纳米粘土在烧杯中用磁力搅拌棒被分散在380.0克的去离子水中。继续搅拌直至混合物调匀。
实施例1
将87.0克的分散液III加到烧杯中去，在磁力搅拌棒搅拌下加入13.0克的异丙醇，来制备第一分散液。将一连串的9厘米×9厘米的生的陶瓷纤维纸试样整个泡在第一分散液中，一面泡10秒钟，翻过来再在该分散液中泡10秒钟，对试样进行浸渍。浸渍后，把试样垂直地挂起来，室温(约25℃)下在空气中干燥过夜。然后将空气干燥的试样置于带通风的烘箱中于100℃干燥30分钟，再置于带通风的箱式炉中采用以下的加热顺序在空气中煅烧和烧成：3小时内从室温加热至500℃；500℃停留1小时；2小时内从500℃加热到1100℃；1100℃停留1小时；在炉内冷却至室温。烧成后的试样称为试样A。
实施例2
将85.06克的分散液I和2.18克的表面积约为5平方米/克的碳化硅粉末(UF5SiC，H.C.Starch，Newton MA有售)在搅拌下加入烧杯中。用声波，即超声波处理该分散液约3分钟，采用的是一台带有高能，5.1毫米钛喇叭口的Branson SonifierCell Disruptor 350(Branson Ultrasonics Corporation，Danbury，CT)使分散液均匀化。超声处理时仍用磁力搅拌该分散液。然后在搅拌下加入12.76克的异丙醇形成第一分散液。依照实施例1的步骤对生的陶瓷纸进行浸渍，干燥，煅烧和烧成。烧成后的试样称为试样B。
实施例3
除了用2.18克的平均粒径约为3微米的碳化硅粉末(1200 Black SiC，ElectroAbrasives Buffalo，NY有售)代替UF5 SiC外，依照实施例2的步骤，制备第一分散液。依照实施例1的步骤对生的陶瓷纸进行浸渍，干燥，煅烧和烧成。烧成后的试样称为试样C。
实施例4
除了用2.18克的平均粒径约为2.5微米的碳化硅粉末(1200 Black SiC，ElectroAbrasives Buffalo，NY有售)代替3微米的SiC颗粒外，依照实施例3的步骤制备第一分散液。依照实施例1的步骤对生的陶瓷纸进行浸渍，干燥，煅烧和烧成。烧成后的试样称为试样D。
实施例5
用84.68克的分散液II，2.62克的UF5 SiC和12.70克的异丙醇依照实施例2的步骤制备第一分散液。依照实施例1的步骤对生的陶瓷纸进行浸渍，干燥，煅烧和烧成。烧成后的试样称为试样E。
实施例6-35
实施例证6-35是将实施例1-5烧成后的试样(试样A-试样E)浸渍在如以下和表1所示的第二分散液中来制备的。试样依照实施例1的步骤用该第二分散液浸渍，空气干燥，再烘箱干燥。然后干燥试样在带通风的箱式炉中采用以下的加热顺序在空气中烧成：2小时内从室温加热至500℃；3小时内从500℃加热到1100℃；1100℃停留1小时；在炉内冷却至室温。对强度(以峰值载荷示之)，刚性，和透气性进行测试，测试结果如表I所示。峰值载荷和刚性的数值为三个数值的平均值。
溶液A(15％勃姆石分散液)的制备：在85毫升的去离子水中搅拌15.0克一水合氧化铝粉末(DisperalTM勃姆石，Condea Vista Co.，Houston，TX有售)，再往混合物中加入10滴浓硝酸使勃姆石分散。
溶液A(15％乙酸氧锆溶液)的制备：用42.67克的去离子水稀释100.0克21.4％的乙酸氧锆溶液(Magnesium Electron Inc.，Flemington，NJ有售)。
溶液B(30％二氧化硅分散液)的制备：用66.7克的去离子水稀释100.0克的50％固体的平均粒径为60纳米的胶态二氧化硅(NalcoTM 1060 colloidal silica，NalcoChemical Co.，Oak Brook IL有售)。
溶液C的制备：往95.0克的溶液A中搅拌加入5.0克的UF5 SiC，超声处理约3分钟。
溶液D的制备：往95.0克的溶液A中快速搅拌下加入5.0克的UF5 SiC，超声处理约3分钟。
溶液E的制备：往95.0克的溶液B中快速搅拌下加入5.0克的UF5 SiC，超声处理约3分钟。
溶液F的制备：往95.0克的去离子水中快速搅拌下加入5.0克的UF5 SiC，超声处理约3分钟。
溶液G的制备：往97.5克的去离子水中快速搅拌下加入2.5克的UF5 SiC，超声处理约3分钟。
溶液H的制备：往97.5克的溶液A中搅拌加入2.5克的UF5 SiC，超声处理约3分钟。
溶液I的制备：往97.5克的溶液B中加入2.5克的UF5 SiC，超声处理约3分钟。
溶液J的制备：混合31.15克溶液A，52.7克溶液A，和12.84克溶液B，超声处理5分钟，然后加入3.3克UF5 SiC，超声处理约3分钟。
溶液K的制备：往95.0克分散液II中搅拌加入5.0克UF5 SiC，超声处理约3分钟。
溶液L(15％胶态二氧化硅分散液)的制备：用233.3克去离子水稀释100.0克Nalco1060胶态二氧化硅。
溶液M的制备：混合10克溶液L和85克分散液I，快速搅拌并超声处理约3分钟，然后加入5.0克UF5 SiC粉末，快速搅拌并再超声处理3分钟。
溶液N的制备：往97.5克溶液B中搅拌加入2.5克UF5 SiC粉末，超声处理约3分钟。
溶液O的制备：往87.5克分散液I中搅拌加入2.5克ElectroAbrasive 1200 blackSiC粉末，超声处理约3分钟。然后在快速搅拌下往该纳米粘土/碳化硅分散液中加入10.0克溶液L，再超声处理3分钟。
溶液P的制备：用5.0克1200 black SiC粉末，85克分散液I，和10克溶液L，依照溶液O的制备步骤操作。
溶液Q的制备：用7.5克1200 black SiC粉末，82.5克分散液I，和10克溶液L，依照溶液O的制备步骤操作。
溶液R的制备：用10.0克1200 black SiC粉末，80.0克分散液I，和10克溶液L，依照溶液O的制备步骤操作。
溶液S的制备：用12.5克1200 black SiC粉末，77.5克分散液I，和10克溶液L，依照溶液O的制备步骤操作。
溶液T的制备：用15.0克1200 black SiC粉末，75.0克分散液I，和10克溶液L，依照溶液O的制备步骤操作。
溶液U的制备：除了使用1200/F black SiC粉末外，依照溶液O的步骤和材料制备。
溶液V的制备：除了使用1200/F black SiC粉末外，依照溶液P的步骤和材料制备。
溶液W的制备：除了使用1200/F black SiC粉末外，依照溶液Q的步骤和材料制备。
溶液X的制备：除了使用1200/F black SiC粉末外，依照溶液R的步骤和材料制备。
溶液Y的制备：除了使用1200/F black SiC粉末外，依照溶液S的步骤和材料制备。
溶液Z的制备：除了使用1200/F black SiC粉末外，依照溶液T的步骤和材料制备。
                                         表I
    实施例   样品     第二浸渍分散液   平均峰值载荷(克)     刚性(N/mm)     透气性(cc/sec/cm2)
    6   A     溶液A   110.18     3.49     12.78
    7   A     溶液A   146.48     5.30     14.06
    8   A     溶液B   540.84     20.84     8.44
    9   A     溶液C   215.83     10.82     11.25
    10   A     溶液D   227.57     9.43     9.97
    11   A     溶液E   677.79     24.77     8.69
    12   A     溶液F   230.99     8.53     17.13
    13   A     溶液G   215.93     9.93     11.76
    14   A     溶液H   162.27     6.70     11.50
    15   A     溶液I   542.94     22.83     8.69
    16   A     溶液J   219.29     9.10     9.46
    17   A     分散液III   272.38     9.77     18.15
    18   A     溶液K   368.27     13.46     13.81
    19   B     溶液L   298.49     13.16     10.48
    20   B     溶液M   296.82     13.80     10.48
    21   B     溶液C   228.87     11.36     9.20
    22   B     溶液K   360.28     15.54     10.23
    23   C     溶液O   173.09     8.21     16.36
    24   C     溶液P   209.48     9.26     14.57
    25   C     溶液Q   195.57     9.04     12.78
    26   C     溶液R   246.37     11.74     11.89
    27   C     溶液S   297.16     14.72     9,97
    28   C     溶液T   345.88     17.37     9.46
    29   D     溶液U   274.08     12.94     13.68
    30   D     溶液V   301.99     13.74     12.78
    31   D     溶液W   300.41     14.79     10.99
    32   D     溶液X   322.60     15.86     10.23
    33   D     溶液Y   348.64     16.98     8.44
    34   D     溶液Z   385.43     19.16     7.16
    35   E     溶液K   384.85     17.32     7.41
表1的数据说明，制成的试样所具有的性质表明了烧成的材料适合于作为过滤器。这些特别合适的例子既有较高的强度又有较高的透气性。
实施例36
将70.0克的BentoliteTMSSP纳米粘土分散在1330.0克的去离子水中，制备5％的纳米粘土分散液。然后加入210克的异丙醇，混合至均匀形成第一分散液。
将一个按照上述步骤制成的生的陶瓷纤维过滤器置于一个19厘米×10厘米的杯中，过滤器一个平的末端朝下。把约一半的主分散液从中心开始以环行的方式往过滤器的顶部倾倒下去。将过滤器翻过身来，用同样的方式把剩下的主分散液倾倒在过滤器上，使得整个的过滤器被分散液渗透。轻摇过滤器使多余的分散液滴在纸巾上除去。每小时将过滤器翻转一次，在室温下空气干燥共4小时。经空气干燥的过滤器进一步在99℃的烘箱中干燥12小时。按照以下的加热顺序对过滤器进行煅烧和烧成：2小时从室温至200℃；200℃停留2小时；2小时至250℃；250℃停留2小时；2小时至350℃；350℃停留2小时；2小时至400℃；400℃下停留2小时；2小时至450℃；450℃停留2小时；2小时至500℃；500℃停留0.5小时；1小时至1000℃；1000℃停留0.5小时。让过滤器在炉内冷却。在煅烧和以后的烧成过程中间，过滤器并未有意地被冷却。
烧成后，过滤器变得坚硬，重量轻，相当坚固。用3.5毫升的浓硝酸作为分散剂，将144克勃姆石颗粒(DisperalTM勃姆石)分散在818克的去离子水中制备成一分散液。160克的溶液L用0.8毫升的浓硝酸酸化，快速搅拌下，它被加到该勃姆石分散液中去。混合后，加入480克的溶液A，搅拌至均匀。所得到的含有勃姆石，胶态二氧化硅和乙酸氧锆的分散液以与使用第一分散液同样的方法被浸渍到上述已被浸渍和烧成过一遍的过滤器中。将该经浸渍的过滤器在空气中干燥4小时，在99℃的烘箱中干燥过夜，再冷却至室温。
将178.5克的氧化铝粉末(AlcoaTM SG15氧化铝，Alcoa Industrial Chemicals，Bauxite，AZ有售)加到86.6克的去离子水中，混合成一稠厚的混合物来制得边缘涂布用的分散液。然后加入1.45克的一种分散剂(DarvanTM分散剂，R.T.VanderbuiltCompany Incorporated，Norwalk，CT有售)，再加3.75克的39.7％硅酸钠溶液，该溶液的SiO2/Na2O之比为2.75(PD硅酸钠，PQ Corp.，Valley Forge，PA有售)。分散剂使该混合物变稀薄，再加入19.83克的乙酸氧锆。用一台高能声波发生器处理该混合物。再加入5.95克乙二醇。
将浸渍和干燥过的陶瓷纤维过滤器的平缘浸在边缘涂布用的分散液中至0.6-1.0厘米的深度来涂覆边缘涂层。在把边缘涂布用的分散液涂覆到过滤器的两个边缘之后，轻摇过滤器除去多余的涂层，将空气吹入经涂覆的两端，以确保通道不被分散液堵塞住。边缘涂覆过的过滤器在室温下空气干燥约2小时，再在99℃的烘箱中干燥4小时，然后依照以下的加热顺序煅烧和烧成：3小时从100℃至500℃；500℃停留1小时；2小时从500℃至1000℃；1000℃停留0.5小时；炉内冷却。
将制得的过滤器装在一个金属罐中，依照上述的测试方法测定其效率。在压降为20kPa时，发现去除排出物颗粒的效率为95.9％。在压降为40kPa时，发现去除排出物颗粒的效率为95.1％。
实施例37
将1400.0克分散液I与35.9克UF5 SiC粉末用一搅拌棒混合，然后超声波处理15分钟来制备分散液。再加入210克异丙醇，用磁力搅拌棒搅拌形成均匀的第一分散液。依照实施例36所述的步骤制成一生的陶瓷纤维过滤器，用该分散液浸渍再干燥之。然后依照以下的加热顺序对该过滤器进行煅烧和烧成：100℃停留2小时；4小时从100℃至500℃；500℃停留3小时；2小时从500℃至1000℃；1000℃停留0.5小时；炉内冷却。
在初始的浸渍和烧成后，过滤器重量轻但坚固。将1156克分散液I与68.0克UF5SiC和136.0克溶液L混合制备第二浸渍分散液。混合后，搅拌下用超声波处理该分散液15分钟以产生均匀混合的颗粒分散液。被初次浸渍，煅烧和烧成过的陶瓷纤维过滤器依照实施例36所述进行第二遍浸渍和干燥。
将535.5克Alcoa 15SG氧化铝在快速搅拌下分散到252.0克去离子水中去，加入4.35克Darvan C，再加入11.25克PD硅酸钠以制得边缘涂布用的分散液。然后加入59.49克乙酸氧锆粉末和20.3克UF5 SiC，一边搅拌一边用超声波处理20分钟。再加入17.85克乙二醇，搅拌至均匀。用该分散液依照实施例36的步骤对干燥的，浸渍过两遍的过滤器进行边缘涂覆。干燥后，依照以下的加热顺序对边缘涂覆过的过滤器进行干燥，煅烧和烧成：100℃停留2小时；3小时从100℃至500℃；500℃停留1小时；2小时从500℃至1000℃；1000℃留0.5小时；然后炉内冷却。
对制得的陶瓷纤维过滤器按照效率和烟灰收集试验方法进行测试。在压降为20kPa时，发现效率为99.4％，烟灰收集量为11.0克。在压降为40kPa时，发现效率为96.1％，烟灰收集量为34.0克。
实施例38-42
实施例38-42说明了用于第一分散液中的各种不同的渗透剂。将2.93份BentoliteTMSSP纳米粘土和2.5份碳化硅粉末(1200 black SiC，ElectroAbrasives)分散在94.58份去离子水中制备成一分散液，用超声波处理使分散液均匀。将一种渗透剂混合到该分散液中去形成第一分散液。
对于实施例38，26.0克的异丙醇与200.0克的所述分散液混合形成第一分散液。
对于实施例39，加入10.0克TergitolTMTMN10(Union Carbide，Danbury，CT)，与1600克的所述分散液混合形成第一分散液。
对于实施例40，加入3.58克Aero溶液OT-S(70％)(Cytec Industries，Inc.，West Paterson，NJ)，与1600克的所述分散液混合形成第一分散液。
如上所述，将一9厘米×9厘米的生的陶瓷纤维纸试样整个浸在该第一分散液中，对该试样浸渍。将经浸渍的纸试样从浸渍液池中取出垂直地挂起来，于室温下(约23℃)在空气中干燥2小时。然后将试样转移至100℃的烘箱中干燥过夜。
对于实施例41-42，把实施例39和40剩下的浸渍液用来分别浸渍实施例41和42的生的陶瓷纤维过滤器，这是通过把浸渍液倾倒到过滤器中去并使之透过过滤器直至过滤器全部被浸渍液浸透来实现的。把过滤器翻过身来，重复该过程。经浸渍的过滤器在空气中干燥24小时，再在85℃的烘箱里干燥24小时。
在一个大的箱式炉里依照以下的加热顺序，对实施例38-40的三个经浸渍的试样以及实施例41-42的两个经浸渍的生的陶瓷纤维过滤器进行煅烧和烧成：1小时从室温至250℃；250℃停留5分钟；3小时从250℃至270℃；270℃停留3小时；2小时从270℃至300℃；1小时从300℃至450℃；450℃停留2小时；2小时从450℃至1000℃；1000℃停留15分钟；炉内冷却。当温度降到约200℃以下后，将试样从炉子里取出来。
将185.0克BentoliteTMSSP纳米粘土和375.0克ElectroAbrasives 1200/F black碳化硅分散和混合在4440克去离子水中，制备第二分散液。用该分散液对实施例38-40烧成过的试样以及实施例41-42烧成过的陶瓷纤维过滤器进行第二遍的浸渍。试样于室温下在空气中干燥约2小时后在85℃的烘箱里过夜。然后，试样依照以下的加热顺序煅烧和烧成：15分钟从室温至85℃；85℃停留2小时；2小时从85℃至500℃；500℃停留1小时；3小时从500℃至1100℃；1100℃停留1小时；炉内冷却。当温度降到约200℃以下后，将试样从炉子里取出来。
实施例41和42经烧成的过滤器依照实施例37的步骤加以被边缘涂覆和烧成。
对实施例38-40的试样测试它们的透气性和强度，结果如表II所示。
                                     表II
  实施例   渗透剂     峰值载荷(克)   刚性(N/mm)     透气性(cc/sec/cm2)
  38   异丙醇     230.9   10.84     15.3
  39   Tergitol TMN 10     326.0   12.63     2.55
  40   Aero溶液OT-S     224.5   11.12     16.32
对实施例41和42的陶瓷纤维过滤器用实施例36描述的方法，测试去除柴油机废气中颗粒物质的效率。结果如表III所示。
                                      表III
  实施例  渗透剂        效率        烟灰收集量(克)
  压降@10kPa   压降@20kPa     压降@20kPa   压降@40kPa
  41  Tergitol TMN 10   90％   88.5％     13.0   27.5
  42  Aero溶液OT-S   95％   97.5％     12.5   32.0
实施例43-44
除了第二浸渍步骤使用下边所述的用于实施例43-44的不同分散液外，依照实施例36的步骤制备边缘涂覆前的过滤器。该过滤器用实施例37的分散液进行边缘涂覆，依照实施例37的干燥和烧成顺序。对制成的过滤器测试其效率和烟灰收集量，结果如表IV所示。
实施例43-将1400克溶液L与35.9克UF5 SiC粉末混合，一边搅拌一边用超声波处理15分钟制备第二浸渍分散液。
实施例44-将210.0克DisperalTM勃姆石分散在1190克去离子水中，快速搅拌下加入5.18毫升浓硝酸制备第二浸渍分散液。加入73.68克UF5 SiC粉末，该分散液用超声波处理约20分钟。
实施例45
将52.0克BentoliteTMSSP纳米粘土和40.2克UF5 SiC分散在1248克去离子水中，用超声波处理20分钟使其均匀，然后加入195克异丙醇制备成第一分散液。依照实施例36的步骤用该分散液浸渍一个生的陶瓷纤维过滤器，再干燥，煅烧和烧成。将57.0克BentoliteTMSSP纳米粘土和75.0克UF5 SiC分散在1368克去离子水中制备成第二浸渍分散液。该混合物用超声波处理20分钟使其均匀。依照实施例36的步骤用该第二浸渍分散液浸渍先已浸渍，干燥和烧成过的过滤器元件，再干燥，边缘涂覆，干燥和烧成。效率测试结果如表IV示。
实施例46
将195克异丙醇加到2600克分散液III中制备第一分散液。依照实施例36的步骤用该分散液浸渍一个生的过滤器元件，再干燥，煅烧和烧成。然后依照实施例45用分散液III对该过滤器进行第二遍浸渍，干燥，边缘涂覆，干燥和烧成。效率和烟灰收集量测试结果如表IV示。
实施例47
将42.0克BentoliteTMSSP纳米粘土和35.9克UF5 SiC分散在1358克去离子水中，用超声波处理20分钟使其均匀，然后加入224克异丙醇，充分混合制备第一分散液。依照实施例36的步骤用该制成的分散液浸渍一个生的过滤器，再干燥，煅烧和烧成。将35.7克BentoliteTMSSP纳米粘土和70.0克1200/F black SiC分散在1154.3克的去离子水中，用超声波处理20分钟使其均匀，然后加入140.0克的溶液L，混合制成第二浸渍分散液。用实施例45的步骤对烧成过一次的过滤器用该分散液浸渍，干燥，边缘涂覆，干燥，煅烧和烧成。
实施例48
依照实施例47制备含有2.55％的BentoliteTMSSP纳米粘土，2.18％的UF5 SiC和12.76％的异丙醇的第一分散液。将一个生的过滤器浸在该分散液中三遍来对其浸渍。浸渍过程中转动该过滤器令空气离开过滤器的通道。从过滤器中排出多余的分散液，依照实施例36的步骤干燥，煅烧和烧成该过滤器。
将1400克溶液L与35.9克UF5 SiC粉末混合，一边搅拌一边用超声波处理15分钟，使其均匀，制备第二浸渍分散液。依照实施例36的步骤用制得的分散液对过滤器浸渍和干燥。依照实施例37的步骤，使用62.5克PD硅酸钠溶液和3.58克Darvanc，将400.0克Alcoa 15SG氧化铝和62.5克1200/F black SiC分散在196.7克去离子水中，制备成边缘涂布用的混合物。加入7.5毫升乙二醇作为干燥调节剂。依照实施例37的步骤，用该边缘涂布用的分散液对干燥过的过滤器进行边缘涂覆，然后干燥，煅烧和烧成。
                                    表IV
  实施例             效率，％           烟灰收集量(克)
    压降@20kPa     压降@40kPa     压降@20kPa     压降@40kPa
  43     100     93.9     9.5     35.5
  44     95.8     98.4     未测试     未测试
  45     95.8     76.3     未测试     未测试
  46     90.5     80.8     13.5     34
  47     89.5     94.2     14.5     30.5
  48     92.7     93.7     11.0     33.5
实施例49
除了使用以下的塞子材料外，依照上述的步骤制备生的陶瓷过滤器。塞子材料的制备是将35.97克水与142.24克氧化铝(A3000FL-Al2O3，Alcoa有售)混合，用手搅拌使氧化铝分散。然后把4.14克高岭土纤维和2.52克富铝红柱石纤维混合进去。在加入71.62克硅溶胶(NalcoTM 1050)之后，用一台Cowles浆叶的设备以约29英寸/秒(73.7厘米/秒)的速度对混合物进行剪切混合。剪切混合时加入19.74克A3000FL氧化铝和31.98克Al2TiO5颗粒。随后，分批缓慢地加入氧化铝和碳化硅颗粒如下：37.62克A3000FL氧化铝，然后21.88克A3000FL氧化铝，然后36.15克绿色SiC。最后，加入5.3克气吹豆油。该豆油可视作颗粒的润滑剂。然后用Cowles浆叶以约10-20英寸/秒(38-51厘米/秒)的速度对混合物进行剪切10分钟。结果的粘度约为3500-3920cps。还可以进一步根据需要调节粘度，滴加水可降低其粘度，滴加气吹豆油可提高其粘度。涂布到纸上之后，把塞子材料缓慢干燥以免开裂。
塞子材料的大致百分组成如下：
                 氧化铝55％
                 水17％
                 纤维1.6％
                 Al2TiO57.9％
                 SiC8.9％
                 SiO2(in Nalco溶液)8.8％
                 气吹豆油1.3％
本发明的陶瓷纤维基壁流型基材或过滤器的关键性特征，在于其有效地过滤非常小的颗粒的能力。普遍认为，柴油机废气流中非常小的颗粒，通常称为纳米颗粒，是最危险的有害健康的物质(例如见：D.Warheit，W.Seidel，M.Carakostas andM.Hartsky，“Attenuation of Perfluoropolymer Fume Pulmonary Toxicity：Effectof Filters，Combustion Method and Aero溶液Age”Pulmonary Toxicity ofPerfluoropolymer Fumes，Academic Press，pp.309-329，1990)。通过这里披露的方法可以制造出本发明的过滤器，它表现出比已往可能更高的纳米颗粒过滤效率。本发明的过滤器能过滤掉柴油机废气中发现的较小颗粒(即那些粒径小于150纳米的颗粒)的97％以上，甚至达98％以上。通过这里披露的方法可以制造出本发明的过滤器，它能过滤掉柴油机废气中发现的非常小的颗粒(即那些粒径范围在10-20纳米的颗粒)的98％以上，优选达99％以上，更优选达99.5％以上。本发明的壁流型基材作为其它颗粒排出流的过滤器时能表现出相似的性能。
纳米颗粒过滤效率采用Liu et al(Z.G.Liu，B.M.Verdegan，K.M.A.Badeau andT.P.Sonsalla，SAE Technical Paper 2002-010-1007)的方法测定，它采用一台2000型直接喷射的Cummin’s柴油机，用一台电测力计控制发动机的转矩和转速。发动机的运转模式为ISO 8178。本发明过滤器的特征在于它采用了该技术。用这种方法还对市售的Corning 100dpi堇青石过滤器(Corning Incorporated，Corning，NY)作了测试便于比较。对于小颗粒尺寸(10-150纳米的范围)，本发明过滤器的平均效率为99％以上，对于非常小颗粒尺寸(10-20纳米的范围)，本发明过滤器的平均效率为99.5％以上。市售的Corning过滤器的效率对于10-150纳米范围的平均效率低于96.5％，对于非常小的颗粒尺寸的平均效率低于90％。
本发明的陶瓷纤维基壁流型基材或过滤器能非常迅速地加热和冷却。使用中，柴油机废气过滤器会积聚碳质烟灰，需要通过氧化反应定时除去。氧化反应催化剂可用来降低烟灰开始燃烧的温度，但是即使用了氧化反应催化剂，可能还是要加上补充热量来引发烟灰的氧化反应。因为用外部热源来加入热量需要耗费能量，所以希望过滤器在暴露于较热的废气或被外部加热时能迅速升温，这样能使除去烟灰所需的能耗尽量低。这里描述的陶瓷纤维基壁流型基材有非常快的热响应。过滤器的热响应值希望能高于1.8℃/秒，优选高于2.0℃/秒，更优选高于2.3℃/秒。
本发明的陶瓷纤维基过滤器和另外两种市售的过滤器(Ibiden Corporation，Ogaki City，Japan SiC 200过滤器和Corning，Corning，NY，堇青石200过滤器)的热响应值的测定如下：
将一个5.66”x6”复合过滤器用由3M Company of St.Paul，MN提供的装配垫(Interam 1101T，1540g/m2)装进一金属外壳的套筒中(套筒由Fleetguard Inc.ofStoughton，Wisconsin提供)。装进套筒的过滤器组合件接到一台Cummins 3.41 IDI工业柴油机排气管的下游。发动机工况在2400rpm/12.4Mpa时，过滤器被烟灰负载，达到压降为20kPa。当目标压降达到时，排出的废气走旁路绕过装进套筒的过滤器组合件。令0.85m3/min(即30std ft3/min)的室内空气经过一台由PyromaticIncorporated(Wauwatosa，WI)提供的Osram Sylvannia Products Inc。Sureheat072781过程加热器将热空气引入过滤器中。在该布局中，过程加热器被置于装进套筒的过滤器组件的上游。加热器的控制设定在700℃，测量点在过程加热器的出口。出口温度达到600-650℃后，加热器空气流经装进套筒的过滤器组合件20分钟。为了从过滤器下游端来监测过滤器的温度，将一根Type K Omega(Omega Instruments，Inc.，Stamford，Connecticut)热电偶插进过滤器的中心7.6厘米深。在整个测试过程中监测过滤器的温度和装进套筒的过滤器组合件的压降。作出过滤器内部的温度-时间图得到了一根显示过滤器升温特性的曲线。在最初的181秒时间内的温度变化提供了升温速率的度量。陶瓷纤维基过滤器的升温速率为2.36℃/秒，SiC 200过滤器的升温速率为1.00℃/秒，堇青石200过滤器的升温速率为1.73℃/秒。本发明的过滤器表现出更快的升温速率，这是合乎需要的，所以该过滤器能以较低的能耗代价进行再生。
本发明的陶瓷纤维基基材能表现出高的抗推出强度。由卷绕的打褶纸制成的过滤器基材的一类常见的毛病，通常称为推出或伸缩。发生这种故障时，过滤器的内部与过滤器的外部分离，使得内部在空气流动方向上推出去或嵌缩。这里描述的陶瓷纤维基壁流型基材可以有高的抗推出强度，达0.275MPa。这样高的抗推出强度是柴油机排气系统用的耐久的过滤器所希望的。
有可能希望对本发明的基材的外面一端的表面(即暴露于流过基材的废气的表面)加固。这种加固可以通过在端面上加一单独的涂层来实现。据信这样的加固能改善强度，耐磨性和/或端面的表面摩擦系数。用于这种涂层的材料类型可以与用于使基材纸硬化材料相同。这些涂层材料最好包含一个硬质相(如α氧化铝)，多个坚固相(如氧化锆)，富铝红柱石材料，堇青石材料，碳化硅或其它能与粘土，胶态二氧化硅(有或没有胶体氧化铝)，胶体氧化铝和颗粒混合物结合在一起的碳化物。需要的话可以使用渗透剂。可以把同样的涂层材料用于基材外面的管状表面来提高基材的抗碎强度，因而可以采用能施加更高压力的装配垫。
显然，对于那些本行业的内行来说，本发明可以有各种各样的变更和变形而不脱离本发明的范围与精神，应该认识到本发明并不受这里所举出的实施方式的限制。

Claims (38)

1.一种使适用于燃烧装置排气系统的纤维基纸硬化方法，所述方法包括：
提供一种生的纸，它包含耐火陶瓷纤维和一种有机结合剂材料；
用第一浸渍分散液浸渍所述生的纸，形成被浸渍过的纸，第一浸渍分散液包含：
一种具有陶瓷组分的无机结合剂材料，该陶瓷组分包含陶瓷前体材料和陶瓷材料的至少一种，
一种包含有机分子或聚合物的渗透剂，它能充分降低浸渍分散液和生的纸表面之间的界面能，使浸渍分散液对生的纸润湿并被吸收到生的纸上，而无浸渍分散液中陶瓷组分的显著絮凝或颗粒分离现象；
干燥该浸渍过的纸形成干燥纸；
煅烧该干燥纸形成煅烧过的纸；
烧成该煅烧过的纸，至少部分地烧掉有机物，使浸渍分散液的陶瓷组分相互结合在一起并与纸里的陶瓷组分结合，从而使纤维结合在一起，形成适用于燃烧装置排气系统的硬化纸。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所提供的生的纸是生的基材形式，它旨在至少适用作为壁流型或直通型基材之一种，所述的浸渍是用第一浸渍分散液浸渍所述生的基材，形成被浸渍过的基材，所述的干燥是干燥该被浸渍过的基材，形成干燥的基材，所述的煅烧是煅烧该干燥的基材，形成煅烧过的基材，所述的烧成是烧成该煅烧过的基材以至少部分地烧掉有机物，使浸渍分散液的陶瓷组分相互结合在一起并与纸里的陶瓷组分结合，从而使纤维结合在一起，形成适用于燃烧装置排气系统的硬化基材。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，陶瓷组分的形式至少是由溶解的物质，可溶的盐，不可溶的盐和颗粒分散液的一种。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，陶瓷组分包含至少一种纳米粘土材料，该纳米粘土材料具有促进它吸附到陶瓷纤维上去的电荷，当该陶瓷纤维具有相反电荷时。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，浸渍分散液的pH值被选择得使至少部分的该陶瓷纤维和该陶瓷组分带有相反电荷，致使它们互相吸引。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，浸渍分散液的pH值被选择得使绝大部分的该陶瓷组分和该陶瓷纤维带有电荷，致使它们互相吸引。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，浸渍分散液还包含增强颗粒，它带有的电荷与陶瓷纤维或陶瓷组分所带有的电荷同号。
8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，陶瓷组分还包含纳米粘土颗粒，所述浸渍分散液还包含阳离子性的增强颗粒，该增强颗粒存在的浓度使得增强颗粒的外表面积成为该纳米颗粒可用外表面积的高达90％。
9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，浸渍分散液还包含带有电荷的增强添加剂，所述方法还包括把所述增强添加剂所带有的电荷转化成另一种电荷。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，浸渍分散液包含不同类型的浸渍颗粒，所述方法还包括把一种或多种不同类型的浸渍颗粒所带有的电荷加以转化，以实现浸渍颗粒之间的吸引，而否则的话它们是不会互相吸引的。
11.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，渗透剂是阴离子表面活性剂或阳离子表面活性剂，在所述浸渍过程中，该渗透剂至少吸附在有机结合剂材料上，使得该有机结合剂的表面分别变成阴离子或阳离子的，因而降低了有机结合剂与浸渍分散液之间的界面能。
12.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，陶瓷组分是平均粒径最大达约6微米的陶瓷颗粒。
13.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于包含在所提供的生的纸里的至少某些陶瓷纤维，至少部分地涂覆有或者至少部分地含有氧化反应催化剂。
14.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述浸渍过程中，纸的表面暴露在浸渍分散液中的速率使得在所述浸渍过程中浸渍分散液组分的物理分离至少被减少到最少，所述的速率至少与浸渍分散液芯吸并透过纸的速率一样快。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述浸渍过程中，纸的表面暴露在浸渍分散液中的速率比浸渍分散液芯吸并透过纸的速率快。
16.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，硬化纸或基材通过补充的硬化方法又被硬化，该硬化方法包括：
用第二浸渍分散液浸渍该硬化纸或纸基材，形成又浸渍过一遍的纸或纸基材，该第二浸渍分散液包含：
一种有陶瓷组分的有机结合剂材料，该陶瓷组分是至少陶瓷前体材料和陶瓷材料中之一种，没有显著量的渗透剂；
干燥又浸渍过一遍的纸或纸基材，形成又干燥过一遍的纸或纸基材；
煅烧又干燥过一遍的纸或纸基材，形成又煅烧过一遍的纸或纸基材；
烧成又煅烧过一遍的纸或纸基材，剩下的有机材料基本上烧掉，造成至少第二浸渍分散液的陶瓷组分互相结合在一起并与纸里的陶瓷纤维结合，因此令纤维进一步互相结合，形成又硬化过一遍的纸或纸基材。
17.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述烧成过程后，纸的空隙率范围约为80％至95％，用孔隙测量仪测定的平均流动孔径范围约为10至15微米。
18.如权利要求1或2所述的方法，还进一步包括从纸浆制纸的造纸方法，该纸浆包含：
一种无机结合剂材料，它包含至少一种胶体粘土以及可用的金属氧化物，金属氧化物前体和它们的胶体中的至少一种。
19.如权利要求1或2所述的方法，还进一步包括从纸浆制纸的造纸方法，该纸浆包含：
耐火陶瓷纤维，有机结合剂材料，金属碳化物颗粒，可用的陶瓷前体颗粒和凝集剂；
其中金属碳化物颗粒以足够的量存在，使得纸在所述的干燥，煅烧和烧成之后能吸收微波，该可用的陶瓷前体颗粒在烧成之后会形成高温陶瓷，该凝结剂会使有机结合剂材料凝结到纸浆中的陶瓷纤维，金属碳化物颗粒和陶瓷前体上，该有机结合剂材料会给纸赋于柔性和加工强度。
20.一种生的陶瓷纤维基纸质基材，它包括：
两张或多张形成为所述生基材的生的陶瓷纤维基纸，至少一张纸具有许多皱褶，每个皱褶都有一个顶，每张生的纸包含耐火陶瓷纤维，含有至少一种有机结合剂的有机材料与可用的有机纤维，所述一张纸的每个所述皱褶的顶与另外所述的纸结合形成具有许多管状通道的两张层合的纸，其中所述的生纸形成了所述生的基材的面积；
一种浸渍所述生的基材的浸渍分散液，它包含一种无机结合剂材料与一种渗透剂，所述无机结合剂材料包含陶瓷组分，该陶瓷组分是陶瓷材料和陶瓷前体的至少一种，所述渗透剂是一种有机分子或聚合物，它足以降低所述浸渍分散液和所述生的基材的所述表面之间的界面能，因而使所述浸渍分散液润湿并被吸收到所述生的纸中去，而无所述陶瓷组分在所述浸渍分散液中显著的絮凝或颗粒分离的现象，
其特征在于所述生的基材在硬化后可适用于燃烧装置的排气系统。
21.如权利要求20所述的生的基材，其特征在于，所述渗透剂包含至少一种选自醇类，有机胺类，水溶性聚合物和水溶性大分子的化合物。
22.一种生的陶瓷纤维基纸质基材，它包括：
两张或多张形成为所述生基材的生的陶瓷纤维基纸，至少一张纸具有许多皱褶，每个皱褶都有一个顶，每张生的纸包含耐火陶瓷纤维，含有至少一种有机结合剂的有机材料与可用的有机纤维，所述一张纸的每个所述皱褶的顶与另外所述的纸结合形成具有许多管状通道的两张层合的纸，其中所述的生纸形成了所述生的基材的面积；
一种浸渍所述生基材用的无机结合剂材料，所述无机结合剂材料包含至少一种纳米粘土，
其特征在于，所述生的基材是用于燃烧装置的排气系统的。
23.如权利要求22所述的生的基材，其特征在于，所述无机结合剂材料还包含一种陶瓷组分，它包括碳化硅，勃姆石，胶态氧化锆和胶态二氧化硅的至少一种，所述无机结合剂材料的存在量不得不可接受地降低所述基材在干燥，煅烧和烧成后的透气性和均匀性。
24.如权利要求22所述的生的基材，其特征在于，所述至少一种纳米粘土材料带有能促进所述纳米粘土在所述陶瓷纤维上的吸附的电荷，当所述陶瓷纤维带有相反电荷时。
25.一种适用于燃烧装置排气系统的硬化陶瓷纤维基纸质基材，所述纸质基材包含：
包含耐火陶瓷纤维的陶瓷纤维基纸；
陶瓷颗粒聚集物，其结合和位置使得在沿着所述耐火陶瓷纤维并在所述耐火陶瓷纤维交叉点的隔开位置上将所述耐火陶瓷纤维结合在一起，因而所述耐火陶瓷纤维尽管在所述纸张中，却依然保留着绝大部分其原来的柔性。
26.如权利要求25所述的硬化纸质基材，其特征在于，透镜状或片状的孔隙存在于所述纸的内部，所述的孔隙的取向接近平行于纸平面。
27.如权利要求26所述的硬化纸质基材，其特征在于，所述孔隙的长轴的长度范围为约50至约300微米，高度范围为约10至约50微米。
28.如权利要求25所述的硬化纸质基材，其特征在于，所述的基材是一种壁流型基材，它适合于过滤废气。
29.如权利要求25所述的硬化纸质基材，其特征在于，所述的基材至少是壁流型基材和直通型基材中的一种。
30.如权利要求25所述的硬化纸质基材与一装配材料和一外壳配合在一起，所述的基材置于所述外壳内，所述装配材料置于所述基材与所述外壳之间以形成一个基材组合件。
31.如权利要求30所述的基材组合件与一有排气系统的燃烧装置配合在一起，所述基材组合件置于所述排气系统中。
32.如权利要求25或26所述的硬化纸质基材，其特征在于，所述基材至少是过滤器元件和催化剂载体之一种，适用于内燃机的排气系统。
33.如权利要求25或26所述的硬化纸质基材，其特征在于，所述陶瓷颗粒包含源于至少一种纳米粘土的颗粒。
34.如权利要求25所述的硬化纸质基材，其特征在于，在所述纸中所述耐火陶瓷纤维的大约60％以上，其取向在与纸平面平行的大约35°以内。
35.一种适用于燃烧装置排气系统的硬化陶瓷纤维基纸质基材，所述纸质基材包含：
包含耐火陶瓷纤维的陶瓷纤维基纸，
陶瓷颗粒聚集物，其结合和位置使得将所述耐火陶瓷纤维结合在一起，所述陶瓷颗粒聚集物包含化学稳定的β-方英石，它由蒙脱石粘土的热解的颗粒形成。
36.如权利要求35所述的硬化纸质基材，其特征在于，所述的蒙脱石粘土是钙蒙脱石粘土。
37.制造化学稳定的β-方英石的一种方法，它包括对蒙脱石粘土加热。
38.从热解的蒙脱石粘土形成的化学稳定的β-方英石。
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