DE102007023120A1

DE102007023120A1 - Verfahren zur Herstellung eines Filters sowie Filter

Info

Publication number: DE102007023120A1
Application number: DE200710023120
Authority: DE
Inventors: Thomas Hauber; Matthias Kruse; Joerg Jockel; Hermann Koch-Groeber; Christoph Osemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2008-11-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Filters zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, wobei der Filter aus einem keramischen Material gefertigt ist, in welchem Mikrorisse (46) enthalten sind, bei welchem in einem ersten Schritt ein Filtersubstrat aus dem keramischen Material mit einer Silane, Silanole und/oder Siloxane enthaltenden Lösung (48) benetzt und in einem zweiten Schritt eine Reaktion gestartet wird zur Bildung von Silikonen aus den Silanen, Silanonen und/oder Siloxanen. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Filter zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere zur Entfernung von Rußpartikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein Filtersubstrat aus einem keramischen Material, wobei in dem keramischen Material Mikrorisse (46) enthalten sind. In den Mikrorissen (46) sind Agglomerate aus Siliciumoxid-Einheiten (50) enthalten.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Filters zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, wobei der Filter aus einem keramischen Material gefertigt wird, in welchem Mikrorisse enthalten sind. Die Erfindung geht weiterhin von einem Filter zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 13 aus.
Derartige Filter werden zum Beispiel bei der Abgasnachbehandlung selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere in dieselbetriebenen Kraftfahrzeugen, eingesetzt. Üblicherweise sind solche Filter zur Entfernung von Partikeln, so genannte Partikelfilter aus den keramischen Materialien Siliciumcarbit, Aluminiumtitanat und/oder Cordierit gefertigt. Die Partikelfilter sind im Allgemeinen in Form einer wabenförmigen Keramik mit wechselseitig verschlossenen Kanälen ausgebildet. Derartige Partikelfilter besitzen einen Filtrationswirkungsgrad von mehr als 80% bis regelmäßig > 90%. Die Schwierigkeit besteht jedoch nicht alleine in der Filtration der Rußpartikel sondern auch in der Regeneration des Filters. Hierzu werden Kraftstoff oder seine Zersetzungsprodukte in einer Abgasnachbehandlung, die den Partikel umfasst, katalytisch oxidiert, um die zur Zündung des Rußes notwendigen Temperaturen zu erzeugen. Während der heißeren Regenerationsphasen werden höchste Anforderungen an die thermische Stabilität des Filters gestellt.
Thermochemische Reaktionen des Filtermaterials mit Abgaskomponenten und sich während des Betriebs über die Lebensdauer des Kraftfahrzeugs auf dem Filter ansammelnde Aschen, zum Beispiel aus Öl, Kraftstoff, Kraftstoffadditiven oder Motorenabrieb, vermindern die mechanische und thermochemische Festigkeit keramischer Filter. Durch thermochemische Reaktion gealterte Filter, insbesondere wenn diese aus den Werkstoffen Cordierit und Aluminiumtitanat gefertigt sind, weisen eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit auf als nicht gealterte Filter. Mit hoher thermischer Belastung nimmt die Ausfallwahrscheinlichkeit zu.
Aufgrund des Herstellungsprozesses weisen insbesondere Cordierit und andere keramische Materialien eine Reihe von Mikrorissen im Gefüge auf. Diese Mikrorisse sind teilweise erwünscht, und leisten einen wesentlichen Beitrag beispielsweise zur Filterwirkung oder Katalysatorwirkung der Funktionselemente. Die Mikrorisse führen zwar zu einer geringeren Festigkeit des keramischen Materials, jedoch gleichzeitig auch zu einem niedrigeren Elastizitätsmodul und einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und tragen dazu bei, dass thermische Spannungen in der Keramik abgebaut werden und die thermische Belastbarkeit erhöht wird. Ein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient und ein niedriges Elastizitätsmodul gewährleisten geringe induzierte Spannungen bei thermischer Belastung des Substrats. Dies ist insbesondere darauf zurück zu führen, dass die Mikrorisse im keramischen Trägermaterial sich nach und nach bei Temperaturerhöhung schließen und so einen Puffer für die thermische Ausdehnung bilden.
Auf dem keramischen Träger wird üblicherweise eine katalytische Beschichtung aufgebracht. Diese Beschichtung wird häufig auch als „Washcoat" bezeichnet. Für diese Beschichtung werden im Allgemeinen keramische Materialien, zum Beispiel poröses Aluminiumoxid (A₂O₃) auf eine gewünschte Partikelgröße gemahlen, anschließend eine Suspension mit einer gewissen Teilchengrößenverteilung erzeugt, und diese Suspension, die auch slorry genannt wird, auf den keramischen Träger aufgebracht.
Das Problem dieses bekannten Verfahrens besteht jedoch darin, dass die Suspensionen auch kleinste Partikel enthalten, die in die Mikrorisse des keramischen Trägers eindringen können. Dies bewirkt, dass sich diese Mikrorisse bei einer Erwärmung des keramischen Trägers nicht in dem oben beschriebenen Maße schließen können. Hierdurch erhöht sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des keramischen Trägers und es treten unerwünschte, erhöhte thermische Spannungen auf.
Neben den Partikeln des Washcoats können während des Betriebs des Filters auch die sich ansammelnden Aschen in die Mikrorisse eindringen, was den vorstehend beschriebenen Effekt weiter verstärkt.
Um zu vermeiden, dass bei dem Auftrag der katalytischen Beschichtung keine Partikel in die Mikrorisse eindringen können, ist es zum Beispiel aus US-A 2005/0037147 bekannt, die Mikrorisse zunächst durch organische Polymere zu verschließen. Hierzu wird das Filtersubstrat zunächst mit einer Lösung, die darin dispergierte oder gelöste organische Polymere enthält, getränkt. Die Lösung dringt in die Mikrorisse ein, in denen sich organische Polymere abscheiden und so die Mikrorisse verschließen. Anschließend wird der Washcoat aufgetragen. Bei einer anschließenden thermischen Behandlung verdampfen die organischen Polymere vollständig und geben so die Mikrorisse wieder frei.
Nachteil hierbei ist es jedoch, dass nach der Entfernung der organischen Polymere ein Ascheeintrag oder eine nachträgliche teilweise Füllung der Mikrorisse mit Washcoatpartikeln erfolgen kann.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Filters zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, wobei der Filter aus einem keramischen Material gefertigt wird, in welchem Mikrorisse enthalten sind, umfasst folgende Schritte:

(a) Benetzen eines Filtersubstrates aus dem keramischen Material mit einer Silane, Silanole und/oder Siloxane enthaltenden Lösung,
(b) Starten einer Reaktion zur Bildung von Silikonen aus den Silanen, Silanolen und/oder Siloxanen.

Die Silane, Silanole und/oder Siloxane enthaltende Lösung dringt in die Mikrorisse des keramischen Materials ein. Durch die Reaktion zur Bildung von Silikonen werden die Mikrorisse mit den Silikonen gefüllt. Hierdurch wird vermieden, dass Partikel in die Mikrorisse eindringen können. Sobald auf das keramische Material eine erhöhte Temperatur aufgebracht wird, verbrennen die organischen Reste der Silikone, so dass in den Mikrorissen temperaturstabile, vernetzte Agglomerate aus Siliciumoxid-Einheiten enthalten. Wenn diese Agglomerate nicht zu groß geworden sind, können sich die Risse immer noch ausreichend schließen, um eine hinreichende Temperaturstabilität zu erzielen. Durch die Füllung mit den Agglomeraten wird jedoch vermieden, dass zum Beispiel Aschen während des Betriebes in die Mikrorisse eindringen können.
Das keramische Material wird vorzugsweise ausgewählt aus Cordierit, Aluminiumtitanat, Siliciumcarbit und Sintermetall. Besonders bevorzugt ist das keramische Material Cordierit, da dieses das preislich günstigste ist. Hierdurch wird es ermöglicht, günstige Filter herzustellen.
Damit sich die Silikone, die sich in Schritt (b) bilden, bevorzugt in den Mikrorissen abscheiden, wird die Oberflächenspannung der die Silane, Silanole und/oder Siloxane enthal tenden Lösung vorzugsweise in einem Bereich von 10 bis 80 N/m eingestellt, bevorzugt von 30 bis 60 N/m. Die Einstellung der Oberflächenspannung erfolgt zum Beispiel durch Zugabe oberflächenaktiver Substanzen, zum Beispiel durch Zugabe von Tensiden. Hierbei können alle Tenside eingesetzt werden, die die Bildung der Silikone aus den Silanene, Silanolen und/oder Siloxanen nicht behindern.
Das Siloxan ist im Allgemeinen ein Siloxan der allgemeinen Formel (I),
wobei R¹, R², R³, R⁴, R⁵ und R⁶ unabhängig voneinander für Wasserstoff, eine Hydroxyl-Gruppe oder einen organischen Rest stehen. Weiterhin ist es auch möglich, dass mindestens einer der Reste R¹ bis R³ und/oder einer der Reste R⁴ bis R⁶ ein Siloxy-Rest der allgemeinen Formel (II)
ist, wobei R⁷ bis R⁹ für einen Rest steht, wie vorstehend für R¹ bis R⁶ beschrieben. Hierbei ist es möglich, dass sich die Sauerstoff und Silizium enthaltenden Reste zu einem Ring, vorzugsweise einem Cyclotetrasiloxan, schließen.
Geeignete organische Reste sind zum Beispiel ein C₁- bis C₅-Alkyl, ein aliphatischer Alkohol mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen oder Phenyl. Bevorzugt ist das C₁- bis C₅-Alkyl Methyl.
Bevorzugt ist mindestens einer der Reste R¹ bis R⁶ eine Hydroxyl-Gruppe.
Das Silanol ist vorzugsweise ein Silanol der allgemeinen Formel (III),
wobei R¹, R² und R³ unabhängig voneinander einen Wasserstoff, eine Hydroxyl-Gruppe oder einen organischen Rest bedeuten. Bevorzugt ist mindestens einer der Reste R¹ bis R³ eine Hydroxyl-Gruppe.
Geeignete organische Reste sind die gleichen wie für die Siloxane vorstehend angegeben.
Das Silan ist vorzugsweise ein Silan der allgemeinen Formel (IV)
wobei R¹, R², R³ und R⁴ unabhängig voneinander Wasserstoff, eine Hydroxyl-Gruppe oder einen organischen Rest bedeuten, wobei mindestens einer der Reste R¹ bis R⁴ ein Sauerstoffatom, vozugsweise in einer OH-Gruppe, enthält. Bevorzugt ist mindestens einer der Reste R¹ bis R⁴ ausgewählt aus Hydroxy-methyl, 1-Hydroxy-ethyl, 2-Hydroxy-ethyl, 1-Hydroxy-propyl, 2-Hydroxy-propyl, 3-Hydroxypropyl, 2-Hydroxy-1-methylethyl, 1-Hydroxy-1-methylethyl.
Geeignete organische Reste sind die gleichen wie für die Siloxane vorstehend angegeben.
Besonders bevorzugt ist das Siloxan oder Silanol ausgewählt aus 1,1,3,3-Tetramethyldisiloxan, Octamethylcyclotetrasiloxan, Methyltriethoxysilan, Propyltriethoxysilan, Tetra-n-propoxysilan oder Tetraethoxysilan.
Als Silane eignen sich zum Beispiel Hydroxymethyltrimethylsilan, 3-Trimethylsilyl-1-Propanol.
Um gegebenenfalls eine katalytische Beschichtung auf dem Filtersubstrat abscheiden zu können, ist es bevorzugt, wenn mindestens einer der Reste R¹ bis R⁶ bei einem Siloxan, mindestens einer der Reste R¹ bis R³ bei einem Silanol und mindestens einer der Reste R¹ bis R⁴ bei einem Silan hydrophil ist. Durch den hydrophilen Rest wird eine bessere Benetzung mit der die katalytisch aktiven Partikel enthaltenden Lösung erzielt, so dass eine Beschichtung ermöglicht wird. Geeignete hydrophile Reste sind zum Beispiel Amino-Gruppen, Ammonium-Gruppen und Sulfonsäure-Gruppen.
Die Reaktion zur Bildung von Silikonen aus den Silanen, Silanonen und/oder Siloxanen wird vorzugsweise durch Zugabe einer basischen oder sauren Komponente gestartet. Geeignete basische oder saure Komponenten zum Starten der Reaktion sind zum Beispiel Brönstedsäuren oder -basen beziehungsweise Lewissäuren oder -basen. Besonders bevorzugt zum Starten der Reaktion werden zum Beispiel HNO₃, NH₃, HCl oder NaOH zugegeben.
Das Benetzen des Filtersubstrates aus dem keramischen Material mit der Silane, Silanole und/oder Siloxane enthaltenden Lösung erfolgt zum Beispiel durch Besprühen, Tauchen, Tränken oder ähnliche Beschichtungsprozesse. Bevorzugt wird das Filtersubstrat aus keramischem Material in die Silane, Silanole und/oder Siloxane enthaltende Lösung eingetaucht.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird auf das Filtersubstrat in einen weiteren Schritt nach der Bildung der Silikone eine Oberflächenbeschichtung aufgebracht. Die Oberflächenbeschichtung ist zum Beispiel eine katalytisch aktive Beschichtung, wie sie dem Fachmann bekannt ist.
Als Beschichtungsmaterial für die Oberflächenbeschichtung eignen sich zum Beispiel Aluminiumoxid, Aluminiumoxidhydrate, Zirkondioxid, Siliziumdioxid oder Titandioxid. Diese Substanzen sind im Allgemeinen mit einem Oxid eines Metalls der dritten bis fünften Nebengruppe, einem Oxid eines Lanthanoiden, einschl. des Lanthan oder einer Mischung eines oder mehrerer dieser Oxide dotiert. Besonders bevorzugt ist ein Oxid des Cer, Praseodym oder Neodym.
Die Oberflächenbeschichtung wird zum Beispiel in Form von Partikeln als Schlicker oder als Sol durch Besprühen, Tauchen, Tränken oder ähnliche Beschichtungsprozesse auf das keramische Filtersubstrat aufgebracht. Weiterhin sind auch auf Vakuum basierende Beschichtungsprozesse geeignet.
Geeignete Deckschichten werden zum Beispiel durch Kombination von Nanopartikeln, das heißt Partikel mit einem mittleren Durchmesser < 1 μm, und Mikropartikeln, das heißt Partikel mit einem mittleren Durchmesser > 1 μm, mitunter mit bi- oder polymodaler Partikelgrößenverteilung, erzielt.
Durch die in den Mikrorissen enthaltenen Silikone können keine Partikel während des Beschichtungsprozesses zur Herstellung der Oberflächenbeschichtung in die Mikrorisse eindringen.
Da Silikone im Allgemeinen hydrophob sind und sich daher der partikelhaltige Schlicker zur Erzeugung der Oberflächenbeschichtung nur schlecht auf dem Filtersubstrat abscheidet, ist es bevorzugt, die Oberflächenspannung des partikeihaltigen Schlickers oder des Sols durch Zugabe von Tensiden zu senken. Hierzu können sowohl nichtionische, anionische, kationische als auch amphothere Tenside eingesetzt werden. Bei der Auswahl der Tenside ist lediglich darauf zu achten, dass diese keine chemische Wechselwirkung mit den Beschichtungsmaterial eingehen.
Wenn wie vorstehend beschrieben einer der Reste R¹ bis R⁶ bei einem Siloxan, einer der Reste R¹ bis R⁴ bei einem Silan bzw. einer der Reste R¹ bis R³ bei einem Silanol hydrophil ist, ist es nicht erforderlich, die Oberflächenspannung des partikeihaltigen Schlickers oder des Sols durch Zugabe von Tensiden zu senken, da aufgrund der hydrophilen Reste eine Abscheidung der Partikel für die Oberflächenbeschichtung auf dem keramischen Material möglich ist.
Zur Fixierung der Oberflächenbeschichtung wird das Filtersubstrat nach dem Auftragen des partikeihaltigen Schlickers oder des Sols vorzugsweise in einem weiteren Schritt getrocknet und/oder kalziniert. Das Trocknen erfolgt dabei vorzugsweise bei Temperaturen im Bereich von 60 bis 150°C, das Kalzinieren bei Temperaturen im Bereich von 300 bis 700°C.
Beim Kalzinieren verbrennt der organische Rest der Silikone. Es verbleiben Agglomerate aus Siliciumoxid-Einheiten in den Mikrorissen. Durch das Verbrennen der organischen Reste sind die Mikrorisse nicht vollständig mit den Agglomeraten der Siliciumoxid-Einheiten gefüllt. Die Mikrorisse können sich somit noch ausreichend schließen, wenn eine thermische Belastung aufgebracht wird. Aufgrund der Agglomerate aus Siliciumoxid-Einheiten in den Mikrorissen können sich auch im laufenden Betrieb weniger Aschekomponenten, die das Filtersubstrat schädigen können, in den Mikrorissen ablagern. Durch die Art der organischen Reste lässt sich die Größe des freien Raumes zwischen den Agglomeraten aus Siliciumoxid-Einheiten einstellen. Je längerkettiger die organischen Reste sind, desto mehr freier Platz ist nach dem Verbrennen der organischen Rest in den Mikrorissen enthalten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung,
2 ein erfindungsgemäßes Filtersubstrat im Längsschnitt,
3 eine schematische Darstellung des beschichteten Filtersubstrats,
4 einen Ausschnitt aus einem keramischen Partikel mit Mikroriss und darin enthaltener Silan-, Silanol- bzw. Siloxan-Lösung,
5 einen Ausschnitt aus einem keramischen Partikel mit Mikroriss mit darin enthaltenen Siliciumoxid-Einheiten.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung ist ein Filter, in welchem Rußpartikel aus dem Abgasstrom entfernt werden.
Ein Verbrennungskraftmaschine 10 ist über Abgasrohr 12 verbunden, in dem eine Filtereinrichtung 14 angeordnet ist. Mit der Filtereinrichtung 14 werden Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden Abgas herausgefiltert. Dies ist insbesondere bei Dieselkraftmaschinen erforderlich, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.
Die Filtereinrichtung 14 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem ein im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filtersubstrat 18 angeordnet ist.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Filtersubstrat im Längsschnitt.
Das Filtersubstrat 18 ist zum Beispiel als extrudierter Formkörper aus einem keramischen Material, z. B. Magnesium-Aluminium-Silikat, bevorzugt Cordierit, hergestellt. Das Filtersubstrat 18 wird in Richtung der Pfeile 20 von Abgas durchströmt. Das Abgas tritt über eine Eintrittsfläche 22 in das Filtersubstrat 18 ein und verlässt dieses über eine Austrittsfläche 24.
Parallel zu einer Längsachse 26 des Filtersubstrats 18 verlaufen mehrere Eintrittskanäle 28 im Wechsel mit Austrittskanälen 30. Die Eintrittskanäle 28 sind an der Austrittsfläche 24 verschlossen. In der hier dargestellten Ausführungsform sind hierzu Verschlussstopfen 36 vorgesehen. Anstelle der Verschlussstopfen 36 ist es jedoch auch möglich, dass Eintrittskanäle 28 sich zur Austrittsfläche 24 hin verjüngen, bis sich die Wandungen des Eintrittskanals 28 berühren und der Eintrittskanal 28 so verschlossen wird. In diesem Fall weist der Eintrittskanal 28 in Richtung parallel zur Längsachse 26 einen dreieckförmigen Querschnitt auf.
Entsprechend sind die Austrittskanäle 30 an der Austrittsfläche 24 offen und im Bereich der Eintrittsfläche 22 verschlossen.
Der Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt somit in einen der Eintrittskanäle 28 und von dort durch eine Filterwand 38 in einen der Austrittskanäle 30. Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 32 dargestellt.
In 3 ist eine schematische Darstellung des beschichteten Filtersubstrats dargestellt. Eine Filterwand 38 ist aus einem keramischen Filtersubstrat gefertigt. Das keramische Filtersubstrat besteht aus einzelnen Kristalliten 40, die im Allgemeinen durch Sintern miteinander verbunden sind. Das keramische Filtersubstrat ist vorzugsweise Silicumcarbit, Aluminiumtitanat oder Cordierit. Auch sind Mischungen dieser Materialien möglich. Zwischen den einzelnen Kristalliten 40 des keramischen Filtersubstrats befinden sich Poren 42, welche von dem zu reinigenden Gasstrom durchströmt werden. Die Partikel, die im Gasstrom enthalten sind, werden vom keramischen Filtersubstrat der Filterwand 38 zurückgehalten. Die Partikel, die aus dem Gasstrom entfernt werden, setzen sich auch in den Poren 42 ab. Hierdurch verringert sich der freie Querschnitt in der Filterwand 38 und der Druckverlust über die Filterwand 38 steigt an. Aus diesem Grund ist es erforderlich, in regelmäßigen Abständen die Partikel aus den Poren zu entfernen. Dies geschieht im Allgemeinen durch thermische Regeneration, indem der Filter auf eine Temperatur von mehr als 600°C aufgeheizt wird. Bei dieser Temperatur verbrennen die in der Regel organischen Partikel zu Kohlendioxid und Wasser und werden gasförmig aus dem Partikelfilter ausgetragen.
Die Kristallite 40 des keramischen Filtersubstrates sind im Allgemeinen mit einer Oberflächenbeschichtung 44 beschichtet. Die Oberflächenbeschichtung ist üblicherweise katalytisch aktiv, um zum Beispiel im Abgas enthaltenes CO zu CO₂ und im Abgas enthaltene Kohlenwasserstoffe zu CO₂ und H₂O zu oxidieren sowie Stickstoffoxide zu Stickstoff und Sauerstoff zu reduzieren. Üblicherweise enthält die Oberflächenbeschichtung 44 Partikel, die ein katalytisch aktives Material enthalten. Die Partikel werden üblicherweise zu einer keramischen Beschichtung gesintert. Die Herstellung derartiger Oberflächenbeschichtungen 44 ist dem Fachmann bekannt.
In den einzelnen Kristalliten 40 sind im Allgemeinen Mikrorisse 46 enthalten. Bei hohen Temperaturen kann sich das Material ausdehnen, indem die Mikrorisse 46 geschlossen werden. Hierdurch werden Spannungen im Gefüge aus den Kristalliten 40 abgebaut. Sind die Mikrorisse 46 durch Komponenten, die aus dem Beschichtungsprozess stammen, oder durch Asche vollständig oder teilweise verstopft, kann das Filtersubstrat sich nicht in genügendem Maße ausdehnen. Hierdurch können sich lokal sehr hohe Spannungen aufbauen, die insbesondere bei hohen Temperaturen unter hydrothermalen Bedingungen zur reversiblen Rissbildung führen können. Das Filtersubstrat 18 reißt auf.
Um ein Verschließen der Mikroporen 46 mit Partikeln des Beschichtungsmaterials zu verhindern und ein Eindringen von Asche beim laufenden Betrieb zu vermeiden, werden die Mikrorisse 46 mit einem Silikon gefüllt.
In 4 ist ein Ausschnitt aus einem Kristallit 40 mit einem Mikroriss 46 dargestellt, wobei der Mikroriss 46 mit einer Silan-, Silanol- bzw. Silixan-haltigen Lösung 48 gefüllt ist. Das Eindringen der Lösung 48 in die Mikroporen 46 erfolgt zum Beispiel durch Besprühen, Tauchen, Tränken oder ähnliche Beschichtungsprozesse. Die Oberflächenspannung der Lösung 48 wird so eingestellt, dass diese in die Mikroporen 46 eindringt. Hierzu ist die Oberflächenspannung der Lösung 48 vorzugsweise möglichst niedrig. Vorzugsweise liegt die Oberflächenspannung im Bereich von 10 bis 80 N/m, insbesondere im Bereich von 30 bis 60 N/m.
Nach dem Benetzen des Filtersubstrats, bei dem die Lösung 48 in die Mikrorisse 46 eindringt, wird eine Reaktion gestartet, bei der die in die Lösung enthaltenen Silane, Silanole bzw. Siloxane zu Silikonen reagieren. Hierbei handelt es sich im Allgemeinen um eine Kondensationsreaktion. Diese kann zum Beispiel durch Zugabe von basischen oder sauren Komponenten gestartet werden. Als basische oder saure Komponente werden vorzugsweise HNO₃, HCl, NH₃ oder NaOH zugegeben.
Nach Beendigung der Reaktion ist es möglich, auf das Filtersubstrat eine Oberflächenbeschichtung aufzubringen. Das Beschichtungsmaterial wird im Allgemeinen auf das gesinterte keramische Filtersubstrat in Form von Partikeln als Schlicker oder als Sol aufgebracht und anschließend durch Trocknen, Kalzinieren oder Sintern fixiert. Hierdurch werden die Oberflächen der Kristallite 40 des Filtersubstrates der Filterwand 38 einschließlich der Wandungen der Poren 42 beschichtet. Durch das Auffüllen der Mikrorisse 46 mit dem Silikon kann kein Beschichtungsmaterial in die Mikrorisse 46 eindringen. Es ist jedoch auch möglich, auf eine Beschichtung zu verzichten.
Wenn auf eine Beschichtung verzichtet wird, wird das Filtermaterial trotzdem nach dem Aushärten der Silane, Siloxane bzw. Silanole einer thermischen Behandlung unterzogen. Durch die thermische Behandlung bzw. durch das Kalzinieren verbrennen die organischen Reste des entstandenen Silikons. Es bilden sich Siliciumoxid-Einheiten, die frei von organischen Bestandteilen sind. Dies ist in 5 schematisch dargestellt. In dem Mikroriss 46 sind Siliciumoxid-Einheiten 50 enthalten, die diesen auffüllen. Die Siliciumoxid-Einheiten 50 füllen den Mikroriss 46 jedoch nicht vollständig, sondern es sind noch freie Plätze enthalten. Hierdurch ist es möglich, dass bei einer thermischen Ausdehnung des Filtermaterials der Mikroriss 46 geschlossen werden kann, um Spannungen abzubauen.
Durch die in den Mikrorissen 46 enthaltenen Siliciumoxid-Einheiten wird auch im laufenden Betrieb des Filtersubstrates 18 ein Ablagerung von Aschekomponenten in den Rissen vermieden bzw. verringert. Die Lebensdauer des Filters wird vergrößert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2005/0037147 A [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Filters zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, wobei der Filter aus einem keramischen Material gefertigt wird, in welchem Mikrorisse (46) enthalten sind, umfassend folgendes Schritte: (a) Benetzen eines Filtersubstrates aus dem keramischen Material mit einer Silane, Silanole und/oder Siloxane enthaltenden Lösung (48), (b) Starten einer Reaktion zur Bildung von Silikonen aus den Silanen, Silanolen und/oder Siloxanen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material ausgewählt ist aus Cordierit, Aluminiumtitanat, Siliciumcarbid und Sintermetall.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenspannung der Silane, Silanole und/oder Siloxane enthaltenden Lösung im Bereich von 10 bis 80 N/m liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Siloxan ein Siloxan der allgemeinen Formel (I)
ist, wobei R¹, R², R³, R⁴, R⁵ und R⁶ unabhängig voneinander für Wasserstoff, eine Hydroxyl-Gruppe, einen organischen Rest oder einen Siloxy-Rest stehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Silanol ein Silanol der allgemeinen Formel (III)
ist, wobei R¹, R² und R³ unabhängig voneinander für Wasserstoff, eine Hydroxyl-Gruppe oder einen organischen Rest stehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Silan ein Silan der allgemeinen Formel (IV)
ist, wobei R¹, R², R³ und R⁴ unabhängig voneinander für Wasserstoff, eine Hydroxyl-Gruppe oder einen organischen Rest stehen, wobei mindestens einer der Reste R¹ bis R⁴ ein Sauerstoffatom, vozugsweise in einer OH-Gruppe, enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Siloxan mindestens einer der Reste R¹ bis R⁶, bei einem Silanol mindestens einer der Reste R¹ bis R³ und bei einem Silan mindestens einer der Reste R¹ bis R⁴ hydrophil ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion zur Bildung von Silikonen durch Zugabe einer basischen oder sauren Komponente gestartet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Bildung der Silikone eine Oberflächenbeschichtung auf das Filtersubstrat aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung in Form eines partikelhaltigen Schlickers oder als Sol aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenspannung des partikelhaltigen Schlickers oder des Sols durch Zugabe von Tensiden gesenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtersubstrat in einem weiteren Schritt getrocknet und/oder kalziniert wird.
Filter zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere zur Entfernung von Rußpartikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein Filtersubstrat aus einem keramischen Material, wobei in dem keramischen Material Mikrorisse (46) enthalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass in den Mikrorissen (46) Agglomerate aus SiO_x (50) enthalten sind,
Filter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtersubstrat mit einer Oberflächenbeschichtung versehen ist.