DE102007028495A1

DE102007028495A1 - Verfahren zur Herstellung eines porösen Substrates

Info

Publication number: DE102007028495A1
Application number: DE102007028495A
Authority: DE
Inventors: Matthias Kruse; Joerg Jockel; Christoph Osemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2008-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Filters zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine (10), folgende Schritte umfassend: (a) Benetzen eines Filtersubstrates (18) aus einem keramischen Material mit Monomeren (48), (b) Zugabe eines Starters (54) zum Starten einer Polymerisationsreaktion, um aus den Monomeren (54) Polymere (50, 52) zu bilden, wobei entweder erst Schritt (a) und dann Schritt (b) oder erst Schritt (b) und dann Schritt (a) durchgeführt werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Substrates für einen Katalysator oder einen Filter zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine.
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 Siliziumcarbid, 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 (Al₂O₃) auf eine gewünschte Partikelgröße gemahlen, anschließend eine Suspension mit einer gewissen Teilchengrößenverteilung erzeugt, und diese Suspension, die auch Slurry genannt wird, auf den keramischen Träger aufgebracht.
Das Problem dieses bekannten Verfahrens besteht jedoch darin, dass Partikel 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 oder US-A 2005/0191480 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 dieses Verfahrens ist es, dass die Polymere die Mikrorisse nicht vollständig verschließen. Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass das Polymer in Form von Tröpfchen in einer wässrigen Emulsion vorliegt und die Tröpfchen im Allgemeinen zu groß sind, um in die Mikrorisse einzudringen. Zudem existiert nur eine begrenzte Anzahl an geeigneten Polymeren.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Filters zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine umfasst folgende Schritte:

(a) Benetzen eines Filtersubstrates aus einem keramischen Material mit Monomeren,
(b) Zugabe eines Starters zum Starten einer Polymerisationsreaktion, um aus den Monomeren Polymere zu bilden,

Das keramische Material für das Filtersubstrat wird vorzugsweise ausgewählt aus Cordierit, Aluminiumtitanat und Siliziumcarbid. Besonders bevorzugt ist das keramische Material Cordierit, da dieses das preislich günstigste ist. Aufgrund des Herstellungsprozesses weisen die keramischen Materialien eine Reihe von Mikrorissen im Gefüge auf. Diese Mikrorisse leisten zum einen einen wesentlichen Beitrag zur Filterwirkung oder Katalysatorwirkung der Funktionselemente. Zudem werden durch die Mikrorisse thermische Spannungen in der Keramik abgebaut und dadurch die thermische Belastbarkeit erhöht. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Mikrorisse im keramischen Filtersubstrat sich nach und nach bei Temperaturerhöhung schließen und so einen Puffer für die thermische Ausdehnung bilden.
Durch das Benetzen des Filtersubstrates mit Monomeren dringen diese aufgrund ihrer geringen Größe im Gegensatz zu Polymeren auch in die Mikrorisse ein. Durch die Polymerisationsreaktion bilden sich aus den Monomeren Polymere. Diese sind in den Mikrorissen enthalten. Auf diese Weise werden die Mikrorisse mit den Polymeren befüllt. Dies hat den Vorteil, dass in einem nachfolgenden Beschichtungsschritt des Filtersubstrates keine Partikel in die Mikrorisse eindringen können. Da die entstandenen Polymere bei hohen Tempe raturen verbrennen, werden die Mikrorisse auf diese Weise wieder freigesetzt. Hierdurch wird die Möglichkeit, thermische Spannungen durch Verschließen der Mikrorisse auszugleichen, aufrechterhalten. Das Verbrennen der in den Mikrorissen enthaltenen Polymere erfolgt entweder in einem Kalzinierungsschritt, wie er bei einer nachfolgenden Oberflächenbehandlung durchgeführt wird oder während einer Regenerationsphase des Filters im laufenden Betrieb. Während der Regenerationsphase werden vom Filter ausgefilterte Rußpartikel verbrannt. Dies geschieht im Allgemeinen bei Temperaturen von bis zu 1000°C. Dies ist ausreichend, um die in den Mikrorissen enthaltenen Polymere zu verbrennen. Bevorzugt erfolgt das Verbrennen der in den Mikrorissen enthaltenen Polymere jedoch durch den Kalzinierungsschritt.
In einer ersten Ausführungsform des Verfahrens wird zunächst das Filtersubstrat aus dem keramischen Material mit dem Starter benetzt. Dies erfolgt zum Beispiel durch Besprühen, Tauchen, Tränken oder ähnlichen Beschichtungsprozessen. Bevorzugt wird das Filtersubstrat in den Starter, der im Allgemeinen als Flüssigkeit vorliegt, getaucht. Als Starter werden zum Beispiel Wasser oder eine verdünnte Säure oder Base eingesetzt. Dies wird im Allgemeinen als kationische oder anionische Polymerisation bezeichnet. Welcher Starter geeignet ist, hängt von den verwendeten Monomeren ab. Geeignete Starter sind zum Beispiel Butyllithium, Aluminiumchlorid oder Perchlorsäure. Wenn die Polymerisationsreaktion eine Polykondensation oder Polyaddition ist, können als Starter auch andere Monomereinheiten eingesetzt werden.
Aufgrund der Kapillarkräfte wird sich der Starter hauptsächlich in den Mikrorissen des keramischen Materials des Filtersubstrates abscheiden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Filtersubstrat aus keramischem Material während des Benetzens mit dem Starter abgekühlt. Hierdurch wird die Abscheidung des Starters in den Mikrorissen unterstützt.
Nach dem Benetzen des Filtersubstrates mit dem Starter wird das Monomer zugegeben. Das Monomer liegt im Allgemeinen in Form einer Flüssigkeit vor. Da sich der Starter vor allem in den Mikrorissen des keramischen Materials befindet, wird auch die Polymerisationsreaktion in den Mikrorissen beginnen. Das Polymer bildet sich somit innerhalb der Mikrorisse aus. Der Anteil an Polymer, der sich an der Oberfläche des keramischen Substrates ausbildet, ist gering. Die Polymerisationsreaktion kann durch Einstellung des pH-Wertes, der Temperatur, der Konzentration und des Wassergehaltes gesteuert werden. Im Anschluss an die Polymerisationsreaktion ist es bevorzugt, dass das Polymer durch Trocknen ausgehärtet wird. Es bleibt ein geschrumpfter Polymerfilm zurück, der sich hauptsäch lich in den Mikrorissen beziehungsweise in den Mikroporen des keramischen Materials des Filtersubstrates befindet.
In einer zweiten Verfahrensvariante wird zunächst das Filtersubstrat mit dem Monomer benetzt. Das Benetzen des Monomers erfolgt dabei zum Beispiel durch Besprühen, Tauchen, Tranken oder ähnliche Beschichtungsprozesse. Das Monomer verteilt sich hierbei über die gesamte Filteroberfläche. Auch die Mikrorisse werden mit dem Monomer befüllt. Anschließend wird ein Starter zugegeben, damit die Polymerisationsreaktion beginnt. Es bildet sich ein Polymerfilm über das gesamte Filtersubstrat aus, wobei sich auch in den Mikrorissen Polymere bilden. Nach der Polymerisationsreaktion wird das Polymer durch Trocknen ausgehärtet. Es bleibt ein im Volumen geschrumpfter Polymerfilm zurück, der das gesamte Substrat bedeckt. Da die Polymerschicht, die sich über das gesamte Filtersubstrat ausbildet, aufgrund des Trocknungsprozesses nur eine sehr geringe Dicke aufweist, wird ein gegebenenfalls durchgeführter anschließender Beschichtungsvorgang, bei dem zum Beispiel eine katalytisch aktive Oberflächenbeschichtung aufgebracht wird, nicht behindert. Es lässt sich eine Oberflächenbeschichtung auf dem keramischen Substrat, welches mit der Polymerschicht versehen ist, erzeugen.
Bei der ersten Verfahrensvariante, bei der sich das Polymer vor allem in den Mikrorissen ausgebildet hat und die Oberfläche nahezu frei von Polymeren ist, wird der Beschichtungsvorgang nicht behindert, da sich im Wesentlichen kein Polymer auf der Oberfläche gebildet hat.
Die Polymere, die sich in den Mikrorissen ausbilden sind vorzugsweise ausgewählt aus Polyurethanen, Polyisocyanaten, Polyolen, Polyetherpolyolen, Polyesterpolyolen, Polyamiden, Polyaminen, Polyimiden, Polycarbonaten, Polyester, Polyethern, Polyacrylaten, Polyacrylamiden, Polyacrylnitril, Polystyrolen, Polyvinylacetalen, Polyvinylethern, Polyvinylaminen, Polyvinylestern, Polyvinylalkoholen, Polyvinylhalogeniden, Polyvinylidenhalogeniden. Bevorzugt sind die in den Mikrorissen gebildeten Polymere nicht säurelöslich und weisen eine hydrophile Oberfläche auf. Besonders bevorzugte Polymere sind Polyacrylate und Polystyrole sowie deren Mischungen, Polyvinylalkohole und Polyvinylether.
Die Monomere, mit denen das Filtersubstrat benetzt wird, sind solche, die durch Polymerisationsreaktion eines oder mehrere der genannten Polymere bilden. Bevorzugte Monomere sind daher (Meth)Acrylsäure und (Meth)Acrylsäureester, Acrylnitril, Amide, Isopren, Diole, z. B. Glykol, Polyethylenglykol, und Dicarbonsäuren, z. B. Adipinsäure, Sebacinsäure, Terephthalsäure; Diamine oder Diole, wie Glykol, Butandiol, Polyethylenglykol und Diiso cyanate, z. B. Toluoldiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat; Styrol, Styrolsulfonat, Vinylalkolhole, Maleinsäure, Maleate oder Maleinsäureanhydrid, Cellulose.
Der Begriff Monomer im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst neben den Monomeren auch Oligomere und Präpolymere, die weiter zu Polymeren reagieren können.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass die Komponenten, d. h. Starter oder Monomere, aufgrund ihrer geringen Größe die Mikrorisse komplett ausfüllen können. Dies ist bei Polymeren, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, nicht unbedingt der Fall. Polymere liegen im Allgemeinen als Tröpfchen in einer wässrigen Lösung vor. Sind die Tröpfchen zu groß, was sie in der Regel sind, können diese nicht vollständig in die Mikrorisse eindringen und diese verschließen.
Bei der Verfahrensvariante, bei der sich ein Polymerfilm über das gesamte keramische Material ausbildet, werden alle kleinen Risse, Poren und Spalten verschlossen. Da sich jedoch ohne die Polymerbeschichtung auch hier Partikel der Oberflächenbeschichtung abscheiden würden, würde im laufenden Betrieb der Gegendruck signifikant ansteigen. Wenn jedoch das Polymer durch den Kalzinierungsprozess oder die hohen Betriebstemperaturen bei der Regeneration weggebracht ist, kann der Gasstrom ungehindert durch die schmalen Poren beziehungsweise Spalten hindurchtreten. Aus diesem Grund wird der Gegendruck wenig beeinflusst.
Nach dem Ausbilden der Polymere durch die Polymerisationsreaktion wird in einer bevorzugten Ausführungsform auf das Filtersubstrat in einem weiteren Schritt 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, Titandioxid oder Mischungen daraus. Diese Substanzen können zum Beispiel mit einem Oxid eines Metalls der dritten bis fünften Nebengruppe, mindestens einem Oxid eines Lanthanoiden, einschl. des Lanthan oder einer Mischung eines oder mehrerer dieser Oxide dotiert sein.
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.
Die mittlere Partikelgröße (D50), der zur Ausbildung der Beschichtung geeigneten Materialien variiert in einem weiten Bereich. Insbesondere geeignet sind Partikel einer Größe von 2 nm bis zu 20 μm.
Durch das in den Mikrorissen enthaltene Polymer, welches zuvor gebildet wurde, können während des Beschichtungsprozesses zur Herstellung der Oberflächenbeschichtung keine Partikel in die Mikrorisse eindringen.
Zur Fixierung der Oberflächenbeschichtung wird das Filtersubstrat nach dem Auftragen des partikelhaltigen 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 verbrennen die Polymere. Hierdurch werden die Mikrorisse wieder von ihrer Füllung befreit, so dass im laufenden Betrieb des Filters thermische Spannungen durch ein Verschließen der Mikrorisse ausgeglichen werden können.
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 Filtersubstrates,
4 einen Verfahrensablauf zur Füllung von Mikrorissen mit einem Polymer in einer ersten Ausführungsform am Beispiel eines Mikrorisses,
5 einen Verfahrensablauf zur Füllung eines Mikrorisses mit einem Polymer exemplarisch einem Mikroriss in einer zweiten Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung:
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft an einem Filter zur Abgasnachbehandlung in einem Kraftfahrzeug beschrieben.
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 Langsachse 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. Wenn ein erfindungsgemäß hergestelltes Substrat nicht als Filtersubstrat 18 sondern als Katalysator eingesetzt wird, so sind die Kanäle üblicherweise nicht verschlossen.
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 Silizumcarbid, Aluminiumtitanat oder Cordierit. 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. Da jedoch auch anorganische Bestandteile enthalten sind, sogenannte Aschen, erfolgt die Verbrennung im Allgemeinen nicht rückstandsfrei.
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 ge nügendem 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.
Das erfindungsgemäße Verfahren, mit welchem die Mikrorisse 46 mit einem Polymer gefüllt werden, ist exemplarisch für einen Mikroriss für eine erste Ausführungsform in 4 dargestellt.
Das Filtersubstrat 18, welches einzelne Kristallite 40 aufweist, in denen jeweils Mikrorisse 46 ausgebildet sind, wird mit einem Monomer 48 benetzt. Das Monomer 48 liegt üblicherweise in flüssiger Form vor. Alternativ ist es auch möglich, dass das Monomer 48 in einem Lösemittel gelöst ist. Durch das Benetzen des Filtersubstrates 18 mit dem Monomer 48 dringt dieses auch in die Mikrorisse 46 ein.
In einem nächsten Schritt wird dem Monomer ein Starter, zum Beispiel Wasser, eine Säure oder eine Base oder ein anderes Monomer zugegeben. Hierdurch wird eine Polymerisationsreaktion initiiert. Es bildet sich ein Polymer 50 aus. Das Polymer 50 bildet einen dünnen Film auf den Kristalliten 40 des Filtersubstrates 18 und füllt die Mikrorisse 46. Die Mikrorisse 46 sind somit durch das Polymer 50 verschlossen. Der Starter, der zur Initiierung der Polymerisationsreaktion zugegeben wird, ist zum Beispiel Wasser, eine Base oder eine Säure und davon abhängig, welches Monomer 48 zur Bildung des Polymeren 50 eingesetzt wird.
Nach Beendigung der Polymerisationsreaktion wird das Filtersubstrat 18 getrocknet. Durch das Trocknen bildet sich ein getrocknetes Polymer 52. Gleichzeitig härtet das Polymer weiter aus. Der dünne Film auf der Oberfläche der Kristallite 40 bleibt bestehen. Jedoch wird dessen Dicke durch die Trocknung weiter reduziert.
In 5 ist das erfindungsgemäße Verfahren in einer zweiten Ausführungsform exemplarisch für einen Mikroriss 46 dargestellt. Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform wird der Mikroriss 46 in einem ersten Schritt mit einem Starter 54 gefüllt. Dies erfolgt durch Benetzen des Filtersubstrates 18 mit dem Starter 54. Der Starter 54 dringt in die Mikrorisse 46 ein. Das Eindringen des Starters 54 in die Mikrorisse 46 erfolgt zum Beispiel durch die Kapillarkräfte. Der Starter 54 ist wie vorstehend beschrieben zum Beispiel Wasser, eine Säure, eine Base oder ein Monomer. Welche Substanz als Starter 54 eingesetzt wird, ist davon abhängig, welche Monomere verwendet werden, um das Polymer auszubilden.
In einem nächsten Schritt wird dem Filtersubstrat 18 ein Monomer zugegeben. Das Monomer liegt hier ebenfalls vorzugsweise als Flüssigkeit vor. Alternativ ist es auch hier möglich, dass das Monomer in einem Lösungsmittel gelöst ist. Durch den in den Mikrorissen 46 enthaltenen Starter 54 bildet sich in den Mikrorissen 46 das Polymer 50 aus. Da der Starter 54 überwiegend oder ausschließlich nur in den Mikrorissen 46 enthalten ist, bleibt die Oberfläche der Kristallite 40 weitgehend frei von Polymeren.
Auch bei der in 5 dargestellten Ausführungsform wird das Filtersubstrat mit dem Polymer 46 nach Beendigung der Polymerisationsreaktion getrocknet. Hierdurch härtet das Polymer weiter aus und es bildet sich ein ausgehärtetes und getrocknetes Polymer 52 in den Mikrorissen 46 des keramischen Materials. Durch das Trocknen schrumpft das Polymer, so dass dieses im Wesentlichen in den Mikroporen 46 enthalten ist und nicht auf der Oberfläche der einzelnen Kristallite 40.
Nach dem Trocknen kann das Filtersubstrat 18 weiterbehandelt werden. Dies erfolgt zum Beispiel durch das Aufbringen der Oberflächenbeschichtung 44. Die Beschichtung 44 ist zum Beispiel katalytisch aktiv. 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. Da die Mikrorisse 46 mit dem getrockneten Polymer 52 aufgefüllt sind, kann kein Beschichtungsmaterial in die Mikrorisse 46 eindringen. Wenn die Mikrorisse 46 nach dem in 5 dargestellten Verfahren gefüllt werden, so dass nur die Mikrorisse 46 gefüllt sind und die Oberfläche der Kristallite 40 frei von Polymer ist, ist es bevorzugt, wenn das Polymer hydrophob ist. Hierdurch wird vermieden, dass sich auf dem Polymer 52, welches die Mikrorisse 46 füllt, Beschichtungsmaterial abscheidet.
Nach dem Auftragen des Beschichtungsmaterials für die Oberflächenbeschichtung 44 wird das Filtermaterial im Allgemeinen einer thermischen Behandlung beziehungsweise einem Kalzinieren unterzogen. Durch die thermische Behandlung beziehungsweise durch das Kalzinieren verbrennen die getrockneten Polymere 52 in den Mikrorissen 46. Hierdurch werden die Mikrorisse 46 wieder geöffnet, so dass sich diese im laufenden Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei Auftreten von thermischen Spannungen, zum Beispiel bei Regenerationsphasen, bei denen der Filter auf Temperaturen bis zu 1000°C erwärmt wird, schließen können und so die thermischen Spannungen ausgleichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2005/0037147 A [0008]
- US 2005/0191480 A [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines porösen Substrates für einen Katalysator oder einen Filter zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine (10), folgende Schritte umfassend: (a) Benetzen eines Filtersubstrates (18) aus einem keramischen Material mit Monomeren (48), (b) Zugabe eines Starters (54) zum Starten einer Polymerisationsreaktion, um aus den Monomeren (48) Polymere (50, 52) zu bilden, wobei entweder erst Schritt (a) und dann Schritt (b) oder erst Schritt (b) und dann Schritt (a) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Starter (54) Wasser oder eine verdünnte Säure oder Base oder ein Monomer ist, mit der das Filtersubstrat (18) aus dem keramischen Material in einem ersten Schritt benetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Starter (54) Wasser oder eine verdünnte Säure oder Base oder ein Monomer ist, die nach dem Benetzen des Filtersubstrates (18) aus dem keramischen Material mit den Monomeren (48) in Schritt (a) zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer (50) nach Abschluss der Polymerisationsreaktion durch Trocknen ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss der Polymerisationsreaktion eine Oberflächenbeschichtung (44) auf das Filtersubstrat (18) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung (44) in Form von Partikeln als Schlicker oder als Sol auf das Filtersubstrat (18) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtersubstrat (18) nach dem Aufbringen der Oberflächenbeschichtung (44) getrocknet und/oder kalziniert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Monomere (48) ausgewählt sind aus (Meth)Acrylsäure und (Meth)Acrylsäureester, Acrylnitril, Amide, Isopren, Diole, z. B. Glykol, Polyethylenglykol, und Dicarbonsäuren, z. B. Adipinsäure, Sebacinsäure, Terephthalsäure; Diamine oder Diole, wie Glykol, Butandiol, Polyethylenglykol und Diisocyanate, z. B. Toluoldiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat; Styrol, Styrolsulfonat, Vinylalkolhole, Maleinsäure, Maleate oder Maleinsäureanhydrid, Cellulose.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material für das Filtersubstrat (18) ausgewählt ist aus Aluminiumtitanat, Siliziumcarbid oder Cordierit.