DE102008011357A1

DE102008011357A1 - Verfahren zur Herstellung eines keramischen Filterelements

Info

Publication number: DE102008011357A1
Application number: DE200810011357
Authority: DE
Inventors: Sabine Otterbach; Karin Gerlach
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2009-09-03
Also published as: WO2009106420A2; WO2009106420A3

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Filterelements in einem Abgasfilter für Brennkraftmaschinen vorgestellt, bei dem ein brennbares, nicht-keramisches Filtermedium mit einem keramischen Schlicker getränkt wird. Der keramische Schlicker entspricht in seiner Zusammensetzung dem mit dem keramischen Schlicker getränkten Filtermedium.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Filterelements in einem Abgasfilter einer Brennkraftmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vergussmasse zum Verschließen von Kanälen in Filterelementen. Stand der Technik
Die WO 2006/005668 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Filterelements in einem Abgasfilter für Brennkraftmaschinen. Hierbei wird zunächst eine brennbare, nicht-keramische Trägerbahn mit einem keramischen Schlicker getränkt und anschließend in der gewünschten geometrischen Form soweit ausgebrannt, bis die Trägerbahn verbrannt und ein starrer Filterkörper gebildet ist. Solche porösen keramischen Bauteile können beispielsweise als Katalysatorträger oder für Filtrationsanwendungen, vor allem im Hochtemperaturbereich, eingesetzt werden.
Für die Verwendung als Filterelement ist ein wechselseitiger Verschluss der Kanäle erforderlich, wobei das o. g. Verfahren den Vorteil bietet, dass der Verschluss bereits bei der Fertigung der Papierelemente eingebracht werden kann und keinen zusätzlichen, nachgeschalteten Fertigungsschritt erfordert, wie es z. B. bei extrudierten Wabenkörpern der Fall ist.
Die für den Verschluss der Kanäle eingesetzte Masse, die als Vergussmasse, keramischer Kleber oder keramisches Plugging bezeichnet wird, muss so beschaffen sein, dass auch nach dem Sintern ein dichter Verschluss gewährleistet ist. Während des Trocknens und Sinterns ist jedoch das gesamte Bauteil einer Schwindung unterworfen, die je nach Wahl der Ausgangsmaterialien und der Bedingungen bis zu 15% betragen kann. Betrachtet man das Verhältnis Vergussmasse zu Bauteil, dann kann die Schwindung bis zu 3% betragen. Differieren die Schwindungen von Bauteil und Verschlussmasse jedoch um mehr als 1% absolut, so treten Risse im Bauteil bzw. zwischen Bauteil und Verschlusspfropfen auf, die bis zur Zerstörung des Bauteils führen können. In dem oben beschriebenen Fertigungsverfahren können jedoch, wie bereits erwähnt, Schwankungen in der Schwindung des Bauteils von 3% absolut und mehr auftreten. Es müsste demnach vor jeder Produktion die Schwindung zu prüfen und das Verschlussmaterial entsprechend auszuwählen. Zudem sollte die thermische Ausdehnung des Verschlussmaterials der des keramischen Filtermediums entsprechen, da es sonst beim Einsatz bei erhöhten Temperaturen ebenfalls zu Rissen im Bauteil kommen kann.
Es sind eine Vielzahl von keramischen Klebstoffen und Vergussmassen kommerziell erhältlich, z. B. von den Firmen Cotronics Corp. oder Sauereisen. Diese weisen üblicherweise eine sehr eng definierte Schwindung beim Trocknen oder Aushärten bzw. Sintern auf. Bei der Herstellung von keramischen Filterelementen nach dem Herstellungsverfahren gemäß der WO 2006/005668 können jedoch, bedingt durch äußere Einflüsse oder Änderungen/Schwankungen in den Fertigungsbedingungen, sehr starke Schwankungen in der Schwindung von bis zu ± 3% absolut auftreten. Da eine Anpassung der kommerziellen keramischen Vergussmassen aufgrund unterschiedlicher Schwindungen und Temperaturbeständigkeiten kaum möglich ist, ist bei Verwendung dieser Massen entweder mit hohem Ausschuss zu rechnen, oder es wäre bei einer (chargenweisen) Produktion zuvor für jede Charge die Schwindung zu ermitteln und eine entsprechende Keramikmasse auszuwählen.
Es besteht folglich ein Bedarf, eine keramische Vergussmasse zur Anwendung in einem Verfahren zur Herstellung von keramischen Filterelementen bereit zu stellen, die die geschilderten Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine keramische Vergussmasse für ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Filterelements in einem Abgasfilter einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, die die Rissbildung in dem Filterelement weitestgehend vermeidet.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Verschlussmasse bereitzustellen, die für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet ist.
Diese und weitere Aufgaben werden durch das Verfahren zur Herstellung eines keramischen Filterelements nach Anspruch 1 und die keramische Vergussmasse nach Anspruch 7 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Eine keramische Verschlussmasse, die die o. g. Problem vermeidet, sollte in einem gewissen Maße „tolerant” gegenüber Schwankungen in der Schwindung sein. Dazu schlägt die Erfindung eine Masse vor, die in ihrer Zusammensetzung dem mit keramischem Schlicker frisch getränkten Filtermedium entspricht. Diese Massen sind also der Schlickerrezeptur nachempfunden. Es hat sich gezeigt, dass diese Masse die gewünschten Eigenschaften aufweist und sich der Schwindung des gesamten Bauteils in gewissem Rahmen, d. h., unterhalb von etwa 1%, angleicht. Die Zusammensetzung wird dabei über die Massenaufnahme des zu tränkenden Mediums an Keramikmaterial ermittelt. Aufgrund der geringen Schwindung der Bauteile von unterhalb 1% kann die erfindungsgemäße Verschlussmasse in einer Vielzahl von Produkten, wie z. B. Aluminiumtitanat, Aluoxid und anderen Keramiken eingesetzt werden.
Das brennbare, nicht-keramische Filtermedium kann sowohl aus organischem Material, beispielsweise Cellulose, als auch aus synthetischem Material bestehen. Cellulose wird bevorzugt eingesetzt, damit das Ver schlussmassenmaterial ähnlich oder auch gleich dem Bauteil quellen kann. Das heißt auch, dass sich die Verschlussmasse in den Kanälen gut verteilt. Cellulose erfüllt auch die Anforderungen an eine gewisse Haltbarkeit und Verarbeitbarkeit der Pulver, die in der Verschlussmasse enthalten sind. Die Anpassungsfähigkeit der Verschlussmasse mit Cellulose zum Cellulosebauteil, d. h., der nichtkeramischen Trägerbahn, ist sehr gut.
Wird also bspw. Cellulose als Material für das Filtermedium verwendet, enthält die erfindungsgemäße Vergussmasse ebenfalls Cellulose.
Die Erfindung wird im Folgenden an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1:
Bei dem Filtermedium handelt es sich um ein Cellulosematerial, der Schlicker, mit dem dieses getränkt werden soll, ist eine wässrige Suspension von Aluminiumoxid in Wasser mit einem Feststoffgehalt von 60% und einem 1%igen Zusatz eines Dispergierhilfsmittels. Die Massenaufnahme beträgt nach dem Trocknen 400%, d. h. pro 100 g Cellulosemedium werden 400 g Aluminiumoxid bzw. 667 g Suspension aufgenommen. Eine erfindungsgemäße Keramikmasse hat danach folgende Zusammensetzung:

Aluminiumoxid: 52,2 Gew.-%

Cellulose (Pulver): 13,1 Gew.-%

Wasser: 34,8 Gew.-%

Dispergierhilfsmittel: 0,9 Gew.-%
Beispiel 2:
Bei dem Filtermedium handelt es sich um ein Material, das zu 60% aus Cellulose-, und zu 40% aus Polyesterfasern besteht. Der Schlicker, mit dem dieses getränkt werden soll, ist eine wässrige Suspension von 80% (im Feststoff) Aluminiumoxid und 20% (im Feststoff) Siliziumdioxid in Wasser mit einem Feststoffgehalt von 80% und einem 1,5%igen Zusatz eines Dispergierhilfsmittels. Die Massenaufnahme beträgt nach dem Trocknen 500%, d. h. pro 100 g Cellulosemedium werden 500 g Keramik bzw. 625 g Suspension aufgenommen. Eine erfindungsgemäße Keramikmasse hat danach folgende Zusammensetzung:

Aluminiumoxid: 55,1 Gew.-%

Siliziumdioxid: 13,7 Gew.-%

Cellulose (Pulver): 8,2 Gew.-%

Polyester (Pulver): 5,5 Gew.-%

Wasser: 17,2 % Gew.

Dispergierhilfsmittel: 1,3 % Gew.
In ähnlicher Weise kann die Erfindung bspw. auf Trägerbahnen aus Keramikpapier, Keramikfasern, Basalt und Polyesterfasern, imprägniertem Papier, Glasfaserpapier und solchen aus unterschiedlichen Rohpapieren, Pappen, etc., angewendet werden.
Zusätzlich können in den Massen weitere Zusatz- und Hilfsstoffe enthalten sein, z. B. um die Viskosität und/oder das Fließverhalten einzustellen oder das Trocknungsverhalten zu beeinflussen. So kann bspw. Wasser zugegeben werden, um die Masse zu verdünnen. Das Trocknungsverhalten kann durch den Zusatz verschiedener Oxide, wie z. B. Magnesium-Oxid, Aluminiumoxid, Mullit, Titanoxid beeinflusst werden.
Die Erfindung lässt sich auf alle keramischen Materialien anwenden, die für das Fertigungsverfahren in Frage kommen, insbesondere Aluminiumoxid, Mullit, Aluminiumtitanat, Cordierit, Siliciumcarbid, etc. Wichtig ist dabei, dass Materialien verwendet werden, die im Bauteil selbst enthalten sind. So sollte bspw. ein Betonbauteil eine Vergussmasse aus Beton verwenden, ein Cordierit-Bauteil eine solche aus Cordierit, etc.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2006/005668 [0002, 0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines keramischen Filterelements in einem Abgasfilter für Brennkraftmaschinen, bei dem ein brennbares, nicht-keramisches Filtermedium mit einem keramischen Schlicker getränkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Schlicker in seiner Zusammensetzung dem mit dem keramischen Schlicker getränkten Filtermedium entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Schlicker das Material enthält, aus dem das brennbare, nicht-keramische Filtermedium besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das brennbare, nicht-keramische Filtermedium aus organischem Material, beispielsweise Cellulose, besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium aus synthetischem Material besteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als keramisches Material im Schlicker Aluminiumoxid, Aluminiumtitanat, Cordierit, Mullit oder Siliziumcarbid verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des keramischen Schlickers über die Massenaufnahme des zu tränkenden Mediums an Keramikmaterial ermittelt wird.
Keramischer Schlicker zur Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung eines keramischen Filterelements in einem Abgasfilter für Brennkraftmaschinen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Schlicker in seiner Zusammensetzung dem mit dem keramischen Schlicker getränkten Filtermedium entspricht.
Keramischer Schlicker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material im Schlicker ausgewählt ist aus Aluminiumoxid, Aluminiumtitanat, Cordierit, Mullit und Siliziumcarbid.