DE102009012172B4

DE102009012172B4 - Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur

Info

Publication number: DE102009012172B4
Application number: DE102009012172.2A
Authority: DE
Inventors: Yasushi Noguchi; Yukari Nakane
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2029-03-07
Also published as: JP2009242134A; CN101544508A; CN101544508B; US20090243166A1; DE102009012172A1; JP4574693B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur, die ein Volumen von 15 bis 30 Litern und eine Porosität von 55 bis 70% besitzt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Bilden von geknetetem Ton, indem Kordierit-Formgebungsrohstoffe, die durch Brennen zu Kordierit werden mit einer chemischen Zusammensetzung, die 42 bis 56 Massen-% Siliziumdioxid, 30 bis 45 Massen-% Aluminiumoxid und 12 bis 16 Massen-% Magnesiumoxid enthält, oder Aluminiumtitanat-Formgebungsrohstoffe, die durch Brennen zu Aluminiumtitanat werden mit einer chemischen Zusammensetzung, die die 53 bis 74 Massen-% Aluminiumoxid, 14 bis 33 Massen-% Titanoxid und 6 bis 20 Massen-% Siliziumdioxid enthält, mit Wasser und einem wasserabsorbierenden Harz mit einem Wasserabsorptionsverhältnis von 10 bis 20 gemischt und geknetet werden, wobei der geknetete Ton 3 bis 6 Massenteile des wasserabsorbierenden Harzes, bezogen auf 100 Massenteile der Kordierit-Formgebungsrohstoffe oder der Aluminiumtitanat-Formgebungsrohstoffe enthält und wobei das Wasserabsorptionsverhältnis das Verhältnis der Masse an absorbiertem gereinigtem Wasser zu der Masse an getrocknetem wasserabsorbierendem Harz ist, – Formen des gekneteten Tons zu einem Wabenartikel, – Trocknen des geformten Wabenartikels, – Brennen des getrockneten Wabenartikels zu der Wabenstruktur.

Description

Hintergrund der Erfindung und Feststellung zum Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur, wobei das Verfahren imstande ist, zu verhindern, dass bei der Herstellung einer großen Wabenstruktur infolge des Trocknens oder Brennens ein Schlitz erzeugt wird.
Um in einem Autoabgas enthaltenes NOx, CO, HC und dergleichen durch einen aufgebrachten Katalysator oder dergleichen zu adsorbieren und zu beseitigen, und weiter um partikelförmiges Material im Abgas einzufangen und zu entfernen, wird eine Wabenstruktur aus einer Oxidkeramik, wie Kordierit, mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet. Als eine solche Wabenstruktur wird allgemein eine Wabenstruktur mit Poren in den Trennwänden verwendet, um sie mit einem Katalysator oder dergleichen zu beladen und weiter, um partikelförmiges Material im Abgas einzufangen. Als Verfahren zur Bildung der Poren gibt es ein Verfahren, wo ein Porenbildner, der Partikel mit massivem Kern oder hohle Partikel aufweist, in den Formgebungsrohstoff gemischt wird, und wo der Porenbildner beim Brennen des geformten Artikels verbrannt wird, um Poren zu bilden. Zudem ist ein Verfahren offenbart, das als Porenbildner ein wasserabsorbierendes Harz verwendet (siehe z. B. die Schriften JP 2004/262747 A und WO 2005/063360 A1 ).
Da im Fall einer Verwendung der Partikel mit massivem Kern als Porenbildner die Partikel einen massiven Kern besitzen, zerbrechen die Partikel beim Mischen und Kneten des Formgebungsrohstoffs kaum, und man kann eine stabile Porosität erhalten. Jedoch gibt es Probleme mit dem Festsetzen der Partikel in der Extrusionsdüse, was einen Defekt hervorruft, wie Absplitterungen an Rippen, und eine Zunahme des Extrusionsdrucks, was eine Verformung der Extrusionsdüse hervorruft. Weiter gibt es ein Problem eines großen Maßes an Wärmeerzeugung beim Brennen der Partikel, was Mängel, wie einen Riss und einen inneren Fehler, hervorruft. Im Fall einer Verwendung von hohlen Partikeln als Porenbildner kann auf der anderen Seite eine Erzeugung der zuvor erwähnten Fehler wegen eines geringen Maßes an Wärmeerzeugung beim Brennen unterdrückt werden, da die Partikel hohl sind. Da jedoch die Partikel beim Mischen, Kneten oder Formen des Formgebungsrohstoffs leicht zerbrechen, kann eine stabile Porosität nicht sichergestellt werden, und es tritt ein Problem einer Verschlechterung der Filtereigenschaften auf. Als ein Verfahren, um Partikel am Zerbrechen zu hindern, gibt es ein Verfahren, wo die Härte des gekneteten Tons verringert wird. Jedoch gibt es ein Problem einer Verformung eines geformten Artikels.
Die oben beschriebene JP 2004/262747 A offenbart ein Verfahren, bei dem ein Formgebungsrohstoff, der ein als Porenbildner zugemischtes wasserabsorbierendes Harz enthält, einem Extrusionsformen unterzogen wird, um einen geformten Artikel zu erhalten, gefolgt von einem Brennen des geformten Artikels, um eine poröse Keramik zu erhalten. Da gemäß diesem Verfahren als Porenbildner ein wasserabsorbierendes Harz verwendet wird, wird ein Zerbrechen des Porenbildners infolge von Druck- oder Scherkräften bei einem Herstellungsprozess kaum vorkommen. Daher ist es nicht notwendig, die Härte des gekneteten Tons zu verringern, und eine Verformung eines geformten Artikels kann beim Herstellungsprozess unterdrückt werden. Da der Porenbildner nicht zerbricht, geht eine Porenbildungsfunktion nicht verloren. Daher kann die Porosität beständig gemacht werden. Jedoch gibt es im Fall einer Bildung einer Oxidkeramik-Wabenstruktur mit einem Volumen von 15 Litern oder mehr durch dieses Verfahren ein Problem, dass beim Trocknen oder Brennen ein Riss (Schlitz) in den Trennwänden hervorgerufen wird.
Die oben beschriebene WO2005/063360 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur durch Formen von geknetetem Ton, den man durch Mischen und Kneten eines keramischen Rohstoffs, eines wasserabsorbierenden Harzes und dergleichen erhält, zu einer Wabenstruktur, gefolgt von Trocknen und Brennen. Da gemäß diesem Verfahren die Plastizität des gekneteten Tons durch das wasserabsorbierende Harz verbessert werden kann, wodurch die Formbarkeit des gekneteten Tons verbessert wird, kann ein Fehler oder eine Verformung bei der Formgebung unterdrückt werden, und die Ausbeute kann verbessert werden. Jedoch gibt es in dem Fall einer Herstellung einer Oxidkeramik-Wabenstruktur mit einem Volumen von 15 Litern oder mehr ein Problem, dass auch bei diesem Verfahren beim Trocknen oder Brennen ein Riss (Schlitz) in den Trennwänden hervorgerufen wird.
Die EP 1 698 388 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur, die eine Porosität von 40% oder mehr aufweist, wobei ein wasserabsorbierendes Harz mit einem Wasserabsorptionsverhältnis von 2 bis 100 in einer Menge von 0,1 bis 20 Massenteilen mit einem Oxidkeramik-Formgebungsrohstoff gemischt wird. Das Volumen der so hergestellten Wabenstruktur ist nicht eingeschränkt. In dem offenbarten Beispiel wird eine Wabenstruktur mit einem Volumen von etwa 10,5 Litern angegeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf solche Probleme des Standes der Technik gemacht worden und ist durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Wabenstruktur gekennzeichnet, das bei der Herstellung einer großen Wabenstruktur imstande ist, zu verhindern, dass infolge des Trocknens oder Brennens ein Schlitz erzeugt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das folgende Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur vorgesehen.

[1] Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur, die ein Volumen von 15 bis 30 Litern und eine Porosität von 55 bis 70% besitzt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Bilden von geknetetem Ton, indem Kordierit-Formgebungsrohstoffe, die durch Brennen zu Kordierit werden mit einer chemischen Zusammensetzung, die 42 bis 56 Massen-% Siliziumdioxid, 30 bis 45 Massen-% Aluminiumoxid und 12 bis 16 Massen-% Magnesiumoxid enthält, oder Alumiumtitanat-Formgebungsrohstoffe, die durch Brennen zu Aluminiumtitanat werden mit einer chemischen Zusammensetzung, die die 53 bis 74 Massen-% Aluminiumoxid, 14 bis 33 Massen-% Titanoxid und 6 bis 20 Massen-% Siliziumdioxid enthält, mit Wasser und einem wasserabsorbierenden Harz mit einem Wasserabsorptionsverhältnis von 10 bis 20 gemischt und geknetet werden, wobei der geknetete Ton 3 bis 6 Massenteile des wasserabsorbierenden Harzes, bezogen auf 100 Massenteile der Kordierit-Formgebungsrohstoffe oder der Aluminiumtitanat-Formgebungsrohstoffe enthält und wobei das Wasserabsorptionsverhältnis der Masse an absorbiertem gereinigtem Wasser zu der Masse an getrocknetem wasserabsorbierendem Harz ist, – Formen des gekneteten Tons zu einem Wabenartikel, – Trocknen des geformten Wabenartikels, – Brennen des getrockneten Wabenartikels zu der Wabenstruktur.
[2] Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur nach [1], bei dem in dem Schritt des Formens des gekneteten Tons das wasserabsorbierende Harz nach dem Absorbieren von Wasser einen mittleren Partikeldurchmesser von 5 bis 40 μm aufweist.
[3] Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur nach [1] oder [2], bei dem in dem Schritt des Trocknens des geformten Wabenartikels der geformte Wabenartikel einer dielektrischen Trocknung unterzogen wird.
[4] Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur nach einem von [1] bis [3], bei dem in dem in dem Schritt des Formens des gekneteten Tons Kordierit-Formgebungsrohstoffe eingesetzt werden.

Da gemäß einem Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung das als Porenbildner im gekneteten Ton enthaltene wasserabsorbierende Harz ein Wasserabsorptionsverhältnis von 20 oder weniger aufweist, kann die Wasserrückhaltekraft des wasserabsorbierenden Harzes kontrolliert werden, für den Fall, dass die Kraft zu stark sein sollte. Dies ermöglicht es, eine Trocknungsungleichförmigkeit des getrockneten Wabenartikels zu unterdrücken und bei der Herstellung einer Wabenstruktur mit einem Volumen von 15 bis 30 Litern einen Schlitz in einer Trennwand zu unterdrücken.
Übrigens bedeutet das 'Volumen' ein Volumen, das durch die äußere Form einer Struktur einschließlich des Trennwandteils und der Gasströmungskanale der Wabenstruktur festgelegt wird. Da das wasserabsorbierende Harz das Wasserabsorptionsverhältnis von 10 oder mehr aufweist, kann zudem Wasser in ausreichender Menge absorbiert werden, um ein hohes Porenbildungsvermögen aufrechtzuerhalten. Daher kann die Menge des wasserabsorbierenden Harzes gering gehalten werden, und eine Wabenstruktur kann mit geringen Kosten hergestellt werden, ohne dass beim Verbrennen und Entfernen des wasserabsorbierenden Harzes zusätzliche Zeit verbraucht wird. Da der geknetete Ton in Bezug zu 100 Massenteilen eines Oxidkeramik-Formgebungsrohstoffs 3 bis 6 Massenteile eines wasserabsorbierenden Harzes enthält, kann man eine Wabenstruktur mit einer Porosität von 55 bis 70% erhalten.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Nachfolgend wird die beste Ausführungsform zum Ausführen der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung keinesfalls auf die nachfolgende Ausführungsform beschränkt, und es versteht sich, dass auf der Grundlage des üblichen Wissens eines Durchschnittsfachmanns in geeigneter Weise Veränderungen, Verbesserungen und dergleichen an der Gestaltung vorgenommen werden können, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung schließt die Schritte ein: Formen von geknetetem Ton, der in Bezug zu 100 Massenteilen eines Oxidkeramik-Formgebungsrohstoffs 3 bis 6 Massenteile eines wasserabsorbierenden Harzes mit einem Wasserabsorptionsverhältnis von 10 bis 20 enthält, zu einer Wabenform, um einen geformten Wabenartikel zu erhalten, Trocknen des geformten Wabenartikels, um einen getrockneten Wabenartikel zu erhalten, und Brennen des getrockneten Wabenartikels, um eine Wabenstruktur mit einem Volumen von 15 bis 30 Litern und einer Porosität von 55 bis 70% zu erhalten. Die Wabenstruktur ist hier eine zylindrische Struktur, die poröse Trennwände aufweist, welche eine Mehrzahl von Zellen trennen und bilden. Zudem wird der Gehalt des wasserabsorbierenden Harzes in dem gekneteten Ton durch die Masse des getrockneten wasserabsorbierenden Harzes ausgedrückt.
(Gekneteter Ton)
Als eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung wird erstens gekneteter Ton gebildet, indem ein Oxidkeramik-Formgebungsrohstoff, Wasser und ein wasserabsorbierendes Harz gemischt und geknetet werden. Dabei ist es von Vorzug, die Stoffe unter Hinzufügen von einem Bindemittel, einem oberflächenaktiven Stoff und dergleichen zu mischen und zu kneten. Der Oxidkeramik-Formgebungsrohstoff ist ein Rohstoff, der durch Brennen zu Oxidkeramik wird, und ist vorzugsweise ein Kordierit-Formgebungsrohstoff, ein Aluminiumtitanat-Formgebungsrohstoff oder dergleichen. Der Kordierit-Formgebungsrohstoff hat die Bedeutung eines Rohstoffs, der durch Brennen zu Kordierit wird, und ist ein keramischer Rohstoff, wo vorbestimmte Rohstoffe zusammengemischt werden, damit sich eine chemische Zusammensetzung ergibt, die 42 bis 56 Massen-% Siliziumdioxid (SiO₂), 30 bis 45 Massen-% Aluminiumoxid (Al₂O₃) und 12 bis 16 Massen-% Magnesiumoxid (MgO) enthält. Die 'vorbestimmten Rohstoffe', die gemischt werden sollen, schließen Talk, Kaolin, Tonerde-Ausgangsrohstoff, Siliziumdioxid und dergleichen ein. Übrigens hat der Tonerde-Ausgangsrohstoff die Bedeutung eines Rohstoffs, der durch Brennen zu einem Oxid wird und einen Teil von Kordierit bildet, wie Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid und Boehmit. Der Aluminiumtitanat-Formgebungsrohstoff hat die Bedeutung eines Rohstoffs, der durch Brennen zu Aluminiumtitanat wird, und ist ein keramischer Rohstoff, bei dem vorbestimmte Rohstoffe zusammengemischt werden, damit sich eine chemische Zusammensetzung ergibt, die 53 bis 74 Massen-% Aluminiumoxid (Al₂O₃), 14 bis 33 Massen-% Titanoxid (TiO₂) und 6 bis 20 Massen-% Siliziumdioxid (SiO₂) enthält.
Das zuvor erwähnte wasserabsorbierende Harz weist ein Wasserabsorptionsverhältnis von 10 bis 20, vorzugsweise 12 bis 20 und bevorzugter 15 bis 20 auf. Da das wasserabsorbierende Harz ein Wasserabsorptionsverhältnis von 20 oder weniger aufweist, kann die Wasserrückhaltekraft des wasserabsorbierenden Harzes kontrolliert werden, für den Fall, dass die Kraft zu stark sein sollte. Dies ermöglicht es, eine Trocknungsungleichförmigkeit des getrockneten Wabenartikels zu unterdrücken und bei der Herstellung einer Wabenstruktur mit einem Volumen von 15 bis 30 Litern einen Schlitz in einer Trennwand zu unterdrücken. Da das wasserabsorbierende Harz das Wasserabsorptionsverhältnis von 10 oder mehr aufweist, kann zudem Wasser ausreichend stark absorbiert werden, um ein hohes Porenbildungsvermögen aufrechtzuerhalten. Daher kann die Menge des wasserabsorbierenden Harzes gering gehalten werden, und eine Wabenstruktur kann mit geringen Kosten hergestellt werden, ohne dass man beim Verbrennen und Entfernen des wasserabsorbierenden Harzes zusätzliche Zeit verbraucht. Wenn das Wasserabsorptionsverhältnis unter 10 liegt, wird das Porenbildungsvermögen verschlechtert, weil die zu absorbierende Wassermenge gering ist. Da dies eine Zunahme der Additivmenge erfordert, wird die zum Verbrennen und Entfernen des wasserabsorbierenden Harzes benötigte Zeit lang, und die Kosten werden erhöht, weil die Additivmenge erhöht wird. In dem Fall, dass in Abhängigkeit vom Gebrauch eine hohe Porosität zählt, beträgt das Verhältnis wünschenswert 12 oder mehr, noch wünschenswerter 15 oder mehr. Wenn das Wasserabsorptionsverhältnis über 20 liegt, wird die Wasserrückhaltekraft des wasserabsorbierenden Harzes zu stark, und innerhalb des getrockneten Wabenartikels bleibt selbst nach dem Trocknen Wasser zurück, was im getrockneten Wabenartikel eine Trocknungsungleichförmigkeit verursacht, wodurch ein Schlitz in einer Trennwand hervorgerufen wird. Wenn im getrockneten Wabenartikel eine Trocknungsungleichförmigkeit hervorgerufen wird, wird im Inneren des getrockneten Artikels ein lokaler Schrumpfungsunterschied verursacht, und dadurch wird in einer Trennwand ein Schlitz hervorgerufen. Das 'Wasserabsorptionsverhältnis' bedeutet hier das Verhältnis (Mehrzahl) einer 'Masse an absorbiertem gereinigtem Wasser' zu einer 'Masse an getrocknetem wasserabsorbierendem Harz'. Wenn zum Beispiel die Menge des 'getrockneten wasserabsorbierenden Harzes' 1 Massenteil beträgt und die Menge des 'absorbierten gereinigten Wassers' 3 Massenteile beträgt, beträgt das Wasserabsorptionsverhältnis 3.
Das wasserabsorbierende Harz besitzt nach dem Absorbieren von Wasser einen mittleren Partikeldurchmesser von vorzugsweise 5 bis 40 μm, bevorzugter 10 bis 40 μm. Wenn der mittlere Partikeldurchmesser des wasserabsorbierenden Harzes nach dem Absorbieren von Wasser kleiner als 5 μm ist, nehmen in dem Fall einer Beladung mit einem Katalysator die verstopften Poren extrem zu, weil Poren der Wabenstruktur klein sind, und der Druckverlust kann vergrößert werden. Wenn der mittlere Partikeldurchmesser größer als 40 μm ist, nehmen Poren mit großen Durchmessern zu, und daher können sich der Rußeinfangwirkungsgrad und die Festigkeit der Wabenstruktur verschlechtern. Wenn der Partikeldurchmesser zu groß ist, kann leicht ein Schlitz in einer Trennwand hervorgerufen werden, und wenn ein Schlitz einer Extrusionsdüse eng ist, kann leicht eine Verstopfung hervorgerufen werden. Der mittlere Partikeldurchmesser des wasserabsorbierenden Harzes nach dem Absorbieren von Wasser beträgt vorzugsweise 40% oder weniger, bevorzugter 30% oder weniger, weiter vorzugsweise 25% oder weniger der Trennwanddicke der erhaltenen Wabenstruktur. Ein Einstellen des mittleren Partikeldurchmessers des wasserabsorbierenden Harzes nach dem Absorbieren von Wasser auf 40% oder weniger der Trennwanddicke der Wabenstruktur kann eine Erzeugung eines Schlitzes in einer Trennwand der Wabenstruktur wirkungsvoller unterdrücken und zur Sicherstellung der Festigkeit der Wabenstruktur beitragen. Wenn er oberhalb von 40% liegt, kann in einer Trennwand der Wabenstruktur leicht ein Schlitz hervorgerufen werden, und die Festigkeit kann unzureichend werden, da in Bezug zur Trennwanddicke grobe Poren leicht gebildet werden können, nachdem der geformte Wabenartikel gebrannt worden ist.
Wenn der mittlere Partikeldurchmesser des wasserabsorbierenden Harzes nach dem Absorbieren von Wasser in Bezug zu dem Schlitz der Extrusionsdüse groß wird, kann die Düse verstopfen, wie oben beschrieben. Da jedoch durch die Selbstumformung infolge einer elastischen Kraft, die es durch Absorbieren von Wasser im Vergleich mit den anderen Harzen zeigt, die Partikel durch den Schlitz oder ein Sieb zum Verhindern eines Zumischens von groben Partikeln hindurch treten, wird jedoch ein Verstopfen in der Extrusionsdüse in geringerem Umfang hervorgerufen. Da das Maß der Wärmeerzeugung beim Brennen gering ist, können zudem Fehler, wie eine Risserzeugung, vermindert werden. Da die Partikel selbst dann, wenn sie einer Scherbelastung unterworfen werden, nicht zerbrechen, können weiter ohne Beeinträchtigung des Porenbildungsvermögens Schwankungen der Porosität unterdrückt werden, und eine stabile Porosität kann sichergestellt werden.
Als wasserabsorbierendes Harz kann speziell ein wasserabsorbierendes Harz vom Stärketyp, Polyacrylsäuretyp, Polyvinylalkoholtyp, Zellulosetyp, synthetischen Polymertyp oder dergleichen verwendet werden. Da ein wasserabsorbierendes Harz vom Polyacryltyp ein hohes Wasserabsorptionsverhältnis aufweist, kann insbesondere Wasser in einem kurzen Zeitraum absorbiert werden, wodurch eine zeitabhängige Veränderung von Eigenschaften des gekneteten Tons nach dem Mischen und Kneten kaum hervorgerufen werden.
Der Gehalt des wasserabsorbierenden Harzes im gekneteten Ton beträgt vorzugsweise 3 bis 6 Massenteile in Bezug zu 100 Massenteilen eines Oxidkeramik-Formgebungsrohstoffs. Innerhalb eines solchen Bereichs ermöglicht es der Gehalt des wasserabsorbierenden Harzes im gekneteten Ton, eine Wabenstruktur mit einer Porosität von 55% oder mehr zu erhalten und die Formbarkeit des geformten Wabenartikels weiter zu verbessern. Wenn der Gehalt (Additivmenge) des wasserabsorbierenden Harzes in Bezug zu 100 Massenteilen der Gesamtmasse eines Oxidkeramik-Formgebungsrohstoffs unter 3 Massenteile beträgt, kann die Porosität der Wabenstruktur nicht 55% betragen, oder ist kleiner. Da die benötigte Wassermenge zunimmt, wenn der Gehalt oberhalb von 6 Massenteilen liegt, ist eine lange Trocknungszeit erforderlich, wodurch die Kosten ansteigen. Übrigens wird die Formbarkeit des geformten Wabenartikels verbessert, weil die Plastizität des gekneteten Tons erhöht wird, wenn das wasserabsorbierende Harz im gekneteten Ton enthalten ist. Das heißt, das Wasserrückhaltevermögen des gekneteten Tons wird vergrößert, was die Gleitfähigkeit beim Extrusionsformen verbessert.
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur der vorliegenden Ausführungsform schließen Beispiele des im gekneteten Ton enthaltenen Bindemittels Methylzellulose, Hydroxypropylmethylzellulose, Hydroxyethylzellulose, Carboxylmethylzellulose und Polyvinylalkohol ein. Diese können allein oder in Kombination von zwei oder mehr Arten verwendet werden.
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur der vorliegenden Ausführungsform kann der im gekneteten Ton enthaltene oberflächenaktive Stoff ein anionischer Typ, ein kationischer Typ, ein nicht-ionischer Typ oder ein gemischter anionischer und kationischer Typ sein. Beispiele des anionischen oberflächenaktiven Stoffs schließen Fettsäuresalz, Alkylsulfat, Polyoxyethylenalkylethersulfat, Polycarboxylat und Polyacrylat ein. Zudem schließen Beispiele des nicht-ionischen oberflächenaktiven Stoffs Polyoxyethylenalkylether, Polyoxyethylenglycerinfettsäureester und Polyoxyethylensorbitan(oder -sorbitol)fettsäureester ein. Der oberflächenaktive Stoff verbessert die Dispergierfähigkeit von Rohstoffpartikeln und macht eine Ausrichtung der Rohstoffpartikel beim Schritt des Extrusionsformens einfacher.
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur der vorliegenden Ausführungsform ist Wasser als Dispersionsmedium im gekneteten Ton enthalten. Der Wassergehalt im gekneteten Ton ist vorzugsweise derjenige Gehalt, wo der geknetete Ton beim Extrusionsformen eines geformten Wabenartikels eine geeignete Härte besitzt, und der Gehalt ist vorzugsweise derjenige Wert oder mehr an Massenteilen, den man erhalt, indem man die Menge des wasserabsorbierenden Harzes mit der Hälfte des Wasserabsorptionsverhältnisses multipliziert (zugemischte Menge an wasserabsorbierendem Harz mal die Hälfte des Wasserabsorptionsverhältnisses), in Bezug zu 100 Massenteilen des Oxidkeramik-Formgebungsrohstoffs, einschließlich Wasser im wasserabsorbierenden Harz.
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur der vorliegenden Ausführungsform gibt es keine besondere Einschränkung hinsichtlich eines Verfahrens zum Mischen des Kordierit-Formgebungsrohstoffs, des Bindemittels, des oberflächenaktiven Stoffs, Wasser, und des wasserabsorbierenden Harzes, und ein bekanntes Verfahren, zum Beispiel ein Vormischen, kann verwendet werden. Insbesondere kann das wasserabsorbierende Harz mit den anderen Rohstoffen gemischt werden, nachdem Wasser im Voraus absorbiert worden ist (Wasser kann bis zu einem vorbestimmten Maß oder bis zum Wasserabsorptionsverhältnis absorbiert werden), oder das wasserabsorbierende Harz kann im getrockneten Zustand mit den anderen Rohstoffen gemischt werden, um dann Wasser zu absorbieren. Das letztere Verfahren ist zweckmäßiger, weil der Prozess einfach ist. Es gibt keine spezielle Einschränkung hinsichtlich des Verfahrens zum Erhalten des gekneteten Tons durch Kneten des Gemischs, und es kann ein bekanntes Verfahren verwendet werden. Das Kneten kann zum Beispiel durch Verwendung eines Kneters oder eines Vakuumkneters durchgeführt werden.
(Formgebung)
Als nächstes wird der geknetete Ton zu einer Wabenform geformt, um einen geformten Wabenartikel zu erhalten. Es ist von Vorzug, den geformten Wabenartikel herzustellen, indem man den gekneteten Ton einem Extrusionsformen unter Verwendung einer Düse mit einer gewünschten Zellenform, Trennwanddicke, Zellendichte und dergleichen sowie einem Sieb mit einer Öffnung in Entsprechung mit der Düse unterzieht. Es ist von Vorzug, dass der Extrusionsdruck nicht merklich erhöht wird, um zu verhindern, dass die Extrusionsdüse verformt wird. Es ist von Vorzug, den geformten Wabenartikel in einer solchen Weise herzustellen, dass man, wenn der geformte Wabenartikel gebrannt wird, unter den später beschriebenen Bedingungen eine Wabenstruktur erhalten kann.
(Trocknung)
Als nächstes wird der oben erhaltene geformte Wabenartikel getrocknet, um einen getrockneten Wabenartikel zu erhalten. Hinsichtlich des Trocknungsverfahrens gibt es keine spezielle Einschränkung, und es kann ein bekanntes Verfahren, zum Beispiel Heißlufttrocknung, Mikrowellentrocknung, dielektrische Trocknung, Dekompressionstrocknung, Vakuumtrocknung und Gefriertrocknung, allein oder in Kombination verwendet werden. Von diesen ist die dielektrische Trocknung insofern von Vorzug, als der ganze geformte Artikel schnell und gleichförmig getrocknet werden kann.
(Kalzinierung)
Als nächstes ist es von Vorzug, dass der erhaltene getrocknete Wabenartikel vor dem Brennen kalziniert wird. Die 'Kalzinierung' hat die Bedeutung eines Vorgangs eines Verbrennens und Entfernens von organischem Material (Bindemittel, wasserabsorbierendes Harz, usw.) im getrockneten Wabenartikel. Da die Entzündungstemperaturen des Bindemittels (organisches Bindemittel) und des wasserabsorbierenden Harzes im Allgemeinen etwa 100 bis 300°C bzw. etwa 200 bis 800°C betragen, kann die Kalzinierungstemperatur auf etwa 200 bis 1000°C eingestellt werden. Obwohl die Kalzinierungszeit nicht speziell eingeschränkt ist, beträgt sie im Allgemeinen etwa 10 bis 100 Stunden.
(Brennen)
Als nächstes wird der getrocknete Wabenartikel gebrannt, um eine Wabenstruktur zu erhalten. Durch das Brennen wird der keramische Rohstoff im getrockneten Wabenartikel zur Verdichtung gesintert, und es kann eine vorbestimmte Festigkeit sichergestellt werden. Wenn der Oxidkeramik-Formgebungsrohstoff ein Kordierit-Formgebungsrohstoff ist, wird hinsichtlich der Brennbedingungen (Temperatur, Zeit) das Brennen vorzugsweise bei 1350 bis 1440°C über etwa 3 bis 20 Stunden durchgeführt. Wenn der Oxidkeramik-Formgebungsrohstoff ein Aluminiumtitanat-Formgebungsrohstoff ist, wird hinsichtlich der Brennbedingungen (Temperatur, Zeit) das Brennen vorzugsweise bei 1550 bis 1700°C über etwa 2 bis 15 Stunden durchgeführt. Unter dem Gesichtspunkt der Zeitausnutzung und Energieausnutzung ist es von Vorzug, die zuvor erwähnte Kalzinierung und das Brennen kontinuierlich durchzuführen.
Es ist noch mehr von Vorzug, dass die bei einem Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur der vorliegenden Ausführungsform hergestellte Wabenstruktur Trennwände aufweist, die eine Porosität von 55 bis 70% besitzen. Weil in diesem Bereich die Porosität der Trennwände der Wabenstruktur hoch ist, kann der Druckverlust, wenn ein zu behandelndes Fluid hindurch tritt, auf einem niedrigen Niveau gehalten werden, während die Festigkeit der Wabenstruktur auf einem hohen Niveau erhalten bleibt. Wenn die Porosität der Trennwände unterhalb von 55% liegt, ist dies nicht von Vorzug, weil der Druckverlust groß ist, wenn ein zu behandelndes Fluid hindurch tritt. Wenn die Porosität der Trennwände oberhalb von 70% liegt, ist dies nicht von Vorzug, weil die Festigkeit der Wabenstruktur gering ist. Übrigens wird die Porosität unter Verwendung der absoluten Dichtezahl der Oxidkeramik, wie Kordierit, berechnet, indem mit einem Quecksilber-Porosimeter das gesamte Porenfassungsvermögen gemessen wird. Die Porosität der Trennwände kann auf den zuvor erwähnten vorbestimmten Wert gesteuert werden, indem man hauptsächlich die Additivmenge des wasserabsorbierenden Harzes im gekneteten Ton auf 3 bis 6 Massenteile in Bezug zu 100 Massenteilen der Gesamtmasse eines Oxidkeramik-Formgebungsrohstoffs einstellt.
Das Volumen der bei einem Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur der vorliegenden Ausführungsform hergestellten Wabenstruktur beträgt vorzugsweise 30 Liter oder weniger, bevorzugter 15 bis 30 Liter. Da besonders dann leicht ein Schlitz in einer Trennwand hervorgerufen wird, wenn bei einer Wabenstruktur mit einem Volumen in einem solchen Bereich ein wasserabsorbierendes Harz als Porenbildner verwendet wird, ist es von Vorzug, ein Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur der vorliegenden Ausführungsform bei der Herstellung einer Wabenstruktur mit einer solchen Größe anzuwenden. Indem man in Beziehung zu dem zuvor erwähnten Wasserabsorptionsverhältnis 0 ≤ (Wasserabsorptionsverhältnis – 10)/Volumen ≤ 0,6 erfüllt, kann die Wirkung einer Verhinderung eines trockenen Schlitzes verbessert werden. Es ist noch mehr von Vorzug 0 ≤ (Wasserabsorptionsverhältnis – 10)/Volumen < 0,4 zu erfüllen. Die Form der Wabenstruktur ist nicht speziell eingeschränkt und es kann zum Beispiel die Form eines Zylinders, eines quadratischen Prismas, eines dreieckigen Prismas, eines anderen Prismas oder dergleichen verwendet werden.
Zudem gibt es keine spezielle Einschränkung hinsichtlich der Zellenform einer Wabenstruktur (Zellenform in einem Querschnitt senkrecht zu einer Richtung, in der sich die Mittelachse des Wabenfilters erstreckt (einer Richtung, in der sich die Zellen erstrecken)), und es kann zum Beispiel die Form eines Rechtecks, eines Sechsecks, eines Dreiecks oder dergleichen verwendet werden. Es ist nicht notwendig, in der Wabenstruktur eine einzige Zellenform zu verwenden, und es ist auch von Vorzug, eine Kombination von zum Beispiel rechteckigen Zellen und sechseckigen Zellen zu verwenden.
Die Wabenstruktur weist Trennwände auf, die einen mittleren Porendurchmesser von vorzugsweise 5 bis 40 μm, bevorzugter 10 bis 30 μm besitzen. Wenn die Anzahl von Poren mit kleinen Porendurchmessern zu hoch ist, wird die Anzahl der verstopften Poren beim Beladen mit einem Katalysator zu hoch, und daher kann der Druckverlust vergrößert werden. Wenn die Anzahl von Poren mit großen Porendurchmessern zu hoch ist, können der Rußeinfangwirkungsgrad und die Festigkeit der Wabenstruktur beeinträchtigt werden. Der mittlere Porendurchmesser ist ein Wert des mittleren Porendurchmessers auf der volumetrischen Basis durch ein Quecksilber-Porosimeter.
Obwohl es hinsichtlich der Zellendichte der erhaltenen Wabenstruktur keine spezielle Einschränkung gibt, beträgt diese vorzugsweise 20 bis 160 Zellen/cm², bevorzugter 40 bis 120 Zellen/cm².
Wenn die Wabenstruktur als Katalysatorträgersubstrat verwendet wird, kann die Wabenstruktur in geeigneter Weise verwendet werden, indem die Trennwände mit einem Katalysator beladen werden. Beispiele des aufzubringenden Katalysators schließen einen ternären Katalysator, einen Oxidationskatalysator, einen NOx-Einfangkatalysator und einen SCR-Katalysator ein. Wenn die Wabenstruktur als Rußeinfangfilter verwendet wird, ist es auf der anderen Seite auch von Vorzug, die Stirnflächen einem Verschließen zu unterziehen. Es ist von Vorzug, das Verschließen an den beiden Stirnflächen abwechselnd durchzuführen, in einer solchen Weise, dass die beiden Stirnflächen ein schachbrettartiges Muster aufweisen. Weiter können die Trennwände des Filters mit einem Katalysator beladen werden.
Beispiel
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung durch Beispiele spezieller beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung keinesfalls auf diese Beispiele beschränkt.
(Beispiel 1)
Als Kordierit-Formgebungsrohstoff (Cd) wurde eine Mischung verwendet, die 41 Massen-% Talk, 19 Massen-% Kaolin, 25 Massen-% Aluminiumoxid und 15 Massen-% Siliziumdioxid enthält. Zu 100 Massenteilen des Kordierit-Formgebungsrohstoffs wurden 62 Massenteile (Wasserverhältnis) Wasser als Dispersionsmedium und 4 Massenteile Methylzellulose als Bindemittel hinzugefügt, und ein wasserabsorbierendes Harz in einem trockenen Zustand wurde in einer solchen Weise hinzugefügt, dass das Verhältnis des wasserabsorbierenden Harzes zu 100 Massenteilen des gesamten Kordierit-Formgebungsrohstoffs 4 Massenteile beträgt. Sie wurden gemischt und geknetet, um gekneteten Ton bereitzustellen. Als wasserabsorbierendes Harz wurde ein Harz verwendet, das ein Wasserabsorptionsverhältnis von 10,5 und nach dem Absorbieren von Wasser einen mittleren Partikeldurchmesser von 32 μm besaß (mittlerer Partikeldurchmesser nach dem Absorbieren von Wasser). Das Mischen und Kneten wurde mit einem Sigma-Kneter durchgeführt, und das Kneten wurde weiter mit einem Vakuum-Kneter durchgeführt, um gekneteten Ton zu erhalten, der extrudiert wurde, um eine zylindrische Form (Unterseitendurchmesser von 300 mm) zu erhalten.
Der geknetete Ton wurde einem Extrusionsformen unter Verwendung eines Kolbenextruders unterzogen, um einen geformten Wabenartikel mit einer rechteckigen Zellenquerschnittsform und einer zylindrischen Gesamtform herzustellen.
Als nächstes wurde der geformte Wabenartikel durch dielektrische Trocknung getrocknet, um einen getrockneten Wabenartikel zu erhalten.
Dann wurde der getrocknete Wabenartikel gebrannt, um eine Wabenstruktur zu erhalten. Hinsichtlich der Brennbedingung lag die höchste Temperatur innerhalb des Bereichs von 1350 bis 1440°C.
Die Wabenstruktur hatte eine zylindrische Form (Volumen von 26,1 Litern (l)) mit einem Durchmesser von 330 mm und einer Länge (Höhe) in der axialen Richtung von 305 mm mit einer Trennwanddicke von 305 μm, eine Zellendichte von 47 Zellen/cm² (12 mil/300 cpsi) und eine Trennwandporosität von 55%. Die Porosität wurde aus dem gesamten Porenfassungsvermögen berechnet, das mittels eines von der Shimadzu Corporation produzierten automatischen Porosimeters, Micromeritics Autopore 9500 gemessen wurde. Dabei wurde die absolute Dichtezahl des Kordierits auf 2,52 eingestellt.
Durch das obige Verfahren wurden 14 Wabenstrukturen hergestellt. Ein 'Schlitz in einer Trennwand' bei jeder der Wabenstrukturen wurde durch das unten beschriebene Verfahren überprüft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
(Schlitz in Trennwand)
Die Trennwände wurden von den Stirnseiten jeder Wabenstruktur her visuell beobachtet, um eine Wabenstruktur, die 'keinen' Schlitz aufweist, als eine 'akzeptable' Wabenstruktur zu erkennen, wobei eine Wabenstruktur ohne einen Schlitz als 'nicht vorhanden' und eine Wabenstruktur mit einem Schlitz als 'vorhanden' bewertet wurde. Das Verhältnis der Anzahl der akzeptablen Wabenstrukturen zur Anzahl der hergestellten Wabenstrukturen wurde als 'Ausbeute' festgelegt. Tabelle 1 zeigt die 'Anzahl von akzeptablen' Wabenstrukturen und die 'Ausbeute' als Auswertungsergebnisse eines 'Schlitzes in einer Trennwand'.
(Beispiele 2 bis 8)
Die Wabenstrukturen wurden in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Additivmengen der wasserabsorbierenden Harze so waren, wie in Tabelle 1 dargestellt, indem wasserabsorbierende Harze verwendet wurden, welche die in Tabelle 1 dargestellten Wasserabsorptionsverhältnisse und mittleren Partikeldurchmesser nach dem Absorbieren von Wasser aufwiesen, dass die Porositäten und Größen der Wabenstrukturen so eingestellt wurden, wie in Tabelle 1 dargestellt, und dass die Anzahl der hergestellten Wabenstrukturen so war, wie in Tabelle 1 dargestellt.
Ein 'Schlitz in einer Trennwand' bei jeder der Wabenstrukturen wurde durch das oben beschriebene Verfahren überprüft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
(Beispiele 9 und 10)
Die Wabenstrukturen wurden in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass als Oxidkeramik-Formgebungsrohstoff Aluminiumtitanat-Formgebungsrohstoff (AT) verwendet wurde, dass die Additivmengen der wasserabsorbierenden Harze so waren, wie in Tabelle 1 dargestellt, indem wasserabsorbierende Harze verwendet wurden, welche die in Tabelle 1 dargestellten Wasserabsorptionsverhältnisse und mittleren Partikeldurchmesser nach dem Absorbieren von Wasser aufwiesen, dass die Porositäten der Wabenstrukturen so eingestellt wurden, wie in Tabelle 1 dargestellt, und dass die Anzahl der hergestellten Wabenstrukturen so war, wie in Tabelle 1 dargestellt.
Ein 'Schlitz in einer Trennwand' bei jeder der Wabenstrukturen wurde durch das oben beschriebene Verfahren überprüft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
(Vergleichsbeispiele 1 bis 3)
Die Wabenstrukturen wurden in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Additivmengen der wasserabsorbierenden Harze so waren, wie in Tabelle 1 dargestellt, indem wasserabsorbierende Harze verwendet wurden, welche die in Tabelle 1 dargestellten Wasserabsorptionsverhältnisse und mittleren Partikeldurchmesser nach dem Absorbieren von Wasser aufwiesen, dass die Porositäten der Wabenstrukturen so eingestellt wurden, wie in Tabelle 1 dargestellt, und dass die Anzahl der hergestellten Wabenstrukturen so war, wie in Tabelle 1 dargestellt.
Ein 'Schlitz in einer Trennwand' bei jeder der Wabenstrukturen wurde durch das oben beschriebene Verfahren überprüft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
(Referenzbeispiele 1 bis 6)
Die Wabenstrukturen wurden in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Additivmengen der wasserabsorbierenden Harze so waren, wie in Tabelle 1 dargestellt, indem wasserabsorbierende Harze verwendet wurden, welche die in Tabelle 1 dargestellten Wasserabsorptionsverhältnisse und mittleren Partikeldurchmesser nach dem Absorbieren von Wasser aufwiesen, dass die Porositäten der Wabenstrukturen so eingestellt wurden, wie in Tabelle 1 dargestellt, und dass die Anzahl der hergestellten Wabenstrukturen so war, wie in Tabelle 1 dargestellt.
Ein 'Schlitz in einer Trennwand' bei jeder der Wabenstrukturen wurde durch das oben beschriebene Verfahren überprüft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Aus Tabelle 1 sieht man, dass durch Verfahren zur Herstellung von Wabenstrukturen der Beispiele 1 bis 10 große Wabenstrukturen mit hoher Ausbeute hergestellt werden können, die jeweils eine hohe Porosität besitzen. Demgegenüber wird deutlich, dass durch die Verfahren zur Herstellung von Wabenstrukturen aus den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 bei sämtlichen der erhaltenen Wabenstrukturen ein Schlitz hervorgerufen wurde, was zu geringen Ausbeuten führte, weil die wasserabsorbierenden Harze hohe Wasserabsorptionsverhältnisse besitzen. Es wird auch deutlich, dass bei dem Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur im Referenzbeispiel 1 eine Wabenstruktur mit einer hohen Porosität nicht erhalten werden kann, wenn das wasserabsorbierende Harz ein geringes Wasserabsorptionsverhältnis aufweist. Es wird deutlich, dass bei dem Verfahren zur Herstellung von Wabenstrukturen der Referenzbeispiele 2 bis 4 Porositäten der Wabenstrukturen gering sind, weil die Additivmengen der wasserabsorbierenden Harze klein sind und man daher eine Wabenstruktur mit hoher Porosität nicht erhalten kann. Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur des Referenzbeispiels 5 wird deutlich, dass die Porosität hoch ist, weil die Additivmenge des wasserabsorbierenden Harzes groß ist. Übrigens wird deutlich, dass, wie im Referenzbeispiel 6 dargestellt, in dem Fall, dass eine herzustellende Wabenstruktur so klein ist, wie 11,7 l, selbst dann kein Schlitz hervorgerufen wird, wenn das wasserabsorbierende Harz ein zu hohes Wasserabsorptionsverhältnis besitzt.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung kann zur Herstellung einer Wabenstruktur verwendet werden, die zum Adsorbieren und Reinigen von in Autoabgas enthaltenem NOx, CO, HC und dergleichen durch Beladung mit einem Katalysator oder dergleichen und zum Einfangen und Entfernen von partikelförmigem Material im Abgas genutzt werden kann.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur, die ein Volumen von 15 bis 30 Litern und eine Porosität von 55 bis 70% besitzt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Bilden von geknetetem Ton, indem Kordierit-Formgebungsrohstoffe, die durch Brennen zu Kordierit werden mit einer chemischen Zusammensetzung, die 42 bis 56 Massen-% Siliziumdioxid, 30 bis 45 Massen-% Aluminiumoxid und 12 bis 16 Massen-% Magnesiumoxid enthält, oder Aluminiumtitanat-Formgebungsrohstoffe, die durch Brennen zu Aluminiumtitanat werden mit einer chemischen Zusammensetzung, die die 53 bis 74 Massen-% Aluminiumoxid, 14 bis 33 Massen-% Titanoxid und 6 bis 20 Massen-% Siliziumdioxid enthält, mit Wasser und einem wasserabsorbierenden Harz mit einem Wasserabsorptionsverhältnis von 10 bis 20 gemischt und geknetet werden, wobei der geknetete Ton 3 bis 6 Massenteile des wasserabsorbierenden Harzes, bezogen auf 100 Massenteile der Kordierit-Formgebungsrohstoffe oder der Aluminiumtitanat-Formgebungsrohstoffe enthält und wobei das Wasserabsorptionsverhältnis das Verhältnis der Masse an absorbiertem gereinigtem Wasser zu der Masse an getrocknetem wasserabsorbierendem Harz ist, – Formen des gekneteten Tons zu einem Wabenartikel, – Trocknen des geformten Wabenartikels, – Brennen des getrockneten Wabenartikels zu der Wabenstruktur.
Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur nach Anspruch 1, bei dem in dem Schritt des Formens des gekneteten Tons das wasserabsorbierende Harz nach dem Absorbieren von Wasser einen mittleren Partikeldurchmesser von 5 bis 40 μm aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in dem Schritt des Trocknens des geformten Wabenartikels der geformte Wabenartikel einer dielektrischen Trocknung unterzogen wird.
Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in dem Schritt des Formens des gekneteten Tons Kordierit-Formgebungsrohstoffe eingesetzt werden.