DE10323742A1

DE10323742A1 - Zellulose-Vorkörper

Info

Publication number: DE10323742A1
Application number: DE2003123742
Authority: DE
Inventors: Nicole Dipl.-Ing. Neumann; Karl-Heinz Dipl.-Ing. Thiemann
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2003-05-24
Filing date: 2003-05-24
Publication date: 2004-12-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vorkörper (20), der als Vorkörper für einen keramischen Katalysatorträger oder Partikelfilter aus SiC dient. Der Vorkörper (20) umfasst mindestens eine wellenförmige Zellulosematte, die zu einem Zylinder zusammengerollt ist. Die Wellentäler der Zellulosematte bilden Kanäle, wobei der Querschnitt der Kanäle in der Art minimiert wird, dass eine Dicke (S) der Zellulosematte zwischen 50 mum und 700 mum beträgt, eine Amplitude (A) der Welle zwischen 1 mm und 4 mm beträgt und eine Wellenlänge (lambda) der Welle zwischen 2 mm und 8 mm beträgt, wobei das Verhältnis zwischen der Amplitude (A) und der Wellenlänge (lambda), (A/lambda) 0,3 bis 0,7 beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zellulose-Vorkörper, der insbesondere als Vorkörper zur Herstellung eines Katalysatorträgers dient, nach Anspruch 1.

In der EP 798452 B1 wird ein Partikelfilter beschrieben, der in Form eines Wellblechs besteht, das zu einer annähernd zylindrischen Form zusammengerollt ist. Die Wellentäler des Wellblechs bilden Kanäle entlang der Zylinderachse, die jeweils am Ende verschlossen sind.

Die Wellblechstrukturen dieses Partikelfilters sind in Form von porösen Geweben aufgebaut, die in ihrer Mikrostruktur Fasern aufweisen, die entweder aus Metalllegierungen oder Keramiken bestehen.

Die Herstellung derartiger Wellblechstrukturen ist jedoch sehr aufwändig und somit teuer. Zudem ist deren Verarbeitung durch das spröde Verhalten der Ausgangsstoffe Grenzen gesetzt.

Zur optimale Wirkung des Katalysator ist es erforderlich, dass die mikroskopische Oberfläche der Trägerstruktur pro Volumeneinheit möglichst groß ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Wellenstruktur des Katalysators derart auszugestalten, dass die Oberfläche, mit der das Abgas in Berührung kommt, vergrößert wird.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Zellulose-Vorkörper nach Anspruch 1.

Der erfindungsgemäße Vorkörper nach Anspruch 1 ist im Wesentlichen aus mindestens einer Zellulosematte aufgebaut, die zumindest in eine Richtung den Querschnitt einer Welle (Wellenstruktur) aufweist. Die Zellulosematte ist zu einem Zylinder gerollt. Dabei bildet die Wellenstruktur entlang von Wellentäler Kanäle, die als Strömungskanäle für das zu reinigende Abgas dienen.

Unter Zellulose werden hierbei sämtliche zweckmäßige Pappierarten verstanden, die bezüglich ihrer Flexibilität dazu geeignet sind, in der entsprechenden Form dargestellt zu werden. Darunter fallen insbesondere Wellpappe und Filterpapiere.

Der Vorkörper wird in einem an sich bekannten Verfahren unter Luftausschluss zu einer Kohlenstoffstruktur karbonisiert, wobei die Mikrostruktur der Zellulose im Wesentlichen beibehalten wird.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Kohlenstoffstruktur einer, üblicherweise gasförmigen Siliziumquelle ausgesetzt, wobei der Kohlenstoff mit dem Silizium zu Siliziumkarbid (SiC) reagiert. Die Kohlenstoffstruktur wird somit zu einer selbsttragenden porösen SiC-Trägerstruktur für Katalysatoren oder Partikelfilter (im Folgenden zusammenfassend Katalysator genannt) umgewandelt.

Während der Karbonisierung und der Umwandlung zu SiC bleibt die Struktur des Vorkörpers nahezu erhalten. Es handelt sich demnach um ein sogenanntes „near-netshape-Verfahren".

Zur Maximierung der mikroskopischen Oberfläche wird erfindungsgemäß der Querschnitt und damit auch das Volumen der Ka näle in der Form minimiert, dass die Parameter Dicke der Zellulosematte S, Amplitude A und Wellenlänge λ folgende Wertebereiche annehmen:

Dicke S:	50 μm-700 μm
Amplitude A:	1 mm–4 mm
Wellenlänge λ:	2 mm–8 mm

Das Verhältnis zwischen der Amplitude und der Wellenlänge λ liegt erfindungsgemäß im Bereich:
A/λ = 0,3–0,7.

Durch die erfindungsgemäße Geometrie des Zellulose-Vorkörpers wird einerseits unter Berücksichtigungen der Verarbeitungseigenschaften des Zellulosematerials die mikroskopische Oberfläche maximiert, wobei der Querschnitt der Kanäle noch ausreichend groß bleibt, dass eine laminare Strömung des Abgases im Kanal gewährleistet ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform betragen die Parameter folgende Werte:

Dicke S:	100 μm–500 μm
Amplitude A:	2 mm–3 mm
Wellenlänge λ:	4 mm–6 mm

Dabei beträgt das Verhältnis
A/λ 0,4–0,6.

In einer Ausgestaltungsform der Erfindung sind mindestens zwei Zellulosematten übereinander gelegt. Dabei sind die Kanäle, der Zellulosematten, die entlang der Wellentäler verlaufen, so ausgerichtet, dass sie sich kreuzen.

Dies führt dazu, dass im Zellulose-Vorkörper, d. h., wenn die Zellulosematten zu einem Zylinder zusammengerollt sind, entweder an einer Mantelfläche des Zylinders beginnen oder an der Mantelfläche enden. Dies hat zur Folge, dass keiner der Kanäle von einer Deckfläche des Zylinders zur anderen durchgehend verläuft und somit der Abgasstrom stets mindestens einmal durch die eine Wand von einem Kanal zum anderen Kanal diffundieren muss.

Somit ist gewährleistet, dass der Abgasstrom ausreichend mit dem Katalysatormaterial, das auf der mikroskopischen Oberfläche des Katalysatorträgers abgeschieden ist, in Berührung kommt.

In Hinblick auf einen möglichst kurzen Bauraum des Katalysators ist es vorteilhaft, wenn ein Winkel α, den die Kanäle bezüglich einer Zylinderachse beschreiben, zwischen 20° und 75° beträgt. Je kleiner der Winkel α ist, desto eher laufen die Kanäle an der Zylindermantelfläche aus und desto kürze kann der Katalysator ausgestaltet sein.

Zur besseren Verarbeitung der Zellulosematten sind diese bevorzugt mit einem karbonisierbaren Bindemittel beschichte oder getränkt. Das Bindemittel kann beispielsweise ein Harz oder Leim sein.

Bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

1, zwei übereinander gelegte Zellulosematten mit gekreuzten Kanälen,

2, einen Vergrößerten Ausschnitt der Wellenstruktur und

3, einen Zellulose-Vorkörper in Zylinderform.

In 1 ist ein Gelege 2 von zwei Zellulosematten in Form von Wellpappematten 4, 4' dargestellt. Die Matten 4, 4' sind derart übereinandergelegt, dass Kanäle 6 und 6' winklig zueinander ausgerichtet sind. Die Kanäle 6 verlaufen entlange der Wellentäler 7. Dabei schließt ein Wellental 7 in Form eines Minimums an ein Wellental in Form eines Maximums an. Die Betrachtungsrichtung ist dabei unerheblich, da die Matten 4, 4' zu einem Zylinder gerollt werden.

Die Wellpappe 4, 4' ist im vorliegenden Beispiel zusammengesetzt aus eine ebene Papierdeckfläche 8 auf die eine wellenförmige Papierstruktur 10 aufgesetzt ist. Dieser Aufbau ist bezüglich der Stabilität der Wellpappenmatte zweckmäßig.

Bei ausreichender Steifigkeit der wellenförmigen Papierstruktur z. B. bei der Stabilisierung der Struktur durch ein karbonisierbares Bindemittel wie Harz, Leim oder Tapetenkleister kann gegebenenfalls auf die Papierdeckfläche verzichtet werden.

Das in 1 dargestellte Gelege 2 ist derart aufgebaut, dass sich die welleförmigen Papierstrukturen 10 gegenseitig zugewandt sind. Ebenso ist es möglich die Wellpappematten derart übereinander zu legen, dass abwechselnd eine Papierdeckfläche 8 und eine wellenförmige Papierstruktur folgt (ein derartiges Gelege ist hier nicht dargestellt).

Die Achse 12 in 1 stellt die Achse dar, entlang der das Gelege zu einer weitgehend zylindrischen Form aufgerollt wird. Die Achse 12 ist demnach parallel zu einer späteren Zylindermittelachse.

Die gestrichelte Linie 14 zeigt den Verlauf eines der Kanäle 6, der unter der Papierdeckfläche 8 nicht sichtbar ist. Die Linie 14 schneidet sich mit der Achse 12 im Winkel α. Der Winkel α beträgt üblicherweise zwischen 20° und 75°. Je größer der Winkel α ist, desto früher trifft der Kanal 6 (bzw. Linie 14) an den Seitenrand 16. Im aufgerollten Zustand des Geleges (vgl. 3) bedeutet dies, dass der Kanal 16 an der Mantelfläche 18 der Vorkörpers 20 endet. Diese Mantelfläche 18 ist aufgrund der außen liegenden Papierdeckfläche 8 geschlossen.

Die beiden folgenden Absätze beziehen sich auf die Wirkungsweise eines Katalysatorträgers, der durch ein erfindungsgemäße Zellulose-Vorprodukt hergestellt wurde. Da die Geometrie des Katalysatorträgers der des Zellulose-Vorkörpers entspricht, werden die entsprechenden Bezugszeichen analog angewendet.

Die Kanäle 6 sind demnach nicht durchgehend von einer Deckfläche 22 zu einer gegenüberliegenden (in 3 nicht sichtbaren) Deckfläche angeordnet. Dies führt dazu, dass Abgase, die zur Deckfläche 22 eintreten, mindestens einmal durch eine Wand des Katalysators in einen benachbarten Kanal 6 diffundieren müssen. Bei diesem Diffusionsvorgang steht das Abgas im direkten Kontakt mit dem Katalysatormaterial, das an der mikroskopischen Oberfläche des Katalysatorträgers abgeschieden ist.

Um eine möglichst häufige Berührung des Abgases mit dem Katalysator zu gewährleisten ist es erfindungsgemäß notwendig, das Kanalvolumen zu minimieren, wobei dennoch die Verarbeitbarkeit des Zellulosematerials einerseits und eine laminar Strömung des Abgase im Kanal 6 andererseits gewährleistet sein muss.

Diese, an sich entgegenwirkenden Anforderungen führen zu einem Kompromiss, der sich erfindungsgemäß in einer Wellenstruktur äußert, die die bereits beschriebenen Parameter aufweist.

An dieser Stelle seien zwei Beispiele für eine zweckmäßige Geometrie genannt, die verwendeten Parameter sind in 2 definiert:
Beispiel 1:
Die wellenförmige Papierstruktur aus Filterpapier weist eine Dicke S von 300 μm auf. Die Wellenlänge λ beträgt 4,5 mm bei einer Amplitude A von 2 mm. Hieraus ergibt sich ein Verhältnis A/λ von 0,44. Die wellenförmige Papierstruktur 10 wurde durch ein Phenolharz getränkt und stabilisiert. Das Phenolharz wird bei der Karbonisierung zu Kohlenstoff karbonisiert und während der Reaktion mit Silizium ebenfalls wie der Kohlenstoff der karbonisierten Papierstruktur zu SiC umgewandelt. Die vormalige Papierstruktur weist nach der SiC-Umwandlung eine Porosität von ca. 80% ??????? und eine spezifische Oberfläche von ???????? auf.
Beispiel 2:
Es wird eine Wellpappe gewählt, wobei die Wellenstruktur eine Dicke S von 600 μ aufweist. Das Verhältnis A/λ beträgt 0,65 bei einer Amplitude von 4 mm und einer Wellenlänge λ von 6,2 mm.

Claims

Vorkörper für einen keramischen Katalysatorträger oder Partikelfilter, wobei mindestens eine Matte (4, 4') mit einem Querschnitt, der mindestens in eine Richtung die Form einer Welle aufweist, zumindest annähernd zu einem Zylinder zusammengerollt ist und Wellentäler (7) der Matte (4, 4') Kanäle (6, 6') bilden, dadurch gekennzeichnet, • dass die Matte (4, 4') eine Zellulosematte ist, • dass ein Querschnitt der Kanäle (6, 6'), die durch die Welle gebildet werden, in der Art minimiert wird, • dass eine Dicke (S) der Zellulosematte (4, 4') zwischen 50 μm und 700 μm beträgt, • eine Amplitude (A) der Welle zwischen 1 mm und 4 mm beträgt, • eine Wellenlänge (λ) der Welle zwischen 2 mm und 8 mm beträgt, • wobei das Verhältnis zwischen der Amplitude (A) und der Wellenlänge (λ), (A/λ) 0,3 bis 0,7 beträgt.
Vorkörper nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (S) zwischen 100 μm und 500 μm beträgt, die Amplitude (A) zwischen 2 mm und 3 mm beträgt, die Wellenlänge (λ) zwischen 4 mm und 6 mm beträgt und das Verhältnis (A/λ) zwischen 0,4 und 0,6 beträgt.
Vorkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Lagen von Zellulosematten (4, 4') derart übereinander gelegt sind, dass ihre Kanäle (6, 6') gekreuzt angeordnet sind.
Vorkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gekreuzten Kanäle (6, 6') entlang einer Zylinderachse 12 einen Winkel (α) einschließen, der zwischen 20° und 75° beträgt.
Vorkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellulose-Vorkörper (20) durch ein karbonisierbares Bindemittel stabilisiert ist.