DE112012003075T5

DE112012003075T5 - Verfahren zur Herstellung von zementierten und behäuteten nadelförmigen Mulltiwabenstrukturen

Info

Publication number: DE112012003075T5
Application number: DE112012003075.3T
Authority: DE
Inventors: Ashish Kotish; Paul C. Vosejpka; Jun Cai
Original assignee: Dow Global Technologies LLC
Current assignee: Dow Global Technologies LLC
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2014-07-31
Also published as: KR20140048210A; CN103702960A; JP2014521578A; JP6031103B2; CN103702960B; US20140127412A1; WO2013015932A1; US8999448B2; KR101931401B1

Abstract

Es werden organische Polymerteilchen in einer Zementzusammensetzung bereitgestellt, die zum Aufbringen einer Haut auf eine Keramikwabe oder zum Bondieren der Keramikwabe an eine andere Wabe oder ein anderes Material verwendet wird. Das Vorliegen der organischen Polymerteilchen reduziert das Eindringen der Zementzusammensetzung durch die porösen Wände der Wabe. Auf diese Weise ist ein geringeres Blockieren der Wabenzellen zu sehen und die Reduktion der Wärmeschockleistung, die oft zu sehen ist, wenn Zementzusammensetzungen auf Keramikwaben aufgebracht werden, ist reduziert.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/510,811, die am 22. Juli 2011 eingereicht worden ist.
Diese Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung keramischer Wabenstrukturen.
Wabenstrukturen, die dünnwandige, offene Zellen aufweisen, finden bei Filter- und Katalysatorträgeranwendungen weitverbreitete Anwendung. Sie werden häufig zum Behandeln von Verbrennungsgasen durch Herausfiltern von teilchenförmigen Substanzen (wie beispielsweise Rußteilchen) und/oder Aerosoltröpfchen oder als Träger für katalytische Materialien verwendet, die die Umwandlung gewisser Komponenten des Abgases (wie beispielsweise NO_x-Verbindungen) zu harmlosen Verbindungen (wie beispielsweise N₂ und H₂O) katalysieren. Diese Wabenstrukturen werden oft als „Wandfluss”-Vorrichtungen bezeichnet, weil die Zellwände porös sind und Gase durch die Wände bei Verwendung der Strukturen hindurchgehen. Die Fluide werden filtriert und/oder kontaktieren das aktive Katalysatormaterial, während sie durch die poröse Wand/die porösen Wände hindurchgehen.
Zum Behandeln von Verbrennungsgasen verwendete Waben werden wegen der hohen Temperaturen, denen die Wabe während ihrer Verwendung ausgesetzt ist, aus einem Keramikmaterial hergestellt.
Keramikwaben werden durch ein Extrusionsverfahren hergestellt. Eine extrudierbare Mischung von Vorläufermaterialien, einer Flüssigkeit (typischerweise Wasser), gewöhnlich einem Porenbildner und einem oder mehreren Bindemitteln wird durch ein Extruderwerkzeug extrudiert, um einen grünen Körper zu bilden, der die erwünschte Wabenstruktur aufweist. Der grüne Körper wird dann in einem oder mehreren Schritten unter Bildung der Keramikwabe gebrannt.
Zemente werden oft auf die Wabe hauptsächlich aus zwei Gründen aufgebracht. Erstens wird eine Keramik-„Haut” gewöhnlich auf die Peripherie der Wabenstruktur aufgebracht. Diese verhindert, dass Gase aus den Seiten der Wabe entweichen. Die „Haut” wird durch Brennen eines zementartigen Materials, das ein anorganisches Bindemittel und gewöhnlich einige Keramikfasern umfasst, hergestellt. Zweitens werden in einigen Fällen zwei oder mehrere kleinere Waben unter Bildung einer größeren Wabenstruktur zusammenzementiert. Dies gestattet es, größere Waben aus kleineren Segmenten, die einfacher herzustellen sind, zu konstruieren. Ein anderer Vorteil davon besteht darin, dass segmentierte Waben, die auf diese Weise hergestellt werden, oft gegen Wärmeschocke resistenter sind als monolithische Waben. Die Zementzusammensetzungen, wie die „Haut”-Zusammensetzungen, umfassen ein anorganisches Bindemittel und werden unter Bildung des Zements gebrannt.
Während des Haut- oder Zementanwendungsvorgangs wandern die Bindemittel aufgrund von Kapillarwirkung durch die Poren der Wabenstruktur und permeieren in die anliegenden Zellen. Wenn die zementähnliche Zusammensetzung gebrannt wird, blockieren Bindemittel, die auf diese Weise gewandert sind, diese Zellen teilweise oder vollständig. Dies verursacht mehrere Probleme. Es erfolgt ein starker Druckabfall über die blockierten oder teilweise blockierten Zellen und die Wabenstruktur als ganzes hindurch. Daher ist ein größerer Aufwand erforderlich, um Gase durch das Filter zu drücken. Im Zusammenhang mit einem Verbrennungsmotor führt dies zu einem Verlust an Treibstoffeffizienz.
Blockierte oder teilweise blockierte Zellen können auch die thermische Robustheit des Filters auf mehrere Arten und Weisen reduzieren. Das Blockieren reduziert die Gasströmung durch die betroffenen Zellen, die örtlich höhere oder niedrigere Temperaturen und stärkere Temperaturgradienten durch das Filter hindurch erzeugen können. Aufgefangene Ruß- oder andere Teilchen werden aufgrund der blockierten oder teilweise blockierten Zellen ungleichförmig durch das Filter hindurch verteilt. Außerdem wird der Elastizitätsmodul des Wabensubstrats örtlich aufgrund des Vorliegens von anorganischem Bindemittel, das aus dem Zement hineinwandert, lokal höher. Dies kann zu einer reduzierten Materialwärmeschockleistung in lokalisierten Teilen des Filters führen. Alle diese Faktoren können mechanisches und/oder thermisches Versagen unterstützen.
Die blockierten oder teilweise blockierten Zellen reduzieren auch die Regenerationseffizienz, weil es schwieriger ist, die notwendige Regenerationstemperaturen in den blockierten oder teilweise blockierten Zellen zu entwickeln.
Daher ist es wünschenswert, eine wirtschaftliche und effiziente Weise zum Reduzieren des Wanderns dieser Bindemittel in die Zellen der Wabenstruktur zu finden.
Eine Art und Weise, dies zu erreichen, besteht darin, eine physikalische Barriere zu integrieren, die den Durchgang der Bindemittel durch die Poren der Wabenwände blockiert. Bei diesem Ansatz wird eine polymere Beschichtung auf die Oberfläche der Wabenstruktur, auf die der Zement aufgebracht werden soll, aufgebracht. Der Zement wird dann über die polymere Beschichtung aufgebracht und die Beschichtung wird während oder vor dem Brennen des Zements abgebrannt. Dieser Ansatz ist effizient, erfordert jedoch das Durchführen mehrerer zusätzlicher Prozessschritte (Aufbringen und Trocknen der polymeren Beschichtung) und erhöht so die Produktionskosten. Ein weniger teurer, jedoch wirksamer Ansatz zum Verhindern des Wanderns des Bindemittels ist erwünscht.
Diese Erfindung umfasst ein Verfahren zum Aufbringen einer zementartigen Schicht auf eine poröse Keramikwabenstruktur, umfassend die Schritte des (a) Aufbringens einer Zementzusammensetzung auf mindestens eine poröse Oberfläche einer Keramikwabe, die mehrere sich axial erstreckende Zellen enthält, die durch sich überschneidende poröse Wände definiert werden und (b) Brennens der Wabe und Zementzusammensetzung, wobei die Zementzusammensetzung mindestens ein anorganisches Bindemittel, mindestens einen anorganischen Füllstoff, ein Trägerfluid und organische Polymerteilchen enthält, die eine Teilchengröße von etwa 10 Nanometern bis 100 Mikron aufweisen und in dem Trägerfluid dispergiert sind.
Es hat sich gezeigt, dass das Vorliegen einer geringen Menge an organischen Polymerteilchen in der Zementzusammensetzung das Wandern der anorganischen Bindemittel durch die Poren der Wabenwände sehr wirksam reduziert. Dadurch erfolgt eine geringere Zellblockierung und die Probleme, die mit dieser Blockierung verbunden sind, werden gemildert. Dieses Ergebnis ist ziemlich überraschend, weil, im Gegensatz zu früheren Verfahren, keine Polymerschicht auf die Wabe aufgebracht und getrocknet wird, bevor die Zementzusammensetzung aufgebracht wird. Stattdessen reicht das Vorliegen der Polymerteilchen in der Zementzusammensetzung zum Reduzieren der Bindemittelwanderung aus. Die reduzierte Bindemittelwanderung führt zu einer geringeren Zellblockierung, was wiederum zu geringeren Druckabfällen durch die Filter hindurch führt und geringere Temperaturgradienten innerhalb der Wabe, während sie verwendet und/oder regeneriert wird, erzeugt. Weil die Bindemittelwanderung reduziert ist, erfolgt kaum eine oder keine Erhöhung des Elastizitätsmoduls des zugrunde liegenden Wabensubstratmoduls und die Wärmeschockresistenz der Wabe wird nicht signifikant beeinträchtigt.
Die Keramikwabe ist dadurch gekennzeichnet, dass sie multiple Zellen aufweist, die sich axial über die Länge des Wabenkörpers erstrecken. Die Zellen werden durch multiple, sich überschneidende Wände definiert, die sich ebenfalls axial über die Länge der Wabe erstrecken. Die Wände und die Schnittpunkte definieren die Anzahl von Zellen sowie ihre Querschnittsgestalt und Dimensionen. Eine typische Wabe für viele Filtrier- oder Katalyseanwendungen enthält 25 bis 1000 Zellen/Quadratzoll (etwa 4 bis 150 Zellen/Quadratzentimeter) Querschnittsbereich (d. h. querliegend zur Längsausdehnung der Zellen). Die Wanddicken betragen typischerweise 0,05 bis 10 mm, bevorzugt 0,2 bis 1 mm, obwohl stärkere oder geringere Wanddicken verwendet werden können.
Die Wände der Keramikwabe sind porös. Die Porosität der Wände kann nur 5 Volumen-% oder bis zu etwa 90 Volumen-% betragen. Eine bevorzugte Porosität beträgt mindestens 25 Volumen-%, eine bevorzugtere Porosität beträgt mindestens 40 Volumen-% und eine noch bevorzugtere Porosität beträgt mindestens 50 Volumen-%. Die Porosität kann durch verschiedene Tauch- oder Quecksilberporosimetrieverfahren gemessen werden. Der volumendurchschnittliche Porendurchmesser der Wandporen beträgt mindestens 5 Mikron und insbesondere mindestens 10 Mikron, bis zu 50 Mikron, bis zu 35 Mikron oder bis zu 25 Mikron. Der „Porendurchmesser” wird für die Zwecke dieser Erfindung als scheinbarer volumendurchschnittlicher Porendurchmesser, wie durch Quecksilberporosimetrie gemessen (bei der zylindrische Poren angenommen werden), ausgedrückt.
Die Keramikwabe kann monolithisch (d. h. als ein Stück gebildet) oder ein Zusammenbau kleinerer Waben sein, die einzeln hergestellt und dann gewöhnlich unter Anwendung eines Keramikzements zusammengebaut werden. Der Keramikzement ist bei einem derartigen Zusammenbau bei einigen Ausführungsformen eine gebrannte Zementzusammensetzung, wie hier beschrieben.
Die Keramikwabe kann aus einem anorganischen Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Siliciumoxynitrid, Siliciumcarbonitrid, Mullit, Cordierit, Beta-Spodumen, Aluminiumtitanat, einem Strontiumaluminiumsilicat oder einem Lithiumaluminiumsilicat hergestellt werden. In bevorzugten Ausführungsformen ist mindestens ein Teil der Keramikwabe ein nadelförmiger Mullit. In einigen Ausführungsformen enthält eine nadelförmige Mullitwabe mindestens 0,5 Gewichtsprozent restliches Fluor, das nach der Zersetzung eines Fluortopas unter Bildung der nadelförmigen Mullitnadelstruktur zurückbleibt.
Die Zementzusammensetzung enthält mindestens ein anorganisches Bindemittel, mindestens einen anorganischen Füllstoff, ein Trägerfluid und organische Polymerteilchen, die eine Größe von etwa 10 Nanometern bis 100 Mikron aufweisen und in dem Trägerfluid dispergiert sind.
Geeignete anorganische Bindemittel sind Materialien, die eine glasartige Bindemittelphase bilden, wenn die Zementzusammensetzung gebrannt wird. Kolloidales Siliciumdioxid, kolloidales Aluminiumoxid oder Mischungen von kolloidalem Siliciumdioxid und kolloidalem Aluminiumoxid befinden sich unter den geeigneten Bindemitteln.
Das anorganische Bindemittel kann 10 bis 70%, bevorzugt 15 bis 50% und noch bevorzugter 20 bis 40% des Gewichts des Feststoffanteils der Zementzusammensetzung ausmachen. Die „Feststoffe” in der Zusammensetzung sind diejenigen anorganischen Materialien, die verbleiben, nachdem der Brennschritt abgeschlossen ist.
Die anorganischen Füllstoffteilchen sind Materialien, die keine Bindungsphase bilden, wenn die Zementzusammensetzung gebrannt wird, und unterscheiden sich so von der anorganischen Bindemittelkomponente der Zementzusammensetzung. Die anorganischen Füllstoffteilchen behalten stattdessen ihre teilchenförmige Natur während des Brennprozesses bei, obwohl sie durch die Bindungsphase an andere Teilchen oder an die anorganischen Fasern gebunden werden können.
Die Füllstoffteilchen können amorph, teilweise kristallin oder vollständig kristallin sein. Die anorganischen Füllstoffteilchen können eine kristalline Phase enthalten, die von Glas umgeben ist. Die Füllstoffteilchen können einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der demjenigen der Keramikwabe ziemlich genau entspricht. Die Füllstoffteilchen können beispielsweise einen durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der sich von demjenigen der Keramikwabe um nicht mehr als 2 ppm/°C, bevorzugt nicht mehr als 1 ppm/°C über den Temperaturbereich von 200°C bis 600°C unterscheidet. In einigen Ausführungsformen können die Füllstoffteilchen aus demselben Material wie die Keramikwabe bestehen.
Geeignete anorganische Füllstoffteilchen umfassen Aluminat-, Silicat- oder Aluminosilicatmaterialien, die auch andere Elemente wie beispielsweise Seltenerden, Zirconium, Eisen, Bor und Erdalkali enthalten können. Beispiele von Aluminat-, Silicat oder Aluminosilicatmaterialien, die als anorganische Füllstoffteilchen verwendet werden können, sind Aluminiumoxid, Borsilicatglas, Quarz, E-Glas, S-Glas, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Mullit, Cordierit, Aluminiumoxidsilicate, Aluminiumoxid-Zirconiumoxid-Silicate, Strontiumaluminiumsilicate, Lithiumaluminiumsilicate, Wollastonit, Basalt und Aluminiumtitanat.
Andere geeignete anorganische Füllstoffteilchen umfassen Zirconiumdioxid, Siliciumcarbid, Titancarbid, Aluminiumcarbid, Borcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Siliciumoxynitrid, Siliciumcarbonitrid, Cordierit, Beta-Spodumen und dergleichen.
Die anorganischen Füllstoffteilchen können mindestens teilweise in Form von Fasern vorliegen, die einen Durchmesser von 100 Nanometern bis 20 Mikron und ein Seitenverhältnis (längste Dimension durch die kürzeste Dimension geteilt) von mindestens 10, bevorzugt mindestens 20 aufweisen. Ein bevorzugter Faserdurchmesser beträgt 0,5 bis 10 Mikron. Ein bevorzugterer Faserdurchmesser beträgt 3 bis 10 Mikron. Die zahlendurchschnittliche Länge derartiger anorganischer Fasern kann im Bereich von 100 Mikron bis 130 Millimeter oder mehr liegen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung weisen im Wesentlichen alle der Fasern eine Länge von weniger als 1 mm auf. In anderen Ausführungsformen weisen die Fasern eine bimodale oder multimodale Längenverteilung auf, wobei ein Teil der Fasern kürzere Fasern, die eine zahlendurchschnittliche Länge von 100 bis 1000 Mikron aufweisen, und mindestens ein anderer Teil der Fasern längere Fasern sind, die eine zahlendurchschnittliche Länge von mindestens 1 Millimeter, bevorzugt 1 bis 100 Millimeter, noch bevorzugter 2 bis 100 Millimeter und sogar noch bevorzugter 5 bis 30 Millimeter aufweisen. In derartigen Ausführungsformen bilden die längeren Fasern bevorzugt 1 bis 50, noch bevorzugter 3 bis 30 und selbst noch bevorzugter 5 bis 25 Prozent des Gesamtgewichts der anorganischen Fasern.
Beispiele nützlicher anorganischer Fasern umfassen Mullitfasern, wie sie beispielsweise von Unifrax erhältlich sind; Aluminiumoxid-Zirconium-Silicatfasern, wie sie beispielsweise von Unifrax erhältlich sind; Aluminiumoxidfasern, die bis zu 10 Gew.-% Siliciumdioxid enthalten, wie sie beispielsweise von Saffil erhältlich sind; γ-Aluminiumoxid- und α-Aluminiumoxid- + Mullitfasern, wie beispielsweise Nextel 312- oder Nextel 610-Fasern von 3M; γ-Aluminiumoxid- + Mullit- + amorphes SiO₂-Fasern wie beispielsweise Nextel 440-Fasern von 3M; γ-Aluminiumoxid- + amorphes SiO₂-Fasern, wie beispielsweise Nextel 550-Fasern von 3M; Quarzfasern, wie sie von Saint Gobain erhältlich sind; E-Glas- oder S-Glas-Fasern; Borsilicatfasern, wie sie von Mo-SiC Corporation erhältlich sind; Basaltfasern, wie sie von Albarrie erhältlich sind; Wollastonitfasern, wie sie von Fibertec erhältlich sind; und dergleichen.
Die anorganischen Füllstoffteilchen können stattdessen oder zusätzlich Teilchen umfassen, die ein Seitenverhältnis von weniger als 10, bevorzugt weniger als 2 aufweisen. Diese anorganischen Füllstoffteilchen unterscheiden sich von der anorganischen Bindemittelkomponente der Zementzusammensetzung und umfassen diese nicht.
Eine Mischung anorganischer Fasern und anorganischer Füllstoffsteilchen von geringem Seitenverhältnis kann vorliegen.
Die anorganischen Füllstoffteilchen in dem Zuschlag können etwa 30 bis 90 Gew.-% der Feststoffe in dem Zement ausmachen. Eine bevorzugte Menge beträgt 50 bis 85 Gew.-% der Feststoffe und eine noch bevorzugtere Menge beträgt 60 bis 80 Gew.-% der Feststoffe. Wie oben erwähnt sind die „Feststoffe” in der Zusammensetzung diejenigen anorganischen Materialien, die verbleiben, nachdem der Brennschritt abgeschlossen ist. In den meisten Fällen bestehen die Feststoffe aus den anorganischen Füllstoffteilchen und dem anorganischen Bindemittel. Trägerfluide und organische Materialien (einschließlich der organischen Polymerteilchen) gehen im Allgemeinen aus dem Zement während des Brennschritts/der Brennschritte verloren. Die „Feststoffe” umfassen daher keine Mengen dieser Materialien.
Die Zementzusammensetzung umfasst auch eine Trägerflüssigkeit. Die Mischung von Trägerfluid und anorganischem Bindemittel bildet eine Paste oder ein viskoses Fluid, in dem die anorganischen Füllstoffteilchen und die organischen Polymerteilchen dispergiert sind. Die fluide oder halbfluide Natur der Zementzusammensetzung gestattet es, dass sie leicht aufzutragen ist und gut an der darunterliegenden Wabe haftet, bis der Brennschritt abgeschlossen ist. Die Trägerflüssigkeit kann beispielsweise Wasser oder eine organische Flüssigkeit sein, in der das/die organische(n) Bindemittel, anorganischen Füllstoffteilchen und organischen Polymerteilchen dispergierbar sind. Geeignete organische Flüssigkeiten umfassen Alkohole, Glykole, Ketone, Ether, Aldehyde, Ester, Carbonsäuren, Carbonsäurechloride, Amide, Amine, Nitrile, Nitroverbindungen, Sulfide, Sulfoxide, Sulfone und dergleichen. Kohlenwasserstoffe, einschließlich aliphatische, ungesättigte aliphatische (einschließlich Alkene und Alkyne) und/oder aromatische Kohlenwasserstoffe sind nützliche Träger. Bevorzugt ist das Trägerfluid ein Alkohol, Wasser oder eine Kombination davon. Wenn ein Alkohol verwendet wird, besteht er bevorzugt aus Methanol, Propanol, Ethanol oder Kombinationen davon. Wasser ist das bevorzugteste Trägerfluid.
Die Zementzusammensetzung enthält ausreichend Trägerfluid, um die Bindemittelteilchen zu benetzen und eine Paste oder ein viskoses Fluid herzustellen, in dem die anorganischen Füllstoffteilchen und die organischen Polymerteilchen dispergiert sind. Eine nützliche Brookfield-Viskosität, wie bei 25°C unter Anwendung einer #6-Spindel bei 5 UpM gemessen, beträgt typischerweise mindestens etwa 5, 10, 25, 50, 75 oder sogar 100 Pa·s. Die Zementzusammensetzung kann ein strukturviskoses Verhalten aufweisen, derart, dass ihre Viskosität bei hoher Schergeschwindigkeit geringer wird. Die Gesamtmenge an Trägerfluid in der Zementzusammensetzung (einschließlich irgendwelchen Trägerfluids, das mit den Bindemitteln und/oder den organischen Polymerteilchen eingebracht werden kann) beträgt im Allgemeinen etwa 25 Gew.-% bis höchstens etwa 90 Gew.-% der gesamten Zusammensetzung. Eine bevorzugte Menge an Trägerfluid beträgt 40 bis 70 Gew.-% der gesamten Zusammensetzung.
Die organischen Polymerteilchen können etwa 0,5 bis etwa 85, bevorzugt etwa 1 bis etwa 10 und noch bevorzugt 1 bis 5 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Zementzusammensetzung bilden. Die organischen Polymerteilchen weisen geeigneterweise eine Teilchengröße von mindestens 10 Nanometern, bevorzugt mindestens 25 Nanometern auf. Die organischen Polymerteilchen sind bevorzugt nicht größer als etwa 100 Mikron und noch bevorzugter nicht größer als etwa 10 Mikron. Eine besonders bevorzugte Teilchengröße beträgt etwa 25 bis 250 Nanometer.
Die organischen Polymerteilchen können aus irgendeinem organischen Polymer bestehen, das in dem Trägerfluid dispergierbar, jedoch darin nicht löslich ist. Das Polymer kann unvernetzt, vernetzt oder verzweigt sein. Beispiele geeigneter Polymere umfassen beispielsweise Polymere und Copolymere von Acryl- und/oder Methacrylestern; Polymere von Hydroxyalkylacrylaten und/oder -methacrylaten, Polymere und Copolymere von Acrylamid; Polymer und Copolymere von n-Methyloylacrylamiden; Polymere und Copolymere von vinylaromatischen Monomeren wie Styrol, Alpha-Methylstyrol, Ethylstyrol, Dimethylstyrol, tert.-Butylstyrol, Vinylnaphthalin, Methoxystyrol, Cyanostyrol, Acetylstyrol, Monochlorstyrol, Dichlorstyrol, andere Halostyrole und dergleichen; Polymere und Copolymere von Acrylnitrilen; Polymere und Copolymere von Vinylacetat; verschiedene Polyolefine einschließlich die verschiedenen Polyethylene (wie beispielsweise Polyethylen niedriger Dichte (LDPE), lineare Polyethylene niedriger Dichte (LLDPE), Polyethylene hoher Dichte (HDPE); im Wesentlichen lineare Polyethylene, Polypropylen, Polybutylen, Ethylen-Propylen-Copolymere, Copolymere von Ethylen und höherem Alpha-Olefin, Terpolymere von Ethylen, Propylen und konjugiertem Dien und dergleichen; Polymere und Copolymere von Butadien; Styrol-Butadien-Copolymere; Polyurethane; Polyurethanharnstoffe; Polymere und Copolymere von Vinylchlorid und/oder Vinylidenchlorid; Polymere und Copolymere von ungesättigter Carbonsäure wie beispielsweise Acrylsäure, Methacrylsäure, Itaconsäure und Fumarsäure und dergleichen.
Die organischen Polymerteilchen werden passenderweise in Form eines Latex, d. h. einer Dispersion in einer flüssigen Phase, bereitgestellt. In einem derartigen Fall bildet die flüssige Phase typischerweise das gesamte oder einen Teil des Trägerfluids der Zementzusammensetzung. Die organischen Polymerteilchen können das Produkt eines Emulsionspolymerisationsvorgangs sein. Alternativ können die organischen Polymerteilchen durch ein Schmelzdispersionsverfahren oder durch Dispergieren von Pulverteilchen in einer flüssigen Phase hergestellt werden. Ein Latex enthält geeigneterweise etwa 5 bis 70, bevorzugt 30 bis 65 Gewichtsprozent dispergierte organische Polymerteilchen. Ein bevorzugter Latex weist einen pH-Wert von mindestens 7, noch bevorzugter mindestens 8 bis zu etwa 10, bevorzugter etwa 9,5 auf.
Beispiele geeigneter Latizes und Verfahren für ihre Herstellung sind in USP 3,404116 , 3,399,080 , 6,720,385 und 6,753,355 ; und in WO 01;055237 , WO 01/088007 , WO 08/077118 , WO07/078536 und WO 09/045731 beschrieben.
Der Zement kann andere nützliche Komponenten zusätzlich zu dem anorganischen Bindemittel, den anorganischen Füllstoffteilchen, organischen Polymerteilchen und Trägerfluid enthalten. Ein organisches Bindemittel oder ein organischer Weichmacher können der Zementzusammensetzung erwünschte rheologische Eigenschaften verleihen und liegt daher bevorzugt vor. Das Bindemittel liegt nicht in Form einzelner Teilchen vor und ist bevorzugt in der Trägerflüssigkeit gelöst. Beispiele geeigneter Bindemittel und organischer Weichmacher umfassen Celluloseether, wie beispielsweise Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Carboxylmethylcellulose und dergleichen; Polyethylenglykol, Fettsäuren, Fettsäureester und dergleichen.
Die anderen wahlweisen Komponenten umfassen Dispergiermittel, Endflockungsmittel, Flockungsmittel, Entschäumungsmittel, Gleitmittel und Konservierungsmittel, wie beispielsweise diejenigen, die in den Kapiteln 10–12 der Einführung in die Principles of Ceramic Processing (Prinzipien der Keramikverarbeitung), J. Reed, John Wiley and Sons, NY, 1988, beschrieben sind. Die Zementzusammensetzung kann auch einen oder mehrere Porenbildner enthalten. Porenbildner sind Materialien, die spezifisch zugegeben werden, um Hohlräume in der Haut zu bilden, nachdem sie zum Bilden der amorphen Phase erhitzt worden ist. Typischerweise bestehen diese aus teilchenförmigen Substanzen, die sich während eines Erhitzungs- oder Brennschritts zersetzen, verdampfen oder auf irgendeine Weise verflüchtigen, ohne zu schmelzen oder einen Film zu bilden, um einen Hohlraum zurückzulassen. Beispiele umfassen Mehl, Holzmehl, Kohlenstoffteilchen (amorphe oder graphitische), Nussschalenmehl oder Kombinationen davon.
Die Zementzusammensetzung kann durch einfaches Mischen der oben erwähnten Komponenten in irgendeiner passenden Reihenfolge hergestellt werden.
Die Zementzusammensetzung wird auf mindestens eine poröse Oberfläche der Wabe aufgebracht. Die Art und Weise des Aufbringens der Zementzusammensetzung ist nicht kritisch und irgendein geeignetes Verfahren, durch das die Zusammensetzung in der erwünschten Dicke aufgebracht werden kann, ist geeignet. Der Zement kann von Hand oder durch Anwendung verschiedener Arten mechanischer Vorrichtungen aufgebracht werden. Die Zementzusammensetzung kann unter Subatmosphärendrucken aufgebracht werden, um die Entfernung des Trägerfluids während des Aufbringprozesses zu erleichtern.
Wenn die Zementzusammensetzung zum Zusammenbauen multipler Teile (wie beispielsweise multipler Waben) zu einem größeren Zusammenbau verwendet wird, wird der Zement auf irgendeine passende Weise auf eine Oberfläche eines oder mehrerer der Teile, die zusammengebaut werden, aufgebracht und die Teile werden dann zusammengefügt, wobei die Zementzusammensetzung zwischen aneinander anliegenden Oberflächen der Teile eingebracht wird. Auf das Brennen hin bilden sich getrocknete Zementschichten zwischen den Teilen und befestigen sie aneinander.
Wenn die Zementzusammensetzung zum Bilden einer peripheren Haut auf der Wabe (oder einem die Wabe enthaltenden Zusammenbau) verwendet werden soll, wird die Zusammensetzung auf mindestens einen Teil der Peripherie der Wabe aufgebracht. Keramikwaben, wie sie typischerweise hergestellt werden, weisen eine äußere periphere „Haut” auf, die einfach die Außenzellwände der peripheren Zellen der Wabenstruktur sein können. Es wird im Allgemeinen bevorzugt, eine derartige Haut zu entfernen, bevor eine Ersatzhaut erfindungsgemäß aufgebracht wird. Mindestens die Außenwände der peripheren Zellen der Wabe werden entfernt. Noch typischer ist die Entfernung der „Haut” nur Teil eines allgemeineren Gestaltungsvorgangs, bei dem äußere Anteile der Keramikwabe entfernt werden, damit ihre Querschnittsgestalt und Dimensionen den notwendigen Spezifikationen entsprechen. Dieser Schritt des Entfernens peripherer Teile von der Keramikwabe legt das Innere der sich axial erstreckenden Zellen, die auf der Peripherie der Wabe verbleiben, nachdem der Entfernungsschritt abgeschlossen ist, bloß. Die Zementzusammensetzung wird dann auf mindestens einen Teil der frisch bloßgelegten Peripherie der Wabe aufgebracht.
Die Peripherie der Wabe ist gewöhnlich nicht glatt und in vielen Fällen ist ein gewisser Anteil der sich axial erstreckenden Zellen um die Peripherie der Wabe offen, bevor die Zementzusammensetzung unter Bildung einer Haut aufgebracht wird. Die Zementzusammensetzung wird typischerweise derart aufgebracht, dass sie diese offenen Zellen füllt und eine ziemlich glatte Außenfläche bildet. Daher wird die Dicke der Haut gewöhnlich variieren. An ihren dünnsten Stellen sollte die aufgebrachte Haut mindestens 1 mm dick sein und kann bis zu 25 mm dick sein.
Die Zementzusammensetzung wird gebrannt, nachdem sie auf die Wabe aufgebracht worden ist. Im Brennschritt werden das Trägerfluid, die organischen Polymerteilchen und irgendwelche anderen organischen Materialien (einschließlich irgendeines Porenbildners) aus dem Zement entfernt. Die anorganischen Bindemittel bilden eine Bindungsphase während des Brennschritts. Die Bindungsphase bindet die anorganischen Teilchen aneinander und die aufgebrachte Zementschicht an die darunterliegende Wabenstruktur.
Der Brennschritt wird bei einer Temperatur von mindestens 600°C durchgeführt und kann bei irgendeiner höheren Temperatur durchgeführt werden, unterhalb derer die Wabe sich erweicht oder abbaut. Die Brenntemperatur kann mindestens 800°C betragen. Eine Brenntemperatur von über 1500°C ist typischerweise nicht notwendig und eine Brenntemperatur von 1200°C oder weniger wird vorgezogen. Im Falle einer bevorzugten Brennweise werden die Wabe und die aufgebrachte Zementzusammensetzung mit einer Rate von nicht mehr als 20°C/Minute, bevorzugt nicht mehr als 10°C/Minute und noch bevorzugter nicht mehr als 5°C/Minute von der Umgebungstemperatur bis zur Brenntemperatur erhitzt. Die stufenweise Erhitzungsrate soll dazu beitragen, Wärmeschocks zu verhindern und auch Zeit zum Entfernen des Trägerfluids und irgendwelcher organischer Materialien (einschließlich der Polymerteilchen) bereitzustellen. Falls erwünscht, kann der Zusammenbau bei einer oder mehreren Zwischentemperaturen oder beim Maximum eine Zeitlang gehalten werden. Dies ist eventuell beispielsweise zum Entfernen des Trägerfluids, organischer Polymerteilchen, organischer Bindemittel und/oder von Porenbildnern in irgendeiner vorbestimmten Reihenfolge wünschenswert, um zu gestatten, dass irgendeine chemische Reaktion stattfindet, oder aus irgendeinem anderen Grund.
Ein Beispiel einer chemischen Reaktion, die während des Brennschritts erfolgen kann, besteht aus der Herstellung von Mullit aus Komponenten der Zementzusammensetzung. Die Bildung von Mullit erfordert das Vorliegen einer oder mehrerer Quellen von Silicium- und Aluminatatomen in der Zementzusammensetzung. Kolloidales Siliciumdioxid und kolloidales Aluminium sind natürlich Quellen von Silicium- bzw. Aluminiumatomen. Wenn kolloidales Siliciumdioxid als solches zur Bildung der Bindemittelphase verwendet wird, muss die Zementzusammensetzung irgendeine zusätzliche Quelle von Aluminiumatomen enthalten. Diese Quelle besteht typischerweise aus den anorganischen Füllstoffteilchen, die Siliciumatome zusätzlich zu den erforderlichen Aluminiumatomen enthalten können. Desgleichen muss, wenn kolloidales Aluminiumoxid als solches zur Bildung der Bindemittelphase verwendet wird, die Zementzusammensetzung irgendeine zusätzliche Quelle von Siliciumatomen enthalten, die wiederum typischerweise aus den anorganischen Füllstoffteilchen besteht. In diesem zweiten Fall kann der anorganische Füllstoff Aluminiumatome zusätzlich zu den erforderlichen Siliciumatomen enthalten. Diese Quellen von Silicium- und Aluminiumatomen können während des Brennschritts unter Bildung von Mullit reagieren. Diese Quellmaterialien können nadelförmigen Mullit bilden, wenn sie in Gegenwart einer Fluorquelle (typischerweise bei einer Temperatur von 600 bis 900°C) unter Bildung eines Fluortopas erhitzt und dann noch weiter auf eine Temperatur von mindestens 900°C, bevorzugt mindestens 1000°C und noch bevorzugter mindestens 1100°C erhitzt werden, um den Fluortopas zu zersetzen und den nadelförmigen Mullit zu bilden. Die Fluorquelle kann beispielsweise SiF₄, AlF₃, HF, Na₂SiF₆, NaF, NH₄F, ein fluoriertes Polymer, wie beispielsweise fluoriertes Polyethylen oder Polytetrafluorethen, oder sogar restliches Fluor, das in einer Wabe aus nadelförmigem Mullit enthalten ist, oder irgendeine Mischung von irgendwelchen zwei oder mehreren davon sein.
Alternativ oder zusätzlich kann der Brennschritt gleichzeitig mit einem anderen Hitzebehandlungsschritt, der zur Herstellung der darunterliegenden Filter- und/oder fertigen Teile erforderlich ist, durchgeführt werden. Waben aus nadelförmigem Mullit neigen beispielsweise dazu, etwas restliches Fluor zu enthalten. Die Menge an Fluor kann 0,5 bis etwa 3 Gewichtsprozent, auf das Gewicht des nadelförmigen Mullits bezogen, betragen. Bei herkömmlichen Verfahren wird das restliche Fluor durch Erhitzen der Wabe auf eine Temperatur von mindestens 1200°C, bevorzugt mindestens 1400°C, bevorzugt an der Luft oder in Gegenwart von Sauerstoff, entfernt. Der erfindungsgemäße Brennschritt kann gleichzeitig mit dem Entfernen von restlichem Fluor aus einer Wabe aus nadelförmigem Mullit durchgeführt werden.
Bevorzugt weist der gebrannte Zement einen Elastizitätsmodul auf, der wesentlich niedriger ist als derjenige der darunterliegenden Keramikwabe. Der Elastizitätsmodul des gebrannten Zements kann beispielsweise im Bereich von 3 bis 35% desjenigen des Keramikmaterials in der Wabe liegen. Man glaubt, dass dieser niedrige Modul dazu beiträgt, die thermomechanische Beanspruchung der Wabe während der Regenerierung zu reduzieren. Der Modul des gebrannten Zements kann durch Bilden von 8 mm × 4 mm × 40 mm großen Teststäben aus der Zementzusammensetzung, Brennen der Teststäbe und Messen des Moduls unter Anwendung eines GrindoSonic-Impulserregungsapparats der ASTM-Norm C 1259-98, Standardtestmethode bezüglich des dynamischen Youngschen Moduls, Schubmoduls und Poisson-Verhältnisses für hochentwickelte Keramiken durch Impulsanregungsvibration entsprechend beurteilt werden.
Durch Vorliegen der organischen Polymerteilchen in der Zementzusammensetzung während des Brennschritts wird das Eindringen des Zements in die Wände der darunterliegenden Wabenstruktur reduziert. Dies reduziert wiederum die Zellblockierung, was zu geringeren Druckabfällen durch die Filter und geringere Temperaturgradienten innerhalb der Wabe, während sie verwendet und/oder regeneriert wird, führt. Das Vorliegen der organischen Polymerteilchen in der Zementzusammensetzung hat sich auch dahingehend erwiesen, dass es die Verluste an Wärmeschockresistenz, die oft anzutreffen sind, wenn herkömmliche Zementzusammensetzungen auf eine Keramikwabe aufgebracht und gebrannt werden, reduziert.
Der Mechanismus, durch den die organischen Polymerteilchen diese Vorteile bieten, ist nicht ganz klar. Obwohl die Erfindung nicht auf irgendeine Theorie beschränkt ist, besteht eine Erklärung darin, dass die organischen Polymerteilchen die Poren in den Wänden der Wabenstruktur mechanisch blockieren, wodurch sie eine physikalische Barriere gegen das Eindringen des anorganischen Bindemittelteils der Zementzusammensetzung bereitstellen. Es ist auch möglich, dass die organischen Polymerteilchen sich an einen Teil oder die gesamten anorganischen Bindemittelteilchen eventuell aufgrund teilweise von Auswirkungen des pH-Werts binden, diese beschichten und/oder daran ansammeln, und ihre Mobilität und so ihre Fähigkeit, in die Poren der Keramikwabe einzudringen, hemmen. Die Zugabe der Polymerteilchen in Form eines Latex kann die Viskosität der Zementzusammensetzung erhöhen und so ihr Eindringen in die Poren der Wabenwände verzögern. Die organischen Polymerteilchen können während der Aufbring- und/oder Brennschritte sich koagulieren und/oder einen flüchtigen Film bilden, der wiederum das Strömen des Zements in die Poren vollständig oder teilweise blockiert. Trotz des Vorliegens der organischen Polymerteilchen behält die Zementzusammensetzung dennoch ihre Fähigkeit bei, eine starke Haftungsbindung an die Wabe zu bilden.
Eine erfindungsgemäß hergestellte Wabe kann als Teilchenfilter, insbesondere zum Entfernen von teilchenförmiger Substanz aus Abgasen aus (mobilen oder ortsfesten) Triebwerken verwendet werden. Eine spezifische Anwendung dieses Typs erfolgt als Rußfilter für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor.
Funktionelle Materialien können auf die Wabe vor oder nach Aufbringen und Brennen der Zementzusammensetzung unter Anwendung verschiedener Verfahren aufgebracht werden. Die funktionellen Materialien können organisch oder anorganisch sein. Anorganische funktionelle Materialien, insbesondere Metalle und Metalloxide, sind von Interesse, da viele derselben wünschenswerte katalytische Eigenschaften aufweisen, als Sorptionsmittel wirken oder irgendeine andere erforderliche Funktion ausführen. Ein Verfahren zum Einbringen eines Metalls oder Metalloxids in den Verbundstoffkörper erfolgt durch Imprägnieren der Wabe mit einer Lösung eines Salzes oder einer Säure des Metalls und daraufhin Erhitzen oder auf andere Weise Entfernen des Lösungsmittels und nötigenfalls Calcinieren oder auf andere Weise Zersetzen des Salzes oder der Säure, um das erwünschte Metall oder Metalloxid zu bilden.
So wird beispielsweise eine Aluminiumoxidbeschichtung oder eine Beschichtung aus einem anderen Metalloxid oft aufgebracht, um einen größeren Oberflächenbereich bereitzustellen, auf den ein katalytisches oder sorptionsfähiges Material abgesetzt werden kann. Aluminiumoxid kann durch Imprägnieren der Wabe mit kolloidalem Aluminiumoxid, gefolgt von Trocknen, typischerweise durch Hindurchführen eines Gases durch den imprägnierten Körper, abgesetzt werden. Diese Vorgehensweise kann wie erforderlich wiederholt werden, um eine erwünschte Menge an Aluminiumoxid abzusetzen. Andere Keramikbeschichtungen, wie beispielsweise Titandioxid, können auf analoge Weise aufgebracht werden.
Metalle, wie beispielsweise Barium, Platin, Palladium, Silber, Gold und dergleichen, können auf den Verbundstoffkörper durch Imprägnieren der Wabe (deren Innenwände bevorzugt mit Aluminiumoxid oder anderem Metalloxid beschichtet sind) mit einem löslichen Salz des Metalls, wie beispielsweise Platinnitrat, Goldchlorid, Rhodiumnitrat, Tetraaminpalladiumnitrat, Bariumformiat, gefolgt von Trocknen und bevorzugt Calcinieren, abgesetzt werden. Abgaskatalysatoren für Abgasströme aus Triebwerken, insbesondere für Fahrzeuge, können auf diese Weise aus der behäuteten Wabe hergestellt werden.
Geeignete Verfahren zum Absetzen verschiedener anorganischer Materialien auf eine Wabenstruktur sind beispielsweise in US 205/0113249 und WO2001045828 beschrieben. Diese Verfahren beziehen sich im Allgemeinen auf die erfindungsgemäße behäutete Wabe.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform können Aluminiumoxid und Platin, Aluminiumoxid und Barium oder Aluminiumoxid, Barium und Platin auf die Wabe in einem oder mehreren Schritten aus einem Filter aufgebracht werden, das gleichzeitig in der Lage ist, Teilchen wie beispielsweise Ruß, NO_x-Verbindungen, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe aus dem Abgas eines Triebwerks, wie beispielsweise aus Fahrzeugmotoren, zu entfernen.
Die folgenden Beispiele werden bereitgestellt, um die Erfindung zu veranschaulichen, sollen jedoch den Umfang davon nicht einschränken. Alle Teile und Prozentsätze beziehen sich auf das Gewicht, es sei denn, es wird etwas anderes angegeben.
Beispiel 1
Zement des Beispiels 1 wird wie folgt hergestellt: 39,9 Teile einer in einer Kugelmühle gemahlenen Aluminium-Zirconiumsilicatfaser (Fiberfrax Langstapelfeinfaser von Unifrax LLC, Niagara Falls, NY), 12,8 Teile kolloidales Aluminiumoxid (AL20SD, von Nyacol Nano technologies, Inc., Ashland, Maine), 38,5 Teile Wasser, 1,9 Teile Methylcellulose (Methocel A15LV, von The Dow Chemical Company erhältlich), 1,9 Teile Polyethylenglykol 400 (von Alfa Aesar, Ward Hill, Massachusetts) und 5,0 Teile Acryllatex von 45% Feststoffen geringer Teilchengröße (Neocar 850, von The Dow Chemical Company, pH-Wert etwa 8,5) werden unter Bildung einer gleichförmigen Mischung gemischt. Der Acryllatex stellt etwa 2,25 Gewichtsteile dispergierter, 70 nm großer Teilchen eines Acrylpolymers für die Mischung bereit.
Eine rote Nahrungsmittelfarbe wird einem Teil des Zements des Beispiels 1 zugegeben. Die gefärbte Mischung wird dann schichtförmig auf eine Keramikwabe aufgebracht. Die Wabe besteht aus einem nadelförmigen Mullit von 10 Zellen × 10 Zellen × drei Zoll (7,6 cm), der 200 Zellen pro Quadratzoll (31 Zellen/Quadratzentimeter) aufweist. Man lässt die aufgebrachte Zementschicht an der Luft trocknen und die Wabe wird dann aufgeschnitten, um das Ausmaß, in dem die Zementzusammensetzung in die Wabenstruktur diffundiert hat, zu untersuchen. Die rote Färbung aus dem Nahrungsmittelfarbstoff erstreckt sich in die Wabenstruktur über eine Entfernung, die etwa der halben Breite einer Zelle entspricht.
Der Druckabfall durch einen anderen, ähnlichen (jedoch unbeschichteten) Abschnitt der Wabe wird unter Anwendung eines 3051 Drucktransmitters (von Rosemount, Inc., Eden Prairie, MN, erhältlich) mit einer Strömungsrate von 100/min Luftströmungsrate gemessen. Ein Teil des Zements von Beispiel 1 wird dann schichtförmig auf die peripheren Flächen desselben Abschnitts der Wabe aufgebracht und die beschichtete Wabe wird bei 1100°C gebrannt. Der Druckabfall durch die beschichtete und gebrannte Wabe ist nur 7% höher als derjenige durch die unbeschichtete Wabe.
Beispiel 2 und Vergleichsprobe A
Zement des Beispiels 2 wird wie folgt hergestellt: 38,9 Teile einer in einer Kugelmühle gemahlenen Aluminium-Zirconiumsilicatfaser (Fiberfrax Langstapelfeinfaser von Unifrax LLC, Niagara Falls, NY), 12,5 Teile kolloidales Aluminiumoxid (AL20SD, von Nyacol Nano technologies, Inc., Ashland, Maine), 37,5 Teile Wasser, 1,8 Teile Methylcellulose (Methocel A15LV, von The Dow Chemical Company erhältlich), 1,8 Teile Polyethylenglykol 400 (von Alfa Aesar, Ward Hill, Massachusetts) und 7,5 Teile Acryllatex von 45 % Feststoffen geringer Teilchengröße (Neocar 850, von The Dow Chemical Company) werden unter Bildung einer gleichförmigen Mischung gemischt. Der Acryllatex stellt etwa 3,4 Gewichtsteile dispergierte 70 nm große Teilchen eines Acrylpolymers für die Mischung bereit.
Eine rote Nahrungsmittelfarbe wird der Mischung zugegeben. Die gefärbte Mischung wird dann schichtförmig auf eine Keramikwabe aufgebracht und wie in Beispiel 1 beschrieben an der Luft getrocknet. Die Wabe wird dann wie in Beispiel 1 beschrieben aufgeschnitten. Es liegt praktisch kein Eindringen der roten Färbung aus dem Nahrungsmittelfarbstoff in die Wabe vor.
Der Druckabfall durch einen anderen Wabenabschnitt wird wie in Beispiel 1 beschrieben gemessen. Der Abschnitt wird dann mit der Zementzusammensetzung beschichtet und wie in Beispiel 1 beschrieben gebrannt und der Druckabfall durch das beschichtete Filter wird wieder gemessen. Der Druckabfall durch die beschichtete Wabe ist nur 2% höher als derjenige durch die unbeschichtete Wabe.
Separat wird ein Teil des Zements aus Beispiel 2 zum Zementieren von neun 3 Zoll × 3 Zoll × 8 Zoll (7,6 cm × 7,6 cm × 22,9 cm) großen Wabensegmenten zu einem größeren viereckigen Zusammenbau, der einen neun Zoll (22,9 cm) großen, viereckigen Querschnitt auf einer Seite und eine Länge von acht Zoll (20,4 cm) aufweist, verwendet. Diese Wabensegmente bestehen aus nadelförmigem Mullit und weisen 200 Zellen pro Quadratzoll (31 Zellen/cm²) auf. Die zusammengebaute Wabe wird bei einer Temperatur von 1100°C gebrannt und nach dem Abkühlen auf die Raumtemperatur maschinell bearbeitet, um eine zylindrische Wabe eines Durchmessers von neun Zoll (22,9 cm) herzustellen. Mehr Zement aus Beispiel 2 wird auf die periphere Fläche der maschinell bearbeiteten Wabe aufgebracht, um eine Haut zu bilden. Diese Haut wird bei 1100°C gebrannt.
Die behäutete Wabenstruktur wird dann einem Wärmeprüfstandtest unterworfen, bei dem heiße Luft durch die Struktur hindurchgeführt wird, um eine thermomechanische Beanspruchung zu erzeugen. Die heiße Luft wird durch die Struktur mit einer Rate von 100 Standardkubikfuß/Minute (0,47 m³/Sekunde) hindurchgeblasen. Die Lufttemperatur wird mit einer Rate von 200°C/Minute erhöht, bis eine Lufttemperatur von 700°C erhalten wird. Implantierte Thermoelemente messen die Temperatur der Wabe an der peripheren Haut und in einem Kanal etwa 10 mm von der Haut entfernt, um den Temperaturgradienten zu beurteilen, der bei diesem Erhitzungsvorgang gebildet wird. Dieser Temperaturunterschied beträgt 64°C. Auf ähnliche Weise messen implantierte Thermoelemente die Temperaturen einer Schicht und in einem 10 mm von der Naht entfernten Kanal als weiteren Hinweis auf die Temperaturgradienten, die gebildet werden. Dieser Temperaturunterschied beträgt 68°C. Der Druckabfall durch diese Struktur beträgt 107 Pa.
Die Vergleichszementprobe A wird durch Mischen der folgenden Bestandteile hergestellt: 42,0 Teile einer in einer Kugelmühle gemahlenen Aluminium-Zirconiumsilicatfaser, 13,5 Teile kolloidales Aluminiumoxid, 40,5 Teile Wasser, 2,0 Teile Methylcellulose und 2,0 Teile Polyethylenglykol 400. Die Vergleichszementprobe A enthält keine Polymerteilchen.
Eine rote Nahrungsmittelfarbe wird einem Teil einer Vergleichszementprobe A zugegeben und die gefärbte Mischung wird dann schichtförmig auf eine Keramikwabe aufgebracht und wie vorher an der Luft getrocknet. Wenn die Wabe daraufhin aufgeschnitten wird, ist zu sehen, dass rote Färbung aus dem Nahrungsmittelfarbstoff in die Wabe über eine Entfernung eingedrungen ist, die größer als eine Zellbreite ist. Diese Ergebnisse, werden sie mit denjenigen des Zements aus Beispiel 2 verglichen, zeigen, dass das Vorliegen der organischen Polymerteilchen das Eindringen der Zementbindemittelmaterialien in die porösen Wände der Wabe wesentlich reduziert.
Ein anderes ähnliches Wabensegment wird mit einem anderen Anteil der Vergleichszementprobe A auf dieselbe Weise wie in den Beispielen 1 und 2 beschrieben beschichtet. Wie vorher, wird der Druckabfall im unbeschichteten Wabensegment und dem beschichteten Segment nach dem Brennen gemessen. Der Druckabfall durch die Wabe hindurch, die mit der Vergleichszementprobe A beschichtet worden ist, ist 13% höher als derjenige durch die unbeschichtete Wabe. Dieses Ergebnis, zusammen mit dem mit dem Zement von Beispiel 2 erhaltenen Ergebnis genommen, zeigt, dass das Vorliegen von organischen Polymerteilchen zu einer signifikanten Reduktion des Druckabfalls durch die Wabenstruktur hindurch führt.
Zusätzliche Teile der Vergleichszementprobe A werden zum Bilden einer segmentierten und behäuteten Wabenstruktur auf dieselbe Weise wie für den Zement der Probe 2 beschrieben verwendet. Die resultierende behäutete Wabenstruktur wird im oben beschriebenen Wärmeprüfstandtest beurteilt. Der Temperaturgradient zwischen der Haut und einem 10 mm von der Haut entfernten Kanal beträgt 87°C; und derjenige zwischen einer Schicht und einem 10 mm von der Schicht entfernten Kanal beträgt 139°C. Diese Temperaturgradienten sind viel höher als diejenigen, die zu sehen sind, wenn Zement der Probe 2 zum Bilden der Schichten und Haut verwendet wird. Es ist zu sehen, dass das Vorliegen des Latex im Zement der Probe 2 die Temperaturgradienten reduziert, die in der segmentierten und behäuteten Wabenstruktur gebildet werden. Der Druckabfall durch diese Struktur hindurch beträgt 116 Pa oder etwa 8% mehr als derjenige der Struktur, die unter Anwendung des Zements von Beispiel 2 als Schicht- und Hautmaterial hergestellt wird.
Beispiel 3 und Vergleichsprobe B
Zement des Beispiels 3 wird wie folgt hergestellt: 40,6 Teile einer in einer Kugelmühle gemahlenen Aluminium-Zirconiumsilicatfaser (Fiberfrax Langstapelfeinfaser von Unifrax LLC, Niagara Falls, NY), 13,0 Teile kolloidales Aluminiumoxid (Dispal 14N4-80, von Sasol North America, Inc., Houston, Texas), 39,1 Teile Wasser, 1,9 Teile Methylcellulose (Methocel A15LV, von The Dow Chemical Company erhältlich), 1,9 Teile Polyethylenglykol 400 (von Alfa Aesar, Ward Hill, Massachusetts) und 3,5 Teile Acryllatex von 45% Feststoffen geringer Teilchengröße (Neocar 850, von The Dow Chemical Company) werden unter Bildung einer gleichförmigen Mischung gemischt. Der Acryllatex stellt etwa 1,6 Gewichtsteile dispergierte, 70 nm große Teilchen eines Acrylpolymers für die Mischung bereit.
Eine rote Nahrungsmittelfarbe wird einem Teil des Zements von Beispiel 3 zugegeben. Die gefärbte Mischung wird dann schichtförmig auf eine Keramikwabe aufgebracht und wie in Beispiel 1 beschrieben an der Luft getrocknet. Die Wabe wird dann wie in Beispiel 1 beschrieben aufgeschrieben. Es liegt praktisch kein Eindringen der roten Färbung aus dem Nahrungsmittelfarbstoff in die Wabe vor.
Wenn ein anderes Segment derselben Wabe mit Zement des Beispiels 3 beschichtet und wie in Beispiel 1 beschrieben gebrannt wird, steigt der Druckabfall durch das Filter um nur 3% im Vergleich mit denjenigem der unbeschichteten Wabe an.
Die Vergleichszementprobe B wird wie folgt hergestellt: 42,0 Teile einer in einer Kugelmühle gemahlenen Aluminium-Zirconiumsilicatfaser (Fiberfrax Langstapelfeinfaser von Unifrax LLC, Niagara Falls, NY), 13,5 Teile kolloidales Aluminiumoxid (Dispal 14N4-80, von Sasol North America, Inc., Houston, Texas), 40,5 Teile Wasser, 2,0 Teile Methylcellulose (Methocel A15LV, von The Dow Chemical Company erhältlich) und 2,0 Teile Polyethylenglykol 400 (von Alfa Aesar, Ward Hill, Massachusetts) werden unter Bildung einer gleichförmigen Mischung gemischt. Wie vorher wird rote Nahrungsmittelfarbe einem Teil der Mischung zugegeben und die Mischung wird dann schichtförmig auf eine Keramikwabe aufgebracht und an der Luft getrocknet. Die rote Farbe dringt in die Wabe über eine Entfernung ein, die etwa der Breite einer Zelle entspricht, was wesentlich schlechter ist als dasjenige, als zu sehen ist, wenn Zement der Probe 3 zum Beschichten der Wabe verwendet wird.
Wenn ein anderes Segment derselben Wabe mit der Vergleichszementprobe B beschichtet und gebrannt wird, steigt der Druckabfall durch die Wabe um etwa 10 Prozent im Vergleich mit der unbeschichteten Wabe an.

Claims

Verfahren zum Aufbringen einer zementartigen Schicht auf eine poröse Keramikwabenstruktur, umfassend die Schritte des (a) Aufbringens einer Zementzusammensetzung auf mindestens eine poröse Oberfläche einer Keramikwabe, die mehrere sich axial erstreckende Zellen enthält, die durch sich überschneidende poröse Wände definiert werden und (b) Brennens der Wabe und Zementzusammensetzung, wobei die Zementzusammensetzung mindestens ein anorganisches Bindemittel, mindestens einen anorganischen Füllstoff, ein Trägerfluid und organische Polymerteilchen enthält, die eine Teilchengröße von etwa 10 Nanometern bis 100 Mikron aufweisen und in dem Trägerfluid dispergiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zementzusammensetzung 0,5 bis 85 Gew.-% der organischen Polymerteilchen enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Zementzusammensetzung 1 bis 5 Gew.-% der organischen Polymerteilchen enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die organischen Polymerteilchen in Form eines Latex bereitgestellt sind.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Latex das Produkt einer Emulsionspolymerisation ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Latex einen pH-Wert von mindestens 7 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Latex einen pH-Wert von 8 bis 9,5 aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die organischen Polymerteilchen eine Größe von mindestens 25 Nanometern aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die organischen Polymerteilchen eine Größe von 25 Mikron oder weniger aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die organischen Polymerteilchen eine Größe von 25 bis 250 Nanometern aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das anorganische Bindemittel kolloidales Siliciumdioxid, kolloidales Aluminiumoxid oder eine Mischung davon umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägerfluid Wasser, einen Alkohol oder eine Mischung davon umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zementschicht eine periphere Haut auf der Keramikwabe bildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zementschicht eine Keramikwabe an einer anderen Keramikwabe befestigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brennschritt bei einer Temperatur von 800°C bis 1500°C ausgeführt wird.