DE2210438C3 - Hochporöser und gasdurchlässiger keramischer Träger, insbesondere für Katalysatoren und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Hochporöser und gasdurchlässiger keramischer Träger, insbesondere für Katalysatoren und Verfahren zu seiner Herstellung

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DE2210438C3
DE2210438C3 DE2210438A DE2210438A DE2210438C3 DE 2210438 C3 DE2210438 C3 DE 2210438C3 DE 2210438 A DE2210438 A DE 2210438A DE 2210438 A DE2210438 A DE 2210438A DE 2210438 C3 DE2210438 C3 DE 2210438C3
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    • B01J37/0009Use of binding agents; Moulding; Pressing; Powdering; Granulating; Addition of materials ameliorating the mechanical properties of the product catalyst
    • B01J37/0018Addition of a binding agent or of material, later completely removed among others as result of heat treatment, leaching or washing,(e.g. forming of pores; protective layer, desintegrating by heat)
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
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    • F01N3/2828Ceramic multi-channel monoliths, e.g. honeycombs

Description

Um einen hochporösen und gasdurchlässigen keramischen Träger zu erhalten, ist die Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte bei seiner Herstellung von
ίο wesentlicher Bedeutung.
Es wurden bereits Verfahren zur Herstellung von Bauelementen mit hoher Gasdurchlässigkeit aus keramischen Materialien entwickelt. Gemäß der amerikanischen Patentschrift 31 37 602 werden Wabenkörper hergestellt, wobei von Grundeinheiten, beispielsweise von einem Rohr ausgegangen wird, welche zu den gewünschten Abmessungen gebündelt wurden, und das so zusammengesetzte Bauelement wurde mit oder ohne zusätzliche keramische Bindemittel gebrannt. Hiernach
ίο konnten keine einheitlichen freien Durchgangsquerschnitte erreicht werden, und es wurde auch nicht die Festigkeit eines homogenen Körpers erreicht. Gemäß einem Verfahren von John M.Nowak und Joseph C. Con ti in Development of Light-weight Ceramic Honeycomb Structures, Ceramic Bulletin 41, Nr. 5 (1962) wurde von faserförmigen keramischen Materialien ausgegangen, z. B. Zirkonoxid, Aluminiurnsilicat oder Kohlenstoff, die mit Kunstharz und Wasser zu einem Brei vermischt wurden, der dann nach den Methoden der Papierherstellung zu einer Bahn verarbeitet wurde. Die Formgebung erfolgte analog der Wellpappenformgebung. Der mit Wabenstruktur erhaltene Körper wurde nach dem Trocknen auf das gewünschte Maß zugeschnitten und gebrannt. Gemäß den in den DT-AS 11 87 535 und 10 97 344 beschriebenen Verfahren wird von einem Brei aus keramischem Pulver mit organischen Plastifizierungs- und Lösungsmitteln bzw. Bindemitteln ausgegangen, der auf eine Trägerbahn, beispielsweise eine organische Folie, aufgetragen, getrocknet, geriffelt und nach entsprechendem Zusammenfügen mehrerer Einheiten gebrannt wurde. Solche Verfahren sind äußerst aufwendig, und die hiermit hergestellten Wabenkörper besitzen nicht höchste Symmetrie.
In der DT-OS 14 42 587 ist ein Träger für Katalysatorstoffe in Form eines gebrannten keramischen Körpers mit von einer Körperoberfläche zu einer gegenüberliegenden Körperoberfläche durchgehenden, zueinander im wesentlichen parallelen Kanälen beschrieben, wobei der keramische Körper unter Bildung dieser Kanäle einstückig gepreßt wird, was dadurch erreicht wird, daß ein keramischer Massestrang bei Durchtritt durch Austrittsöffnungen in Einzelstränge unterteilt wird, die einzeln nach allen Seiten im wesentlichen senkrecht zur anfänglichen Massestrangvorschubrichtung unter Zerteilung in radial nach außen gerichtete Teilstränge gedrängt werden, welche unter Bildung von rohrförmigen Hohlräumen aufeinandertreffen und sich nach erneuter Umlenkung in die Massestrangvorschubrichtung zu den Wandungen der Hohlräume vereinigen. Es werden also einzelne Stränge hergestellt, die dann nachfolgend vereinigt werden. Nach diesem Verfahren hergestellte Träger sind insbesondere im Hinblick auf die Abmessungen
6S bcgren/t. Sie haben ferner auch noch nicht die vielfach erforderliche Oberflüchenaktivität.
Die nach den vorerwähnten herkömmlichen Verfahren hergestellten keramischen Bauteile sind vor allem
gegen Stoß und gegen schnellen Temperaturwechsel empfindlich. Außerdem zeigen sie eine erhöhte Wasserdampfempfindlichkeit. Daher sind die bekannten Verfahren zur Herstellung von Trägern ungeeignet, bei denen insbesondere hohe Gasdurchlässigkeit und hohe S Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit des Materials verlangt werden, wie dies beispielsweise bei Trägern von Katalysatoren, wie sie vorzugsweise für die Gaserzeugung, beispielsweise für Verbrennungskraftmaschinen, aber auch zur Abgasreinigung, der Fall ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung hochporöser, gasdurchlässiger keramischer Träger mit zusätzlichen durchgehenden Kanälen aus temperaturbeständigen Oxiden und/oder Silicaten ist dadurch gekennzeichnet, daß unplastische Oxide und/oder Silicate vermischt werden mit bestimmten anorganischen und organischen herausbrennbaren Stoffen, die eine krümelige plastische Verarbeitungsmasse erzeugen und nach dem Pressen durch Verbrennen unter Gasbildung und Bildung von offenen und geschlossenen Poren entfernt werden können. Mit der gesiebten preßfähigen Masse mit einer Korngröße bis zu 2 mm Durchmesser wird ein Preßwerkzeug gefüllt und zu einem Block vorgepreßt. In den vorverdichteten Block werden die Stifte zur Erzeugung der durchgehenden Kanäle gesenkt, und nach völligem Durchtreten der Stifte wird der volle Preßdruck von ca. 15 N/mm2 ausgeübt. Es können also in dem gleichen Werkzeug der Vorpreßling und die Bohrungen hergestellt werden. Der aus dem Preßwerkzeug entnommene Formkörper wird _>o getrocknet und gebrannt.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein nach diesem Verfahren hergestelltes Bauteil, insbesondere ein Träger für Katalysatoren. Es kann auch zunächst eine Platte ohne Bohrung als Rohling hergestellt werden, die in der Presse durch Einstoßen der Nadeln mit den Bohrungen versehen wird.
Die Steckstifte können runde oder polygonale Form haben. Auf einer Fläche von 1 cm2 können z. B. 40 — 60 Stifte von 0,8 — 1,1 mm Durchmesser angeordnet sein. Sie nehmen also rund 30 — 50% der Fläche ein.
Das offene Porenvolumen beträgt etwa 30-60%. Der Porendurchmesser liegt unter 20 μιη. Aus reinem AI2O3 mit der Dichte von 3,9 hergestellte Teile haben eine Dichte von 1,0 — 2.5.
Durch die organischen Zusätze bekommt der Stein nach dem Trocknen eine ausgezeichnete Rohfestigkeit.
Die Anhaftung an cW Formwand und an den Steckstiften ist vernachlässigbar klein. Sie läßt sich noch weiter vermindern, wenn noch zusätzlich Entformungsmittel verwendet werden, die auf die Form- und Steckstiftoberfläche aufgebracht sind.
Gute Ergebnisse lassen sich z. B. mit einer Mischung aus ölsäure und Kerosin oder mit einer wäßrigen Lösung von Glycerin und »Aerosol« erreichen.
Ein nach der Erfindung erhaltener Formkörper (zunächst ungebrannt) wird nach der Entnahme aus der Form vollständig getrocknet und bei Temperaturen /wischen 1000 und 16000C je nach Massezusammen-Setzung gebrannt. In der ersten Phase der Brandführung werden zunächst die organischen Substanzen heraiisgebrannt, wobei die Hauptmenge bis 4000C austritt. Beendet ist dieser Vorgang erst bei 800T. Bei Anwesenheit von Graphit sind meist Temperaturen bis 10000C in oxidierender Atmosphäre erforderlich. Nach dem Abkühlen weist der Formkörper keine Risse und Sprünge auf, und es wird ein hoher Grad an Maßhaltigkeit erreicht. Überraschenderweise wird trotz der hohen Porosität durch die Regelmäßigkeit de* Aufbaus eine gute Festigkeit und eine gute Temperaturwechselbeständigkeit erreicht.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind beliebige unplastische Oxide und Silicate wie z. B. α-Korund, y-Korund, Magnesiumoxid, wobei sich der Einsatz von geschmolzenem Magnesiumoxid besonders bewährt hat, Titandioxid, Quarz, Zirkonoxid, Zirkonsilicat, Siliciumcarbid, Spinell (Magnesiumaluminat), Mullit (3 AI2O3 · 2 SIO2), Cordierit. Besonders bewährt hat sich Aktivtonerde im Hinblick auf eine niedrige Brenntemperatur von ca. 1000°C. Außerdem bleibt durch die milde Temperaturführung die hohe Aktivität des y-Korunds erhalten. Es ist ferner möglich, Mischungen von Oxiden und Mischungen von Oxiden und Silicaten zu verwenden, wobei gegebenenfalls eutektische Zusammensetzungen berücksichtigt werden, die es erlauben die Sintertemperatur stark herabzusetzen. Besonujrs geeignet im Hinblick auf die Verwendung als Katal>jatorträger ist auch eine Mischung aus 85% AI2O3 und 15% MgO.
Als vorerwähnte Zusätze zur Erzeugung der Ratifizierung und Porosität können z.B. Po)yvin>!acetal. Polyvinylalkohol und Stanzöl verwendet werden. Mit Polyvinylacetal wurden besonders gute Ergebnisse als Füllstoff erreicht. Derivate der Cellulose, wie ζ. Β Methyl- und Äthylceliulose, insbesondere Methylhydroxyäthylcellulose und Polyglykole sind als Plastifizierungsmittel geeignet.
Als Zusatz hat sich Graphit besonders geeignet, wobei mit Vorteil 10Gew.-% Graphit, bezogen auf den nicht herausbrennbaren Anteil verwendet werden. Er erhöht die Porosität und stellt gleichzeitig ein hervorragendes Preßhilfsmittel aar.
Als besonders geeignet hat sich eine Masse bestehend aus 80 — 90, vorzugsweise 85 Gewiclitsteilen AI2O3, 10-20, vorzugsweise 15 Gewichtsteilen MgO, 2 — 4. vorzugsweise 3 Gewichtsteilen Polyvinylacetal, 2 — 4, vorzugsweise 3 Gewichtsteilen Graphit, 2 — 4, vorzugsweise 3 Gewichtsteilen wasseriös). Celluloseäther. 0,2-1, vorzugsweise 0,5 Gewichtsteilen Polyvinylalkohol, 2—10, vorzugsweise 5 Gewichtsteilen Stanzöl, 10 — 30, vorzugsweise 20 Gewichtsteilen Wasser, erwiesen. Solche Massen zeigen bei einer Brenntemperatur zwischen 1400 und 1420°C und einer Brenndauer von 1 oder mehreren Stunden einen plötzlichen Porositätsund Festigkeitsanstieg bei gleichzeitiger Volumenvergrößerung. Der so entstandene Träger besitzt besondere thermische und katalytische Eigenschaften, wodurch er besonders als Katalysatorträger geeignet ist.
Beispiele für geeignete Ausführungsformen von Trägern gemäß der Erfindung sind in der Zeichnung im Schnitt dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Lochplatte mit parallel zueinander liegenden kreisförmigen Bohrungen 1 und Poren 2; in
F i g. 2 sind die Pohrungen 3 quadratisch bzw. rechteckig ausgebildet; in
F 1 g. 3 smd die Kanäle 4 dreieckig;
F ig. 4 zeigt eine Lochplatte mit parallel zueinander liegenden sechseckigen Bohrungen 5.
Die Träger gemäß der Erfindung können verwendet werden als Lochplat ?n für die Ad- und Absorption von Oasen und von feinvcrteilten anorganischen und organischen Stoffen, insbesondere als Katalysatorträger für die heterogene Katalyse in Abgasen, beispielsweise im Spaltvergaser, die in der DT-PS 22 10 365 beschrieben sind.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.
100 Gewichtsteile
j Gewichtsteile
i Gewichtsteile
6 Gewichtsteile
5 Gewichtsteile
26 Gewichtsteile
Beispiel I
Λ-Korund. alkalifrei,
primäre Korngröße 2,5 μπι,
sek. Korngröße 90% < 10 μηι
Graphit
RuO
wasserlösl. Celluloseether
Stanzöl
Wasser
werden in einem Doppelwellenmischer ca. 30 Minuten gut durchgemischt. Es entsteht eine krümelige Masse, is Nach Beendigung der Mischung wird die Masse durch ein grobes Sieb (2-3 mm Maschenweite) abgesiebt.
Mit dieser Masse, die nun preßfähig ist, wird ein Preßwerkzeug gefüllt, wobei der Füllraum doppelt so groß ist wie das Endvolumen des Formkörpers. Dann wird die Masse bei Raumtemperatur zu einem Block leicht vorverdichtet. Durch den vorverdichteten Block läßt man die Stifte durchstecken. Wenn die Stifte durchgetreten sind, steigt der Preßdruck auf 15 N/mm2 an. Der Stein hat nach dem Trocknen eine hohe Rohfestigkeit, bedingt durch die organischen Zusätze. Nach dem Ausbrennen der Porosität erzeugenden Hilfsstoffe behält der Stein seine gute Festigkeit bei, obwohl die Porosität ansteigt. Die so erhaltenen Lochsteine mit 40 — 60 Bohrungen pro cm2 und einer Porosität von 30-50% haben eine hohe Biegebeanspruchung Die gute Temperaturwechselbeständigkeit ist besonders hervorzuheben.
Beispiel 2
100 Gewichtsteile Λ-Korund
3 Gewichtsteile Polyvinylacetal
2 Gewichtsteile Graphit
3 Gewichtsteile wasserlösl. Celluloseether
0,5 Gewichtsteile Polyvinylalkohol
5 Gewichtsteile Stanzöl
23 Gewichtsteile Wasser
40
werden gemischt und gemäß Beispiel ! verpreßt.
Durch die Verwendung von Polyvinylacetal als herausbrennbarer Füllstoff wurde eine besondere Erhöhung der Porosität erreicht.
Beispiel 3
Die Zusammensetzung war analog der von Beispiel 2 so jedoch mit 100 Gewichtsteilen Aktivtonerde an Stelle von Λ-Korund. Es handelt sich hierbei um ein gefülltes Hydroxyd, das bei 600-700" C aktiviert wird. Es besteht dann aus 94% AbO1 und hat einen Giühvcrkist von 5%. Solche Tonerden haben ein gittermäßiges Erinnerungsvermögen (Memory-Effect). Die Sintertemperatur liegt dadurch bei 11000C.
B e i s ρ i e I 4
Die Zusammensetzung entspricht der von licispiel 2, wobei an Stelle von Λ-Korund reine γ Tonerde verwendet wird.
Beispiel 5
Analog z.u Beispiel I werden
85Gewichtstei!e AbOi
15 Grwirhtsteile MgO
3 Gewichtsteile Polyvinylacetal
3 Gewichtsteile Graphit
3 Gewichtsteile wasserlösl. CeIIu loseäther
0,5 Gewichtsteile Polyvinylalkohol
5GewichtsteiU· Stanzöl
20 Gewichtsteile Wasser
gemischt und verpreßt.
Der MgO-Anteil hat sich als günstig erwiesen.
Beispiel 6
Die Zusammensetzung war analog der von Beispiel 2 mit der Abweichung, daß an Stelle von 100 Gewichtsteilen «Korund 80 Gewichtsteile «AI2Oi und 20 Gewichtsteile eines eutektischen Flußmittels vom Schmelzpunkt 11700C bestehend aus:
23,25 Gewichtsteilen CaO
14,75 Gewichtsteilen AI2Oi
62,0 Gewichtsteilen SiO;
verwendet wurde.
Beispiel 7
Die Zusammensetzung war analog der von Beispiel 2 mit der Abweichung, daß an Stelle von 100 Gewichtsteilen Λ-Korund 80 Gewichtsteile Aktivtonerde und 20 Gewichtsteile eines eutektischen Flußmittels vom Schmelzpunkt 1170°C bestehend aus:
23,25 Gewichtsteilen CaO
14,75 Gewichtsteilen AI2O3
62,0 Gewichtsteilen SiO2
verwendet wurde.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung hochporöser gasdurchlässiger keramischer Träger mit zusätzlichen durchgehenden Kanälen aus temperaturbeständigen Oxiden und/oder Silicaten, dadurch gekennzeichnet, daß unplastische Oxide und/oder Silicate als nicht herausbrennbarer Anteil vermischt werden mit bestimmten anorganischen und organischen herausbrennbaren Stoffen, die eine krümelige plastische Verarbeitungsmasse erzeugen und nach dem Pressen durch Verbrennen unter Gasbildung und Bildung von offenen und geschlossenen Poren entfert werden können, daß die gesiebte preßfähige Masse in einem Preßwerkzeug 2U einem Block vorgepreßt, dann die Stifte zur Erzeugung der durchgehenden Kanäle in den vorverdichteien Block geseiifet und nach völligem Durchtreten der Stifte der volle PreUdruck bis zu 15 N/mm2 ausgeübt und nachfolgend der verpreßte Körper getrocknet und gebrannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Preßwerkzeug eine gesiebte preßfähige Masse mit einer Ko. ngröße bis zu 12 mm Durchmesser zu einem Block vorgepreßt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Λ-Aluminiumoxid und/oder ^-Aluminiumoxid und/oder Aktivtonerde und/oder Magnesiumoxid und/oder Titandioxid und/oder Quarz neben PlastiPzieruni ,mitteln verwendet werden.
4. Verfahren nach Ansprirh 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu 10 Gew.-% Graphit bezogen auf den nicht herausbrennbaren Anteil verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß AI2O3 bis zu 100% durch Magnesiumoxid und/oder Titandioxid ersetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu ca. 10 Gew.-°/o, bezogen auf den nicht herausbrennbaren Anteil wenigstens eines brennbaren und porenerzeugenden organischen Bindemittels verwendet werden.
7. Verfahren nach Anspruch I -6, dadurch gekennzeichnet, daß 80-90, vorzugsweise 85 Gewichtsteile AI2O3, 10-20, vorzugsweise 15 Gewichtsteile MgO, 2-4, vorzugsweise 3 Gewichtsteile Polyvinylacetal, 2-4, vorzugsweise 3 Gewichtsteile Graphit, 2 —4, vorzugsweise 3 Gewichtsteile wasserlösl. Celluloseether, 0,2— 1, vorzugsweise 0,5 Gewichtsteile Polyvinylalkohol, 2-10, vorzugsweise 5 Gewichtsteile Stanzöl. 10 — 30, vorzugsweise 20 Gewichtsteile Wasser, verwendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch I und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der verpreßte Körper eine bis mehrere Stunden bei 1400-1420°C gebrannt wird.
9. Hochporöse keramische Träger, hergestellt nach dem Verfahren der vorangegangenen Ansprii= ehe, gekennzeichnet durch eine Gesamtporosität von 30 — 60% und mit 30 von einer zur anderen Seite durchgehenden parallelen Kanälcn/cm2.
10. Hochporöse keramische Träger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben den offenen und geschlossenen Poren (2) polygonale, eckige oder abgerundete Bohrungen (3, 4 oder 5) enthalten.
11. Hochporöse keramische Träger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben den Poren (2) runde Kanäle (1) enthalten.
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