DE60021928T2

DE60021928T2 - Verfahren zur Herstellung einer Cordieriet-Keramik mit Wabenstruktur

Info

Publication number: DE60021928T2
Application number: DE60021928T
Authority: DE
Inventors: Yasushi Nagoya City Noguchi; Kyoko Nagoya City Makino; Wataru Kotani
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1999-02-03
Filing date: 2000-02-02
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2020-02-03
Also published as: EP1025903A1; JP2000226253A; JP3340689B2; US6291379B1; EP1025903B1; DE60021928D1

Description

Hintergrund der Erfindung und Beschreibung verwandter Gebiete
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis durch Extrudieren.
Keramikwabenstrukturen auf Cordieritbasis werden als Träger für Abgasreinigungskatalysatoren für Autos und verschiedene Industriebereiche, als Filter, als Wärmeaustauscher usw. verwendet.
In den letzten Jahren ist mit dem technologischen Fortschritt auch der Wunsch nach einer Verbesserung des Keramikwabenträgers für Katalysatoren, die vor allem im Abgassystem von Autos eingesetzt werden, in Bezug auf (1) Volumen (kleineres Volumen), d.h. bessere katalytische Leistung und besseres Anspringverhalten, (2) Druckabfall (geringer Druckabfall), um den Treibstoffverbrauch zu verbessern und höhere Motorleistung zu erreichen, (3) Kostensenkung bei der Einblechung im Gehäuse, (4) Temperaturschockresistenz und Festigkeit, um sie nahe dem Motor montieren zu können, um so höhere katalytische Aktivität zu erreichen, gestiegen.
In diesem Zusammenhang wurde an der Entwicklung einer Wabenstruktur mit dünneren Rippen und höherer Zelldichte gearbeitet, um bessere katalytische Leistung und eine Wabenstruktur mit dünneren Rippen zu erhalten, die eine erforderliche Zelldichte aufwiesen, um geringeren Druckabfall zu erreichen. Die Verwendung von dünneren Rippen in einer auf porösem Cordierit basierenden Keramikwabenstruktur führte zu Problemen in Zusammenhang mit (a) geringerer Festigkeit und (b) einem wesentlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten bei der Verwendung einer Düse mit kleinerer Spaltbreite beim Extrudieren und der daraus folgenden Notwendigkeit der Verwendung feinerer Materialien (insbesondere Magnesiamaterialien).
Es war schwierig, eine Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis mit hoher Dichte zu erhalten.
Vor allem wenn Rohmaterialien zur Cordieritbildung mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 2,0 × 10^–6/°C in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 800 °C verwendet wurden, war es notwendig, die Menge an Verunreinigungen (die zu einem Flussmittel werden), wie z.B. Calciumoxid, Alkali oder Natrium, zu minimieren, weshalb die erhaltene Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis eine sehr geringe Menge einer Glasphase aufwies und porös war.
Um dieses Problem zu lösen, wurde versucht, Rohmaterialien mit einem geringen Gehalt an Verunreinigungen zu verwenden, wie beispielsweise streng ausgewählter Talk, Kaolin, Aluminiumoxid usw.; die erhaltene Wabenstruktur wies jedoch eine sehr geringe Porosität von nur 20 bis 45 % auf.
Eine Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis muss jedoch, wenn sie als Träger für einen Abgasreinigungskatalysator für Autos verwendet werden soll, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1,5 × 10^–6/°C oder weniger aufweisen.
Im Falle einer Wabenstruktur mit einer Porosität von 30 % oder weniger war die Verwendung einer größeren Menge an Verunreinigungen und feinen Rohmaterialien notwendig, weshalb es unmöglich war, eine Wabenstruktur mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1,0 × 10^–6/°C oder weniger in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 800 °C zu erhalten.
Eine Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis mit relativ geringer Porosität weist starke Schrumpfung beim Trocknungs- und Brennschritt auf und bekommt leicht Sprünge; deshalb war es schwierig, solch eine Wabenstruktur mit hoher Ausbeute und in großer Größe herzustellen.
Um diese Probleme zu lösen, wird in der JP-B-4-70053 ein Verfahren zur Herstellung einer Cordieritkeramik mit höherer Festigkeit offenbart, indem ihre Porosität bei 30 % oder weniger gehalten wird, d.h. indem sie dichter gemacht wird.
Dadurch ist es möglich, in einer Wabenstruktur die Verringerung der isostatischen Festigkeit (bei der es sich um eine Druckbelastung handelt, die an der Außenwand und an der Peripherie angelegt wird) zu verhindern, die durch die Verformung der Wabenzellen beim Extrudieren entsteht.
Beim oben genannten Verfahren weist die Wabenstruktur jedoch, da die Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis eine Porosität von 30 % oder weniger aufweist, keine hohe Katalysatorbeschichtbarkeit auf; die Formbarkeit während des Extrudierens ist nicht gut; und die Wabenstruktur weist weder eine ausreichend geringe Wandstärke noch eine ausreichend hohe Zelldichte auf.
Die EP-A-232621 schlägt die Verwendung von sehr feinem Kaolin mit einem mittleren Teilchendurchmesser von nicht mehr als 2 μm in einer Charge zur Herstellung einer Cordieritwabenstruktur durch Extrusion vor. In einem Vergleichsbeispiel wird Kaolin mit einer mittleren Teilchengröße von 5,9 μm zusammen mit 10,5 Gew.-% Aluminiumhydroxid verwendet.
Weitere Veröffentlichungen, in denen Chargen zur Extrusion zur Herstellung von Cordieritwabenstrukturen, die Talk, Kaolin, Aluminiumoxid usw. enthalten, beschreiben, sind die EP-A-894776 (veröffentlicht am 3. Februar 1999) und die EP-A-514205.
Zusammenfassung der Erfindung
Im Hinblick auf die oben genannten Probleme des Stands der Technik besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis, deren Formbarkeit beim Extrudieren, vor allem die Gleitfähigkeit und die Formstabilität, verbessert ist, und in der Bereitstellung einer Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis mit dünnen Zwischenwänden und hoher Zelldichte, die verbesserte mechanische Festigkeit (isostatische Bruchfestigkeit) und verbesserte Katalysatorbeschichtbarkeit aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis bereitgestellt, wie es in Anspruch 1 dargelegt ist.
Beim vorliegenden Verfahren weist das Kaolin vorzugsweise einen Wert für (mittleren Teilchendurchmesser) : (spezifische Oberfläche nach dem BET-Verfahren) von 1 oder mehr auf.
Außerdem weist im vorliegenden Verfahren die hergestellte Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 0,8 × 10^–6/°C oder weniger zwischen 40 °C und 800 °C in Durchflussrichtung, eine Porosität von 24 bis 38 % und eine isostatische Festigkeit von 10 kp/cm² oder mehr auf.
Kurzbeschreibung der Abbildung
1 ist ein Diagramm, das die Beziehungen zwischen der Gleitfähigkeit und der Formstabilität zeigt, als Wasser zu Rohmaterialchargen zur Cordieritbildung zugesetzt wurde, die in Beispiel 1, Beispiel 3 und Vergleichsbeispiel 1 erhalten wurden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Beim Verfahren zur Herstellung einer Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die Rohmaterialcharge zum Extrudieren 65 Gew.-% oder mehr Rohmaterialien zur Cordieritbildung, die Talk, Kaolin und Aluminiumhydroxid enthalten und Kristallwasser aufweisen.
So kann das Extrusionsmaterial verbesserte Gleitfähigkeit beim Extrudieren aufweisen und der geformten Wabenstruktur bessere Formstabilität verleihen.
Beim vorliegenden Verfahren zur Herstellung einer Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis ist es wichtig, dass, wie oben erwähnt, als Rohmaterialien zur Cordieritbildung drei Arten von Rohmaterialien verwendet werden, nämlich Talk, Kaolin und Aluminiumhydroxid.
Der Gehalt der Rohmaterialien zur Cordieritbildung in der Rohmaterialcharge beträgt 65 Gew.-% oder mehr, noch bevorzugter 70 Gew.-% oder mehr, um zu verhindern, dass der Extrusionsdruck während des Extrudierens steigt, und um die Formstabilität der geformten Wabenstruktur zu verbessern.
Außerdem sind die Mengen an calciniertem Talk, calciniertem Kaolin und Aluminiumoxid in der Rohmaterialcharge vorzugsweise minimiert, weil eine Erhöhung der Mengen die Gleitfähigkeit der Charge deutlich verschlechtert.
Die Rohmaterialien zur Cordieritbildung sind zum Extrudieren einer Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis mit dünnen Zwischenwänden und keiner Zellverformung geeignet, aber beim Brennen bekommt die Wabenstruktur Sprünge.
Deshalb ist es im vorliegenden Verfahren zur Herstellung einer Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis wichtig, dass die Rohmaterialcharge 10 Gew.-% oder mehr Kaolin mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 5 μm oder mehr und einer spezifischen Oberfläche nach dem BET-Verfahren von 10 m²/g oder weniger enthält.
Wenn die Rohmaterialcharge Kaolin mit den oben genannten Eigenschaften in der oben genannten Menge enthält, ist es möglich, die Menge an Wasser zu minimieren, die für den Erhalt eines extrudierbaren Materials erforderlich ist; folglich kann der scheinbare Volumenanteil der Teilchen im Material groß und der Abstand zwischen einzelnen Teilchen klein gemacht werden.
Mit solch einem Extrusionsmaterial ist es möglich, beim Extrudieren die Zeit zu verringern, die vom Einsatz der Scherbeanspruchung bis zum Ende der Scherung und zur darauf folgenden Gewinnung (Rekoagulation) notwendig ist; dadurch wird die Formstabilität der geformten Wabenstruktur verbessert.
In diesem Fall weist Kaolin vorzugsweise einen Wert für (mittleren Teilchendurchmesser in μm) : (spezifische Oberfläche nach dem BET-Verfahren in m²/g) von 1 oder mehr auf.
Die Verwendung von Kaolin mit einem kleinen mittleren Teilchendurchmesser von weniger als 5 μm und einer großen spezifischen Oberfläche nach dem BET-Verfahren von mehr als 10 m²/g in der Rohmaterialcharge ist aus folgenden Gründen nicht bevorzugt. Solches Kaolin weist eine höhere Oberflächenenergie auf und ergibt folglich eine Rohmaterialcharge mit höherer Energie; deshalb ist eine größere Menge Wasser erforderlich, um ein extrudierbares Material zu erhalten; im extrudierbaren Material ist der scheinbaren Volumenanteil an Teilchen geringer und der Abstand zwischen Teilchen größer; beim Extrudieren ist die Zeit länger, die vom Einsatz der Scherbeanspruchung bis zum Ende der Scherung und zur darauf folgenden Gewinnung (Rekoagulation) notwendig ist; weshalb die geformte Wabenstruktur geringe Formstabilität aufweist.
Wenn Kaolin mit den oben genannten Eigenschaften in einer Menge von 10 Gew.-% oder mehr, vorzugsweise 15 bis 25 Gew.-%, in der Rohmaterialcharge enthalten ist, kann sich die Eigenschaft, dass Kaolin ein einzigartiges Pulver ist (d.h. das Pulver ist ein anorganischer Elektrolyt und in Gegenwart von Wasser sind seine Enden negativ geladen und die Zwischenflächen positiv geladen), ausreichend in der rheologischen Eigenschaft der Rohmaterialcharge widerspiegeln. Somit kann ein gut zum Extrudieren geeignetes Material erhalten werden, das in einem höheren Scherzustand leicht verformt werden kann, wenn es durch eine Extruderdüse geschickt wird, und das in scherfreiem Zustand gegen Verformung beständig ist, nachdem es die Extruderdüse passiert hat.
Die Rohmaterialien zur Cordieritbildung, die in der Rohmaterialcharge der vorliegenden Erfindung verwendet werden, weisen durch Sieben eine bestimmte Teilchengröße auf, die kleiner ist als die Spaltbreite der Extruderdüse.
Somit ist es möglich, eine Verstopfung der Spalte der Extruderdüse mit der Rohmaterialcharge zu vermeiden und eine gut geformte Wabenstruktur ohne Defekte in den Wabenrippen zu erhalten.
Der in den Rohmaterialien zur Cordieritbildung verwendete Talk ist vorzugsweise ein Mikrotalk, der aus kleinen Einkristallen besteht.
Das in den Rohmaterialien zur Cordieritbildung verwendete Aluminiumhydroxid ist vorzugsweise eines mit einer großen spezifischen Oberfläche nach dem BET-Verfahren, das durch Kristallisation gemäß dem Bayer-Verfahren erhalten wird und dann zur Bildung einer dünnen Schicht gemahlen wird.
Die spezifische Oberfläche nach dem BET-Verfahren bezieht sich auf die Oberfläche eines Feststoffs pro Masse und wird gemäß der Gasadsorptionstheorie von Brunauer, Emett und Teller (isothermale BET-Gleichung) bestimmt, wobei die Oberfläche durch Berechnung der Fläche einer multimolekularen Schicht bestimmt wird.
Die durch das vorliegende Verfahren erhaltene Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis weist vorzugsweise in Durchflussrichtung der Keramikwabenstruktur zwischen 40 °C und 800 °C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 0,8 × 10^–6/°C oder weniger auf.
Ein Wärmeausdehnungskoeffizient von mehr als 0,8 × 10^–6/°C ist nicht bevorzugt, weil die dann erhaltene zylindrische Wabenstruktur (der Durchmesser beträgt etwa 100 mm) eine Temperaturschockresistenz von weniger als 700 °C aufweist und als Träger für Abgasreinigungskatalysatoren für Autos unbrauchbar ist.
Als Nächstes wird das vorliegende Verfahren zur Herstellung einer Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis genauer erläutert.
Die Rohmaterialcharge für die Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis enthält 65 Gew.-% oder mehr Rohmaterialien zur Cordieritbildung, die Talk, Kaolin und Aluminiumhydroxid umfassen, wobei der Rest aus calciniertem Kaolin, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, calciniertem Talk usw. besteht, sodass die chemische Zusammensetzung der Hauptkomponenten in der Rohmaterialcharge aus 42 bis 56 Gew.-% SiO₂, 30 bis 45 Gew.-% Al₂O₃ und 12 bis 16 Gew.-% MgO besteht. Zu dieser Rohmaterial charge werden Wasser, ein organisches Bindemittel (z.B. Methylcellulose) und ein Tensid zugesetzt; das Gemisch wird geknetet; das geknetete Material wird extrudiert, um eine geformte Wabenstruktur zu erhalten; die geformte Wabenstruktur wird getrocknet und dann bei einer Temperatur von 1.350 bis 1.440 °C gebrannt; so kann eine Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis (eine gebrannte Wabenstruktur) erhalten werden.
Im oben genannten Verfahren kann, wenn die Rohmaterialcharge Kaolin mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 5 μm oder mehr und einer spezifischen Oberfläche nach dem BET-Verfahren von 10 m²/g oder weniger in einer vorgegebenen Menge (10 Gew.-% oder mehr) enthält, ein Material zum Extrudieren erhalten werden, dass beim Extrudieren bessere Gleitfähigkeit aufweist und außerdem nach dem Extrudieren Formstabilität besitzt (keine Schwerkraftdeformation verursacht); somit kann eine Wabenstruktur mit dünnen Zwischenwänden und hoher Zelldichte hergestellt werden (z.B. mit einer Zwischenwandstärke von 40 μm und einer Zelldichte von 200 Zellen/cm²).
Indem wie oben beschrieben eine Wabenstruktur mit dünnen Zwischenwänden hergestellt wird, kann die Zellverformung einer geformten Wabenstruktur sehr gering gemacht werden; der Wärmeausdehnungskoeffizient einer gebrannten Wabenstruktur kann ebenfalls sehr gering gemacht werden; die isostatische Festigkeit einer gebrannten Wabenstruktur mit einer Porosität von 24 bis 38 % kann auf 10 kp/cm² oder mehr gebracht werden; und die Katalysatorbeschichtbarkeit in einer gebrannten Wabenstruktur mit einer Porosität von 30 % oder mehr kann verbessert werden.
Die Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit von Aluminiumhydroxid oder Kaolin im Temperaturbereich zur Kristallwasserentfernung wird vorzugsweise bei 50 °C/h oder weniger gehalten, um die Entstehung von Rissen in der Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis zu verhindern. Die Entfernung des Bindemittels vor dem Brennen ist ebenfalls wirksam, um die Entstehung von Rissen in der Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis zu verhindern.
Beispiele
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen genauer beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch durch diese Beispiele in keinster Weise eingeschränkt.
Die Rohmaterialien zur Cordieritbildung, die geformten Wabenstrukturen und die gebrannten Wabenstrukturen, die in den Beispiele erhalten wurden, wurden mithilfe der folgenden Verfahren auf ihre Eigenschaften gemessen.
Gleitfähigkeit des Extrusionsmaterials
Ein Extrusionsmaterial wurde bei einer vorgegebenen Kolbendruck durch eine Extruderdüse mit einer Spaltbreite von 100 μm zu einer Wabengestalt extrudiert, und die Extrusionsgeschwindigkeit wurde gemessen. Aus dem Druck, der Extrusionsgeschwindigkeit und der Spaltbreite wurde die Scherrate des Extrusionsmaterials während des Durchflusses durch die Extruderdüse berechnet. Die Scherrate wurde in die scheinbare Viskosität (MPa·s) des Extrusionsmaterials umgerechnet.
Je kleiner die scheinbare Viskosität (die ein Maß für die Gleitfähigkeit ist), desto besser ist die Gleitfähigkeit des Extrusionsmaterials.
Formstabilität der geformten Wabenstruktur
Ein Extrusionsmaterial wurde mithilfe eines Kolbens extrudiert, um einen Festkörper mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von 30 mm herzustellen. Der geformte Festkörper wurde unter Verwendung eines Autographen mit einer Kompressionsgeschwindigkeit von 1 mm/s komprimiert, und eine Belastung (kp) wurde gemessen. Aus der Spannungsdehnungskurve wurde der Youngsche Elastizitätsmodul berechnet, aus dem die scheinbare Viskosität (MPa·s) berechnet wurde.
Je größer die scheinbare Viskosität (die ein Maß für die Formstabilität ist), desto besser ist die Formstabilität der geformten Wabenstruktur.
Anzahl an fehlerhaften Rippen
Ein Wabenmaterial mit einer vorgegebenen Zwischenwandstärke, einem Durchmesser von 100 mm und 62 quadratischen Zellen pro cm² wurde durch Extrudieren geformt, sodass es eine Länge von 100 m aufwies, und die Anzahl an fehlerhaften Rippen wurde gemessen.
Viskosität
Gemessen unter Verwendung eines Sedigraph (Röntgensedimentationsverfahren) von Micromeritech Co.
Spezifische Oberfläche nach dem BET-Verfahren
Gemessen unter Verwendung eines Flowsorb II 2300 von Micromeritech Co. Ein Gasgemisch aus He (30 %) und N₂ (70 %) wurde als Adsorptionsgas verwendet.
Porosität
Die Porosität wurde aus dem Gesamtvolumen der Poren berechnet, das durch Quecksilberporosimetrie erhalten wurde. Als absolute spezifische Dichte von Cordierit wurde 2,52 genommen.
Temperaturschockresistenz
Eine gebrannte Wabenstruktur bei Raumtemperatur wurde in einen Elektroofen gegeben, 30 Minuten darin gelassen und wieder auf Raumtemperatur zurückgeführt. Das resultierende Material wurde auf Brüche untersucht, indem es Schlägen ausge setzt wurde und der Klang beurteilt wurde (Steigerung von 600 °C aufwärts um 50 °C, Sicherheitstemperatur (°C) ist angegeben).
Isostatische Festigkeit
Ein gebranntes Wabenmaterial wurde in einen Schlauch gefüllt, und ein hydrostatischer Druck wurde auf die Wabenstruktur angelegt. Der Druck (kp/cm²), bei dem ein teilweiser Bruch auftrat, wurde gemessen, und ein Mittelwert aus 10 Proben wurde berechnet.
Beispiele 1 bis 8 und Vergleichsbeispiele 1 bis 4
Rohmaterialien zur Cordieritbildung wurden gemäß der in Tabelle 1 angeführten Formulierung vermischt. Zu 100 Gew.-% der Rohmaterialien wurden (a) 4 Gew.-% Methylcellulose und (b) Wasser zugesetzt. Das Ganze wurde geknetet, um ein extrudierbares Material zu erhalten. Das Material wurde auf seine Gleitfähigkeit gemessen, und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
Als Nächstes wurde das extrudierbare Material (Rohmaterialcharge) durch ein bekanntes Extrusionsverfahren extrudiert, um eine zylindrische Wabenstruktur (geformte Wabenstruktur) mit einer vorgegebenen Zwischenwandstärke (siehe Spaltbreite in Tabelle 2), einer Zelldichte von 62 quadratischen Zellen/cm², einem Durchmesser von 103 mm und einer Höhe von 120 mm zu bilden. Die geformte Wabenstruktur wurde getrocknet und gebrannt [1.420 °C × 4 Stunden, Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit (durchschnittlich von 1.100 bis 1.350 °C) = 60 °C/h], um eine gebrannte Wabenstruktur zu erhalten.
Die geformte Wabenstruktur wurde auf ihre Formstabilität gemessen, und die Anzahl an fehlerhaften Rippen wurde bestimmt, wonach die gebrannte Wabenstruktur auf ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 40 bis 800 °C in Durchflussrichtung, ihre Porosität, ihre Temperaturschockresistenz und ihre isostatische Festigkeit gemessen wurde. Die Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
Untersuchungen zu den Beispielen 1 bis 7 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 4
1 ist ein Diagramm, das die Beziehungen zwischen der Gleitfähigkeit und der Formstabilität zeigt, als Wasser zu einer Rohmaterialcharge zugesetzt wurde, die in Beispiel 1, Beispiel 3 und Vergleichsbeispiel 1 erhalten wurde.
Untersucht wurde ein Viskositätswert (als Indikator für die Formstabilität) bei einer Viskosität (als Indikator für die Gleitfähigkeit) von 5,5 MPa·s im Hinblick auf die Extrusionsgeschwindigkeit, d.h. die Wabenproduktivität.
Es ist übrigens bekannt, dass die Viskosität (als Indikator für die Formstabilität), bei der eine Wabenstruktur mit dünnen Zwischenwänden mit einer mittleren Stärke von 110 μm oder weniger ohne Probleme (d.h. Verformung) extrudiert werden kann, 40 MPa·s beträgt.
In jedem der Beispiele 1 und 3 wurde Kaolin mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 5 μm oder mehr und einer spezifischen Oberfläche nach dem BET-Verfahren von 10 m²/g oder weniger verwendet; deshalb betrug die Viskosität (als Indikator für die Formstabilität) bei einer Viskosität (als Indikator für die Gleitfähigkeit) von 5,5 MPa·s in jedem Beispiel 40 MPa·s oder mehr, und eine Wabenstruktur mit dünnen Zwischenwänden mit einer mittleren Zwischenwandstärke von 110 μm oder weniger konnte in hoher Ausbeute hergestellt werden.
In Beispiel 1 wies das verwendete Kaolin im Vergleich zu Beispiel 3 einen größeren Wert für (mittleren Teilchendurchmesser) : (spezifische Oberfläche nach dem BET-Verfahren) auf; deshalb wies das Extrusionsmaterial bessere Formbarkeit auf.
In jedem der Beispiele 1 bis 7 wurde Kaolin mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 5 μm oder mehr und einer spezifischen Oberfläche nach dem BET-Verfahren von 10 m²/g oder weniger verwendet, und die verwendeten Rohmaterialien zur Cordieritbildung wiesen eine durch Sieben bestimmte Teilchengröße auf, die kleiner war als die Spaltbreite der Extruderdüse; deshalb kam es zu keiner Verstop fung der Spalten der Extruderdüse, und es konnte eine zufrieden stellend geformte Wabenstruktur erhalten werden, die im Wesentlichen frei von Rippenfehlern war.
In Vergleichsbeispiel 1 wurde jedoch Kaolin mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 4 μm und einer spezifischen Oberfläche nach dem BET-Verfahren von 12 m²/g verwendet; deshalb betrug die Viskosität (als Indikator für die Formstabilität) bei einer Viskosität (als Indikator für die Gleitfähigkeit) von 5,5 MPa·s 35 MPa·s; als eine dünnwandige Wabenstruktur mit einer mittleren Wandstärke von 110 μm oder weniger geformt wurde, kam es zu Zellverformungen und zur Bildung von Spänen auf der Oberfläche bzw. feinen Splittern, und es konnte keine zufrieden stellend geformte Struktur erhalten werden; die Produktivität war auffallend gering; und die gebrannte Wabenstruktur wies eine isostatische Bruchfestigkeit von nur 5 kp/cm² auf.
Im Vergleichsbeispiel 2 betrug die Menge an verwendetem Kaolin 7 % und der Gesamtgehalt an Rohmaterialien zur Cordieritbildung 60 %; daher betrug die Viskosität (als Maß der Gleitfähigkeit) während der Extrusion 5,2 MPa·s und die Viskosität (als Maß der Formstabilität) 33 MPa·s; die gebildeten Waben wiesen eine Zellverformung und Späne auf der Oberfläche bzw. feine Splitter auf, und keine zufrieden stellende gebildete Struktur konnte erhalten werden; die gebrannte Wabenstruktur wies eine isostatische Bruchfestigkeit von nur 8 kp/cm² auf.
Im Vergleichsbeispiel 3 betrug der Gesamtgehalt der Rohmaterialien zur Cordieritbildung 62 %; deshalb betrug die Viskosität (als Indikator für die Gleitfähigkeit) während der Extrusion 5,6 MPa·s und die Viskosität (als Indikator für die Formstabilität) 38 MPa·s; die geformte Wabenstruktur wies Zellverformungen und Oberflächenspäne/feine Splitter auf, und es konnte keine zufrieden stellend geformte Struktur erhalten werden; und die gebrannte Wabenstruktur wies eine isostatische Bruchfestigkeit von nur 6 kp/cm² auf. Außerdem wies die gebrannte Wabenstruktur einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1,0 × 10^–6/°C und dementsprechend eine mittlere Temperaturschockresistenz von nur 650 °C auf.
Im Vergleichsbeispiel 4 verstopften, da die Rohmaterialien zur Cordieritbildung nicht gesiebt worden waren, die großen Teilchen, die größer waren als die Spaltbreite der Extruderdüse, die Spalten der Extruderdüse, und die geformte Wabenstruktur wies 25 fehlerhafte Rippen auf. Folglich wies die gebrannte Wabenstruktur geringe Festigkeit, d.h. eine isostatische Bruchfestigkeit von nur 8 kp/cm², auf.
Wie oben beschrieben kann gemäß dem vorliegenden Verfahren zur Herstellung einer Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis eine Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis mit geringer Wandstärke und hoher Zelldichte erhalten werden; die Formbarkeit beim Extrudieren, vor allem die Gleitfähigkeit und die Formstabilität, können verbessert werden; und die erhaltenen Wabenstruktur kann verbessert mechanische Festigkeit (isostatische Bruchfestigkeit) und verbesserte Katalysatorbeschichtbarkeit aufweisen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis, das Folgendes umfasst: das Verkneten von Rohmaterialien zur Cordieritbildung mit einer Formhilfe, um eine Rohmaterialcharge zu erhalten; das Extrudieren der Rohmaterialcharge unter Verwendung einer Extruderdüse, um eine geformte Wabenstruktur zu erhalten; und das Trocknen und Brennen der geformten Wabenstruktur in dieser Reihenfolge, um die Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis zu erhalten, deren Kristallphase hauptsächlich aus Cordierit besteht, worin die Rohmaterialcharge insgesamt 65 Gew.-% oder mehr Rohmaterialien in Form von Talk, Kaolin und Aluminiumhydroxid enthält und Kristallwasser aufweist, wobei das Kaolin einen mittleren Teilchendurchmesser von 5 μm oder mehr und eine spezifische Oberfläche nach dem BET-Verfahren von 10 m²/g oder weniger aufweist und in der Rohmaterialcharge in einer Menge von 10 Gew.-% oder mehr enthalten ist und worin das Aluminiumhydroxid in der Rohmaterialcharge in einer Menge von 7 Gew.-% oder mehr enthalten ist, und worin die Rohmaterialien zur Cordieritbildung eine durch Sieben bestimmte Teilchengröße aufweisen, die kleiner ist als die Spaltbreite der Extruderdüse.
Verfahren zur Herstellung einer Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis nach Anspruch 1, worin das Kaolin einen Wert für (mittleren Teilchendurchmesser in μm) (spezifische Oberfläche nach dem BET-Verfahren in m²/g) von 1 oder mehr aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis nach Anspruch 1 oder 2, worin die Extruderdüse eine Spaltbreite von 110 μm oder weniger aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Keramikwabenstruktur auf Cordieritbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Wabenstruktur in Durchflussrichtung zwischen 40 °C und 800 °C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 0,8 × 10^–6/°C oder weniger, eine Porosität von 24 bis 38 % und eine isostatische Festigkeit von 10 kp/cm² oder mehr aufweist.