DE60124579T2

DE60124579T2 - Haltedichtungsmaterial für katalysator und verfahren zur herstellung des haltedichtungsmaterials

Info

Publication number: DE60124579T2
Application number: DE60124579T
Authority: DE
Inventors: c/o IBIDEN CO. Yoshio Ogaki-shi NISHIKAWA; c/o IBIDEN CO. Koji Ogaki-shi FUKUSHIMA; c/o IBIDEN CO. Keiji Ogaki-shi YAMADA
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2021-10-18
Also published as: EP1329601A4; KR20070087127A; KR20110003403A; KR20020068056A; KR20080065705A; EP1329601A1; WO2002033233A1; US20080312071A1; KR20110113776A; KR20100018086A; EP1757782A3; EP1736644A1; DE20122864U1; DE60124579D1; KR101232957B1; EP1757782B1; CN1392921A; US20040052694A1; EP1736644B1; EP1757782A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Katalysator und insbesondere auf ein Halte- und Siegelmaterial für Katalysatoren und auf eine Methode zur Herstellung desselben.
Verbrennungsmotoren, welche Benzin und Leichtöl als Treibstoff verwenden, werden seit einhundert Jahren oder länger als Kraftwellen für Fahrzeuge, insbesondere Automobile, verwendet.
Jedoch wurden schädliche Effekte der Abgase auf die Gesundheit und die Umwelt Gegenstand von Sorge und seither wurden verschiedene Arten von Abgasreinigungskatalysatoren, welche Apparate für die Entfernung von CO, NOx und PM, welche in den Abgasen enthalten sind, vorgeschlagen. Ein üblicher Abgasreinigungskatalysator umfasst einen Katalysatorträger, eine Metallhülle, welche den Katalysatorträger außen bedeckt und ein Halte- und Siegelmaterial, welches in den Spalt zwischen ersteren und letzteren angeordnet ist. Ein bienenwabenförmiger Cogierit-Träger wird beispielsweise als Katalysatorträger eingesetzt und ein Katalysator wie Platin wird auf dem Cogierit-Träger getragen.
Das Halte- und Siegelmaterial des Katalysators dient dazu, Beschädigungen des Katalysatorträgers, welche vom Kontakt zwischen dem Katalysatorträger und der Metallhülle herrühren, wenn das Auto fährt, und gleichzeitig das Austreten von Gas aus dem Spalt zwischen der Metallhülle und dem Katalysatorträger zu verhindern. Das Halte- und Siegelmaterial dient auch dazu eine thermische Isolierung von der Metallhülle zu schaffen und dafür zu sorgen, dass der Katalysator von Anfang an des Einsatzes einer effizienten Reaktion unterzogen wird. Ein geeignetes Material, welches in der Lage ist, diese Aufgaben zu übernehmen, ist ein mattenähnliches Material, welches aus auf Aluminiumoxidsilika basierenden keramischen Fasern gemacht ist.
Das mattenähnliche Material, welches aus auf Aluminiumoxidsilika basierenden keramischen Fasern besteht, ist dick. Deswegen sollte der Aufbau des Katalysators im Bezug auf das Halte- und Siegelmaterial verbessert werden. In Anbet racht der oben geschilderten Situation wurden Techniken, welche die Dicke des mattenähnlichen Materials durch Imprägnieren eines mattenähnlichen Materials aus anorganischen Fasern mit einem organischen Bindemittel reduzieren, vorgeschlagen.
Im Falle, dass das Halte- und Siegelmaterial mit einem organischen Bindemittel imprägniert ist, wird jedoch, wenn das Halte- und Siegelmaterial im Spalt angeordnet verwendet wird, das organische Bindemittel aufgrund der Hitze des Abgases zersetzt und das Zersetzungsgas in die Atmosphäre freigesetzt. Zumindest einige Gew.-% oder mehr eines organischen Bindemittels sollten für die Imprägnierung des Halte- oder Siegelmaterials verwendet werden, um den Aufbau zu verbessern. Deshalb ist es mit der herkömmlichen Technik sehr schwierig eine wenig verschmutzende Charakteristik jenseits des herkömmlicherweise erreichbaren Niveaus zu erreichen und gleichzeitig einen geeigneten Aufbau zu gewährleisten.
Zusätzlich befanden sich die Temperaturen der Abgase in den letzten Jahren in stetigem Zunehmen, da die Leistung der Maschinen verbessert wurde. Im Falle einer verbrauchsmäßig hocheffizienten Magermixmaschine zum Beispiel, erreichen die Abgastemperaturen beinahe 1000°C und somit fällt der Kontaktdruck, welcher durch das Halte- und Siegelmaterial, welches der hohen Temperatur ausgesetzt ist, erzeugt wird, in einer relativ kurzen Zeit. Deshalb werden die Siegelleistung und die Trägerhalteleistung im Spaltabschnitt frühzeitig verschlechtert und somit ist die Haltbarkeit des Katalysators herabgesetzt.
Ein Halte- und Siegelmaterial ist beispielsweise in der JP 7 286 514 A offenbart.
Ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es einen Katalysator zur Verfügung zu stellen, welcher eine extrem niedrige Umweltverschmutzungscharakteristik hat und gleichzeitig ausgezeichnet im Bezug auf die Haltbarkeit und den Aufbau ist.
Das zweite Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halte- und Siegelmaterial für Katalysatoren zur Verfügung zu stellen, welches geeignet ist, die oben beschriebenen exzellenten Katalysatoren zu erhalten und ein Verfahren für die Herstellung derselben zur Verfügung zu stellen.
Die vorliegende Erfindung ist in den angefügten Ansprüchen definiert.
1 ist ein erklärender Überblick eines Nutzungszustandes eines Katalysators entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 2 ist eine schematische Schnittansicht eines Katalysators entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 3(a) ist eine Draufsicht auf ein Halte- und Siegelmaterial zur Benutzung in dem Katalysator nach 2; 3(b) ist eine schematisch perspektivische Ansicht, welche ein Verfahren zum Zusammenbau des Katalysators nach 2 registriert; 3(c) ist eine schematisch perspektivische Ansicht des Katalysators, bei welchem der Zusammenbau vollendet ist; und 4 ist eine Grafik, welche die Beziehung zwischen dem Mullit-Gehalt im Halte- und Siegelmaterial für die Benutzung im Katalysator und dem Kontaktdruck zeigt.
Ein Katalysator 5 für einen Automobilabgasreinigungsapparat einer Ausbildungsform entsprechend der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 4 näher erläutert.
Wie in 1 gezeigt, ist der Katalysator 5 an einer bestimmten Position entlang des Auspuffrohres 91 eines Motors 9 entlang des Körpers 92 eines Fahrzeuges angebracht. Darüber hinaus, dass der Abstand zwischen dem Motor 9 und dem Katalysator 5 relativ klein ist, wird Hochtemperaturabgas von ungefähr 700°C bis 900°C dem Katalysator 5 zugeführt. Im Falle dass der Motor ein Magermixmotor ist, wird dem Katalysator 5 Abgas höherer Temperatur von ungefähr 900°C bis 1000°C zugeführt.
Wie in 2 gezeigt, besteht der Katalysator 5 aus einem zylindrischen Katalysatorträger 3, einer Metallhülle 2, welche den Katalysatorträger 3 außen bedeckt und einem Halte- und Siegelmaterial 1, welches in den Spalt zwischen dem Katalysatorträger 3 und der Metallhülle 2 angebracht ist.
Der Katalysatorträger 3 ist unter Verwendung eines keramischen Materials, repräsentiert durch Cogierit oder ähnliches, hergestellt. Darüber hinaus ist der Katalysatorträger 3 vorzugsweise eine Bienenwabenstruktur, welche eine große Zahl von Zellen 31 und 32 hat, welche sich entlang der Achse erstrecken. Weiters ist ein Katalysator, wie Platin oder Rhodium, welcher in der Lage ist, Abgaskomponenten zu reinigen, an der Wand der Zellen getragen.
Die Metallhülle 2 ist vorzugsweise ein zylindrisches Metallstück, welches einen O-förmigen Querschnitt aufweist, wenn beispielsweise ein Druckpassverfahren zur Herstellung verwendet wird. Weiters wird als Metallmaterial für die Formung des zylindrischen Teils vorzugsweise ein Metall gewählt, welches exzellente Hitzebeständigkeit und Schlagfestigkeit aufweist. Wenn eine so genannte Konservenmethode anstelle der Druckpassmethode eingesetzt wird, wird eine Metallschale (d.h. zweischalig), welche durch Teilen des zylindrischen Metallteils, welcher einen O-förmigen Querschnitt aufweist, in eine Vielzahl von Sektionen entlang der Achse geformt wird, benutzt.
Zusätzlich, wenn beispielsweise eine Walzmethode für den Aufbau zum Einsatz kommt, wird ein zylindrischer Metallteil benutzt, welcher einen C- oder U-förmigen Abschnitt aufweist (d.h. ein zylindrischer Metallteil mit einem Schlitz (Öffnung) entlang der Achse wird geformt). In diesem Fall wird für den Zusammenbau des Katalysatorträgers 3 der Katalysatorträger 3 mit dem Halte- und Siegelmaterial 1, welches auf der Oberfläche fixiert ist, in der Metallhülle 2 angeordnet, die Metallhülle 2 wird in diesem Zustand zusammengerollt und das Ende der Schlitzöffnung wird hierauf versiegelt (geschweißt, geklebt, genietet oder ähnliches). Ein Versiegeln, wie Verschweißen, Kleben oder Nieten, wird auch durchgeführt, wenn die Konservenmethode angewandt wird.
Wie in 3(a) gezeigt, ist das Halte- und Siegelmaterial 1 ein längliches mattenförmiges Material mit einem konkaven Passabschnitt 11, welcher an dessen einem Ende angeordnet ist, deren ein konvexer Passabschnitt 12 am anderen Ende angeordnet ist. Wenn das Halte- und Siegelmaterial 1 um den Katalysatorträger 3 gewunden wird, kommt der konvexe Passabschnitt 12 mit dem konkaven Passabschnitt 11 in Eingriff.
Das Halte- und Siegelmaterial 1 umfasst einen Faserkörper, der im Wesentlichen aus auf aluminer Silika basierenden keramischen Fasern aufgebaut ist, welche einen Mullit-Kristall-Gehalt von 0 bis 10 % (wt) haben. Mit anderen Worten umfasst das Halte- und Sigelmaterial 1 einen Faserkörper, welcher im Wesentlichen aus keramischen Fasern aufgebaut ist, welcher aus einem Aluminium-Silikon-Spinell-Bestandteil aufgebaut sind, welcher keinen Mullit-Kristall oder 10 % wt oder weniger Mullit-Kristall aufweist. In solch einer chemischen Zusammensetzung hat das Halte- und Siegelmaterial exzellente Hitzeresistenz und eine hohe Elastizität gegen eine angelegte Drucklast. Somit fällt der Kontaktdruck kaum, auch wenn das Halte- und Siegelmaterial 1, wenn es in dem Spalt angebracht ist, einer hohen Temperatur ausgesetzt wird. In diesem Fall ist der Mullit-Kristall-Gehalt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 4 % wt. Darüber hinaus ist der Aluminium-Silikon-Spinell-Bestandteil beispielsweise γ-Tonerde, δ-Tonerde oder χ-Tonerde.
Die auf Tonerde-Silika basierenden keramischen Fasern haben vorzugsweise eine chemische Zusammensetzung, die mit einem Tonerdegehalt von 68 % wt bis 83 % wt und einem Silika-Gehalt von 17 % wt bis 32 % wt und haben insbesondere in bevorzugter Weise eine Zusammensetzung von Al₂O₃:SiO₂ = 72.28.
Wenn der Tonerdegehalt weniger als 68 % wt oder der Silikagehalt größer als 32 % wt ist, kann es unmöglich sein eine ausreichende Verbesserung der Hitzebeständigkeit und der Elastizität gegenüber einer angelegten Drucklast zu erreichen. Genauso kann es unmöglich sein, eine ausreichende Verbesserung der Hitzebeständigkeit und der Elastizität gegen eine angelegte Drucklast zu erreichen, wenn er 83 % wt überschreitet oder der Gehalt an Silika geringer als 17 % wt ist.
Der Faserkörper wird durch ein Nadelstoßverfahren hergestellt, welches eine Art eines Faserverflechtungsverfahrens ist. Somit sind einige der keramischen Fasern an Nadelstoßpunkten in der Richtung der Dicke des Faserkörpers miteinander verflochten. Darüber hinaus wird im Nadelstoßverfahren beispielsweise ein tafelförmiges Montagegestell (Nadelbrett) mit einer großen Anzahl von darauf ausgerichteten Nadeln verwendet.
Die Dichte von Nadelstoßpunkten ist vorzugsweise 10 bis 500 Punkte und in besonders wünschenswerter Weise 20 bis 250 Punkte pro 100 cm².
Wenn die Dichte der Nadelstoßpunkte geringer ist als 10 Punkte pro 100 cm², kann das Halte- und Siegelmaterial 1 nicht zuverlässig in Richtung der Dicke komprimiert werden und somit kann es unmöglich sein, die Dicke des Halte- und Siegelmaterials 1 auf eine Höhe zu reduzieren, welche geeignet ist, einen tauglichen Zusammenbau zu ermöglichen. Wenn hingegen die Dichte der Nadelstoßpunkte 500 Punkte pro 100 cm² überschreitet, kann zwar die Dicke des Halte- und Siegelmaterials 1 ausreichend reduziert werden, jedoch kann es unmöglich sein, aufgrund des Vorliegens der großen Anzahl von Nadelstoßpunkten, die Elastizität gegenüber einer angelegten Drucklast zu steigern.
Vor dem Zusammenbau und nachdem das Nadelstoßverfahren angebahnt wurde, liegt die Raumdichte (GBD) des Halte- und Siegelmaterials 1 vorzugsweise zwischen 0,1 g/cm³ und 0,6 g/cm³ und in besonders vorteilhafter Weise zwischen 0,2 g/cm³ und 0,4 g/cm³. Auch ist die Packdichte des Halte- und Siegelmaterials 1, wenn es verarbeitet ist, vorzugsweise auf dieselben Werte wie oben beschrieben gebracht. Wenn die Raumdichte und die Packdichte zu gering sind, kann es aufgrund einer Reduktion im erzeugten Kontaktdruck unmöglich sein, den Katalysatorträger 3 zuverlässig zu halten. Wenn andererseits die Raumdichte und die Packdichte zu groß sind, ist die Rigidität verbessert, es kann jedoch aufgrund einer Reduktion der Verformbarkeit schwierig sein, den Zusammenbau auszuführen.
Der Gehalt an organischer Komponente (organisches Bindemittel), welches in den keramischen Fasern, welche das Halte- und Siegelmaterial 1 aufbauen, ist vorzugsweise 1 % wt oder weniger, in weiters bevorzugter Weise 0,1 % wt oder weniger und in besonders bevorzugter Weise 0,01 % wt oder weniger.
Wenn der Gehalt an organischen Bindemitteln auf einige Gew.% oder mehr erhöht wird, wird das organische Bindemittel durch die Hitze des Abgases zersetzt, wodurch die Menge an Gas, welche in die Atmosphäre freigesetzt wird, erhöht wird. Deswegen ist es sehr schwierig wenig verschmutzende Eigenschaften, welche die herkömmlicherweise erreichbaren Niveaus übertreffen, zu erreichen.
Die Dicke des Halte- und Siegelmaterials 1 vor dem Zusammenbau entspricht vorzugsweise ungefähr 1,1 bis 4,0 Mal und ist weiters bevorzugter Weise 1,5 bis 3,0 Mal die Größe des Spaltes zwischen dem Katalysatorträger 3 und der Metallhülle 2. Wenn die Dicke geringer als 1,1 Mal die Größe des Spaltes ist, kann es unmöglich sein, einen hohen Grad an Trägerhalteleistung zu erzielen, wodurch das Risiko erhöht wird, dass der Katalysatorträger 3 sich relativ zur Metallhülse 2 verschiebt und sich abnützt. In diesem Fall es weiters unmöglich einen hohen Grad an Siegelleistung zu erzielen, wodurch das Abgas leichter durch den Spaltabschnitt dringt, wodurch es unmöglich wird, einen hohen Grad an wenig verschmutzenden Eigenschaften zu erreichen. Jedoch wenn das Halte- und Siegelmaterial 1 größer als 4,0 Mal die Größe des Spaltes ist, ist es schwierig den Katalysatorträger 3 in der Metallhülle 2 zu platzieren und insbesondere wenn ein Druckpassverfahren zum Einsatz kommt. Somit kann es unmöglich sein, eine Verbesserung im Zusammenbau zu erreichen.
Weiters ist der durchschnittliche Durchmesser auf Tonerde-Silika basierenden keramischen Fasern, welche das Halte- und Siegelmaterial aufbauen, vorzugsweise zwischen 5 und 20 μm und in besonders bevorzugter Weise zwischen ungefähr 7 und 13 μm. Die durchschnittliche Länge der keramischen Fasern ist vorzugsweise ungefähr 0,1 bis 100 mm und in weiters bevorzugter Weise ungefähr 2 bis 50 mm. Die Zugfestigkeit der keramischen Fasern ist bevorzugter Weise 0,1 GPa oder mehr und besonders bevorzugter Weise 0,5 GPa oder mehr.
Die Vorgangsweise zur Herstellung des Halte- und Siegelmaterials 1 wird nun beschrieben.
Zuerst werden ein Aluminiumsalz, ein Kiesesol und ein organisches Polymer mit Wasser als Lösungsmittel gemischt, um eine Spinn-Lösung zu bereiten. In diesem Fall kann ein Antischaummittel und ähnliches der Spinn-Lösung zugesetzt werden. Darüberhinaus kann die chemische Zusammensetzung der auf Tonerde-Silika basierenden keramischen Fasern in einem gewissen Ausmaß durch Ändern des Verhältnisses zwischen Alluminiumsalz und dem Kieselsol kontrolliert werden.
Durch diesen Vorgang wird die erhaltene Spinn-Lösung unter reduziertem Druck konzentriert, wodurch eine Spinn-Lösung, deren Konzentration, Temperatur, Viskosität und ähnliches geeignet zum Spinnen sind. Hierbei wird die Spinn-Lösung mit einer Konzentration von ungefähr 20 % wt in bevorzugter Weise auf ungefähr 30 bis 40 % wt auf konzentriert.
Zusätzlich ist die bereitete Spinn-Lösung gemacht, um kontinuierlich von der Düse eines Spinnapparates in die Atmosphäre auszutreten und die geformten aus Tonerde-Silika basierenden keramischen Fasern werden gezogen und aufgewunden. In diesem Fall kann beispielsweise ein trockenes Druckspinnverfahren zum Einsatz kommen.
Lange Fasern der auf Tonerde-Silika basierenden keramischen Fasern, welche durch den oben beschriebenen Spinnschritt erhalten werden, werden auf eine vorbestimmte Menge zurecht geschnitten, um relativ kurze Fasern zu ergeben, worauf die Fasern in Wasser dispergiert werden. Die erhaltene Faserdispersion wird dazu gebracht, in eine Formschablone zu fließen, wo das Faserdispersionsmittel unter Druck gesetzt wird und es trocknet, wodurch ein mattenähnliches Material mit gestapelten Fasern erhalten wird.
Das mattenähnliche Material (Faserkörper) welches durch den oben beschriebenen Stapelschritt erhalten wurde, wird dem Nadelstoßverfahren unterworfen, welches den oben beschriebenen Nadelstoß nützt. Durch diesen Prozessschritt werden die ungehärteten und flexiblen Fasern zuverlässig und gleichzeitig miteinander verflochten.
Dann wird der dem Nadelstoßverfahren unterworfene Faserkörper gebacken, wodurch die ungehärteten und flexiblen Fasern getrocknet und gebacken werden, wodurch sie gehärtet werden. In diesem Fall sollten die Backparameter so eingestellt werden, dass der Gehalt an Mullit-Kristall im Faserkörper, welcher durch das Backen erhalten wird, 10 % wt oder weniger beträgt.
Beispielsweise ist die Backtemperatur im Backschritt vorzugsweise auf 1100°C bis 1300°C eingestellt. Wenn die Backtemperatur geringer als 1100°C ist, kann es sein, dass die aus Tonerde-Silika basierenden Fasern nicht ausreichend getrocknet und gebacken werden und in zuverlässiger Weise exzellente Hitzebeständigkeit und ein hohes Maß an Elastizität gegen eine auf das Halte- und Siegelmaterial 1 angelegte Drucklast zu erreichen. Hingegen wenn die Backtemperatur höher als 1300°C ist, vollzieht sich die Bildung von Mullit-Kristall leicht in den auf Tonerde-Silika basierenden keramischen Fasern. Somit kann der Gehalt an Mullit-Kristall kaum auf 10 % wt oder weniger gehalten werden, und es kann somit unmöglich sein, in zuverlässiger Weise exzellente Hitzeresistenz und einen hohen Grad an Elastizität gegen eine auf das Halte- und Siegelmaterial 1 angelegte Drucklast zu erreichen.
Zusätzlich wird die Backzeit auf vorzugsweise 1 bis 60 Minuten eingestellt. Wenn die Backzeit kürzer als 1 Minute ist, können die auf Tonerde-Silika basierenden Fasern nicht ausreichend getrocknet und gebacken werden, und es kann somit unmöglich sein, in zuverlässiger Weise exzellente Hitzeresistenz und einen hohen Grad an Elastizität gegen eine auf das Halte- und Siegelmaterial 1 angelegte Drucklast zu erreichen. Wenn hingegen die Backzeit länger als 60 Minuten ist, schreitet die Bildung von Mullit-Kristall in den auf Tonerde-Silika basierenden Fasernleicht voran. Somit kannder Mullit-Kristall Gehalt kaum auf 10% wt oder weniger gehalten werden, und es kann somit unmöglich sein, in zuverlässiger Weise exzellente Hitzeresistenz und einen hohen Grad an Elastizität gegen eine auf das Halte- und Siegelmaterial 1 angelegte Drucklast zu erreichen.
Zusätzlich, um den Faserkörper bei hohen Temperaturen von 1100°C bis 1300°C zu backen, wird er vorzugsweise für 10 bis 60 Minuten bei 200°C bis 400°C als Vorbehandlung abgehärtet.
Darüber hinaus nach dem oben beschriebenen Backschritt kann das Halte- und Siegelmaterial 1 mit dem organischen Bindemittel imprägniert werden und danach so weit wie nötig in Richtung der Dicke komprimiert werden. In diesem Fall sind die organischen Bindemittel Polyvinyl-Alkohol, Acrylharz und Latex sowie Acrylgummi oder Nitrilgummi oder ähnliches. Als Imprägnierungsmethode kann eine wohl bekannte Methode wie Eintauchen, Sprühen oder Rollbeschichten angewandt werden.
Dann wird das Halte- und Siegelmaterial 1, welches durch die oben beschriebenen Schritte hergestellt wurde, um den Umfang des Katalysatorträgers 3 gewickelt und somit fixiert, worauf der Katalysator 5 durch Ausführen von Druckpassen, Eindosen oder Zusammenrollen, fertig gestellt wird.
[Beispiel 1]
(Herstellung in Beispiel 1)
In dem Beispiel 1 wurde ein Cogieritmonolith mit einem äußeren Durchmesser von 130 mm und einer Länge von 100 mm als Katalysatorträger 3 verwendet. Eine zylindrische Hülle aus SUS 304 mit einer Dicke von 1,5 mm und einem inneren Durchmesser von 140 mm wurde als Metallhülle 2 verwendet. Das mattenähnliche Halte- und Siegelmaterial 1 wurde auf die folgende Art hergestellt.
Zuerst wurden 23,5 % wt basischen Aluminiumchlorids, 20 % wt colloidalen Siliziumoxids, 10 % wt Polyvinyl-Alkohol und eine geringe Menge Antischaummittel (n-Octanol) mit Wasser vermengt und ausreichend gemischt, um eine Spinn-Lösung zu bereiten.
Die erhaltene Spinn-Lösung wurde unter reduziertem Druck in einem Evaporator auf konzentriert, wobei die Konzentration, die Temperatur und die Viskosität der Spinn-Lösung eingestellt wurden. In diesem Beispiel wurde die Konzentration der Spinn-Lösung auf 38 % wt eingestellt. Die Temperatur wurde auf 50°C eingestellt und die Viskosität wurde auf 1000 Poise eingestellt und die Spinn-Lösung wurde einen Tag stehen gelassen.
Die bereitete Spinn-Lösung wurde nach dem Stehenlassen für einen Tag oder länger kontinuierlich von der Düse einer Trocken-Druck-Spinnapparates in die Atmosphäre (20°C, Feuchtigkeit 50%) freigesetzt und dann gestapelt.
Dann wurde der Faserkörper, welcher durch den oben beschriebenen Stapelschritt erhalten wurde, einem Nadelstoßverfahren mit der oben beschriebenen Schablone unterworfen. Hierbei wurde die Dichte der Nadelstoßpunkte auf 100 Punkte pro 100 cm² eingestellt.
Zusätzlich wurde der Faserkörper, welcher dem Nadelstoßverfahren unterworfen wurde, während 30 Minuten auf 25°C als Vorbehandlung vorgeheizt und wurde daraufhin für 10 Minuten bei 1250°C unter einer normalen oxidierenden Atmosphäre in einem kastenförmigen elektrischen Ofen gebacken. Dadurch wurden auf Tonerde-Silika basierende keramische Fasern mit einem Mullit-Kristall-Gehalt von 2 % wt erhalten.
In diesem Zusammenhang war der durchschnittliche Durchmesser der auf Tonerde-Silika basierenden keramischen Fasern, welche durch das Backen erhalten wurden, 9,1 µm und und die durchschnittliche Länge war 5 mm und die Faser hatte eine beinahe kreisförmige Schnittfläche und eine lineare Struktur. Darüber hinaus war die Dichte der keramischen Faser selbst 3,0 g/cm³ und die Zugfestigkeit war 0,65 GPa. Die keramische Faser hatte eine Zusammensetzung von Al₂O₃:SiO₂ = 72:28 und hatte γ-Tonerde und χ-Tonerde als die hauptsächlichen Komponenten.
Nach dem oben beschriebenen Backschritt wurde das Halte- und Siegelmaterial 1 mit dem organischen Bindemittel durch eine Tauchmethode imprägniert, gefolgt durch Kompression des Halte- und Siegelmaterials 1 in Richtung einer Dicke. Hierbei wurde Latex als das organische Bindemittel gewählt und die Konzentration von Latex wurde hierbei auf 1 % wt oder weniger eingestellt.
Die erhaltene Raumdichte des Halte- und Siegelmaterials 1 war hierbei ungefähr 0,15 g/cm³.
Das Halte- und Siegelmaterial 1, welches durch die oben beschriebenen Schritte hergestellt wurde, wurde dann um den Umfang des Katalysatorträgers 3 gewickelt und somit fixiert und danach in die Metallhülle 2 pressgepasst, um den Katalysator 5 fertigzustellen.
(Herstellung in den Beispielen 2 bis 5)
In den Beispielen 2 bis 5 wurde das Halte- und Siegelmaterial 1 im Grunde in Übereinstimmung mit der Prozedur und den Bedingungen in Beispiel 1 hergestellt und es wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hantiert um den Katalysator 5 fertigzustellen. In den Beispielen 2 und 3 war die Backtemperatur auf eine höhere Temperatur eingestellt als jene im Beispiel 1, sodass der Mullit-Kristall-Gehalt 3 % wt bzw. 9,8 % wt war. Im Gegensatz dazu wurde die Backtemperatur in den Beispielen 4 und 5 auf eine niedrigere Temperatur als jene in Beispiel 1 eingestellt, sodass der Mullit-Kristall-Gehalt 0 % wt bzw. 1 % wt betrug. Jedoch wurden die Backtemperatur und die Backzeit innerhalb der Bereiche von 1100°C bis 1300°C bzw. von 1 bis 60 Minuten eingestellt.
(Herstellung in den Vergleichsbeispielen 1 und 2)
In den Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurde das Halte- und Siegelmaterial 1 grundsätzlich in Übereinstimmung mit der Prozedur und den Bedingungen in Beispiel 1 hergestellt und wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 zusammengebaut, um den Katalysator 5 fertigzustellen. Jedoch wurde die Backtemperatur in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 auf eine Temperatur höher als 1300°C eingestellt. Als Ergebnis waren die Mullit-Kristall-Gehalte 15 % wt bzw. 20 % wt, welche beide die Mullit-Kristall-Gehalte der Beispiele übertrafen.
(Herstellung im Vergleichsbeispiel 3)
Im Vergleichsbeispiel 3 wurde das Halte- und Siegelmaterial 1 im Grunde entsprechend der Prozedur und den Bedingungen in Beispiel 1 hergestellt und wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 montiert, um den Katalysator 5 fertig zustellen. Im Vergleichsbeispiel 3 jedoch wurde kein Nadelstoßverfahren ausgeführt und stattdessen wurde der Gehalt an organischen Bindemitteln auf 15 % wt gesteigert, um das Halte- und Siegelmaterial 1 herzustellen. Weiters wurde der Mullit-Kristall-Gehalt 15 % wt eingestellt.
(Methode des Vergleichs von Tests und Resultat)
Die Katalysatoren 5 der Beispiele 1 bis 5 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3, welche oben beschrieben wurden, wurden in einem Testapparat eingesetzt und ein Abgas mit 1000°C wurde dazu gebracht, während 30 Minuten durch die Katalysatoren zu strömen, worauf die vom Halte- und Siegelmaterial 1 erzeugten Kontaktdrücke (Megapascal) gemessen wurden. Die Resultate sind in dem Diagramm der 4 gezeigt. Aus diesem Diagramm kann entnommen werden, dass die höchsten Kontaktdrücke in den Beispielen 1, 2 und 5 erzeugt wurden und hohe Kontaktdrücke in den Beispielen 3 und 4 erzeugt wurden. Andererseits kann entnommen werden, dass in den Vergleichsbeispielen 1, 2 und 3 Werte der erzeugten Kontaktdrücke geringer waren, als jene in den Beispielen, was zu offensichtlich schwacher Leistung im Vergleich zu den Beispielen führt. Darüber hinaus wurde das Abgas veranlasst über einen längeren Zeitraum durch den Testapparat zu strömen, worauf der Kontaktdruck gemessen wurde, und es wurde herausgefunden, dass der Kontaktdruck zumindest im Fall der Beispiele kaum fiel.
Der Zusammenbau des Halte- und Siegelmaterials ist in jedem Fall zufrieden stellend.
Zusätzlich wenn Betriebstests mit dem in ein Fahrzeug installierten Katalysator 5 durchgeführt wurden und danach Untersuchungen gemacht wurden, wurden in keinem der Beispiele weder Verschiebungen der Funktion und Brüche des Katalysatorträgers 3 noch Ausströmen von Abgas gefunden. In den Vergleichsspielen, in welchen der erzeugte Kontaktdruck relativ gering war, passierten Verschiebungen der Position und Brüche des Katalysatorträgers 3 relativ leicht. Zusätzlich entwich in manchen Vergleichsbeispielen Abgas.
Abgas, welches vom Katalysator 5 durch einen Auspuff während der Betriebstests in die Umgebung freigesetzt wurde, wurde gesammelt und dessen Komponente analysiert. Als Resultat waren die Gehalte von CO, HC, NOx und ähnlichem, welche Luftverschmutzung verursachen, extrem gering im Fall der Beispiele, während im Falle der Vergleichsbeispiele der Gehalt der oben beschriebenen Bestandteile im Vergleich zu den Beispielen etwas höher lagen.
Das Halte- und Siegelmaterial 1 dieser Ausführungsform erreicht die folgenden Vorteile.

(1) Das Halte- und Siegelmaterial 1 dieser Ausführungsform umfasst einen Faserkörper, welcher im Wesentlichen aus auf Tonerde-Silika basierenden keramischen Fasern besteht, welche einen Mullit-Kristall-Gehalt von 10 % wt oder weniger haben. Folglich hat es exzellente Hitzebeständigkeit und einen hohen Grad an Elastizität gegen eine angelegte Drucklast. Somit fällt der erzeugte Kontaktdruck kaum, selbst wenn das Halte- und Siegelmaterial, welches im Spalt angeordnet ist, hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Wenn der Katalysator 5 unter Verwendung des Halte- und Siegelmaterials 1 gebaut wird, wird ein Katalysator 5 erhalten, welcher in der Lage ist, einen hohen Grad an Siegelleistung und Trägerhalteleistung für eine lange Zeitspanne aufrechtzuerhalten und welcher eine exzellente Beständigkeit aufweist.
(2) Der Faserkörper des Halte- und Siegelmaterials 1 wird einem Nadelstoßverfahren unterworfen. Folglich sind einige keramische Fasern an Nadelstoßpunkten in Richtung der Dicke des Faserkörpers miteinander verflochten und somit ist die Dicke des Faserkörpers reduziert, sodass er in Richtung der Dicke komprimiert ist. Somit ist die Sperrigkeit des Faserkörpers verringert, wodurch exzellenter Zusammenbau möglich ist. Zusätzlich kann die Menge an organischem Bindemittel, die für die Reduktion der Dicke des Faserkörpers nötig ist, reduziert werden, da der Faserkörper einem Nadelstoßverfahren unterzogen wird. Somit können extrem niedrige Verschmutzungseigenschaften bei gleichzeitigem Aufrechterhalten zufrieden stellenden Zusammenbaus gewährleistet werden.
(3) Entsprechend dem Verfahren zur Herstellung des Halte- und Siegelmaterials in dieser Ausführungsform, können die Fasern zuverlässig und gleichsam miteinander verflochten werden, sodass es möglich wird, die Dichte der Nadelstoßpunkte auf ein geringeres Maß zu reduzieren. Aufgrund der oben beschriebenen und weiterer Umstände kann das oben beschriebene Halte- und Siegelmaterial für Katalysatoren entsprechend dieser Herstellungsmethode einfach und zuverlässig erhalten werden.

Darüber hinaus kann die Ausführung der vorliegenden Erfindung wie folgt abgewandelt werden.
Die Fasern können durch ein anderes mechanisches Faserflechtverfahren als dem Nadelstoßverfahren miteinander verflochten werden. Zusätzlich kann ein nichtmechanisches Faserflechtverfahren unter Benutzung von Wasserkraft, Luftkraft oder ähnlichem zum Einsatz kommen.
Die Form des Halte- und Siegelmaterials 1 kann frei verändert werden. Beispielsweise können konkave und konvexe Eingreifabschnitte 11 und 12 weggelassen werden, um eine einfachere Form zu liefern.
Die Form des Querschnittes des Katalysatorträgers 3 ist nicht auf einen Kreis beschränkt und eine elliptische oder längliche Form ist akzeptabel. In diesem Fall kann die Form des Querschnittes der Metallhülle zu einer elliptischen oder länglichen Form, welche dem entspricht, verändert werden. Andere Materialien als die kostbaren Metalle können auf dem Katalysatorträger 3 als Katalysator aufgebracht sein. Für den Katalysatorträger 3 wird ein in Bienenwabenform gebrachter Cogieritträger verwendet, jedoch kann auch ein Bienenwabenförmiger poröser gesinterter Körper, wie beispielsweise Siliziumkarbid oder Siliziumnitrit, verwendet werden.
Das Halte- und Siegelmaterial 1 der vorliegenden Erfindung kann nicht nur für den Katalysator 5 für einen Abgasreinigungsapparat verwendet werden, sondern auch beispielsweise als Dieselpartikelfilter (DPF) und als Katalysator für einen Brennstoffzellenreformierungsapparat.

Claims

Ein Halte- und Siegelmaterial (1) angeordnet zwischen einem Katalysatorträger (3) und einer Metallhülle (2), welche den Katalysatorträger bedeckt, wobei das Halte- und Siegelmaterial (1) einen Faserkörper umfasst, welcher im Wesentlichen aus auf Tonerde-Silika basierenden Keramikfasern besteht, welche einen Mullit-Kristall-Gehalt von 10 % wt oder weniger haben und wobei Faserkörper einem Nadelstoßverfahren unterworfen wurden, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Halte- und Siegelmaterials (1) vor dem Zusammenbau ungefähr 1,1 bis 4,0 Mal so dick ist wie der Spalt zwischen dem Katalysatorträger (3) und der Metallhülle (2).
Das Halte- und Siegelmaterial (1) nach Anspruch 1, wobei die auf Tonerde-Silika basierenden Keramikfasern einen Mullit-Kristall-Gehalt von 0,5 bis 4 % wt haben.
Das Halte- und Siegelmaterial (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die genannten auf Tonerde-Silika basierenden keramischen Fasern eine chemische Zusammensetzung mit einem Tonerde-Gehalt zwischen 68 % wt und 83 % wt und einen Silika-Gehalt zwischen 17 % wt und 32 % wt haben.
Das Halte- und Siegelmaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das zwischen dem Katalysatorträger (3) und der Metallhülle (2) angeordnete Siegelmaterial einen Kontaktdruck von 0,02 Megapascal oder mehr aufweist.
Das Halte- und Siegelmaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dichte der genannten Nadelstoßpunkte zwischen 10 und 500 Punkten pro 100 cm² beträgt.
Das Halte- und Siegelmaterial (1) nach Anspruch 1, wobei einige der genannten keramischen Fasern in Richtung der Dicke des genannten Faserkörper miteinander verwoben sind.
Eine Methode zur Herstellung eines Halte- und Siegelmaterials (1) für einen Katalysator, welches zwischen einem Katalysatorträger (3) und einer Metallhülle (2), welche den Katalysatorträger bedeckt, angeordnet ist, wobei die Methode folgende Schritte umfasst: Durchführen von Faserspinnen, wobei als Rohmaterial eine wässrige Lösung verwendet wird, welche aus einer Mischung aus einem Aluminiumsalz, einem Kieselsol und einem organischem Polymer besteht, um auf Tonerde-Silika basierende keramische Fasern herzustellen; Stapeln der auf Tonerde-Silika basierenden keramischen Fasern, um einen Faserkörper herzustellen; Anwenden eines Nadelstoßverfahrens auf dem Faserkörper; Und Backen des dem Nadelstoßverfahren unterzogenen Faserkörpers um ein Halte- und Siegelmaterial (1) herzustellen, welches einen Faserkörper mit einem Mullit-Kristall-Gehalt von 10 % wt oder weniger hat, wobei die Dicke des Halte- und Siegelmaterials (1) vor dem Zusammenbau ungefähr 1,1 bis 4,0 Mal so groß ist wie die Größe des Spaltes zwischen dem Katalysatorträger (3) und der Metallhülle (2).
Verfahren zur Herstellung eines Halte- und Siegelmaterials (1) nach Anspruch 7, wobei die Backtemperatur im genannten Backschritt 1100°C bis 1300°C beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Halte- und Siegelmaterials (1) nach Anspruch 8, wobei die Backzeit in genanntem Backschritt 1 bis 60 Minuten beträgt.
Ein Katalysator (5) umfassend: einen Katalysatorträger (3); eine Metallhülle (2), welche genannten Katalysatorträger (3) bedeckt; und ein Halte- und Siegelmaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welches zwischen dem Katalysator (3) und der Metallhülle (2) angeordnet ist.