DE60129815T2 - Wabenförmige keramische struktur und verfahren zur herstellung derselben - Google Patents

Wabenförmige keramische struktur und verfahren zur herstellung derselben Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen keramischen Wabenstrukturkörper, der beispielsweise eine hohe Auffangeffizienz bei geringem Druckverlust erzielen kann und geeigneterweise als Dieselpartikelfilter (DPF) eingesetzt werden kann, sowie Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In den letzten Jahren haben Dieselpartikelfilter (DPF) zum Auffangen von Partikeln, die von Dieselmotoren ausgestoßen werden, Aufmerksamkeit auf sich gezogen, wobei erforderlich ist, dass diese eine hohe Auffangeffizienz bei geringem Druckverlust erzielen.
  • Als DPF wurden herkömmlicherweise Wabenstrukturkörper aus Cordierit eingesetzt; um eine hohe Auffangeffizienz bei geringem Druckverlust wie oben beschrieben zu erzielen, wurden bisher Verbesserungen an den Wabenstrukturkörpern in Hinblick auf deren Porosität und Porenverteilung vorgenommen.
  • EP 0753490 (entspricht JP-A-9-77573 ) offenbart eine Wabenstruktur mit einer spezifizierten Porenverteilung auf der Oberfläche der Trennwände mit einer gesteigerten Porosität von 55 bis 80% und einer gesteigerten mittleren Porengröße von 25 bis 40 μm. JP-A-11-333293 beschreibt einen Wabenstrukturkörper mit einer gesteigerten Porosität zusätzlich zu dünnen Trennwänden, deren Dicke einen vorgeschriebenen Wert aufweist oder darunter liegt.
  • Zusätzlich dazu offenbart JP-B-7-38930 das Herstellungsverfahren für einen Wabenstrukturkörper mit einer hohen Porosität unter Einsatz eines Cordierit-bildenden Rohmaterials, das ein Talkpulver und ein Siliciumdioxidpulver enthält, die jeweils aus gröberen Teilchen mit einer Teilchengröße, die einen vorgeschriebenen Wert aufweist oder darüber liegt, bestehen. Das japanische Patent Nr. 2726616 offenbart ei nen Wabenstrukturkörper mit einer spezifizierten Porenverteilung und Oberflächenrauigkeit zusätzlich zu einer hohen Porosität.
  • Um die Porosität zu steigern, wird nach dem zuvor beschriebenen Stand der Technik ein Cordierit-bildendes Rohmaterial zu groben Teilchen pulverisiert, Graphit, Holzmehl und ein Schaumbildner oder dergleichen werden als porenbildende Mittel zugesetzt, wobei jedoch noch keine ausreichend zufrieden stellenden Wirkungen erzielt werden konnten.
  • Genauer gesagt wird bei Pulverisierung eines Cordierit-bildenden Rohmaterials zu groben Teilchen die Reaktion zur Cordieritbildung nicht ausreichend fortgesetzt, so dass es schwierig ist, eine geringe Wärmeausdehnung zu erzielen. Wenn Graphit als porenbildendes Mittel eingesetzt wird, treten folgende Probleme auf: die dielektrische Konstante eines Formkörpers wird durch die Zugabe von Graphit reduziert, so dass es mit Steigerung der zugesetzten Graphitmenge zunehmend schwieriger wird, den Formkörper durch dielektrisches Trocknen oder Mikrowellentrocknen einheitlich zu trocknen. Weiters muss die Brenndauer im Bereich von 800 bis 1000°C in dem Brennverfahren so verlängert werden, dass es erforderlich ist, die schnelle Verbrennung des Graphits zu verhindern.
  • Wenn Stärke oder Holzmehle als porenbildendes Mittel eingesetzt werden, ist es erforderlich, eine große Menge an Wasser zuzusetzen, damit der Keramikkörper im Knetverfahren eine vorgeschriebene Härte erreicht, so dass die Effizienz des Trockenverfahrens mangelhaft wird; bei dem Brennverfahren brennen Stärke und Holzmehle zwischen 200 und 400°C schnell, wobei sie große Hitzemenge freisetzen, so dass es schwierig ist, die Sprungbildung beim Brennen zu verhindern. Wie oben beschrieben ist es gemäß dem Stand der Technik extrem schwierig, die Porosität über einen bestimmten Wert hinaus zu steigern.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Als Folge sorgfältiger Untersuchungen in Hinblick auf die oben beschriebenen Probleme in Bezug auf den Stand der Technik haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung diese basierend auf den Erkenntnissen erarbeitet, dass ein äußerst geringer Druckverlust und eine hohe Auffangeffizienz erzielt werden können, wenn die Porosität des Wabenstrukturkörpers auf einen vorbestimmten Wert oder darüber gesteigert wird und die Gesamtsumme der Flächen der auf den Trennwandoberflächen ausgebildeten Poren einen vorbestimmten Wert aufweist oder über diesem liegt, wobei die Porenfläche auf den Trennwandoberflächen beachtet wird, mit welchen Oberflächen das Abgas tatsächlich in Kontakt kommt und durch welche Oberflächen das Abgas hindurchtritt.
  • Anders ausgedrückt wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine keramische Wabenstruktur wie in Anspruch 1 dargelegt bereitgestellt.
  • In dem keramischen Wabenstrukturkörper der vorliegenden Erfindung beträgt die Gesamtfläche der auf den Trennwandoberflächen ausgebildeten Poren vorzugsweise 40% oder mehr der Gesamtfläche der Trennwandoberflächen, und die mittlere Teilchengröße beträgt 15 bis 25 μm. Weiters beträgt die Trennwanddicke vorzugsweise 300 μm oder weniger. Zusätzlich dazu beträgt die Durchlässigkeit vorzugsweise 1,5 bis 6 μm2. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des keramischen Wabenstrukturkörpers der vorliegenden Erfindung beträgt zwischen 40 und 800°C vorzugsweise 0,5 × 10–6/°C oder weniger.
  • Der keramische Wabenstrukturkörper der vorliegenden Erfindung kann geeigneterweise als Dieselpartikelfilter (DPF) zum Auffangen der von einem Dieselmotor ausgestoßenen Partikel eingesetzt werden.
  • Zusätzlich dazu wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Wabenstrukturkörpers wie in Anspruch 8 dargelegt bereitgestellt.
  • In dem Verfahren handelt es sich bei dem Kunstharz vorzugsweise um Poly(ethylenterephthalat) (PET), Poly(methylmethacrylat) (PMMA) oder Phenolharz oder eine Kombination davon, und die mittlere Teilchengröße des Rohmaterials Talk in dem Cordierit-bildenden Rohmaterial beträgt vorzugsweise 50 μm oder weniger, und die mittlere Teilchengröße des Rohmaterials Siliciumdioxid beträgt 60 μm oder weniger.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine REM-Fotografie des Rippenabschnitts des keramischen Wabenstrukturkörpers aus Beispiel 1.
  • 2 zeigt eine REM-Fotografie der Oberfläche einer Trennwand (Membranoberfläche) in dem keramischen Wabenstrukturkörper aus Beispiel 1.
  • 3 zeigt eine REM-Fotografie des Rippenabschnitts in dem Wabenstrukturkörper aus Beispiel 5.
  • 4 zeigt eine REM-Fotografie der Oberfläche einer Trennwand (Membranoberfläche) in dem keramischen Wabenstrukturkörper aus Beispiel 5.
  • 5 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen dem Prozentsatz der Gewichtsreduktion (TG) und den Wärmeströmen (DTA) der Proben aus Vergleichsbeispiel 7 und Beispiel 7 darstellt.
  • 6 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen der Rußablagerungszeit und dem Druckverlust darstellt.
  • Beste Art der Durchführung der vorliegenden Erfindung
  • Der keramische Wabenstrukturkörper der vorliegenden Erfindung weist eine chemische Zusammensetzung aus 42 bis 56 Gew.-% SiO2, 30 bis 45 Gew.-% Al2O3 und 12 bis 16 Gew-% MgO auf, wobei die kristalline Phase hauptsächlich aus Cordierit besteht, weist eine Porosität von 55 bis 65% und eine mittlere Teilchengröße von 15 bis 30 μm auf, und die Gesamtfläche der auf der Oberfläche der den keramischen Wabenstrukturkörper bildenden Trennwände ausgebildeten Poren beträgt 35% oder mehr der Gesamtfläche der Trennwandoberfläche.
  • In dem keramischen Wabenstrukturkörper der vorliegenden Erfindung liegt die Porosität im Bereich von 55 bis 65%. Wenn die Porosität weniger als 55% beträgt, kommt es zu einem unvorteilhaften Anstieg es Druckverlusts, während bei einer Porosität von mehr als 65% die mechanische Festigkeit des Wabenstrukturkörpers deutlich beeinträchtigt wird, so dass der Wabenstrukturkörper der tatsächlichen Verwendung nicht standhalten kann.
  • Zusätzlich dazu beträgt die mittlere Porengröße in dem keramischen Wabenstrukturkörper 15 bis 30 μm, vorzugsweise 15 bis 25 μm. Wenn die mittlere Porengröße unter 15 μm liegt, wird die Auffangeffizienz gesteigert, aber der Druckverlust wird unvorteilhaft hoch. Wenn die mittlere Porengröße andererseits mehr als 30 μm beträgt, ist der Druckverlust zufrieden stellend gering, aber es kommt zu einem Anstieg der Wahrscheinlichkeit, dass die Partikel in dem Abgas nicht aufgefangen werden, da sie durch die größeren Poren hindurchtreten. Wenn die Wanddicke der Trennwand des keramischen Wabenstrukturkörpers 300 μm oder weniger beträgt, kommt es zu einer deutlichen Beeinträchtigung der Auffangeffizienz. Zusätzlich dazu ist bei einer mittleren Porengröße von mehr als 30 μm und einer Porosität von weniger als 55% der anfängliche Druckverlust gering, aber mit fortschreitender Nutzungsdauer neigt der Druckverlust dazu, deutlich anzusteigen. Es wird in Betracht gezogen, dass die Partikel in dem Abgas dazu neigen, im Inneren der Trennwand abgelagert zu werden, indem sie durch die großen Poren hindurchtreten, und es kommt zu einem Anstieg der Wahrscheinlichkeit, dass die abgelagerten Partikel bei der Regeneration durch Verbrennung nicht verbrannt werden. Zusätzlich dazu wird ebenfalls berücksichtigt, dass auch bei einem Wabenkörper des Typs mit kontinuierlicher Regeneration, der einen Oxidationskatalysator auf der Trennwandoberfläche trägt, die Partikel auf ähnliche Weise unverbrannt bleiben und im Inneren der Trennwand abgelagert werden, wodurch es zu einem gesteigerten Druckverlust kommt. Dementsprechend liegt die mittlere Porengröße noch bevorzugter im Bereich von 15 bis 25 μm.
  • Zusätzlich dazu beträgt die Gesamtfläche der auf der Oberfläche der Trennwände, die den keramischen Wabenstrukturkörper bilden, ausgebildeten Poren in der vorliegenden Erfindung 35% oder mehr der Gesamtfläche der Trennwandoberfläche. Auf diese Weise, indem also die Gesamtfläche der auf der Oberfläche der Trennwand ausgebildeten Poren einen bestimmten Wert aufweist oder über diesem liegt, kann eine hohe Auffangeffizienz bei sehr geringem Druckverlust in Bezug auf das Abgas erzielt werden. Weiters beträgt die Gesamtfläche der auf der Trennwandoberfläche ausgebildeten Poren vorzugsweise 40% oder mehr der Gesamtfläche der Trennwandoberfläche, sowie 60% oder weniger.
  • Zusätzlich dazu liegt die Durchlässigkeit in dem keramischen Wabenstrukturkörper der vorliegenden Erfindung im Bereich von 1,5 bis 6 μm2. Ein Wabenstrukturkörper mit einer Durchlässigkeit in diesem Bereich kann eine hohe Auffangeffizienz bei geringem Druckverlust in Bezug auf das Abgas erzielen.
  • Hierin steht die Durchlässigkeit in der vorliegenden Beschreibung für einen numerischen Wert, der durch folgende Formel 1 erhalten wird:
    Figure 00060001
  • In der obenstehenden Formel steht C für die Durchlässigkeit (μm2), F für die Gasdurchflussrate (cm3/s), T für die Probendicke (cm), V für die Gasviskosität (Dyn·s/cm2), D für den Probendurchmesser (cm) und P für den Gasdruck (PSI). Zusätzlich dazu gelten für die numerischen Werte in der obenstehenden Formel folgende Beziehungen: 13,839 (PSI) = 1 (atm) und 68947,6 (Dyn/cm2) = 1 (PSI).
  • In dem keramischen Wabenstrukturkörper der vorliegenden Erfindung kann der Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen 40 und 800°C auf 0,5 × 10–6/°C oder weniger angepasst werden. Mit einem solchen Wärmeausdehnungskoeffizienten kann eine herausragende Temperaturschockbeständigkeit erzielt werden, so dass der Wabenstrukturkörper, auch wenn häufig starke Temperaturveränderungen auftreten, kaum beschädigt wird.
  • Da der keramische Wabenstrukturkörper der vorliegenden Erfindung wie oben beschreiben eine hohe Auffangeffizienz aufweist, kann der zusätzlich dazu geeigneterweise für einen dünnwandigen Wabenstrukturkörper mit einer Trennwanddicke von 300 μm oder weniger eingesetzt werden.
  • Dementsprechend kann der keramische Wabenstrukturkörper der vorliegenden Erfindung mit dem oben beschriebenen Aufbau besonders bevorzugt als Dieselpartikelfilter (DPF) zum Auffangen der durch einen Dieselmotor ausgestoßenen Partikel eingesetzt werden.
  • Nun wird das Verfahren zur Herstellung eines keramischen Wabenstrukturkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Der keramische Wabenstrukturkörper gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch folgende Verfahrensfolge hergestellt werden: Zunächst wird ein Cordierit-bildendes Rohmaterial hergestellt, wobei Talk, Kaolin, kalzinierter Kaolin, Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid und Siliciumdioxid in vorbestimmten Verhältnissen gemischt werden, so dass die chemische Zusammensetzung in dem Bereich liegt, der 42 bis 56 Gew.-% SiO2, 30 bis 45 Gew.-% Al2O3 und 12 bis 16 Gew.-% MgO enthält; dann werden 15 bis 25 Gew.-% Graphit und 5 bis 15 Gew.-% eines Kunstharzes, wie z.B. PET, PMMA und Phenolharz, als porenbildendes Mittel zugesetzt, und Methylcellulosen und ein Tensid werden in den vorbestimmten Mengen zu dem Rohmaterial zugesetzt, und anschließend wird eine geeignete Menge Wasser zugesetzt; das resultierende Gemisch wird zur Herausbildung eines Keramikkörpers geknetet. Dann wird der Keramikkörper einer Vakuumentgasung unterzogen, danach zu einer Wabenstruktur extrudiert, durch dielektrisches Trocknen, Mikrowellentrocknen oder Heißlufttrocknen getrocknet und anschließend in einem Temperaturbereich von 1400 bis 1435°C als Höchsttemperatur gebrannt, um den keramischen Wabenstrukturkörper der vorliegenden Erfindung herzustellen.
  • Zusätzlich dazu erfolgt das Verschließen der Endoberflächen des keramischen Wabenstrukturkörpers in einem versetzten Muster nach dem Trockenverfahren oder nach dem Brennverfahren, wenn der Wabenstrukturkörper erneut gebrannt wird.
  • Das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zu dem Cordierit-bildenden Rohmaterial 15 bis 25 Gew.-% Graphit als porenbildendes Mittel zugesetzt werden und gleichzeitig 5 bis 15 Gew.-% eines Kunstharzes, wie z.B. PET, PMMA oder Phenolharz, die alle einen geringen Wärmefluss während der Verbrennung aufweisen, zugesetzt werden. Dadurch ist es möglich, einen Cordierit-Wabenstrukturkörper mit einer Porosität von 55% oder mehr kostengünstig und in großem Maßstab herzustellen.
  • Wenn mehr als 25 Gew.-% Graphit in Bezug auf das Cordierit-bildende Rohmaterial zugesetzt werden, ist es schwierig, einheitliches Trocknen mittels dielektrischem Trocknen oder Mikrowellentrocknen durchzuführen, und gleichzeitig ist es erforderlich, dass die Verbrennungsdauer im Bereich von 800 bis 1000°C, in dem Graphit verbrannt wird, verlängert wird, damit die schnelle Verbrennung des Graphits verhindert wird. Wenn die Temperaturanstiegsrate im Verbrennungsbereich von Graphit zu hoch ist, wird Graphit rasch verbrannt, wodurch es zu einer weiten Temperaturverteilung in dem Wabenstrukturkörper kommt, was das Risiko der Entstehung von Sprüngen mit sich bringt. Zusätzlich dazu wird die Cordierit-bildende Reaktion, die bei einer hohen Temperatur von 1200°C oder mehr durchzuführen ist, beeinträchtigt, wenn der Graphit nicht verbrannt wird, was das Risiko einer Steigerung der Wärmeaus dehnung mit sich bringt. In Anbetracht der gewerblichen Produktion in großem Maßstab ist es demnach erforderlich, dass die zugesetzte Graphitmenge 25 Gew.-% oder weniger beträgt, noch bevorzugter 20 Gew.-% oder weniger. Es ist erforderlich, dass die Untergrenze für die zugesetzte Menge an Graphit in Hinblick auf die porenbildenden Eigenschaften und den Wärmefluss 15 Gew.-% oder mehr beträgt.
  • In der vorliegenden Erfindung wird es durch den Zusatz einer vorbestimmten Menge eines Kunstharzes mit relativ geringem Wärmefluss während der Verbrennung zu dem Graphit möglich, einen Wabenstrukturkörper mit einer hohen Porosität von 55% oder mehr herzustellen.
  • Zusätzlich dazu ist es zur Vergrößerung der Gesamtfläche der auf der Oberfläche der Trennwände eines Wabenstrukturkörpers ausgebildeten Poren, wie in dem keramischen Wabenstrukturkörper der vorliegenden Erfindung, erforderlich, die Porosität zu erhöhen, und gleichzeitig ist es notwendig, die durch Talk und Siliciumdioxid im Verlauf der Cordierit-bildenden Reaktion ausgebildeten Poren zu steuern. Wenn das Talk-Rohmaterial oder das Siliciumdioxid-Rohmaterial in Form von groben Teilchen vorliegt, ist es möglich, die mittlere Porengröße größer zu gestalten, aber die ausgebildeten Poren erscheinen nicht notwendigerweise auf den Trennwandoberflächen, was zur Bildung von groben Poren im Inneren der Trennwände führt. Das liegt daran, dass grobe Teilchen dazu neigen, sich während der Extrusion im zentralen Abschnitt der Trennwand zusammenzuballen.
  • In der vorliegenden Erfindung wird es demnach möglich, Poren wirksam auf der Oberfläche der Trennwände auszubilden, indem die mittlere Teilchengröße des Talk-Rohmaterials so gesteuert wird, dass sie 50 μm oder weniger beträgt, und die mittlere Teilchengröße des Siliciumdioxid-Rohmaterials so gesteuert wird, dass sie 60 μm oder weniger beträgt, wobei beide Materialien für die Porenbildung von Bedeutung sind; in der Folge kann das Verhältnis der Gesamtfläche der auf den Oberflächen der Trennwände in einem Wabenstrukturkörper ausgebildeten Poren zu der Gesamtfläche der Trennwandoberflächen so gestaltet werden, dass es 35% oder mehr be trägt. Außerdem liegt die mittlere Teilchengröße des Talk-Rohmaterials noch bevorzugter im Bereich von 20 bis 50 μm und die mittlere Teilchengröße des Siliciumdioxid-Rohmaterials im Bereich von 20 bis 60 μm.
  • Untenstehend wird die vorliegende Erfindung basierend auf spezifischen Beispielen beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
  • (Beispiele 1 bis 11 und Vergleichsbeispiele 1 bis 16)
  • Die in Tabelle 1 angeführten Cordierit-bildenden Rohmaterialien und porenbildenden Mittel wurden gemäß den in Tabelle 2 angeführten entsprechenden Gehaltsverhältnissen gemischt; zu den so erhaltenen Gemischen wurden Methylcellulose und Hydroxypropoxylmethylcellulose jeweils in einer Menge von 2 Gew.-% zugesetzt, wonach eine Fettsäureseife in einer Menge von 0,5 Gew.-% als Tensid und weiters eine angemessene Menge Wasser zur Bildung der entsprechenden Tonmischungen zugesetzt wurden. Dann wurde unter Verwendung dieser Tonmischungen, wie in Tabelle 3 angeführt, eine Reihe von Wabenstrukturkörper mit ϕ150 mm × 150 mm (Länge) extrudiert, wobei die Zellstruktur so aussah, dass entweder die Wanddicke 300 μm und die Anzahl der Zellen 31 Zellen/cm2 betrug oder die Wanddicke 430 μm und die Anzahl der Zellen 16 Zellen/cm2 betrug. Die entsprechenden Extrusionskörper wurden zur Entfernung des Wassers dielektrischem Trocknen und Heißlufttrocknen unterzogen. Dann wurde der Formkörper unter Bedingungen gebrannt, bei denen die Maximaltemperatur 1415°C und die Verweildauer auf der Maximaltemperatur 8 h betrug; beide Endflächen wurden abwechselnd in einem vernetzten Muster mit einem schlickerähnlichen Cordierit-bildenden Rohmaterial verschlossen, wonach die entsprechenden Formkörper erneut bei einer Maximaltemperatur von 1420°C gebrannt wurden, wodurch die entsprechenden keramischen Wabenstrukturkörper als Bewertungsproben hergestellt wurden.
  • Die physikalischen Eigenschaften und die Bewertungsergebnisse der so erhaltenen Wabenstrukturkörper sind in Tabelle 3 angeführt.
  • Figure 00120001
  • Figure 00130001
  • Figure 00140001
  • Die Messungen der mittleren Porengröße, der Porosität, des Verhältnisses der Gesamtfläche der auf den Trennwandoberflächen ausgebildeten Poren zu der Gesamtfläche der Trennwandoberflächen (Flächenanteil), der Durchlässigkeit, des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 40 und 800°C (CTE), des Druckverlusts und der Auffangeffizienz eines keramischen Wabenstrukturkörpers wurden wie folgt durchgeführt.
  • Die mittlere Porengröße und die Porosität wurden anhand der mittels des Quecksilberintrusionsverfahrens ermittelten Porenverteilung bestimmt. Die Porosität wurde anhand des Gesamtporenvolumens berechnet.
  • Flächenverhältnis: Der Flächenanteil der auf den Trennwandoberflächen ausgebildeten Poren wurde durch die Analyse einer mittels REM erhaltenen Fotografie der Trennwandoberflächen unter Einsatz einer Bildanalysevorrichtung ermittelt.
  • CTE: Die Messung erfolgte durch das Differentialmessverfahren unter Einsatz einer Quarzstandardprobe.
  • Durchlässigkeit: Ein Abschnitt der Trennwand wurde aus einem keramischen Wabenstrukturkörper herausgeschnitten und so bearbeitet, dass die konkaven und konvexen Teile zur Herstellung einer Testprobe entfernt wurden; die Probe wurde so zwischen einem Paar Probehaltevorrichtungen mit ϕ20 mm platziert, dass kein Gas ausströmen konnte, wobei ein Element mit der oberen Fläche der Testprobe und das andere mit der unteren Fläche der Testprobe in Kontakt stand, wonach ein Gas mit bestimmtem Gasdruck in die Probehaltevorrichtung einströmen gelassen wurde; die Durchlässigkeit wurde anhand der Gasmenge, die durch die Testprobe hindurchtrat, basierend auf folgender Formel 1 erhalten:
    Figure 00150001
  • In der obenstehenden Formel steht C für die Durchlässigkeit (μm2), F für die Gasdurchflussrate (cm3/s), T für die Probendicke (cm), V für die Gasviskosität (Dyn·s/cm2), D für den Probendurchmesser (cm) und P für den Gasdruck (PSI). Zusätzlich dazu gelten für die numerischen Werte in der obenstehenden Formel folgende Beziehungen: 13,839 (PSI) = 1 (atm) und 68947,6 (Dyn/cm2) = 1 (PSI).
  • Druckverlust: Ruß wurde unter Einsatz eines Leichtölgasbrenners erzeugt, und ein DPF wurde in einer Position stromab des Brenners angeordnet; das Verbrennungsgas, das den Ruß enthielt, wurde dazu veranlasst, in den DPF mit einer Gasdurchflussrate von 2,4 Nm3/min und einer Temperatur von etwa 150°C einzuströmen; der Druckverlust wurde anhand der mit der Zeit verursachten Variation des gemessenen Druckunterschieds vor und nach dem DPF ermittelt, während der Ruß in dem DPF abgelagert wurde.
  • Auffangeffizienz: Ruß wurde unter Einsatz eines Leichtölgasbrenners erzeugt, und ein DPF wurde in einer Position stromab des Brenners angeordnet; das Verbrennungsgas, das den Ruß enthielt, wurde dazu veranlasst, in den DPF mit einer Gasdurchflussrate von 2,4 Nm3/min und einer Temperatur von etwa 150°C einzuströmen; die Auffangeffizienz wurde anhand des Gewichtsverhältnisses zwischen den Rußgewichten in den bestimmten Gasteilströmen ermittelt, die jeweils vom Gasstrom in einer Position stromab und stromauf des DPF abgezweigt wurden.
  • (Erläuterung)
  • 1 zeigt eine REM-Fotografie des Rippenabschnitts des keramischen Wabenstrukturkörpers aus Beispiel 1, und 2 zeigt eine REM-Fotografie der Trennwandoberfläche (Membranoberfläche) des keramischen Wabenstrukturkörpers aus Beispiel 1.
  • Zusätzlich dazu zeigt 3 eine REM-Fotografie des Rippenabschnitts des keramischen Wabenstrukturkörpers aus Vergleichsbeispiel 5, und 4 zeigt eine REM- Fotografie der Trennwandoberfläche (Membranoberfläche) des keramischen Wabenstrukturkörpers aus Vergleichsbeispiel 5.
  • In den beiden Fotografien in 2 und 4 entsprechen die weißen Flächen (die gelblichen Flächen in statt der Zeichnungen vorgelegten Fotografien) den auf der Trennwandoberfläche ausgebildeten Poren (Oberflächenporen). Der hohe Flächenanteil der Oberflächenporen führt zu einer Senkung des anfänglichen Druckverlusts.
  • 3 und 4 zeigen die Feinstruktur des Wabenstrukturkörpers aus Vergleichsbeispiel 5.
  • Aus den Fotografien in 3 und 4 geht hervor, dass sich in dem Rippenabschnitt von Vergleichsbeispiel 5 sehr große Poren in der Nähe des zentralen Teils der Rippe zusammenballen, was auf die Verwendung von Siliciumdioxid-Rohmaterial zurückzuführen ist, das grobe Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 75 μm umfasst. Es ist bekannt, das es durch die Verwendung von Talk- oder Siliciumdioxid-Rohmaterial mit groben Teilchen zur Ausbildung von großen Poren kommt; die groben Rohmaterialteilchen ballen sich jedoch bei Ausbildung der Wabenstruktur mittels Extrusion in der Nähe des zentralen Teils der Rippe zusammen, wodurch die großen Poren nur im zentralen Teil der Rippen entstehen. In der Fotografie der Membranoberfläche von Vergleichsbeispiel 5 betrug die Gesamtfläche der auf den Trennwandoberflächen ausgebildeten Poren nur 20%. Vergleichsbeispiel 5 weist keinen so hohen Druckverlust auf, jedoch ist die Auffangeffizienz mit 80% aufgrund der Wirkung der großen Poren mangelhaft.
  • In Beispiel 1, das in 1 und 2 dargestellt ist, wurde ein Kunstharz aus PET als porenbildendes Mittel gemeinsam mit Graphit zur Steigerung der Porosität eingesetzt. In der Folge war die Porosität mit 63% hoch. Es wurde auch bestätigt, dass die Verwendung eines Kunstharzes die Wirkung hatte, die Porosität des Wabenstrukturkörpers zu steigern und gleichzeitig die Oberflächenporen zu vermehren, wie aus dem Erscheinungsbild der oberen Endfläche und der unteren Endfläche des Rippenabschnitts in 1 ersichtlich ist. Als die Fotografie in 2 einer Bildanalyse unterzo gen wurde, wurde festgestellt, dass der Flächenanteil der Oberflächenporen in Beispiel 1 45% betrug, und in der Folge betrug die Durchlässigkeit, wie in Tabelle 3 angeführt, 4,8 μm2, der anfängliche Druckverlust wurde auf ein sehr niedriges Maß von 65 mmHg gedrückt, und die Auffangeffizienz erreichte ein Ausmaß von 95%.
  • Herkömmlicherweise wurden Stärke und dergleichen als porenbildende Mittel als Ersatz von Graphit eingesetzt, aber wenn diese in großer Menge eingesetzt werden, tritt das Problem auf, dass "Sprünge" während des Trockenverfahrens, des Brennverfahrens und dergleichen entstehen. 5 zeigt das Verhältnis zwischen dem Prozentsatz der Gewichtsreduktion (TG) und dem Wärmefluss (DTA) in der Paste (Vergleichsbeispiel 7: Charge 6-2), die 10 Gew.-% Stärke (Maisstärke) und 20 Gew.-% Graphit enthält, und jenes in der Paste (Beispiel 7: Charge 12), die 10 Gew.-% eines Kunstharzes (PET) und 20 Gew.-% Graphit enthält.
  • Wie aus 5 hervorgeht, kam es bei Verwendung von Stärke als porenbildendes Mittel zur thermischen Zersetzung derselben etwa in dem Temperaturbereich von 300°C bis 350°C, wodurch große Hitze freigesetzt wurde (siehe gepunktete DTA-Linie), und die resultierende Wärmebeanspruchung verursachte die Entstehung von Sprüngen während des Brennverfahrens. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Verwendung von PET, PMMA, Phenolharz, vernetztem Polystyrol oder dergleichen als porenbildendes Mittel den Vorteil hat, dass der Wärmefluss in dem betroffenen Temperaturbereich so niedrig gehalten wurde (siehe durchgehende DTA-Linie), dass es während des Brennverfahrens kaum zur Entstehung von Sprüngen kam.
  • 6 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen der Rußablagerungszeit und dem Druckverlust zeigt.
  • In 6 zeigt die durchgehende Linie das Ergebnis für den Wabenstrukturkörper aus Beispiel 1, und die unterbrochene Linie in 6 zeigt das Ergebnis für den Wabenstrukturkörper aus Vergleichsbeispiel 5.
  • Die Bedingungen für die Rußablagerung waren wie folgt: Ein Leichtölgasbrenner wurde zur Erzeugung eines Gases mit einer Temperatur von etwa 150°C eingesetzt, und das so erzeugte Gas wurde dazu veranlasst, mit einer Gasdurchflussrate von 2,4 Nm3/min in DPF einzuströmen, die aus den Wabenstrukturkörpern aus Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 5 hergestellt worden waren.
  • Wie aus den Ergebnissen in 6 hervorgeht, wurde der Druckverlustanstieg bei dem Wabenstrukturkörper aus Beispiel 1, in dem die Porosität 63% betrug und der Flächenanteil 45% betrug, auch nachdem eine bestimmte Zeit vergangen war, nicht hoch, während der Druckverlust bei dem Wabenstrukturkörper aus Vergleichsbeispiel 5, in dem die Porosität 50% betrug und der Flächenanteil mit 20% gering war, im Lauf der Zeit größer wurde.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Wie oben beschrieben ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, einen keramischen Wabenstrukturkörper, der einen geringen Druckverlust und eine hohe Auffangeffizienz erzielen kann, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.

Claims (10)

  1. Keramischer Wabenstrukturkörper, der eine chemische Zusammensetzung aus 42 bis 56 Gew.-% SiO2, 30 bis 45 Gew.-% Al2O3 und 12 bis 16 Gew.-% MgO aufweist, wobei die kristalline Phase hauptsächlich aus Cordierit besteht, eine Porosität von 55 bis 65 % und eine mittlere Porengröße von 15 bis 30 μm aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche der Poren, die auf der Oberfläche der Trennwände ausgebildet sind, die den keramischen Wabenstrukturkörper bilden, 35% oder mehr der Gesamtoberfläche der Trennwandoberflächen beträgt.
  2. Keramischer Wabenstrukturkörper nach Anspruch 1, wobei die Gesamtfläche der Poren, die auf der Oberfläche der Trennwände ausgebildet sind, 40% oder mehr der Gesamtoberfläche der Trennwandoberfläche beträgt.
  3. Keramischer Wabenstrukturkörper nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mittlere Porengröße 15 bis 25 μm beträgt.
  4. Keramischer Wabenstrukturkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Dicke der Trennwände 300 μm oder weniger beträgt.
  5. Keramischer Wabenstrukturkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Durchlässigkeit 1,5 bis 6 μm2 beträgt.
  6. Keramischer Wabenstrukturkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen 40 und 800°C 0,5 × 10–6/°C oder weniger beträgt.
  7. Keramischer Wabenstrukturkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der als Dieselpartikelfilter eingesetzt werden kann.
  8. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Wabenstrukturkörpers, der eine chemische Zusammensetzung aus 42 bis 56 Gew.-% SiO2, 30 bis 45 Gew.-% Al2O3 und 12 bis 16 Gew.-% MgO aufweist, wobei die kristalline Phase hauptsächlich aus Cordierit besteht, eine Porosität von 55 bis 65% und eine mittlere Porengröße von 15 bis 30 μm aufweist; und wobei die Gesamtfläche der Poren, die auf der Oberfläche der Trennwände ausgebildet sind, die den keramischen Wabenstrukturkörper bilden, 35% oder mehr der Gesamtoberfläche der Trennwandoberflächen beträgt, wobei 15 bis 25 Gew.-% Graphit und 5 bis 15 Gew.-% eines Kunstharzes als Porenbildner zu einem Cordierit-bildenden Rohmaterial zugesetzt werden, das resultierende Material geknetet und in eine Wabenform gebracht wird und der so gebildete Körper getrocknet und gebrannt wird, um den keramischen Wabenstrukturkörper herzustellen.
  9. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Wabenstrukturkörpers nach Anspruch 8, wobei das Kunstharz Poly(ethylenterephthalat) (PET), Poly(methylmethacrylat) (PMMA), vernetztes Polystyrol und ein phenolisches Harz oder eine Kombination von diesen sein kann.
  10. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Wabenstrukturkörpers nach Anspruch 8 oder 9, wobei in dem Cordierit-bildenden Rohmaterial die mittlere Teilchengröße des Rohmaterials Talk 50 μm oder weniger und die mittlere Teilchengröße des Rohmaterials Siliciumdioxid 60 μm oder weniger beträgt.
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