DE69111115T2

DE69111115T2 - Verfahren zur Herstellung poröser Keramikfilter unter Verwendung von Talk- und SiO2-Pulver enthaltendem Cordierit.

Info

Publication number: DE69111115T2
Application number: DE69111115T
Authority: DE
Inventors: Seiichi Asami; Kunikazu Hamaguchi; Kazuhiko Kumazawa
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1991-04-02
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2011-04-03
Also published as: JPH03284313A; EP0450899A3; EP0450899A2; EP0450899B1; JPH0738930B2; DE69111115D1; US5185110A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Keramikfilters, der aus einer Cordierit-Zusammensetzung gebildet ist, und im speziellen ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Keramikfilters, der sich zum Entfernen von Ruß oder anderen, in den von einem Dieselmotor abgegebenen Abgasen enthaltenen teilchenförmigen Stoffen eignet.
In letzter Zeit sind verschiedene Arten von porösen Wabenfiltern, bei denen eine Cordierit-Wabenstruktur mit porösen Trennwänden zum Einsatz kommt, als poröse Keramikfilter vorgeschlagen worden, die die Funktion der Filterung von Fluids, wie z.B. Gasen, erfüllen können. Beispielsweise werden poröse Wabenfilter als sogenannte "Dieselteilchenfilter" zum Entfernen von Stoffteilchen aus von einem Dieselmotor abgegebenen Abgasen verwendet. Diese Dieselteilchenfilter werden grob in einen Typ mit hoher und einen mit geringer Abfangleistung klassifiziert. Der geeignete Typ wird je nach den spezifischen Erfordernissen gewählt.
Die JP-A-61/1 29015 schlägt als porösen Keramikwabenfilter mit verbessertem Filtervermögen einen Abgasemissionsreinigungsfilter vor, bei dem die Größe der nahe der Oberfläche der Trennwände der Wabenstruktur ausgebildeten Poren spezifisch gesteuert bzw. eingestellt wird. Im speziellen bestehen diese Poren aus relativ kleinen Poren, deren Durchmesser in einen Bereich von 540 um fallen, und relativ großen Poren, deren Durchmesser in einen Bereich von 40-100 um fallen. Dieser Abgasemissionsreinigungsfilter wird aus einer Keramikzusammensetzung hergestellt, mit der ein geeignetes Schäum- oder Treibmittel vermischt wird. Ein(e) aus dieser Keramikzusammensetzung gebildete(r) grüne(r) Wabenformkörper bzw. -struktur wird bei einer erhöhten Temperatur gebrannt, wodurch aufgrund des Erhitzens der Keramikzusammensetzung in Gegenwart des darin eingemischten Schäummittels Poren in den Trennwänden ausgebildet werden.
Die JP-B-61/54750 offenbart poröse Wabenfilter mit einem großen Abfang- Kapazitätsbereich von einem Typ mit hoher bis zu einem Typ mit geringer Abfangleistung. Die darin geoffenbarten porösen Wabenfilter weisen eine gesteuerte offene Porosität (Verhältnis zwischen dem Volumen an offenen Poren und jenem an nicht offenen Poren) und gesteuerte durchschnittliche Porengrößen auf. Die JP-A- 58/70814 lehrt, daß der Druckverlust im porösen Keramikwabenfilter gesenkt werden kann, indem die Trennwände der Wabenstruktur mit großen Poren mit einer Größe von beispielsweise 100 um oder darüber ausgebildet werden.
Im allgemeinen sind die folgenden drei Merkmale wichtig für die Bestimmung der Gesamtfilterfunktion oder -fähigkeit ei nes porösen Keramikwabenfilters. Diese Merkmale sind: a) Abfangleistung (Verhältnis zwischen den aus einem behandelten Fluid entfernten Stoffteilchen und den nicht entfernten); b) Druckverlust (Ausmaß des Druckabfalls im durch den Filter strömenden, behandelten Fluid); und c) nominale Betriebsdauer (Zeitdauer vom Beginn der Verwendung des Filters bis zu dem Zeitpunkt, wo der Druckverlust bis zu einer Obergrenze ansteigt). In dieser Hinsicht ist es von Bedeutung anzumerken, daß die Abfangleistung proportional zum Druckverlust ist. Genauer gesagt führt eine Zunahme der Abfangleistung zu einer unerwünschten Zunahme des Druckverlustes und einer daraus folgenden Abnahme der Betriebsdauer. Wenn der Filter für ein vergleichsweise verringertes Ausmaß an Druckverlust ausgebildet ist, kann die Betriebsdauer verlängert werden, aber die Abfangleistung wird ungünstig verringert.
Das wichtigste Merkmal des porösen Keramikwabenfilters ist die Abfangzeit, d.h. die Zeitdauer, über die der Filter arbeiten kann, während der Druckverlust unter der zulässigen Obergrenze gehalten wird. Aus dem oben angeführten Grund ist es jedoch als schwierig erachtet worden, die Abfangzeit zu verlängern, während eine ausreichend hohe Abfangleistung beibehalten wird. In Hinblick darauf sein angemerkt, daß eine Zunahme der nominalen Betriebsdauer eines porösen Keramikwabenfilters eine Abnahme des erforderlichen Volumens des Filters für eine spezifische Anwendung bedeutet; die Abnahme im erforderlichen Volumen trägt zu einer Verbesserung der Beständigkeit des Filters gegen Thermoschock oder Spannungen bei. Daher ist es wünschenswert, die Betriebsdauer (Lebensdauer) des Filters zu erhöhen, insbesondere, wenn der verunreinigte oder verstopfte Filter durch Ausbrennen der Verunreinigungen und Stoffteilchen regeneriert werden kann, wie im Fall des für einen Dieselmotor verwendeten Dieselteilchenfilters.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten porösen Keramikfilters bereitszustellen, der eine verlängerte nominale Betriebsdauer und einen verringerten Druckverlust aufweist, während eine ausreichend hohe Abfangleistung beibehalten wird.
Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Keramikwabenfilters bereitgestellt, das folgende Schritte umfaßt: (a) Herstellen einer Cordierit-Zusammensetzung, die eine Talkpulver-Komponente und eine Silikapulver- Komponente umfaßt, wobei Teilchen der Talkpulver-Komponente und der Silikapulver- Komponente, deren Größe 150 um oder mehr beträgt, nicht mehr als 3 Gew.-% der Cordierit-Zusammensetzung ausmachen, während Teilchen der Talk- und Silikapulver- Komponenten, deren Größe 45 um oder weniger beträgt, nicht mehr als 25 Gew.-% der Cordierit-Zusammensetzung ausmachen; (b) Formen eines Grünkörpers für den porösen Keramikwabenfilter aus der Cordierit-Zusammensetzung im Gemisch mit einem Porenbildner; und (c) Brennen des Grünkörpers.
Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die wie oben beschrieben hergestellte Cordierit-Zusammensetzung vewendet wird, ermöglicht die Herstellung eines porösen Keramikwabenfilters, dessen Hauptkristallphase Cordierit ist und dessen Poren hauptsächlich aus Poren mit einem Durchmesser von 10-50 um bestehen, wobei eine kleine Anzahl von Poren einen Durchmesser von 100 um oder mehr aufweist. Diesem porösen Keramikwabenfilter wird eine relativ lange nominale Betriebsdauer verliehen, ohne daß die Filterleistung verringert wird. Es ist anerkannt, daß die Poren, deren Durchmesser nicht weniger als 100 um beträgt, die Filterleistung beträchtlich verringern. Es sei auch angemerkt, daß die Poren, deren Durchmesser in den Bereich von 10-50 um fällt, zu einer Erhöhung der Betriebsdauer des Filters und zu einer Verringerung des Druckverlustes beitragen. Im speziellen kann der Druckverlust in einem durch den Filter strömenden Fluid minimiert werden, sodaß die Stoffteilchen wirksam aus dem Fluid entfernt werden, indem die Anzahl solcher relativ kleiner Poren mit 10-50 um erhöht wird. Mit anderen Worten, die Abfangfunktion oder -kapazität des porösen Keramikwabenfilters kann beträchtlich verbessert werden, indem die Anzahl solcher kleiner Poren mit 10-50 um erhöht wird, während die Anzahl der Poren, deren Größe geringer als 10 um oder größer als 100 um ist, gesteuert wird, wie oben beschrieben. Daher weist der gemäß vorliegender Erfindung hergestellte poröse Keramikwabenfilter eine verlängerte Betriebsdauer bei verringertem Druckverlust auf, während eine hohe Abfangleistung (90% oder mehr) beibehalten wird. Das vorliegende Verfahren ist besonders gut zur Herstellung eines porösen Keramikwabenfilters für Emissionen aus einem Dieselmotor, d.h. eines "Dieselteilchenfilters", geeignet.
Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte poröse Keramikwabenfilter weist im allgemeinen eine offene Porosität von 45-60%, ein Porenvolumen von nicht mehr als 10% an Poren mit einem Durchmesser von 100 um oder mehr und ein Porenvolumen von nicht weniger als 65% an Poren mit einem Durchmesser im Bereich von 10-50 um auf. Vorzugsweise beträgt das Porenvolumen der Poren mit einem Durchmesser von 100 um oder mehr 5% oder weniger, während das Porenvolumen der Poren mit einem Durchmesser von 10-50 um 70% oder mehr beträgt. Wenn die offene Porosität des Filters geringer als 45% ist, besteht die Tendenz zur Verkürzung der Betriebsdauer bei relativ großem Druckverlust im vorliegenden Fluid, selbst wenn die Porengröße wie oben beschrieben gesteuert wird. Wenn die offene Porosität des Filtes 60% übersteigt, ist die mechanische Festigkeit des Filters unzureichend, und es muß eine große Menge eines Porenbildners, wie z.B. Graphit, eingesetzt werden, der die erforderliche Brenndauer und folglich die erforderliche Dauer des Produktionszyklus ungünstig erhöht.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines porösen Keramikwabenfilters wird zuerst eine Cordierit-Zusammensetzung hergestellt, die eine Talkpulver-Komponente, wie z.B. Talk oder kalzinierten Talk, und eine Silikapulver- Komponente, wie z.B. nicht-kristalline Silika, umfaßt und die weiters geeignete Additive, wie Kaolin, kalziniertes Kaolin, Aluminiumoxid (Tonerde) und Aluminiumhydroxid umfaßt. Im allgemeinen umfaßt die Cordieritzusammensetzung 42- 56 Gew.-% SiO&sub2;, 3045 Gew.-% Al&sub2;O&sub3; und 12-16 Gew.-% MgO.
Diese Cordieritzusammensetzung wird nach dem hierin geoffenbarten Prinzip hergestellt, sodaß die Teilchen des Talkpulvers und des Silikapulvers, deren Größe 150 um oder mehr beträgt, 3 Gew.-% oder weniger der gesamten Cordieritzusammensetzung ausmachen, während die Teilchen des Talk- und des Silikapulvers, deren Größe 45 um oder weniger beträgt, 25 Gew.-% oder weniger der gesamten Cordieritzusammensetzung darstellt. Die Verwendung der so hergestellten Cordieritzusammensetzung ermöglicht es, daß der hergestellte poröse Keramikwabenfilter bei einer begrenzten Zunahme des Druckverlustes eine wirksam erhöhte nominale Betriebsdauer sowie eine hohe Abfangleistung von 90% oder darüber aufweist. Das Volumen der Poren mit einer Größe von 100 um oder mehr kann weiter verringert werden, während das Volumen der Poren mit einer Größe von 10-50 um erhöht werden kann, wenn die Talk- und Silikateilchen, deren Größe 150 um oder mehr beträgt, nicht mehr als 1 Gew.-% der gesamten Cordieritzusammensetzung ausmachen und die Teilchen, deren Größe 45 um oder weniger beträgt, nicht mehr als 20 Gew.-% der gesamten Cordieritzusammensetzung ausmachen.
Zum Einstellen der Porosität und anderer Eigenschaften des herzustellenden Filters wird der wie oben beschrieben hergestellten Cordieritzusammensetzung der Porenbildner, wie z.B. Graphit, zugegeben. Weiters werden dem erhaltenen Gemisch ein Plastifikator und ein Binder zugegeben, die auf herkömmliche Weise verwendet werden, um das Gemisch in eine formbare Charge zum Extrudieren zu plastifizieren. Unter Verwendung der so hergestellten Charge wird ein grüner Wabenkörper für den gewünschten porösen Keramikwabenfilter durch Extrudieren gebildet. Der Grünkörper wird getrocknet und der getrocknete Grünkörper bei einer Temperatur zwischen 1380ºC und 1440ºC gebrannt. Auf diese Art wird der gewünschte poröse Keramikkörper hergestellt.
Die Poren werden im gebrannten Filter aufgrund der Brennreaktion der Cordieritzusammensetzung gebildet, primär basierend auf dem Gerüst, das aus der Talkpulver-Komponente, wie z.B. Talk oder kalziniertem Talk, und der Silikapulver- Komponente, wie z.B. nicht-kristall iner Silika, besteht. Insbesondere die Verwendung der Silikapulver-Komponente, die typischerweise nichtkristalline Silika ist, erleichtert die Einstellung der Porengröße, da das Silikapulver bei einer höheren Temperatur stabil bleibt als die anderen Materialien und bei 1350ºC oder darüber schmilzt und diffundiert. Das Silikapulver ermöglicht die Bildung der Poren mit relativ konstanter Größe, die der Teilchengröße des Ausgangspulvers entspricht.
Während die Poren basierend auf dem aus dem Porenbildner und anderen Additiven, sowie den Talk- und Silikapulver-Komponenten bestehenden Gerüst gebildet werden, kann das Verfahren, nach dem die Poren ausgebildet werden, folgendermaßen erklärt werden. Zunächst verschwindet der Porenbildner, wie z.B. Graphit, oder wird bei einer Temperatur um 1000ºC ausgebrannt. Dann findet die Reaktion des Talkpulvers statt, und bei einer Temperatur von etwa 1280ºC oder darüber tritt eine flüssige Cordierit- Phase auf, wodurch durch das Gerüst der Talkpulver-Komponente winzige Poren gebildet werden. Eine darauffolgende Reaktion dieser Komponente bewirkt die Reduktion des Gerüsts. Andererseits schmilzt die Silikapulver-Komponente bei einer weiter erhöhten Temperatur von etwa 1350ºC oder darüber und diffundiert, was winzige Poren erzeugt. Daher steuert die Größe der später vom Gerüst des Silikapulvers gebildeten Poren die Größe der im hergestellten Filter gebildeten Poren, sodaß die im wesentlichen konstante Größe der Poren im Filter der Teilchengröße des Silikapulvers entspricht. Zum Ausbilden der Poren, deren Größen in einen Bereich von 10-50 um fallen, ist es besonders wünschenswert, das Silikapulver zu verwenden, dessen durchschnittliche Teilchengröße im Bereich von 30 um bis 50 um liegt.
Im Fall eines porösen Keramikwabenfilters, wie des "Dieselteilchenfilters", ist es wichtig, den Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verringern und die Beständigkeit gegenüber thermischen Spannungen zu erhöhen. Ein solcher poröser Keramikwabenfilter wird wärmebehandelt, um die Verunreinigungen, wie z.B. Ruß, auszubrennen, die auf den porösen Trennwänden abgelagert werden, wenn der Druckverlust des behandelten Fluids während des Betriebes eine zulässige Obergrenze erreicht. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, daß der Filter aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen innerhalb des Filterkörpers während des Brennens zum Ausbrennen der Verunreinigung reißt. In Anbetracht dieser Möglichkeit ist es erforderlich, den Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verringern und die Beständigkeit gegenüber thermischen Spannungen des Filters zu verbessern. Wenn der poröse Keramikwabenfilter aus einer Cordieritzusammensetzung gebildet wird, muß der Filter im allgemeinen eine relativ hohe Porengröße und eine relativ hohe Porosität aufweisen, um eine adäquate Beziehung zwischen der Filterleistung, dem Druckverlust und der Betriebsdauer (Lebensdauer) zu gewährleisten. Im Fall eines rohen Cordieritmaterials muß die Cordieritzusammensetzung jedoch eine relativ hohe Teilchengröße aufweisen, was es schwierig macht, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des hergestellten Filters zu verringern.
Wie oben angeführt, wird durch die Verwendung einer Silikapulver-Komponente (z.B.. nicht-kristalline Silika), deren durchschnittliche Teilchengröße 30-50 um beträgt, die Porengrößenverteilung des hergestellten Filters wirksam gesteuert, sodaß die Anzahl der Poren mit 10-50 um erhöht wird. Wenn das gleiche Ziel mit der Talkpulver- Komponente zu erzielen ist, sollte die durchschnittliche Teilchengröße des Talkpulvers sogar 100 um oder mehr betragen. Auch in diesem Fall wird der Filter durch einen übermäßig hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten beeinträchtigt.
In Anbetracht obiger Ausführungen ist es vorzuziehen, die Talkpulver-Komponente zu verwenden, deren durchschnittliche Teilengröße 80 um oder weniger beträgt. Weiters wird empfohlen, die Silikapulver-Komponente zu verwenden, deren durchschnittliche Teilchengröße im Bereich von 30 um bis 50 um liegt, sodaß die Anzahl der Poren mit 10-50 um erhöht wird. Mit anderen Worten ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des hergestellten Filters ziemlich hoch, wenn die durchschnittliche Teilchengröße des Talkpulvers 100 um oder mehr beträgt. Um das zu vermeiden, wird die Talkpulverzusammensetzung so eingestellt, daß die durchschnittliche Teilchengröße so klein wie möglich ist; die maximale durchschnittliche Teilchengröße des Talkpulvers beträgt vorzugsweise 80 um, wie oben angeführt. Weiters wird das nicht-kristalline Silika- oder andere Silikapulver so eingestellt, daß eine relativ große Anzahl der Poren mit 10-50 um gewährleistet wird. Wenn ein poröser Filter mit Wabenstruktur aus der wie oben beschrieben eingestellten Cordierit-Zusammensetzung gebildet wird, wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des Filters entlang der Achse A auf 0,8 oder weniger und entlang der Achse B auf 1,4 oder weniger verringert. Weiters kann der Filter bei einer Temperatur von 850ºC oder darüber eine ausreichend hohe Thermoschockbeständigkeit aufweisen, wenn der Filter einen Außendurchmesser von 118 mm und eine Höhe von 150 mm aufweist.
Aus der obigen Erklärung geht allgemein hervor, daß die Wärmeausdehnung des aus einer Cordieritzusammensetzung hergestellten Keramikfilters weitgehend durch die Teilchengröße des Talkpulvers beeinflußt wird, während manche Filter, wie z.B. der Dieselteilchenfilter, die eine hohe Porengröße aufweisen, inhärent die Verwendung eines Talkpulvers erfordern, dessen Teilchengröße relativ hoch ist, was zu einer Erhöhung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des hergestellten Filters führt. Die Autoren der vorliegenden Erfindung schlagen vor, daß relativ große Poren gebildet werden, indem das Silikapulver (nicht-kristalline Silika) mit einer höheren Teilchengröße als das herkömmlicherweise verwendete Silikapulver eingesetzt wird, während der Wärmeausdehnungskoeffizient des Filters verringert wird, indem das Talkpulver mit einer vergleichsweise geringen Teilchengröße verwendet wird. Die Verwendung des relativ groben Silikapulvers, dessen durchschnittliche Teilchengröße 30-50 um beträgt, ermöglicht den Einsatz eines relativ feinen Talkpulvers, wodurch es ermöglicht wird, die Größe der im hergestellten Filter ausgebildeten winzigen Poren zu steuern.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen und wahlweisen Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch das Lesen der folgenden, detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung besser verstanden werden, wenn diese in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird, in denen:
Fig. 1(a) eine Vorderaufrißansicht eines Beispiels für eine poröse Keramikwabenstruktur ist, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird;
Fig. 1(b) eine teilweise im Querschnitt gezeigte Seitenaufrißansicht der Wabenstruktur aus Fig. 1(a) ist,
Fig. 2(a) eine Vorderaufrißansicht eines aus der Wabenstruktur aus Fig. 1(a) und 1(b) erhaltenenen porösen Keramikwabenfilters ist;
Fig. 2 (b) eine teilweise im Querschnitt gezeigte Seitenaufrißansicht des Wabenfilters aus Fig. 2(a) ist; und
Fig. 3 eine grafische Darstellung ist, die eine Beziehung zwischen der nominalen Betriebsdauer und dem Prozentsatz an Poren mit 10-50 um der Proben des Wabenfilters aus Beispiel 1 ist, dessen Abfangleistung 90% oder mehr beträgt.
Auf die Fig. 1(a) und 1(b) bezugnehmend wird ein Beispiel für eine poröse Keramikwabenstruktur 1 gezeigt, die durch das Ausbilden eines Grünkörpers aus einer wie oben beschrieben hergestellten Cordieritzusammensetzung und Brennen des Grünkörpers hergestellt wird. Der Grünkörper wird auf bekannte Weise gebildet und gebrannt. Wie in den Vorder- und Seitenaufrissen der Fig. 1(a) und 1(b) gezeigt, weist die poröse Keramikwabenstruktur 1 poröse Keramiktrennwände 3 auf, die zusammenwirken, um eine Vielzahl von Kanälen 2 zu definieren. Wie nach dem Stand der Technik bekannt, sind diese Kanäle 2 durch geeignete Stopfen 4 an einem von gegenüberliegenden Enden der Wabenstruktur 1 geschlossen, wie in den Vorder- und Seitenaufrißansichten der Fig. 2(a) und 2(b) angegeben, wodurch ein poröser Keramikwabenfilter 5 hergestellt wird.
Um das Prinzip der vorliegenden Erfindung noch deutlicher zu machen, werden einige Beispiele für die Erfindung veranschaulicht. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf die Details der dargestellten Beispiele beschränkt ist und daß die Erfindung mit verschiedenen Änderungen und Modifikationen ausgeführt werden kann, die sich Fachleuten aufgrund der vorangehenden und nachstehenden Lehren anbieten.

BELSPIEL 1

Bestandteile, wie in Tabellen 1-1 und 1-2 angegeben, wurden miteinander vermischt, um Chargen Nr. 1 bis 37 herzustellen, wie in den Tabellen 2-1 bis 2-6 angeführt. Jeder Charge wurden 4,0 Gewichtsteile Methylzellulose pro 100 Gewichtsteile des Chargenmaterials sowie Wasser zugegeben. Das Gemisch wurde zum Extrudieren zur entsprechenden Grüncharge geknetet. Die so hergestellten Grünchargen wurden auf bekannte Weise extrudiert, um jeweilige, grüne, zylindrische Wabenstrukturen herzustellen. Jede grüne Wabenstruktur hat ein Rippen-(Trennwand-)Dicke von 430 um, 16 Zellen pro cm², einen Durchmesser von 118 mm und eine Höhe von 152 mm. Die aus den einzelnen Chargen Nr. 1 bis 37 erhaltenen, grünen Wabenstrukturen wurden getrocknet und unter den in den Tabellen 2-4, 2-5 und 2-6 angegebenen Bedingungen gebrannt.
Die so gebrannten Wabenstrukturen wurden hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem Temperaturbereich von 40-800ºC, der Porosität, des Prozentsatzes der Poren mit 100 um oder mehr, des Prozentsatzes der Poren mit 10-50 um, der Menge des kristallisierten Cordierits und der Thermoschockbeständigkeit bewertet und getestet. Die gesinterten Wabenstrukturen wurden an einem der gegenüberliegenden Enden durch geeignete Stopfen verschlossen, wie in den Fig. 2(a) und 2(b) mit 4 angegeben, wodurch die entsprechenden Filter hergestellt wurden. Die Filter wurden hinsichtlich des anfänglichen Druckverlustes, der Abfangleistung und der Betriebsdauer beurteilt oder getestet. Die Ergebnisse der Beurteilung und des Tests sind in den Tabellen 3-1 bis 3-4 angeführt. Die Punkte in Fig. 3 stellen die Beziehung zwischen der Betriebsdauer und dem Prozentsatz der Poren mit 10-50 um in den Filterproben dar, deren Abfangleistung 90% oder mehr beträgt.
Aus den Tabellen 1-1 und 3-1 bis 34 geht hervor, daß die den Chargen Nr. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 21 und 33 entsprechenden Filterproben, aufgrund einer großen Anzahl an Pulverteilchen mit einer Größe von 45 um oder darunter, relativ geringe Prozentsätze an Poren mit 10-50 um und relativ kurze Betriebsdauer aufweisen. Weiters ist zu erkennen, daß die Filterproben, die den Chargen Nr. 17, 18, 19, 20, 28 und 37 entsprechen, aufgrund einer großen Anzahl an Pulverteilchen mit einer Größe von 100 um oder mehr relativ hohe Prozentwerte der Poren mit 150 um oder darüber und vergleichsweise geringe Abfangleistungswerte aufweisen. Weiters ist festzustellen, daß die Filterproben, die den Chargen Nr. 33, 34, 35, 36 und 37 entsprechen, geringe Prozentwerte der Poren mit 10-50 um und relativ kurze Betriebsdauer aufweisen, weil kein Silikapulver verwendet wurde.
Es ist festzustellen, daß die Filterproben, die den Chargen Nr. 7, 10, 11, 14, 15, 22, 23, 26, 27, 29, 30, 31 und 32 entsprechen, wegen der relativ kleinen Prozentwerte an Poren mit 150 um oder mehr und Poren mit 45 um oder weniger und der Verwendung von Silikapulver, dessen durchschnittliche Korngröße etwa 30-50 um beträgt, hervorragende Abfangleistung und Betriebsdauer, relativ niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten und hohe Thermoschockbeständigkeit (Temperatur thermischer Zerstörung: 850ºC oder darüber) aufweisen. Es ist auch festzustellen, daß die Filterproben, die den Chargen Nr. 9, 13, 17, 21 und 25 entsprechen, aufgrund der Verwendung von Silikapulver, dessen durchschnittliche Teilchengröße 15 um beträgt, und aufgrund des relativ geringen Prozentsatzes der Poren mit 10-50 um, keine ausreichend lange Betriebsdauer aufweisen. Außerdem ist festzustellen, daß die Filterproben, die den Chargen Nr. 8, 12, 16 und 24 entsprechen, aufgrund der Verwendung von Silikapulver, dessen durchschnittliche Teilchengröße 70 um beträgt, mehr oder weniger erhöhte Prozentsätze der Poren mit 100 um oder mehr, mehr oder weniger verringerte Abfangleistungswerte und vergleichsweise hohe Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. TABELLE 1-1 (Gew.-%) durchschnittl. Teilchengröße (um) Chemische Zusammensetzung (Gew.-%) - Fortgesetzt * Ig. Verlust Talk Kalzihierter Talk Kaolin Kalziniertes Kaolin Tonerde (Aluminiumoxid) Aluminumhydroxid Silika Porenbildner
o fortgesetzt auf Tabelle 1-2 auf der nächsten Seite
o siehe Anmerkungen auf der nächsten Seite TABELLE 1-2 Chemische Zusammensetzung (Gew.-%) Talk Kalziniefter Talk Kaolin Kalziniertes Kaolin Tonerde (Aluminiumoxid) Aluminumhydroxide Silika Porenbildner
Anmerkungen:
- Das JlS-Norm-Sieb (Naß-Typ) wurde verwendet, um zu ermitteln: Gewichtsprozent an Teilchen mit 150 um oder mehr; Gewichtsprozent an Talkteilchen mit 45 um oder wengier; und durchschnittliche Teilchengröße des Talks.
- Die Gewichtsprozente an Teilchen mit 45 um und weniger und die durchschnittlichen Teilchengrößen der anderen Komponenten wurden nach einem Laserbeugungsverfahren ermittelt. TABELLE 2-1 Charge Nr. Präparabzusammensetzung (Gew.-%) Porenbildner (Gew.-%) Talk Kalzinierter Talk Kaolin Kalziniertes Kaolin Tonerde (Aluminiumoxid) Aluminiumhydroxide Silika
o Fortsetzung auf der nächsten Seite TABELLE 2-2 Charge Nr. Präparabzusammensetzung (Gew.-%) Porenbildner (Gew.-%) Talk Kalzinierter Talk Kaolin Kalziniertes Kaolin Tonerde (Aluminiumoxid) Aluminiumhydroxide Silika
o Fortsetzung auf der nächsten Seite TABELLE 2-3 Charge Nr. Präparabzusammensetzung (Gew.-%) Porenbildner (Gew.-%) Talk Kalzinierter Talk Kaolin Kalziniertes Kaolin Tonerde (Aluminiumoxid) Aluminiumhydroxide Silika
o Fortsetzung auf der nächsten Seite TABELLE 2-4 Charge Nr. Gew.-% Talk, kalzinierter Talk und Silika durchschnittliche Teilchengröße (um) Brennbedingungen Talk Silika Maximaltemperatur Haltezeit
* Durchschnittliche Anstiegsgeschwindigkeity von 1100ºC auf 1350ºC
oFortsetzung auf der nächsten Seite TABELLE 2-5 Charge Nr. Gew.-% Talk, kalzinierter Talk und Silika durchschnittliche Teilchengröße (um) Brennbedingungen Talk Silika Maximaltemperatur Haltezeit
* Durchschnittliche Anstiegsgeschwindigkeity von 1100ºC auf 1350ºC
oFortsetzung auf der nächsten Seite TABELLE 2-6 Charge Nr. Gew.-% Talk, kalzinierter Talk und Silika durchschnittliche Teilchengröße (um) Brennbedingungen Talk Silika Maximaltemperatur Haltezeit
* Durchschnittliche Anstiegsgeschwindigkeity von 1100ºC auf 1350ºC TABELLE 3-1 Charge Nr. Eigenschaften der gebrannten Eabenstrukturen Wärmeausdehnungskoeffizient Porisität (%) *1 Poren mit 100 um oder darüber (%) *2 Poren mit 10-50 um (%) *2 Kristalisierter Cordierit *3
o Fortsetzung auf der nächsten Seite
o siehe Anmerkungen auf den folgenden Seiten TABELLE 3-2 Charge Nr. Eigenschaften der gebrannten Eabenstrukturen Wärmeausdehnungskoeffizient Porisität (%) *1 Poren mit 100 um oder darüber (%) *2 Poren mit 10-50 um (%) *2 Kristalisierter Cordierit *3
o Fortsetzung auf der nächsten Seite
Anmerkungen:
*1: Volumsprozent, gemessen nach einem Quecksilberpenetrationsverfahren (wahres spezifisches Gewicht von Cordierit = 2,52)
*2: gemessen nach dem Quecksilberpenetrationsverfahren
*3: Gemessen durch Röntgenbeugung (Wert der quantitativen Bestimmung) (interner Standard: ZnO) TABELLE 3-3 Charge Nr. Eigenschaften der Wabenfilter Temperatur thermischer Zertörung (%) *4 Anfänglicher Druckverlust (mmH&sub2;O) *5 Abfangleistung (%) *6 Betriebsdauer (min) *7
o Fortsetzung auf der nächsten Seite TABELLE 3-4 Charge Nr. Eigenschaften der Wabenfilter Temperatur thermischer Zertörung (%) *4 Anfänglicher Druckverlust (mmH&sub2;O) *5 Abfangleistung (%) *6 Betriebsdauer (min) *7
Anmerkungen:
*4: Temperatur in einem Elektroofen, bei der der Filter bei Luftkühlung nach 1- stündigem Erhitzen zerstört wurde
*3: Raumtemperatur = 20ºC
wirksamer Fiiterdurchmesser = 58 mm
Gasströmrate = 1 Nm³/min
*6: Gastemperatur = 200ºC
Menge an Ruß im Gas 13 g/h,
Gasströmrate = 2,4 Nm³/min
Die Leistungswerte in den Tabellen 3-3 und 34 sind durchschnittliche Werte bei Druckverlustwerten von 600 mm H&sub2;O, 1200 mm H&sub2;O, 1800 mm H&sub2;O, 2400 mm H&sub2;O und 3000 mm H&sub2;O
*7: Gastemperatur = 200ºC
Mengeanrußimgas = 139/h
Gasströmrate = 2,4 Nm³/min
Die in den Tabellen 3-3 und 34 angeführten Zeiten sind Zeitspannen zwischen dem Beginn der Gasströmung und dem Zeitpunkt, bei dem der Druckveriust auf 1600 mm H&sub2;O anstieg.

BEISPIEL 2

Grüne, zylindrische Wabenstrukturen, jeweils mit einer Rippen-(Trennwand-)Dicke von 430 um, 16 Zellen pro cm², einem Durchmesser von 229 mm und einer Höhe von 305 mm wurden hergestellt, indem die gemäß vorliegender Erfindung hergestellte Charge Nr. 11 und Charge Nr. 35, die ein Vergleichsbeispiel darstellt, extrudiert wurden. Dann wurden die grünen Wabenstrukturen getrocknet und gebrannt, indem sie mit einer Rate von 40ºC/h auf Maximaltemperaturen von 1420ºC erhitzt und 5 Stunden lang bei einer Temperatur unter der Maximaltemperatur gehalten wurden.
Die beiden so hergestellten, gesinterten Wabenstrukturen wurden hinsichtlich Wärmeausdehnungskoeffizient bei 40-800ºC, Porosität, Prozentsatz der Poren mit 100 um oder mehr, Prozentsatz der Poren mit 10-50 um und Menge an kristallisiertem Cordierit bewertet und getestet. Die Ergebnisse der Bewertung und des Tests sind in Tabelle 4 angeführt.
Die gesinterten Wabenstrukturen wurden an einem der gegenüberliegenden Enden durch geeignete Stopfen verschlossen, wie in Fig. 2(a) und 2(b) angegeben, wodurch die entsprechenden porösen Keramikwabenfilter hergestellt wurden. Diese Filterproben wurden hinsichtlich des anfänglichen Druckveriustes, der Abfangleistung, der nominalen Betriebsdauer und der Zerstörungstemperatur getestet, wenn die mit abgelagerten Stoffteiichen (Ruß) verunreinigten oder verstopften Proben erhitzt wurden, um die Verunreinigungen auszubrennen, um sie zu regenerieren. Die Ergebnisse der Bewertung und des Tests sind ebenfails in Tabelle 4 angegeben.
Aus Tabelle 4 geht hervor, daß die der Charge Nr. 11 entsprechende Filterprobe gemäß vorliegender Erfindung eine vergleichsweise hohe Abfangleistung, eine vergleichsweise lange nominale Betriebsdauer, einen verringerten Wärmeausdehnungskoeffizienten und vergleichsweise hohe Temperatur thermischer Zerstörung beim Erhitzen zu Regenerationszwecken aufweist. TABELLE 4 Charge Nr. EIGENSCHAFTEN GESINTERTER WABENSTRUKTUREN Wärmeausdehnungskoeffizient Achse A (x 10&supmin;&sup6;/40-800ºC) Achse B Porosität (%) * 1 Poren (%) * 2 Menge an kristallisiertem Cordierit * 3 EICENSCHAFTEN VON WABENFILTERN Anfänglicher Druckverlust (mmH&sub2;O) * 4 Abfangleistung (%) *5 Betriebsdauer (min.) *6 ZERSTOKUNGSTEMPERATUR (ºC) *7
* 1: Vol umsprozent, gemessen nach dem Quecksilberpenetrationsverfahren (wahres spezifisches Gewicht von Cordierit = 2,52)
*2: gemessen nach dem Quecksilberpenetrationsverfahren
*3: Gemessen durch Röntgenbeugung (Wert der quantitativen Bestimmung) (interner Standard: ZnO)
*4: Raumtemperatur = 20ºC;
wirksamer Filterdurchmesser = 215 mm;
Gasströmrate = 8 Nm³/min
*5: Gastemperatur = 200ºC
Menge an Ruß im Gas = 13 g/h;
Gasströmrate = 9 Nm³/min
Die Leistungswerte in Tabelle 4 sind durchschnittliche Werte bei den Druckverlustwerten 1000 mm H&sub2;O, 1500 mm H&sub2;O, 2000 mm H&sub2;O und 2500 mm H&sub2;O.
*6: Gastemperatur = 200ºC
Menge an Ruß im Gas = 13 g/h;
Gasströmrate = 9 Nm³/min
Die in Tabelle 4 angegebenen Zeiten sind Zeiträume zwischen dem Beginn der Gasströmung und dem Zeitpunkt, bei dem der Druckverlust auf 1600 mm H&sub2;O ansteigt.
*7: Menge an Ruß = 120 g/h;
Verunreinigungsgas-Strömrate = 9 Nm³/min;
Brenngastemperatur = 600ºC;
Brenngasströmrate = 1,5 Nm³/min.
Die in Tabelle 4 angegebenen Temperaturen sind jene, bei denen die Filter während des Temperaturanstiegs aufgrund des Verbrennens von auf dem Filter abgelagertem Ruß zerstört wurden. Die durch das Verbrennen des Russes erreichte Maximaltemperatur des Filters variiert je nach der Menge an abgelagertem Ruß.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines porösen Keramikwabenfilters, umfassend die Schritte:

Herstellen einer Cordierit-Zusammensetzung, die eine Talkpulver-Komponente und eine Silikapulver-Komponente umfaßt, wobei Teilchen der Talkpulver-Komponente und der Silikapulver-Komponente, deren Größe 150 um oder mehr beträgt, nicht mehr als 3 Gew.-% der Cordierit-Zusammensetzung ausmachen, während Teilchen der Talkund Siiikapulver-Komponenten, deren Größe 45 um oder weniger beträgt, nicht mehr als 25 Gew.-% der Cordierit-Zusammensetzung ausmachen;

Formen eines Grünkörpers für den porösen Keramikwabenfilter aus der Cordierit- Zusammensetzung im Gemisch mit einem Porenbildner; und

Brennen des Grünkörpers.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Teilchen, deren Größe 150 um oder mehr beträgt, nicht mehr als 1 Gew.-% der Cordierit-Zusammensetzung ausmachen, während die Teilchen, deren Größe 45 um oder weniger beträgt, nicht mehr als 20 Gew.-% der Cordierit-Zusammensetzung ausmachen;

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Talkpulver-Komponente eine mittlere Teilchengröße von nicht mehr als 80 um aufweist.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 3, worin die Silikapulver- Komponente eine mittlere Teilchengröße von 30 - 50 um aufweist.

5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 4, worin die Cordierit- Zusammensetzung weiters zumindest Material, ausgewählt aus Kaol in, kalziniertem Kaolin, Tonerde und Aluminiumhydroxid, umfaßt.

6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 5, worin die Cordierit- Zusammensetzung 42 - 56 Gew.-% SiO&sub2;, 30 - 45 Gew.-% Al&sub2;O&sub3; und 12 - 16 Gew.-% MgO umfaßt.

7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 6, worin der Porenbildner Graphit ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, weiters umfassend die Zugabe zumindest eines Piastifikators und eines Binders zum Gemisch, bevor der Grünkörper geformt wird.

9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 8, worin der Grünkörper durch Extrudieren geformt wird.

10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 9, worin der Grünkörper bei einer Temperatur zwischen 1.380ºC und 1.440ºC gebrannt wird.

11. Verfahren nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, worin der gebrannte Grünkörper eine offene Porosität von 45 - 60010, nicht mehr als 10 Vol.-% Poren von über 100 um und zumindest 65 Vol.-% Poren von 10 - 50 um aufweist.

12. Verfahren nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, worin der Wabenfiiter aus einer Vielzahl an Kanälen (2) hergestellt wird, die durch poröse Keramiktrennwände (3) definiert werden, wobei benachbarte Kanäle (2) an ihren gegenüberiiegenden Enden durch Stopfen (4) verschlossen sind.