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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung einer
Wabenstruktur aus einer Cordieritzusammensetzung und im speziellen eine Technik,
die dazu geeignet ist, die physikalischen Eigenschaften einer derartigen Cordierit-
Wabenstruktur zu verbessern und zu steuern.
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Es ist ein Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur aus einer
Cordieritzusammensetzung bekannt, welches folgende Schritte umfaßt: Herstellen einer
Charge eines Cordieritmaterials, bestehend aus einem Gemisch mit einer gewünschten
Cordieritzusammensetzung, dessen Hauptkomponenten Talk, Kaolin, kalziniertes Kaolin
und Aluminiumoxid sind; Formen durch Extrudieren eines Grünkörpers mit einer
gewünschten Konfiguration unter Einsatz der zuvor hergestellten
Cordieritmaterialcharge; und Brennen des geformten Grünkörpers zur angestrebten
Wabenstruktur. Aufgrund ihrer hohen Hitzebeständigkeit und ihres geringen
Wärmeausdehnungskoeffizienten über einen weiten Temperaturbereich wird eine
derartige Cordierit-Wabenstruktur in großem Umfang für verschiedene Zwecke
eingesetzt. Eine typische Anwendung der Cordierit-Wabenstruktur findet sich auf dem
Gebiet der Reinigung von Abgasemissionen, die Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid
und Stickoxide enthalten, insbesondere als Wabenträger für einen Katalysator, der zur
Reinigung von Abgasemissionen von Kraftfahrzeugmotoren verwendet wird.
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Die erforderlichen physikalischen oder Material-Eigenschaften der Cordierit-
Wabenstruktur können je nach der spezifischen Anwendung variieren. Zu den
Eigenschaften, die typischerweise als wichtig gelten, gehören die Porosität oder das
Wasserabsorptionsvermögen (in %) durch die Wabenwände, der
Wärmeausdehnungskoeffizient und die Thermoschockbeständigkeit der Wabenstruktur,
sowie die Schrumpfungsrate beim Brennen. Von diesen Eigenschaften werden die
Porosität oder das Wasserabsorptionsvermögen als wichtigste Eigenschaft anerkannt,
wenn die Wabenstruktur als Wabenkatalaysatorsubstrat bei einer Abgasemissions-
Reinigungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge eingesetzt wird. In diesem Zusammenhang
wird angemerkt, daß die Porostät oder das Wasserabsorptionsvermögen einer
Wabenstruktur von der Porenverteilung in den porösen Wänden der Wabenstruktur
abhängt, was einen beträchtlichen Einfluß darauf ausübt, wie ein Katalysator zur
Abgasreinigung und ein Material mit großer Oberfläche von der Wabenstruktur getragen
werden. Demgemäß ist es notwendig, die Porosität oder das
Wasserabsorptionsvermögen durch die porösen Wände der Wabenstruktur in geeigneter
Weise zu regulieren, um die Aktivität des Katalysators zu steuern. Um ein ausreichend
hohes Ausmaß an Beständigkeit der Wabenstruktur zu gewährleisten, wenn diese als
Wabenkatalysatorsubstrat in einer keinigungsvorrichtung für Fahrzeugabgase eingesetzt
wird, die raschen Temperaturänderungen unterliegt, wird es als wichtig erachtet, den
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wabenstruktur ausreichend niedrig zu halten, um
deren Thermoschockbeständigkeit zu verbessern.
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Es wurden verschiedene Versuche unternommen, um die physikalischen Eigenschaften
der Cordierit-Wabenstruktur zu verbessern. Beispielsweise offenbart JP-A-53-82.822 ein
Verfahren zur Herstellung einer Cardieritwabenstruktur, bei dem die Teilchengrößen
der Magnesiumoxid-Quellen materialien, wie Talk, Magnesiumcarbonat und
Magnesiumhydroxid gesteuert werden, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten der
hergestellten Wabenstruktur und die Größe der Poren der Wabenstruktur zu steuern. Im
speziellen ist der oben angeführten Veröffentlichung zu entnehmen, daß die Porengröße
der Wabenstruktur mit zunehmenden Teilchengrößen der Magnesiumoxid-
Quellenmaterialien zunimmt. Es ist auch bekannt, die Teilchengrößen der einzelnen
Materialien der Cordieritmaterial-Charge zu steuern, um die Brennschrumpfungsrate der
hergestellten Cordierit-Wabenstruktur zu steuern. Weiters ist es bekannt, daß der
Wärmeausdehnungskoeffizient, die Brennschrumpfungsrate und andere Eigenschaften
der Wabenstruktur gesteuert werden können, indem die chemische Zusammensetzung
der Cordieritmaterial-Charge, welche die Cordierit-Wabenstruktur ergibt, auf geeignete
Weise gesteuert wird.
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GB-A-1.509.572 (entspricht FR-A-2.2 72.965) offenbart eine Cordierit-Wabenstruktur aus
Talk, Kaolin, kalziniertem Kaolin und Aluminiumoxid. Es heißt darin, daß der rohe Ton
entweder laminiert oder delaminiert sein sollte. Der verwendete, kalzinierte Ton war
Glomax LL . Das Dokument verweist auf GB-A-1.456.456, welche die
Zusammensetzung dieses kalzinierten Tons im Detail anführt, und besagt, daß der
kalzinierte Ton während der Verarbeitung nicht delaminiert werden konnte.
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Eine gründliche Untersuchung der physikalischen Eigenschaften der Cordierit-
Wabenstruktur durch die Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes zeigte,
daß die Porosität oder das Wasserabsorptionsvermögen der Wabenstruktur wirksam
erhöht werden kann, ohne deren Wärmeausdehnungskoeffizienten zu erhöhen, indem
ein spezieller Typ von kalziniertem Kaolin als zumindest ein Teil des kalzinierten
Kaolins als Hauptkomponente der (Cordieritmaterial-Charge eingesetzt wird, welche die
Wabenstruktur ergibt. Die Untersuchung weist auch darauf hin, daß das
Wasserabsorptionsvermögen und andere Eigenschaften der Wabenstruktur auf geeignete
Weise gesteuert werden können, indem als Talk, der eine Hauptkomponente der
Cordieritmaterial-Charge bildet, zwei Talkpulver mit unterschiedlichen Kristallitgrößen
verwendet werden, sowie indem das spezielle, kalzinierte Kaolin verwendet wird. So
war es für die Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes möglich, eine
Cordierit-Wabenstruktur mit den gewünschten physikalischen Eigenschaften, wie
Porosität oder Wasserabsorptionsvermögen, mit guter Reproduzierbarkeit herzustellen.
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Es wäre vorzuziehen, ein Verfahren zur Herstellung einer Cordierit-Wabenstruktur mit
den gewünschten physikalischen Eigenschaften, wie Porosität oder
Wasserabsorptionsvermägen und Wärmeausdehnungskoeffizient, mit hoher
Reproduzierbarkeit bereitzustellen, mit welchem Verfahren das
Wasserabsorptionsvermögen und andere Eigenschaften aut geeignete Weise gesteuert
oder eingestellt werden können.
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In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer
Cordierit-Wabenstruktur bereit, wie in Anspruch 1 dargelegt.
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In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
einer Cordierit-Wabenstruktur bereit, wie in Anspruch 2 dargelegt.
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Das gemäß vorliegender Erfindung verwendete, kalzinierte Kaolin umfaßt vorzugsweise
das Kalzinat eines Kaolintons, dessen TiO&sub2;-Gehalt nicht mehr als 2,5 Gew.-% beträgt,
sowie das Kalzinat, dessen TiO&sub2;-Gehalt nicht über 1,5 Gew.-% liegt.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Cordieritmaterial-Charge unter
Verwendung von Hauptkomponenten hergestellt, die aus Talk, Kaolin, kalziniertem
Kaolin und Aluminiumoxid bestehen und gemeinsam eine bekannte chemische
Zusammensetzung ergeben, nämlich eine Zusammensetzung, die aus 45-55 Gew.-%
SiO&sub2;, 32-40 Gew.-% Al&sub2;O&sub3; und 12-15 Gew.-% MgO besteht. Es versteht sich, daß die
Cordieritmaterial-Charge neben den oben angeführten Hauptkomponenten je nach der
speziellen Anforderung geeignete Additive enthält, beispielsweise Aluminiumhydroxid,
Quarz und wiedergewonnenes Cordieritmaterial.
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Die gemäß vorliegender Erfindung hergestellte Cordieritmaterial-Charge ist dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des kalzinierten Kaolins als eine
Hauptkomponente der Charge erhalten wird, indem ein Kaolinton delaminiert und
kalziniert wird, und einen TiO&sub2;-Gehalt von nicht mehr als 1,5 Gew.-% aufweist. Die
unter Verwendung dieser Cordieritmaterial-Charge hergestellte Cordierit-Wabenstruktur
verfügt über verbesserte physikalische Eigenschaften, insbesondere eine(n) beträchtlich
erhöhte(n) Porosität oder Wasserabsorptionsvermögen, sowie einen relativ niedrigen
Wärmeausdehnungskoeffizienten.
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Das oben angeführte Kalzinat, das zumindest einen Teil des kalzinierten Kaolins ergibt,
wird erhalten, indem ein Kaolinton zunächst delaminierte d.h. der Ton in ziemlich
dünne Schichten getrennt, und das delaminierte Kaolin dann nach einem
herkömmlichen Kalzinierungsverfahren kalziniert wird. Das Delaminieren des
Kaolintons erfolgt üblicherweise, indem eine Masse des geeigenten Kaolintons unter
Verwendung von Glasperlen, Quarzsand oder dergleichen als Zerkleinerungsmedium in
einer Naßmühle, wie z.B. einem "Attritor", zerkleinert wird, wobei die geringstmögliche
Menge an Dispergiermittel zugegeben wird. Als Ergebnis des Delaminierungsverfahrens
wird der Kaolinton mit einer Laminatstruktur in relativ flache Teilchen getrennt, die
jeweils aus etwa 3 bis 4 Schichten oder weniger, vorzugsweise 1 oder 2 Schichten,
bestehen. Die so erhaltenen, flachen Kaolinteilchen werden zum Einsatz in der
Cordieritmaterial-Charge der vorliegenden Erfindung kalziniert. Da die im Kaolinton
enthaltene TiO&sub2;-Menge während des Delaminierungsvorgangs wirksam verringert wird,
hat das so bearbeitete, kalzinierte Kaolin üblicherweise einen TiO&sub2;-Gehalt von 1,5
Gew.-% oder weniger. Die Verwendung des kalzinierten Kaolins mit einem derartig
geringen TiO&sub2;-Gehalt senkt wirksam den Wärmeausdehnungskoeffizienten der
hergestellten Cordierit-Wabenstruktur.
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Das kalzinierte Kaolin als Hauptkomponente der Cordieritmaterial-Charge kann allein
aus dem Kalzinat von Kaolinton bestehen, der wie oben beschrieben delaminiert wurde.
Allerdings kann die kalzinierte Kaolin-Komponente aus dem delaminierten Kaolin (TiO&sub2;-
Gehalt ≤ 1,5 Gew.-%) als erstes kalziniertes Kaolinpulver und aus nicht-delaminiertem
Kaolin als zweites kalziniertes Kaolinpulver bestehen, dessen TiO&sub2;-Cehalt 2,5 Gew.-%
oder weniger beträgt. Das zweite kalzinierte Kaolinpulver wird erhalten, indem ein
Kaolinton nach einem herkömmlichen Kalzinierungsverfahren kalziniert wird. Der
Einsatz des zweiten Pulvers, dessen TiO&sub2;-Gehalt 2,5 Gew.-% nicht übersteigt,
verhindert beispielsweise wirksam eine Zunahme des Wärmeausdehnungskoeffizienten
der hergestellten Cordierit-Wabenstruktur. Die Proportionen oder das Verhältnis von
erstem und zweitem kalziniertem Kaolinpulver wird geeigneterweise je nach den
gewünschten Eigenschaften der Cordierit-Wabenstruktur festgelegt. Im allgemeinen wird
das Verhältnis über einen weiten Bereich zwischen 1/99 und 99/1 Cewichtsteilen
ausgewählt. Vorzugsweise macht das erste kalzinierte Kaolin zumindest 10 Gew.-% des
gesamten kalzinierten Kaolins aus.
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Die gemäß vorliegender Erfindung hergestellte Cordieritmaterial-Charge ist auch durch
die Verwendung von zwei Talkpulvern mit unterschiedlichen Kristallitgrößen als
Talkkomponente der Charge gekennzeichnet, sowie durch die Verwendung jenes
kalzinierten Kaolinpulvers, das wie oben beschrieben Delaminierung unterzogen
wurde, sodaß die physikalischen Eigenschaften der hergestellten Cordierit-
Wabenstruktur wie erforderlich gesteuert werden können. Eine weitere Untersuchung
der einzelnen Komponenten der Cordieritmaterial-Charge, welche die beabsichtigte
Cordierit-Wabenstruktur ergibt, durch die Erfinder des vorliegenden
Anmeldungsgegenstandes zeigte, daß der Ursprung des natürlichen Talks als eine
Hauptkomponente der Charge einen beträchtlichen Einfluß auf das
Wasserabsorptionsvermögen der hergestellten Cordierit-Wabenstruktur ausübt und die
Kristallitgröße des natürlichen Talks das Wasserabsorptionsvermögen oder die Porosität
und andere physikalische Eigenschaften der Cordierit-Wabenstruktur stark beeinflußt.
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Detaillierter beschrieben bestehen die beiden Talkpulver mit unterschiedlichen
Kristallitgrößen aus einem ersten Talkpulver mit einer Kristallitgröße von 10 µm oder
weniger und einem zweiten Talkpulver mit einer Kristallitgröße von 30 µm oder mehr.
Diese beiden Talkpulver werden je nach den erforderlichen Eigenschaften der
Wabenstruktur in einem geeigneten Verhältnis eingesetzt. Die beiden Talkpulver sind
aus verschiedenen Quellen erhältlich. Beispielsweise kann der Talk für das erste
Talkpulver, dessen Kristallitgröße 10 µm oder weniger beträgt, aus dem US-Bundesstaat
Montana und aus Australien erhalten werden, während der aus der chinesischen
Provinz Liaoning erhältliche Talk eine deutlich höhere Kristallitgröße aufweist und
gemäß vorliegender Erfindung in geeigneter Weise als zweites Talkpulver eingesetzt
werden kann, dessen Kristallitgröße 30 µm oder mehr beträgt.
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Das erste und das zweite Talkpulver haben beide einen CaO-Gehalt von nicht über 0,4
Gew.-%, da ein CaO-Gehalt von über 0,4 % bewirkt, daß die hergestellte Cordierit-
Wabenstruktur einen übermäßig hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einen
geringes Maß an Thermoschockbeständigkeit aufweisen, wodurch die Wabenstruktur
ihre Funktion nicht erfüllen kann.
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Die Proportionen oder das Verhältnis dieser beiden Talkpulver mit unterschiedlicher
Kristallitgröße wird auf geeignete Weise nach den gewünschten Eigenschaften der
Cordieritwabenstruktur ermittelt. Im allgemeinen wird das Verhältnis über einen weiten
Bereich zwischen 1/99 und 99/1, geeigneterweise 10/90 bis 90/10, Gewichtsteilen
ausgewählt.
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Wie oben beschrieben, wird die Cordieritmaterial-Charge gemäß vorliegender Erfindung
hergestellt, indem jenes kalzinierte Kaolinpulver, das durch Delaminieren und
Kalzinieren eines Kaolintons erhalten wird, als zumindest ein Teil der kalzinierten
Kaolinkomponente der Charge eingesetzt wird, oder indem die beiden Talkpulver mit
unterschiedlichen Kristallitgrößen zusätzlich zum kalzinierten Pulver aus delaminiertem
Kaolin als Talkkomponente der Charge eingesetzt werden. Unter Verwendung der so
hergestellten Cordieritmaterial-Charge wird durch Strangpressen ein Grünkörper der
Cordierit-Wabenstruktur gebildet, jnd der gebildete Grünkörper wird zur Cordierit-
Wabenstruktur gebrannt.
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Wie nach dem Stand der Technik bekannt, kann die Cordieritmaterial-Charge eine
geeignete Plastifizierungshilfe umfassen, sodaß die plastifizierte Charge mittels einer
Strangpresse in einfacher Weise zu einem gewünschten Wabengrünkörper geformt
werden kann. Der Wabengrünkörper wird getrocknet und dann nach einem geeigneten
Temperatur-Zeit-Schema gebrannt. Beispielsweise wird der getrocknete
Wabengrünkörper zuerst mit einer Rate von nicht über 250ºC/h auf 1.100ºC erhitzt,
dann mit einer Rate von 30ºC/h bis 300ºC/h aut eine Brenntemperatur von 1350-
1440ºC erhitzt und schließlich über eine Zeitspanne im Bereich von 0,5 h bis 24 h auf
der Brenntemperatur gehalten. So wird die Cordieritwabenstruktur mit den auf
geeignete Weise gesteuerten Eigenschaften hergestellt.
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Die folgende Beschreibung einiger Beispiele für die Erfindung dient zum besseren
Verständnis der obigen und optionaler Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet
werden, in denen:
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Fig. 1 eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme des in den Beispielen 1 und 2
eingesetzten, kalzinierten Kaolins A ist;
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Fig. 2 eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme des in den Beispielen 1 und 2
eingesetzten, kalzinierten Kaolins B ist;
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Fig. 3 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem
Wasserabsorptionsvermögen sowie der Porosität einer in Beispiel 1 hergestellten
Wabenstruktur und dem bei der Wabenstruktur eingesetzten Verhältnis von
kalziniertem Kaolin B zu kalziniertem Kaolin A ist;
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Fig. 4 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem
Wasserabsorptionsvermögen sowie der Porosität der in Beispiel 1 hergestellten
Wabenstruktur und dem bei der Wabenstruktur eingesetzten Verhältnis von
kalziniertem Kaolin C zu kalziniertem Kaolin A ist;
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Fig. 5 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem
Wasserabsorptionsvermögen sowie der Porosität der in Beispiel 1 hergestellen
Wabenstruktur und dem bei der Wabenstruktur eingesetzten Verhältnis von
kalziniertem Kaolin D zu kalziniertem Kaolin A ist;
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Fig. 6 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wabenstruktur aus Beispiel 1 und dem Verhältnis
von kalziniertem Kaolin B zu kalziniertem Kaolin A ist;
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Fig. 7 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wabenstruktur aus Beispiel 1 und dem Verhältnis
von kalziniertem Kaolin C zu kalziniertem Kaolin A ist;
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Fig. 8 eine grafische Darstellung des Zusammenhang zwischen dem
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wabenstruktur aus Beispiel 1 und dem Verhältnis
von kalziniertem Kaolin D zu kalziniertem Kaolin A ist;
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Fig. 9 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem
Wasserabsorptionsvermögen einer in Beispiel 2 hergestellten Wabenstruktur und dem
bei der Wabenstruktur eingesetzen Verhältnis von Talk A zu Talk B unter Variation des
Verhältnisses von kalziniertem Kaolin B zu kalziniertem Kaolin A ist.
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Um das Konzept der vorliegende Erfindung weiter zu verdeutlichen, werden einige
Beispiele für die Erfindung nur zur Veranschaulichung beschrieben, ohne daß die
vorliegende Erfindung darauf beschränkt wäre.
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Unter Verwendung der jeweiligen Gemische aus Talk, Kaolin 1 (rohes oder
nichtkalziniertes Kaolin), Kaolin II (kalziniertes Kaolin) und Aluminiumoxid wurden in den
nachstehenden Beispielen 1 und 2 verschiedene Probestücke der Cordierit-
Wabenstrukturen hergestellt, deren Gehalt (Gew.-%) in nachstehender Tabelle 1
angeführt ist. In nachstehender TABELLE 2 werden 6 verschiedene Materialien aus
Kaolin II (kalziniertem Kaolin), die in Kombination für die verschiedenen Probestücke
eingesetzt wurden, hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung, der
durchschnittlichen Teilchendurchmesser und der spezifischen Oberfläche der
Materialien beschrieben. Die durchschnittliche Teilchengröße wurden mittels Sedigraph
(erhältlich von Micromeritics, U.S.A.), gemessen, während die spezifische Oberfläche
nach der BET-Gleichung (Brunauer-Emmett-Teller-Gleichung) erhalten wurde.
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Die Kaolin-II-Materialien B und C wurden nach einem herkömmlichen
Delaminierungsverfahren erhalten, d.h. durch zweistündiges Zerkleinern jeweiliger
Kaolinton-Massen in einer als "Attritor" bezeichneten Reibungsmühle unter Einsatz von
SiO&sub2;-Sand mit einer Korngröße von 150 µm als Zerkleinerungsmedium mit Spuren von
Hexametaphosphatsoda als Dispersionsadditiv. Als Ergebnis wurde der Kaolinton mit
Laminatstruktur in dünne Schichten oder relativ flache Teilchen getrennt. Fig. 1 und 2
sind Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen des nicht delaminierten Kaolin II-Materials
A, bzw. des delaminierten Kaolin II-Materials B.
TABELLE 1
Komponenten
Talk
Kaolin
Aluminiumoxid
Gehalt (Gew.-%)
BEISPIEL 1
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Unter Verwendung der in TABELLE 2 angeführten, kalzinierten Kaolin-Materialien A bis
F in den in TABELLE 3 angeführten Anteilen wurden die 13 Cordieritmaterial-Chargen
Nr. 1-13 hergestellt. Das erhaltene, kalzinierte Kaolin wurde mit den anderen
Materialien der Cordieritzusammensetzung, nämlich Talk, Kaolin I und Aluminiumoxid,
vermischt, um die in TABELLE angegebene, chemische Zusammensetzung zu
ergeben. Jeder Charge wurden 3 Gewichtsteile Methylcellulose als organisches
Bindemitttel pro 100 Gewichtsteile der Cordieritzusammensetzung zugegeben. Die
chemischen Zusammensetzungen des verwendeten Talks, Kaolins I und
Aluminiumoxids sind in TABELLE 4 angeführt.
TABELLE 2
Zusammensetzung (Gew.-%)
Arten von Kaolin II
Durchschnittl. Teilchengröße (µm)
Delaminierung Kalzinierung
Spezifische Oberfläche (m2/g)
Glühverlust
TABELLE 3
Charge Nr.
Kaolin II
Vorliegende Erfindung
Vergleichsbeispiel
TABELLE 4
Chemische Zusammensetzung (Gew.-%)
Glühverlust
Talk
Kaolin I
Aluminiumoxid
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Die so hergestellten Cordieritmaterial-Chargen Nr. 1-13 wurden verwendet, um nach
einem herkömmlichen Strangpreßverfahren die entsprechenden Wabengrünkörper zu
bilden, die jeweils einen Durchmesser von 118 mm, eine Länge von 102 mm, eine
Wabenwanddicke von 150 µm und etwa 62 Zellen pro cm² Querschnittsfläche
aufwiesen. Die Wabengrünkörper wurden getrocknet und bei 1400ºC drei Stunden lang
getrocknet. So wurden die Probestücke der Cordierit-Wabenstruktur mit
unterschiedlichen Arten oder Anteilen von kalziniertem Kaolin hergestellt.
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Es wurde ein Simulationstest zur Messung des Wasserabsorptionsvermögens der
Probestücke als Katalysatorsubstrat durchgeführt, wobei die Probestücke 2 min lang in
ein Wasserbad mit 30ºC getaucht wurden. Die aus dem Wasserbad entnommenen
Probestücke wurden einem Luftstrom mit 1,4 kp (0,137 MPa) pro cm² ausgesetzt, um
überschüssiges Wasser von den Oberflächen der Probestücke abzublasen. Anschließend
wurde das Gewicht der Probestücke gemessen, welches das Gewicht des von der
Wabenstruktur nach dem Beblasen mit Luft absorbierten Wassers inkludierte. Für jedes
getestete Probestück wurde die Differenz zwischen dem gemessenen Gewicht der
wasserhältigen Probe und dem Gewicht der trockenen Probe berechnet, um das
Wasserabsorptionsvermögen zu berechnen, das gleich (berechnete
Differenz/Trockengewicht) x 100 ist. Die Ergebnisse des Simulationstests werden in
TABELLE 5 und in den grafischen Darstellungen von Fig. 3, 4 und 5 angegeben, in
denen außer dem Wasserabsorptionsvermögen auch die Porosität der Probestücke
angegeben ist.
TABELLE 5
Charge No.
Wasserabsorptionsvermögen (%)
Porosität (%)
Thermoschockbeständigkeit (ºC)
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Die Probestücke wurden auch Messungen des Wärmeausdehnungskoeffizienten
("coefficient of thermal expansion", CTE) über einen Temperaturbereich von 40-800ºC
in Strangpreßrichtung des Wabenkörpers unterzogen. Die gemessenen CTE-Werte
werden in TABELLE 5 und Fig. 6, 7 und 8 gezeigt.
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Die Probestücke wurden weiters hinsichtlich der Thermoschockbeständigkeit getestet.
Beim Test wurde jedes Probestück in einem Elektroofen 20 Minuten lang bei einer
Testtemperatur von über 700ºC gehalten. Die Testtemperatur wurde nach jedem
Testzyklus in 25ºC-Schritten erhöht wobei das Probestück nach dem Halten bei der
jeweiligen Testtemperatur aus dem Ofen genommen, Raumtemperatur ausgesetzt und
auf Rißbildung überprüft wurde. Jene Testtemperatur, bei der Rißbildung auftrat, wird in
TABELLE 5 als Thermoschockbeständigkeit angeführt. Die Rißbildung wurde nach dem
sogenannten "Klang-Verfahren" bestätigt, d.h. durch eine Änderung der Art des Klangs,
der durch Schlagen auf das aus dem Ofen genommene Probestück erzeugt wurde.
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Unter Bezugnahme auf die grafischen Darstellungen aus Fig. 3-5 variiert das
Wasserabsorptionsvermögen (die Porosität) der Wabenstruktur mit der Änderung des
Gewichtsverhältnisses zweier verschiedener Arten (B/A, C/A und D/A) von kalziniertem
Kaolin, die in Kombination als Kaolin II eingesezt wurden. Aus diesen grafischen
Darstellungen geht hervor, daß die aus der Kombination von kalziniertem Kaolin-
Material B (delaminiert) und -Material A (nicht delaminiert), die nahezu dieselbe
durchschnittliche Teilchengröße aufwiesen, hergestellte Wabenstruktur bezogen auf das
Gewichtsverhältnis dieser Materialien B/A die größte Änderungsrate des
Wasserabsorptionsvermögens aufweist, wie in Fig. 3 dargestellt.
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Der Grund für das obige Phänomen scheint die relativ große spezifische Oberfläche des
kalzinierten Kaolin-Materials B zu sein, dessen Oberfläche während des
Delaminierungsverfahrens aufgerauht wurde. Selbst wenn die durchschnittlichen
Teilchengrößen der Materialien A und B nahezu gleich sind, ist es beim kalzinierten
Pulver B aus delaminiertem Kaolin mit ungleichmäßigen Oberflächen wahrscheinlicher,
daß sich beim Brennen des Wabengrünkörpers Poren bilden als beim kalzinierten
Pulver A aus nicht delaminiertem Kaolin. Somit trägt der Einsatz des kalzinierten Pulvers
B aufgrund dessen relativ großer spezifischer Oberfläche zu einer Zunahme des
Wasserabsorptionsvermögens der erzeugten Wabenstruktur bei. Daraus folgt, daß das
Wasserabsorptionsvermögen der Wabenstruktur mit Zunahme des
Gewichtsverhältnisses des kalzinierten Pulvers B aus delaminiertem Kaolin zum
kalzinierten Pulver A aus nicht-delaminiertem Kaolin steigt, wie in der grafischen
Darstellung aus Fig. 3 gezeigt.
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Die grafische Darstellung aus Fig. 4 zeigt die Variation des
Wasserabsorptionsvermögens jener Wabenstruktur, die unter Verwendung der
Kombination von oben beschriebenem, kalziniertem Kaolin-Material A und kalziniertem
Kaolin-Material C, das Delaminierung unterzogen worden war und aus winzigen
Teilchen bestand, hergestellt wurde. Im allgemeinen besteht die Tendenz, daß die
durch Brennen von aus winzigen Teilchen bestehenden Materialien gebildete
Wabenstruktur eine ziemlich hohe Dichte aufweist, was zur Verringerung deren
Wasserabsorptionsvermögens führt. Jedoch führt der Einsatz des delaminierten,
kalzinierten Kaol in-Materials C nicht zur Verringerung des Wasserabsorptionsvermögens
oder der Porosität der erzeugten Wabenstruktur, sondern zu einer leichten Zunahme des
Wasserabsorptionsvermögens.
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Der grafischen Darstellung aus Fig. 5 zeigt die Variation des
Wasserabsorptionsvermögens jener Wabenstruktur, die unter Verwendung der
Kombination von oben beschriebenem, kalziniertem Kaolin-Material A und kalziniertem
Kaolin-Material D, das keiner Delaminierung unterzogen worden war und eine höhere
durchschnittliche Teilchengröße auwies als das kalzinierte Kaolin-Material C, erzeugt
wurde. Aus der grafischen Darstellung aus Fig. 5 ist zu entnehmen, daß das
Wasserabsorptionsvermögen der Wabenstruktur mit zunehmendem Gewichtsverhältnis
von kalziniertem Kaolin-Material D zu Material A abnimmt, obwohl das Material D aus
den relativ groben Teilchen besteht.
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Es wird im allgemeinen angenommen, daß Kaolin mit einer hohen durchschnittlichen
Teilchengröße eine entsprechend große Anzahl von aufeinandergestapelten oder in
mehreren Schichten angeordneten Teilchen umfaßt, die dazu neigen, die Ausrichtung
der Cordierit-Wabenstruktur in Richtung der C-Achse zu beeinflussen, welche ein
wichtiger Faktor zur Erreichung eines ausreichend verringerten
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wabenstruktur ist. Weiters ist es wahrscheinlich,
daß zwischen den einzelnen Schichten der aufeinandergestapelten Kaolinteilchen
Verunreinigungen enthalten sind, ven denen ebenfalls angenommen wird, daß sie einen
negativen Einfluß auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten der erzeugten
Wabenstruktur ausüben. Das in TABELLE 2 angeführte, delaminierte, kalzinierte Kaolin-
Material umfaßt wenige aufeinandergestapelte Teilchen und besteht hauptsächlich aus
flachen Teilchen, die unabhängig von der relativ hohen Teilchengröße des Materials B
eine einfache C-Achsen-Ausrichtung der hergestellten Wabenstruktur ermöglichen.
Demgemäß nimmt der Wärmeausdehnungskoeffizient der Wabenstruktur mit
zunehmendem Gewichtsverhältnis von kalziniertem Kaolin-Material B zu Material A ab,
wie in der grafischen Darstellung von Fig. 6 gezeigt. Weiters enthält das kalzinierte
Kaolin-Material B eine relativ geringe Menge an Verunreinigungen, insbesondere an
TiO&sub2;. Daher nimmt der TiO&sub2;-Gehalt im Kaolin II mit zunehmendem Gewichtsverhältnis
von Material B zu Material A ab, was zu einem weiter verringerten
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wabenstruktur führt.
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Aus der grafischen Darstellung aus Fig. 7 geht hervor, daß das delaminierte, kalzinierte
Kaolin-Material C eine zu Material B ähnliche Wirkung der Verringerung des
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wabenstruktur aufweist. Weiters fördert das
kalzinierte Kaolin-Material C mit ziemlich niedriger durchschnittlicher Teilchengröße
die Reaktionen der Materialien zur Bildung der Cordierit-Wabenstruktur und senkt
wirksam den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wabenstruktur noch weiter.
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Aus der grafischen Darstellung aus Fig. 8 geht hervor, daß der
Wärmeausdehnungskoeffizient der Cordierit-Wabenstruktur mit dem Gewichtsverhältnis
von kalziniertem Kaolin-Material D zu Material A zunimmt, obwohl das Material D eine
niedrigere Teilchengröße hat als das kalzinierte Kaolin-Material B, das Delaminierung
unterzogen wurde.
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Es versteht sich, daß das durch Delaminieren und Kalzinieren eines Kaolinminerals
erhaltene Kaolin wirksam ist, wenn es als eine Komponente einer Cordieritmaterial-
Charge eingesetzt wird, um das Wasserabsorptionsvermögen (die Porosität) der
hergestellten Cordierit-Wabenstruktur zu erhöhen, ohne deren
Wärmeausdehnungskoeffizienten in ungünstiger Weise zu erhöhen.
BEISPIEL 2
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Es wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 einige Cordieritmaterial-Chargen
hergestellt, indem die kalzinierten Kaolin-Materialien A und B aus Beispiel 1 als Kaolin
II-Komponente (kalziniertes Kaolin) der Charge und die (in TABELLE 6 angeführten)
gepulverten Talk-Materialien A und B mit unterschiedlichen Kristallitgrößen als
Talkkomponente der Charge eingesetzt wurden. Unter Einsatz dieser Cordieritmaterial-
Chargen wurden einige Probestücke von Cordierit-Wabenstrukturen hergestellt. Jede
Cordieritmaterial-Charge bestand im wesentlichen aus ingesamt 39,1 Gew.-% Talk, 27,4
Gew.-% Kaolin I, insgesamt 20,0 Gew.-% Kaolin II und 13,5 Gew.-% Aluminiumoxid.
Die Cordieritmaterial-Chargen wurden so hergestellt, daß das jeweilige
Gewichtsverhältnis von Talk-Material A zu Talk-Material B 60/40, 70/30, 80/20 und
90/10 betrug und daß der Gesamtgehalt an Kaolin II (20,0 Gew.-%) sich aus 20,0
Gew.-%, 4,7 Gew.-%, 9,4 Gew.-%, 14,2 Gew.-% bzw. 0 Gew.-% des kalzinierten
Kaolin-Materials A und 0 Gew.-%, 15,3 Gew.-%, 10,6 Gew.-%, 5,8 Gew.-% bzw. 20,0
Gew.-% des kalzinierten Kaolin-Materials B zusammensetzte.
TABELLE 6
Zusammensetzung (Gew.-%)
Ursprung
Durchschnittl. Teilchengröße (µm)
Kristallitgröße der Erze (µm)
Montana, U.S.A.
Liaoning, China
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Da die Kristallitgröße des Erzes für das Talk-Material B extrem hoch war, wurde die
Dicke einer dünnen Schuppe senkrecht zur Spaltfläche des Erzes anhand einer mit
einem optischen Mikroskop aufgenommenen Fotografie gemessen, und der gemessene
Dickewert wird in TABELLE 6 als Kristallitgröße des Talk-Materials B angeführt. Daher
ist anzumerken, daß die tatsächliche Kristallitgröße des Talk-Materials B größer ist jene
in TABELLE 6.
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Die so hergestellten Probestücke von Wabenstrukturen mit unterschiedlichen
Gewichtsverhältnissen der beiden Talk-Materialien A und B und unterschiedlichen
Gewichtsverhältnissen der beiden kalzinierten Kaolin-Materialien A und B wurden wie
in Beispiel 1 hinsichtlich des Wasserabsorptionsvermögens getestet. Die Ergebnisse des
Tests werden in der grafischen Darstellung aus Fig. 9 gezeigt. Daraus geht hervor, daß
das Wasserabsorptionsvermögen der Wabenstruktur mit zunehmendem
Gewichtsverhältnis von Talk-Material A mit relativ niedriger Kristallitgröße zu Talk-
Material B mit relativ hoher Kristallitgröße abnimmt. Da die durschnittliche
Teilchengröße der Talk-Materialien A und B beinahe gleich ist, variiert die
durchschnittliche Teilchengröße des Gesamttalkgehalts mit der Änderung der Anteile
oder des Verhältnisses der Talk-Materialien A und B nicht wesentlich. Daher wird
angenommen, daß das Wasserabsorptionsvermögen der Wabenstruktur mit der
durchschnittlichen Kristallitgröße des Gesamttalkgehalts variiert. Es ist auch
anzumerken, daß das Wasserabsorptionsvermögen der Wabenstruktur mit der Änderung
des Gewichtsverhältnisses von kalziniertem Kaolin B (delaminiert) zu kalziniertem
Kaolin A (nicht delaminiert) variiert, wenn das Gewichtsverhältnis der beiden Talk-
Materialien A und B konstant ist.
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Aus obiger Beschreibung geht hervor, daß die Cordierit-Wabenstruktur unter Einsatz
einer Cordieritmaterial-Charge hergestellt wird, die kalziniertes Kaolin als eine
Hauptkomponente enthält, wovon zumindest ein Teil aus einem kalzinierten
Kaolinpulver besteht, das delaminiert oder in dünne Schichten getrennt worden ist, und
daß die so hergestellte Cordierit-Wabenstruktur deutlich verbesserte physikalische
Eigenschaften, wie z.B. Wasserabsorptionsvermögen (Porosität) und
Thermoschockbeständigkeit, aufweist.
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Es ist ebenso klar, daß die Cordieritmaterial-Charge unter Einsatz von zwei Talk-
Materialien mit relativ großer Differenz in der Kristallitgröße als Talkkomponente der
Charge sowie des oben beschriebenen, kalzinierten Kaolins hergestellt wird, und daß
das Wasserabsorptionsvermögen, die Thermoschockbeständigkeit und andere
Eigenschaften der Cordieritwabenstruktur wirksam gesteuert und in vorteilhafter Weise
verbessert werden können, indem das Verhältnis oder die Proportionen der beiden Talk-
Materialien geändert wird/werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die
Herstellung einer Cordierit-Wabenstruktur mit gewünschten physikalischen
Eigenschaften mit hoher Reproduzierbarkeit oder Konstanz hinsichtlich der
Eigenschaften, was eine hohe Stabilität der Qualität der erzeugten Wabenstruktur
gewährleistet.