DE69611449T2

DE69611449T2 - Verfahren zum herstellen eines katalysators oder eines dieselteilchenfilters

Info

Publication number: DE69611449T2
Application number: DE69611449T
Authority: DE
Inventors: P. Merry
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1995-06-30
Filing date: 1996-06-12
Publication date: 2001-08-23
Anticipated expiration: 2016-06-13
Also published as: EP0835368B1; EP0835368A1; CA2225811A1; US5686039A; AU6174096A; JPH11511064A; KR19990028511A; MX9710471A; DE69611449D1; WO1997002414A1; BR9609649A; KR100418111B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Halterungen für Katalysatoren und Dieseltelichenfilter bzw. Dieselpartikelfilter und ein Verfahren zum Anbringen von Halterungen in einem Katalysator oder einem Dieselteilchenfilter.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Verschmutzungssteuervorrichtungen werden bei Kraftfahrzeugen zum Steuern der Verschmutzung der Atmosphäre verwendet. Gegenwärtig werden zwei Typen von Verschmutzungssteuervorrichtungen weitverbreitet verwendet, nämlich Katalysatoren und Dieselteilchenfilter. Diese beiden Vorrichtungstypen enthalten typischerweise eine innerhalb eines Metallgehäuses angebrachte monolithische Struktur, wobei ein Anbringungsmaterial zwischen der Struktur und den Wänden des Gehäuses angeordnet ist. Die monolithische Struktur oder der Monolith besteht gegenwärtig aus Metall oder üblicher einem Keramikmaterial. Das Gehäuse besteht typischerweise aus Edelstahl. Ein Katalysator weist auch ein Katalysatormaterial auf, das typischerweise auf das Innere der im Katalysator untergebrachten monolithischen Struktur aufgebracht ist. Das Katalysatormaterial katalysiert Reaktionen, die Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid oxidieren und die Oxide von Stickstoff reduzieren. Keramische Monolithe haben im allgemeinen sehr dünne Wände und sind für ein Brechen anfällig. Typischerweise weist ein keramischer Monolith einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der etwa eine Größenordnung kleiner als der des Metallgehäuses ist, in dem er enthalten ist. Um ein Beschädigen des keramischen Monoliths durch Straßenstöße und Vibrationen zu verhindern, um Unterschiede der Wärmeausdehnung des Monoliths und des Gehäuses zu kompensieren und um zu verhindern, daß Abgase zwischen dem Monolith und dem Metallgehäuse strömen, werden typischerweise keramische Mattenmaterialien zwischen dem keramischen Monolith und dem Metallgehäuse angeordnet. Keramische Mattenmaterialien und blähbare Schichtmaterialien, die zum Unterstützen des keramischen Monoliths nützlich sind, sind in US-A-3 916 057 (Hatch u. a.), US-A-4 305 992 (Langer u. a.) und US-A-4 385 135 (Langer u. a.) beschrieben.
Bei Katalysatoren, bei denen schwell- bzw. blähbare Schicht-Anbringungsmaterialien verwendet werden, wird im allgemeinen eine einzige rechteckförmige Schicht oder Matte verwendet, die an einem Ende einen Schlitz und am anderen Ende einen Zipfel aufweist. Die. Schicht oder Matte wird um die seitliche Außenfläche des keramischen Monoliths gewickelt, wobei der Zipfel und der Schlitz unter Bildung eines Saums in der Matte in Eingriff gebracht werden. Ein Nachteil dieser Systeme besteht darin, daß der Zipfel genau in den Schlitz passen muß, um um den Außenbereich des keramischen Monoliths herum einen gasdichten Abschluß zu gewährleisten. Dieses Anbringungsverfahren ist bei einem automatisierten Prozeß schwierig auszuführen, und manuelle Arbeitsgänge können kostspielig und zeitaufwendig sein. Weiterhin schwankt der Durchmesser der keramischen Monolithe typischerweise um +/- 2 mm, weshalb der Umfang oder die äußere Begrenzung des Monoliths um +/- 6 mm schwanken kann. Diese Schwankung des Durchmessers des Monoliths bedeutet, daß die Matte leicht zu lang oder zu kurz ist, wenn die einzelnen keramischen Monolithen variieren.
Ein Überlappen der Matte kann ein ungeeignetes Schließen des Gehäuses hervorrufen, womit das Risiko eines Ausfalls der Anbringung oder des Zerbrechens des keramischen Monoliths einhergeht. Ein Überlappen wird gewöhnlich dadurch verhindert, daß die Mattenlänge für einen Monolith mit der minimalen äußeren Begrenzung ausgelegt wird. Hierdurch wird gewährleistet, daß nie ein Überlappen der Matte auftritt, dies bedeutet jedoch auch, daß die Matte häufig zu kurz ist und ein Zwischenraum oder Spalt bleibt, wo die beiden Enden der Matte zusammenkommen sollten. Dieser Zwischenraum ist unerwünscht, weil er dem Abgas zusätzlichen Randbereich der Matte bietet, auf den es treffen kann. Unter rauhen Fahrbedingungen kann dieser freiliegende Rand eine Stelle darstellen, an der die Erosion der Matte beginnt. Dieser Zwischenraum ermöglicht auch das Leiten einer größeren Wärmemenge zum Metallgehäuse, weil heiße Abgase in direkten Kontakt mit dem Metallgehäuse gelangen und das Gehäuse schließlich beschädigen können.
Es wurden in der Vergangenheit Versuche unternommen, eine Paste auf Wasserbasis direkt zwischen den Monolith und das Metallgehäuse einzuspritzen (GB-A-1 522 646). Für dieses Verfahren sind irgendeine Art des Zentrierens des Monoliths innerhalb des Gehäuses und ein Verfahren zum Dichten des Metallgehäuses vor dem Einspritzen der Paste erforderlich. Weil das Gehäuse abgeschlossen ist, ist es schwer zu bestimmen, ob der ganze Bereich zwischen dem Monolith und dem Metallgehäuse ausreichend gefüllt wurde, um den Monolith zu schützen. Weiterhin kann jedes folgende Schweißen problematisch sein, weil Dampf von der Paste fortgetrieben wird, wenn das Gehäuse zum ersten Mal erwärmt wird. Dieser Dampf kann innerhalb des Gehäuses einen Überdruck hervorrufen und einen Teil des Anbringungsmaterials ausblasen. Weiterhin kann die Paste nach dem Austreiben des Wassers schrumpfen, so daß sie keine ausreichende Haltekraft mehr ausübt, um den Monolith am Ort zu halten. Durch dieses Problem können die Dichte der montierten Anbringung und die anfängliche Anbringungskraft begrenzt werden. Das Pastenmaterial muß typischerweise auf etwa 600ºC erwärmt werden, um das Blähmaterial auszudehnen, um den Monolith im Gehäuse festzuhalten. Es wurde auch vorgeschlagen, den Monolith direkt mit einer Blähmischung zu beschichten (US-A-3 916 057 (Hatch u. a.)).
Ein Nachteil der verwendeten Verfahren besteht in der Schwierigkeit, um den zerbrechlichen Monolith herum eine gleichmäßige Beschichtung anzubringen. Bereiche, die eine übermäßig dicke Pastenbeschichtung aufweisen, können einen übermäßigen Druck auf den Monolith ausüben, wenn er erwärmt wird, was zum Zerbrechen des Monoliths führen kann.
Es besteht weiterhin ein Bedarf an einem nahtlosen Blähmaterial, das zum sicheren Anbringen des Monoliths in einem Katalysator oder in einem Dieselteilchenfilter verwendet werden kann, bei dem die mit den bereits bekannten Matten- und Pastenanbringungsmaterialien verbundenen Probleme vermieden werden und das bei einer automatischen Montage leicht verwendet werden kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Herstellen einer Katalysatorvorrichtung mit dem Schritt des Bereitstellens eines beschichteten Katalysatorelements zum Anordnen in einem Gehäuse vor, das durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:
(a) Einbringen eines Katalysatorelements in eine Form,
(b) Einspritzen einer ausreichenden Menge eines fließfähigen Anbringungsmaterials in die Form, um eine nahtlose, zusammenhängende Beschichtung um einen Abschnitt des Katalysatorelements herum zu bilden, wobei das fließfähige Anbringungsmaterial 2 bis 90 Trockengewichtsprozent von mindestens einem nicht ausgedehnten Bläh- bzw. Schwellmaterial, 10 bis 98 Trockengewichtsprozent Bindemittel, 0 bis 25 Trockengewichtsprozent Fasern, 0 bis 70 Trockengewichtsprozent von einem oder mehreren Füllstoffen und eine Flüssigkeit aufweist, und
(c) Entfernen des Katalysatorelements aus der Form.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren weiter das Anordnen des Katalysatorelements im Gehäuse nach dem Schritt (c) auf. Es werden auch analoge Verfahren zum Herstellen von Dieselteilchenfiltern und starren Hochtemperaturfiltern beschrieben.
Die Erfindung sieht auch ein Katalysatorelement zum Anbringen in einem Gehäuse vor, das eine vorgegebene nahtlose Beschichtung eines blähbaren Anbringungsmaterials aufweist. Die Erfindung sieht auch ein alternatives Verfahren zum Herstellen eines Katalysators für Autoabgase vor, welches aufweist:
(a) Aufbringen von Endkappen auf ein Katalysatorelement,
(b) Beschichten einer ausreichenden Menge eines fließfähigen Anbringungsmaterials auf das Katalysatorelement, um eine nahtlose, zusammenhängende Beschichtung um das Element herum zu bilden,
(c) Lenken eines Messers um den Außenbereich der Endkappen herum, um eine vorgegebene Beschichtung eines Anbringungsmaterials zu erzeugen, und
(d) Entfernen der Endkappen von dem Element.
Es werden auch analoge Verfahren zum Herstellen von Dieselteilchenfiltern und starren Hochtemperaturfiltern beschrieben.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargelegt und teilweise anhand der Beschreibung verständlich werden, oder sie können bei der praktischen Anwendung der Erfindung erlernt werden. Die Aufgaben und weiteren Vorteile der Erfindung werden durch die Verfahren und Artikel verwirklicht und erreicht, die in der geschriebenen Beschreibung und den Ansprüchen eingehend dargelegt sind.
Es sei bemerkt, daß die vorhergehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung als Beispiel und dem Erklären dienen und dafür vorgesehen sind, eine weitere Erklärung der beanspruchten Erfindung bereitzustellen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines an einem Monolith angeformten Formmaterials.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer mit dem Monolith und der Paste gefüllten Form.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht eines Monoliths mit an jedem Ende des Monoliths befestigten Streifen zum Zentrieren in der Form.
Fig. 4 ist eine Stirnansicht eines Monoliths, in der die Schnitt-Hauptachse und die Schnitt-Nebenachse dargestellt sind, Fig. 4A ist eine Stirnansicht eines Monoliths mit aufgebrachter Paste.
In Fig. 5 ist die Konfiguration von Endkappen zum Messerbeschichten dargestellt, Fig. 5A ist eine Stirnansicht eines Monoliths mit aufgebrachter Paste.
Fig. 6 enthält die Realbedingungs-Befestigungstest-Kurven für Beispiel 1.
In Fig. 7 sind die Hochgeschwindigkeits-Kompressionstest- Kurven für die Paste aus Beispiel 1 und für eine InteramTM Typ-100-Automobil-Anbringungsmatte dargestellt.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Anformen des Anbringungsmaterials um den Monolith.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Herstellen eines Katalysators für Autoabgase vor, welches aufweist:
(a) Einbringen eines Katalysatorelements in eine Form,
(b) Einspritzen einer ausreichenden Menge eines fließfähigen Anbringungsmaterials in die Form, um eine nahtlose, zusammenhängende Beschichtung um einen Abschnitt des Elements herum zu bilden, wobei das fließfähige Anbringungsmaterial 2 bis 90 Trockengewichtsprozent von mindestens einem nicht ausgedehnten Blähmaterial, 10 bis 98 Trockengewichtsprozent Bindemittel, 0 bis 25 Trockengewichtsprozent Fasern, 0 bis 70 Trockengewichtsprozent von einem oder mehreren Füllstoffen und eine Flüssigkeit aufweist, und
(c) Entfernen des Katalysatorelements aus der Form.
Bei einer Ausführungsform wird das Katalysatorelement nach dem Schritt (c) in einem Gehäuse abgeordnet. Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus Metall. Bei einer Ausführungsform wird das Katalysatorelement nach dem Schritt (c) erwärmt. Das Katalysatorelement kann alternativ nach dem Schritt (b) und vor dem Schritt (c) erwärmt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Katalysatorelement nach dem Schritt
(c) auf eine Temperatur von etwa 60ºC bis etwa 150ºC erwärmt, und es wird dann in einem Gehäuse angeordnet. Die nahtlose, zusammenhängende Beschichtung wird vorzugsweise um einen Hauptteil des Elements herum gebildet.
Die vorliegende Erfindung sieht auch eine in Fig. 1 dargestellte Anordnung (10) mit einer monolithischen Struktur vor, die ein blähbares Anbringungsmaterial (11) aufweist, das bis zu einer vorgegebenen Außenabmessung um die äußere Seitenfläche der monolithischen Struktur (12) herum angeformt ist. Insbesondere ist die monolithische Struktur oder der Monolith eine keramische oder metallische Struktur oder ein starres Hochtemperaturfilter. Ein Beispiel eines starren Hochtemperaturfilters ist ein Keramikschaumfilter zum Filtern geschmolzenen Aluminiums. Die Struktur kann nachfolgend in einem Gehäuse, beispielsweise einer Metalldose oder einer Metallummantelung, angebracht werden, die für Katalysatoren oder Dieselteilchenfilter verwendet wird.
Beim praktischen Gebrauch der Erfindung wird eine in Fig. 2 dargestellte Form (30) bereitgestellt, die der Kontur und der Innenabmessung des Metallgehäuses angenähert ist, in das die monolithische Struktur einzuführen ist. Die Abmessungen der Form werden unter Berücksichtigung des Schrumpfungsbetrags bestimmt, den die Paste nach dem Entfernen der flüchtigen Stoffe aufweist. Die Form weist mindestens eine Einlaßöffnung (31) auf, durch die ein Blähmaterial eingespritzt werden kann. Die Einlaßöffnung befindet sich vorzugsweise in der Mitte der axialen Länge der Form. Zusätzlich sind vorzugsweise eine oder mehrere Öffnungen (32) bereitgestellt, um zu ermöglichen, daß Luft fortlaufend ausgelassen wird, wenn die Form gefüllt wird. Bei einer speziellen Ausführungsform befindet sich die Öffnung zum Entfernen von Luft 180º von der Einlaßöffnung entfernt.
Die Form kann auch mit aus geeigneten Materialien, wie Kunststoff, Gummi, Metall oder dergleichen, bestehenden Endkappen (33) versehen sein. Die Endkappen erstrecken sich im allgemeinen axial über den Rand des Monoliths, um ihn im Formhohlraum richtig zu zentrieren. Bei einer Ausführungsform ruht die untere Endkappe auf einem Kolben (35), der später nach dem Beschichten zum Ausstoßen der Monolithanordnung aus der Form verwendet wird.
Der Katalysatormonolith wird dann sicher in der Form positioniert. Dies kann auf vielerlei Arten geschehen. Beispielsweise kann die Form weiter eine mit Befestigungselementen (38) an ihrem Ort gehaltene starre Abdeckung (36) aufweisen, so daß der Monolith zwischen der Abdeckung (36) und dem Kolben (35) mit Endkappen abgedichtet ist. Bei einer in Fig. 3 dargestellten alternativen Ausführungsform wird der Monolith (12) durch Anbringen eines schmalen Streifens eines Matten- oder Schichtmaterials (40) um eines oder beide Enden des Monoliths innerhalb der Form (30) positioniert. Der Streifen wirkt dann als ein Abstandselement zum Zentrieren des Monoliths in der Form und zum Bereitstellen eines fortlaufenden Spalts zwischen der Form und dem Monolith. Der Streifen kann mit einem herkömmlichen Mittel, wie einem Klebstoff, Haftklebebändern, Heftklammern und dergleichen, angebracht werden. Der Streifen kann vorübergehend verwendet werden, wobei er in diesem Fall vor dem Anbringen des beschichteten Monoliths in einem Katalysator oder Dieselfilter entfernt werden könnte. Geeignete vorübergehend verwendete Materialien sind unter anderem Karton, flexible Schaumstoffschichten, Kunststoffschichten und dergleichen. Der Streifen kann auch permanent sein, wobei er in diesem Fall mit dem Monolith in den Katalysator oder Filter eingebracht und dort angebracht werden würde. Geeignete Schicht- oder Mattenmaterialien für diese Anwendung sind die vorübergehend verwendeten Materialien sowie blähbare Schicht- und Mattenmaterialien, wie diejenigen, die in US-A-3 916 057 (Hatch u. a.), US-A-4 385 135 (Langer u. a.) und US-A-4 305 992 (Langer u. a.) beschrieben sind. Beispiele geeigneter im Handel erhältlicher Materialien sind InteramTM-Automobil- Anbringungsmatten von Minnesota Mining and Manufacturing Company, Kantenschutzmaterialen unter Einschluß eines Streifens aus Maschendrahtgewebe, wie in US-A-5 008 086 (Merry) offenbart ist, und es kann auch das in EP-A-639 701 (Howorth u. a.), EP-A-639 702 (Howorth u. a.) und EP-A-639 700 (Stroom u. a.) offenbarte glasgefüllte Streifenmaterial verwendet werden. Geeignete im Handel erhältliche Maschendrahtverschlüsse sind von ACS Industries Inc., Woonsocket, Rhode Island oder Metex Industrial Products Div. Edison, New Jersey, erhaltene gewirkte und/oder komprimierte Endverschlüsse, die auch zum Einschließen des Monoliths in das Gehäuse verwendet werden können. Das letztgenannte Verfahren würde weiterhin einen Schutz vor einer Erosion durch heiße Gase an den Rändern der Beschichtung während der Verwendung in einem Katalysator bieten.
Eine viskose Blähmischung, vorzugsweise in Form einer Paste, wird in die Form eingespritzt, bis sie gefüllt ist, was dadurch festgestellt werden könnte, daß die Paste aus der Öffnung (den Öffnungen) zum Auslassen der Luft austritt, Vorzugsweise sind die Blähmischungen Pasten hoher Viskosität, die eine Form beibehalten, wenn sie geformt worden sind, die jedoch ausreichend fließfähig sind, damit die Mischung in die Form gepumpt und eingespritzt werden kann. Nachdem die Mischung den Spalt zwischen der Form und dem Monolith ausgefüllt hat, kann die Monolithanordnung beispielsweise durch Ausstoßen der Anordnung aus der Form oder durch Entfernen der Form aus der Anordnung von der Form getrennt werden. Die sich ergebende Monolithanordnung weist eine nahtlose Beschichtung aus Paste, die den Monolith zusammenhängend umgibt, und einen gesteuerten Außendurchmesser auf. Die beschichtete Anordnung kann wahlweise zum Entfernen der flüchtigen Materialien, beispielsweise durch Anordnen des beschichteten Monoliths in einem Ofen bei 105ºC für etwa 16 Stunden, getrocknet werden. Die Monolithanordnung kann nachfolgend sicher in einem Katalysatorgehäuse angebracht werden, ohne daß die zum Anbringen von Matten erforderlichen arbeitsintensiven Schritte notwendig wären. Alternativ kann die beschichtete Anordnung durch Mikrowellentrocknen getrocknet werden.
Verwendbare Mischungen sind Pasten mit einem Bindemittel und einem Blähmittel, die vorzugsweise in Wasser dispergiert sind, wenngleich bei manchen Mischungen Lösungsmittel verwendet werden können. Eine typische Pastenmischung weist in Trockengewichtsprozent 2 bis 90 Prozent mindestens eines nicht ausgedehnten Blähmaterials, 10 bis 98 Prozent Bindemittel, 0 bis 25 Prozent Fasern und 0 bis 70 Prozent Füllstoffe auf. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Paste 40 bis 80 Trockengewichtsprozent nicht ausgedehnten Vermiculit auf. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist die Paste 40 bis 80 Trockengewichtsprozent nicht ausgedehnten Vermiculit und 20 bis 50 Trockengewichtsprozent Bindemittel auf. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Paste 40 bis 80 Trockengewichtsprozent nicht ausgedehnten Vermiculit, 20 bis 50 Trockengewichtsprozent anorganisches Bindemittel und 1 bis 5 Trockengewichtsprozent organischer Fasern auf. Die Mischung weist vorzugsweise 64,2% nicht ausgedehnten Vermiculit #4, 33,8% Bindemittel (14,2% Ton, 19,6% ausgedehnten Vermiculits) und 2,0% Viskosefasern auf.
Verwendbare Bindematerialien oder Bindemittel können einen oder mehrere anorganische Bindemittel, einen oder mehrere organische Bindemittel oder Kombinationen von diesen aufweisen. Geeignete anorganische Bindematerialien sind in Wasser blähbare Tone, wie Montmorillonit (in größeren Mengen in Bentonit, Hectorit und Saponit vorhanden) und Kaolinit, in Wasser blähbarer künstlicher Glimmer, wie Tetrasilikafluotglimmer in in Wasser blähbarer, nicht ausgetauschter Form oder nach dem Flocken als das ausgetauschte Salz mit einem divalenten oder polyvalenten Kation, ausgedehnter Vermiculit und gemahlener ausgedehnter Vermiculit (auch als aufgeblätterter Vermiculit beschrieben), der beispielsweise durch in einer Kugelmühle erfolgendes Bearbeiten oder unter hoher Scherkraft erfolgendes Mischen ausgedehnten Vermiculits hergestellt werden kann.
Organische Bindemittel umfassen Polymere und Elastomere, die in verschiedenen Formen unter Einschluß wäßriger Polymeremulsionen, also als ein Latex, als auf einem Lösungsmittel beruhende Mischungen und als 100%ige Feststoffe, verwendet werden können. Geeignete Elastomere und Polymere umfassen Naturgummis, Kunstgummis, wie Styrenbutadien, Acrylnitril- Butadien, Acrylat- und Methacrylat-Homopolymere und -Copolymere sowie Polyurethane.
Das organische Bindemittel kann mindestens einen oder mehrere Klebrigmacher, einen oder mehrere Weichmacher und/oder andere Modifizierer, wie einen oder mehrere Fließfähigkeitsmodifizierer, oder Kombinationen von diesen aufweisen. Klebrigmacher oder klebrig machende Harze weisen Kohlenwasserstoffe oder modifizierte Kolophoniumester auf, und sie verleihen einem Polymer typischerweise klebstoffartige Eigenschaften. Klebrigmacher helfen dabei, das Bindemittel und Füllstoffe zusammenzuhalten. Weichmacher neigen dazu, einen Polymergrundstoff aufzuweichen und tragen dadurch zur Flexibilität und Formbarkeit der aus der Mischung hergestellten Schichtmaterialien bei. Fließfähigkeitsmodifizierer können die Viskosität der Mischung erhöhen oder verringern und beispielsweise Acryllatexe aufweisen.
Ein bevorzugtes organisches Bindemittel ist unter anderem eine wäßrige Acrylemulsion. Acrylemulsionen sind wegen ihrer Alterungseigenschaften und nicht korrodierenden Verbrennungsprodukte bevorzugt. Verwendbare Acrylemulsionen sind unter anderem jene, die im Handel unter den Handelsbezeichnungen "RHOPLEX TR-934" (eine wäßrige Acrylemulsion mit 44,5 Gew.-% Feststoffen) und "RHOPLEX HA-8" (eine wäßrige Emulsion von Acrylcopolymeren mit 44,5 Gew.-% Feststoffen) von Rohm and Haas aus Philadelphia, Pennsylvania erhältlich sind. Eine bevorzugte Acrylemulsion ist im Handel unter der Handelsbezeichnung "NEOCRYL XA-2022" (eine wäßrige Dispersion von Acrylharz mit 60,5% Feststoffen) von ICI Resins U. S. aus Wilmington, Massachusetts erhältlich.
Ein bevorzugtes organisches Bindemittel weist Acrylharz im Bereich von etwa 20 bis etwa 40 Gew.-%, einen oder mehrere Weichmacher (beispielsweise den im Handel unter der Handelsbezeichnung "SANTICIZER 148" (Isodecyldiphenyldiphosphat) von Monsanto aus St. Louis, Missouri erhältlichen) im Bereich von etwa 40 bis etwa 20 Gew.-%, sowie einen oder mehrere Klebrigmacher (beispielsweise einen Kolophonium-Klebrigmacher, wie den im Handel unter der Handelsbezeichnung "SNOWTACK 820A" (eine wäßrige Kolophoniumdispersion mit 50 Gew.-%, Schmelzpunkt des Kolophoniums: 55ºC) von Eka Nobel, Inc., aus Toronto, Kanada erhältlichen) im Bereich von etwa 40 bis etwa 20 Gew.-% auf, wobei sich dies auf das Gesamtgewicht der sich ergebenden Dispersion bezieht. Diese Bereiche boten einen Kompromiß zwischen der gewünschten Flexibilität des Bindemittels und dem Minimieren der Menge organischer Bindemittel, die während des Erwärmens auf die Verwendungstemperatur ausbrennt.
Geeignete Blähmaterialien sind unter anderem nicht ausgedehnter Vermiculit, Vermiculiterz, Hydrobiotit, in Wasser blähbarer künstlicher Glimmer vom Tetrasilikafluortyp, wie in US-A-3 001 571 beschrieben ist, Alkalimetallsilikatkörnchen, wie in US-A-4 521 333 (Graham u. a.) beschrieben ist, und ausdehnbarer Graphit. Geeignete Blähmaterialien sind unter anderem auch ExpantrolTM-Körnchen, die von Minnesota Mining and Manufacturing Company, St. Paul, Minnesota erhältlich sind. Bevorzugte Blähmaterialien sind nicht ausgedehnter Vermiculit, Vermiculiterz und ausdehnbarer Graphit.
Die Mischung kann auch Verstärkungsfasern mit Anteilen von etwa 0 bis 25 Gew.-% der getrockneten Mischung aufweisen. Abhängig vom gewünschten Endergebnis können verschiedene Fasertypen allein oder in Kombination verwendet werden.
Beispielsweise können organische Fasern verwendet werden, um Elastizität und Festigkeit bereitzustellen, um die Teilchenmaterialien der Paste vor dem Erwärmen miteinander zu verbinden. Diese Fasern werden typischerweise innerhalb mehrerer Erwärmungszyklen eines Katalysators abgebrannt. Verwendbare organische Fasermaterialien sind unter anderem regenerierte Zellulose und Acryl. Im Handel erhältliche organische Fasern sind unter anderem fibrillierte Acrylfasern der Marke CFFTM von Cytec Industries, Inc., West Paterson, New Jersey. Viskosefasern sind im Handel von verschiedenen Lieferanten unter Einschluß von Mini Fiber, Inc., Johnson City, Tennessee erhältlich.
Es können auch anorganische Fasern aufgenommen werden, um die Teilchen vor dem Erwärmen zu verbinden, und um vor, während und nach dem Einwirkenlassen hoher Temperaturen Festigkeit und Elastizität zu erzielen. Verwendbare Materialien für Fasern sind unter anderem Graphit, Aluminiumoxid- Siliciumdioxid, Siliciumdioxid, Calciumoxid-Siliciumdioxid, Asbest, Glas und Metalle, wie Inconel und Edelstahl. Geeignete anorganische Fasern sind unter anderem Weichglasfasern, hochschmelzende Fäden, wie in US-A-3 709 706 beschriebene Zirconiumdioxid-Siliciumdioxidfasern, kristalline Aluminiumoxid-Whisker, Aluminosilikatfasern und keramische Fasern, wie in US-A-3 795 524 (Sowman) und US-A-4 047 965 (Karst u. a.) offenbart ist.
Geeignete Fasern, die im Handel zur Verwendung als innerhalb der Anbringungsmaterialien verteilte Verstärkungsfasern oder zerhackte Fasern erhältlich sind, sind unter anderem Aluminosilikatfasern (beispielsweise unter den Handelsbezeichnungen "NEXTEL 312 CERAMIC FIBERS", "NEXTEL 440 CERAMIC FIBERS" und "NEXTEL 550 CERAMIC FIBERS" von Minnesota Mining and Manufacturing Company erhältlich), "FIBERFRAX 7000M" von Carborundum Company aus Niagara Falls, New York, "CERAFIBER" von Thermal Ceramics aus Augusta, Georgia und Edelstahlfasern (im Handel beispielsweise unter der Handelsbezeichnung "BEKI-SHIELD GR90/C2/2" von Bekaert Steel Wire Corp. aus Atlanta, Georgia erhältlich).
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Mischung vorzugsweise Glasfasern mit einem Durchmesser von weniger als etwa 1,5 Mikrometer und vorzugsweise weniger als etwa 1 Mikrometer sowie Glasfasern mit einem Durchmesser von etwa 5 bis 20 Mikrometer und vorzugsweise von etwa 8 bis 12 Mikrometer auf. Verwendbare Typen von Gläsern sind unter anderem Calciumborosilikatgläser, wie Calciumaluminoborosilikatgläser, Magnesiumaluminoborosilikatgläser und Alkaliborosilikatgläser. Bevorzugte Gläser sind Alkaliborosilikatgläser und Magnesiumaluminosilikatgläser. Der Begriff "Glas" bezeichnet hier ein amorphes änorganisches Oxidmaterial (ein amorphes Material ist ein Material mit einem diffusen Röntgenbeugungsmuster ohne deutliche Linien zum Angeben des Vorhandenseins einer kristallinen Phase). Geeignete Glasfasern weisen einen Erweichungspunkt in der Nähe der Verwendungstemperatur auf. Diese Temperatur liegt typischerweise unterhalb von etwa 900ºC, vorzugsweise unterhalb von etwa 850ºC und am bevorzugtesten unterhalb von etwa 800ºC. Der Begriff "Erweichungspunkt" betrifft die Temperatur, bei der ein Glas in Form einer Faser mit einem gleichmäßigen Durchmesser beginnt, sich unter seinem eigenen Gewicht zu verformen. Geeignete Glasfasern sind unter anderem jene, die im Handel unter den Warenzeichen Micro-StrandTM Micro-FibersTM von Schuller International, Inc. erhältlich sind, und S-2- Glasfasern von Owens Corning, Toledo, Ohio. Bei der Verwendung werden die Glasfasern mit einem Durchmesser von weniger als etwa 1,5 Mikrometer in Gewichtsanteilen von etwa 0,25% bis etwa 5% und vorzugsweise von etwa 0,25% bis etwa 1% aufgenommen.
Andere Typen von Füllstoffen können auch in Gewichtsanteilen von 0 bis 70% in die Mischung aufgenommen sein. Nützliche Füllstoffe sind unter anderem Materialien geringer Dichte, wie Perlit, Fillit, Flugasche oder Kieselgur. Diese Materialien geringer Dichte können zum Verbessern der Wärmeleitfähigkeit der Anbringungsmaterialien und dazu, die Außen - hülle des Katalysators kühler zu halten, verwendet werden. Andere verwendbare Füllstoffe sind unter anderem zerdrückbare Füllstoffe, wie Glasblasen, z-Lichtkugeln von Zeelan und MacroliteTM-Keramikkugeln von Minnesota Mining and Manufacturing Company. Diese zerdrückbaren Füllstoffe kollabieren während des anfänglichen Erwärmens, wodurch das Komprimieren des Anbringungsmaterials verringert wird. Andere träge Füllstoffe können hinzugefügt werden, um die Fließfähigkeit der Pastenmischung zu verbessern oder die Kosten zu verringern. Beispiele träger Füllstoffe sind Aluminiumoxid- oder Siliciumdioxidpulver.
Die Mischungen können weiterhin oberflächenaktive Stoffe oder Schäumungsmittel aufweisen, um das Dispergieren der Materialien in Wasser oder Lösungsmittel unter Bildung gleichmäßiger Dispersionen zu unterstützen.
Die Dehngrenze bzw. der Modul des blähbaren Anbringungsmaterials kann durch vor dem Einspritzen der Blähpaste erfolgendes Wickeln eines Verstärkungsmaterials in der Art eines gewellten Drahtgittergewebes um den Monolith geändert werden. Das Drahtgitter weist eine ausreichende Porosität auf, um das Einspritzen der Paste durch dieses zu ermöglichen. Geeignete Drahtgittergewebe sind unter anderem das Edelstahldrahtgitter 304, Fältelung #12, Draht 48 mit einer Dichte von 0,011", Einzel- oder Mehrfachstrang, im Handel erhältlich von Metex Industrial Product Div., Edison, New Jersey. Die sich ergebende Anordnung ist eine nahtlose Blähbeschichtung mit einer inneren Drahtgitterverstärkung. Die Paste könnte alternativ um einen mit einer Matte umwickelten Monolith herum gespritzt werden. Geeignete Matten sind unter anderem InteramTM-Matten von Minnesota Mining and Manufacturing Company oder Keramikpapiere von Carborundum, Niagara Falls, New York oder Thermal Ceramics, Augusta, Georgia.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Anbringungsmaterial eine faserlose Paste, die auf einer Trockengewichtsbasis 30 bis 40 Prozent anorganische Bindemittel und 60 bis 70 Prozent Blähmaterialien aufweist. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform besteht die Paste aus anorganischen Bindemitteln, Blähmaterialien und etwa 0,25 bis etwa 1 Gew.-% Mikrofasern mit einem Durchmesser von weniger als etwa 1,5 Mikrometer. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Pastenmischung von hochschmelzenden Keramikfasern frei.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zum Bereitstellen einer ungleichmäßigen Dicke des Anbringungsmaterials um den Außenbereich eines Monoliths verwendet werden, was mit einer Matten- oder Schichtanbringung gewöhnlich nicht möglich ist. Dies ist ein wichtiger Gewichtspunkt, weil die Steifigkeit der Dose oder des Gehäuses ungleichmäßig sein kann und der auf den Monolith ausgeübte Druck daher ungleichmäßig sein kann. Beispielsweise ist die Dose (44) bei einem Gehäuse mit einem elliptischen oder ovalen rennbahnförmigen Querschnitt, wie in Fig. 4 dargestellt ist, entlang ihrer Hauptachse (A) viel steifer als entlang ihrer Nebenachse (B). Es kann demgemäß vorteilhaft sein, die Form so auszulegen, daß der Monolith entlang der Nebenachse mit einer dickeren Pastenschicht beschichtet wird, um um den ganzen Außenbereich des Monoliths herum eine gleichmäßigere Kraft hervorzurufen, wie in Fig. 4A dargestellt ist. Der Monolith kann auch in den Bereichen, die unter einem 45º-Winkel zu den Zellenwänden des Monoliths stehen, mit einer etwas dünneren Pastenschicht beschichtet werden. Der Monolith weist seine geringste Festigkeit entlang dieser Achse auf.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Pastenmischung durch Rakel- bzw. Messerbeschichten gleichmäßig auf den Monolith aufgebracht werden. Dies kann dadurch vorgenommen werden, daß zwei in Fig. 5 dargestellte Endkappen (50) bereitgestellt werden, die über die Enden des Monoliths passen und Seitenwände aufweisen, deren Dicke in etwa der gewünschten Dicke der Beschichtung gleicht. Die Endkappen werden sicher über den Enden des Monoliths positioniert, und es wird ein Übermaß an Paste auf den Monolith aufgebracht. Ein gegen die Endkappen gebrachtes Rakel bzw. Messer wird um den Außenbereich des Monoliths herum gezogen, und die überschüssige Paste wird durch das Messer entfernt. Die sich ergebende Monolithanordnung wird wahlweise getrocknet und dann in einem Gehäuse angebracht.
In der Praxis kann auch ein Matten- oder Schichtmaterial in Kombination mit der Anordnung der beschichteten monolithischen Struktur verwendet werden. Es kann beispielsweise wünschenswert sein, eine Pastenmischung mit einem Material zu verwenden, das bei einer geringeren Temperatur bläht als das Blähmaterial der Matte, was bei ausdehnbarem Graphit der Fall ist, oder umgekehrt. Dies wäre für das Anbringen eines Katalysators für ein Dieselfahrzeug besonders nützlich, wo bei geringer Temperatur ausdehnbarer Graphit verwendet wird.
Die Erfindung bietet auch Vorteile bei der Montage eines Katalysators. Weil die Abmessungen der Form konstant sind, wird die Menge der in die Form eingespritzten Paste durch die Größe des Monoliths gesteuert und kann daher die große Abmessungstoleranz des keramischen Monoliths kompensieren. Falls ein Monolith demgemäß am unteren Ende des Toleranzbereichs liegt, empfängt er eine größere Menge an Paste als ein ähnlicher Monolith am oberen Ende des Toleranzbereichs. Beide Monolithe hätten nach dem Beschichten und Trocknen im wesentlichen die gleiche Außenabmessung. Weil die Kosten des Herstellens keramischer Monolithe in hohem Maße eine Funktion der erforderlichen Abmessungstoleranz sind, ist es möglich, die Kosten des Herstellens des Monoliths zu verringern, indem die Abmessungstoleranzen vergrößert werden und die größeren Toleranzen durch Ändern der Menge der aufgebrachten Blähpaste kompensiert werden. Weiterhin werden durch die vorliegende Erfindung der normale Spalt und die Schlitz/Zipfel-Konfiguration von monolithischen Katalysator-Anbringungsmatten aus dem Stand der Technik beseitigt, und es werden dadurch die Spalte als Quellen von Wärmeübertragung und Mattenerosion beseitigt.
Das auch als Dose oder Ummantelung bezeichnete Metallgehäuse kann aus auf dem Fachgebiet für diese Verwendung geeigneten Materialien bestehen. Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus Edelstahl.
Auch als Monolithe und monolithische Strukturen bezeichnete geeignete Katalysatorelemente sind auf dem Fachgebiet bekannt und schließen jene ein, die aus Metall oder Keramik bestehen. Die Monolithe oder Elemente werden zum Tragen der Katalysatormaterialien für den Katalysator verwendet. Ein verwendbares Katalysatorelement ist beispielsweise im US- Patent RE 27 747 (Johnson) offenbart.
Weiterhin sind keramische Katalysatorelemente im Handel beispielsweise von Corning Inc. aus Corning, New York und von NGK Insulator Ltd. aus Nagoya, Japan erhältlich. Beispielsweise wird eine keramische Bienenwaben-Katalysatorhalterung unter den Handelsbezeichnungen "CELCOR" von Corning Inc. und "HONEYCERAM" von NGK Insulator Ltd. vermarktet. Metallische Katalysatorelemente sind im Handel von Behr GmbH und Emitec Co. aus Deutschland erhältlich.
Für weitere Einzelheiten zu Katalysatormonolithen sei beispielsweise auf "Systems Approach to Packaging Design for Automotive Catalytic Converters", Stroom u. a., Veröffentlichungsnummer 900500, SAE Technical Paper Series, 1990, auf "Thin Wall Ceramics as Monolithic Catalyst Supports", Howitt, Veröffentlichung 800082, SAE Technical Paper Series, 1980 und auf "Flow Effects in Monolithic Honeycomb Automotive Catalytic Converters", Howitt u. a., Veröffentlichungsnummer 740244, SAE Technical Paper Series, 1974 verwiesen.
Die auf die Katalysatorelemente aufgebrachten Katalysatormaterialien schließen jene ein, die auf dem Fachgebiet bekannt sind (beispielsweise Metalle, wie Ruthenium, Osmium, Rhodium, Iridium, Nickel, Palladium und Platin, sowie Metalloxide, wie Vanadiumpentoxid und Titandioxid). Für weitere Einzelheiten hinsichtlich Katalysatorbeschichtungen sei beispielsweise auf US-A-3 441 381 (Keith u. a.) verwiesen.
Herkömmliche monolithische Dieselteilchenfilter-Elemente sind typischerweise Wandströmungsfilter, die aus einem bienenwabenförmigen, porösen kristallinen Keramikmaterial (beispielsweise Cordierit) bestehen. Alternierende Zellen der bienenwabenförmigen Struktur sind typischerweise abgeschlossen, so daß Abgas in eine Zelle eintritt und durch die poröse Wand einer Zelle gedrängt wird und durch eine andere Zelle aus der Struktur austritt. Die Größe des Dieselteilchenfilter-Elements hängt von den speziellen Anforderungen der Anwendung ab. Verwendbare Dieselteilchenfilter-Elemente sind im Handel beispielsweise von Corning Inc. aus Corning, New York und von NGK Insulator Ltd. aus Nagoya, Japan erhältlich. Weiterhin sind verwendbare Dieselteilchenfilter-Elemente in "Cellular Ceramic Diesel Particulate Filter", Howitt u. a., Veröffentlichungsnummer 810114, SAE Technical Paper Series, 1981 erörtert.
Die folgenden nicht einschränkenden Beispiele veranschaulichen spezielle Ausführungsformen der Erfindung.

TESTVERFAHREN

Realbedingungs-Befestigungstest (Real Condition Fixture Test - RCFT)

Der RCFT ist ein zum Messen des vom Anbringungsmaterial ausgeübten Drucks unter Bedingungen, die die bei einem Katalysator während der normalen Verwendung angetroffenen tatsächlichen Bedingungen repräsentieren, verwendeter Test. 33,1 mm mal 33,1 mm messende quadratische Proben werden aus dem Anbringungsmaterial ausgeschnitten und zwischen zwei 50,8 mm mal 50,8 mm messenden Metallplatten positioniert. Die Platten werden unabhängig gesteuert und auf unterschiedliche Temperaturen erwärmt, um die Temperatur des Metallgehäuses bzw. die Temperatur des Monoliths zu simulieren. Gleichzeitig wird der Zwischenraum oder der Spalt zwischen den Platten um einen anhand der Temperatur und der Wärmeausdehnungskoeffizienten eines typischen Katalysators berechneten Wert vergröBert. Die Temperaturen der Platten und die Spaltänderung sind in der weiter unten angeführten Tabelle 1 dargestellt. Die durch das Anbringungsmaterial ausgeübte Kraft wird durch einen computergesteuerten Sintech-ID-Lastrahmen mit einem Dehnungsmeßgerät (MTS Systems Corp., Research Triangle Park, North Carolina) gemessen. Die Testergebnisse sind in einem Graphen des Drucks gegenüber der Temperatur dargestellt. Tabelle 1

Hochgeschwindigkeits-Kompressionstest (High Speed Compression Test)

Dieser Test zeigt die Fähigkeit eines Anbringungsmaterials, einen Druck aufrechtzuerhalten, wenn es schnell komprimiert wird.
Eine Scheibe mit einem Durchmesser von 5,08 cm wird aus dem Anbringungsmaterial ausgeschnitten und zwischen zwei in einem Abstand von 7 mm angeordneten bewegbaren Platten mit einem Durchmesser von 10,5 cm angebracht. Die Platten werden mit einer Schließgeschwindigkeit von 254 cm/min geschlossen, und der Spalt wird von 7 mm auf 3 mm verkleinert. Der Spalt wird eine Minute bei 3 mm gehalten, während der Druck unter Verwendung eines MTS-Tensile-Testers von MTS Systems Corp. aufgezeichnet wird. Die Testergebnisse werden in einem Graphen des Drucks gegenüber dem Spaltabstand gedruckt.

Warmrütteltest (Hot Shake Test)

Der Warmrütteltest wird zum Beurteilen eines Anbringungsmaterials für einen Katalysator verwendet, indem ein Katalysator mit der Anbringung Schwingungen und heißen Abgasen von einem Otto- bzw. Benzinmotor ausgesetzt wird.
Ein Katalysator, in dem der Keramikmonolith sicher angebracht ist, wird an einer massiven Befestigung auf einem Rütteltisch (elektrodynamischer Rütteltisch vom Modell TC 208 von Unholtz-Dickie, Wallingford, Connecticut) angebracht. Der Katalysator wird dann durch eine flexible Kopplung am Abgassystem eines benzinbetriebenen 7,5-Liter-V-8-Verdränger- Verbrennungsmotors von Ford Motor Co, befestigt. Der Katalysator wird unter Verwendung einer Eingangs-Abgastemperatur von 900ºC bei einer Motorgeschwindigkeit von 2200 Umdrehungen je Minute mit einer 30,4 kg·m betragenden Last unter Verwendung eines Eaton-8121-Wirbelstrom-Kraftmessers getestet, während der Katalysator bei 100 Hz und 30 g Beschleunigung des Rütteltischs gerüttelt wird. Der Katalysator wird etwa 100 Stunden lang gerüttelt und dann auseinandergenommen und durch Betrachten untersucht.

Kalterosionstest (Cold Erosion Test)

Dieser Test ist ein unter Bedingungen, die rauher sind als die tatsächlichen Bedingungen in einem Katalysator, ausgeführter beschleunigter Test, und er liefert Vergleichsdaten über die Fähigkeit eines Anbringungs-Verbundstoffs, einer Erosion durch einen einfallenden Luftstrom zu widerstehen.
Eine Testprobe wird zu einem 2,54 cm mal 2,54 cm messenden Quadrat geschnitten, gewogen und unter Verwendung von Stahl-Abstandshaltern zwischen zwei Hochtemperatur-Inconel- 601-Stahlplatten angebracht, um eine Anbringungsdichte von 0,700 ± 0,005 g/cm³ zu erhalten (die Stahl-Abstandshalter werden so ausgewählt, daß eine Anbringungsdichte von 0,700 g/cm³ erreicht wird). Die Testanordnung wird dann für eine Stunde auf 800ºC erwärmt und dann auf Raumtemperatur gekühlt. Die gekühlte Testanordnung wird auf die nächsten 0,01 g gewogen, und die Anordnung wird dann 3,8 mm vor einem einfallenden Luftstrahl mit nahezu Schallgeschwindigkeit positioniert, der bei 20 Zyklen je Minute über eine Strecke von 1,9 cm über den Rand der Matte hin und her oszilliert. Der Rand der Befestigungsmischung wird einem einfallenden Luftstrahl ausgesetzt. Die Erosionsrate wird anhand des durch die Testzeit dividierten Gewichtsverlusts bestimmt und in Gramm/Stunde (g/hr) ermittelt.

Beispiel 1

Eine Blähmischung wurde durch Einfügen von 199,8 Gramm ausgedehnten Vermiculits #5 (W. R. Grace Co., Cambridge, Massachusetts), 131,4 Gramm Bentonite-Ton mit der Siebnummer 200 (Black Hills Bentonite Co., Casper Wyoming) und 874,8 Gramm Wasser in einen 3,8-Liter (1 Gallone)- Sigma- Messermischer von Baker Perkins (Modell 4 AN2 von Baker Perkins, jetzt APV Chemical Machinery, Inc., Saginaw, Michigan) und durch Mischen für 40 Minuten hergestellt. Daraufhin wurden 594 Gramm Vermiculiterz #4 (Cometals, Inc., New York, New York) hinzugefügt, und das Mischen wurde für weitere 5 Minuten fortgesetzt. Die Mischung wurde dann auf einen Teflon-Film zu einer Schicht gegossen, die etwa 6 mm dick war, und über Nacht bei etwa 35ºC getrocknet. Die getrocknete Mischung bestand aus 35,8% Bindemittel (Ton und ausgedehnter Vermiculit) und 64,9% Blähmaterial (Vermiculiterz). Die getrocknete Mischung wurde nach dem oben beschriebenen RCFT auf die Anbringungskompression getestet. Die Kurven in Fig. 6 zeigen den Haltedruck gegenüber der Temperatur für zwei Temperaturzyklen beim RCFT. Die Ergebnisse zeigen, daß durch die anorganische Paste über den gesamten normalerweise in einem Katalysator auftretenden Temperaturbereich ein ausreichender Druck ausgeübt wurde.
Die Pastenschicht wurde auch auf eine schnelle Kompression getestet und mit einem Mattenmaterial aus dem Stand der Technik mit einer ähnlichen Dicke verglichen. Die Testergebnisse sind in einem Graphen des Drucks gegenüber der Zeit aufgetragen, der in Fig. 7 dargestellt ist. Der Graph gibt an, daß die anorganische Paste steifer war und den Druck schneller aufgebaut hat, sie erhielt den Druck jedoch aufrecht, was anders als im Stand der Technik ist, wo er im Laufe der Zeit abgenommen hat. Die Fähigkeit zum Aufrechterhalten des Drucks ist ein weiterer Vorteil, den faserfreie Materialien bieten.
Die Pastenschicht wurde beim Kalterosionstest geprüft, und sie wies eine Erosionsrate von 0,00083 g/hr auf.

Vergleichsbeispiel C1

Eine InteramTM-Typ-100-Automobil-Anbringungsmatte wurde beim Kalterosionstest geprüft, und sie wies eine Erosionsrate von 0,100 g/hr auf.

Beispiel 2

Ein Standard-Dichtungsrohr wurde mit der Pastenmischung aus dem Beispiel 1 gefüllt. Ein rundes Metallrohr mit einem Außendurchmesser von 12,7 cm, das etwa 16,5 cm lang war und eine Wanddicke von 1,6 mm aufwies, wurde als eine Form verwendet. Ein 15,24 cm langer Monolith mit einem Durchmesser von 11,84 cm wurde in die Form eingeführt. Zwei etwa 12 mm breite schmale Streifen aus InteramTM-Automobil-Anbringungsmatten wurden um jedes Ende des Monoliths gewickelt, um ihn zu zentrieren und innerhalb der Form zu dichten. Das Metallrohr wies eine Einlaßöffnung mit einem Durchmesser von etwa 3 mm auf, die sich etwa in der Mitte der Länge des Rohrs befand und dem Einspritzen der Pastenmischung diente. Weiterhin befand sich in etwa auf der Mitte, jedoch 180º vom Einspritzloch entfernt (gegenüberliegend), ein kleineres Loch, das das Auslassen der Luft aus dem Formhohlraum während des Einspritzens ermöglichte. Die anorganische Paste wurde unter Verwendung einer das mit der anorganischen Paste gefüllte Dichtungsrohr enthaltenden handgehaltenen Dichtungskanone in den Formhohlraum eingespritzt. Die Paste wurde in die Form eingespritzt, bis sie begann, aus dem Luftauslaßloch auszutreten, und das Einspritzen wurde zu diesem Zeitpunkt unterbrochen. Der beschichtete Monolith wurde dann aus der rohrförmigen Form herausgedrückt. Der Monolith war mit einer glatten, nahtlosen Beschichtung aus der anorganischen, faserlosen Paste bedeckt. Der mit der Paste beschichtete Monolith wurde dann bei etwa 105ºC über Nacht zum Trocknen in einen Ofen gegeben. Die sich ergebende Anordnung war eine sehr harte Beschichtung einer an der Oberfläche des Monoliths haftenden faserlosen, anorganischen Paste.

Beispiel 3

Die anorganische Pastenmischung aus Beispiel 1 wurde durch Messerbeschichten auf zwei ovale Keramikmonolithe aufgebracht. Jeder Monolith wies eine Außenabmessung von 146 mm mal 89 mm und eine Länge von 89 mm auf, und die Außenabmessungen des beschichteten Monoliths näherten sich nach dem Trocknen der Innenabmessung einer 409-SS- Doppelhohlraumdose (von Maremont Corp., Loudon, Tennessee erhalten). Die beschichteten Monolithe wurden in der 409-SS- Dose angeordnet, und die Dose wurde durch Schweißen verschlossen. Weil es praktisch keine Anfangshaltekraft gab, wurde die Katalysatoranordnung für 1 Stunde auf etwa 500ºC erwärmt, um das Anbringungsmaterial auszudehnen. Der Katalysator wurde dann beim Warmrütteltest geprüft. Der Katalysator wurde dann nach 100 Stunden auseinandergenommen, und es wurde herausgefunden, daß das Anbringungsmaterial in guter Form war, also wenig Risse aufwies. Es gab auch keine Relativbewegung des Monoliths innerhalb der Dose, was darauf hinweist, daß das Anbringungsmaterial den Monolith unter den sehr rauhen Bedingungen des Warmrütteltests sicher gehalten hat.

Beispiel 4

Es wurde durch Mischen von 5 Gramm Glasfasern mit einem Nenndurchmesser von 0,65 Mikrometer (Typ 475 - 106 Micro- StrandTM Micro-FibersTM, erhältlich von Schuller International, Inc., Denver, C0) und 874,8 Gramm Wasser für 30 Sekunden in einer Mischeinrichtung (Modell 32BL39, erhältlich von Warning) ein Schlicker hergestellt. Der Faser/Wasser-Schlicker wurde dann in einen 3,8 Liter (1 Gallone)- Sigma- Messermischer von Baker Perkins, der 194,8 Gramm ausgedehnten Vermiculit #5 (W. R. Grace Co.) und 131,4 Gramm Bentonite-Ton der Siebnummer 200 enthielt, eingefügt und für 30 Minuten gemischt. Daraufhin wurden 594 Gramm Vermiculiterz #4 (erhältlich von Cometals Inc.) hinzugefügt und für 5 Minuten gemischt. Die sich ergebende Pastenmischung bestand (in Trockengewichtsprozent) aus 0,5% Fasern, 35,3% Bindemittel (ausgedehnter Vermiculit und Ton) und 64,2% Blähmaterial. Die Pastenmischung wurde dann auf einen Teflon-Film zu einer etwa 6 mm dicken Schicht gegossen und über Nacht bei etwa 35ºC getrocknet. Die getrocknete Pastenschicht wurde im Kalterosionstest geprüft, und sie wies eine Erosionsrate von 0,00042 g/hr auf.

Beispiel 5

Eine Blähmischung wurde durch Einfügen von 181,8 Gramm ausgedehnten Vermiculits #5 (W. R. Grace Co., Cambridge, Massachusetts), 131,4 Gramm Bentonite-Ton der Siebnummer 200 (Black Hills Bentonite Co., Casper Wyoming) und 874,8 Gramm Wasser in einen 1 Gallone-Sigma-Messermischer von Baker Perkins eingefügt und durch Mischen für 20 Minuten hergestellt. Daraufhin wurden 18 Gramm an 6,35 mm langen 1,5- Denier-Viskosefasern (erhältlich von Mini Fiber, Inc., Johnson City, Tennessee) in Inkrementen von jeweils 6 Gramm hinzugefügt, und es wurde nach jedem Hinzufügen für etwa 5 Minuten gemischt. Daraufhin wurden 594 Gramm Vermiculiterz # 4 (Cometals, Inc. hinzugefügt, und das Mischen wurde weitere 5 Minuten fortgesetzt. Die sich ergebende Paste hatte eine Zusammensetzung von 33,85% Bindemittel, 1,95% organischen Fasern und 64,2% Blähmaterial.
Die Pastenmischung wurde dann auf einen Teflon-Film zu einer etwa 6 mm dicken Schicht gegossen und über Nacht bei etwa 35ºC getrocknet. Die getrocknete Pastenschicht wurde beim Kalterosionstest geprüft, und sie wies eine Erosionsrate von 0,0011 g/hr auf.

Beispiele 6-8

In den Beispielen 6-8 wurden die Pastenmischungen aus den Beispielen 1, 4 und 5 jeweils durch Messerbeschichten auf NGK-Keramikmonolithe (erhalten von Maremont Corp., Loudon, Tennessee) mit einem ovalen Querschnitt von 14,48 cm mal 8,13 cm und 7,52 cm Länge, aufgebracht. Bearbeitete Aluminiumendkappen mit einer ovalen Querschnittsform, die in etwa derjenigen des Querschnitts des Monoliths glich, und deren Querschnitt etwa 0,635 cm größer war als derjenige des Monoliths, wurden bereitgestellt. Die Endkappen waren etwa 1,27 cm dick, und in jede von ihnen war 0,635 cm vom Umfangsrand bis zu einer Tiefe von 0,635 cm eine ovale Form eingearbeitet, die in etwa der Querschnittsabmessung des Monoliths glich, so daß die Endkappen über die Enden des Monoliths paßten. Jede Pastenmischung wurde dann zwischen den zwei Endkappen auf die freiliegende Haut eines Monoliths gedrückt, und es wurde um die ganze Anordnung herum ein Spatel gegen die Endkappen gezogen. Die Endkappen wurden dann entfernt, und die beschichteten Monolithe wurden in einem Ofen für etwa 4 Stunden bei etwa 95ºC getrocknet. Es werden die folgenden Sichtbetrachtungen der Beschichtungen vorgenommen:
Beispiel 6 - eine nahtlose Pastenbeschichtung wurde mit dem Monolith verbunden. Es waren kleine Risse mit einer Breite von 0,1 bis 1,5 mm und einer Länge von bis zu 3 cm vorhanden.
Beispiel 7 - eine nahtlose Pastenbeschichtung wurde ohne Risse mit dem Monolith verbunden.
Beispiel 8 - eine nahtlose Pastenbeschichtung wurde ohne Risse mit dem Monolith verbunden.
Die Beobachtungen in den Beispielen 6, 7 und 8 weisen darauf hin, daß die Elastizität und die Widerstandsfähigkeit der Pastenmischungen gegenüber Rissen durch Hinzufügen kleiner Mengen organischer oder anorganischer Fasern verbessert wurden.

Beispiel 9

Gemäß der schematischen Darstellung aus Fig. 8 wurde eine Formvorrichtung (60) bereitgestellt, die einen mit einem pumpbaren Material gefüllten Drucktank (63) aufwies. Durch einen unteren Auslaß (61) des Tanks wurde das Material einer Kolben-Dosierpumpe (64) zugeführt, und die Pumpe hat das Material in eine zylindrische Form (70) mit einem ovalen Querschnitt eingespritzt. Die Form war mit einer Einlaßöffnung (31), einem Luftauslaßloch (32), einer unteren Endplatte (13) und einer oberen Endplatte (14) versehen. Die Endplatten wurden zum Zentrieren des Monoliths in der Form und dazu, ihn während des Einspritzens der Paste an seinem Ort zu halten, verwendet. Die untere Endplatte (13) war an einem Luftzylinder (2) angebracht, der dazu verwendet wurde, den beschichteten Monolith aus dem Formhohlraum zu drücken. Ein 3,2 Zoll (8,13 cm) mal 5,7 Zoll (14,48 cm) messender und 2,96 Zoll (7,52 cm) langer ovaler keramischer NKG- Monolith (erhalten von Maremont Corp., Loudon, Tennessee) wurde in den Formhohlraum eingebracht und unter Verwendung der Endplatten zentriert, so daß um den Monolith herum ein gleichmäßiger 0,2 Zoll (5,1 mm) messender Spalt auftrat. Fünf Gallonen (21,1 Liter) der Pastenmischung aus Beispiel 1 wurden in den Drucktank eingebracht, und der Tank wurde auf einen Druck von 40 Pfund je Quadratzoll - psi (275,8 Kilopascal (kPa)) gesetzt. Die auf 22 psi (151,7 kPa) gesetzte Kolben-Dosierpumpe wurde betätigt und eingeschaltet gelassen, bis die Paste aus dem Luftauslaßloch herauszulecken begann. Die Pumpe wurde dann abgeschaltet, und die obere Endplatte wurde entriegelt und entfernt. Der auf einen Leitungsdruck von 22 psi (151,7 kPa) gesetzte Luftzylinder wurde betätigt und drückte die untere Platte und die Monolithanordnung nach oben aus der Form heraus. Die Monolithanordnung wurde bei Zimmertemperatur für etwa 12 Stunden getrocknet. Die sich ergebende Anordnung wies eine glatte, nahtlose Beschichtung auf, die gut an der Oberfläche des Monoliths haftete.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Katalysatorvorrichtung mit dem Schritt des Bereitstellens eines beschichteten Katalysatorelements zum Anordnen in einem Gehäuse, gekennzeichnet durch die Schritte:

(a) Einbringen eines Katalysatorelements (12) in eine Form (30),

(b) Einspritzen einer ausreichenden Menge eines fließfähigen Anbringungsmaterials (11) in die Form (30), um eine nahtlose, zusammenhängende Beschichtung um einen Abschnitt des Katalysatorelements (12) herum zu bilden, wobei das fließfähige Anbringungsmaterial 2 bis 90 Trockengewichtsprozent von mindestens einem nicht ausgedehnten Bläh- bzw. Schwellmaterial, 10 bis 98 Trockengewichtsprozent Bindemittel, 0 bis 25 Trockengewichtsprozent Fasern, 0 bis 70 Trockengewichtsprozent von einem oder mehreren Füllstoffen und eine Flüssigkeit aufweist, und

(c) Entfernen des Katalysatorelements (12) aus der Form (30).

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorelement (30) nach dem Schritt (c) im Gehäuse angeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß zum Entfernen eines erheblichen Teils der Flüssigkeit nach dem Schritt (c) erwärmt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Schwellmaterial nicht ausgedehnter Vermiculit oder ausdehnbarer Graphit ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein anorganisches Bindemittel aufweist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein organisches Bindemittel aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische Bindemittel mindestens eines der Materialien in Wasser schwellbarer Ton, in Wasser schwellbarer künstlicher Glimmer, ausgedehnter Vermiculit oder gemahlener ausgedehnter Vermiculit oder eine Kombination von diesen aufweist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das fließfähige Anbringungsmaterial 40 bis 80 Trockengewichtsprozent nicht ausgedehnten Vermiculit aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das fließfähige Anbringungsmaterial 20 bis 50 Trockengewichtsprozent Bindemittel aufweist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorelement (12) einen ungleichmäßigen Querschnitt mit einer größeren Querschnittsachse und einer kleineren Querschnittsachse aufweist und daß die Form (30) und das Katalysatorelement (12) so konfiguriert werden, daß im wesentlichen parallel zur größeren Querschnittsachse eine dickere Schicht aus fließfähigem Anbringungsmaterial abgeschiedenen wird als im wesentlichen parallel zur kleineren Querschnittsachse.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drahtnetz vor dem Einspritzen des fließfähigen Anbringungsmaterials in die Form (30) um das Katalysatorelement (12) herum angeordnet wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorelement einen Keramikmonolith aufweist.

13. Katalysatorelement (12) zum Anbringen in einem Gehäuse, gekennzeichnet durch eine vorgegebene nahtlose, zusammenhängende Beschichtung eines schwellbaren Anbringungsmaterials (11).

14. Katalysatorelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorelement (12) einen ungleichmäßigen Querschnitt mit einer größeren Querschnittsachse und einer kleineren Querschnittsachse aufweist und daß die Beschichtung im wesentlichen parallel zur größeren Querschnittsachse dicker ist als im wesentlichen parallel zur kleineren Querschnittsachse.

15. Verfahren zum Herstellen einer Katalysatorvorrichtung, aufweisend:

(a) Aufbringen von Endkappen (50) auf ein Katalysatorelement (12),

(b) schichtförmiges Aufbringen einer ausreichenden Menge eines fließfähigen Anbringungsmaterials (11) auf das Katalysatorelement (12), um eine nahtlose, zusammenhängende Beschichtung um das Element herum zu bilden,

(c) Lenken eines Messers um den Außenbereich der Endkappen (50) herum, um eine vorgegebene Beschichtung eines Anbringungsmaterials (11) zu erzeugen, und

(d) Entfernen der Endkappen (50) von dem Element (12).