ES2339164T3 - Metodo mejorado para desaglutinar panales de abeja ceramicos. - Google Patents

Metodo mejorado para desaglutinar panales de abeja ceramicos. Download PDF

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Abstract

Un método para eliminar un aditivo orgánico de un panal de abeja cerámico, en donde el panal de abeja tiene una pared exterior y canales que se extienden de un extremo al otro extremo del panal de abeja, y en donde los canales está definidos por una pluralidad de delgados tabiques entrelazados, entre los extremos, que comprende a) poner en contacto cada extremo del panal de abeja extruido con un miembro que tiene una permeabilidad a los gases no superior a la de la pared exterior, en donde el miembro esencialmente cubre los extremos, y b) calentar el panal de abeja a una temperatura suficiente para eliminar el aditivo orgánico.

Description

Método mejorado para desaglutinar panales de abeja cerámicos.
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Campo de la invención
La invención se refiere a la formación de panales de abeja cerámicos. En particular, la invención se refiere a un método mejorado para eliminar aglutinantes y aditivos orgánicos de panales de abeja cerámicos extruidos.
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Fundamento de la invención
Para formar panales de abeja cerámicos útiles para aplicaciones tales como convertidores catalíticos y filtros de partículas Diesel (siglas inglesas DPF), se mezclan precursores cerámicos en forma de partículas con aditivos orgánicos (por ejemplo aglutinantes y lubricantes) y un medio líquido, que típicamente es agua, a fin de formar un material plástico. A continuación se extruye el material plástico para formar la estructura de panal de abeja, que después se seca para eliminar el agua. Luego se calienta el panal de abeja seco, para eliminar los aditivos orgánicos. Una vez eliminados los aditivos orgánicos, se calienta el panal de abeja a una temperatura más alta con el fin de fusionar los granos cerámicos y conseguir que el panal de abeja tenga la integridad mecánica y la microestructura útiles para un convertidor catalítico o un DPF.
El calentamiento para eliminar los aditivos orgánicos se ha realizado típicamente en atmósferas que contienen aire u oxígeno. Desafortunadamente, los aditivos orgánicos presentan siempre una reacción exotérmica asociada con su oxidación, lo que a menudo da como resultado el agrietamiento del cuerpo debido a gradientes térmicos localizados.
Para evitar este agrietamiento, se han empleado atmósferas inertes o atmósferas con bajo contenido de oxígeno (es decir, menos oxígeno que el aire) (véanse, por ejemplo, las patentes de EE.UU. números 6,099,793 y 6,287,509). Desafortunadamente, el empleo de tales atmósferas tiende a eliminar los aditivos orgánicos más lentamente, y a dejar residuos carbonosos perjudiciales, lo cual a menudo impide la fusión de los granos cerámicos a temperatura elevada, o bien produce microestructuras indeseadas tales como poros grandes, que actúan como defectos.
Otra solución has sido el hacer pasar aire, una atmósfera que contuviese oxígeno, u otra atmósfera, a través del panal de abeja con el fin de minimizar los gradientes térmicos asociados a la oxidación de los aditivos orgánicos (véase, por ejemplo, la patente de EE.UU. número 4,927,577). Este método presenta el inconveniente de su costosa complejidad, y es menos útil cuanto mayor es el tamaño de los panales de abeja.
Las soluciones más recientes han implicado el uso de dos o más aglutinantes orgánicos, de los cuales uno es extraído posteriormente por medio de un líquido para uno de los aglutinantes y el segundo aglutinante es eliminado por calentamiento, utilizando un método de calentamiento conocido, tal como uno de los que se acaban de describir (véase, por ejemplo, la publicación de patente de EE.UU. número 2004/0079469). Este método presenta también el inconveniente de su complejidad y de la manipulación de piezas muy frágiles durante la extracción líquida de uno de los aglutinantes.
Por consiguiente, resultaría deseable proporcionar tanto un método de formación como un material cerámico que solucione uno o más de los problemas de la técnica anterior, tal como uno de los antes descritos.
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Sumario de la invención
La presente invención consiste en un método para eliminar un aditivo orgánico de un panal de abeja cerámico, en donde el panal de abeja tiene una pared exterior y canales que se extienden de un extremo al otro extremo del panal de abeja, y en donde los canales está definidos por una pluralidad de delgados tabiques entrelazados, entre los extremos,
a)
poniendo en contacto cada extremo del panal de abeja extruido con un miembro que tiene una permeabilidad a los gases no superior a la de la pared exterior, en donde el miembro esencialmente cubre los extremos,
b)
calentando el panal de abeja a una temperatura suficiente para eliminar el aditivo orgánico.
Sorprendentemente, el empleo de tales miembros permite la eliminación de aditivos orgánicos de un panal de abeja cerámico extruido, en una atmósfera oxidante tal como el aire, a altas velocidades, sin provocar el agrietamiento del panal de abeja.
El método se puede emplear, por ejemplo, para preparar panales de abeja cerámicos para su uso como filtros, intercambiadores de calor, refractarios, aislantes térmicos y eléctricos, refuerzo para cuerpos compuestos de metales o plásticos, catalizadores y soportes de catalizador.
Descripción de las figuras
Figura 1: Una representación de la temperatura en un canal en el centro y en un canal en el borde de un panal de abeja, medida mediante un termopar insertado a la misma profundidad en el canal del centro y en el canal del borde, para un panal de abeja que está siendo calentado en aire con ambos extremos cubiertos por placas esencialmente impermeables a los gases (Ejemplo).
Figura 2: Una representación de la temperatura en un canal en el centro y en un canal en el borde de un panal de abeja, medida mediante un termopar insertado a la misma profundidad en el canal del centro y en el canal del borde, para un panal de abeja que está siendo calentado en aire con un extremo sin cubrir (Ejemplo Comparativo).
Figura 3: Una representación de la diferencia de temperatura entre un canal del centro y un canal del borde (temperatura del canal del borde menos temperatura del canal del centro) en panales de abeja que contienen aglutinante orgánico, calentados en aire en un horno con placas en cada extremo (Ejemplo) y sin placa en un extremo (Ejemplo Comparativo).
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Descripción detallada de la invención
La invención consiste en un método para eliminar un aditivo orgánico de un panal de abeja cerámico. El panal de abeja cerámico puede ser cualquiera conocido en la técnica que haya sido formado empleando polvo cerámico y un aditivo orgánico. Son panales de abeja cerámicos ilustrativos los que se componen de, o forman al calentar, alúmina, zirconia, titanato de niobio, carburo de silicio, nitruro de silicio y nitruro de aluminio, oxinitruro de silicio y carbonitruro de silicio, mullita, cordierita, beta-espodumeno, titanato de aluminio, silicatos de estroncio y aluminio, silicatos de litio y aluminio, o combinaciones de los mismos. Son panales de abeja cerámicos preferidos los que se componen de, o forman, carburo de silicio, cordierita, mullita o una combinación de los mismos. El carburo de silicio es preferiblemente uno descrito en la patente de EE.UU. número US 6,669,751B1 y las publicaciones WO EP1142619A1 y WO 2002/070106A1. Otros panales de abeja cerámicos adecuados están descritos en los documentos WO 2004/011386A1, WO 2004/011124A1, US 2004/0020359A1 y WO 2003/051488A1.
El panal de abeja cerámico es preferiblemente uno que forma una mullita que tiene una microestructura acicular. Los ejemplos de tales panales de abeja incluyen los descritos en las patentes de EE.UU. números 5,194,154; 5,173,349; 5,198,007; 5,098,455; 5,340,516; 6,596,665 y 6,306,335; en la publicación de solicitud de patente de EE.UU. 2001/0038810 y en la publicación internacional PCT WO 03/082773.
El aditivo orgánico que es eliminado puede ser cualquiera conocido en la técnica, que sea útil para dar forma a cuerpos de panal de abeja cerámico tales como los conocidos en la técnica. A grandes rasgos, el aditivo orgánico puede ser uno o más de tensioactivos, lubricantes, aglutinantes, disolventes, plastificantes, antioxidantes, conservantes, agentes espumantes y agentes antiespumantes, tales como los descritos en los capítulos 9-12 de "Introduction to the Principles of Ceramic Processing", por J.S. Reed, John Wiley and Sons, New York, NY, 1988.
En particular, el aditivo orgánico está constituido por un aglutinante orgánico tal como uno o más de los descritos por las patentes de EE.UU. números 4,001,028; 4,162,285; 4,929,575; 5,286,767; 5,344,799; 5,568,652; 5,925,308; 6,080,345; 6,241,940; y 6,680,101. En una realización particular, el aglutinante orgánico es metilcelulosa, etil-hidroxietilcelulosa, hidroxibutilcelulosa, hidroxibutil-metilcelulosa, hidroxietilcelulosa, hidroximetilcelulosa, hidroxipropilcelulosa, hidroxietil-metilcelulosa, carboximetilcelulosa sódica o mezclas de las mismas. Preferiblemente, el aglutinante de celulosa es un aglutinante de celulosa descrito en la columna 5, líneas 49-67 y en la columna 6, líneas 1-21 de la patente de EE.UU. número 5,568,652, incorporada aquí por referencia.
El panal de abeja cerámico puede tener cualquier forma, tamaño o dimensión, tal como los comúnmente utilizados en la técnica como soportes de catalizador para vehículos o filtros de partículas Diesel.
Cuando se pone en contacto el panal de abeja cerámico extruido con un miembro en cada extremo, dicho panal puede haber sido secado antes de ser puesto en contacto, o bien se puede poner en contacto a medida que es extruido. Típicamente, el panal de abeja cerámico extruido estará sustancialmente seco de un medio líquido tal como el agua. Sustancialmente seco de un medio líquido significa generalmente que la plasticidad del panal de abeja extruido ha disminuido en tal medida que, cuando se deforma el panal de abeja, éste se agrietará, con escasa deformación plástica (por ejemplo 2% de deformación antes del agrietamiento). Típicamente, esto ocurrirá cuando el medio líquido esté presente en una cantidad de, como máximo, aproximadamente 5% en volumen del panal de abeja (sin incluir el volumen de canales del panal de abeja).
Los miembros que están en contacto (los miembros contactantes) con los extremos del panal de abeja pueden estar dispuestos en cualquier configuración útil. Por ejemplo, se puede orientar vertical u horizontalmente el panal de abeja, y se puede hacer que un miembro esté en contacto con los extremos de manera que cada extremo esté esencialmente cubierto. Esencialmente cubierto significa que al menos aproximadamente 90% de los canales están cubiertos por el miembro. Preferiblemente, están cubiertos por el miembro al menos aproximadamente 95% de los canales, más preferiblemente al menos aproximadamente 98% de los canales, y muy preferiblemente todos los canales.
Se ha descubierto que cuando se emplea en cada extremo del panal de abeja, durante el calentamiento destinado a eliminar aditivos orgánicos, un miembro contactante que tiene una permeabilidad a los gases que no es superior a la de la pared exterior del panal de abeja, la diferencia máxima de temperatura desde el centro del panal de abeja hasta el borde del panal de abeja se reduce sustancialmente durante la oxidación del aglutinante orgánico (el quemado). Por ejemplo, la diferencia máxima de temperatura durante el quemado entre el centro de un panal de abeja y el borde del panal de abeja a la misma profundidad dentro del canal correspondiente, siendo iguales todas las demás circunstancias, disminuye, por ejemplo, en al menos 50% y más típicamente en 70% cuando se emplea una placa durante la eliminación del aglutinante orgánico en donde se usa una atmósfera reactiva durante el calentamiento. Sorprendentemente, la temperatura en el centro puede ser incluso más fría que la temperatura en el borde durante el quemado del aglutinante orgánico, mientras que se ha encontrado lo contrario en el caso de panales de abeja que no tienen tales miembros en contacto con ambos extremos.
Reiterando lo dicho, el miembro contactante tiene una permeabilidad a los gases que no es superior a la permeabilidad a los gases de la pared exterior del panal de abeja. Sin embargo, la permeabilidad a los gases del miembro contactante puede abarcar desde cualquier permeabilidad a los gases inferior a la de la pared exterior, hasta permeabilidad nula a los gases. Se entiende que la permeabilidad del miembro contactante a los gases, es la que se mide en dirección trasversal al miembro contactante, en la dirección de los canales del panal de abeja.
El miembro contactante puede estar fabricado de cualquier material suficiente para crear un miembro que tenga la permeabilidad a los gases antes mencionada y la capacidad para resistir la temperatura durante el calentamiento necesario para eliminar los aditivos orgánicos contenidos en el panal de abeja. Los materiales adecuados incluyen materiales cerámicos y metales.
Cuando se pone en contacto el panal de abeja con el miembro contactante, no es necesaria más fuerza que la cantidad necesaria para mantener la relación de contacto. Por ejemplo, la fuerza de la gravedad es más que suficiente para mantener una placa por debajo y por encima de los extremos de un panal de abeja.
El panal de abeja que está en contacto es calentado a una temperatura suficiente para eliminar el aditivo orgánico. El calentamiento se puede realizar mediante cualquier fuente de calentamiento adecuada, tales como las conocidas en la técnica. Los ejemplos incluyen convección, radiación, microondas, radiofrecuencia (RF) y combinaciones de las mismas.
La atmósfera durante el calentamiento puede ser cualquier atmósfera útil para eliminar el aditivo orgánico. Por ejemplo, la atmósfera puede ser inerte o reactiva. Sin embargo, el método es particularmente adecuado para el caso en que la atmósfera sea una que reaccione con el aditivo orgánico, por ejemplo una atmósfera oxidante. Los ejemplos de atmósferas incluyen nitrógeno, gases nobles, oxígeno o combinaciones de los mismos. Una atmósfera preferida es el aire. Típicamente, el aditivo orgánico empieza a oxidarse aproximadamente a 200ºC, y ha sido sustancialmente eliminado a 400ºC en el aire, pero pueden ser necesarias temperaturas superiores para eliminar, por ejemplo, carbono residual. La temperatura a la cual empieza a ser eliminado el aditivo orgánico y la temperatura a la cual ha sido esencialmente eliminado, pueden ser determinadas sin excesiva experimentación por un especialista ordinario en la técnica.
El calentamiento se puede realizar a cualquier ritmo o ritmos útiles para eliminar el aditivo orgánico sin dañar el panal de abeja, por ejemplo a aquellos que son conocidos en la técnica o que pueden ser determinados fácilmente por un especialista ordinario en la técnica.
Ejemplos
Ejemplo y Ejemplo Comparativo
Se dispusieron en el mismo horno de convección de aire, que tenía una capacidad de 57 litros, panales de abeja cerámicos extruidos, secados, compuestos por la misma alúmina, arcilla y aglutinantes orgánicos, y se calentaron simultáneamente con el mismo programa de calentamiento que se muestra en la Tabla 1.
TABLA 1 Programa de calentamiento
1
Los panales de abeja eran panales de abeja del mismo tamaño, 143 mm x 152 mm, con 31 células por centímetro cuadrado. Cada uno de los panales de abeja estaba orientado verticalmente, con un extremo reposando sobre una placa de alúmina ADS-96R de Coorstek Inc., Golden, CO, con una densidad de 3,96 g/cm^{3}, permeabilidad nula a los gases, y un grosor de 1,3 mm, que cubría por completo el extremo inferior. Un panal de abeja (el Ejemplo) tenía otra placa de alúmina colocada sobre el otro extremo, cubriendo por completo el extremo superior.
Se dispusieron termopares a una profundidad de aproximadamente 38 mm dentro de un canal del borde (cercano a la pared exterior) y dentro de un canal del centro a la misma profundidad.
Una vez comenzada la oxidación (el quemado) del aglutinante orgánico, aproximadamente a las 10 horas (600 minutos), que corresponden a una temperatura del horno de aproximadamente 200ºC, tal como se muestra en la Figura 2 la temperatura del centro del panal de abeja sin placas era sustancialmente mayor que la mayor temperatura del mismo panal de abeja que tenía placas de alúmina colocadas en cada extremo (Figura 1). Análogamente, la diferencia de temperaturas entre el centro y el borde de los panales de abeja se muestra en la Figura 3.
La Figura 3 muestra que el Ejemplo Comparativo, sin placa que cubriese el extremo superior, dio como resultado una diferencia máxima de temperaturas en la cual el centro estaba aproximadamente 230ºC más caliente que el borde, mientras que cuando se emplearon placas de alúmina para cubrir por completo ambos extremos, el centro estaba realmente más frío en aproximadamente 50ºC. Cuando se sacó del horno una vez enfriado, el Ejemplo Comparativo se rompió en tres trozos, mientras que el Ejemplo no lo hizo, y cuando se seccionó el panal de abeja Ejemplo para observar el interior, se encontró que no había carbono residual.

Claims (12)

1. Un método para eliminar un aditivo orgánico de un panal de abeja cerámico, en donde el panal de abeja tiene una pared exterior y canales que se extienden de un extremo al otro extremo del panal de abeja, y en donde los canales está definidos por una pluralidad de delgados tabiques entrelazados, entre los extremos, que comprende
a)
poner en contacto cada extremo del panal de abeja extruido con un miembro que tiene una permeabilidad a los gases no superior a la de la pared exterior, en donde el miembro esencialmente cubre los extremos, y
b)
calentar el panal de abeja a una temperatura suficiente para eliminar el aditivo orgánico.
2. El método según la reivindicación 1, en donde el calentamiento se realiza en una atmósfera oxidante.
3. El método según la reivindicación 2, en donde la atmósfera oxidante es aire.
4. El método según la reivindicación 1, en donde el miembro es un material cerámico o metal.
5. El método según la reivindicación 3, en donde el miembro es un material cerámico.
6. El método según la reivindicación 1, en donde el miembro tiene permeabilidad esencialmente nula a los gases.
7. El método según la reivindicación 1, en donde el miembro es una placa.
8. El método según la reivindicación 1, en donde la diferencia máxima de temperatura entre un canal en el centro y un canal en la periferia exterior del panal de abeja, aproximadamente a la misma profundidad dentro de los canales, es al menos 50% inferior a la diferencia de temperaturas en un panal de abeja que no tiene placas que cubran los dos extremos, dentro del intervalo de temperaturas en el cual se oxida el aditivo orgánico.
9. El método según la reivindicación 8, en donde la diferencia de temperatura es al menos 70% menor.
10. El método según la reivindicación 1, en donde la temperatura en un canal en el centro del panal de abeja es una temperatura más baja que la temperatura en un canal en la periferia exterior del panal de abeja dentro del intervalo de temperaturas en el cual se oxida el aditivo orgánico.
11. El método según la reivindicación 1, en donde el aditivo orgánico está constituido por un aglutinante orgánico.
12. El método según la reivindicación 11, en donde el aglutinante orgánico es metilcelulosa, etil-hidroxietilcelulosa, hidroxibutilcelulosa, hidroxibutil-metilcelulosa, hidroxietilcelulosa, hidroximetilcelulosa, hidroxipropilcelulosa, hidroxietil-metilcelulosa, carboximetilcelulosa sódica, o mezclas de las mismas.
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