KR20080068114A - System for extruding a porous substrate - Google Patents

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KR20080068114A
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fiber
ceramic
porous substrate
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KR1020087014038A
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Korean (ko)
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빌랄 주베리
로버트 지. 라체나우어
써닐쿠마르 씨. 필라이
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지이오2 테크놀로지스 인코포레이티드
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Abstract

An extrudable mixture is provided for producing a highly porous substrate using an extrusion process. More particularly, the present invention enables fibers, such as organic, inorganic, glass, ceramic or metal fibers, to be mixed into a mass that when extruded and cured, forms a highly porous substrate. Depending on the particular mixture, the present invention enables substrate porosities of about 60 % to about 90 %, and enables process advantages at other porosities, as well. The extrudable mixture may use a wide variety of fibers and additives, and is adaptable to a wide variety of operating environments and applications. Fibers, which have an aspect ratio greater than 1, are selected according to substrate requirements, and are mixed with binders, pore-formers, extrusion aids, and fluid to form a homogeneous extrudable mass. The homogeneous mass is extruded into a green substrate. The more volatile material is preferentially removed from the green substrate, which allows the fibers to interconnect and contact. As the curing process continues, fiber to fiber bonds are formed to produce a structure having a substantially open pore network. The resulting porous substrate is useful in many applications, for example, as a substrate for a filter or catalyst host, or catalytic converter.

Description

다공성 기재의 압출 성형 시스템{System for Extruding a Porous Substrate}System for Extruding a Porous Substrate

본 발명은 압출 성형한 다공성 기재의 압출 성형 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압출 성형한 다공성 세라믹 기재의 압출 성형 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an extrusion molding method of an extruded porous substrate, and more particularly, to an extrusion molding method of an extrusion molded porous ceramic substrate.

본 출원은 발명의 명칭이 "다공성 기재의 압출 성형 시스템(System for Extruding a Porous Substrate)"이고, 2005년 11월 16일에 출원된 미국 가출원 제 60/737,237호;발명의 명칭이 "다공성 블록을 형성하는 압출 성형 가능한 혼합물(An Extrudable Mixture for Forming a Porous Block)"이고, 2005년 12월 30일에 출원된 미국 출원 제 11/323,430호; 발명의 명칭이 "다공성 기재의 압출 성형 방법(Process for Extruding a Porous Substrate)"이고, 2005년 12월 30일에 출원된 미국 출원 제 11/322,777호; 및 발명의 명칭이 "압출 성형된 다공성 기재 및 이를 이용한 생성물(An Extruded Porous Substrate and Products Using the Same)"이고, 2005년 12월 30일에 출원된 미국 출원 제 11/323,429호에 대하여 우선권을 주장하며, 전부 그 전체로서 본 명세서에 참조 인용된다.The present application is entitled "System for Extruding a Porous Substrate," US Provisional Application No. 60 / 737,237, filed Nov. 16, 2005; An Extrudable Mixture for Forming a Porous Block, "US Application No. 11 / 323,430, filed December 30, 2005; The invention is entitled "Process for Extruding a Porous Substrate," US Application No. 11 / 322,777, filed December 30, 2005; And the invention entitled "An Extruded Porous Substrate and Products Using the Same," claiming priority over U.S. Application No. 11 / 323,429, filed December 30, 2005. The contents of which are incorporated herein by reference in their entirety.

다수의 공정은 다양한 처리를 용이하게 하고 지지하는 강성 기재를 요구한다. 예를 들어, 기재는 미립자 물질의 여과, 다른 물질들의 분리 또는 공기 중의 박테리아 또는 세균을 제거하는 필터 용도로 사용된다. 이러한 기재는 공기, 배기 가스 또는 액체에서 작용하도록 구성될 수 있으며, 실질적인 환경적 스트레스 또는 화학적 스트레스에 견디도록 제조될 수 있다. 다른 예에서, 화학적 반응이 용이하도록 촉매 물질이 기재 상에 배치된다. 예를 들어, 귀금속이 적절한 기재 상에 배치될 수 있으며, 이러한 기재는 위험한 배기 가스를 덜 유해한 가스로 촉매 변환을 할 수 있다. 일반적으로 이러한 강성 기재는 다공성이 높을수록 보다 효과적으로 작용한다. Many processes require rigid substrates to facilitate and support various processes. For example, the substrate is used for filtration of particulate matter, for the separation of other materials or for the use of filters to remove bacteria or bacteria in the air. Such substrates can be configured to work in air, exhaust gases or liquids and can be made to withstand substantial environmental or chemical stresses. In another example, the catalytic material is disposed on the substrate to facilitate chemical reactions. For example, precious metals can be disposed on a suitable substrate, which can catalytically convert dangerous exhaust gases to less harmful gases. In general, the higher the porosity, the more effective the substrate.

다공성은 일반적으로 개방 공간(open space)에 의해 차지되는 물질의 총 부피 비율로 정의되는 고체 물질의 특성으로 정의된다. 예를 들어, 50%의 다공성을 갖는 기재는 절반의 기재 부피가 개방 공간에 의해 차지된다. 이에 의해, 고다공성의 기재는 낮은 다공성의 기재보다 더 낮은 질량 당 부피를 가진다. 몇몇 용도에서는 낮은 질량의 기재가 유리하다. 예를 들어, 기재가 촉매 공정을 지지하는데 사용되고 촉매 공정이 승온 조건에서 진행될 경우, 낮은 축열성(thermal mass)을 갖는 기재를 반응 온도로 보다 빨리 가열시킬 수 있다. 이에 의해, 보다 다공성이 좋으며 축열성이 더 적은 기재를 사용하여, 촉매가 반응 온도까지 가열되는 시간 예컨대, 라이트 오프 시간(light off time)이 감소할 수 있다. Porosity is generally defined as the property of a solid material that is defined as the percentage of the total volume of material occupied by the open space. For example, a substrate having a porosity of 50% occupies half the substrate volume by open space. Thereby, the highly porous substrate has a lower volume per mass than the substrate of low porosity. In some applications a low mass substrate is advantageous. For example, when the substrate is used to support the catalytic process and the catalytic process proceeds at elevated temperatures, the substrate with low thermal mass can be heated to the reaction temperature faster. Thereby, using a substrate with better porosity and less heat storage property, the time for which the catalyst is heated to the reaction temperature, for example, the light off time can be reduced.

투과성 또한 기재, 특히 필터 및 촉매 기재의 중요한 특성이다. 투과성은 다공성에 연관된다. 즉, 투과성은 액체 또는 가스와 같은 유체가 얼마나 쉽게 기재를 통하여 유동할 수 있는지의 측도이다. 대부분의 용도에서 고투과성 기재는 유리하다. 예를 들어, 내연 기관은 후-처리 필터(after-treatment filter)가 기관에 낮은 백 프레서(back pressure)를 제공할 경우, 보다 효과적으로 동작한다. 낮은 백 프 레서는 보다 고투과성 기재를 사용하여 생성된다. 투과성은 다공성보다 측정하기가 더 어려우므로, 다공성은 때때로 기재의 투과성을 대체하는 지침(guide)으로 사용된다. 그러나, 기공(pore)이 일반적으로 개방되지 않고 상호 연결되어있을 경우, 기재는 일반적으로 고다공성일 수 있으나 여전히 제한된 투과성을 가질 수 있으므로 이는 특별히 정확한 특성이 아니다. 예를 들어, 스티로폼 음료컵은 고다공성의 발포 물질이나, 액체의 유동에 투과적이지는 않다. 따라서, 다공성 및 투과성의 중요성을 고려할 때, 기재의 기공 구조 역시 조사되어야 한다. 스티로폼 컵의 예에서, 스티로폼 물질은 폐쇄 기공(closed pore) 네트워크를 가진다. 이는 발포체가 연결되지 않은 다수의 기공 및/또는 폐쇄 종단(closed-ended)의 기공을 포함하는 것을 의미한다. 이에 의해, 발포체 내에 보이드(void) 및 개방 공간은 많으나 기공이 서로 연결되지 않기 때문에, 유체 또는 가스가 발포체의 일측에서 타측으로 유동될 수 없다. 채널의 대부분이 연결되기 시작함에 따라, 유체 통로가 일측에서 타측으로 형성되기 시작한다. 이러한 경우, 물질이 더 많은 개방 기공 네트워크를 포함한다고 말한다. 물질을 통하여 형성된 채널이 더 많이 연결될수록, 물질의 투과성은 더 높아진다. 모든 기공이 적어도 하나의 다른 채널과 연결되고, 모든 기공이 물질에 형성된 벽의 전체 두께를 통하여 유체가 유동할 수 있도록 하는 경우, 기재는 완전한 개방 기공 네트워크를 가지는 것으로 정의될 수 있다. 셀과 기공 사이의 차이점에 유념하는 것은 중요하다. 셀은 허니컴(honeycomb) 기재를 통과하는 채널(필수적이지는 않으나, 일반적으로 각각이 서로 평행함.)을 지칭한다. 대개, 허니컴 기재는 평방 인치당 얼마나 많은 수의 셀을 포함하는지 여부로 언급된다. 예를 들어, 평방 인치 당 200 셀을 갖는 기재는 기재의 주축을 따라 200 채널을 포함한다. 반면에, 기공은 물질에서 두 개의 평행한 채널 또는 셀을 분리하는 벽을 구성하는 물질에서와 같이 물질 자체 내부의 갭을 지칭한다. 완전히 또는 거의 개방된 기공 네트워크 기재는 필터 또는 촉매 산업에서 알려져 있지 않다. 대신에, 가장 다공성이 우수한 이용 가능한압출성형 기재도 개방 기공과 폐쇄 기공 다공성의 혼성물이다. Permeability is also an important property of substrates, in particular filters and catalyst substrates. Permeability is related to porosity. That is, permeability is a measure of how easily a fluid, such as a liquid or gas, can flow through the substrate. Highly permeable substrates are advantageous in most applications. For example, internal combustion engines operate more effectively when an after-treatment filter provides the engine with low back pressure. Low back presses are produced using more permeable substrates. Since permeability is harder to measure than porosity, porosity is sometimes used as a guide to replace the permeability of the substrate. However, if the pores are generally not open but interconnected, the substrate may generally be highly porous but still have limited permeability, which is not a particularly accurate feature. For example, styrofoam beverage cups are highly porous foam materials, but are not permeable to the flow of liquids. Therefore, considering the importance of porosity and permeability, the pore structure of the substrate should also be investigated. In the example of a styrofoam cup, the styrofoam material has a closed pore network. This means that the foam comprises a plurality of pores and / or closed-ended pores that are not connected. Thereby, there are many voids and open spaces in the foam, but because the pores are not connected to each other, fluid or gas cannot flow from one side of the foam to the other. As most of the channels begin to connect, fluid passages begin to form from one side to the other. In this case, the material is said to contain more open pore networks. The more channels formed through the material are connected, the higher the permeability of the material. If all pores are connected with at least one other channel and all pores allow fluid to flow through the entire thickness of the wall formed in the material, the substrate can be defined as having a complete open pore network. It is important to note the difference between the cell and the pores. A cell refers to a channel through a honeycomb substrate (though not necessarily, but each is generally parallel to each other). Usually, honeycomb substrates are referred to as including how many cells per square inch. For example, a substrate having 200 cells per square inch includes 200 channels along the major axis of the substrate. Pores, on the other hand, refer to a gap inside the material itself, such as in the material that constitutes a wall separating two parallel channels or cells in the material. Fully or nearly open pore network substrates are not known in the filter or catalyst industry. Instead, the most extrudable available extrusion substrates are also hybrids of open and closed pore porosity.

따라서, 다양한 용도에서 고다공성, 유사하게 고투과성을 가능하게 하는 내부 기공 구조체을 갖는 기재를 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 기재는 특정 용도의 구조적, 환경적 요구를 충족시키는 충분히 강성 구조체로 형성되어야 한다. 예를 들어, 내연 기관에 부착된 필터 또는 촉매 컨버터는 환경적 쇼크, 열적 요구, 및 제조 및 사용 스트레스에 견딜 수 있어야 한다. 마지막으로, 기재는 광범위하게 사용되도록 충분히 낮은 가격으로 제조되어야 한다. 예를 들어, 자동차에 의한 전세계적 공해에 어느 정도 영향을 미치기 위해서, 필터 기재는 선진국 뿐만 아니라 개발도상국에서도 사용 가능하며, 가격이 적절하여야 한다. 따라서, 필터 및 촉매 컨버터 기재의 총괄적 가격 구조는 기재의 디자인 및 선택된 공정에서 필수적 고려사항이다. Accordingly, it is desirable to form substrates with internal pore structures that enable high porosity and similarly high permeability in various applications. In addition, the substrate should be formed of a sufficiently rigid structure that meets the structural and environmental requirements of a particular application. For example, a filter or catalytic converter attached to an internal combustion engine must be able to withstand environmental shocks, thermal requirements, and manufacturing and use stresses. Finally, the substrate should be manufactured at a price low enough for widespread use. For example, in order to have some impact on global pollution by automobiles, filter substrates are available not only in developed countries but also in developing countries, and must be priced appropriately. Thus, the overall cost structure of the filter and catalytic converter substrate is an essential consideration in the design of the substrate and the selected process.

압출 성형은 일정한 단면의 강성 기재를 제조하는 효과적이고 비용 효율적인 공정으로 입증되었다. 더욱 구체적으로, 세라믹 파우더 물질의 압출 성형은 내연 기관의 필터 및 촉매 기재를 제조하는 가장 널리 이용되는 공정이다. 수년에 걸쳐 파우더 세라믹 압출 성형 공정은 발전하여, 현재 약 60%의 다공성을 가지는 기재를 압출 성형할 수 있다. 이러한 압출 성형된 다공성 기재는 양호한 강도 특성을 가지며, 유연하게 제조될 수 있고, 대량으로 제조될 수 있고, 양질을 유지할 수 있으며, 그리고 매우 비용 효율적이다. 그러나 파우더 세라믹 물질의 압출 성형은 다공성의 실질직인 상한에 도달하였으며, 나아가 다공성의 증가는 용인될 수 없는 낮은 강도를 초래하는 것으로 나타났다. 예를 들어, 다공성이 60%를 넘어서 증가함에 따라, 압출 성형된 세라믹 파우더 기재는 디젤 미립자 필터의 거친 환경에서 동작하는데 충분한 강도를 가지지 않는 것으로 밝혀졌다. 알려진 압출 성형 공정의 다른 한계에서, 보다 효과적인 촉매 변환이 가능하도록 기재에서 표면적의 증가가 요구된다. 표면적을 증가하기 위해, 압출 성형된 세라믹 파우더 기재는 셀 밀도를 증가시키는 시도를 하였으나, 셀 밀도의 증가는 기관에 용인될 수 없는 백 프레스를 초래하였다. 또한, 압출 성형된 세라믹 파우더 기재는 매우 고다공성에서 충분한 강도를 가지지 못하며, 또한 표면적의 증가에 대한 요구가 있을 경우 용인할 수 없는 백 프레스를 형성한다. 따라서, 세라믹 파우더의 압출 성형은 실질적인 효용 한계에 도달한 것으로 보인다. Extrusion has proven to be an effective and cost effective process for producing rigid substrates of constant cross section. More specifically, extrusion of ceramic powder materials is the most widely used process for producing filter and catalyst substrates of internal combustion engines. Over the years, powder ceramic extrusion processes have evolved to allow extrusion of substrates that currently have about 60% porosity. Such extruded porous substrates have good strength properties, can be manufactured flexibly, can be manufactured in large quantities, can maintain good quality, and are very cost effective. However, extrusion of the powder ceramic material has reached the upper limit of the porosity, and furthermore, the increase in porosity has been shown to result in unacceptably low strength. For example, as the porosity increased above 60%, the extruded ceramic powder substrate was found not to have sufficient strength to operate in the harsh environment of diesel particulate filters. At other limitations of known extrusion processes, an increase in surface area in the substrate is required to enable more efficient catalytic conversion. In order to increase the surface area, the extruded ceramic powder substrate attempted to increase the cell density, but the increase in the cell density resulted in an unacceptable back press in the engine. In addition, the extruded ceramic powder substrate does not have sufficient strength at very high porosity, and also forms an unacceptable back press when there is a need for an increase in surface area. Therefore, the extrusion of the ceramic powder seems to have reached a practical utility limit.

고다공성을 얻기 위한 노력으로, 필터 공급부를 플리트 세라믹 페이퍼(pleated ceramic paper)로의 이동이 시도되었다. 이러한 플리트 세라믹 페이퍼를 사용하여, 낮은 백 프레스를 가지는 약 80%의 다공성이 가능하게 되었다. 낮은 백 프레스로 인하여, 이러한 필터는 매우 낮은 백 프레스가 요구되는 채굴과 같은 용도에서 사용되었다. 그러나, 플리트 세라믹 페이퍼 필터의 사용은 단발성이였으며, 광범위하게 채용되지 못하였다. 예를 들어, 플리트 세라믹 페이터는 거친 환경 에서는 효과적으로 사용되지 못하였다. 플리트 세라믹 페이퍼의 제조는 상대적으로 약한 세라믹 페이퍼 구조체를 형성하는 페이퍼 제조 공정의 사용이 요구되며, 압출 성형 필터에 비해 비용 효율적이지 못한 것으로 드러났다. 게다가 플리트 세라믹 페이퍼의 형성은 셀 모양 및 밀도에서 매우 낮은 유연성을 허락한다. 예를 들어, 일부 필터 용도에서 바람직할 수 있는 큰 채널 입구와 작은 채널 출구를 가지는 페이퍼 플리트 필터를 제조하는 것은 어렵다. 따라서, 플리트 세라믹 페이퍼의 사용은 고다공성 필터 및 촉매 기재의 요구를 충족시키지 못하였다. In an effort to achieve high porosity, movement of filter feeds to pleated ceramic paper has been attempted. Using this pleated ceramic paper, about 80% porosity with a low back press was possible. Due to the low back press, these filters have been used in applications such as mining where very low back presses are required. However, the use of pleated ceramic paper filters was short-lived and not widely adopted. For example, pleated ceramic patters have not been used effectively in harsh environments. The manufacture of pleated ceramic paper requires the use of a paper manufacturing process to form a relatively weak ceramic paper structure, which has been found to be less cost effective than extrusion filters. In addition, the formation of pleated ceramic paper allows very low flexibility in cell shape and density. For example, it is difficult to manufacture paper pleated filters with large channel inlets and small channel outlets which may be desirable in some filter applications. Thus, the use of pleated ceramic paper did not meet the needs of high porosity filters and catalyst substrates.

다공성을 증가시키고 플리트 페이퍼의 단점을 극복하기 위한 노력의 다른 예로, 세라믹 전구체를 형성하고, 매스(mass)를 주의 깊게 처리하여 다공성 패턴에서 단결정 휘스커(whisker)를 성장시켜 기재를 만들었다. 그러나, 이러한 결정 인-시츄(in-situ)는 경화 공정의 조심스럽고 정확한 조절을 필요로 하며, 공정을 대량화하기 어려우며, 상대적으로 비싸고, 그리고 결함이 생기기 쉽다. 게다가, 이러한 어려운 공정은 다공성에 있어 단지 몇 퍼센트의 증가를 제공할 뿐이다. 마지막으로, 상기 공정은 단지 물라이트 형태의 결정 휘스커만을 성장시키므로, 이는 기재의 이용성을 제한한다. 예를 들어, 물라이트는 높은 열 팽창계수를 가지는 것으로 알려져 있으며, 이는 결정성 물라이트 휘스커가 원하지 않은 넓은 동작 온도 범위 및 급격한 온도 변화를 필요로 하는 다양한 용도에서는 바람직하지 않도록 한다. 따라서, 산업계는 고다공성 및 이와 연관된 고투과성의 강성 기재를 필요로 한다. 바람직하게, 기재는 매우 바람직한 개방 셀 네트워크로 형성될 수 있으며, 제조에 비용 효율적일 수 있으며, 그리고 유연한 물리적, 화학적, 그리고 반응적 특성으로 제조될 수 있다. As another example of an effort to increase porosity and overcome the shortcomings of pleat paper, a substrate was formed by forming a ceramic precursor and carefully treating the mass to grow a single crystal whisker in a porous pattern. However, such crystals in-situ require careful and precise control of the curing process, are difficult to bulk up the process, are relatively expensive, and are prone to defects. In addition, this difficult process provides only a few percent increase in porosity. Finally, the process grows only crystal whiskers in the form of mullite, which limits the availability of the substrate. For example, mullite is known to have a high coefficient of thermal expansion, which renders crystalline mullite whiskers undesirable in a variety of applications where undesired wide operating temperature ranges and rapid temperature changes are required. Thus, the industry requires high porosity and associated high permeability rigid substrates. Preferably, the substrate can be formed into a highly desirable open cell network, can be cost effective in manufacturing, and can be manufactured with flexible physical, chemical, and reactive properties.

도 1은 본 발명에 따른 다공성 기재를 압출 성형하는 시스템을 설명하는 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a system for extruding a porous substrate according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 섬유질의 압출 성형 가능한 혼합물을 설명하는 도면이다. 2 is a view illustrating a fibrous extrudable mixture according to the present invention.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 개방 기공 네트워크를 설명하는 도면이다. 3A and 3B illustrate an open pore network in accordance with the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 개방 기공 네트워크 및 종래 기술에 따른 폐쇄 기공 네트워크의 전자 현미경 사진이다. 4 is an electron micrograph of an open pore network according to the present invention and a closed pore network according to the prior art.

도 5는 본 발명에 따른 다공성 기재를 사용한 필터 블록을 설명하는 도면이다.5 is a view for explaining a filter block using a porous substrate according to the present invention.

도 6은 본 발명에 따른 유용한 섬유, 바인더, 기공 형성제, 유체 및 유용한 레올로지 표들이다. 6 are useful fibers, binders, pore formers, fluids and useful rheology tables in accordance with the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 다공성 기재를 압출 성형하는 시스템을 설명하는 블록도이다. 7 is a block diagram illustrating a system for extruding a porous substrate according to the present invention.

도 8은 본 발명에 따른 다공성 기재의 경화 시스템을 설명하는 블록도이다. 8 is a block diagram illustrating a curing system of a porous substrate according to the present invention.

도 9는 본 발명에 따른 다공성 기재의 섬유를 처리하는 시스템을 설명하는 블록도이다. 9 is a block diagram illustrating a system for processing fibers of a porous substrate in accordance with the present invention.

도 10은 본 발명에 따른 구배를 갖는 다공성 기재를 압출 성형하는 것을 설명하는 도면이다. 10 is a view illustrating extrusion of a porous substrate having a gradient according to the present invention.

도 11은 본 발명에 따른 구배를 갖는 다공성 기재를 압출 성형하는 것을 설명하는 도면이다. 11 is a view illustrating extrusion of a porous substrate having a gradient according to the present invention.

도 12는 본 발명에 따른 구배를 갖는 다공성 기재를 압출 성형하는 것을 설명하는 도면이다.12 is a view illustrating extrusion of a porous substrate having a gradient according to the present invention.

요약하면, 본 발명은 압출 성형 공정을 이용하여 고다공성 기재를 제조하는 압출 성형 가능한 혼합물을 제공하는 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 유기, 무기, 글래스, 세라믹 또는 금속 섬유와 같은 섬유를 압출 성형되거나 경화될 때 매스에 혼합하여 고다공성 기재를 형성할 수 있다. 특정 혼합물에 따라, 본 발명은 약 60% 내지 약 90%의 다공성 기재를 가능하게 할 뿐만 아니라, 다른 다공성에서 공정을 유리하게 할 수 있다. 압출 성형 가능한 혼합물은 다양한 섬유 및 첨가제를 사용할 수 있으며, 다양한 동작 환경 및 용도에 적용될 수 있다. 섬유는 1보다 큰 종횡비를 가지며, 기재의 요구에 따라 선택된다. 그리고 섬유는 바인더, 기공 형성제, 압출 성형 보조제 및 유체와 혼합되어 균일한 압출 성형 가능한 매스를 형성한다. 균일한 매스는 중간 기재(green substrate)로 압출 성형된다. 더 휘발성 좋은 물질이 중간 기재에서 선택적으로 제거되며, 이는 섬유들이 연결되고 컨택되도록 한다. 경화 공정이 진행됨에 따라, 섬유 대 섬유의 결합이 형성되어 실질적으로 개방 기공 네트워크를 가지는 구조체를 형성한다. 형성된 다공성 기재는 다양한 용도, 예를 들어, 필터 또는 촉매 호스트, 또는 촉매 컨버터 기재로서 유용하다.In summary, the present invention provides an extrudable mixture that produces a highly porous substrate using an extrusion process. More specifically, the present invention may mix fibers such as organic, inorganic, glass, ceramic, or metal fibers into a mass when extruded or cured to form a highly porous substrate. Depending on the particular mixture, the present invention not only allows for about 60% to about 90% of the porous substrate, but may also favor the process at other porosities. Extrudeable mixtures may use a variety of fibers and additives and may be applied to a variety of operating environments and applications. The fibers have an aspect ratio greater than 1 and are selected according to the requirements of the substrate. The fibers are then mixed with a binder, pore former, extrusion aid and fluid to form a uniform extrudable mass. The uniform mass is extruded into a green substrate. The more volatile material is selectively removed from the intermediate substrate, which allows the fibers to connect and contact. As the curing process proceeds, a fiber to fiber bond is formed to form a structure having a substantially open pore network. The porous substrates formed are useful for a variety of applications, such as filter or catalytic host, or catalytic converter substrates.

보다 구체적인 예로, 세라믹 섬유는 보다 일반적으로 약 3 내지 약 500의 범위일 수 있을지라도, 약 3과 약 100 사이의 종횡비 분포에서 선택된다. 종횡비는 섬유의 길이를 섬유의 직경으로 나눈 비이다. 세라믹 섬유는 바인더, 기공 형성제, 및 유체와 균일한 매스에서 혼합된다. 전단(shear) 혼합 공정을 사용하여 매스에서 섬유를 보다 완전히 고르게 분포시킨다. 세라믹 물질은 매스의 약 8 부피% 내지 약 40 부피%일 수 있으며, 이는 약 60%와 92% 사이의 다공성을 갖는 기재를 형성한다. 균일한 매스는 중간 기재로 압출 성형된다. 바인더 물질은 중간 기재에서 제거되며, 이는 섬유들끼리 오버랩되고 컨택되도록 한다. 경화 공정이 진행됨에 따라, 섬유 대 섬유의 결합이 형성되어 강성 개방 셀 네트워크를 형성한다. 본 명세서에서 사용되는 "경화(curing)"는 중요한 두 공정 단계: 1) 바인더 제거 및 2) 결합 형성을 포함하는 것으로 정의된다. 바인더 제거 공정은 자유수(free water)를 제거하고, 첨가제의 대부분을 제거하며, 그리고 섬유와 섬유의 컨택을 가능하게 한다. 형성된 다공성 기재는 다양한 용도, 예를 들어, 필터 또는 촉매 컨버터의 기재로서 유용하다.As a more specific example, ceramic fibers may be selected from an aspect ratio distribution between about 3 and about 100, although more generally may range from about 3 to about 500. Aspect ratio is the ratio of the length of the fiber divided by the diameter of the fiber. Ceramic fibers are mixed with a binder, pore former, and fluid in a uniform mass. A shear mixing process is used to more evenly distribute the fibers in the mass. The ceramic material may be from about 8% to about 40% by volume of the mass, which forms a substrate having a porosity between about 60% and 92%. The uniform mass is extruded into the intermediate substrate. The binder material is removed from the intermediate substrate, which causes the fibers to overlap and contact each other. As the curing process proceeds, fiber to fiber bonds are formed to form a rigid open cell network. As used herein, "curing" is defined to include two important process steps: 1) binder removal and 2) bond formation. The binder removal process removes free water, removes most of the additives, and enables fiber to fiber contact. The porous substrates formed are useful as substrates for a variety of applications, for example filters or catalytic converters.

또 다른 특정 예에서, 다공성 기재는 기공 형성제의 사용 없이 제조될 수 있다. 이 경우, 세라믹 물질은 매스의 약 40 부피% 내지 약 60 부피% 또는 그 이상일 수 있으며, 이는 약 40%와 60% 사이의 다공성을 가지는 기재를 형성한다. 기공 형성제가 사용되지 않기 때문에, 압출 성형 공정이 단순해지며, 그리고 보다 비용 효율적이다. 또한, 형성된 구조체는 실질적으로 매우 바람직한 개방 기공 네트워크이다. In another particular example, the porous substrate can be made without the use of pore formers. In this case, the ceramic material may be from about 40% to about 60% by volume or more of the mass, which forms a substrate having a porosity between about 40% and 60%. Since no pore former is used, the extrusion process is simplified and more cost effective. In addition, the formed structure is a substantially highly preferred open pore network.

바람직하게, 개시된 섬유 압출 성형 시스템 공정은 고다공성 및 연관된 고투과성을 가능하게 하는 개방 기공 네트워크를 가질 뿐만 아니라 사용 요구에 따라 충분한 강도를 가지는 기재를 제조한다. 섬유 압출 성형 시스템은 또한 충분히 비용 효율적으로 기재를 제조하여, 형성된 필터 및 촉매 컨버터의 광범위한 사용을 가능하게 한다. 압출 성형 시스템은 제품의 대량 생산을 용이하게 하며, 유연한 화학적 성질 및 구조를 가능하게 하여 다양한 용도를 지지할 수 있다. 본 발명은 압출 성형 가능한 혼합물에서 섬유 물질의 선두적인 사용을 나타낸다. 섬유질의 압출 성형 가능한 혼합물은 대량 생산에서 그리고 비용 효율적인 방법으로 고다공성 기재의 압출 성형을 가능하게 한다. 반복가능하고, 강력한 압출 성형 공정에서 섬유가 사용되는 것을 가능하게 함으로써, 본 발명은 세계적으로 광범위하게 사용되는 필터 및 촉매 기재의 대량 생산을 가능하게 한다. Preferably, the disclosed fiber extrusion system process not only has an open pore network that enables high porosity and associated high permeability, but also produces a substrate having sufficient strength, depending on the needs of use. Fiber extrusion systems also produce substrates sufficiently sufficiently cost-effectively to enable widespread use of the formed filters and catalytic converters. Extrusion systems facilitate mass production of products and enable flexible chemical properties and structures to support a variety of applications. The present invention represents a leading use of fiber materials in extrudable mixtures. Fibrous extrudable mixtures enable extrusion of highly porous substrates in mass production and in a cost effective manner. By allowing the fibers to be used in repeatable, powerful extrusion processes, the present invention enables the mass production of filter and catalyst substrates that are widely used throughout the world.

본 발명의 다양한 특징은 후술되어 있는 설명으로부터 명확해질 것이며, 청구항에서 특징적으로 도출되는 수단 및 조합의 방법으로 이해될 수 있을 것이다. Various features of the invention will be apparent from the following description, and may be understood by means of means and combinations characteristically derived from the claims.

도면들은 본 명세서의 일부를 구성하고 본 발명의 예시적인 실시예들을 포함하며, 이는 다양한 형태로 실시될 수 있을 것이다. 몇몇 실시예에서 본 발명의 다양한 양태는 본 발명의 이해의 편의를 위하여 과장되거나 확대되어 도시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. The drawings form part of this specification and include exemplary embodiments of the invention, which may be embodied in various forms. In some embodiments it will be understood that various aspects of the invention may be exaggerated or enlarged for ease of understanding of the invention.

이하에서 본 발명의 실시예들을 자세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 다양한 형태로 예시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에서 개시된 구체적인 설명은 본 발명을 제한하는 것이 아니며, 오히려 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 구체적인 시스템, 구조체 또는 방법에 본 발명을 어떻게 적용하는지를 교시하는 대표적인 근거로서 이해될 수 있을 것이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, it will be appreciated that the invention can be illustrated in various forms. Accordingly, the detailed description set forth herein is not intended to limit the invention, but rather as an illustrative basis for teaching one of ordinary skill in the art how to apply the invention to specific systems, structures, or methods. It can be understood.

도 1을 참고하여, 다공성 기재의 압출 성형 시스템을 설명한다. 일반적으로 시스템(10)은 압출 성형 공정을 사용하여 최종적으로 고다공성 기재 생성물로 경화될 수 있는 중간 기재를 압출 성형하다. 시스템(10)은 바람직하게 고다공성을 가지며, 연관된 고투과성을 가능하게 하는 실질적으로 개방된 기공 네트워크를 가질뿐만 아니라 사용 요구에 따라 충분한 강도를 가지는 기재를 제조한다. 또한, 시스템(10)은 충분히 비용 효율적으로 기재를 제조하여 형성된 필터 및 촉매 컨버터의 광범위한 사용을 가능하게 한다. 시스템(10)은 대량 생산을 용이하게 하며, 유연한 화학적 특성 및 구조를 가능하게 하여 다양한 이용을 지지한다. Referring to FIG. 1, an extrusion molding system of a porous substrate will be described. In general, system 10 uses an extrusion process to extrude an intermediate substrate that can eventually be cured into a highly porous substrate product. System 10 preferably has a substrate having high porosity, having a substantially open pore network that enables associated high permeability, as well as having a sufficient strength depending on the needs of use. In addition, the system 10 allows for the widespread use of filters and catalytic converters formed by making the substrate sufficiently cost-effective. System 10 facilitates mass production and enables flexible chemical properties and structures to support a variety of uses.

시스템(10)은 매우 유연한 압출 성형 공정을 가능하게 하여, 특정 용도의 다양한 범위에 적용될 수 있다. 시스템(10)을 사용에 있어, 기재 디자이너는 우선 기재의 요구를 확인한다. 이러한 요구는 예를 들어, 크기, 유체 투과성, 바람직한 다공성, 기공 크기, 기계적 강도 및 쇼크 특성, 열적 안정성, 및 화학적 반응 제한을 포함할 수 있다. 이러한 요구들에 따라, 디자이너는 물질을 선택하여 압출 성형 가능한 혼합물 형성에서 사용한다. 중요하게, 시스템(10)은 압출 성형된 기재의 형성에서 섬유(12)의 사용을 가능하게 한다. 이러한 섬유는 예를 들어, 세라믹 섬유, 유기 섬유, 무기 섬유, 폴리머 섬유, 산화물 섬유, 유리 섬유(vitreous fiber), 글래스 섬유(glass fiber), 비결정성 섬유, 결정성 섬유, 비-산화물 섬유, 카바이드 섬유, 금속 섬유, 다른 무기 섬유 구조체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 그러나, 설명의 편의를 위하여 세라믹 섬유의 사용을 설명할지라도, 다른 섬유를 사용할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한 기재를 필터 기재 또는 촉매 기재로 대개 설명할지라도, 교시된 본 발명의 관점 내에서 다르게 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 디자이너는 용도의 특정 요구에 따라 특정 형태의 섬유를 선택한다. 예를 들어, 세라믹 섬유는 물라이트 섬유, 알루미늄 실리케이트 섬유, 또는 통상적으로 이용가능한 다른 세라믹 섬유 물질로 선택될 수 있다. 섬유는 일반적으로 14 단계에서 처리되어 섬유가 사용 가능한 길이로 절단될 필요가 있으며, 이는 섬유를 첨가물에 혼합하기 전의 쵸핑(chopping) 공정을 포함할 수 있다. 또한 압출 성형 공정에서 다양한 혼합 및 형성 단계는 섬유를 더욱 절단할 수 있다. System 10 allows for a very flexible extrusion process, which can be applied to a wide range of specific applications. In using the system 10, the substrate designer first identifies the substrate's needs. Such needs may include, for example, size, fluid permeability, desirable porosity, pore size, mechanical strength and shock properties, thermal stability, and chemical reaction limitations. In accordance with these requirements, designers select materials for use in forming extrudable mixtures. Importantly, system 10 allows the use of fibers 12 in the formation of an extruded substrate. Such fibers are, for example, ceramic fibers, organic fibers, inorganic fibers, polymer fibers, oxide fibers, vitreous fibers, glass fibers, amorphous fibers, crystalline fibers, non-oxide fibers, carbides Fibers, metal fibers, other inorganic fiber structures, or combinations thereof. However, although the use of ceramic fibers is described for convenience of description, it will be appreciated that other fibers may be used. It will also be appreciated that although the substrates are generally described as filter substrates or catalyst substrates, they may be used differently within the teachings of the present invention. The designer selects a particular type of fiber according to the specific needs of the application. For example, the ceramic fibers may be selected from mullite fibers, aluminum silicate fibers, or other ceramic fiber materials commonly available. The fibers generally need to be processed in 14 steps to cut the fibers into available lengths, which may include a chopping process prior to mixing the fibers into the additive. In addition, various mixing and forming steps in the extrusion process can further cut the fibers.

특정 요구에 따라, 첨가제(16)가 첨가된다. 이러한 첨가제(16)는 바인더, 분산제, 기공 형성제, 가소제, 공정 보조제, 및 강화 물질을 포함할 수 있다. 또한, 유체(18), 일반적으로 물을 첨가제(16) 및 섬유(12)와 혼합한다. 섬유, 첨가제 및 유체를 압출 성형 가능한 레올로지(rheology, 21)로 혼합한다. 이러한 혼합은 건조 혼합(dry mixing), 습윤 혼합(wet mixing) 및 전단 혼합(shear mixing)을 포함할 수 있다. 섬유, 첨가제, 및 유체는 균일한 매스가 제조될 때까지 혼합되며, 이는 매스내에 섬유를 고르게 분산시키고 배열한다. 그리고 섬유 및 균일한 매스를 압출 성형하여 중간 기재(23)를 형성한다. 중간 기재는 충분한 강도를 가지며 이후의 공정에서 함께 모여 떨어지지 않는다.Depending on the specific needs, additives 16 are added. Such additives 16 may include binders, dispersants, pore formers, plasticizers, process aids, and reinforcing materials. In addition, the fluid 18, generally water, is mixed with the additive 16 and the fibers 12. Fibers, additives and fluids are mixed into an extrudable rheology 21. Such mixing may include dry mixing, wet mixing, and shear mixing. The fibers, additives, and fluids are mixed until a uniform mass is produced, which evenly distributes and arranges the fibers within the mass. The fibers and the uniform mass are then extruded to form the intermediate substrate 23. The intermediate substrates have sufficient strength and do not fall apart together in subsequent processes.

그리고 중간 기재를 경화한다(25). 본 명세서에서 설명되는 "경화"는 두 가지 중요한 공정 단계: 1) 바인더 제거 및 2) 결합 형성을 포함하는 것으로 정의된다. 바인더 제거 공정은 자유수를 제거하고, 첨가제의 대부분을 제거하며, 그리고 섬유와 섬유의 컨택을 가능하게 한다. 바인더는 대개 바인더를 연소하는 가열 공정을 사용하여 제거되나, 사용되는 특정 바인더에 따라 다른 제거 공정이 이용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 일부 바인더는 기화 또는 승화 공정을 이용하여 제거될 수 있다. 일부 바인더 및/또는 다른 유기 화합물은 증기 상으로 분해(degrading)되기 전에 녹을 수 있다. 경화 공정이 진행됨에 따라, 섬유 대 섬유의 결합이 형성된다. 이러한 결합은 전체적인 구조적 강성을 용이하게 할뿐만 아니라, 기재의 바람직한 다공성 및 투과성을 형성한다. 따라서 경화된 기재(30)는 개방 기공 네트워크에 섬유들이 대부분 결합된 고다공성 기재(30)이다. 또한, 기재는 필터 용도 및 촉매 전환 용도 등을 포함하는 다양한 용도의 기재로서 사용될 수 있다. 바람직하게, 시스템(10)은 바람직한 압출 성형 공정을 가능하게 하여 약 90% 이상의 다공성을 가지는 기재를 제조한다. The intermediate substrate is then cured (25). "Cure" as described herein is defined to include two important process steps: 1) binder removal and 2) bond formation. The binder removal process removes free water, removes most of the additives, and enables fiber to fiber contact. The binder is usually removed using a heating process that burns the binder, although it will be appreciated that other removal processes may be used depending on the particular binder used. For example, some binders may be removed using a vaporization or sublimation process. Some binders and / or other organic compounds may melt before being degraded into the vapor phase. As the curing process proceeds, a fiber to fiber bond is formed. Such bonding not only facilitates the overall structural stiffness, but also forms the desired porosity and permeability of the substrate. The cured substrate 30 is thus a highly porous substrate 30 in which fibers are mostly bonded to an open pore network. The substrate can also be used as a substrate for various applications, including filter applications, catalytic conversion applications, and the like. Preferably, system 10 enables a preferred extrusion process to produce a substrate having a porosity of at least about 90%.

도 2를 참고하여, 압출 성형 가능한 물질(50)을 설명한다. 압출 성형 가능한 물질(50)은 피스톤 또는 스크류 압출기와 같은 압출기에서 압출 형성하여 준비한다. 압출 성형 가능한 혼합물(52)은 섬유, 가소제 및 특정 용도에 의해 요구되는 다른 첨가제를 포함하는 균일한 매스다. 도 2는 균일한 매스의 확대된 부분(54)을 나타낸다. 확대된 부분(54)은 설명의 편의를 위하여, 스케일에 맞게 도시되지 않았음을 이해할 수 있을 것이다. 압출 성형 가능한 혼합물(52)은 섬유 56, 57 및 58과 같은 섬유를 포함한다. 이러한 섬유들을 선택하여 바람직한 열적, 화학적, 기계적, 그리고 여과 특성을 가지는 고다공성 및 강성의 최종 기재를 제조한다. 섬유 바디는 자체적으로 가소성을 가지지 않기 때문에, 실질적으로 압출 성형이 가능하지 않음을 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 적절한 가소제의 선택 및 공정 조절을 통하여, 섬유를 포함하는 압출 성형 가능한 혼합물(52)이 압출 성형될 수 있음을 알 수 있다. 이에 의해, 압출 성형의 비용, 스케일 및 유연성의 이점이 연장되어, 섬유질 물질의 사용에 의한 이용 가능한 이점을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, an extrudable material 50 is described. The extrudable material 50 is prepared by extruding in an extruder such as a piston or screw extruder. The extrudable mixture 52 is a uniform mass containing fibers, plasticizers and other additives required by the particular application. 2 shows an enlarged portion 54 of a uniform mass. It will be appreciated that the enlarged portion 54 is not shown to scale, for convenience of description. The extrudable mixture 52 includes fibers such as fibers 56, 57, and 58. These fibers are selected to produce a highly porous and rigid final substrate having desirable thermal, chemical, mechanical, and filtration properties. It will be appreciated that the fiber body is not plastic in itself, so that extrusion is not practically possible. However, it can be seen that through the selection of appropriate plasticizers and process control, the extrudable mixture 52 comprising fibers can be extruded. This extends the benefits of cost, scale, and flexibility of extrusion, thereby including the benefits available with the use of fibrous materials.

일반적으로, 섬유는 1보다 큰 종횡비를 가지는 상대적으로 작은 직경의 물질이 고려된다. 종횡비는 섬유의 길이를 섬유의 직경으로 나눈 비이다. 본 명세서에서, 섬유의 '직경'은 단순히 섬유의 단면적이 원인 것으로 가정하며, 이러한 단순 가정은 섬유의 실제 단면의 형태에 상관없이 적용된다. 예를 들어, 종횡비 10의 섬유는 섬유의 직경보다 10 배 큰 길이를 가진다. 약 1 마이크론 내지 약 25 마이크론 범위의 직경이 용이하게 이용 가능할 지라도, 섬유의 직경은 6 마이크론일 수 있다. 다양한 직경 및 종힁비의 섬유들이 시스템(10)에서 성공적으로 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 다른 도면들을 참고하여 보다 상세하게 후술되는 것처럼, 섬유의 종횡비를 선택하는 몇몇 다른 실시예가 존재한다. 또한, 섬유의 형태는 일반적인 세라믹 파우더와 달리 예리하며, 여기서 각각의 세라믹 입자의 종횡비는 대략 1인 것을 이해할 수 있을 것이다. In general, fibers are considered relatively small diameter materials having an aspect ratio greater than one. Aspect ratio is the ratio of the length of the fiber divided by the diameter of the fiber. In this specification, the 'diameter' of a fiber is simply assumed to be due to the cross sectional area of the fiber, and this simple assumption applies regardless of the shape of the actual cross section of the fiber. For example, fibers of aspect ratio 10 have a length ten times greater than the diameter of the fibers. Although diameters ranging from about 1 micron to about 25 microns are readily available, the diameter of the fibers may be 6 microns. It will be appreciated that fibers of various diameters and aspect ratios can be used successfully in the system 10. There are several other embodiments of selecting the aspect ratio of a fiber, as described in more detail below with reference to other figures. In addition, the shape of the fiber is sharp, unlike the general ceramic powder, it will be understood that the aspect ratio of each ceramic particle is approximately one.

압출 성형 가능한 혼합물(52)의 섬유는 도 2에서 세라믹 섬유를 참고하여 설명하였지만, 금속성일 수 있다(몇몇 경우에는 얇은-직경의 금속성 와이어일 수 있다). 세라믹 섬유는 비결정질 상태, 유리 상태, 결정 상태, 폴리-결정성 상태, 모노-결정성 상태, 또는 글래스-세라믹 상태일 수 있다. 압출 성형 가능한 혼합물(52)을 제조에 있어, 상대적으로 낮은 부피의 세라믹 섬유를 사용하여 다공성 기재를 제조한다. 예를 들어, 압출 성형 가능한 혼합물(52)은 약 10 부피% 내지 40 부피%의 세라믹 섬유 물질을 포함할 수 있다. 이에 의해, 경화 후에, 형성된 다공성 기재는 약 60% 내지 약 90%의 다공성을 가질 수 있다. 다른 양의 세라믹 섬유 물질을 선택하여 다른 다공성 값을 제조할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. The fibers of the extrudable mixture 52 have been described with reference to ceramic fibers in FIG. 2, but may be metallic (in some cases thin-diameter metallic wires). Ceramic fibers can be in an amorphous state, a glass state, a crystalline state, a poly-crystalline state, a mono-crystalline state, or a glass-ceramic state. In preparing the extrudable mixture 52, a relatively low volume ceramic fiber is used to make the porous substrate. For example, the extrudable mixture 52 may comprise about 10% to 40% by volume of ceramic fiber material. Thereby, after curing, the formed porous substrate may have a porosity of about 60% to about 90%. It will be appreciated that different amounts of ceramic fiber materials may be selected to produce different porosity values.

압출 성형 가능한 혼합물을 제조하기 위하여, 섬유는 일반적으로 가소제와 혼합된다. 이에 따라, 섬유는 선택된 다른 유기 또는 무기 첨가제와 혼합된다. 이러한 첨가제는 압출 성형의 세가지 중요한 특성(key property)을 제공한다. 첫째, 첨가제는 압출 성형 가능한 혼합물이 압출 성형에 적절한 레올로지를 가지는 것을 가능하게 한다. 둘째, 첨가제는 일반적으로 중간 기재라고 지칭되는 압출 성형된 기재에 충분한 강도를 제공하여 이러한 첨가제가 경화 공정에서 제거될 때까지 기재의 형태 및 섬유의 위치를 유지한다. 그리고 셋째로, 첨가제를 선택하고 이를 경화 공정에서 연소하는 것은 오버랩된 구조에서 섬유의 배열을 용이하게 하며, 이에 따라 강성 구조체의 형성이 약화되지 않는다. 일반적으로, 첨가제는 바인더(61)와 같은 바인더를 포함한다. 바인더(61)는 매질(medium)로 작용하여 섬유의 위치를 유지하고 중간 기재에 강도를 제공한다. 섬유 및 바인더를 사용하여 상대적으로 높은 다공성을 가지는 다공성 기재를 제조할 수 있다. 그러나, 다공성을 더욱 증가시키기 위해, 기공 형성제(63)와 같은 추가적인 기공 형성제를 첨가할 수 있다. 기공 형성제가 첨가되어 최종 경화된 기재에서 개방 공간이 증가된다. 기공 형성제는 구형, 가늘고 신장된(elongated) 형태, 섬유 형태 또는 불규칙한 형태일 수 있다. 기공 형성제는 개방 공간을 형성하는 능력, 열적 분해(degradation) 특성뿐만 아니라 섬유의 배열에 조력하는 정도에 따라 선택된다. 이에 의해, 기공 형성제는 오버랩된 패턴에서 섬유의 배열을 보조하여 이후의 경화 단계 동안 섬유들 사이의 적절한 결합을 용이하게 한다. 게다가, 기공 형성제는 바람직한 방향의 섬유 배열에 중요한 역할을 하며, 이는 서로 다른 축들을 따라 강도 및 압출 성형된 물질의 열적 팽창에 영향을 미친다. To produce an extrudable mixture, the fibers are generally mixed with a plasticizer. Accordingly, the fibers are mixed with other selected organic or inorganic additives. These additives provide three key properties of extrusion. First, the additive enables the extrudable mixture to have a rheology suitable for extrusion. Second, the additive provides sufficient strength to the extruded substrate, generally referred to as the intermediate substrate, to maintain the shape of the substrate and the position of the fibers until such additive is removed from the curing process. And thirdly, selecting the additive and burning it in the curing process facilitates the arrangement of the fibers in the overlapped structure, thus not weakening the formation of the rigid structure. In general, the additive includes a binder such as binder 61. The binder 61 acts as a medium to maintain the position of the fibers and provide strength to the intermediate substrate. Fibers and binders can be used to prepare porous substrates having a relatively high porosity. However, to further increase porosity, additional pore formers, such as pore former 63, may be added. Pore formers are added to increase the open space in the final cured substrate. Pore formers may be spherical, elongated, fibrous or irregular. Pore formers are selected according to their ability to form open spaces, their thermal degradation properties as well as their degree of assistance to the arrangement of the fibers. Thereby, the pore former aids in the arrangement of the fibers in the overlapping pattern to facilitate proper bonding between the fibers during subsequent curing steps. In addition, pore formers play an important role in the arrangement of fibers in the preferred direction, which affects the strength and thermal expansion of the extruded material along different axes.

앞에서 간략히 설명한 것처럼, 압축 성형 가능한 혼합물(52)은 다양한 형태의 이용 가능한 섬유에서 선택된 하나 이상의 섬유를 사용할 수 있다. 게다가, 선택된 섬유는 다양한 형태의 바인더에서 선택된 하나 이상의 바인더와 혼합할 수 있다. 또한, 다양한 종류의 기공 형성제에서 선택된 하나 이상의 기공 형성제를 첨가할 수 있다. 압축 성형 가능한 혼합물은 가소제로서 물 또는 다른 유체를 사용할 수 있으며, 다른 첨가제를 첨가할 수 있다. 화학물 형성에서 이러한 유연성은 압출 성형 가능한 혼합물(52)이 다양한 형태의 용도에서 유용하게 사용되는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 혼합물의 조합은 요구되는 환경적, 온도적, 화학적, 물리적 또는 다른 필요한 요구에 따라 선택될 수 있다. 게다가, 압출 성형 가능한 혼합물(52)은 압출 성형으로 제조되기 때문에, 최종 압축 성형된 생성물을 유연하고 경제적으로 제조할 수 있다. 도 2에 도시되지는 않았지만, 압출 성형 가능한 혼합물(52)은 스크류 또는 피스톤 압출기를 통하여 압출 성형되어 중간 기재를 형성하며, 이는 이후에 최종 다공성 기재 생성물로 경화된다. As briefly described above, the compression moldable mixture 52 may use one or more fibers selected from various types of available fibers. In addition, the selected fibers can be mixed with one or more binders selected from various types of binders. It is also possible to add one or more pore formers selected from various types of pore formers. Compression moldable mixtures may use water or other fluids as plasticizers, and other additives may be added. This flexibility in chemical formation allows the extrudable mixture 52 to be usefully used in various types of applications. For example, the combination of mixtures may be selected according to the environmental, temperature, chemical, physical or other necessary needs required. In addition, since the extrudable mixture 52 is produced by extrusion molding, it is possible to flexibly and economically prepare the final compression molded product. Although not shown in FIG. 2, the extrudable mixture 52 is extruded through a screw or piston extruder to form an intermediate substrate, which is then cured into the final porous substrate product.

본 발명은 압출 성형 혼합물 또는 플라스틱 배치에서 섬유 물질의 선도적인 사용을 개시한다. 이러한 섬유질의 압출 성형 가능한 혼합물은 대량 생산에서 비용 효율적 방법으로 고다공성을 갖는 기재의 압출 성형을 가능하게 한다. 반복가능하고 강력한 압출 성형 공정에서 섬유가 사용되는 것을 가능하게 함으로써, 본 발명은 세계적으로 다양하게 사용되는 필터 및 촉매 기재의 대량 생산을 가능하게 한다. The present invention discloses the leading use of fiber materials in extrusion molding mixtures or plastic batches. Such fibrous extrudable mixtures enable extrusion of substrates having high porosity in a cost effective manner in mass production. By allowing the fibers to be used in repeatable and powerful extrusion processes, the present invention enables the mass production of filter and catalyst substrates that are used in a wide variety of world wide.

도 3a를 참고하여, 확대된 다공성 기재의 경화된 부분을 설명한다. 기재 부분(100)은 바인더 제거 이후(102) 및 경화 공정 이후(110)를 나타낸다. 바인더 제거 이후(102), 섬유(103, 104)와 같은 섬유는 초기에는 바인더 물질과 함께 배치를 유지하며, 바인더 물질이 연소됨에 따라 노출되어 느슨하지 않은 오버랩되는 구조체가 된다. 또한, 기공 형성제(105)가 배치되어 추가적인 개방 공간을 형성할 뿐만 아니라 섬유를 정렬 또는 배열할 수 있다. 섬유는 압출 성형 가능한 혼합물에서 상대적으로 작은 부피를 구성하므로, 다수의 개방 공간(107)이 섬유들 사이에 존재한다. 바인더 및 기공 형성제가 연소됨에 따라, 섬유들은 약간 조절되어 서로 더 많이 컨택할 수 있다. 바인더 및 기공 형성제를 선택하여 연소 과정에서 기재가 와해되지 않거나 섬유들의 배열을 방해하지 않도록 조절된 방법으로 연소한다. 일반적으로 바인더 및 기공 형성제를 선택하여 섬유들 사이의 결합이 형성되기 전에 분해하거나 연소한다. 경화 공정이 진행됨에 따라, 오버랩되고 접촉된 섬유들은 결합이 형성되기 시작한다. 결합은 몇 가지 방법으로 형성될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 섬유들을 가열하여 섬유들의 노드 또는 교차점에서의 소결 결합을 조력하는 액체를 형성할 수 있다. 이러한 액체 상태 소결은 선택된 특정 섬유들로부터 야기되거나, 혼합물에 첨가되거나 섬유 상에 코팅된 부가적인 첨가제로부터 야기될 수 있다. 다른 경우, 고체 상태 소결 결합을 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 교차된 결합은 오버랩된 섬유를 연결하는 그레인 구조체를 형성한다. 중간 상태에서, 섬유들은 아직 서로 물리적 결합을 형성하지 않으나, 섬유들의 탱글링(tangling) 때문에 어느 정도의 중간 강도(green strength)를 나타낼 수 있다. 선택된 특정 형태의 결합은 기초 물질의 선택, 바람직한 강도 및 반응 화학 그리고 환경에 의존할 수 있다. 일부 경우, 연결된 네트워크에 섬유들을 함께 결합하고 경화 공정 동안 연소되지 않는 혼합물에 존재하는 무기 바인더의 존재 하에 결합이 일어날 수 있다. Referring to FIG. 3A, the cured portion of the enlarged porous substrate is described. Substrate portion 100 shows after binder removal 102 and after curing process 110. After binder removal 102, the fibers, such as fibers 103 and 104, initially maintain placement with the binder material and become exposed as the binder material burns into a loose, overlapping structure. In addition, the pore former 105 may be disposed to form additional open spaces as well as to align or arrange the fibers. Since the fibers constitute a relatively small volume in the extrudable mixture, a number of open spaces 107 are present between the fibers. As the binder and pore former are burned, the fibers may be slightly adjusted to contact more of each other. The binder and pore former are selected to combust in a controlled manner so that the substrate does not disintegrate or interfere with the arrangement of the fibers during the combustion process. Generally, binders and pore formers are selected to decompose or burn before the bonds between the fibers are formed. As the curing process proceeds, the overlapped and contacted fibers begin to form bonds. It will be appreciated that the bond can be formed in several ways. For example, the fibers can be heated to form a liquid that assists in sintering bonding at the node or intersection of the fibers. This liquid state sintering can be caused from certain fibers selected, or from additional additives added to the mixture or coated onto the fibers. In other cases, it may be desirable to form a solid state sintered bond. In this case, the crossed bonds form a grain structure that joins the overlapped fibers. In the intermediate state, the fibers do not yet form a physical bond with each other, but may exhibit some degree of green strength due to the tangling of the fibers. The particular type of bond selected may depend on the choice of base material, the desired strength and reaction chemistry, and the environment. In some cases, the bonding may occur in the presence of an inorganic binder that bonds the fibers together to the connected network and is present in the mixture that does not burn during the curing process.

바람직하게, 결합(112)와 같은 결합의 형성은 섬유를 포함하는 실질적인 강성 구조체의 형성을 용이하게 한다. 결합은 또한 매우 고다공성의 개방 기공 네트워크의 형성을 가능하게 한다. 예를 들어, 개방 공간(116)은 섬유들 사이의 공간에 의해 자연적으로 형성된다. 개방 공간(114)는 기공 형성제(105)가 분해 또는 연소됨에 따라 형성된다. 이에 따라, 섬유 결합 형성 과정은 종단되지 않거나 또는 실질적으로 종단되지 않은 채널을 가지는 개방 기공 네트워크를 형성한다. 이러한 개방 기공 네트워크는 고투과성, 고여과율을 생성하며, 예를 들어 촉매 첨가에 넓은 표면적을 제공한다. 결합의 형성은 고체-상태 또는 액체-조력/액체-상태 소결과 같은 바람직한 결합의 형태 및 경화 과정 동안 존재하는 첨가제에 의존할 수 있다. 예를 들어, 첨가제, 특정 섬유의 선택, 가열 시간, 가열 정도 및 반응 환경 모두를 조절하여 특정 형태의 결합을 형성할 수 있다. Preferably, the formation of a bond, such as bond 112, facilitates the formation of a substantially rigid structure comprising fibers. The binding also allows the formation of very high porosity open pore networks. For example, open space 116 is naturally formed by the space between the fibers. Open space 114 is formed as pore former 105 decomposes or burns. Accordingly, the fiber bond formation process forms an open pore network having channels that are not terminated or substantially terminated. These open pore networks produce high permeability, high filtration rates and provide a large surface area for catalyst addition, for example. The formation of the bond may depend on the form of the desired bond, such as solid-state or liquid-assisted / liquid-state sintering, and the additives present during the curing process. For example, additives, selection of specific fibers, heating time, degree of heating and reaction environment can all be controlled to form certain types of bonds.

도 3b를 참고하여, 확대된 다른 다공성 기재의 경화된 부분을 설명한다. 기재 부분(120)은 바인더 제거 이후(122) 및 경화 공정 이후(124)를 나타낸다. 기재 부분(120)은 도 3a를 참고하여 설명한 기재 부분(100)과 유사하므로, 자세한 설명은 생략하도록 한다. 기재(120)는 특정 기공 형성제의 사용 없이 형성되며, 전체 개방 기공 네트워크는 바인더 물질과 섬유의 배치로부터 형성된다. 이에 의해, 다공성이 적절히 높은 기재가 특정 기공 형성제의 사용 없이 형성될 수 있으며, 이에 의해 이와 같이 다공성이 적절히 높은 기재의 제조에 있어 비용 및 복잡성을 줄일 수 있다. 이러한 방법으로 40% 내지 60% 범위의 다공성을 가지는 기재를 제조할 수 있다.Referring to FIG. 3B, the cured portion of another enlarged porous substrate is described. Substrate portion 120 shows after binder removal 122 and after curing process 124. Since the substrate portion 120 is similar to the substrate portion 100 described with reference to FIG. 3A, detailed description thereof will be omitted. Substrate 120 is formed without the use of specific pore formers, and the entire open pore network is formed from a batch of binder material and fibers. Thereby, a substrate with a moderately high porosity can be formed without the use of specific pore formers, thereby reducing the cost and complexity of producing a substrate with a moderately high porosity. In this way a substrate having a porosity in the range of 40% to 60% can be prepared.

도 4는 전자 현미경 사진 세트(150)를 나타낸다. 사진 세트(150)는 첫째로 섬유질의 압출 성형 가능한 혼합물을 사용하여 바람직하게 형성된 개방 기공 네트워클(152)를 나타낸다. 도면에서 알 수 있듯이, 섬유는 교차하는 섬유 노드에서 결합을 형성하며, 기공 형성제 및 바인더는 연소되어 다공성 개방 기공 네트워크가 형성된다. 대조적으로, 사진(154)은 공지의 공정을 사용하여 형성된 일반적인 폐쇄 셀 네트워크를 나타낸다. 부분적인 폐쇄 기공 네트워크는 다공성이 상대적으로 높으나, 다공성의 적어도 일부는 폐쇄 채널에서 의한 것이다. 이러한 폐쇄 채널은 투과성에 기여를 하지 못한다. 이에 의해 폐쇄 기공 네트워크와 폐쇄 기공 네트워크가 동일한 다공성을 가지더라도, 개방 기공 네트워크가 보다 바람직한 투과성 특성을 가질 수 있다. 4 shows a set of electron micrographs 150. Photo set 150 first shows an open pore network 152 preferably formed using a fibrous extrudable mixture. As can be seen in the figure, the fibers form bonds at the intersecting fiber nodes, and the pore former and binder are combusted to form a porous open pore network. In contrast, photo 154 shows a typical closed cell network formed using known processes. The partially closed pore network has a relatively high porosity, but at least a portion of the porosity is due to the closed channel. Such closed channels do not contribute to permeability. Thus, even if the closed pore network and the closed pore network have the same porosity, the open pore network can have more desirable permeability characteristics.

이상에서 설명한 압출 성형 가능한 혼합물 및 공정을 사용하여 매우 효과적이며 다공성이 높은 기재를 제조한다. 일 예로, 다공성 기재는 도 5에서 도시된 필터 블록 기재(175)로 압출 성형될 수 있다. 기재 블록(175)는 피스톤 또는 스크류 압출기를 사용하여 압출 성형된다. 압출기는 상온, 약간 승온된 온도 또는 조절된 온도 윈도우에서 동작하도록 조절될 수 있다. 또한 압출기의 몇몇 부분은 다른 온도로 가열되어 압출 성형 혼합의 겔화 특성, 전단 이력(shear history) 및 슬로우 특성에 영향을 줄 수 있다. 또한, 압출 성형 다이의 크기는 가열 및 소결 공정 동안 기재의 예상되는 수축을 조절하는 것에 따라 달라질 있다. 바람직하게, 압출 성형 가능한 혼합물은 충분한 가소제 및 다른 가소제를 포함하는 섬유질의 압출 성형 가능한 혼합물이어서, 섬유질 물질의 압출 성형을 가능하게할 수 있다. 압출 형성된 중간 상태(green state) 블록은 경화되어 자유수를 제거하고 첨가제를 연소하여, 섬유들 사이의 구조적 결합을 형성한다. 형성된 블록(175)은 바람직한 고다공성 특징 뿐만 아니라 훌륭한 투과성 및 사용가능한 넓은 표면적을 가진다. 또한, 선택된 특정 섬유 및 첨가제에 따라, 블록(175)은 바람직한 깊이 필터(depth filter)로 형성될 수 있다. 블록(176)은 블록을 통하여 길이 방향으로 연장된 채널(179)을 포함한다. 블록의 입구(178)는 유통(flow-through) 공정을 위해 개방되어 있거나, 다른 모든 개구(opening)는 플러그되어 벽류 효과(wall flow effect)를 형성할 수 있다. 도면에는 블록(175)이 육면체 채널을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 다른 패턴 및 크기로 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 채널은 고른 크기의 정사각형, 직사각형, 또는 삼각형 패턴; 큰 입구를 가지는 팔각형/정사각형 또는 정사각형/직사각형 채널 패턴; 또는 다른 대칭적 또는 비대칭적 채널 패턴으로 형성될 수 있다. 채널 또는 셀의 정확한 형태 및 크기는 다이의 디자인을 조절함으로써 조절될 수 있다. 예를 들어, 정사각형 채널은 다이에 핀이 형성된 EDM(Electronic Discharge Machining)을 사용하여 곡선 모양의 모서리를 가지도록 형성될 수 있다. 이러한 곡선 모양의 모서리는 약간 높은 백 프레스에도 불구하고, 최종 생성물의 강도를 증가를 기대할 수 있다. 또한 다이 디자인을 수정하여 허니컴 기재를 압출 성형할 수 있다. 여기서, 벽은 서로 다른 두께를 가지며, 스킨(skin)은 벽의 나머지와 다른 두께를 가진다. 유사하게 일부 용도에서, 외부 스킨은 압출 성형된 기재의 크기, 형태, 윤곽 및 강도의 최종적 정의에 적용될 수 있다. 유동 장치로서 사용될 경우, 블록(176)의 고다공성은 촉매 물질의 이용에서 표면적의 증가를 가능하게 한다. 이에 의해, 낮은 축열성을 가지는 매우 효과적이고 효율적인 촉매 컨버터를 만들 수 있다. 이러한 낮은 축열성으로, 형성된 촉매 컨버터는 양호한 라이트-오프 특성을 가지며, 촉매 물질을 효과적으로 사용한다. 벽 유동 또는 벽 필터 예에서 사용되는 경우, 기재 벽의 고투과성은 깊이 여과(depth filtration) 작용을 용이하게 하면서, 상대적으로 낮은 백 프레스를 가능하게 한다. 이러한 깊이 여과는 미립자의 제거에 효과적일 뿐만 아니라 보다 효과적인 재생을 용이하게 한다. 벽-유동 디자인에서, 기재를 통하여 유동하는 유체는 기재의 벽을 통하여 이동하며, 이에 의해 벽을 구성하는 섬유들과 더 직접적으로 컨택할 수 있다. 이러한 섬유는 촉매가 존재하는 경우와 같이 잠재적인 반응이 일어나는 넓은 표면적을 제공한다. 압출 성형 가능한 혼합물은 다양한 종류의 섬유, 첨가제 및 유체로부터 형성할 수 있으므로, 압출 성형 가능한 혼합물의 화학적 특징을 조정하여 특정 특성을 가지는 블록을 형성할 수 있다. 예를 들어, 최종 블록이 디젤 미립자 필터로 이용될 경우, 섬유는 재생이 조절되지 않는 극한의 온도에서도 안정적으로 동작하는 것을 고려하여 선택한다. 다른 예로, 블록이 특정 형태의 배기 가스를 여과하는 것에 사용될 경우, 섬유 및 결합은 기대되는 동작 온도 범위에서 배기 가스와 반응하지 않도록 선택된다. 이상에서 고다공성 기재의 이점을 여과 및 촉매 컨버터를 참고하여 설명하였지만, 다른 다양한 용도에서 고다공성 기재를 사용할 수 있음을 알 수 있을 것이다. A highly effective and highly porous substrate is produced using the extrudable mixtures and processes described above. For example, the porous substrate may be extruded into the filter block substrate 175 shown in FIG. 5. The substrate block 175 is extruded using a piston or screw extruder. The extruder can be adjusted to operate at room temperature, slightly elevated temperature or at a controlled temperature window. In addition, some parts of the extruder may be heated to different temperatures to affect the gelling properties, shear history and slow properties of the extrusion molding mixture. In addition, the size of the extrusion die may vary depending on controlling the expected shrinkage of the substrate during the heating and sintering process. Preferably, the extrudable mixture is a fibrous extrudable mixture comprising sufficient plasticizer and other plasticizers to enable extrusion of the fibrous material. The extruded green state block is cured to remove free water and burn off additives to form structural bonds between the fibers. The formed block 175 has desirable high porosity features as well as good permeability and wide surface area available. In addition, depending on the particular fibers and additives selected, block 175 may be formed into a desired depth filter. Block 176 includes a channel 179 extending longitudinally through the block. The inlet 178 of the block may be open for a flow-through process, or all other openings may be plugged to form a wall flow effect. Although block 175 is shown as including a hexahedral channel in the figure, it will be appreciated that it may be used in other patterns and sizes. For example, the channels may have an evenly sized square, rectangular, or triangular pattern; Octagonal / square or square / rectangular channel patterns with large inlets; Or in other symmetrical or asymmetrical channel patterns. The exact shape and size of the channel or cell can be adjusted by adjusting the design of the die. For example, the square channel may be formed to have curved edges using electronic discharge machining (EDM) with fins formed on the die. Such curved edges can be expected to increase the strength of the final product, despite the slightly higher back press. The die design can also be modified to extrude the honeycomb substrate. Here, the walls have different thicknesses, and the skin has a different thickness than the rest of the wall. Similarly, in some applications, the outer skin can be applied to the final definition of the size, shape, contour and strength of the extruded substrate. When used as a flow device, the high porosity of block 176 allows for an increase in surface area in the use of catalytic materials. Thereby, a highly effective and efficient catalytic converter with low heat storage property can be made. With this low heat storage capability, the formed catalytic converter has good light-off characteristics and uses the catalytic material effectively. When used in wall flow or wall filter examples, the high permeability of the substrate wall allows for a relatively low bag press while facilitating depth filtration action. This depth filtration is not only effective in removing particulates but also facilitates more effective regeneration. In a wall-flow design, fluid flowing through the substrate moves through the wall of the substrate, thereby allowing more direct contact with the fibers that make up the wall. These fibers provide a large surface area where potential reactions occur, such as when a catalyst is present. Since the extrudable mixture can be formed from various kinds of fibers, additives and fluids, the chemical properties of the extrudable mixture can be adjusted to form blocks with specific properties. For example, when the final block is used as a diesel particulate filter, the fibers are selected taking into account that they operate stably even at extreme temperatures where regeneration is not controlled. As another example, when the block is used to filter certain types of exhaust gases, the fibers and bonds are selected to not react with the exhaust gases in the expected operating temperature range. While the advantages of the highly porous substrate have been described above with reference to filtration and catalytic converters, it will be appreciated that the highly porous substrate can be used in a variety of other applications.

도 2를 참고하여 설명한 섬유질의 압출 성형 가능한 혼합물은 다양한 종류의 기초 물질로부터 형성될 수 있다. 적절한 물질의 선택은 일반적으로 최종 기재가 동작해야 하는 화학적, 기계적, 그리고 환경적 조건에 기초할 수 있다. 따라서, 다공성 기재를 디자인하는 첫번째 단계는 기재의 최종 용도를 이해하는 것이다. 이러한 요구에 따라, 특정 섬유, 바인더, 기공 형성제, 유체 및 다른 물질들을 선택할 수 있다. 선택된 물질들에 적용되는 공정이 최종 기재 생산물에 영향을 미칠 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 섬유는 최종 기재 생성물에서 구조적으로 주요한 물질이므로, 섬유 물질의 선택은 최종 기재가 원하는 용도에서 동작하는 것에 매우 중요하다. 따라서, 섬유는 원하는 결합 요구에 따라 선택되며, 특정 형태의 결합 공정이 선택된다. 결합 공정은 액체 상태 소결, 고체 상태 소결, 또는 글래스-형성제, 글래스, 클레이, 세라믹, 세라믹 전구체 또는 콜로이드 졸과 같은 결합제를 요구하는 결합일 수 있다. 결합제는 섬유 구조 중 하나의 일부, 섬유 상의 코팅 또는 첨가제 중의 하나의 성분일 수 있다. 하나 이상 형태의 섬유가 선택될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 몇몇 섬유는 경화 및 결합 공정 동안 소비될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 섬유 구성의 선택에서, 최종 동작 온도를 중요하게 고려하여 섬유의 열적 안정성이 유지될 수 있다. 다른 예에서, 섬유가 기대되는 가스, 액체 또는 고체 미립자 물질의 존재 하에서 화학적으로 안정하고 반응하지 않고 잔존하도록 선택한다. 섬유는 또한 비용에 따라 선택될 수 있으며, 몇몇 섬유는 그들의 작은 크기 때문에 건강적 관심이 고려될 수 있으며, 이에 의해 이들의 사용은 피해질 수 있다. 기계적 환경에 따라, 섬유는 견고한 강성 구조체를 형성하는 능력뿐만 아니라, 요구되는 기계적 무결성(integrity)을 유지하는 능력에 따라 선택된다. 적절한 섬유 또는 섬유 조합의 선택은 퍼포먼스와 용도의 트레이드-오프(trade-off)를 수반할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 도 6a의 표 1은 섬유질의 압출 성형 가능한 혼합물을 형성하는데 사용되는 몇몇 형태의 섬유를 나타낸다. 일반적을 섬유는 산화물 또는 비산화물 세라믹, 글래스, 유기질, 무기질, 또는 금속성일 수 있다. 세라믹 물질의 경우, 섬유는 비결정질, 유리질, 폴리-결정질 또는 모노-결정질과 같은 다양한 상태일 수 있다. 도 1에서 다수의 이용가능한 섬유를 나타내었을지라도, 다른 형태의 섬유가 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. The fibrous extrudable mixture described with reference to FIG. 2 may be formed from various kinds of base materials. Selection of the appropriate material may generally be based on chemical, mechanical, and environmental conditions under which the final substrate should operate. Thus, the first step in designing a porous substrate is to understand the end use of the substrate. Depending on these needs, particular fibers, binders, pore formers, fluids and other materials can be selected. It will be appreciated that the process applied to the selected materials may affect the final substrate product. Since fiber is a structurally major material in the final substrate product, the choice of fiber material is very important for the final substrate to work in the desired application. Thus, the fiber is selected according to the desired bonding requirements, and a particular type of bonding process is selected. The bonding process may be liquid state sintering, solid state sintering, or a bond requiring a binder such as glass-forming agent, glass, clay, ceramic, ceramic precursor or colloidal sol. The binder may be part of one of the fiber structures, a coating on the fiber or one of the additives. It will be appreciated that more than one type of fiber may be selected. It will be appreciated that some fibers may be consumed during the curing and bonding process. In the selection of the fiber configuration, the thermal stability of the fiber can be maintained taking into account the final operating temperature. In another example, the fibers are selected to remain chemically stable, unreacted, in the presence of the expected gas, liquid or solid particulate material. Fibers may also be selected according to cost, and some fibers may be considered for their health because of their small size, whereby their use may be avoided. Depending on the mechanical environment, the fibers are chosen not only according to their ability to form a rigid rigid structure, but also to maintain the required mechanical integrity. It will be appreciated that the selection of the appropriate fiber or fiber combination may involve a trade-off of performance and use. Table 1 of FIG. 6A shows some types of fibers used to form a fibrous extrudable mixture. In general, the fibers can be oxide or non-oxide ceramic, glass, organic, inorganic, or metallic. In the case of ceramic materials, the fibers can be in various states such as amorphous, glassy, poly-crystalline or mono-crystalline. Although many available fibers are shown in FIG. 1, it will be appreciated that other types of fibers may be used.

또한, 바인더 및 기공 형성제는 선택된 섬유의 형태뿐만 아니라 다른 원하는 특성에 따라 선택될 수 있다. 일 예로, 바인더를 선택하여 선택된 섬유들 사이의 액체 상태 결합의 특정 형태를 용이하게 할 수 있다. 보다 구체적으로, 바인더는 결합 온도에서 반응하여 액체의 유동과 교차하는 섬유 노드의 결합을 용이하게 하는 구성 요소를 포함한다. 또한 바인더는 선택된 섬유를 가소화하는 능력뿐만 아니라 중간 상태 강도를 유지하는 능력에 따라 선택될 수 있다. 일 예로, 바인더는 압출 성형이 사용되는 형태 및 압출 성형의 요구되는 온도에 따라 선택된다. 예를 들어, 몇몇 바인더는 많이 가열된 경우 젤라틴 매스를 형성하므로, 단지 낮은 온도의 압출 성형 공정에서만 사용될 수 있다. 다른 예에서, 바인더는 전단 혼합 특성에 대한 영향에 따라 선택될 수 있다. 이에 의해 바인더는 혼합 공정에서 원하는 종횡비로의 섬유 쵸핑을 용이하게 한다. 바인더는 또한 분해 또는 연소 특성에 따라 선택될 수 있다. 바인더는 일반적으로 연소 과정 동안 섬유 구조체 형성이 붕괴되지 않고 위치에서 섬유를 유지하는 능력을 필요로 한다. 예를 들어, 바인더가 너무 빨리 또는 격렬히 연소될 경우, 배출 가스가 구조체 형성을 붕괴시킬 수 있다. 또한 바인더는 연소 후에 잔존하는 잔존 바인더의 양에 따라 선택될 수 있다. 몇몇 용도는 이러한 잔존물에 매우 민감할 수 있다. In addition, the binder and pore former may be selected depending on the type of fiber selected as well as other desired properties. As an example, a binder may be selected to facilitate a particular form of liquid state bonding between the selected fibers. More specifically, the binder includes components that react at the bonding temperature to facilitate bonding of the fiber nodes that intersect the flow of the liquid. The binder may also be selected depending on the ability to plasticize the selected fibers as well as the ability to maintain intermediate state strength. In one example, the binder is selected according to the form in which extrusion is used and the required temperature of the extrusion. For example, some binders form gelatinous masses when heated a lot and can therefore only be used in low temperature extrusion processes. In another example, the binder can be selected according to the effect on the shear mixing properties. This facilitates the chopping of the fibers to the desired aspect ratio in the mixing process. The binder may also be selected depending on the decomposition or combustion characteristics. Binders generally require the ability to hold the fiber in position without breaking down the fiber structure formation during the combustion process. For example, if the binder burns too quickly or violently, the exhaust gas can disrupt structure formation. The binder may also be selected according to the amount of residual binder remaining after combustion. Some uses may be very sensitive to these residues.

기공 형성제는 상대적으로 적절한 다공성 형성에는 필요하지 않을 수 있다. 예를 들어, 바인더 내 섬유의 자연적인 배열 및 패킹은 약 40% 내지 60%의 다공성을 가능하도록 도울 수 있다. 이에 의해, 적절한 다공성의 기재는 기공 형성제의 사용 없이 압출 성형 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 몇몇 경우, 기공 형성제의 제거는 공지의 공정과 비교하여 다공성 기재의 보다 경제적인 제조를 가능하게 한다. 그러나, 60% 이상의 다공성이 요구될 경우, 기공 형성제를 사용하여 경화 후에 기재 내에서 추가적인 기공을 형성할 수 있다. 기공 형성제는 또한 분해 또는 연소 특성에 따라 선택될 수 있으며, 그리고 그들의 크기 및 형태에 따라 선택될 수 있다. 기공 크기는 예를 들어, 특정 형태의 미립자 물질의 트랩, 또는 특별히 높은 투과성을 가능하게 하는 것에 중요하다. 기공의 형태 또한 적절히 조절되어, 예를 들어, 섬유의 적절한 배열에 조력할 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 신장된 기공 형태는 섬유를 보다 정렬된 패턴으로 배열할 수 있으며, 반면에 보다 불규칙적이거나 구형 형태는 섬유를 보다 불규칙한 패턴으로 배열할 수 있다. Pore formers may not be necessary for relatively suitable porosity formation. For example, the natural arrangement and packing of the fibers in the binder may help to allow about 40% to 60% porosity. Thereby, a suitable porous substrate can be formed using an extrusion process without the use of pore formers. In some cases, the removal of pore formers allows for a more economical production of porous substrates compared to known processes. However, if porosity of at least 60% is desired, additional pores can be formed in the substrate after curing using a pore former. Pore formers can also be selected according to their decomposition or combustion characteristics, and according to their size and shape. Pore size is important, for example, to enable trapping of certain types of particulate material, or particularly high permeability. The shape of the pores can also be appropriately adjusted to assist, for example, in the proper arrangement of the fibers. For example, relatively elongated pore shapes can arrange the fibers in a more ordered pattern, while more irregular or spherical shapes can arrange the fibers in a more irregular pattern.

섬유는 제조업자로부터 쵸핑된 섬유를 제공받아 공정에서 바로 사용하거나, 일반적으로 사용하기 전에 처리되는, 벌크 형태로 제공받을 수 있다. 어느 쪽이든 섬유를 바람직한 최종 종횡비 분포로 처리하는 방법에 대한 공정적인 고려를 고려하여야 한다. 일반적으로, 섬유는 초기에 다른 첨가제와 혼합되기 전에 쵸핑되고, 이후 혼합, 전단 및 압출 성형 단계에서 더욱 쵸핑된다. 그러나 압출 성형 다이 면이 가압될 경우 딜러턴시(dilatency) 유동을 야기하지 않고 바람직한 압출 성형 압력에서 압출 성형 혼합물을 압출 성형 가능하게 하는 레올로지 셋팅에 의하여 압출 성형은 초핑되지 않은 섬유로 수행된다. 적절한 종횡비 분포로의 섬유 쵸핑은 전체 공정의 다양한 지점에서 행해질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 섬유가 선택되고 사용 가능한 길이로 쵸핑된 후, 바인더 및 기공 형성제와 혼합한다. 이러한 혼합은 우선 건조 형태로 수행되어 혼합 공정을 시작하거나 습윤 혼합 공정에서 수행될 수 있다. 유체, 일반적으로 물을 혼합물에 첨가한다. 요구되는 등질 분포 레벨을 얻기 위하여, 혼합물은 하나 이상의 단계를 통하여 전단 혼합된다. 전단 혼합 또는 분산 혼합은 혼합물 내에 섬유를 고르게 분포시키는 매우 바람직한 균일한 혼합 공정을 제공할 뿐만 아니라 나아가 원하는 종횡비로의 섬유의 절단을 제공한다. The fibers may be provided in bulk form, which is provided with chopped fibers from the manufacturer and used directly in the process, or which is generally processed prior to use. Either way, a fair consideration should be given to how the fibers are treated with the desired final aspect ratio distribution. In general, the fibers are initially chopped before mixing with other additives and then further chopped at the mixing, shearing and extrusion steps. However, extrusion is carried out with chopped fibers by means of a rheological setting that enables extrusion of the extrusion mixture at the desired extrusion pressure without causing a dealer flow when the extrusion die face is pressurized. It will be appreciated that fiber chopping to an appropriate aspect ratio distribution can be done at various points in the overall process. The fibers are selected and chopped to the available length and then mixed with the binder and the pore former. This mixing can first be carried out in dry form to start the mixing process or in a wet mixing process. Fluid, generally water, is added to the mixture. In order to obtain the required level of homogeneous distribution, the mixture is shear mixed through one or more steps. Shear mixing or dispersion mixing not only provides a highly desirable uniform mixing process for evenly distributing the fibers in the mixture, but also provides for cutting the fibers to the desired aspect ratio.

도 6b의 표 2는 선택 이용 가능한 몇몇 바인더를 나타낸다. 하나의 바인더 또는 다수의 바인더가 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 바인더는 일반적으로 유기질 및 무기질 카테고리로 나뉜다. 유기 바인더는 일반적으로 경화 공정 동안 낮은 온도에서 연소될 수 있으며, 반면에 무기질 바인더는 일반적으로 높은 온도에서 최종 구조체의 일부를 형성할 수 있다. 몇몇 선택 가능한 바인더가 표 2에 표시되어 있을지라도, 다른 바인더들이 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 도 6c의 표 3은 이용 가능한 기공 형성제의 목록을 나타낸다. 기공 형성제는 일반적으로 유기질 또는 무기질로 정의되며, 유기질은 일반적으로 무기질에 비해 낮은 온도에서 연소된다. 표 3에 몇몇 기공 형성제가 표시되어 있을지라도, 다른 기공 형성제가 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 도 6d의 표 4는 사용될 수 있는 다양한 유체를 나타낸다. 물이 가장 경제적이며 유체로 흔히 사용 가능할 지라도, 몇몇 용도에서는 다른 유체가 요구될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 표 4가 이용할 수 있는 몇몇 유체를 나타낼지라도, 특정 용도 및 공정 요구에 따라 다른 유체가 선택될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. Table 2 of FIG. 6B shows some binders available for selection. It will be appreciated that one binder or multiple binders may be used. Binders are generally divided into organic and inorganic categories. Organic binders can generally be burned at low temperatures during the curing process, while inorganic binders can generally form part of the final structure at high temperatures. Although some selectable binders are shown in Table 2, it will be appreciated that other binders may be used. Table 3 in FIG. 6C shows a list of available pore formers. Pore formers are generally defined as organic or inorganic, which is generally combusted at lower temperatures than inorganic. Although some pore formers are shown in Table 3, it will be appreciated that other pore formers may be used. Table 4 of FIG. 6D shows various fluids that may be used. Although water is the most economical and commonly available fluid, it will be appreciated that other fluids may be required in some applications. Although Table 4 shows some fluids available, it will be appreciated that other fluids may be selected depending upon the particular application and process requirements.

일반적으로 혼합물을 조절하여 바람직한 압출 성형에 적절한 레올로지를 가질 수 있다. 일반적으로, 적절한 레올로지는 섬유, 바인더, 분산제, 가소제, 기공 형성제 및 유체의 적절한 선택 및 혼합으로부터 야기될 수 있다. 높은 혼합 정도는 섬유에 충분한 가소성을 제공하는 것이 필요하다. 적절한 섬유, 바인더 및 기공 형성제가 선택되면, 일반적으로 유체의 양은 최종적으로 조절하여 적절한 레올로지를 맞춘다. 적절한 레올로지는 두가지 테스트 중 하나에 의하여 지시될 수 있다. 첫번째 테스트는 숙련된 압출 성형 기술자의 손가락 사이에서 혼합물의 비드(bead)가 제거되고 형성되는 주관적인 비정형적인 테스트이다. 기술자는 손가락 사이에서 혼합물이 언제 적절히 미끄러지는 지를 알 수 있으며, 이는 혼합물이 압출 성형에 적절한 조건인지를 나타낸다. 보다 객관적인 두번째 테스트는 혼합물의 물리적 특성을 측정하는 것에 의존한다. 일반적으로, 전단 강도(shear strength)에 대한 성형 압력(compaction pressure)은 컨파인드(예, 고압) 환형 유량계(annular rheometer)를 사용하여 측정할 수 있다. 측정은 결합력(cohesion strength)에 대한 압력 의존도의 비교에 따라 수행되고, 분석된다. 다양한 혼합물 및 유체의 레벨에서 혼합물을 측정하여, 레올로지 지점을 확인하는 레올로지 도표를 만들 수 있다. 예를 들어, 도 6e의 표 5는 섬유질의 세라믹 혼합물의 레올로지 도표를 나타낸다. 축(232)은 응집력을 나타내며, 축(234)은 압력 의존성을 나타낸다. 압출 성형 가능한 영역(236)은 섬유질의 압출 성형이 쉽게 일어날 수 있는 영역을 나타낸다. 따라서, 어떤 측정에 의해 영역(236) 내로 특정되는 혼합물은 성공적으로 압출 성형될 수 있다. 물론, 레올로지 도표가 변동할 수 있으며, 영역(236)의 위치가 변동될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 레올로지 및 가소성을 측정하는 몇몇 다른 직접적 그리고 간접적인 테스트가 있으며, 이들 중 일부를 사용하여 원하는 생성물의 최종 형태로 압출 성형될 수 있는 적절한 레올로지를 가지는 지 여부를 체크할 수 있다.In general, the mixture can be adjusted to have a rheology suitable for the desired extrusion. In general, suitable rheology can result from the proper selection and mixing of fibers, binders, dispersants, plasticizers, pore formers and fluids. High degree of mixing is necessary to provide sufficient plasticity to the fibers. Once the appropriate fibers, binders and pore formers are selected, the amount of fluid is generally finally adjusted to match the proper rheology. Appropriate rheology can be dictated by one of two tests. The first test is a subjective atypical test in which beads of the mixture are removed and formed between the fingers of a skilled extrusion technician. The technician can know when the mixture slides properly between the fingers, which indicates whether the mixture is suitable for extrusion. A more objective second test relies on measuring the physical properties of the mixture. In general, the compaction pressure relative to shear strength can be measured using a confined (eg high pressure) annular rheometer. The measurement is performed and analyzed according to the comparison of the pressure dependence on the cohesion strength. By measuring the mixture at various levels of mixture and fluids, a rheology chart can be created to identify the rheological point. For example, Table 5 of FIG. 6E shows a rheology diagram of a fibrous ceramic mixture. The axis 232 represents cohesion and the axis 234 represents pressure dependency. Extrudeable region 236 represents an area in which fibrous extrusion can easily occur. Thus, the mixture specified into region 236 by some measurement can be successfully extruded. Of course, it will be appreciated that the rheology plot may vary and that the location of region 236 may vary. In addition, there are several other direct and indirect tests that measure rheology and plasticity, some of which can be used to check whether they have the appropriate rheology that can be extruded into the final form of the desired product.

적절한 레올로지에 도달한 후, 압출기를 통하여 혼합물을 압출 성형한다. 압출기는 피스톤 압출기, 단일 스크류 압출기 또는 트윈 스크류(twin screw) 압출기일 수 있다. 압출 성형 공정은 고도로 자동화되어 있을 수 있으며, 또는 사람의 조절을 필요할 수도 있다. 혼합물을 원하는 기재 블록의 단면 형태를 가지는 다이를 통하여 압출 성형한다. 다이를 선택하여 중간 기재를 충분히 형성한다. 이에 의해, 안정한 중간 기재가 형성되며, 이는 섬유 배열 및 형태를 유지하면서 경화 공정을 통하여 처리될 수 있다. After reaching the proper rheology, the mixture is extruded through an extruder. The extruder may be a piston extruder, a single screw extruder or a twin screw extruder. The extrusion process may be highly automated, or may require human control. The mixture is extruded through a die having the cross-sectional shape of the desired substrate block. The die is selected to sufficiently form the intermediate substrate. Thereby, a stable intermediate substrate is formed, which can be processed through a curing process while maintaining the fiber arrangement and shape.

이후, 중간 기재를 건조하고 경화한다. 건조는 상온, 조절된 온도 및 습도 조건(예컨대, 조절된 오븐), 마이크로 오븐, RF 오븐 및 대류 오븐(convection oven)에서 행해질 수 있다. 경화는 일반적으로 자유수 제거하여 요구하며 중간 기재를 건조한다. 크랙 또는 구조적 결합이 일어나지 않도록 조절된 방법으로 중간 기재를 건조하는 것이 중요하다. 따라서, 온도를 올려서 바인더 및 기공 형성제와 같은 첨가제를 연소할 수 있다. 온도를 조절하여 조절된 방법으로 첨가제를 연소할 수 있다. 첨가제의 연소는 다양한 시간 사이클 및 다양한 가열 레벨을 통한 온도 사이클링이 요구됨을 이해할 수 있을 것이다. 첨가제가 연소된 후, 기재는 요구되는 소정의 온도까지 가열되어 섬유들의 교차점 또는 노드에서 구조적 결합이 형성된다. 요구되는 소정의 온도는 요구되는 결합 형태 및 섬유들의 화학적 성질에 따라 선택된다. 예를 들어, 액체-조력(liquid-assisted) 소결 결합은 일반적으로 고체 상태 결합보다 낮은 온도에서 형성된다. 결합 온도에서 시간의 양은 형성되는 특정 결합의 형태에 따라 조절될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 전체적인 열적 사이클은 동일한 노(furnace), 다른 노, 배치 또는 연속 공정(continuous processes) 및 대기 또는 조절된 대기 조건에서 수행될 수 있다. 섬유 결합이 형성된 후, 기재를 상온까지 천천히 냉각한다. 경화 공정은 단일 오븐 또는 다수의 오븐/노에서 수행될 수 있으며, 터널 킬른(tunnel kiln)과 같은 생산 오븐/노에서 자동화 생산될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. The intermediate substrate is then dried and cured. Drying can be done at room temperature, controlled temperature and humidity conditions (eg, controlled oven), micro ovens, RF ovens and convection ovens. Curing generally requires free water removal and dries the intermediate substrate. It is important to dry the intermediate substrate in a controlled manner so that no cracks or structural bonds occur. Thus, the temperature can be raised to burn additives such as binders and pore formers. The additives can be burned in a controlled manner by adjusting the temperature. It will be appreciated that combustion of the additive requires temperature cycling through various time cycles and various heating levels. After the additive is burned off, the substrate is heated to the required desired temperature to form a structural bond at the intersection or node of the fibers. The desired temperature required is selected depending on the type of bond required and the chemistry of the fibers. For example, liquid-assisted sintered bonds are generally formed at lower temperatures than solid state bonds. It will be appreciated that the amount of time at the bonding temperature can be adjusted depending on the type of specific bond formed. The overall thermal cycle can be carried out in the same furnace, different furnaces, batch or continuous processes and at atmospheric or controlled atmospheric conditions. After the fiber bonds are formed, the substrate is slowly cooled to room temperature. It will be appreciated that the curing process may be performed in a single oven or in multiple ovens / furnaces, and may be automated produced in a production oven / furnace, such as tunnel kiln.

도 7을 참고하여, 다공성 기재의 압출 성형 시스템을 설명한다. 시스템(250)은 다공성 기재를 생산하는 매우 유연한 공정이다. 기재를 디자인하기 위하여, 블록(252)에 나타난 바와 같이 기재의 요구 조건을 정의한다. 예를 들어, 기재의 최종 용도가 일반적으로 기재의 요구 조건을 정의하며, 이는 크기 제한, 온도 제한, 강도 제한, 및 화학적 반응 제한을 포함할 수 있다. 또한, 기재의 비용 및 대량 생산성이 특정 선택을 결정하고 유도할 수 있다. 예를 들어, 고생산율은 압출 성형 다이에서 상대적으로 높은 온도의 발생을 수반할 수 있으므로, 경화 또는 겔화 없이 승온된 온도에서 동작하는 바인더를 선택할 수 있다. 고온의 바인더를 사용하는 압출 성형에서, 다이 및 배럴(barrel)은 60℃ 내지 180℃와 같이 상대적으로 고온에서 유지되는 것이 필요할 수 있다. 이러한 경우, 바인더가 녹을 수 있어서 추가적인 유체에 대한 요구를 줄이거나 제거할 수 있다. 다른 예에서, 필터는 미립자 물질을 트랩하도록 디자인될 수 있으므로, 섬유는 승온된 온도에서도 미립자 물질과 반응하지 않고 잔존하도록 선택될 수 있다. 다양한 범위의 가능한 혼합물 및 공정으로 다양한 용도에 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 기술 분야에 숙련된 자는 섬유, 바인더, 기공 형성제, 유체 및 공정 단계의 선택에 있어 트레이드-오프를 고려할 수 있을 것이다. 또한, 시스템(250)의 중요한 이점 중의 하나는 혼합물 구성물의 선택 및 공정 조절에 대한 유연성이다. Referring to FIG. 7, an extrusion molding system of a porous substrate will be described. System 250 is a very flexible process for producing porous substrates. To design the substrate, the requirements of the substrate are defined as shown in block 252. For example, the end use of a substrate generally defines the requirements of the substrate, which may include size limitations, temperature limitations, strength limitations, and chemical reaction limitations. In addition, the cost and mass productivity of the substrate can determine and drive certain choices. For example, high production rates may involve the generation of relatively high temperatures in the extrusion die, so that binders operating at elevated temperatures without curing or gelling may be selected. In extrusion using a high temperature binder, the die and barrel may need to be maintained at a relatively high temperature, such as 60 ° C to 180 ° C. In such cases, the binder may melt and reduce or eliminate the need for additional fluids. In another example, the filter may be designed to trap particulate matter so that the fibers may be selected to remain unreacted with particulate matter even at elevated temperatures. It will be appreciated that a wide range of possible mixtures and processes can be applied to a variety of applications. Those skilled in the art will be able to consider trade-offs in the selection of fibers, binders, pore formers, fluids and process steps. In addition, one of the important advantages of the system 250 is the flexibility in the selection and process control of the mixture components.

기재의 요구 조건이 결정된 후, 블록(253)에 나타난 바와 같이 도 6a의 표 1에서 섬유를 선택한다. 섬유는 하나의 형태일 수 있으며, 또는 둘 이상 형태의 조합일 수 있다. 일부 섬유는 경화 공정 동안 소비되는 것을 선택할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한 첨가제는 섬유 상의 코팅과 같이 섬유에 첨가되어 다른 물질을 혼합물에 제공할 수 있다. 예를 들어, 분산제를 섬유에 적용하여 섬유의 배열 및 분리를 용이하게 하거나, 결합 보조제를 섬유에 코팅할 수도 있다. 결합 보조제의 경우, 섬유가 경화 온도에 도달할 경우, 결합 보조제가 액체 상태 결합의 유동 및 형성을 보조한다. After the requirements of the substrate have been determined, the fibers are selected from Table 1 of FIG. 6A as shown in block 253. The fibers may be in one form or in combination of two or more forms. It will be appreciated that some fibers may be chosen to be consumed during the curing process. Additives may also be added to the fibers, such as coatings on the fibers, to provide other materials to the mixture. For example, a dispersant may be applied to the fibers to facilitate the alignment and separation of the fibers, or a binding aid may be coated on the fibers. In the case of binding aids, when the fibers reach curing temperatures, the binding aids assist in the flow and formation of the liquid state bonds.

80%> 다공성을 얻기 위한 일반적인 조성80%> General composition for obtaining porosity

농도 (g/cc)Concentration (g / cc) 질량 (g)Mass (g) 부피 (cc)Volume (cc) 부피 (%)volume (%) 섬유fiber 물라이트Mullite 2.72.7 300.0300.0 111.1111.1 9.29.2 강화제Reinforcement 벤토나이트Bentonite 2.62.6 30.030.0 11.511.5 1.01.0 바인더bookbinder HMPC (하이드록시프로필메틸셀룰로즈)HMPC (hydroxypropylmethylcellulose) 0.50.5 140.0140.0 280.0280.0 23.123.1 가소제Plasticizer 프로필렌 글리콜Propylene glycol 1.11.1 15.015.0 13.613.6 1.11.1 기공 형성제Pore former PMMA (폴리메틸메타크릴레이트)PMMA (Polymethylmethacrylate) 1.191.19 500.0500.0 420.2420.2 34.734.7 유체Fluid water 1One 375.0375.0 375.0375.0 3131 합계Sum 1360.01360.0 1211.51211.5 100.0100.0

그리고, 블록(255)에 나타난 바와 같이, 바인더를 도 6b의 표 2에서 선택한다. 바인더를 선택하여 중간 상태 강도뿐만 아니라 연소 조절이 용이하게 한다. 또한 바인더를 선택하여 혼합물에서 충분한 가소성을 형성한다. 만약 필요할 경우, 블록(256)에 나타난 바와 같이, 기공 형성제를 도 6c의 표 3에서 선택한다. 몇몇 경우에는, 충분한 다공성이 섬유 및 바인더의 사용만을 통하여 획득될 수 있다. 다공성은 섬유의 자연적인 패킹 특성뿐만 아니라 바인더, 용매 및 디-바인딩 및 경화 단계에서 방출되는 다른 휘발성 구성 요소에 의해 점유되는 공간에 의해 달성될 수 있다. 고다공성을 달성하기 위하여, 추가적인 기공 형성제를 추가할 수 있다. 기공 형성제는 또한 조절된 연소 능력에 따라 선택될 수 있으며, 또한 혼합물의 가소화에 조력할 수 있다. 블록(257)에 나타난 바와 같이, 도 6d의 표 4에서 유체, 일반적으로 물을 선택한다. 섬유의 배열 및 분리에 조력하는 분산제, 혼합물의 유동 특성을 향상시키는 압출 성형 보조제 및 가소제와 같은 다른 액체 물질을 첨가할 수 있다. 분산제를 사용하여 섬유 상의 표면 전하를 조절할 수도 있다. 이에 의해, 섬유는 그들의 전하를 조절하여 개별 섬유 각각이 서로 반발하도록 할 수 있다. 이는 섬유의 랜덤 분산 및 등질성을 더욱 용이하도록 한다. 80%> 다공성을 가지는 기재를 형성하는 일반적인 혼합물 구성은 하기와 같을 수 있다. 대상 다공성, 특정 용도 및 공정적 고려에 따라 혼합물이 조절될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. And, as shown in block 255, a binder is selected from Table 2 of FIG. 6B. The binder is selected to facilitate combustion control as well as intermediate state strength. The binder is also chosen to form sufficient plasticity in the mixture. If necessary, as shown in block 256, the pore former is selected from Table 3 in FIG. 6C. In some cases, sufficient porosity can be obtained only through the use of fibers and binders. Porosity can be achieved by the natural packing properties of the fibers as well as the space occupied by the binder, solvent and other volatile components released during the debinding and curing steps. In order to achieve high porosity, additional pore formers may be added. Pore formers may also be selected depending on the controlled combustion capacity and may also assist in plasticizing the mixture. As shown in block 257, the fluid, generally water, is selected in Table 4 of FIG. 6D. Other liquid materials can be added, such as dispersants to aid in the arrangement and separation of the fibers, extrusion aids and plasticizers to improve the flow properties of the mixture. Dispersants may also be used to control the surface charge on the fibers. By this, the fibers can control their charge so that each of the individual fibers repel each other. This makes it easier to randomly disperse and homogeneity of the fibers. 80%> The general mixture configuration for forming a substrate having porosity may be as follows. It will be appreciated that the mixture may be adjusted according to the subject porosity, the particular application and the process considerations.

블록(254)에 나타난 바와 같이, 블록(252)에서 선택된 섬유는 처리되어 적절한 종횡비 분포를 가질 수 있다. 이러한 종횡비는 바람직하게 3 내지 500 범위이나, 하나 이상의 분포 모드를 가질 수 있다. 다른 범위 예를 들어, 약 1000의 종횡비가 선택될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 일 예에서 종횡비의 분포는 원하는 범위 내에서 임의로 분포될 수 있으며, 다른 예에서 종횡비는 보다 불연속적으로 모드 값에서 선택될 수 있다. 종횡비는 섬유의 패킹 특성을 정의하는데 있어 중요한 특성으로 밝혀졌다. 따라서, 종횡비 및 종횡비의 분포가 선택되어 특정 강도 및 다공성 요구를 충족할 수 있다. 또한, 바람직한 종횡비 분포로의 섬유의 처리는 공정의 다양한 지점에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 섬유는 제3의 프로세서에 의해 쵸핑되어, 소정의 종횡비 분포에 도달할 수 있다. 다른 예에서, 섬유는 벌크 형태로 제공되며, 압출 성형 공정 이전 단계에서 적절한 종횡비로 처리될 수 있다. 혼합, 전단 혼합 또는 분산 혼합 및 공정(250)의 압출 성형 양태가 섬유의 쵸핑 및 절단에 또한 기여할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 혼합물에 도입된 섬유의 원래 종횡비는 최후의 경화된 기재에서의 종횡비와 다를 수 있다. 따라서, 공정에 도입되는 적절한 종횡비 분포를 선택(254)할 경우, 혼합, 전단 혼합 및 압출 성형의 쵸핑 및 절단 효과가 고려될 수 있다. As shown at block 254, the fibers selected at block 252 may be processed to have an appropriate aspect ratio distribution. Such aspect ratios preferably range from 3 to 500, but may have one or more distribution modes. It will be appreciated that other ranges may be selected, for example, an aspect ratio of about 1000. In one example, the distribution of aspect ratios can be arbitrarily distributed within a desired range, while in other examples the aspect ratio can be chosen from mode values more discontinuously. Aspect ratios have been found to be important in defining the packing properties of the fibers. Thus, the aspect ratio and the distribution of aspect ratios can be selected to meet specific strength and porosity requirements. In addition, treatment of the fibers with the desired aspect ratio distribution can be performed at various points in the process. For example, the fibers may be chopped by a third processor to reach a certain aspect ratio distribution. In another example, the fibers are provided in bulk form and can be treated with an appropriate aspect ratio prior to the extrusion process. It will be appreciated that the mixing, shear mixing or dispersion mixing and extrusion aspects of process 250 may also contribute to the chopping and breaking of the fibers. Thus, the original aspect ratio of the fibers introduced into the mixture may differ from the aspect ratio in the final cured substrate. Thus, when selecting 254 an appropriate aspect ratio distribution to be introduced into the process, the chopping and cutting effects of mixing, shear mixing, and extrusion may be considered.

섬유가 적절한 종횡비 분포로 처리되어, 블록(262)에 나타난 바와 같이 섬유, 바인더, 기공 형성제 및 유체를 균일한 매스로 혼합한다. 혼합 공정은 건조 혼합 태양, 습윤 건조 태양 및 전단 혼합 태양을 포함할 수 있다. 전단 또는 분산 혼합이 매스내에서 섬유의 높은 균일한 분포를 형성하는데 바람직한 것으로 나타났다. 분포는 혼합물 내에서 세라믹 물질의 상대적으로 낮은 농도 때문에 특히 중요하다. 균일한 혼합물이 혼합됨에 따라, 블록(264)에 나타난 바와 같이 혼합물의 레올로지가 조절될 수 있다. 혼합물이 혼합됨에 따라, 레올로지는 계속적으로 변한다. 레올로지는 주관적으로 테스트되거나 도 6e의 표 5에 나타난 바와 같이 바람직한 영역을 충족하는지를 측정할 수 있다. 바람직한 영역 내의 혼합물은 적절한 압출 성형의 가능성이 있다. 그리고 블록(268)에 나타난 바와 같이, 혼합물을 중간 기재로 압출 성형한다. 스크류 압출기의 경우, 혼합물은 별도의 혼합기에서가 아니라 압출기 자체 내에서 혼합이 일어날 수 있다. 이러한 경우, 혼합물의 전단 이력은 주의 깊게 관리되고 조절된다. 중간 기재는 충분한 중간 강도를 가지며, 경화 공정 동안 형태 및 섬유의 배열을 유지한다. 그리고 블록(270)에 나타난 바와 같이 중간 기재를 경화한다. 경화 공정은 잔존하는 물의 제거, 대부분의 첨가제의 조절된 연소, 및 섬유 대 섬유의 결합 형성을 포함한다. 연소 공정 동안, 섬유는 탱글링 및 교차 관계(intersecting relationship)를 유지하며, 경화 공정이 진행됨에 결합은 교차점 또는 노드에서 형성된다. 결합은 액체 상태 또는 고체-상태 결합 공정에서 야기될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한 결합의 일부는 섬유 자체 내 또는 섬유 상의 코팅과 같은 바인더, 기공 형성제에 제공된 첨가제의 반응에 의한 것일 수 있다. 결합이 형성된 이후에, 기재를 상온으로 천천히 냉각한다. The fibers are treated with an appropriate aspect ratio distribution to mix the fibers, binders, pore formers and fluids into a uniform mass as shown in block 262. The mixing process can include a dry mixing aspect, a wet dry aspect, and a shear mixing aspect. Shear or dispersion mixing has been shown to be desirable to form a high uniform distribution of fibers in the mass. Distribution is particularly important because of the relatively low concentration of ceramic material in the mixture. As the homogeneous mixture is mixed, the rheology of the mixture can be adjusted as shown at block 264. As the mixture is mixed, the rheology changes continuously. Rheology can be subjectively tested or measured to meet the desired area as shown in Table 5 of FIG. 6E. Mixtures in the preferred areas have the potential for proper extrusion. And as shown in block 268, the mixture is extruded into the intermediate substrate. In the case of a screw extruder, the mixture may take place within the extruder itself rather than in a separate mixer. In this case, the shear history of the mixture is carefully managed and controlled. The intermediate substrate has sufficient medium strength and maintains the shape and arrangement of the fibers during the curing process. And the intermediate substrate is cured as shown in block 270. Curing processes include removal of residual water, controlled combustion of most additives, and bond formation of fibers to fibers. During the combustion process, the fibers maintain a tangling and intersecting relationship, and as the hardening process proceeds, bonds are formed at the intersections or nodes. It will be appreciated that the bonding may occur in a liquid or solid-state bonding process. Part of the bond may also be by reaction of an additive provided in a binder, pore former, such as a coating in or on the fiber itself. After the bond is formed, the substrate is slowly cooled to room temperature.

도 8을 참고하여, 다공성 섬유질 기재의 경화 방법을 설명한다. 방법(275)은 섬유질의 세라믹 함유물을 포함하는 중간 기재를 포함한다. 경화 공정은 우선 블록(277)에 나타난 바와 같이 기재에서 잔존하는 물을 천천히 제거한다. 일반적으로, 물의 제거는 오븐에서 상대적으로 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 잔존하는 물이 제거된 후에, 블록(279)에 나타난 바와 같이 유기 첨가제를 연소할 수 있다. 이러한 첨가제는 조절된 방법으로 연소되어, 섬유의 적절한 배열을 용이하게 하고, 가스의 배출을 보장하며, 그리고 잔존물은 섬유 및 구조체를 방해하지 않는다. 첨가제가 연소됨에 따라, 섬유는 오버랩된 배열을 유지하며, 나아가 블록(281)에 나타난 바와 같이 교차점 또는 노드에서 컨택할 수 있다. 섬유는 바인더를 사용하여 이러한 오버랩된 배열로 배치될 수 있으며, 그리고 기공 형성제의 사용을 통하여 특정 패턴이 형성될 수 있다. 일부 경우, 무기질 첨가제를 사용할 수 있으며, 이러한 첨가제는 섬유들을 결합하고, 결합 형성 공정 동안 소비되거나 최종 기재 구조물의 일부로 잔존할 수 있다. 경화 공정이 진행되어 블록(285)에 나타난 바와 같이, 섬유 대 섬유의 결합이 형성된다. 결합 형성에 필요한 특정 시간 및 온도는 사용되는 섬유의 형태, 사용되는 결합 보조제 또는 결합제의 형태 및 원하는 결합의 종류에 의존한다. 일 예에서, 결합은 블록(286)에 나타낸 바와 같이 섬유들 사이에 형성된 액체 상태 소결 결합일 수 있다. 이러한 결합은 시스템 내에 존재하는 글래스-형성제, 글래스, 세라믹 전구체 또는 무기질 플럭스에 의해 보조된다. 다른 예에서, 액체 상태 소결 결합은 블록(288)에 나타낸 바와 같이, 소결 보조제 또는 소결제를 사용하여 형성할 수 있다. 소결 보조제는 섬유 상의 코팅, 첨가제로서, 바인더, 기공 형성제, 또는 섬유 자체의 화학물에서 제공될 수 있다. 또한, 섬유 대 섬유 결합은 블록(291)에 나타난 바와 같이 섬유들 사이에 고체-상태의 소결에 의하여 형성될 수 있다. 이러한 경우, 교차하는 섬유는 그레인 성장 및 물질 전달(mass transfer)을 나타내며, 노드 및 전체 강성 구조체에서 화학적 결합을 야기할 수 있다. 액체 상태 소결의 경우, 결합 물질(mass of bonding material)은 섬유들의 교차 노드에 축적되며, 강성 구조체를 형성한다. 경화 공정은 하나 이상의 오븐에서 수행될 수 있으며, 산업적 터넬 또는 킬른 형태 노에서 자동화 수행될 수 있음을 이해할 수 것이다. Referring to Figure 8, the curing method of the porous fibrous substrate will be described. Method 275 includes an intermediate substrate comprising a fibrous ceramic content. The curing process first slowly removes residual water from the substrate, as shown in block 277. In general, the removal of water can be carried out at relatively low temperatures in the oven. After the remaining water has been removed, the organic additive can be combusted as shown in block 279. These additives are burned in a controlled manner to facilitate proper alignment of the fibers, to ensure the release of gases, and the residue does not interfere with the fibers and the structure. As the additive burns, the fibers maintain an overlapping arrangement and may further contact at intersections or nodes as shown in block 281. The fibers can be placed in this overlapping arrangement using a binder, and specific patterns can be formed through the use of pore formers. In some cases, inorganic additives may be used, which may bind the fibers and may be consumed during the bond formation process or remain as part of the final substrate structure. The curing process proceeds to form a fiber-to-fiber bond, as shown in block 285. The specific time and temperature required for bond formation depends on the type of fiber used, the type of binding aid or binder used and the type of bond desired. In one example, the bond can be a liquid state sintered bond formed between the fibers as shown in block 286. This bonding is aided by the glass-forming agent, glass, ceramic precursors or inorganic flux present in the system. In another example, the liquid state sintered bond can be formed using a sintering aid or sintering agent, as shown in block 288. Sintering aids may be provided in coatings on fibers, as additives, in binders, pore formers, or chemicals of the fibers themselves. Fiber to fiber bonds can also be formed by solid-state sintering between the fibers as shown in block 291. In this case, the intersecting fibers exhibit grain growth and mass transfer and can cause chemical bonding at the nodes and the entire rigid structure. In the case of liquid state sintering, a mass of bonding material accumulates at the cross nodes of the fibers and forms a rigid structure. It will be appreciated that the curing process may be carried out in one or more ovens and may be automated in an industrial tunnel or kiln type furnace.

도 9를 참고하여, 섬유를 준비하는 공정을 설명한다. 공정(300)은 블록(305)에 나타난 바와 같이, 벌크 섬유가 제공되는 것을 나타낸다. 벌크 섬유는 일반적으로 응집되고 엮인 배열의 매우 신장된 섬유를 포함한다. 이러한 벌크 섬유를 처리하여 혼합 공정에서 사용되는 섬유로 충분히 분리하고 절단한다. 따라서, 벌크 섬유를 물(307) 및 가능한 분산제(309)와 혼합하여 슬러리(311)를 형성한다. 분산제(309)는 예를 들어, pH 조절제 또는 섬유들이 서로 반발하는 것을 조력하는 전하 조절제일 수 있다. 몇몇 다른 형태의 분산제가 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 일 예에서, 벌크 섬유를 슬러리를 도입하기 전에 분산제로 코팅한다. 다른 예에서, 단순히 슬러리 혼합물(311)에 분산제를 첨가한다. 블록(314)에 나타난 바와 같이 슬러리 혼합물을 격렬히 혼합한다. 이런 격렬한 혼합은 사용 가능한 종횡비 분포로 벌크 섬유를 쵸핑하고 분리하는 역할을 한다. 앞에서 설명한 바와 같이, 처음에 사용한 섬유의 종횡비는 혼합 및 압출 성형 공정이 섬유를 더울 쵸핑함에 따라 최종 기재의 분포와 다를 수 있다. With reference to FIG. 9, the process of preparing a fiber is demonstrated. Process 300 indicates that bulk fibers are provided, as shown at block 305. Bulk fibers generally comprise highly elongated fibers in a cohesive and intertwined arrangement. These bulk fibers are treated to sufficiently separate and cut the fibers used in the mixing process. Thus, bulk fibers are mixed with water 307 and a possible dispersant 309 to form slurry 311. Dispersant 309 may be, for example, a pH regulator or a charge regulator to help the fibers repel each other. It will be appreciated that some other form of dispersant may be used. In one example, the bulk fibers are coated with a dispersant prior to introducing the slurry. In another example, simply adding a dispersant to slurry mixture 311. The slurry mixture is mixed vigorously as shown in block 314. This vigorous mixing serves to chop and separate the bulk fibers into an available aspect ratio distribution. As previously described, the aspect ratio of the fibers used initially may differ from the distribution of the final substrate as the mixing and extrusion process chops the fibers.

섬유를 적절한 종횡 분포로 쵸핑한 이후, 필터 프레스(316)를 사용하거나 다른 장비의 필터에 프레스하여 물을 대부분 제거한다. 동결 건조와 같은 물을 제거하는 다른 공정이 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 필터 프레스는 압력, 진공 또는 다른 수단을 사용하여 물을 제거할 수 있다. 일 예에서 쵸핑된 섬유는 건조되어 블록(318)에 나타난 바와 같이 건조 상태로 될 수 있다. 이러한 건조된 섬유는 이후에 블록(327)에 나타난 바와 같이 다른 바인더 및 건조 기공 형성제와 혼합하는 건조 혼합 공정(323)에서 사용될 수 있다. 초기의 건조 혼합은 균일한 매스의 생성에 조력한다. 다른 예에서, 필터링된 섬유의 수분 함량은 블록(321)에서 나타난 바와 같이 적절한 수분 함량으로 조절된다. 더욱 구체적으로, 쵸핑된 섬유 케이크에 충분한 물이 잔존하여 블록(325)에 나타난 바와 같이 습윤 혼합을 용이하게 한다. 슬러리 물(slurry water)을 섬유에 남김으로써, 섬유의 추가적인 분리 및 분포를 획득할 수 있다. 또한 습윤 혼합 단계에서 바인더 및 기공 형성제를 추가할 수 있으며, 물(329)을 첨가하여 정정된 레올로지를 획득할 수 있다. 블록(332)에 나타난 바와 같이 매스를 전단 혼합한다. 스크류 압출기, 더블 스크류 압출기 또는 전단 혼합기(예, 시그마 블레이드형 혼합기)를 사용하여 혼합물을 스파게티 형태의 다이에 통과시켜 전단 혼합을 수행할 수 있다. 전단 혼합은 또한 시그마 혼합기, 고전단 혼합기 및 스크류 압출기 내부에서 일어날 수 있다. 전단 혼합 공정은 압출 성형이 동작하는 압출 성형 가능한 레올로지 및 바람직한 가소성을 가지는 보다 균일한 매스(335)를 생성하는데 바람직하다. 균일한 매스(335)는 오버랩된 매트릭스에 배열된 섬유의 고른 분포를 가진다. 이에 의해, 균일한 매스가 기재 블록으로 압출 성형되고 경화됨에 따라, 섬유는 강성 구조체로의 결합을 가능하게 한다. 게다가 이러한 강성 구조체는 고다공성, 고투광성 및 넓은 표면적을 가지는 개방 기공 네트워크를 형성한다. After chopping the fibers to an appropriate longitudinal distribution, most of the water is removed by using a filter press 316 or by pressing on a filter of other equipment. It will be appreciated that other processes may be used to remove the water, such as freeze drying. The filter press can remove the water using pressure, vacuum or other means. In one example, the chopped fibers may be dried to become dry as shown in block 318. This dried fiber may then be used in a dry mixing process 323 that mixes with other binders and dry pore formers as shown in block 327. Initial dry mixing aids in producing a uniform mass. In another example, the moisture content of the filtered fiber is adjusted to the appropriate moisture content as shown in block 321. More specifically, sufficient water remains in the chopped fiber cake to facilitate wet mixing as shown in block 325. By leaving slurry water on the fibers, further separation and distribution of the fibers can be obtained. It is also possible to add binders and pore formers in the wet mixing step, and to add the corrected rheology by adding water 329. Shear the mass as shown in block 332. Shear mixing may be performed by using a screw extruder, a double screw extruder or a shear mixer (eg, a sigma blade type mixer) to pass the mixture through a die in the form of spaghetti. Shear mixing may also occur inside sigma mixers, high shear mixers, and screw extruders. The shear mixing process is desirable to produce a more uniform mass 335 having the desired plasticity and the extrudable rheology in which the extrusion works. The uniform mass 335 has an even distribution of fibers arranged in an overlapped matrix. Thereby, as the uniform mass is extruded and cured into the substrate block, the fibers enable bonding to the rigid structure. Furthermore, these rigid structures form open pore networks with high porosity, high light transmittance and large surface area.

도 10을 참고하여, 구배를 갖는 기재 블록(gradient substrate block)의 제조 방법을 설명한다. 공정(350)은 구배 특성을 갖는 기재 블록의 압출 성형 및 제조를 가능하게 디자인된다. 예를 들어, 기재는 블록의 중심을 향하여 제1 물질을 가지고 블록의 외부를 향하여 다른 물질을 가지도록 형성될 수 있다. 보다 구체적인 예에서, 특히 높은 열이 요구되는 블록의 중심에는 낮은 열적 팽창 계수를 가지는 물질을 사용하며, 반면에 낮은 열이 요구되는 바깥 부분에는 상대적으로 높은 열적 팽창 계수를 가지는 물질이 사용한다. 이에 의해 보다 통일된 팽창 특성이 전체 블록에서 유지될 수 있다. 다른 예에서, 블록의 선택된 영역이 증가된 구조적 지지를 제공하는 높은 밀도의 세라믹 물질을 포함할 수 있다. 이러한 구조적 지지 부재(member) 는 블록에 동심원 방향으로 배열되거나 축 방향으로 배열될 수 있다. 따라서, 특정 물질이 용도의 요구에 따른 화학적 특징, 기공 크기 또는 다공성의 원하는 구배에 따라 선택될 수 있다. 게다가, 구배는 두 개 이상의 물질의 사용을 수반할 수 있다. Referring to FIG. 10, a method of manufacturing a gradient substrate block will be described. Process 350 is designed to enable extrusion and fabrication of substrate blocks having a gradient characteristic. For example, the substrate may be formed to have a first material towards the center of the block and another material toward the outside of the block. In a more specific example, a material with a low coefficient of thermal expansion is used, particularly in the center of a block where high heat is required, while a material with a relatively high coefficient of thermal expansion is used in the outer portion where low heat is required. This allows a more unified expansion characteristic to be maintained in the entire block. In another example, selected regions of the block may include high density ceramic materials that provide increased structural support. Such structural support members may be arranged concentrically or axially in the block. Thus, a particular material can be selected according to the chemical characteristics, pore size or desired gradient of porosity depending on the needs of the application. In addition, the gradient may involve the use of two or more materials.

일 예에서 구배를 갖는 구조체는 제1 물질(351)의 실린더를 제공하여 제조할 수 있다. 제2 물질(353)의 시트(sheet)는 도면 부호 355에 나타난 바와 같이 실린더(351) 주위를 감싼다. 이에 의해 B 층(353)은 내부 실린더(351) 주위의 환형 튜브가 된다. 그리고, 층을 이룬 실린더(355)를 피스톤 압출기에 배치하고, 공기를 배출하며 매스를 다이를 통하여 압출 성형한다. 압출 성형 공정 동안, 물질은 물질 A와 물질 B 사이의 인터페이스에서 혼합되어, 고른(seamless) 인터페이스를 용이하게 한다. 이러한 인터페이스는 다른 종류의 물질들 사이에서 섬유의 결합 및 오버랩을 가능하게 하며, 이에 의해 전체적으로 더 견고한 구조체를 용이하게 한다. 물질이 압출 성형, 경화 및 패킹된 이후에, 구배를 갖는 기재를 가지는 필터 또는 촉매 컨버터 패키지(357)를 제조한다. 보다 구체적으로, 물질 A는 기재의 중심을 형성하는 반면, 물질 B(361)는 외부 부분을 형성한다. 둘 이상의 물질이 사용될 수 있으며, 기공 크기, 다공성 및 화학적 특성이 구배적으로 조정될 수 있음을 알 수 있을 것이다. In one example, the structure having a gradient can be manufactured by providing a cylinder of the first material 351. A sheet of the second material 353 wraps around the cylinder 351 as shown at 355. This causes layer B 353 to be an annular tube around inner cylinder 351. The layered cylinder 355 is then placed in a piston extruder, venting air and extruding the mass through a die. During the extrusion process, the material is mixed at the interface between Material A and Material B, facilitating a seamless interface. This interface allows for the bonding and overlap of fibers between different kinds of materials, thereby facilitating a more rigid structure as a whole. After the material has been extruded, cured and packed, a filter or catalytic converter package 357 having a substrate having a gradient is produced. More specifically, material A forms the center of the substrate, while material B 361 forms the outer portion. It will be appreciated that more than one material can be used, and that pore size, porosity and chemical properties can be adjusted gradient.

도 11을 참고하여, 구배를 갖는 기재를 형성하는 다른 공정(375)를 설명한다. 공정(375)에서 제1 실린더(379)는 피스톤 압출 성형 배럴의 대략적인 크기로 제공된다. 일 예에서, 외부 실린더(379)는 피스톤 압출기에서 사용되는 실질적인 배럴이다. 외부 튜브(379)보다 작은 직경의 내부 튜브(377)가 제공된다. 튜브들은 동심원적으로 배열되어 내부 튜브(377)가 튜브(379)의 내부에 동심원적으로 배치된다. 제1 압출 성형 가능한 혼합물 펠렛(pellet, 383)을 내부 튜브(377)에 증착하고, 반면에 제2 압출 성형 가능한 혼합물 펠렛(381)을 튜브(377)와 튜브(379) 사이의 링에 증착한다. 내부 튜브를 조심해서 제거하여, 물질 A가 물질(381)에 의해 동심원적으로 둘러싸인다. 그리고 물질의 배열을 압출 성형 피스톤에 배치하고, 공기를 진공으로 제거하며 다이를 통하여 압출 성형한다. 압출 성형, 경화 및 패킹 후에, 도 10을 참고하여 설명한 구배를 갖는 기재를 형성한다. 두개 이상의 동심원적인 링이 제조될 수 있으며, 다양한 형태의 구배가 형성될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. Referring to FIG. 11, another process 375 of forming a substrate having a gradient is described. In process 375 the first cylinder 379 is provided at the approximate size of the piston extrusion barrel. In one example, the outer cylinder 379 is a substantial barrel used in the piston extruder. An inner tube 377 of smaller diameter than the outer tube 379 is provided. The tubes are arranged concentrically such that an inner tube 377 is arranged concentrically inside the tube 379. A first extrudable mixture pellet 383 is deposited in the inner tube 377, while a second extrudable mixture pellet 381 is deposited in the ring between the tube 377 and the tube 379. . Carefully removing the inner tube, material A is concentrically surrounded by material 381. The array of materials is then placed on the extrusion piston, the air is removed in vacuo and extruded through the die. After extrusion, curing and packing, a substrate having the gradient described with reference to FIG. 10 is formed. It will be appreciated that two or more concentric rings can be made and that various forms of gradient can be formed.

도 12를 참고하여 구배를 갖는 기재를 제조하는 또 다른 방법을 설명한다. 방법(400)은 교차하는 두 개의 압출 성형 가능한 물질의 디스크를 포함하는 압출 성형 가능한 혼합물(402)의 컬럼을 포함한다. 압출 성형 가능한 혼합물(402)은 제2 물질(404)에 인접한 제1 물질(403)을 포함한다. 일 예에서, 물질 A는 상대적으로 다공성이며, 반면에 물질 B는 덜 다공성이다. 압출 성형 동안, 물질은 압출 성형 다이를 통하여 유동하여 A 부분 및 B 부분의 섬유가 오버랩된 배열에서 혼합된다. 이에 의해, A 부분 및 B 부분은 함께 결합되어 섬유질의 기재 블록을 형성한다. 경화 및 패킹에 의해, 필터(406)가 제조된다. 필터(406)는 상대적으로 다공성이 높은 제1 부분(407)과 상대적으로 다공성이 낮은 제2 부분(408)을 포함한다. 이에 의해 필터(406)를 통과하는 가스는 큰 기공 크기를 갖는 다공성이 높은 영역을 통하여 우선 여과된 후, 작은 기공 크기를 갖는 다공성이 낮은 영역을 통하여 다시 여과된다. 이에 의해, 큰 입자는 영역(407)에서 트랩되고, 반면에 작은 입자는 영역(408)에서 트랩된다. 디스크 물질의 수 및 크기는 용도의 요구에 따라 조절될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. Another method of manufacturing a substrate having a gradient will be described with reference to FIG. 12. Method 400 includes a column of extrudable mixture 402 that includes a disk of two extrudable materials that intersect. The extrudable mixture 402 includes a first material 403 adjacent to the second material 404. In one example, material A is relatively porous, while material B is less porous. During extrusion, the material flows through the extrusion die to mix in the arrangement where the fibers of the A and B portions overlap. Thereby, the A and B portions are joined together to form a fibrous base block. By curing and packing, the filter 406 is manufactured. The filter 406 includes a first portion 407 having a relatively high porosity and a second portion 408 having a relatively low porosity. As a result, the gas passing through the filter 406 is first filtered through a high porosity region having a large pore size, and then again through a low porosity region having a small pore size. Thereby, large particles are trapped in region 407, while small particles are trapped in region 408. It will be appreciated that the number and size of the disc materials can be adjusted according to the needs of the application.

섬유 압출 성형 시스템은 실시에 큰 유연성을 제공한다. 예를 들어, 다양한 범위의 섬유 및 첨가제를 선택하여 혼합물을 형성할 수 있다. 몇몇 혼합 및 압출 선형 옵션뿐만 아니라 경화 방법, 시간 및 온도와 관련된 옵션도 존재한다. 개시된 본 발명의 범주로, 압출 성형 기술 분야의 당업자는 본 발명이 다양하게 변형되어 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 허니컴 기재는 본 발명에서 설명하는 기술을 사용하여 제조되는 일반적인 디자인이나, 다른 모양, 크기, 윤곽, 디자인이 다양한 용도에서 압출 성형될 수 있다. Fiber extrusion systems provide great flexibility in implementation. For example, a wide range of fibers and additives can be selected to form a mixture. There are several mixing and extrusion linear options as well as options related to curing method, time and temperature. With the scope of the invention disclosed, one skilled in the art of extrusion will appreciate that the invention can be used in various variations. Honeycomb substrates are conventional designs made using the techniques described herein, but other shapes, sizes, contours, designs can be extruded in a variety of applications.

필터 장치(DPF, 기름/공기 필터, 핫 가스 필터, 공기-필터, 정수 필터) 또는 촉매 장치(예, 3-방향 촉매 컨버터, SCR 촉매, 오존분해기(deozonizer), 탈취제, 생물학적 반응기, 화학적 반응기, 산화 촉매 등)에서 사용되는 것과 같은 특정 용도에서, 압출 성형된 기재의 채널은 플러그될 필요가 있을 수도 있다. 압출 성형된 기재와 유사한 혼합물의 물질을 사용하여 기재를 플러그한다. 플러깅(plugging)은 중간 상태 또는 소결된 기재 상에서 할 수 있다. 대부분의 플러깅 혼합물은 경화 열 처리 및 압출 성형된 기재와의 결합을 요구한다. Filter devices (DPF, oil / air filters, hot gas filters, air-filters, water filters) or catalytic devices (e.g. three-way catalytic converters, SCR catalysts, deozonizers, deodorants, biological reactors, chemical reactors, In certain applications, such as those used in oxidation catalysts, etc., the channels of the extruded substrate may need to be plugged. The substrate is plugged using a mixture of materials similar to the extruded substrate. Plugging can be on an intermediate state or on a sintered substrate. Most plugging mixtures require curing heat treatment and bonding with the extruded substrate.

본 발명의 의도에 의한 바람직하고 대체적인 실시예들을 개시하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 본 명세서에서 개시된 본 발명의 교시를 사용하여 상기에서 설명한 기술의 다양한 수정 및 확장을 할 수 있음을 명백할 것이다. 이러한 수정 및 확장은 첨부된 청구항에서 논의된 본 발명의 사상과 범위 내에 포함된다. While preferred and alternative embodiments have been disclosed with the intention of the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and extensions of the above described techniques can be made using the teachings of the invention disclosed herein. Will be obvious. Such modifications and extensions are intended to fall within the spirit and scope of the invention as discussed in the appended claims.

Claims (108)

신장된 섬유로 주 구성된 세라믹 물질;Ceramic materials mainly composed of elongated fibers; 바인더 물질; 및Binder material; And 유체를 포함하되,Containing fluids, 상기 신장된 섬유, 상기 바인더 물질 및 상기 유체는 균일한 매스(mass)인 압출 성형 가능한 혼합물.Wherein said stretched fiber, said binder material and said fluid are uniform masses. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 세라믹 물질은 균일한 매스의 약 20 부피% 보다 적은 압출 성형 가능한 혼합물.Wherein said ceramic material is less than about 20 volume percent of a homogeneous mass. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 압출 성형 가능한 물질은 무기질 클레이, 나노클레이, 콜로이드, 글래스, 또는 비-섬유 세라믹 전구체를 더 포함하는 압출 성형 가능한 혼합물.The extrudable material further comprises an inorganic clay, nanoclay, colloid, glass, or non-fiber ceramic precursor. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 세라믹 물질은 균일한 매스의 약 40 부피% 보다 작은 압출 성형 가능한 혼합물.Wherein said ceramic material is less than about 40 volume percent of a uniform mass. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 세라믹 물질은 균일한 매스의 약 15 부피% 내지 약 30 부피% 범위인 압출 성형 가능한 혼합물.Wherein said ceramic material ranges from about 15% to about 30% by volume of a uniform mass. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 실질적으로 상기 신장된 섬유 전부는 약 5보다 크고 약 200보다 작은 종횡비를 가지는 압출 성형 가능한 혼합물.Substantially all of the stretched fibers have an aspect ratio greater than about 5 and less than about 200. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 실질적으로 상기 신장된 섬유 전부는 약 10 내지 약 1000 범위의 종횡비를 가지는 압출 성형 가능한 혼합물.Substantially all of the stretched fibers have an aspect ratio in the range of about 10 to about 1000. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 세라믹 물질은 세라믹 전구체를 포함하는 압출 성형 가능한 혼합물.Wherein said ceramic material comprises a ceramic precursor. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 신장된 섬유는 도 6a의 표1 에 정의되는 그룹으로부터 선택되는 세라믹 섬유인 압출 성형 가능한 혼합물.Wherein the stretched fiber is a ceramic fiber selected from the group defined in Table 1 of FIG. 6A. 1보다 큰 종횡비를 가지는 섬유;Fibers with aspect ratios greater than one; 바인더 물질; 및Binder material; And 유체를 포함하되, Containing fluids, 상기 섬유, 상기 바인더 물질 및 상기 유체는 균일한 매스인 압출 성형 가능한 혼합물.Wherein said fiber, said binder material and said fluid are uniform masses. 제 10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 섬유는 약 3 내지 약 1000 범위에서 단일 모드(mode)의 종횡비 분포를 포함하는 압출 성형 가능한 혼합물.Wherein the fiber comprises an aspect ratio distribution in a single mode in a range from about 3 to about 1000. 제 10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 섬유는 약 3 내지 약 1000 범위에서 양측 모드를 가지는 다모드의 종횡비를 포함하는 압출 성형 가능한 혼합물. Wherein the fiber comprises a multimode aspect ratio having a bilateral mode in a range from about 3 to about 1000. 10. 제 10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 섬유는 세라믹 섬유인 압출 성형 가능한 혼합물.Said fiber being a ceramic fiber. 제 10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 섬유는 유기 섬유, 폴리머 섬유, 무기 섬유, 금속 섬유, 글래스 섬유, 글래스-세라믹 섬유, 산화물 세라믹, 비산화물 세라믹, 비결정성, 폴리결정성, 금속 합금을 포함하는 그룹에서 선택되는 실질적으로 단일 섬유 형태인 압출 성형 가 능한 혼합물.The fibers are substantially single fibers selected from the group consisting of organic fibers, polymer fibers, inorganic fibers, metal fibers, glass fibers, glass-ceramic fibers, oxide ceramics, non-oxide ceramics, amorphous, polycrystalline, metal alloys. Extrudeable mixture in form. 제 10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 섬유는 유기 섬유, 폴리머 섬유, 무기 섬유, 금속 섬유, 글래스 섬유, 글래스-세라믹 섬유, 산화물 세라믹, 비산화물 세라믹, 비결정성, 폴리결정성, 금속 합금을 포함하는 그룹에서 선택되는 다수 섬유 형태의 혼합물인 압출 성형 가능한 혼합물.The fibers are in the form of a plurality of fibers selected from the group consisting of organic fibers, polymer fibers, inorganic fibers, metal fibers, glass fibers, glass-ceramic fibers, oxide ceramics, non-oxide ceramics, amorphous, polycrystalline, metal alloys. Extrudeable mixtures that are mixtures. 제 10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 섬유는 코팅된 압출 성형 가능한 혼합물.The fiber is coated extrudable mixture. 제 10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 섬유는 상기 압출 성형 가능한 혼합물의 약 15 부피% 내지 30 부피%인 압출 성형 가능한 혼합물.Wherein the fiber is from about 15% to 30% by volume of the extrudable mixture. 제 10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 섬유는 상기 압출 성형 가능한 혼합물의 약 8 부피% 내지 약 40 부피%인 압출 성형 가능한 혼합물.And the fiber is from about 8% to about 40% by volume of the extrudable mixture. 제 10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 균일한 매스는 도 6e의 표 5의 a, b, c, d 지점에 의해 경계가 지어지는 영역의 레올로지 세트를 포함하는 압출 성형 가능한 혼합물.Wherein said uniform mass comprises a rheological set of regions bounded by points a, b, c, d in Table 5 of FIG. 6E. 제 10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 섬유는 금속 섬유인 압출 성형 가능한 혼합물.Said fiber is a metal fiber. 제 10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 섬유는 도 6a의 표 1에 정의되는 그룹에서 선택되는 압출 성형 가능한 혼합물.Wherein the fiber is selected from the group defined in Table 1 of FIG. 6A. 제 10항에 있어서,The method of claim 10, 기공 형성제를 더 포함하되,Further includes pore formers, 상기 무기질 섬유, 바인더 물질, 기공 형성제 및 유체는 균일한 매스인 압출 성형 가능한 혼합물.Wherein said inorganic fiber, binder material, pore former and fluid are uniform masses. 제 22항에 있어서,The method of claim 22, 상기 기공 형성제는 도 6c의 표 3에 정의된 그룹에서 선택되는 압출 성형 가능한 혼합물.Wherein the pore former is selected from the group defined in Table 3 of FIG. 6C. 세라믹 물질, 유기 바인더 및 유체를 포함하며, 균일한 압출 성형 가능한 매 스를 포함하는 압출 성형 가능한 혼합물로서, An extrudable mixture comprising a ceramic material, an organic binder and a fluid, the extrudable mixture comprising a uniform extrudable mass, 상기 세라믹 물질은 상기 매스의 약 40 부피%보다 작은 압출 성형 가능한 혼합물.The ceramic material is less than about 40 volume percent of the mass. 제 24항에 있어서,The method of claim 24, 상기 세라믹 물질은 상기 매스의 약 30 부피% 이하인 압출 성형 가능한 혼합물.The ceramic material is about 30% by volume or less of the mass. 제 24항에 있어서,The method of claim 24, 상기 세라믹 물질은 폴리-결정성 섬유, 단결정성 휘스커, 또는 비결정성 섬유인 압출 성형 가능한 혼합물.Wherein said ceramic material is a poly-crystalline fiber, a monocrystalline whisker, or an amorphous fiber. 신장된 세라믹-물질 섬유, 바인더 물질 및 유체를 균일한 매스로 혼합하는 단계;Mixing the stretched ceramic-material fiber, binder material and fluid into a uniform mass; 상기 균일한 매스를 중간 기재(green substrate)로 압출 성형하는 단계; 및Extruding the uniform mass into a green substrate; And 상기 중간 기재를 다공성 기재로 경화하는 단계를 포함하는 다공성 기재의 제조 방법.Method of producing a porous substrate comprising the step of curing the intermediate substrate to a porous substrate. 제 27항에 있어서,The method of claim 27, 상기 혼합하는 단계는 약 40 부피% 이하의 세라믹-물질 섬유를 사용하는 것 을 포함하는 다공성 기재의 제조 방법.Wherein said mixing comprises using up to about 40% by volume ceramic-material fibers. 제 27항에 있어서,The method of claim 27, 상기 혼합하는 단계는 약 20 부피% 이하의 세라믹-물질 섬유를 사용하는 것을 포함하는 다공성 기재의 제조 방법.Wherein said mixing comprises using up to about 20% by volume ceramic-material fibers. 제 27항에 있어서,The method of claim 27, 상기 혼합하는 단계는 전단 혼합기의 사용을 포함하는 다공성 기재의 제조 방법.The mixing step comprises the use of a shear mixer. 제 27항에 있어서,The method of claim 27, 상기 혼합하는 단계는 기공 형성제를 사용하여 상기 균일한 매스를 형성하는 것을 포함하는 다공성 기재의 제조 방법.The mixing step of forming a uniform mass using a pore-forming agent. 제 27항에 있어서,The method of claim 27, 다수의 바인더를 선택하는 단계를 더 포함하되,Further comprising the step of selecting a plurality of binders, 상기 선택된 각 바인더는 다른 바인더와 비교하여 서로 다른 열적 분해 온도를 가지는 다공성 기재의 제조 방법.Wherein each selected binder has a different thermal decomposition temperature compared to other binders. 제 27항에 있어서,The method of claim 27, 경화하기 이전에 중간 기재의 변형을 방지하도록 충분한 중간 강도(green strength)를 제공하는 바인더를 선택하는 단계를 더 포함하는 다공성 기재의 제조 방법.Further comprising selecting a binder that provides sufficient green strength to prevent deformation of the intermediate substrate prior to curing. 제 27항에 있어서,The method of claim 27, 실질적으로 모든 섬유가 부피에 의해 5를 넘는 종횡비를 가지도록 섬유를 선택하는 단계를 더 포함하는 다공성 기재의 제조 방법. Further comprising selecting the fibers such that substantially all of the fibers have an aspect ratio greater than five by volume. 제 34항에 있어서,The method of claim 34, 상기 세라믹-물질은 미세 물질 또는 단(short) 물질을 포함하는 다공성 기재의 제조 방법.Wherein said ceramic-material comprises a fine material or a short material. 제 34항에 있어서,The method of claim 34, 상기 세라믹 물질은 미세 물질 또는 단물질을 실질적으로 미함유하는 다공성 기재의 제조 방법.And wherein the ceramic material is substantially free of fine or short materials. 제 27항에 있어서,The method of claim 27, 상기 경화 단계는 교차하는 섬유들 사이의 결합을 형성하여 다공성 기재의 구조체를 형성하는 것을 포함하는 다공성 기재의 제조 방법.Wherein the curing step includes forming bonds between the intersecting fibers to form a structure of the porous substrate. 제 37항에 있어서,The method of claim 37, wherein 실질적으로 모든 상기 교차하는 섬유들은 결합되어 있는 다공성의 기재의 제조 방법.A method of making a porous substrate wherein substantially all of the intersecting fibers are joined. 제 37항에 있어서,The method of claim 37, wherein 상기 교차하는 섬유의 일부는 결합되지 않은 다공성 기재의 제조 방법.And a portion of the intersecting fibers is unbonded porous substrate. 무기 섬유, 바인더 물질 및 유체를 균일한 매스로 형성하는 단계;Forming inorganic fibers, binder material and fluid into a uniform mass; 상기 균일한 매스를 중간 기재로 압출 성형하는 단계; 및Extruding the uniform mass into an intermediate substrate; And 상기 중간 기재를 다공성 기재로 경화하는 단계를 포함하는 다공성 기재의 제조 방법.Method of producing a porous substrate comprising the step of curing the intermediate substrate to a porous substrate. 제 40항에 있어서,The method of claim 40, 상기 경화 단계는 오버랩되는 무기 섬유 사이의 결합을 형성하여 다공성 기재의 강성 구조체를 형성하는 것을 포함하는 다공성 기재의 제조 방법.Wherein the curing step includes forming bonds between overlapping inorganic fibers to form a rigid structure of the porous substrate. 제 40항에 있어서,The method of claim 40, 상기 결합은 고체 상태의 소결 결합; 액체-조력 소결 결합; 또는 글래스, 글래스-세라믹 또는 세라믹 결합인 다공성 기재의 제조 방법.The bond is a sintered bond in the solid state; Liquid-assisted sintering bonds; Or a glass, glass-ceramic or ceramic bond. 제 40항에 있어서,The method of claim 40, 상기 경화 단계는 실질적으로 상기 유기 물질 및 상기 유체 모두를 연소하는 것을 포함하는 다공성 기재의 제조 방법.And wherein said curing step comprises burning substantially both said organic material and said fluid. 제 40항에 있어서,The method of claim 40, 상기 무기 섬유는 결합을 형성하여 개방 기공 네트워크를 형성하는 다공성 기재의 제조 방법.The inorganic fiber forms a bond to form an open pore network. 제 40항에 있어서,The method of claim 40, 상기 압출 형성 단계는 다이를 통하여 상기 압출 성형 가능한 혼합물을 밀어내는 것을 포함하는 다공성 기재의 제조 방법.Wherein said extruding step comprises pushing said extrudable mixture through a die. 제 40항에 있어서,The method of claim 40, 상기 압출 형성 단계는 피스톤 또는 스크류 압출기를 사용하여 다이를 통하여 상기 압출 성형 가능한 혼합물을 밀어내는 것을 포함하는 다공성 기재의 제조 방법.Wherein said extruding step comprises extruding said extrudable mixture through a die using a piston or screw extruder. 제 40항에 있어서,The method of claim 40, 상기 압출 성형 단계는 상온 또는 승온된 온도에서 동작하는 다공성 기재의 제조 방법.The extrusion molding step is a method for producing a porous substrate operating at room temperature or elevated temperature. 도 6a의 표 1에서 섬유 물질을 선택하는 단계;Selecting the fiber material in Table 1 of FIG. 6A; 도 6b의 표 2에서 바인더를 선택하는 단계;Selecting a binder from Table 2 of FIG. 6B; 도 6d의 표 4에서 유체를 선택하는 단계;Selecting a fluid from Table 4 of FIG. 6D; 상기 섬유 물질을 처리하는 단계;Treating the fiber material; 상기 섬유 물질, 상기 바인더 및 상기 유체를 균일한 매스로 혼합하는 단계;Mixing the fibrous material, the binder and the fluid into a uniform mass; 상기 균일한 매스의 레올로지를 압출 성형 가능하도록 조절하는 단계;Adjusting the uniform mass rheology to be extrudable; 상기 균일한 매스를 중간 기재로 압출 성형하는 단계; 및Extruding the uniform mass into an intermediate substrate; And 상기 중간 기재를 다공성 블록으로 경화하는 단계를 포함하는 다공성 기재의 제조 방법.Method of producing a porous substrate comprising the step of curing the intermediate substrate into a porous block. 제 48항에 있어서,The method of claim 48, 상기 처리 단계는 상기 혼합 단계에서 적어도 일부 수행되어, 상기 혼합 단계는 신장된 섬유를 짧은 섬유로 절단하는 다공성 기재의 제조 방법.Wherein said treating step is performed at least in part in said mixing step, wherein said mixing step cuts the stretched fiber into short fibers. 제 48항에 있어서,The method of claim 48, 상기 처리 단계는 압출 성형을 조력하는 유기 물질로 상기 섬유를 코팅하는 단계를 더 포함하는 다공성 기재의 제조 방법.The processing step further comprises the step of coating the fiber with an organic material to aid in extrusion molding. 제 48항에 있어서,The method of claim 48, 상기 처리 단계는 섬유 물질 및 유체의 슬러리를 형성하고, 및 상기 섬유 물질을 강하게 교반하여 신장된 섬유를 짧은 섬유로 절단하는 것을 포함하는 다공성 기재의 제조 방법.Wherein said treating step comprises forming a slurry of fibrous material and fluid, and strongly stirring said fibrous material to cut the stretched fibers into short fibers. 제 51항에 있어서,The method of claim 51, 상기 슬러리는 분산 보조제, 압출 성형 보조제 또는 강화 보조제를 더 포함하는 다공성 기재의 제조 방법. The slurry further comprises a dispersion aid, an extrusion aid or a reinforcing aid. 제 48항에 있어서, The method of claim 48, 기공 형성제, 강화제, 유백제(opacifier), 압출 성형 보조제, 분산제, pH 조절제, 무기 바인더, 클레이, 담층(washcoat) 물질 및 촉매를 포함하는 그룹에서 선택된 첨가제를 선택하는 단계; 및Selecting an additive selected from the group comprising pore formers, reinforcing agents, opacifiers, extrusion aids, dispersants, pH adjusting agents, inorganic binders, clays, washcoat materials and catalysts; And 상기 첨가제를 상기 균일한 매스에 혼합하는 단계를 더 포함하는 다공성 기재의 제조 방법. The method of manufacturing a porous substrate further comprises the step of mixing the additives to the uniform mass. 중간 기재에서 유체를 제거하는 단계;Removing the fluid from the intermediate substrate; 유기 물질을 연소하는 단계;Burning organic material; 섬유들 사이의 결합을 형성하는 단계; 및Forming a bond between the fibers; And 기재에 섬유질의 개방 기공 네트워크를 형성하는 단계를 포함하는 중간 기재를 다공성 블록내에 경화시키는 방법.Forming a fibrous open pore network in the substrate. 제 54항에 있어서,The method of claim 54, 상기 결합은 고체 상태 소결 결합; 액체-조력 소결 결합; 또는 글래스, 글래스-세라믹 또는 세라믹 결합인 중간 기재를 다공성 블록내에 경화시키는 방법The bond is a solid state sintered bond; Liquid-assisted sintering bonds; Or curing the intermediate substrate, which is a glass, glass-ceramic or ceramic bond, in a porous block. 제 54항에 있어서,The method of claim 54, 유기 물질이 연소됨에 따라, 상기 섬유는 교차 네트워크 내로 재배열되는 중간 기재를 다공성 블록내에 경화시키는 방법As the organic material is burned, the fibers cure the porous substrate in the porous block, which is rearranged into a crossover network. 제 54항에 있어서,The method of claim 54, 무기 첨가 물질을 사용하여 섬유질의 개방 기공 네트워크의 일부를 형성하는 단계를 더 포함하는 중간 기재를 다공성 블록내에 경화시키는 방법A method of curing an intermediate substrate in a porous block further comprising forming a portion of a fibrous open pore network using an inorganic additive material. 제1 섬유 혼합물, 첨가제 및 유체를 포함하는 제1 압출 성형 가능한 혼합물을 형성하는 단계;Forming a first extrudable mixture comprising the first fiber mixture, the additive and the fluid; 제2 섬유 혼합물, 첨가제 및 유체를 포함하는 제2 압출 성형 가능한 혼합물을 형성하는 단계;Forming a second extrudable mixture comprising a second fiber mixture, an additive and a fluid; 압출기에서 상기 제1 압출 성형 가능한 혼합물을 상기 제2 압출 성형 가능한 혼합물에 인접하여 배열하는 단계;Arranging the first extrudable mixture adjacent to the second extrudable mixture in an extruder; 상기 제1 및 제2 압출 성형 가능한 혼합물을 중간 기재로 압출 성형하는 단 계; 및Extruding the first and second extrudable mixture into an intermediate substrate; And 상기 중간 기재를 경화하는 단계를 포함하는 구배를 갖는 다공성 기재의 제조 방법. Method for producing a porous substrate having a gradient comprising the step of curing the intermediate substrate. 제 58항에 있어서,The method of claim 58, 상기 경화 단계는 교차하는 섬유들 사이에 결합을 형성하여 다공성 기재 구조체를 형성하는 것을 포함하는 구배를 갖는 다공성 기재의 제조 방법.Wherein said curing step comprises forming bonds between intersecting fibers to form a porous substrate structure. 제 59항에 있어서,The method of claim 59, 상기 결합의 적어도 일부는 제1 압출 성형 가능한 혼합물의 하나 이상의 섬유와 교차하는 제2 압출 성형 가능한 혼합물의 하나 이상의 섬유로부터 형성되는 구배를 갖는 다공성 기재의 제조 방법.At least a portion of the bond has a gradient formed from one or more fibers of the second extrudable mixture that intersects one or more fibers of the first extrudable mixture. 제 59항에 있어서,The method of claim 59, 상기 결합은 고체 상태 소결 결합; 액체-조력 소결 결합; 또는 글래스, 글래스-세라믹 또는 세라믹 결합인 구배를 갖는 다공성 기재의 제조 방법.The bond is a solid state sintered bond; Liquid-assisted sintering bonds; Or a glass, glass-ceramic or ceramic bond having a gradient. 제 58항에 있어서,The method of claim 58, 상기 형성 및 배열 단계는 제1 압출 성형 가능한 혼합물을 실린더 형태로 형성하는 단계와The forming and arranging may include forming the first extrudable mixture in the form of a cylinder. 제 2 압출 성형 가능한 혼합물을 상기 실린더를 감싸는 동심원 층으로 배열하는 단계를 더 포함하는 구배를 갖는 다공성 기재의 제조 방법.And arranging a second extrudable mixture into concentric layers surrounding the cylinder. 제 58항에 있어서,The method of claim 58, 상기 형성 및 배열 단계는 압출 성형 가능한 혼합물을 제1 펠렛으로 형성하는 단계와, The forming and arranging may include forming an extrudable mixture into first pellets, 제2 압출 성형 가능한 혼합물을 제2 펠렛으로 형성하는 단계와,Forming a second extrudable mixture into second pellets, 튜브를 제1 펠렛으로 채우는 단계와,Filling the tube with the first pellets, 상기 튜브를 상기 제2 펠렛으로 감싸는 단계와,Wrapping the tube with the second pellet, 상기 튜브를 제거하는 단계를 더 포함하는 구배를 갖는 다공성 기재의 제조 방법.The method of manufacturing a porous substrate having a gradient further comprising the step of removing the tube. 제 63항에 있어서,The method of claim 63, wherein 상기 압출 성형 단계 전에 상기 펠렛에서 공기를 제거(evacuating)하는 것을 더 포함하는 구배를 갖는 다공성 기재의 제조 방법.A method of producing a porous substrate having a gradient further comprising evacuating air from the pellets before the extrusion step. 제 58항에 있어서,The method of claim 58, 제1 압출 성형물을 제1 디스크 세트로 형성하는 단계와Forming a first extrudate into a first set of disks; 제2 압출 성형물을 제2 디스크 세트로 형성하는 단계와Forming a second extrudate into a second set of disks; 상기 제1 및 제2 디스크를 배열하여 상기 제1 디스크와 상기 제2 디스크가 교대하는 실린더를 형성하는 단계를 더 포함하는 구배를 갖는 다공성 기재의 제조 방법.And arranging the first and second disks to form an alternating cylinder of the first disk and the second disk. 벌크 섬유를 액체에 배치하는 단계;Placing the bulk fibers in a liquid; 상기 섬유와 상기 액체를 강하게 혼합하여 상기 섬유를 쵸핑하는 단계; 및Strongly mixing the fiber and the liquid to chop the fiber; And 상기 혼합물에서 상기 물의 대부분을 추출하는 단계를 포함하는 압출기에서 사용되는 섬유의 제조 방법.A process for producing fibers for use in an extruder comprising extracting most of the water from the mixture. 제 66항에 있어서,The method of claim 66, 상기 섬유는 도 6a의 표 1에 나열된 그룹에서 선택되는 세라믹 섬유인 압출기에서 사용되는 섬유의 제조 방법.The fiber is a ceramic fiber selected from the group listed in Table 1 of FIG. 6A. 제 66항에 있어서,The method of claim 66, 상기 액체에 분산제 또는 결합제를 첨가하는 단계를 더 포함하는 압출기에서 사용되는 섬유의 제조 방법.Adding a dispersing agent or a binder to the liquid. 제 66항에 있어서,The method of claim 66, 상기 추출 단계는 필터에 상기 섬유 및 상기 액체를 프레스하는 것을 더 포함하는 압출기에서 사용되는 섬유의 제조 방법.Wherein said extracting step further comprises pressing said fiber and said liquid into a filter. 제 66항에 있어서,The method of claim 66, 상기 추출 단계는 상기 섬유를 건조하여 대부분의 자유수를 제거하는 것을 더 포함하는 압출기에서 사용되는 섬유의 제조 방법.Wherein said extracting step further comprises drying said fibers to remove most of the free water. 약 60% 내지 약 85% 범위의 다공성을 포함하고,Comprises porosity in the range from about 60% to about 85%, 세라믹 섬유가 결합되어 형성된 구조체를 포함하는 다공성 세라믹 기재로서,A porous ceramic substrate comprising a structure formed by bonding ceramic fibers, 상기 기재는 세라믹 물질 섬유를 첨가제 및 유체와 혼합하여 압출 성형 가능한 혼합물을 형성하고; 상기 압출 성형 가능한 혼합물을 중간 기재로 압출 성형하고; 상기 중간 기재를 다공성 기재로 경화하는 것을 포함하는 압출 성형 공정에 의하여 형성된 다공성 세라믹 기재. The substrate blends ceramic material fibers with additives and fluid to form an extrudable mixture; Extruding the extrudable mixture into an intermediate substrate; Porous ceramic substrate formed by an extrusion process comprising curing the intermediate substrate to a porous substrate. 제 71항에 있어서,The method of claim 71, wherein 상기 섬유들 사이의 소결, 결정 또는 글래스 결합을 더 포함하는 다공성 세라믹 기재. Porous ceramic substrate further comprising a sintered, crystalline or glass bond between the fibers. 제 71항에 있어서,The method of claim 71, wherein 상기 경화된 다공성 세라믹 기재는 세라믹 섬유로 주 구성된 다공성 세라믹 기재. The cured porous ceramic substrate is a porous ceramic substrate mainly composed of ceramic fibers. 제 71항에 있어서,The method of claim 71, wherein 상기 경화된 다공성 기재는 세라믹 섬유의 개방-기공 네트워크로 주 구성되는 다공성 세라믹 기재. Wherein said cured porous substrate is comprised primarily of an open-pore network of ceramic fibers. 제 71항에 있어서,The method of claim 71, wherein 상기 경화된 다공성 세라믹 기재는 실질적으로 모든 기공이 연결된 기공 네트워크를 포함하는 다공성 세라믹 기재.Wherein the cured porous ceramic substrate comprises a pore network to which substantially all pores are connected. 약 60% 내지 90% 범위의 다공성을 포함하고,Comprises porosity in the range of about 60% to 90%, 무기 섬유가 결합되어 형성된 구조체를 포함하는 다공성 기재로서, A porous substrate comprising a structure formed by bonding inorganic fibers, 상기 기재는 무기질 섬유를 첨가제 및 유체와 혼합하여 압출 성형 가능한 혼합물을 형성하고, 상기 압출 성형 가능한 혼합물을 중간 기재로 압출 성형하고, 상기 중간 기재를 다공성 기재로 경화하는 것을 포함하는 압출 성형 공정에 의하여 형성된 다공성 기재.The substrate is formed by an extrusion process comprising mixing an inorganic fiber with an additive and a fluid to form an extrudable mixture, extruding the extrudable mixture into an intermediate substrate, and curing the intermediate substrate into a porous substrate. Formed porous substrate. 제 76항에 있어서,77. The method of claim 76, 상기 경화 단계는 상기 구조체를 형성하는 섬유 대 섬유 결합을 형성하는 다공성 기재. Wherein said curing step forms a fiber-to-fiber bond forming said structure. 제 76항에 있어서,77. The method of claim 76, 상기 결합은 소결에 의하여 형성되거나 글래스, 글래스-세라믹 또는 세라믹 결합의 형성에 의해 형성되는 다공성 기재. The bond is formed by sintering or formed by the formation of glass, glass-ceramic or ceramic bonds. 제 76항에 있어서,77. The method of claim 76, 상기 경화 단계는 개방 기공 네트워크를 형성하는 섬유 대 섬유 결합을 야기하는 다공성 기재. Wherein said curing step results in a fiber-to-fiber bond forming an open pore network. 제 76항에 있어서,77. The method of claim 76, 상기 무기질 섬유는 3 내지 1000 범위에서 단일 모드의 분포된 종횡비를 포함하는 다공성 기재. The inorganic fiber comprises a distributed aspect ratio of a single mode in the range of 3 to 1000. 제 76항에 있어서,77. The method of claim 76, 상기 무기 섬유는 도 6a의 표 1에서 선택되는 다공성 기재.The inorganic fiber is a porous substrate selected from Table 1 of Figure 6a. 제 76항에 있어서,77. The method of claim 76, 상기 경화된 기재는 탐지 가능한 상기 첨가제 연소 잔존물을 포함하는 다공성 기재.And the cured substrate comprises the detectable additive combustion residue. 제 76항에 있어서,77. The method of claim 76, 섬유 대 섬유 컨택의 적어도 일부는 결합을 형성하지 않는 다공성 기재.At least a portion of the fiber to fiber contact does not form a bond. 제 76항에 있어서,77. The method of claim 76, 실질적으로 모든 상기 섬유 대 섬유 컨택은 결합을 형성하는 다공성 기재.Substantially all of the fiber to fiber contacts form a bond. 제 76항에 있어서,77. The method of claim 76, 제1 다공성을 가지는 제1 기재 부분과A first substrate portion having a first porosity and 제2 다공성을 가지는 제2 기재 부분을 더 포함하는 다공성 기재.A porous substrate further comprising a second substrate portion having a second porosity. 제 76항에 있어서,77. The method of claim 76, 제1 밀도를 가지는 제1 기재 부분과A first substrate portion having a first density and 제2 밀도를 가지는 제2 기재 부분을 더 포함하는 다공성 기재.And a second substrate portion having a second density. 제 76항에 있어서,77. The method of claim 76, 제 1형의 섬유 대 섬유 결합을 이용하여 결합하는 제1 기재 부분과With a first substrate portion bonded using a fiber-to-fiber bond of type 1 제 2형의 섬유 대 섬유 결합을 이용하여 결합하는 제2 기재 부분을 더 포함하는 다공성 기재.A porous substrate further comprising a second substrate portion that bonds using a fiber to fiber bond of type 2. 제 76항에 있어서,77. The method of claim 76, 상기 무기 섬유는 결정성, 비결정성, 글래스 또는 세라믹 물질을 포함하는 다공성 기재.The inorganic fiber comprises a crystalline, amorphous, glass or ceramic material. 제 76항에 있어서,77. The method of claim 76, 상기 무기 섬유는 금속 섬유, 금속-합금 또는 세라믹 섬유인 다공성 기재.The inorganic fiber is a metal fiber, metal-alloy or ceramic fiber. 제 76항에 있어서,77. The method of claim 76, 상기 압출 성형 가능한 혼합물은 유기 섬유를 더 포함하는 다공성 기재. The extrudable mixture further comprises an organic fiber. 다른 기능적으로 효율적인 기공 형성제 성분을 포함하지 않는 압출 성형 가능한 혼합물에서 압출 성형된 약 40% 내지 약 75% 다공을 가지는 다공성 기재.A porous substrate having from about 40% to about 75% porosity extruded in an extrudable mixture that does not include other functionally efficient pore former components. 결합된 섬유로 주 구성된 압출 성형된 다공성 기재.An extruded porous substrate composed predominantly of bonded fibers. 제 92항에 있어서,93. The method of claim 92 wherein 상기 섬유는 세라믹 섬유로 주 구성되는 압출 성형된 다공성 기재.The fiber is an extruded porous substrate mainly composed of ceramic fibers. 제 93항에 있어서,94. The method of claim 93, 세라믹 섬유 사이의 고체 상태, 결정성 또는 글래스 결합을 더 포함하는 압출 성형된 다공성 기재.An extruded porous substrate further comprising a solid state, crystalline or glass bond between ceramic fibers. 제 94항에 있어서,95. The method of claim 94, 상기 결합된 세라믹 섬유는 개방 기공 네트워크를 형성하는 압출 성형된 다 공성 기재.Wherein said bonded ceramic fibers form an open pore network. 제 93항에 있어서,94. The method of claim 93, 상기 세라믹 섬유는 3 내지 1000 범위에서 단일 모드의 분포된 종횡비를 가지는 압출 성형된 다공성 기재.The ceramic fiber is an extruded porous substrate having a distributed aspect ratio of a single mode in the range of 3 to 1000. 제 93항에 있어서,94. The method of claim 93, 상기 세라믹 섬유는 도 6a의 표 1에서 선택되는 압출 성형된 다공성 기재.The ceramic fiber is an extruded porous substrate selected from Table 1 of FIG. 6A. 제 92항에 있어서,93. The method of claim 92 wherein 허니컴 패턴 내에 평행한 내부 및 외부 채널을 더 포함하는 압출 성형된 다공성 기재.An extruded porous substrate further comprising inner and outer channels parallel within the honeycomb pattern. 제 92항에 있어서,93. The method of claim 92 wherein 평행한 내부 및 외부 채널을 더 포함하며,Further comprising parallel inner and outer channels, 상기 내부 채널은 상기 외부 채널보다 더 큰 압출 성형된 다공성 기재.Wherein the inner channel is larger than the outer channel. 제 92항에 있어서,93. The method of claim 92 wherein 상기 다공성 기재는 랜덤 채널을 포함하는 블록인 압출 성형된 다공성 기재.Wherein said porous substrate is a block comprising a random channel. 결합된 섬유에 의해 형성된 개방 기공 네트워크를 포함하는 압출 성형된 기재;An extruded substrate comprising an open pore network formed by bonded fibers; 기재를 유지하는 하우징(housing); A housing holding the substrate; 유체를 제공받는 입구; 및An inlet receiving fluid; And 여과된 유체를 제공하는 출구를 포함하는 필터 생성물.A filter product comprising an outlet for providing a filtered fluid. 제 101항에 있어서,102. The method of claim 101, wherein 상기 유체는 배기 가스 또는 액체인 필터 생성물.Said fluid is an exhaust gas or a liquid. 제 101항에 있어서,102. The method of claim 101, wherein 상기 필터 생성물은 운송 수단 공기 필터, 운송 수단 배기 필터, 또는 운송 수단 캐빈 필터인 필터 생성물. The filter product is a vehicle air filter, a vehicle exhaust filter, or a vehicle cabin filter. 제 101항에 있어서,102. The method of claim 101, wherein 상기 압출 성형된 기재 상에 배치된 촉매를 더 포함하는 필터 생성물.A filter product further comprising a catalyst disposed on the extruded substrate. 결합된 섬유에 의해 형성된 개방 기공 네트워크를 포함하는 압출 성형된 기재;An extruded substrate comprising an open pore network formed by bonded fibers; 압출 성형된 기재 상에 배치된 촉매;A catalyst disposed on the extruded substrate; 상기 기재를 유지하는 하우징;A housing holding the substrate; 유체를 제공받는 입구; 및An inlet receiving fluid; And 여과된 유체를 제공하는 출구를 포함하는 촉매 컨버터 생성물.A catalytic converter product comprising an outlet for providing a filtered fluid. 제 105항에 있어서,105. The method of claim 105, 상기 유체는 배기 가스 또는 액체인 촉매 컨버터 생성물.Said fluid is an exhaust gas or a liquid. 제 105항에 있어서,105. The method of claim 105, 상기 필터 생성물은 운송 수단 공기 필터, 운송 수단 배기 필터, 또는 운송 수단 캐빈 필터인 촉매 컨버터 생성물.Wherein said filter product is a vehicle air filter, a vehicle exhaust filter, or a vehicle cabin filter. 제 105항에 있어서,105. The method of claim 105, 상기 압출 성형된 기재 상에 배치된 촉매를 더 포함하는 촉매 컨버터 생성물.A catalytic converter product further comprising a catalyst disposed on the extruded substrate.
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