MXPA01012589A - Felpa que resiste altas temperaturas para un dispositivo de control de la contaminacion. - Google Patents

Abstract

La presente invencion se refiere a una felpa (16) que resiste altas temperaturas para un dispositivo de control de la contaminacion (10). La felpa que resiste altas temperaturas es utilizada generalmente en los dispositivos para el control de la contaminacion (10) tales como los convertidores cataliticos (14) y los filtros para materiales particulados del diesel. La felpa (16) incluye una mezcla de fibras policristalinas y fibras ceramicas recocidas. Las fibras policristalinas son generalmente fibras formadas en la fase de sol-gel que no contienen ninguna materia particulada ceramica. El otro componente de la fibra ceramica de la presente invencion es una fibra ceramica recocida. La combinacion de las fibras senaladas conduce a una felpa que resiste altas temperaturas (16) que tiene un valor de elasticidad deseable y buena resistencia a la erosion a temperaturas elevadas y presiones de montaje normales. La felpa que resiste altas temperaturas es adecuada para su uso como una capa aislante en un cono extremo de un dispositivo para el control de la contaminacion (10) o para envolver un elemento para el control de la contaminacion (14) y asegurar el elemento envuelto dentro del dispositivo para el control de la contaminacion (10).

Description

FELPA QUE RESISTE ALTAS TEMPERATURAS PARA UN DISPOSITIVO DE CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN Campo de la Invención La presente invención se refiere a materiales de montaje para dispositivos de control de la contaminación y más particularmente a una hoja de material de montaje adecuada como una capa aislante de la temperatura elevada en un dispositivo de control de la contaminación, y aún más particularmente a una hoja de material de montaje que contiene una mezcla de fibras policristalinas y fibras cerámicas recocidas.

Antecedentes de la Invención Los dispositivos para el control de la contaminación son empleados sobre los vehículos de motor para controlar la contaminación atmosférica. Los convertidores catalíticos y los filtros para los materiales particulados de diesel son dos tipos de dispositivos para el control de la contaminación los cuales actualmente están utilizándose ampliamente. Ambos de estos dispositivos contienen tipicamente un elemento para el control de la contaminación, Ref.134689 o estructura monolítica, montada dentro de un alojamiento metálico con un material de montaje colocado entre la estructura y las paredes del alojamiento. La estructura monolítica, o monolito, está hecho ya sea de metal o más 5 comúnmente, de un material cerámico. En un convertidor catalítico, el monolito soporta un catalizador el cual promueve la oxidación del monóxido de carbono y los hidrocarburos, y la reducción de los óxidos de nitrógeno a altas temperaturas, por ejemplo, arriba de 260 °C. Los 10 filtros o trampas para -materiales particulados de diesel son filtros de flujo con membrana los cuales tienen estructuras monolíticas con forma de panal hechas típicamente de materiales cerámicos cristalinos porosos. Los monolitos cerámicos generalmente tienen paredes 15 muy delgadas y son susceptibles a rupturas. Típicamente, un monolito cerámico tiene un coeficiente de expansión térmica de aproximadamente un orden de magnitud menor que el alojamiento metálico en el cual el mismo está contenido. Para evitar el daño al monolito cerámico de la vibración y los 20 golpes del camino, para compensar las diferencias en la expansión térmica del monolito y el alojamiento, y para prevenir que los gases de escape fluyan entre el monolito y el alojamiento metálico, típicamente se colocan materiales de montaje entre el monolito cerámico y el alojamiento metálico. iMi-L-i-ittfgggjj^g^*^"'- '- -tyí- *t¡h? , > A . r-J El proceso de colocar o disponer el material de montaje o felpa también es llamado encartuchado e incluye procesos tales como la inyección de una pasta en un hueco entre el monolito y el alojamiento metálico o la envoltura de una hoja o material de felpa alrededor del monolito e insertar el monolito envuelto en el alojamiento. Las felpas son hechas generalmente con varios tipos de materiales fibrosos cerámicos. Las fibras cerámicas son hechas por procesos convencionales, tales como procesos de formación en fase fundida. Un proceso de sol-gel es otro método utilizado para proporcionar fibras para su uso en las felpas de montaje. El proceso de sol-gel produce fibras que están caracterizadas generalmente con una elasticidad a alta temperatura y un nivel deseable de resistencia a la erosión. Sin embargo, las fibras producidas a partir del proceso de sol-gel típicamente tienen una densidad baja que requiere el procesamiento adicional para proporcionar una felpa adecuada para la aplicación directa en un dispositivo para el control de la contaminación. Adicionalmente, los costos económicos de operar un proceso de sol-gel pueden ser muy elevados en comparación con otros procesos convencionales para la producción de fibras. , t.

Breve Descripción de la Invención La presente invención está dirigida a una felpa que resiste altas temperaturas para un dispositivo de control de la contaminación. La felpa de montaje es adecuada para envolver un elemento de control de la contaminación y asegurar el elemento envuelto dentro del dispositivo para el control de la contaminación. Adicionalmente, la felpa que resiste altas temperaturas puede ser utilizada como una capa aislante en un cono con extremo de doble pared de un dispositivo para el control de la contaminación. La presente invención es utilizada generalmente en dispositivos para el control de la contaminación tales como convertidores catalíticos y filtros para las materias particuladas de diesel. La felpa que resiste altas temperaturas de la presente invención incluye una mezcla de fibras policristalinas y fibras cerámicas recocidas. Las fibras policristalinas son generalmente fibras formadas en fase de sol-gel que contienen cantidades muy pequeñas de (o menores que 5% en peso de) cualquier materia particulada cerámica. El otro componente de fibra cerámica de la presente invención es una fibra cerámica recocida que tiene una cristalinidad al menos parcial. La combinación de las fibras señaladas conduce a una felpa de montaje que tiene una densidad que es adecuada para uso directo en los dispositivos de control de la contaminación sin que se requieran pasos de procesamiento adicionales. La presente felpa de montaje también tiene buena resistencia a la erosión y un valor de elasticidad deseable a altas temperaturas y las presiones de montaje normales. La felpa que resiste altas temperaturas es utilizada en dispositivos para el control de la contaminación. Un dispositivo para el control de la contaminación incluye un alojamiento y un elemento para el control de la contaminación colocado dentro del alojamiento. Una felpa de montaje, producida de acuerdo con la presente invención, está colocada alrededor de la superficie externa del elemento entre el elemento y el alojamiento. Alternativamente, la felpa de montaje que resiste altas temperaturas puede ser utilizada como una capa aislante en un cono con extremidad de doble pared de un dispositivo para el control de la contaminación — es decir, la capa aislada está emparedada entre el cono metálico interno y externo de un cono con extremidades de doble pared. Es una ventaja proporcionar una felpa de montaje que tenga una densidad y un grosor volumétrico deseables que no requiera procesamiento adicional para lograr una densidad volumétrica deseada previo al encartuchado. También es una ventaja proporcionar un dispositivo para el control de la - «-^¡-*^*- contaminación que utilizar la felpa que resiste altas temperaturas para obtener una elasticidad deseable y una buena resistencia a la erosión a temperaturas de operación elevadas y presiones de montaje normales. Para los propósitos de la presente invención, los siguientes términos utilizados en esta solicitud son definidos como sigue: "fibras cerámicas libres de partículas pesadas metálicas" significa fibras policristalinas que tienen menos de aproximadamente 5% de material cerámico particulado y son formadas típicamente por el proceso de sol-gel; "fibras amorfas recocidas" significa fibras cerámicas refractarias formadas en fase fundida que han sido recocidas a una temperatura suficiente para mejorar la elasticidad de las fibras. Preferentemente, el proceso de recocido es detenido antes que las fibras lleguen a ser excesivamente quebradizas como se determina por la prueba de erosión en frío. Las fibras recocidas exhiben un grado de cristalinidad como se determina por difracción de rayos X y por microscopía electrónica de transmisión para la cristalinidad. La adaptabilidad de las fibras puede ser determinada por análisis térmico diferencial; "elasticidad" significa la capacidad para mantener una fuerza de retención substancial a pesar de un cambio de grosor repetido, es decir ciclos de compresión y relajamiento; y "fibras a base cerámica" significa fibras que contienen una cantidad de óxidos metálicos, carburos metálicos, nitruros metálicos, o combinaciones de los mismos a niveles de 80% o mayores.

Breve Descripción de los Dibujos La invención será apreciada de manera más completa con referencia a los siguientes dibujos en los cuales las referencias numéricas semejantes designan componentes análogos o semejantes de principio a fin y en los cuales: la Figura 1 es una vista en perspectiva despiezada de un elemento de control de la contaminación envuelto, colocado dentro de un alojamiento; la Figura 2 es una vista segmentada de una hoja de dos capas del material de montaje de acuerdo con la presente invención; la Figura 3 es un diagrama de difracción de rayos X de una fibra cerámica formada en fase fundida que contiene una estructura cristalina; y la Figura 4 es un diagrama de difracción de rayos X de una fibra cerámica formada en fase fundida que exhibe una estructura no cristalina.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La Figura 1 muestra un dispositivo para el control de la contaminación 10 que utiliza el material de montaje de la presente invención. El dispositivo para el control de la contaminación 10 incluye un alojamiento 12 y un elemento para el control de la contaminación 14. El elemento para el control de la contaminación 14 está soportado elásticamente por una felpa de montaje 16 que resiste temperaturas elevadas. El material utilizado para la felpa de montaje 16 incluye una combinación de fibras cerámicas policristalinas y fibras cerámicas recocidas. El material de montaje de la presente invención es particularmente útil para los monolitos cerámicos de pared delgada y los monolitos metálicos en donde un alto grado de elasticidad proporciona la fuerza requerida para mantener en su lugar al elemento para el control de la contaminación, o el monolito. Sorprendentemente, la combinación de fibras cerámicas policristalinas y las fibras cerámicas recocidas proporciona un alto grado de elasticidad y resistencia a la erosión con un encogimiento reducido mientras que al mismo tiempo se mantiene una retención de la presión adecuada a las temperaturas de operación de un dispositivo para el control de la contaminación.

Las felpas hechas de la combinación de materiales de la presente invención proporcionan una ventaja sobre las felpas formadas en su totalidad a partir de ya sea fibras policristalinas puras o fibras cerámicas recocidas o una combinación de fibras policristalinas y fibras cerámicas que no han sido recocidas. Las felpas las cuales son formadas a partir de fibras totalmente cristalinas generalmente tienen una densidad baja indeseable. Adicionalmente, las felpas de fibras totalmente cristalinas son voluminosas y deben ser comprimidas substancialmente, por ejemplo, en un factor de aproximadamente 10 para lograr la cantidad deseada de la densidad de montaje necesaria para generar una fuerza de retención suficiente para mantener a un monolito en su lugar. Adicionalmente, las felpas hechas de los materiales policristalinos deben ser unidas por compresión por medios tales como cosedura con agujas, encerrado en una bolsa, adición de un aglutinante y secado o curado bajo presión para mantener la cantidad deseada de compresión, o combinaciones de las mismas para facilitar el encartuchado. Las felpas producidas utilizando solamente las fibras recocidas tienden a exhibir valores de elasticidad inferiores y valores de retención de' la presión reducidos. Las felpas de la invención pueden ser encartuchadas fácilmente sin medios de compresión adicionales para mantener a las fibras en su lugar.

Adicionalmente, las felpas que utilizan las fibras combinadas de la invención tienen tanto valores de elasticidad como valores de retención de la presión, deseables. De acuerdo con la presente invención, el material de montaje es provisto generalmente en la forma de una felpa u hoja de material. La felpa puede ser de una sola capa o de capas múltiples de las fibras combinadas. En una modalidad, una felpa que comprende una mezcla de fibras policristalinas y fibras cerámicas recocidas es utilizada para el montaje del monolito. En otra modalidad, una felpa es formada de fibras policristalinas, fibras cerámicas recocidas, y uno o más materiales intumescentes. En todavía otra modalidad, una felpa es formada comprendiendo una capa de una mezcla de fibras policristalinas y fibras cerámicas recocidas, y una o más de otras capas, cualquiera de las cuales incluye materiales intumescentes. La Figura 2 muestra un ejemplo de está última modalidad de una felpa 20 que tiene una primera capa 22 de una mezcla de fibras policristalmas y fibras cerámicas recocidas y una segunda capa 24 de fibras cerámicas la cual incluye materiales intumescentes. Preferentemente, la primera capa 22 de fibras está montada contra el monolito. Las fibras policristalinas a base de cerámica adecuadas para su uso en la presente invención son producidas generalmente a partir de procesos de producción de sol-gel convencionales. El uso de fibras policristalinas imparte una elasticidad a alta temperatura y una resistencia a la erosión a la felpa de la presente invención. Adicionalmente, la utilización de un proceso de sol-gel conduce a fibras libres de partículas metálicas pesadas. Las fibras que contienen partículas metálicas pesadas, o un material particulado, pueden tener un efecto adverso sobre la resistencia de la felpa. Las fibras policristalinas útiles en la formación de la felpa de montaje son aquellas que están disponibles comercialmente bajo los nombres registrados Nextel Fiber 312, Nexter Fiber 440, Nextel Fiber 550 todos de 3M Company de St. Paul. MN, la fibra Fibermax de Unifax de Niágara Falls, NY, la fibra Saffil de ICI Americas de Wilmington, DE, y la fibra Maftec de Mitsubishi Chemical Corp. de Tokio, JP. Preferentemente, las fibras contienen una cantidad elevada de alúmina. Más preferentemente, el contenido de alúmina es de 60% o mayor. Las composiciones de las fibras también pueden contener una cantidad de sílice o circonia. La longitud y el diámetro de las fibras policristalinas puede variar para las aplicaciones particulares. Sin embargo, las fibras policristalinas generalmente tienen longitudes de la fibra mayores que 5 cm y diámetros de la fibra de entre aproximadamente 2 a 12 mieras.

Las fibras cerámicas recocidas son utilizadas en combinación con las fibras policristalinas para impartir propiedades deseables a la felpa terminada. Las fibras cerámicas recocidas son generalmente fibras cerámicas refractarias las cuales pueden ser sopladas en fase fundida o hiladas en fase fundida a partir de una variedad de óxidos metálicos. Las fibras refractarias formadas en fase fundida son recocidas o tratadas con calor subsiguientemente a una temperatura dependiente de la composición para formar fibras amorfas recocidas. Las fibras son preferentemente una mezcla de A1203 y Si02 que tienen desde 30 hasta 60% en peso de alúmina y desde 60 hasta 40% en peso de sílice, de manera preferente partes aproximadamente iguales en peso. La mezcla puede incluir otros óxidos tales como Br203, Cr205, y Zr02. Las fibras cerámicas refractarias formadas en fase fundida que pueden ser utilizadas para fabricar la felpa de temperatura elevada están disponibles de un número de fuentes comerciales e incluyen aquellas conocidas bajo la designación registrada "Fiberfrax" de Unifrax., Niágara Falls, NT; "Cerafiber" y "Kaowool" de Thermal Ceramics Co., Augusta, GA; "Cer-wool" de Premier Refractories Co., Erwin, TN; y "SNSC" de Shin-Nippon Steel Chemical of Tokio, Japón. El fabricante de las fibras cerámicas conocidas bajo la designación registrada "Cer-wool" establece que las mismas son hiladas en fase fundida a partir de una mezcla de 48% en peso de sílice y 52% en peso de alúmina y tienen un diámetro de la fibra promedio de 3-4 micrómetros. El fabricante de las fibras cerámicas conocidas bajo la designación registrada "Cerafiber" establece que las mismas son hiladas en fase fundida a partir de una mezcla de 54 % en peso de sílice y 46 % de alúmina y tienen un diámetro de la fibra promedio de 2.5-3.5 micrómetros. El fabricante de las fibras cerámicas "SNSC 1260-D1" establece que las mismas son formadas en fase fundida a partir de una mezcla de 54 % en peso de sílice y 46% en peso de alúmina y tienen un diámetro de la fibra promedio de aproximadamente 2 micrómetros. El diámetro de las fibras cerámicas recocidas individuales para la felpa puede variar dependiendo de los usos finales específicos. Típicamente, los diámetros varían desde aproximadamente 2 hasta aproximadamente 8 micrómetros a causa de que las fibras de diámetros más grande o más pequeño son difíciles de hacer por los procesos refractarios de formación en fase fundida. Las fibras de diámetro más grande podrían producir una felpa que podría ser más frágil, por lo cual se puede requerir más aglutinante para producir una capacidad de manejo adecuada. Es difícil formar en fase fundidas las fibras cerámicas refractarias a diámetros más pequeños que 2 micrómetros o más grandes que 8 micrómetros.

Las fibras cerámicas refractarias formadas en fase fundida deben ser recocidas previo a la aplicación de uso final. Cuando las fibras cerámicas refractarias formadas en fase fundida son recocidas a temperaturas elevadas, por ejemplo, arriba de 850 °C o más elevadas, las fibras se desvitrifican o cambian a un estado cristalino. Existe un punto de transición durante el proceso de desvitrificación en el cual algunas fibras pueden desarrollar una estructura microcristalina que no es detectable por difracción de rayos X, pero puede ser detectada por la microscopía electrónica de transmisión. Otras fibras empiezan a desarrollar una cristalinidad que es detectable por difracción de rayos X. Las fibras adecuadas en la práctica de la invención son aquellas las cuales han sido recocidas a una temperatura a la cual la formación de los cristales empieza o es más elevada. La Figura 3 muestra una exploración por difracción de rayos X de las fibras que han sido recocidas suficientemente para la invención. La Figura 4 muestra una exploración por difracción de rayos X de las fibras amorfas que podrían no ser adecuadas para el uso en la invención. Aquellos expertos en el arte son capaces de determinar la presencia de la cristalinidad a partir de las exploraciones por difracción de rayos X o alternativamente a partir de la microscopía electrónica de transmisión. ^ , . * » .i i - £*& *&£ Existe una relación de temperatura-tiempo en la cual las fibras pueden ser recocidas. Por ejemplo, las fibras pueden ser recocidas a temperaturas inferiores durante períodos de tiempo más prolongados para provocar la formación de cristales, o pueden ser recocidas durante períodos de tiempo más breves a temperaturas elevadas. Una temperatura de recocido adecuada para las fibras formadas en fase fundida puede ser determinada por el análisis térmico diferencial (DTA) utilizando equipo tal como aquel disponible de Seiko Instruments, Inc. Aquellos expertos en el arte son capaces de utilizar los datos de DTA para determinar las temperaturas a las cuales las fibras específicas deben ser calentadas para lograr un nivel deseado de recocido. Por ejemplo, las fibras que tienen una composición aproximada de 50% de alúmina y 50% de sílice podrían tener una temperatura de recocido óptima de aproximadamente 1000 °C como se indicó a través del análisis térmico diferencial. Preferentemente, el tiempo y la temperatura de recocido son controlados de modo que las fibras no lleguen a ser desmenuzables y difíciles de manejar. Adicionalmente, el calor y el tiempo excesivos son innecesarios para lograr las ventajas de la invención. La temperatura a la cual empieza la desvitrificación puede variar dependiendo de factores tales como que tan rápido se eleva la temperatura en el DTA y la t i I -I < I > - . ^¿?^jiá composición del material, pero la temperatura está típicamente entre aproximadamente 850 °C y 1050 °C. Preferentemente, las fibras cerámicas recocidas y las fibras policristalinas son combinadas y mezcladas al azar para proporcionar la felpa que resiste altas temperaturas de la presente invención. Una felpa útil se puede hacer a partir de aproximadamente 5% hasta aproximadamente 95% de las fibras cerámicas recocidas y 5 a 95% de las fibras policristalinas en donde la suma del peso de las fibras cerámicas recocidas y las fibras policristalinas es igual al 100%. Preferentemente, la felpa está hecha desde aproximadamente 10% hasta 90% de las fibras amorfas recocidas y 90% a 10% de las fibras cerámicas libres de partículas pesadas metálicas, y más preferentemente 20 a 80% de fibras cerámicas recocidas y 80 a 20% de fibras policristalinas. Se prefiere minimizar la cantidad de las fibras libres de partículas pesadas metálicas porque estas tienden a ser más costosas en su fabricación y las cantidades más grandes de las fibras libres de partículas pesadas metálicas conducen a una felpa que es más voluminosa. Las fibras cerámicas recocidas pueden estar presentes siempre que las cantidades de estas fibras no reduzcan el Valor de la Elasticidad de la felpa abajo de 10 kPa o conduzcan a una velocidad de erosión excesiva. Adicionalmente se pueden * . f? üfi afe«* t i. I_a*a¿i)a«» Aa—a. >' >. .« .» - - < i. . , >~yyy. ¡ - * < agregar otras fibras siempre que el Valor de la Elasticidad de la felpa esté arriba de 10 kPa. Opcionalmente, las felpas de la presente invención pueden incluir además materiales intumescentes. Los materiales intumuscentes adecuados incluyen, pero no están limitados a vermiculita no expandida, mineral de vermiculita, vermiculita parcialmente deslaminada, grafito expansible, hidrobiotita, la mica del tipo de flúor tetrasílico sintético que se puede hinchar con agua descrita en la patente U.S. No. 3,001,571 (Hatch) , la vermiculita parcialmente deshidratada como se describió en la Patente U.S. No. 5,151,253 (Merry et al.) y los granulos de silicato de metal alcalino como se describen en la Pat. U.S. No. 4,521,333 (Graham et al.). Los materiales intumescentes preferidos incluyen la vermiculita no expandida, es decir, el mineral de vermiculita, y el grafito expansible. La elección de los materiales intumuscentes puede variar dependiendo del uso final deseado. Para temperaturas más elevadas, por ejemplo, arriba de aproximadamente 500 °C, los materiales de vermiculita son adecuados puesto que los mismos empiezan a expandirse a aproximadamente 340 °C, para llenar el hueco de expansión entre el alojamiento metálico de expansión y el monolito en un convertidor catalítico. Para el uso a una temperatura inferior, por ejemplo debajo de aproximadamente 500 °C, tal como en los filtros particulados de diesel, el grafito tratado puede ser preferido puesto que el mismo empieza a expanderse a aproximadamente 210 °C. Las vermiculitas tratadas también están disponibles; estas se expanden a aproximadamente 290 °C. También se pueden utilizar las mezclas de varios materiales intumescentes. Los materiales intumescentes dentro de una capa pueden ser utilizados en un intervalo de entre aproximadamente 5 hasta aproximadamente 75 % en peso de la felpa completa. En esta modalidad, las fibras cerámicas recocidas y las fibras policristalinas están presentes en las cantidades desde aproximadamente 10 hasta 70%. Opcionalmente, un aglutinador está presente en las cantidades desde aproximadamente 2 hasta 20%. Las felpas de la invención son hechas preferentemente con aglutinadores para facilitar el manejo y para proporcionar una integridad y elasticidad suficiente para doblarse alrededor de un monolito. Los aglutinadores pueden ser inorgánicos, tales como arcillas y sílice coloidal, u orgánicos. Los aglutinadores orgánicos son preferidos porque los mismos proporcionan la elasticidad requerida para el manejo de la felpa cortada por medio de soplete después que la misma ha sido enrollada alrededor de un monolito y insertada en el alojamiento metálico de un .- - -dispositivo para el control de la contaminación en un proceso referido en el arte como "encartuchado". Los aglutinadores orgánicos pueden ser utilizados en cantidades desde aproximadamente 2 hasta 20 % en peso en una base seca. Los materiales aglutinadores orgánicos adecuados incluyen las emulsiones poliméricas acuosas, polímeros a base de solventes, y polímeros al 100% de sólidos. Las emulsiones poliméricas acuosas son polímeros y elastómeros aglutinadores orgánicos en la forma de látex (por ejemplo, latices de caucho natural, latices de estireno-butadieno, latices de butadieno-acrilonitrilo, y latices de polímeros y copolímeros de acrilato y metacrilato) . Los aglutinadores poliméricos a base de solventes pueden incluir un polímero tal como un acrílico, un poliuretano, o un polímero orgánico a base de caucho. Los polímeros de 100% de sólidos incluyen el caucho natural, el caucho de estireno-butadieno, y otros elastómeros. Preferentemente, el material aglutinador orgánico incluye una emulsión acrílica acuosa. Las emulsiones acrílicas son preferidas a causa de sus propiedades en el envejecimiento y los productos de combustión no corrosivos. Las emulsiones acrílicas útiles incluyen aquellas disponibles comercialmente bajo las designaciones registradas "RHOPLEX TR-934" (una emulsión acrílica acuosa al 44.5 % en peso de -til.; sólidos) y "RHOPLEX HA-8" (una emulsión acuosa al 45.5 % en peso de sólidos de copolímeros acrílicos) de Rohm and Haas de Philadelphia, PA. , bajo la designación registrada "NEOCRYL XA-2022" (una dispersión acuosa al 60.5 % de sólidos de la resina acrílica) de ICI resins US de Wilmington, Mass., y bajo el nombre registrado Airflex™ 600BP DEV (emulsión acuosa al 55% en peso de sólidos del terpolímero de acrilato acetato de vinilo etileno) de Air Products and Chemicals, Inc., Allentown, Pa. Los materiales aglutinadores orgánicos también pueden incluir uno o más plastificantes. Los plastificantes tienden a reblandecer una matriz polimérica y pueden contribuir a la flexibilidad y moldeabilidad de los materiales laminados hechos a partir de la composición. Otros aditivos también pueden se agregados para formar la felpa en las cantidades necesarias para sus propósitos propuestos. Tales aditivos incluyen los desespumantes, floculantes, agentes tensioactivos, y semejantes. Los agentes mejoradores de la resistencia pueden ser incluidos con la composición de la invención. Los agentes mejoradores de la resistencia incluyen, por ejemplo, las fibras orgánicas, tales como las fibras de celulosa o las fibras aglutinadoras bicomponentes, y las fibras inorgánicas, tales como las fibras de vidrio o las microfibras de vidrio.

La felpa qu* resiste altas temperaturas de la presente invención puede ser preparada por medios convencionales tales como procesos de fabricación del papel y por deposición al aire. En el proceso de fabricación del papel, las fibras cerámicas son mezcladas con agua y un aglutinador para formar una mezcla o suspensión que es menor que 10 % de los sólidos. La suspensión es floculada entonces con el agente de floculación y drenada con substancias químicas auxiliares de la retención. Luego, la mezcla floculada es colocada sobre una máquina fabricante de papel para que sea conformada en una felpa y se le retira el agua. Las felpas u hojas también pueden ser formadas por vaciado al vacío de la suspensión o mezcla con equipo de fabricación del papel convencional. Las felpas son secadas entonces en hornos o a temperatura ambiente. Las felpas secadas son cortadas entonces por medios tales como estampado o cortadas en un troquel en la forma deseada. Alternativamente, después de la formación de la felpa, la felpa puede ser soldada por puntos, unida por cosedura con agujas, unida por rociado, o sometida a un proceso de ensacado al vacío para colocar a la felpa en una condición adicional para las aplicaciones de uso final específicas. Tales modificaciones a la felpa, con o sin el aglutinador, son efectuadas a través de los procesos i reconocidos convencionalmente por aquellos expertos en el arte. Las felpas se pueden hacer de varios grosores para adaptarse a los requerimientos de uso final. Estos requerimientos incluyen el tipo de monolito (por ejemplo, de pared delgada, metálico, de pared de grosor estándar) , el grosor del hueco a temperatura ambiente, la densidad de montaje a temperatura ambiente, el grosor del hueco a temperaturas elevadas, la presión ejercida por la felpa a temperaturas elevadas, y la tendencia de la felpa a encogerse o expanderse a temperatura elevadas. Una felpa de montaje típica que tiene fibras cerámicas recocidas y fibras policristalinas, pero ningún material intumescente, puede variar en grosor desde aproximadamente 1 hasta aproximadamente 25 mm. Cuando una capa intumescente es incluida en una construcción de la felpa de dos capas, tal como aquella mostrada en la Figura 2, la capa intumescente puede variar en grosor desde aproximadamente 0.5 mm hasta 10.0 mm aunque la capa de fibra no intumescente puede variar desde aproximadamente 1 mm hasta aproximadamente 15 mm. Las capas múltiples de felpas pueden ser formadas en varias combinaciones de capas intumescentes y no intumescentes. En un dispositivo para el control de la contaminación, una capa intumescente podría estar orientada de tal modo que podría estar en contacto con un alojamiento metálico. Cuando una felpa es formada a partir de una combinación de fibras y materiales intumescentes dentro de la misma capa, el grosor típico puede variar desde aproximadamente 1 hasta 25 mm. Adicionalmente, las felpas de la invención pueden incluir insertos tales como aquellos descritos en la Patente U.S. No. 5882608, o los materiales protectores de los bordes tales como aquellos descritos en EP 639700. La felpa resultante de la presente invención exhibe una elasticidad deseable como es indicado por medio del valor de elasticidad como se determinó por la prueba de RCFT descrita posteriormente en la sección de Ejemplos. El valor de elasticidad es de 10 kPa o mayor, y preferentemente de 15 kPa o mayor a una temperatura ambiente partiendo de la presión de 180 a 220 kPa. La retención de la presión, descrita en la prueba RCTF descrita posteriormente, es típicamente mayor que aproximadamente 10% y preferentemente mayor que aproximadamente 12%. Las felpas de la invención también exhiben un encogimiento pequeño. El valor de encogimiento de una felpa dada es registrado a temperaturas de entre 500 °C y 1000 °C como se determina por medio de la prueba del Analizador Termo "" ^"A Mecánico descrita posteriormente en la sección de Ejemplos. Una gran cantidad de encogimiento entre estas temperaturas es indeseable a causa de que la felpa puede perder la potencia de retención y permitir que el monolito se mueva y llegue a ser dañado. Las felpas de la invención se encogen aproximadamente 5%, o menos preferentemente, la felpa se encoge aproximadamente 3% o menos y más preferentemente de manera aproximada 1% o menos para mantener una retención de la presión suficiente para mantener al monolito en su lugar durante el uso repetido. La felpa de la presente invención exhibe una resistencia deseable a la erosión. La resistencia a la erosión de la felpa es generalmente de manera aproximada de 0.1 gramo/hora o menor, cuando se mide de acuerdo con la prueba de erosión en frío descrita en la sección de Ejemplos. La densidad de la felpa resultante está generalmente dentro del intervalo de aproximadamente 0.1 hasta aproximadamente 0.7 g/cm3. Cuando se comprime a una densidad de montaje de entre 0.21 y 1.3 g/cm3, estas felpas tienen la capacidad para mantener una fuerza de retención substancial sobre el monolito en un convertidor catalítico a pesar del cambio del hueco repetido que ocurre cuando el convertidor catalítico es calentado y enfriado.

La felpa de la presente invención es utilizada ya sea para envolver los elementos de control de la contaminación para la colocación en un dispositivo de control de la contaminación o como una felpa aislante para los conos extremos de un dispositivo de control de la contaminación. Los elementos de control de la contaminación adecuados, también referidos como monolitos, ya son conocidos en el arte e incluyen aquellos hechos de metal o cerámica. Los monolitos son utilizados para soportar los materiales catalizadores para el convertidor. Un elemento convertidor catalítico útil se describe, por ejemplo, en la Pat. U.S. No. RE 27,747 (Johnson) . Además, los elementos convertidores catalíticos cerámicos están disponibles comercialmente, por ejemplo, de Corning Inc., de Corning, N.Y., y el NGK Insulator Ltd. De Nagoya, Japón. Por ejemplo, un soporte de catalizador de cerámica con forma de panal es comercializado bajo la designación registrada "CELCOR" por Corning Inc., y "HONEYCERAM" por NGK Insulator Ltd. Los elementos convertidores catalíticos metálicos están disponibles comercialmente de Emitec Co., de Alemania. Los dispositivos para el control de la contaminación incluyen tanto los convertidores catalíticos como las trampas para materiales particulados de diesel. Las trampas para material particulado de diesel incluyen de * i ?. ?, ? manera semejante una o más estructuras tubulares o semejantes a un panal, porosas (que tienen canales estrechos en un extremo, sin embargo) las cuales están montadas por un material resistente térmicamente dentro de un alojamiento. 5 Los materiales particulados son colectados de los gases de escape en la estructura porosa hasta que son regenerados por un procedimiento de quemado a alta temperatura, lo cual pone a prueba térmicamente el material de montaje. La felpa de montaje de la presente invención también puede ser utilizada 10 en los convertidores catalíticos empleados en la industria química los cuales están localizados dentro de chimeneas de escape o para las emisiones, y los cuales también contienen estructuras del tipo de panal, frágiles, que van a ser montadas protectoramente. 15 Por consiguiente, los objetos de la invención son efectuados por la presente invención, la cual no está limitada a las modalidades específicas descritas anteriormente, pero la cual incluye las variaciones, modificaciones y modalidades equivalentes definidas por las 20 siguientes reivindicaciones. i , i -. .: i fe » Si- i : Métodos de Prueba Prueba del Aparato a las Condiciones Reales (RCFT) La RCFT es utilizada para medir la presión ejercida por un material de montaje bajo las condiciones representativas de las condiciones reales encontradas en un convertidor catalítico durante el uso normal. También se proporciona una medida de la elasticidad. Dos platinas calientes de 50.8 mm por 50.8 mm controladas independientemente, son calentadas a diferentes temperaturas para simular las temperaturas del alojamiento metálico y el monolito. Simultáneamente, el espacio o hueco entre las platinas es incrementado en un valor calculado de la temperatura y los coeficientes de expansión térmica de un convertidor catalítico típico. Las temperaturas de las platinas y el cambio del hueco son presentados en la Tabla 1 posterior. La fuerza ejercida por el material de montaje es medida por una estructura de carga controlada por computadora Sintech ID con Extensómetro (MTS Systems Corp., Research Triangle Park, N.C.). La prueba se lleva a cabo durante 3 ciclos. Durante el primer ciclo, se quema el aglutinador orgánico; durante el segundo ciclo la presión empieza a un nivel de salida a 900 °C, y por el tercer ciclo, la presión se ha estabilizado. La retención de la presión (Retención de la Presión por RCFT en ; -fe .a *. íy&yiz& * %) es determinada dividiendo la presión a 900 °C durante el tercer ciclo entre la presión de inicio, es decir antes de que se lleve a cabo cualquiera de los ciclos, a temperatura ambiente. La presión en kiloPascales a 900 °C en el tercer ciclo también es registrada. Esta presión es referida como el Valor de Elasticidad. .-afe * * J¡ . UMt-«-*... - ? s. * t i * fc»» yj .t S&. ¿Su»* Prueba del Análisis Mecánico Térmico (TMA) La expansión de una felpa durante el calentamiento es medida en esta prueba. La prueba utiliza un Analizador Térmico Theta Dilatronic II, Modelo MFE-715. En la prueba, un círculo de diámetro de 11 mm de la felpa de prueba es colocado en un horno y calentado uniformemente a una tasa de cambio de 15 °C por minuto hasta 1000 °C. Una varilla de cuarzo de 7 mm descansa sobre la parte superior de la felpa y la varilla soporta un peso de 1350 gramos. Durante el calentamiento, la felpa puede contraerse inicialmente hasta aproximadamente 400 °C o hasta que el aglutinador orgánico sea quemado. Cuando la muestra es calentada adicionalmente, la felpa empieza a encogerse. Este desplazamiento es medido y registrado como una función de la temperatura de la felpa. El grosor de la felpa a 500 °C (TI) y a 1000 °C (T2) son utilizados para calcular el encogimiento porcentual (% encogimiento = [(T1-T2)/T1] x 100).

Prueba de la Erosión en Frío Esta prueba es una prueba acelerada llevada a cabo bajo condiciones que son más severas que las condiciones reales en un convertidor catalítico. La misma proporciona datos comparativos en cuanto a la resistencia a la erosión de un material de montaje de la felpa. Una muestra de prueba es ¿ JtXÉ ? i t>-tái¿A atoa. X&at cortada en un cuadrado que mide 2.54 cm por 2.54 cm, se pesa, y se monta entre dos placas de acero Inconel 601 de alta temperatura utilizando espaciadores para obtener una densidad de montaje de 0.400+/0.005 g/cm3. El montaje de prueba es calentado durante dos horas a 800 °C y se enfría a temperatura ambiente. El montaje de prueba enfriado es colocado entonces 3.8 mm en el frente de un chorro de aire que oscila de atrás hacia delante sobre el borde de la felpa a 20 ciclos por minuto. Esta prueba es discontinuada después que 0.2 gramos del material son perdidos o después de 24 horas, cualquier cosa que ocurra primero. El chorro de aire choca sobre la felpa a una velocidad de 305 metros por segundo. La tasa de cambio de la erosión es determinada por la pérdida de peso dividida entre el tiempo de la prueba y es reportada en gramos/hora (g/h) .

Ejemplos 1-3 y C1-C6 Las fibras como son listadas en la Tabla 2 fueron conformadas en felpas como sigue. Las fibras fueron agregadas al agua en un Mezclador Waring a una velocidad lenta durante aproximadamente 10 segundos para formar una suspensión de 0.4% a 0.6% de sólidos. La suspensión se transfiere a un vaso de laboratorio de 12 litros con 10% en peso seco de un aglutinador de látex acrílico al 45.5 % de sólidos (Rhoplex Í? J.y4..;. ?, í - jjyt.y .y ' i-.-?yy .i HA-8 disponible de Rhom & Haas) y se mezcla con un mezclador de propulsor. Una cantidad suficiente de una solución acuosa al 50% de sulfato de aluminio fue agregada para ajustar el pH a un intervalo desde 4 hasta 6. Luego 10 gramos de una solución al 0.1% de un floculante (Nalco 7530) y aproximadamente 0.2 gramos de un desespumante (Foammaster III disponible de Henkel) fueron agregados y mezclados con un mezclador de propulsor. Inmediatamente después del mezclado, la suspensión fue vertida en un molde de hojas o láminas como se describe en la Patente U.S. No. 5,250,269, se le retira el agua, se comprime en fase húmeda, y luego se seca para formar una felpa. Las felpas fueron probadas para verificar la Retención de la Presión en la Prueba de RCTF, y para el encogimiento como se determinó por la Prueba de TMA. Los convertidores catalíticos se pueden hacer envolviendo las felpas de los Ejemplos 1-3 alrededor de una estructura monolítica, insertando el monolito envuelto en un alojamiento metálico, y soldándolo alrededor del alojamiento.

* Kaowool™ HA disponible de Thermal Ceramics ** Saffil™OBM disponible de ICI ***Fiberfrax™7000M disponible de Unifrax Los datos en la Tabla 1 muestran el encogimiento reducido en las felpas de la invención al mismo tiempo que se tiene buena retención de la presión en la prueba de RCFT.

Las felpas de los Ejemplos 1, 2, Cl, y C5 fueron probadas para verificar la erosión en frío a una densidad de montaje de 0.4 g/cc. Los datos son mostrados en la Tabla 3.

Los datos en la Tabla 3 muestran la mejora en la erosión en frío de las felpas de la invención sobre las fibras recocidas amorfas únicamente. Aunque el Ejemplo C5 tuvo una resistencia a la erosión comparable, todavía se podría requerir un paso de unión por compresión indeseable previo al uso final.

Ejemplos 4-6 Las felpas de los Ejemplos 1-3 son combinadas con una felpa intumescente tal como la felpa Interam™ Type 100 disponible de 3M Company para producir felpas de dos capas cada una de las cuales tiene una capa intumescente y una capa no intumescente. Los convertidores catalíticos son preparados 'h?-? J.^-A^i . ». ¡¿?? por el montaje de las felpas de dos capas entre el monolito y el alojamiento metálico con la capa no intumescente contra el monolito y la capa intumescente contra el alojamiento. Opcionalmente, La capa intumescente puede ser montada contra el monolito. En el Ejemplo 7, un material intumescente es combinado con las fibras policristalinas a base de cerámica y las fibras recocidas del Ejemplo 1. Las hojas vermiculadas no expandidas son agregadas a las fibras del Ejemplo 1 en una cantidad para obtener 30% en peso del material. La felpa resultante podría tener una densidad dentro del intervalo de 0.1 a 0.7 gramos/cm3. A partir de la descripción anterior de los principios generales de la presente invención y la descripción detallada precedente, aquellos expertos en este arte comprenderán fácilmente las diversas modificaciones a las cuales es susceptible la presente invención. Por lo tanto, el alcance de la invención debe estar limitado solamente por las siguientes reivindicaciones y equivalentes de las mismas. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el convencional para la manufactura de los objetos o productos a que la misma se refiere.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones : 1. Una felpa que resiste altas temperaturas para su uso en un dispositivo para el control de la contaminación, la felpa está caracterizada porque comprende una mezcla de fibras policristalinas a base de cerámica y fibras de cerámica recocidas. 2. Una felpa que resiste altas temperaturas de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la felpa de montaje incluye un aglutinador orgánico. 3. Una felpa que resiste altas temperaturas de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque las fibras policristalinas a base de cerámica y las fibras cerámicas recocidas son unidas en una masa fibrosa por medio de ya sea soldadura por puntos, unión por cosedura con agujas, unión por rociado o ensacado al vacío. 4. Una felpa que resiste altas temperaturas de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la felpa incluye materiales intumescentes. 5. Una felpa que resiste altas temperaturas de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque -Ét í t * - -l--f.iB-il.Sl I y-í- y l,»jE t«.-». . .. . y .» . » - <-»• » además comprende una capa de material intumescente unida a la felpa que resiste altas temperaturas. 6. Una felpa que resiste altas temperaturas de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque la 5 capa de material intumescente es ya sea laminada sobre una superficie de la felpa o coformada con la felpa. 7. Una felpa que resiste altas temperaturas de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque las fibras policristalinas a base de cerámica están incluidas en 10 un intervalo de aproximadamente 5% hasta aproximadamente 95%. 8. Una felpa que resiste altas temperaturas de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque las fibras cerámicas recocidas están incluidas en un intervalo de aproximadamente 5% hasta aproximadamente 95%. 15 9. Una felpa que resiste altas temperaturas de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque las fibras policristalinas a base de cerámica contienen alúmina en una cantidad de aproximadamente 60% o mayor. 10. Una felpa que resiste altas temperaturas de 20 conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la felpa que resiste altas temperaturas exhibe un valor de elasticidad de aproximadamente 10 kPa o mayor de conformidad con la prueba del aparato a las condiciones reales. s* . ií -i í 11. Una felpa que resiste altas temperaturas de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque una pluralidad de capas de la felpa que resiste altas temperaturas están unidas conjuntamente. 12. Una felpa que resiste altas temperaturas de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la felpa que resiste altas temperaturas exhibe un encogimiento de aproximadamente 5% o menor. 13. Una felpa que resiste altas temperaturas de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la felpa que resiste altas temperaturas exhibe una retención de la presión de aproximadamente 10% o mayor. 14. Una felpa que resiste altas temperaturas de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la felpa que resiste altas temperaturas tiene una densidad dentro del intervalo de aproximadamente 0.1 hasta aproximadamente 0.7 g/cm3. 15. Una felpa que resiste altas temperaturas de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la felpa exhibe un valor de erosión de 0.1 g/h o menor, de acuerdo con la prueba de erosión en frío. 16. Un dispositivo para el control de la contaminación, caracterizado porque comprende: (a) un alojamiento; ¿m ? í tü ? t'?, t^t»t-' .-. 1M*. -s«t - -. AgUJfcirfi. » .-— ? £ •> __B --- **** * ,i í . (b) un elemento para el control de la contaminación colocado dentro del alojamiento, el elemento para el control de la contaminación tiene una superficie externa; y (c) una felpa que resiste altas temperaturas de conformidad con la reivindicación 1 colocada alrededor de la superficie externa del elemento de control de la contaminación entre el elemento para el control de la contaminación y el alojamiento. 17. Un dispositivo para el control de la contaminación de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque la felpa que resiste altas temperaturas incluye un aglutinador orgánico. 18. Un dispositivo para el control de la contaminación de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque las fibras policristalinas a base de cerámica y las fibras cerámicas recocidas son unidas en una masa de fibra a través ya sea de soldadura por puntos, unión por cosedura con agujas, unión por rociado, o ensacado al vacío. 19. Un dispositivo para el control de la contaminación de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque la felpa incluye materiales intumescentes . t>- >a ...-»* l..s .yá - . 20. Un dispositivo para el control de la contaminación de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque además comprende una capa de material intumescente unida a la felpa de montaje, la felpa de montaje colocada contra la superficie externa del elemento de control de la contaminación. 21. Un dispositivo para el control de la contaminación de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque las fibras policristalinas están incluidas en un intervalo de aproximadamente 5% hasta aproximadamente 95%. 22. Un dispositivo para el control de la contaminación de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque las fibras cerámicas están incluidas en un intervalo de aproximadamente 5% hasta aproximadamente 95%. 23. Un dispositivo para el control de la contaminación, caracterizado porque comprende: (a) un alojamiento que tiene al menos un cono con extremidad con doble pared; y (b) una felpa que resiste altas temperaturas de conformidad con la reivindicación 1 colocada entre los conos interno y externo del cono con extremidad de doble pared del alojamiento. tu., .. .í ?t ñ, .... . yy ^y.t »>.j- M .-....-. , _^ i . A. ... _- <.«. ~ A - -- - iiJt ¡L 1 ,