WO2024041907A1 - Applicator for applying coating medium to substrates - Google Patents

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WO2024041907A1
WO2024041907A1 PCT/EP2023/072193 EP2023072193W WO2024041907A1 WO 2024041907 A1 WO2024041907 A1 WO 2024041907A1 EP 2023072193 W EP2023072193 W EP 2023072193W WO 2024041907 A1 WO2024041907 A1 WO 2024041907A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
applicator
substrate
coating medium
coating
nozzles
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/072193
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German (de)
French (fr)
Inventor
Fabian KLOSSNER
Marco Lopez
Stéphane MASSON
Original Assignee
Umicore Ag & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Umicore Ag & Co. Kg filed Critical Umicore Ag & Co. Kg
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/024Multiple impregnation or coating
    • B01J37/0244Coatings comprising several layers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01J35/19
    • B01J35/57
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/024Multiple impregnation or coating
    • B01J37/0246Coatings comprising a zeolite
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05DPROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D7/00Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials
    • B05D7/22Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials to internal surfaces, e.g. of tubes

Definitions

  • the present invention relates to an applicator and systems, devices and methods for applying a coating medium to a substrate.
  • the substrates themselves are used, for example, in catalytic exhaust aftertreatment, particularly in the automotive sector.
  • Substrates or substrate monoliths are used as catalyst supports in the chemical industry. They also play an important role in the treatment of car exhaust fumes.
  • a large number of catalytic exhaust gas purification technologies have been developed, the basic principle of which is usually based on the fact that the exhaust gas to be purified passes through a substrate, e.g. a flow-through or a wall-flow honeycomb body or -monoliths (wall-flow) with a catalytically active coating applied to them.
  • the catalyst promotes the chemical reaction of various exhaust gas components to form harmless products such as carbon dioxide and water.
  • the flow-through or wall-flow monoliths just described are also referred to as catalyst supports, carriers or even substrate monoliths, as they carry the catalytically active coating on their surface or in the pores of the wall that form this surface.
  • the catalytically active coating is generally applied to the catalyst support in a coating process in the form of a suspension (often referred to as a “washcoat” in the case of catalysts for exhaust gas purification).
  • washcoat in the case of catalysts for exhaust gas purification.
  • Many such processes have been published in the past by car exhaust catalyst manufacturers (WO9947260A1, EP2521618B1, EP1136462B1, EP1900442A1).
  • An important aspect of such processes is the precise and uniform coating of the insides of the channels of such catalyst supports with the coating medium (washcoat), particularly with regard to, for example, coating length in the openings of the substrate, the amount of coating applied, the uniformity of the coating thickness, the uniformity of the coating length or of coating gradients along the longitudinal axis of the catalyst support, as well as in the production of layered or zoned coating designs.
  • the coating medium washcoat
  • EP2415522A1 shows such a coating process for catalyst supports, in which the coating medium is applied to a substrate from above.
  • the coating medium is guided into a cavity via a feed line via a stamp and then applied to the substrate through the nozzles of an end plate.
  • the entire amount of coating medium for the catalyst support is first introduced into an area above the substrate and then through Applying a negative pressure sucked into the channels.
  • the area above the catalyst support can be limited laterally by a jacket. In order to obtain a large number of uniformly coated substrates in industrial production, it is necessary that exactly the same amount of coating medium is always applied evenly in the area above the substrate.
  • the coating medium is discharged from the end plate with excess pressure. In this way, a precisely defined amount of the relatively viscous coating medium can be evenly applied and distributed in the area above the substrate. If the pressure is too low, undesirable variations in quantity and distribution would result because, for example, part of the coating medium remains in the nozzles of the end plate, drips in an undesirable manner or can accumulate below the end plate. If, on the other hand, the coating medium is discharged with excess pressure, a defined amount can be precisely dosed and evenly distributed. However, discharge under excess pressure can have the undesirable effect that when the coating medium hits the substrate and then fills the area above the substrate, irregularities can occur, which result in uneven coatings.
  • Such undesirable effects are particularly problematic on an industrial scale, where a catalyst support is coated within a short time.
  • an automated coating process generally takes less than 20 seconds, and often only about 4 to 10 seconds.
  • coated substrates can differ from one another and significant irregularities in the thickness, uniformity and depth of the coating can occur the channels.
  • 7 of the present application shows, by way of example, a cross section of a catalyst support that was coated using a typical method according to the prior art. Although the coating medium from the end plate is applied evenly and was sucked into the channels of the substrate, the channels were not evenly coated.
  • zones with different catalytic coatings must be as close to one another as possible, but at the same time must not overlap. Therefore, flat and straight zone profiles are of particular importance for such multiple coatings.
  • the invention is based on the object of providing devices and methods with which a precise and uniform coating of substrates with coating media can be achieved.
  • a uniform application of coating media should be achieved in the parallel channels of catalyst supports for exhaust gas purification devices, so that the channels can be coated over a length that is as uniform and defined as possible.
  • the processes should be efficient, quick and can be carried out on an industrial scale with high throughput.
  • the object on which the invention is based is achieved by an applicator, methods and uses according to the patent claims.
  • the subject of the invention is an applicator for coating a substrate with a coating medium, the applicator having at least one supply line for the coating medium, an end plate with at least one nozzle for applying the coating medium to the substrate and a cavity in which the coating medium is located before application can distribute the substrate, characterized in that at least one nozzle is inclined laterally.
  • the coating medium is first introduced into the cavity of the applicator through a supply line and then pressed out of the cavity through the nozzles of the end plate under the influence of pressure.
  • the applicator allows the precise dosage of the coating medium onto a substrate, such as a substrate monolith for car exhaust aftertreatment.
  • the applicator is used to apply a defined amount of the coating medium that is to be applied to a substrate to an area above the substrate.
  • the area above the substrate can, for example, be limited at the bottom by the end face of the substrate (with the openings of the channels) and on the sides by a collar.
  • the coating medium remains in the area above the substrate during discharge from the applicator without applying a negative pressure and sucking in the coating medium. Only when the entire amount of the coating medium with which the substrate is to be coated has been introduced into the area is it sucked from the area into the substrate by applying a negative pressure.
  • the applicator is designed in such a way that it has approximately the diameter and/or shape of the end face of the substrate to be coated. Large diameter substrates require larger applicators than smaller ones. As a rule, the applicator has a diameter in the range of 50 - 400 mm, more preferably 75 - 350 mm.
  • the cross section of the area preferably corresponds to the cross section of the substrate and that of the end plate. In this way, uniform filling of the area, followed by uniform suction of the coating medium into the substrate, can be achieved.
  • the end plate preferably has a symmetrical cross section, viewed from the top view in the direction in which the coating medium is discharged becomes.
  • the end plate can, for example, have a circular, oval, trapezoidal, square, rectangular or polygonal, such as hexagonal, cross section.
  • the shape of the connection plate is preferably adapted to the cross section of the catalyst support.
  • the cross section of the end plate is preferably circular or oval. On the one hand, this is advantageous because catalyst supports often have a circular or oval cross section.
  • a particularly uniform application of the coating medium to the catalyst support is made possible with a round end plate which has laterally inclined nozzles.
  • a particularly uniform, round application pattern can be obtained with a large number of laterally inclined nozzles.
  • the geometry of the nozzle arrangement essentially corresponds to the cross section of the plate.
  • the nozzles on a circular end plate are preferably arranged in a circular pattern. This is advantageous in order to make maximum use of the space in the applicator and to prevent the coating medium from being applied to partial areas of the catalyst support or only being applied unevenly.
  • the end plate preferably has a thickness of 2 - 10 mm, more preferably 4 - 5 mm.
  • the end plate preferably has the shape of a disk.
  • the cross section of the end plate is preferably circular, with the shape preferably being cylindrical. Such round configurations enable a particularly uniform or symmetrical arrangement of the nozzles, and thereby a uniform application of the coating medium to the substrate.
  • the coating medium is discharged from the applicator through the nozzles on the end plate.
  • the end plate preferably has a large number of nozzles.
  • the term nozzle refers to the component of the end plate from which the coating solution is applied to the substrate.
  • the nozzles include flow channels with openings on the inlet side and the outlet side of the end plate. At the inlet side, the coating solution can be pressed from the cavity in the applicator into the channels of the nozzles.
  • the coating medium is discharged at the outlet side and applied to the substrate.
  • at least one nozzle is inclined. “Inclined” means that the nozzle is not arranged at right angles to the end plate, as with conventional plates, but is inclined relative to the end plate. If the plate is not flat, the nozzle is inclined compared to the view of the end plate from the lower side, i.e. the discharge side.
  • the inclination of the nozzle is lateral. “Sideways” means that the nozzle, when viewed from above the end plate (from below), is not inclined exclusively towards the center of the end plate or away from the center of the end plate (outwards). The lateral direction is therefore the direction that is at right angles to the direction towards the center. The lateral inclination of the nozzle causes the coating medium to be discharged laterally obliquely from the nozzle, at least partially in a direction that does not lead towards or away from the center.
  • laterally inclined means that the nozzle, when viewed from above the end plate, is inclined exclusively or, among other things, in a tangential direction.
  • the tangential direction is at right angles to the radial direction of the round or oval end plate.
  • the at least one nozzle is essentially inclined laterally. This means that the nozzle is either only inclined laterally (tangentially) or that the inclination deviates only slightly from the only lateral direction (for round or oval plates: the tangential direction), for example by less than 10°, in particular by less than 5 °. This means that the nozzle is not or only slightly inclined towards the center of the plate or outwards (in the radial direction).
  • the coating medium is essentially or only discharged to the side, but not or only slightly towards the center or the edges of the coating plate. This has the advantage that the coating solution does not accumulate anywhere on the substrate, especially if the majority of the nozzles are aligned in the same way.
  • the nozzles are inclined towards the center, more coating medium is applied towards the center. If the nozzles are tilted outward, more coating medium is applied toward the outside while less is discharged toward the center. For even application, a slight inclination of the laterally inclined nozzles towards the center can also be advantageous, so that each nozzle is slightly inclined towards the neighboring nozzle.
  • the lateral inclination of the nozzle means that the coating medium is not discharged from the nozzle in a vertical jet from the end plate, but rather diagonally to the side. Surprisingly, it was found that a particularly uniform coating can be obtained if the nozzles of the end plate are inclined laterally. It is assumed that in this embodiment it is particularly advantageous that the coating medium impacts the substrate laterally.
  • the coating medium in the form of oblique jets probably also causes it to be distributed more evenly on the substrate.
  • the laterally inclined nozzles may also cause the coating medium on the substrate to quickly spread in a lateral direction after impact, thereby further weakening the impact force of the jets during the further application process.
  • the individual channels of the substrate can be coated particularly evenly, and in particular a particularly uniform penetration depth can be achieved.
  • a laterally inclined nozzle can consist of a straight hole in the end plate and a laterally inclined nozzle on the outlet side.
  • the angle of inclination of the at least one nozzle is 2 and 50°, preferably 10 to 40°, and particularly preferably 15 to 30°.
  • the inclination is defined in relation to a view of the plate from below. It has been found that the advantages in terms of the uniformity of the coated products can be particularly pronounced at such angles of inclination.
  • the majority of nozzles in the end plate preferably have a lateral inclination. According to the invention, it is preferred that at least 80%, in particular at least 90% or at least 95% of the nozzles in the end plate are inclined laterally. In a preferred embodiment, the nozzles are not or only slightly inclined towards the center or outwards (in the radial direction).
  • the end plate according to the invention preferably has a large number of nozzles.
  • the end plate preferably has 10 to 500 nozzles, in particular 60 to 320 nozzles or particularly preferably 95 to 225 nozzles. Such a high number of nozzles enables uniform application of the coating medium and can reduce local variations in the coating.
  • the nozzles are preferably arranged as uniformly as possible and at the same distance from one another as possible. In a preferred embodiment, all nozzles have the same distances from the neighboring nozzles. Such arrangements are advantageous in order to achieve the most uniform possible introduction of the coating medium and the most uniform possible coating of the substrate.
  • the end plate has laterally inclined nozzles and optionally a central nozzle.
  • the central nozzle can be non-slanted or tilted. All nozzles are preferably inclined laterally, with the central nozzle not being inclined.
  • the end plate does not have a central nozzle, but rather at least one inclined nozzle, which directs the jet obliquely towards the center of the catalyst carrier (in top view). In this way, the coating medium can be applied evenly, even without a central nozzle in the end plate, and also onto the center of the catalyst support.
  • all nozzles of the end plate are arranged symmetrically, in particular rotationally symmetrically.
  • the laterally inclined nozzles are arranged in concentric circles around the central non-inclined nozzle.
  • the plate preferably comprises a central nozzle and 2 to 9 hole circles, each with 6 to 54 nozzles in the periphery.
  • the nozzles are spaced as evenly apart as possible.
  • the arrangement in concentric circles is particularly advantageous because a uniform distribution of the nozzles can be made possible in a simple structural manner.
  • the nozzles of a concentric circle are aligned the same. Each nozzle can be tangential in the same way or inclined towards an adjacent nozzle. This achieves a particularly uniform distribution of the coating medium on the substrate.
  • the nozzles are arranged spirally. The nozzles are aligned spirally from the center of the plate outwards. Even with such an arrangement, a uniform application of the coating medium to the substrate can be achieved.
  • the distance between the nozzles is between
  • the diameter of the discharge opening of the nozzles is preferably between 0.5 and 5 mm, particularly preferably between 1.6 and 3 mm. All nozzles in the plate preferably have discharge openings of the same diameter. This enables particularly even application and coating of the substrate. With such nozzles, coating media can be applied particularly efficiently to substrates that are catalyst supports for exhaust gas purification devices with fine parallel channels.
  • the coating medium is applied unevenly to the substrate. In this way it can be achieved that the coating has a gradient.
  • a gradient can be achieved, for example, if the outlet openings of the nozzles in partial areas of the plate are different from one another and/or if the inclination of the nozzles is varied so that more coating solutions are discharged in some areas than in other areas.
  • the nozzles are designed in the shape of a nozzle. This means that they protrude from the end plate towards the discharge side.
  • the design as a socket is advantageous because a lateral inclination can be set in a relatively simple and stable manner and it makes it more difficult to glue the plate from below.
  • the nozzles preferably have a length of 5 mm - 15 mm, more preferably a length of 6 - 8 mm.
  • the height of the elevation above the edge of the end plate is around 0.5 - 2.9 mm, more preferably 1.5 - 2.5 mm.
  • the nozzles of the nozzle have a concave or countersunk nozzle towards the outflow.
  • the distance between the nozzles is preferably in the range of
  • the nozzles can be channels that do not protrude from the plate, for example in the form of holes.
  • the preferably nozzle-shaped nozzles in the end plate can have any shape and cross section (e.g. channels, slots, circles, spirals, etc.). In the simplest case, the nozzles are channels with a round cross-section.
  • the nozzles and/or outlet openings of the end plate are preferably the same size.
  • the cavity, the end plate with their nozzles are preferably coordinated with one another in terms of their dimensions and design, so that there is a homogeneous distribution of the coating medium on the substrate to be coated.
  • the entire applicator is preferably made of plastic. However, it can also be made entirely of metal. The materials are chosen so that they are compatible with the catalytically active coating for car exhaust aftertreatment.
  • the preferred plastic material used is PE-HD 1000.
  • Metal parts are preferably made of stainless steel equivalent or similar to material number 1.4571 (X6CrNiMoTi17-12-2).
  • a baffle plate is arranged in the cavity, which blocks the flow of the coating medium from the supply line to at least one opening.
  • the coating medium is preferably metered into the applicator using a pump.
  • the baffle plate can be arranged statically.
  • the baffle plate can alternatively be reversibly movable. It preferably blocks the flow of the coating medium in the unpressurized state, while when pressure is exerted by the coating medium on the baffle plate, the flow of the coating medium from the supply line to at least one opening is permitted.
  • the pressure that is built up via the coating medium serves to move the impact plate of the applicator so that the path to the end plate opens.
  • the coating suspension can then be pressed into the cavity of the applicator, for example through nozzles in the baffle plate. Due to the baffle plate inside the applicator, which closes in the depressurized state, the coating medium does not drip onto the front side of the substrate. With such a displaceable baffle plate, the accuracy of dosing the coating medium onto the substrate can be increased even further.
  • the applicator and methods can be used to coat a variety of substrates. It is preferred that the interior of the substrate is coated.
  • the substrate preferably has a plurality of channels, which are in particular parallel to one another, and which are specifically loaded with the coating medium from one side, in particular by suction.
  • the substrate is particularly preferably a catalyst support for exhaust gas aftertreatment.
  • the channels are preferably filled in such a way that their insides are coated, but are not completely filled, so that they are still permeable to fluids, such as exhaust gases, after the coating has dried.
  • the coating medium used here is usually a suspension (slurry, washcoat), which may have acidic or basic properties, or at least has a very abrasive effect (see further below). This must be taken into account accordingly in the advantageous design of the applicator according to the invention.
  • the coating media to be used is well known to those skilled in the art.
  • the substrate is preferably a catalyst support of the wall flow type (wall flow filter) or of the flow type, in particular in the form of a monolith.
  • Flow-through monoliths are catalyst carriers that are common in the prior art and can consist of metal (corrugated carrier, for example WO17153239A1, WO16057285A1, WO15121910A1 and the literature cited therein) or ceramic materials. Fireproof ceramics such as corderite, silicon carbite or aluminum titanate etc. are preferably used.
  • the number of nozzles per area is characterized by the cell density, which is typically between about 1,300 and 5,800 cells/cm 2 (200 and 900 cells per square inch, cpsi).
  • the wall thickness of the nozzle walls for ceramics is between 0.5 - 0.05 mm.
  • Porous wall flow filter substrates made of corderite, silicon carbide or aluminum titanate are preferably used. These wall flow filter substrates have inflow and outflow openings, with the outflow ends of the inflow openings and the inflow ends of the outflow openings offset from one another with gas-tight “plugs”.
  • the exhaust gas to be cleaned which flows through the filter substrate, is forced to pass through porous wall forced between inflow and outflow openings, which results in an excellent particle filter effect.
  • the filtration properties for particles can be designed through the porosity, pore/radius distribution, and thickness of the wall.
  • the porosity of the uncoated wall flow filters is usually more than 40%, generally from 40% to 75%, especially from 50% to 70% (measured according to DIN 66133 - latest version on the filing date).
  • the average pore size (diameter) of the uncoated filters is at least 7 pm, e.g. B. from 7 pm to 34 pm, preferably more than 10 pm, particularly more preferably from 10 pm to 25 pm or very preferably from 15 pm to 20 pm (measured according to DIN 66134 latest version on the filing date).
  • the coating medium is preferably a suspension.
  • the solvent is preferably water.
  • Such coating media are referred to in the technical field as washcoats.
  • the coating medium is preferably structurally viscous (https://de.wikipedia.org/wiki/Structuralviskosit%C3%A4t).
  • the viscosity is preferably from 1.0087 - 1000 mPas, preferably 100 - 780 mPas, at a shear rate of 100 1/s.
  • the viscosity can be measured, for example, with a viscometer according to EN ISO 3219.
  • the coating media in particular in the form of washcoats, have solids and contain the catalytically active components or their precursors as well as inorganic oxides such as aluminum oxide, titanium dioxide, zirconium oxide, cerium oxide or combinations thereof, whereby the oxides can be doped with, for example, silicon or lanthanum.
  • Precious metals such as platinum, palladium, gold, rhodium, iridium, osmium, ruthenium and combinations thereof can also be used as catalytically active components.
  • metals can also exist as alloys with each other or other metals or as oxides.
  • the metals can also be present as precursors, such as nitrates, sulfites or organyls of the noble metals mentioned and mixtures thereof, in particular palladium nitrate, palladium sulfite, platinum nitrate, platinum sulfite or Pt(NH3)4(NOs)2 can be used.
  • the catalytically active component can then be obtained from the precursor by calcination at about 400 ° C to about 700 ° C.
  • Metal ions from the group of platinum metals in particular platinum, palladium and rhodium, for example, have proven suitable for the oxidation of hydrocarbons crystallized out, while, for example, the SCR reaction has proven to be most effective with zeolites or zeotypes (molecular sieves with other or additional elements as cations in the framework compared to zeolites) that are exchanged with iron and / or copper ions.
  • the material causing the catalytic activity can therefore also contain zeolites or zeotypes. In principle, all types or mixtures of these that are suitable for the relevant area of application can be used as zeolites or zeotypes. These include naturally occurring, but preferably synthetically produced zeolites.
  • zeolites and zeotypes can have framework types, for example, from the group consisting of Beta, Ferrierite, Y, USY, ZSM-5, ITQ.
  • synthetically produced small-pore zeolites and zeotypes in question here are those that have the structure types ABW, AGO, AEI, AEN, AFN, AFT, AFX, ANA, APC, APD, ATN, ATT, ATV, AWO, AWW, BIK, BRE, CAS, ODO, CHA, DDR, DFT, EAB, EDI, EPI, ERI, ESV, GIS, GOO, IHW, ITE, ITW, JBW, KFI, LEV, LTA, LTJ, MER, MON, MTF, NSI, OWE, PAU, PHI, RHO, RTE, RTH, SAS, SAT, SAV, SIV, THO, TSC, UEI, UFI, VNI, YUG and Z
  • a zeolite of the AEI or CHA type is particularly preferred in this context. Mixtures of the species mentioned are also possible.
  • the SAR value of the zeolite or the corresponding value for the zeotype should be in the range from 5 to 50, preferably 10 to 45 and most preferably 20 to 40.
  • the zeolites or zeotypes and in particular those of the small-pore type are exchanged with metal ions, in particular transition metal ions.
  • metal ions in particular transition metal ions
  • the person skilled in the art can use the metal ions, in particular copper ions, which can preferably be used for the corresponding reaction.
  • the person skilled in the art knows how such an ion exchange can take place (e.g. WO2008/106519A1).
  • the degree of exchange (number of ions at exchange sites/total number of exchange sites) should be between 0.3 and 0.5.
  • the exchange sites here are those where the positive ions compensate for negative charges on the lattice.
  • non-exchanged metal ions in particular Fe and/or Cu ions
  • the ratio of exchanged to non-exchanged ions is >50:50, preferably 60:40 - 95:5 and most preferably 70:30 - 90:10.
  • the ions sitting on exchange sites are visible in electron spin resonance analysis and can be determined quantitatively (Quantitative EPR, Gareth R. Eaton, Sandra S. Eaton, David P. Barr, Ralph T. Weber, Springer Science & Business Media, 2010). All non-ion-exchanged cations are located elsewhere inside or outside the zeolite/zeotype. The latter do not compensate for the negative charge of the zeolite/zeol-type framework.
  • the addition of the corresponding ions to the coating mixture is controlled so that the total amount of metal ions, in particular Fe and / or Cu ions in the final total catalyst is 0.5 - 10% by weight, preferably 1 - 5% by weight of the coating amount lies.
  • the coating medium can also contain other components. These components can further support the catalytic function of the catalytically active material, but do not actively intervene in the reaction themselves.
  • Materials used here include so-called binders. The latter ensure, among other things, that the materials and components involved in the reaction can adhere sufficiently firmly to the corresponding substrate. Binders selected from the group consisting of aluminum oxide, titanium dioxide, zirconium dioxide, silicon dioxide or their oxide hydroxides (for example boehmite) or mixtures thereof have proven to be advantageous components in this context. High-surface aluminum oxides are advantageously used here.
  • the binder is used in the coating in a certain amount. Based on the solid material used in the coating suspension, the further component, for example the binder, is used in an amount of max. 25% by weight, preferably max. 20% by weight and most preferably in an amount of 5% by weight. - 15% by weight used.
  • the substrate monoliths produced in this way which are catalytically active in the exhaust gas aftertreatment, can in principle be used in all exhaust gas aftertreatments known to those skilled in the automotive exhaust sector.
  • the catalytic coating of the substrate monolith can preferably be selected from the group consisting of three-way catalyst, SCR catalyst, nitrogen oxide storage catalyst, oxidation catalyst, soot ignition coating. With regard to the individual catalytic activities in question and their explanation, reference is made to the statements in WO2011151711 A1.
  • the invention also relates to a method for coating a substrate with a coating medium using an applicator according to the invention, comprising the steps:
  • step (a) takes place in an area above the substrate. Because of the at least partially oblique arrangement of the nozzles, the coating medium is applied to the substrate in an oblique jet, which leads to a particularly uniform coating. Only when the complete amount of the coating medium for the substrate has been fed into the area is the coating medium sucked into the substrate in step (b).
  • the suction is carried out by applying a negative pressure, in particular a vacuum.
  • the coating medium is preferably applied by pressure, for example between 0.3 and 10 bar, in particular between 1.5 and 3.5 bar.
  • step b) the suction is preferably carried out with negative pressure, for example between 10 and 500 mbar, in particular between 50 and 200 mbar. With such settings, particularly efficient and rapid production of the coated substrate can be achieved.
  • the process is preferably automated and carried out with high throughput, preferably in a continuous process for a defined number of pieces.
  • the coating medium is applied in step (a) at high speed, for example within a period of 200 ps to 6 s, in particular between 500 ps and 3 s.
  • the suction in step (b) preferably takes place in a period of 10 ps to 10 s, especially between 20 ps and 2.5 s.
  • the advantage of the method according to the invention is that a particularly uniform coating of the fine channels of a catalyst support can be achieved. Since the penetration depth of the coating medium into the catalyst substrate is particularly uniform, the process is particularly suitable for automated production in which a large number of substrates are coated in rapid succession.
  • the method applies two or more coatings to the same substrate, typically in defined directions Subareas (zones) with different catalytic effects.
  • a catalyst substrate can be equipped from one side with a zone of a first coating medium with a penetration depth of, for example, 10 to 90% of the channel length, after which a second coating medium is applied from the other side of the catalyst substrate in a second zone, for example also with a penetration depth of 10 to 90% of the channel length.
  • zones can be applied in different areas of the substrate and/or one above the other in order to optimize specific catalytic reactions.
  • the invention also relates to an applicator system for coating a substrate with a coating medium, comprising an applicator according to the invention and a control unit through which a defined amount of coating medium can be discharged from the applicator.
  • the control unit can preferably be set to repeatedly discharge the same defined amount of coating medium.
  • the system preferably includes means for dosing, such as a tank, supply lines and valves. This means that a series of similar substrates can be coated in the same way in an automated process.
  • the defined amount of coating medium is selected and adjusted, for example, with regard to the dimensions of the substrate and the channels as well as the desired coating.
  • the applicator system can contain other common means, such as a tank for coating medium, a positive displacement pump, valves and a control unit to monitor the process.
  • the invention also includes a device for coating a substrate with a coating medium
  • the device can be used to carry out the coating process described above.
  • the means for fixing the substrate are preferably a holder into which the substrate can be picked up, fixed and removed again after coating, preferably in an automated process.
  • the area (iii) can be formed temporarily after the substrate has been fixed, for example by attaching a jacket to the upper edge of the substrate, which prevents the coating medium from flowing off to the side.
  • the means for suction can be a vacuum pump, which is connected to the substrate from below via a pipeline.
  • the device can preferably coat a large number of substrates one after the other in an automated manner, without external intervention in the process.
  • the invention also relates to the use of an applicator, applicator system and/or the device according to the invention for producing a substrate monolith with a catalytically active coating for car exhaust aftertreatment.
  • the invention also relates to the use of the applicator, applicator system and/or device according to the invention to increase the uniformity of the coating in a substrate monolith.
  • the applicator of the invention as described above, is preferably used.
  • FIGS 1 to 8 show schematically and by way of example embodiments of the invention as well as objects according to the prior art for comparison.
  • Fig. 1 shows schematically and by way of example a device for coating substrates with an applicator according to the invention in cross section.
  • Fig. 2 shows an example and schematically of the lower side view of the end plate of an applicator according to the invention.
  • Fig. 3 shows the cross section through an end plate with a laterally inclined nozzle.
  • Fig. 4 shows the top view of the discharge side of the end plate according to Fig. 2.
  • Fig. 5 shows the top view according to Fig. 4, in which the concentric circles of the nozzles and the radial direction of the plate are identified.
  • Fig. 6 shows a detail of the cross section of an end plate with a laterally inclined and a vertical nozzle and jets of coating medium that impinge on a substrate.
  • Figure 7 is a photograph of the cross-section of a catalyst support coated in a conventional manner with an end plate having vertical nozzles.
  • Fig. 8 is a photograph of a catalyst carrier coated according to the invention, which was coated according to the invention with an end plate with obliquely inclined nozzles. The photo shows a direct comparison to Fig. 7 from the same series of tests
  • Figure 1 shows, by way of example and schematically, the cross section of a device for coating a substrate 2 with an applicator 1 according to the invention.
  • the substrate 2 to be coated is fixed with means 15, such as a holder, for a coating process.
  • the coating medium is metered onto the end face of a substrate 2, which is a catalyst support with a plurality of fine parallel channels 14.
  • a type of collar 11 is placed/inserted around this end face, which prevents the coating medium from running down from the end face to the sides of the substrate 2.
  • the end face of the substrate 2 and the collar 11 delimit an area 10 into which the coating medium is introduced before the substrate 2 is coated.
  • the coating medium is first added via the feed line 4 into a cavity 6 above the end plate 9.
  • the end plate 9 has a plurality of laterally inclined nozzles 5.
  • the coating medium is introduced from the cavity 6 into the area 10 above the substrate 2 through the nozzles.
  • the exact amount of coating medium required to coat the specific substrate is entered.
  • a negative pressure is applied below the substrate 2 using means 13, such as a pump, whereby the coating medium is sucked into the parallel channels 14 from above.
  • the amount, thickness and depth of penetration of the coating medium can be controlled, among other things, via the amount and viscosity of the coating medium, the structure of the substrate 2 and the suppression.
  • the method can be adjusted so that the coating penetrates into the channels 14 up to a zone boundary 16.
  • the coating medium can be entered up to a zone boundary 16.
  • FIG. 2, 3 and 5 show schematically and by way of example an applicator 1 according to the invention with an end plate 9 which has a plurality of laterally inclined nozzles 5.
  • 2 shows a side bottom view of the applicator 1
  • FIG. 4 shows a top view from below
  • FIG. 5 shows a top view according to FIG. 4 with concentric circles of the nozzles and the radial direction from the center of the plate to the outside.
  • the end plate 9 is round, which allows the nozzles 5 to be arranged in concentric circles at even distances.
  • the inclination of the nozzles 5 in the concentric circles is exclusively lateral and tangential, as can also be seen in FIG. 5 with the concentric circle patterns.
  • the nozzles 5 in the concentric circles are not inclined inwards or outwards in the indicated radial direction. This enables the coating medium to be applied evenly.
  • the nozzles 5 have a regular arrangement and equal distances from one another. This enables the coating medium to be distributed evenly into an area 10 above the substrate.
  • the nozzles 5 in each concentric circle are essentially inclined towards the adjacent nozzle. This creates a regular discharge pattern. In addition, it is prevented that the jets of the coating medium from the nozzles 5 hit the substrate perpendicularly and that the coating medium undesirably penetrates into channels before the suppression is applied.
  • the nozzles in FIGS. 2 to 5 have connectors 12 which protrude from the end plate.
  • Fig. 3 shows a cross section of the end plate 9 with a laterally inclined nozzle 5 with a nozzle 12.
  • FIG. 6 shows, by way of example and schematically, how coating medium 3 is discharged from a laterally inclined nozzle 7 and, for comparison, from a vertical nozzle 8 into the area 10 above the substrate 2.
  • An oblique jet is generated from the laterally inclined nozzle 7, whereby the effect of the impact on the upwardly open fine channels 14 of the substrate 2 is weakened. In this way, unwanted penetration of the coating medium 3 into the channels 14 before suction can be prevented or at least significantly reduced, which leads to a more homogeneous coating.
  • Figures 7 and 8 show photographs of cross sections of coated catalyst supports and illustrate the advantages of the invention.
  • Figure 7 shows the cross-section of a prior art coated catalyst carrier made with an outlet plate applicator with vertical nozzles. The upper coated zone is dark and the lower uncoated zone is lighter.
  • FIG. 8 shows the cross section of a catalyst support coated according to the invention.
  • the carrier and resolution correspond to Figure 7, so the products are comparable.
  • the zone boundary between the dark coated zone and the light uncoated zone is uniform and straight.
  • Significant irregularities, as in Fig. 7, are not present.
  • the slightly darker tone in some sections below the zone boundary is not caused by the penetration of the coating medium, but by shadows.
  • the loose components, which can only be seen in FIG. 8, are caused by the splitting process and are also not relevant for comparing the coatings.
  • the comparison of Figures 7 and 8 shows that a significant improvement in the uniformity of the coating can be achieved with the applicator according to the invention with laterally inclined nozzles.
  • the applicator according to the invention solve the problem on which the invention is based.
  • substrates such as catalyst supports for exhaust gas purification devices

Abstract

The invention relates to an applicator (1) for coating a substrate (2) with a coating medium (3), wherein the applicator (1) has at least one supply line (4) for the coating medium, an end plate (9) with at least one nozzle (5) for applying the coating medium onto the substrate (2), and a cavity (6) in which the coating medium can be distributed prior to application onto the substrate (2), wherein at least one nozzle (5) is laterally inclined. The invention also relates to applicator systems, devices, methods and uses related to the applicator.

Description

Applikator zum Aufträgen von Beschichtungsmedium auf Substrate Applicator for applying coating medium to substrates
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Applikator sowie Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zum Applizieren eines Beschichtungsmediums auf ein Substrat. Die Substrate selbst kommen z.B. in der katalytischen Abgasnachbehandlung, insbesondere im Automobilsektor zum Einsatz. The present invention relates to an applicator and systems, devices and methods for applying a coating medium to a substrate. The substrates themselves are used, for example, in catalytic exhaust aftertreatment, particularly in the automotive sector.
Stand der Technik State of the art
Substrate oder Substratmonolithe werden in der chemischen Industrie als Katalysatorträger eingesetzt. Auch für die Behandlung von Autoabgasen spielen sie eine wichtige Rolle. Zur Entfernung der für Umwelt und Gesundheit schädlichen Emissionen aus den Abgasen von Kraftfahrzeugen sind eine Vielzahl katalytischer Abgasreinigungstechnologien entwickelt worden, deren Grundprinzip üblicherweise darauf beruht, dass das zu reinigende Abgas über ein Substrat, z.B. einen Durchfluss- (flow-through) oder einen Wandflusswabenkörper oder -monolithen (wall-flow) mit einer darauf aufgebrachten katalytisch aktiven Beschichtung geleitet wird. Der Katalysator fördert die chemische Reaktion verschiedener Abgaskomponenten unter Bildung unschädlicher Produkte wie beispielsweise Kohlendioxid und Wasser. Substrates or substrate monoliths are used as catalyst supports in the chemical industry. They also play an important role in the treatment of car exhaust fumes. To remove emissions that are harmful to the environment and health from the exhaust gases of motor vehicles, a large number of catalytic exhaust gas purification technologies have been developed, the basic principle of which is usually based on the fact that the exhaust gas to be purified passes through a substrate, e.g. a flow-through or a wall-flow honeycomb body or -monoliths (wall-flow) with a catalytically active coating applied to them. The catalyst promotes the chemical reaction of various exhaust gas components to form harmless products such as carbon dioxide and water.
Die eben beschriebenen Durchfluss- oder Wandflussmonolithen werden auch als Katalysatorträger, Träger oder eben auch als Substratmonolithe bezeichnet, tragen sie doch die katalytisch aktive Beschichtung auf ihrer Oberfläche bzw. in den diese Oberfläche bildenden Poren der Wand. Die katalytisch aktive Beschichtung wird im Allgemeinen in einem Beschichtungsvorgang in Form einer Suspension (bei Katalysatoren für die Abgasreinigung oft als „Washcoat“ bezeichnet) auf den Katalysatorträger aufgebracht. Viele derartige Prozesse sind in der Vergangenheit von Autoabgaskatalysatorherstellern hierzu veröffentlicht worden (WO9947260A1 , EP2521618B1 , EP1136462B1 , EP1900442A1). The flow-through or wall-flow monoliths just described are also referred to as catalyst supports, carriers or even substrate monoliths, as they carry the catalytically active coating on their surface or in the pores of the wall that form this surface. The catalytically active coating is generally applied to the catalyst support in a coating process in the form of a suspension (often referred to as a “washcoat” in the case of catalysts for exhaust gas purification). Many such processes have been published in the past by car exhaust catalyst manufacturers (WO9947260A1, EP2521618B1, EP1136462B1, EP1900442A1).
Trotz dieser im Stand der Technik bekannten Verfahren ist es immer noch eine Herausforderung, Substratmonolithe gleichmäßig zu beschichten. Unterschiedliche Beschichtungsmenge sind z.B. aufgrund der hohen Kosten für Edelmetalle und seltene Erden nach Möglichkeit zu vermeiden. Gleichförmige Beschichtungen sind auch aus katalytischer Sicht zu bevorzugen. Auch das Nachtropfen des Beschichtungsmediums nach der Applikation desselben auf das Substrat stellt eine Herausforderung für die Herstellung von Substraten dar. Despite these methods known in the art, it is still a challenge to uniformly coat substrate monoliths. Different amounts of coating should be avoided if possible, for example due to the high costs of precious metals and rare earths. Uniform coatings are also preferable from a catalytic perspective. The dripping of the coating medium after the Application of the same to the substrate represents a challenge for the production of substrates.
Ein wichtiger Aspekt bei solchen Verfahren ist das präzise und gleichmäßige Beschichten der Innenseiten der Kanäle solcher Katalysatorträger mit dem Beschichtungsmedium (Washcoat), insbesondere im Hinblick auf z.B. Beschichtungslänge in den Öffnungen des Substrates, die aufgebrachte Beschichtungsmenge, die Gleichmäßigkeit der Beschichtungsdicke, die Gleichmäßigkeit der Beschichtungslänge oder von Beschichtungsgradienten entlang der Längsachse des Katalysatorträgers, sowie bei der Herstellung von geschichteten oder zonierten Beschichtungsdesigns. An important aspect of such processes is the precise and uniform coating of the insides of the channels of such catalyst supports with the coating medium (washcoat), particularly with regard to, for example, coating length in the openings of the substrate, the amount of coating applied, the uniformity of the coating thickness, the uniformity of the coating length or of coating gradients along the longitudinal axis of the catalyst support, as well as in the production of layered or zoned coating designs.
Die Herstellung einer präzisen und gleichmäßigen Beschichtung ist besonders herausfordernd, weil die Kanäle der Katalysatorträger, in welche die Beschichtung gleichmäßig eingebracht wird, sehr eng sind. So weisen typische Katalysatorträger für Abgasnachbehandlungen ungefähr 31 und 140 Zellen/cm2 (200 und 900 Zellen pro Quadrat inch, cpsi) auf, so dass die Öffnungen der Katalysatorkanäle im Allgemeinen im zehntel Millimeterbereich liegen. Die gleichmäßige Beschichtung ist zusätzlich erschwert, weil die Beschichtungsmedien Suspensionen von anorganischen Partikeln sind, die im Allgemeinen eine relativ hohe Viskosität aufweisen. Daher besteht grundsätzlich und insbesondere bei geringfügigen Prozessvariationen die Gefahr, dass die einzelnen Kanäle ungleichmäßig mit Beschichtungsmedium beladen werden. Dies hat zur Folge, dass die Eindringtiefe des Beschichtungsmediums in den Katalysatorträger in lokalen Bereichen erheblich variieren kann. Eine ungleiche Verteilung der katalytischen Beschichtung kann verschlechterte Eigenschaften des beschichteten Katalysators beim bestimmungsgemäßen Gebrauch zur Folge haben. Da solche Beschichtungsverfahren in industriellem Maßstab mit einer Vielzahl von Substraten durchgeführt werden, ist jedoch eine hohe Gleichmäßigkeit und Präzision erforderlich . Da die Beschichtungen Edelmetalle, wie Platin und Palladium, und seltene Erden enthalten, ist ein effizienter Einsatz auch aus Kostengründen notwendig. Producing a precise and uniform coating is particularly challenging because the channels of the catalyst supports into which the coating is evenly applied are very narrow. For example, typical catalyst supports for exhaust gas aftertreatments have approximately 31 and 140 cells/cm 2 (200 and 900 cells per square inch, cpsi), so that the openings of the catalyst channels are generally in the tenth of a millimeter range. Uniform coating is made even more difficult because the coating media are suspensions of inorganic particles that generally have a relatively high viscosity. Therefore, in principle and especially with minor process variations, there is a risk that the individual channels will be unevenly loaded with coating medium. This means that the depth of penetration of the coating medium into the catalyst support can vary considerably in local areas. An uneven distribution of the catalytic coating can result in impaired properties of the coated catalyst when used as intended. However, since such coating processes are carried out on an industrial scale with a variety of substrates, high uniformity and precision are required. Since the coatings contain precious metals such as platinum and palladium and rare earths, efficient use is also necessary for cost reasons.
Die EP2415522A1 zeigt ein solches Beschichtungsverfahren für Katalysatorträger, bei dem das Beschichtungsmedium von oben auf ein Substrat appliziert wird. Über einen Stempel wird das Beschichtungsmedium über eine Zuleitung in einen Hohlraum geführt und anschließend durch die Düsen einer Abschlussplatte auf das Substrat aufgebracht. Dabei wird zunächst die gesamte Menge Beschichtungsmedium für den Katalysatorträger in einen Bereich oberhalb des Substrates eingebracht und anschließend durch Anlegen eines Unterdruckes in die Kanäle eingesaugt. Der Bereich über dem Katalysatorträger kann seitlich durch einen Mantel begrenzt werden. Um bei der industriellen Produktion eine Vielzahl gleichmäßig beschichteter Substrate zu erhalten, ist es erforderlich, dass in den Bereich über dem Substrat immer genau die gleiche Menge Beschichtungsmedium gleichmäßig verteilt aufgetragen wird. EP2415522A1 shows such a coating process for catalyst supports, in which the coating medium is applied to a substrate from above. The coating medium is guided into a cavity via a feed line via a stamp and then applied to the substrate through the nozzles of an end plate. The entire amount of coating medium for the catalyst support is first introduced into an area above the substrate and then through Applying a negative pressure sucked into the channels. The area above the catalyst support can be limited laterally by a jacket. In order to obtain a large number of uniformly coated substrates in industrial production, it is necessary that exactly the same amount of coating medium is always applied evenly in the area above the substrate.
Eine weitere Schwierigkeit solcher Verfahren besteht darin, dass das Beschichtungsmedium mit Überdruck aus der Abschlussplatte ausgetragen wird. Auf diese Weise kann eine genau definierte Mengen des relativ viskosen Beschichtungsmediums in den Bereich über dem Substrat gleichmäßig appliziert und verteilt werden. Bei zu geringem Druck würden unerwünschte Variationen der Menge und Verteilung resultieren, weil zum Beispiel ein Teil des Beschichtungsmediums in den Düsen der Abschlussplatte verbleibt, in unerwünschter Weise nachtropft oder unterhalb der Abschlussplatte akkumulieren kann. Wenn das Beschichtungsmedium dagegen mit Überdruck ausgetragen wird, kann präzise eine definierte Menge dosiert und gleichmäßig verteilt werden. Die Austragung bei Überdruck kann jedoch den unerwünschten Effekt haben, dass beim Aufprall des Beschichtungsmedium auf das Substrat und beim anschließenden Befüllen des Bereichs oberhalb des Substrates Unregelmäßigkeiten entstehen können, die ungleichmäßige Beschichtungen zur Folge haben. Another difficulty with such processes is that the coating medium is discharged from the end plate with excess pressure. In this way, a precisely defined amount of the relatively viscous coating medium can be evenly applied and distributed in the area above the substrate. If the pressure is too low, undesirable variations in quantity and distribution would result because, for example, part of the coating medium remains in the nozzles of the end plate, drips in an undesirable manner or can accumulate below the end plate. If, on the other hand, the coating medium is discharged with excess pressure, a defined amount can be precisely dosed and evenly distributed. However, discharge under excess pressure can have the undesirable effect that when the coating medium hits the substrate and then fills the area above the substrate, irregularities can occur, which result in uneven coatings.
Solche unerwünschten Effekte sind gerade im industriellen Maßstab problematisch, wo ein Katalysatorträger innerhalb von kurzer Zeit beschichtet wird. In der Praxis dauert ein solcher automatisierter Beschichtungsvorgang im Allgemeinen weniger als 20 Sekunden, und dabei oft nur etwa 4 bis 10 Sekunden. Such undesirable effects are particularly problematic on an industrial scale, where a catalyst support is coated within a short time. In practice, such an automated coating process generally takes less than 20 seconds, and often only about 4 to 10 seconds.
Wenn bei industriellen Prozessen nicht immer genau die gleiche Menge Beschichtungsmedium eingesetzt wird, dieses nicht gleichmäßig in die Kanäle eingesaugt wird oder innerhalb der Kanäle nicht gleichmäßig nach unten gelangt, können beschichtete Substrate voneinander abweichen und erhebliche Unregelmäßigkeiten hinsichtlich der Dicke, Gleichmäßigkeit und Tiefe der Beschichtung in den Kanälen aufweisen. In der Praxis zeigt sich, dass selbst bei genauer Kontrolle der Dosierung des Beschichtungsmediums, gleichmäßigem Einsaugen und Trocknen, beschichtete Substrate mit erheblichen Variationen hinsichtlich der Beschichtung in den Kanälen erhalten werden. Die Fig. 7 der vorliegenden Anmeldung zeigt beispielhaft einen Querschnitt eines Katalysatorträgers, der mit einem typischen Verfahren gemäß dem Stand der Technik beschichtet wurde. Obwohl das Beschichtungsmediums aus der Abschlussplatte gleichmäßig aufgetragen und in die Kanäle des Substrates gesaugt wurde, wurden die Kanäle nicht gleichmäßig beschichtet. So ist das dunklere Beschichtungsmedium in einigen Bereichen tief in die Kanäle eingedrungen, in anderen Bereichen aber nur wenig, wo die hellen unbeschichteten Bereiche viel größer sind. Insgesamt ist ein unregelmäßiges Zickzackmuster zu erkennen. In die zu tief beschichteten Kanäle und Bereiche wurde in der Regel zu viel Beschichtungsmedium eingebracht. Dies hat auch zur Folge, dass die Dicke der Beschichtung in solchen Kanälen größer ist als vorgesehen. Die Katalysatorkanäle sind dadurch verjüngt, wodurch die Strömungsgeschwindigkeiten von Abgasen verringert wird. Solche lokalen Variationen der Katalysatorleistung und des Durchflusses führen beim bestimmungsgemäßen Gebrauch zu verminderter Katalysatorleistung. Die Abgase werden in Bereichen zu geringer Beschichtungstiefe nicht ausreichend gereinigt, während in Bereichen mit zu hoher Eindringtiefe der Durchfluss reduziert ist und Beschichtungsmedium verschwendet wird, das im Allgemeinen seltene und teure Metalle enthält. If the exact same amount of coating medium is not always used in industrial processes, if it is not evenly sucked into the channels or does not descend evenly within the channels, coated substrates can differ from one another and significant irregularities in the thickness, uniformity and depth of the coating can occur the channels. In practice it has been shown that even with precise control of the dosage of the coating medium, uniform suction and drying, coated substrates with considerable variations in the coating in the channels are obtained. 7 of the present application shows, by way of example, a cross section of a catalyst support that was coated using a typical method according to the prior art. Although the coating medium from the end plate is applied evenly and was sucked into the channels of the substrate, the channels were not evenly coated. So the darker coating medium has penetrated deeply into the channels in some areas, but only a little in other areas, where the bright uncoated areas are much larger. Overall, an irregular zigzag pattern can be seen. As a rule, too much coating medium was introduced into the channels and areas that were coated too deeply. This also means that the thickness of the coating in such channels is greater than intended. The catalyst channels are therefore tapered, which reduces the flow speeds of exhaust gases. Such local variations in catalyst performance and flow lead to reduced catalyst performance when used as intended. The exhaust gases are not sufficiently cleaned in areas of insufficient coating depth, while in areas of excessive penetration the flow is reduced and coating medium, which generally contains rare and expensive metals, is wasted.
Eine weitere Herausforderung liegt darin, dass viele Produkte eine Zonenbeschichtung von beiden Seiten des Substrates erfordern. Aus technischen Gründen müssen Zonen mit unterschiedlichen katalytischen Beschichtungen so nahe wie möglich aneinander liegen, dürfen aber zugleich nicht überlappen. Daher sind ebene und gerade Zonenprofile bei solchen Mehrfachbeschichtungen von besonderer Bedeutung. Another challenge is that many products require zone coating on both sides of the substrate. For technical reasons, zones with different catalytic coatings must be as close to one another as possible, but at the same time must not overlap. Therefore, flat and straight zone profiles are of particular importance for such multiple coatings.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach verbesserten Vorrichtungen und Verfahren zur Beschichtung von Katalysatorträgern, welche die beschriebenen Nachteile überwinden. There is therefore a need for improved devices and methods for coating catalyst supports which overcome the disadvantages described.
Aufgabe der Erfindung Task of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und Verfahren bereitzustellen, mit denen eine präzise und gleichmäßige Beschichtung von Substraten mit Beschichtungsmedien erreicht werden kann. Insbesondere soll ein gleichmäßiger Auftrag von Beschichtungsmedien in die parallelen Kanäle von Katalysatorträgern für Abgasreinigungsvorrichtungen erreicht werden, so dass die Kanäle über eine möglichst gleichmäßige und definierte Länge beschichtet werden können. Die Verfahren sollen effizient, zügig und im industriellen Maßstab mit hohem Durchsatz durchführbar sein. The invention is based on the object of providing devices and methods with which a precise and uniform coating of substrates with coating media can be achieved. In particular, a uniform application of coating media should be achieved in the parallel channels of catalyst supports for exhaust gas purification devices, so that the channels can be coated over a length that is as uniform and defined as possible. The processes should be efficient, quick and can be carried out on an industrial scale with high throughput.
Gegenstand der Erfindung Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch einen Applikator, Verfahren und Verwendungen gemäß den Patentansprüchen gelöst. Gegenstand der Erfindung ist ein Applikator zur Beschichtung eines Substrates mit einem Beschichtungsmedium, wobei der Applikator mindestens eine Zuleitung für das Beschichtungsmedium, eine Abschlussplatte mit mindestens einer Düse zur Applikation des Beschichtungsmediums auf das Substrat und einen Hohlraum, in dem sich das Beschichtungsmedium vor der Applikation auf das Substrat verteilen kann, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Düse seitlich geneigt ist. Subject of the invention The object on which the invention is based is achieved by an applicator, methods and uses according to the patent claims. The subject of the invention is an applicator for coating a substrate with a coating medium, the applicator having at least one supply line for the coating medium, an end plate with at least one nozzle for applying the coating medium to the substrate and a cavity in which the coating medium is located before application can distribute the substrate, characterized in that at least one nozzle is inclined laterally.
Das Beschichtungsmedium wird zunächst durch eine Zuleitung in den Hohlraum des Applikators eingebracht und anschließend unter Druckeinwirkung durch die Düsen der Abschlussplatte aus dem Hohlraum gedrückt. Der Applikator erlaubt die genaue Dosierung des Beschichtungsmediums auf ein Substrat, wie einen Substratmonolithen für die Autoabgasnachbehandlung. Mit dem Applikator wird eine definierte Menge des Beschichtungsmediums, die auf ein Substrat aufgetragen werden soll, in einen Bereich oberhalb des Substrates aufgebracht. Der Bereich oberhalb des Substrates kann beispielsweise nach unten hin durch die Stirnfläche des Substrates (mit den Öffnungen der Kanäle) und an den Seiten durch einen Kragen begrenzt sein. Das Beschichtungsmedium verbleibt während dem Austragen aus dem Applikator in dem Bereich über dem Substrat, ohne dass ein Unterdrück angelegt und das Beschichtungsmedium eingesaugt wird. Erst wenn die gesamte Menge des Beschichtungsmediums, mit dem das Substrat beschichtet werden soll, in den Bereich eingetragen wurde, wird es aus dem Bereich durch Anlegen eines Unterdrucks in das Substrat eingesaugt. The coating medium is first introduced into the cavity of the applicator through a supply line and then pressed out of the cavity through the nozzles of the end plate under the influence of pressure. The applicator allows the precise dosage of the coating medium onto a substrate, such as a substrate monolith for car exhaust aftertreatment. The applicator is used to apply a defined amount of the coating medium that is to be applied to a substrate to an area above the substrate. The area above the substrate can, for example, be limited at the bottom by the end face of the substrate (with the openings of the channels) and on the sides by a collar. The coating medium remains in the area above the substrate during discharge from the applicator without applying a negative pressure and sucking in the coating medium. Only when the entire amount of the coating medium with which the substrate is to be coated has been introduced into the area is it sucked from the area into the substrate by applying a negative pressure.
Es hat sich als Vorteil erwiesen, wenn der Applikator so ausgeführt ist, dass er in etwa den Durchmesser und/oder die Form der Stirnseite des zu beschichtenden Substrates besitzt. Substrate mit großem Durchmesser benötigen größere Applikatoren als kleinere. In der Regel hat der Applikator einen Durchmesser im Bereich von 50 - 400 mm, mehr bevorzugt 75 - 350 mm. It has proven to be an advantage if the applicator is designed in such a way that it has approximately the diameter and/or shape of the end face of the substrate to be coated. Large diameter substrates require larger applicators than smaller ones. As a rule, the applicator has a diameter in the range of 50 - 400 mm, more preferably 75 - 350 mm.
Bevorzugt entspricht der Querschnitt des Bereichs dem Querschnitt des Substrates und dem der Abschlussplatte. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige Befüllung des Bereichs, gefolgt von einem gleichmäßigen Einsaugen des Beschichtungsmediums in das Substrat, erreicht werden. The cross section of the area preferably corresponds to the cross section of the substrate and that of the end plate. In this way, uniform filling of the area, followed by uniform suction of the coating medium into the substrate, can be achieved.
Die Abschlussplatte weist bevorzugt eine symmetrischen Querschnitt auf, und zwar in der Aufsicht betrachtet aus der Richtung, in die das Beschichtungsmedium ausgetragen wird. Dabei kann die Abschlussplatte beispielsweise einen kreisförmigen, ovalen, trapezförmigen, quadratischen, rechteckigen oder polygonalen, wie hexagonalen, Querschnitt aufweisen. Die Form der Anschlussplatte ist dabei bevorzugt and den Querschnitt des Katalysatorträgers angepasst. The end plate preferably has a symmetrical cross section, viewed from the top view in the direction in which the coating medium is discharged becomes. The end plate can, for example, have a circular, oval, trapezoidal, square, rectangular or polygonal, such as hexagonal, cross section. The shape of the connection plate is preferably adapted to the cross section of the catalyst support.
Der Querschnitt der Abschlussplatte ist bevorzugt kreisförmig oder oval. Dies ist zum einen vorteilhaft, weil Katalysatorträger oft einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt aufweisen. Darüber hinaus wurde gefunden, dass mit einer runden Abschlussplatte, die seitlich geneigte Düsen aufweist, ein besonders gleichmäßiges Aufbringen des Beschichtungsmediums auf den Katalysatorträger ermöglicht wird. Insbesondere kann mit einer Vielzahl seitlich geneigter Düsen ein besonders gleichförmiges rundes Auftragsmuster erhalten werden. The cross section of the end plate is preferably circular or oval. On the one hand, this is advantageous because catalyst supports often have a circular or oval cross section. In addition, it was found that a particularly uniform application of the coating medium to the catalyst support is made possible with a round end plate which has laterally inclined nozzles. In particular, a particularly uniform, round application pattern can be obtained with a large number of laterally inclined nozzles.
Dabei ist bevorzugt, dass die Geometrie der Düsenanordnung im Wesentlichen dem Querschnitt der Platte entspricht. Beispielsweise sind die Düsen auf einer kreisförmigen Abschlussplatte bevorzugt in einem kreisförmigen Muster angeordnet. Dies ist vorteilhaft, um den Raum im Applikator maximal auszunutzen und zu verhindern, dass das Beschichtungsmedium auf Teilbereiche des Katalysatorträgers nicht oder nur ungleichmäßig aufgetragen wird. It is preferred that the geometry of the nozzle arrangement essentially corresponds to the cross section of the plate. For example, the nozzles on a circular end plate are preferably arranged in a circular pattern. This is advantageous in order to make maximum use of the space in the applicator and to prevent the coating medium from being applied to partial areas of the catalyst support or only being applied unevenly.
Die Abschlussplatte weist vorzugsweise eine Dicke von 2 - 10 mm, mehr bevorzugt 4 - 5 mm auf. Die Abschlussplatte weist bevorzugt die Form einer Scheibe auf. Bevorzugt ist der Querschnitt der Abschlussplatte kreisförmig, wobei die Form bevorzugt zylinderförmig ist. Solche runden Ausgestaltungen ermöglichen ein besonders gleichmäßige oder symmetrische Anordnung der Düsen, und dadurch ein gleichmäßiges Aufbringen des Beschichtungsmediums auf das Substrat. The end plate preferably has a thickness of 2 - 10 mm, more preferably 4 - 5 mm. The end plate preferably has the shape of a disk. The cross section of the end plate is preferably circular, with the shape preferably being cylindrical. Such round configurations enable a particularly uniform or symmetrical arrangement of the nozzles, and thereby a uniform application of the coating medium to the substrate.
Die Austragung des Beschichtungsmediums aus dem Applikator erfolgt durch die Düsen der Abschlussplatte. Die Abschlussplatte weist bevorzugt eine Vielzahl von Düsen auf. Mit dem Begriff Düse wird die Komponente der Abschlussplatte bezeichnet, aus der die Beschichtungslösung auf das Substrat appliziert wird. Die Düsen umfassen Durchflusskanäle mit Öffnungen an der Einlassseite und der Auslassseite der Abschlussplatte. An der Einlassseite kann die Beschichtungslösung aus dem Hohlraum im Applikator in die Kanäle der Düsen gedrückt werden. An der Auslassseite wird das Beschichtungsmedium ausgetragen und auf das Substrat aufgetragen. Erfindungsgemäß ist mindestens eine Düse geneigt. Dabei bedeutet "geneigt", dass die Düse nicht rechtwinklig zur Abschlussplatte angeordnet ist, wie bei herkömmlichen Platten, sondern gegenüber der Abschlussplatte geneigt ist. Falls die Platte nicht eben ist, ist die Düse geneigt gegenüber der Aufsicht der Abschlussplatte von der unteren Seite, also der Austragsseite. The coating medium is discharged from the applicator through the nozzles on the end plate. The end plate preferably has a large number of nozzles. The term nozzle refers to the component of the end plate from which the coating solution is applied to the substrate. The nozzles include flow channels with openings on the inlet side and the outlet side of the end plate. At the inlet side, the coating solution can be pressed from the cavity in the applicator into the channels of the nozzles. The coating medium is discharged at the outlet side and applied to the substrate. According to the invention, at least one nozzle is inclined. “Inclined” means that the nozzle is not arranged at right angles to the end plate, as with conventional plates, but is inclined relative to the end plate. If the plate is not flat, the nozzle is inclined compared to the view of the end plate from the lower side, i.e. the discharge side.
Erfindungsgemäß ist die Neigung der Düse seitlich. Dabei bedeutet "seitlich", dass die Düse, bei einer Aufsicht der Abschlussplatte (von unten) betrachtet, nicht ausschließlich zur Mitte der Abschlussplatte hin oder von der Mitte der Abschlussplatte weg (nach außen hin) geneigt ist. Die seitliche Richtung ist daher die Richtung, die zu der Richtung zur Mitte hin im rechten Winkel steht. Die seitliche Neigung der Düse bewirkt, dass das Beschichtungsmedium seitlich schräg aus der Düse ausgetragen wird, und zwar mindestens teilweise in eine Richtung, die nicht zur Mitte hin oder von der Mitte weg führt. According to the invention, the inclination of the nozzle is lateral. “Sideways” means that the nozzle, when viewed from above the end plate (from below), is not inclined exclusively towards the center of the end plate or away from the center of the end plate (outwards). The lateral direction is therefore the direction that is at right angles to the direction towards the center. The lateral inclination of the nozzle causes the coating medium to be discharged laterally obliquely from the nozzle, at least partially in a direction that does not lead towards or away from the center.
Wenn die Abschlussplatte einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt aufweist, bedeutet "seitlich" geneigt, dass die Düse, bei einer Aufsicht der Abschlussplatte (von unten) betrachtet, ausschließlich oder unter anderem in tangentialer Richtung geneigt ist. Die tangentiale Richtung steht im rechten Winkel zur radialen Richtung der runden oder ovalen Abschlussplatte. If the end plate has a circular or oval cross-section, "laterally" inclined means that the nozzle, when viewed from above the end plate, is inclined exclusively or, among other things, in a tangential direction. The tangential direction is at right angles to the radial direction of the round or oval end plate.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Düse im Wesentlichen seitlich geneigt. Dies bedeutet, dass die Düse entweder nur seitlich (tangential) geneigt ist oder dass die Neigung von der nur seitlichen Richtung (bei runden oder ovalen Platten: der tangentialen Richtung) nur geringfügig abweicht, beispielsweise um weniger als 10°, insbesondere um weniger als 5°. Somit ist Düse dabei nicht oder nur unwesentlich zur Mitte der Platte oder nach außen hin (in radialer Richtung) geneigt. Das Beschichtungsmedium wird bei diesen Ausführungsformen im Wesentlichen oder nur zur Seite hin ausgetragen, nicht jedoch oder nur wenig zur Mitte bzw. zu den Rändern der Beschichtungsplatte hin. Dies hat den Vorteil, dass die Beschichtungslösung auf dem Substrat an keiner Stelle akkumuliert, insbesondere wenn ein Großteil der Düsen auf gleiche Weise ausgerichtet sind. Wenn dagegen die Düsen zum Zentrum hin geneigt sind, wird zur Mitte hin mehr Beschichtungsmedium aufgetragen. Wenn die Düsen nach außen hin geneigt sind, wird nach außen hin mehr Beschichtungsmedium aufgetragen, während zur Mitte hin weniger ausgetragen wird. Dabei kann für ein gleichmäßiges Aufträgen auch eine geringfügige Neigung der seitlich geneigten Düsen zum Zentrum hin vorteilhaft sein, so dass jede Düse geringfügig zur benachbarten Düse hin geneigt ist. Die seitliche Neigung der Düse führt dazu, dass das Beschichtungsmedium aus der Düse nicht in einem senkrechten Strahl aus der Abschlussplatte ausgetragen wird, sondern schräg zur Seite. Überraschenderweise wurde gefunden, dass eine besonders gleichmäßige Beschichtung erhalten werden kann, wenn die Düsen der Abschlussplatte seitlich geneigt sind. Es wird angenommen, dass bei diese Ausführungsform besonders vorteilhaft ist, dass das Beschichtungsmedium seitlich auf das Substrat prallt. Dadurch wird zum einen die Kraft des Aufpralls verringert. Das Aufbringen des Beschichtungsmediums in Form von schrägen Strahlen bewirkt wohl außerdem, dass es gleichmäßiger auf dem Substrat verteilt wird. Ein weiterer Vorteil scheint zu sein, dass das Beschichtungsmedium dabei nicht oder nur wenig in die Kanäle des Substrates eindringt, bevor es gezielt mit Unterdrück in die Kanäle eingesaugt wird. Möglicherweise bewirken die seitlich geneigten Düsen auch, dass sich das Beschichtungsmedium auf dem Substrat nach dem Aufprall schnell in seitliche Richtung verteilt, und dadurch die Aufprallkraft der Strahlen während des weiteren Auftragevorgangs noch weiter abschwächt. Insgesamt können mit dem erfindungsgemäßen Applikator die einzelnen Kanälen des Substrates besonders gleichmäßig beschichtet werden, wobei insbesondere eine besonders gleichmäßige Eindringtiefe erreicht werden kann. In a preferred embodiment, the at least one nozzle is essentially inclined laterally. This means that the nozzle is either only inclined laterally (tangentially) or that the inclination deviates only slightly from the only lateral direction (for round or oval plates: the tangential direction), for example by less than 10°, in particular by less than 5 °. This means that the nozzle is not or only slightly inclined towards the center of the plate or outwards (in the radial direction). In these embodiments, the coating medium is essentially or only discharged to the side, but not or only slightly towards the center or the edges of the coating plate. This has the advantage that the coating solution does not accumulate anywhere on the substrate, especially if the majority of the nozzles are aligned in the same way. On the other hand, if the nozzles are inclined towards the center, more coating medium is applied towards the center. If the nozzles are tilted outward, more coating medium is applied toward the outside while less is discharged toward the center. For even application, a slight inclination of the laterally inclined nozzles towards the center can also be advantageous, so that each nozzle is slightly inclined towards the neighboring nozzle. The lateral inclination of the nozzle means that the coating medium is not discharged from the nozzle in a vertical jet from the end plate, but rather diagonally to the side. Surprisingly, it was found that a particularly uniform coating can be obtained if the nozzles of the end plate are inclined laterally. It is assumed that in this embodiment it is particularly advantageous that the coating medium impacts the substrate laterally. On the one hand, this reduces the force of the impact. Applying the coating medium in the form of oblique jets probably also causes it to be distributed more evenly on the substrate. A further advantage appears to be that the coating medium does not penetrate into the channels of the substrate, or only penetrates a little, before it is specifically sucked into the channels with suppression. The laterally inclined nozzles may also cause the coating medium on the substrate to quickly spread in a lateral direction after impact, thereby further weakening the impact force of the jets during the further application process. Overall, with the applicator according to the invention, the individual channels of the substrate can be coated particularly evenly, and in particular a particularly uniform penetration depth can be achieved.
Es ist nicht erforderlich, dass die Düse über ihre gesamte Länge seitlich geneigt ist. Es ist lediglich erforderlich, dass der untere Bereich zur Austrittsöffnung hin geneigt ist. So kann eine seitlich geneigte Düse beispielsweise aus einer geraden Bohrung in der Abschlussplatte und einem seitlich geneigten Stutzen an der Auslassseite bestehen. It is not necessary for the nozzle to be tilted sideways along its entire length. It is only necessary that the lower area is inclined towards the outlet opening. For example, a laterally inclined nozzle can consist of a straight hole in the end plate and a laterally inclined nozzle on the outlet side.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Neigungswinkel der mindestens einen Düse 2 und 50°, bevorzugt 10 bis 40°, und besonders bevorzugt 15 bis 30°. Die Neigung ist dabei gegenüber einer Aufsicht auf die Platte von unten definiert. Es wurde gefunden, dass die Vorteile hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der beschichteten Produkte bei solchen Neigungswinkeln besonders ausgeprägt sein können. In a preferred embodiment, the angle of inclination of the at least one nozzle is 2 and 50°, preferably 10 to 40°, and particularly preferably 15 to 30°. The inclination is defined in relation to a view of the plate from below. It has been found that the advantages in terms of the uniformity of the coated products can be particularly pronounced at such angles of inclination.
Bevorzugt weist die Mehrzahl der Düsen in der Abschlussplatte die seitliche Neigung auf. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass mindestens 80 %, insbesondere mindestens 90 % oder mindestens 95 % der Düsen in der Abschlussplatte seitlich geneigt sind. Die Düsen sind dabei in einer bevorzugten Ausführungsform nicht oder nur unwesentlich in zur Mitte oder nach außen hin (in radialer Richtung) geneigt. The majority of nozzles in the end plate preferably have a lateral inclination. According to the invention, it is preferred that at least 80%, in particular at least 90% or at least 95% of the nozzles in the end plate are inclined laterally. In a preferred embodiment, the nozzles are not or only slightly inclined towards the center or outwards (in the radial direction).
Die erfindungsgemäße Abschlussplatte weist bevorzugt eine Vielzahl von Düsen auf.The end plate according to the invention preferably has a large number of nozzles.
Bevorzugt weist die Abschlussplatte 10 bis 500 Düsen, insbesondere 60 bis 320 Düsen oder besonders bevorzugt 95 bis 225 Düsen auf. Eine solche hohe Anzahl Düsen ermöglicht ein gleichmäßiges Aufbringen des Beschichtungsmediums und kann lokale Variationen der Beschichtung reduzieren. The end plate preferably has 10 to 500 nozzles, in particular 60 to 320 nozzles or particularly preferably 95 to 225 nozzles. Such a high number of nozzles enables uniform application of the coating medium and can reduce local variations in the coating.
Bevorzugt sind die Düsen möglichst gleichmäßig, und dabei in möglichst gleichen Abständen zueinander, angeordnet. In einer bevorzugte Ausführungsform weisen alle Düsen gleiche Abstände zu den jeweils benachbarten Düsen auf. Solche Anordnungen sind vorteilhaft, um eine möglichst gleichmäßige Einbringung des Beschichtungsmediums und möglichst gleichmäßige Beschichtung des Substrates zu erreichen. The nozzles are preferably arranged as uniformly as possible and at the same distance from one another as possible. In a preferred embodiment, all nozzles have the same distances from the neighboring nozzles. Such arrangements are advantageous in order to achieve the most uniform possible introduction of the coating medium and the most uniform possible coating of the substrate.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Abschlussplatte seitlich geneigte Düsen und optional eine zentrale Düse auf. Die zentrale Düse kann nicht geneigt oder geneigt sein. Bevorzugt sind sämtliche Düsen seitlich geneigt, wobei die zentrale Düse nicht geneigt ist. Mit einer solchen Anordnung kann erreicht werden, dass das Beschichtungsmedium besonders gleichmäßig auf das Substrat aufgebracht wird, weil sämtliche Düsen, gegebenen falls bis auf eine zentrale Düse, das Beschichtungsmedium in Form von schrägen Strahlen austragen. Bei dieser Anordnung können besonders gleichmäßig beschichtete Substrate erhalten werden. In a preferred embodiment, the end plate has laterally inclined nozzles and optionally a central nozzle. The central nozzle can be non-slanted or tilted. All nozzles are preferably inclined laterally, with the central nozzle not being inclined. With such an arrangement it can be achieved that the coating medium is applied particularly evenly to the substrate because all nozzles, possibly except for a central nozzle, discharge the coating medium in the form of oblique jets. With this arrangement, particularly uniformly coated substrates can be obtained.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Abschlussplatte keine zentrale Düse auf, sondern mindestens eine geneigte Düse, die den Strahl schräg auf das Zentrum des Katalysatorträgers (in der Aufsicht) richtet. Auf diese Weise kann das Beschichtungsmedium auch ohne eine zentrale Düse in der Abschlussplatte gleichmäßig, und dabei auch auf das Zentrum des Katalysatorträgers, aufgetragen werden. In a further embodiment, the end plate does not have a central nozzle, but rather at least one inclined nozzle, which directs the jet obliquely towards the center of the catalyst carrier (in top view). In this way, the coating medium can be applied evenly, even without a central nozzle in the end plate, and also onto the center of the catalyst support.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind alle Düsen der Abschlussplatte symmetrisch angeordnet, insbesondere rotationssymmetrisch. Bevorzugt sind die seitlich geneigten Düsen in konzentrischen Kreisen um die zentrale nicht geneigte Düse angeordnet. Vorzugsweise umfasst die Platte eine zentrale Düse und 2 bis 9 Lochkreise mit je 6 bis 54 Düsen in der Peripherie. Die Düsen sind hierbei in möglichst gleichmäßigen Abständen zueinander eingeteilt. Die Anordnung in konzentrischen Kreisen ist besonders vorteilhaft, weil auf einfache Weise konstruktiv eine gleichmäßige Verteilung der Düsen ermöglicht werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Düsen eines konzentrischen Kreises gleich ausgerichtet. Dabei kann jede Düse auf gleiche Weise tangential oder zu einer benachbarten Düse hin geneigt sein. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige Verteilung des Beschichtungsmediums auf das Substrat erreicht. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Düsen spiralförmig angeordnet. Dabei sind die Düsen spiralförmig vom Zentrum der Platte nach außen hin ausgerichtet. Auch mit einer solchen Anordnung kann ein gleichmäßiger Auftrag des Beschichtungsmediums auf das Substrat erreicht werden. In a preferred embodiment, all nozzles of the end plate are arranged symmetrically, in particular rotationally symmetrically. Preferably the laterally inclined nozzles are arranged in concentric circles around the central non-inclined nozzle. The plate preferably comprises a central nozzle and 2 to 9 hole circles, each with 6 to 54 nozzles in the periphery. The nozzles are spaced as evenly apart as possible. The arrangement in concentric circles is particularly advantageous because a uniform distribution of the nozzles can be made possible in a simple structural manner. In a preferred embodiment, the nozzles of a concentric circle are aligned the same. Each nozzle can be tangential in the same way or inclined towards an adjacent nozzle. This achieves a particularly uniform distribution of the coating medium on the substrate. In a preferred embodiment, the nozzles are arranged spirally. The nozzles are aligned spirally from the center of the plate outwards. Even with such an arrangement, a uniform application of the coating medium to the substrate can be achieved.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand der Düsen zueinander zwischenIn a preferred embodiment, the distance between the nozzles is between
4 und 20 mm, bevorzugt zwischen 6 und 10 mm, jeweils in Bezug auf das Zentrum der Austragsöffnungen. Dabei sind bevorzugt alle Abstände der benachbarten Düsen in der Abschlussplatte, in jedem konzentrischen Kreis und/oder in einer spiralförmigen Anordnung identisch. 4 and 20 mm, preferably between 6 and 10 mm, each with respect to the center of the discharge openings. All distances between the adjacent nozzles in the end plate, in each concentric circle and/or in a spiral arrangement are preferably identical.
Der Durchmesser der Austragsöffnung der Düsen ist bevorzugt zwischen 0,5 und 5 mm, besonders bevorzugt zwischen 1 ,6 und 3 mm. Bevorzugt weisen alle Düsen in der Platte Austragsöffnungen gleichen Durchmessers auf. Dies ermöglicht ein besonders gleichmäßiges Aufbringen und Beschichten des Substrates. Mit solchen Düsen können Beschichtungsmedien besonders effizient auf Substrate aufgetragen werden, die Katalysatorträger für Abgasreinigungsvorrichtungen mit feinen parallelen Kanälen sind. The diameter of the discharge opening of the nozzles is preferably between 0.5 and 5 mm, particularly preferably between 1.6 and 3 mm. All nozzles in the plate preferably have discharge openings of the same diameter. This enables particularly even application and coating of the substrate. With such nozzles, coating media can be applied particularly efficiently to substrates that are catalyst supports for exhaust gas purification devices with fine parallel channels.
Alternativ ist es möglich, dass das Beschichtungsmedium ungleichmäßig auf das Substrat aufgetragen wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Beschichtung einen Gradienten aufweist. So kann es für spezielle Anwendungen von Vorteil sein, eine höhere Konzentration der katalytischen Beschichtung in den inneren Kanälen oder äußeren Kanälen einzustellen. Ein Gradient kann beispielsweise erreicht werden, wenn die Auslassöffnungen der Düsen in Teilbereichen der Platte zueinander unterschiedlich sind und/oder wenn die Neigung der Düsen so variiert wird, dass in einigen Bereichen mehr Beschichtungslösungen ausgetragen wird als in anderen Bereichen. Alternatively, it is possible that the coating medium is applied unevenly to the substrate. In this way it can be achieved that the coating has a gradient. For special applications, it can be advantageous to set a higher concentration of the catalytic coating in the inner channels or outer channels. A gradient can be achieved, for example, if the outlet openings of the nozzles in partial areas of the plate are different from one another and/or if the inclination of the nozzles is varied so that more coating solutions are discharged in some areas than in other areas.
Es ist bevorzugt, dass die Düsen stutzenförmig ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass sie zur Austragsseite hin aus der Abschlussplatte herausragen. Die Ausgestaltung als Stutzen ist vorteilhaft, weil eine seitliche Neigung konstruktiv relativ einfach und stabil eingestellt werden kann und ein Verkleben der Platte von unten erschwert wird. Die Düsen weisen bevorzugt eine Länge von 5 mm - 15 mm, mehr bevorzugt eine Länge von 6 - 8 mm auf. Die Höhe der Erhebung über den Rand der Abschlussplatte beträgt um die 0,5 - 2,9 mm, mehr bevorzugt 1 ,5 - 2,5 mm. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Stutzen der Düse nach zum Ausfluss hin eine konkave beziehungsweise eine angesenkte Düse auf. Der Abstand zwischen den Düsen liegt bevorzugt im Bereich vonIt is preferred that the nozzles are designed in the shape of a nozzle. This means that they protrude from the end plate towards the discharge side. The design as a socket is advantageous because a lateral inclination can be set in a relatively simple and stable manner and it makes it more difficult to glue the plate from below. The nozzles preferably have a length of 5 mm - 15 mm, more preferably a length of 6 - 8 mm. The height of the elevation above the edge of the end plate is around 0.5 - 2.9 mm, more preferably 1.5 - 2.5 mm. In a preferred embodiment, the nozzles of the nozzle have a concave or countersunk nozzle towards the outflow. The distance between the nozzles is preferably in the range of
5 - 20 mm und ganz bevorzugt 8 - 14 mm. In einer anderen Ausführungsform können die Düsen Kanäle sein, die nicht aus der Platte herausragen, beispielsweise in Form von Bohrungen. 5 - 20 mm and most preferably 8 - 14 mm. In another embodiment, you can the nozzles can be channels that do not protrude from the plate, for example in the form of holes.
Die vorzugsweise stutzenförmigen Düsen in der Abschlussplatte können jedwede Form und Querschnitte aufweisen (z.B. Kanäle, Schlitze, Kreise, Spiralen etc.). Im einfachsten Fall sind die Düsen Kanäle mit rundem Querschnitt. Die Düsen und/oder Auslassöffnungen der Abschlussplatte sind bevorzugt gleich groß. The preferably nozzle-shaped nozzles in the end plate can have any shape and cross section (e.g. channels, slots, circles, spirals, etc.). In the simplest case, the nozzles are channels with a round cross-section. The nozzles and/or outlet openings of the end plate are preferably the same size.
Der Hohlraum, die Abschlussplatte mit ihren Düsen sind bevorzugt in ihren Dimensionen und ihrer Gestaltung aufeinander abgestimmt, sodass sich eine homogene Verteilung des Beschichtungsmediums auf dem zu beschichtenden Substrat ergibt. The cavity, the end plate with their nozzles are preferably coordinated with one another in terms of their dimensions and design, so that there is a homogeneous distribution of the coating medium on the substrate to be coated.
Der gesamte Applikator ist vorzugsweise aus Plastik gefertigt. Er kann jedoch auch komplett aus Metall aufgebaut sein. Die Materialien sind so gewählt, dass diese sich mit der katalytisch aktiven Beschichtung für die Autoabgasnachbehandlung vertragen. Als Plastik wird bevorzug das Material PE-HD 1000 verwendet. Teile aus Metall sind bevorzugt aus einem Edelstahl gleichwertig oder ähnlich Werkstoffnummer 1.4571 (X6CrNiMoTi17-12-2) gefertigt. The entire applicator is preferably made of plastic. However, it can also be made entirely of metal. The materials are chosen so that they are compatible with the catalytically active coating for car exhaust aftertreatment. The preferred plastic material used is PE-HD 1000. Metal parts are preferably made of stainless steel equivalent or similar to material number 1.4571 (X6CrNiMoTi17-12-2).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist in dem Hohlraum eine Prallplatte angeordnet, die den Fluss des Beschichtungsmediums von der Zuleitung zur mindestens einen Öffnung versperrt. Das Beschichtungsmedium wird bevorzugt durch eine Pumpe in den Applikator eindosiert. Die Prallplatte kann statisch angeordnet sein. Die Prallplatte kann alternativ reversibel beweglich sein. Dabei versperrt sie bevorzugt den Fluss des Beschichtungsmediums im drucklosen Zustand, während bei Druck durch das Beschichtungsmedium auf die Prallplatte der Fluss des Beschichtungsmediums von der Zuleitung zur mindestens einen Öffnung gestattet wird. Der Druck, der über das Beschichtungsmedium aufgebaut wird, dient dabei dazu, die Prallplatte des Applikators so zu verschieben, dass sich der Weg zur Abschlussplatte öffnet. Die Beschichtungssuspension kann dann, beispielsweise durch Düsen in der Prallplatte, in den Hohlraum des Applikators gepresst werden. Durch die sich im drucklosen Zustand schließende Prallplatte im Inneren des Applikators bedingt erfolgt kein Nachtropfen des Beschichtungsmediums auf die Stirnseite des Substrates. Mit einer solchen verschiebbaren Prallplatte kann die Genauigkeit der Dosierung des Beschichtungsmediums auf das Substrat noch weiter erhöht werden. Der Applikator und die Verfahren können zum Beschichten einer Vielzahl von Substraten genutzt werden. Dabei ist es bevorzugt, dass das Innere des Substrates beschichtet wird. Bevorzugt weist das Substrat eine Vielzahl von Kanälen auf, die insbesondere zueinander parallel sind, und die gezielt von einer Seite mit dem Beschichtungsmedium beladen werden, insbesondere durch Einsaugen. Besonders bevorzugt ist das Substrat ein Katalysatorträger für die Abgasnachbehandlung. Die Kanäle werden dabei bevorzugt so befüllt, dass ihre Innenseiten beschichtet werden, aber nicht vollständig gefüllt werden, so dass sie nach dem Trocknen der Beschichtung noch durchlässig für Fluide, wie Abgase, sind. In a preferred embodiment, a baffle plate is arranged in the cavity, which blocks the flow of the coating medium from the supply line to at least one opening. The coating medium is preferably metered into the applicator using a pump. The baffle plate can be arranged statically. The baffle plate can alternatively be reversibly movable. It preferably blocks the flow of the coating medium in the unpressurized state, while when pressure is exerted by the coating medium on the baffle plate, the flow of the coating medium from the supply line to at least one opening is permitted. The pressure that is built up via the coating medium serves to move the impact plate of the applicator so that the path to the end plate opens. The coating suspension can then be pressed into the cavity of the applicator, for example through nozzles in the baffle plate. Due to the baffle plate inside the applicator, which closes in the depressurized state, the coating medium does not drip onto the front side of the substrate. With such a displaceable baffle plate, the accuracy of dosing the coating medium onto the substrate can be increased even further. The applicator and methods can be used to coat a variety of substrates. It is preferred that the interior of the substrate is coated. The substrate preferably has a plurality of channels, which are in particular parallel to one another, and which are specifically loaded with the coating medium from one side, in particular by suction. The substrate is particularly preferably a catalyst support for exhaust gas aftertreatment. The channels are preferably filled in such a way that their insides are coated, but are not completely filled, so that they are still permeable to fluids, such as exhaust gases, after the coating has dried.
Vorteilhaft ist eine Verwendung des Applikators zur Herstellung eines Substratmonolithen mit einer für die Autoabgasnachbehandlung katalytisch aktiven Beschichtung. Das hier verwendete Beschichtungsmedium ist dabei in der Regel eine Suspension (slurry, washcoat), welche evtl, saure oder basische Eigenschaften hat, zumindest aber sehr abrasiv wirkt (siehe weiter hinten). Dies ist bei der vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Applikators entsprechend zu berücksichtigen. Die einzusetzenden Beschichtungsmedien sind dem Fachmann hinlänglich bekannt. It is advantageous to use the applicator to produce a substrate monolith with a catalytically active coating for car exhaust aftertreatment. The coating medium used here is usually a suspension (slurry, washcoat), which may have acidic or basic properties, or at least has a very abrasive effect (see further below). This must be taken into account accordingly in the advantageous design of the applicator according to the invention. The coating media to be used is well known to those skilled in the art.
Das Substrat ist bevorzugt ein Katalysatorträger vom Wandfluss-Typ (Wandflussfilter) oder vom Durchfluss-Typ, insbesondere in Form eines Monolithen. Durchflussmonolithe sind im Stand der Technik übliche Katalysatorträger, die aus Metall (corrugated carrier, z.B. WO17153239A1 , WO16057285A1 , WO15121910A1 und darin zitierte Literatur) oder keramischen Materialien bestehen können. Bevorzugt werden feuerfeste Keramiken wie zum Beispiel Corderit, Siliziumcarbit oder Aluminiumtitanat etc. eingesetzt. Die Anzahl der Düsen pro Fläche wird durch die Zelldichte charakterisiert, welche üblicher Weise zwischen ungefähr 1.300 und 5.800 Zellen/cm2 (200 und 900 Zellen pro Quadrat inch, cpsi) ist. Die Wanddicke der Düsenwände beträgt bei Keramiken zwischen 0,5 - 0,05 mm. The substrate is preferably a catalyst support of the wall flow type (wall flow filter) or of the flow type, in particular in the form of a monolith. Flow-through monoliths are catalyst carriers that are common in the prior art and can consist of metal (corrugated carrier, for example WO17153239A1, WO16057285A1, WO15121910A1 and the literature cited therein) or ceramic materials. Fireproof ceramics such as corderite, silicon carbite or aluminum titanate etc. are preferably used. The number of nozzles per area is characterized by the cell density, which is typically between about 1,300 and 5,800 cells/cm 2 (200 and 900 cells per square inch, cpsi). The wall thickness of the nozzle walls for ceramics is between 0.5 - 0.05 mm.
Als Wandflussmonolithe oder Wandflussfilter können alle im Stand der Technik üblichen keramischen Materialien eingesetzt werden. Bevorzugt werden poröse Wandflussfiltersubstrate aus Corderit, Siliziumcarbid oder Aluminiumtitanat eingesetzt. Diese Wandflussfiltersubstrate weisen An- und Abströmöffnungen auf, wobei jeweils die abströmseitigen Enden der Anströmöffnungen und die anströmseitigen Enden der Abströmöffnungen gegeneinander versetzt mit gasdichten „Stopfen“ verschlossen sind. Hierbei wird das zu reinigende Abgas, das das Filtersubstrat durchströmt, zum Durchtritt durch die poröse Wand zwischen An- und Abströmöffnungen gezwungen, was eine exzellente Partikelfilterwirkung bedingt. Durch die Porosität, Poren-/Radienverteilung, und Dicke der Wand kann die Filtrationseigenschaft für Partikel ausgelegt werden. Die Porosität der unbeschichteten Wandflussfilter beträgt in der Regel mehr als 40 %, generell von 40 % bis 75 %, besonders von 50 % bis 70 % (gemessen nach DIN 66133 - neueste Fassung am Anmeldetag). Die durchschnittliche Porengröße (Durchmesser) der unbeschichteten Filter beträgt wenigstens 7 pm, z. B. von 7 pm bis 34 pm, bevorzugt mehr als 10 pm, insbesondere mehr bevorzugt von 10 pm bis 25 pm oder ganz bevorzugt von 15 pm bis 20 pm (gemessen nach DIN 66134 neueste Fassung am Anmeldetag). All ceramic materials customary in the prior art can be used as wall flow monoliths or wall flow filters. Porous wall flow filter substrates made of corderite, silicon carbide or aluminum titanate are preferably used. These wall flow filter substrates have inflow and outflow openings, with the outflow ends of the inflow openings and the inflow ends of the outflow openings offset from one another with gas-tight “plugs”. Here, the exhaust gas to be cleaned, which flows through the filter substrate, is forced to pass through porous wall forced between inflow and outflow openings, which results in an excellent particle filter effect. The filtration properties for particles can be designed through the porosity, pore/radius distribution, and thickness of the wall. The porosity of the uncoated wall flow filters is usually more than 40%, generally from 40% to 75%, especially from 50% to 70% (measured according to DIN 66133 - latest version on the filing date). The average pore size (diameter) of the uncoated filters is at least 7 pm, e.g. B. from 7 pm to 34 pm, preferably more than 10 pm, particularly more preferably from 10 pm to 25 pm or very preferably from 15 pm to 20 pm (measured according to DIN 66134 latest version on the filing date).
Das Beschichtungsmedium ist bevorzugt eine Suspension. Das Lösungsmittel ist bevorzugt Wasser. Solche Beschichtungsmedien werden in dem technischen Gebiet als Washcoat bezeichnet. Vorzugsweise ist das Beschichtungsmedium strukturviskos (https://de.wikipedia.org/wiki/Strukturviskosit%C3%A4t). Die Viskosität ist bevorzugt von 1 ,0087 - 1000 mPas, vorzugsweise 100 - 780 mPas, bei einer Scherrate von 100 1/s. Die Viskosität kann beispielsweise mit einem Viskosimeter gemäß EN ISO 3219 gemessen werden. Die Beschichtungsmedien, insbesondere in Form von Washcoats, weisen Festkörper auf und enthalten die katalytisch aktiven Komponenten oder deren Precursor sowie anorganische Oxide wie Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkonoxid, Ceroxid oder deren Kombinationen, wobei die Oxide mit z.B. Silizium oder Lanthan dotiert sein können. Als katalytisch aktive Komponenten können Oxide von Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Kupfer, Zink, Nickel oder Seltenerdmetalle wie Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium oder deren Kombinationen eingesetzt werden. Als katalytisch aktive Komponenten können außerdem Edelmetalle wie Platin, Palladium, Gold, Rhodium, Iridium, Osmium, Ruthenium sowie deren Kombinationen eingesetzt werden. Diese Metalle können auch als Legierungen miteinander oder anderen Metallen oder als Oxide vorliegen. Im flüssigen Beschichtungsmedium können die Metalle auch als Precursor vorliegen, wie Nitrate, Sulfite oder Organyle der genannten Edelmetalle sowie deren Mischungen, insbesondere können Palladiumnitrat, Palladiumsulfit, Platinnitrat, Platinsulfit oder Pt(NH3)4(NOs)2 eingesetzt werden. Durch Kalzinierung bei etwa 400°C bis etwa 700°C kann dann die katalytisch aktive Komponente aus dem Precursor erhalten werden. The coating medium is preferably a suspension. The solvent is preferably water. Such coating media are referred to in the technical field as washcoats. The coating medium is preferably structurally viscous (https://de.wikipedia.org/wiki/Structuralviskosit%C3%A4t). The viscosity is preferably from 1.0087 - 1000 mPas, preferably 100 - 780 mPas, at a shear rate of 100 1/s. The viscosity can be measured, for example, with a viscometer according to EN ISO 3219. The coating media, in particular in the form of washcoats, have solids and contain the catalytically active components or their precursors as well as inorganic oxides such as aluminum oxide, titanium dioxide, zirconium oxide, cerium oxide or combinations thereof, whereby the oxides can be doped with, for example, silicon or lanthanum. Oxides of vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, copper, zinc, nickel or rare earth metals such as lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium can be used as catalytically active components , ytterbium or their combinations can be used. Precious metals such as platinum, palladium, gold, rhodium, iridium, osmium, ruthenium and combinations thereof can also be used as catalytically active components. These metals can also exist as alloys with each other or other metals or as oxides. In the liquid coating medium, the metals can also be present as precursors, such as nitrates, sulfites or organyls of the noble metals mentioned and mixtures thereof, in particular palladium nitrate, palladium sulfite, platinum nitrate, platinum sulfite or Pt(NH3)4(NOs)2 can be used. The catalytically active component can then be obtained from the precursor by calcination at about 400 ° C to about 700 ° C.
Als für die Oxidation von Kohlenwasserstoffen geeignet haben sich beispielsweise Me- tallionen aus der Gruppe der Platinmetalle, insbesondere Platin, Palladium und Rhodium herauskristallisiert, während z.B. sich die SCR-Reaktion am effektivsten mit Zeolithen bzw. Zeotypen (Molekularsiebe mit anderen oder weiteren Elementen als Kationen im Framework verglichen mit Zeolithen) gezeigt hat, die mit Eisen- und/oder Kupferionen ausgetauscht sind. Das die katalytische Aktivität bedingende Material (Washcoat) kann demnach auch Zeolithe oder Zeotype enthalten. Als Zeolithe bzw. Zeotype können im Prinzip alle, dem Fachmann für den entsprechenden Anwendungsbereich in Frage kommende Typen oder Mischungen derselben angewendet werden. Dazu gehören natürlich vorkommende, bevorzugt aber synthetisch hergestellte Zeolithe. Diese können Gerüsttypen z.B. aus der Gruppe bestehend aus Beta, Ferrierit, Y, USY, ZSM-5, ITQ aufweisen. Beispiele für hier in Frage kommende synthetisch hergestellte kleinporige Zeolithe und Zeotype sind solche, die den Strukturtypen ABW, AGO, AEI, AEN, AFN, AFT, AFX, ANA, APC, APD, ATN, ATT, ATV, AWO, AWW, BIK, BRE, CAS, ODO, CHA, DDR, DFT, EAB, EDI, EPI, ERI, ESV, GIS, GOO, IHW, ITE, ITW, JBW, KFI, LEV, LTA, LTJ, MER, MON, MTF, NSI, OWE, PAU, PHI, RHO, RTE, RTH, SAS, SAT, SAV, SIV, THO, TSC, UEI, UFI, VNI, YUG und ZON angehören. Bevorzugt werden solche vom kleinporigen Typ eingesetzt, welche sich von einem Strukturtyp aus der Gruppe bestehend aus CHA, LEV, AFT, AEI, AFI, AFX, KFI, ERI, DDR ableiten. Besonders bevorzugt sind hier diejenigen, welche sich vom CHA-, LEV-, AEI-, AFX-, AFI- oder KFI-Gerüst ableiten. Ganz besonders bevorzugt ist ein Zeolith vom AEI- bzw. CHA-Typ in diesem Zusammenhang. Auch Mischungen der genannten Spezies sind möglich. Der SAR-Wert des Zeolithen oder der entsprechende Wert beim Zeotypen (z.B. SAPO -> (AI+P)/2Si) sollte im Bereich von 5 bis 50, bevorzugt 10 bis 45 und ganz bevorzugt 20 bis 40 liegen. Für eine entsprechend gute Aktivität z.B. in der SCR-Reaktion ist es notwendig, dass die Zeolithe bzw. Zeotype und insbesondere die vom kleinporigen Typ mit Metallionen, insbesondere Übergangs- metallionen ausgetauscht vorliegen. Hier kann der Fachmann die für die entsprechende Reaktion bevorzugt einsetzbaren Metallionen, insbesondere Kupferionen, heranziehen. Der Fachmann weiß, wie ein solcher lonenaustausch erfolgen kann (z.B. W02008/106519A1). Der Austauschgrad (Anzahl Ionen an Austauschplätzen/Gesamt- zahl der Austauschplätze) sollte zwischen 0,3 und 0,5 liegen. Als Austauschplätze sind hier solche gemeint, an denen die positiven Ionen negative Ladungen des Gitters kompensieren. Bevorzugt können auch weitere nichtausgetauschte Metallionen, insbesondere Fe- und/oder Cu-Ionen im finalen SCR-Katalysator vorliegen. Das Verhältnis ausgetauschte zu nicht-ausgetauschten Ionen liegt bei >50:50, bevorzugt 60:40 - 95:5 und äußerst bevorzugt 70:30 - 90:10. Die auf Austauschplätzen sitzenden Ionen sind in der Elektronenspinresonanzanalyse sichtbar und können quantitativ bestimmt werden (Quantitative EPR, Gareth R. Eaton, Sandra S. Eaton, David P. Barr, Ralph T. Weber, Springer Science & Business Media, 2010). Alle nicht-ionenausgetauschten Kationen befinden sich an anderen Stellen innerhalb oder außerhalb des Zeolithen/Zeotypen. Letztere kompensieren keine negative Ladung des Zeolith/Zeoltyp-Gerüsts. Sie sind in der EPR unsichtbar und können so aus der Differenz zwischen der Gesamtmetallbeladung (z.B. per ICP bestimmt) und dem in der EPR bestimmten Wert errechnet werden. Die Zugabe der entsprechenden Ionen zur Beschichtungsmischung wird so gesteuert, dass die Gesamtmenge an Metallionen, insbesondere Fe- und/oder Cu-Ionen im finalen Gesamtkatalysator bei 0,5 - 10 Gew.-%, bevorzugt 1 - 5 Gew.-% der Beschichtungsmenge liegt. Metal ions from the group of platinum metals, in particular platinum, palladium and rhodium, for example, have proven suitable for the oxidation of hydrocarbons crystallized out, while, for example, the SCR reaction has proven to be most effective with zeolites or zeotypes (molecular sieves with other or additional elements as cations in the framework compared to zeolites) that are exchanged with iron and / or copper ions. The material causing the catalytic activity (washcoat) can therefore also contain zeolites or zeotypes. In principle, all types or mixtures of these that are suitable for the relevant area of application can be used as zeolites or zeotypes. These include naturally occurring, but preferably synthetically produced zeolites. These can have framework types, for example, from the group consisting of Beta, Ferrierite, Y, USY, ZSM-5, ITQ. Examples of synthetically produced small-pore zeolites and zeotypes in question here are those that have the structure types ABW, AGO, AEI, AEN, AFN, AFT, AFX, ANA, APC, APD, ATN, ATT, ATV, AWO, AWW, BIK, BRE, CAS, ODO, CHA, DDR, DFT, EAB, EDI, EPI, ERI, ESV, GIS, GOO, IHW, ITE, ITW, JBW, KFI, LEV, LTA, LTJ, MER, MON, MTF, NSI, OWE, PAU, PHI, RHO, RTE, RTH, SAS, SAT, SAV, SIV, THO, TSC, UEI, UFI, VNI, YUG and ZON. Preference is given to using those of the small-pore type, which are derived from a structure type from the group consisting of CHA, LEV, AFT, AEI, AFI, AFX, KFI, ERI, DDR. Particularly preferred here are those which are derived from the CHA, LEV, AEI, AFX, AFI or KFI framework. A zeolite of the AEI or CHA type is particularly preferred in this context. Mixtures of the species mentioned are also possible. The SAR value of the zeolite or the corresponding value for the zeotype (eg SAPO -> (AI+P)/2Si) should be in the range from 5 to 50, preferably 10 to 45 and most preferably 20 to 40. For a correspondingly good activity, for example in the SCR reaction, it is necessary that the zeolites or zeotypes and in particular those of the small-pore type are exchanged with metal ions, in particular transition metal ions. Here the person skilled in the art can use the metal ions, in particular copper ions, which can preferably be used for the corresponding reaction. The person skilled in the art knows how such an ion exchange can take place (e.g. WO2008/106519A1). The degree of exchange (number of ions at exchange sites/total number of exchange sites) should be between 0.3 and 0.5. The exchange sites here are those where the positive ions compensate for negative charges on the lattice. Further non-exchanged metal ions, in particular Fe and/or Cu ions, can preferably also be present in the final SCR catalyst. The ratio of exchanged to non-exchanged ions is >50:50, preferably 60:40 - 95:5 and most preferably 70:30 - 90:10. The ions sitting on exchange sites are visible in electron spin resonance analysis and can be determined quantitatively (Quantitative EPR, Gareth R. Eaton, Sandra S. Eaton, David P. Barr, Ralph T. Weber, Springer Science & Business Media, 2010). All non-ion-exchanged cations are located elsewhere inside or outside the zeolite/zeotype. The latter do not compensate for the negative charge of the zeolite/zeol-type framework. They are invisible in the EPR and can therefore be calculated from the difference between the total metal loading (e.g. determined by ICP) and the value determined in the EPR. The addition of the corresponding ions to the coating mixture is controlled so that the total amount of metal ions, in particular Fe and / or Cu ions in the final total catalyst is 0.5 - 10% by weight, preferably 1 - 5% by weight of the coating amount lies.
Neben den eben diskutierten Komponenten kann das Beschichtungsmedium auch weitere Bestandteile enthalten. Diese Komponenten können die katalytische Funktion des katalytisch aktiven Materials weiter unterstützen, greifen selbst jedoch nicht aktiv in die Reaktion ein. Hier zum Einsatz kommende Materialien sind z.B. sogenannte Binder. Letztere sorgen unter anderem dafür, dass die an der Reaktion beteiligten Materialien und Komponenten ausreichend fest auf dem entsprechenden Substrat haften können. Als vorteilhafte Komponenten haben sich in diesem Zusammenhang Binder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkondioxid, Siliziumdioxid oder deren Oxid-Hydroxiden (beispielsweise Boehmit) oder Mischungen derselben erwiesen. Vorteilhaft kommen vorliegend hochoberflächige Aluminiumoxide zum Einsatz. Der Binder wird in einer bestimmten Menge in der Beschichtung verwendet. Bezogen auf das in der Beschichtungssuspension eingesetzte feste Material wird der weitere Bestandteil, z.B. der Binder in einer Menge von max. 25 Gew.-%, vorzugsweise max. 20 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt in einer Menge von 5 Gew.-% - 15 Gew.-% verwendet. In addition to the components just discussed, the coating medium can also contain other components. These components can further support the catalytic function of the catalytically active material, but do not actively intervene in the reaction themselves. Materials used here include so-called binders. The latter ensure, among other things, that the materials and components involved in the reaction can adhere sufficiently firmly to the corresponding substrate. Binders selected from the group consisting of aluminum oxide, titanium dioxide, zirconium dioxide, silicon dioxide or their oxide hydroxides (for example boehmite) or mixtures thereof have proven to be advantageous components in this context. High-surface aluminum oxides are advantageously used here. The binder is used in the coating in a certain amount. Based on the solid material used in the coating suspension, the further component, for example the binder, is used in an amount of max. 25% by weight, preferably max. 20% by weight and most preferably in an amount of 5% by weight. - 15% by weight used.
Die derart hergestellten katalytisch in der Abgasnachbehandlung aktiven Substratmonolithe können im Prinzip in allen dem Fachmann für den Autoabgasbereich bekannten Abgasnachbehandlungen eingesetzt werden. Bevorzugt kann die katalytische Beschichtung des Substratmonolithen ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Dreiwegkatalysator, SCR-Katalysator, Stickoxidspeicherkatalysator, Oxidationskatalysator, Rußzündbeschichtung. Hinsichtlich der einzelnen in Frage kommenden katalytischen Aktivitäten und deren Erklärung wird auf die Ausführungen in der WO2011151711 A1 verwie- sen. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit Beschichtungsmedium mit einem erfindungsgemäßen Applikator, umfassend die Schritte: The substrate monoliths produced in this way, which are catalytically active in the exhaust gas aftertreatment, can in principle be used in all exhaust gas aftertreatments known to those skilled in the automotive exhaust sector. The catalytic coating of the substrate monolith can preferably be selected from the group consisting of three-way catalyst, SCR catalyst, nitrogen oxide storage catalyst, oxidation catalyst, soot ignition coating. With regard to the individual catalytic activities in question and their explanation, reference is made to the statements in WO2011151711 A1. The invention also relates to a method for coating a substrate with a coating medium using an applicator according to the invention, comprising the steps:
(a) Applizieren des Beschichtungsmediums durch die Düsen der Abschlussplatte auf das Substrat, und (a) applying the coating medium to the substrate through the nozzles of the end plate, and
(b) Einsaugen des Beschichtungsmediums in das Substrat. (b) sucking the coating medium into the substrate.
Das Applizieren des Beschichtungsmediums in Schritt (a) erfolgt dabei in einen Bereich oberhalb des Substrates. Wegen der zumindest teilweise schrägen Anordnung der Düsen wird das Beschichtungsmedium in einem schrägen Strahl auf das Substrat aufgebracht, was zu einer besonders gleichmäßigen Beschichtung führt. Erst wenn die vollständige Menge des Beschichtungsmediums für das Substrat in den Bereich eingespeist wurde, wird das Beschichtungsmedium in Schritt (b) in das Substrat eingesaugt. Das Einsaugen erfolgt durch Anlegen eines Unterdrucks, insbesondere eines Vakuums. In Schritt (a) wird das Beschichtungsmedium bevorzugt durch Druck appliziert, beispielsweise zwischen 0,3 und 10 bar, insbesondere zwischen 1 ,5 und 3,5 bar. In Schritt b) erfolgt das Einsaugen bevorzugt mit Unterdrück, beispielsweise zwischen 10 und 500 mbar, insbesondere zwischen 50 und 200 mbar. Mit solchen Einstellungen kann eine besonders effiziente und zügige Herstellung des beschichteten Substrates erreicht werden. The application of the coating medium in step (a) takes place in an area above the substrate. Because of the at least partially oblique arrangement of the nozzles, the coating medium is applied to the substrate in an oblique jet, which leads to a particularly uniform coating. Only when the complete amount of the coating medium for the substrate has been fed into the area is the coating medium sucked into the substrate in step (b). The suction is carried out by applying a negative pressure, in particular a vacuum. In step (a), the coating medium is preferably applied by pressure, for example between 0.3 and 10 bar, in particular between 1.5 and 3.5 bar. In step b), the suction is preferably carried out with negative pressure, for example between 10 and 500 mbar, in particular between 50 and 200 mbar. With such settings, particularly efficient and rapid production of the coated substrate can be achieved.
Bevorzugt wird das Verfahren automatisiert und mit hohem Durchsatz durchgeführt, bevorzugt in einem kontinuierlichen Prozess für eine definierte Stückzahl. Bei automatisierten Verfahren erfolgt das Applizieren des Beschichtungsmediums in Schritt (a) mit hoher Geschwindigkeit, beispielsweise innerhalb von einer Zeitspanne von 200 ps bis 6 s, insbesondere zwischen 500 ps und 3 s. Bevorzugt erfolgt das Einsaugen in Schritt (b) in einer Zeitspanne von 10 ps bis 10 s, insbesondere zwischen 20 ps und 2,5 s. The process is preferably automated and carried out with high throughput, preferably in a continuous process for a defined number of pieces. In automated processes, the coating medium is applied in step (a) at high speed, for example within a period of 200 ps to 6 s, in particular between 500 ps and 3 s. The suction in step (b) preferably takes place in a period of 10 ps to 10 s, especially between 20 ps and 2.5 s.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorteilhaft, dass eine besonders gleichmäßige Beschichtung der feinen Kanäle eines Katalysatorträgers erreicht werden kann. Da die Eindringtiefe des Beschichtungsmediums in das Katalysatorsubstrat besonders gleichmäßig ist, eignet sich das Verfahren in besonderem Maße für eine automatisierte Herstellung, bei der eine hohe Stückzahl Substrate in schneller Abfolge beschichtet wird. The advantage of the method according to the invention is that a particularly uniform coating of the fine channels of a catalyst support can be achieved. Since the penetration depth of the coating medium into the catalyst substrate is particularly uniform, the process is particularly suitable for automated production in which a large number of substrates are coated in rapid succession.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden mit dem Verfahren zwei oder mehr Beschichtungen auf dasselbe Substrat aufgetragen, typischerweise in definierten Teilbereichen (Zonen) mit unterschiedlicher katalytischer Wirkung. Im Stand der Technik ist es besonders aufwendig, ein Katalysatorsubstrat mit mehreren Beschichtungen in Teilbereichen auszustatten. Dabei muss besonders darauf geachtet werden, dass die Zonen relativ klar lokalisiert sind. Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine genaue Kontrolle der Eindringtiefe möglich ist, ist das Verfahren besonders geeignet zum Aufträgen und Kombinieren von Zonen. Beispielsweise kann ein Katalysatorsubstrat von einer Seite mit einer Zone eines ersten Beschichtungsmediums in einer Eindringtiefe von beispielsweise 10 bis 90 % der Kanallänge ausgestattet werden, wonach von der anderen Seite des Katalysatorsubstrates ein zweites Beschichtungsmedium in einer zweiten Zone aufgetragen wird, beispielsweise ebenfalls mit einer Eindringtiefe von 10 bis 90 % der Kanallänge. Solche Zonen können in unterschiedlichen Bereichen des Substrates und/oder übereinander aufgetragen werden, um spezielle katalytische Reaktionen zu optimieren. In a preferred embodiment, the method applies two or more coatings to the same substrate, typically in defined directions Subareas (zones) with different catalytic effects. In the prior art, it is particularly complex to provide a catalyst substrate with several coatings in partial areas. Particular care must be taken to ensure that the zones are relatively clearly located. Since precise control of the penetration depth is possible with the method according to the invention, the method is particularly suitable for applying and combining zones. For example, a catalyst substrate can be equipped from one side with a zone of a first coating medium with a penetration depth of, for example, 10 to 90% of the channel length, after which a second coating medium is applied from the other side of the catalyst substrate in a second zone, for example also with a penetration depth of 10 to 90% of the channel length. Such zones can be applied in different areas of the substrate and/or one above the other in order to optimize specific catalytic reactions.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Applikatorsystem zum Beschichten eines Substrates mit einem Beschichtungsmedium, umfassend einen Applikator gemäß der Erfindung und ein Steuerungseinheit, durch die eine definierte Menge Beschichtungsmedium aus dem Applikator ausgetragen werden kann. Die Steuerungseinheit kann bevorzugt eingestellt werden, um die gleiche definierte Menge Beschichtungsmedium wiederholt auszutragen. Das System umfasst bevorzugt Mittel zum Dosieren, wie einen Tank, Zuleitungen und Ventile. Dadurch kann in einem automatisierten Verfahren eine Serie von gleichartigen Substraten auf die gleiche Weise beschichtet werden. Die definierte Menge Beschichtungsmedium wird beispielsweise im Hinblick auf die Dimensionen des Substrates und der Kanäle sowie die gewünschte Beschichtung ausgewählt und eingestellt. Sie liegt beispielsweise zwischen 20 ml und 5000 ml, insbesondere zwischen 60 ml und 1500 ml, besonders bevorzugt zwischen 120 ml und 800 ml. Das Applikatorsystem kann weitere übliche Mittel enthalten, wie einen Tank für Beschichtungsmedium, eine Verdrängerpumpe, Ventile und eine Kontrolleinheit, um den Prozess zu überwachen. The invention also relates to an applicator system for coating a substrate with a coating medium, comprising an applicator according to the invention and a control unit through which a defined amount of coating medium can be discharged from the applicator. The control unit can preferably be set to repeatedly discharge the same defined amount of coating medium. The system preferably includes means for dosing, such as a tank, supply lines and valves. This means that a series of similar substrates can be coated in the same way in an automated process. The defined amount of coating medium is selected and adjusted, for example, with regard to the dimensions of the substrate and the channels as well as the desired coating. It is, for example, between 20 ml and 5000 ml, in particular between 60 ml and 1500 ml, particularly preferably between 120 ml and 800 ml. The applicator system can contain other common means, such as a tank for coating medium, a positive displacement pump, valves and a control unit to monitor the process.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum Beschichten eines Substrates mit einem Beschichtungsmedium, umfassend The invention also includes a device for coating a substrate with a coating medium
(i) einen Applikator und/oder ein Applikatorsystem gemäß der Erfindung,(i) an applicator and/or an applicator system according to the invention,
(ii) Mittel zum Fixieren des Substrates unterhalb des Applikators, (ii) means for fixing the substrate below the applicator,
(iii) einen Bereich oberhalb des fixierten Substrates zum Einträgen des Beschichtungsmediums aus dem Applikator, und (iv) Mittel zum Einsaugen des Beschichtungsmediums in das Substrat. (iii) an area above the fixed substrate for introducing the coating medium from the applicator, and (iv) Means for sucking the coating medium into the substrate.
Mit der Vorrichtung kann das oben beschriebene Beschichtungsverfahren durchgeführt werden. Die Mittel zum Fixieren des Substrates sind bevorzugt eine Halterung, in welche bevorzugt in einem automatisierten Prozess das Substrat aufgenommen, fixiert und nach der Beschichtung wieder entnommen werden kann. Der Bereich (iii) kann nach dem Fixieren des Substrates temporär ausgebildet werden, beispielsweise dadurch, dass am oberen Rand des Substrates ein Mantel angebracht wird, der ein Abfließen des Beschichtungsmediums zur Seit hin verhindert. Das Mittel zum Einsaugen kann eine Vakuumpumpe sein, die von unten über eine Rohrleitung mit dem Substrat verbunden wird. Die Vorrichtung kann bevorzugt automatisiert eine Vielzahl von Substraten nacheinander beschichten, ohne dass von außen in den Prozess eingegriffen wird. The device can be used to carry out the coating process described above. The means for fixing the substrate are preferably a holder into which the substrate can be picked up, fixed and removed again after coating, preferably in an automated process. The area (iii) can be formed temporarily after the substrate has been fixed, for example by attaching a jacket to the upper edge of the substrate, which prevents the coating medium from flowing off to the side. The means for suction can be a vacuum pump, which is connected to the substrate from below via a pipeline. The device can preferably coat a large number of substrates one after the other in an automated manner, without external intervention in the process.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Applikators, Applikatorsystems und/oder der Vorrichtung zur Herstellung eines Substratmonolithen mit einer für die Autoabgasnachbehandlung katalytisch aktiven Beschichtung. The invention also relates to the use of an applicator, applicator system and/or the device according to the invention for producing a substrate monolith with a catalytically active coating for car exhaust aftertreatment.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Applikators, Applikatorsystems und/oder der Vorrichtung zur Erhöhung der Gleichmäßigkeit der Beschichtung in einem Substratmonolithen. The invention also relates to the use of the applicator, applicator system and/or device according to the invention to increase the uniformity of the coating in a substrate monolith.
Bei den genannten Verfahren und Verwendungen wird bevorzugt der Applikator der Erfindung, wie oben beschrieben, eingesetzt. In the methods and uses mentioned, the applicator of the invention, as described above, is preferably used.
Die Figuren 1 bis 8 zeigen schematisch und beispielhaft Ausführungsformen der Erfindung sowie zum Vergleich Gegenstände gemäß dem Stand der Technik. Figures 1 to 8 show schematically and by way of example embodiments of the invention as well as objects according to the prior art for comparison.
Fig. 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten mit einem erfindungsgemäßen Applikator im Querschnitt. Fig. 1 shows schematically and by way of example a device for coating substrates with an applicator according to the invention in cross section.
Fig. 2 zeigt beispielhaft und schematisch die seitliche untere Ansicht auf die Abschlussplatte eines erfindungsgemäßen Applikators. Fig. 2 shows an example and schematically of the lower side view of the end plate of an applicator according to the invention.
Fig. 3 zeigt den Querschnitt durch eine Abschlussplatte mit seitlich geneigter Düse. Fig. 3 shows the cross section through an end plate with a laterally inclined nozzle.
Fig. 4 zeigt die Aufsicht auf die Austragsseite der Abschlussplatte gemäß Fig. 2. Fig. 4 shows the top view of the discharge side of the end plate according to Fig. 2.
Fig. 5 zeigt die Aufsicht gemäß Fig. 4, in der die konzentrischen Kreise der Düsen und die radiale Richtung der Platte kenntlich gemacht sind. Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt des Querschnittes einer Abschlussplatte mit einer seitlich geneigten und einer senkrechten Düse und Strahlen von Beschichtungsmedium, die auf ein Substrat treffen. Fig. 5 shows the top view according to Fig. 4, in which the concentric circles of the nozzles and the radial direction of the plate are identified. Fig. 6 shows a detail of the cross section of an end plate with a laterally inclined and a vertical nozzle and jets of coating medium that impinge on a substrate.
Fig. 7 ist ein Foto des Querschnitts eines Katalysatorträgers, der auf herkömmliche Weise mit einer Abschlussplatte mit senkrechten Düsen beschichtet wurde. Figure 7 is a photograph of the cross-section of a catalyst support coated in a conventional manner with an end plate having vertical nozzles.
Fig. 8 ist ein Foto eines erfindungsgemäß beschichteten Katalysatorträgers, der erfindungsgemäß mit einer Abschlussplatte mit schräg geneigten Düsen beschichtet wurde. Das Foto zeigt den direkten Vergleich zu Fig. 7 aus der gleichen Versuchsreihe Fig. 8 is a photograph of a catalyst carrier coated according to the invention, which was coated according to the invention with an end plate with obliquely inclined nozzles. The photo shows a direct comparison to Fig. 7 from the same series of tests
Im Folgenden werden beispielhaft Ausführungsformen der Erfindung und zum Vergleich gemäß dem Stand der Technik anhand der Figuren erläutert. Below, exemplary embodiments of the invention and for comparison according to the prior art are explained using the figures.
Figur 1 zeigt beispielhaft und schematisch den Querschnitt einer Vorrichtung zum Beschichten eines Substrates 2 mit einem erfindungsgemäßen Applikator 1. Das zu beschichtende Substrat 2 wird mit Mitteln 15, wie einer Halterung, für einen Beschichtungsvorgang fixiert. Das Beschichtungsmedium wird auf die Stirnfläche eines Substrates 2 dosiert, das ein Katalysatorträger mit einer Vielzahl von feinen parallelen Kanälen 14 ist. Um diese Stirnfläche wird eine Art Kragen 11 gelegt/gesteckt, der ein Herunterlaufen des Beschichtungsmediums von der Stirnfläche and den Seiten des Substrates 2 verhindert. Die Stirnseite des Substrates 2 und der Kragen 11 grenzen einen Bereich 10 ab, in den das Beschichtungsmedium eingetragen wird, bevor das Substrat 2 beschichtet wird. Das Beschichtungsmedium wird zunächst über die Zuleitung 4 in einen Hohlraum 6 oberhalb der Abschlussplatte 9 gegeben. Die Abschlussplatte 9 weist eine Vielzahl von seitlich geneigten Düsen 5 auf. Durch die Düsen wird das Beschichtungsmedium aus dem Hohlraum 6 in den Bereich 10 oberhalb des Substrates 2 eingetragen. Dabei wird genau die Menge Beschichtungsmedium eingetragen, die zum Beschichten des konkreten Substrates erforderlich ist. Nach Einbringen des Beschichtungsmediums wird unterhalb des Substrates 2 mit Mitteln 13, wie einer Pumpe, ein Unterdrück angelegt, wodurch das Beschichtungsmedium von oben in die parallelen Kanäle 14 eingesaugt wird. Die Menge, Dicke und Eindringtiefe des Beschichtungsmediums können dabei unter anderem über die Menge und Viskosität des Beschichtungsmediums, die Struktur des Substrates 2 und den Unterdrück gesteuert werden. Das Verfahren kann so eingestellt werden, dass die Beschichtung bis zu einer Zonengrenze 16 in die Kanäle 14 eindringt. Das Beschichtungsmedium kann bis zu einer Zonengrenze 16 eingetragen werden. Das bedeutet, dass das Verfahren so geführt wird, dass das Beschichtungsmedium nur oberhalb der Zonengrenze 16 aufgetragen wird, so dass der Katalysatorträger 1 nur auf einer Seite beschichtet wird. Die Zonengrenze 16 ist als Linie dargestellt und zeigt somit einen Idealverlauf. In der Praxis ist die Zonengrenze unregelmäßig. Die Gleichmäßigkeit kann dabei mit dem erfindungsgemäßen Applikator 1 erheblich verbessert werden (siehe Figuren 7 und 8). Figure 1 shows, by way of example and schematically, the cross section of a device for coating a substrate 2 with an applicator 1 according to the invention. The substrate 2 to be coated is fixed with means 15, such as a holder, for a coating process. The coating medium is metered onto the end face of a substrate 2, which is a catalyst support with a plurality of fine parallel channels 14. A type of collar 11 is placed/inserted around this end face, which prevents the coating medium from running down from the end face to the sides of the substrate 2. The end face of the substrate 2 and the collar 11 delimit an area 10 into which the coating medium is introduced before the substrate 2 is coated. The coating medium is first added via the feed line 4 into a cavity 6 above the end plate 9. The end plate 9 has a plurality of laterally inclined nozzles 5. The coating medium is introduced from the cavity 6 into the area 10 above the substrate 2 through the nozzles. The exact amount of coating medium required to coat the specific substrate is entered. After the coating medium has been introduced, a negative pressure is applied below the substrate 2 using means 13, such as a pump, whereby the coating medium is sucked into the parallel channels 14 from above. The amount, thickness and depth of penetration of the coating medium can be controlled, among other things, via the amount and viscosity of the coating medium, the structure of the substrate 2 and the suppression. The method can be adjusted so that the coating penetrates into the channels 14 up to a zone boundary 16. The coating medium can be entered up to a zone boundary 16. This means that the procedure is carried out in such a way that Coating medium is applied only above the zone boundary 16, so that the catalyst support 1 is only coated on one side. The zone boundary 16 is shown as a line and thus shows an ideal course. In practice the zone boundary is irregular. The uniformity can be significantly improved with the applicator 1 according to the invention (see Figures 7 and 8).
Die Fig. 2, 3 und 5 zeigen schematisch und beispielhaft einen erfindungsgemäßen Applikator 1 mit einer Abschlussplatte 9, die eine Vielzahl seitlich geneigter Düsen 5 aufweist. Dabei zeigt Fig. 2 eine seitliche untere Ansicht des Applikators 1 , Fig. 4 eine untere Aufsicht und Fig. 5 eine Aufsicht gemäß Fig. 4 mit konzentrischen Kreisen der Düsen und der radialen Richtung vom Zentrum der Platte nach außen. Die Abschlussplatte 9 ist rund, was eine Anordnung der Düsen 5 in konzentrischen Kreisen bei gleichmäßigen Abständen ermöglicht. Die Neigung der Düsen 5 in den konzentrischen Kreisen ist ausschließlich seitlich und tangential, wie auch in Fig. 5 mit den konzentrischen Kreismustern erkennbar ist. Dies bedeutet, dass die Düsen 5 in den konzentrischen Kreisen nicht in der angedeuteten radialen Richtung nach innen oder außen hin geneigt sind. Dadurch wird ein gleichmäßiges Aufträgen des Beschichtungsmediums ermöglicht. Die Düsen 5 weisen eine regelmäßige Anordnung und gleiche Abstände zueinander auf. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Austragung des Beschichtungsmediums in einen Bereich 10 oberhalb des Substrates. Die Düsen 5 in jedem konzentrischen Kreis sind dabei im Wesentlichen zur benachbarten Düse hin geneigt. Dadurch wird ein regelmäßiges Austragsmuster erreicht. Darüber hinaus wird verhindert, dass die Strahle des Beschichtungsmediums aus den Düsen 5 senkrecht auf das Substrat prallen und Beschichtungsmedium in unerwünschter Weise in Kanäle eindringt, bevor der Unterdrück angelegt wird. Die Düsen in den Fig. 2 bis 5 weisen Stutzen 12 auf, die aus der Abschlussplatte herausragen. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt der Abschlussplatte 9 mit einer seitlich geneigten Düse 5 mit einem Stutzen 12. 2, 3 and 5 show schematically and by way of example an applicator 1 according to the invention with an end plate 9 which has a plurality of laterally inclined nozzles 5. 2 shows a side bottom view of the applicator 1, FIG. 4 shows a top view from below and FIG. 5 shows a top view according to FIG. 4 with concentric circles of the nozzles and the radial direction from the center of the plate to the outside. The end plate 9 is round, which allows the nozzles 5 to be arranged in concentric circles at even distances. The inclination of the nozzles 5 in the concentric circles is exclusively lateral and tangential, as can also be seen in FIG. 5 with the concentric circle patterns. This means that the nozzles 5 in the concentric circles are not inclined inwards or outwards in the indicated radial direction. This enables the coating medium to be applied evenly. The nozzles 5 have a regular arrangement and equal distances from one another. This enables the coating medium to be distributed evenly into an area 10 above the substrate. The nozzles 5 in each concentric circle are essentially inclined towards the adjacent nozzle. This creates a regular discharge pattern. In addition, it is prevented that the jets of the coating medium from the nozzles 5 hit the substrate perpendicularly and that the coating medium undesirably penetrates into channels before the suppression is applied. The nozzles in FIGS. 2 to 5 have connectors 12 which protrude from the end plate. Fig. 3 shows a cross section of the end plate 9 with a laterally inclined nozzle 5 with a nozzle 12.
Fig. 6 zeigt beispielhaft und schematisch, wie Beschichtungsmedium 3 aus einer seitlich geneigten Düse 7 und zum Vergleich aus einer senkrechten Düse 8 in den Bereich 10 über dem Substrat 2 ausgetragen wird. Aus der seitlich geneigten Düse 7 wird ein schräger Strahl erzeugt, wodurch die Wirkung des Aufpralls auf die nach oben offenen feinen Kanäle 14 des Substrates 2 abgeschwächt wird. Auf diese Weise kann unerwünschtes Eindringen des Beschichtungsmediums 3 in die Kanäle 14 vor dem Einsaugen verhindert oder zumindest deutlich reduziert werden, was zu einer homogeneren Beschichtung führt. Die Fig. 7 und Fig. 8 zeigen Fotografien von Querschnitten von beschichteten Katalysatorträgern und verdeutlichen die Vorteile der Erfindung. Fig. 7 zeigt den Querschnitt eines beschichteten Katalysatorträgers gemäß dem Stand der Technik, der mit einem Applikator mit Auslassplatte mit senkrechten Düsen hergestellt wurde. Die obere beschichtete Zone ist dunkel und die untere unbeschichtete Zone heller. Die Beschichtung ist unregelmäßig in die Kanäle eingedrungen ist. Es sind erhebliche und zufällige Schwankungen über größere Domänen zu erkennen. Besonders auffällig sind kleinere Bereiche, in denen das Beschichtungsmedium in unerwünschter Weise relativ tief in die Kanäle eingedrungen ist. Fig. 8 zeigt den Querschnitt eines erfindungsgemäß beschichteten Katalysatorträgers. Der Träger und die Auflösung entsprechen Fig. 7, so dass die Produkte vergleichbar sind. In Fig. 8 ist zu erkennen, dass die Zonengrenze zwischen der dunklen beschichten Zone und der hellen nicht beschichteten Zone gleichmäßig und gerade ist. Signifikante Unregelmäßigkeiten, wie in Fig. 7, sind nicht vorhanden. Dabei ist zu beachten, dass die etwas dunklere Tönung einiger Abschnitte unterhalb der Zonengrenze nicht durch eingedrungenes Beschichtungsmedium, sondern durch Schatten verursacht ist. Die losen Bestandteile, die nur in Fig. 8 erkennbar sind, sind durch den Spaltprozess verursacht und für den Vergleich der Beschichtungen ebenfalls nicht von Betracht. Der Vergleich der Figuren 7 und 8 zeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Applikator mit seitlich geneigten Düsen eine erhebliche Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Beschichtung erreicht werden kann. 6 shows, by way of example and schematically, how coating medium 3 is discharged from a laterally inclined nozzle 7 and, for comparison, from a vertical nozzle 8 into the area 10 above the substrate 2. An oblique jet is generated from the laterally inclined nozzle 7, whereby the effect of the impact on the upwardly open fine channels 14 of the substrate 2 is weakened. In this way, unwanted penetration of the coating medium 3 into the channels 14 before suction can be prevented or at least significantly reduced, which leads to a more homogeneous coating. Figures 7 and 8 show photographs of cross sections of coated catalyst supports and illustrate the advantages of the invention. Figure 7 shows the cross-section of a prior art coated catalyst carrier made with an outlet plate applicator with vertical nozzles. The upper coated zone is dark and the lower uncoated zone is lighter. The coating has penetrated the channels irregularly. Significant and random fluctuations can be seen over larger domains. Smaller areas in which the coating medium has undesirably penetrated relatively deeply into the channels are particularly noticeable. Fig. 8 shows the cross section of a catalyst support coated according to the invention. The carrier and resolution correspond to Figure 7, so the products are comparable. In Fig. 8 it can be seen that the zone boundary between the dark coated zone and the light uncoated zone is uniform and straight. Significant irregularities, as in Fig. 7, are not present. It should be noted that the slightly darker tone in some sections below the zone boundary is not caused by the penetration of the coating medium, but by shadows. The loose components, which can only be seen in FIG. 8, are caused by the splitting process and are also not relevant for comparing the coatings. The comparison of Figures 7 and 8 shows that a significant improvement in the uniformity of the coating can be achieved with the applicator according to the invention with laterally inclined nozzles.
Der erfindungsgemäße Applikator, das Applikatorsystem, die Vorrichtung, die Verfahren und die Verwendungen lösen die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt. Erfindungsgemäß wird es ermöglicht, Substrate, wie Katalysatorträger für Abgasreinigungsvorrichtungen, mit hoher Genauigkeit zu beschichten. Dies wird durch eine einfache konstruktive Maßnahme ermöglicht, so dass das Verfahren effizient, zügig und im industriellen Maßstab mit hohem Durchsatz durchführbar ist. Insbesondere wird ermöglicht, die feinen Kanäle von Katalysatorträgern für Abgasreinigungsvorrichtungen mit hoher Genauigkeit zu beschichten, wobei klar definierte Zonen erhalten werden können. Dies ermöglicht signifikante Einsparungen von teuren katalytischen Materialien, insbesondere Edelmetallen oder seltenen Erden, und die Bereitstellung besonders leistungsfähiger Abgasreinigungsvorrichtungen und weiterer katalytischer Vorrichtungen. Bezuqszeichenliste: The applicator according to the invention, the applicator system, the device, the methods and the uses solve the problem on which the invention is based. According to the invention, it is possible to coat substrates, such as catalyst supports for exhaust gas purification devices, with high precision. This is made possible by a simple design measure, so that the process can be carried out efficiently, quickly and on an industrial scale with high throughput. In particular, it is possible to coat the fine channels of catalyst supports for exhaust gas purification devices with high precision, with clearly defined zones being able to be obtained. This enables significant savings in expensive catalytic materials, in particular precious metals or rare earths, and the provision of particularly powerful exhaust gas purification devices and other catalytic devices. Reference character list:
1 Applikator 1 applicator
2 zu beschichtendes Substrat 3 Beschichtungsmedium 2 substrate to be coated 3 coating medium
4 Zuleitungsbereich innerhalb des Applikators (1)4 supply area within the applicator (1)
5 Düse in der Abschlussplatte (9) 5 Nozzle in the end plate (9)
6 Hohlraum innerhalb des Applikators (1) 6 cavity within the applicator (1)
7 geneigte Düse 8 gerade Düse 7 inclined nozzle 8 straight nozzle
9 Abschlussplatte 9 end plate
10 Bereich oberhalb des Substrates 10 area above the substrate
11 Kragen, der den Bereich (10) abgrenzt 11 collar that delimits the area (10).
12 Stutzen 13 Mittel zum Einsaugen des Beschichtungsmediums12 nozzle 13 means for sucking in the coating medium
14 parallele Kanäle im Substrat (2) 14 parallel channels in the substrate (2)
15 Mittel zum Fixieren des Substrates 15 Means for fixing the substrate
16 Zonengrenze 16 zone boundary

Claims

Patentansprüche Patent claims
1 . Applikator (1) zur Beschichtung eines Substrates (2) mit einem Beschichtungsmedium (3), wobei der Applikator (1) mindestens eine Zuleitung (4) für das Beschichtungsmedium, eine Abschlussplatte (9) mit mindestens einer Düse (5) zur Applikation des Beschichtungsmediums auf das Substrat (2), und einen Hohlraum (6), in dem sich das Beschichtungsmedium vor der Applikation auf das Substrat (2) verteilen kann, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Düse (5) seitlich geneigt ist. 1 . Applicator (1) for coating a substrate (2) with a coating medium (3), the applicator (1) having at least one supply line (4) for the coating medium, an end plate (9) with at least one nozzle (5) for applying the coating medium on the substrate (2), and a cavity (6) in which the coating medium can be distributed before application to the substrate (2), characterized in that at least one nozzle (5) is inclined laterally.
2. Applikator (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel der seitlich geneigten Düse 2 bis 50° ist, bevorzugt 15 bis 30°. 2. Applicator (1) according to claim 1, characterized in that the angle of inclination of the laterally inclined nozzle is 2 to 50 °, preferably 15 to 30 °.
3. Applikator (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussplatte (9) einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt aufweist. 3. Applicator (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the end plate (9) has a circular or oval cross section.
4. Applikator (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Düse (5) nicht wesentlich in radialer Richtung nach innen oder außen geneigt ist. 4. Applicator (1) according to claim 3, characterized in that the at least one nozzle (5) is not inclined significantly inwards or outwards in the radial direction.
5. Applikator (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind. 5. Applicator (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the nozzles are arranged at equal distances from one another.
6. Applikator (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussplatte (9) eine Vielzahl seitlich geneigter Düsen und eine zentrale Düse aufweist. 6. Applicator (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the end plate (9) has a plurality of laterally inclined nozzles and a central nozzle.
7. Applikator (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass seitlich geneigte Düsen (5) in konzentrischen Kreisen um eine zentrale Düse angeordnet sind. 7. Applicator (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that laterally inclined nozzles (5) are arranged in concentric circles around a central nozzle.
8. Applikator (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (5) in jedem konzentrischen Kreis in gleicher Weise ausgerichtet und/oder geneigt sind. 8. Applicator (1) according to claim 7, characterized in that the nozzles (5) in each concentric circle are aligned and / or inclined in the same way.
9. Applikator (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (5) spiralförmig angeordnet sind. 9. Applicator (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the nozzles (5) are arranged spirally.
10. Applikator (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prallplatte im Hohlraum (6) den Fluss des Beschichtungsmediums (3) von der Zuleitung (4) zur mindestens einen Düse (5) im drucklosen Zustand versperrt und bei Druck durch das Beschichtungsmedium (3) auf die Prallplatte den Fluss des Beschichtungsmediums (3) von der Zuleitung (4) zur mindestens einen Düse (5) gestattet. 10. Applicator (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that a baffle plate in the cavity (6) blocks the flow of the coating medium (3) from the supply line (4) to at least one nozzle (5) in the unpressurized state and Pressure through the coating medium (3) on the baffle plate allows the flow of the coating medium (3) from the supply line (4) to at least one nozzle (5).
11 . Applikatorsystem zum Beschichten eines Substrates (2) mit einem Beschichtungsmedium (3), umfassend einen Applikator (1) gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche und ein Steuerungseinheit, die einstellbar ist, eine definierte Menge Beschichtungsmedium (3) aus dem Applikator (1) auszutragen. 11. Applicator system for coating a substrate (2) with a coating medium (3), comprising an applicator (1) according to at least one of the preceding claims and a control unit which is adjustable to discharge a defined amount of coating medium (3) from the applicator (1).
12. Vorrichtung zum Beschichten eines Substrates (2) mit einem Beschichtungsmedium (3), umfassend 12. Device for coating a substrate (2) with a coating medium (3), comprising
(i) einen Applikator (1) und/oder ein Applikatorsystem gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, (i) an applicator (1) and/or an applicator system according to at least one of the preceding claims,
(ii) Mittel zum Fixieren des Substrates (2) unterhalb des Applikators (1),(ii) means for fixing the substrate (2) below the applicator (1),
(iii) einen Bereich (10) oberhalb des fixierten Substrates (2) zum Einträgen des Beschichtungsmediums (3) aus dem Applikator (1), und(iii) an area (10) above the fixed substrate (2) for introducing the coating medium (3) from the applicator (1), and
(iv) Mittel zum Einsaugen des Beschichtungsmediums (3) in das Substrat (2). (iv) Means for sucking the coating medium (3) into the substrate (2).
13. Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit Beschichtungsmedium mit einem Applikator (1), einem Applikatorsystem und/oder einer Vorrichtung gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: 13. A method for coating a substrate with coating medium using an applicator (1), an applicator system and / or a device according to at least one of the preceding claims, comprising the steps:
(a) Applizieren des Beschichtungsmediums (3) durch die Düsen (5) der Abschlussplatte (9) auf das Substrat (2), und (a) applying the coating medium (3) to the substrate (2) through the nozzles (5) of the end plate (9), and
(b) Einsaugen des Beschichtungsmediums (3) in das Substrat (2). (b) sucking the coating medium (3) into the substrate (2).
14. Verwendung eines Applikators (1), eines Applikatorsystems und/oder einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Herstellung eines Substratmonolithen mit einer für die Autoabgasnachbehandlung katalytisch aktiven Beschichtung. 14. Use of an applicator (1), an applicator system and / or a device according to one of claims 1 to 12 for producing a substrate monolith with a catalytically active coating for car exhaust aftertreatment.
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