[发明专利]超薄壁堇青石结构体的制造

说明书

本申请要求Beall于1999年9月1日提交的题目为“超薄壁堇青石结构体的制造”的美国临时申请No.60/151,856的权益。

发明背景

1.技术领域

本发明涉及用作催化剂载体的堇青石陶瓷体，具体涉及用作纯化汽车废气的起着通道壁超薄的堇青石体，以及一种制造这种超薄壁堇青石结构体的方法。

2.相关技术描述

利用烃气体、汽油或柴油等烃类燃料的内燃机系统所释放出的废气会严重地污染大气。在这些废气中，许多污染物是烃类和含氧的化合物，而后者又包括氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)。许多年来，汽车工业一直设法减少汽车发动机系统的污染物释放量，在1970年代中期有了装备有催化转化器的第一批汽车。

堇青石基材，通常是蜂窝体形式，长期起来一直适合作为基材来承载汽车上催化转化器的催化活性组分，其部分原因是因为堇青石陶瓷具有良好的耐热冲击性。从含有氧化镁、氧化铝和氧化硅的矿物原料混合物(如粘土和滑石)制造堇青石(2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂)陶瓷是众所周知的。这些方法在美国专利2,684,919中有所描述。美国专利No.3,885,977中公开了从粘土/滑石批料制造耐热冲击性堇青石蜂窝陶瓷的方法，该方法是对该批料进行挤压，然后烧结挤出物，提供沿至少一个轴膨胀系数非常低的陶瓷。

为了优化堇青石基材的性质，提高其作为催化剂载体的实用性，生产商作了不断的研究。具体是，生产商不断地努力试图开发出壁厚越来越小的堇青石蜂窝体基材。由于立法对汽车市场的催化转化器转化效率的要求提高，因此对于壁非常薄的堇青石体的要求也在增加。较薄的壁减少了基材的质量，从而使其点燃时间更迅速。另外，在不增加基材质量的情况下可获得更大的几何表面积。薄壁基材的另一个优点是可获得较低的背压。

然而，与几何结构常规的蜂窝体基材相比，壁非常薄的基材的生产非常困难。现已发现，当用常规的挤出装置来生产壁厚小于100微米的蜂窝陶瓷体(即超薄壁陶瓷体)时，蜂窝挤出物壁上的破裂(即不含陶瓷材料的区域)数目非常多。认为陶瓷材料中产生这些破裂是由于挤出材料中的一个或多个颗粒堵塞了挤出模头中的狭缝，使得该区域的批料流动受到限制。破裂数随着狭缝宽度的减少而增加，如果狭缝宽度很窄，那么堵塞的通道数会多得使挤出物不能聚集在一起，而是挤出了多股小的材料。

另外，湿的挤出物支持其自身重量的能力很小，使得壁非常薄的蜂窝陶瓷制品的挤出很困难。结果，由于薄壁的强度较低，制品塌陷很常见。

在壁非常薄的蜂窝陶瓷制品的挤出过程中，另一个困难是模头狭缝宽度的细小差异会产生批料流速差异的问题。这种有差异的流速会导致蜂窝体通道结构变形。

用常规方法来挤出通道密度高的超薄壁堇青石结构的另一问题是，需要有多部件结构的模头，因为若是单件结构的常规模头，其进料孔靠得太近，或孔太小而无法把孔钻出来。然而，当采用径向收缩适度高的组合物时，采用常规的成本较低的模头结构就能在烧结期间将通道密度提高至当采用收缩较低的材料时必须用多部件模头方法才可能达到的水平。

因此，本领域中非常希望能找到一种克服上述常规方法缺点的制造超薄壁堇青石的方法和可用常规挤出装置来进行的方法。

发明概述

因此，本发明的主要目的是提供一种改进的制造超薄壁堇青石陶瓷的方法，该方法在陶瓷制品中产生的不连续非常少(如果有的话)，而且可用常规的挤出装置/模头来进行。现已发现，当采用某些原料组合时，原料在挤出通过狭缝时会部分排列形成有取向的平面。具体地说，现已发现片状的滑石和粘土原料在用于制造堇青石蜂窝结构时，在挤出后形成了与壁方向大致平行的原料取向平面。因此，表现出有此取向的原料结构的生坯表现出各向异性的收缩性；在垂直于取向平面的方向上(即壁厚方向上)的收缩程度高于其它方向(例如径向和轴向)上的收缩。