[发明专利]矿物聚合物复合材料及由其形成的结构物

说明书

发明领域

本发明涉及低热膨胀系数矿物聚合物(geopolymer)复合材料及其所形成的制品。本发明的材料可用于诸如柴油机微粒过滤器、催化转化器、NO_x吸附剂、催化剂载体、蜂巢整体制品和用于高温流体的流量过滤器主体之类的高温物体的制造以及其它的高温应用。具体地，公开了一种诸如堇青石、硅石、其它低CTE材料或它们与一种矿物聚合物组合的复合材料之类的磨细的低热膨胀系数(CTE)的材料微粒。这种矿物聚合物通常由诸如偏高岭土之类的活化粘土与碱性的硅酸盐水溶液反应形成，可以通过加入氧化硼来改性以提供一种具有高生坯强度和烧制强度以及烧制时可减少破裂的低CET材料。本发明的材料可以挤出并且不经预焙烧就使用或在相对低温(700—1100℃)下烧制以提高耐酸性并抑制在热循环过程中的碎裂。该材料也可以用作接合剂堵塞用在柴油机微粒过滤器上的蜂巢状整体制品的通道、以及用作这种柴油机微粒过滤器表面的涂料。

发明背景

与汽油引擎相比，柴油引擎排放更少而燃料更经济；然而，柴油机废气排放造成对环境和健康的危害。柴油机微粒过滤器控制来自诸如卡车、公共汽车柴油机电动机车和发电机之类的柴油机动力装置的微粒的排放。堇青石因其成本相对低廉是制造柴油机微粒过滤器和其它诸如催化转化器、NOx吸附剂基材、催化剂基材、蜂巢状整体制品和流量过滤器主体之类的高温物体的优选材料。以堇青石为基础的复合材料还具有低热膨胀系数，这使零件能承受高温和变化的温度。

柴油机微粒过滤器通过在其结构中以物理方式捕获煤烟微粒而控制柴油机微粒的排放。壁流整体制品诸如堇青石过滤器使废气流经多孔陶瓷壁，同时在壁的上游侧捕获任何微粒。这种过滤器可通过自动再生进行清洗，在自动再生过程中排出的气体温度高到足以点燃所有微粒并由此降低柴油机微粒过滤器的背压。上游壁的表面可能含有一种具有铂(Pt)、铁(Fe)、锶(Sr)或稀土元素(诸如铈(Ce))的催化剂清洗涂层，用于降低过滤器自动再生所需的温度。

堇青石(Mg₂Al₄Si₅O₁₈)是一种用于制造高温元件的优选材料，是一种通常铁或其它杂质的含量少的硅酸铝镁盐。堇青石陶瓷具有低热膨胀系数(CTE)、高强度并能抵抗热冲击。通常通过混合包括云母、氧化铝、氢氧化铝、高岭土和硅石在内的原料批料来制造堇青石材料。然后在其中掺入诸如甲基纤维素的黏合剂和诸如硬脂酸钠的润滑剂以形成一种塑性混合物，可以将这种混合物制成生坯，然后烧结。受让人是，康宁公司的美国专利第6864198号(通过引用全文结合于此)公开了一种形成堇青石蜂巢状结构的方法。美国专利第6864198声称“对生坯继续干燥，然后在足够高的温度下以足够长的时间烧制来形成最终产品结构。烧制最好在加热到最高温度约1405℃至1415℃时间为50至300小时下进行。”

美国专利第4349386号、4472199号和5342595号描述了矿物聚合物材料，这三个专利通过引用全文结合于此。所描述的矿物聚合物是具有可在低温或环境温度下合成的框架结构的类陶瓷材料。矿物聚合物通常是由“活性的”偏高岭石和硅石的混合物在高碱性条件下聚合和凝固产生的无机材料。这些专利中公开的矿物聚合物材料建议用于诸如建材和热绝缘体的产品。也已经研究了矿物聚合物材料在粘磨产品中的应用和在中等水平的原子能工业废料与有毒废物的固定中的应用。

美国专利第5244726号(通过引用全文结合于此)公开了一种基于碱金属硅酸盐的基体，它包括无机微粒、有机微粒、或无机和有机微粒的混合物，这种基体是在环境温度下通过活化一种水性的、含有带气泡的胶体的基体形成硅酸盐中的硅酸盐、微粒、飘尘、表面活性剂和一种降低pH的缓冲剂来生产。'726号专利认为微粒的含量应当在30％至40％之间(体积百分比)，特别提到了诸如用于起泡沫的聚苯乙烯珠和用于加强复合材料的钙硅石之类的微粒。

发明概述

本发明涉及含有低热膨胀系数的材料的矿物聚合物复合材料，适合用于各种应用，诸如在内燃机高温废气处理中的应用。具体地，公开了一种诸如堇青石、硅石、以及其它低CTE陶瓷材料和它们与矿物聚合物组合的低膨胀无机复合材料。