[发明专利]低热膨胀系数的堇青石蜂窝状制品及其制造方法

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及一种用作催化剂载体的堇青石陶瓷蜂窝状制品及其制造方 法。本发明尤其涉及一种堇青石蜂窝状制品，因其相对较高的孔隙率而具 有良好的外涂布性能(washcoatability)，并因其较低的热膨胀系数(CTE)而具 有良好的抗热冲击性能。

技术背景

使用诸如气态烃、汽油或柴油燃料等烃燃料的内燃系统排放的废气可 能导致严重的大气污染。在这些废气的诸多污染物中有烃和含氧化合物， 后者包括氮氧化合物(NOx)和一氧化碳(CO)。多年以来，汽车行业试图减少 汽车引擎系统排放污染物的量，第一批装有催化转化器的汽车已于20世纪 70年代中期引入业界。

通常采用蜂窝状主体结构的堇青石基材长期以来就成为汽车催化转化 器中用于负载催化活性成分的优选载体，部分原因在于其抗热冲击性能高。 抗热冲击性能与热膨胀系数成反比。也就是说，具有低热膨胀系数的蜂窝 状制品具有良好的抗热冲击性能，能够承受在使用过程中遇到的温度在较 宽范围内的波动。众所周知，对于那些堇青石晶粒随机取向的多晶堇青石 主体而言，堇青石主体在25～800℃范围内的热膨胀系数约为18×10^-7/℃。

从粘土和滑石等含有镁、铝和硅的矿物原料生产堇青石 (2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂)陶瓷的工艺已广为人知。美国专利US2,684,919中描 述了该工艺。美国专利US3,885,977揭示了从粘土/滑石原料生产抗热冲击 堇青石蜂窝状陶瓷的生产工艺：通过挤压原料并将挤出物煅烧得到了至少 在一个方向具有极低膨胀系数的陶瓷。此外，该文献描述了使堇青石晶粒 的晶体c轴沿蜂窝网络平面取向的原理，该种取向使得堇青石陶瓷的热膨 胀系数最低至5.5×10^-7/℃。

制造商们持续地努力以优化堇青石蜂窝状基材的特性，从而增强其作 为催化剂载体的实用性。具体地，制造商们不断努力优化堇青石蜂窝状基 材的抗热冲击性能和机械强度。下列专利各自涉及显示出改进的抗热冲击 性能或热膨胀系数(CTE)的陶瓷蜂窝体的制造。

美国专利US4,434,117(Inoguchi等)揭示了包含片状滑石颗粒和非片状 其他陶瓷材料颗粒的原材料混合物的使用，其后非等压地(anisostatically) 使混合料成形，从而赋予片状滑石颗粒一定的平面取向，之后将其干燥并 煅烧以获得成形的陶瓷主体。在Inoguchi的文献中形成的陶瓷主体显示出 的热膨胀系数最低至7.0×10^-7/℃。

美国专利US 5,113,643(Beall等)和US 5,114,644(Beall等)揭示了制造堇 青石主体的方法，其中包括选择会形成所需堇青石主体的特定原材料。需 要特别指出的是，选择的原材料中不应包括任何的粘土和滑石，而应包括 粒度分别不超过15μm和8μm的会产生MgO的成分和会产生Al₂O₃的成分。 将这些原材料混合在一起，随后干燥并煅烧，煅烧时间和煅烧温度应确保 足以形成前述堇青石主体。Beall的这些文献中制得的堇青石主体在约 25～1000℃范围内显示出的热膨胀系数小于约9.0×10^-7/℃。

与使用原有的工艺生产出来的挤出得到的堇青石陶瓷相比，这些陶瓷 在热膨胀系数方面代表了一种改进，但在热膨胀系数(CTE)方面还需要进一 步的改进，特别是希望这种改进不会带来重大的陶瓷强度上的降低。随着 生产壁更薄、蜂孔孔密度更大、催化转化效率更高、反压更低的堇青石蜂 窝状载体的发展需求，在设计堇青石蜂窝状基材时，对其强度的考量变得 越来越重要。

除了得到低CTE之外，为了催化剂的性能而实现良好的外涂布性能， 在堇青石蜂窝状载体的生产过程中也变得更加重要了，催化性能由相对较 高的总孔隙率和优选的理想孔径分布决定。为此目的，需要进一步的改进， 以获得具有理想的孔隙分布且同时保持充足的基材强度的较高孔隙率的堇 青石基材。

因此，本发明的主要目的就是提供一种改进的堇青石蜂窝状制品及其 制造方法，这种制品要表现出足够的强度，而且具有相对较高的孔隙率、 低热膨胀、及优选的所需孔隙分布。

发明内容