[发明专利]用于制造耐热震性陶瓷蜂窝结构体的含多模纤维的胶接剂

说明书

本申请要求2009年6月29日递交的美国临时申请61/221,434的优先权。

本发明涉及具有改进的耐热震性的陶瓷过滤器及其制造方法。尤其是，该过滤器和方法涉及使用改进的陶瓷胶接剂将陶瓷微粒过滤器组装在一起以制成较大耐热震性过滤器。

柴油发动机由于其操作方式而排放烟灰粒子，非常细小的冷凝物液滴或两个(微粒)的聚集体以及典型有害的汽油发动机排气(即，烃和CO)。这些“微粒”(本文的柴油烟灰)富含冷凝的多核烃，其中一些可能是致癌的。

因为对柴油烟灰造成的健康危害的关注与柴油发动机所提供的更高热效率的需求相冲突，已经执行了限制柴油烟灰所允许的排放量的规章。为了应对这些挑战，已经使用了烟灰过滤器。当使用这种过滤器时，过滤器必须通过烧掉烟灰而定期再生。烟灰的这种燃烧导致来自轴向和径向温度差异的应力，所述应力可造成过滤器的开裂。

为了克服应力，陶瓷蜂窝如热交换器和过滤器已通过将较小蜂窝组合成较大蜂窝而减少了应力和使蜂窝开裂的可能性。已经在蜂窝之间使用胶接剂层，例如，用于增加导热率以减少在组装蜂窝中达到的最终温度，例如描述于EP1508355。为了实现改进的导热率，这些胶接剂/密封层/粘合剂使用了陶瓷微粒以增加热质/导热率和涂敷到较小蜂窝片段上的容易性。通常这些胶接剂通过如下方法而增强：使用例如描述于美国专利5,914,187的陶瓷纤维，陶瓷粘结剂和有机粘结剂，以促进在烧制之前的胶接剂涂敷(如，减少微粒的隔离)和提高胶接剂的一些机械性能如韧性。

遗憾的是，这些增强材料的使用导致胶接剂使用时的问题或有效性下降。例如，有机粘结剂必须从胶接剂中去除，从而减慢了制造部件的过程，而且冒着由于有机物燃烧造成的热梯度和所释放气体的压力而产生损坏的危险。先前在胶接剂中使用纤维的努力倾向于由于低效填充和不能将纤维任何大程度地加载到载流流体中且不过度增加粘度而降低胶接剂层的热质和导热率。粘度是胶接剂组合物的一个重要特性，因为该组合物必须足够稀以容易涂敷，但要足够粘稠使其在被涂敷之后保持就位而不从部件流失。

因此，需要提供一种由胶接在一起的较小陶瓷蜂窝组成的组装的较大蜂窝。需要提供一种避免了一个或多个上述问题的制造这种组装的较大蜂窝结构体的方法。

本发明的一个方面涉及一种形成蜂窝结构体的方法，所述方法包括：使第一蜂窝片段在其外表面的至少一个上与包含无机纤维，载流流体和胶体无机溶胶的胶接剂组合物接触，其中纤维占胶接剂组合物的固体的至少约10重量％，并且纤维具有多模长度分布，使得一部分纤维具有至少10微米至高达1000微米的长度，并且至少一个其他部分的纤维是长度大于1毫米，优选大于1至100毫米，更优选2至100毫米并且甚至更优选5至30毫米的较长纤维，使第二蜂窝片段与第一蜂窝片段机械接触，使得胶接剂组合物被插入所述蜂窝片段之间，使得所述蜂窝片段被粘附，和充分烧制粘附的片段以使胶体转化成粘结相，所述粘结相将胶接剂的纤维粘合在一起并将胶接剂粘合至蜂窝片段上以形成蜂窝结构体。

较长纤维优选占无机纤维的总重量的1至50，更优选3至30并且甚至更优选5至25％。混合长度纤维提供某些优点。较少比例的较长纤维的存在倾向于在给定胶接剂中的纤维含量的情况下增加胶接剂组合物的粘度。胶接剂组合物的粘度应该稍高，但不过高，这样它可以容易被涂敷和成型而不在其可以干燥之前在蜂窝上流挂或流失。较少比例的较长纤维的存在可允许实现良好的工作粘度而不过度增加纤维含量。如果总体纤维含量变得太高，则可能在组合物中没有足够的胶体硅石和/或胶体矾土以使纤维相互或与蜂窝片段充分粘结。在现有技术胶接剂组合物中，胶接剂的强度倾向于随着纤维长度的增加而下降，因为纤维的数目随着其长度的增加而下降(在给定纤维加载量下)，而较少的纤维意味着它们可被粘结在一起的交叉点较少。但是，当如本发明中使用较短和较长纤维的混合物时，所述胶接剂的强度通常比得上仅包含相同重量的短纤维的胶接剂的强度。因此，较短纤维和较少比例的较长纤维的混合物可提供明显的处理益处且较少有或没有相应缺点。

另一方面，本发明涉及一种包含无机纤维，载流流体和胶体无机溶胶的胶接剂组合物，其中纤维占胶接剂组合物的固体重量的至少约10％，并且纤维具有多模长度分布，其中一部分纤维具有至少10微米至高达1000微米的长度，并且至少一个其他部分的纤维是具有至少1毫米的长度的较长纤维。

再一方面，本发明涉及一种陶瓷蜂窝结构体，所述陶瓷蜂窝结构体包含至少两个单独的已通过第一方面的方法粘附在一起的较小陶瓷蜂窝。