[发明专利]多晶硅铝酸盐陶瓷长丝、纤维和非织造垫及其制备和使用方法

说明书

本发明提供了一种非织造制品，该非织造制品包括二维非织造结构或三维非织造结构，该二维非织造结构或三维非织造结构包含通过经焙烧的前体无机粘结剂内聚粘结在一起的多根不连续多晶硅铝酸盐陶瓷纤维，其中每根内聚粘结的不连续纤维在沿其长度的一个或多个位置处粘结到一根或多根其他所述不连续纤维。

技术领域

本公开涉及制备多晶硅铝酸盐陶瓷连续长丝和不连续纤维、由此类陶瓷长丝和纤维制成的未焙烧(即，生坯)和经焙烧的非织造幅材以及由此类未焙烧(即，生坯)和经焙烧的非织造幅材制成的未焙烧(即，生坯)和经焙烧的二维和三维非织造结构(例如，非织造陶瓷纤维片材和垫)的方法。更具体地讲，本公开涉及可用于各种商业(例如，汽车、航空航天、工业等)应用(例如，用于电动车辆的绝缘和保护电池、用在内燃机的污染控制装置和其他排气系统部件中的安装和绝缘应用等)的多晶硅铝酸盐陶瓷长丝、纤维以及非织造陶瓷二维和三维纤维结构。

背景技术

有许多商业应用需要使用具有耐高温性、高温绝缘性能、高耐腐蚀性等的纤维材料。例如，在机动车辆上采用污染控制装置来控制大气污染。当前广泛使用两种类型的此类装置：催化转化器和柴油颗粒过滤器或捕集器。催化转化器包括催化剂，该催化剂通常涂覆到安装在转化器中的单片结构上。单片结构通常为陶瓷的，但也使用过金属单片。催化剂氧化一氧化碳和碳氢化合物，并减少汽车废气中的氮氧化物，以控制大气污染。柴油颗粒过滤器或捕集器通常为壁流式过滤器，其具有通常由多孔晶体陶瓷材料制成的蜂窝状单片结构。通常，如所构造的，这些装置的每种类型都具有将单片结构或元件保持在其内的金属壳体，该单片结构或元件可以是金属或陶瓷，并且最常见的是陶瓷。陶瓷单片一般具有很薄的壁以提供大量的表面区域，并且是易碎的且容易断裂。它也具有一般比容纳它的金属壳体(通常为不锈钢)小一个数量级的热膨胀系数。

为了避免路面冲击和振动对陶瓷单片造成损坏，为了补偿热膨胀差，并且为了防止废气穿过单片与金属壳体之间，在陶瓷单片与金属壳体之间常常设置有陶瓷垫或膨胀型片状材料。还将陶瓷单片和安装材料设置或插入在金属壳体内的过程称为封装并且包括诸如以下的过程：将膨胀型片材或陶瓷垫包绕在单片周围并且将包绕的单片插入到壳体中。

为了使催化转化器正常工作，它们必须达到其起燃温度。直到达到了其起燃温度，才可能发生污染物排放。为了缩短达到起燃温度所需的时间，应将从发动机到排放控制装置的废气的热量保持在排放系统组件内部。这将减少废气污染物在不被催化的情况下通过排气系统的时间量，并且继而将减少释放到大气的污染物的量。

已知使用安装在排气管或消声器外部的陶瓷绝缘毯或垫来使汽车发动机排气管和催化消声器绝缘。绝缘材料通常由热屏蔽件覆盖或放置在套管式组件中以保护绝缘垫的外部。

发明内容

用于制备非织造幅材的工艺一般被表征为连续长丝纺丝工艺或不连续纤维吹制工艺。长丝纺丝工艺产生通常呈粗纱形式的连续或基本上连续的长丝，其通常需要进一步加工以转化成包含通过对连续和基本上连续的长丝进行分段(例如，通过短切)而产生的不连续纤维的非织造垫。粗纱中的连续长丝通常被短切成较短的纤维股线，该较短的纤维股线可在铺设(例如，通过湿法成网或气流成网)成均匀垫之前被开松成单独的纤维，并且随后通过机械或化学方式固结。这种工艺通常导致一定程度上均匀的纤维直径分布，但由于高成本、大量的工艺步骤以及工艺固有的生产率限制，它不是生产多晶纤维垫的商业上可行的解决方案。

使用纤维吹制工艺还可产生不连续陶瓷纤维。在纤维吹制工艺中，将初始低粘度陶瓷前体分散体或溶胶泵送通过喷嘴，然后使用高速气流将其拉伸和原纤化以形成离散纤维，该离散纤维随后被收集以形成非织造生坯(未焙烧)纤维垫，该非织造生坯纤维垫随后在升高的温度下焙烧以形成非织造陶瓷长丝垫。在纤维形成步骤中低粘度和高流速的组合通常导致宽的纤维直径分布和纤维直径变化性的宽变化，这不允许精确控制用于商业生产的不可呼吸的多晶陶瓷长丝或纤维或者包含此类长丝或纤维的制品的纤维直径。