[发明专利]交联生坯体制品以及用其制造多孔陶瓷制品的方法

说明书

发明领域

本发明涉及多孔陶瓷制品，尤其涉及具有高孔隙度的陶瓷制品以及制 造此类高孔隙度陶瓷制品的方法。

背景技术

对陶瓷材料的加工往往得到孔隙度至少在5％以上的最终产品。较高 孔隙度为特定应用所期望，比如用于内燃机的废气转化器、锅炉燃烧元件、 液体燃料或气体燃料的重整装置、以及用于水或污水的净化系统。为了确 保大表面积，在这些应用中使用的许多高孔隙度陶瓷制品具有蜂窝结构。

高孔隙度陶瓷制品所具有的总孔隙度在大约20％以上。例如，市场上 的高孔隙度过滤器的孔隙度约为40-65％。高孔隙度可以通过以下方式实现： 将成孔剂与陶瓷形成无机批料、粘合剂和加工助剂混合形成塑化批料，将 该塑化批料制成生坯体，以及将该生坯体烧制形成陶瓷制品。成孔剂一般 被用来增加孔的数量并控制多孔陶瓷制品中的孔大小和容积。在孔隙度较 高的制品中，所需要的成孔剂数量增加。其结果是，在干燥和烧制步骤中， 裂纹就更成问题了。因此，制造高孔隙度陶瓷制品的结果可能是产率低下。 干燥产率是在干燥处理之后未发生显著裂纹或变形的生坯体的百分比。类 似地，烧制产率是在烧制处理之后未发生显著裂纹或变形的烧制体的百分 比。显然，高干燥产率和烧制产率能降低制造成本，提高效率，因此是人 们孜孜以求的。

成孔剂包括含碳化合物，比如石墨、淀粉、以及各种在生坯体的烧制 过程中会挥发的有机聚合物和树脂。成孔剂还包括发泡剂以及无机的中空 颗粒，比如氧化硅微球。成孔剂的用量取决于所期望的最终陶瓷制品的孔 隙度。例如，孔隙度约为30％的蜂窝陶瓷制品可以用包含100重量份陶瓷 形成粉末、最多30重量份的有机成孔剂、以及足量的诸如水等赋形剂 (vehicle)的生坯体制造。在烧制过程中，有机成孔剂挥发，在最终产品 中留下空的空间，即孔。孔大大地提高了制品的表面积，甚至提高了制品 的耐热冲击性。在微粒壁流式过滤器应用中，孔隙提供了用于从流体流中 过滤微粒的互连流路。

淀粉与石墨被用作成孔剂。干燥包括这些成孔剂的生坯体制品要求低 度加热。淀粉在相当低的温度就软化，大约是在80℃左右，淀粉比例高的 生坯体会在干燥过程中坍落，由此降低干燥产率。所提议的一个解决方案 是先将淀粉交联后再加入到混合物中去。这样可以提高淀粉的软化点并减 少坍落。然而，这样做却对提高生坯体的强度或者减少裂纹毫无益处。石 墨在干燥过程中不会软化。然而，如果在干燥过程中使用微波辐射，石墨 会快速地变热，导致裂纹。因此，每一种成孔剂都有其自身缺陷。

在某些应用中，需要较高孔隙度的陶瓷制品。例如，柴油机卡车废气 系统中的高孔隙度陶瓷过滤器既可以提高过滤器的寿命又可以降低过滤器 上产生的压降，由此提高发动机的燃料效率。制造商希望生产出孔隙度很 高的陶瓷制品，即，孔隙度在50％以上，优选在60％以上，最好在65％以 上。然而，在维持可以接受的干燥产率和烧制产率的同时实现这样高的孔 隙度是一个挑战。孔隙度较高一般意味着成孔剂较多，可能使生坯体中的 陶瓷壁变薄，强度下降，一般会降低干燥产率。现有技术在提高高孔隙度 陶瓷制品的干燥产率方面的解决方案包括极其漫长的干燥周期和在高潮湿 度条件下进行干燥。这两种方案对标准制造工艺产生干扰，严重地降低制 造速度。

就此而言，需要一种高孔隙度陶瓷制品以及一种制造此类陶瓷制品以 期减少生坯体裂纹的方法。较佳地，有关产品和方法应与现有制造工艺兼 容。

发明概述

本发明描述一种高孔隙度陶瓷制品及其制造方法。该制品的总孔隙度 至少在55％左右，优选在60％以上，最好在65％以上。该制造方法降低干 燥过程中裂纹的可能性。

在一个广泛的方面，该制造方法包括将陶瓷形成粉末、可交联成孔剂、 水、以及交联剂混合。交联剂不应只是与成孔剂混合，而应当充分分散于 生坯体之中。在干燥过程中，交联剂与成孔剂发生反应，由此在生坯体内 形成一个强化生坯体并减少裂纹的网络。

干燥处理去除生坯体中的水分，这促使成孔剂与交联剂之间发生缩合 反应。不需要特殊的干燥条件或者延长停留时间。在一个实施方式中，成 孔剂可以包括有机化合物。有机成孔剂可以具有反应性部分，比如羟基。 在干燥过程中，交联剂能够与该反应性部分反应在生坯体中形成网络。