[发明专利]新型混合含水高岭土产物

说明书

本申请要求于2008年8月19日提交的美国临时申请序列号61/090024的优先权。

技术领域

本发明涉及一种在特定应用中用作粗制产物的高岭土产物。特别地，本发明涉及一种在堇青石陶瓷蜂窝的形成和烧结中用作原料组分的混合含水高岭土产物。

背景技术

堇青石(Mg₂[Al₄Si₅O₁₈])陶瓷是用于车用催化剂基材、柴油机微粒过滤器应用以及其它高温制品(例如NO_x吸附基材、催化剂基材和蜂窝制品)的优选材料，这是由于堇青石陶瓷的低生产成本和例如低热膨胀系数(CTE)和抗热冲击的物理特性的结合。堇青石基材通常是由诸如滑石和高岭土的天然存在的矿物来制备，原因是这些矿物具有低成本和高纯度。堇青石材料通常是通过将原料混合而制成的，这些原料可包括滑石、氧化铝、氢氧化铝、高岭土和二氧化硅。然后可将所述原料与粘结剂(例如甲基纤维素)和润滑剂(例如硬脂酸钠)混合来形成塑性混合物。然后将该塑性混合物成型为生坯并进行烧结。

堇青石晶体结构由四面体的六边形环构成，该四面体通过五个硅原子和一个铝原子在六边形环的每个交点接合。六边形环通过其它的铝四面体和镁八面体连接在一起，从而使得每个单位晶胞有两个沿晶体结构的c轴取向的间隙空位。参见：B.P.Saha，R.Johnson，I.Ganesh，G.V.N.Rao，S.Bhattacharjee，T.R.Mahajan；Materials Chemistry and Physics，67(2001)，140-145。随着温度增加，该间隙空位导致沿着晶体结构的c轴收缩和沿着a轴和b轴膨胀。参见：R.J.Beals，R.L.Cook，J.Am.Ceram.Soc.，35(2)，(1952)，53-57。由堇青石晶体结构引起的各向异性CTE通过将陶瓷内单个晶体的c轴取向为挤出方向而为工程师提供机会，以获得改善的堇青石蜂窝。已经观察到堇青石晶体取向使陶瓷蜂窝的整体CTE显著净减少。参见：I.M.Lachman，R.M.Lewis，1975年5月27日的美国专利No.3,885,977；和R.Johnson，I.Ganesh，B.P.Saha，G.V.Narasimha Rao，Y.R.Mahajan，J.Mater.Sci.，38(2003)，2953-61。

为了使堇青石晶体在陶瓷中定向，可以使用片状原材料。特别地，滑石和高岭土具有片状晶体结构，当在高压下通过挤出模时，片状晶体结构可优先平行于挤出方向地定向。含水高岭土的分层可用来增加粘土的片状性，从而使得在挤出过程中增加了对齐性。然后生坯的烧结使得具有在蜂窝结构内堇青石晶体的优先取向的陶瓷形成，所述蜂窝结构相对于挤出方向沿着c轴取向。参见I.M.Lachman等人，1988年9月20日的美国专利No.4,772,580。虽然滑石和高岭土在烧结的堇青石晶体结构的取向中都发挥作用，但是由于高岭土提供了生坯内有序Al的唯一来源，所以高岭土被认为是最重要的贡献者。由于Si来源于滑石和高岭土原料源，并且Mg(以滑石作为来源)占了最终堇青石晶体的较小的原子和重量百分比，所以预期Al(来自高岭土)对于最终堇青石晶体结构的贡献最大。参见Saha等人。

制备高度有序的堇青石基材的一个缺点是沿蜂窝中的轴向和横向的热膨胀的差异会变得很大，以致于会产生裂缝，从而降低了抗热冲击性能。参见Saha等人。虽然这是涉及催化剂基材的问题，但是对于制备用于柴油微粒过滤器应用的蜂窝来说尤其重要，其中增加的孔隙率降低了所得陶瓷的抗冲击性能。此外，平行于基材轴向的高度取向的原料的挤出降低了生坯的强度，从而使得生坯松垂，特别是在薄壁应用中。为了缓解这些问题，煅烧的粘土往往必须结合分层含水粘土而添加。虽然这种添加使颗粒的对齐性缓和而提供了生坯内的强度，但却以烧结陶瓷内堇青石晶体的对齐性的降低和由此所得的热膨胀系数的减小为代价。特别是与分层含水粘土相比，通过煅烧制备的较粗颗粒的片状性较差。

发明内容

本发明涉及一种混合含水高岭土产物，其包含以直径表示平均粒度小于2μm的片状高岭土和以直径表示平均粒度小于1μm的含水细高岭土，这些可以通过Sedigraph 5100测量。在一个实施方式中，所述片状高岭土是分层高岭土。所述高岭土产物可以在堇青石陶瓷蜂窝的形成和烧结中用作原料组分。