[发明专利]具有涂敷的无机表皮的陶瓷蜂窝结构体

说明书

本申请要求2009年6月29日递交的美国临时申请61/221,427的优先权。

本发明涉及一种具有涂敷的无机表皮的陶瓷蜂窝结构体。

陶瓷蜂窝结构体通常作为过滤器或催化剂载体用于高温场合。蜂窝结构体在制造或使用过程中频繁地暴露于大的和迅速的温度变化。例如，陶瓷蜂窝通常作为微粒过滤器用于从柴油发动机排气中去除烟灰粒子或液滴。那些过滤器在机动车的正常运行过程中并且在将过滤器热再生以烧掉所捕获的烟灰时经历大的温度变化。这些大的快速的温度变化有时称作“热震”事件。

这些快速的温度变化通常在蜂窝结构体内产生暂时但显著的温度梯度，这又导致因为部件内的不均匀热膨胀(或热收缩)而产生大的局部应力。当这些局部应力超过部件的强度时，该结构体会通过开裂而减轻应力，这可导致部件失败。

部件的周边通常经历最高的热诱导应力，尤其在快速温度升高过程中。结果，开裂通常从该结构体的周边开始。一些周边开裂通常可被容忍，但一旦开始开裂，它可向内传导并造成部件失败。

陶瓷蜂窝结构体通常被制成具有外“表皮”，其一般由该结构体的最外蜂房(cells)的壁组成。该表皮可被去除并用另一种陶瓷材料替换。这样做有各种原因。在一些情况下，新”表皮“可具有粗糙化的，凸起的或凹进的表面。这些特征使得该表皮更好地抓住其围绕物，这样它更好地保持其在柴油发动机排放系统内的位置。

USP 7,083,842描述了一种陶瓷蜂窝结构体，其中该结构体的原始周边区域被去除并用无机涂层替代，将所述无机涂层干燥形成替代表皮。该涂层组合物包括无机粘结剂，高达100微米长度的陶瓷纤维，和直径为0.5至100微米的粒子。该涂层组合物的各种组分，并且尤其是粒子和纤维的尺寸被共同选择使得干燥涂层具有规定的表面粗糙度。粒子应该含有与蜂窝结构体的主晶相相同的晶相，估计该表皮的线性热胀系数与下方蜂窝结构体的线性热胀系数相配。

含纤维的胶接剂有时已被用于由两个或更多个较小的蜂窝组装蜂窝结构体。在USP 5,914,187中，例如，这种胶接剂包括无机粘结剂如玻璃状硅石相，以及陶瓷纤维和其他无机粉末或晶须两者。粉末或晶须用于增加胶接剂的导热率。USP 7,112,233描述了一种类似胶接剂，其在这种情况下被配制成具有特定导热率。描述于USP 7,112,233的胶接剂包括至少1mm长度的硅石-矾土纤维。根据USP 7,112,233，较短纤维不容许形成“弹性”结构体。所需导热率通过在胶接剂配方中包括碳化硅，氮化硅或氮化硼粒子而提供。但是，由于这些胶接剂层位于构成蜂窝结构体的部分之间，这些胶接剂不经历在蜂窝结构体的周边所通常看见的相同类型或相同水平的热诱导应力。胶接剂的功能主要是将这些构成部件固定在一起并有效地传热。在胶接剂应用中，纤维的存在倾向于由于低效填充而降低胶接剂层的热质和导热率。

本发明的一个方面涉及一种陶瓷结构体，所述陶瓷结构体具有：(1)含有由交叉壁限定的多个轴向延伸蜂房的陶瓷蜂窝和(2)覆盖陶瓷蜂窝的至少一部分外部周边的陶瓷表皮，其中周边陶瓷表皮含有：(a)包括至少40重量％无机纤维的无机填料和(b)将无机纤维粘结在一起并将周边陶瓷表皮粘合至陶瓷蜂窝上的硅酸盐，铝酸盐或硅铝酸盐粘结相，并且进一步其中周边陶瓷表皮含有至多约5重量％的具有与无机纤维不同的线性膨胀系数的低纵横比无机填料粒子。这里所用的“低纵横比”是指低于约10的纵横比。

本发明的陶瓷结构体可用于各种过滤，热交换和催化场合。陶瓷表皮相比许多其他表皮材料表现出在热震事件过程中明显降低的开裂倾向。即使裂缝在表皮中形成，它们也更不容易通过蜂窝结构体传导并且造成部件失败。因此，陶瓷结构体尤其可用于其中将该结构体暴露于快速和大的温度变化的场合。该表皮的优点进一步在于由简单，容易制备和涂敷的表皮组合物制成。

另一方面，本发明涉及一种方法，所述方法包括以下步骤：(a)形成含有由交叉壁限定的多个轴向延伸蜂房的陶瓷蜂窝，(b)去除陶瓷蜂窝的外部部分，以暴露在去除所述外部部分之后留在陶瓷蜂窝的周边上的轴向延伸蜂房的内部，随后(c)将表皮形成组合物涂敷到该陶瓷蜂窝的至少一部分周边上，并随后(d)烧制该表皮形成组合物以在陶瓷蜂窝的至少一部分周边上形成无机表皮，其中表皮形成组合物含有：包括至少40重量％无机纤维的无机填料，在干燥以形成粘结相的胶体硅石，胶体矾土或其混合物，和载流流体(carrier fluid)，并且进一步其中周边陶瓷表皮含有基于表皮形成组合物的固含量为至多约5重量％的在干燥步骤完成之后其线性膨胀系数与所述无机纤维不同的低纵横比无机填料粒子。