具有无机连结的挤出的多孔基底制造技术

本发明专利技术提供一种制备高度多孔基底的方法。更具体地讲，本发明专利技术使得纤维（例如有机、无机、玻璃、陶瓷、聚合物或金属纤维）与粘合剂和添加剂结合，并通过挤出形成多孔基底。根据对用于形成可挤出混合物的成分的选择，本发明专利技术使得基底具有约６０％至约９０％的孔隙率，并对于其他孔隙率也具备工艺优势。所述可挤出混合物可使用多种纤维和添加剂，并适用于多种操作环境和应用。可选择添加剂在挤出的基底中的重迭纤维之间形成无机连结，其在多种应用中为多孔基底提供增强的强度和性能，例如过滤以及作为催化过程的主体（例如催化转化器）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术整体涉及挤出多孔基底的挤出工艺，并且在一个具体实施中涉及挤出 多孔陶瓷基底的挤出工艺。
技术介绍
许多工艺需要刚性基底，以便为各种工艺提供协助和支持。例如，将基底用 于过滤应用，以过滤颗粒物、分离不同的物质或者除去空气中的细菌或微生物。这 些基底可被构造成能在空气、废气或废液中操作，并可以制造成能承受较大的环境 或化学应力。在另一个例子中，将催化材料沉积在基底上，以便有利于进行化学反 应。例如，可将贵金属沉积在合适的基底上，然后该基底可以通过催化作用将危险 性废气转化成低毒气体。通常，这些刚性基底在具有较高的孔隙率时操作会更加有 效。孔隙率通常是作为固体材料的特性，定义为开放空间占此材料总体积的百分比。例如，具有50%孔隙率的基底有一半的体积被开放空间占据。这样，具有较 高孔隙率的基底的单位体积质量低于具有较低孔隙率的基底。一些应用得益于较低 质量的基底。例如，如果将基底用于支持催化过程，并且该催化过程在高温下进行， 那么具有较低热质量的基底可更快地加热至它的操作温度。这样，将催化剂加热至操作温度所用的时间，即起燃时间，通过使用更多孔并且更低热质量的基底得以减 少。渗透性也是基底的一个重要特性，特别是过滤和催化用基底。渗透性与孔隙 率有关，因为渗透性是对流体(例如液体或气体)可穿过基底的容易程度的量度。 大多数应用得益于高渗透性基底。例如，当后处理过滤器为内燃机提供较低的背压 时，内燃机可更加有效率地运作。使用渗透性较高的基底可产生低背压。由于渗透 性比孔隙率更难测量，因此孔隙率常用作基底渗透性的替代指标。然而，这并非特 别准确的特性，因为若孔未普遍地开放和互连，则高孔隙率的基底仍可能仅具有限 的渗透性。例如，聚苯乙烯泡沫塑料饮水杯由高度多孔的泡沫材料制成，但液体流却无法渗透该饮水杯。因此，在考虑孔隙率和渗透性的重要性时，也必须对基底的 孔结构进行检查。在聚苯乙烯泡沫塑料杯的例子中，聚苯乙烯泡沫材料具有闭合的 孔网络。这表示泡沫含有许多非连通孔和/或终端封闭的孔。这样，虽然泡沫内有 许多空隙和开放空间，但由于这些孔并未连通，流体或气体无法从泡沫的一侧流至 另一侧。随着更多的通道开始互连，那么流体的通道亦开始从一侧到另一侧得以形 成。在此情况下，此材料称为拥有更加开放的孔网络。在材料中形成的连接通道 越多，此物质的渗透性会变得越高。如果每个孔均与至少一个其他通道连接，并且 所有孔均允许流体穿过由此材料形成的壁的整个厚度，在此情况下，此基底会被定 义为具有完全开放的孔网络。一定要注意胞室和孔之间的差异。胞室是指贯穿(通常相互平行但非必须)蜂窝状基底的通道。通常，蜂窝状基底是指每平方英寸上具有多少个胞室的内容。例如，每平方英寸具有200个胞室的基底沿着该基底的主 轴具有200个通道。另一方面，孔是指材料自身内部的间隙，例如在构成隔开两个 平行通道或胞室的壁的材料。完全或大部分开放的孔网络基底在过滤或催化行业 中还是未知的。反而，即使是最多孔可用的挤出基底，也是开放孔和闭合孔的混合 体。因此，许多应用都迫切需要具有高孔隙率的基底，并具有能确保同样高渗透 性的内部孔结构。另外，基底还必须形成具有足够刚性的结构以支持特殊应用的结 构和环境要求。例如，要附加到内燃机的过滤器或催化转化器必须能够经受可能的 环境冲击、热要求以及制造和使用应力。最后，基底的制造成本需足够低以允许广 泛应用。例如，为了降低汽车造成的全球污染程度，在发达国家以及发展中国家过 滤基底都必须经济实用。因此，过滤器和催化转化器基底的总成本结构在基底的设 计和选择工艺中是一个主要考虑因素。已经证明，挤出是一种制造等截面刚性基底的高效和经济型工艺。更具体地 讲，陶瓷粉体材料的挤出是制备内燃机过滤器和催化基底最广泛应用的工艺。在这 几年中，挤出粉体陶瓷的工艺得以迅速发展，使得如今挤出的基底可以具有接近 60%的孔隙率。这些挤出的多孔基底具有良好的强度特性、可灵活地且规模化地制 造、保持高质量水平、并且非常有成本效益。然而，粉体陶瓷材料的挤出已经达到 了孔隙率的可实施上限，并且进一步增大孔隙率将会导致不可接受的低强度。例如， 如果孔隙率大于60%，挤出的陶瓷粉体基底尚未证明具有足够的强度能在柴油微 粒过滤器的严苛环境下运作。在已知挤出工艺的另一个限制中，其希望通过增加基 底的表面积来得到更高效的催化转化。为了增加表面积，挤出的陶瓷粉体基底曾试图增加胞室密度，但增加胞室密度导致了为内燃机带来无法接受的背压。因此，挤 出的陶瓷粉体基底在极高孔隙率下不具备足够的强度，并且当需要增大的表面积时 还会产生不可接受的背压。因此，陶瓷粉体的挤出看来己受到了实际应用的限制。 为了获得更高的孔隙率，过滤器供货商已尝试转向褶式陶瓷纸。使用这类褶 式陶瓷纸，可能获得约80%的孔隙率以及极低的背压。有了此低背压，这些过滤 器已用于诸如釆矿业的应用中，其中极低的背压是必要的。然而，褶式陶瓷纸过滤 器的使用机会不多，并未广泛采用。例如，褶式陶瓷纸还无法在严苛环境中有效应 用。制造褶式陶瓷纸需要使用造纸工艺，其产生的陶瓷纸结构相对较弱，与挤出的 过滤器相比其亦不符合成本效益。在本领域中，已观察到褶式纸的迭縮或散开，即使是在使用昂贵的化学气相沉积型工艺将陶瓷纤维涂覆韧性涂层(例如SiC)时。此外，褶式陶瓷纸的形成使其胞室形状和密度的灵活性极小。例如，制备具有大入 口通道以及较小出口通道的纸褶式过滤器较为困难，但这在某些过滤应用中可能是 所需的。因此，使用褶式陶瓷纸己无法满足更高孔隙率的过滤器和催化基底的要求。在为了增大孔隙率和避免褶式纸缺点的另一个例子中， 一些方法通过形成具 有陶瓷先驱体的团料并在一多孔模具中小心处理该团料以生长成单晶须，从而构建 基底。然而，这些晶体的原位生长需要对固化过程进行仔细且准确地控制，这使得 该工艺难以规模化、相对昂贵并且容易出现不合格品。此外，这一困难的工艺在孔 隙率上仅能提升几个百分点。最后，该工艺仅能长成莫来石型的晶须，这限制了基 底的适用范围。例如，已知莫来石具有较大的热膨胀系数，这使得莫来石晶须在多 种需要大范围操作温度带和温度骤变转换过程的应用中是不理想的。因此，该行业需要具有高孔隙率和相应高渗透性的刚性基底。优选的是，该 基底将形成非常理想的开放胞室网络，在制造上符合成本效益，并可具有灵活的物 理、化学和反应特性。
技术实现思路
简而言之，本专利技术提供使用挤出系统的高度多孔基底。更具体地讲，本专利技术涉及高度多孔基底的制备。根据具体的混合物，本专利技术可使基底的孔隙率为约60% 至约90%,并在其他孔隙率上也具优势。挤出系统可使用多种纤维和添加剂，并 适用于多种操作环境和应用。根据基底的需求选择纵横比大于1的纤维，并通常与 粘合剂、造孔剂、挤出助剂和流体混合以形成均质的可挤出团料。该均质团料被 挤出形成坯体基底。易挥发的物质优先从坯体基底中移除，这使得纤维形成互连网络。随着固化过程的继续，无机连结在纤维之间形成从而形成具有基本上开放的孔 网络的结构。所得的多孔基底可用于多种应用，例如用作过滤器或催化剂主体的 基底，或者催化转化器。在一个更具体的例子中，选择纵横比分布在约3至约IOOO之间的陶瓷纤维， 尽管通常是在约3至约500的范围内本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔陶瓷基底，包括：　重迭的陶瓷纤维；　形成于该等重迭陶瓷纤维之间的无机连结；以及　通过一挤出工艺制备的所述基底，所述工艺包括：　将陶瓷材料纤维与添加剂和一流体混合以形成一可挤出混合物，所述添加剂包括一无机粘合剂 ；　挤出所述可挤出混合物形成一坯体基底；以及　固化所述坯体基底形成所述多孔基底。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：B祖贝里，RG拉辰纳尔，SC皮尔莱，WM卡蒂，
申请(专利权)人：美商绩优图科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]