制备多孔针状富铝红柱石材料体的方法技术

本发明专利技术制备高度多孔的针状富铝红柱石材料体。使用湿法形成含富铝红柱石前体和造孔剂的生坯。将生坯加热，以顺序移除任何粘结剂、造孔剂和煅烧生坯。煅烧的材料体被富铝红柱石化。该方法形成具有优异强度并且可以容易处理的煅烧材料体。富铝红柱石化的材料体具有非常高的孔隙率、小的孔并且具有优异的断裂强度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请要求2008年6月27日提交的美国临时申请61/076，306的权益。本专利技术涉及用于制备多孔针状富铝红柱石材料体(mullite bodies)的方法。针状富铝红柱石表现出高长宽比的针状物形式。这些细长的针状物的聚集体形成 了高度多孔性的结构体，这些结构体的特征在于它们优异的耐温度性。多孔针状富铝红柱 石材料体可以被用作微粒捕集器(particulate trap)，用于过滤来自动力装置放出的废气 中的烟灰。动力装置可以是移动或固定的。移动动力装置的一个实例是内燃机。固定动力 装置包括电力和/或蒸汽产生单元。多孔针状富铝红柱石材料体还可用作催化剂载体，比 如在汽车催化转化器中的催化金属用的载体。负载有某些催化剂的多孔针状富铝红柱石材 料体可以表现出多种功能，比如起着机械烟灰过滤器的作用，还起着用于将NOx排放物还 原和将包含在燃烧废气中的残留烃值和一氧化碳氧化的催化转化器的作用。多孔针状富铝红柱石材料体还可以在其它类型的化学反应中用作过滤器或用作 催化剂用载体，或用作吸附剂用载体比如用于消除砷的TiO2用载体。一种制备多孔针状富铝红柱石材料体的常规方法开始于包含铝原子源和硅原子 源的“生坯”。将生坯形成为最终产品中所需的近似尺寸和形状。将粘结剂烧掉，并且煅烧 生坯。通过在氟源的存在下加热生坯，可以形成具有(理论)经验式Al2 (SiO4)F2W氟黄玉 (fluorotopaz)化合物。然后，可以将氟黄玉化合物热分解以形成富铝红柱石，该富铝红柱 石具有(理论)经验结构3Al203 *2Si02。由这种方式形成的富铝红柱石晶体表现出互连针 状物的块体形式。该针状物通常具有不超过约25微米的平均直径。互连针状物形成多孔 结构体。产物的尺寸和形状非常接近于开始生坯的尺寸和形状。这些针状富铝红柱石材料体的孔隙率非常重要。富铝红柱石材料体的很多应用需 要气体或液体流过该材料体。更高的孔隙率降低了建立通过该材料体的给定流体速率所需 的操作压力。在富铝红柱石材料体用作用于一些功能材料比如催化剂或吸附剂的载体的情 况下，孔隙率越高倾向于提高材料体的承载能力，这样允许被负载到材料体上的功能材料 越多。然而，孔的尺寸也是重要的。如果孔尺寸变得太大，则富铝红柱石材料体作为过滤 器变得更低效。在催化剂或吸附剂的应用中，大的孔产生流过该材料体的试剂将不与催化 剂或吸附剂接触的可能性。此外，材料体的机械完整性通常随着孔尺寸变得更大而降低。良 好的机械完整性显然是重要的，以使得该材料体能够承受在通常的处理和使用过程中其所 经历的机械和热应力。作为实用物质，具有大于60%的孔隙率的富铝红柱石材料体(以及 其它陶瓷材料体)趋向于具有不可接受的大孔，这导致过滤效率和物理强度的损失。通常 需要保持平均孔尺寸在50微米以下。通过使用轻微压缩的干燥粉末形成生坯，将针状富铝红柱石材料体的孔隙率制备 为达到约80%。轻压制方法允许生坯以低密度形成，这样导致生坯一旦转化成富铝红柱石 就产生高的孔隙率。采用轻压制法的问题在于它们仅可以用于制备具有非常简单几何形状 的部件。此外，压制方法通常仅适合于用于相对小的部件。大多数的针状富铝红柱石部件 都需要具有一定程度的复杂几何形状，并且这些部件可能有些大。更高压力的压制方法可以制备孔隙率在50至70体积％范围内的富铝红柱石材料体，但是再次，这些方法被限制于 制备更小的具有简单几何形状的材料体。大的生坯，以及具有这些复杂几何形状的那些，必需使用湿法而不是使用简单压 制方法制备。在这些情况下通常使用挤压和射压造型工艺，但是粉浆浇铸和带材浇铸也可 以使用。湿法不能制备非常低密度的生坯，因此，所得针状富铝红柱石的孔隙率很少超过约 60体积％。在一些陶瓷体系中使用造孔剂(Porogens)来制备多孔体。然而，富铝红柱石化 工艺(mullitization process)的属性阻碍造孔剂的使用。富铝红柱石生产是多步骤工 艺，在该工艺中，形成生坯并且将粘结剂烧掉。在工艺的这个阶段的材料体极端脆弱且难于 处理。造孔剂向生坯中的添加反而进一步弱化了该结构，并且可能另外引入裂纹或其它缺 陷。在使用其它陶瓷材料的情况下，通过在处理之前对该材料体进行煅烧，一定程度上改善 了该问题。煅烧使得在相邻的陶瓷晶粒之间形成桥联，并且这些桥联增强了结构，从而足以 使得它被更容易地处理。然而，富铝红柱石存在独特的挑战，因为在现有工艺中，在高于约 1100°C的温度的煅烧不利地影响在随后的富铝红柱石化步骤中生长高长宽比晶体的能力。 在更低温度的煅烧没有给材料体提供充分的增强。因此，问题仍在于在更大更复杂的针状富铝红柱石材料体中实现高的孔隙率，，以 及由通过湿法制备的生坯开始实现高的孔隙率。该材料体还需要在最小的裂纹或其它缺陷 的情况下形成，并且在富铝红柱石化工艺之前，该材料体需要具有足够器械强度，以使它能 够容易被处理。此外，这样的高度多孔体应当具有小的孔，在富铝红柱石化之后具有良好的 机械强度，并且对于很多最终用途的应用，具有良好的耐热冲击性，所述热冲击是由温度的 剧烈变化而引起的。本专利技术的一个方面是一种用于制备针状富铝红柱石材料体的方法。所述方法包 括a)由下列各项形成粘结物质包含铝原子源和硅原子源的组分，基于除一种或多 种液体和一种或多种粘结剂之外的所有组分计的5至60重量％的造孔剂粒子，至少一种液 体和任选的粘结剂，所述造孔剂粒子的体积平均有效粒子尺寸为1至50微米；然后b)将粘结物质成形为生坯；C)在基本上没有含氟气体的气氛下，将所述生坯加热至足以顺序移除如果存在的 粘结剂，然后将造孔剂粒子转化成气体并且产生多孔生坯的温度，然后，d)在基本上没有含氟气体的气氛下，在1100°C和1400°C之间的温度煅烧多孔生 坯，以形成多孔煅烧材料体；然后e)在包含含氟化合物的气氛的存在下，将多孔煅烧材料体加热至使得该煅烧材料 体中的铝原子源和硅原子源与含氟化合物反应以形成氟黄玉的温度，然后，f)将所述材料体加热至高于800°C的温度，从而分解氟黄玉以形成多孔针状富铝 红柱石材料体。这种方法可用于制备具有非常高孔隙率和小的孔尺寸的多孔针状富铝红柱石材 料体。平均孔尺寸典型地低于50微米，并且可以小到1微米。平均孔尺寸优选5至40微 米，并且更优选为10至25微米，但是通过使用不同尺寸的造孔剂，可以在一定程度上改变 孔尺寸。此外，所述方法制备出具有非常少的裂纹或其它缺陷的材料体。本专利技术的一个非常令人惊奇的特征在于生坯可以在高温煅烧而不破坏富铝红柱 石前体形成高长宽比针状物的能力。这与在富铝红柱石体系中的早先观察结果相反。煅烧 所述材料体的能力允许所述材料体获得更大的断裂强度。如通过ASTM 1161 4-点弯曲实 验测试测量的，即使在70至85%的孔隙率的情况下，断裂强度也典型地为3MPa以上。煅烧 材料体的断裂强度在本文中有时称作“煅烧强度”。良好的煅烧强度使得煅烧部件容易被处 理。在本专利技术中制备的针状富铝红柱石材料体也具有良好的断裂强度，即使在70至 85%的孔隙率的情况下，如通过ASTM 1161 4-点弯曲实验测量的，所述断裂强度也通常是 IOMPa0本专利技术的方法特别可用于制备大材料体(比如，如由其外部尺度限定的体积为至 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备针状富铝红柱石材料体的方法，所述方法包括：　　ａ）由下列各项形成粘结物质：包含铝原子源和硅原子源的组分，基于除一种或多种液体和一种或多种粘结剂之外的所有组分计的５至６０重量％的造孔剂粒子，至少一种液体和任选的粘结剂，所述造孔剂粒子的体积平均有效粒子尺寸为１至５０微米；然后　　ｂ）将所述粘结物质成形为生坯；　　ｃ）在基本上没有含氟气体的气氛下，将所述生源坯加热至足以顺序移除如果存在的粘结剂，然后将所述造孔剂粒子转化成气体并且产生多孔生坯的温度，然后，　　ｄ）在基本上没有含氟气体的气氛下，在１１００℃至１４００℃之间的温度煅烧所述多孔生坯，以形成多孔煅烧材料体；然后　　ｅ）在包含含氟化合物的气氛的存在下，将所述多孔煅烧材料体加热至使得所述煅烧材料体中的所述铝原子源和所述硅原子源与所述含氟化合物反应以形成氟黄玉的温度，然后，　　ｆ）将所述材料体加热至高于８００℃的温度，从而分解所述氟黄玉以形成多孔针状富铝红柱石材料体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US61/076,3062008年6月27日1.一种用于制备针状富铝红柱石材料体的方法，所述方法包括a)由下列各项形成粘结物质包含铝原子源和硅原子源的组分，基于除一种或多种液 体和一种或多种粘结剂之外的所有组分计的5至60重量％的造孔剂粒子，至少一种液体和 任选的粘结剂，所述造孔剂粒子的体积平均有效粒子尺寸为1至50微米；然后b)将所述粘结物质成形为生坯；c)在基本上没有含氟气体的气氛下，将所述生源坯加热至足以顺序移除如果存在的粘 结剂，然后将所述造孔剂粒子转化成气体并且产生多孔生坯的温度，然后，d)在基本上没有含氟气体的气氛下，在1100°C至1400°C之间的温度煅烧所述多孔生 坯，以形成多孔煅烧材料体；然后e)在包含含氟化合物的气氛的存在下，将所述多孔煅烧材料体加热至使得所述煅烧 材料体中的所述铝原子源和所述硅原子源与所述含氟化合物反应以形成氟黄玉的温度，然 后，f)将所述材料体加热至高于800°C的温度，从而分解所述氟黄玉以形成多孔针状富铝 红柱石材料体。2.权利要求1所述的方法，其中所述多孔针状富铝红柱石材料体具有70至85体积％ 的孔隙率。3.权利要求1或2所述的方法，其中所述针状富铝红柱石材料体具有1至50微米的平 均孔尺寸。4.权利要求1-3中任一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历山大·约瑟夫·皮茨克，
申请(专利权)人：陶氏环球技术公司，
类型：发明
国别省市：US