專利名稱：：擠制多孔性基材的系統(tǒng)的制作方法擠制多孔性基材的系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
：本案是中國專利申請200680037343.9(PCT/US2006/028530)的分案申請。一般而言，本發(fā)明是關(guān)于一種擠制多孔性基材的擠制方法；特定而言，是關(guān)于一種擠制多孔性陶瓷基材的擠制方法。
背景技術(shù)：
：許多制程會(huì)要求剛性基材以便能協(xié)助及支援各種制程。舉例言之，應(yīng)用于過濾的基材可過濾微粒子、分離不同物質(zhì)或從空氣除去細(xì)菌或微生物?？芍圃煸摰然囊栽诳諝?、廢氣或液體中運(yùn)作，且該等基材可經(jīng)加工以抵抗實(shí)質(zhì)環(huán)境壓力或化學(xué)壓力。再例如，沉積觸媒材料于基材上以便能促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)。舉例言之，沉積一貴金屬于一適當(dāng)?shù)幕纳?，接著該基材將危險(xiǎn)的廢氣催化轉(zhuǎn)化成較無毒的氣體。一般而言，具有高孔隙度(porosity)的剛性基材的操作效率較咼o孔隙度通常視為固態(tài)材料的性質(zhì)，定義為開放空間占材料的全部體積的百分比。例如，孔隙度50%的基材有一半體積為開放空間。據(jù)此，具有高孔隙度的基材，其單位體積的質(zhì)量較具低孔隙度基材者為小。較低質(zhì)量的基材是有利于某些應(yīng)用；舉例言之，若基材是用于在催化過程中，且該催化過程是于高溫中運(yùn)作，則具較低熱質(zhì)量(thermalmass)的基材將會(huì)更快的加熱到操作溫度。因此，使用具較高孔隙度及較低熱質(zhì)量的基材，可降低加熱催化劑至操作溫度的時(shí)間，即起燃時(shí)間(lightofftime)。滲透性(permeability)亦是基材的一種重要特性，特別是過濾及催化用基材。滲透性是與孔隙度相關(guān)，因滲透性是量測流體(例如液體或氣體)流穿過基材的難易度。高滲透性的基材是有利于大部分的應(yīng)用。舉例言之，當(dāng)后處理過濾器提供內(nèi)燃機(jī)一較低背壓時(shí)，內(nèi)燃機(jī)可更有效率地運(yùn)作；其中，使用較高滲透性基材可產(chǎn)生低背壓。因?yàn)闈B透性較孔隙度更難量測，所以孔隙度通常作為基材滲透性的替代指標(biāo)。然而，這并非一精確的特性，其原因?yàn)槿艨紫恫⑽雌毡榈亻_放且連通，則高孔隙度的基材仍可能僅具有限的滲透性。例如，聚苯乙烯發(fā)泡體(Styrofoam)飲水杯是由高孔隙度材料所制成，但液體流無法滲透該飲水杯。所以，在考慮孔隙度及滲透性的重要性時(shí)，亦必須檢驗(yàn)基材的孔隙結(jié)構(gòu)。在前述聚苯乙烯發(fā)泡體飲水杯的例子中，聚苯乙烯發(fā)泡體材料具有密閉的孔隙網(wǎng)，意即該發(fā)泡體包含很多非連結(jié)及/或終端封閉的孔隙。因此，雖然發(fā)泡體內(nèi)存有很多空隙及開放空間，但因孔隙間并未互相連結(jié)，故液體或氣體將不會(huì)從發(fā)泡體的一邊流向另一邊。當(dāng)更多的通道開始連結(jié)時(shí)，開始形成自一邊通至另一邊的流動(dòng)路徑。如此情況下，材料被稱為擁有更多的開放式孔隙網(wǎng)。越多貫穿基材的連接通道形成，該基材的滲透性越高。當(dāng)每一孔隙連結(jié)至至少一個(gè)其他通道且所有孔隙容許流體穿過該材料所形成的壁面的全部厚度時(shí)，則定義該基材具有完全開放式孔隙網(wǎng)。須注意，胞室(cells)及孔隙(pores)間的差異是重要的。胞室是指穿通(通?；槠叫校⒎且欢?蜂巢狀(honeycomb)基材的通道。通常，蜂巢狀基材涉及每平方英寸有多少胞室的內(nèi)容。例如，每平方英寸有200個(gè)胞室的基材在其主軸方向上具有200個(gè)通道。另一方面，孔隙是指材料本身內(nèi)的裂縫，如存在于分開兩條平行通道或胞室所構(gòu)成的壁面的材料里。在過濾或觸媒工業(yè)中，并不熟知具全部或大部分開放孔隙網(wǎng)的基材。反而，大部分具孔隙的經(jīng)擠制基材甚至為開放式孔隙及封閉式孔隙的摻混體。因此，提供具高孔隙度及內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)(其可賦予相仿的高滲透性)的基材在許多應(yīng)用領(lǐng)域中有高度的需求。而且所形成的基材必須擁有足夠的剛性結(jié)構(gòu)來支持特殊應(yīng)用所需的結(jié)構(gòu)上及環(huán)境上的需求。例如，附于內(nèi)燃機(jī)的過濾器或觸媒轉(zhuǎn)換器必需能夠禁得起環(huán)境的振動(dòng)、熱需求及制造與使用上的壓力。最后，為能廣泛應(yīng)用，還必須在足夠低成本的情況下生產(chǎn)基材。舉例言之，為改變?nèi)虻钠囄廴镜某潭龋验_發(fā)與正開發(fā)國家必須可以負(fù)擔(dān)及使用過濾基材。因此，在設(shè)計(jì)基材及選擇制程時(shí)，過濾器及觸媒轉(zhuǎn)化器基材的整體成本結(jié)構(gòu)將是主要的考量。已證明擠制是生產(chǎn)固定截面的剛性基材的有效率且有成本效益的方法。尤其，陶瓷粉末材料的擠制是制造內(nèi)燃機(jī)所用的過濾器及觸媒基材中最廣泛使用的制程。多年來，擠制粉末陶瓷的制程已經(jīng)相當(dāng)進(jìn)步，因此經(jīng)擠制基材可具有接近60%的孔隙度。這些經(jīng)擠制多孔性基材具有好的強(qiáng)度特性、可變通地制造、可規(guī)?；a(chǎn)、保持高品質(zhì)水準(zhǔn)，并具有成本效益。然而，粉末陶瓷材料的擠制已達(dá)到孔隙度的可實(shí)施的上限值，且進(jìn)一步提升孔隙度似乎導(dǎo)致其具無法被接受的低強(qiáng)度。例如，當(dāng)提高孔隙度超過60%時(shí)，已證實(shí)經(jīng)擠制粉末陶瓷基材于柴油機(jī)粒子過濾器的惡劣環(huán)境中不具有可進(jìn)行操作的足夠強(qiáng)度。在其他已知的擠制制程的限制中，期望增加基材內(nèi)的表面積以使催化轉(zhuǎn)換更有效率。為增加表面積，己有增加經(jīng)擠制陶瓷粉末基材的胞室密度的嘗試，但是增加胞室密度產(chǎn)生引擎無法接受的背壓。因此，經(jīng)擠制陶瓷粉末基材在非常高的孔隙度下不具足夠的強(qiáng)度，且當(dāng)需要增加表面積時(shí)亦產(chǎn)生無法接受的背壓。據(jù)此，陶器粉末的擠制顯然有其實(shí)際應(yīng)用上的限制。為獲得更高的孔隙度，過濾器供應(yīng)商己試圖使用褶式(pleated)陶瓷紙。使用此類褶式陶瓷紙，同時(shí)具約80%的孔隙度及非常低的背壓是可能的。因具有此低背壓，這些過濾器已經(jīng)使用于例如需要極低背壓的采礦過程等應(yīng)用中。不過，使用褶式陶瓷紙的過濾器的機(jī)會(huì)不多，其并未被廣泛地采用。舉例言之，褶式陶瓷紙?jiān)趷毫拥沫h(huán)境里使用效果不彰。生產(chǎn)褶式陶瓷紙需利用生產(chǎn)相對(duì)弱的陶瓷紙結(jié)構(gòu)的造紙過程，且與經(jīng)擠制過濾器相比，似乎較不具成本效益。再者，褶式陶瓷紙的形成允許極少彈性運(yùn)用的胞室形狀及密度。例如，在一些過濾應(yīng)用中需要具有大入口通道及小出口通道的紙褶式過濾器，但生產(chǎn)此種紙褶式過濾器是困難的。因此，使用褶式陶瓷紙無法滿足高孔隙過濾器及觸媒基材的需求。另一試圖增加孔隙度并且避免褶式紙缺點(diǎn)的例子中，一些經(jīng)由形成具有陶瓷前體(ceramicprecursors)的團(tuán)料(mass)并且在一多孑L的模具(porouspattern)中仔細(xì)處理團(tuán)料以成長單晶須(mono-crystallinewhiskers)，以提供基材。但是，就地成長這些結(jié)晶需要小心且準(zhǔn)確的控制固化過程，使得大量生產(chǎn)的過程不易，相對(duì)昂貴，且易有缺陷。再者，此困難制程僅使孔隙度增加一些百分比。最后，此制程僅成長莫來(mullite)型晶須，此將限制基材的應(yīng)用性。例如，眾所周知，莫來石(mullite)具有大的熱膨脹系數(shù)，在很多需要大范圍操作溫度帶及急劇溫度轉(zhuǎn)換過程的應(yīng)用中，使用莫來型晶須是不甚理想。因此，工業(yè)上有具有高孔隙度及相關(guān)高滲透性的剛性基材的需求。較佳地，形成具高度合乎需要的開放胞室網(wǎng)、具生產(chǎn)的成本效益、且可以變通的物理、化學(xué)及反應(yīng)性質(zhì)制造的基材。
發(fā)明內(nèi)容簡言之，本發(fā)明提供一種可經(jīng)由利用擠制程序以生產(chǎn)高多孔性基材的可擠制混合物。尤其，本發(fā)明容許纖維(例如有機(jī)、無機(jī)、玻璃、陶瓷或金屬纖維)混入一團(tuán)料中，當(dāng)擠制及固化時(shí)，該團(tuán)料可形成一高多孔性基材。取決于特別的混合物，本發(fā)明賦予孔隙度約60%至約90%的基材，并也具其他孔隙度的制程優(yōu)點(diǎn)?？蓴D制混合物可使用非常多樣纖維及添加劑，且適合于多種操作環(huán)境及應(yīng)用。根據(jù)基材的需求，選擇長寬比(aspectratio)大于1的纖維且與黏結(jié)劑、孔隙成形劑、擠制輔助劑及流體混合以形成均質(zhì)可擠制團(tuán)料。該均質(zhì)團(tuán)料是擠制成生胚基材(greensubstrate)。優(yōu)先將較易揮發(fā)的材料從生胚基材中除去，此使得纖維互相連結(jié)及接觸。當(dāng)固化制程持續(xù)進(jìn)行，形成纖維與纖維間的連結(jié)以生產(chǎn)具有實(shí)質(zhì)上開放式孔隙網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。所得多孔性基材可用于許多應(yīng)用方面，例如，作為過濾器或觸媒基質(zhì)(catalysthost)的基材或觸媒轉(zhuǎn)換器。在一個(gè)更為特定的方案中，選用具長寬比為約3至約1000的陶瓷纖維，雖然通常使用的范圍是為3至500。長寬比是纖維長度除以纖維直徑的比率。陶瓷纖維與黏結(jié)劑、孔隙成形劑及流體混合以形成均質(zhì)團(tuán)料。使用剪切混合制程(shearmixingprocess)以使纖維更完全平均地分散于團(tuán)料中。陶瓷材料可占約8%至約40%的團(tuán)料體積，此得到具有約92%至約60%孔隙度的基材。擠制該均質(zhì)團(tuán)料以形成一生胚基材。將黏結(jié)劑材料從生胚基材中除去，這將使纖維重疊與接觸。當(dāng)固化制程持續(xù)進(jìn)行時(shí)，形成纖維與纖維間的連結(jié)以產(chǎn)生剛性開放式胞室網(wǎng)。如本文所述，"固化"是定義為包含兩個(gè)重要制程步驟1)黏結(jié)劑移除及2)連結(jié)形成。黏結(jié)劑移除制程是移除自由水(freewater)及大部分添加劑，并可使纖維互相接觸。所得多孔性基材可用于很多應(yīng)用中，例如，作為過濾器的基材或觸媒轉(zhuǎn)換器。在另一個(gè)具體實(shí)例中，可制造多孔性基材而無需使用孔隙成形劑。此一方案中，陶瓷材料可占約40%至約60%或更多的團(tuán)料體積，此得到具有約60%至約40%孔隙度的基材。因?yàn)闆]有使用孔隙成形劑，可簡化擠制程序且更具成本效益。此外，所得結(jié)構(gòu)是實(shí)質(zhì)上高度合乎要求的開放式孔隙網(wǎng)。所揭露的纖維擠制系統(tǒng)是有利于生產(chǎn)一基材，其具有高孔隙度、及具有可提供相關(guān)高滲透性的開放式孔隙網(wǎng)、以及具有可根據(jù)應(yīng)用需要的足夠強(qiáng)度。纖維擠制系統(tǒng)也可以足夠成本效益生產(chǎn)基材，以廣泛的應(yīng)用所得過濾器及觸媒轉(zhuǎn)換器。此擠制系統(tǒng)是易于進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，且容許變通的化學(xué)性質(zhì)及構(gòu)造以支持許多應(yīng)用。本發(fā)明代表著纖維材料于可擠制混合物中的創(chuàng)新使用。在一規(guī)模及具成本效益的生產(chǎn)中，此纖維性可擠制混合物可擠制出具非常高孔隙度的基材。透過在可重復(fù)及耐用擠制過程中使用纖維，本發(fā)明可規(guī)模性的生產(chǎn)廣泛用于全世界的過濾器與觸媒的基材。下文將使本發(fā)明上述與其他技術(shù)特征能更明顯易懂，且可透過后附的申請專利范圍中特別指出的手段及組合了解本發(fā)明的技術(shù)特征。附圖是構(gòu)成本說明書的一部分并包含本發(fā)明示范性的具體實(shí)施方案，其具有各種形式。當(dāng)然，于某些例子中，會(huì)夸大或放大方式解釋本發(fā)明各種方面，以協(xié)助了解本發(fā)明。圖1是一種根據(jù)本發(fā)明的擠制多孔性基材的系統(tǒng)的方框圖2是一種根據(jù)本發(fā)明的纖維性可擠制混合物的例示；圖3A和圖3B是一種根據(jù)本發(fā)明的開放式胞室網(wǎng)的例示；圖4是根據(jù)本發(fā)明及習(xí)知技術(shù)的開放式胞室網(wǎng)的電子顯微鏡圖5是一種根據(jù)本發(fā)明的利用多孔性基材的過濾團(tuán)料的例示；圖6是可用于本發(fā)明的纖維陶瓷混合物的流變圖7是一種根據(jù)本發(fā)明的擠制多孔性基材的系統(tǒng)的方框圖8是一種根據(jù)本發(fā)明的固化多孔性基材的系統(tǒng)的方框圖9是一種根據(jù)本發(fā)明的多孔性基材的纖維處理系統(tǒng)的方框圖IO是一種根據(jù)本發(fā)明擠制梯度多孔性基材的示意圖11是一種根據(jù)本發(fā)明擠制梯度多孔性基材的示意圖；以及圖12是一種根據(jù)本發(fā)明擠制梯度多孔性基材的示意圖。圖中主要元件符號(hào)說明如下:10系統(tǒng)12纖維14纖維處理16添加劑18流體21混合成可擠制流變性23擠制形成生胚基材25固化移除水、移除黏結(jié)劑及形成纖維與纖維間連結(jié)30大部分纖維連結(jié)成一開放式孔隙網(wǎng)的多孔性基材50可擠制材料52可擠制混合物54均質(zhì)團(tuán)料的放大部分56、57、58纖維61黏結(jié)劑63孔隙成形劑100、120基材部份102黏結(jié)劑移除后103、104纖維105孔隙成形劑107開放空間110固化制程后112連結(jié)114、116開放空間122黏結(jié)劑移除后124固化程序后150電子顯微鏡照片組152開放式孔隙網(wǎng)154照片175基材176團(tuán)塊178入口179通道232、234軸236區(qū)域250系統(tǒng)252定義基材需求253從表1選擇纖維254為長寬比分布處理纖維255從表2選擇黏結(jié)劑256視需要從表3選擇孔隙成形劑257從表4選擇流體258為表面修飾處理纖維262混合成均質(zhì)團(tuán)料264根據(jù)表5調(diào)整流變性268擠制成生胚基材270移除黏結(jié)劑及形成纖維與纖維間連結(jié)275方法277從生胚基材中移除自由水279燒除有機(jī)添加劑281使纖維交迭排列285形成纖維與纖維間連結(jié)286纖維間液態(tài)燒結(jié)288纖維間以燒結(jié)輔助劑液態(tài)燒結(jié)291纖維間固態(tài)燒結(jié)300制程305塊狀纖維307水309分散劑311漿料314激烈地混合316壓濾318干燥321調(diào)整濕氣含量323干式混合325濕式混合327黏結(jié)劑、孔隙成形劑329水332剪切混合335均質(zhì)團(tuán)料340斬取纖維350制程351第一材料353第二材料355層狀柱狀物357包裝375制程379柱狀物、管377內(nèi)管、管381材料400方法術(shù)可擠制混合物403第一材料404第二材料406過濾器407區(qū)域、第一部分408區(qū)域、第二部分實(shí)施方式于此將詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方案。然而，應(yīng)了解本發(fā)明可具有多種類型的實(shí)施方式，所以于此揭露的具體的詳細(xì)內(nèi)容非用于限制本發(fā)明，而是作為教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員如何運(yùn)用本發(fā)明于實(shí)際上任何詳細(xì)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)或手段的代表性基礎(chǔ)。參考圖l，是說明一種用于擠制多孔性基材的系統(tǒng)。通常，系統(tǒng)10使用一擠制制程以擠制一可形成最終高度多孔性基材產(chǎn)品的生胚基材。系統(tǒng)10有助地生產(chǎn)一基材，其具有高孔隙度，及具有可提供相關(guān)高滲透性的實(shí)質(zhì)上開放式孔隙網(wǎng)，以及具有根據(jù)應(yīng)用所需的足夠強(qiáng)度。系統(tǒng)10亦可以足夠的成本效益來制造基材，以廣泛地應(yīng)用所得過濾器及觸媒轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)10易于進(jìn)行大規(guī)模地生產(chǎn)，且容許變通的化學(xué)性質(zhì)及構(gòu)造以支援多方面的應(yīng)用。系統(tǒng)10可提供高度變通性的擠制制程，故可符合大范圍的特殊應(yīng)用。于系統(tǒng)10的使用中，基材設(shè)計(jì)者首先確定基材的要求。這些要求可能包含，例如尺寸、流體滲透性、所需孔隙度、孔隙尺寸、機(jī)械強(qiáng)度及震動(dòng)特性、熱穩(wěn)定性、及化學(xué)反應(yīng)性限度?；谶@些及其他要求，設(shè)計(jì)者選用材料用以形成可擠制混合物。重要地，系統(tǒng)IO可使用纖維12于經(jīng)擠制基材的形成中。舉例言之，該纖維可能是陶瓷纖維、有機(jī)物纖維、無機(jī)物纖維、聚合纖維、氧化物纖維、玻璃質(zhì)纖維(vitreousfibers)、玻璃纖維、非晶形纖維、結(jié)晶纖維、非氧化物纖維、碳化物纖維、金屬纖維、其他無機(jī)物纖維結(jié)構(gòu)、或前述的組合。然而，雖然可使用其他纖維，為易于說明將以陶瓷纖維的使用進(jìn)行說明。另外，雖然基材其它用途亦為教示可考量的范圍內(nèi)，以下說明也將以過濾基材或觸媒基材進(jìn)行說明。設(shè)計(jì)者基于應(yīng)用上的特殊需求選擇特定型態(tài)的纖維；舉例言之，陶瓷纖維可選自莫來(mullite)纖維、硅酸鋁纖維、或其他一般常用的陶瓷纖維材料。這些纖維通常要加工14裁切成可用的長度，其中可包含在混合纖維與添加劑前的斬取(chopping)制程。于擠制制程中的各種混合及形成步驟也將進(jìn)一步裁切纖維。根據(jù)特定需求，可添加添加劑16。添加劑16可包含黏結(jié)劑、分散劑、孔隙成形劑、塑化劑、制程輔助劑及強(qiáng)化材料。再者，流體18(通常為水)是與添加劑16及纖維12組合。將纖維、添加劑及流體相混合達(dá)到可擠制流變性(rheology)21。該混合可包含干式混合、濕式混合及剪切混合?；旌侠w維、添加劑及流體直到產(chǎn)生均質(zhì)團(tuán)料，使纖維平均地分布及排列于團(tuán)料中。之后，擠制纖維性均質(zhì)團(tuán)料以形成生胚基材23。該生胚基材具有足夠強(qiáng)度以于后續(xù)剩余制程中保持完整。接著固化25生胚基材。如本文中所使用，"固化"是定義為包含兩個(gè)重要制程步驟l)黏結(jié)劑移除及2)連結(jié)形成。黏結(jié)劑移除制程是移除自由水及大部分的添加劑、及使纖維與纖維相接觸。通常使用燃燒黏結(jié)劑的熱制程以移除黏結(jié)劑，但應(yīng)理解的是，視所用的特定黏結(jié)劑亦可使用其他移除制程。舉例言之，有些黏結(jié)劑可以蒸發(fā)或升華制程予以移除。有些黏結(jié)劑及/或其他有機(jī)成分于降解為汽相之前可熔融。當(dāng)固化制程持續(xù)進(jìn)行，將形成纖維與纖維間的連結(jié)。此連結(jié)將全面增加結(jié)構(gòu)剛性且使基材具令人滿意的孔隙度及滲透性。因此，經(jīng)固化基材30是大部分纖維連結(jié)至開放式孔隙網(wǎng)30的高多孔性基材。接著，該基材可作為供許多應(yīng)用所用的基材，包含作為應(yīng)用于過濾及觸媒轉(zhuǎn)換的基材。有利地，系統(tǒng)10提供合乎需求的擠制制程以生產(chǎn)具有孔隙度高達(dá)約90%的基材。現(xiàn)參考圖2，是說明一種可擠制材料50?？蓴D制材料50是可于擠出機(jī)進(jìn)行擠制，例如活塞擠出機(jī)或螺桿擠出機(jī)?？蓴D制混合物52是依特定應(yīng)用所需求的包含纖維、塑化劑及其他添加劑的均質(zhì)團(tuán)料。圖2是說明均質(zhì)團(tuán)料的放大部分54。為助于說明，可觀察到放大部分54并未依據(jù)尺寸比例描繪?？蓴D制混合物52包含纖維，例如纖維56、57及58。該些纖維是經(jīng)選擇以生產(chǎn)具有所需熱特性、化學(xué)特性、機(jī)械特性及過濾特性的高孔隙度的剛性成品基材。應(yīng)了解，實(shí)質(zhì)上纖維狀的本體被認(rèn)為是不可加以擠制的，因其本身不具塑性。然而，己經(jīng)發(fā)現(xiàn)經(jīng)由適當(dāng)選擇塑化劑及制程控制，含有纖維的可擠制混合物52是可加以擠制的。基于此，擠制的成本、規(guī)模及具變通性等優(yōu)點(diǎn)可延伸到包括使用該纖維材料所得的好處。一般認(rèn)為纖維是具有長寬比大于1的相對(duì)小尺寸的材料。所謂長寬比是纖維長度除以纖維直徑的比例。于此，纖維"直徑"是為簡化而假設(shè)纖維的截面呈圓形，此假設(shè)是適用于各纖維，不管其真實(shí)的截面形狀為何。舉例言之，長寬比為10的纖維，其長度為直徑的10倍。雖然可利用的直徑范圍為約1微米至約25微米，但纖維直徑可為6微米。將可了解，可成功使用具有不同直徑及長寬比的纖維于系統(tǒng)10中。參考后述附圖可提供更詳細(xì)的說明，存在多種纖維長寬比可供選擇。應(yīng)了解，纖維形狀與一般陶瓷粉末于形狀上呈鮮明的對(duì)比，各陶瓷顆粒的長寬比大約為1。雖然圖2是以陶瓷纖維作為說明，但用于可擠制混合物52的纖維亦可為金屬材質(zhì)(有時(shí)也稱為薄直徑金屬線)。陶瓷纖維可為非晶形態(tài)、玻化態(tài)、結(jié)晶態(tài)、多晶態(tài)、單晶態(tài)或玻璃-陶瓷態(tài)。于可擠制混合物52的制造中，相對(duì)低體積的陶瓷纖維是用以生產(chǎn)多孔性基材。舉例言之，可擠制混合物52可僅具有約10至40體積％的陶瓷纖維材料。因此，固化之后，所得多孔性基材將具有約90%至約60%的孔隙度。應(yīng)了解，亦可選用其他用量的陶瓷纖維材料以生產(chǎn)其他孔隙度。為生產(chǎn)可擠制混合物，纖維通常與塑化劑組合。于此，纖維與其他經(jīng)選擇有機(jī)添加劑或無機(jī)物添加劑組合。添加劑提供擠出物的三種重要特性第一，添加劑使得可擠制混合物具有適用于擠制的流變性；第二，添加劑提供經(jīng)擠制基材(通常稱為生胚基材)足夠強(qiáng)度，以保持其形狀及纖維位置直到于固化制程期間添加劑被移除；以及第三，經(jīng)選用添加物可于固化制程中燒除，以促進(jìn)纖維排列成重疊架構(gòu)及不會(huì)減弱所形成的剛性結(jié)構(gòu)。一般而言，添加劑包含黏結(jié)劑，例如黏結(jié)劑61。黏結(jié)劑61是作為媒介物以保持纖維于位置上且提供生胚基材強(qiáng)度。纖維及黏結(jié)劑可用于生產(chǎn)具相對(duì)高孔隙度的多孔性基材。然而，為更進(jìn)一步提高孔隙度，可添加額外的孔隙成形劑，例如孔隙成形劑63。添加孔隙成形劑以提高最后經(jīng)固化基材中的開放式空間?？紫冻尚蝿┛沙是驙?、長條狀、纖維狀或不規(guī)則形狀。選用孔隙成形劑不只為了其可以增加開放式空間及其熱分解行為的能力，也是為了協(xié)助纖維的排向。于此，孔隙成形劑協(xié)助將纖維排列成重疊圖案，以促進(jìn)于后述固化步驟期間纖維間的適當(dāng)連結(jié)。此外，孔隙成形劑亦于纖維排列于較佳方向中扮演其角色，此影響經(jīng)擠制基材的熱膨脹及沿不同軸向的強(qiáng)度。如以上簡短地述明，可擠制混合物52可使用選自許多方案的可用纖維中的一種或多種纖維。進(jìn)一步而言，所選用的纖維可與選自各種黏結(jié)劑的一種或多種的黏結(jié)劑組合。再者，可添加選自各種孔隙成形劑的一種或多種的孔隙成形劑?？蓴D制混合物可使用水或其他流體作為其塑化劑且可添加其他添加劑。形成化學(xué)性質(zhì)中的變通性使可擠制混合物52有利地用于各種不同的應(yīng)用中。舉例言之，依據(jù)所需環(huán)境上、溫度上、化學(xué)上、物理上或其他需求選用混合物組合。此外，因可擠制混合物52是供擠制，故可變通地且經(jīng)濟(jì)地形成最后經(jīng)擠制產(chǎn)品。圖2中雖未說明，但可擠制混合物52是經(jīng)由螺桿擠出機(jī)或活塞擠出機(jī)擠制以形成生胚基材，之后固化形成最終多孔性基材產(chǎn)品。本發(fā)明是代表纖維材料于供擠制的塑性批料(plasticbatch)或混合物中的創(chuàng)新使用。此纖維性經(jīng)擠制混合物可以規(guī)?；a(chǎn)且以具生產(chǎn)效益的方式擠制具高孔隙度的基材。通過允許纖維用于重復(fù)性及耐用擠制制程，本發(fā)明可大量生產(chǎn)廣泛用于全世界的過濾器及觸媒基材。參考圖3A，是例示多孔性基材的放大經(jīng)固化區(qū)域。說明于黏結(jié)劑移除后102及固化制程后110的基材部份100。黏結(jié)劑移除后102，一開始如纖維103及104的纖維與黏結(jié)劑材料保持于位置上，并且當(dāng)黏結(jié)劑材料被燃除，纖維暴露出來以呈重疊但寬松的結(jié)構(gòu)。此外，孔隙成形劑105可位于產(chǎn)生額外開放區(qū)域及排列或布置纖維的位置。因?yàn)槔w維僅包含相對(duì)小體積的可擠制混合物，很多開放空間107存在于纖維之間。當(dāng)黏結(jié)劑及孔隙成形劑被燃除，纖維可進(jìn)行些微調(diào)整以進(jìn)一步互相接觸。選用黏結(jié)劑及孔隙成形劑可在經(jīng)控制手段中加以燒除，以免于燒除中破壞纖維排列或瓦解基材。通常，選用在纖維之間形成連結(jié)之前可降解或燒掉的黏結(jié)劑及孔隙成形劑。當(dāng)固化制程持續(xù)進(jìn)行，重疊及接觸的纖維開始形成連結(jié)。應(yīng)了解，可以數(shù)種方式形成連結(jié)。舉例言之，可加熱纖維以于纖維交會(huì)或節(jié)點(diǎn)處形成液體輔助燒結(jié)連結(jié)(liquidassistedsinteredbond)。液態(tài)燒結(jié)可能起因于選用的特定纖維或加入混合物或覆蓋于纖維上的額外添加劑。在其他方案中，或許需要形成固態(tài)燒結(jié)連結(jié)(solidstatesinteredbond)。在此情況下，交會(huì)連結(jié)形成一連結(jié)重疊纖維的晶粒結(jié)構(gòu)。在生胚狀態(tài)(greenstate)中，纖維彼此間仍未形成物理連結(jié)，但由于纖維彼此纏結(jié)故仍可展現(xiàn)某些程度的生胚強(qiáng)度(greenstrength)。所選的特定連結(jié)型態(tài)是與基本材料、所需強(qiáng)度、及操作化學(xué)性質(zhì)及操作環(huán)境的選擇有關(guān)。在某些情況下，是因存在于混合物中使纖維在連接網(wǎng)中保持在一起的無機(jī)黏結(jié)劑的存在而產(chǎn)生連結(jié)，且不會(huì)在固化制程中被燒除。有利地，連結(jié)(例如連結(jié)112)的形成是幫助形成具纖維的實(shí)質(zhì)上的剛性結(jié)構(gòu)。連結(jié)也可形成具極高孔隙度的開放式孔隙網(wǎng)。舉例言之，開放空間116是自然地由纖維間的空間產(chǎn)生。當(dāng)孔隙成形劑105降解或燒盡時(shí)，即形成開放空間114。如此，纖維連結(jié)形成制程可產(chǎn)生無或事實(shí)上無終端的通道的開放式孔隙網(wǎng)。舉例說明，開放式孔隙網(wǎng)提供高滲透性、高過濾效率且以有高表面積以添加觸媒。應(yīng)了解，連結(jié)的形成與所需連結(jié)的類型(例如固態(tài)或液態(tài)輔助/液態(tài)燒結(jié))及固化制程中的添加劑有關(guān)。舉例言之，可調(diào)整添加劑，特定纖維選擇、加熱時(shí)間、加熱程度及反應(yīng)環(huán)境以產(chǎn)生特別的連結(jié)型態(tài)?，F(xiàn)參考圖3B，例示另一多孔性基材的放大經(jīng)固化區(qū)域。是說明黏結(jié)劑移除后122及固化程序后124的基材部分120?；牟糠?20與圖3A所示的基材部分100相似，故不再詳細(xì)描述。由于未使用特定孔隙成形劑而形成基材120，故整個(gè)開放式孔隙網(wǎng)124是由具黏結(jié)劑的纖維的位置而形成。因此，可不使用任何特定孔隙成形劑來形成適度高孔隙度的基材，由此降低制造此適度多孔性基材的成本及復(fù)雜度。己發(fā)現(xiàn)具有約40%至約60%孔隙度的基材可經(jīng)由此方法而形成。參考圖4，是例示一電子顯微鏡照片組150。首先照片組150說明利用具纖維性可擠劑混合物制造所需的開放式孔隙網(wǎng)152?？砂l(fā)現(xiàn)，纖維在交會(huì)纖維結(jié)點(diǎn)處形成連結(jié)，且孔隙成形劑及黏結(jié)劑已被燒盡，留下多孔的開放式孔隙網(wǎng)。在明顯的對(duì)比中，照片154說明利用已知制程制作的典型封閉式胞室網(wǎng)。部分封閉式孔隙網(wǎng)具有相對(duì)高的孔隙度，然至少有些孔隙度是來自封閉式通道。封閉式通道對(duì)滲透性沒有貢獻(xiàn)。于此，開放式孔隙網(wǎng)及封閉式孔隙網(wǎng)具有相同的孔隙度，而開放式孔隙網(wǎng)將具有較令人滿意的滲透特性。因此到此所描述的可擠制混合物及制程通常用于生產(chǎn)高度有利的多孔性基材。在一實(shí)施方案中，可擠制多孔性基材成過濾器團(tuán)料基材175，如圖5所示。使用活塞擠出機(jī)或螺桿擠出機(jī)擠制基材團(tuán)料175。擠出機(jī)可于室溫、稍高的溫度或在經(jīng)控制溫度區(qū)下操作。此外，擠出機(jī)的部分元件可加熱至不同溫度以影響擠制混合物的慢特性、剪切歷史及膠化特性。再者，擠制模具亦可按尺寸制作以于加熱及燒結(jié)程序期間調(diào)整預(yù)期的基材收縮。有利地，可擠制混合物是具有足夠塑化劑及其他添加劑的纖維性可擠制混合物，以得擠制纖維材料。固化經(jīng)擠制生胚態(tài)狀團(tuán)料(greenstateblock)以移除自由水、燒除添加劑及形成纖維間的連結(jié)結(jié)構(gòu)。所得團(tuán)料175具有高度令人滿意的孔隙度特性及優(yōu)良滲透性與高度合用的表面積。同時(shí)，端視選用的特殊纖維及添加劑，也可形成利于深處過濾的團(tuán)料175。團(tuán)料176具有縱向延伸穿過該團(tuán)料的通道179。團(tuán)料的入口178可留下作為流體穿透(flow-through)過程的開口，或每一其他開口可經(jīng)栓塞以產(chǎn)生壁面流效應(yīng)(wallfloweffect)。雖然顯示團(tuán)料175具有六角形通道，但應(yīng)了解，亦可使用其他的樣式及尺寸。舉例言之，可形成具有平均尺寸的方形、矩形、或三角形樣式的通道；具有較大入口通道的方形/矩形、或八角形/方形通道樣式；或其他對(duì)稱或不對(duì)稱的通道樣式?？山?jīng)由調(diào)整模具的設(shè)計(jì)以調(diào)整通道及胞室的精確形狀及尺寸。例如，可以于模具中利用放電加工(ElectronicDischargeMachining,EDM)制作釘(pins)，以生產(chǎn)具有曲線棱角的方形通道。盡管具稍高的背壓，但仍預(yù)期此圓角可增加最終產(chǎn)品的強(qiáng)度。再者，可修飾模具設(shè)計(jì)以擠制具不同厚度壁面及相較剩余壁面而言具不同厚度的殼層(skin)的蜂巢狀基材。同樣地，在一些應(yīng)用中，外殼可應(yīng)用于經(jīng)擠制基材中以定義最終尺寸、形狀、輪廓及強(qiáng)度。當(dāng)使用流體穿透裝置(flow-throughdevice)，團(tuán)料176的高孔隙度賦予大表面積以應(yīng)用于觸媒材料。如此，可制造高效率的觸媒轉(zhuǎn)換器，其中該轉(zhuǎn)換器具有低熱質(zhì)量。具有此低熱質(zhì)量，所得觸媒轉(zhuǎn)換器具有好的起燃特性(lightoffcharacteristics)且可有效使用觸媒材料。當(dāng)用于壁面流(wallflow)或壁面過濾(wallfiltering)實(shí)施方案，基材壁面的高滲透性賦予相對(duì)低的背壓，且同時(shí)促進(jìn)深處過濾時(shí)。深處過濾可有效地移除微粒及促進(jìn)更有效的再生作用。在壁面流設(shè)計(jì)中，使流穿過基材的液體穿過基材壁面，因此可與形成壁面的纖維更直接的接觸。這些纖維提供高表面積以供可能發(fā)生的反應(yīng)，例如觸媒存在時(shí)。因?yàn)榭蓴D制混合物可由廣泛多樣的纖維、添加劑、及流體所形成，可調(diào)整可擠制混合物的化學(xué)性質(zhì)以形成具有特別性質(zhì)的團(tuán)料。舉例言之，若希望最終團(tuán)料為引擎微粒過濾器，可選擇即使在未受控制的再生作用的極限溫度中亦可安全操作的纖維。其他例子中，若將團(tuán)料用于過濾微粒狀的廢氣，是選擇在預(yù)期操作溫度范圍中不會(huì)與廢氣反應(yīng)的纖維及連結(jié)。雖然以過濾器及觸媒轉(zhuǎn)換器為例說明高孔隙度基材的優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)了解高多孔性基材可使用在許多應(yīng)用中。可由廣泛多樣的基質(zhì)材料形成如圖2所示的纖維性可擠制混合物。一般是基于最終基材必須操作下的化學(xué)性質(zhì)條件、機(jī)械性條件及環(huán)境條件選擇適當(dāng)?shù)牟牧稀?jù)此，設(shè)計(jì)多孔性基材的第一步是去獲悉基材的最終應(yīng)用?；谶@些要求，可選用特定纖維、黏結(jié)劑、孔隙成形劑、流體及其他材料。亦應(yīng)了解，對(duì)所選材料的加工可能影響最終基材產(chǎn)品。由于纖維是最終基材產(chǎn)品中的主要結(jié)構(gòu)材料，纖維材料的選用對(duì)賦予最終基材于所需應(yīng)用中的操作乃為關(guān)鍵處。是以，根據(jù)所需連結(jié)的要求選擇纖維，及選擇特定類型的連結(jié)制程。連結(jié)制程可為液態(tài)燒結(jié)、固態(tài)燒結(jié)或需連結(jié)劑的連結(jié)，例如玻璃成形劑、玻璃、黏土、陶瓷、陶瓷前體或溶膠(colloidalsols)。連結(jié)劑可為纖維結(jié)構(gòu)其中之一的一部份、纖維上的覆蓋物或添加劑其中的一成分。亦應(yīng)了解，可選用一種以上形式的纖維。亦應(yīng)了解，有些纖維于固化及連結(jié)程序中毀滅。選擇纖維成分時(shí)，最終操作溫度為一重要考量，以可維持纖維的熱安定性。其他實(shí)施方案中，選用在所預(yù)期的廢氣、液體或固態(tài)微粒物質(zhì)的存在下保持化學(xué)惰性及不反應(yīng)性的纖維。也可基于成本選用纖維，有些纖維由于本身的小尺寸而存在健康上的考量，故避免使用?；跈C(jī)械環(huán)境，根據(jù)形成強(qiáng)剛性結(jié)構(gòu)及保持所要求的機(jī)械完整性選用纖維。應(yīng)了解，適當(dāng)纖維或一組纖維的選擇可能涉及性能及應(yīng)用的取舍。表1列示幾種可用以形成纖維可擠制混合物的纖維類型。一般而言，纖維可為氧化或非氧化陶瓷、玻璃、有機(jī)物、無機(jī)物、或其可為金屬。對(duì)于陶瓷材料而言，纖維可具有不同狀態(tài)，如非晶形態(tài)、玻態(tài)、多晶態(tài)或單晶態(tài)。雖然表l揭示許多可用的纖維，但亦應(yīng)了解，亦可使用其他種類的纖維。之后基于選用纖維的種類及其他所需特性而選用黏結(jié)劑及孔隙成形劑。于一例子中，選用促進(jìn)所選纖維間特定方案之液態(tài)連結(jié)的黏結(jié)劑。更特定言之，黏結(jié)劑具有在連結(jié)溫度下會(huì)反應(yīng)以促進(jìn)液態(tài)連結(jié)流向交會(huì)纖維的節(jié)點(diǎn)的成分。再者，因連結(jié)劑塑化所選用纖維的能力及保持其生胚狀態(tài)強(qiáng)度而選擇連結(jié)劑。于一方案中，根據(jù)所用的擠制類型及擠制的要求溫度選用黏結(jié)劑。舉例言之，有些黏結(jié)劑在過度加熱時(shí)會(huì)形成一膠狀團(tuán)料，所以只能用于低溫?cái)D制制程。于其他方案中，可根據(jù)其對(duì)剪切混合特性的作用選用黏結(jié)劑。于此，于混合程序期間，黏結(jié)劑可促進(jìn)纖維剪切成為所需的長寬比。也可基于其降解或燒除特性選用黏結(jié)劑。黏結(jié)劑必須可將纖維保持于一位置上且于燒除期間不會(huì)瓦解形成的纖維結(jié)構(gòu)。舉例言之，若黏結(jié)劑燒除太快或太猛烈，溢出的氣體可能會(huì)瓦解形成的結(jié)構(gòu)。此外，可基于燒除后剩余的黏結(jié)劑量選用黏結(jié)劑，有些應(yīng)用對(duì)于這些剩余物具有高度敏感性。對(duì)于形成相對(duì)適中孔隙度而言，可不需要孔隙成形劑。例如，自然排列及黏結(jié)劑內(nèi)纖維的填集可協(xié)助賦予約40%至約60%的孔隙度。據(jù)此，未使用孔隙成形劑的擠制制程可產(chǎn)生具適當(dāng)孔隙度的基材。某些情況下，與已知制程相比較，移除孔隙成形劑可制造更經(jīng)濟(jì)的多孔性基材。然而，當(dāng)要求孔隙度超過約60%時(shí)，固化后可使用孔隙成形劑以于基材中提供額外氣體空間。此外，可根據(jù)降解或燒除特性及可根據(jù)形狀或尺寸，選用孔隙成形劑?？紫冻叽鐚?duì)于如捕捉特別類型物質(zhì)或提高特別高滲透性而言可能是重要的?？烧{(diào)整孔隙的形狀以協(xié)助如纖維適當(dāng)排列；舉例言之，相對(duì)長的孔隙形狀可使纖維排列為更整齊的圖案，而不規(guī)則或球形可使纖維排列成更隨機(jī)的圖形。制造商所提供的纖維可為經(jīng)斬取纖維以直接用于制程中，或提供呈塊狀型式的纖維，其于使用前通常需先加工處理。無論任何一種，制程應(yīng)該考量纖維如何加工成最后所需的長寬比分布。通常，于與其他添加劑混合之前，先斬取纖維，之后于混合、剪切及擠制步驟中進(jìn)一步斬取。然而，經(jīng)由設(shè)定流變以使擠制混合物可于合理擠制壓力下擠壓及當(dāng)置于擠制模具面的壓力下于擠制混合物中不會(huì)產(chǎn)生膨脹流，亦可使用未經(jīng)斬取纖維進(jìn)行擠制。應(yīng)了解，可在全部的制程的各處完成具適合長寬比分布的纖維的斬取。一旦纖維經(jīng)選用且斬取至可用長度，其是與黏結(jié)劑及孔隙成形劑混合。該混合可先以干形式進(jìn)行以開始混合制程，或以濕混合制程進(jìn)行。添加流體(通常為水)至混合物中。為獲得所需的均質(zhì)分布的程度，利用單一或多階段剪切混合該混合物。剪切混合或分散混合提供令人非常滿意的均質(zhì)混合制程于混合物中以均勻地分散纖維，及進(jìn)一步剪切纖維至所需的長寬比。表2列示幾種可供選擇的黏結(jié)劑。應(yīng)了解，可使用單一黏結(jié)劑或多種黏結(jié)劑。黏結(jié)劑通常劃分為有機(jī)類及無機(jī)類。有機(jī)物黏結(jié)劑通常于固化期間低溫下燒除，無機(jī)物黏結(jié)劑通常于較高溫度下成為最終結(jié)構(gòu)的一部分。應(yīng)了解，雖然表2列出了幾種黏結(jié)劑選擇，但亦可使用其他一些黏結(jié)劑。表3列示可用的孔隙成形劑。孔隙成形劑通?？蔀橛袡C(jī)物或無機(jī)物，其中相較于無機(jī)物，有機(jī)物可于較低溫度下被燒除。雖然表3列出幾種孔隙成形劑，應(yīng)了解，也可使用其他孔隙成形劑。表4列示可使用的不同流體。應(yīng)了解，雖然水是最為經(jīng)濟(jì)且常用的流體，有些應(yīng)用可使用其他流體。雖然表4提供幾種可用的流體，應(yīng)了解，根據(jù)特定應(yīng)用及制程要求，可選用其他的流體。一般而言，可調(diào)整混合物成具有適用于有利擠制的流變性。通常，適當(dāng)?shù)牧髯冃云鹨蛴谶m當(dāng)選用及混合纖維、黏結(jié)劑、分散劑、塑化劑、孔隙成形劑、及流體。需要高度混合以充分地提供纖維塑性。一旦選用適當(dāng)纖維、黏結(jié)劑、及孔隙成形劑，通常調(diào)整流體的量以符合適當(dāng)流變性?？山?jīng)由例如兩個(gè)測試其中之一表示適當(dāng)流變性第一個(gè)測試是主觀且非正式的試驗(yàn)，是于熟練擠制作業(yè)員的手指間，移動(dòng)及形成混合物的珠粒。在作業(yè)員可辨認(rèn)混合物于手指間適當(dāng)滑動(dòng)之時(shí)，即代表該混合物是于適當(dāng)?shù)臄D制條件下。第二個(gè)較客觀的試驗(yàn)是關(guān)于測量混合物的物理特性。通常，利用圍限(confined)(即高壓)環(huán)狀流變計(jì)測量剪切強(qiáng)度與壓實(shí)壓力(compactionpressure)之抗衡。根據(jù)內(nèi)聚(cohesion)強(qiáng)度與壓力相關(guān)性的比較，進(jìn)行量測及描繪。經(jīng)由量測不同流體混合物及不同程度的混合物，得到指出流變點(diǎn)的流變圖。舉例言之，圖6例示纖維陶瓷混合物的流變圖。軸232代表內(nèi)聚強(qiáng)度，軸234代表相關(guān)壓力?？蓴D制區(qū)域236代表高度可能發(fā)生纖維擠制的區(qū)域。因此，以落在區(qū)域236內(nèi)的任何測量定性的混合物是可能成功地加以擠制。當(dāng)然，應(yīng)了解，流變圖受制于許多變數(shù)，所以可預(yù)期于區(qū)域236位置的某些變數(shù)。再者，用以量測流變性及塑性的幾個(gè)其他直接及間接的測試確實(shí)存在；及應(yīng)了解，可利用該些測試中任何幾種檢查混合物是否具有供擠制為所需產(chǎn)品最終形狀的正確流變性。一旦獲得適當(dāng)?shù)牧髯冃裕旌衔锝?jīng)由擠出機(jī)加以擠制。押出機(jī)可為活塞擠出機(jī)、單螺桿擠出機(jī)、或雙螺桿擠出機(jī)。擠制制程可為高度自動(dòng)化或需要人工操作。以具有所需基材團(tuán)料的截面形狀的模具擠制混合物。選用的模具可充分地形成生胚基材。如此，提供一安定生胚基材，可于固化程序期間操作且同時(shí)維持其形狀及纖維排列。之后，干燥及固化生胚基材。于室內(nèi)條件、經(jīng)控制的溫度及濕度條件(如在經(jīng)控制的烤箱中)、微波烤箱、射頻烤箱(RFovens)以及對(duì)流烤箱中進(jìn)行干燥。固化通常需要移除自由水以干燥生胚基材。重要地，于經(jīng)控制的手段中干燥生胚基材，以避免破裂或其他結(jié)構(gòu)缺陷。之后提高溫度以便燒除添加劑，例如黏結(jié)劑及孔隙成形劑。控制溫度以確保以經(jīng)控制手段燒除添加劑。應(yīng)了解，燒除添加物可能需要透過各種控時(shí)循環(huán)及各種加熱程度的溫度循環(huán)。一旦燒除添加劑后，加熱基材至所需溫度以于纖維交會(huì)處或節(jié)點(diǎn)形成結(jié)構(gòu)連結(jié)。根據(jù)所需的連結(jié)種類及纖維化學(xué)性質(zhì)選擇所需的溫度。舉例言之，相較于固態(tài)連結(jié)，液態(tài)輔助燒結(jié)連結(jié)通常是于較低溫度下形成。應(yīng)了解，根據(jù)所產(chǎn)生的特定連結(jié)種類，可調(diào)整連結(jié)溫度的時(shí)間長短。全部熱循環(huán)可于相同爐中、不同爐中、分批或連續(xù)制程中及空氣或經(jīng)控制大氣條件下進(jìn)行。于形成纖維連結(jié)之后，慢慢地冷卻基材至室溫。應(yīng)了解，固化程序可于單一烤箱或多個(gè)烤箱/爐中完成，且可在生產(chǎn)烤箱/爐(如隧道窯(tunnelkilns))中自動(dòng)化進(jìn)行。參考圖7，說明一種用于擠制多孔性基材的系統(tǒng)。系統(tǒng)250是一種制造多孔性基材的高變通性的方法。為設(shè)計(jì)基材，基材要求是如方塊252所定義。舉例言之，基材的最終用途通常決定基材的要求，可包含尺寸限制、溫度限制、強(qiáng)度限制、及化學(xué)反應(yīng)限制。再者，基材的成本及量產(chǎn)可決定及強(qiáng)制某些選擇。舉例言之，高生產(chǎn)率可能需要于擠制模具中具相對(duì)高的溫度，故選用可在高溫中操作而不會(huì)硬化或膠化的黏結(jié)劑。于使用高溫黏結(jié)劑的擠制中，需要維持模具及圓筒在一相對(duì)較高的溫度下，例如攝氏60至180度。于此情況下，黏結(jié)劑可能會(huì)熔融，而減少或排除額外流體的需求。在其他方案中，可設(shè)計(jì)過濾器以捕捉微粒物質(zhì)，故選用即便于高溫下亦不會(huì)與微粒物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)的纖維。應(yīng)了解，通過廣泛的可能混合物及制程，可考慮大范圍的應(yīng)用領(lǐng)域。熟悉此技藝的人士將了解涉及纖維、黏結(jié)劑、孔隙成形劑、流體及制程步驟的選擇的變換。的確，系統(tǒng)250的重要優(yōu)點(diǎn)之一是其在混合物組成的選擇與制程的調(diào)整上的變通性。一旦決定基材的要求，如方塊253所示自表1中選擇纖維。纖維可為單一種類或兩種或更多種種類的組成。亦應(yīng)了解，有些選用的纖維于固化程序期間被燒毀。再者，可添加添加劑至纖維中，例如纖維上的涂料，以引進(jìn)其他材料至混合物中。舉例言之，可使用分散劑于纖維中以促進(jìn)纖維的分離及排列，或可涂覆連結(jié)輔助劑于纖維上。于使用連結(jié)輔助劑的情況下，當(dāng)纖維達(dá)到固化溫度時(shí)，連結(jié)輔助劑協(xié)助液態(tài)連結(jié)的形成及流動(dòng)。<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>接著，如方塊255所示由表2中選擇纖維黏結(jié)劑。選用黏結(jié)劑以促進(jìn)生胚狀態(tài)強(qiáng)度及控制其燒除。再者，選用黏結(jié)劑以于混合物中產(chǎn)生足夠的塑性。如有需要，如方塊256所示由表3中選擇孔隙成形劑。在某些情況下，經(jīng)由僅使用纖維及黏結(jié)劑便可獲得足夠孔隙度?？紫抖炔粌H是藉由纖維的自然填集特性來達(dá)到，亦可于去連結(jié)及固化階段期間釋放的黏結(jié)劑、溶劑及其他揮發(fā)性成分所占空間來達(dá)到。為達(dá)到高孔隙度，可添加額外孔隙成形劑。根據(jù)其經(jīng)控制的燒除能力選用孔隙成形劑，且其亦可協(xié)助塑化混合物。如方塊257所示由表4中選擇流體，通常為水。可添加其他液體材料，如協(xié)助纖維的分離及配向的分散劑及改善混合物流動(dòng)行為的塑化劑及擠制輔助劑。分散劑可用于調(diào)整纖維上的表面電荷。于此，可控制纖維的電荷以形成互相排斥的個(gè)別纖維。這更促進(jìn)纖維的均質(zhì)及隨機(jī)分布?？色@得大于80%孔隙度的典型混合物組成是如下表所列。應(yīng)了解，可根據(jù)欲達(dá)成的孔隙度、特定應(yīng)用及制程條件以調(diào)整混合物。如方塊254所示，加工于方塊252中選定的纖維以具有適當(dāng)?shù)拈L寬比分布。較佳的長寬比是介于約3至約500的范圍及可具有一種或一種以上的分布類型。應(yīng)了解，亦可選用其他范圍，如約1000的長寬比。于一方案中，長寬比的分布可隨機(jī)地分布于所需范圍內(nèi)，于其他方案中，可選擇較不連續(xù)類型的長寬比值。已發(fā)現(xiàn)長寬比是定義纖維填集特性的一重要因素。因此，選擇長寬比及其分布以達(dá)成特定強(qiáng)度及孔隙度要求。再者，應(yīng)了解，亦可于制程中的各階段加工纖維至較佳的長寬比分布。舉例言之，纖維可以第三組加工元件斬取并獲得預(yù)定的長寬比分布。在其他方案中，提供呈塊狀形式的纖維，并予以處理成具有適當(dāng)長寬比以為擠制制程中的預(yù)備步驟。應(yīng)了解，混合、剪切混合或分散混合及擠制制程250各方面亦可提供纖維的剪切及斬取。因此，初期引入混合物中的纖維的長寬比將與最后經(jīng)固化基材中的長寬比不同。因此，當(dāng)選擇引入制程的適當(dāng)長寬比分布254時(shí)，亦應(yīng)考慮混合、剪切混合及擠制的斬取及剪切影響。如方塊262所示，將纖維、黏結(jié)劑、孔隙成形劑、及流體是與經(jīng)加工且具有適當(dāng)長寬比分布的纖維混合以形成均質(zhì)團(tuán)料?；旌现瞥炭砂墒交旌戏矫妗袷交旌戏矫婕凹羟谢旌戏矫?。已發(fā)現(xiàn)剪切或分散混合于團(tuán)料中生產(chǎn)令人滿意的高度均質(zhì)分布的纖維。由于混合物中相對(duì)低濃度的陶瓷材料，所以該分布特別地重要。當(dāng)正在混合均質(zhì)混合物時(shí)，可調(diào)整混合物的流變性，如方塊264所示。當(dāng)混合混合物時(shí)，其流變性持續(xù)改變?？芍饔^地測試流變性，或可經(jīng)測量以符合圖6所例示的合意的區(qū)域。落在所需區(qū)域的混合物展現(xiàn)適當(dāng)擠制的高可能性。然后，如方塊268所示，將混合物擠制成生胚基材。于螺桿擠出機(jī)的情況下，混合亦可于擠出機(jī)本身的內(nèi)部進(jìn)行，而非于各別的混合機(jī)中進(jìn)行。在此情況下，必須小心地處理及控制混合物的剪切歷史。生胚基材具足夠的生胚強(qiáng)度以保持其于固化程序期間的形狀及纖維排列。然后，如方塊270所示，固化生胚基材。固化制程包含移除任何剩余水分、經(jīng)控制燒除大部份添加劑，及形成纖維間連結(jié)。燒除制程期間，纖維保持其糾結(jié)且交叉關(guān)系，當(dāng)固化制程進(jìn)行時(shí)，于交叉點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)處形成連結(jié)。應(yīng)了解，連結(jié)可因液態(tài)或固態(tài)連結(jié)制程而產(chǎn)生。當(dāng)然，可獲悉部分連結(jié)可能是由于黏結(jié)劑中、孔隙成形劑、纖維上涂料、或纖維本身中提供的添加劑的反應(yīng)而形成。連結(jié)形成之后，基材慢慢冷卻至室溫。參考圖8，例示一種固化多孔性纖維基材的方法。方法275具有含纖維陶瓷的生胚基材。固化制程首先慢慢移除基材中的剩余的水，如方塊277所示。通常，可在烤箱中的相對(duì)低溫下移除水分。移除剩余的水分后，燒除有機(jī)添加劑，如方塊279所示。在經(jīng)控制方式中燒除該等添加劑以促進(jìn)適當(dāng)?shù)睦w維排列，及確保溢出的氣體及殘留物不會(huì)影響纖維結(jié)構(gòu)。當(dāng)燒除添加劑后，纖維保持其交疊排列，且可進(jìn)一步在交叉點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)處接觸，如方塊281所示。使用黏結(jié)劑使纖維成交疊排列，且通過使用孔隙成形劑可形成特定圖樣。于某些情況下，可使用可與纖維結(jié)合的無機(jī)添加劑，其于連結(jié)形成制程中被燒毀或成為最終基材結(jié)構(gòu)的一部分。固化制程繼續(xù)進(jìn)行以形成纖維與纖維間的連結(jié)，如方塊285所示。形成連接所需的具體時(shí)程及溫度是視所用纖維的種類、所用連結(jié)輔助劑或連結(jié)劑種類、及所需連結(jié)種類而定。在一方案中，連結(jié)可為形成于纖維間的液態(tài)燒結(jié)連結(jié)，如方塊286所示。存在系統(tǒng)中的玻璃成形劑、玻璃、陶瓷前驅(qū)物或無機(jī)助熔劑可促進(jìn)此等連結(jié)。于其他方案中，使用燒結(jié)輔助劑或燒結(jié)劑可形成液態(tài)燒結(jié)連結(jié)，如方塊288所示?？商峁Y(jié)輔助劑作為纖維上的涂料或添加劑、或自黏結(jié)劑、自孔隙成形劑或自纖維本身的化學(xué)性質(zhì)提供燒結(jié)輔助劑。同時(shí)，可以纖維間的固態(tài)燒結(jié)形成纖維與纖維間連結(jié)，如方塊291所示。于此情況下，交會(huì)纖維顯現(xiàn)出晶粒成長及質(zhì)量轉(zhuǎn)移，以于節(jié)點(diǎn)處形成化學(xué)鍵及全面的剛性結(jié)構(gòu)。于液態(tài)燒結(jié)的情況，連結(jié)材料團(tuán)料積聚在纖維的交會(huì)節(jié)點(diǎn)并形成剛性結(jié)構(gòu)。應(yīng)了解，固化制程可于一或多個(gè)烤箱中進(jìn)行，亦可能于工業(yè)隧道式爐或窯式爐內(nèi)進(jìn)行?，F(xiàn)參考圖9，其例示一種制備纖維的方法。制程300顯示取得塊狀纖維，如方塊305所示。塊狀纖維通常具有團(tuán)混雜排列的極長纖維。必須處理此大塊纖維以充分的分散及剪切纖維得于混合制程中使用。據(jù)此，塊狀纖維與水307及可能的分散劑309混合以形成漿料311。分散劑309可為例如pH調(diào)節(jié)劑或電荷調(diào)節(jié)劑，以促進(jìn)纖維間互相排斥。應(yīng)了解，可使用有幾種不同種類的分散劑。在一方案中，引入漿料之前，塊狀纖維先以分散劑加以涂敷。于其他方案中，是簡易地將分散劑加入漿料混合物311中。激烈地混合漿料混合物，如方塊314所示。此激烈地混合可斬取及分散塊狀纖維至可用的長寬比分布。如上文所述，因?yàn)榛旌霞皵D制制程會(huì)進(jìn)一步斬取纖維，故最初所用纖維的長寬比與最終基材中的分布將完全不同。再將纖維斬取為適當(dāng)長寬比分布之后，使用壓濾機(jī)316或于其他設(shè)備中對(duì)過濾器擠壓，以移除大部分的水份。應(yīng)了解，可使用其他水份移除制程，例如冷凍干燥。壓濾機(jī)可能使用壓力、真空或其他手段以移除水分。于一方案中，進(jìn)一步干燥經(jīng)斬取纖維至完全干燥狀態(tài)，如方塊318所示。之后，將經(jīng)干燥纖維用于干式混合制程323中，其中經(jīng)干燥纖維與其他黏結(jié)劑及干式孔隙成形劑混合，如方塊327所示。最初干燥混合促進(jìn)均質(zhì)團(tuán)料的產(chǎn)生。在其他方案中，將經(jīng)過濾纖維的水含量調(diào)整到適當(dāng)?shù)暮?，如方塊321所示。尤其，足夠的水份保留于經(jīng)斬取纖維餅中，幫助濕式混合，如方塊325所示。已發(fā)現(xiàn)通過保留一些漿料水分于纖維中，可達(dá)到纖維額外的分散及分布。于濕式混合階段，亦可添加黏結(jié)劑及孔隙成形劑，且可添加水份329以獲得適當(dāng)流變性。亦可剪切混合該團(tuán)料，如方塊332所示。使用螺桿擠出機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)或剪切混合(例如西格馬葉片型混合器(sigmablade-typemixer))將混合物穿過意大利面狀的模具(spaghettishapeddies)以完成剪切混合。亦可于西格馬混合器(sigmamixer)、高剪切混合器及螺桿擠出機(jī)內(nèi)進(jìn)行剪切混合。剪切制程可令人滿意地產(chǎn)生更均質(zhì)團(tuán)料335，其具有所需的供擠制作用的塑性及可擠制流變性。均質(zhì)團(tuán)料335具有均勻的纖維分布，其中纖維是呈重疊基質(zhì)。據(jù)此，當(dāng)均質(zhì)團(tuán)料擠制成為基材團(tuán)料及加以固化，纖維可連結(jié)成為剛性結(jié)構(gòu)。此外，剛性結(jié)構(gòu)形成具高孔隙度、高滲透性及高表面積的開放式孔隙網(wǎng)?，F(xiàn)參考圖10，是例示一種制造梯度基材團(tuán)料的方法。制程350是設(shè)計(jì)為可制造及擠制具有梯度特性的基材團(tuán)料。舉例言之，可生產(chǎn)于團(tuán)料中心具有第一材料及團(tuán)料外圍具有不同材料的基材。在一更具體的實(shí)施例中，團(tuán)料中心使用具有較低熱膨脹系數(shù)的材料(預(yù)期會(huì)發(fā)生特定高熱度)，而外圍面積使用具有相對(duì)高熱膨脹系數(shù)的材料(預(yù)期會(huì)發(fā)生低熱度)。于此，對(duì)整體團(tuán)料而言，可保持更為一致的膨脹特性。于其他實(shí)施例中，團(tuán)料中選定的區(qū)域可具有較高密度陶瓷材料以提供加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)撐體(structuralsupport)。這些結(jié)構(gòu)撐體構(gòu)件是集中排列或軸向排列于團(tuán)料中。因此，根據(jù)孔隙度、孔隙尺寸或依據(jù)應(yīng)用要求的化學(xué)性質(zhì)的所需梯度，選用特定材料。再者，梯度可能必須使用兩種以上的材料。在一方案中，經(jīng)由提供柱狀體的第一材料351所制造的梯度結(jié)構(gòu)。第二材料353的薄片是包覆柱狀物351，如圖解355所示。于此，層B353變成繞著內(nèi)部的柱狀物351的同心管。然后將層狀柱狀物355置于活塞擠出機(jī)中、抽氣及經(jīng)模具擠制。擠制制程期間，材料將于材料A及材料B間的界面處混合，有助于無縫的界面。此界面使得兩種不同材料間的纖維重疊及連結(jié)，從而加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)。一旦材料經(jīng)擠制、固化及包裝后，其制造具有梯度基材的過濾器或觸媒轉(zhuǎn)換器包裝357。尤其，材料A形成在基材的中心，而材料B361形成在外圍部份。應(yīng)了解，可使用超過兩種的材料且可梯度地調(diào)整孔隙尺寸、孔隙度及化學(xué)特性。參考圖ll，是描述制造一梯度基材的其他制程375。于制程375中，提供一約為活塞擠制管尺寸大小的第一柱狀物379。在一方案中，外部柱狀物379是用于活塞擠出機(jī)的實(shí)際管。提供一具直徑較外管379小的內(nèi)管377。該些管以同心方式排列，使內(nèi)管377呈同心地置入管379的內(nèi)部。第一可擠制混合物材料的顆粒狀物383置于管377的內(nèi)部，第二可擠制混合物材料的顆粒狀物381置于管377與管379間的環(huán)狀區(qū)。小心地移開內(nèi)管，使得材料381以同心方式圍繞材料A。之后，該經(jīng)安排材料是置于擠制活塞里，空氣抽真空，并經(jīng)模具擠制。一旦經(jīng)擠制、經(jīng)固化及經(jīng)包裝后，制造出如圖10所示的梯度基材。應(yīng)了解，可形成超過兩個(gè)的同心環(huán)，及可制造各種梯度種類?，F(xiàn)參考圖12，例示制造梯度基材的另一種方法。方法400是具有交疊二種可擠制材料的盤狀物的可擠制混合物402的圓柱?？蓴D制混合物402具有鄰接第二材料404的第一材料403。在一方案中，材料A是相對(duì)多孔性，材料B是孔隙度較低。擠制期間，材料流經(jīng)擠制模具，引起A部分及B部份的纖維相混合而呈重疊排列。據(jù)此，A及B部分各自互相連接成為纖維基材團(tuán)料。在固化及包裝后時(shí)，形成過濾器406。過濾器406具有相對(duì)高孔隙度的第一部分407及較低孔隙度的第二部分408。于此，流穿過濾器406的氣體先經(jīng)由具較大孔隙尺寸的高孔隙度區(qū)域加以過濾，然后經(jīng)由具較小孔隙尺寸的低孔隙度區(qū)域加以過濾。是以，較大微粒被阻擋在區(qū)域407，較小微粒被阻擋在區(qū)域408。應(yīng)了解，可根據(jù)應(yīng)用所需，可調(diào)整材料盤狀物的尺寸及數(shù)目。該纖維擠制系統(tǒng)在實(shí)施過程中提供極大的變通性。舉例言之，可選用廣泛的纖維及添加劑以形成混合物。存在幾種混合及擠制選項(xiàng)，及關(guān)于固化方法、時(shí)間及溫度的選項(xiàng)?；谝压_的教示，擠制
技術(shù)領(lǐng)域：
中技術(shù)人員將了解可使用許多種變化。蜂巢狀基材是使用本發(fā)明所揭露的技術(shù)而可供制造的一般設(shè)計(jì)，但其他形狀、尺寸、輪廓及設(shè)計(jì)亦能加以擠制以供各種應(yīng)用。對(duì)于某些應(yīng)用來說，例如過濾裝置(柴油微粒過濾器(dieselparticulatefilter,DPF)、油/空氣過濾器、熱氣過濾器、空氣過濾器、水過濾器等等)或觸媒裝置(例如三方觸媒轉(zhuǎn)換器，選擇性觸媒催化還原(selectivecatalyticreduction,SCR)觸媒，脫臭氧器，防臭劑，生物反應(yīng)器，化學(xué)反應(yīng)氣，氧化催化劑等等)的用途，經(jīng)擠制基材中的通道可能需要加以栓塞。使用與經(jīng)擠制基材相似的組合物材料以封堵基材?？捎谏郀顟B(tài)中或經(jīng)燒結(jié)基材上完成栓塞。大部分栓塞組合物需要熱處理以固化及連結(jié)到經(jīng)擠制基材。雖然已揭露本發(fā)明特佳及供選擇的具體實(shí)施方案，對(duì)所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
中普通技術(shù)人員而言，上述利用本發(fā)明所完成的技術(shù)的許多各種修飾及延伸是顯而易見的。所有這些修飾及延伸是在本發(fā)明的真正精神及范圍內(nèi)，如所述申請專利范圍所討論。權(quán)利要求1.一種制造一梯度多孔性基材的方法，包含形成一第一可擠制混合物，其具有一纖維、添加劑及流體的第一混合物；形成一第二可擠制混合物，其具有一纖維、添加劑及流體的第二混合物；于一擠制器中，將該第一可擠制混合物放置于鄰近該第二可擠制混合物處；將該第一可擠制混合物及該第二可擠制混合物擠制成一生胚基材；以及裁切該生胚基材。2.如權(quán)利要求l所述的方法，其中該裁切步驟包含于交叉纖維間形成連結(jié)以形成該多孔性基材的結(jié)構(gòu)。3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中至少部分連結(jié)是由一個(gè)可擠制混合物的一或多個(gè)纖維與另一個(gè)可擠制混合物的一或多個(gè)纖維交叉所形成。4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中該等連結(jié)是經(jīng)固態(tài)燒結(jié)的連結(jié)、經(jīng)液體輔助燒結(jié)的連結(jié)，或者玻璃連結(jié)、玻璃陶瓷連結(jié)或陶瓷連結(jié)。5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該形成及該放置步驟進(jìn)一步包含將該第一可擠制混合物塑成一柱狀物形狀，并且將該第二可擠制混合物以一同心層(concentriclayer)圍繞該柱狀物的方式放置。6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該形成及該放置步驟進(jìn)一步包含將該第一可擠制混合物塑成第一顆粒狀物(pellets);將該第二可擠制混合物塑成第二顆粒狀物；以該等第一顆粒狀物填充一管；以該等第二顆粒狀物圍繞該管；以及移除該管。7.如權(quán)利要求6所述的方法，其進(jìn)一步包含在擠制該顆粒狀物前先將空氣抽真空的步驟。8.如權(quán)利要求l所述的方法，其進(jìn)一步包含以下步驟將該第一擠制物塑成一第一盤狀物組；將該第二擠制物塑成一第二盤狀物組；以及放置該等盤狀物以形成該第一盤狀物及該第二盤狀物交替的一柱狀物。9.一種制備用于一擠制器的纖維的方法，包含將塊狀纖維置于一液體中；激烈地混合該纖維及該液體以斬取該纖維；以及自該混合物中移除大部分的水分。10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該纖維是選自圖6表1中所列群組的陶瓷纖維。11.如權(quán)利要求9所述的方法，其進(jìn)一步包含添加一分散劑或一連結(jié)劑至該液體的步驟。12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該移除步驟進(jìn)一步包含將纖維及液體對(duì)一過濾器擠壓。13.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該移除步驟進(jìn)一步包含干燥該等纖維以移除大部分自由液體。全文摘要一種可經(jīng)由使用擠制程序以生產(chǎn)高多孔性基材的可擠制混合物。特定而言，本發(fā)明可將纖維(例如有機(jī)、無機(jī)、玻璃、陶瓷或金屬纖維)混入一團(tuán)料中，當(dāng)擠制及固化時(shí)，該團(tuán)料可形成一高多孔性基材。視特定混合物而定，本發(fā)明提供具約60％至90％孔隙度的基材以及還同時(shí)提供其他孔隙度的優(yōu)點(diǎn)?？蓴D制混合物可使用廣泛不同的纖維及添加劑，且適用于廣泛不同的操作環(huán)境及應(yīng)用。根據(jù)基材的要求，選用具有長寬比大于1的纖維，并且與黏結(jié)劑、孔隙成形劑、擠制輔助劑及流體混合以形成一均質(zhì)(homogeneous)可擠制團(tuán)料。擠壓該均質(zhì)團(tuán)料以形成生胚基材(greensubstrate)。揮發(fā)性較高的材料優(yōu)先自生胚基材中予以移除，使纖維互相連結(jié)及接觸。當(dāng)固化持續(xù)進(jìn)行時(shí)，形成纖維與纖維間連結(jié)以制造具有實(shí)質(zhì)上開放式孔隙網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。所得多孔性基材可用于許多應(yīng)用方面，例如過濾器或觸媒基質(zhì)(catalysthost)的基材或觸媒轉(zhuǎn)換器。文檔編號(hào)B28B3/20GK101524871SQ20091013415公開日2009年9月9日申請日期2006年7月21日優(yōu)先權(quán)日2005年11月16日發(fā)明者B·朱伯瑞,B·杜塔,R·G·拉舍納奧爾,S·C·皮萊,W·M·卡蒂申請人:美商績優(yōu)圖科技股份有限公司