專利名稱：用于擠出超薄壁多孔道陶瓷的選擇的粘合劑的制作方法
技術領域：
本發(fā)明領域涉及由堇青石或鈦酸鋁制造的超薄壁陶瓷蜂窩體基材，具體涉及用來制造所述基材的選擇的粘合劑。
背景技術：
人們通過對陶瓷糊料進行擠出來制造陶瓷蜂窩體，例如堇青石或鈦酸鋁蜂窩體。 所述陶瓷糊料通過以下方式制備將干原料混合，然后在進一步混合的同時加入液體組分， 使用螺旋(augur)或雙螺桿混合系統(tǒng)對所得的混合物進行增塑。在增塑之后，將所述陶瓷糊料推擠通過擠出機模頭，形成蜂窩體“生坯體”，然后對該生坯體進行進一步的加工。總體工藝可以概括為提供增塑的陶瓷蜂窩體前體配料，該配料包含無機陶瓷形成組分，任選的成孔材料(例如淀粉或石墨材料)，液體組分(例如水)，潤滑材料(以輔助擠出)和粘合劑；對該混合物進行增塑；由所述增塑的陶瓷前體配料形成具有所需形狀、尺寸和孔道密度的生坯體；任選地對所述生坯體進行干燥，以除去多余的水分，防止在燒制的過程中發(fā)生滑塌；在足以將所述生坯體轉化為陶瓷蜂窩體的條件下，對干燥的生坯體進行燒制。根據(jù)無機材料的選擇，燒制的蜂窩體可以是堇青石蜂窩體或鈦酸鋁蜂窩體。在上述工藝中，經(jīng)常出現(xiàn)的一個問題是在擠出過程中模頭的堵塞，特別是在形成超薄壁蜂窩體基材的時候很容易發(fā)生模頭堵塞。本發(fā)明提供了一種對工藝造成堵塞的解決方法。發(fā)明概述在本發(fā)明的一個方面提供了一種制造多孔陶瓷蜂窩體制品的方法，所述方法包括以下步驟提供無機陶瓷形成組分；向所述無機陶瓷形成組分加入聚合物有機粘合劑材料、溶劑和成孔劑，使用1重量％的粘合劑水溶液測得所述有機粘合劑是具有以下性質的聚合物材料每克聚合物材料中包含小于300個不溶性聚合物纖維或纖維狀顆粒(< 300 個纖維/克)；將所述無機陶瓷形成組分、粘合劑、溶劑和成孔劑混合起來，形成前體配料； 將所述前體配料形成生坯體；和在足以制造多孔陶瓷制品的溫度下對所述生坯體進行燒制。在一個實施方式中，所述不溶性纖維的數(shù)量小于200個/克。在另一個實施方式中，所述不溶性纖維的數(shù)量小于65個/克。用于本發(fā)明的一種優(yōu)選的粘合劑材料是水溶性纖維素醚粘合劑(烷基纖維素醚)組分，其選自甲基纖維素、水溶性甲基纖維素衍生物(例如羥丙基甲基纖維素、羥乙基甲基纖維素)，水溶性乙基纖維素衍生物(例如羥乙基纖維素)和它們的組合。在一些實施方式中，所述粘合劑材料選自甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羥乙基纖維素和羥乙基甲基纖維素。在一個實施方式中，本發(fā)明涉及一種用來制備陶瓷蜂窩體的方法，該方法包括以下步驟提供一種配料組合物，所述配料組合物選自堇青石配料組合物和鈦酸鋁配料組合物；任選地提供一種成孔劑材料；提供粘合劑材料和水；將所述配料組合物與成孔劑、粘合劑和水混合，形成增塑的可擠出糊料；對所述糊料進行擠出，形成蜂窩體生坯體；以及對所述生坯體進行燒制，形成蜂窩體，所述蜂窩體包含選自堇青石和鈦酸鋁的陶瓷材料；其中提供粘合劑表示提供水溶性纖維素的烷基醚粘合劑，針對粘合劑材料的1重量％的水溶液測得所述粘合劑包含小于300個不溶性纖維/克粘合劑材料。在一個實施方式中，本發(fā)明涉及一種適合用來進行擠出和燒制以形成陶瓷蜂窩體基材的混合物，所述混合物包含配料組合物，所述配料組合物選自堇青石配料組合物和鈦酸鋁配料組合物；任選的成孔劑材料；粘合劑；以及水；其中所述粘合劑是一種水溶性纖維素的烷基醚粘合劑，所述粘合劑包含小于300 個不溶于水的纖維/每克粘合劑材料。發(fā)明詳述在本發(fā)明中，術語“超薄壁”表示壁厚度小于4密耳(<0.102毫米)的蜂窩體基材；例如，康寧有限公司(Corning Incorporated)制造的600和900cpsi (每平方英寸的孔道數(shù))基材，其壁厚度分別約為3密耳(0. 076毫米)和2密耳(0. 05毫米)?？祵幱邢薰局苽涞摹氨”凇被牡暮穸却笥?密耳(> 0. 102毫米)且小于6密耳。標準壁基材(康寧有限公司(Corning Incorporated))的厚度為0. 165-0. 280毫米。在本發(fā)明中，術語“蜂窩體”表示任意陶瓷多孔道基材，該基材在每平方英寸或平方厘米的面積上具有任意數(shù)量的孔道和從一端到相反的端通過所述基材的通道。另外，在本文中，術語“每克的纖維數(shù)量” 和“個纖維/克”表示使用100倍放大的光學顯微鏡和1重量％的粘合劑水溶液(1克粘合劑和99克水)測定的每克粘合劑包含的不溶性纖維數(shù)量。或者，可以用例如Multisizer 3C0ULTER COUNTER 之類的粒度分析儀測量懸浮的纖維。陶瓷蜂窩體基材通常通過擠出法制造；在大量專利和專利申請中都可以找到用來制備所述陶瓷蜂窩體基材的材料和擠出工藝的描述?？梢杂脕韺嵤┍景l(fā)明的用來形成堇青石蜂窩體的陶瓷配料組合物和方法的例子可以參見以下文獻美國專利3，885，977 ； RE 38，888 ；6，368，992 ；6，319，870 ；6，210，626 ；5，183，608 ；5，258，150 ；6，432，856 ； 6，773，657 ；6，864，198 ；以及美國專利申請公開第 2004/0029707, 2004/0261384,和 2005/0046063。可以用來實施本發(fā)明的用于形成鈦酸鋁的陶瓷配料組合物和方法的例子可以參見以下文獻美國專利4，483，944 ；4, 855，265 ；5, 290，739 ；6, 620，751 ； 6，942，713 ；6，849，181 ；美國專利申請:2004/0020846 ；2004/0092381 ；和 PCT 申請公開 WO 2006/015240 ；W02005/046840 和 WO 2004/011386。作為一個非限制性的例子，使用以下組分形成堇青石形成組合物滑石、粘土、二氧化硅和氧化鋁，粘合劑材料，以及添加材料，例如水、增塑劑、潤滑劑以及本領域已知的其它的用來制備組合物的材料，然后該組合物用來形成多孔性多孔道陶瓷蜂窩體結構。對所述材料進行混合和增塑，然后將制得的組合物推擠通過模頭，如上文所述形成蜂窩體生坯體。但是，在形成生坯體的時候遇到的一個問題是配料中存在的大顆粒、纖維和聚集體會限制所述組合物推擠通過具有狹縫的模頭，例如用來制造超薄壁蜂窩體的模頭，的能力。篩網(wǎng)具有足夠小的開口以過濾顆粒、纖維和聚集體，因此保護模頭的狹縫使其免于被堵塞，顯著提高推擠糊料通過擠出系統(tǒng)所需的壓力，并使得模頭自身被快速堵塞。另外，發(fā)現(xiàn)纖維材料 (例如源自纖維素的材料和其他聚合物材料)本身會沿著流動方向取向，并通過所述篩網(wǎng)。 因此，盡管篩網(wǎng)能夠阻擋顆粒和聚集體(或者由于施加壓力使得它們在篩網(wǎng)表面上破碎)， 但是纖維材料會通過篩網(wǎng)，堵塞用來制造超薄壁蜂窩體的窄的模頭狹縫。本領域已知，陶瓷蜂窩體的形成需要通過一些方式對陶瓷前體組合物進行成形， 制得所需的形狀，然后進行處理，將所述組合物成形和統(tǒng)一為最終的制品或部件形式。在擠出工藝中，將陶瓷材料的組分與"粘合劑"混合，然后引入模頭，使得混合的陶瓷和粘合劑形成顆粒的形式。粘合劑在本領域也稱作"粘結劑"，使得混合物具有一定程度的尺寸穩(wěn)定性和保形性，這是擠出工藝中用來防止生坯體在燒制之前發(fā)生滑塌的必要特征。在生坯體成形之后，對其進行燒制，形成最終制品。在一個實施方式中，對生坯體進行干燥，以除去多余的水分，然后再進行燒制。所述干燥操作除去了多余的水分，制得的生坯體在輸送到燒制爐并加熱到足以將所述組合物轉化為陶瓷材料的溫度的時候，比較不易發(fā)生滑塌。在燒制過程中，驅使粘合劑從形成的蜂窩體離開，留下基本不含任何有機材料的成形的蜂窩體。 人們將許多聚合物材料用作粘合劑，其中一些材料不完全溶解于水。源自纖維素的材料，例如甲基纖維素、甲基纖維素的水溶性衍生物以及乙基纖維素的水溶性衍生物容易獲得、成本低、使用方便、材料處理安全，因此優(yōu)選用作制造陶瓷蜂窩體基材的粘合劑。所得的所述聚合物材料的水“溶液”可以由部分可溶于水的顆粒組成，或者同時包含可溶性和不可溶性的組分。在擠出超薄壁蜂窩體基材的過程中，所述不溶性組分會造成問題。在本文中，用甲基纖維素作為粘合劑材料，對本發(fā)明進行舉例說明。纖維素是一種天然的長鏈聚合物，通過對β -D-葡萄糖分子消除水進行連接而制備。鏈長可以發(fā)生顯著的變化，從木漿中的數(shù)百個單元變化到棉花中的超過6000個單元。 纖維素包含許多極性-OH基團，這些OH基團與相鄰的鏈上的OH基團形成許多的氫鍵，將這些鏈集束連接在一起。這些鏈還會在一些地方規(guī)則地群集，形成堅硬、穩(wěn)定的晶體區(qū)域，由此提供甚至更穩(wěn)定更高強度的集束連接的鏈。因此，纖維素不溶于水和許多的有機溶劑。但是當對纖維素進行處理以形成烷基纖維素醚的時候，許多這樣的烷基醚和/或它們的衍生物是水溶性的。具體來說，烷基纖維素醚，例如甲基纖維素和羥丙基甲基纖維素以及衍生物是水溶性的。從化學角度來說，甲基纖維素是纖維素的甲基醚，通過用甲基(-CH3)取代纖維素的羥基(-0Η)的氫原子形成醚基(-OCH3)而得到。該過程使得纖維素鏈一定程度上解除集束連接，使得產(chǎn)物具有水溶性。但是，在制備甲基纖維素的工藝中，一部分的纖維素保持未反應，或者未充分反應，因此是不溶于水的。將所述產(chǎn)物分散在水中的時候，由于不完全反應造成的不溶于水的纖維素纖維存在于所得的甲基纖維素的溶液中。當這些纖維的量超過 300個纖維/克(300個纖維/克)粘合劑的時候(使用1重量％的粘合劑水溶液測量)， 發(fā)生篩網(wǎng)堵塞和模頭堵塞的情況會比不溶性纖維數(shù)量小于300個纖維/克粘合劑的情況更快。因此，當不溶性纖維的含量大于300個纖維/克的時候，超薄壁基材的制造會出現(xiàn)問題； 也即是說，壁厚度小于4密耳(<0.101毫米)的基材的制造會出現(xiàn)問題。當非常窄的狹縫模頭(小于0. 101毫米)用于擠出的時候，即使在模頭前面使用篩網(wǎng)，模頭也會很快被堵塞。當不溶性纖維量超過100個/克粘合劑的時候，對于具有0. 05毫米狹縫寬度的模頭可能預期出現(xiàn)堵塞問題，我們對小于100個不溶性纖維/克粘合劑的粘合劑進行了觀察，發(fā)現(xiàn)其能夠很好地發(fā)揮作用。模頭的堵塞導致多孔道結構中破裂出現(xiàn)一些非結合位點，會對部件的物理強度構成限制。通過選擇能夠更完全反應使得每克粘合劑中不溶性纖維的數(shù)量小于300個纖維/克的粘合劑，最大程度減少了堵塞。由此可以不需要對篩網(wǎng)和模頭進行頻繁的更換和清潔，保持良好的孔道整體性(消除非結合位點，或者將非結合位點減少到可以接受的程度)，由此使得最終的部件具有良好的物理強度。人們采用很多種方法區(qū)別不同種類/等級的甲基纖維素粘合劑，用于不同水平的不溶性纖維。一種方法包括制備該粘合劑的的水溶液。向清潔的顯微鏡載玻片上定量轉移一滴物料。使用100倍放大倍數(shù)的光學顯微鏡，對載玻片上的不溶性纖維的數(shù)量進行計數(shù)。優(yōu)選制備數(shù)個載玻片并進行評價?？梢杂蛇@些計數(shù)計算每克粘合劑所含的纖維數(shù)。 纖維計數(shù)小于200個/克的物料適合用于寬度等于和大于2. 85密耳的狹縫的擠出。纖維數(shù)小于60個/克的情況適合用于狹縫窄至2. 0密耳的模頭進行擠出。將不溶性纖維的相對數(shù)量與篩網(wǎng)和模頭的擠出壓力和堵塞速率相關聯(lián)，發(fā)現(xiàn)每克粘合劑的纖維數(shù)越少，則篩網(wǎng)和模頭的擠出壓力和堵塞速率越低。堇青石實施例可以根據(jù)美國專利第5，296, 423號(‘423專利)所述，使用本文所述的包含少于 300個纖維/克的甲基纖維素粘合劑制造堇青石蜂窩體基材。對‘423專利進行總結，制備了可增塑的混合物，用于制備包含堇青石作為主要相的基材，使得以分析的氧化物為基準計，所述混合物包含約11. 5-16. 5重量％的1%0，約33-41重量％的々1203以及約46. 6-53. 0 重量％的Si02。在‘423專利中描述了氧化鎂、氧化鋁和二氧化硅的來源，氧化鎂源是高嶺土，其平均粒徑通常不大于約2微米。以配料中礦物的總量為基準計，所述高嶺土，優(yōu)選經(jīng)煅燒的高嶺土，用量約為15-39重量％。包含所述可增塑混合物的礦物在混合步驟中充分混合，足以使得原料相緊密混合，以便在熱處理中使其完全反應。在此階段加入水和擠出助劑，例如粘合劑和潤滑劑，以幫助產(chǎn)生可以成形或可以模塑的可擠出的混合物?？梢詫⒈绢I域眾所周知的足夠的擠出助劑，如粘合劑(例如甲基纖維素)和潤滑劑(例如硬脂酸鹽) 加入其中，以提供塑性成形能力，并且在燒制之前提供生坯強度。以混合物中的無機物為基準計，向混合物中加入2-4重量％的粘合劑材料。將硬脂酸鈉用作潤滑劑，以混合物中的無機物為基準計，以0. 4-1. 0重量％的量加入。水有助于塑性成形能力，可以進行控制，以使得特定的組合物受益。一般來說，以干配料(有機物和無機物的總量)為基準計，用于該組合物的配料原料需要約觀-35重量％的水。可能需要變化以適應原料或粒度的變化。如上文所述的制備的可擠出的混合物可以通過常規(guī)的陶瓷成形工藝成形為所需的結構。在本文中，采用擠出法形成具有超薄的壁的蜂窩體基材生坯體。使用包含少于300 個不溶性纖維/克的甲基纖維素粘合劑可以順利地進行擠出操作，而不會對狹縫小于3密耳的染料濾網(wǎng)造成堵塞。所述生坯結構在燒制之前進行大約5-20分鐘的介電干燥。在干燥之后，生坯體在1340-1450°C的溫度下燒制，形成堇青石蜂窩體基材。
鈦酸鋁實施例可以根據(jù)美國專利第7，258，120號(‘120專利)所述，使用本文所述的包含少于 300個纖維/克的甲基纖維素粘合劑制造鈦酸鋁蜂窩體基材?！?20專利的工藝可以總結為包括如下步驟首先配置無機原料的配料，所述無機原料包括二氧化硅源、氧化鋁源、二氧化鈦源和堿土金屬源(優(yōu)選是選自鍶、鈣和鋇中的至少一種)。還將稀土金屬氧化物加入所述原料的配料中，以降低坯體加工的燒制溫度，減小CTE，增大孔隙率，所有這些都不會顯著降低最終燒制坯體的強度。另外，通過降低燒制溫度可以顯著延長加熱爐的壽命。所述原料的配料進一步與加工助劑混合起來，所述加工助劑選自增塑劑、潤滑劑、粘合劑、成孔劑和溶劑(例如水)。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的粘合劑是包含小于300個纖維顆粒/克的甲基纖維素。將配料組分和加工助劑混合起來，形成優(yōu)選的均一的增塑的混合物，然后將其成形為生坯體。所述成形步驟可以根據(jù)眾所周知的陶瓷加工技術進行，最優(yōu)選通過擠出模頭對增塑的混合物進行擠出而形成。在一個實施方式中，通過模頭對增塑的混合物進行擠出，形成生坯體，所述生坯體優(yōu)選具有由交叉的孔道壁形成的蜂窩體結構。任選對所述生坯體進行干燥，然后優(yōu)選在低于1500°C、優(yōu)選1400-1450°C的最高(頂峰)溫度進行燒制，形成鈦酸鋁的主要相。因此，在本發(fā)明的一個實施方式中，涉及一種用來制備陶瓷蜂窩體的方法，該方法包括以下步驟提供配料組合物，所述配料組合物選自堇青石配料組合物和鈦酸鋁配料組合物；提供成孔劑材料、粘合劑材料和水；將所述配料組合物與所述成孔劑、粘合劑和水混合，形成增塑的可擠出的糊料；對所述糊料進行擠出，形成蜂窩體生坯體；以及對所述生坯體進行燒制，形成包含陶瓷材料的蜂窩體，所述陶瓷材料選自堇青石和鈦酸鋁；其中提供粘合劑表示提供水溶性的纖維素的烷基醚粘合劑，對粘合劑材料的1重量％的水溶液測得， 所述粘合劑包含小于300個不溶性纖維/克粘合劑材料。在一個實施方式中，所述烷基纖維素選自甲基纖維素、甲基纖維素衍生物、乙基纖維素以及乙基纖維素衍生物，和它們的組合。在另一個實施方式中，所述粘合劑選自甲基纖維素和羥丙基甲基纖維索。在另一個實施方式中，所述不溶性纖維的數(shù)量小于200個纖維/克粘合劑材料。在另一個實施方式中， 所述烷基纖維素或烷基纖維素衍生物的不溶性纖維的數(shù)量小于65個纖維/克粘合劑材料。在另一個實施方式中，本發(fā)明涉及一種適合用來擠出和燒制以形成陶瓷蜂窩體基材的混合物，所述混合物包含選自堇青石配料組合物和鈦酸鋁配料組合物的配料組合物； 成孔劑材料；粘合劑材料；以及水；所述粘合劑是纖維素的甲基醚粘合劑，其包含小于300 個不溶于水的纖維/克粘合劑材料。在另一個實施方式中，所述纖維素的甲基醚包含小于 200個不溶于水的纖維/克粘合劑材料。在又一個實施方式中，所述纖維素的甲基醚包含小于65個不溶于水的纖維/克粘合劑材料。在另一些實施方式中，所述纖維素的甲基醚選自甲基纖維素、羥乙基甲基纖維素和羥丙基甲基纖維素。盡管已經(jīng)關于有限數(shù)量的實施方式描述了本發(fā)明，但是得益于本揭示內(nèi)容的本領域技術人員可以理解能夠在不偏離本文所揭示的本發(fā)明范圍的前提下想出其他的實施方式。
權利要求
1.一種制備陶瓷蜂窩體的方法，所述方法包括以下步驟提供一種配料組合物，所述配料組合物選自堇青石配料組合物和鈦酸鋁配料組合物； 任選地提供一種成孔劑材料； 提供粘合劑材料和水；將所述配料組合物與成孔劑、粘合劑和水混合，形成增塑的可擠出糊料； 對所述糊料進行擠出，形成蜂窩體生坯體；以及對所述生坯體進行燒制，形成蜂窩體，所述蜂窩體包含選自堇青石和鈦酸鋁的陶瓷材料；提供粘合劑表示提供水溶性纖維素的烷基醚粘合劑，針對粘合劑材料的1重量％的水溶液測得，所述粘合劑包含小于300個不溶性纖維/克粘合劑材料。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述纖維素的烷基醚粘合劑選自水溶性的甲基纖維素、甲基纖維素衍生物和乙基纖維素衍生物，以及它們的組合。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述纖維素的烷基醚粘合劑是選自下組的水溶性醚甲基纖維素、羥乙基甲基纖維素、羥乙基纖維素和羥丙基甲基纖維素，以及它們的組合。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述不溶性纖維的數(shù)量小于200個纖維/克粘合劑材料。
5.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述不溶性纖維的數(shù)量小于200個纖維/克粘合劑材料。
6.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述不溶性纖維的數(shù)量小于200個纖維/克粘合劑材料。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述不溶性纖維的數(shù)量小于65個纖維/克粘合劑材料。
8.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述不溶性纖維的數(shù)量小于65個纖維/克粘合劑材料。
9.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述不溶性纖維的數(shù)量小于65個纖維/克粘合劑材料。
10.一種適合用來進行擠出和燒制以形成陶瓷蜂窩體基材的混合物，所述混合物包含配料組合物，所述配料組合物選自堇青石配料組合物和鈦酸鋁配料組合物； 任選的成孔劑材料； 粘合劑；以及水；其中所述粘合劑是一種水溶性的纖維素的烷基醚粘合劑，所述粘合劑包含小于300個不溶于水的纖維/克粘合劑材料。
11.如權利要求10所述的混合物，其特征在于，所述纖維素的烷基醚包含小于200個不溶于水的纖維/克粘合劑材料。
12.如權利要求10所述的混合物，其特征在于，所述纖維素的烷基醚包含小于65個不溶于水的纖維/克粘合劑材料。
13.如權利要求7所述的混合物，其特征在于，所述纖維素的烷基醚選自水溶性的甲基纖維素、甲基纖維素衍生物和乙基纖維素衍生物，以及它們的組合。
14.如權利要求10所述的混合物，其特征在于，所述纖維素的烷基醚選自甲基纖維素、羥乙基甲基纖維素、乙基纖維素、羥乙基甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素、以及它們的組I=I O
全文摘要
本發(fā)明提供了一種適合用來擠出和燒制以形成陶瓷蜂窩體基材的混合物，所述混合物包含選自堇青石配料組合物和鈦酸鋁配料組合物的配料組合物；任選的成孔劑材料；粘合劑材料；以及水；所述粘合劑是纖維素的甲基醚粘合劑，其中每克粘合劑材料包含小于300個不溶于水的纖維。
文檔編號C04B35/195GK102438966SQ201080019557
公開日2012年5月2日 申請日期2010年4月29日 優(yōu)先權日2009年4月30日
發(fā)明者J·D·佩桑斯基, S·C·勞德戴爾, 侯軍 申請人:康寧股份有限公司