專利名稱：污染控制裝置的制作方法
本申請(qǐng)是1998年1月28日提交的題為“多層膨脹片”的中國專利申請(qǐng)98802249.4的分案申請(qǐng)。
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及用作擋火物或用作催化轉(zhuǎn)化器及柴油機(jī)顆粒過濾器或捕集器所用固定墊的撓性膨脹片，還具體涉及裝有撓性多層膨脹片的上述裝置，這種片材至少具有膨脹性能不同的兩層。
發(fā)明的背景在汽車上使用污染控制裝置來控制大氣污染。這些裝置包括催化轉(zhuǎn)化器和柴油機(jī)顆粒過濾器或捕集器。催化轉(zhuǎn)化器中通常有一個(gè)承載催化劑的陶瓷整塊結(jié)構(gòu)物。所述整塊結(jié)構(gòu)物也可由金屬制得。柴油機(jī)顆粒過濾器是具有整塊蜂窩結(jié)構(gòu)的壁流過濾器，它通常由多孔結(jié)晶陶瓷材料制得。
上述這些裝置均具有一個(gè)金屬(通常為不銹鋼)外殼，其中容納一個(gè)由陶瓷或金屬(如鋼)制成的整塊結(jié)構(gòu)物。所述整塊結(jié)構(gòu)物中含有上面載有催化劑的許多室壁。所述催化劑促使一氧化碳和烴氧化，并促使發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的氮氧化物進(jìn)行還原，以控制大氣污染。
陶瓷整塊物通常用其每平方英寸上的開口或小室的數(shù)目(cpsi)以及室壁厚度進(jìn)行描述。在七十年代早期，常用的是室壁厚度為12密爾，室密度為300cpsi的整塊物(12/300整塊物)。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)目趨嚴(yán)格，室壁厚度日趨降低，從而增加整塊物的幾何表面積，降低其熱容量并降低其壓力降。其標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)改進(jìn)成6/400整塊物。
由于陶瓷整塊結(jié)構(gòu)物室壁的厚度很薄，它的強(qiáng)度很差，容易受振動(dòng)或沖擊而破壞和斷裂。破壞力可來自發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中粗心的操作乃至撞擊、來自發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)或來自汽車在粗糙路面上的行駛。整塊物還會(huì)由于劇烈的溫度改變(如與路面上噴的水接觸時(shí)造成的溫度改變)而破壞。
陶瓷整塊物的熱膨脹系數(shù)一般比容納該整塊物的金屬外殼的熱膨脹系數(shù)小一個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)將催化轉(zhuǎn)化器整塊物由25℃加熱至約900℃的最高操作溫度時(shí)，原先為4mm的金屬外殼周壁與整塊物之間的間隙會(huì)總體上增加大約0.33mm。此時(shí)，金屬外殼的溫度由約25℃上升至530℃。即使金屬外殼的溫度改變較小，由于金屬外殼較高程度的熱膨脹使得外殼比整塊物更快地膨脹成較大的外圍尺寸。在汽車的使用壽命期間，這種熱循環(huán)通常發(fā)生數(shù)百上千次。
為了避免陶瓷整塊物由于受到道路沖擊和振動(dòng)而產(chǎn)生破裂，為了補(bǔ)償熱膨脹的差異并為了防止汽車尾氣在整塊物和金屬外殼之間穿過(從而繞過催化劑發(fā)生所謂短路)，在陶瓷整塊物和金屬外殼之間放置了固定墊或固定糊漿。將整塊物放置在外殼中的過程也稱為裝罐，它包括如下步驟，即將一片墊子材料圍繞在整塊物上，將圍繞了墊子材料的整塊物插入外殼中，對(duì)外殼加壓使之閉合，再焊接沿外殼側(cè)邊的凸緣。可將糊漿注入整塊物和金屬外殼之間的間隙中，這也可作為裝罐的一個(gè)步驟。
通常，所述糊漿或固定片材料包含無機(jī)粘合劑、無機(jī)纖維、膨脹材料、有機(jī)粘合劑、填料和其它助劑?？蓪⑦@些材料制成片材、墊子或糊漿的形式。已知適合于將整塊物固定在外殼中的墊子材料、糊漿和膨脹片材料描述在例如美國專利3,916,057(Hatch等人)、4,305,992(Langer等人)、4,385,138(Langer等人)、5,254,410(Langer等人)、5,242,871(Hashimoto等人)、3,001,571(Hatch)、5,385,873(MacNeil)、5,207,989(MacNeil)和GB1,522,646(Wood)中。這些固定材料應(yīng)在長期的使用過程中在所有操作溫度范圍內(nèi)均保持很高的彈性。
為進(jìn)一步改進(jìn)排放標(biāo)準(zhǔn)，需要使催化轉(zhuǎn)化器更靠近發(fā)動(dòng)機(jī)，從而提高通過催化轉(zhuǎn)化器的尾氣的溫度。更高溫度的催化轉(zhuǎn)化器和在該轉(zhuǎn)化器中更熱的尾氣可以提高從尾氣中除去污染物的反應(yīng)的效率。當(dāng)催化轉(zhuǎn)化器的工作溫度更高時(shí)，其中的固定材料必須能承受更高的溫度。另外，固定材料的傳熱性能變得更為重要，用以保護(hù)緊密安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)部件免遭尾氣高溫的影響。對(duì)于防止發(fā)動(dòng)機(jī)室遭受熱損害并防止熱輻射進(jìn)入車廂，降低轉(zhuǎn)化器表面溫度是重要的。
還需要進(jìn)一步降低陶瓷整塊結(jié)構(gòu)物中室壁的厚度以增強(qiáng)催化轉(zhuǎn)化器的運(yùn)行。已經(jīng)或不久將開發(fā)出室壁非常薄的整塊物，如4/400、4/600、4/900、3/600、3/900和2/900整塊物。室壁極薄的整塊物更為精致，容易斷裂。通常的固定用膨脹材料會(huì)對(duì)整塊物產(chǎn)生壓縮力，這個(gè)壓縮力在催化轉(zhuǎn)化器的使用過程中會(huì)增至比其初始固定時(shí)的壓力更高。在催化轉(zhuǎn)化器的使用過程中增加壓力還會(huì)降低支承墊或糊漿防止整塊物遭振動(dòng)或機(jī)械沖擊損害的能力。由于上述這些問題，發(fā)表的文獻(xiàn)建議在接近發(fā)動(dòng)機(jī)安裝的極薄室壁整塊結(jié)構(gòu)物中不要使用膨脹固定墊。例如可參見Umehara等的“Design Development od High Temperature ManifoldConverter Using Thin Wall Ceramic Substrate”，SAE paper no.971030，pg.123-129，1997。
固定材料的露出邊緣受到陣陣排出的尾氣的沖蝕，尤其當(dāng)固定材料經(jīng)受許多次熱循環(huán)時(shí)。在嚴(yán)酷的條件下，經(jīng)過一段時(shí)間固定材料會(huì)受到?jīng)_蝕，因此部分該材料會(huì)被尾氣噴出。日久之后，有相當(dāng)多的固定材料會(huì)被噴出，結(jié)果固定材料不再能向整塊物提供所需的保護(hù)。
解決沖蝕問題的方法包括使用不銹鋼絲網(wǎng)(參見例如美國專利5,008,086(Merry))和辮狀或繩狀陶瓷(即玻璃、結(jié)晶陶瓷或玻璃陶瓷)纖維編織物或金屬絲材料(參見例如美國專利4,156,333(Close等))，還可使用帶玻璃顆粒的組合物形成的邊緣保護(hù)物(參見例如EP 639701 A1(Howorth等)、EP 939702A1(Howorth等)和EP639700 A1(Stroom等))，用來保護(hù)膨脹墊的邊緣免遭尾氣的沖蝕。利用現(xiàn)有的固定材料作為整塊物的主要支承物時(shí)，采用這些解決方案。
已知的多層結(jié)合的固定墊通常是如下制得的首先單獨(dú)地形成各層，隨后使用粘合劑或薄膜或其它方法(如縫合或釘合)將各層結(jié)合在一起。這種多層固定墊的一個(gè)例子可參見美國專利4,929,429，它公開了由一層無細(xì)粒的陶瓷纖維和一層與之粘合的膨脹片材組成的多層固定墊。通常，粘合劑或薄膜粘結(jié)的多層固定墊含有較多量的有機(jī)物質(zhì)，當(dāng)用于催化轉(zhuǎn)化器時(shí)會(huì)產(chǎn)生不合需求的煙霧或氣味。為防止這種煙霧或氣味，在安裝前必須預(yù)熱該固定墊燒去有機(jī)粘結(jié)物質(zhì)。粘合劑或薄膜粘結(jié)層還會(huì)影響該墊的熱性能。另外，由于將各層結(jié)合在一起的成本和所用的粘合劑或薄膜的成本，使得這種固定墊的制造成本非常昂貴。機(jī)械結(jié)合的多層固定墊的缺點(diǎn)包括還要進(jìn)行這種機(jī)械結(jié)合步驟和材料的花費(fèi)，而且墊子在機(jī)械結(jié)合點(diǎn)(例如該處縫線或訂針使墊子穿孔)的強(qiáng)度變?nèi)酢Ｆ渌鄬庸潭▔|包括一些必須各自裝在催化轉(zhuǎn)化器外殼內(nèi)的各層。
含有可膨脹石墨或可膨脹石墨與未膨脹蛭石的混合物的單層墊子或片材的缺點(diǎn)在于，這種在整個(gè)片材具有均勻組成的整塊構(gòu)造物通常需要較多數(shù)量的可膨脹石墨以滿足所需的低溫膨脹性，這就增加了墊子的成本。
因此，需要一種具有足夠彈性和壓縮性的固定系統(tǒng)，以適應(yīng)在很大范圍操作溫度下整塊物和金屬外殼之間間隙的變化，并能經(jīng)受許多次的熱循環(huán)。盡管現(xiàn)有的固定材料有其用途和優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)用于污染控制裝置的固定材料仍需進(jìn)行改進(jìn)。另外，形成固定墊的一個(gè)基本思想是要兼顧材料的成本和性能。需要以盡可能低的成本提供高質(zhì)量的固定系統(tǒng)。
發(fā)明的概述本發(fā)明提供一種多層膨脹墊或片，它適用于固定催化轉(zhuǎn)化器元件或柴油機(jī)顆粒過濾器，或者適用于作為擋火物。在一方面，靠近陶瓷整塊物的材料層含有價(jià)廉的含細(xì)粒(shot)的無機(jī)纖維材料和較昂貴的無細(xì)粒(shot)無機(jī)纖維材料的混合物?？拷饘偻鈿さ牟牧蠈觿t含有膨脹材料。在本發(fā)明的另一方面，靠近金屬外殼的材料層應(yīng)足夠薄，并且膨脹材料具有足夠高的膨脹溫度，使得在陶瓷整塊物和金屬外殼之間的間隙開始膨脹后該膨脹材料才發(fā)生膨脹。
本發(fā)明的一些優(yōu)點(diǎn)包括，例如所述撓性多層片在制備時(shí)不使用粘合劑或其它輔助的結(jié)合手段；所述撓性多層片的材料其配方可以調(diào)節(jié)，使用較少的膨脹材料就可使其在特定的溫度范圍內(nèi)發(fā)生膨脹；可使用連續(xù)的方法進(jìn)行制造；它比起由先制成的兩片或多片結(jié)合得到的墊子更耐操作；在安裝時(shí)需要的勞力也較少；與粘結(jié)的或?qū)訅旱钠南啾仁褂幂^少的有機(jī)物質(zhì)，因?yàn)闊o需粘合劑。
應(yīng)該理解，前面的一般描述和后面的詳細(xì)描述均是例舉性的和說明性的，用于對(duì)要求保護(hù)的發(fā)明作進(jìn)一步的說明。下面的描述和實(shí)施例將顯示本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。
附圖簡述

圖1是含本發(fā)明一個(gè)實(shí)例未完全裝配好的催化轉(zhuǎn)化器的透視圖；圖2是含本發(fā)明一個(gè)實(shí)例的柴油機(jī)顆粒過濾器的剖面圖；圖3是表2真實(shí)條件固定試驗(yàn)的間隙變化對(duì)于溫度/時(shí)間點(diǎn)(heating/timeinterval)的曲線圖；圖4是表2真實(shí)條件固定試驗(yàn)的溫度對(duì)于徑向位置對(duì)于溫度/時(shí)間點(diǎn)的曲線圖；圖5是現(xiàn)有技術(shù)膨脹固定墊的真實(shí)條件固定試驗(yàn)結(jié)果；圖6是實(shí)施例10固定墊的真實(shí)條件固定試驗(yàn)結(jié)果；圖7是實(shí)施例11固定墊的真實(shí)條件固定試驗(yàn)結(jié)果；圖8是實(shí)施例12固定墊的真實(shí)條件固定試驗(yàn)結(jié)果；圖9是實(shí)施例13固定墊的真實(shí)條件固定試驗(yàn)結(jié)果；圖10是實(shí)施例14固定墊的真實(shí)條件固定試驗(yàn)結(jié)果；圖11是圖4的溫度對(duì)于徑向位置對(duì)于時(shí)間的圖，其上疊有實(shí)施例13的膨脹溫度范圍；圖12是又一個(gè)比較例的真實(shí)條件固定試驗(yàn)結(jié)果。
盡管上述附圖給出了所需的實(shí)施方案，但是本發(fā)明還存在其它實(shí)施方案，有一些實(shí)施方案將在討論中說明。在所有情況下本說明書只是通過描述和非限定性的方式給出本發(fā)明的一些說明性實(shí)施方案。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以提出在本發(fā)明范圍和原則精神內(nèi)的許多小的改進(jìn)和實(shí)施方案。
發(fā)明的詳細(xì)描述總體上說，本發(fā)明撓性多層片基本上是無機(jī)的，并至少包括兩層不可模制的撓性層，所述撓性層中至少有一層包含膨脹材料。要求這兩層不是用輔助結(jié)合手段形成單一的彈性片材，例如通過將一層置于另一層上共同形成單一的濕鋪片材(wet laid sheet)。
本發(fā)明膨脹片的一個(gè)獨(dú)特的特征是從整體上看，具體是從剖面上看，該片材具有非均勻的組成。這種特征是由于這單一的片材是由至少兩層相鄰的層制成的，各個(gè)相鄰的層具有均勻但明顯不同的組成。所需的片材中包括一個(gè)含陶瓷纖維的非膨脹層，以及含有未膨脹蛭石、未膨脹的經(jīng)處理的蛭石或兩者混合物的膨脹層。在另一個(gè)實(shí)施方案中，一個(gè)第一膨脹層含有膨脹石墨，一個(gè)第二膨脹層含有未膨脹蛭石、未膨脹的經(jīng)處理的蛭石或兩者的混合物。在另一個(gè)實(shí)施方案中，第一膨脹層含有可膨脹石墨和未膨脹蛭石的混合物，第二膨脹層含有未膨脹蛭石、未膨脹的經(jīng)處理的蛭石或兩者的混合物。
在一方面，本發(fā)明多層膨脹片包括至少一層不可模制的撓性非膨脹層和至少一層含膨脹材料的不可模制的撓性膨脹層，這些層不用輔助的結(jié)合手段就形成單一的片材。在另一方面，本發(fā)明多層膨脹片至少包括(a)含第一膨脹材料的第一不可模制的膨脹層，和(b)含第二膨脹材料的第二不可模制的膨脹層，所述第一和第二膨脹材料是不同的，這些層不用輔助的結(jié)合手段就形成單一的片材。
另一方面，本發(fā)明提供一種使用本發(fā)明多層片的催化轉(zhuǎn)化器或柴油機(jī)顆粒過濾器或者污染控制裝置。本發(fā)明污染控制裝置包括外殼、整塊結(jié)構(gòu)物或部件和多層膨脹片，所述膨脹片包括(a)至少一層不可模制撓性非膨脹層，和(b)至少一層含膨脹材料的不可模制的撓性膨脹層，所述這些層不用輔助的結(jié)合手段就形成單一的片材，所述多層片置于污染控制裝置的整塊結(jié)構(gòu)物和外殼之間，將所述整塊結(jié)構(gòu)物固定在位。
另一方面，本發(fā)明提供一種本發(fā)明的污染控制裝置，它包括外殼、整塊結(jié)構(gòu)物或部件以及多層膨脹片，所述膨脹片至少包括(a)含第一膨脹材料的第一不可模制的撓性膨脹層，(b)含第二膨脹材料的第二不可模制的撓性膨脹層，所述第一和第二膨脹材料是不同的，這些層不用輔助的結(jié)合手段就形成單一的片材，所述多層片置于污染控制裝置的整塊結(jié)構(gòu)物和外殼之間，將所述整塊結(jié)構(gòu)物保持在位。
另一方面，本發(fā)明提供一種用作擋火物的撓性多層膨脹片，它至少包括(a)一層含吸熱填料的不可模制撓性非膨脹層，和(b)一層含膨脹材料的不可模制的撓性膨脹層，所述這些層不用輔助的結(jié)合手段就形成單一的片材。
另一方面，本發(fā)明提供一種多層膨脹片的制造方法，它包括如下步驟(a)形成第一糊漿和第二糊漿，所述第一和第二糊漿含有無機(jī)材料，并且至少一種所述糊漿含膨脹材料；(b)將第一糊漿沉積在一張滲透性基片上；(c)使所述第一糊漿部分脫水，形成第一層；(d)將第二糊漿沉積在所述第一層上；(e)使所述第二糊漿脫水，形成第二層，所述這兩層不用輔助的結(jié)合手段就形成單一的片材，所述方法是連續(xù)方法。
一般來說，本發(fā)明多層片的每個(gè)均勻?qū)涌烧颊麄€(gè)多層片干重的0.3-99.7％。較好的是，每層占片材干重的1.5-98.5％，最好占8-92％，更好占15-85％。在一個(gè)實(shí)施方案中，內(nèi)層至少占片材干重的50％，最好占片材干重的約60-85％。干重百分?jǐn)?shù)可由各個(gè)糊漿的組成計(jì)算。
本發(fā)明片材適用于例如固定催化轉(zhuǎn)化器和柴油機(jī)顆粒過濾器或者在建筑物中用作防火片或擋火物。當(dāng)然，可以改變片材各層的組成、厚度和寬度來適應(yīng)各種最終用途。
一般來說，本發(fā)明多層膨脹片的厚度至少為0.1mm，較好至少為0.5mm，最好至少為1mm。用于污染控制裝置的本發(fā)明多層膨脹片的具體厚度約為2-11mm。
在用于污染控制裝置時(shí)，在受熱前本發(fā)明膨脹片是撓性和彈性的，可取來彎曲并纏繞在整塊物上而不會(huì)斷裂，也不會(huì)產(chǎn)生裂縫。
本發(fā)明多層片還可是包括含三層或多層不可模制的撓性層的片材，這些撓性層不用輔助的結(jié)合手段就形成單一的片材，其中至少有一層含有膨脹材料。
在本文中術(shù)語“不用輔助的結(jié)合手段”指不使用例如樹脂、粘合劑、粘合帶、縫合、釘合和其它外用的結(jié)合方法。
在本文中術(shù)語“層”指具有均勻組成一定厚度的材料，它通過先沉積組成均勻的稀糊漿，隨后至少使其部分脫水而分別形成的。本發(fā)明多層片的各層可具有相同或不同的寬度和厚度。
在本文中術(shù)語“不可模制層”指其所用材料的組成只含10重量％或更少的固體，因而采用造紙技術(shù)濕鋪制得的層。
在本文中術(shù)語“膨脹材料”指當(dāng)受到足量的熱能時(shí)，會(huì)膨脹、起泡或隆起的材料。
在本文中術(shù)語“膨脹層”指含膨脹材料的層。
在本文中術(shù)語“非膨脹層”指不含膨脹材料的層。
本發(fā)明不可模制的撓性膨脹層包含能濕鋪成撓性和彈性片材的材料組分。一般來說，按層的干重百分?jǐn)?shù)計(jì)，本發(fā)明不可模制的膨脹層包含約5-85％膨脹材料和少于20％的有機(jī)粘合劑。
按層的干重計(jì)，不可模制的撓性膨脹層較好包含約5-85％膨脹材料，約0.5-15％有機(jī)粘合劑和約10-65％無機(jī)纖維，最好包含約5-70％膨脹材料，約0.5-9％有機(jī)粘合劑和約30-45％無機(jī)纖維。本發(fā)明不可模制的膨脹層還可以含有一種或多種無機(jī)填料、無機(jī)粘合劑、有機(jī)纖維及它們的混合物。
按干重百分?jǐn)?shù)計(jì)，另一種不可模制的撓性膨脹層較好包含約20-65％未膨脹的蛭石片或礦石，約1-65％無機(jī)纖維，約0.5-20％有機(jī)粘合劑和高達(dá)40％的無機(jī)填料。
按干重計(jì)，另一種不可模制的撓性膨脹層較好包含約20-90％可膨脹的石墨，約10-65％無機(jī)纖維，約0.5-20％有機(jī)粘合劑和高達(dá)40％無機(jī)填料。
按干重計(jì)，另一種不可模制的撓性膨脹層較好包含約20-90％可膨脹的硅酸鈉，約10-65％無機(jī)纖維，約0.5-20％有機(jī)粘合劑和高達(dá)40％無機(jī)填料。
按干重計(jì)，另一種不可模制的撓性膨脹層較好包含約20-90％可膨脹的石墨與經(jīng)處理或未經(jīng)處理的未膨脹蛭石的混合物(其中可膨脹的石墨約占膨脹混合物干重的5-95％，所述未膨脹蛭石約占膨脹混合物干重的95-5％)，約10-50％無機(jī)纖維，約0.5-20％有機(jī)粘合劑和高達(dá)40％無機(jī)填料。
可根據(jù)所需的用途選擇膨脹材料。例如，對(duì)于較高的使用溫度(即高于約500℃)，未膨脹的蛭石材料是合適的，因?yàn)樗鼈冊(cè)诩s300-340℃的溫度范圍開始膨脹，填充催化轉(zhuǎn)化器中膨脹的金屬外殼和整塊物之間的膨脹間隙。對(duì)于低溫用途(即溫度低于約500℃，如柴油機(jī)整塊物即顆粒過濾器)，可使用可膨脹的石墨或可膨脹的石墨與未膨脹的蛭石材料的混合物，因?yàn)榭膳蛎浀氖诩s210℃開始擴(kuò)展即膨脹。還可使用經(jīng)處理的蛭石，它在約290℃的溫度開始膨脹。
適用的膨脹材料包括(但不限于)未膨脹的蛭石礦石、經(jīng)處理的未膨脹蛭石礦石、部分脫水的蛭石礦石、可膨脹的石墨、可膨脹的石墨與經(jīng)處理或未經(jīng)處理的蛭石礦石的混合物、經(jīng)加工的可膨脹硅酸鈉(如EXPANTROLTM不溶硅酸鈉，購自美國3M公司)及它們的混合物。對(duì)于本發(fā)明的目的，上述各種膨脹材料的例子被認(rèn)為是相互不同的，并可加以區(qū)分。所需的膨脹材料包括未膨脹的蛭石礦石、經(jīng)處理的未膨脹蛭石礦石、可膨脹的石墨及它們的混合物。所需的可膨脹石墨材料的一個(gè)例子是GRAFOILTM338-50級(jí)別的可膨脹石墨片，購自UCAR Carbon Co.，Inc.，Cleveland，OH。
經(jīng)處理的未膨脹蛭石片或礦石包括通過例如與離子交換鹽(如磷酸二氫銨、硝酸銨、氯化銨、氯化鉀)或本領(lǐng)域已知的其它化合物進(jìn)行離子交換處理的未膨脹的蛭石。
加入固定墊中的膨脹材料的數(shù)量和種類對(duì)產(chǎn)品的成本有很大的影響。未處理的膨脹材料(如未膨脹的蛭石)一般比經(jīng)處理的膨脹材料便宜，但是它可提供不同的膨脹溫度、膨脹程度和膨脹速率。本發(fā)明要求用少量膨脹材料(如占?jí)|子總干重0-約30％的膨脹顆粒)產(chǎn)生大的膨脹。通過將膨脹顆粒不均勻地放置在外層中或放置在墊子的外側(cè)可獲得適時(shí)并明顯大的膨脹。
合適的有機(jī)粘合劑材料包括水性聚合物乳液、溶劑基聚合物溶液、聚合物或聚合物樹脂(100％固體)。水性聚合物乳液是膠乳狀的有機(jī)粘合劑聚合物和彈性體，如天然橡膠膠乳、丁苯膠乳、丁腈膠乳、乙烯-乙酸乙烯酯膠乳、丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯的聚合物和共聚物膠乳。聚合物和聚合物樹脂包括天然橡膠、丁苯橡膠和其它彈性聚合物樹脂。丙烯酸膠乳和聚乙酸乙烯酯有機(jī)粘合劑是適宜的。
所需的市售有機(jī)粘合劑的例子，包括購自Rohm & Haas，Philadelphia，PA的PHOPLEXHA-8(一種45.5重量％固體的水性丙烯酸乳液)和購自Air Products，Allentown，PA的ATRFLEX600BP(一種55％固體的水性聚乙酸乙烯酯乳液)。
適用的無機(jī)纖維包括，例如玻璃纖維、陶瓷纖維、非氧化物無機(jī)纖維(如石墨纖維或硼纖維)及它們的混合物。適用的陶瓷纖維包括硼硅鋁酸鹽纖維、硅鋁酸鹽纖維、氧化鋁纖維及它們的混合物。
較好的硼硅鋁酸鹽纖維的例子，包括購自美國3M公司的NEXTEL 312和NEXTEL 440。較好的硅鋁酸鹽纖維的例子，包括購自Unifrax Corp.，NiagaraFalls，NY的FIBERFRAX 7000M，購自Thermal Ceramics，Augusta，GA的CERAFIBER和購自日本Nippon Steel Chemical Company，Tokyo的SNSC Type 1260 D1。市售氧化鋁纖維的一個(gè)較好例子是SAFFILTM纖維，它是多晶氧化鋁纖維，購自ICIChemicals and Polymers，Widnes Chesire，UK。
其它合適無機(jī)纖維的例子包括石英纖維，它以例如ASTROQUARTZ的牌號(hào)購自J.P.Stevens.Inc.，Slater，NC；玻璃纖維如鋁硅酸鎂玻璃纖維，它以例如S2-GLASS的牌號(hào)購自O(shè)wens-Corning Fiberglass Corp.，Granville，OH；碳化硅纖維，它以例如NICALON的牌號(hào)購自Nippon Carbon，Tokyo，Japan或購自DowCorning，Midland，MI，以TYRANNO的牌號(hào)購自Textron Specialty Materials，Lowell，MA；氮化硅纖維，例如購自Toren Energy International Corp.，New York，NY的氮化硅纖維；細(xì)直徑金屬纖維，例如BEKISHIELDGR90/C2/4不銹鋼纖維，它購自Beckaert，Zweregan，Belgium；以RIBTEC的牌號(hào)購自Ribbon TechnologyCorp.，Gahanna，OH的微金屬纖維，以及它們的混合物。適用的市售碳(石墨)纖維(不膨脹)包括牌號(hào)為IM7購自Hercules Advanced Material Systems，Magna，UT的纖維。
本發(fā)明不可模制撓性膨脹層還可含有一種或多種填料。以干重計(jì)，填料在撓性膨脹層中的含量可高達(dá)約90％，較好約高達(dá)60％，最好高達(dá)40％。
合適的填料和不膨脹顆粒包括，例如玻璃顆粒，空心玻璃小球，惰性填料如碳酸鈣，增強(qiáng)和/或輕量填料如云母、珍珠巖、膨脹的蛭石、經(jīng)加工的膨脹蛭石片、分層的蛭石(delaminated vermiculite)，吸熱的填料如三水合鋁，六水合磷酸鎂、硼酸鋅和氫氧化鎂以及它們的混合物。
按層的干重計(jì)，本發(fā)明不可模制的撓性膨脹層還可含有高達(dá)約90％，較好含有高達(dá)約30％，最好含有高達(dá)約15％的無機(jī)粘合劑。適用的無機(jī)粘合劑例如有粘土物質(zhì)如膨潤土和膠體氧化硅以及它們的混合物。
按層的干重計(jì)，本發(fā)明不可模制的撓性膨脹層還含有高達(dá)約90％，較好含有高達(dá)約10％，最好含有高達(dá)約3％的有機(jī)纖維。適用的有機(jī)纖維包括芳族聚酰胺纖維如KEVLAR聚酰胺纖維、熱粘纖維如Hoeschst Celanese HC-106雙組分纖維、人造絲纖維、聚烯烴纖維以及它們的混合物。
其組成適合于用作本發(fā)明不可模制撓性膨脹層的膨脹片材料的其它合適例子，包括美國專利3,916,057(Hatch等人)、4,305,992(Langer等人)、4,385,135(Langer等人)、5,254,410(Langer等人)、4,865,818(Merry等人)、5,151,253(Merry等人)、5,190,522(Rogers等人)和5,523,059(Langer)所述的材料，這些專利在此引為參考。
本發(fā)明多層撓性片中還可包括至少一層不可模制的撓性非膨脹層。一般來說，所述不可模制的撓性非膨脹層可含有至少一種無機(jī)纖維、有機(jī)粘合劑、填料、有機(jī)纖維或者可含有它們的混合物。適用的非膨脹層中包括無機(jī)纖維和有機(jī)粘合劑以及有機(jī)粘合劑和有機(jī)纖維的混合物。
按干重計(jì)，合適的不可模制撓性非膨脹層包含約10-99.5％無機(jī)纖維、約0.5-20％有機(jī)粘合劑、高達(dá)90％的填料。按干重計(jì)，較好的撓性非膨脹層包含約20-99.5％無機(jī)纖維、約0.5-20％有機(jī)粘合劑、高達(dá)60％的填料。本發(fā)明不可模制撓性非膨脹層還可含有一種或多種有機(jī)纖維，無機(jī)粘合劑及它們的混合物。
適用于本發(fā)明不可模制撓性非膨脹層的無機(jī)纖維，包括上面所述的無機(jī)纖維，尤其是硅鋁酸鹽纖維，它以FIBERFRAX 7000M的牌號(hào)購自Unifrax Co.，Niagara Falls，NY，以CERAFIBER的牌號(hào)購自Thermal Ceramics，Augusta，GA；多晶氧化鋁纖維，它以SAFFILTM纖維的牌號(hào)購自ICI Chemicals and Polymers，Widnes Chesire，UK；其它無機(jī)纖維，如玻璃纖維，氧化鋯-氧化硅纖維、氧化鋁晶須、購自Schuller International Co.，Denver，Co的微纖維玻璃；高溫玻璃纖維如購自O(shè)wens-Corning的S-2 Glass HT，以及它們的混合物。
一般來說，含大量細(xì)粒的無機(jī)纖維的價(jià)格低于不含細(xì)粒的無機(jī)纖維。但是，如美國專利4,929,429(在此引為參考)所述，不含細(xì)粒的無機(jī)纖維一般能形成彈性更好的墊子，這種墊子在所有溫度下包括恢復(fù)至室溫狀態(tài)時(shí)，能保持吸持的力。所使用的無機(jī)纖維類型也會(huì)影響成本。一般來說，氧化鋁/氧化硅無機(jī)纖維(如約50％氧化鋁50％氧化硅的纖維)價(jià)格較低。
本發(fā)明的一個(gè)方面，包括不含細(xì)粒的無機(jī)纖維和含細(xì)粒的無機(jī)纖維的混合物。這種混合物較好用于非膨脹層和膨脹層中。如此使用這種混合物時(shí)，外層不含細(xì)粒的無機(jī)纖維與內(nèi)層不含細(xì)粒的無機(jī)纖維具有相同的類型，外層含細(xì)粒的無機(jī)纖維與內(nèi)層含細(xì)粒的無機(jī)纖維具有相同的類型。同樣，內(nèi)層和外層中不含細(xì)粒的無機(jī)纖維與含細(xì)粒的無機(jī)纖維的相對(duì)比例是相同的。相信這會(huì)在整個(gè)所述內(nèi)層和外層中形成更為一致的熱導(dǎo)性和比熱。
按干重百分?jǐn)?shù)計(jì)，所述混合物可含有至少約40％含細(xì)粒的無機(jī)纖維，最多約98％含細(xì)粒的無機(jī)纖維。在無機(jī)物含量中，細(xì)粒的含量可大于約10％，較好大于約25％，最好大于約50％，如50％纖維和50％細(xì)粒。無機(jī)纖維可以是氧化鋁/氧化硅纖維，如約50％氧化鋁50％氧化硅的纖維。
所述混合物可含有大于0％最多約50％的不含細(xì)粒的無機(jī)纖維，按層的干重百分?jǐn)?shù)計(jì)，本發(fā)明較好含有約0-30％不含細(xì)粒的無機(jī)纖維。本發(fā)明最好使用，按無機(jī)纖維含量的干重百分?jǐn)?shù)計(jì)，約25％不含細(xì)粒無機(jī)纖維，和75％含細(xì)粒無機(jī)纖維的混合物。本發(fā)明較好使用高氧化鋁纖維作為不含細(xì)粒的無機(jī)纖維(如約96％氧化鋁纖維)。也可使用較大量的不含細(xì)粒的無機(jī)纖維，但是本發(fā)明即使使用少量不含細(xì)粒的無機(jī)纖維也能獲得有利的結(jié)果。
用于本發(fā)明不可模制的撓性非膨脹層的有機(jī)粘合劑，包括前述的有機(jī)粘合劑，特別是天然橡膠膠乳、聚乙酸乙烯酯膠乳、丁苯膠乳、丁腈膠乳、丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯的聚合物和共聚物膠乳。
用于本發(fā)明不可模制的撓性非膨脹層的填料，包括上面所述的填料，尤其是膨脹的蛭石、分層的蛭石、空心玻璃小球、珍珠巖、和其它填料如三水合氧化鋁、六水合磷酸鎂，碳酸鈣及它們的混合物。以干重計(jì)，在撓性非膨脹層中填料的含量最多可達(dá)約90％，較好最多約60％，最好最多約40％。
用于本發(fā)明不可模制撓性非膨脹層的無機(jī)粘合劑，包括前面描述不可模制撓性膨脹層時(shí)所述的粘合劑，尤其是膨潤土和其它粘土。按層的干重計(jì)，在本發(fā)明不可模制撓性層中無機(jī)粘合劑的含量最多約90％，較好最多約30％，最好最多約15％。
用于本發(fā)明不可模制撓性非膨脹層的有機(jī)纖維，包括前面描述不可模制撓性膨脹層時(shí)所述的有機(jī)纖維。按層的干重計(jì)，在本發(fā)明不可模制撓性層中有機(jī)纖維的含量最多約90％，較好最多約10％，最好最多約3％。
可在本發(fā)明多層膨脹片的任何一層中加入其它添加劑或過程助劑，包括消泡劑、表面活性劑、分散劑、濕潤劑、有助于沉淀的鹽、殺真菌劑和殺菌劑。一般來說，在一層或多層中這些類型添加劑的含量小于約5％(干重)。
較好的是，本發(fā)明多層片是如下制得的制備至少兩種含所需物質(zhì)的稀的水性糊漿(固體含量最好不超過5重量％)，將第一糊漿沉積在滲透性基片(如造紙機(jī)的絲網(wǎng))上；用重力和/或真空使所述第一糊漿部分脫水，形成基層或“下”層；將第二糊漿沉積在部分脫水的下層上；使第二層即上層進(jìn)行部分脫水；隨后用例如壓輥壓實(shí)這兩層；接著用熱輥使片材完全干燥，形成最終的片材。應(yīng)該理解，本發(fā)明片材的任何一層均可作為片材的下層首先制得。但是，干燥后厚度最大的層(如非膨脹的內(nèi)層)最好先制得。
將一種糊漿沉積在一層已部分脫水的層上并隨后脫水的步驟，使兩種糊漿的組分部分摻混。這種摻混會(huì)將兩層持久并有效地粘結(jié)在一起，形成不能清晰區(qū)分這兩層的整片片材。實(shí)際上各層組分的摻混是肉眼觀察不到的，也可摻混至這樣一種程度，即在兩層之間形成肉眼可見的邊界層或梯度層。在這兩種情況下，這兩層相互持久地粘結(jié)在一起，形成這兩層均為整個(gè)片材一部分的單一片材。當(dāng)?shù)谝粚雍凉{在脫水時(shí)，將第二層糊漿沉積在第一層糊漿上，在兩層之間進(jìn)行大量的摻混。而將第二層糊漿沉積在先已部分脫水形成的層上，就形成兩層明顯不同但邊界清晰的層，肉眼觀察不到兩層之間的摻混。前種情況一般是在絲網(wǎng)成形裝置的傾斜網(wǎng)部上面以緊密先后順序沉積并真空脫水兩種糊漿時(shí)產(chǎn)生的。后種情況一般是在絲網(wǎng)成形裝置的傾斜網(wǎng)部上先沉積并真空脫水形成下層，然后在絲網(wǎng)成形裝置的平面或平坦部上面沉積并通過高真空(通過下層)脫水上層時(shí)發(fā)生的。上層應(yīng)以充分大的速度脫水，以免膨脹物或其它較高密度的填料沉淀出來。充分大的脫水速率將使各層具有均勻的組成，避免形成“摻混”層或“梯度”層。
一般來說，當(dāng)制備糊漿時(shí)，在沉積步驟前一刻將高密度材料如膨脹物質(zhì)和高密度填料(如果使用的話)以恒定的速率加入在較小體積混合容器中的糊漿中。隨即將含填料和膨脹物質(zhì)的糊漿充分?jǐn)嚢瑁乐乖谛纬蓪又斑@些顆粒在混合容器中沉淀。沉積在網(wǎng)上以后這種糊漿應(yīng)立即部分脫水，以防高密度顆粒沉淀出來。采用糊漿的真空脫水是可取的。
部分脫水后就形成了多層片，干燥該片材以形成最終產(chǎn)物。適用的干燥方法包括本領(lǐng)域已知的方法，即通過壓制或壓輥對(duì)部分脫水的多層片進(jìn)行濕壓，隨后使片材穿過熱輥，進(jìn)行強(qiáng)制熱空氣干燥。
本發(fā)明多層片可用一種長網(wǎng)造紙機(jī)制造，該造紙機(jī)具有傾斜的和平的網(wǎng)部，除了常規(guī)裝有的一個(gè)料箱外，還另有第二個(gè)料箱。本發(fā)明多層片還可由任何市售的用于制造多層片材的傾斜的絲網(wǎng)成形裝置制得，如購自Sandy Hill Corp.，Hudson Falls，NY的DOUMATTMDELTAFORMERTM。較適用的長網(wǎng)造紙機(jī)同時(shí)具有一個(gè)傾斜的網(wǎng)區(qū)和相鄰的一個(gè)平的即水平的網(wǎng)區(qū)，在這個(gè)水平網(wǎng)區(qū)上“第二”層的糊漿可從第二料箱沉積至下層上，隨后真空脫水。
另外，本發(fā)明多層片還可包括邊緣保護(hù)材料。合適的材料包括如美國專利5,008,086(Merry)(在此引為參考)所述纏繞在邊緣上的不銹鋼絲網(wǎng)和編織的或繩狀的陶瓷(即玻璃、結(jié)晶陶瓷或玻璃陶瓷)纖維編織物，或者美國專利4,156,522(Close等人)(在此引為參考)所述的金屬絲線材料。邊緣保護(hù)材料還可如EP 639 701 A1(Howorth等人)、EP 639 702 A1(Howoeth等人)、和EP 639 700A1(Stroom等人)(均在此引為參考)所述由含玻璃顆粒的組合物制得。
另一方面，本發(fā)明提供一種使用本發(fā)明多層片的污染控制裝置，如催化轉(zhuǎn)化器或柴油機(jī)顆粒過濾器。圖1表示與授予Merry等的美國專利4,865,818相似的一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器10，但是其中裝有本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的多層片。所述催化轉(zhuǎn)化器10含有通常涂覆在整塊結(jié)構(gòu)物20上的催化劑，所述整塊物20固定在轉(zhuǎn)化器10之中。盡管可使用金屬整塊物，但是整塊物20通常是陶瓷的。催化劑促使汽車尾氣中的一氧化碳和烴類進(jìn)行氧化，并還原汽車尾氣中的氮氧化物，控制大氣污染。
催化轉(zhuǎn)化器10包括金屬外殼11，外殼11中裝有整塊結(jié)構(gòu)物20。外殼11具有入口端和出口端12和13。
整塊結(jié)構(gòu)物20中通常具有非常薄的室壁以提供大的表面積，因此它強(qiáng)度小，容易破裂。整塊結(jié)構(gòu)物20的熱膨脹系數(shù)一般比其外面的金屬外殼11(通常是不銹鋼的)的熱膨脹系數(shù)小一個(gè)數(shù)量級(jí)。為了避免整塊物20由于熱沖擊和振動(dòng)導(dǎo)致的破裂，要補(bǔ)償這種熱膨脹的差異，并為了防止尾氣在整塊物20和金屬外殼11的間隙中穿過，就將本發(fā)明膨脹片的墊子30置于整塊結(jié)構(gòu)物20和金屬外殼11之間。片材30具有第一端31和第二端32。
外殼11(也稱為包裝罐或罩殼)可由本領(lǐng)域中已知用于這種用途的合適材料制成，通常由金屬制成，較好是用不銹鋼。
合適的催化轉(zhuǎn)化器元件20(也稱為整塊物)是本領(lǐng)域已知的，可以是由金屬或陶瓷制成的整塊物。整塊物或元件20用于承載轉(zhuǎn)化器10用的催化劑物質(zhì)。適用的催化轉(zhuǎn)化器元件公開在例如美國專利RE 27,747(Johnson)中，該專利在此引為參考。
陶瓷催化轉(zhuǎn)化器元件可例如由Corning Inc.，Corning，NY和NGK InsulatorLtd.，Nagoya，Japan購得。例如一種陶瓷的蜂窩狀催化劑承載體可以CELCOP的牌號(hào)從Corning Inc購得，以HONEYCERAM的牌號(hào)從NGK Insulator Ltd.購得。金屬催化轉(zhuǎn)化器元件可從Behr GmbH and Co.，Germany購得。
本發(fā)明整塊物20可是極薄室壁的陶瓷元件。在本文中術(shù)語“極薄室壁的”整塊物是室壁厚度小于6密爾(小于0.15mm)的整塊物。極薄室壁的整塊物20較好是壁厚為4密爾或更小(0.10mm或更小)的整塊物，如4/400、4/600、4/900、3/600、3/900或2/900整塊物。
催化整塊物的詳細(xì)描述可參見例如Umehara等人的“陶瓷基材的進(jìn)展通過高陶瓷表面積和低熱容量改進(jìn)催化性能”Paper No.971029，SAE TechnicalPaper Series，1997；Stroom等人的“用于汽車催化轉(zhuǎn)化器包裝設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方法”Paper No.900500，SAE Technical Paper Series，1990；Howitt的“作為整塊催化劑承載體的薄室壁陶瓷”Paper 800082，SAE Techniacl Paper Series，1980；和Howitt等人的“單塊蜂窩狀汽車催化轉(zhuǎn)化器中的流體效應(yīng)”Paper No.740244，SAE Technical Paper Series，1974。
涂覆在催化轉(zhuǎn)化器元件上的催化劑物質(zhì)包括本領(lǐng)域已知的一些催化劑，例如金屬如釕、鋨、銠、銥、鎳、鈀和鉑，以及金屬氧化物如五氧化釩和二氧化鈦。催化劑涂層的詳細(xì)描述可參見美國專利3,441,381(Keith等人)。
圖2表示與授予Fischer等人的美國專利5,174,969相似的柴油機(jī)顆粒過濾器40，但是其中裝有本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的多層片。柴油機(jī)顆粒過濾器即捕集器40是一種壁流過濾器，它包括內(nèi)有一束細(xì)管的蜂窩狀整塊結(jié)構(gòu)物42。催化劑通常涂覆在固定于柴油機(jī)顆粒過濾器40中的整塊結(jié)構(gòu)物42中。該催化劑能促使一氧化碳和烴類氧化，并還原柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的氮氧化物，控制大氣污染。
柴油機(jī)顆粒過濾器40包括金屬外殼44和裝于該外殼中的整塊結(jié)構(gòu)物42。外殼44具有入口端和出口端46和48。整塊結(jié)構(gòu)物42一般具有很薄的管壁以提供大的表面積，因此它強(qiáng)度較小，并容易破裂。整塊結(jié)構(gòu)物42的熱膨脹系數(shù)比其外面的金屬(通常是不銹鋼)外殼44的熱膨脹系數(shù)小一個(gè)數(shù)量級(jí)。為了避免整塊物42由于熱沖擊和振動(dòng)導(dǎo)致的破裂，要補(bǔ)償熱膨脹的差異，又為了防止尾氣在整塊物42和金屬外殼44的間隙中穿過，將本發(fā)明膨脹片的墊子50置于整塊結(jié)構(gòu)物42和金屬外殼44之間。
適用的整塊型柴油機(jī)顆粒過濾器元件42通常是壁流式過濾器，它由蜂窩狀多孔結(jié)晶陶瓷(如堇青石)材料組成。蜂窩狀結(jié)構(gòu)中的相隔的一些管通常是堵塞的，結(jié)果尾氣從一個(gè)管進(jìn)入，被強(qiáng)制透過該管的多孔壁而從另一個(gè)管穿出該結(jié)構(gòu)物。柴油機(jī)過濾器元件42的尺寸取決于具體的用途。適用的柴油機(jī)過濾器元件可購自例如Corning Inc.，Corning，NY和NGK Insulator Ltd.，Nagoya，Japan。適用的柴油機(jī)過濾器元件可參見Howitt等人的“陶瓷的蜂窩狀柴油機(jī)顆粒過濾器”Paper No.810114，SAE techmiacl paper Series，1981。
在使用時(shí)，對(duì)于催化轉(zhuǎn)化器10或柴油機(jī)顆粒過濾器40，以相同的方式將本發(fā)明多層片30、50置于整塊物20、42和外殼11、44之間。放置時(shí)可將本發(fā)明多層片30、50纏繞在整塊物20、42的周邊上，將經(jīng)纏繞的整塊物塞入外殼11、44之中，然后密封外殼11、44。膨脹多層片30、50將整塊物20、42固定在外殼11、44之中，并對(duì)整塊物20、42和外殼11、44之間的間隙起密封作用，防止尾氣繞過整塊物20、42。
多層片30、50在整塊物20、42和外殼11、44之間受到明顯壓縮作用。例如，多層片的厚度一般是周邊間隙厚度的100-400％。由于多層片30、50受到壓縮，就形成了初始固定壓力，該壓力較好為約20-500kPa。該壓力還使多層片的密度增至約0.3-0.6g/cc，較好約0.4-0.5g/cc，最好約0.45g/cc的固定密度。
作為墊子的多層片30、50中包括(a)至少一層不可模制的非膨脹或膨脹撓性層；和(b)不可模制的含膨脹材料的撓性膨脹層，所述這些層不用輔助的結(jié)合手段就形成單一的片材。
適合于作為催化轉(zhuǎn)化器10的多層片30的一個(gè)例子，包括含陶瓷纖維和有機(jī)粘合劑的不可模制撓性非膨脹層，和含未膨脹的蛭石、陶瓷纖維和有機(jī)粘合劑的不可模制撓性膨脹層。
適合于作為柴油機(jī)顆粒過濾器40的多層片50的一個(gè)例子，包括含陶瓷纖維、未膨脹的蛭石和有機(jī)粘合劑的第一不可模制撓性膨脹層，含陶瓷纖維、可膨脹的石墨和有機(jī)粘合劑的第二不可模制撓性膨脹層。
多層片在外殼和整塊物之間的放置方位取決于片材層的組成。例如，含膨脹材料(如可膨脹的石墨)的本發(fā)明片材的膨脹層較好是貼著柴油機(jī)整塊物放置。因?yàn)椴裼蜋C(jī)顆粒過濾器通常加熱到的溫度低于大約500℃，而可膨脹石墨在約210℃的溫度開始膨脹。
在污染控制裝置的使用過程中，固定墊應(yīng)在所有工作溫度下經(jīng)過許多次熱循環(huán)后仍能保持彈性。一方面，本發(fā)明多層片形成的最大固定壓力約小于500kPa，最小的固定壓力約大于15kPa。最小的固定壓力還最好約大于20kPa。另一方面，本發(fā)明多層片受沖蝕的速率很低，例如初始沖蝕速率約小于0.1g/小時(shí)，較好約小于0.05g/小時(shí)，最好約小于0.01g/小時(shí)或更小。
另一方面，本發(fā)明提供一種適用于作為擋火物的多層片，用來防止火焰通過建筑物墻壁、地板和天花板中的通道進(jìn)行擴(kuò)散。
適用于作為擋火物的多層膨脹片的一個(gè)例子，包括含未膨脹的蛭石、有機(jī)粘合劑和三水合氧化鋁的第一不可模制撓性膨脹層和含可膨脹的石墨、有機(jī)粘合劑和三水合鋁的第二不可模制撓性膨脹層，所述這兩層無需使用輔助結(jié)合手段就形成單一的片材。
用作擋火物的所述多層片材的一個(gè)例子包括含三水合氧化物的不可模制撓性層(參見美國專利4,600,634，在此引為參考)，和含膨脹材料的不可模制撓性膨脹層，所述這兩層無需使用輔助結(jié)合手段就形成單一的片材。
使用時(shí)，作為擋火物的本發(fā)明多層片，其放置的方位最好使含膨脹材料的層面向最可能受熱的那一面。
本發(fā)明還包括具有三層或多層的膨脹片，其中至少一層含有膨脹材料，并且相鄰的兩層較好具有不同的組成。
真實(shí)條件固定試驗(yàn)(RCFT)RCFT是一個(gè)模擬含整塊物(金屬或陶瓷)的催化轉(zhuǎn)化器或柴油機(jī)顆粒捕集器在常規(guī)運(yùn)行時(shí)的真實(shí)條件的試驗(yàn)，在此試驗(yàn)中測(cè)定在這些模擬的常規(guī)運(yùn)行條件下固定材料產(chǎn)生的壓力。
將兩塊50.8×50.8mm分別控制加熱的不銹鋼板各自加熱至不同的溫度，分別模擬金屬外殼和整塊物的溫度。此時(shí)，兩塊板之間的間距即間隙(其中裝有固定材料)尺寸增加，增加的值根據(jù)所述類型催化轉(zhuǎn)化器的溫度和熱膨脹系數(shù)計(jì)算得到。兩塊板的溫度和間隙列于下表1和2。用計(jì)算機(jī)控制的帶張力計(jì)(購自MTSSystems Corp.，Research Triangle Park，NC)的負(fù)荷架(load frame)測(cè)定固定材料所施加的壓力。
表1
上表1的條件是模擬一個(gè)具有409不銹鋼外殼的12.7cm直徑的陶瓷整塊物，它對(duì)含陶瓷整塊物的柴油機(jī)催化轉(zhuǎn)化器的條件是有代表性的。
表2
上表2的條件是模擬一個(gè)具有不銹鋼外殼的陶瓷整塊物，初始間隙為4mm，它對(duì)一個(gè)完整加熱和冷卻過程中汽車催化轉(zhuǎn)化器中的條件是有代表性的。例如，表2的條件模擬一個(gè)循環(huán)，它是例如汽車發(fā)動(dòng)行駛一定距離過程中發(fā)動(dòng)機(jī)充分受熱，隨后關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)使之完全冷卻至環(huán)境條件的循環(huán)。在機(jī)動(dòng)車的壽命期間，這種熱循環(huán)通常進(jìn)行千百次。
圖3和圖4是上表2真實(shí)條件固定試驗(yàn)的圖示。對(duì)真實(shí)催化轉(zhuǎn)化器中存在的熱條件如何的詳細(xì)了解，有助于理解與現(xiàn)有的固定墊相比本發(fā)明固定墊的改進(jìn)作用。
在任何具體時(shí)刻填充有固定材料的間隙大小與陶瓷整塊物的操作溫度之間的關(guān)系是一種復(fù)雜的非線性現(xiàn)象。如圖3所示，在整個(gè)熱循環(huán)中的間隙變化可分成三個(gè)基本部分。在起初低溫加熱過程中(即在發(fā)動(dòng)機(jī)初始運(yùn)轉(zhuǎn)階段，從溫度/時(shí)間點(diǎn)“a”至溫度/時(shí)間點(diǎn)“j”)，間隙具有不變部分60。在高溫加熱過程中(即由溫度/時(shí)間點(diǎn)“k”至溫度/時(shí)間點(diǎn)“u”，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的熱運(yùn)行條件)，間隙經(jīng)歷了高增大部分62。間隙高增大部分62于Tg溫度開始，該溫度是間隙尺寸開始顯著增大時(shí)整塊物的最低溫度。在冷卻過程中(即關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)使之冷卻后，由溫度/時(shí)間點(diǎn)“v”至環(huán)境溫度)，間隙經(jīng)歷了一個(gè)穩(wěn)定的減小部分64。發(fā)現(xiàn)如果發(fā)動(dòng)機(jī)未運(yùn)轉(zhuǎn)整個(gè)熱循環(huán)，或者發(fā)動(dòng)機(jī)完全冷卻前又開始運(yùn)轉(zhuǎn)，則各部分60、62、64將混合在一起。
間隙變化和陶瓷整塊物的溫度之間的關(guān)系可參見圖4作進(jìn)一步說明。選定的溫度/時(shí)間點(diǎn)時(shí)的整塊物表面溫度和外殼表面溫度是根據(jù)真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)加熱和冷卻催化轉(zhuǎn)化器的過程中進(jìn)行的測(cè)定得到的。在發(fā)動(dòng)機(jī)加熱/冷卻循環(huán)過程中在固定墊中各徑向位置的溫度與時(shí)間的關(guān)系是根據(jù)幾個(gè)假設(shè)模擬出來的。
整塊物20的壁的位置隨著溫度的上升按照其熱膨脹系數(shù)徑向地朝外移動(dòng)，這種移動(dòng)決定線68的斜率。由于整塊物20較低的熱膨脹系數(shù)，在25-900℃的加熱過程中，整塊物20壁的位置很少變化。外殼11內(nèi)壁的位置也隨溫度而徑向朝外移動(dòng)，但是由于其較大的熱膨脹系數(shù)而以較大的趨勢(shì)徑向朝外移動(dòng)。由于其較大的熱膨脹系數(shù)，在25-530℃的加熱過程中外殼內(nèi)壁11的徑向位置明顯發(fā)生變化。
由于整塊物20和固定墊30之間界面上的接觸熱阻，據(jù)信至少在加熱過程中存在一個(gè)溫度差72。同樣，由于在固定墊30和外殼11的內(nèi)壁之間也存在接觸熱阻，據(jù)信至少在加熱過程中也存在溫度差74。在穩(wěn)定狀態(tài)(溫度/時(shí)間點(diǎn)“u”)和冷卻過程(溫度/時(shí)間點(diǎn)“v”至“11”)也存在接觸熱阻，但是據(jù)信這時(shí)產(chǎn)生的溫度差小得多。接觸熱阻和形成的溫度差72、74的大小是未知的，它將隨體系的不同而異，取決于固定墊30的材料和陶瓷整塊物20及外殼11的材料之間的分子相互作用。與整塊物20至外殼11的總溫度差相比，可以認(rèn)為溫度差72、74是很小的。
為簡單起見，認(rèn)為固定墊內(nèi)的溫度分布為線性下降?？梢岳斫?，在大多數(shù)催化轉(zhuǎn)化器體系中熱傳遞的徑向特性將使各個(gè)溫度分布線為一曲線，但是由于墊子30的半徑遠(yuǎn)小于其厚度而使溫度分布曲線的曲率非常小。另外，熱傳遞是瞬態(tài)的，它也會(huì)影響墊子30內(nèi)溫度分布的曲率程度。圖4所示的溫度分布是基于固定墊30內(nèi)恒定的熱傳導(dǎo)系數(shù)值并且在墊子30中不存在任何界面的假設(shè)。盡管所述的假設(shè)會(huì)因墊子的具體情況而改變，但是圖4所示的溫度分布線已足以說明本發(fā)明。
當(dāng)陶瓷整塊物20開始加熱時(shí)，在固定墊30中形成了與時(shí)間有關(guān)的溫度梯度。在整塊物20由25℃(環(huán)境溫度)加熱至500℃時(shí)(即由時(shí)間點(diǎn)(time interval)“a”至?xí)r間點(diǎn)“j”，Tm＝475℃)，外殼11的溫度僅由25℃較小地增加至70℃(Th＝45℃)。大多數(shù)來自整塊物20的最初熱量并不直接遞傳輸至外殼11，而是被固定墊30吸收而升高其溫度，吸收的熱量與固定墊的比熱有關(guān)。另外，不是立即發(fā)生通過固定墊30的熱傳導(dǎo)，而是根據(jù)固定墊30的熱傳導(dǎo)系數(shù)需要一段時(shí)間。這些因素使熱量由整塊物20傳遞至外殼11有一個(gè)熱“延遲”。
金屬外殼11的熱膨脹系數(shù)是陶瓷整塊物20的熱膨脹系數(shù)的大約10倍。在溫度/時(shí)間點(diǎn)“a”至“j”的過程中，Tm和Th的差異被整塊物和外殼熱膨脹系數(shù)之間的差異抵銷，間隙基本保持不變。
在發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定的熱運(yùn)行條件時(shí)的高溫加熱過程中，所述熱“延遲”效應(yīng)減小乃至消失，結(jié)果使外殼11的溫度顯著升高。在將整塊物20由550℃升至900℃(即由時(shí)間點(diǎn)“k”至?xí)r間點(diǎn)“u”，Tm＝350℃)的過程中，外殼11溫度升高的輻度較大，即由85℃升至530℃(Th＝445℃)。此時(shí)金屬外殼11較高的熱膨脹系數(shù)結(jié)合其較大的溫度變化，所以間隙顯著增大。
在冷卻過程中，整塊物20已不產(chǎn)生熱量，溫度分布取決于催化轉(zhuǎn)化器中所儲(chǔ)存熱量散逸所需的時(shí)間。在固定墊30的內(nèi)壁和外壁同樣可見熱“延遲”效應(yīng)，固定墊30中的溫度分布具有頗為平緩的斜度。在將整塊物20由900℃冷卻至50℃(即由時(shí)間點(diǎn)“u”至?xí)r間點(diǎn)“11”，Tm＝850℃)的過程中，外殼11的溫度同步地由530℃降至50℃(Th＝480℃)。此時(shí)，金屬較高的熱膨脹系數(shù)結(jié)合其緩慢的溫度降低，所以間隙變小緩慢。
理想的固定墊具有的膨脹性能，應(yīng)能反映在陶瓷整塊物和外殼壁達(dá)到的各種溫度情況下間隙尺寸的變化。另外，固定墊具有的彈性性能，不管受到的熱循環(huán)和壓縮循環(huán)如何，應(yīng)能保持恒定。墊子的加熱和熱循環(huán)不應(yīng)使其變脆或降低其抗沖蝕性。要求制得的固定墊是價(jià)廉的，同時(shí)在間隙尺寸變化的所有情況下，墊子仍保持基本恒定的固定力。本發(fā)明使膨脹材料的熱膨脹性能很好地適應(yīng)間隙的變化。
厚度測(cè)量如下測(cè)定撓性不可模制多層片的厚度將一個(gè)2-1/2英寸(6.35cm)直徑的靜負(fù)荷置于片材上對(duì)片材施加0.7psi(4.8kPa)的壓力，然后測(cè)量片材的壓縮厚度。在本文中，用這種方法測(cè)定片材或?qū)拥摹昂穸取?，盡管片材置于陶瓷整塊物20和金屬外殼11的周壁之間時(shí)承受更大的壓力?？稍趬|子30、50四周的任何位置比較外層的厚度和內(nèi)層的厚度。
在會(huì)導(dǎo)致未膨脹的蛭石或其它膨脹材料膨脹的第一次及隨后的加熱循環(huán)以前進(jìn)行厚度的測(cè)定。以后將進(jìn)一步說明，根據(jù)墊子30、50以前所受的壓縮和加熱情況，壓縮力(以及因此墊子30、50的未壓縮厚度)會(huì)發(fā)生變化。
冷沖蝕試驗(yàn)本試驗(yàn)是在比催化轉(zhuǎn)化器的實(shí)際條件更嚴(yán)酷的條件下進(jìn)行的加速試驗(yàn)，為的是提供墊子固定材料抗沖蝕性的比較數(shù)據(jù)。
將試樣切割成2.54×2.54cm的正方形，稱重，使用隔離片將其固定在兩塊高溫Inconel 601鋼板之間，獲得0.700±0.005g/cm3的固定密度。隨后將該試驗(yàn)組件在800℃加熱2小時(shí)，然后冷卻至室溫。接著將已冷卻的試驗(yàn)組件放置在一空氣噴管前3.8mm的位置，該空氣噴管以20周/分鐘的速率沿著墊子的邊緣作往返運(yùn)動(dòng)。在材料損耗0.2g或經(jīng)過24小時(shí)后(以先達(dá)到者為準(zhǔn))，停止試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，空氣流以305m/s的速率沖擊著墊子。將重量損耗除以試驗(yàn)時(shí)間得到以g/小時(shí)(g/hr)為單位的沖蝕速率。
實(shí)施例下列實(shí)施例均是在具有傾斜的網(wǎng)部及相鄰的平的網(wǎng)部的長網(wǎng)造紙機(jī)上進(jìn)行的。傾斜的網(wǎng)部以與水平成23°的夾角傾斜。第一料箱裝在傾斜的網(wǎng)部上。第二料箱裝在第一料箱的糊漿槽中的傾斜的網(wǎng)部上，或者裝在平的網(wǎng)部上。這兩個(gè)料箱都提供有糊漿槽區(qū)，糊漿流到移動(dòng)的網(wǎng)上的流量可以控制。將真空源或真空箱放置在料箱下面并稍微處于各個(gè)料箱的前面，以便當(dāng)糊漿沉積在網(wǎng)上時(shí)使之脫水。當(dāng)糊漿沉積在網(wǎng)上時(shí)，為防止密度較大的填料和膨脹顆粒發(fā)生沉淀，將真空箱接近料箱放置，以便使糊漿的脫水與糊漿在絲網(wǎng)上的沉積同時(shí)發(fā)生。所述長網(wǎng)造紙機(jī)通過傳送帶與一常規(guī)濕壓輥、一系列常規(guī)蒸氣加熱的干燥輥并最后與一纏繞輥相連。使用常規(guī)泵將糊漿泵送至各個(gè)料箱，使用流量控制器控制泵送的速率。
實(shí)施例1-5在一個(gè)Mordon Slush-Maker中將100磅(45.4kg)陶瓷纖維(FIBERFRAXTM7000M，購自Unifrax Co.，Niagara Falls，NY)在960加侖(3,634升)水中造漿(slush)一分鐘。隨后將纖維漿轉(zhuǎn)移至2000加侖(7,520升)的漿池中，加入140加侖(526升)水進(jìn)行稀釋。邊攪拌邊加入39磅(17.7kg)45.5％固體膠乳(RHOPLEXHA-8，購自ROHM & HAAS，Philadelphia，PA)。隨后加入11磅(5.0kg)硫酸鋁(50％固體)以凝結(jié)所述膠乳。下面將該膠乳-纖維糊漿給以標(biāo)號(hào)A。
如下制得第二糊漿將100磅(45.4kg)陶瓷纖維(EIBERFRAXTM7000M)在960加侖(3,634升)水中制漿并混合1分鐘。向該纖維漿中加入43磅(19.5kg)膨脹的蛭石(ZONOLITE#5，購自W.R.Grace Co.，Cambridge，MA)并混合至分散為止。將該纖維-膨脹蛭石的糊漿泵入1500加侖(5,678升)漿池中并加入140加侖(526升)水進(jìn)行稀釋。邊攪拌邊加入39磅(17.7kg)膠乳(RHOPLEXHA-8，45.5％固體)，隨后加入11磅(5.0kg)明礬(50％固體)以凝結(jié)該膠乳。下面將該糊漿給以標(biāo)號(hào)B。
將A糊漿和B糊漿分別量入50加侖(189升)的混合容器中，向所述容器中加入粒徑為20-50目的未膨脹蛭石(下面稱之為“V”)和可膨脹的石墨(GRAFOILGrade 338-50可膨脹石墨片，購自UCAR Carbon Co.，Inc.，Cleveland，OH，下面稱之為“G”)，并以足夠的速率加入A和/或B糊漿中混合之，保持基本均勻的濃度。使用在足夠速度下旋轉(zhuǎn)的三葉片攪拌器連續(xù)攪拌含膨脹材料的糊漿，使膨脹材料懸浮在糊漿中。以不同的流量計(jì)量加入糊漿和顆粒到上層或下層的料箱中，使將制成的多層片具有所需的干重組成和厚度。使用水平旋轉(zhuǎn)的混合輥連續(xù)地?cái)嚢柩b在下層料箱中的糊漿。如上所述兩個(gè)料箱均裝在網(wǎng)的傾斜部上。將網(wǎng)的速度保持在約2英尺/分鐘(0.61米/分鐘)，以約5加侖/分鐘(18.9升/分鐘)的流量將A和B糊漿泵入各個(gè)料箱中，以便獲得所需層的單位重量和厚度。向糊漿施加足夠的真空度獲得成形并脫水的層。隨后將脫水的多層片通過壓輥濕壓、干燥輥干燥，接著纏繞在纏繞架上形成連續(xù)的卷材。實(shí)施例1-5片材的總厚、片材和層的單位重量以及V和G在各層中的干重百分?jǐn)?shù)列于下面的表3。
實(shí)施例6在一個(gè)Mordon Slush-Maker中將75磅(34.1kg)陶瓷纖維(FIBERFRAXTM7000M)在400加侖(1514升)水中造漿90秒。隨后轉(zhuǎn)移至2000加侖(7,520升)的漿池中。再將另75磅(34.1kg)陶瓷纖維(FIBERFRAXTM7000M)如上所述造漿，轉(zhuǎn)移至該2000加侖(7570升)漿池中，用250加侖(946升)清水稀釋該合并的漿料。邊攪拌邊向漿池中加入22磅(10kg)膠乳(AIRFLEXTM600BP，55％固體)、3.3磅(1.5kg)液態(tài)鋁酸鈉(NALCOTM2372，購自Nalco Chemical，Naperville，IL)和3.1盎司(0.09升)消泡劑(FOAMASTERTMIII，購自Henkel Co.，Edison，NJ)。2-3分鐘后，測(cè)得混合物的pH為5.6。接著，用等體積的水稀釋23磅(10.4kg)硫酸鋁(50％固體)溶液，隨后邊攪拌邊將其加入漿池中形成糊漿。下面將該糊漿給以標(biāo)號(hào)C。
隨后將200加侖(757升)C糊漿泵入1500加侖(5678升)漿池中并加入200加侖(757升)水進(jìn)行稀釋。從此漿池中抽取5加侖(189升)糊漿。下面將得到的這個(gè)糊漿給以標(biāo)號(hào)D。邊攪拌邊向D糊漿中加入50磅(22.7kg)可膨脹的石墨(G)(GRAFOILTMGrade 338-50可膨脹石墨片)。此時(shí)向裝在2000加侖(7570升)漿池中余下的C糊漿中加入3.4盎司(0.1升)紅色顏料(GRAPHTOLTM紅色顏料分散液，購自Sandoz Colors and Chemicals East Hanover，NJ)。除了從漿池底部出口經(jīng)一2英寸(5.1cm)的軟管對(duì)糊漿進(jìn)行循環(huán)以外，還在兩個(gè)漿池中保持連續(xù)的攪拌，攪拌速率應(yīng)足以使糊漿中的固體保持懸浮。
接著將C糊漿以足以保持所需的底層單位重量的流量計(jì)量輸送至50加侖(189升)容量的混合容器中。向該混合容器中加入未膨脹的蛭石(V)，加入的流量應(yīng)足以使蛭石在片材底層中具有所需的比例。這些比例是如下獲得的先測(cè)得不含蛭石形成的層的單位重量，隨后在向混合容器中加入未膨脹的蛭石前調(diào)節(jié)流入該混合容器的C糊漿的流量，接著調(diào)節(jié)未膨脹的蛭石的加入速率，獲得所需的最終底層的單位重量。
通過重力作用將“C”+V糊漿從混合容器中加入裝在上述長網(wǎng)造紙機(jī)傾斜網(wǎng)部上的第一料箱中，以26.4英寸(67.1cm)/分鐘的絲網(wǎng)速率形成12英寸(30.5cm)寬的層。將“D”+G糊漿輸送至裝在長網(wǎng)造紙機(jī)平網(wǎng)部上的第二料箱。在“D”+G糊漿輸送到的位置透過底層保持足夠的真空，使糊漿部分脫水，形成約含70重量％可膨脹石墨的不可模制撓性層。實(shí)施例6描述于下表3中。
表3
1.V＝未膨脹的蛭石；G＝可膨脹的石墨；(％)＝按層干重計(jì)的百分?jǐn)?shù)。
2.兩層的總單位重量列于括號(hào)中。
3.兩層的總厚度列于括號(hào)中。
所有上述多層片均是撓性和彈性的，并且片中的兩層粘結(jié)在一起，在該兩層的界面上不能清晰地區(qū)分該兩層。各個(gè)實(shí)施例的多層片均能在操作時(shí)不會(huì)斷裂或開裂。上述實(shí)施例還證實(shí)，這種撓性和彈性多層片可使用連續(xù)方法制得，與使用粘合劑或其它輔助結(jié)合手段將多層片結(jié)合在一起的方法相比，本方法成本更低，效率更高。
實(shí)施例7用上述的真實(shí)條件固定試驗(yàn)(RCFT)試驗(yàn)并比較上述實(shí)施例6試樣和下面比較例1試樣的固定壓力。在RCFT中使用的溫度對(duì)于在柴油機(jī)催化轉(zhuǎn)化器中測(cè)得的溫度是有代表性的。比較例1(C1)是一塊4070g/m2(名義)的單層，含未膨脹蛭石的低溫膨脹陶瓷纖維片，它以INTERAM的牌號(hào)購自美國3M公司。實(shí)施例6試樣和C1試樣的初始固定密度分別為0.9和1.0g/cm3。
實(shí)施例6試樣和C1試樣的RCFT結(jié)果列于下表4。試驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明多層片在所示溫度范圍內(nèi)比比較例1片材能提供更高的壓力即固定力。
表4
實(shí)施例8如上面實(shí)施例1-5所述，制得在頂層含未膨脹蛭石和可膨脹石墨并在底層含未膨脹蛭石的多層片。實(shí)施例8描述在下表5中。
表5
1.V＝未膨脹的蛭石；G＝可膨脹的石墨；(％)＝按層干重計(jì)的百分?jǐn)?shù)。
2.兩層的總單位重量列于括號(hào)中。
3.兩層的總厚度列于括號(hào)中。
實(shí)施例8的多層膨脹片是撓性的，并能在操作時(shí)不會(huì)斷裂或開裂。實(shí)施例8的多層片在兩層的界面上也無法清晰地區(qū)分。
實(shí)施例9按RCFT使用上述用于汽車催化轉(zhuǎn)化器的溫度升降情況，試驗(yàn)并比較上述實(shí)施例8試樣和下面比較例2試樣的固定力。比較例2(C2)是一塊3100g/m2(名義)單層，含未膨脹經(jīng)處理的蛭石的膨脹陶瓷纖維片，它以INTERAM 100型的牌號(hào)購自美國3M公司。實(shí)施例8試樣和C2試樣的初始固定密度為1.0g/cm3。
實(shí)施例8試樣和C2試樣的RCFT結(jié)果列于下表6。試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)施例8的多層膨脹片在所示溫度范圍內(nèi)比比較例2片材能提供更高的固定壓力或固定力，并在低溫下(25-400℃)提供更低的壓力降。
表6
固定壓力具有一個(gè)第一循環(huán)最小值(在溫度/時(shí)間點(diǎn)“f”)，它可用由初始固定壓力減小的百分?jǐn)?shù)進(jìn)行數(shù)字表征(183-65)/183＝64％固定壓力具有一個(gè)由溫度/時(shí)間點(diǎn)“f”至溫度時(shí)間點(diǎn)“r”的顯著增加，這與未膨脹的蛭石材料加熱至高于其約300-340℃的膨脹溫度Tint有關(guān)。固定壓力具有一個(gè)第一循環(huán)最大值(在溫度/時(shí)間點(diǎn)“r”)，它可用由初始固定壓力增加的百分?jǐn)?shù)進(jìn)行數(shù)字表征(1022-183)/183＝458％該第一循環(huán)最大值表示在第一循環(huán)過程中在溫度/時(shí)間點(diǎn)“r”膨脹材料基本上已完全膨脹，此時(shí)外殼溫度為430℃。固定壓力降至(即具有第一循環(huán)損失)循環(huán)后環(huán)境條件下的固定壓力。第一循環(huán)損失約為41％。所述第一循環(huán)損失是由于墊材料經(jīng)歷過的高壓縮/加熱過程的滯后效應(yīng)造成的。
比較例2的其它RCFT結(jié)果也列于圖5。該RCFT是在另一種不同的INTERAM 100型墊子(購自美國3M公司)上進(jìn)行的，由于固定密度稍有不同，其初始固定壓力比表6所列的值高一些(即約300kPa而非183kPa)。第一循環(huán)最小值76約為60％，第一循環(huán)最大值78約為305％，第一循環(huán)的損失可數(shù)字地表征為初始固定力的下降百分?jǐn)?shù)(300-146)/300＝51％圖5還列出了比較例2固定墊隨后的一些熱/壓縮循環(huán)。隨后循環(huán)的固定壓力最小值82可數(shù)字地表征為初始固定力的下降百分?jǐn)?shù)(300-90)/300＝70％還可用隨后循環(huán)的最小值82求出第二循環(huán)的損失，它可數(shù)字表征為循環(huán)后在環(huán)境條件下固定壓力80的下降百分?jǐn)?shù)(145-90)/145＝38％理想的固定墊應(yīng)使第一循環(huán)最小值，第一循環(huán)最大值，第一循環(huán)損失，隨后循環(huán)最小值和第二循環(huán)損失盡可能接近0％(即盡可能接近恒定的固定壓力)。
實(shí)施例10-16在一個(gè)Mordon Slush-Maker中將15磅(6.3kg)50％氧化硅、50％氧化鋁散料(bulk)(約含50％纖維、50％細(xì)粒，牌號(hào)為KAOWOOLHA Bulk，購自ThermalCeramics，Augusta，GA)和4.2磅(1.9kg)基本不含細(xì)粒的96％氧化鋁纖維(SAFFILLDM，購自ICI Chemicals and Polymers，Widnes Chesire，UK)在400加侖水(1514升)中制漿65秒。將此纖維漿轉(zhuǎn)移至1500加侖(5679升)漿池中，然后加入300加侖(1136升)清水進(jìn)行稀釋。邊攪拌邊加入6磅(2.7kg)丙烯酸乙酯乙酸乙烯酯(acrylic ethyl vinyl acetate)的膠乳粘合劑(55％固體，AIRFLEX600BP，購自Air Products，Allentown，PA)。隨后加入6磅(2.7kg)稱為造紙明礬的硫酸鋁水溶液(50％固體)以凝結(jié)該膠乳。還加入2/3盎司(20ml)消泡劑(FOAMASTERIII，購自Henkel Corp.，Edison NJ)和7磅(3.2kg)0.1％液體聚丙烯酰胺絮凝劑(NALCO7530，購自Nalco Chemical Co.of Naperville，IL)。下面將該膠乳-纖維糊漿給以標(biāo)號(hào)E。
將E糊漿分成兩份，第一份約占糊漿的80％，第二份約占糊漿的20％。稱出適量篩目粒徑為18-50目的未膨脹蛭石(購自Cometals，Inc.)，以能保持基本恒定濃度的速率將其混入第二份E糊漿中。持續(xù)攪拌含有此可膨脹顆粒的E糊漿使顆粒懸浮在糊漿中。
將第一份E糊漿導(dǎo)入底層料箱中，將含可膨脹顆粒的第二份E糊漿份導(dǎo)入頂層料箱中，用以制備具有所需干重組成的多層片材。絲網(wǎng)的速度保持在約1.7英尺/分鐘(0.52m/min)，以總流量約16加侖/分鐘(61升/分鐘)將這兩份糊漿泵入各個(gè)料箱以便獲得所需的層干重和厚度。向糊漿施加足夠的真空度獲得成形和脫水的兩層。隨后使脫水的多層片材在濕狀態(tài)下通過壓輥，使用干燥輥干燥，接著在纏卷架上纏卷成卷。實(shí)施例10-14的可膨脹顆粒在各層和片材中的干重百分?jǐn)?shù)，各層和總片材的厚度以及各層和總片材的單位重量列于下表7中。
表7
實(shí)施例10-14的RCFT結(jié)果列于圖6-10。對(duì)于各個(gè)試樣，RCFT均進(jìn)行多次熱/壓縮循環(huán)。隨后循環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果與各個(gè)第一次循環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果顯著不同。盡管間隙變化基本相同，與前面的熱/壓縮循環(huán)無關(guān)，但是墊子產(chǎn)生的壓力明顯發(fā)生變化。也就是說，各個(gè)墊子以前的熱和壓縮經(jīng)歷明顯影響在隨后加熱循環(huán)中的固定壓力。
可以認(rèn)為，有幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的作用會(huì)使墊子以前的熱和壓縮經(jīng)歷導(dǎo)致固定壓力明顯變化。對(duì)于未膨脹的蛭石和已膨脹的蛭石，其膨脹量明顯不同。盡管未膨脹的蛭石在第一次達(dá)到其膨脹溫度Tint時(shí)會(huì)明顯膨脹，但是在隨后的熱循環(huán)中其膨脹性能明顯下降。高壓縮力會(huì)明顯影響墊子中的纖維基質(zhì)。墊子中的高壓縮力，尤其在與高溫相結(jié)合時(shí)，會(huì)導(dǎo)致纖維的顯微損傷、收縮和/或壓縮硬化，使得纖維基質(zhì)彈性下降，因此在經(jīng)受高的固定壓力/溫度后其固定壓力下降。壓縮和高溫循環(huán)在纖維基質(zhì)上的作用還會(huì)改變墊子的防沖蝕性能和墊子的熱導(dǎo)性。
實(shí)施例10-14各個(gè)試樣的第一循環(huán)最小值、第一循環(huán)最大值、第一循環(huán)損失、隨后循環(huán)最小值和第二循環(huán)損失列于下表8中。
表8
理想的固定墊能將第一循環(huán)最小值，第一循環(huán)最大值，第一循環(huán)損失，隨后循環(huán)的最小值和第二循環(huán)損失盡可能降至0％(即恒定的固定壓力)。與也含有膨脹材料的比較例2相反，本發(fā)明將第一循環(huán)最大值降至約小于100％，較好降至約小于50％，最好降至約小于10％。與含有相同纖維混合物但無膨脹層的實(shí)施例10相反，本發(fā)明將第一循環(huán)最小值降至小于約90％，最好降至小于約75％。與實(shí)施例10相反，本發(fā)明將隨后循環(huán)最小值降至約小于95％，較好降至約90％或更小，最好降至約75％或更小。同樣與實(shí)施例10相反，本發(fā)明將第二循環(huán)損失降至約小于95％，較好降至約小于85％，最好降至約45％或更小。這些優(yōu)良結(jié)果所用的小材料成本很小，它僅包含少量膨脹材料和少量無細(xì)粒高氧化鋁纖維。
本發(fā)明優(yōu)良的結(jié)果還可參見圖11進(jìn)一步進(jìn)行說明。圖11是在圖4的溫度徑向分布對(duì)于溫度/時(shí)間點(diǎn)圖上疊加上實(shí)施例13多層片的“膨脹區(qū)”84?！芭蛎泤^(qū)”84由墊子30中膨脹材料的膨脹溫度和膨脹材料所占的徑向位置范圍所限定。實(shí)施例13的膨脹材料是未膨脹的蛭石，萁膨脹溫度Tint約300-340℃。不同膨脹材料具有不同的膨脹溫度，其膨脹的溫度范圍也寬窄不同。實(shí)施例13的膨脹材料僅位于墊子30厚度的外側(cè)約15-40％位置(墊子30被壓縮在整塊物20和外殼11之間以后)。
可以認(rèn)為通過本發(fā)明墊子的熱量傳遞是相當(dāng)連續(xù)的。也就是說，由于墊子的兩層是沉積形成的，可能還由于在整個(gè)墊子中具有相同的無機(jī)纖維混合物，因此熱量在兩層墊子之間傳遞時(shí)不會(huì)形成接觸熱阻(即溫度不連續(xù)的點(diǎn))。因此，墊子中溫度是線性分布的假定是相當(dāng)正確的。
在溫度/時(shí)間點(diǎn)“j”以后的大約溫度/時(shí)間點(diǎn)“l(fā)”處，溫度分布線第一次與膨脹區(qū)84相交。這與間隙開始急劇增大的曲線部分62相一致。當(dāng)溫度分布線移入膨脹區(qū)(即大約達(dá)到溫度/時(shí)間點(diǎn)“q”)，膨脹材料膨脹。在RCFT曲線(圖9)的這一重要階段，膨脹材料的膨脹使固定壓力顯著增加，也恰在此時(shí)間隙增大很多。
由于使用的膨脹材料少并且該材料處于墊子的適當(dāng)位置中，因此墊子產(chǎn)生的膨脹有限，使第一循環(huán)最大值78相當(dāng)?shù)?。因高溫下高壓縮力造成的彈性下降也很小。因此，纖維基質(zhì)在隨后循環(huán)中能保持很大的彈性和固定壓力。
為充分發(fā)揮本發(fā)明的利益，外層厚度to和內(nèi)層厚度ti的比例應(yīng)使得溫度分布線在間隙與高增加部分62相交前與膨脹區(qū)84不相交。要使間隙在500℃(比環(huán)境高475℃)的整塊物溫度時(shí)開始其高速增加部分，這個(gè)條件可數(shù)學(xué)地表示為to≤(to+ti)(Tint-25℃)/475℃注意到熱傳遞的瞬時(shí)性、體系的徑向特征以及兩層之間熱導(dǎo)性可能有的差異均會(huì)影響固定墊中溫度分布的線性程度，膨脹區(qū)84的邊緣可在大約10-20％之間變化而仍能保留本發(fā)明的效果。如果間隙尺寸或熱導(dǎo)性明顯改變，則開始產(chǎn)生間隙高速增加部分62的整塊物溫度Tg也可與500℃不同。也就是說0.8(to+ti)(Tint-25℃)/(Tg-25℃)≤to≤1.2(to+ti)(Tint-25℃)/(Tg-25℃)圖12表示在一與實(shí)施例10相似的單層非膨脹墊上進(jìn)行的各循環(huán)RCFT結(jié)果，但是該墊子不含無細(xì)粒的高氧化鋁無機(jī)纖維。所有的無機(jī)纖維材料均是50％氧化鋁50％氧化硅散料(含約50％纖維和約50％細(xì)粒)。與圖6-10所示的實(shí)施例10-14相比較可見，這種墊子得到的結(jié)果較差，它的第一循環(huán)的最小值為100％，第一循環(huán)的損失為68％，隨后循環(huán)的最小值為100％，第二循環(huán)的損失為100％。而將無細(xì)粒的無機(jī)纖維和含細(xì)粒的無機(jī)纖維結(jié)合在一起的實(shí)施例10-14，其結(jié)果好得多。
對(duì)實(shí)施例10、11和另兩個(gè)實(shí)施例15和16的多層片進(jìn)行了冷沖蝕試驗(yàn)。該冷沖蝕試驗(yàn)的參數(shù)和結(jié)果列于下表9。
表9
由這些數(shù)據(jù)可見，本發(fā)明多層片的沖蝕速率很小，如小于約0.1g/hr，較好的小于約0.01g/hr或更小，最好的小于約0.001g/hr或更小，只要在外層中的蛭石顆粒的含量不太高即可。隨著固定密度的不同，沖蝕速率有很大的不同，對(duì)于高蛭石含量的墊子或具有高蛭石含量層的墊子，可使用較高的固定密度。
等同物本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可在不偏離本發(fā)明精神和范圍的條件下對(duì)本發(fā)明的制品和方法進(jìn)行各種改進(jìn)和變化。例如，本發(fā)明所述的各層的厚度在整個(gè)層中基本保持恒定。但可以理解，也可制得本發(fā)明范圍內(nèi)的墊子，其表面范圍上的結(jié)構(gòu)是不均一的，例如其邊緣比墊子中央更厚或具有不同的熱性能。應(yīng)理解本發(fā)明不受說明性實(shí)例和實(shí)施例的限制，這些實(shí)施例和實(shí)例僅用于說明，本發(fā)明的范圍僅受所附權(quán)利要求書的限定。
權(quán)利要求
1.一種污染控制裝置，它包括一個(gè)具有周壁的外殼；一個(gè)放置在所述外殼內(nèi)的污染控制整塊物，并且在污染控制整塊物和所述周壁之間形成環(huán)繞的間隙；一個(gè)放置在污染控制整塊物和所述周壁之間環(huán)繞間隙內(nèi)的固定墊，用于固定所述污染控制整塊物，所述污染控制裝置的特征在于所述固定墊支承污染控制整塊物，降低其所受的機(jī)械振動(dòng)和熱沖擊，該固定墊包括一層貼著污染控制整塊物的非膨脹材料的內(nèi)層，按干重百分?jǐn)?shù)計(jì)該內(nèi)層包含大于0至50％無細(xì)粒的無機(jī)纖維，40-98％含細(xì)粒的無機(jī)纖維，以及粘合劑；貼著外殼周壁的外層，按干重百分?jǐn)?shù)計(jì)該外層包含20-65％膨脹顆粒，以及粘合劑；該固定墊壓縮在外殼周壁和污染控制整塊物之間，對(duì)污染控制整塊物施加一固定壓力。
2.如權(quán)利要求1所述的污染控制裝置，它用作催化轉(zhuǎn)化器，其中內(nèi)層的厚度為ti，膨脹顆粒的初始膨脹溫度為Tint，外層的厚度為to，其符合關(guān)系式to≤(to+ti)(Tint-25℃)/475℃。
3.如權(quán)利要求1所述的污染控制裝置，其特征在于內(nèi)層的厚度為ti，膨脹顆粒的初始膨脹溫度為Tint，污染控制裝置中使間隙顯著增加的整塊物溫度為Tg，外層的厚度為to，它們符合關(guān)系式0.8(to+ti)(Tint-25℃)/(Tg-25℃)≤to≤1.2(to+ti)(Tint-25℃)/(Tg-25℃)。
4.如權(quán)利要求1所述的污染控制裝置，其特征在于固定墊至少有一個(gè)第一循環(huán)最大值約小于100％，第二循環(huán)最小值約小于90％，最大固定壓力約小于500kPa，最小固定壓力約大于15kPa。
5.一種污染控制裝置，它包括一個(gè)具有周壁的外殼；一個(gè)放置在所述外殼內(nèi)的污染控制整塊物，并且在污染控制整塊物和所述周壁之間形成環(huán)繞的間隙；和一個(gè)壓縮在污染控制整塊物和所述周壁之間環(huán)繞間隙內(nèi)的固定墊，用于固定污染控制整塊物，所述污染控制裝置的特征在于所述固定墊支承所述污染控制整塊物，降低后者所受的機(jī)械振動(dòng)和熱沖擊，按干重百分?jǐn)?shù)計(jì)，所述固定墊包含大于0至小于約30％膨脹顆粒；40-98％含細(xì)粒的無機(jī)纖維；和粘合劑；其中非均勻地包含在固定墊中的膨脹顆粒距污染控制整塊物較遠(yuǎn)，距所述外殼周壁較近。
6.一種污染控制裝置，它包括一個(gè)外殼；置于所述外殼中的整塊結(jié)構(gòu)物；置于所述外殼和所述整塊結(jié)構(gòu)物之間的撓性多層膨脹片，所述污染控制裝置的特征在于該膨脹片包括(A)含第一膨脹材料的第一不可模制的撓性膨脹層，所述膨脹材料包括未膨脹的蛭石礦石、經(jīng)處理的未膨脹蛭石礦石、部分脫水的蛭石礦石、可膨脹的石墨和可膨脹的硅酸鈉中至少兩種的混合物；(B)含第二膨脹材料的第二不可模制撓性膨脹層，所述膨脹材料是未膨脹的蛭石礦石、經(jīng)處理的未膨脹蛭石礦石、部分脫水的蛭石礦石、可膨脹的石墨或可膨脹的硅酸鈉；所述第一膨脹材料和第二膨脹材料具有不同的組成。
7.如權(quán)利要求6所述的污染控制裝置，其特征在于所述第一不可模制撓性膨脹層的至少兩種膨脹材料是未膨脹的蛭石礦石和可膨脹的石墨，在第二不可模制膨脹層中的膨脹材料是未膨脹的蛭石礦石、經(jīng)處理的未膨脹蛭石礦石或它們的混合物。
8.如權(quán)利要求7所述的污染控制裝置，其特征在于所述第一不可模制撓性膨脹層含20-90％所述膨脹混合物，其中按所述第一層中膨脹混合物的重量計(jì)，所述膨脹混合物含5-95干重％未膨脹的蛭石礦石和95-5干重％可膨脹的石墨；在所述第二膨脹層中的膨脹材料占10-65干重％。
全文摘要
公開了一種污染控制裝置，它包括具有周壁的外殼；置于外殼內(nèi)的污染控制整塊物，在污染控制整塊物和周壁之間形成環(huán)繞的間隙；置于污染控制整塊物和周壁之間環(huán)繞間隙內(nèi)的固定墊，用于固定污染控制整塊物，所述固定墊支承污染控制整塊物，降低機(jī)械振動(dòng)和熱沖擊，它包括貼著污染控制整塊物的非膨脹材料的內(nèi)層，按干重百分?jǐn)?shù)計(jì)該內(nèi)層包含大于0至50％無細(xì)粒的無機(jī)纖維，40－98％含細(xì)粒的無機(jī)纖維和粘合劑；和貼著外殼周壁的外層，該外層包含20－65％膨脹顆粒和粘合劑；該固定墊壓縮在外殼周壁和污染控制整塊物之間，對(duì)污染控制整塊物施加一固定壓力。
文檔編號(hào)D21H13/46GK1429971SQ021482
公開日2003年7月16日 申請(qǐng)日期1998年1月28日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月6日
發(fā)明者R·L·蘭格, S·M·薩諾克柯, G·F·豪沃思 申請(qǐng)人:美國3M公司