專利名稱：通過擠制生產(chǎn)堇青石蜂窩狀載體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過擠制生產(chǎn)堇青石蜂窩狀載體的方法。通過舉例但并不局限于所舉實例，所述堇青石陶瓷蜂窩狀載體適宜用作催化轉(zhuǎn)化器。
本發(fā)明特別涉及到用于連續(xù)擠制蜂窩狀載體而獲取擠制泥料的流變參數(shù)的科學(xué)過程。
到現(xiàn)在，擠制泥料的組成在本領(lǐng)域并沒有公開為人所知，并且，也未公開能得到合格的組成的任何方法。顯然，在這些擠制法中使用的組成是通過試配法得到的。
在現(xiàn)有技術(shù)中，人們知道，蜂窩體材料通過使用常規(guī)的蜂窩狀模具由可擠壓的材料形成，這種材料通過一個多元進(jìn)料通道直接送到互連的出料槽網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的相互交叉部分。
人們還知道，純的堇青石的化學(xué)式是2MgO·2Al2O3·5SiO2，含有13.8％的MgO，51.3％的SiO2，和34.9％的Al2O3。因而，單相的純堇青石可以通過選擇原材料而得到，如粘土(Al2O3和SiO2的主要來源)、滑石(MgO和SiO2的主要來源)、二氧化硅、鋁酸鎂、碳酸鎂、葉蠟石、釩土等，這些原料相應(yīng)的比例可以通過每種原料的各個化學(xué)組成而計算得到。
在現(xiàn)有技術(shù)中，人們還知道，上述分批的無機(jī)組分可以與各自具有相應(yīng)作用的有機(jī)組分混合得到可擠制的泥料。有機(jī)組分可以是有機(jī)粘結(jié)劑，例如甲基纖維素、羧甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素、聚乙烯醇、淀粉、小麥面粉等，也可以是塑性劑和表面活性劑，如甘油、蠟、硬脂酸鈉、石墨等，或是其它材料如活性碳、淀粉末和鋸末用于調(diào)節(jié)如孔隙形成和控制孔隙尺寸等蜂窩體的性質(zhì)。
現(xiàn)有技術(shù)中，適合于陶瓷蜂窩體擠制的擠制泥料的特性還不知道?？蓴D壓的泥料的特性是一些參數(shù)，這些參數(shù)決定了在實際的可取得的力或壓力下，泥料通過蜂窩體擠制模具流動，在擠制后能立即保持復(fù)雜的薄壁形狀，并使其橫向流動互相連接在一起來構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)?？蓴D制泥料的特性與剪切稀化流體類型相似。然而，還沒有公開對任何成功的陶瓷蜂窩體擠制起決定作用的那些特性參數(shù)的精確數(shù)值。到目前為止公開的所有已知技術(shù)中，蜂窩體擠制的泥料被稱為可擠制的，而且使用試配法通過使用粘結(jié)劑和添加劑來得到合適的粘結(jié)、增塑、潤滑和其它特性而配制。因而，缺乏對適合于陶瓷蜂窩體擠制的泥料所需特性的確定。
本發(fā)明的一個目的是提供一種擠制泥料，這種擠制泥料在用于蜂窩體擠制時很有優(yōu)勢，具有適于穩(wěn)定和可重復(fù)的蜂窩體擠制的流變特性的質(zhì)量和產(chǎn)率。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種制備具有用于進(jìn)行成功的蜂窩體擠制的所要求的流變參數(shù)的堇青石陶瓷泥料的方法。
然而，本發(fā)明的又一個目的是提供通過擠制生產(chǎn)的堇青石蜂窩載體，這種堇青石載體具有穩(wěn)定的質(zhì)量和高產(chǎn)率適于在使用化石燃料的汽車的催化轉(zhuǎn)化器中使用。
根據(jù)本發(fā)明，提供采用預(yù)定的流變參數(shù)擠制生產(chǎn)堇青石蜂窩狀載體的方法，該方法包括以下步驟a)把滑石、粘土、和礬土在分批混合器中緊密混合以獲得形成堇青石的混合物；b)在混合器中在所述的混合物中加入甲基纖維素、甘油、小麥面粉和水并混合；c)把混合好的泥料脫氣并擠制成試棒用于后續(xù)的流變試驗；d)在捏和碾磨機(jī)中處理經(jīng)捏和的混合物，得到脫氣的坯料；e)把脫氣的坯料送進(jìn)擠制機(jī)來進(jìn)行蜂窩體擠制；f)烘干蜂窩狀擠制體并且放在溫度在1350℃到1420℃之間的爐中燒制，溫度決定于孔隙率和機(jī)械強(qiáng)度的要求。

圖1展示制備陶瓷蜂窩體的方法的流程圖；圖2，3用豎格形式展示根據(jù)不同的實驗批次的六個擠制參量；圖4是一個展示采用所述新方法制備的蜂窩體的性質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明，存在一種方法，能夠科學(xué)地確定可擠制堇青石泥料的組成來得到理想的流變參數(shù)，以成功地取得大為改進(jìn)的蜂窩狀擠制體，并具有高產(chǎn)量。根據(jù)本發(fā)明陶瓷蜂窩體的制備的改進(jìn)的方法的流程圖顯示在圖1。因而，本發(fā)明對于以下給出的流變參數(shù)以應(yīng)有的重要性，這些參數(shù)使用各種組合物而系統(tǒng)得到，而這些組合物可以從本地礦物資源、增塑劑、粘結(jié)劑、潤滑劑和合成材料中得到。
陶瓷堇青石泥料流變參數(shù)參數(shù)符號期望值1.屈服應(yīng)力 σ00.15到0.35MPa2.入模速度 α 0.001到0.07MPa敏感系數(shù)(mm/min)m3.入模參量 m最大0.44.剪應(yīng)力τ00.001到0.002MPa5.脫膜速度 β 0.001到0.02MPa敏感系數(shù)(mm/min)n6.脫模參量 n 最大0.45為了確定通過擠制生產(chǎn)堇青石陶瓷蜂窩狀載體的擠制泥料的流變參數(shù)，用科學(xué)和技術(shù)的觀點對蜂窩狀載體擠制形為進(jìn)行了詳細(xì)研究。使用本領(lǐng)域中公知的常規(guī)的柱塞式擠制機(jī)進(jìn)行了大量的蜂窩體擠制。在每次擠制循環(huán)中，通過擬合6-參數(shù)數(shù)學(xué)模型測得流變參數(shù)并記錄相應(yīng)蜂窩體擠制結(jié)果。因而，通過擬合所述模型，可量化泥料的形為，相應(yīng)于這個曲線的擬合程度表示為R1-平方值。通過一系列實驗，獲得了構(gòu)成6-參量數(shù)學(xué)模型的每一個流變參數(shù)的數(shù)值范圍，這些是得到優(yōu)質(zhì)蜂窩狀擠制體所要求的。下面的實施方案給出這些值一個實例。
更進(jìn)一步，用于擠制的陶瓷泥料的處理過程要非常精確控制來得到優(yōu)質(zhì)的蜂窩狀擠制體。有時，即使經(jīng)過非常精確和細(xì)致的工藝過程控制，沒有獲得應(yīng)得到的結(jié)果，即無缺陷的蜂窩狀擠制體，除非由于季節(jié)或其它變化工藝條件已經(jīng)發(fā)生變化。例如，如果生產(chǎn)過程場所的溫度和濕度存在差異，因而，制備過程中細(xì)的粉末原料或多或少吸收水，這樣改變泥料總體含水量，從而顯著改變泥料的塑性性能。同時，有許多其它因素例如在清潔后機(jī)器中剩余的廢料、由于混合或擠制裝置等的輕微過度運行而引起的磨擦溫度升高，可能相當(dāng)大程度上影響可擠制泥料的加工性能，這些在大規(guī)模生產(chǎn)中通常情況下難以被確定為可歸結(jié)的原因。
為了克服以上困難，這些困難導(dǎo)致在泥料擠制中的蜂窩體擠制性能出現(xiàn)偏差，本發(fā)明還設(shè)計了一個非常有效地實施所要求控制的方法，所述控制對于任何成功的蜂窩體擠制非常重要，而且在圖1中得到描述。這個操作方法在使用時，不僅提高了擠制產(chǎn)量，同時獲得了更加可重復(fù)而且更合理的擠制結(jié)果，消除了由于更少直接控制泥料最終擠制性能而產(chǎn)生的或好或壞的擠制體的不穩(wěn)定性。本發(fā)明的方法能夠?qū)嵭芯芸刂疲@對于穩(wěn)定和可重復(fù)的蜂窩體擠制是至關(guān)重要。
通過保持流變參數(shù)數(shù)值在所要求的水平，本過程步驟成功地實現(xiàn)蜂窩體擠制。
經(jīng)過上述的擠制，優(yōu)質(zhì)的蜂窩狀擠制體使用通常的干燥設(shè)備均勻干燥。經(jīng)過干燥后，蜂窩體在溫度從1350℃到140℃之間的爐中燒制，溫度決定于孔隙率和機(jī)械強(qiáng)度要求。
一個單相的堇青石可以通過混合堇青石形成批料得到，其配方為39％的印度滑石，總量為46％的各種類型的印度粘土和15％的礬土。經(jīng)過充分混合(圖1的步驟2)這些組成成分，在封閉間隙(closed gap)sigma葉片混合器中，同一批料與2％的甲基纖維素、0.5％的甘油、5％的小麥面粉，21％的水混合(圖1的步驟3)45分鐘?；旌虾蟮哪嗔辖又幻摎猓覕D制成1英寸直徑棒的形式，用于后續(xù)的流變試驗(圖1的步驟4)。這些棒插在試驗夾具中的圓筒中，而且在萬能試驗機(jī)上進(jìn)行完整組件的加載。
一套帶有不同的長度-直徑比率的4mm直徑的圓柱狀模具，在所述圓筒的一端，一次組裝為一個模具。通過所述圓筒的另一端，插入1英寸直徑可擠制堇青石泥料的試驗坯料后，應(yīng)用活塞式插桿進(jìn)行擠制。這種插桿被設(shè)計為以各種不同的固定速度下降，而且，在每一次速度步驟中，擠制試驗的加載荷載被記錄下來。
假設(shè)在模具中存在活塞流動，通過應(yīng)用一個壓力估算的6-參量模型分析了試驗結(jié)果。這個6參模型的數(shù)學(xué)方程式在以后描述。
同一種泥料接著通過不同的市售常規(guī)蜂窩狀模具平行擠出。蜂窩體擠壓的結(jié)果被標(biāo)識出來，根據(jù)具有合理產(chǎn)率的要求的質(zhì)量顯示出好的或壞的擠制效果。一系列實驗結(jié)果表明，任何成功的蜂窩體擠制主要決定于泥料的流變參數(shù)的特定數(shù)值，而且，界定了泥料的這些特性，并確定了所述數(shù)值的范圍。本文描述了流變參數(shù)的理想數(shù)值，還描述了怎樣得到理想的流變參數(shù)，以成功地得到改進(jìn)的蜂窩狀擠制體。理想的流變參數(shù)可以通過配制一定范圍的擠制泥料批料組合物而得到，這些混合物可以通過摻合印度粘土、滑石、礬土、石英、葉蠟石和不同等級的小麥面粉、木薯淀粉，甲基纖維素、甘油、聚乙烯醇、聚乙二醇、硬脂酸、硬脂鹽、石墨、碳和其它粘結(jié)劑，增塑劑，潤滑劑，這些都是為了達(dá)到控制流變參量的上述目的而常用的。
應(yīng)用于所述分析的6-參量模型是P＝(σ0+αVm)+(τ0+βVn)這里，P是總擠制壓力(MPa)，V是用mm/min表示的擠制速度，而另外6個參量已在前面得以描述。
為了得到優(yōu)選的高達(dá)400孔、壁厚從0.17到0.35mm的優(yōu)質(zhì)蜂窩狀擠制體，得到的Sigma(σ0)的值在0.15到0.35MPa之間，更精確在0.16到0.23MPa之間，Alfa(α)的值在0.001-0.07MPa(mm/min)m之間，而′m′值不超過0.40，Tow(τ0)的值在0.001-0.002之間，Beta(β)的值在0.001-0.02之間而且′n′的值不大于0.45。
Sigma(σ0)的上限并不局限數(shù)值0.35MPa。假如擠制機(jī)和模具可以更強(qiáng)，能滿足達(dá)到更高的sigma(σ0)數(shù)值的更高壓力要求，擠制Sigma(σ0)高于0.35MPa的優(yōu)質(zhì)蜂窩體也是可能的。假如sigma(σ0)的值小于0.15MPa，那么，堇青石蜂窩體不能被擠制而且蜂窩體的整體結(jié)構(gòu)不能得到保持。實施例1
一種單相堇青石可以通過混合堇青石形成批料得到，其配方是39％的印度滑石、總量為46％的不同類型的印度粘土和15％的礬土。經(jīng)過緊密混合(圖1步驟2)這些組分，在一個閉合間隙(closed gap)Sigma葉片混合器同一批料與2％的甲基纖維素、0.5％的甘油、5％的小麥面粉，21％的水混合(圖1的步驟3)45分鐘。該經(jīng)混合的泥料接著脫氣而且擠制成1英寸直徑的棒的形式，用于后續(xù)的流變試驗(圖1的步驟4)。這些棒插在試驗夾具中的圓筒中，而且在萬能試驗機(jī)上進(jìn)行完整組件的加載。
一套帶有不同的長度-直徑比率的4mm直徑的圓筒狀模具組，在圓筒的一端一次組裝成一個模具。通過所述圓筒的另一端，在插入1英寸直徑可擠制堇青石泥料后，使用活塞式插桿進(jìn)行擠制。這種插桿被設(shè)計為以不同的固定速度下降，而且，在每一個速度步驟中，擠制試驗的加載荷載被記錄下來。
假設(shè)在模具中存在活塞式流動，擬合一個壓力估算的6-參量模型對試驗結(jié)果進(jìn)行分析。
對得到的該批料的6個擠制參量如表1中實驗2所示σ0＝0.20 α＝0.0058 m＝0.368τ0＝0.002 β＝0.0093 n＝0.278具有上述流變參數(shù)數(shù)值的擠制泥料成功地生產(chǎn)出具有良好質(zhì)量和生產(chǎn)率的蜂窩狀擠制體。而在粘結(jié)劑和水量上具有較小變化的其它實驗(為實驗-1，實驗-3，實驗-4)不能產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的蜂窩狀擠制體。
實驗-2經(jīng)捏和的批料被捏合碾磨而得到脫氣的坯料(圖1的7)，它被送進(jìn)液壓擠出機(jī)來得到蜂窩狀擠制體(圖1的8)經(jīng)過上述實驗-2的擠制后得到優(yōu)質(zhì)蜂窩狀擠出體使用合適的干燥設(shè)備均勻干燥(圖1的9)。經(jīng)過干燥的蜂窩體在溫度為1350℃到1420℃的窯爐中燒制(圖1的10)，該溫度決定于孔隙率和機(jī)械強(qiáng)度要求。經(jīng)過燒制，蜂窩體的端部被切去，并進(jìn)行磨平使端面平行，得到制成的堇青石蜂窩體產(chǎn)品(圖1的11)。使用要求了權(quán)利的所述方法制造的各種蜂窩體的物理、機(jī)械和熱學(xué)性能列在表-3中。實施例2
堇青石批料如實施例-1制備。但不同的是水含量在19％和22％之間變化，粘結(jié)劑在2-3％之間變化。另外，添加了2％的PVA粘結(jié)劑。對這樣制備的批量試樣進(jìn)行試驗和分析。結(jié)果顯示在表2中。這些批量試樣通過各種蜂窩狀模具擠制。具有從0.15到0.35的σ0值的批量試樣顯示出優(yōu)良蜂窩體擠制性能和保持形狀的能力。具有低于0.15的σ0值的批量試樣由于模具堵塞，擠制不能進(jìn)行。物質(zhì)粘附到模具上，擠制的蜂窩體發(fā)生塌陷并產(chǎn)生變形。所以，具有類似實驗-5，實驗-7，實驗-9的流變特性的批量試樣可得到優(yōu)質(zhì)蜂窩狀擠制體。應(yīng)用這些批量試樣，采用如實施例-1所述的方法，可以生產(chǎn)出非常優(yōu)質(zhì)的堇青石蜂窩體成品。
各種批量試樣的結(jié)果列表在圖2，3和4中(表1，2和3)。
這里描述的本發(fā)明涉及到一個非限制性實施方案，并由相應(yīng)的權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種采用預(yù)定流變參數(shù)通過擠制生產(chǎn)堇青石蜂窩狀載體的方法，包括以下步驟a)在分批混合器中，將滑石、粘土和礬土緊密地混合，形成制備堇青石的混合物；b)在混合器中，在所述的混合物中加入并混合甲基纖維素、甘油、小麥面粉和水；c)把混合好的泥料脫氣并擠制成棒狀的形式為后續(xù)的流變試驗使用；d)在捏和碾磨機(jī)上處理經(jīng)捏和的混合物，得到脫氣的坯料；e)把該脫氣的坯料送進(jìn)擠制機(jī)進(jìn)行蜂窩體的擠制；f)烘干蜂窩狀擠制體，并將該結(jié)構(gòu)體放在溫度在1350℃-1420℃之間的窯爐中燒制，窯爐的溫度決定于孔隙率和機(jī)械強(qiáng)度的要求。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，采用預(yù)定流變參數(shù)通過擠制生產(chǎn)堇青石蜂窩狀載體包括以下步驟形成堇青石的混合物包括39％的印度滑石，總量為46％的各種不同種類的印度粘土和15％的礬土。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所說的混合物與2％的甲基纖維素、0.5％的甘油、5％的小麥面粉和21％的水混合。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中蜂窩狀擠制體在溫度在1350℃和1420℃之間的窯爐中燒制。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中試驗的結(jié)果通過采用6-參數(shù)模型的數(shù)學(xué)方程式進(jìn)行擬合來分析。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中為了良好擠制高達(dá)200孔、壁厚在0.2mm左右的蜂窩體，得到的sigma(σ0)值在0.15-0.35MPa之間，alfa(α)值在0.005-0.07MPa(mm/min)m之間，′m′值不超過0.40，Tow(τ0)值在0.001-0.002之間，Beta(β)值在0.001-0.02之間，′n′值不能大于0.45。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過采用預(yù)定流變參數(shù)擠制生產(chǎn)堇青石蜂窩狀載體的方法,它包括以下步驟:a)把滑石,粘土和礬土在分批混合器中緊密地混合,得到形成堇青石的混合物;b)在混合器中在所述的混合物中加入并混合甲基纖維素、甘油、小麥面粉和水;c)對混合好的泥料進(jìn)行脫氣處理并擠制成棒狀形式以便后續(xù)的流變試驗使用;d)在捏和碾磨機(jī)上處理經(jīng)捏和的混合物得到脫氣的坯料;e)把脫氣的坯料送進(jìn)擠制機(jī)進(jìn)行蜂窩體的擠制;f)烘干擠制蜂窩體,并根據(jù)孔隙度和機(jī)械性能的要求在溫度在1350℃—1420℃之間的爐中燒制。
文檔編號B01J23/84GK1268397SQ99104200
公開日2000年10月4日 申請日期1999年3月24日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月24日
發(fā)明者R·N·達(dá)斯, C·D·馬德胡蘇達(dá)納 申請人:布哈拉特強(qiáng)電有限公司