β-锂辉石-堇青石组合物、制品和方法技术

通过包含氧化镁源、氧化铝源和二氧化硅源以及氧化锂源如锂辉石或透锂长石矿物的批料的反应烧结，提供了强度高而体积密度低的多孔锂辉石‑堇青石蜂窝体，可用来制造紧耦合发动机废气转化器、汽油机微粒废气过滤器和NOx集成式发动机废气过滤器。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】通过包含氧化镁源、氧化铝源和二氧化硅源以及氧化锂源如锂辉石或透锂长石矿物的批料的反应烧结，提供了强度高而体积密度低的多孔锂辉石?堇青石蜂窝体，可用来制造紧耦合发动机废气转化器、汽油机微粒废气过滤器和NOx集成式发动机废气过滤器。【专利说明】 分案申请说明 本申请系申请日为2010年11月17日、国际申请号为PCT/US2010/056965、进入中国 国家阶段后的国家申请号为201080053960.4、题为"" 的专利技术专利申请的分案申请。 相关申请的交叉参考 本申请要求2009年11月30日提交的题为"" 的美国临时专利申请第61/265106号的权益和优先权，本文以该申请的内容为依据并通过 参考将其全文结合于此。
本文所揭示的制品和方法一般涉及多孔陶瓷材料和相关的多孔陶瓷结构，如可用 作陶瓷催化剂载体基材和微粒过滤器的蜂窝体结构。
技术介绍
制造多孔陶瓷蜂窝体所面临的一个重要挑战是既要提供搬运、罐装和使用所需的 强度，又要提供高孔隙率和/或薄孔壁。
技术实现思路
本专利技术涉及锂辉石-堇青石复合材料制品，这种制品包括这样的实施方式，即该制 品在锂辉石-堇青石-二氧化硅三元材料中具有基础组合物，同时还任选包含一个或多个选 自多铝红柱石、尖晶石和刚玉的次晶相。这种制品包括体积密度小于〇.3g/cm3的多孔锂辉 石-堇青石蜂窝体，可包括具有低微裂或者没有微裂的制品。其他实施方式是轴向断裂模量 强度至少为200psi的多孔蜂窝体。 本专利技术还涉及形成锂辉石-堇青石组合物的多孔陶瓷制品如陶瓷蜂窝体制品的方 法。这些方法的实施方式包括以下步骤:首先，将无机批料成分与液体和有机黏结剂混合， 形成塑化批料混合物，无机批料成分包含氧化镁源、二氧化硅源、氧化铝源和氧化锂源，其 中氧化锂源包含一种或多种含锂化合物，氧化镁源包含一种或多种含镁化合物，氧化镁源 在无机批料成分中所占比例小于25重量％。然后，将这样提供的批料形成为生坯体，并将生 坯体加热到1180-1260°C的最高温度，加热足够时间，使生坯体转化为多孔陶瓷制品，所述 制品由β-锂辉石主相和堇青石次相组成。在所揭示的多孔制品的一些实施方式中，β-锂辉 石相和堇青石相在多孔陶瓷制品中所占总比例超过80重量％。本专利技术还提供了多孔陶瓷制 品包含少于4重量％的玻璃的实施方式。 氧化锂源可包含各种锂的无机化合物中的任何化合物，但在一些实施方式中，氧 化锂源选自锂辉石、透锂长石及其组合。出于制备蜂窝体制品的目的，可通过蜂窝体挤出模 头挤出塑化批料混合物，形成蜂窝体挤出物，并对所述蜂窝体挤出物进行干燥和反应烧结， 反应烧结达到的温度至少足以产生锂辉石-堇青石蜂窝体。 又一方面，本专利技术涉及包含β-锂辉石主相和堇青石次相的多孔陶瓷体，其中β-锂 辉石相和堇青石相在所述多孔陶瓷体中所占总比例超过80重量％，且所述多孔陶瓷体包含 少于4重量％的玻璃。包含少于2重量％的玻璃的陶瓷体包括在本专利技术的范围之内，如β-锂 辉石相和堇青石相在陶瓷体中所占总比例超过90重量％的陶瓷体，以及基本上不含玻璃的 陶瓷体。通过压汞法测得的总孔隙率大于40%的多孔陶瓷体也包括在本专利技术的范围之内， 包括压汞法总孔隙率为40-60%的陶瓷体。这种多孔体的其他实施方式的中值孔径小于20μ m〇 本专利技术的锂辉石-堇青石蜂窝体可用来制造诸如催化转化器和过滤器之类的装 置，用于控制柴油机和汽油机的排放。这种装置的实施方式包括结合了上述锂辉石-堇青石 蜂窝体的紧耦合(Close-coupled)发动机废气转化器，所述蜂窝体的孔隙率大于35体积％， 孔壁厚度小于4ΧΠΓ3英寸。本专利技术还提供了包含孔隙率大于55体积％、孔壁厚度小于4X 10-3英寸的锂辉石-堇青石蜂窝体的汽油机微粒废气过滤器，以及包含孔隙率大于55体 积％、孔壁厚度小于12 Χ10-3英寸的锂辉石-堇青石蜂窝体的NOx集成式发动机废气过滤器。 在一些实施方式中，本文所述的用作催化剂基材载体的蜂窝体具有高孔隙率(大于55%)和 薄壁(小于0.004英寸），可设置在污染控制系统中，如具有快速起燃(light-off)性能的紧 耦合催化转化器或低压降汽油微粒过滤器。在一些实施方式中，用作NOx集成式过滤器的蜂 窝体的孔隙率大于65%，提供了高催化剂负载容量。 本文所述的催化剂载体基材和过滤器可用于从汽油机和柴油机废气中除去污染 物的先进系统中，所述污染物包括一氧化碳、氮氧化物、未燃烧的烃和含碳微粒。【附图说明】 下面结合附图进一步描述了本专利技术的制品、方法和装置，其中： 图1呈现了有关水热老化对具有不同组成的蜂窝体催化剂基材的催化性能的影响 的数据； 图2是呈现有关堇青石和锂辉石-堇青石复合蜂窝体的加热和转化效率的数据的 图线； 图3是说明由各种陶瓷材料形成并经受住愈加苛刻的热冲击处理的洗涂蜂窝体基 材数量的图线；图4是复合陶瓷材料的比强度随微裂指数(microcrack index)变化的曲线；以及 图5是三种微裂陶瓷材料的比弹性模量随温度变化的曲线。【具体实施方式】 本专利技术的制品、方法和装置可通过许多不同的方式用来控制各种不同污染源的有 害排放，所述污染源既包括移动污染源，也包括静止污染源。因此，虽然下面对这些制品、方 法和装置的特定实施方式的描述在一些情况下是通过具体关注汽油机催化转化器来展开 的，但应当认识到，提供这些实施方式的目的仅仅是为了说明，而不是起限制作用。 以前有人提出将低膨胀锂辉石(硅铝酸锂)蜂窝体用作涡轮机再生器，但没有为用 作催化转化器基材而开发。这可归因于许多缺点，包括锂对催化活性有毒害效应，最高工作 温度稍低于堇青石的工作温度，用玻璃料制造时的生产成本更高，因为玻璃加工费用高且 挤出模头的磨损大。此外，与堇青石相比，它们不具有任何强度优势。出人意料的是，我们已 经发现锂辉石-堇青石-二氧化硅三元材料中的锂辉石-堇青石复合物克服了上述缺点，使 得主要含锂辉石相的材料可用作催化转化器或汽油微粒过滤器的基材，提供了以下综合优 点:压降低，高孔隙率下的强度高，起燃时间低于现有材料的起燃时间。 出于描述本文的目的，术语"锂辉石"在描述三元或四元组合物体系时是指组成为 LiAl2Si2〇6的娃错酸锂端员（end member)。在其他情况下，如在实施例中，锂辉石相通常具 有依赖于批料组成和加工条件的可变组成，组成它的锂、铝、硅和镁的氧化物可具有可变百 分数，但仍然保持基于锂辉石的晶体结构。 根据本专利技术提供的复合多孔陶瓷制品适合以低成本天然材料如α-锂辉石、转变α- 锂辉石（α-锂辉石通过热转变形成的β-锂辉石）或透锂长石矿物为原料，通过反应烧结制 备。在本专利技术所含的特定实施方式中，以塑化批料混合物中所含的无机批料成分为基准，无 机批料成分包含至少40重量％的〇_锂辉石。在所揭示的多孔陶瓷制品的一些实施方式中采 用的氧化镁源可选自MgO、氢氧化镁、滑石及其组合。 氧化镁、二氧化硅和氧化铝组分在反应烧结期间向锂辉石相中的溶解，以及堇青 石相本身的存在，减少了可与废气环境和废气冷凝物发生离子交换的氧化锂的总量，并导 致负载催化剂的物理性质发生变化或者负载催化剂中毒。加入堇青石还改善了制件的难熔 特性，锂辉石相内的堇青石和溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包含β‑锂辉石主相和堇青石次相的多孔陶瓷体，其中所述多孔陶瓷体包含大于65重量％的SiO2、大于2.5重量％的Li2O、小于5.0重量％的MgO和小于2重量％的玻璃。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：G·A·默克尔，C·W·坦纳，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US