挤制多孔性基材的系统技术方案

一种可经由使用挤制程序以生产高多孔性基材的可挤制混合物。特定而言，本发明专利技术可将纤维（例如有机、无机、玻璃、陶瓷或金属纤维）混入一团料中，当挤制及固化时，该团料可形成一高多孔性基材。视特定混合物而定，本发明专利技术提供具约６０％至９０％孔隙度的基材以及还同时提供其他孔隙度的优点。可挤制混合物可使用广泛不同的纤维及添加剂，且适用于广泛不同的操作环境及应用。根据基材的要求，选用具有长宽比大于１的纤维，并且与黏结剂、孔隙成形剂、挤制辅助剂及流体混合以形成一均质（ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ）可挤制团料。挤压该均质团料以形成生胚基材（ｇｒｅｅｎ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）。挥发性较高的材料优先自生胚基材中予以移除，使纤维互相连结及接触。当固化持续进行时，形成纤维与纤维间连结以制造具有实质上开放式孔隙网的结构。所得多孔性基材可用于许多应用方面，例如过滤器或触媒基质（ｃａｔａｌｙｓｔ　ｈｏｓｔ）的基材或触媒转换器。

【技术实现步骤摘要】
挤制多孔性基材的系统
本案是中国专利申请200680037343.9 (PCT/US2006/028530)的分案申请。一般而言，本专利技术是关于一种挤制多孔性基材的挤制方法；特定而言，是关于 一种挤制多孔性陶瓷基材的挤制方法。
技术介绍
许多制程会要求刚性基材以便能协助及支援各种制程。举例言之，应用于 过滤的基材可过滤微粒子、分离不同物质或从空气除去细菌或微生物。可制造 该等基材以在空气、废气或液体中运作，且该等基材可经加工以抵抗实质环境 压力或化学压力。再例如，沉积触媒材料于基材上以便能促进化学反应。举例 言之，沉积一贵金属于一适当的基材上，接着该基材将危险的废气催化转化成 较无毒的气体。一般而言，具有高孔隙度(porosity)的刚性基材的操作效率较咼o孔隙度通常视为固态材料的性质，定义为开放空间占材料的全部体积的百分比。例如，孔隙度50%的基材有一半体积为开放空间。据此，具有高孔隙度 的基材，其单位体积的质量较具低孔隙度基材者为小。较低质量的基材是有利 于某些应用；举例言之，若基材是用于在催化过程中，且该催化过程是于高温 中运作，则具较低热质量(thermal mass)的基材将会更快的加热到操作温度。 因此，使用具较高孔隙度及较低热质量的基材，可降低加热催化剂至操作温度 的时间，即起燃时间(light off time)。渗透性(permeability)亦是基材的一种重要特性，特别是过滤及催化用基 材。渗透性是与孔隙度相关，因渗透性是量测流体(例如液体或气体)流穿过 基材的难易度。高渗透性的基材是有利于大部分的应用。举例言之，当后处理 过滤器提供内燃机一较低背压时，内燃机可更有效率地运作；其中，使用较高 渗透性基材可产生低背压。因为渗透性较孔隙度更难量测，所以孔隙度通常作为基材渗透性的替代指标。然而，这并非一精确的特性，其原因为若孔隙并未 普遍地开放且连通，则高孔隙度的基材仍可能仅具有限的渗透性。例如，聚苯乙烯发泡体(Styrofoam)饮水杯是由高孔隙度材料所制成，但液体流无法渗透 该饮水杯。所以，在考虑孔隙度及渗透性的重要性时，亦必须检验基材的孔隙 结构。在前述聚苯乙烯发泡体饮水杯的例子中，聚苯乙烯发泡体材料具有密闭 的孔隙网，意即该发泡体包含很多非连结及/或终端封闭的孔隙。因此，虽然发 泡体内存有很多空隙及开放空间，但因孔隙间并未互相连结，故液体或气体将 不会从发泡体的一边流向另一边。当更多的通道开始连结时，开始形成自一边 通至另一边的流动路径。如此情况下，材料被称为拥有更多的开放式孔隙网。 越多贯穿基材的连接通道形成，该基材的渗透性越高。当每一孔隙连结至至少 一个其他通道且所有孔隙容许流体穿过该材料所形成的壁面的全部厚度时，则 定义该基材具有完全开放式孔隙网。须注意，胞室(cells)及孔隙(pores)间 的差异是重要的。胞室是指穿通(通常互为平行，但并非一定)蜂巢状 (honeycomb)基材的通道。通常，蜂巢状基材涉及每平方英寸有多少胞室的 内容。例如，每平方英寸有200个胞室的基材在其主轴方向上具有200个通道。 另一方面，孔隙是指材料本身内的裂缝，如存在于分开两条平行通道或胞室所 构成的壁面的材料里。在过滤或触媒工业中，并不熟知具全部或大部分开放孔 隙网的基材。反而，大部分具孔隙的经挤制基材甚至为开放式孔隙及封闭式孔 隙的掺混体。因此，提供具高孔隙度及内孔隙结构(其可赋予相仿的高渗透性)的基材 在许多应用领域中有高度的需求。而且所形成的基材必须拥有足够的刚性结构 来支持特殊应用所需的结构上及环境上的需求。例如，附于内燃机的过滤器或 触媒转换器必需能够禁得起环境的振动、热需求及制造与使用上的压力。最后， 为能广泛应用，还必须在足够低成本的情况下生产基材。举例言之，为改变全 球的汽车污染的程度，已开发与正开发国家必须可以负担及使用过滤基材。因此，在设计基材及选择制程时，过滤器及触媒转化器基材的整体成本结构将是 主要的考量。已证明挤制是生产固定截面的刚性基材的有效率且有成本效益的方法。尤 其，陶瓷粉末材料的挤制是制造内燃机所用的过滤器及触媒基材中最广泛使用的制程。多年来，挤制粉末陶瓷的制程已经相当进步，因此经挤制基材可具有 接近60%的孔隙度。这些经挤制多孔性基材具有好的强度特性、可变通地制造、 可规模化生产、保持高品质水准，并具有成本效益。然而，粉末陶瓷材料的挤 制已达到孔隙度的可实施的上限值，且进一步提升孔隙度似乎导致其具无法被接受的低强度。例如，当提高孔隙度超过60%时，已证实经挤制粉末陶瓷基材 于柴油机粒子过滤器的恶劣环境中不具有可进行操作的足够强度。在其他已知 的挤制制程的限制中，期望增加基材内的表面积以使催化转换更有效率。为增 加表面积，己有增加经挤制陶瓷粉末基材的胞室密度的尝试，但是增加胞室密 度产生引擎无法接受的背压。因此，经挤制陶瓷粉末基材在非常高的孔隙度下 不具足够的强度，且当需要增加表面积时亦产生无法接受的背压。据此，陶器 粉末的挤制显然有其实际应用上的限制。为获得更高的孔隙度，过滤器供应商己试图使用褶式(pleated)陶瓷纸。 使用此类褶式陶瓷纸，同时具约80%的孔隙度及非常低的背压是可能的。因具 有此低背压，这些过滤器已经使用于例如需要极低背压的采矿过程等应用中。 不过，使用褶式陶瓷纸的过滤器的机会不多，其并未被广泛地采用。举例言之， 褶式陶瓷纸在恶劣的环境里使用效果不彰。生产褶式陶瓷纸需利用生产相对弱 的陶瓷纸结构的造纸过程，且与经挤制过滤器相比，似乎较不具成本效益。再 者，褶式陶瓷纸的形成允许极少弹性运用的胞室形状及密度。例如，在一些过 滤应用中需要具有大入口通道及小出口通道的纸褶式过滤器，但生产此种纸褶 式过滤器是困难的。因此，使用褶式陶瓷纸无法满足高孔隙过滤器及触媒基材 的需求。另一试图增加孔隙度并且避免褶式纸缺点的例子中， 一些经由形成具有陶 瓷前体(ceramic precursors )的团料(mass )并且在 一 多孑L的模具(porous pattern ) 中仔细处理团料以成长单晶须(mono-crystalline whiskers)，以提供基材。但 是，就地成长这些结晶需要小心且准确的控制固化过程，使得大量生产的过程 不易，相对昂贵，且易有缺陷。再者，此困难制程仅使孔隙度增加一些百分比。 最后，此制程仅成长莫来(mullite)型晶须，此将限制基材的应用性。例如， 众所周知，莫来石(mullite)具有大的热膨胀系数，在很多需要大范围操作温 度带及急剧温度转换过程的应用中，使用莫来型晶须是不甚理想。因此，工业上有具有高孔隙度及相关高渗透性的刚性基材的需求。较佳地， 形成具高度合乎需要的开放胞室网、具生产的成本效益、且可以变通的物理、 化学及反应性质制造的基材。
技术实现思路
简言之，本专利技术提供一种可经由利用挤制程序以生产高多孔性基材的可挤 制混合物。尤其，本专利技术容许纤维(例如有机、无机、玻璃、陶瓷或金属纤维) 混入一团料中，当挤制及固化时，该团料可形成一高多孔性基材。取决于特别的混合物，本专利技术赋予孔隙度约60%至约90%的基材，并也具其他孔隙度的制 程优点。可挤制混合物可使用非常多样纤维及添加剂，且适合于多种操作环境 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造一梯度多孔性基材的方法，包含：　形成一第一可挤制混合物，其具有一纤维、添加剂及流体的第一混合物；　形成一第二可挤制混合物，其具有一纤维、添加剂及流体的第二混合物；　于一挤制器中，将该第一可挤制混合物放置于邻近该第二 可挤制混合物处；　将该第一可挤制混合物及该第二可挤制混合物挤制成一生胚基材；以及　裁切该生胚基材。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：B朱伯瑞，RG拉舍纳奥尔，SC皮莱，WM卡蒂，B杜塔，
申请(专利权)人：美商绩优图科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]