制备内部空化的陶瓷体的方法技术

一种制备内部空化的陶瓷体的方法，其中将陶瓷粉、诸如钙水泥的耐火水泥、任选的有机或粘土粘合剂、合适的可热分解的材料和／或合适的可溶性材料的颗粒以及水混合以产生揉好的陶土。然后使用模具或通过挤出，使揉好的陶土形成合适的形状。将形成的形状加热以热分解可热分解的材料，且固化水泥以产生内部空化的陶瓷体。可选择地，固化水泥，并将凝固体浸入到合适的溶剂中以溶解可溶性材料来生产内部空化的陶瓷体。

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用本申请要求2009年7月31日提交的美国临时专利申请第61/230580号和2009年9月14日提交的第61/242,075号的权益。专利
本专利技术涉及网状泡沫陶瓷体和挤出陶瓷体。背景正如本文所用的，术语“陶瓷”包括，但不限于，内部无机非金属材料，其选自包括氧化物、氮化物、硼化物、碳化物、硅化物、硫化物、铝化物、铍化物、磷化物、锑化物和砷化物的组。正如本文所用的，术语“内部空化的陶瓷体(ICCB)”包括网状陶瓷泡沫体(RCF)和挤出陶瓷块(Extruded Ceramic Monolith，ECM)或其组合式挤出网状陶瓷泡沫块(ERCFM)。正如本文所用的，术语“网状陶瓷泡沫体”(RCF)是具有海绵样结构的陶瓷体。网状陶瓷泡沫体(RCF)对于需要高的表面积、低的压降和高的空隙率的应用十分有用。由于这些性质，RCF非常适合涉及传热、传质和催化的应用。RCF还用作高温过滤器，例如在冶金过程中。在空气污染控制中，RCF用于清洁含热颗粒的气体，诸如来自柴油发动机的废气。许多其他应用也从使用网状陶瓷泡沫体中获益。现有技术中已经公开了制备RCF的各种方法。一种通用方法包括用含有原料诸如粘土的浆状物浸泡聚氨酯泡沫塑料来制备陶瓷，使得泡沫体浸渍有原料。然后将泡沫体部分地排水以除去过量的浆状物。然后，将被涂覆的泡沫体加热至足以热分解聚氨酯泡沫塑料的温度，使得留下涂覆了原料的骨架。然后，使骨架泡沫体经受高温以将原料转化为陶瓷。RCF中的特殊价值是在网状泡沫体的形状中结合碳化硅(SiC)材料。迄今，高质量的SiC网状泡沫体的生产十分昂贵。目前市售的网状SiC泡沫体的价格可以是每立方英尺SiC网状泡沫体数千美元。因此，网状SiC泡沫体仅用于十分特殊的应用，诸如其他材料不起作用的航空应用和军事应用。申请人相信，如果以适中的价格生产和出售，SiC网状泡沫体的潜在应用可以是广泛的，并且是多种多样的。SiC网状泡沫体可用于产品和应用，诸如：催化剂载体例如在汽车尾气中使用的那些催化剂载体、阻火器、电池和燃料电池的电极、高温设备诸如空间望远镜的轻质结构支承体、用于在发电厂和环境设备中回收再生热的传热介质、电阻加热元件、用于高温气流诸如柴油机废气的颗粒过滤器等等。尽管SiC泡沫体化学是简单的，但SiC网状泡沫体的产生却十分困难。产生SiC的第一阻力是SiC不是天然存在的材料。为了产生SiC，含有硅和碳的材料必须在特殊气氛的炉中，在非常高的温度(至少1500摄氏度)下进行烘烤。第二阻力-且最困难的障碍-是在精细的网状泡沫形状中产生SiC的能力。存在两种技术来生产低质量的网状泡沫体。一种技术描述于美国专利第5248462号，其将含有-->碳和硅的材料与铅珠混合。该铅珠最终被熔化掉，产生最终网状泡沫体的空隙空间。这一技术是麻烦的，产生低质量的泡沫体，并且当烤出铅珠时，产生显著的污染。对于许多以上提出的潜在应用，这种泡沫体的质量太差。生产网状SiC泡沫体的几种技术使用网状聚氨酯(RPF)泡沫塑料作为起始框架。在一种方法中，将RPF浸入SiC颗粒和陶瓷和/或有机粘合剂的浆状物中。然后，将被涂覆的RPF烘烤以使SiC涂层凝固，并移除聚氨酯框架。产生的SiC泡沫体质量十分差，并且未享有很多的商业成功。形成SiC网状泡沫体的又一种方法是用RPF开始，并用有机树脂和含有硅的化合物对其涂覆。然后，将被涂覆的RPF加热至高温，如美国专利第5429780号和第6251819号所描述的。这一方法是冗长的，产生作为废气的大量污染空气化合物，并产生低质量的泡沫体。由于材料处理问题，可由该方法生产的泡沫体的厚度是有限的。形成网状SiC泡沫体的又一种方法是用RPF作为框架开始，且然后通过气相沉积技术诸如化学气相沉积(CVD)在RPF上形成SiC涂层。这一类型的SiC泡沫体由Ultramet Inc.和ERG Inc.(两家公司均位于California，USA)生产。这一类型的泡沫体质量良好，但其生产十分昂贵。气相沉积是一种非常缓慢的过程，且拥有和操作气相沉积所需的设备是昂贵的。此外，该方法需要高水平的技术专家来实施。由CVD方法产生的泡沫体十分昂贵。CVD方法还具有另一个限制因素，即其为视线方法(line of sightprocess)。这是指，可生产的泡沫体的厚度是有限的，因为在视线被泡沫体的外层阻断之前，蒸汽将仅渗入泡沫体有限的距离。因此，需要可相对简单和便宜地产生大量的高质量网状陶瓷泡沫体的方法。如本文所定义，“挤出陶瓷块”(ECM)是具有供气体流过其的通道(through passage)的陶瓷块。一般通过将陶瓷原料混合到可挤出的类似揉好的陶土(dough)的物质中，且然后通过模具挤出该揉好的陶土以产生其内具有纵向通道的连续的挤出物来制备ECM。然后，将该挤出物切成合适长度的块。在先进行空气干燥之后，然后将该块在窑中烘干以产生ECM。由于它们规则的几何形状，所以ECM被用于传热和催化过程。然而，挤出具有十分精细的通道或具有非常复杂形状的通道的ECM是十分困难的。本专利技术提供了非常经济地制备ECM的方法，且必要时，ECM具有十分精细或复杂形状的通道。此外，本专利技术提供制备具有空化的泡壁(cell wall)的ECM的方法，所述ECM在本文中称为组合挤出网状陶瓷泡沫块(ERCFM)。本专利技术的ERCFM提供了较大的表面积，同时维持了ECM的低的压力降特征。又进一步，本专利技术还提供了制备其内具有明确界定的、形状复杂的空隙空间的陶瓷体的方法。专利技术概述在本专利技术的一个方面中，生产内部空化的陶瓷体(ICCB)的方法包括以下步骤：将基本上由陶瓷粉、耐火水泥、任选的粘合剂、任选的可热分解的材料(TDM)、任选的可溶性材料(SM)和水组成的原料混合以制备揉好的陶土，并使揉好的陶土形成具有期望形状的陶瓷体。制备ICCB的方法包括固化形成的揉好的陶土的额外步骤，以及如果原料的SM含量大于0％，则用合适的溶剂处理固化的揉好的陶土以溶解SM，从而在ICCB中产生空腔的额外步骤。形成揉好的陶土的步骤可包括模制过程或挤出过程。挤出过程可在陶瓷体中产生-->通道。然后，如果原料的TDM含量大于0％，则将形成的揉好的陶土加热至足以热分解(例如通过高温分解、氧化、分裂、熔化等等)TDM的温度，以在ICCB中产生额外的空腔。可选择地，如果原料的SM含量大于0％，则将形成的揉好的陶土浸入到溶剂中以溶解SM。如果揉好的陶土包含TDM和SM两者，则可以按任何方便的顺序来使用溶解SM的步骤和分解TMD的步骤。本专利技术的方法中使用的TDM可以是天然存在的材料，或合成产生的(人造)材料，诸如塑料、聚苯乙烯或其他合适的共混材料。TDM可以是随机成形的或以确定的几何形状成形的颗粒或有形体，包括纤维聚集体(fibrous congregate)。本专利技术的方法中使用的SM也可以是天然存在的材料，诸如石膏，或合成产生的(人造)材料，诸如塑料、聚苯乙烯或其他合适的共混材料。本专利技术的方法中使用的陶瓷粉是无机非金属材料，其选自包括氧化物、氮化物、硼化物、碳化物、硅化物、及硫化物、铝化物、铍化物、磷化物、锑化物和砷化物的组。本专利技术的方法中使用的粘合剂是选自包括有机粘合剂、粘土粘合剂和非耐火水泥粘合剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产内部空化的陶瓷体（ＩＣＣＢ）的方法，所述方法包括以下步骤：将基本上由陶瓷粉、耐火水泥、任选的粘合剂、任选的可热分解的材料（ＴＤＭ）、任选的可溶性材料（ＳＭ）和水组成的原料混合以制备揉好的陶土，以及；使所述揉好的陶土形成具有期望形状的陶瓷体。

【技术特征摘要】
US 2009-7-31 61/230,580;US 2009-9-14 61/242,0751.一种生产内部空化的陶瓷体(ICCB)的方法，所述方法包括以下步骤：将基本上由陶瓷粉、耐火水泥、任选的粘合剂、任选的可热分解的材料(TDM)、任选的可溶性材料(SM)和水组成的原料混合以制备揉好的陶土，以及；使所述揉好的陶土形成具有期望形状的陶瓷体。2.如权利要求1所述的方法，其中制备所述ICCB的所述方法包括额外的步骤：固化形成的揉好的陶土。3.如权利要求2所述的方法，其中制备所述ICCB的所述方法包括额外的步骤：如果所述原料的SM含量大于0％，则用合适的溶剂处理固化的揉好的陶土以溶解所述SM，以在所述ICCB中产生空腔。4.如权利要求3所述的方法，其中制备所述ICCB的所述方法包括额外的步骤：如果所述原料的TDM含量大于0％，则将部分空化的揉好的陶土加热至足以热分解所述TDM的温度以在所述ICCB中产生额外的空腔。5.如权利要求2所述的方法，其中制备所述ICCB的所述方法包括额外的步骤：如果所述原料的TDM含量大于0％，则将所述形成的揉好的陶土加热至足以热分解所述TDM的温度以在所述ICCB中产生空腔。6.如权利要求5所述的方法，其中制备所述ICCB的所述方法包括额外的步骤：如果所述原料的SM含量大于0％，则用合适的溶剂处理部分空化的揉好的陶土以溶解所述SM，以在所述ICCB中产生额外的空腔。7.如权利要求1所述的方法，其中形成所述揉好的陶土的所述步骤包括模制过程。8.如权利要求1所述的方法，其中形成所述揉好的陶土的所述步骤包括挤出过程。9.如权利要求8所述的方法，其中所述挤出过程包括在所述陶瓷体中形成通道。10.如权利要求1所述的方法，其中所述TDM是天然存在的材料。11.如权利要求10所述的方法，其中所述TDM是碳。12.如权利要求11所述的方法，其中所述碳是粉末的形式。13.如权利要求12所述的方法，其中碳粉是在所述揉好的陶土的重量的2％到25％之间。14.如权利要求1所述的方法，其中所述TDM是合成产生的材料。15.如权利要求14所述的方法，其中所述TDM是塑料。16.如权利要求14所述的方法，其中所述TDM是聚苯乙烯。17.如权利要求14所述的方法，其中所述TDM是丙烯酸一甲酯。18.如权利要求1所述的方法，其中所述TDM是随机成形的颗粒。19.如权利要求1所述的方法，其中所述TDM是随机尺度的颗粒。20.如权利要求1所述的方法，其中所述TDM是几何形状确定的颗粒。21.如权利要求1所述的方法，其中所述TDM是有形体。22.如权利要求21所述的方法，其中所述有形体是纤维聚集体。23.如权利要求1所述的方法，其中所述SM是天然存在的材料。24.如权利要求1所述的方法，其中天然存在的材料SM是石膏，且溶解溶剂是水。25.如权利要求1所述的方法，其中所述SM是合成产生的材料，且所述合成产生的材料是单体或聚合物或其他共混的材料。26.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔马克圣路易斯，
申请(专利权)人：丹尼尔马克圣路易斯，
类型：发明
国别省市：US[美国]