一种三元催化器衬垫改性材料的改性方法与流程

本发明涉及汽车配件技术领域，尤其涉及一种三元催化器衬垫改性材料的改性方法。

背景技术：

汽车是现阶段人们出行的必要工具之一，但汽车运行过程中，燃烧化石燃料，排放的尾气中具有氮氧化物、硫氧化物、一氧化碳、碳氢化合物以及固体悬浮颗粒，导致大气污染。

为减少汽车尾气对大气的污染，汽车在尾气排放系统中普遍装备三元催化器。三元催化器分金属壳体、衬垫和载体三部分。衬垫包裹着载体置于金属壳体中，其中衬垫起到固定、缓冲、保温降噪以及密封防止尾气溢出的作用。

随着三元催化器使用的陶瓷块体目数增多，壁厚相应减小，使得陶瓷载体强度较小。由于衬垫材料是填充在陶瓷载体和金属外壳之间的空隙中，所以衬垫的设计时所使用的材料应考虑到既能使之适合较广的操作温度范围，又应能够在固定载体的同时降低衬垫所产生的压力，以免使薄壁载体破碎。

衬垫需要保证三元催化器正常工作，就会长期处于高温氧化环境中，则衬垫的材料应当具备在此类条件下的稳定性。制作衬垫的材料有金属、玻璃纤维或者硅酸铝纤维，根据材料性质的不同，三元催化器的衬垫可以分为膨胀和非膨胀两类。

传统的膨胀衬垫中含有蛭石，这是一种层状结构的硅酸盐。蛭石因为在加热至200～30摄氏度后会沿晶体的c轴产生蠕虫似的剥落而得名，这种矿物具有很高的热膨胀率，在受热到300摄氏度左右时会膨胀十几倍左右，并且发生弯曲。

由于蛭石膨胀率较大可能会在加热的情况下对薄壁产生较大的压力，指使载体破碎或者失效，因此不含蛭石的非膨胀型衬垫开始逐步使用。以玻璃纤维、硼纤维、陶瓷纤维为代表的无机纤维相较于有机高分子纤维具有更高的强度以及高温机械性能，因此在衬垫中取得广泛应用。

莫来石纤维作为一种新型氧化铝基陶瓷纤维，拥有在高温氧化环境中热稳定性、抗蠕变、抗热冲击性能好，热膨胀系数低等优异特性，其制成的衬垫材料能够满足汽车三元催化器正常工作所需要的保温隔热、减震耐磨效果，保证载体负载的催化剂的使用温度，保护与固定载体。但是，即使是通过化学方法制造出来的较均一的莫来石纤维，若用于后续成型制毡工序，仍需对其表面进行处理，目的是在纤维表面被覆一层保护膜，方可在成型过程中遇到机械摩擦等情况时保护纤维，防止纤维出现断裂、表面毛糙，增加纤维间的粘结作用，以提高纤维成型的效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种三元催化器衬垫改性材料及改性方法，能够使得莫来石纤维更加适合三元催化器衬垫的制造。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

三元催化器衬垫改性材料的改性方法，包括：

(1)在pH值3.0-5.0的条件下，使硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷和γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷水解；

(2)在步骤(1)得到的溶液中添加聚乙二醇400单油酸酯润滑剂、聚丙烯酸成膜剂、十二烷基硫酸钠，形成浸润溶液，将莫来石纤维浸入浸润溶液，浸润温度为50℃-75℃，浸润时间为20-60min；

(3)干燥成型。

优选的，所述偶联剂质量含量为0.4-0.8％，成膜剂质量含量为18-22％，润滑剂质量含量为0.8-1.4％。

硅烷偶联剂在使用前需要在酸性条件下水解(pH＝3.0～5.0),，其烷氧基参与反应生成乙醇和硅醇，硅醇的羟基部分相互之间或者与纤维表面的-Si-OH进行醚化反应形成Si-O-Si结构，从而接枝到纤维表面。之后，硅烷偶联剂的另一端的活性基团与浸润剂中的有机成分反应，这样就达到了接枝目的。

实验结果表明，随着温度的升高，纤维表面的被覆量呈上升趋势，但超过75℃后，被覆量有明显的下降，说明温度太高反而会使纤维表面的接枝活性降低，不利于丙烯酸在纤维表面的被覆。浸润时间长短对纤维表面的被覆量影响不是很大，但被覆量呈现先增大又趋于平稳的过程，此时纤维表面接枝过程已经达到饱和，纤维表面空间位阻较大，已无活性位可供接枝，则浸润剂处理时间不宜太长。丙烯酸在浸润剂中的含量对于纤维表面被覆效果影响较明显，随着含量的增加，纤维表面的被覆量也在增加。随着丙烯酸含量的增加，浸润剂被覆在纤维表面的厚度增加，并且由于浸润剂的作用纤维之间发生了胶粘，有利于纤维在后续加工中的成型与保护。

热重-差热分析图显示，纤维表面被覆的浸润剂成分随着温度的升高有两处较明显的失重，分别在350-400℃之间以及450-500℃之间，对应的热流曲线有两个放热峰，说明此处为浸润剂中有机物组分的分解。在常温到600℃的温度区间内，纤维表面除有机物分解失重对应的放热峰外，没有象征纤维晶体结构变化的峰，说明纤维在此过程中性质稳定。通过红外光谱分析可以直观地判断接枝过程中特征基团的变化。通过Si-O伸缩振动吸收峰的变化来判断硅烷偶联剂在材料表面是否通过醚化而形成起到连接作用的结构。红外图谱对比结果显示，纤维表面的Si-O-Si伸缩振动吸收峰增强，说明偶联剂水解后的产物硅醇与纤维表面接枝形成Si-O-Si结构。经过浸润剂改性的纤维在波数为1730cm^-1处的地方有明显的吸收峰出现，此处是C＝0双键的伸缩振动特征峰，对应的应为丙烯酸结构中的C＝O双键，说明丙烯酸已被覆在纤维表面。

本发明通过对莫来石纤维进行改性，使得其性能提升，更适用于三元催化器衬垫。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

三元催化器衬垫改性材料的改性方法，包括：

(1)在pH值3.0的条件下，使硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷和γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷水解；

(2)在步骤(1)得到的溶液中添加聚乙二醇400单油酸酯润滑剂、聚丙烯酸成膜剂、十二烷基硫酸钠，形成浸润溶液，将莫来石纤维浸入浸润溶液，浸润温度为50℃，浸润时间为20min；

(3)干燥成型。

优选的，所述偶联剂质量含量为0.4％，成膜剂质量含量为18％，润滑剂质量含量为0.8％。

实施例2

三元催化器衬垫改性材料的改性方法，包括：

(1)在pH值5.0的条件下，使硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷和γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷水解；

(2)在步骤(1)得到的溶液中添加聚乙二醇400单油酸酯润滑剂、聚丙烯酸成膜剂、十二烷基硫酸钠，形成浸润溶液，将莫来石纤维浸入浸润溶液，浸润温度为75℃，浸润时间为60min；

(3)干燥成型。

优选的，所述偶联剂质量含量为0.6％，成膜剂质量含量为20％，润滑剂质量含量为1.0％。

实施例3

三元催化器衬垫改性材料的改性方法，包括：

(1)在pH值4.0的条件下，使硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷和γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷水解；

(2)在步骤(1)得到的溶液中添加聚乙二醇400单油酸酯润滑剂、聚丙烯酸成膜剂、十二烷基硫酸钠，形成浸润溶液，将莫来石纤维浸入浸润溶液，浸润温度为65℃，浸润时间为40min；

(3)干燥成型。

优选的，所述偶联剂质量含量为0.8％，成膜剂质量含量为22％，润滑剂质量含量为1.4％。