专利名称：用在污染控制装置中的多层垫的制作方法
技术领域：
本发明公开了一种用于在污染控制装置内安装污染控制元件的多层垫。
背景机动车上利用污染控制装置以减少大气污染。目前有两种装置得到广泛应用催化转化器和柴油机微粒过滤器或捕集器。催化转化器中包含一种或多种催化剂，它们通常涂布在整体结构的表面上。所述整体结构通常是陶瓷的，尽管金属整体结构也已得到了应用。催化剂氧化一氧化碳和碳氢化合物，或还原废气中的氮氧化物。柴油机微粒过滤器或捕集器通常是壁流过滤器的形式，其具有由多孔结晶陶瓷材料制备的蜂窝状整体结构。在这些污染控制装置的现有构造中，每种类型的整体结构都包在金属外壳中。
防护性填充材料通常置于整体结构和金属外壳之间，以防止整体结构因在路上颠簸和震动而受到损坏，从而弥补金属外壳和整体结构间的热膨胀差异，并防止废气从整体结构和金属外壳之间通过。放置防护性填充材料的过程称作“罐封”，包括如下步骤将糊状物注入整体结构和金属外壳之间的空隙中，或者在整体结构外面包裹一层片状材料(即，安装垫)，将包裹好的整体结构塞入外壳中，压缩外壳封闭，和沿外壳侧缘焊接凸缘。
通常，用来形成常规防护性填充材料的组合物包括玻璃或耐火陶瓷纤维，提供诸如耐高温、良好处理性、弹性高、柔韧性高和强度高等性质。还可以包含膨胀性材料，使防护性填充材料在高温时容积膨胀。这种膨胀有助于在使用中将整体结构固定在适当位置。
概述本发明提供多层垫、含有多层垫的污染控制装置和制造多层垫的方法。更具体而言，多层垫包括夹在两个膨胀层之间的非膨胀层。
在一个方面中，提供一种多层垫，其包括至少三层具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面的非膨胀层，其中非膨胀层包括无机纤维；面向非膨胀层第一主表面的第一膨胀层，其中第一膨胀层是多层垫的第一外层；和面向非膨胀层第二主表面的第二膨胀层，其中第二膨胀层是多层垫的第二外层。
在另一个方面中，提供一种污染控制装置，其包括第一金属外壳，第一金属外壳内的污染控制元件和置于第一金属外壳和污染控制元件之间的多层垫。多层垫包括至少三层具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面的非膨胀层，其中非膨胀层包括无机纤维；面向非膨胀层第一主表面的第一膨胀层，其中第一膨胀层是多层垫的第一外层；和面向非膨胀层第二主表面的第二膨胀层，其中第二膨胀层是多层垫的第二外层。在一些实施方案中，污染控制装置位于第二金属外壳内，如消声器，和废气在第一金属外壳和第二金属外壳之间通过。
在另一个方面中，提供一种形成多层垫的方法。提供一种膨胀层，其包括第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面。第一膨胀层面向膨胀层的第一主表面，其中第一膨胀层是多层垫的第一外层。第二膨胀层面向膨胀层的第二主表面，其中第二膨胀层是多层垫的第二外层。
本文中，术语″一种(a)″，″一种(an)″，和″该(the)″与″至少一种(atleast one)″交换可用，用于指所述的一种或多种成分。
附图简述通过下面结合附图对本发明的各种实施方案所作的详细描述，可以更完整地理解本发明，在附图中
图1是多层垫一个实施方案的示意性截面图。
图2是本发明实施方案的催化转化器的示意性立体图，所示为分解图。
图3是本发明实施方案的柴油机微粒过滤器沿中心线的径向剖面图。
图4是污染控制装置的示意性剖视图，其中废气在第一金属外壳和第二金属外壳间通过。
尽管本发明具有各种变化和替代形式，但附图仍例举了其细节，下面对这些细节将进行详细描述。然而，应当理解，这种描述无意使本发明受限于所描述的具体实施方案。相反，本发明涵盖符合本发明精神和范围的所有变化、等价物和替代形式。
详细说明在本发明一个方面中，提供一种多层垫，其包括至少三层具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面的非膨胀层，其中非膨胀层含有无机纤维；面向非膨胀层第一主表面的第一膨胀层，其中第一膨胀层是多层垫的第一外层；和面向非膨胀层第二主表面的第二膨胀层，其中第二膨胀层是多层垫的第二外层。即，非膨胀层夹在两个膨胀层之间，多层垫的每一外层含有膨胀材料。
图1是多层垫100的一个实施方案。多层垫100包括按如下顺序排列的三层第一膨胀层110，含有无机纤维的非膨胀层120，和第二膨胀层130。尽管图1显出了仅有三层的多层垫，但是可以存在另外的层，只要多层垫的外层是膨胀层即可。多层垫例如可以具有两个或多个相邻的膨胀层，两个或多个相邻的非膨胀层，或交替的非膨胀和膨胀层。
多层垫的一些具体例子包括但不限于按如下顺序排列的各层膨胀/非膨胀/膨胀/非膨胀/膨胀；膨胀/膨胀/非膨胀/膨胀；和膨胀/非膨胀/非膨胀/膨胀等。所有这些例子都包括夹在两个膨胀层之间的非膨胀层。此外，所有这些例子都包括膨胀外层。
本文中，″膨胀″指在加热到约800℃～约900℃的温度下厚度表现出至少10％自由膨胀的材料。当加热到这些温度时，一些膨胀材料厚度具有至少12％，至少15％，或至少20％的自由膨胀。在至少约400℃或至少约500℃的温度下，膨胀材料通常至少在某种程度上膨胀。自由膨胀指当加热时材料在Z-轴上的膨胀量不受限制。
本文中，″非膨胀″指在相同条件下厚度表现出小于10％自由膨胀的材料。当加热时非膨胀材料膨胀小于8％，小于6％，小于4％，小于2％，或小于1％。
多层垫包括夹在两个膨胀层之间的非膨胀层。非膨胀层含有无机纤维。可以选择适于污染控制装置用安装垫的任何无机纤维。例如，无机纤维可以是氧化铝纤维，富铝红柱石纤维，石英纤维，碳化硅纤维，氮化硅纤维，金属纤维，铝硅酸盐纤维，镁铝硅酸盐纤维，铝硼硅酸盐纤维，氧化锆纤维，氧化钛纤维等。纤维可以是无定形纤维、结晶纤维或其组合。
石英纤维以商品名″ASTROQUARTZ″由J.P.Stevens，Inc.(Slater，NC)市售。碳化硅纤维由Nippon Carbon(Tokyo，Japan)以商品名″NICALON″市售或由Textron Specialty Materials(Lowell，MA)以商品名″TYRANNO″市售。氮化硅纤维由Toren Energy International Corp.(New York，NY)市售。金属纤维由Beckaert(Zweregan，Belgium)以商品名″BEKI-SHELD GR 90/C2/4″市售和由Ribbon Technology Corp.(Gahana，OH)以商品名″RIBTEC″市售。
在非膨胀层的一些实施方案中，无机纤维是玻璃纤维。本文中，术语″玻璃纤维″指从已经冷却但没有大量结晶的无机熔化材料制备的无机纤维。使用x-射线衍射或透射电子显微镜技术测定玻璃纤维是无定形的。至少在一些应用中，玻璃纤维没有渣球(即，纤维含有不大于5wt.％渣球，不大于3wt.％渣球，不大于2wt.％渣球，不大于1wt.％渣球，或不大于0.5wt.％渣球)。本文中，术语″渣球″指非纤维粒子，可以是一些无机纤维形成过程中的副产物。
适合的玻璃纤维通常是镁铝硅酸盐纤维。这种玻璃纤维可以含有至少50wt.％SiO2，至少8wt.％Al2O3，和至少1wt.％氧化镁。例如，镁铝硅酸盐纤维可以含有50～70wt.％，50～60wt.％，60～70wt.％，或55～65wt.％SiO2；8～30wt.％，10～20wt.％，或20～30wt.％Al2O3；和1～15wt.％，1～12wt.％，1～10wt.％，或1～8wt.％氧化镁。可以存在另外的氧化物，如氧化钠，氧化钾，氧化硼，氧化钙等。
镁铝硅酸盐玻璃纤维的具体例子是E-玻璃纤维，S-玻璃纤维，S2-玻璃纤维和R-玻璃纤维。E-玻璃纤维通常含有约55wt.％SiO2，约11wt.％Al2O3，约6wt.％B2O3，约18wt.％CaO，约5wt.％MgO，和约5wt.％其他氧化物。S-玻璃和S2-玻璃纤维通常含有约65wt.％SiO2，约25wt.％Al2O3，和约10wt.％MgO。R-玻璃纤维通常含有约60wt.％SiO2，约25wt.％Al2O3，约9wt.％CaO，和约6wt.％MgO。E-玻璃纤维，S-玻璃纤维和S2-玻璃纤维由Advanced Glassfiber Yarns，LLC(Aiken，SC)和Owens-Corning Fiberglass Corp.(Granville，OH)市售。R-玻璃纤维由Saint-Gobain Vetrotex(Herzogenrath，Germany)市售。
非膨胀层中可以使用各种耐火陶瓷纤维。在一些实施方案中，陶瓷纤维是无定形的，主要含有Al2O3和SiO2。可以存在少量其他氧化物。Al2O3与SiO2的重量比(Al2O3∶SiO2)通常大于或等于20∶80，30∶70，35∶65，40∶60，45∶55，50∶50，55∶45，60∶40或70∶30。陶瓷纤维通常包括至少30wt.％SiO2和至少20wt.％Al2O3。例如，按纤维重量计，适合的陶瓷纤维可以含有30～80wt.％的SiO2和20～70wt.％的Al2O3。在一些具体例子，按纤维重量计，陶瓷纤维可以含有40～60wt.％的SiO2和40～60wt.％的氧化铝。在其他具体例子中，按纤维重量计，陶瓷纤维可以含有45～55wt.％的SiO2和45～55wt.％的Al2O3。
示例性无定形陶瓷纤维包括但不限于由Thermal Ceramics(Augusta，GA)以商品名″KAOWOOL HA BULK″市售的那些，按纤维重量计含有50wt.％SiO2和50wt.％Al2O3；由Thermal Ceramics以商品名″CERAFIBER″市售的那些，按纤维重量计含有54wt.％SiO2和46wt.％Al2O3；由Thermal Ceramics以商品名″KAOWOOL D73F″市售的那些，按纤维重量计含有54wt.％SiO2和46wt.％Al2O3；由Rath(Wilmington，DE)以商品名″RATH 2300RT″市售的那些，按纤维重量计含有52wt.％SiO2，47wt.％Al2O3，和不大于1wt.％Fe2O3、TiO2和其他氧化物；由Rath以商品名″RATH ALUMINO-SILICATE CHOPPED FIBER″市售的那些，按纤维重量计含有54wt.％SiO2，46wt.％Al2O3，和不大于1wt.％其他氧化物；由Vesuvius(Buffalo，NY)以商品名″CER-WOOL RT″市售的那些，按纤维重量计含有49～53wt.％SiO2，43～47wt.％Al2O3，0.7～1.2wt.％Fe2O3，1.5～1.9wt.％TiO2，和不大于1wt.％其他氧化物；由Vesuvius以商品名″CER-WOOL LT″市售的那些，按纤维重量计含有49～57wt.％SiO2，38～47wt.％Al2O3，0.7～1.5wt.％Fe2O3，1.6～1.9wt.％TiO2，和0～0.5wt.％其他氧化物；和由Vesuvius以商品名″CER-WOOLHP″市售的那些，按纤维重量计含有50～54wt.％SiO2，44～49wt.％Al2O3，0～0.2wt.％Fe2O3，0～0.1wt.％TiO2，和不大于0.5wt.％其他氧化物。
在其他实施方案中，陶瓷纤维是无定形的，主要含有SiO2，Al2O3，和ZrO2。可以存在少量其他氧化物。Al2O3与SiO2的重量比(Al2O3∶SiO2)大于或等于20∶80，30∶70，35∶65，40∶60，45∶55，50∶50，55∶45，60∶40，或70∶30。按纤维重量计，纤维含有至少3wt.％ZrO2，至少30wt.％SiO2，和至少20wt.％Al2O3。在一些实施方案中，按纤维重量计，纤维含有5wt.％以下，7wt.％以下，10wt.％以下，12wt.％以下，15wt.％以下，16wt.％以下，20wt.％以下，或25wt.％以下的ZrO2。按纤维重量计，陶瓷纤维可以含有30～70wt.％，40～65wt.％，45～60wt.％，45～55wt.％，或50～60wt.％的SiO2。按纤维重量计，陶瓷纤维可以含有20～60wt.％，25～50wt.％，25～45wt.％，25～40wt.％，25～35wt.％，30～50wt.％，或30～40wt.％的Al2O3。在一些具体例子，按纤维重量计，陶瓷纤维含有25～50wt.％Al2O3，40～60wt.％SiO2，和3～20wt.％ZrO2。在其他具体例子中，按纤维重量计，陶瓷纤维含有30～40wt.％Al2O3，45～60wt.％SiO2，和5～20wt.％ZrO2。
含有SiO2，Al2O3和ZrO2的示例性无定形陶瓷纤维是由ThermalCeramics(Augusta，GA)以商品名″KAOwOOL ZR″和″CERACHEM″市售的那些，按纤维重量计含有50wt.％SiO2，35wt.％Al2O3，和15wt.％ZrO2；由Unifrax(Tonawonda，NY)以商品名″UNIFRAX FIBERFRAXFIBERMAT″市售的那些，按纤维重量计含有52～57wt.％SiO2，29～47wt.％Al2O3，和不大于18wt.％ZrO2；由Unifrax以商品名″UNIFRAX FIBERFRAX DURABACK″市售的那些，按纤维重量计含有50～54wt.％SiO2，31～35wt.％Al2O3，5wt.％ZrO2，1.3wt.％Fe2O3，1.7wt.％TiO2，0.5wt.％MgO，和不大于7wt.％CaO；由Rath(Wilmington，DE)以商品名″RATH 2600HTZ″市售的那些，按纤维重量计含有48wt.％SiO2，37wt.％Al2O3，15wt.％ZrO2，和不大于1wt.％其他氧化物；和由Vesuvius(Buffalo，NY)以商品名″CER-WOOL HTZ″市售的那些，按纤维重量计含有44～51wt.％SiO2，33～37wt.％Al2O3，13～19wt.％ZrO2，0.1～0.6wt.％Fe2O3，0.1～0.6wt.％TiO2，和不大于1wt.％其他氧化物。
在非膨胀层的一些实施方案中，使用热机械分析仪(TMA)测试，陶瓷纤维其体积收缩率不大于10％，不大于8％，不大于6％，不大于4％，不大于3％，不大于2％，或不大于1％。陶瓷纤维通常收缩至少0.5％。在一些实施方案中，陶瓷纤维其体积收缩率为0.5～2％，0.5～3％，0.5～5％，或0.5～6％。
在TMA测试中，将负载下的样品(例如，50psi或345N/m2)加热到1000℃，然后冷却。在750℃的加热和冷却循环中测量样品的厚度，以计算收缩百分比。收缩百分比等于在加热和冷却步骤中在750℃下的厚度之差乘以100，再除以在加热步骤中在750℃下的厚度。TMA测试用于表征陶瓷纤维或从陶瓷纤维制备的非膨胀层。在热机械分析仪的温度到达750℃时，除去在非膨胀层中可能存在的大部分或所有有机材料。
所提供的体积收缩率不大于10％的陶瓷纤维的例子(即，未经热处理而提供的纤维)包括但不限于结晶的纤维以及含有Al2O3和SiO2的纤维。Al2O3与SiO2的重量比(Al2O3∶SiO2)可以大于或等于60∶40，65∶35，70∶30，72∶28，75∶25，80∶20，90∶10，95∶5，96∶4，97∶3，或98∶2。在一些具体例子，按纤维重量计，陶瓷纤维含有60～98wt.％Al2O3和2～40wt.％SiO2。在其他具体例子中，按纤维重量计，陶瓷纤维含有70～98wt.％Al2O3和2～30wt.％SiO2。可以存在痕量其他氧化物。本文中，术语″痕量″指量不大于2wt.％，不大于1wt.％，或不大于0.5wt.％。
结晶的且体积收缩率不大于10％的适合陶瓷纤维包括但不限于由Mitsubishi Chemical(Tokyo，Japan)以商品名″MAFTEC″(例如，MLS1，MLS2，和MLS3)市售的那些，按纤维重量计含有28wt.％SiO2和72wt.％Al2O3；由Saffil Limited(Widness Cheshire，U.K.)以商品名″SAFFIL″(例如，SF，LA Bulk，HA Bulk，HX Bulk)市售的那些，按纤维重量计含有3～5wt.％SiO2和95～约97wt.％Al2O3；和由Unifrax(Tonawonda，NY)以商品名″UNIFRAX FIBERFRAX FIBERMAX″市售的那些，按纤维重量计含有27wt.％SiO2和72wt.％Al2O3。
所提供的结晶的且体积收缩率不大于10％的陶瓷纤维的其他例子是铝硼硅酸盐纤维。按纤维重量计，这些纤维通常含有至少50wt.％的Al2O3，不大于50wt.％的SiO2，和不大于25wt.％的B2O3。按纤维重量计，更具体的铝硼硅酸盐纤维含有50～75wt.％Al2O3，25～50wt.％SiO2，和1～25wt.％B2O3。这种铝硼硅酸盐纤维以商品名″NEXTEL 312″和″NEXTEL 440″由3M Company(St.Paul，MN)市售。
制造商所提供的结晶的且体积收缩率不大于10％的陶瓷纤维中的至少一些是使用溶胶-凝胶法制备的。在溶胶-凝胶法中，通过对溶液、分散体或粘性浓缩物进行纺丝或挤出而形成陶瓷纤维。美国专利3,760,049(Borer等人)中进一步描述了溶胶-凝胶法，包括通过小孔挤出溶液、分散体或浓缩物，形成绿色纤维(green fiber)，经烧制形成陶瓷纤维。溶液、分散体或浓缩物含有在纤维中的氧化物或氧化物的前体。
在一些实施方案中，市售无定形陶瓷纤维可被热处理，以提供体积收缩率不大于10％的陶瓷纤维。通常从Al2O3和SiO2的混合物或Al2O3和SiO2与其他氧化物如B2O3、P2O5或ZrO2的混合物熔喷或熔纺形成可以被热处理以提供体积收缩率不大于10％的纤维的陶瓷纤维。可被热处理的示例性无定形陶瓷纤维包括但不限于由ThermalCeramics(Augusta，GA)以商品名″KAOWOOL HA BULK″，″CERAFIBER″，″KAOWOOL D73F″，″KAOWOOL ZR″，或″CERACHEM″市售的陶瓷纤维；由Rath(Wilmington，DE)以商品名″RATH 2300 RT″，″RATH ALUMINO-SILICIATE CHOPPED FIBER″，或″RATH 2600HTZ″市售的陶瓷纤维；由Vesuvius(Buffalo，NY)以商品名″CER-WOOL RT″，″CER-WOOL LT″，或″CER-WOOL HTZ″，或″CER-WOOL HP″市售的陶瓷纤维；和由Unifrax(Tonawonda，NY)以商品名″UNIFRAX FIBERFRAX FIBEMAT″或″UNIFRAX FIBERFRAXDURABACK″市售的陶瓷纤维。
在热处理过程中，陶瓷纤维易于析晶(即，至少部分地从无定形态变化到微晶或结晶态)。通常，仅有单根陶瓷纤维的部分发生析晶。即，热处理后，单根陶瓷纤维含有无定形材料以及结晶材料，微晶材料，或结晶和微晶材料的组合。
诸如透射电子显微镜技术和x-射线衍射等技术可用于表征无机纤维的无定形、结晶或微晶性质。本文中，术语″无定形″指没有结晶或微晶区域的无机纤维。如果无机纤维是无定形的，那么使用透射电子显微镜技术或x-射线衍射均检测不到衍射峰(即，没有衍射图案)。如果无机纤维含有较小结晶尺寸(即，微晶)的区域，那么使用透射电子显微镜技术可以检测到衍射峰(即，衍射图案)，但使用x-射线衍射检测不到。本文中，术语″微晶″指至少一些区域具有结晶性质，且可以用透射电子显微镜技术检测到晶体尺寸，而用x-射线衍射检测不到的无机纤维。如果无机纤维含有较大结晶尺寸(即，结晶)的区域，那么可以使用x-射线衍射得到衍射图案。本文中，术语″结晶″指至少一些区域具有结晶性质，且可以用x-射线衍射检测到晶体尺寸的无机纤维。可使用x-射线衍射检测到的最小晶体尺寸通常得到较宽的衍射图案，而没有精确的峰。峰越窄表明结晶尺寸越大。衍射峰的宽度可用于确定结晶尺寸。结晶的无机纤维通常是多晶的，而不是单晶的。
在一些应用中，在至少700℃的温度下热处理陶瓷纤维。例如，在至少800℃的温度下，在至少900℃的温度下，在至少1000℃的温度下，或在至少1100℃的温度下热处理陶瓷纤维。适合的热处理温度可以根据陶瓷纤维的组成和陶瓷纤维保持在热处理温度下的时间而变化。适合的热处理方法和适合的热处理陶瓷纤维进一步公开在例如国际专利申请WO 99/46028(Fernando等人)和美国专利5,250,269(Langer)中。
对于在热处理过程中形成的晶体或微晶体尺寸存在一种时间-温度关系。例如，陶瓷纤维可以在低温下热处理较长时间或在高温下热处理较短时间，以得到可比较状态的结晶或微晶。热处理温度下的时间可以为1小时以下，40分钟以下，30分钟以下，20分钟以下，10分钟以下，5分钟以下，3分钟以下，或2分钟以下。例如，可以选择热处理温度，以使用相对较短的热处理时间如10分钟以下。
可以选择热处理温度高于析晶温度(即，陶瓷纤维从无定形材料变化到微晶或结晶材料时的温度)至少20℃，至少30℃，至少40℃，至少50℃，至少60℃，至少70℃，至少80℃，至少90℃，或至少100℃。可以使用例如差热分析(DTA)等技术测定陶瓷纤维的适合热处理时间和温度。Al2O3-SiO2纤维的温度通常为700℃～1200℃，800℃～1200℃，900℃～1200℃，或950℃～1200℃。
完全无定形的陶瓷纤维通常比含有微晶、结晶或其组合区域的陶瓷纤维收缩更大。至少部分是结晶或微晶的陶瓷纤维可用于制造安装垫，可以反复加热到适用于污染控制装置的温度，然后冷却。微晶或结晶陶瓷纤维倾向于抵抗进一步收缩，而收缩对非膨胀层有负面影响。
对于经热处理的陶瓷纤维，纤维的脆度可以与低体积收缩率特性平衡。结晶或微晶陶瓷纤维比无定形陶瓷纤维更易碎。从结晶或微晶陶瓷纤维制备的非膨胀层比从无定形纤维制备的绝缘层更易碎裂。另一方面，结晶或微晶陶瓷纤维比无定形陶瓷纤维具有更低的体积收缩率。
无机纤维的平均直径通常是至少3微米，至少4微米，至少5微米，至少6微米，或至少7微米。无机纤维通常平均直径不大于20微米，不大于18微米，不大于16微米，或不大于14微米。在一些实施方案中，至少60wt.％的无机纤维其平均直径为在3微米内的平均直径。例如，至少70wt.％，至少80wt.％，或至少90wt.％的无机纤维其平均直径为在3微米内的平均直径。
按非膨胀层重量计，非膨胀层还含有20wt.％以下的有机粘合剂。在一些实施方案中，按非膨胀层重量计，有机粘合剂存在量为10wt.％以下，5wt.％以下，或3wt.％以下。当在高温如污染控制装置通常所经受的温度下使用含有非膨胀层的多层垫时，有机粘合剂通常被烧掉。
适合的有机粘合剂材料可以包括含水聚合物乳状液，溶剂基聚合物和无溶剂聚合物。含水聚合物乳状液可以包括乳胶形式的有机粘合剂聚合物和弹性体(例如，天然橡胶晶格，苯乙烯-丁二烯晶格，丁二烯-丙烯腈晶格，和丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯聚合物或共聚物晶格)。溶剂基聚合粘合剂材料可以包括聚合物，如丙烯酸类，聚氨酯，乙酸乙烯酯，纤维素，或橡胶基有机聚合物。无溶剂聚合物可以包括天然橡胶，苯乙烯-丁二烯橡胶，和其他弹性体。
在一些实施方案中，有机粘合剂材料包括含水丙烯酸类乳状液。有利的是，丙烯酸类乳状液具有良好的老化性能和非腐蚀性燃烧产物。适合的丙烯酸类乳状液可以包括但不限于市售产品，如以商品名″RHOPLEX TR-934″(含有44.5wt.％固体的含水丙烯酸类乳状液)和″RHOPLEX HA-8″(含有45.5wt.％固体的丙烯酸类共聚物的含水乳状液)由Rohm and Hass(Philadelphia，PA)出售的那些；以商品名″NEOCRYL XA-2022″(含有60.5％固体的丙烯酸类树脂的含水分散体)由ICI Resins US(Wilmington，MA)出售的那些；和以商品名″AIRFLEX600BP DEV″(含有55wt.％固体的乙烯丙烯酸乙烯基酯三聚物的含水乳状液)由Air Products and Chemical，Inc.(Philadelphia，PA)出售的那些。
有机粘合剂也可以包括增塑剂，增粘剂或其组合。增塑剂可以软化聚合物基质，并增强膨胀层的柔韧性和可模塑性。例如，有机粘合剂可以包括增塑剂，如以商品名″SANTICIZER 148″由Monsanto(St.Louis，MO)市售的异癸基二苯基二磷酸酯。增粘剂或增粘树脂可以有助于将绝缘材料粘到一起。适合的增粘剂的例子由Eka Nobel，Inc.(Toronto，Canada)以商品名″SNOWTACK 810A″市售。
非膨胀层也可以含有其他材料，如但不限于增塑剂，润湿剂，分散剂，消泡剂，乳胶凝结剂和杀菌剂。可以加入填料，如玻璃粒子，碳酸钙，膨胀的蛭石，分层的蛭石，云母，珍珠岩，三水合铝，六水合磷酸镁，硼酸锌和氢氧化镁。此外，可以加入无机粘合剂如粘土，斑脱土和胶体氧化硅。
非膨胀层也可以含有有机纤维，例如丙烯酸类，纤维素，聚烯烃，聚乙烯醇，聚酯或其组合。纤维可以是人造短纤维或原纤化纤维。有用的人造短纤维通常尺寸约0.5～5旦尼尔。尺寸1.5旦尼尔/丝的适合人造丝纤维由Minifiber，Inc.(Johnson City，TX)市售。适合的聚乙烯醇纤维由Kuraray Americas，Inc.(New York，NY)以商品名″KURALON″市售。丙烯酸类纤维浆以商品名″CFF″由Cytek Industries，Inc.(WestPaterson，NJ)市售。
至少在一些实施方案中，适合的非膨胀层可包括10～99.5wt.％的无机纤维和0.5～20wt.％的有机粘合剂。例如，非膨胀层可以含有20～99.5wt.％的无机纤维，0.5～20wt.％的有机粘合剂，和60wt.％以下的无机粘合剂或填料。
含有热处理的铝硅酸盐陶瓷纤维的适合非膨胀层由3M Company(St.Paul，MN)以商品名″INTERAM 900HT″市售。这种垫子其体积密度约0.25g/cm3，和重量/单位面积约1020～约2455g/m2。其他适合的非膨胀层包括由3M Company以商品名″INTERAM 1100HT″和″INTERAM 1101HT″市售的那些。这些垫子其体积密度约0.15g/cm3，重量/单位面积约440～约2100g/m2。包括镁铝硅酸盐玻璃纤维的其他适合的非膨胀层由3M Company以商品名″INPE 571.02″市售。这种垫子其体积密度为0.12g/cm3，重量/单位面积约600～约1400g/m2。针粘垫子由Mitsubishi Chemical Company，Tokyo，Japan以商品名″MAFTECMLS-3″市售，体积密度约0.16g/cm3。按纤维重量计，这种垫子含有约72wt.％Al2O3和约28wt.％SiO2。
在多层垫中，非膨胀层夹在第一膨胀层和第二膨胀层之间。两个膨胀层的组成相同或不同。每个膨胀层含有至少一种膨胀材料。膨胀层还可以包括无机纤维，有机粘合剂，增塑剂，润湿剂，分散剂，消泡剂，乳胶凝结剂，杀菌剂，填料，无机粘合剂和有机纤维。
膨胀层用的适合膨胀材料的例子包括非膨胀蛭石、水黑云母、美国专利3,001,571(Hatch)所述可水溶胀合成的四氟化硅型云母、美国专利4,521,333(Graham等人)所述碱金属硅酸盐颗粒、可膨胀石墨或其组合。碱金属硅酸盐颗粒由3M Company(St.Paul，MN)以商品名″EXPANTROL 4BW″市售。可膨胀石墨以商品名″GRAFOIL GRADE338-50″由UCAR Carbon Co.，Inc.(Cleveland，OH)市售。非膨胀蛭石由Cometals Inc.(New York，NY)市售。在一些应用中，膨胀材料选自非膨胀蛭石、可膨胀石墨或其组合。
蛭石例如可以用盐处理，如磷酸二氢铵，硝酸铵，氯化铵；氯化钾，或本领域已知的其他可溶盐。这种处理基于离子交换反应。
至少在某种程度上取决于膨胀层的厚度，膨胀层使非膨胀层绝缘。因此，由于存在绝缘膨胀层，所以在多层垫的外层中所包括的会软化并收缩的无机纤维可用在内部非膨胀层中。取决于污染控制元件的操作温度和膨胀层厚度，在多层垫的非膨胀层中可以包括体积收缩率大于10％的陶瓷材料。
按膨胀层重量计，膨胀层通常含有至少5wt.％，至少10wt.％，至少20wt.％，至少40wt.％或至少60wt.％的膨胀材料。在一些实施例，按膨胀层重量计，膨胀层含有5wt.％～约85wt.％膨胀材料和不大于20wt.％有机粘合剂。一些但不是所有膨胀层还可以包括无机纤维。
在一些更具体例子中，按膨胀层重量计，膨胀层包括5～85wt.％的膨胀材料，0.5～15wt.％的有机粘合剂，和10～60wt.％的无机纤维。在其他例子中，按膨胀层重量计，膨胀层包括5～70wt.％的膨胀材料，0.5～10％的有机粘合剂，和30～45wt.％的无机纤维。在其他例子中，膨胀层包括20～65wt.％的膨胀材料，0.5～20wt.％的有机粘合剂，10～65wt.％的无机纤维，和40wt.％以下的无机填料或无机粘合剂。
适合的膨胀层由3M Company(St.Paul，MN)以商品名″INTERAM100″，″INTERAM 200″，″INTERAM 550″，和″INTERAM 2000LT″市售。这些垫子通常其体积密度约0.4～约0.7g/cm3，重量/单位面积约1050g/m2～约8140g/m2。另一种适合的膨胀层由3M COMPANY以商品名″INPE 570″市售。这种层通常其重量/单位面积约1050g/m2～约4070g/m2，含有符合欧洲未分类纤维规定的无机纤维。
在一些膨胀层中，包括生物可溶的无机纤维。含有生物可溶纤维的膨胀层进一步公开在国际专利申请公开WO 03/031368(Howorth)中。本文中，″生物可溶的无机纤维″指在生理介质或模拟生理介质中可分解的无机纤维。生理介质指但不限于通常存在于诸如动物或人类呼吸道等中的体液。
生物可溶的无机纤维通常包含无机氧化物，如Na2O、K2O、CaO、MgO、P2O5、Li2O和BaO，或者它们与二氧化硅的组合。其他金属氧化物或其他陶瓷组分尽管自身缺乏所需的溶解性，但也可以包含在生物可溶的无机纤维中，只要其含量足够低，使得纤维整体上仍然可以在生理介质中分解。这样的金属氧化物例如包括Al2O3，TiO2，ZrO2，B2O3和氧化铁。生物可溶的无机纤维也可以包含金属组分，其含量要使得纤维在生理介质或模拟生理介质中可分解。
在一个实施方案中，生物可溶的无机纤维包含氧化硅、氧化镁和氧化钙。这种类型的纤维通常称作钙镁硅酸盐纤维。钙镁硅酸盐纤维通常含有小于约10wt.％的氧化铝。适合的生物可溶的纤维可以包括45～90wt.％SiO2，45wt.％以下的CaO，35wt.％以下的MgO，和小于10wt.％Al2O3。例如，所述纤维可以含有约55～约75wt.％SiO2，约25～约45wt.％CaO，约1～约10wt.％MgO，和小于约5wt.％Al2O3。
示例性生物可溶的无机氧化物纤维公开于美国专利5,332,699(Olds等人)；5,585,312(TenEyck等人)；5,714,421(Olds等人)；和5,874,375(Zoitas等人)中。可以用各种方法形成生物可溶的无机纤维，包括但不限于溶胶-凝胶形成法、晶体生长法和熔体成形技术，如纺制或吹制。
生物可溶的无机纤维由Unifrax Corporation(Niagara Falls，NY)以商品名″INSULFRAX″市售。其他生物可溶的纤维由Thermal Ceramics(位于Augusta，GA)以商品名″SUPERWOOL″出售。例如，SUPERWOOL607含有60～70wt.％SiO2，25～35wt.％CaO，4～7wt.％MgO和痕量Al2O3。SUPERWOOL 607MAX可用于略微更高的温度下，并含有60～70wt.％SiO2，16～22wt.％CaO，12～19wt.％MgO和痕量Al2O3。
示例性膨胀层包括10～80wt.％的膨胀材料，5～80wt.％的生物可溶的无机纤维，和5～80wt.％的云母粘合剂。
本文中，″云母粘合剂″指这样的一种或多种云母类矿物质，可以将它们先润湿后干燥，形成自支撑内聚体。本文中，″自支撑″指云母粘合剂可以制成5cm×5cm×3mm的片状材料，它不含其他材料，使得在25℃和50％以下的相对湿度下捏住该干燥后片状材料的任何边缘，在水平状态下能够保持至少5分钟，而不会起皱或裂开。
本文中，术语“云母类矿物质”是指能劈裂成或以其他方式分离成平板或小板的一类矿物质。云母类矿物质包括但不限于膨胀蛭石、非膨胀蛭石和云母。云母类矿物质通常其平均纵横比(即，粒子的长度除以厚度)大于约3。云母类矿物质的粒度通常小于约150微米(例如，云母粘合剂包含能通过100目筛网的云母类矿物质)。在一些实施方案中，所述云母粘合剂包含粒度小于约150微米、平均纵横比大于约8或大于约10的云母类矿物质。
适合的云母粘合剂可以包含经过粉碎的云母类矿物质。本文中，“粉碎”是指用任何合适的方法对云母类矿物质进行加工，以减小其平均粒度。粉碎方法包括但不限于机械剪切稀的或浓的浆料、研磨、气流粉碎或辊磨。其他方法可以单独使用或结合粉碎法使用，用以减小粒度。例如，可以用热方法或化学方法使云母类矿物质膨胀，或者先膨胀后剥落。膨胀蛭石可以在水中剪切或用其他方法处理，形成分层蛭石颗粒或小片的水悬浮液。可以用例如高速剪切混合器如搅拌机进行充分剪切。
在一些实施方案中，云母粘合剂包括经过处理的蛭石(即经过膨胀、分层和粉碎的蛭石)。经处理的这种蛭石通常是不再能膨胀的。在其他实施方案中，云母粘合剂包含未经膨胀、未分层或只是部分膨胀和分层的蛭石，这种材料可以膨胀。
适合的云母粘合剂由W.R.Grace & Company市售，包含分层的蛭石粉末(商品名“VFPS”)和用化学方法剥落的蛭石的水分散体(商品名“MICROLITE”)。此外，膨胀蛭石薄片由W.R.Grace & Company(商品名“ZONELITE#5”)市售，可减小其粒度，形成云母粘合剂。
云母粘合剂可以包括粒度小于约150微米的蛭石，膨胀材料可以包括粒度大于约150微米的蛭石(不能通过100目筛网)。膨胀蛭石平均粒度大于约300微米。
在多层垫的一个实施方案中，非膨胀层含有玻璃纤维，膨胀层含有蛭石以及铝硅酸盐纤维。在多层垫的另一个实施方案中，非膨胀层含有基于TMA测试收缩不大于10％的陶瓷纤维，膨胀层含有蛭石以及基于TMA测试收缩不大于10％的陶瓷纤维。在多层垫的另一个实施方案中，非膨胀层含有玻璃纤维，膨胀层含有蛭石以及生物可溶的无机纤维。
边缘保护材料也可以加到多层垫中。边缘保护材料可以是美国专利5,008,086(Merry)中所述的缠绕边缘的不锈钢线。其他适合的边缘保护材料包括美国专利4,156,533(Close等人)中所述的编织或绳状玻璃，陶瓷或金属纤维。边缘保护材料也可以由EP 639 701 A1(Howorth等人)，EP 639 702 A1(Howorth等人)和EP 639 700 A1(Stroom等人)中公开的包括玻璃粒子的组合物形成。
多层垫中的各层厚度可以根据特定应用而变化。在一些实施方案中，非膨胀层的厚度大于第一膨胀层的厚度，大于第二膨胀层的厚度。在一些应用中，非膨胀层的厚度为多层垫总厚度的至少50％，至少55％，至少60％，至少65％，至少70％，至少75％，或至少80％。垫子的总体未压缩厚度通常不大于40mm，不大于36mm，不大于32mm，不大于30mm，不大于24mm，或不大于20mm。
在一些应用中，非膨胀层厚度为至少1mm，至少2mm，至少3mm，至少4mm，至少5mm，或至少6mm。非膨胀层的厚度通常小于30mm，小于20mm，或小于15mm。例如，非膨胀层的厚度可以是3～20mm，3～16mm，3～12mm，3～10mm，4～20mm，4～16mm，4～10mm，5～20mm，5～16mm，5～12mm，6～20mm，6～16mm，6～12mm，或6～10mm。所述厚度是指未压缩厚度。
膨胀层其厚度为至少0.5mm，至少0.8mm，至少1mm，或至少1.2mm。膨胀层厚度通常小于20mm，小于10mm，或小于5mm。例如，膨胀层厚度可以是0.5～10mm，0.5～8mm，0.5～6mm，0.5～5mm，0.5～3mm，0.5～2.5mm，0.5～2mm，0.8～3mm，1～3mm，1.2～3mm，1～2.5mm，或1～2mm。所述厚度是指未压缩厚度。
在多层垫中每个非膨胀层通常其体积密度约0.1g/cm3～约0.3g/cm3，而膨胀层其体积密度约0.4g/cm3～约0.7g/cm3。本文中，术语″体积密度″指未压缩的层或多层垫的密度。多层垫的体积密度取决于各层的厚度和组成，但通常约0.15g/cm3～约0.5g/cm3或约0.2g/cm3～约0.4cm3。在一些应用中，多层垫其压缩密度约0.3g/cm3～约1.0g/cm3或约0.5g/cm3～约0.9g/cm3。本文中，术语″压缩密度″指多层垫在污染控制装置组装后的密度(即，该术语指当垫子置于金属外壳和污染控制元件之间时垫子的密度)。
多层垫通常是柔韧性的。通常垫子可以在不破坏或破裂的情况下被处理，并包住污染控制装置中的污染控制元件。
在另一个方面中，提供一种形成多层垫的方法。提供的非膨胀层具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面。非膨胀层包括无机纤维。第一膨胀层面向膨胀层的第一主表面，其中第一膨胀层是多层垫的第一外层。第二膨胀层面向膨胀层的第二主表面，其中第二膨胀层是多层垫的第二外层。
在一些实施方案中，使用造纸法形成非膨胀层，膨胀层，或其组合。例如，可以通过形成无机纤维的含水浆料来制备非膨胀层。按浆料重量计，含水浆料通常含有30wt.％以下的固体(例如，按浆料重量计，浆料可以含有20wt.％以下或10wt.％以下的固体)。按浆料重量计，浆料通常含有至少1％固体(例如，浆料可以含有至少2wt.％或至少3wt.％固体)。在一些实施方案中，浆料可以含有1～10wt.％，2～8wt.％，或3～6wt.％的固体。较高固体是有利的，因为为制备压片仅需要除去少量水。然而，较高固体百分比的浆料更难于混合。
同样，可以通过形成膨胀材料的含水浆料来制备膨胀层。固体百分比可以与用于制备非膨胀层的相当。
每种含水浆料中所用的水可以是井水，地表水或经过处理除去杂质如盐和有机化合物的水。当在含水浆料中使用井水或地表水时，水中存在的盐(例如，钙盐和镁盐)用作无机粘合剂。在一些实施方案中，水是去离子水，蒸馏水或其组合。
在每种含水浆料组合物中还可以包括其他添加剂。这种添加剂可以是无机粘合剂，无机填料，消泡剂，絮凝剂，表面活性剂等。还可以包括强度增强剂，例如有机纤维。
可以使用造纸法制备整个多层垫。美国专利公开2001/0046456(Langer等人)中公开了一种这样的方法。可以制备含有膨胀材料的第一浆料，然后沉积在可渗透基底上。使沉积的第一浆料部分脱水，形成第一层。可以制备非膨胀并含有无机纤维的第二浆料，然后沉积在第一层的外表面上。使沉积的第二浆料部分脱水，形成第二层。可以制备含有膨胀材料的第三浆料，然后沉积在第二层的外表面上。使沉积的第三浆料至少部分脱水，形成第三层。在沉积最后层后，干燥垫子，除去至少一部分任何残留的水。例如，可以通过使垫子通过热辊来压缩和干燥垫子。
这种方法会使各层发生一些相互混合。各层的混合实际上用眼睛看不到，或混合程度是在两个相邻层间形成可见的边界或梯度层。使用这种方法，可以不使用粘合剂、缝线、针或钉而将各层结合到一起。
在其他实施方案中，将一个或多个膨胀层喷射在使用造纸法或可替换方法制备的非膨胀层表面上。
各层可以单独制造，然后结合到一起。一些多层垫包括粘合剂，用于粘合非膨胀层与第一膨胀层，第二膨胀层或其组合。粘合剂可以是压敏粘合剂或热熔粘合剂。在一些多层垫中，粘合剂是热熔粘合剂，例如由Bostik-Findley(Middleton，MA)以商品名″PE 105-50″或″PE65-50″市售的粘合剂。这些是聚酯基热熔粘合剂，但也可使用本领域已知的其他热熔粘合剂。在其他实施方案中，可以使用针刺或缝编技术使多层垫的各层相互结合。使用针刺方法，一个层中的一些纤维被拉进相邻层中，从而在相邻层间产生至少一些结合。
其他方法可用于制备非膨胀层。在一些应用中，通过将单根无机纤维切成所需长度将非膨胀层制造成非织造垫子。例如，可以使用玻璃纤维粗纱切断机(以商品名“MODEL 90GLASS ROVING CUTTER”购自Finn & Fram，Inc.(Pacoma，CA))切割纤维束或纤维纱，来制备单根化的(individualzied)纤维。可选择地，使用锤磨机然后使用鼓风机形成切碎的单根化纤维。纤维通常被切成约0.5～约15cm的长度。使用如由Rando Machine Corp.(Macedon，NY)以商品名″RANDO WEBBER″市售或由ScanWeb Co.(Denmark)以商品名″DAN WEB″市售的常规成网机形成垫子。将切碎的单根化纤维牵引到金属丝筛网或织带(例如金属或尼龙带)上。根据纤维的长度，得到的垫子具有足够的可操作性，可以在不需支撑物(例如平纹织物)的情况下将得到的垫子传送到针刺机或缝编机。为易于处理，一些垫子可以在平纹织物上形成或置于其上。
针刺的非织造垫是指其中由通过刺针多次完全或部分刺穿该垫来提供对无机纤维的物理缠结的垫。针刺通常包括压缩非织造垫，然后将刺针刺入该垫和从该垫中引出刺针。尽管每单位面积垫的最佳针刺数将根据具体应用而变化，但通常非织造垫被针刺以提供约5个针孔/cm2至约60个针孔/cm2。在一些应用中，垫子具有10～约20个针孔/cm2。可以采用常规针刺机(例如由Dilo(Germany)市售的针刺机)以及刺针(例如由Foster Needle Company(Manitowoc，WI)市售的刺针)对非织造垫进行针刺。
可选择地，可以采用例如美国专利4,181,514(Lefkowitz等人)中公开的技术缝编非织造垫子。使用有机线或无机线(例如陶瓷或不锈钢)缝编该垫子。在缝编过程中可以将有机或无机片材的薄层放置在垫子的任一侧或两侧，以防止线切开该垫或使线最小限度地切开该垫。针脚间距可以变化，通常约3～约30mm，以便使纤维在垫的整个区域上被均匀压缩。商业购买的针刺非膨胀层可以得自由Mitsubishi Chemical(Tokyo，Japan)以商品名″MAFTEC″市售的那些。
在另一个方面中，提供一种污染控制装置，其包括第一金属外壳，第一金属外壳内的污染控制元件，和置于第一金属外壳和污染控制元件之间的多层垫。多层垫包括至少三层具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面的非膨胀层，其中非膨胀层包括无机纤维；面向非膨胀层第一主表面的第一膨胀层，其中第一膨胀层是多层垫的第一外层；和面向非膨胀层第二主表面的第二膨胀层，其中第二膨胀层是多层垫的第二外层。机动车的排气系统包括污染控制装置以减少大气污染。图2所示为催化转化器10形式的污染控制装置的一个说明性例子。催化转化器10通常包括金属外壳11，该金属外壳包在也被称为催化转化元件或整体结构的污染控制元件20周围。金属外壳11具有进口12和出口13，废气流分别从进口流入催化转化器10，从出口流出。金属外壳11也称罐或套，可用一种或多种金属、金属合金或金属间组合物制成。例如，金属外壳11可以是不锈钢或奥氏体钢。
适合的催化转化元件在本领域是已知的，包括用金属、陶瓷或其他材料制成的那些。各种陶瓷催化转化元件是可商购的。例如，有一种蜂窝状陶瓷催化转化元件以商品名″CELCOR″从Corning Inc.(Corning，NY)购得，另一种以商品名″HONEYCERAM″从NGK InsulatedLtd(Nagoya，Japan)购得。金属催化转化元件可商购于Emitec(Lohmar，Germany)。
根据常规做法，催化转化元件20上可以涂布一种或多种催化剂材料。催化转化元件20中所用的催化剂通常是一种或多种金属(例如钌、锇、铑、铱、镍、钯和铂)和/或金属氧化物(例如五氧化二钒和二氧化钛)。最一般的情况是，这些催化剂起氧化或以其他方式消除废气污染物如一氧化碳和碳氢化合物的作用。这些催化剂的另一种作用是有助于降低发动机废气中氮氧化物的含量。
为提供大的表面积，催化转化元件20通常具有很薄的壁。薄壁使催化转化元件20变得易碎，容易破裂。置于金属外壳11和催化转化元件20间的安装垫或片状材料30有助于保护催化转化元件20免受由路途颠簸和/或震动引起的损坏。安装垫或片状材料30还有助于防止废气从催化转化元件20和金属外壳11间通过。
图3所示为柴油机微粒过滤器40形式的污染控制装置的代表性例子。柴油机微粒过滤器40是壁流过滤器，它包含具有一束管的蜂窝状整体结构42(也称作整体结构或整块结构)。催化剂可以涂布在柴油机微粒过滤器40的整体结构42上。整体结构42通常由陶瓷材料制备。这种柴油机微粒过滤元件有多种商业来源，包括例如Corning Inc.(Corning，N.Y.)和NGK Intumescent Layer Ltd.(Nagoya，Japan)。有用的柴油机微粒过滤元件在Howitt等人的″Cellular Ceramic DieselParticulate Filter″，论文编号810114，SAE Technical Paper Series，1981中有描述。
柴油机微粒过滤器40包括具有进口46和出口48的金属外壳44。金属外壳44包在整体结构42的周围。安装垫或片状材料50置于整体结构42和金属外壳44之间，它能提供图3中安装垫30所具有的优点。
催化转化器和柴油机微粒过滤元件通常都是陶瓷整体结构形式。陶瓷整体结构通常用它们的壁厚和每平方英寸的开口或孔数(cpsi)来描述。在20世纪70年代初期，一般是具有12密耳的壁厚和300cpsi孔密度的整体结构(“12/300整体结构”，其中分子指按密耳计的壁厚，分母指每平方英寸的孔数)。随着排放法变得更严格，减小壁厚已经作为增大几何表面积的一种办法。该标准已经改进到6/400整体结构。然而，为进一步增强污染控制装置的性能，研制出了例如4/400，4/600，4/900，3/600，3/900和2/900等极薄壁的整体结构。这些整体结构甚至更脆弱和易受破裂。
陶瓷整体结构的热膨胀系数比包含此结构的金属外壳的热膨胀系数小一个数量级。在一些污染控制装置中，当发动机将污染控制元件从约25℃加热到最大操作温度约900℃时，金属外壳升到温度约530℃(即，因为金属外壳的外表面暴露在环境条件中，所以金属外壳的温度更低)。即使金属外壳经历比污染控制元件更小的温度变化，金属外壳比陶瓷整体结构更高的热膨胀系数也使金属外壳发生更大的膨胀。在一些应用中，金属外壳和陶瓷整体结构间的间隙可以从约4mm增大到约4.3mm。在其他应用中，该间隙甚至大于此值。
例如，当污染控制装置包括选择性催化还原(SCR)体系时，可以加入一种试剂(例如，脲水溶液)，以将氮氧化物(NOx)转化成氮。SCR体系通常用在安装有柴油发动机的重型车辆上。SCR体系的腐蚀性环境通常要求使用奥氏体钢作为污染控制装置的金属外壳。然而，奥氏体钢其热膨胀系数比用于非腐蚀性环境的其他金属更高(例如，奥氏体钢的热膨胀系数比铁素体不锈钢的热膨胀系数高约50％)。这种较高的热膨胀系数使得金属外壳和陶瓷整体结构间的间隙更大。
污染控制装置还可包括包围第一金属外壳的第二金属外壳。例如，第一外壳内的污染控制元件可以安装在消声器内(即，第一金属外壳与安装垫相邻，第二外壳包括消声器壁)。废气在通过污染控制元件之前或之后在第一和第二外壳之间通过。在第一和第二金属外壳间的空间中存在的热气体使第一金属外壳的温度相对接近于污染控制元件的温度。污染控制装置的这种设计使得金属外壳接近安装垫(即，第一金属外壳)，从而将温度升高到相对接近污染控制元件的温度。比接触环境条件的金属外壳温度更高的第一外壳温度使第一金属外壳比陶瓷整体结构热膨胀更大。与金属外壳外表面接触环境条件的污染控制装置相比，第一金属外壳和陶瓷整体结构之间的间隙增大。
图4示出一种这样的污染控制装置。废气进入包含污染控制装置200的消声器。废气通过管道210进入消声器，通过管道220离开消声器。当在消声器中时，废气通过污染控制元件230。消声器可以包含一个或多个污染控制元件230。在图4中，平行排列有两个污染控制元件。每个污染控制元件230被安装垫250包住。安装垫250位于污染控制元件230和第一金属外壳240之间。在通过污染控制元件230后，废气可以进入排气管道220。排气管道220具有带孔部分260。一些废气可以通过带孔部分260中的孔，进入消声器的主室270。由于进入消声器的主室270，所以在内部金属外壳240和消声器外壳280间存在废气。
由于在正常使用时，取决于例如驱动时间和几何面积，安装垫可接触一定范围的温度，所以补偿污染控制装置的第一金属外壳和污染控制元件之间的间隙变化的需要很复杂。在一些条件下，垫子可能接触不足以使膨胀材料膨胀的温度(例如，在约400℃以下或约500℃以下)。在其他条件下，垫子可能接触约900℃以下的温度。这些高温会使一些垫子发生收缩。收缩的垫子不能有效地用作安装垫。对于在这种高温下操作的污染控制装置而言，非膨胀层通常包括使用TMA测试体积收缩率不大于10％的无机纤维。
第一金属外壳(即，最接近于污染控制元件的金属外壳；与多层垫相邻的金属外壳)和污染控制元件之间间隙的大小取决于陶瓷整体结构和第一金属外壳的温度。如果其中之一或二者的温度低于约400℃或低于约500℃，那么膨胀材料通常处于非膨胀态；通常在室温下压缩的多层垫能对污染控制元件提供足够的保持力。在高温如至少约400℃或至少约500℃下，膨胀材料可以膨胀，填充因金属外壳和陶瓷整体结构热膨胀差异所引起的增大的间隙。
取决于组成，本发明的多层垫可以在各种驱动和温度条件下使用。多层垫可以适用于大多数已知的车辆污染控制装置。
上面针对本发明人预见的实施方案描述了本发明，但是对本发明非实质的变化和将来的预见也是本发明的等价物。
实施例测试方法真实条件夹具测试真实条件夹具测试(RCFT)模仿具有被安装垫包围的整体结构(例如，催化转化元件或柴油机微粒过滤器)的污染控制装置中的实际操作条件。该测试测量由安装垫所施加的压力，并在等温条件下进行以模拟消声器中的污染控制装置。在Hans Bode编的Material Aspects inAutomotive Pollution Control Devices，Wiley-VCH，页-206-208(2002)中详细描述了RCFT方法。
将多层垫的44.45mm×44.45mm样品置于两块50.8mm×50.8mm的热不锈钢板间。多层样品的安装密度，即当安装在各板之间时的密度，为0.70～0.73g/cm3。膨胀垫的安装密度约1g/cm3，非膨胀垫的安装密度约0.40g/cm3。将每块独立控制的板加热到温度450℃或550℃。同时，使各板之间的间距或间隙增加的值为根据指定类型的典型污染控制装置的温度和材料的热膨胀系数计算得到的值。对每个样品在每一温度下进行三次加热和冷却循环。对于第一样品的每一次循环，每块板加热到其峰值温度450℃，保持15分钟，然后冷却到大约室温例如约20℃。对于第二样品的每一次循环，每块板加热到其峰值温度550℃，保持15分钟，然后冷却到大约室温。
在三个RCFT循环完成后，数据曲线就可以产生，曲线表明两块板之间的压力作为温度的函数。记录在第一和第三循环期间峰值温度下的压力(即，安装压力)以及第一次循环中的最小安装压力。通常在污染控制装置的实际应用中，需要约50kPa的最小安装压力来稳固整体结构。
体积收缩率(TMA)使用带有图表记录器的Theta Dilatronic II热分析仪，型号MFE-715(从Theta Industries，Inc.，Port Washington，NY得到)通过热机械分析法(TMA)测量陶瓷纤维物质的体积收缩率。使用直径11mm的圆形模具切割无机纤维样品，并放在加热炉的板上。在样品上面安放一根7mm直径的石英棒(约35.6cm长)，该棒承受着1350克重量，关闭加热炉。这相应于向样品施加负载约50psi(345kN/m2)。将施加重物的样品稳定约5分钟，然后以15℃/分钟的速率加热到1000℃。在加热炉到达1000℃后，关闭加热炉，冷却到室温。样品在加热炉内冷却。样品的厚度为棒端部和板之间的间隙，都记录在加热和冷却循环期间的图表记录器上。从在加热循环中在750℃下记录的厚度(T1)和在冷却循环中在750℃下记录的厚度(T2)来计算收缩百分比。体积收缩率计算如下％体积收缩率＝[(T1-T2)/T1]×100。
TMA测试可用于含有或不含有机粘合剂材料的样品。有机材料通常在约500℃下烧掉。在加热循环中，在750℃下测量的样品厚度基本上是含有无机粘合剂和粒子(如果存在)的纤维物质的厚度。当进一步加热样品时，如果在冷却循环中在750℃下测量的厚度小于加热循环中的样品厚度，那么在1000℃以下纤维发生的任何收缩将很明显。
实施例1通过在两个膨胀层间层压非膨胀纤维层来构建多层垫。从3MCompany(St.Paul，MN)得到的两个″INTERAM 100″膨胀安装垫用作膨胀层。每个膨胀层其重量/单位面积为1050g/m2，厚度约1.7mm。从3M Company得到的玻璃纤维垫″INPE 571.02″安装垫用作非膨胀层。这种玻璃垫其体积密度约0.14g/cm3，重量/单位面积800g/m2，厚度约5.8mm。每个膨胀层的一个主表面用从3M Company得到的″FOAMFAST 74SPRAY ADHESIVE″喷射。非膨胀层的一个主表面与一个膨胀层粘合，然后非膨胀层的另一主表面与另一膨胀层粘合。即，非膨胀玻璃纤维层层压在两个膨胀层间。一种辊钉轻微地在3-层垫子上滚动以粘合各层，在85℃的烘箱中干燥垫子约5分钟。得到的多层垫厚度约9.2mm。
在两个不同峰值温度下使用RCFT测试多层垫。表1中的数据包括室温压力，第一个加热循环中的最小压力，1个循环后最大温度下的压力和3个循环后最大温度下的压力。
实施例2根据实施例1的过程构建多层垫，除了两个膨胀层是″INPE 570″膨胀安装垫，每一个重量为1050g/m2，厚度约1.7mm。这些膨胀层从3M Company(St.Paul，MN)得到。得到的多层垫其厚度约9.2mm。使用RCFT测试垫子，结果列于表1中。
参考例R1参考例R1是从3M Company(St.Paul，MN)得到的″INPE 571.02″非膨胀垫。样品的数据列于表1中。
参考例R2参考例R2是从3M Company(St.Paul，MN)得到的″INTERAM100″膨胀安装垫。样品的数据列于表1中。
表1安装压力和密度
实施例3-5分别根据PCT专利公布WO 2004/011785(Merry)的实施例1-3制备实施例3-5的玻璃纤维垫。所有垫子其重量/单位面积约800g/m2，厚度约5.8mm。通过将每一玻璃纤维垫层压在从3M Company(St.Paul，MN)得到的两层″INTERAM100″膨胀安装垫之间来制备多层垫，其中每一膨胀层其重量/单位面积为1050g/m2。
实施例3的玻璃纤维垫由基本上无渣球的S-2玻璃纤维构成，直径约9μm，切成长度25.4mm(从Advanced Glassfiber Yarns LLC(Aiken，SC)得到的401S-2玻璃切割绞合线)。
实施例4的玻璃纤维垫由E-切割玻璃绞合线构成，直径约9μm，切成长度25.4mm(从Advanced Glassfiber Yarns LLC，Aiken，SC得到)。
实施例5的玻璃纤维垫由R玻璃纤维(通常组成为60％SiO2，25％Al2O3，9％CaO和6％MgO)构成，直径约10μm，切成长度36mm(从Saint-Gobain Vetrotex Deutschland GmbH，Herzogenrath，Germany得到)。
使用实施例1所述的过程将玻璃纤维垫层压到膨胀层上。
实施例6-7根据实施例1的过程通过在两个膨胀层间层压非膨胀陶瓷纤维层来制造多层垫。这两个膨胀层是从3M Company(St.Paul，MN)得到的″INTERAM 100″膨胀安装垫。每个膨胀层其重量/单位面积为1050g/m2，厚度约1.7mm。实施例6的非膨胀垫是3M Company的″INTERAM1100HT″非膨胀安装垫。实施例7的非膨胀垫是3M Company的″INTERAM 1101HT″非膨胀安装垫。两种非膨胀垫都从3M Company得到，并由结晶氧化铝纤维(即，多晶氧化铝纤维)形成。
实施例8通过在两层″INTERAM 100″膨胀安装垫(每一膨胀安装垫重量/单位面积为1050g/m2，厚度约1.7mm)之间放置实施例2的S-2玻璃纤维垫制来造多层垫。这些层得自3M Company(St.Paul，MN)。使用刺针将垫子针刺在一起，以使纤维在三层间物理缠结。适合的针刺机以商品名″DILO″由Dilo of Germany市售，具有市售刺针(Foster NeedleCompany，Inc.，(Manitowoc，Wis.))。针刺垫子，以提供约12个针孔/cm2。
实施例9-14按WO 03/031368的实施例1制造具有生物可溶纤维的膨胀垫。简言之，在Waring捏合机中使膨胀分层的蛭石在水中分散约3分钟，使蛭石分层并粉碎。这样形成了云母粘合剂。膨胀分层的蛭石以商品名″ZONOLITE″EXPANDED VERMICULITE#5″从W.R.Grace(Cambridge，MA)得到。然后纤维(生物可溶的无机纤维和人造纤维)在浆料中分散约5秒，加入乳胶(即，有机粘合剂)。生物可溶的无机纤维是″SUPERWOOL 607″，从Thermal Ceramics(Augusta，GA)得到。人造纤维是0.635mm长的人造纤维，从Minifibers，Inc.(Johnson City，TN)得到。加入乳胶形式的有机粘合剂。乳胶是55％的固体乙烯乙酸乙烯酯乳胶″AIRFLEX 600BP″，从Air Products Polymers(Allentown，PA)得到。加入硫酸铝的50％固体水溶液，以使乳胶凝结，加入非膨胀蛭石(即，膨胀材料)，混合形成均匀分散体，其可通过常规造纸法形成垫子。非膨胀蛭石可从Cometals，Inc.(New York NY)得到。按干重百分比计，垫子组成列于表2中。
然后用热熔粘合剂分别将两片膨胀垫层压到实施例3和5所述的S-2玻璃纤维垫和R-玻璃纤维垫上。热熔粘合剂片以商品名″BOSTIKPOLYESTER 105-50WEB ADHESIVE″从Bostik Findley Corp.(Middleton，MA)得到，并置于膨胀垫层的片上，并加热至粘合剂熔融，涂布垫子(约110～约140℃)。然后将非膨胀玻璃纤维层置于涂布有粘合剂的两个膨胀层之间，用一种辊钉轻微地滚动以层压各层。结构列于表2中。
表2-多层垫组合物
本领域技术人员在对本说明书进行思考或根据本发明进行实践之后，不难发现本发明的其他实施方案。在不背离所附权利要求所示的本发明真正范围和精神的情况下，本领域技术人员可以对这里所述的原则和实施方案进行各种删减、修改和变化。
权利要求
1.一种多层垫，包括具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面的非膨胀层，所述非膨胀层包括无机纤维；面向非膨胀层第一主表面的第一膨胀层，其中第一膨胀层是多层垫的第一外层；和面向非膨胀层第二主表面的第二膨胀层，其中第二膨胀层是多层垫的第二外层。
2.如权利要求1所述的多层垫，其中第一膨胀层和第二膨胀层均包括选自蛭石、可膨胀石墨或其组合的膨胀材料。
3.如权利要求1所述的多层垫，其中非膨胀层其厚度为多层垫总厚度的至少50％。
4.如权利要求1所述的多层垫，其中非膨胀层比第一膨胀层厚，非膨胀层比第二膨胀层厚。
5.如权利要求1所述的多层垫，其中无机纤维包括体积收缩率不大于10％的陶瓷纤维。
6.如权利要求1所述的多层垫，其中无机纤维包括玻璃纤维。
7.如权利要求1所述的多层垫，其中无机纤维包括玻璃纤维，第一和第二膨胀层均包括蛭石。
8.如权利要求1所述的多层垫，其中无机纤维包括体积收缩率不大于10％的陶瓷纤维，第一和第二膨胀层均包括蛭石。
9.如权利要求1所述的多层垫，其中多层垫的两层或多层通过粘合剂、针刺或缝合结合在一起。
10.一种污染控制装置，包括第一金属外壳；第一金属外壳内的污染控制元件；置于第一金属外壳和污染控制元件之间的多层安装垫，所述多层安装垫包括具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面的非膨胀层，所述非膨胀层包括无机纤维；面向非膨胀层第一主表面的第一膨胀层，其中第一膨胀层是多层垫的第一外层；和面向非膨胀层第二主表面的第二膨胀层，其中第二膨胀层是多层垫的第二外层。
11.如权利要求10所述的污染控制装置，还包括包围第一金属外壳的第二金属外壳，其中废气在第一金属外壳和第二金属外壳之间通过。
12.如权利要求10所述的污染控制装置，其中非膨胀层其厚度为多层垫总厚度的至少50％。
13.如权利要求10所述的污染控制装置，其中非膨胀层比第一膨胀层厚，非膨胀层比第二膨胀层厚。
14.如权利要求10所述的污染控制装置，其中无机纤维包括体积收缩率小于10％的陶瓷纤维。
15.如权利要求10所述的污染控制装置，其中无机纤维包括玻璃纤维。
16.如权利要求10所述的污染控制装置，其中无机纤维包括玻璃纤维，第一和第二膨胀层均包括蛭石。
17.如权利要求10所述的污染控制装置，其中无机纤维包括体积收缩率小于10％的陶瓷纤维，第一和第二膨胀层均包括蛭石。
18.如权利要求10所述的污染控制装置，其中污染控制元件是柴油机微粒过滤器。
19.如权利要求10所述的污染控制装置，其中在比使第一和第二膨胀层膨胀的温度更高和更低的操作温度下，安装垫均具有足够的保持压力。
20.一种形成多层垫的方法，所述方法包括提供具有第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面的非膨胀层，所述非膨胀层包括无机纤维；布置第一膨胀层面向非膨胀层的第一主表面，所述第一膨胀层是多层垫的第一外层；和布置第二膨胀层面向非膨胀层的第二主表面，所述第二膨胀层是多层垫的第二外层。
全文摘要
本发明提供了多层垫、含有多层垫的污染控制装置和制造多层垫的方法。该多层垫包括夹在两个膨胀层之间的非膨胀层。垫子的外层含有膨胀材料。
文档编号B32B18/00GK1968806SQ200580019580
公开日2007年5月23日 申请日期2005年3月11日 优先权日2004年4月14日
发明者理查德·P·梅里 申请人:3M创新有限公司