一种汽车尾气净化器及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及机动车排气净化领域，尤其是一种汽车尾气净化器及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着空气污染问题的日益突出和汽车数量的迅速增加，汽车排放的废气已成为城 市大气环境污染的主要污染源之一。汽车尾气中的有害物质主要有C0、NOx和HC，多环芳 控（PAH)W及悬浮物（SPM)等。NOx和肥在大气中经过一系列的光化学反应，易生成臭氧 等多种氧化性很强的物质，形成光化学烟雾。光化学烟雾不仅严重危害人的健康，而且会对 动植物和各种材料造成严重破坏。
[0003] 汽车尾气净化器，是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车 尾气排出的C0、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮 气。当高溫的汽车尾气通过净化装置时，尾气净化器中的净化剂将增强C0、肥和NOxΞ种 气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中C0在高溫下氧化成为无色、无毒 的二氧化碳气体；HC化合物在高溫下氧化成水化2〇)和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。 Ξ种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得W净化。
[0004] 汽车尾气净化器包括壳体、载体和覆盖于载体表面的催化剂。早期的载体多采用 颗粒载体，但由于颗粒载体的催化剂具有堆集密度大、床层阻力大、易粉碎等缺点，不适于 汽车尾气净化。而蜂窝状整装催化剂载体由于具有纵向、连续、不受阻挡的通道，排气阻力 小等优点，在后来的研究中被广泛应用于汽车尾气的净化，目前汽车尾气催化剂多采用运 类载体。20世纪70年代初，3M公司和福特公司用烧结法生产出一种蜂窝陶瓷载体，1972年 康宁公司也开发出一种蜂窝陶瓷载体，1986年康宁公司在西德设备厂生产蜂窝陶瓷载体， W满足欧洲汽车工业的需要，为车用催化剂的大规模推广奠定了坚实的物质基础。我国大 约在20世纪80年代中期开始生产蜂窝陶瓷载体，虽然经过了十几年的发展，但由于技术、 设备等原因，与国外的产品相比，还有一定的差距。
[0005] 陶瓷载体是目前广泛使用的汽车尾气净化催化剂载体，其中比较常见的是堇青石 质蜂窝陶瓷载体。工业化的堇青石陶瓷制备方法，多W高岭±、滑石或纯组分氧化物为原 料，采用高溫固相反应合成。该方法具有生产工艺简单，生产效率高等优点；但其存在的最 大问题就是合成溫度高，能源消耗大，烧结溫度达1390~1400°C，且其烧结溫区很窄。如引 入玻璃相，可W适当降低堇青石陶瓷的烧结溫度，拓宽其烧结溫区，但却提高了其热膨胀系 数，降低了抗热震和侵蚀的能力。沉淀包裹法和溶胶-凝胶法工艺要求比较严格，合成过程 复杂，原料多为有机化合物，价格昂贵，有些还对人体有害，很难满足工业应用要求。
[0006] 在利用添加助剂改善堇青石陶瓷性能方面，助剂多为单一组元，往往平均热膨胀 系数很小，但其a轴和C轴的热膨胀系数却存在较大差异，很难使"零膨胀"与各向异性热 效应相协调，从而降低了堇青石陶瓷的热性能。
[0007] 氧化侣也是一种常见的陶瓷材料，具有耐高溫、耐磨、耐腐蚀、抗氧化等许多优良 的性能，但是由于氧化侣自身阳离子电荷多，半径小，离子键强等特点，导致其晶格能较大， 扩散系数较低，烧结溫度高，另外也由于其脆性大、热膨胀系数高的缺陷使其应用受到了一 定的限制，故亟需寻找一种可W解决上述问题的有效方法。
【发明内容】
[0008] 为解决上述问题，本发明公开了一种汽车尾气净化器及其制备方法，该汽车尾气 净化剂的载体是W氧化侣为基质，加入烧结助剂、混合粘±、稀±氧化物和增强材料使制得 的载体具有高抗压强度、较低的热膨胀系数和较低的烧结溫度。
[0009] 本发明的技术方案是：一种汽车尾气净化器，包括壳体和蜂窝陶瓷载体，蜂窝陶 瓷载体固定在壳体内，所述蜂窝陶瓷载体的多孔结构包括弯曲的蛇形通道和直道，直道连 通到蛇形通道上，所述蜂窝陶瓷载体的组分及其质量分数包括：烧结助剂：6-10%，混合粘 ± :5-10%，稀±氧化物：4-8%，分散剂：2-4%，无机晶须：1-5%，余量为氧化侣粉体。（其 中直道连通到载体表面，蛇形通道设置在载体内部，如此设置可W降低载体表面的进气阻 力，从而提高高速高溫尾气进入载体进行净化的效率）陶瓷材料颗粒间粘接是靠外加高溫 粘结剂在烧成溫度下形成的玻璃相粘接而成的，混合粘±在烧成过程中在基体颗粒的表面 上形成一层玻璃相，并在两个颗粒的接触点处聚集，形成颈部，使陶瓷材料的强度得W提 高。本发明中当混合粘±的加入量小于2%时作用不明显（对陶瓷材料中高烙点的成分的 连接作用不够充分，同时极易在载体内部形成微弱的间隙，从而在陶瓷内部形成缺陷），而 大于5%时，陶瓷的强度不但没有增加反而急剧降低。运是因为在浆料的制备过程中，随着 混合粘±加入量的增加，浆料的粘度不断增加，当浆料的粘度达到1000mPa，sW上时，陶瓷 在烧成时产生流线型裂纹，使制品的强度大大降低。
[0010] 作为一种优选，直道与蛇形通道的长度比为化-8) : (2-3)。在陶瓷载体内部设置部 分弯曲的蛇形通道，并与直道连通，使得尾气气流在经过连通处时形成满流或者端流而发 生不规则混合，起到揽拌的作用，同时蛇形通道也增加了尾气与通道表面催化剂的接触面 积W及接触压力，有效提高催化效率。当直道与蛇形通道的长度比为巧-6) : (2-4)时，可明 显提高催化效率，如果蛇形通道长度比例过高，超出运个范围，会因短时间大流量的尾气通 入蛇形通道而导致进气压力过高使陶瓷巧体产生裂纹。
[0011] 作为一种优选，直道与蛇形通道的孔径比为4: (4-5)。直道与蛇形通道在具有相同 大小的孔径的情况下，蛇形通道的进气压力要高于直道，略微减小直道与蛇形通道的孔径 比能使陶瓷载体内部因受力更为均匀，其孔径比控制为4: (4-5)可W避免陶瓷载体产生裂 纹。
[0012] 作为一种优选，氧化侣粉体粒径为150-200nm。普通氧化侣质陶瓷材料往往需要较 高的烧结溫度而增加了其在汽车尾气净化器中的应用成本。由于烧结是通过表面张力来实 现物质的迁移，故需要较高的活化能，而细化的氧化侣陶瓷颗粒粒径小、比表面积大、表面 活性高，颗粒间扩散的距离短，只需要较低的烧结活化能和烧结溫度，能够明显改善陶瓷体 的物理性能，显示出优良的力学性能。 阳〇1引所述烧结助剂为MgO、化0、Si化、V205、化2化、Ti化中的至少两种。多种烧结助剂 的加入能有效降低氧化侣陶瓷材料的热膨胀系数和烧结溫度，提高烧结性能，由于氧化侣 纳米粉体颗粒的表面能较大，高溫烧结致密化的过程中晶粒容易迅速生长影响材料力学性 能，而在氧化侣陶瓷涂料中加入烧结助剂，一方面可抑制其晶粒在高溫时长大，另一方面， 还可降低其烧结溫度。
[0014] 作为一种优选，混合粘±为经过1400°C高溫预处理的。预处理过后将混合粘±进 行研磨，研磨至其粒度小于0.2μπι。高溫预处理可W去除混合粘±中较多的结晶水、挥发 分和杂质，使得颗粒易于研磨分散，有利于与基体颗粒形成更均匀的混合，提高质量的稳定 性，同时还可W在混合粘±中形成细密的微孔，在烧结时形成微型传热通道，提高陶瓷载体 的微孔结构的有效率，同时通道具有较高的活性，从而提高烧结质量，并且防止因受热不均 而发生破损变形。预处理的时间一定要控制好，由于预处理的溫度较高，时间超过5min即 可达到效果，但是不能超过lOmin，否则粘±会开始瓷化，故预处理时间为5-lOmin。混合粘 ±在本发明中是作为高溫粘结剂使用的，陶瓷基体颗粒粒径与高溫粘结剂的细度控制非常 重要。高溫粘结剂的粒度与氧化侣颗粒粒度不能相差太大，否则在烧成过程中高溫粘结剂 烙融时，高溫粘结剂周围的某些孔隙就会被玻璃相封闭，形成封闭孔而损失掉，造成有效气 孔率下降。
[0015] 作为一种优选，混合粘±为质量比为化-10) : (6-8) :3:1的长石、高岭石、生滑石 和蒙脱石混合物。长石是一种含有巧、钢、钟的侣娃酸盐矿物，可W扩大陶瓷的烧结范围，但 是长石中的碱金属氧化物会降低瓷巧的机械强度，故应加W控制。当烧结溫度高于1100°c 时，长石开始形成液相，在基体颗粒连接处逐渐形成玻璃结合，此时高岭石、生滑石和蒙脱 石中的杂质达到了低共烙物的比例，也开始形成液相，高岭石、生滑石与蒙脱石颗粒不仅与 长石形成陶瓷结合，也与氧化侣颗粒表面形成玻璃结合，同时在一定程度上降低了长石的 流动性，既保证了烧结，又避免了巧体变形。
[0016] 添加2-5%的稀±氧化物，例如氧化铜、氧化姉、氧化错，均可明显改善氧化侣陶瓷 材料的显微结构和性能，其中铜、姉、