专利名称：涂布金属基质的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于担载发动机尾气处理催化剂的涂布金属基质。
背景技术：
小型内燃机，尤其是两冲程和四冲程火花点燃式发动机，被用来给各种机器例如汽油驱动割草机、链锯、叶片鼓风机、线切割机(string cutter)、叶片鼓风机、小型摩托车、摩托车等提供动力。这样的发动机使催化尾气处理装置处于恶劣环境下工作。这归因于在小型发动机中，尾气中含有高浓度未燃烧的燃料和未消耗的氧气。
此外，两冲程发动机的振动力可达四冲程发动机的3到4倍。例如，据报道，小型内燃机在150赫兹下能产生70到90重力加速度的震动加速度。小型内燃机的强烈震动和尾气温度条件导致了几种尾气催化处理装置失效的模式，包括通过其将催化剂元件固定在装置中的支撑结构的失效，和作为结果的、机械振动导致的催化剂元件损坏或损毁，以及在高温条件下的尾气的流量波动。
催化剂元件一般含有通常由例如堇青石、多铝红柱石等制成的陶瓷类载体元件，在其上涂有尾气处理催化剂材料。陶瓷类材料将由于过度震动开裂并粉碎。金属载体元件，也就是金属基质，显然可用来替代陶瓷类材料，但有如下所公开的它们自己的问题。
在不远的将来，小型内燃机将受到严格的联邦和各州的排放控制法规的约束。由此，这些小型发动机将需要类似当前用于控制汽车排放的尾气排放控制系统。
对于小型内燃机所用的尾气排放控制系统，通常将控制烃类、一氧化碳和氮氧化物排放的尾气控制处理催化剂如三元转化(“TWC”)催化剂涂在金属基质(在现有技术中也称作金属载体元件)上。所面临的挑战在于，对于寿命有限的各种小型发动机平台，赋予金属基质这样的物理性质，即使得催化剂能够承受剧烈震动下的高温条件和来自油的毒物以及灰分，以及这样的小型发动机平台在宽范围的空气/燃料比和空间速度下运行的需要。贵金属催化剂和金属基质热胀系数上的严重差异会使这个问题更加严重。
尾气排放控制催化剂材料通常以例如直径为10到20微米的微米级颗粒度范围的颗粒形式使用，这样就可以将它们制成浆料，并被用作载体元件上的修补基面涂层。展现出很好的活性和长寿命的已知TWC催化剂含有一种或多种沉积在高表面积的难熔氧化物载体(例如高表面积的氧化铝涂层)上的铂族金属(例如铂或钯，铑，钌和铱)。用尾气排放控制处理催化剂如TWC催化剂涂布金属基质所产生的主要问题是在很宽范围的条件下(在小型发动机平台的运行过程中，涂有催化剂的金属基质将被暴露在这样的条件下)将催化剂粘结到金属基质上。
发明目的本发明的一个目的是提供涂布组合物和有效地将尾气排放控制处理催化剂固定到涂布金属基质上的方法。
发明综述本发明涉及发动机尾气排放物催化还原所用的涂布金属基质，包括金属基质和金属基质上的氧化铝-硅酸盐涂料，上述的涂料中分散有氧化铝颗粒。
发明详述为了本发明的目的，金属基质可包含一种金属如不锈钢、碳钢、钛、FeCr合金或哈氏合金。哈氏合金是非注册商标合金，它的主要组分是镍-铬和钼并含有包含钴、铁和钨的微量组分。
通常用于小型发动机平台的金属基质以膨胀锥体(expansion cone)或废气消音器(exhauset gas silencer)的形式存在，长约为100到约300mm，直径在约30到约100mm的范围内，厚度为约0.5到约3mm以及内表面积为约0.03到0.06mm2。
金属基质表面上的粘合层含有其中分布有氧化铝颗粒的氧化铝-硅酸盐组合物。已经发现氧化铝-硅酸盐组合物与金属基质的表面非常好地粘合。然而，氧化铝-硅酸盐粘合层的表面很光滑，尾气排放物处理催化剂组合物不能很好地附着至粘合层的表面，特别是在小型发动机平台运行过程中涂布金属基质所处的条件下。发明人发现，当氧化铝的颗粒在粘合层还湿润时被分散在其中时，所得到的涂布金属基质经煅烧后，在小型发动机平台的所有运行条件下，尾气排放物处理催化剂都能很好地附着到涂布金属基质上。
施用粘合层和将氧化铝颗粒分散在粘合层中的过程相对简单。如果需要，对金属基质进行喷砂处理以形成粗糙表面并除去任何不需要的颗粒；其后，喷砂处理的金属基质可用30％醋酸洗涤，然后用水冲洗。然后借助例如浸渍、涂刷、海绵辊、空气枪喷雾等方法，将含有水性分散体(其中主要成分是硅酸铝)的粘合层组合物施于金属基质的洁净表面上。其后通过例如浸渍、涂刷等方法在金属基质上的粘合层仍湿润时将氧化铝颗粒施于涂布金属基质上。然后可从粘合表面除去松动的氧化铝颗粒，例如借助温和的空气流，通过在硬表面上轻拍等，而后将所得到的涂布金属基质煅烧。煅烧后，可通过现有技术中已知的常规方法将含有一种或多种贵金属如铂、钯、铑等的尾气排放物处理催化修补基面涂层施于涂布金属基质表面，紧接着干燥和煅烧担载了催化剂的涂布金属基质。
制备本发明的涂布金属基质的方法可总结为包括以下步骤(a)用含有硅酸铝的分散液涂布金属基质；
(b)在涂在金属基质上的硅酸铝依然湿润时，用氧化铝颗粒浸渍从步骤(a)所得到的涂布金属基质；以及(c)煅烧从步骤(b)所得到的涂布金属基质。
含有硅酸铝的分散液在现有技术中是已知的并且可商购。适宜的硅酸铝分散体组成如下组分量，重量％硅酸钠钾铝 约40到约45水 约35到约40丙烯酸共聚物约1到约5氧化铬二氧化钛玻璃料约1到约5氧化铝 约1到约5氢氧化钾约1到约5无定形氧化硅约1到约5氧化钴 约1到约5另一适宜的硅酸铝分散体组成如下组分量，重量％碳化硅 约45到约50水 约20到约26磷酸铝 约10到约15无定形氧化硅粘合剂 约2到约6硼酸约1到约3乙醇约3到约7多铝红柱石 约4到约6在方法步骤(b)中，氧化铝颗粒是以粉末状施用的，其中颗粒的颗粒度在约5到约15微米的范围内，优选6到9微米。将氧化铝颗粒以0.01到0.5g/in2用于方法步骤(a)中的硅酸铝涂层的量使用。步骤(c)，即煅烧，在约350到约550℃的温度下进行约0.25到约2小时。
然后将含有发动机尾气处理催化剂的修补基面涂层施于(例如通过喷雾、浸渍、辊涂等)从步骤(c)得到的涂布金属基质上，然后在约60到约100℃的空气中干燥约0.5到约2小时，随后在约350到约550℃的温度下煅烧约0.25到约2小时。
下面的非限制性实施例用于说明本发明实现方案。除非另外指出，所有的份数和百分比都基于重量。
实施例1在本实施例中所使用的金属基质是由1.3mm规格309不锈钢所构成的膨胀锥体。膨胀锥体的长为172mm，内径范围在40.2mm到66.4mm的范围内，计算面积为0.0288m2。将膨胀锥体喷砂处理，用30％醋酸洗涤并用蒸馏水冲洗。
然后用具有下列组成的铝-硅酸盐分散体对洁净的膨胀锥体进行空气枪喷雾组分量，重量％硅酸钠钾铝 约40到约45水 约35到约40丙烯酸共聚物约1到约5氧化铬二氧化钛玻璃料约1到约5氧化铝 约1到约5氢氧化钾约1到约5无定形氧化硅约1到约5氧化钴 约1到约5然后在450℃的温度下煅烧喷涂过的膨胀锥体30分钟。实验室热冲击试验表明铝-硅酸盐涂层能够容易地耐受超过1000℃的温度循环。
煅烧后，将锥体冷却到室温，然后用手持空气喷枪以1.75g每个锥体的目标比例涂布含有发动机尾气处理催化剂的修补基面涂层，以便给每个锥体施用0.07g贵金属。由发动机尾气处理催化剂的含水浆料(35重量％固体)所组成的修补基面涂层具有下列组成组分量，g/in3高表面积氧化铝 0.61CeZr共沉淀复合物0.31醋酸钡 0.04醋酸锆 0.025Pt(铵氢氧化物的形式)0.037Pd(硝酸盐的形式)0.0037然后在80℃下将所得到的锥体空气干燥1小时，然后在450℃的温度下煅烧30分钟。没有对涂布膨胀锥体作进一步研究，因为修补基面涂层浆料没有附着到氧化铝-硅酸盐涂布膨胀锥体上。
实施例2重复实施例1，以下除外将同样的铝-硅酸盐分散体用海绵辊子而不是以空气枪喷雾的方式施于膨胀锥体上。然后，在锥体表面被铝-硅酸盐分散体所润湿时，将涂布过的锥体浸入颗粒度范围在2-15微米的氧化铝粉末中。然后在硬表面上轻拍锥体以除去松动的氧化铝颗粒，随后在450℃的温度下煅烧30分钟。涂布锥体含有约0.3g氧化铝颗粒。
煅烧后，将锥体冷却到室温，并用手持空气喷雾枪将与实施例1中所用相同的修补基面涂层以每个锥体1.75g的目标比例施于涂布锥体上，以便给每个锥体施用0.07g贵金属。将所得到的锥体在80℃的温度下空气干燥1小时，然后在450℃的温度下煅烧30分钟。
实施例2的涂布锥体的实验室热冲击试验表明铝-硅酸盐涂层能够容易地耐受超过1000℃的温度循环。实施例2的涂布锥体在固定发电机上刚性连接发动机老化约300小时。老化锥体的目测检查表明涂层没有显著的物理性能恶化。
权利要求
1.用于发动机尾气排放物的催化还原的涂布金属基质，其包括其上具有氧化铝-硅酸盐涂层的金属基质，所述氧化铝-硅酸盐涂层中分散有氧化铝颗粒。
2.权利要求1的基质，其另外包括至少一个包含发动机尾气处理催化剂的顶层。
3.用于发动机尾气排放物的催化还原的涂布金属基质的制备方法，该方法包括以下步骤(a)用包含硅酸铝的分散液对金属基质进行涂布；(b)在金属基质上的硅酸铝涂层仍湿润时，用氧化铝颗粒浸渍从步骤(a)所得到的涂布金属基质；以及(c)煅烧从步骤(b)所得到的涂布金属基质。
4.权利要求3的方法，其中步骤(c)在约350到约550℃的温度下进行约0.25到约2小时。
5.权利要求3的方法，该方法另外包括将包含发动机尾气处理催化剂的修补基面涂层施于从步骤(c)所得到的涂布金属基质上。
6.权利要求2或5的催化剂，其包含三元转化催化剂。
7.权利要求1或3的基质，其中金属基质包含选自不锈钢、碳钢、钛、FeCr合金和哈氏合金的金属。
8.权利要求1或3的氧化铝颗粒，其中氧化铝颗粒的颗粒度在约5到约15微米的范围内。
9.权利要求1或3的金属基质，其以膨胀锥体或尾气消音器的形式使用。
10.权利要求9的方法，其中膨胀锥体的长度为约200到约300mm，直径范围为约30到约100mm，厚度为约0.5到约3mm，内表面积为约0.03到0.06m2。
11.权利要求3的方法，其中分散液包含以下量的组分组分 量，重量％硅酸钠钾铝约40到约45水约35到约40丙烯酸共聚物 约1到约5氧化铬二氧化钛玻璃料 约1到约5氧化铝约1到约5氢氧化钾 约1到约5无定形氧化硅 约1到约5氧化钴约1到约5。
12.权利要求3的方法，其中分散液包含以下量的组分组分 量，重量％碳化硅约45到约50水约20到约26磷酸铝约10到约15无定形二氧化硅粘合剂 约2到约6硼酸 约1到约3乙醇 约3到约7多铝红柱石约4到约6。
全文摘要
用于小型发动机平台的、用于担载尾气排放催化处理催化剂例如三元转化催化剂的涂布金属基质。涂布金属基质包含选自例如不锈钢、碳钢、钛、FeCr合金和哈氏合金等的金属。金属催化剂涂层包括其中分散有氧化铝颗粒的硅酸铝。用含有硅酸铝的分散液涂布并且在涂层依然湿润时将氧化铝颗粒分散于硅酸铝中。随后煅烧涂布金属基质。然后可将包含发动机尾气处理催化剂的修补基面涂层施于涂布金属基质的表面上。
文档编号B01J23/63GK1909965SQ200580002431
公开日2007年2月7日 申请日期2005年1月6日 优先权日2004年1月14日
发明者M·P·加利根, Y·G·金 申请人:恩格哈德公司