污染控制装置和具有熔合边缘的无机纤维片材的制作方法

专利名称：污染控制装置和具有熔合边缘的无机纤维片材的制作方法
技术领域：
本发明涉及污染控制装置，具体地涉及用在这种装置中的无机纤 维安装和绝缘片材，并且更具体地涉及具有无机纤维片材的至少一个 边缘的这种安装和绝缘片材，该至少一个边缘具有两个或更多纤维熔 合在一起的至少一个组。本发明也涉及包括这种片材的污染控制装置， 以及用来制造这种片材的方法。
背景技术：
污染控制装置用设置在机动车辆上以控制大气污染。这种装置包 括催化转化器和柴油机微粒过滤器或捕捉器。这些装置包括污染控制 元件。例如，催化转化器通常包含支撑催化剂的陶瓷或金属的整体结
构(monolithic structure)。催化剂氧化一氧化碳和碳氢化合物并 减少发动机废气中的氮的氧化物以控制大气污染。此外，柴油机微粒 过滤器或捕捉器典型地包含通常由多孔的多晶陶瓷材料制成的以蜂窝 结构的整体结构形式的壁流过滤器。这些装置的每一个具有保持或安 装污染控制元件的金属外壳(典型地为不锈钢)。
这种污染控制元件通常是易碎的，且容易受到振动或冲击损坏和 破损。损坏力可能来自发动机组装期间粗暴的搬运(handle)或跌落， 来自发动机振动或来自起伏路上的行驶。这种污染控制元件也通常由 于例如来自与路面喷射器(road spray)的接触的高热冲击而受到损 坏。为了保护特别是陶瓷整体类型的污染控制元件并防止废气在污染 控制元件和周围的外壳之间穿过(因而绕过催化剂或过滤器)，安装 垫布置在污染控制元件和外壳之间。
一些安装垫和绝缘元件(例如端锥绝缘体)主要包括无机纤维，
该无机纤维具有无机或有机的粘结物、填料等。通常使用金属刀片从 较大的无机纤维材料的片材中冲切出这种安装垫。
本发明提供对这种现有安装垫和绝缘元件的改进。

发明内容
已经发现，使用切割刀片或其它这种装置以从包含片材的无机纤 维机械地切出安装垫或绝缘元件(例如端锥绝缘体)导致无机纤维断 裂/破裂而不是实际上的切割。由于纤维断裂，因而从机械切割操作产 生大量的纤维粉尘。还可导致从粘结物和/或填料产生粉尘。这种粉尘
保持在分离的垫和绝缘体中。以后，当片材的片段(section)(例如
安装垫或端锥绝缘体)被并入污染控制装置时，粉尘从片材逸出并可 为搬运这些材料的工人引起发痒/皮肤刺激问题。本发明涉及减少从这 种无机纤维片材(例如安装垫、端锥绝缘体)逸出的粉尘量，尤其当 污染控制装置组装操作期间搬运该无机纤维片材时。
根据本发明，提供一种垫用来在污染控制装置中安装污染控制元 件，其中该垫可通过激光束从无机纤维材料片材切出。无机纤维材料 片材可以是非纺织的。激光束引起在每个切割边缘处的两个或更多纤 维的组熔合在一起。激光束还引起没有与其它纤维熔合在一起的纤维 的至少一部分的切割端具有加大的或蘑燕状的端部。熔合的纤维组和 蘑菇状纤维端部起到至少部分地密封安装垫的切割边缘的作用。因此， 在随后的污染控制装置组装操作期间进行搬运时，离开安装垫的被俘 获的粉末的量减少。因此认为搬运这种垫的工人将具有减小的发痒/皮 肤刺激问题。
在本发明的一个方面，提供一种污染控制装置，该污染控制装置
包括外壳；布置在外壳内的污染控制元件；和安装垫，该安装垫布
置在外壳的至少一部分和污染控制元件的一部分之间的间隙中。该安 装垫由无机纤维材料片段限定，该无机纤维材料片段的至少一个边缘
具有两个或更多纤维熔合在一起的至少一个组。
在本发明的另一个方面，提供一种垫用来安装污染控制元件，该 污染控制元件包括无机纤维材料片段，该无机纤维材料片段的至少一 个边缘具有两个或更多纤维熔合在一起的至少一个组。
根据本发明的另外方面，提供一种方法用来从无机纤维材料的片 材切出适合于用在污染控制装置中的纤维材料的至少一个片段。该方 法包括提供一种激光设备；提供无机纤维材料的片材；操作激光设 备以致产生激光束；和施加激光束到无机纤维材料片材，以便从该片 材切下适合于用在污染控制装置中的至少一个纤维材料片段。


图1是催化转化器的透视图，该催化转化器包括根据本发明切割 的垫并以拆开的关系示出；
图2是激光束生成设备的示意图，根据本发明使用该激光束生成 设备用来切割纤维材料片材，以致从该片材分离一个或多个污染控制 元件安装垫；
图3A-3C是分别在放大倍数为X35; X70和X100下取得的显微照 片，示出刀片切割纤维材料的边缘；和
图4A-4D是分别在放大倍数为X35; X100; X100;和X450下取得 的显微照片，示出激光束切割纤维材料的边缘。
具体实施例方式
根据本发明，安装垫30被提供用于污染控制装置10中，见图l， 其中安装垫30通过激光束40从纤维材料32的片材上切下，见图2。 与通过断裂纤维实现纤维切割的机械刀片切割操作相比，激光束切割 操作通过熔化过程切断纤维。结果，与机械刀片切割操作相比，在激 光束切割操作期间，产生较少的纤维粉尘。如下面将更充分地论述的， 激光束40也引起垫30的每个切割边缘30a中的成组的两个或更多纤
维熔合在一起。激光束还引起没有与其它纤维熔合在一起的纤维的至 少一部分的切割端具有加大的或蘑菇状的端部。熔合的纤维群组和蘑
站状纤维端部起到至少部分地密封安装垫30的每个切割边缘30a的作 用。因此，在随后的污染控制装置组装操作期间进行搬运时，离开安 装垫30的被俘获的粉尘的量减少。因此认为搬运这种垫材料的工人将 具有减小的发痒/皮肤刺激问题。
可并入本发明的垫30的污染控制装置的一个示例性实例示出于图 1，且其包括催化转化器IO。催化转化器IO包括包围催化转化器元件 20的外壳11，该外壳限定控制装置中的污染控制元件。外壳11具有 入口 12和出口 13，废气通过入口 12和出口 13流入和流出催化转化器 10。也称为罐或壳体的外壳11可由现有技术中已知的合适的材料制成。 例如，外壳ll可由不锈钢制成。
也称为催化转化器整体(monolith)的合适的催化转化器元件20 在现有技术中是已知的，并且包括由金属、陶瓷或其它材料制成的那 些催化转化器。根据常规实践， 一种或多种催化剂材料可涂敷在催化 转化器元件20上。
为了提供大量的表面积，催化转化器元件通常具有很薄的壁。薄 壁可造成催化转化器元件20易碎且容易破损。此外，在一些实施例中， 催化转化器元件20可具有比外壳H的热膨胀系数小大约一个数量级 的热膨胀系数。特别地，当外壳ll由金属(通常为不锈钢)形成而元 件20是陶瓷时，就出现这种情况。在温度变化的情况下，热性质的差 异可使催化转化器元件20遭受损坏的危险。布置在外壳11和元件20 之间的安装垫30有助于保护元件20避免由于路面冲击和振动和/或热 膨胀差异而损坏。安装垫30也有助于防止废气在元件20和金属外壳 11之间通过。
从其上切下一个或多个安装垫30的纤维材料32的片材可包括基
于材料32的总重量的大约85%和100%之间的重量的无机纤维，和基 于材料32的总重量的大约0%到大约15%之间的重量的粘合材料。无 机纤维材料片材32可以是非纺织的。所述纤维可选自多晶纤维、陶 瓷纤维、硅石纤维、生物可溶纤维、玻璃纤维及其混合物。所述纤维 可具有从大约2mm到大约150mm的长度。如果提供的话，粘结材料可 选自有机粘结物、无机粘结物及其混合物。合适的有机粘结材料包 括水聚合物乳液、溶剂基聚合物溶液和聚合物树脂(100%固体)。水 聚合物乳液是乳液形式的有机粘结聚合物和弹性体，例如天然橡胶乳 液、苯乙烯-丁二烯乳液、丁二烯-丙烯腈乳液、乙烯醋酸乙烯酯乳液 以及丙烯酸脂和甲基丙烯酸酯聚合物和共聚物的乳液。聚合物树脂包 括天然橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶和其它弹性体的聚合物树脂。可以优 选丙烯酸乳液和多乙酸乙烯酯有机粘结物。无机粘结物可包括例如膨 润土、硅胶及其混合物的粘土材料。粘结物可喷洒到纤维材料32的外 表面上，或者可以并入纤维材料32的整个厚度。
也可构想到的是，纤维材料32可以是缝编的或针刺的。缝编的或 针刺的垫30可具有或没有粘结物。
纤维材料32可具有大约2咖和25mm之间的厚度和大约200 g/m2 到大约4000g/m2之间的重量/面积。在美国专利No.4929429、 No.5250269、 No.5290522和No.5380580,公开的美国专利申请U.S. 2004/0057879和国际公布No. WO 03/031368 A2中公开了能通过激光 束切割的无机纤维安装垫材料的实例，这些文献的公开内容在此以参 考的方式并入。优选的是，纤维材料32包括少量或没有膨胀性材料。
见图2，传统的激光束生成设备40a可用于产生用来实现纤维材料 切割的激光束40。 一种此类设备是商业上可从位于Somerset, WI的 Preco Laser Systems, LLC获得的"Preco Eagle 500"。可以以大约254 厘米/分钟到大约1270厘米/分钟的速率切割纤维材料32。例如，可以 以从大约508厘米/分钟到大约635厘米/分钟的速率切割约7. 5mm厚的垫。可操作激光束生成设备以产生大约270W到大约500W之间的某
一功率水平(即束输出功率水平)的激光束。正如本领域技术人员将 显然可见的，切割速率和功率水平将随着纤维材料成分、重量厂面积和 厚度而改变。
实例
如上所提到的，使用Preco Eagle 500激光束生成设备40a切割包 括3MTM Interam Non-Intumescent Mat Mount Series 1500 HT的纤维
材料的片材。该纤维材料包括大约99%重量百分比的多晶陶瓷纤维和 1%重量百分比的有机粘结物，厚度大约7.5毫米英寸且重量/面积大 约1230g/m2。有机粘结物包括干燥的丙烯酸乳液外涂层，即喷洒到每 个主要外表面上的粘结物。在第一切割操作期间，机械刀片用来从纤 维材料的片材切割出片段。图3A-3C是显微照片，分别示出在放大倍 数为X35; X70;和X100下取得的刀片切割纤维材料片段的边缘。
如上所述，在第二和第三切割操作期间，使用Preco Eagle 500激 光束产生设备40a产生的激光束用于从纤维材料的片材切割其它片段。 在第二切割操作期间，以大约508厘米/分钟的速率和大约270W的功 率水平切割纤维材料。在第三切割操作期间，以大约635厘米/分钟的 速率和大约500W的功率水平切割纤维材料。图4A-4D是显微照片，分 别示出在放大倍数为X25; X100; X100;和X450下取得的在第二切割 操作期间由激光束切割的纤维材料片段的边缘。
如同在图4A-4D中可见的，作为激光束切割操作的结果，纤维材 料片段的激光切割边缘包括两个或更多纤维熔合在一起的多个组G。纤 维材料片段的激光切割边缘还包括没有和其它纤维熔合的并具有蘑燕 状端部的多个纤维F。熔合的纤维组和蘑菇状纤维端部起到至少部分地 密封激光切割纤维材料片段的切割边缘的作用，以便在随后的搬运期 间减小离开纤维材料片段的粉尘的量。 纤维损失测试
对取自第一和第二切割操作期间切割的纤维材料的片材的片段的 样品进行纤维损失测试。特别地，六个样品取自第一切割操作期间通 过刀片切割的纤维材料的片材的片段。六个另外的样品取自纤维材料 片材的相同片段，在测试前，该样品轻微地由真空吸尘器沿其切割边 缘清扫以去除松散的纤维。六个样品取自第二切割操作期间通过激光 束切割的纤维材料的片材的片段。
纤维损失测试用来确定陶瓷纤维材料在碰撞下损失的纤维的重 量。测试夹具具有固定的竖直框架，该竖直框架在顶部由铰链连接到 第二框架，该第二框架具有与固定的框架近似相同的尺寸。第二框架 可在底部向外移动以在顶部形成角度，该角度由固定的框架和第二框 架限定。测量值为100腿X100鹏的纤维材料的测试样品被称重，并随 后被夹紧到连接至第二框架底部的安装板上。安装板与第二框架的底 部齐平，因而垫和板不延伸超过第二框架的周边边缘。为进行测试， 抬起第二框架以与固定的框架形成30度角，并释放第二框架使其撞击 固定的框架。板撞击框架的碰撞引起任何被松散地保持的纤维离开样 品。移去样品并进行称重，并且如下以百分比重量损失的形式给出测 试结果xioo-百分比纤维损失
其中"毛重"是在夹紧到第二框架的安装板上之前的样品重量。 取自在第一切割操作期间通过刀片切割的纤维材料的片材的片段
的且切割边缘未被真空吸尘器打扫的六个样品，具有大约0.074%的平
均百分比重量损失。其刀片切割边缘被真空吸尘器打扫的六个另外的
样品具有大约0.067%的平均百分比重量损失。取自第二切割操作期间 通过激光束切割的纤维材料的片材的片段的六个样品具有0.040%的 平均百分比重量损失。因此，与包括其切割边缘被真空吸尘器打扫的
那些样品的机械刀片切割样品相比，激光切割样品具有少得多的粉尘 损失。基于这些数据，认为激光切割安装垫与刀片切割安装垫相比， 在污染控制装置组装操作期间进行搬运时，将具有较少量的粉尘损失。
加速的冷腐蚀测试
对取自第一、第二和第三切割操作期间切割的纤维材料的片材的 片段的样品进行加速的冷腐蚀测试。
冷腐蚀测试是在比典型的实际情况更严格的情况下在催化转化器 中进行的加速的测试。它为纤维垫安装材料的耐腐蚀性提供比较数据。
近似2. 54cmX2. 54cm的测试样品被测量、称重并安装在使用隔离物以 形成测试组件的两个高温Inconel 601钢板之间。在该实例中，用来测 试所述样品的安装密度是0. 28+/-0.005g/cc。测试组件在80(TC下被 加热一小时并冷却到室温。然后将已冷却的测试组件定位在空气喷嘴 的前方3. 8腿处，该空气喷嘴在垫的暴露的边缘上以每分钟20周期来 回摆动。空气喷嘴以305米每秒的速度冲击垫的边缘。该测试在如技 术人员基于他/她对材料损失的观察而估计的损失0.2克材料后或在24 小时后停止，无论哪个首先发生。腐蚀速率由重量损失除以测试时间 确定，并且以克/小时(g/hr)给出。
对取自第一、第二和第三切割操作期间切割的每个纤维材料片段 的三个样品进行冷腐蚀评价。纤维材料片段是圆盘形的，各具有 104.8mm的直径。从圆盘形片段切下样品，使得每个样品的弧形切割边 缘(即刀片或激光切割边缘)暴露到空气冲击。刀片切割样品的平均 腐蚀速率是0.0008g/hr。在第二切割操作期间激光切割的样品的平均 腐蚀速率是0.0003g/hr，而对于第三切割操作期间激光切割的样品， 平均腐蚀速率是0.0001g/hr。因此，与机械刀片切割样品相比，激光 切割样品具有小得多的纤维损失/小时。
可以构想，切割(可以不由激光束切割)或以其它方式从无机纤
维材料的片材分离的垫的一个或多个边缘可具有暴露到烤箱的加热 (或暴露到例如来自火把的火焰)的一个或多个边缘，以便将两个或 更多纤维的一个或多个组熔合在一起，并在不与其它纤维熔合的多个 纤维上形成蘑菇状端部，以便至少部分地密封垫的边缘。无机纤维材 料的片材可包括与上述的纤维材料32的片材相同或相似的材料，并且 从该无机纤维材料的片材切下安装垫30。
也可以构想，适合于布置在污染控制装置外壳的内和外端锥部分 之间的间隙中的端锥绝缘垫可包括具有至少一个激光切割边缘或热暴 露边缘的无机纤维材料片段。按照与从无机纤维材料的片材切下污染 控制元件安装垫相同的方式，通过激光束可从无机纤维材料的片材切
下这种片段。无机纤维材料可包括与上述的纤维材料32的片材相同或 相似的材料，并且从该无机纤维材料切下安装垫30。然而，激光切割
端锥绝缘垫的形状可不同于安装垫的形状，以便允许绝缘垫形成为污 染控制装置外壳的内和外端锥部分之间的间隙的形状，例如锥形。
还可以构想，防火垫可由具有至少一个激光切割边缘或热暴露边 缘的无机纤维材料片段限定。无机纤维材料可包括与上述的纤维材料
32的片材相同或相似的材料，并且从该无机纤维材料切下安装垫30。 按照与从无机纤维材料的片材切下污染控制元件安装垫相同的方式， 通过激光束可从无机纤维材料的片材切下这种防火垫。激光切割防火 垫可包在管道、导管的周围，以便从热和火隔离管道、导管。
虽然已经示出并描述了本发明的具体实施例，对于本领域技术人 员显然的是，可以进行各种其它改变和修改而不偏离本发明的精神和 范围。因此，本发明意于在所附权利要求中涵盖落在本发明范围内的 所有这种改变和修改。
权利要求
1.一种污染控制装置，包括外壳；布置在所述外壳内的污染控制元件；和安装垫，该安装垫布置在所述外壳的至少一部分和所述污染控制元件的一部分之间的间隙中，所述安装垫由无机纤维材料片段限定，该无机纤维材料片段的至少一个边缘具有两个或更多纤维熔合在一起的至少一个组。
2. 如权利要求l所述的污染控制装置，其中所述至少一个边缘是 激光切割边缘。
3. 如权利要求l所述的污染控制装置，其中所述纤维材料片段边 缘还包括没有与其它纤维熔合并具有蘑菇状端部的纤维。
4. 如权利要求l所述的污染控制装置，其中所述纤维材料片段包 括基于所述纤维材料片段的总重量的至少大约85%重量百分比的纤 维，和基于所述纤维材料片段的总重量的最多约15%重量百分比的粘 结物材料。
5. 如权利要求4所述的污染控制装置，其中所述纤维选自多晶 纤维、陶瓷纤维、硅纤维、生物可溶纤维、玻璃纤维及其混合物。
6. 如权利要求4所述的污染控制装置，其中所述粘结物选自有 机粘结物、无机粘结物及其混合物。
7. —种用来安装污染控制元件的垫，包括无机纤维材料片段，该 无机纤维材料片段的至少一个边缘具有两个或更多纤维熔合在一起的 至少一个组。
8. 如权利要求7所述的垫，其中所述至少一个边缘是激光切割边缘。
9. 如权利要求7所述的一种用来安装污染控制元件的垫，其中所述纤维材料片段边缘还包括没有与其它纤维熔合并具有蘑菇状端部的 纤维。
10. 如权利要求7所述的一种用来安装污染控制元件的垫，其中 所述纤维材料片段包括基于所述纤维材料片段的总重量的至少大约85 %重量百分比的纤维，和基于所述纤维材料片段的总重量的最多约15 %重量百分比的粘结物材料。
11. 如权利要求IO所述的一种用来安装污染控制元件的垫，其中所述纤维选自多晶纤维，陶瓷纤维、硅纤维、生物可溶纤维、玻璃 纤维及其混合物。
12. 如权利要求IO所述的一种用来安装污染控制元件的垫，其中所述粘结物选自有机粘结物、无机粘结物及其混合物。
13. 如权利要求7所述的垫，其中所述无机纤维材料片段包括非 纺织的无机纤维材料片段。
14. 一种用来从无机纤维材料的片材切割适合于用在污染控制装 置中的纤维材料的至少一个片段的方法，包括提供一种激光设备； 提供无机纤维材料的片材； 操作所述激光设备以致产生激光束；和施加所述激光束到所述无机纤维材料片材，以便从所述片材切割 适合于用在污染控制装置中的纤维材料的至少一个片段。
15. 如权利要求14所述的方法，其中所述激光束施加到所述纤维材料，从而以大约508厘米/分钟到大约635厘米/分钟的速率切割所 述桐.料。
16. 如权利要求15所述的方法，其中，以大约270W到大约500W 之间的功率水平操作所述激光束。
17. 如权利要求16所述的方法，其中所述纤维材料具有从大约 2腿到大约25咖的厚度。
18. 如权利要求14所述的方法，其中所述激光束施加到所述纤维 材料从而以大约254厘米/分钟到大约1270厘米/分钟的速率切割所述 材料。
19. 如权利要求14所述的方法，其中所述纤维材料包括基于所述 纤维材料的总重量的至少大约85%重量百分比的纤维，和基于所述纤 维材料的总重量的最多约15%重量百分比的粘结物材料。
20. 如权利要求19所述的方法，其中所述纤维选自多晶纤维， 陶瓷纤维、硅纤维、生物可溶纤维、玻璃纤维及其混合物。
21. 如权利要求19所述的方法，其中所述粘结物材料选自有机 粘结物、无机粘结物及其混合物。
22. 如权利要求14所述的方法，其中所述纤维材料片段具有激光 切割边缘，该激光切割边缘具有两个或更多纤维熔合在一起的至少一 个组。
23. 如权利要求22所述的方法，其中所述激光切割边缘还包括没 有与其它纤维熔合并具有蘑菇状端部的纤维。
24. 如权利要求14所述的方法，其中所述无机纤维材料的片材包 括非纺织的无机纤维材料的片材。
25. —种污染控制装置，包括外壳，该外壳具有至少一个内端锥部分和至少一个外端锥部分；和端锥绝缘垫，它布置在所述内端锥部分和外端锥部分之间的间隙 中，所述绝缘垫由无机纤维材料片段限定，该无机纤维材料片段的至 少一个边缘具有两个或更多纤维熔合在一起的至少一个组。
26. 如权利要求25所述的污染控制装置，其中所述至少一个边缘 是激光切割边缘。
27. 如权利要求25所述的污染控制装置，其中所述纤维材料片段 边缘还包括没有与其它纤维熔合并具有蘑菇状端部的纤维。
28. 如权利要求25所述的污染控制装置，其中所述纤维材料片段 包括基于所述纤维材料片段的总重量的至少大约85%重量百分比的纤 维，和基于所述纤维材料片段的总重量的最多约15%重量百分比的粘 结物材料。
29. 如权利要求28所述的污染控制装置，其中所述纤维选自多 晶纤维，陶瓷纤维、硅纤维、生物可溶纤维、玻璃纤维及其混合物。
30. 如权利要求28所述的污染控制装置，其中所述粘结物选自 有机粘结物、无机粘结物及其混合物。
31. —种适合于布置在污染控制装置外壳的内端锥部分和外端锥 部分之间的间隙中的端锥绝缘垫，包括无机纤维材料片段，该无机纤 维材料片段的至少一个边缘具有两个或更多纤维熔合在一起的至少一 个组。
32. 如权利要求31所述的端锥绝缘垫，其中所述至少一个边缘是 激光切割边缘。
33. 如权利要求31所述的端锥绝缘垫，其中所述纤维材料片段边 缘还包括没有与其它纤维熔合并具有蘑菇状端部的纤维。
34. 如权利要求31所述的端锥绝缘垫，其中所述纤维材料片段包 括基于所述纤维材料片段的总重量的至少大约85%重量百分比的纤 维，和基于所述纤维材料片段的总重量的最多约15%重量百分比的粘 结物材料。
35. 如权利要求34所述的端锥绝缘垫，其中所述纤维选自多晶 纤维，陶瓷纤维、硅纤维、生物可溶纤维、玻璃纤维及其混合物。
36. 如权利要求34所述的端锥绝缘垫，其中所述粘结物选自有 机粘结物、无机粘结物及其混合物。
37. 如权利要求31所述的端锥绝缘垫，其中所述无机纤维材料片 段包括非纺织的无机纤维材料片段。
全文摘要
用在污染控制装置中的无机纤维安装和绝缘片材，无机纤维的至少一个边缘具有两个或更多纤维熔合在一起的至少一个组。一种包括这种片材的污染控制装置。一种用来从包含无机纤维材料的片材切割至少一个片段的方法，其中该片材适合于用在污染控制装置中。切割该含纤维的片材使得切割边缘具有两个或更多纤维熔合在一起的至少一个组。激光束可用来从无机纤维片材切出希望的片段。
文档编号B01D46/24GK101103187SQ200580046749
公开日2008年1月9日 申请日期2005年10月25日 优先权日2004年11月18日
发明者理查德·P·梅里 申请人:3M创新有限公司