用于涂覆一系列承载体的方法和设备的制作方法

专利名称：用于涂覆一系列承载体的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用涂料悬浮液涂覆一系列承载体的方法。特别是，本发明涉及涂覆用于催化剂(例如汽车废气催化剂)的承载体的方法和设备。
背景技术：
汽车废气催化剂的承载体通常是带有两个端面和壳体的圆柱形，并具有多个大致平行于圆柱轴线的、用于来自内燃机的废气的流动通道，废气从第一端面穿过流动通道到达第二端面。这些承载体也被称为蜂窝承载体。
承载体的截面取决于车辆的安装需要。带有圆形、椭圆形或三角形截面的承载体得到了广泛的应用。流动通道通常为正方形截面并在承载体的整个截面上布置成密集的网格状。流动通道的通道或微孔密度根据特别的应用在10cm-2和140cm-2之间变化。微孔密度达到250cm-2或更高的蜂窝承载体正在开发中。
通过挤出陶瓷化合物得到的催化剂承载体主要用于汽车废气的净化。可选的，可获得由波纹和卷绕金属箔片制成的催化剂承载体。目前，微孔密度为62cm-2的陶瓷承载体主要用于净化客车的废气。在这个实例中流动通道的截面尺寸是1.27×1.27mm2。这种承载体的壁厚位于0.1和0.2mm之间。
精细分布的铂族金属(其催化作用可由贱金属的化合物改变)通常用于将包含在汽车废气中的污染物(例如一氧化碳、烃和氧化氮)转化为无害化和物。这些催化活性组分必须沉积在承载体上。但是，通过将这些组分沉积在承载体的几何表面上很难获得催化活性组分所需要的非常精细的分布。这同样适用于无孔金属承载体和多孔陶瓷承载体。催化活性组分的足够大的表面积可只通过将带有高表面积的精细颗粒材料的支撑层施加给流动通道的内表面而提供。在下文中这种操作被称为涂覆承载体。不期望涂覆承载体的罩表面，并且应该避免上述操作以避免贵重的催化作用材料的损失。
为了利用精细颗粒涂覆承载体，使用了高表面积材料和在液态(例如水)中的这些材料的悬浮液。典型的催化作用的涂料悬浮液包含，例如活性氧化铝、硅酸铝、沸石、二氧化硅、氧化钛、氧化锆、以及基于氧化铈的储氧组分，作为用作催化活性组分的带高表面积的支撑材料。这些材料形成涂覆悬浮液的固体部分。另外，有可能从元素周期系的铂族添加到助催化剂或催化活性贵金属的涂料悬浮液可溶前体。通常的涂料悬浮液的固体浓度为其重量占悬浮液总重量的20至65％的范围内。它们的密度在1.1和1.8kg/l之间。
现有技术已经公开了多种利用涂料悬浮液将支承层沉积在承载体上的方法。通过示例，将被涂覆的承载体可被浸入涂料悬浮液，或者涂料悬浮液可被浇注到它们上。另外，有可能将涂料悬浮液泵入或吸入承载体的流动通道。
在所有情况下，多余的涂料悬浮液必须从承载体中去除，例如通过将其吸出或将压缩空气吹过承载体的通道。这还打开了已经被悬浮液堵塞的所有通道。
在涂覆操作后，承载体和支承层被干燥，然后支承层被煅烧在承载体上以合并和固定。然后，通过浸渍催化活性组分的前体化合物的一般水溶液将催化活性组分引入涂料中。可选的，也可将催化活性组分添加入涂料悬浮液本身。在这种情况下，不需要随后将整个支承层浸渍催化活性组分。
这种涂覆方法的一个重要标准是一次可达到的涂覆浓度或装载浓度。这被理解为在干燥和煅烧后保持在承载体上的固体组分。涂覆浓度由每升承载体的克数给出(g/l)。在实际中，汽车废气催化剂需要涂覆浓度达到300g/l。如果在所选的涂覆方法中，一次不能施加这个量，则必须在承载体干燥以及适当的煅烧后重复涂覆操作，直到达到所需要的装载。经常要利用不同组分的涂料悬浮液进行两次或多次涂覆操作。这导致了具有一层一层的多层不同催化功能的催化剂。
DE 40 40 150 C2描述了允许蜂窝形式的催化剂承载体在它们的整个长度上被均匀地涂覆有支承层或催化作用层的方法。下面，蜂窝形式的催化承载体也被称为蜂窝承载体。根据DE 40 40 150 C2描述的方法，蜂窝承载体的圆柱形轴线被竖直定位以便被涂覆。然后，涂料悬浮液通过蜂窝承载体的下端面被泵入通道直到其在上端面处出现。接着，涂料悬浮液又在底部被泵出，多余的涂料悬浮液通过吹或吸从承载体中去除，以便防止通道堵塞。该方法产生了在蜂窝承载体的整个长度上均匀性很好的支承层。
上述涂覆方法和所有的工艺方法一样，承载体和承载体的涂覆量具有一定的波动范围。波动范围取决于涂料悬浮液的性质以及要被涂覆的蜂窝承载体的特性。
涂覆工艺的波动范围对于最终催化剂的催化作用有直接影响，这是由于在各种因素中，催化作用直接取决于催化作用贵金属的装载量。因此，为了保证催化剂的最小作用，必须保证所有的催化剂至少包含涂料悬浮液的目标量。这意味着在生产中，承载体必须被超载涂料悬浮液达到涂覆工艺的波动范围的一半。因此，如果可以减小涂覆工艺的波动范围，所需要的过载程度可因此降低，从而节省了昂贵的贵金属和涂覆原材料。

发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种涂覆承载体(其尤其用于催化剂)的方法和设备，其与现有的类似方法相比，可使涂覆催化剂承载体的涂覆量具有减小的波动范围。
本发明的目的通过权利要求的特征获得。
在对本发明进行详细描述之前，需要先对一些术语进行解释。
在本发明的文本中，术语“体”被理解为用于催化作用涂料的惰性承载体。它们通常是公知的由陶瓷或金属制成的蜂窝承载体。
在下文中，术语“湿吸收量”、“湿涂覆量”或“粗涂覆”可被理解为在涂覆后和任何干燥操作之前保持在承载体上的涂料悬浮液的量。这可通过在涂覆前和涂覆后称重承载体来确定。
相比而言，“干吸收量”是在干燥和煅烧后存在于承载体上的涂覆材料的量。
在下文中，术语“目标量”被理解为实现所需的催化作用所必须的且必须不能让任何被涂覆的承载体低于目标量的湿吸收量。
术语“最终涂覆”被理解为在涂覆方法以及结束后存在的湿吸收量。
根据本发明的方法可被用于利用至少一种涂料悬浮液涂覆一系列带开口的圆柱形的体，所述涂料悬浮液特别包含有液体介质中的固体溶解物质，其湿态下的量至少对应于所需要的目标量，在涂覆操作中，对于不同的体所涂施的湿涂覆量具有一个波动范围，所述方法的特征在于其具有下述步骤a)通过利用涂料悬浮液涂覆所述体进行粗涂覆；
b)确定涂施给所述体的粗涂覆的实际量；以及c)通过去除仍然是湿的涂料悬浮液或施加附加的涂料悬浮液来校正实际量，从而使最终涂覆的涂覆量处于高于目标量的容差范围内，容差范围的大小小于粗涂覆的波动范围。
本方法适于涂覆由金属或陶瓷制成的承载体。承载体可以是公知的带有在两侧面开口的平行通道的蜂窝承载体的形式，或者也可以包括开口的多孔结构或开口的网眼泡沫或纤维结构。但是，本方法还可用于涂覆公知的壁流式过滤器，其流动通道在交替侧面上被堵塞，从而强制废气在其通过过滤器的通路上流过流动通道之间的多孔分隔壁。
本发明的下述解释假定带有平行通道的承载体必须(例如大量的承载体)被涂覆用作催化剂的承载体，以净化来自内燃机的废气。
承载体在步骤a)的涂覆优选在被称为涂覆工位的位置进行。从现有技术可以了解很多这些涂覆工位的示例。下面的解释假定涂覆工位是例如在DE 40 40 150A1，EP 0941763A1，EP 1136462A1和EP 1273344A1中描述的。
为了在这种类型的工位上涂覆，承载体被放置成使它们的圆柱轴线竖直布置，并且它们的下端面例如被放置在涂覆工位上，之后通过泵它们被从下面填装涂料悬浮液，或从压力容器填装悬浮液。然后，从承载体去除多余的涂料悬浮液。这可通过泵抽、抽吸、吹或这些方式的组合来实现。于是承载体具有包括它们内壁面上的涂料悬浮液的涂料。
以这种方式在承载体上产生的涂料在下面被称为粗涂覆。粗涂覆的涂覆量取决于涂料悬浮液的固体浓度、其粘稠度和涂覆条件，尤其是当从承载体的流动通道去除多余的涂料悬浮液时的条件。本领域技术人员明白它们的关系，因此，他们可考虑该涂覆工艺的波动范围而设置实际涂覆量到希望涂覆量的中间值。
这种传统涂覆工艺的波动范围取决于涂料悬浮液的性质和涂覆工艺的其它参数。波动范围通常从±5％至±10％。在有利的实例中，其可减小到±2％。
为了使这种传统的涂覆工艺的波动范围变窄，本发明为施加的涂覆量提供校正。为此，在步骤b)中确定了涂覆的实际量。如果粗涂覆的实际量低于目标量，根据本发明，附加的涂料悬浮液被施加给承载体。另一方面，如果粗涂覆的实际量高于最终涂覆的限定容差范围，一些仍然是湿的涂覆悬浮液被从承载体上去除。在两种情况下，目的都是通过单次校正将高于目标量的涂覆的实际量调整到规定的容差范围内。
在已经校正过涂覆量之后，可再次确定新的实际量，并且如果需要，可进行根据步骤c)的再次校正。因此，方法步骤b)(确定实际量)和方法步骤c)(校正实际量)可进行多次循环直到达到所需要的涂覆量的精度。在下文中，进行方法步骤b)和c)的次序被称为重复循环。
当涂覆的实际量位于最终涂覆的规定容差范围内时，重复步骤终止，因此涂覆工艺终止。
为了提高轴向上承载体上的涂料的均匀性，在两个重复循环之间，承载体绕着水平轴线旋转180度，以使得在下一重复循环中，原来在底部的承载体端面现在位于顶部。
在步骤a)中湿涂覆量相对于希望的目标量的中间值对本方法来说是次要的。其可以低于或高于目标量或可以等于目标量。特别是，在步骤c)中，如果校正超过目标，在同一承载体上的实际量和目标量之间的负差和正差之间可以有变化。因此，如果实际量高于目标量，则去除仍然是湿的涂料悬浮液，如果实际量低于目标量，则施加附加的涂料悬浮液。
但是，特别有利的是考虑步骤a)中的涂覆工艺的波动范围，确保实际涂覆量总是低于或高于目标量。已经发现，在前一情况下，该工艺可以下述方式进行，即，在每一情况下只需施加附加的涂料悬浮液以便更接近目标量，而在后一情况下，只需在重复循环中去除涂料悬浮液。然后，可以基本取消在施加附加的涂料悬浮液和去除涂料悬浮液之间变化的需要。第一方法变化例在本文中是特别优选的，其是在步骤a)中设置涂覆量使得对于所有的承载体而言，在步骤a)中施加的涂覆量低于所需要的目标量。
为了在步骤a)中确定实际涂覆量，在涂覆操作之前和之后优选称量承载体。当涂覆量已经在步骤c)中被校正后，承载体被再次称量，通过将其与在步骤a)中涂覆之前的重量相比较以确定新的实际量，从而估计校正是否成功，如果需要，开始又一重复循环。
如果在实际量和目标量之间出现负差，附加的涂料悬浮液可被施加给竖直放置的承载体的上端面。然后，可通过抽吸或吹过承载体而将所述附加的涂料悬浮液分布到承载体的整个长度上。
如果在实际量和目标量之间出现正差，则通过抽吸或吹出仍然湿的涂料悬浮液使实际量更接近所需要的目标量。在这种情况下抽吸或吹的强度和/或持续时间被选择作为所确定的量差的函数。通过示例，抽吸或吹的强度和/或持续时间的匹配可在于从预测试中确定的测量实际量的值表中选择对应的数值。可选地，强度和/或持续时间被作为实际量、强度和/或持续时间以及刚刚涂覆过的所述体确定的实际量和目标量之间的差值的减小的数值的函数而控制。也就是说，在步骤c)中的抽吸或吹被基于开始重量或相对于所需要的目标量的偏差而以下述方式预先设置，即，实际量尽可能地靠近目标重量或承载体中设置的涂覆量。
因此，根据本发明，传统的涂覆方法被用于对承载体施加粗涂覆。其之后是校正，在校正中，任何过涂覆或涂覆不足(基于目标值或目标量)被吸出或施加。
在涂覆工艺完成之后，涂覆后的承载体被在80和200℃之间的高温处干燥5分钟至2个小时的时间。然后煅烧(通常在300和600℃之间的温度处)10分钟至5小时的时间。煅烧使涂料可靠地固定到承载体上，并将涂料悬浮液中的所有前体化合物转化成它们的最终形式。
本发明提出的方法在利用催化活性涂料涂覆承载体时，使体和体之间的涂料浓度有很好的精度，即低的波动范围。提高精度通过本发明的步骤c)中的校正获得。
特别有利的是应用本方法在承载体上产生多个层。在该情况下，各个涂覆的波动范围是累加的，其是指在传统方法中，最终的多层涂料容易有相对大的波动范围。对应于上述涂覆问题，根据本发明的方法可产生涂覆浓度的波动范围被大大减小的多个层。


通过示例并参考所附附图详细描述本发明的设备和方法的优选实施例，其中图1示出实施本发明方法的优选涂覆系统的轮廓图；图2示意性地示出了涂覆方法。
具体实施例方式
图1示出了适于本方法的涂覆系统的可能结构。涂覆系统优选包括用于进行粗涂覆的涂覆工位20。为此，将被涂覆的承载体1被放置在为此设置的保持元件上(见图1)。承载体1被固定在该工位上并通过使可膨胀的橡胶箍带21膨胀而被密封。另外，还可设置第二密封箍带22，其被安装至承载体1的上端以紧紧地固定溢流口23。上述结构优选具有高度传感器25，其用于检测承载体1的充分填充，并随后将信号传送到涂覆系统的设备控制单元。
为了进行粗涂覆，涂料悬浮液被从下面经由供给管线24泵入承载体，直到高度传感器指示已经达到了限定的高度。然后，通过打开抽吸阀或节流阀26从承载体的通道去除多余的涂料悬浮液。为此，将一泵管27连接至减压容器(此处未示出)和除沫器(demister)。该减压容器被连接至一风机，该风机保持低于大气压的压力，优选在50和500毫巴之间，特别优选为300毫巴。抽吸的强度和持续时间可借助节流阀26设置。这些参数确定了保持在承载体上的粗涂覆的量。该操作还用于打开已经被涂料悬浮液堵塞的所有通道。
图1还示出了称重工位30，其中被涂覆的承载体1在天平31上被称重。这样，就有可能确定在承载体1中的涂料悬浮液的量。另外，有可能在涂覆工位20上游提供一个带天平11的称重工位10，以便在涂覆前确定承载体1的重量。
如果发现在称重工位30中对承载体1进行的涂料悬浮液的装载在最终涂覆的容差范围之外，则承载体被送往校正工位40。在校正工位中，既可以经由抽吸管46通过抽吸去除施加的多余涂料悬浮液，也可以经由喷嘴45使施加不充分的涂料悬浮液被装满。
和在涂覆工位20中一样，在校正工位40中具有密封箍带41，其将承载体1牢牢地固定至校正工位40。吸出的涂料悬浮液的量可通过抽吸阀46控制或调整。另一方面，如果称重工位30确定涂施的涂覆量已经处于最终涂覆的容差范围内，则承载体在没有对涂覆量进行任何校正的情况下从涂覆系统排出，并且然后输送到干燥和煅烧工位(此处未示出)。
在校正工位之后，尤其优选的是，承载体1在称重工位30或带天平51的另一称重工位50中被再次称重，如图1所示。如果对承载体1上的涂料悬浮液的量的再次检测显示实际的涂覆量仍然处在最终涂覆的容差范围之外，则承载体可再次被送入校正工位40。否则，承载体被从涂覆系统排出并送至干燥和煅烧工位。
如前面所述，称重工位30和50可合并为一整体，这取决于所希望的系统的灵活性和/或速度。另外，称重工位30和/或50可与抽吸工位50或涂覆工位20组合起来。
图2示意性地示出根据本发明涂覆四个承载体A，B，C，D的操作。
实现最小催化作用所需的涂覆量在图2中被称为“目标量”。在涂覆方法结束后，所有被涂覆的承载体所具有的涂覆量都不应低于目标量。因此，最终涂覆的可允许的容差范围刚高于目标量。
在图2中假定涂覆方法已被设置为下述方式，即，可因此被实现的实际涂覆量的中间值低于设置的涂覆量，具体地，在大于粗涂覆的波动范围的一半的距离处。因此，在承载体A至D上的粗涂覆量都低于目标量。粗涂覆量的波动范围明显大于所希望的最终涂覆的容差范围。
根据本发明，通过进行校正使粗涂覆量增加至最终涂覆的容差范围内。在承载体A和B的情况下，这通过单次校正实现。在承载体C的情况下，考虑到工艺过程中的波动，第一校正是不足以将涂覆量调整到最终涂覆的容差范围内。因此，此处需要第二校正。在承载体D的情况下，第一校正调节超过了目标。在第一校正步骤中施加的附加的涂覆量过补偿了之前涂覆量的不足。因此，第二校正必须再从承载体上去除一些涂料悬浮液。
在图2的描述中，已经假定实际量的中间值低于目标量。但是，该方法也以类似方式适用于实际量的中间值高于目标量或正处于最终涂覆的容差范围中的情况。
尽管提出的方法能够将涂施给承载体的涂覆量调整到重复基底上设置的涂料的所希望的容差范围内，在该方法的一个优选实施例中，通常希望通过涂覆量的单次校正实现希望的目标。
权利要求
1.利用至少一种涂料悬浮液涂覆一系列带开口的圆柱形的体的方法，所述涂料悬浮液特别包含有液体介质中的固体溶解物质，其湿态下的量至少对应于所需要的目标量，在涂覆操作中，对于不同的体所涂施的湿涂覆量具有一个波动范围，其特征在于，其具有下述步骤a)通过利用涂料悬浮液涂覆所述体进行粗涂覆；b)确定涂施给所述体的粗涂覆的实际量；以及c)通过去除仍然是湿的涂料悬浮液或施加附加的涂料悬浮液来校正实际量，从而使最终涂覆的涂覆量处于高于目标量的容差范围内，容差范围的大小小于粗涂覆的波动范围。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过在步骤a)中的涂覆操作之前和之后称重所述体以确定实际量。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤a)中被涂覆的所述体被竖直放置，并经由下端面装入涂料悬浮液，然后从承载体去除多余的涂料悬浮液。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤a)中通过泵抽、抽吸、吹或这些方式的组合从承载体中去除多余的涂料悬浮液。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，如果需要，可对步骤b)和步骤c)进行多次重复循环，直到达到所需要的涂覆量的精度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过在重复步骤之后称重并将其与涂覆前的重量比较，确定相应的实际量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在两次重复循环之间，承载体绕一水平轴线旋转通过180度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤c)中，如果在实际量和目标量之间出现负差，则通过对承载体的上端面施加附加的涂料悬浮液使实际量更接近所需要的目标量，并且然后，通过将附加的涂料悬浮液抽吸或吹过承载体使其分布在承载体的整个长度上。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤c)中，如果在实际量和目标量之间出现正差，则通过抽吸或吹出仍然湿的涂料悬浮液使实际量更接近所需要的目标量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，抽吸或吹的持续时间和/或强度从在初步测试中确定的测量实际量的值表中选择。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，抽吸或吹的持续时间和/或强度被作为实际量、抽吸或吹的持续时间和/或强度以及刚刚涂覆过的所述体确定的实际量和目标量之间的差值的减小的数值的函数而控制。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤c)后，承载体的涂料被干燥和煅烧。
13.利用至少一种涂料悬浮液涂覆一系列带开口的圆柱形的体的设备，所述涂料悬浮液特别包含有液体介质中的固体溶解物质，其湿态下的量趋向于至少对应于所需要的目标量，在涂覆操作中，对于不同的体所涂施的湿涂覆量具有一个波动范围，其尤其用于根据前述权利要求的至少之一所述的方法，所述设备包括a)在涂覆前确定所述体的重量的第一称重工位(10)；b)用于涂覆所述体的装置(20)；c)在涂覆后确定所述体的重量的第二称重工位(20)；d)用于校正涂覆量的校正装置(40)，如果实际量高于最终涂覆的容差范围，则通过吹或抽吸去除仍然是湿的涂料悬浮液来校正涂覆量，如果实际量低于最终涂覆的容差范围，则通过喷嘴(45)将附加的涂料悬浮液涂施到所述体的上端面来校正涂覆量；以及e)第三称重工位(50)，用于在校正装置(40)中校正了涂覆量之后确定实际量。
全文摘要
根据本发明，在将催化活性涂料涂施到适当的承载体上时涂覆浓度的精度可提高，从而在涂覆浓度的变化范围相当大的粗涂覆之后，可选择重复地校正太少或太多的涂料。过多涂施的涂料悬浮液在其仍然是湿的时被去除，例如通过后续的抽吸，而涂料悬浮液施加的太少的话，则例如通过附加喷洒涂料悬浮液以补充。
文档编号F01N3/022GK101080276SQ200580043364
公开日2007年11月28日 申请日期2005年10月14日 优先权日2004年10月19日
发明者O·费恩勒, D·德特贝克, A·维南德, B·默格纳 申请人:乌米科雷股份两合公司