专利名称：用于诸如催化转换器的脆性结构上的支撑元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及催化转换器、柴油颗粒收集器以及用于处理废气的其他装置。更具体地讲，本发明涉及一种具有安装在一个外壳里的脆性结构的装置，所述脆性结构由位于所述外壳和脆性结构之间的支撑元件支撑。所述支撑元件具有改进的弹性和加工特性，并且具有提高了的支撑压力特性，而且包括一体化的、基本上不能膨胀的熔融成型陶瓷纤维层，用于安装并支撑所述脆性结构。所述非膨胀支撑元件的改进的特性是通过用一种时间-温度方案通过热处理控制所述熔化成型陶瓷纤维中富铝红柱石微晶的形成所得到的，所述方案要求在至少1100℃的温度下处理所述纤维至少30分钟，或者在至少990℃的温度下处理至少1小时。
背景技术：
用于处理汽车和柴油发动机废气的催化转换器包括一种脆性结构，如催化剂支撑结构，用于保持催化剂，所述催化剂用于实施对一氧化碳和烃的氧化以及还原氮氧化物，所述脆性结构安装在一个金属壳里。所述脆性结构优选由易碎的材料制成，例如，由金属或脆性、耐火的陶瓷材料制成的整体结构，如氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化锆、堇青石、和碳化硅等。所述材料形成一种具有若干微小的流通通道的骨架类型的结构。不过，正如上文所指出的，所述结构可能并且经常是非常脆弱的。实际上，所述整体结构是如此脆弱，以至于很小的冲击负荷或应力通常就足于将其破裂或粉碎。
所述脆性结构装在一个金属外壳里，在该脆性结构的外表面和所述外壳的内表面之间具有空隙或间隙。为了保护所述脆性结构不受热和机械冲击以及上述其他应力的影响，并提供隔热作用，众所周知的是在所述脆性结构和外壳之间的空隙里放入一层安装或支撑材料，例如，受让人的US4863700，US4999168，US5032441和US5580532(每一份专利的内容被收作本文参考文献)披露了催化转换器装置，该装置具有位于安装在该装置上的外壳和脆性结构之间的空隙中的安装或支撑材料，以便保护所述脆性结构并且将其固定在所述外壳中。
不过，即使用于所述催化转换器装置上的某些最新的安装材料适用于大多数现有的汽车催化转换器，但不能完全满足生产商对所述脆性结构和催化转换器的所有设计要求。具体地讲，业已发现，当所述催化转换器在经历了大范围温度波动之后，由许多现有的支撑材料层(通常被称为安装垫)所产生的剩余固定压力不足，因此，导致所述金属外壳相对所述脆性结构(又被称作催化支撑结构)的明显膨胀和收缩，这反过来又会导致所述安装垫在一段时间后发生明显的收缩和膨胀。业已发现，所述现有安装垫在温度达到900℃以上的严酷场合下不足于保持所述脆性结构，并且通常发生稳定的热循环。振动和机械冲击是所述安装垫的其他问题。
在催化支撑结构的直径大于35毫米的催化转换器系统上，上述问题更为严重，因为较大的结构意味着需要更大的外壳，后者又意味着在高温下所述脆性支撑结构和外壳之间具有更大的间隙膨胀，因为所述外壳相对所述脆性支撑结构而言具有较大的热膨胀。在正常工作条件下，大约2psi的用于固定所述支撑元件或垫的最低有效固定压力就足于防止所述脆性结构脱出和损坏。所述有效的垫固定压力被定义为垫的固定压力乘以垫／脆性结构界面的摩擦系数。在使用条件下，典型的垫制品的摩擦系数大约为0．45。因此，所述安装垫在900℃的额定温度下进行200轮次的试验之后需要具有至少4psi的足够的剩余最低固定压力，以及在900℃的额定温度下进行1000轮次的试验之后需要具有至少4psi的足够的剩余最低固定压力。更优选的是，所述支撑元件(即安装垫)在900℃的额定温度下进行200轮次的试验之后具有至少10psi的最低固定压力。在900℃下经过1000轮次试验之后，所述支撑垫更优选具有至少6psi的最低固定压力，更优选至少12psi的最低固定压力。另外，随着高温作用和机械循环，所述支撑元件应当具有可预测的、并且可以接受的衰减，这意味着所述材料层应当优选具有在使用大约600轮次之后，每100轮次衰减不超过大约1psi的规则的形式。
迄今为止，大多数安装垫都试图通过使用极其昂贵的高铝耐火陶瓷纤维来克服所述衰减和热循环问题，这种纤维明显提高了所述安装垫的生产成本。所述耐火陶瓷纤维是由被称为“有机溶胶”或“溶胶”的水溶液或胶体分散液制成。尽管通过溶胶工艺生产的陶瓷纤维具有安装整体结构所需要的高度弹性，但其高成本迫使生产商寻找其他较廉价的解决方案。
例如，安装或支撑垫的某些生产商已经在安装所述垫之前采用昂贵的预处理，如缝合。在其他场合下，所使用的安装材料可能需要与其他安装材料组合使用，如膨胀板和背层，以便提供可加工能力和弹性所需要的足够强度。这种安装材料通常非常厚，并且缺乏必需的结构完整性，而且还有可能需要在袋中处理，以避免粉碎。还很难将其切成安装所需要的大小，并且必须进行明显的压缩，以便将支撑安装所需要的足够材料安装到所述催化支撑结构和所述外壳之间的空隙中。因此，通常会发生“滑脱”，即，将多余的材料从外壳中挤出。
除了使用溶胶产生的耐火陶瓷纤维之外，业已尝试了用熔融加工技术生产陶瓷纤维。不过，传统熔融法生产的陶瓷纤维通常含有30-60％的固体杂质，并且被认为不适合于用在催化转换器或其他类似装置上的安装垫中的特殊用途。尽管可以处理所述纤维，将固体杂质的含量降低到5％，但至少在某些专利，如US4929429，US5028397和US5250269中业已指出，这种处理过的纤维仍然缺乏必要的弹性，因此不能在900℃的额定温度下提供必需的支撑压力。
不过，至少有一件专利尝试了用熔融生产的耐火陶瓷纤维克服上述缺陷。US5250269披露，如果该安装垫是用特殊的退火工艺生产的话，用这种方法形成所述安装垫的大体上非晶形的耐火陶瓷纤维，安装垫可以具有必要的弹性值。“大体上非晶形”是指通过X光衍射不能检测到结晶度。为了获得这种结果，US5250269指出需要至少700℃并低于990℃的退火温度，以便获得大体上非晶形的熔融成型的陶瓷纤维。该专利认为，所述退火工艺能提供具有足够弹性值的合适的陶瓷纤维，而无论其中固体杂质的含量如何。在专利5250269中没有披露所采用的特殊类型的熔融工艺纤维，即熔喷纤维或熔纺纤维。
在英国专利说明书No．1481133中提出了非晶形陶瓷纤维片在压力状态下可保持大体上恒定的形状，通过将所述纤维从非晶形式转变成晶体颗粒小于200A的微粒结晶形式可以获得好的弹性，在转化之后，所述纤维片在受到压缩之后可恢复其原有尺寸的大约85-90％。根据所述英国专利说明书，这一目的可以通过将纤维加热到超过大约950℃的反玻璃化温度的温度而实现，同时避免超过大约1050℃的更高温度，因为更高的温度被认为会形成粗粒结构，按照所述英国专利说明书的说法，这样会产生较差的加工特性。在上述温度下将所述纤维加热一段足于在所述耐火陶瓷纤维中产生反玻璃化的时间，但是该加热过程必须在开始产生过度的颗粒生长之前结束。根据所述英国专利说明书，上述时间可能在10分钟到1小时之间。
虽然所述英国专利说明书指出所述纤维能够在解除压力之后恢复其原有尺寸的至少85-90％，但该说明书没有说明所述纤维片适用于怎样的场合，尽管在1970年代耐火陶瓷纤维垫和片就已经被用作耐火衬里。没有提到任何这样的纤维适用于催化转换器的安装垫。
不过，本发明设法使用高指数的结晶的熔融成型的陶瓷纤维，通过在高于980℃的富铝红柱石结晶温度的温度下，更优选在990-大约1400℃的温度下进行热处理以可控制的方式获得特定量的结晶度和晶粒大小，从而提高催化转换器支撑垫形式的结构中纤维的性能。在通过X光衍射检测时，所述纤维优选具有至少大约5-50％的结晶度，并且晶粒大小为大约50-500A。在使用所述纤维时，所述支撑垫在900℃下进行200轮次和／或1000℃的测试之后具有在所述外壳中支撑脆性催化支撑结构的至少为4psi的最低压力。
发明概述本发明的一个目的是提供一种用于处理废气的装置，该装置包括一个具有改进的支撑压力特征的支撑元件。
本发明的另一个目的是提供一种包括一个上述支撑元件的装置，其中，所述支撑元件是由高指数熔融成型的铝土和硅石的陶瓷纤维制成。
本发明的再一个目的是提供一种包括一个如上文所述的大体上不膨胀的熔融成型的陶瓷纤维层的装置，其中，所述纤维层是通过在至少990℃至大约1400℃的温度下进行热处理在所述熔融成型的陶瓷纤维中控制富铝红柱石微晶形成而产生的，根据热处理的温度，处理时间为30分钟或更长。
本发明的又一个目的是提供一种包括一个支撑元件的装置，该支撑元件在经过200轮次和／或1000轮次的试验之后在900℃的额定温度下具有至少大约4psi的足够的固定压力，并且随着高温处理和机械循环具有可预测的和可接受的衰减。
通过阅读下面的说明书可以理解，通过本文所披露的并要求保护的发明可以实现至少一个或几个上述目的，同时获得相对于催化转换器和用于处理废气的其他装置的现有技术而言的优点。
总体上讲，本发明以组合形式提供了一个外壳和一个弹性安装在该外壳里的脆性结构，一个支撑元件设置于所述外壳和脆性结构之间，并包括一个一体化的、基本上不膨胀的熔融成型的陶瓷纤维层，所述纤维至少含有铝土和硅石，其平均直径为大约1-大约14微米，并且用下列时间-温度方案之一进行热处理(ⅰ)在至少1100℃的温度下热处理所述纤维至少30分钟，和(ⅱ)在至少990℃的温度下热处理所述纤维至少1小时，使得该纤维具有合适的加工特性，通过X射线衍射测定其具有至少大约5％-大约50％的结晶度，而且其晶粒大小为大约50-大约500A，其中，所述支撑元件包括用于在900℃下在经过200轮次的试验之后产生将所述脆性结构固定在所述外壳中的至少4psi的最低压力的装置。上述组合形式可用于多种不同制品中，包括用于处理废气的装置，催化转换器和柴油颗粒收集器。
本发明的其他目的和方面可以通过一种用于将具有至少一个入口表面的脆性结构安装在具有外壳的装置中，以便使得所述脆性结构具有隔热和耐机械冲击能力的方法，该方法包括以下步骤制备一种弹性支撑元件，该元件包括一体化的、基本上不膨胀的熔融成型的陶瓷纤维层，该纤维至少含有铝土和硅石，所述纤维的平均直径为大约1-大约14微米，并且用下列时间-温度方案之一进行热处理(ⅰ)在至少1100℃的温度下热处理所述纤维至少30分钟，和(ⅱ)在至少990℃的温度下热处理所述纤维至少1小时，然后使所述纤维冷却，以便所述纤维具有合适的加工特性，通过X射线衍射测定其具有至少大约5％-大约50％的结晶度，而且其晶粒大小为大约50-大约500A；将所述弹性支撑元件缠绕在所述结构表面的靠近所述入口面的至少一部分的整个周边上；在所述缠绕结构外面形成一个外壳；以及将所述支撑元件径向压在所述结构和外壳之间，其中，所述支撑元件包括用于在900℃下在经过200轮次的试验之后产生将所述脆性结构固定在所述外壳中的至少4psi的最低压力的装置。
附图简述
图1是本发明催化转换器的局部立面视图。
图2是所产生的最低压力(即负荷)的曲线图，对按照本发明制备的多种支撑元件的多种试验轮次(即高达1000次)进行了比较，并且与现有技术的其他垫和片进行了比较。
图3是图2所示每一种支撑元件在经过多次试验(即高达1000次)之后所产生的最大压力(即负荷)比较的曲线图。
图4是本发明的陶瓷纤维的富铝红柱石结晶度的百分比受热处理温度影响的曲线图。
图5是本发明的陶瓷纤维的晶粒大小受热处理温度影响的曲线图。
图6是比较含有本发明的四种试验纤维之一的支撑元件或现有支撑元件的体积损耗(以cc计)的直方图。
图7是所产生的最低压力(即负荷)的曲线图，对按照本发明制备的多种支撑元件的多种试验轮次(即高达200次)进行了比较，并且与现有技术的其他垫进行了比较。
发明详述用于处理废气的装置的一种典型形式如图1中总体上用编号10表示的催化转换器。应当理解的是，本发明并不局限于用于图中所示的催化转换器，因此，所示出的形式只是作为说明本发明的一种例子。事实上，正如上文所指出的，所述支撑元件或安装垫(有时是这么称呼的)可用于安装或支撑任何脆性结构，如柴油颗粒收集器等。本发明支撑垫的非汽车应用场合包括但不限于用于化学工业放散管(排气器)的催化转换器。术语“脆性结构”是指并且包括诸如金属或陶瓷整料等的结构，该结构可以是脆性或容易破碎的，并且可得益于诸如本发明所披露的支撑元件。
催化转换器10包括一个大体管状的外壳12，该外壳是由诸如耐高温钢材的两片金属制成。外壳12包括位于一端的入口14和位于相反一端的出口(未示出)。入口14和出口优选设置在其外侧末端，以便可将其固定在内燃机的排气系统的导管上。装置10包括一个脆性催化支撑结构，如一个脆性陶瓷整料18，该整料通过诸如将在下文进一步说明的垫20支撑并固定在外壳12中。整料18包括若干透气通道，这些通道从位于一端的入口末端表面轴向延伸到位于其相反一端的出口末端表面。整料18可以任何已知方式和形状由任何合适的耐火金属或陶瓷材料制成。所述整料的截面形状通常为椭圆形或圆形，不过，也可以为其他形状。
根据本发明，所述整料与其外壳相隔一段距离或间隙，所述间隙根据所使用的该装置的类型和设计例如催化转换器或柴油颗粒收集器而不同。该间隙由支撑元件20填充，以便提供对陶瓷整料18的弹性支撑。弹性支撑元件20同时提供与外部环境的隔热作用和对所述催化支撑结构的机械支撑，保护所述脆性结构免受机械冲击。所述支撑元件20还具有良好的处理性能并且在装置的生产中容易加工，所述装置使用了它的如下能力在大约900℃的额定温度下经过200或1000轮次机械循环之后它能保持大体上稳定的、并且均匀的、至少为4psi的最低固定压力，更优选在经过200轮次之后保持至少6psi的固定压力，更优选至少10psi的固定压力。
术语“轮次”是指在特定长度上，以预定的速度打开并关闭所述整料(即脆性结构)和外壳之间的间隙。为了模拟真实情况，通过在600℃的最高温度温度下计算常规外壳的热膨胀系数，测定外壳和直径为55毫米的脆性结构之间的间隙的膨胀。上述计算得到的间隙膨胀为0．25毫米。根据以上信息，对所述支撑元件进行试验将基重为2000g／m2的支撑元件安装在大约3．6毫米的间隙中，以便在室温下产生0．55g／cc的压缩密度。然后以大约每分钟20℃的速度将所述试验材料加热到900℃，并在整个测试过程中保持该温度。然后对所述试验材料进行机械循环，每一个“轮次”被定义为在大约28秒时间里，将3．6毫米的间隙打开0．25毫米(10／1000英寸)然后关闭0．25毫米(10／1000英寸)。在经过200或1000个轮次之后，通过上述方法测定由该支撑元件产生的剩余最低固定压力。尽管某些现有的支撑元件也具有在200或1000轮次之后保留“高的”最低压力的能力，但这些元件都含有极昂贵的、由溶胶生产的耐火陶瓷纤维，所述纤维具有至少70％的高铝土含量，并且通常含量更高。
相反，本发明的支撑元件20包括铝土和硅石及粘接剂的熔融成型的耐火陶瓷纤维的一体化的、基本上不膨胀的复合层。“一体化”是指在生产之后，该安装垫具有自我支撑的结构，不需要织物、塑料或纸的加强或保持层(包括缝合连接在所述垫上的物质)，并可以不用分解就进行处理或操作。“基本上不膨胀”是指所述层在加热时不容易膨胀，而膨胀性的垫在遇热时容易膨胀。当然，根据其热膨胀系数所述层确实会发生一定的膨胀。不过，膨胀的量与膨胀性垫的膨胀相比很不明显。应当理解的是，所述安装垫基本上没有膨胀性材料或溶胶衍生的陶瓷纤维。
如上文所述，可用于本发明支撑元件上的陶瓷纤维是含有铝土和硅石的熔融成型的陶瓷纤维，更优选熔纺耐火陶瓷纤维。更具体地讲，所述纤维在至少990℃至大约1400℃的温度范围内进行热处理，以便该纤维在通过X射线衍射检测时具有至少大约5％-大约50％的结晶度，并且晶粒大小为大约50A-大约500A。优选的纤维选自硅铝酸盐，更优选包括含有大约40％-大约60％铝土和大约60％-大约40％硅石的硅铝酸盐，更优选含有大约47％-大约53％的铝土和大约47％-大约53％的硅石。
用于层状物中的纤维是熔融成型的，优选高化学纯度的纺丝纤维，并优选具有大约1微米-大约10微米的平均直径，更优选在大约3微米-6．5微米的范围内。正如本领域所公知的，所述纤维的优点是可以获得高于90％的纤维指数，这意味着其含有低于10％的固体杂质，优选仅含有大约5％的固体杂质。
必须指出的是，本发明的纤维通过用两种特殊的时间-温度方案中的一种对该纤维进行热处理而进一步制备。在一种情况下，具体的熔化加工技术需要在至少1100℃的温度下对所述纤维进行至少30分钟的热处理。另外，可以在至少900℃的较低温度下对所述纤维进行热处理，不过，该处理必须至少进行1小时。因此，与英国专利说明书No．1481133不同，本发明的纤维可以在高于其反玻璃化温度的温度下、更优选至少超过该纤维反玻璃化温度100℃的温度下保持，或者保持时间远远超过由所述英国专利文献所提出的时间。在所有情况下都发现这种处理工艺能提供适用于本发明目的的熔融成型陶瓷纤维。
优选在990-1400℃的温度下对所述纤维进行热处理。在一种优选实施方案中，所述纤维的热处理包括在至少1100℃的温度下处理所述纤维至少2小时。应当理解的是，如果需要，所述处理时间可以更长，不过，通过较长的热处理获得改进的纤维是可能的或不可能的。例如，可以处理所述纤维一整天甚至一周。尽管认为较长的处理时间可提供更高的固定压力，但30分钟／1小时的最低时间极限、更优选2小时的时间极限被视为适于本发明的目的。不过，更短的时间不行。
一旦所述纤维结晶化到上述参数，即可将其制成支撑元件。通常用牺牲的粘接剂将所述纤维初步粘接在一起。用于本发明的粘接剂通常是有机粘接剂。“牺牲的”是指所述粘接剂最终会从安装垫中烧掉，仅留下熔融成型的陶瓷纤维作为最终的支撑元件。
合适的粘接剂包括含水的和无水的粘接剂，但优选使用的粘接剂是活性的、热定型的胶乳，它在固化后成为一种弹性材料，该材料可以如上文所述般从安装垫中烧掉。合适的粘接剂或树脂的例子包括，但不限于水基丙烯酸胶乳、苯乙烯-丁二烯、丁吡胶乳、丙烯腈、氯乙烯和聚氨酯等。其他树脂包括低温弹性热定型树脂，如不饱和聚酯、环氧树脂和聚乙烯酯。优选使用大约5％-大约10％的胶乳，最优选大约8％。所述粘接剂的溶剂包括水、或合适的有机溶剂，如丙酮。所述粘接剂在所述溶剂(如果使用的话)中的溶液浓度可以通过常规方法根据所需要的粘接剂负荷和该粘接剂系统的施工能力(粘度、固体含量等)测定。
本发明的安装垫或支撑元件可以用任何已知方法制备。例如，用造纸工艺将陶瓷纤维与粘接剂混合，形成一种混合物或浆体。可以使用任何混合方法，不过优选以大约0．25％-大约5％的稠度或固体含量(0．25-5份固体与99．5-95份水)混合所述纤维成分。然后可以用水稀释所述浆体，以便增强成型，并且可最终用絮凝剂和排水保留助剂化合物絮凝。然后，可将絮凝的混合物或浆体放在造纸机上，制成一个陶瓷层。另外，所述层可以通过对所述浆体进行真空铸造成型。在任一种情况下，通常都是在烘箱中干燥。有关所使用的标准造纸技术的更详细的说明可以参见US3458329，该专利的内容被收作本文的参考。该方法在处理过程中通常会使纤维断裂。因此，在使用该方法时，纤维的长度通常为大约0．025厘米-大约2．54厘米。
另外，所述陶瓷纤维还可以通过诸如干燥空气成网法等传统方法加工成垫或层。处在这一阶段的所述层具有很小的结构强度，并且相对常规催化转换器和柴油收集安装垫而言很厚。正如本领域所公知的，所得到的垫可以进行干缝合，以便增加该垫的密度并提高其强度。
在使用干燥空气成网技术时，所述垫还可以通过添加粘接剂进行处理，通过浸渍形成一种不连续的纤维复合物。在该技术中，粘接剂是在所述垫成型之后添加的，而不是象上文结合现有造纸技术所披露的那样，形成所述垫的预浸渍物。该制备方法有助于通过减少断裂保持纤维强度。通常，在使用该方法时，纤维的长度为大约1厘米-大约10厘米，优选大约1. 25厘米-大约7．75厘米。
用粘接剂浸渍所述垫的方法包括将所述垫完全浸泡在一种液体粘接剂系统中，或者将粘接剂喷洒在所述垫上。在一种连续过程中，将可以卷筒形式运输的陶瓷纤维垫退绕并转移，如在输送带或薄纱上转移，使之通过喷头，由喷头将粘接剂喷在所述垫上。另外，可以通过重力输送使所述垫通过所述喷头。然后使所述垫／粘接剂预浸渍物从压力辊之间通过，由所述压力辊除去过多的液体，并将所述预浸渍物密集化到接近其理想厚度。
然后，使密集化的预浸渍物通过一个烘箱以便除去所有剩余的溶剂，如果必要，对所述粘接剂进行部分固化，以便形成一种复合物。干燥和固化温度主要取决于所使用的粘接剂和溶剂(如果有的话)，然后可将所述复合物进行切割或卷绕，以便储存或输送。
所述安装垫还可以批量形式生产，将一部分垫浸泡在液体粘接剂中，取出预浸渍物并压缩以便除去过多的液体，然后干燥以便形成复合物，并储存或者切割成型。
无论采用上述哪一种技术，都可以通过模具冲压切割所述复合物，以便形成具有可再现的误差的精确形状和大小的安装垫。安装垫20具有合适的加工性能，就是说它容易处理，而不是象很多其他片或垫那样脆弱，以至于容易在人的手中碎裂。可以方便并弹性地将其安装在催化支撑结构18周围而不会破裂，并且加工到催化转换器外壳12中，以便形成用于支撑催化支撑结构18的弹性支撑，在挤压或将过量的材料流入凸缘16区域时很少或不会产生脱出，并且在900℃的额定温度下在经过200轮次或1000轮次的间隙膨胀之后，能具有针对催化支撑结构18的至少4psi的固定压力。更优选的是，在900℃的额定温度下在经过200轮次之后，所述层所提供的针对催化支撑结构18的最小剩余固定压力为至少l0psi，或至少6psi，更优选在900℃下经过1000轮次之后为至少12psi。
可以理解的是，可以将诸如E-玻璃的其他纤维以2％或更低的小的用量添加到所述安装垫中。尽管研究尚未结束，不过相信E-玻璃对本发明的垫没有好处，并且时间一长还可能导致所述垫降解。
在工作时，催化转换器会经历明显的温度变化。由于其热膨胀系数的不同，外壳12的膨胀量比支撑结构18的膨胀量更大，因此，这两种元件之间的间隙会略有增加。在常见情况下，在该转换器的热循环过程中，所述间隙可以膨胀和收缩0．25毫米。对所述安装垫的厚度和安装密度进行选择，以便在所有情况下都保持至少4psi的最低固定压力，以便避免所述脆性结构因为振动而松动。在上述条件下由安装垫20所产生的基本上稳定的安装压力可以适应所述装置的热特性，而不会破坏其组成元件的结构整体性。
上面从总体上对本发明进行了说明，下面将通过举例形式对本发明作更详细的说明。应当理解的是，这些实施例仅仅是用于说明的，不应被视为在任何意义上的限定，除非另有说明。这些实施例仅仅是用于说明本发明的操作的。
首先，制备高化学纯度的熔融成型的陶瓷纤维，该纤维含有大约47％-大约53％的铝土和大约47％-大约53％的硅石。所述纤维的平均直径为大约5．4微米-大约6．2微米。用常规方法洗涤所述纤维，以便获得大于90％的纤维指数，然后在至少990℃和大约1400℃的温度下进行热处理。更具体地讲，在大约1100-大约1150℃的温度下对所述实施例的大部分进行热处理。具体的热处理方案包括在大约1100-1150℃的目标温度下1小时的滑行(ramp)时间和2小时的浸泡时间。通过常规造纸工艺将热处理过的纤维掺入垫成型物中，使用大约8％的胶乳粘接剂。在某些情况下，还可将大约2％的E-玻璃加入所述纤维层中。但E-玻璃纤维被认为不能影响本发明的实质特征。
为了证实本发明的实用性，制备了5种样品垫，所述样品垫是按照本发明构思制备的(例1-5)，并含有表1所示的纤维，并进行测定，以便确定其最低剩余固定压力。所述垫的基重为2000g／m2，并将其安装到3．6毫米的间隙中，在室温下产生大约0．55g／cc的压缩密度。然后将所述垫加热到900℃，并在该试验期间保持这一温度。然后在大约28秒时间内将所述间隙打开10／1000英寸(0．25毫米)，然后再关闭10／1000英寸(0．25毫米)，以便完成一个轮次。在大约900℃的稳定温度下分别对所述垫进行200和1000轮次的试验。记录每一种垫所产生的最低固定压力，并在表1中示出。然后将所述试验的结果，与用比较例垫进行相同试验所得到的结果加以比较，所述比较例垫是用100％富铝红柱石溶胶纤维(例A)和大约75％溶胶陶瓷纤维和大约25％非晶形硅铝酸盐纤维(例B)制备的。其他的垫是按照英国专利说明书No．1481133的说明制备的，包括高纯度的、熔喷的、小直径硅铝酸盐纤维(例C)和较大直径的高岭基纤维(例D)。所述比较如表1所示表1样品纤维组成和分别经过200和1000轮次压缩之后所得到的P最小(在900℃下)
在表1中所进行的最重要的比较是表示所述陶瓷纤维垫的性能的数据，即在所述试验经过200和1000轮次之后的最低固定压力或负荷(P最小)。应当理解的是，尽管极昂贵的100％的富铝红柱石纤维在经过100轮次之后表现出大约12．46psi的最佳结果，但在经过1000轮次之后由本发明所有的垫所产生的最低压力都高于至少6psi。而且，本发明的垫在经过200轮次试验之后，每一种垫都在900℃下保持至少13psi的最低压力。
就其他数据而言，图2和3示出了各种数据点，这些数据点表示在900℃下进行完整的1000轮次的压缩试验之后的最低和最高压力的可识别的和可预测的图形。由于所述试验垫具有因为接触高温和机械循环而导致的衰减的可预测的特征，使得这些垫很有用途。
图4和5表示用于本发明的纤维的百分结晶度和晶粒大小数据。根据这些数据，确定了一种重量百分比为大约5％-大约50％的百分结晶度，而晶粒大小范围为大约5A-大约500A。从图5的数据可以看出，与英国专利说明书No．1481133中的说明不同，晶粒大小超过200A的纤维不会影响本发明。事实上，应当理解的是，更大或更小尺寸的颗粒能够或不能够用于本发明。
图6表示所述垫的耐用性能的比较。应当指出的是，所有试验过的样品的体积损耗相对而言是可以忽略的，并且在所述结果之间似乎不存在明显的大的差别。体积损耗低于0．3cc的所有产品都被认为具有合适的耐用性。
最后，图7表示其他材料的样品在900℃下进行200轮次的压缩试验之后最低固定压力可识别的和可预测的图形。具体地讲，样品4和5含有硅铝酸盐的熔纺的、大直径的纤维。分别将所述样品加热到1100℃和1200℃保持2小时。相反，可以看出的是样品C含有高纯度、高指数硅铝酸盐纤维，其平均直径为大约1. 5-2．5微米。如在英国专利说明书No．1481133中所指出的，将该样品加热到1050℃保持30分钟。类似地，样品D所使用的高岭基高指数纤维的平均直径为大约3微米。在1050℃下对该样品进行1小时的热处理，而在900℃下进行200轮次的试验之后仍然不能保持4psi的最低剩余压力。另一方面，本发明的样品都统一超过4psi。
由于本发明的安装垫／支撑元件表现出卓越的物理特性特征，这些垫被认为至少能令催化转换器和柴油收集器的设计师和生产商满意。可以对所述安装垫进行冲切，并可以作为弹性支撑件以薄的形式使用，这样便容易处理，并且呈弹性形式，以便能够完全卷绕所述催化支撑结构而不会破裂。另外，可将所述安装垫完整地卷绕在所述催化支撑结构至少一部分的整个外围或周边上。所述安装垫还可以被部分包绕，如果必要还可以包括一个常用于某些常规转换装置上的端密封件，以便防止气体的溢出。
本发明可用于多种用途，如催化转换器，特别是摩托车和其他小引擎机械，以及汽车预转换器，以及高温垫片、垫圈、甚至是新一代汽车底部催化转换器系统。一般，本发明可用于任何需要垫片或垫圈以便在室温下产生固定压力的用途，更重要的是，具有在热循环期间在大约20-大约1300℃的高温下保持所述固定压力的能力。
本发明的安装垫还可用于用在化学工业中的催化转换器上，所述转换器安装在排气器或发散管中，它还可以含有脆性蜂窝形结构，以便进行保护性安装。
因此，本发明的目的可通过本发明实现，本发明并不局限于上述具体实施方案，而是可以包括由下面的权利要求书所限定的变化、改进和等同的实施方案。
权利要求
1. 一个外壳和一个弹性安装在该外壳里的脆性结构的组合，一个支撑元件设置在所述外壳和脆性结构之间并包括一个一体化的、基本上不膨胀的熔融成型的陶瓷纤维层，所述纤维至少含有铝土和硅石，其平均直径为大约1-大约14微米，并且用下列时间-温度方案之一进行热处理(ⅰ)在至少1100℃的温度下热处理所述纤维至少30分钟，和(ⅱ)在至少990℃的温度下热处理所述纤维至少1小时，使得该纤维具有合适的加工特性，通过X射线衍射测定其具有至少大约5％-大约50％的结晶度，而且其晶粒大小为大约50A-大约500A，其中，所述支撑元件包括用于在900℃下在经过200轮次的试验之后产生将所述脆性结构固定在所述外壳中的至少4psi的最低剩余压力的装置。
2．如权利要求1所述的组合，其特征在于，所述脆性结构具有一个周边，所述周边的至少一部分由所述支撑元件完整包绕。
3．如权利要求1所述的组合，其特征在于，所述纤维选自由硅铝酸盐构成的一组。
4．如权利要求3所述的组合，其特征在于，所述纤维是含有重量百分比大约为40％-大约60％的铝土和重量百分比大约为60％-大约40％的硅石的硅铝酸盐。
5．如权利要求1所述的组合，其特征在于，所述纤维的平均直径为大约3微米-大约6．5微米。
6．如权利要求1所述的组合，其特征在于，所述纤维具有低于大约10％的固体杂质。
7．如权利要求1所述的组合，其特征在于，通过将所述纤维在1100℃-大约1400℃的温度下保持至少1小时对所述纤维进行热处理。
8．如权利要求1所述的组合，其特征在于，所述支撑元件在900℃下经过200轮次的试验之后能产生用于将所述脆性结构固定在所述外壳中的至少10psi的最低剩余压力。
9．如权利要求1所述的组合，其特征在于，所述支撑元件是通过这样一种工艺制备的，该工艺包括熔纺所述纤维；对所述纤维进行热处理；和将所述纤维掺入垫结构中。
10．如权利要求1所述的组合，其特征在于，所述纤维是用一种时间-温度方案进行热处理的，该方案在至少大约1100℃的温度下热处理所述纤维至少2小时。
11．一种用于处理废气的装置，包括权利要求1-10中任一项所述的组合。
12．一种催化转换器，包括权利要求1-10中任一项所述的组合。
13．一种柴油颗粒收集器，包括权利要求1-10中任一项所述的组合。
14．一种用于将具有至少一个入口表面的脆性结构安装在具有外壳的装置中使得所述脆性结构具有隔热和耐机械冲击能力的方法，该方法包括以下步骤制备一种弹性支撑元件，该元件包括一体化的、基本上不膨胀的熔融成型的陶瓷纤维层，该纤维至少含有铝土和硅石，所述纤维的平均直径为大约1微米-大约14微米，并且用下列时间-温度方案之一进行热处理(ⅰ)在至少1100℃的温度下热处理所述纤维至少30分钟，和(ⅱ)在至少990℃的温度下热处理所述纤维至少1小时，然后使所述纤维冷却，以便所述纤维具有合适的加工特性，通过X射线衍射测定其具有至少大约5％-大约50％的结晶度，而且其晶粒大小为大约50A-大约500A；将所述弹性支撑元件缠绕在所述结构表面的靠近所述入口面的至少一部分的整个周边上；和在所述缠绕结构外面形成一个外壳；和将所述支撑元件径向压在所述结构和外壳之间；其中，所述支撑元件包括用于在900℃下在经过200轮次的试验之后产生将所述脆性结构固定在所述外壳中的至少4psi的最低剩余压力的装置。
15．如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述层的非安装额定厚度为大约3-大约30毫米，非安装额定密度为大约0．03克／立方厘米-大约0．3克／立方厘米，安装厚度为大约2-大约8毫米。
16．如权利要求14的方法，其特征在于，所述弹性支撑元件还可以是通过用一种粘接剂浸渍所述熔融成型的陶瓷纤维的层而制备的。
17．如权利要求14的方法，其特征在于，所述制备步骤包括在至少1100℃的温度下热处理所述纤维至少2小时。
全文摘要
一种位于外壳(12)和脆性结构(18)之间的支撑元件(20),该元件弹性安装在外壳(12)里。支撑元件(20)包括一个一体化的、基本上不膨胀的至少含有铝土和硅石的熔融成型的陶瓷纤维层。所述纤维的平均直径为大约1微米—大约14微米,并且,通过在至少1100℃的温度下处理所述纤维30分钟,或者在至少990℃的温度下处理至少1小时对其进行热处理。所得到的热处理过的纤维具有合适的加工特性,通过X射线衍射测定具有至少大约5%—50%的结晶度,并且晶粒大小为大约50A—500A。在900℃下进行200轮次的试验之后,所得到的支撑元件(20)具有将所述脆性结构(18)固定在外壳(12)中的至少4psi的最低剩余压力。所述支撑元件(20)可用于处理废气的装置上,如催化转换器(10)和柴油颗粒收集器。还提供了将脆性结构(18)安装在这样一种装置上的方法。
文档编号F01N3/28GK1292721SQ99803853
公开日2001年4月25日 申请日期1999年2月18日 优先权日1998年3月11日
发明者J·A·菲尔南多, J·D·滕埃克, T·S·拉基 申请人:尤尼弗瑞克斯有限公司