一种柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体及其制备方法与流程

本发明蜂窝陶瓷材料
技术领域：
，具体涉及一种柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体，并进一步公开其制备方法。
背景技术：
柴油机由于具有热效率高、燃油经济性好、使用寿命长等优点。近年来得到越来越广泛的应用。但柴油机在使用过程中会排放大量的微粒，它们能长时间悬浮在空中，严重污染环境，影响人类的健康。据研究，以柴油内燃机动力装置排放的颗粒物(pm)是大气灰霾的重要来源。因此，世界许多国家先后制定了限制柴油车微粒排放的法规，而且排放限值越来越低。微粒捕集技术是实现柴油机微粒排放控制最为有效和简单的技术之一，而安装高效柴油机颗粒捕集器(dpf)，是控制pm排放的有效手段。蜂窝陶瓷过滤体是目前最常用的颗粒捕集器，也是全球应用最广的颗粒物过滤体材料。其原理是利用过滤器的孔道进口与相邻出口前后交替封堵技术，使排气从壁面穿过而达到过滤颗粒的目的。现有技术中，蜂窝陶瓷dpf过滤体制造过程中，一般使用纤维素醚作为粘结剂，醇醚类作为分散剂，油类作为润滑剂，并采用有机微球淀粉、石墨类作为造孔剂，整个体系中有机物含量高达30％以上。但是，在蜂窝陶瓷过滤体烧制过程中，过滤体的格子效应会影响有机物分解氧化产生热量的传导，致使过滤体沿径向从中心到外部边缘形成温度梯度，并由于温度分布的过度不均匀极易产生过高的内部热应力，造成过滤体开裂。为提高过滤体烧制成品率，必须严格控制烧制过程中有机物挥发段的温升速率(一般低于5℃/h)，但这一限制也导致了该反应段用时较长(一般超过90h)，导致该烧制过程不仅造成大量能源浪费，同时也严重影响了生产效率；而且，实际生产中发现，即使该烧制过程中严格控制温升速率，蜂窝陶瓷过滤体的烧制成品率也很难达到95％。因此，亟需寻找一种方法提高蜂窝陶瓷过滤体烧制成品率，以降低能耗，提高生产效率。技术实现要素：为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体，并进一步公开其制备方法，以解决现有技术中柴油机用蜂窝陶瓷过滤体烧制成品率低及生产效率较低的问题。为解决上述技术问题，本发明所述的一种柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体，其特征在于，所述蜂窝陶瓷过滤体的制备原料包括基础主料及添加剂；所述基础主料以其总量计，包括如下质量含量的组分：滑石35-45wt％；生高岭土4-8wt％；氧化铝10-15wt％；水合氧化铝20-25wt％；二氧化硅15-20wt％；所述添加剂包括占所述基础主料总量1.5-3.0wt％的氮系阻燃剂。优选的，所述氮系阻燃剂的添加量占所述基础主料总量的2.5wt％。优选的，所述的柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体，所述基础主料以其总量计，包括如下质量含量的组分：滑石40.30wt％；生高岭土6wt％；氧化铝12.70wt％；水合氧化铝23wt％；二氧化硅18wt％。优选的，以所述基础主料的总量计，所述添加剂还包括如下质量含量的组分：石墨烯前驱体5-10wt％；淀粉5-10wt％；聚合物树脂5-15wt％；粘结剂2-8wt％。更优的，以所述基础主料的总量计，所述添加剂包括如下质量含量的组分：石墨烯前驱体7wt％；淀粉8wt％；聚合物树脂10wt％；粘结剂5wt％。具体的：所述聚合物树脂包括聚乙烯酰胺树脂、尼龙树脂或聚甲基丙烯酸甲酯；所述粘结剂包括乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇溶液或羟丙基乙基纤维素；所述氮系阻燃剂包括melapurmc类阻燃剂，所述melapurmc类氮系阻燃剂是由三聚氰胺和多聚磷酸制成的对高分子材料具有阻燃特性的无卤、低烟、低毒环保型氮系阻燃剂。本发明还公开了一种制备所述柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体的方法，包括如下步骤：(1)取选定量的所述滑石、生高岭土、氧化铝、水合氧化铝、二氧化硅及所述添加剂，以干法混合，制得混合粉料；(2)向所得混合粉料中加入水和助剂混匀，进行捏合处理，并将捏合的泥料练制成泥段；(3)将制得的泥段挤出制成dpf蜂窝状结构，并进行烘干处理，制得坯体；(4)将烘干后的坯体切割至所需高度后，进行蜂窝陶瓷烧制，并经打孔、堵孔、围边处理，制得成品。具体的，所述步骤(4)中，所述蜂窝陶瓷烧制步骤的温度控制过程包括：于60-120min内，控制反应温度由室温上升至150℃；随后于630-690min内，控制反应温度由150℃上升至600℃；随后于420-480min内，控制反应温度温度由600℃上升至1000℃；随后于180-240min内，控制反应温度由1000℃上升至1100℃；随后于40-90min内，控制反应温度由1100℃上升至1200℃；随后于660-780min内，控制反应温度由1200℃上升至1415℃；随后于1415℃保温反应8-11小时。优选的，所述步骤(2)中：所述水的添加量占所述混合粉料量的25-35wt％；所述步骤(2)中，所述助剂的添加量占所述混合粉料量的0.5-1.5wtwt％；所述助剂包括基础油、工业白油或植物油。所述步骤(3)中，所述dpf蜂窝状结构尺寸为φ(190.5-330.2)×(101.6-481)mm、(200-300)孔/平方英寸、壁厚(7-12)mil。本发明所述柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷dpf过滤体，以滑石、生高岭土、氧化铝、水合氧化铝、二氧化硅为基础主料，并添加石墨烯前驱体、淀粉、聚合物树脂、粘结剂、和氮系阻燃剂作为添加剂，尤其是选择由三聚氰胺和多聚磷酸制成的对高分子材料具有阻燃特性的无卤、低烟、低毒环保型melapurmc类氮系阻燃剂，能够有效抑制有机物分解氧化放热速率，控制过滤体径向温度梯度，提高烧制合格率，同时，阻燃剂的抑制作用可提升过滤体烧制窑炉温升速率，缩短烧制时间，降低能源消耗，提高生产效率，尤其是在有机物分解阶段，升温速率可以大大加快，即使升温速率由5℃/h提升至10℃/h，去产品烧成合格率依然达到93％以上。本发明所述柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷dpf过滤体的制备方法，按照“混料-捏合-练泥-筛滤-成型-定型-干燥-切割-烧制-磨边-围边-堵孔-回烧”的工艺过程制造蜂窝陶瓷dpf，并通过对烧制过程中温度的梯度控制，制得蜂窝陶瓷的成品率接近100％，且大幅缩减了整个烧制过程的时间，有效提高了生产效率。附图说明为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，图1为本发明实施例1-3中烧制步骤的温度控制曲线图；图2为本发明对比例1中烧制步骤的温度控制曲线图。具体实施方式实施例1本实施例所述的柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体，其制备原料包括基础主料及添加剂；所述基础主料以其总量计，包括如下质量含量的组分：滑石40.30wt％；生高岭土6wt％；氧化铝12.70wt％；水合氧化铝23wt％；二氧化硅18wt％。以所述基础主料的总量计，所述添加剂包括如下质量含量比例的组分：石墨烯前驱体7wt％；淀粉8wt％；聚合物树脂(聚乙烯酰胺树脂)10wt％；粘结剂(乙基纤维素)5wt％；melapurmc氮系阻燃剂2.5wt％。本实施例所述的柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体的制备方法，包括如下步骤：(1)取40.30kg滑石，6kg生高岭土，12.70kg氧化铝，23kg水合氧化铝，18％kg二氧化硅，7kg石墨烯前驱体，8kg淀粉，10kg聚合物树脂，5％kg粘结剂及2.5kg氮系阻燃剂melapur-mc25，以干法混合，制得具有紧密堆积的均匀混合物，即为混合粉料；(2)将所得混合粉料置于捏合机器中加入占所述混合粉料总量30wt％的水进行捏合7分钟，并加入占所述混合粉料总量1wt％的助剂(基础油)捏合10分钟，并将捏合所得的泥料练制成泥段；(3)将得到的具有塑性的泥段挤出成φ330.2×481mm、300孔/平方英寸、壁厚9mil的dpf蜂窝状结构，然后进行微波定型，控制功率100kw，进料速度0.2米/秒，并于90-130℃进行烘干13小时以上，制得坯体；(4)将烘干后的所述坯体切割成固定高度(485mm)后，按照图1的快速烧制曲线进行烧制成蜂窝陶瓷，具体温度控制程序包括：于反应开始至进行至120min时，控制反应温度由室温上升至150℃；随后在675min内，控制反应温度由150℃上升至600℃；随后在480min内，控制反应温度由600℃上升至1000℃；随后在200min内，控制反应温度由1000℃上升至1100℃；随后在60min内，控制反应温度由1100℃上升至1200℃；随后在720min内，控制反应温度由1200℃上升至1415℃；随后于1415℃进行保温反应8小时；产品烧制完毕后经打孔、堵孔、围边处理，即制得成品。经检测，产品烧成合格率为100％。实施例2本实施例所述的柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体，其制备原料包括基础主料及添加剂；所述基础主料以其总量计，包括如下质量含量的组分：滑石40.30wt％；生高岭土6wt％；氧化铝12.70wt％；水合氧化铝23wt％；二氧化硅18wt％。以所述基础主料的总量计，所述添加剂包括如下质量含量比例的组分：石墨烯前驱体7wt％；淀粉8wt％；聚合物树脂(尼龙树脂)10wt％；粘结剂(羟丙基甲基纤维素)5wt％；melapurmc氮系阻燃剂1.5wt％。本实施例所述的柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体的制备方法，包括如下步骤：(1)取40.30kg滑石，6kg生高岭土，12.70kg氧化铝，23kg水合氧化铝，18％kg二氧化硅，7kg石墨烯前驱体，8kg淀粉，10kg聚合物树脂，5％kg粘结剂及1.5kg氮系阻燃剂melapur-mc25，以干法混合，制得具有紧密堆积的均匀混合物，即为混合粉料；(2)将所得混合粉料置于捏合机器中加入占所述混合粉料总量30wt％的水进行捏合7分钟，并加入占所述混合粉料总量1wt％的助剂(工业白油)捏合10分钟，并将捏合所得的泥料练制成泥段；(3)将得到的具有塑性的泥段挤出成φ330.2×481mm、300孔/平方英寸、壁厚9mil的dpf蜂窝状结构，然后进行微波定型，控制功率100kw，进料速度0.2米/秒，并于90-130℃进行烘干13小时以上，制得坯体；(4)将烘干后的所述坯体切割成固定高度(485mm)后，按照图1的快速烧制曲线进行烧制成蜂窝陶瓷，具体温度控制程序包括：于反应开始至进行至120min时，控制反应温度由室温上升至150℃；随后在675min内，控制反应温度由150℃上升至600℃；随后在480min内，控制反应温度由600℃上升至1000℃；随后在200min内，控制反应温度由1000℃上升至1100℃；随后在60min内，控制反应温度由1100℃上升至1200℃；随后在720min内，控制反应温度由1200℃上升至1415℃；随后于1415℃进行保温反应8小时；产品烧制完毕后经打孔、堵孔、围边处理，即制得成品。经检测，产品烧成合格率为98.3％。实施例3本实施例所述的柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体，其制备原料包括基础主料及添加剂；所述基础主料以其总量计，包括如下质量含量的组分：滑石40.30wt％；生高岭土6wt％；氧化铝12.70wt％；水合氧化铝23wt％；二氧化硅18wt％。以所述基础主料的总量计，所述添加剂包括如下质量含量比例的组分：石墨烯前驱体7wt％；淀粉8wt％；聚合物树脂(聚甲基丙烯酸甲酯)10wt％；粘结剂(羟丙基乙基纤维素)5wt％；melapurmc氮系阻燃剂3.0wt％。本实施例所述的柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体的制备方法，包括如下步骤：(1)取40.30kg滑石，6kg生高岭土，12.70kg氧化铝，23kg水合氧化铝，18％kg二氧化硅，7kg石墨烯前驱体，8kg淀粉，10kg聚合物树脂，5％kg粘结剂及3.0kg氮系阻燃剂melapur-mc25，以干法混合，制得具有紧密堆积的均匀混合物，即为混合粉料；(2)将所得混合粉料置于捏合机器中加入占所述混合粉料总量30wt％的水进行捏合7分钟，并加入占所述混合粉料总量1wt％的助剂(植物大豆油)捏合10分钟，并将捏合所得的泥料练制成泥段；(3)将得到的具有塑性的泥段挤出成φ330.2×481mm、300孔/平方英寸、壁厚9mil的dpf蜂窝状结构，然后进行微波定型，控制功率100kw，进料速度0.2米/秒，并于90-130℃进行烘干13小时以上，制得坯体；(4)将烘干后的所述坯体切割成固定高度(485mm)后，按照图1的快速烧制曲线烧制成蜂窝陶瓷，具体的温度控制曲线如下：于反应开始至进行至120min时，控制反应温度由室温上升至150℃；随后在675min内，控制反应温度由150℃上升至600℃；随后在480min内，控制反应温度由600℃上升至1000℃；随后在200min内，控制反应温度由1000℃上升至1100℃；随后在60min内，控制反应温度由1100℃上升至1200℃；随后在720min内，控制反应温度由1200℃上升至1415℃；随后于1415℃进行保温反应8小时；产品烧制完毕后经打孔、堵孔、围边处理，即制得成品。经检测，产品烧成合格率为95.5％。实施例4本实施例所述的柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体，其制备原料包括基础主料及添加剂；所述基础主料以其总量计，包括如下质量含量的组分：滑石35wt％；生高岭土5wt％；氧化铝15wt％；水合氧化铝25wt％；二氧化硅20wt％。以所述基础主料的总量计，所述添加剂包括如下质量含量比例的组分：石墨烯前驱体5wt％；淀粉10wt％；聚合物树脂(聚甲基丙烯酸甲酯)5wt％；粘结剂(羟丙基甲基纤维素)8wt％；melapurmc氮系阻燃剂1.5wt％。本实施例所述的柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体的制备方法同实施例1。实施例5本实施例所述的柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体，其制备原料包括基础主料及添加剂；所述基础主料以其总量计，包括如下质量含量的组分：滑石45wt％；生高岭土4wt％；氧化铝11wt％；水合氧化铝20wt％；二氧化硅20wt％。以所述基础主料的总量计，所述添加剂包括如下质量含量比例的组分：石墨烯前驱体10wt％；淀粉5wt％；聚合物树脂(聚乙烯酰胺树脂)15wt％；粘结剂(乙基纤维素)2wt％；melapurmc氮系阻燃剂3.0wt％。本实施例所述的柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体的制备方法同实施例1。实施例6本实施例所述的柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体，其制备原料包括基础主料及添加剂；所述基础主料以其总量计，包括如下质量含量的组分：滑石45wt％；生高岭土8wt％；氧化铝10wt％；水合氧化铝22wt％；二氧化硅15wt％。以所述基础主料的总量计，所述添加剂包括如下质量含量比例的组分：石墨烯前驱体7wt％；淀粉8wt％；聚合物树脂(尼龙树脂)10wt％；粘结剂(羟丙基乙基纤维素)5wt％；melapurmc氮系阻燃剂2.5wt％。本实施例所述的柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体的制备方法同实施例1。对比例1本对比例所述的柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体，其制备原料包括基础主料及添加剂；所述基础主料以其总量计，包括如下质量含量的组分：滑石40.30wt％；生高岭土6wt％；氧化铝12.70wt％；水合氧化铝23wt％；二氧化硅18wt％。以所述基础主料的总量计，所述添加剂包括如下质量含量比例的组分：石墨烯前驱体7wt％；淀粉8wt％；聚合物树脂(聚甲基丙烯酸甲酯)510wt％；粘结剂(羟丙基甲基纤维素)5wt％。本对比例所述的柴油机排气后处理用蜂窝陶瓷过滤体的制备方法，包括如下步骤：(1)取40.30kg滑石，6kg生高岭土，12.70kg氧化铝，23kg水合氧化铝，18％kg二氧化硅，7kg石墨烯前驱体，8kg淀粉，10kg聚合物树脂，5％kg粘结剂，以干法混合，制得具有紧密堆积的均匀混合物，即为混合粉料；(2)将所得混合粉料置于捏合机器中加入占所述混合粉料总量30wt％的水进行捏合7分钟，并加入占所述混合粉料总量1wt％的助剂(植物大豆油)捏合10分钟，并将捏合所得的泥料练制成泥段；(3)将得到的具有塑性的泥段挤出成φ330.2×481mm、300孔/平方英寸、壁厚9mil的dpf蜂窝状结构，然后进行微波定型，控制功率100kw，进料速度0.2米/秒，于90-130℃烘干13小时以上，制得坯体；(4)将烘干后的所述坯体切割成固定高度(485mm)后，按照图2的传统烧制曲线烧制成蜂窝陶瓷，具体温度控制程序包括：于反应开始至进行至120min内，控制反应温度由室温上升至150℃；随后在5400min内，控制反应温度由150℃上升至600℃；随后在480min内，控制反应温度由600℃上升至1000℃；随后在200min内，控制反应温度由1000℃上升至1100℃；随后在60min内，控制反应温度由1100℃上升至1200℃；随后在720min内，控制反应温度由1200℃上升至1415℃；随后于1415℃进行保温8小时；产品烧制完毕后经打孔、堵孔、围边处理，即制得成品。经检测，产品烧成合格率为92.4％。实验例1、烧制过程参数测试分别对上述实施例1-3及对比例1中所述蜂窝陶瓷烧制过程的产品合格率等数据进行测定，具体测定结果见下表1。表1烧制过程参数测试结果比较编号有机物的量/％有机物分解阶段升温速率/℃/h总烧成时间/h合格率/％实施例130.04045.58100实施例230.04045.5898.3实施例330.04045.5895.5对比例130.05124.3392.4由表1中数据可知，本发明所述蜂窝陶瓷中氮系阻燃剂的添加对蜂窝陶瓷烧成过程中有机物分解阶段升温速率、总烧成时间、产品合格率有非常显著的影响；添加1.5％、2.5％和3.0％的阻燃剂使dpf蜂窝陶瓷载体瓷烧成过程中有机物分解阶段升温速率从5℃/h提高到40℃/h，总烧成时间从124.33h降低至45.58h，产品合格率从92.4％提升至98％以上，而添加2.5％阻燃剂时合格率达到100％，具有显著的效果。2、蜂窝陶瓷产品性能测试分别对上述实施例1-3及对比例1中制得蜂窝陶瓷产品的性能进行测试，测试指标包括热膨胀系数(室温-800℃)、孔隙率、平均孔径、平行于轴向的抗压强度、抗热震性能，以及经过柴油机whtc循环试验，测试蜂窝陶瓷对pm的过滤效率，记录于下表2。表2蜂窝陶瓷产品性能测试结果编号热膨胀系数孔隙率平均孔径抗压强度抗热震性能pm过滤效率实施例10.48×10-6/℃56.90％17.6μm6.79mpa750℃空冷3次不开裂99.3％实施例20.59×10-6/℃56.63％16.88μm7.01mpa750℃空冷3次不开裂99.6％实施例30.50×10-6/℃56.89％17.8μm6.89mpa750℃空冷3次不开裂99.2％对比例10.52×10-6/℃56.88％18.1μm6.90mpa750℃空冷3次不开裂98.9％从上表数据可知，本发明所述方法制得蜂窝陶瓷过滤体的性能指标均能达到现有产品水平，满足成品dpf的性能要求。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。当前第1页12