无定形熔凝二氧化硅玻璃的多孔蜂窝状结构及其制备方法
【专利说明】无定形熔凝二氧化硅玻璃的多孔蜂窝状结构及其制备方法
[0001] 本申请根据35U.S.C. § 119要求2012年11月29日提交的美国临时申请系列第 61/731，168号的优先权，本文以该申请的内容为基础并将其通过引用全文纳入本文。 背景
[0002] 本发明通常涉及多孔蜂窝状结构，更具体地涉及基于熔凝二氧化硅的多孔蜂窝状 结构。
[0003] 全球范围内对于化石燃料的需求和消耗（无论是用于运输、生产活动还是发电） 稳定增加。增加的需求超过供应并驱动能源成本升高，且化石燃料燃烧的排放物破坏环境 并对人类健康产生不利影响。短期中，一氧化氮、一氧化二氮、碳氢化合物、一氧化碳和烟炱 促使形成雾霭和酸雨。较长期来看，与碳基燃料燃烧相关的原本惰性的二氧化碳加速全球 变暖。相应地，全球各国政府正对可接受的污染物水平施加更严格的规定。正在实施的措 施控制从工业至商业和消费者活动的移动和静止的排放源。
[0004] 在运输工业中，法规和燃料成本促进了更高燃料效率和更清洁引擎以及更有用的 后处理系统的研发。对于轻型和重型车辆类别，在北美和欧洲，在过去的二十年间，已数次 降低了来源于柴油和汽油动力发动机的NOx和烟炱（PM)的可接受水平。中国、印度、俄罗 斯和巴西正考虑阶段性实施与之没有多达区别的法规。用于柴油发动机的有利的后处理系 统包括柴油氧化催化剂（DOC)、烟炱滤器和用于选择性催化还原（SCR)NO x的系统。这些系 统目前刚开始大规模实施。各组件都利用蜂窝状陶瓷作为催化剂载体或过滤结构的基础。 [0005] 最初在20世纪70年代开发了负载SCR和DOC催化剂的蜂窝状陶瓷基材以用作催 化转化器，用于处理来自汽油动力客车的废气。来自该时代的汽油动力车辆的废气系统中 的环境特别严重。堇青石成为在该环境中运行的优选材料，因为其耐受能够熔化大多数金 属的极端高温、与车辆的初始启动相关的严重热冲击条件以及会导致多数材料出现裂缝的 重负荷条件至低负荷条件之间的转换。其还可耐受含有高浓度硫的燃料。
[0006] 差不多30多年后的情形看似有很大不同。快速响应传感器和控制系统允许车辆 在故障发生时自动地自我调节和响应以防止危害。会导致熔化的温度剧增在汽油动力汽车 的后处理系统中是罕见的。柴油废气系统中的温度也远低于汽油。最高温度不会更高且可 能远低于ll〇〇°C。已将燃料硫浓度从超过500ppm降低至低于50ppm以增强催化剂寿命和 减少酸雨。基材和过滤器材料的要求是抵御不那么严重的酸性浓缩物（如硫的氧化物）的 侵蚀。
[0007] 制造堇青石基材和过滤器的过程能耗高，并且是温室气体排放源。超过1400°C的 温度用于驱动反应性烧结以形成堇青石。烧制过程也是耗时的。这是因为加热循环较缓 慢，以限制由于温度梯度而发生的应变，且需要收缩不匹配（shrinkage mismatch)以防止 开裂。出于所有这些原因，存在可以较低能耗方式制造新材料的机会，该材料被用作柴油和 汽油后处理系统中的催化剂载体。此外，发现这类蜂窝状基材还可作为膜载体用于进行化 学分离，过滤水蒸汽以纯化水，或以工业规模工艺分离所需化学或生物产品。
【发明内容】
[0008] 本发明的一个实施方式涉及一种多孔蜂窝状体。该多孔蜂窝状体主要包含多孔烧 结玻璃材料。该多孔烧结玻璃材料主要包含第一相和第二相，该第一相主要包含无定形熔 凝二氧化硅，且该第二相包含无定形熔凝二氧化硅和烧结辅助材料。
[0009] 本发明的另一个实施方式涉及一种制备多孔蜂窝状体的方法。该方法包括混合多 个批料组分以形成前体批料组合物。该批料组分包含无定形熔凝二氧化硅和烧结助剂。该 方法还包括挤出该前体批料组合物以形成蜂窝状生坯体。此外，该方法包括对该蜂窝状生 坯体进行热处理以制备多孔蜂窝状体，该多孔蜂窝状体主要包含多孔烧结玻璃材料。该多 孔烧结玻璃材料包含至少一个主要包含无定形熔凝二氧化硅的相。
[0010] 本发明的另一个实施方式涉及通过一种方法制备的多孔蜂窝状体，该方法包括混 合多个批料组分以形成前体批料组合物。该批料组分包含无定形熔凝二氧化硅和烧结助 剂。该方法还包括挤出该前体批料组合物以形成蜂窝状生坯体。此外，该方法包括对该蜂窝 状生坯体进行热处理以制备多孔蜂窝状体，该多孔蜂窝状体主要包含多孔烧结玻璃材料。 该多孔烧结玻璃材料包含至少一个主要包含无定形熔凝二氧化硅的相。
[0011] 在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对 本领域的技术人员而言是容易理解的，或通过实施文字描述和其权利要求书以及附图中所 述实施方式而被认识。
[0012] 应理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解 权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
[0013] 所附附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书 的一部分。【附图说明】了本发明的一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各种实施 方式的原理和操作。 附图简要说明
[0014] 图1A-1C显示根据本文所述实施方式制备的三种样品的SEM显微图像；
[0015] 图2显示比较样品的SEM显微图像；且
[0016] 图3显示根据本文所述实施方式制备的样品和比较样品在加热后的热膨胀图；且 [0017] 图4显示根据本文所述实施方式制备的样品和比较样品在加热后的尺寸变化。 详细描述
[0018] 下面详细描述本发明的各种实施方式；若有附图，则参考附图描述。
[0019] 本文所用术语"主要"或"主要地"指所述材料构成所列体、相或结构中大部分（即 大于50% )的材料。例如，当蜂窝状体主要包含多孔烧结玻璃材料时，该多孔烧结玻璃材料 构成该体中大部分（即大于50重量％ )的材料。再例如，当相主要包含无定形熔凝二氧化 硅时，该无定形熔凝二氧化硅构成该相中大部分（即大于50重量％ )的材料。例如，可通 过根据本领域技术人员已知方法进行的SEM图像分析来测定材料的重量百分比。
[0020] 本文所用术语"烧结助剂"指能促进无定形材料烧结的材料，其旨在通过降低在升 高的温度（如大于1000°c )下失透的倾向性来在烧结后维持无定形，并降低其玻璃化转变 温度。烧结助剂的示例包括含硼化合物（如B2OjPH 3BO3)、碱性长石（如钾长石）以及碱 土金属碳酸盐（如碳酸锶、碳酸钙和碳酸镁）。烧结助剂的示例还可包括氧化镁、氢氧化镁 和滑石。
[0021] 本文所用术语"烧结辅助材料"指存在于烧结助剂（如B2O3)中的材料（例如在将 烧结助剂以一种成分的形式添加至前体批料组合物中时），且该材料维持在由前体批料组 合物制备的烧结材料中。
[0022] 本文所公开的实施方式包括以下那些实施方式，其中多孔烧结玻璃材料构成蜂窝 状体内材料的至少60重量％，如至少70重量％，如至少80重量％，如至少90重量％，如至 少95重量％，基本包括蜂窝状体内的全部材料。
[0023] 本文所公开的实施方式包括以下那些实施方式，其中无定形熔凝二氧化硅构成蜂 窝状体内材料的至少50重量％，如至少60重量％，如至少70重量％，如至少80重量％，如 至少90重量％，如至少95重量％。
[0024] 本文所公开的实施方式包括以下那些实施方式，其中该蜂窝状体基本由多孔烧结 玻璃材料组成。
[0025] 该多孔烧结玻璃材料主要包括第一相和第二相，该第一相主要包括无定形熔凝二 氧化硅且该第二相包括无定形熔凝二氧化硅和烧结辅助材料。
[0026] 例如，本文所公开的实施方式包括以下那些实施方式，其中该多孔烧结玻璃材料 基本由第一相和第二相组成。本文所公开的实施方式还包括以下那些实施方式，其中基本 所有的多孔烧结玻璃材料都由第一相和第二相组成。
[0027] 在某些示例性实施方式中，第一相包含重量百分比高于第二相的无定形熔凝二氧 化硅。例如，在某些示例性实施方式中，第一相包含至少97重量％的无定形熔凝二氧化硅 且第二相包含无定形熔凝二氧化硅和至少6重量％的烧结辅助材料。第一相和第二相总共 包含至少85重量％的无定形熔凝二氧化硅。
[0028] 例如，在一个示例性实施方式中，第一相包含至少98重量％的无定形熔凝二氧化 硅，如至少99重量％的无定形熔凝二氧化硅，如至少99. 5重量％的无定形熔凝二氧化硅， 包括97-99. 9重量％的无定形恪凝二氧化娃。
[0029] 在一个示例性实施方式中，第二相包含至少92重量％的无定形熔凝二氧化硅， 如至少85重量％的无定形熔凝二氧化硅，如至少78重量％的无定形熔凝二氧化硅，包括 50-92重量％的无定形恪凝二氧化娃，且进一步包括65-85重量％的无定形恪凝二氧化娃。
[0030] 在一个示例性实施方式中，第一相和第二相总共包含至少88