专利名称：催化转化器、用于催化转化器的保持材料及其制造方法
技术领域：
本发明涉及催化转化器(也称为尾气净化装置)、用于催化转化 器的保持材料、及其制造方法，其中催化转化器(也称为尾气净化装 置)用于除去由内燃机(如汽油机或柴油机)排出的尾气中所含的颗 粒、 一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物等，所述保持材料用于保持
金属外套(casting)内的催化剂载体。
背景技术：
近年来，由车辆(如公共汽车和卡车、工程机械等)排放的尾气 中所含的颗粒对人体和环境造成的危害已经成为严重问题。人们已经 提出各种能够收集尾气中的颗粒以净化尾气的催化转化器。
图10为示意性地示出催化转化器实施方案的剖视图。在这种催 化转化器10中，引入管16与金属外套11的一端相连，排放管17与 金属外套11的另一端相连，其中由内燃机排出的尾气通过引入管16 被引入催化转化器10，穿过催化剂载体12的尾气通过排放管17被排 放到外面。此外，金属外套11内设置有催化剂载体12，且两者间还 插有催化转化器用保持材料13。另外，可在相对于催化剂载体的尾气 引入侧(也称之为吸入侧)设置电加热器和温度传感器，并将用于供 给燃烧气体的另一根管与催化剂载体连通，不过这些并未在图中示 出，其中所述电加热器和温度传感器用于燃烧催化剂载体(即蜂窝式 过滤器)中所积累的颗粒，以还原其过滤功能(也称之为再生处理)。 根据这种构造，当催化剂载体中所积累的颗粒量增加并导致压力降增 大时，便可进行再生处理。
此外，用于催化转化器的保持材料13为通过将无机纤维形成特 定厚度而获得的垫型材料，并且其形状为平面形，如图11 (A)所示。 在平坦的主体部分41的一端形成有凸出部分42，并且在另一端形成
有凹入部分43，该凹入部分43的形状与凸出部分42的形状是匹配的。 随后，如图ll (B)所示，主体部分41被巻绕在催化剂载体12的外 周面上，并且凸出部分42和凹入部分43相互啮合，从而将催化转化 器用保持材料13巻绕在催化剂载体12上。
用于催化转化器的保持材料13具有以下功能牢固地支持金属 外套11内的催化剂载体12，通过绝热使催化剂载体12维持在较高的 温度上，并保持良好的催化功能。这样一来因此，尤其在寒冷地区， 人们担心由于外部空气温度的影响，催化剂载体12的温度的升高会 受到阻碍，或者担心上述再生处理所需时间会延长。此外，再生时， 催化剂载体12的外周区域的温度会下降，而残存在催化剂载体12的 外周区域中的未燃烧颗粒会令压力降增大。因此人们担心经过较短的 时间就必须进行再生处理。此外，内部温度(约60(TC)和外部温度 的温度差很大，因此当保持材料13不具有充分的绝热性能时，则因 催化剂载体12中心部分附近与催化剂载体12外周部分附近的温度差 而产生热应力，从而导致在催化剂载体12中容易产生裂缝。因此， 人们还担心其耐久性受到损害。
近年来，在很多情况中(例如在交通堵塞时缓慢地开车，或在停 止引擎时)尾气温度都会降低，这是因为考虑到环境因素，目前某些 汽车具有在停止时关闭引擎(殆速熄火)的功能。因此，即使不在寒 冷地区，也更难于将催化剂载体12的温度保持在处理温度。此外， 需要提前将尾气温度提高到催化剂载体12的处理温度。
在这种背景下，采取了对催化转化器用保持材料13等的热导率 进行限定的对策(参见日本专利文献JP-A-2002-70529以及 JP-A-2006-299966)。
发明内容
为了避免上述由尾气温度下降而造成的不利影响，人们预测将来 需要保持催化剂载体12的温度，并縮短升温的时间，并且进一步提 高用于催化转化器的保持材料的绝热性能也是不可避免的。因此本发 明的目的是提供一种用于催化转化器的并具有出色的绝热性能的保
持材料，以及提供一种高性能催化转化器，该高性能催化转化器具有 上述用于催化转化器的保持材料、并具有高的催化效率。
为了达到上述目的，本发明提供了如下所述的一种催化转化器、 用于催化转化器的保持材料以及其制造方法
(1) 一种用于催化转化器的保持材料，其中所述催化转化器具 有催化剂载体、用于容纳所述催化剂载体的金属外套、以及巻绕在所 述催化剂载体上并插在所述催化剂载体与所述金属外套之间的缝隙 处的所述保持材料，
所述保持材料具有低热导率层，其中所述低热导率层包括含有 无机粉末的模压材料、或者由多孔基材和气溶胶制成的复合材料。
(2) 根据(1)所述的保持材料，其中在300'C下，所述低热导
率层的热导率为0.04W/m' K或更低。
(3) 根据(1)所述的保持材料，其还具有垫层，其中该垫层包 含无机纤维，并被层合在所述低热导率层上。
(4) 根据(1)所述的保持材料，其还具有保护层。
(5) —种制造用于催化转化器的保持材料的方法，该方法包括 将整个的多孔基材用气溶胶前体浸渍，以及 进行超临界干燥，以制备低热导率层；
其中所述催化转化器具有催化剂载体、用于容纳所述催化剂载体 的金属外套、以及巻绕在所述催化剂载体上并插在所述催化剂载体与 所述金属外套之间的间隙处的所述保持材料。
(6) 根据(5)所述的制造保持材料的方法，其还包括将所述低 热导率层与垫层连接在一起。
(7) 制造用于催化转化器的保持材料的方法，该方法包括 将具有多孔基材的所述垫型材料的表面用气溶胶前体浸渍，以及 进行超临界干燥，以制备低热导率层；
其中所述催化转化器具有催化剂载体、用于容纳所述催化剂载体 的金属外套、以及巻绕在所述催化剂载体上并插在所述催化剂载体与 所述金属外套之间的间隙处的所述保持材料。
(8) —种催化转化器，其具有催化剂载体、用于容纳所述催化
剂载体的金属外套、以及巻绕在所述催化剂载体上并插在所述催化剂 载体与所述金属外套之间的间隙处的所述保持材料， 其中所述保持材料为根据(1)的保持材料。
由于存在低热导率层，因此用于催化转化器的保持材料的绝热性 能得到了极大的提高，并且本发明的所述催化转化器更能提高尾气净 化性能。
图1示意性地示出了本发明用于催化转化器的保持材料的一个 实施方案。
图2示意性地示出了本发明用于催化转化器的保持材料的另一 个实施方案。
图3 (A)和(B)示意性地示出了本发明用于催化转化器的保 持材料的又一个实施方案。
图4示意性地示出了本发明用于催化转化器的保持材料的再一 个实施方案。
图5 (A)和(B)示意性地示出了本发明用于催化转化器的保 持材料的再又一个实施方案。
图6 (A)和(B)示意性地示出了本发明用于催化转化器的保 持材料的再另一个实施方案。
图7示意性地示出了本发明用于催化转化器的保持材料的再又 一个实施方案。
图8 (A)和(B)示意性地示出了本发明用于催化转化器的保 持材料的再又另一个实施方案。
图9 (A)和(B)示意性地示出了本发明用于催化转化器的保 持材料的再再另一个实施方案。
图IO为示出了催化转化器的一个实施方案的剖视图。
图11 (A)为用于催化转化器的常规保持材料的一个实施方案 的俯视图，并且图11 (B)示意性地示出了用于催化转化器的保持材 料巻绕在催化剂载体上的状态。
图中各标号的含义
10:催化转化器
11:金属外套
12:催化剂载体
13:用于催化转化器的保持材料
41:主体部分
42:凸出部分
43:凹入部分
发明详述
本发明将参照附图来进行详细描述。
如图1所示，用于本发明催化转化器的保持材料是通过将低热
导率层100与垫层110层合而构成的，其中垫层110通过形成无机纤 维而获得。此外，可将低热导率层100与垫层110交替地层合在一起，
以形成多层形式，这种形式未在图中示出。对保持材料的整体形状没
有限定。例如，其形状可与图ll (A)中所示保持材料的形状类似 其中平坦的主体部分41的一端形成有凸出部分42，并且在另一端形 成有凹入部分43，其中凹入部分43的形状与凸出部分42的形状是 匹配的。凸出部分42和凹入部分43的形状可以是三角形或半圆形的， 也可以是图中所示出的矩形。此外，凸出部分42和凹入部分43的个 数并不限定为l个，其可为2个或更多个。
为了获得足够的绝热性能，低热导率层100在30(TC下的热导率 优选为0.04W/m' K或更低，并且更优选的是在60(TC下的热导率为 0.05W/m* K或更低。本文中所指的热导率是根据JIS A1412-l测量 得到的。
对低热导率层IOO没有特别限定，只要其满足上述热导率即可。 例如，含有无机粉末的模压材料、或者利用由多孔基材和气溶胶制成 的复合材料都可适当地使用，这些材料将会在后面进行描述。
含有无机粉末的模压材料包括如下片材通过干式系统直接将
无机粉末压塑而获得的片材；通过将无机粉末与多孔基材捏合而获得 的片材；以及通过利用粘结剂将无机粉末固化而获得的片材。考虑到 绝热性能，以及无需粘结剂即可进行压塑，无机粉末优选粒径为 l-70nm的精细粉末。无机粉末的例子包括含有金属氧化物的精细粉
末，如二氧化硅、氧化铝、二氧化钛等。在这些无机粉末中，通过气
相法制备的热解硅石(干燥的硅胶，dry silica)是尤其优选的。热解 硅石是非常细小的精细粉末，因此其可通过分子间力等相互缔合，从 而形成直径为几十纳米到几微米的二次粒子，这样便形成了圆内径 (ring inner diameter)为0.1pm或更小的多个空隙。这些空隙要小于 作为热量传递介质的空气的平均自由通路，因此可通过热解硅石来大 大降低热量的传递。从而大幅提升了绝热性能。此外，热解硅石可为 疏水热解硅石，其通过使用偶联剂而使热解硅石的硅烷醇基与有机基 团(如甲基)间进行反应而获得。与亲水性热解硅石相比，疏水热解 硅石的压塑制品难以发生由吸湿作用导致的绝热性质的劣化。
此外，无机粉末可包括折射率为1.25或更高(对于波长为1pm 或更长的光而言)，且粒径为l-50^m的无机粉末，如碳化硅、氧化 锆或二氧化钛。这种无机颗粒具有将辐射热反射的功能，因此将这些 无机颗粒组合使用能够防止因辐射热而引起的热导率的增加。
通过干式系统将无机粉末压塑而获得的片材可通过以下步骤进 行制备用上述无机粉末填满模压模具，并进行压制。至于此时的模 压条件，压制压力为0.5-1.5MPa是合适的。
通过将无机粉末与多孔基材捏合而获得的片材可通过如下步骤 进行制备将无机粉末分散于片状多孔基材的整个表面，使用压板等 将无机粉末压入多孔基材内，以迫使无机粉末进入多孔基材内的空 隙，随后进行压制。这样，无需使用任何粘结剂，便可获得多孔基材 和无机粉末复合在一起的片材。
这里，对多孔基材没有特别的限定，只要其具有无机粉末可进 入的空隙即可。具体而言，多孔基材的例子包括无机多孔基材(如玻 璃布、无机纸(无纺布)、和下面将会描述到的由无机纤维毛毡制成的 垫型材料等)，以及有机多孔基材(如芳纶毡以及由聚对苯二甲酸乙
二醇酯(PET)、聚酯等制成的无纺布)。当对耐热性有一定要求时， 优选使用无机多孔基材。
通过利用粘结剂将无机粉末固化而获得的片材可通过如下方法 制备将捏合产品或无机粉末与粘合剂的浆料制成片材形状。粘合剂 的例子有无机粘合剂(如玻璃粉、胶态氧化硅、氧化铝溶胶、硅溶胶、 矽酸钠、二氧化钛溶胶、硅酸锂和水玻璃)以及有机粘结剂(如丙烯 酸类树脂和淀粉)。当对耐热性有一定要求时，优选使用无机粘结剂。
上述片材可不与单独制备的垫层110整合在一起使用，或可通 过与垫层110连接而整合在一起使用。片材与垫层110间的连接可通 过粘合、针刺、缝合等来完成。考虑到绝热性能、在催化剂载体上的
巻绕性能等的改善，合适的片材的厚度为垫层110总厚度的5-50%， 也可为10-40%或15-30%。
此外，可利用树脂(如硅氧烷或聚乙烯醇)，对这些片材的表 面或整个片材进行树脂涂敷处理。通过这种处理，可防止无机粉末的 脱落，尤其是防止无机粉末在尾气吸入侧的端面处的脱落。
当片材不与垫形层IIO整合在一起使用时，凸出部分42和凹入 部分43形成于垫层110上。此外，片材可以多层的形式巻绕。固定 片材的方法包括用胶带固定片材端部的啮合部分、用绳状体绑定等。 但是，也可仅仅将片材绕紧而已。绳状体可以是可热降解材料，这是 因为在将催化剂载体固定于金属外套中之后，即使当绳状体被热降解 掉，用于催化转换器的保持材料也不会分离。
此外，也可以将通过把无机粉末与粘结剂粘结而获得的涂层用 作低热导率层100。可通过将含有无机粉末和粘结剂的涂料溶液涂布 到垫层110上，并随后进行干燥，从而制备得到低热导率层100。涂 料溶液的合适涂布量为0.1-10.0g/m2，尽管这是适当设定的涂布量， 考虑到了绝热性能、在催化剂载体上的巻绕性能等的提高。
此外，作为低热导率层100，也可使用由多孔基材和气溶胶制成 的复合材料。通过在超过溶剂临界点的高温和压力下，将位于晶格间 的可移动溶剂相从凝胶结构的孔(pore)中除去，从而制得气溶胶， 其中所述凝胶结构的孔中具有由聚合材料承载的连续气泡。因此，气 溶胶具有较低的密度，并且具有簇状结构，在这种簇状结构中，平均
尺寸为2-7nm的球形精细颗粒被融合在一起。此外，气溶胶的连续 气泡结构的平均孔隙尺寸为2-7nm，因此其具有较大的表面积。在这 种气溶胶中，空气不能形成为进出这种格栅状结构的对流，因此可有 效地阻止由对流造成的热量传递。基于这样的原因，气溶胶展示出惊 人的绝热性能。可在制备过程中对其平均孔隙尺寸和密度进行调整。
上述气溶胶的例子包括无机气溶胶和有机气溶胶。无机气溶胶 具有金属烷氧基，其包括诸如硅氧气溶胶、碳化物气溶胶和氧化铝气 溶胶之类的材料。有机气溶胶的例子包括聚合物气溶胶，如碳气溶胶 和聚酰亚胺。在这些气溶胶中，硅氧气溶胶是优选的，这是因为其有 很多制备实例，并且容易得到。在(例如)日本专利JP-T-2004-517222 中对气溶胶的制备方法进行了描述。由多孔材料和气溶胶制成的复合 材料的结构为由多孔材料结构和气溶胶的格栅状结构构成的复合结 构。该复合材料的体密度为0.02-0.5g/cm3，优选为0.1-0.3g/cm3。
这种由多孔材料和气溶胶制成的复合材料可通过以下方法制
得将多孔材料用气溶胶浸渍，随后在超临界区域进行干燥。具体而 言，(例如)当气溶胶为硅氧气溶胶时，将诸如四乙氧基硅烷、四甲 氧基硅烷、或四正丙氧基硅烷之类的硅烷化合物水解，随后，制得了
在低pH下稳定为聚硅酸酯(例如诸如聚二乙氧基硅氧烷)的硅氧气 溶胶前体(silica precursor)。将该硅氧气溶胶前体与醇(如乙醇) 混合，从而获得硅氧气溶胶前体溶液。此时硅氧气溶胶前体与醇的合 适的混合比为0.1-5.0比1.0。随后，将多孔基材用硅氧气溶胶前体溶 液浸渍，并向其中加入酸(如盐酸、硫酸或氢氟酸)以进行凝胶化， 并随后进行凝胶的老化。随后，当进行超临界干燥处理以除去凝胶中 的醇时，便形成了具有多孔基材(该多孔基材作为增强基材)的硅氧 气溶胶，即气溶胶化多孔基材。可通过首先将醇替换成为液态丙酮， 并随后将二氧化碳置于临界点，从而进行超临界干燥处理。液态丙酮 的使用能够实现良好的梯度洗脱。最终，将凝胶中的所有液体替换成 为气体，而并不损害凝胶结构。
这里，整个多孔基材用气溶胶前体浸渍，并随后进行超临界干
燥，以制备低热导率层100，该低热导率层100可在与单独制备的垫 层110连接后使用，或直接单独使用。随后，使用下面将要描述到的 垫层作为多孔基材，将其表面用气溶胶前体浸渍，从而形成这样一种 层压体，这种层压体具有浸渍了气溶胶前体的浸气溶胶前体层，以及 未经气溶胶前体浸渍的多孔基材层，并将该层压体在超临界区域干 燥，从而形成用于催化转化器的保持材料13，其中该保持材料13具 有垫层，以及由多孔基材和气溶胶制成的复合材料(低热导率层)。
对低热导率层100的厚度没有特别限定，只要可以获得所需绝热性能 即可。但是，其厚度优选为垫形层110总厚度度的3-50%。在前一情 况中，对所用多孔基材的总厚度进行调整，并在后一情况中，对浸入 量进行调整。
此外，可对气溶胶进行疏水化处理。这种处理可以避免随时间 的延长，由于气溶胶的吸湿性而发生气溶胶特性的丧失。因此，可以 在较长时间内保持高的绝热性能(低热导率)。疏水化气溶胶的制备
方法的例子包括在对溶剂中的气溶胶前体进行疏水化处理后，进行
超临界干燥处理的方法；以及在进行超临界干燥过程中，向气溶胶前 体中加入疏水化剂，以进行超i院界状态下的疏水化处理。
另一方面，对垫层没有特别限定，并且可利用在催化转化器的 常规保持材料中所使用的那些垫。例如，从以下垫型材料中选择时较 为合适的通过在湿体系中形成无机纤维和有机粘结剂，并随后在压 縮状态下干燥，从而获得的压塑垫；具有通过针刺所收集的无机纤维 而获得的毛毡的垫；以及通过在湿体系中形成无机纤维和膨胀性材料 (如蛭石)而获得的膨化垫。将这些垫型材料用作垫层110是没有问 题的，只要其在80(TC下的热导率为0.2W/m' K或更低即可。但是， 其在80(TC下的热导率优选为0.1W/m* K或更低。
作为无机纤维，可以使用目前被用于保持材料的各种无机纤维。 例如，可以适当使用的有氧化铝纤维、多铝红柱石纤维以及其它陶瓷 纤维。更具体而言，用作氧化铝纤维的一种纤维优选为(例如)含有 90重量％或更多的A1203 (其余为Si02)、并且按照X射线结晶学 具有低结晶度的氧化铝纤维。此外，其纤维直径优选为3-15pm，或3-7pm，并且湿体积优选为400cc/5g或更高。作为多铝红柱石纤维， 优选的是多铝红柱石的组成为(例如)Al203/Si02重量比为约72/28 至80/20，并且其按照X射线结晶学具有低结晶度。此外，其纤维直 径优选为3-15pm,或3-7pm，并且湿体积优选为400cc/5g或更高。 其它陶瓷纤维的例子包括二氧化硅-氧化铝纤维和二氧化硅纤维，并 且目前被用于保持材料中的所有陶瓷纤维均可被用作该其它陶瓷纤 维。此外，也可引入玻璃纤维、石棉或可生物降解纤维。
采用下述步骤计算上述湿体积
(1) 称取5g干燥的纤维材料，其精度精确到小数点后两位或 更多位；
(2) 将己经称重的纤维材料放入重量为500g的玻璃烧杯中；
(3) 将20-25'C的400cc蒸馏水倒入步骤(2)中准备的玻璃烧 杯中，并通过使用搅拌器仔细搅拌，以便不切断纤维材料，
=从而将纤维材料分散。为实现该分散，可使用超声净化器。 (4》将步骤(3)中所制得的烧杯内容物转移至l，OOOml刻度 量筒中，并向其中加入蒸馏水直至l，OOOcc刻度； 通;d用于享小o項让刘度更周tfj丌ui以p刀it:力v7E路木规 倒刻度量筒，以搅动步骤(4)中所制得刻度量筒中内容 物。这一步骤总共重复10次；
(6) 搅拌停止后，在室温下，将刻度量筒平稳放置30分钟后， 用眼睛观察纤维的沉淀体积；和
(7) 对三个样品实施上述步骤，并把平均值作为测定值。 此外，对垫层110的体密度也没有限定。但是，当其处于巻绕
在催化剂载体上的状态时，其体密度优选为0.13-0.7g/cm3。当体密度 低于0.13g/cm、寸，垫层通常具有出色的绝热性能。但是，在高温时 的热传导会受到辐射热的极大影响。因此，热导率增加，从而导致难 以满足上述热导率，并且人们也担心其保持力不足以保持催化剂载 体。另一方面，当体密度高于0.7g/cn^时，则热导率不会在由高温产 生的辐射热的影响下而增加。但是，相反地，过高的体密度会使固体 导热增加，从而导致热导率的增加。因此，很难满足上述热导率，并且人们担心难以将巻绕有保持材料的催化剂载体插入金属外套中。
如图1所示，可以覆盖垫层110的整个平坦表面的方式设置低 热导率层100。但是，由于低热导率层100含有无机粉末，在运输过 程中、或者在将低热导率层巻绕在催化剂载体上时，无机粉末有可能 脱落，从而污染催化剂载体的外侧。因此优选的是，将低热导率层 100的面积降低到不影响绝热性能的范围内。
具体而言，如图2所示，低热导率层100设置在离开吸入侧(图 2中所示例子的底侧)的端面110a，从而能够防止无机粉末由于尾气 的吸入而脱落。
此外，如图3的俯视图(A)和沿线X-X截取的剖视图(B)所 示，可这样设置低热导率层100，以留出垫层110的全部外围部分， 而不被低热导率层100覆盖。
另外，如图4中所示，也可以这样设置低热导率层100，使其嵌 入凹陷部分110b，其中该凹陷部分110b在与垫层110的吸入侧端面 110a相距一定距离的位置处才开始形成。 二
为了确保能够防止无机粉末的脱落，优选的是至少低热导率层 1U0板保护辰復盍。6匸AJ刀俯视闺，且图6 刀很闺匸AJ
中线X-X截取的剖视图，其示出了这样一种情况其中保护层120 在用于图2中所示的催化转化器用保持材料(该保持材料上设置有低 热导率层100)的全部表面上形成，另外也在垫层110的吸入侧端面 110a上形成。此外，图5 ( (A)为俯视图，且(B)为沿图(A)中 线X-X截取的剖视图)示出了这样一种情况其中保护层120在用 于图3中所示的催化转化器用保持材料(该保持材料上设置有低热导 率层100)的全部表面上形成。此外，图7示出了这样一种情况，其 中保护层120在用于图4中所示的催化转化器用保持材料(该保持材 料上设置有低热导率层100)的全部表面上形成，另外也在垫层110 的吸入侧端面110a上形成。
作为保护层120，优选使用合成树脂薄膜、无纺布、树脂涂层等。 此外，通过将保护层设置成为保持材料的最外层(金属外套侧)，该 保护层不仅可以防止无机粉末从低热导率层脱落，而且即使当保持材
料的外周面被拉伸时，也能够避免缺陷(如裂缝和断裂)在该外周表 面上产生，这种缺陷是因为当将保持材料巻绕催化剂载体时，会在保 持材料的外周边和内周边产生差异。此外，当将用保持材料巻绕的催 化剂载体压入作为密封系统(下文中称为压配系统)的金属外套内时， 可降低其与外套接触的外表面的摩擦系数，从而可提高密封系统的工
作性能。为了获得该效果，保护层的摩擦系数优选为0.1-0.4。
为了防止无机粉末从低热导率层100、并从所述吸入侧的端面 110a脱落，可以采用图8 ( (A)为俯视图，(B)为沿着(A)中的 线X-X截取的剖视图，并且(C)为沿着(A)中的线Y-Y截取的剖 视图)中所示的结构，即低热导率层100被夹于垫层110之间。在如 图所示的情况中，使低热导率层100的面积小于垫层110的面积，从 而能更有效地防止无机粉末的脱落。另外，如图9 ( (A)为俯视图， 且(B)为沿着(A)中的线X-X截取的剖视图)中所示，低热导率 层100可被垫层U0包围。
在制备用于催化转化器的保持材料时，可通过下述步骤来一片 片地制备保持材料将垫层IIO形成为如图所示的预定形状，随后将 低热导率层IOO层压在垫层IIO上，其中低热导率层IOO也是类似被 形成为预定形状。但是，可通过下述步骤来连续地制备保持材料将 用长的热导率材料制成的低热导率层100层合到由长的无机纤维毛 毡制成的垫层110上，随后将保持材料冲压成为预定形状。
在本发明用于催化转化器的保持材料中，按照常规方式，(例 如)如图l所示，将主体部分41巻绕在催化剂载体12上，并使两端 的凸出部分42和凹入部分43相互啮合，从而将催化剂载体用保持材 料13巻绕在催化剂载体12上。凸出部分42和凹入部分43的啮合不 会引起端部的偏移，从而达到出色的尺寸稳定性。
如图1至图4中所示，在用于催化转化器的保持材料中，其中 所述保持材料具有由低热导率层100和垫层IIO构成的双层结构，当 在最高达约500。C的相对较低的温度下使用催化剂载体12时，在将 保持材料巻绕催化剂载体12时，可将低热导率层100设置在催化剂 载体侧。但是当催化剂载体的温度超过50(TC时，低热导率层IOO容
易发生热劣化，因此需要将垫层110设置在催化剂载体侧。
此外，当分别设置低热导率层100和垫层110时，低热导率层 100被巻绕在催化剂载体12上，并且其啮合部分通过胶带等进行固
定。随后，将垫层110巻绕在低热导率层100上。或者，在将垫层 110巻绕在催化剂载体12上之后，再将低热导率层100巻绕在垫层 110之上，并根据需求，通过胶带等将其啮合部分固定。
如上所述，当在最高达约50(TC的相对较低的温度下使用催化剂 载体12时，低热导率层IOO与催化剂载体12的接触不会产生特别的 问题。因此仅由低热导率层IOO来构成用于催化转化器的保持材料， 其绝热性能非常有效。即，可将低热导率层IOO制成常规的保持材料
的厚度，并用作用于催化转化器的保持材料。具体而言，由于多孔基 材具有弹性，因此由多孔基材和气溶胶制成的复合材料给催化剂载体
12提供保持力，并且这种复合材料可巻绕在催化剂载体上。本发明 也包括这种用于催化剂载体的仅仅具有低热导率层100的保持材料。
随后，如图10所示，催化剂载体12被装入金属外套11内，且 用于催化转化器的保持材料13巻绕于催化剂载体12上，从而制得催 化转化器10。在这种情况中，优选的是用于催化转化器的保持材料 厚度变化较小，以向催化剂载体12的整个外周表面均匀地施加保持 力，并均匀地填补催化剂载体12与金属外套11间的空隙。保持材料 的厚度变化优选保持在15%或更小。
金属外套11的尺寸经过适当地调整，使得催化剂载体12能够 被装入其中。并且，如图10所示，用于使尾气流入的进气管与金属 外套11的一个端面相连，且用于排放尾气的出口管与另一端面相连。 此外，虽然图中未示出，但是可设置用于进行再生处理的电加热器、 温度传感器，用于使燃烧气体流入的另一管路等。
由于本发明用于催化转换器的保持材料具有出色绝热性能，即 使在寒冷地区，该催化转化器也不易受到外部空气温度的影响，从而 减少了行车过程中温度变化所带来的影响，并且催化剂载体12可以 被稳定地保持于较高的温度。此外，同样在引擎启动和空转时，催化 剂载体12的温度可在更短的时间内升高到所需温度。即，将本发明
的保持材料用于催化转换器中，使得催化转化器在引擎启动、空转和 行车时显示出出色的空气净化性能。此外，由于本发明用于催化转换 器的保持材料具有出色绝热性能，可降低传递至金属外套的热量，并
且不再需要巻绕在金属外套上的绝热材料(如玻璃纤维板)。因此预 计成本下降将成为可能。
此外，在再生处理中，热效率也较高、再生时间縮短、并且再 生速率提高，这可以延长压力降等增大之前的时间(直至需要进行再 生时的时间)。即，再生后所收集的颗粒量得到增加。
当催化转化器配有用以燃烧颗粒的电加热器时，进入催化剂载 体12中的尾气温度可在短时间内被有效地升高，并且尾气温度可升 至足够高的温度。因此可在较短时间内进行再生处理。
此外，当催化转化器未配有电加热器时，再生操作系统会进行 尾气的升温操作。在这种情况中，穿过催化剂载体12的尾气可升至 足够高的温度，这是因为催化剂载体12具有出色的热保持性能，并 且颗粒被髙温尾气燃烧，从而进行再生。
另外，在催化转化器中也可以另外设置用以除去有害气体(诸
如NOx或SO》的催化剂层，以除去有害气体以及颗粒。在再生时，
尾气可被用作载持性气体。此外，当使用泵进行再生处理时，可以这 样构造催化转化器，使得通过使用该泵来将空气泵入过滤器中，以进 行再生处理。
例子
下面将参照下述实施例和比较例对本发明进行更详细的描述。 但是，本发明完全不局限于这些例子。 实施例1
制备这样一种浆料，其含有氧化铝纤维(氧化铝80质量％， 二 氧化硅20质量％)、水和作为有机粘结剂的丙烯酸类树脂，其中相
对于IOO质量份的所述氧化铝纤维，所述丙烯酸类树脂为IO质量份， 所述水为10,000质量份。将浆料倒入扁平的模子中，随后进行脱水模 压，从而获得湿垫(wetmat)。在将湿垫于IO(TC下干燥的同时，使用压制板对其进行压制，从而获得基重为1,100g/n^且有机物含量为 10%的压制垫。该压制垫的体密度为0.17g/m3，且厚度为8.5mm。将 平均初级粒径约为7nm的热解硅石粉末与重量为500g/cr^的二氧化 硅布捏合，随后进行压制，从而制得作为低热导率层的片材。此时， 该片材在30(TC下的热导率为0.03W/m' K，在60(TC下的热导率为 0.04W/m* K，体密度为0.84g/m3，并且厚度为0.6mm。随后借助乙 烯-醋酸乙烯酯粘合剂将所述压制垫和片材相互粘附在一起，从而获 得厚度为9.1mm的层压体。由该层压体，冲压出预定的形状，从而 获得如图1所示的、具有垫层IIO和低热导率层100的保持材料13。
将保持材料13巻绕在含有堇青石陶瓷的催化剂载体12(其直径 为110mm，长度为100mm)的外周面，并以低热导率层被设置在催 化剂载体12外侧的该方式插入到内径为114mm的SUS外套内，以 制备催化转化器。另外，沿着催化剂载体的轴向方向，将热电偶插入 催化剂载体与保持材料间的界面的中央位置。将该催化转化器与加热 震动测试仪(heating vibration tester)相连，在使其震动的同时，将 600。C的热空气以5mV分钟的速度流入，并测量上述中央位置处的温 度。结果证实，在热空气开始流入后，在3分钟内温度达到35(TC或 更高。在热空气流入之前，室温为2(TC。此外，并未出现诸如催化 剂载体脱落的问题。
实施例2
以与实施例1相同的方法获得如同1所示的保持材料，不同之 处在于使用了由Aspen Aerogels公司制造的"Pyrogel-6650"作为 低热导率层。此例中，该低热导率层在30(TC下的热导率为0.02W/m K，在600。C下的热导率为0.03W/m' K，体密度为0.12g/m3，并 且厚度为lmm。所得保持材料的厚度为9.5mm。
随后，通过与实施例1相同的方式，使用该保持材料制备催化 转化器，并将其与加热震动测试仪相连，以进行与实施例l相似的温 度测量。结果证实，在2. 5分钟后温度达到35(TC或更高。此外，并 未出现诸如催化剂载体脱落的问题。
实施例3
通过收集薄片形式的氧化铝纤维(氧化铝80质量％， 二氧化硅
20质量％)，并对所收集纤维进行针刺，从而制备具有毛毡(blanket) 的垫。此处，该垫的体密度为0.15g/m3，并且厚度为4.0mm。此外， 通过旋转混合装置，将80质量％的热解硅石粉末(平均初级粒径为 约7nm) 、 18质量％的作为辐射材料的碳化硅(平均粒径为约3(im)、 以及2质量％的作为增强纤维的玻璃纤维(平均纤维直径为l(Hrni， 且平均纤维长度为5mm)进行混合。随后通过干式体系将所得混合物 压塑，从而制成被用作低热导率层的含热解硅石的片材。此时，该片 材在30(TC下的热导率为0.025W/m* K，在60(TC下的热导率为 0.03W/m' K，体密度为0.20g/m3，并且厚度为1.5mm。随后，将该 片材夹置于所述垫中，并借助乙烯-醋酸乙烯酯粘合剂将其与垫相互 粘附在一起，从而获得厚度为9.5mm的层压体。由该层压体，冲压 出具有预定形状的层压体，从而获得如图8所示的、低热导率层100 被置于垫层IIO之间的保持材料13。
随后，通过与实施例1相同的方式，使用该保持材料制备催化 转化器，并将其与加热震动测试仪相连，以进行与实施例l相似的温 度测量。结果证实，在2.5分钟后温度达到35(TC或更高。此外，并 未出现诸如催化剂载体脱落的问题。
实施例4
制备这样一种浆料，其含有氧化铝纤维(氧化铝80质量％， 二 氧化硅20质量％)、水和作为有机粘结剂的丙烯酸类树脂，其中相 对于100质量份的所述氧化铝纤维，所述丙烯酸类树脂的量为10质 量份，所述水的量为10,000质量份。将浆料倒入具有预定形状的模子 中，随后进行脱水模压，从而获得湿垫，其中在该湿垫表面形成有凹 陷部分。在将湿垫于IO(TC下干燥的同时，使用具有预定形状的压制 板对其进行压制，从而获得基重为1，100g/n^且有机物含量为10%的 压制垫。该压制垫的体密度为0.16g/m3,且厚度为8.5mm，并且凹陷 部分的深度为lmm。此外，按照与实施例3相同的方式制备与上述凹 陷部分具有相同形状及尺寸的、含热解硅石的片材。此时，该片材在 300。C下的热导率为0.02W/m' K，在600。C下的热导率为0.03W/m* K，体密度为0.12g/m3，并且厚度为lmm。随后，将片材作为低热导 率层装入压制垫的凹陷部分，并借助乙烯-醋酸乙烯酯粘合剂将它们 附在一起，从而获得如图4所示的层压体13。将作为保护层的聚乙烯 无纺布(厚度为20Mm)层合到该层压体上，并借助乙烯-醋酸乙烯酯 粘合剂将其与层压体粘附在一起，从而获得如图7所示的保持材料 13。
随后，通过与实施例1相同的方式，使用该保持材料制备催化 转化器，并将其与加热震动测试仪相连，以进行与实施例l相似的温 度测量。结果证实，在3钟后温度达到35(TC或更高。此外，并未出 现诸如催化剂载体脱落的问题。
实施例5
如下面将会讲到的，将实施例1中获得的垫表面用硅氧气溶胶前 体浸渍，并将这样一种层压体在超临界区域干燥，以制备具有垫层以 及由垫层及气溶胶制成的复合材料的保持材料，其中所述层压体具有 经硅氧气溶胶前体浸渍的浸有硅氧气溶胶前体的层、以及未浸有硅氧 气溶胶前体的垫层。
首先，将四乙氧基硅烷水解，随后在低pH值下稳定，从而获得 聚二乙氧基硅氧烷(硅氧气溶胶前体)。随后将该硅氧气溶胶前体溶 液倒入装有垫的容器内，并将垫的表面用该硅氧气溶胶前体溶液浸 渍。在搅拌该溶液的同时，加入占全部溶液体积2%的氢氟酸，从而 进行凝胶化。将已胶化的垫置于处于全密封状态的5(TC的乙醇浴中， 并老化过夜。随后进行亚临界和超临界二氧化碳气体萃取处理共四 天，以从胶体中除去醇，从而获得具有由硅胶和多孔基材构成的复合 材料。此例中，垫层的体密度为0.15g/m3，并且厚度为6mm。低热 导率层在30(TC下的热导率为0.02W/m* K，在60(TC下的热导率为 0.03W/m， K，体密度为0.13g/m3，并且厚度为2mm。另外，保持材 料的厚度为8mm。
随后，通过与实施例1相同的方式，使用该保持材料制备催化 转化器，并将其与加热震动测试仪相连，以进行与实施例1相似的温 度测量。结果证实，在2钟后温度达到35(TC或更高。此外，并未出
现诸如催化剂载体脱落的问题。 比较例1
通过收集薄片形式的氧化铝纤维(氧化铝80质量％， 二氧化 硅20质量％)，并对所收集纤维进行针剌，从而制备具有毛毡的 垫。将该垫冲压成预定形状，从而获得保持材料。此时，该垫在800
°C、密度为0.3g/m3下的热导率为0.12W/m* K，体密度为0.14g/m3, 并且厚度为9.5mm。
随后，通过与实施例1相同的方式，使用该保持材料制备催化 转化器，并将其与加热震动测试仪相连，以进行与实施例l相似的温 度测量。结果证实，在6分钟后温度达到35(TC或更高。此外，并未 出现诸如催化剂载体脱落的问题。
实施例6
按照与实施例5中相同的方法，制备仅具有由垫层和硅氧气溶 胶制成的复合材料的保持材料，不同之处在于整个垫体用硅氧气溶胶 前体浸渍。此处，仅具有低热导率层的保持材料在30(TC下的热导率 为0.02W/m* K，在600。C下的热导率为0.04W/m* K，体密度为 0.13g/m3，并且厚度为8.5mm。
将保持材料13巻绕在含有堇青石陶瓷的催化剂载体12(其直径 为110mm，长度为100mm)的外周表面上，并插入到内径为114mm 的SUS外套内，以制备催化转化器。将该催化转化器与加热震动测
试仪相连，在使其震动的同时，使3ocrc的热空气流入，并进行类似 的温度测量。.结果证实，在热空气开始流入后，温度在i分钟内达到
25(TC或更高。在热空气流入之前，室温为2(TC。此外，并未出现诸 如催化剂载体脱落的问题。
此外，使用比较例1的保持材料，按照与实施例6相同的方式 制备催化转化器，并将其与加热震动测试仪相连，以进行类似的温度 测量。结果证实，温度在3分钟后达到25(TC或更高。此外，并未出 现诸如催化剂载体脱落的问题。
虽然本发明参照其具体实施方案进行详细描述，但对于本领域 技术人员而言显而易见的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以对本发明做各种变动和修改。
本发明基于于2007年7月20日提交的日本专利申请No. 2007-189192，其所有内容以引用的形式被并入本文。此外，本发明 所引用的全部参考文献的全部内容均以引用的形式被并入本文。
权利要求
1.一种用于催化转化器的保持材料，其中所述催化转化器具有催化剂载体、用于容纳所述催化剂载体的金属外套、以及卷绕在所述催化剂载体上并插在所述催化剂载体与所述金属外套之间的间隙处的所述保持材料，所述保持材料具有低热导率层，其中所述低热导率层包括含有无机粉末的模压材料、或者由多孔基材和气溶胶制成的复合材料。
2. 根据权利要求l所述的保持材料，其中在30(TC下，所述低热 导率层的热导率为0.04W/m* K或更低。
3. 根据权利要求1所述的保持材料，还具有垫层，其中所述垫 层包含无机纤维，并被层合在所述低热导率层上。
4. 根据权利要求1所述的保持材料，还具有保护层。
5. —种制造用于催化转化器的保持材料的方法，其中所述催化 转化器具有催化剂载体、用于容纳所述催化剂载体的金属外套、以及巻绕在所述催化剂载体上并插在所述催化剂载体与所述金属外套之 间的间隙处的所述保持材料；该方法包括将整个多孔基材用气溶胶前体浸渍；以及进行超临界干燥，以制备低热导率层。
6. 根据权利要求5所述的制造保持材料的方法，还包括将所述 低热导率层与垫层连接在一起。
7. —种制造用于催化转化器的保持材料的方法，其中所述催化 转化器具有催化剂载体、用于容纳所述催化剂载体的金属外套、以及巻绕在所述催化剂载体上并插在所述催化剂载体与所述金属外套之间的间隙处的所述保持材料；该方法包括将具有多孔基材的垫型材料的表面用气溶胶前体浸渍；以及进行超临界干燥，以制备低热导率层。
8. —种催化转化器，其具有催化剂载体、用于容纳所述催化剂 载体的金属外套、以及巻绕在所述催化剂载体上并插在所述催化剂载 体与所述金属外套之间的间隙处的所述保持材料，其中所述保持材料为根据权利要求1的保持材料。
全文摘要
本发明涉及一种催化转化器、用于催化转化器的保持材料及其制造方法，特别是涉及一种用于催化转化器的保持材料，其中所述催化转化器具有催化剂载体、用于容纳所述催化剂载体的金属外套、以及卷绕在所述催化剂载体上并插在所述催化剂载体与所述金属外套之间的间隙处的所述保持材料，并且所述保持材料具有低热导率层，其中所述低热导率层包括含有无机粉末的模压材料；或由多孔基材和气溶胶制成的复合材料。
文档编号B01J33/00GK101349183SQ20081013471
公开日2009年1月21日 申请日期2008年7月18日 优先权日2007年7月20日
发明者友末信也, 坂根忠司, 矶村和俊 申请人:霓佳斯株式会社