相关申请的交叉引用
本申请要求2014年8月29日提出的美国临时专利申请号62/044,086的优先权。该申请的全部内容通过引用并入本文。
发明领域
本发明涉及用作例如催化转化器的催化剂载体的金属基材，和施加于基材的确保随后洗涂层良好附着的底漆洗涂层。
发明背景
催化转换器被广泛用于处理内燃机的废气。污染物如未燃碳氢化合物(hc)和一氧化碳(co)在柴油发动机中使用的二元催化转化器中被氧化成危害更小的二氧化碳(co2)，而在使用三元催化转化器，例如在汽油发动机中使用的那些时，在燃烧过程中形成的氮氧化物(nox)可被还原成氮气。
用作催化转化器中催化剂载体的基材通常由陶瓷材料制成。堇青石，一种还含有铁、镁和铝的硅酸盐材料，是一种广泛使用的材料。堇青石是一种热膨胀系数非常低的难熔材料。基材被设计成具有蜂窝状内部结构。蜂窝状结构提供在其上沉积催化剂的大表面积，以促进气态废气与尽可能多的催化材料接触。
还提出金属基材用作基底，通常形成为具有高表面积的金属箔。然而不幸的是，用于涂覆具有催化剂的基材的许多标准洗涂层不能很好地附着在金属基材上。这样的洗涂层将会从金属基材上脱落，这降低了催化转换器的性能，因此是不可接受的。
因此，需要一种促进洗涂层附着到用作催化转化器基材的金属基材的组合物和方法。
发明简述
本文中所描述的是具有底漆层的金属基材。该基材适合在催化转换器中使用。
在一个实施方案中，本发明包括涂覆的金属基材，其包含金属基材和直接置于金属基材上的包含勃姆石的底漆层，其中所述底漆层包含至少80％的勃姆石。金属基材可以包含蜂窝结构或波纹状金属箔结构。可以煅烧在金属基材上的底漆层。煅烧后，底漆层可以以约0.5g/l至约4g/l，例如约1g/l至约4g/l，例如约1.5g/l至约4g/l，例如约1g/l至约3.5g/l，例如约1g/l至约3g/l，例如约1g/l至约2.5g/l，例如约1g/l至约2g/l，约1.5g/l至约2.5g/l，约1.75g/l至约2.25g/l，约2g/l，约1g/l至约3.5g/l，约1.5g/l至约3.5g/l，例如约2g/l至约4g/l，例如约2g/l至约3g/l，约2g/l至约3.5g/l，约2.5g/l至约3.5g/l，约2.75g/l至约3.25g/l，或约3g/l存在，或具有上述厚度。
本文公开的任何实施方案的金属基材可以包括不锈钢。不锈钢可以包含至少16％的铬。不锈钢可以包含至少3％的铝。不锈钢可以包含至少16％的铬和至少3％的铝。
本文公开的任何实施方案的涂覆的金属基材可以进一步包含直接置于底漆层上面的额外洗涂层。
在另外的实施方案中，本发明包括制备涂覆的金属基材的方法，包括：a)提供金属基材；b)形成勃姆石颗粒的水悬浮液；c)将勃姆石颗粒悬浮液施加于金属基材；和d)干燥和煅烧具有所施加的勃姆石的金属基材。在一个实施方案中，金属基材可以包括不锈钢。不锈钢可以包含至少16％的铬。不锈钢可以包含至少3％的铝。不锈钢可以包含至少16％的铬和至少3％的铝。用于悬浮勃姆石颗粒的水可包括去离子水。勃姆石颗粒悬浮液可以在施加于金属基材之前进行声处理。在进一步的实施方案中，勃姆石颗粒悬浮液可以被声处理，然后在声处理后离心，可将离心悬浮液的上清液施加于金属基材。煅烧可以在500℃-600℃的温度下进行至少约2小时。煅烧后，底漆层可以以约0.5g/l至约4g/l，例如约1g/l至约4g/l，例如约1.5g/l至约4g/l，例如约1g/l至约3.5g/l，例如约1g/l至约3g/l，例如约1g/l至约2.5g/l，例如约1g/l至约2g/l，约1.5g/l至约2.5g/l，约1.75g/l至约2.25g/l，约2g/l，约1g/l至约3.5g/l，约1.5g/l至约3.5g/l，例如约2g/l至约4g/l，例如约2g/l至约3g/l，约2g/l至约3.5g/l，约2.5g/l至约3.5g/l，约2.75g/l至约3.25g/l，或约3g/l存在，或具有上述厚度。
在该方法的进一步实施方案中，额外的洗涂层可以直接沉积在底漆层上面。
发明详述
本发明提供用于获得洗涂层与金属基材良好附着的组合物和方法，其使用含勃姆石底漆洗涂层，其在沉积其它洗涂层之前沉积在金属基材上。包含勃姆石的底漆层能够使得金属基材用作在催化转换器中的催化剂载体。
定义
本公开提供了几个实施方案。可以预期的是来自任何实施方案的任何特征可以与任何其它实施方案的任何特征相结合。以这种方式，所公开特征的混合配置都在本发明的范围之内。
当数值在本文中使用术语“约”或“大约”表示时，应当理解，两者指定的值以及合理接近指定值的值都包括在内。例如，描述“约50℃”或“大约50℃”包括50℃本身以及接近50℃的值都被披露。因此，短语“约x”或“大约x”包括x值本身的描述。如果说明一个范围，例如“约50℃至60℃”，应当理解两个由端点指定的值都包括在内，而且对于各个端点或两个端点，靠近各个端点或两个端点的值都包括在内；也就是说，“约50℃至60℃”相当于引用“50℃至60℃”和“约50℃至约60℃。”
应当理解，本文所描述的发明的各方面和实施方案包括“包括”，“由……组成”和/或“基本由……组成”方面和实施方案。对于本文所描述的所有方法、系统、组合物和装置，该方法、系统、组合物和装置可以包括所列组分或步骤，或者可以由或基本由所列组分或步骤组成。当系统、组合物或装置被描述为“基本由所列组分组成”，该系统、组合物或装置包含所列组分，并且可以含有实质上不影响系统、组合物或装置性能的其它组分，但要么不包含除明确所列那些组分外实质上影响系统、组合物或装置性能的任何其它组分；或要么不包含实质上影响系统、组合物或装置性能的足够浓度或量的额外组分。当方法被描述为“基本上由所列步骤组成”时，该方法包括所列步骤，并且可以包括实质上不影响该方法结果的其它步骤，但该方法不包括除明确所列那些步骤外实质上影响方法结果的任何其它步骤。
本文描述的系统、组合物、基材、和方法，包括如本文中所描述的任何本发明实施方案，可以单独使用，也可以结合其它系统、组合物、基材、和方法使用。
金属基材
用于本发明的金属基材应具有良好的耐热冲击性、良好的耐腐蚀性、和良好的耐机械冲击性。不锈钢可以用作催化转换器基材的材料。具有至少12％的铬含量的不锈钢是优选的。
适于与底漆洗涂层使用的基材是emitecpartno.616394，一种具有19％铬和3％铝的不锈钢整料。
该金属基材为适用作催化转化器的形式。一种合适的形式为蜂窝结构。其它形式包括波纹状金属箔，或波纹状和扁平的金属箔的交替薄片。适用作本发明金属基材的金属箔结构的实例公开于：brück,r.等人,“flowimprovedefficiencybynewcellstructuresinmetallicsubstrates,”saetechnicalpaper950788,1995,doi:10.4271/950788；held,w.等人,“improvedcelldesignforincreasedcatalyticconversionefficiency,”saetechnicalpaper940932,1994,doi:10.4271/940932；brück,r.等人,“metalsupportedflow-throughparticulatetrap；anon-blockingsolution”,saetechnicalpaper2001-01-1950,doi:10.4271/2001-01-1950；chang,c.等人,“aluminumcladferriticstainlesssteelfoilformetalliccatalyticconvertersubstrateapplications,”saetechnicalpaper960556,1996,doi:10.4271/960556；和美国专利号4,301,039,4,402,871,4,886,711；和5,366,139。适用于本发明的金属基材的供应商包括emitec(emitecgesellschaftfüremissionstechnologiembh,lohmar,germany)和metalsubstrate(coppell,texas,unitedstatesofamerica)。
从供应商获得的基材用醇(如乙醇或甲醇)和去离子水洗涤，然后在使用之前干燥并煅烧。
底漆洗涂层组合物
用于创建底漆层的洗涂层包含勃姆石。勃姆石也称为γ-氧化铝氢氧化物或水合氧化铝，具有分子式alo(oh)，也写为αl2o3·η2o。勃姆石可以从众多供应商处购买。在一些实施方案中，勃姆石颗粒的尺寸可以为在尺寸上0.5微米至100微米。
为了将勃姆石施加到金属基材上用作勃姆石底漆层，制备勃姆石颗粒的水悬浮液。优选地，去离子水用于勃姆石悬浮液，例如可从各供应商获得的18兆欧(即，18兆欧-厘米)水。在一些实施方案中也可使用蒸馏水。
在一些实施方案中，分散剂、表面活性剂、或洗涤剂可以添加到用于悬浮液的水中。在一个实施方案中，分散剂以约0.5％至约6％(重量/重量)，约1％至约5％，约2％至约4％，约2.5％至约3.5％，或约3％的量使用。优选的值为约3％。适合使用的分散剂和表面活性剂包括jeffsperse，如
勃姆石以如下浓度加入到水中：约1％至约20％(重量/重量)，约5％至约20％，约1％至约15％，约5％至约15％，约8％至约12％，约2％至约12％，约3％至约12％，约3％至约10％，约4％至约8％，约5％至约8％，约5％至约7％，约5.5％至约6.5％，或约4％，约5％，约6％，约7％，约8％，约9％，约10％，约11％，约12％，约13％，约14％，或约15％。约10％的勃姆石为优选值。约6％的勃姆石为第二优选值。
而其它固体，例如氧化铝，可以与勃姆石混合使用形成底漆层，勃姆石应占水悬浮液中固体的至少约80重量％。在其它实施方案中，勃姆石占水悬浮液中固体的至少约90重量％，水悬浮液中固体的至少约95重量％，水悬浮液中固体的至少约99重量％，或水悬浮液中固体的至少约99.5重量％。在其它实施方案中，悬浮在水悬浮液中的固体基本上由(或由)勃姆石组成。
搅拌勃姆石水悬浮液，并将悬浮液的ph用冰醋酸调整到ph为4。在一些实施方案中，然后将悬浮液声处理长达约10小时。声处理后，将悬浮液离心以除去大颗粒。倾析出上清液，并可将离心勃姆石悬浮液的上清液立即用于涂覆金属基材，如通过将悬浮液倾倒通过金属蜂窝。“瀑布”方法可用于涂敷金属基材，这需要反复将悬浮液倾倒在基材上，直至达到所需重量摄取。在一些实施方案中，过量的勃姆石悬浮液利用空气吹掉，例如通过使用气刀。在悬浮液上吹空气，直至达到设定值。
然后将在基材上的勃姆石涂层干燥以除去水分。典型地，该基材在约70℃干燥，但可以在水沸点以下的任何温度下进行干燥。干燥时间可以在约1-2分钟至约1-2小时之间变化；在一个实施例中使用约70℃下约5分钟的时间。
干燥后，将勃姆石涂覆的基材例如在约500℃至700℃，典型地在约550℃下煅烧几小时至数小时。在一个实施方案中，将勃姆石涂覆的基材在120℃下煅烧约2小时，然后在550℃下煅烧约2小时。煅烧将任何有机污染物氧化，并提供勃姆石涂层对下层基材的良好附着。然后将煅烧的勃姆石涂覆的基材冷却，得到具有含有勃姆石的底漆层的金属基材。
煅烧后，勃姆石底漆层(底漆洗涂层)的厚度可以为约0.5g/l至约4g/l，例如约1g/l至约4g/l，例如约1.5g/l至约4g/l，例如约1g/l至约3.5g/l，例如约1g/l至约3g/l，例如约1g/l至约2.5g/l，例如约1g/l至约2g/l，约1.5g/l至约2.5g/l，约1.75g/l至约2.25g/l，约2g/l，约1g/l至约3.5g/l，约1.5g/l至约3.5g/l，例如约2g/l至约4g/l，例如约2g/l至约3g/l，约2g/l至约3.5g/l，约2.5g/l至约3.5g/l，约2.75g/l至约3.25g/l，或约3g/l。优选的厚度为约3g/l。第二优选的厚度为约2g/l。
如上所述，其它固体，例如氧化铝，可以与勃姆石混合用于形成底漆层。在具有煅烧的含勃姆石的底漆层的所得金属基材中，勃姆石应占底漆层的至少约80重量％。在其它实施方案中，勃姆石占底漆层的至少约90重量％，底漆层的至少约95重量％，底漆层的至少约99重量％，或底漆层的至少约99.5重量％。在其它实施方案中，底漆层基本上由(或由)勃姆石组成。
然后可以将任何所需的洗涂层应用到具有煅烧的勃姆石底漆层的基材上，例如护角填充层(典型地，氧化铝)、含沸石层、含氧化铈层(例如，含hsa-20层)、或含铂族金属层。可以使用的洗涂层的实例包括在美国专利号：us8,507,401、us8,575,059、us8,481,449、us8,652,992、us8,557,727、us8,669,202和美国专利申请公开号us2011/0143916中公开的结合催化剂的洗涂层。还可以使用在下列出版物中所公开的洗涂层：美国专利号8,679,433、美国专利申请公开2014/0140909号、和美国专利申请号61/858,551、61/894,341、61/894,346、61/915,973、61/969,035和61/985,388。
通过标识引用在本文中提及的所有出版物、专利、专利申请和公布的专利申请的公开内容以其整体通过引用并入本文。
尽管为了清楚地理解，已经通过阐述和实施例相当详细地描述了前述发明，但显然对本领域技术人员而言，某些改变和修改将被实施。因此，说明书和实施例不应被解释为限制本发明的范围。