专利名称：用于催化转化器的支持材料的制作方法
背景技术：
本发明涉及用于催化转化器的支持材料，该支持材料用于支持套件(casing)中的催化剂载体，以及用在催化转化器中，例如用于净化从汽车等中排放出来的废气。
众所周知，将净化废气的催化转化器安装在诸如汽车的车辆中以清除排放物，例如车辆发动机所排放废气中的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物。通常，如图6的剖视图所示，这样的催化转化器具有形状如圆筒的催化剂载体1，用于接纳催化剂载体1的金属套件2，以及插入到催化剂载体1和安装在催化剂载体1上的套件2之间的间隙中的支持材料3。
一般来说，催化剂载体1是圆筒形蜂窝模制材料，例如由堇青石和由模制材料承载的贵金属催化剂制成。所以插入在催化剂载体1和套件2的间隙中的支持材料3需要具有安全支持催化剂载体1的功能以防止在汽车运行过程中由于振动等使催化剂载体1与套件2碰撞而遭到损害，以及密封催化剂载体1的功能以防止未净化废气从催化剂载体1和套件2之间的间隙中泄漏。所以，在常规工艺中主要使用的支持材料是氧化铝纤维、富铝红柱石纤维或其它陶瓷纤维聚集成的类似垫形状的具有预定厚度的垫型支持材料(例如，参见日本申请公开号2002-66331(JP2002-066331A))，或模制成圆筒形状的模型(moldtype)支持材料(例如，参见日本申请公开号Hei10-141052(JP10-141052A))。特别是模型支持材料可以直接缠绕在催化剂载体1上，不象垫型支持材料必须缠绕在催化剂载体1上且用胶带等支持。所以，对于容易地生产催化转化器来说，模型支持材料是有利的。
为获得支持催化剂载体1所需的表面压力，所形成支持材料3具有的基重(密度)不小于固定基重。特别是在经受废气排放控制的严格调节的柴油机动车中，由于排气延缓器的影响，催化剂载体1直径大，重量重并且排气压力高。所以需要支持材料3具有较大的支持力。所以，形成的支持材料3具有相当大的基重。
既然支持材料3含有无机纤维作为其主要成分，而当支持材料3的基重增加时，纤维之间的间隙几乎消失。结果，废气阻塞在支持材料3的废气入口侧端面(例如图6中左边厚的部分3a)。废气含有许多酸性组分例如NOx或SOx，并且在相当高的温度下和相当高的压力下流动。所以，高基重支持材料3的废气入口侧端面遭受废气强有力的风蚀作用。结果，支持材料3所具有的用于支持催化剂载体1的力降低，以至于催化剂载体1不在应有的位置上。在最糟糕的情况下，催化剂载体1会破损。
发明概述所以本发明的一个目的是提供一种用于催化转化器的支持材料，其具有良好的抵抗废气风蚀作用的耐久性，同时保持其支持催化剂载体的能力。
为达到上述目的，作为反复进行研究的结果，本发明者发现当支持材料的废气入口侧端面部分的基重较小时，风蚀作用会降低，同时以在常规工艺中使用的相同方式，催化剂载体可以被其它部分支持。所以，可以完成本发明。
也就是说，为达到上述目的，本发明提供一种用于含有类似于圆筒状催化剂载体、接纳催化剂载体的套件的催化转化器的支持材料，同时支持材料安装在催化剂载体上并且插入到催化剂载体和套件之间的间隙中，支持材料包括类似垫或圆筒形状的无机纤维模制物，其中在预定轴长上设定支持材料的至少一个废气入口侧面末端部分的基重小于支持材料其它区域的基重。
附图简述
图1表示应用于本发明的模型支持材料的实施方案的透视图。
图2表示依据本发明的模型支持材料的另一实施方案的透视图。
图3表示应用于本发明的垫型支持材料的实施方案的俯视图。
图4表示依据本发明的垫型支持材料的另一实施例的俯视图。
图5表示依据本发明安装在催化转化器上的支持材料结构的剖面示意图。
图6表示常规工艺中催化转化器结构的剖面示意图。
优选实施方案的描述下面参考附图描述本发明。
图1表示应用于本发明的模型支持材料的实施方案的透视图。如图1所示，将模型支持材料3模制成区域A的基重小于其它区域B的圆筒形状，并且从模型支持材料3的废气入口侧端面3a开始在预定轴长(a)内成型。顺便提及，在下面的描述中，区域A称作“低基重区域”，区域B称作“高基重区域”。
在低基重区域A，减少基重以设定密度达到足够低的值以防止纤维弯曲。所以，降低在废气入口侧端面处的风蚀作用。
各自彼此相对设定低基重区域A和高基重区域B的基重以及低基重区域A和高基重区域B的比率。对于基重来说，当低基重区域A的基重设定为1时，高基重区域B的基重优选不小于1.15。除此之外，对于形成区域A和B的比率来说，优选低基重区域A的轴长(此后称作“宽度”)(a)与高基重区域B的宽度(b)的比率在1∶9-9∶1的范围内。在上述范围内适当选择低基重区域A和高基重区域B的基重以及形成低基重区域A和高基重区域B的比率，以至于降低风蚀作用同时获得支持力。
可选择地，形成低基重区域A以至于在废气入口侧面末端部分3a的基重最小，且朝向高基重区域B不断增加。在这种情况下，把低基重区域A的平均基重看作低基重区域A的基重且在上述范围内进行选择。
此外，如图2所示，在模型支持材料3的每个相对的末端部分提供低基重区域A。在这种情况下，两个低基重区域A在基重和宽度(a1，a2)方面可以互相相同或彼此不同。顺便提及，为确保高基重区域B中催化剂载体的支持力，在上述范围内选择两个低基重区域的总宽度(a1+a2)。除此之外，以上述相同的方式，可以形成每个低基重区域A以至于开口侧面末端部分的基重达到最小且朝向高基重区域B不断增加。
本发明也可用于垫型支持材料30。图3表示垫型支持材料30的平面图。垫型支持材料30显示具有基本的矩形平面形状，其中第一侧边(在图3中纸平面的左边/右边)定义为与催化剂载体的外圆周长度基本相同，且第二侧边(在图3中纸平面的上边/下边)定义为与催化剂载体的长度基本相同。而且，在第二侧边的一个边上形成锁片31，在第二侧边的另一边上形成形状上对应于锁片31的凹口部分32。除此之外，沿着一条第一侧边形成具有预定宽度的低基重区域A。
当使用垫型支持材料30时，垫型支持材料30缠绕在催化剂载体的外部圆周表面，锁片31和凹口部分32互相啮合，通过胶带等固定。在这种安装下，以与如图1所示模型支持材料3的相同方式，垫型支持材料30具有位于催化剂载体的一个端面边缘的低基重区域A。顺便提及，以与图1所示模型支持材料3相同的方式定义低基重区域A的宽度等。
可选择地，在垫型支持材料30中，沿着如图4所示的第一上边和下边中的任意一条可以形成低基重区域A。在催化剂载体上安装垫型支持材料30的情况下，两个低基重区域A各自以如图2所示垫型支持材料3的相同方式位于催化剂载体的相对端面边缘。顺便提及，以与图2所示模型支持材料3相同的方式定义两个低基重区域A的宽度等。
对模型支持材料3和垫型支持材料30各自的组成材料没有限定。组成材料可以近似于在常规工艺中的那些支持材料。组成材料含有无机纤维作为其主要组分，无机纤维通过粘合剂彼此粘结。作为无机纤维，可以使用在常规工艺用于支持材料的各种无机纤维。例如，可以适用的有氧化铝纤维、富铝红柱石纤维或其它陶瓷纤维。更具体地，优选用为氧化铝纤维的材料是例如含有90重量％或更多的Al2O3(和SiO2作为剩余组分)的纤维，按照X-射线结晶学其具有低结晶度，并且平均纤维尺寸为3-7μm且湿体积为400-1000cc/5g。优选用为富铝红柱石纤维的材料是例如具有AL2O3/SiO2重量比为约72/28到约80/20的富铝红柱石组合物，按照X-射线结晶学其具有低结晶度，并且平均纤维尺寸为3-7μm且湿体积为400-1000cc/5g。
顺便提及，采用具有下述步骤的方法计算湿体积(1)通过精确到两位或多位小数来称重5克干燥的纤维材料；(2)将已称重的纤维材料放入500克重量的玻璃烧杯中；(3)在20-25℃的温度下将约400cc的蒸馏水放入步骤(2)所制得的玻璃杯中，并且将纤维材料分散在蒸馏水中(如果需要采用超声波清洗器)同时通过搅拌器小心搅拌以至于纤维材料不断；(4)将步骤(3)所制得烧杯中的内容物转移到1000毫升刻度量筒中，且将蒸馏水添加到刻度量筒中直到1000cc刻度。
(5)通过用手掌小心阻塞刻度量筒的开口以防止水泄漏来颠倒刻度量筒，使步骤(4)中所制得刻度量筒中的内容物重复搅动10次；(6)停止搅拌之后，在室温下，将刻度量筒平稳放置30分钟之后，用眼睛观测纤维的沉积体积；和(7)对三个样品施加上述步骤且把测定值的平均值作为测定值。
其它陶瓷纤维的实施例包括二氧化硅-氧化铝纤维和二氧化硅纤维。在常规工艺中用作支持材料的已知纤维可以作为其它陶瓷纤维。除此之外，玻璃纤维、石棉或可生物降解的纤维可以与无机纤维混合。
通常粘合剂是有机粘合剂。可以使用橡胶化合物、水溶性有机高分子化合物、热塑性树脂、热固性树脂、天然纤维(棉、麻等等)等。特别地，橡胶化合物的实施例包括丙烯酸正丁酯和丙烯腈的共聚物，丙烯酸乙酯和丙烯腈的共聚物，丁二烯和丙烯腈的共聚物，和丁二烯橡胶。水溶性有机高分子化合物的实施例包括羧甲基纤维素和聚乙烯醇。热塑性树脂的实施例包括丙烯酸、丙烯酸酯、丙烯酰胺、丙烯腈、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯等的均聚物和共聚物，丙烯腈-苯乙烯共聚物，和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物。热固性树脂的实施例包括双酚环氧树脂，和酚醛清漆环氧树脂。
除此之外，作为实施例可以采用下述模制法。即，制备含有无机纤维和有机粘合剂的含水浆料。真空脱水和模制含水浆料，且当模制模型支持材料3时使用圆柱形网眼元件(例如金属丝网)，当模制垫型支持材料30时，使用板状网眼元件。之后，干燥模制的含水浆料。此时，在低基重区域A和高基重区域B之间改变模制条件，以至于低基重区域A相对于高基重区域B的基重比设定为上述的基重比。可选择地，在整个区域中模制浆料成为具有均匀基重的垫或圆柱体。单独模制的高基重垫材料被分层且在形成高基重区域B的位置与模制浆料成为整体。通过缝合或针刺以及与有机粘合剂、双面胶带等粘结的方法形成整体。顺便提及，用于缝合的缝纫线可以是有机或无机的。
顺便提及，可以根据催化转化器中所用支持材料的尺寸、工作温度等适当设定模型支持材料3和垫型支持材料30两者的厚度。
所以将成形的模型支持材料3或垫型支持材料30在催化剂载体1上缠绕，且插入到催化剂载体1和套件2之间的间隙中，以至于低基重区域A位于如图5所示的废气入口边缘的位置(如图1所示的模型支持材料3或如图3所示的垫型支持材料30)。
顺便提及，优选安装在套件2上的模型支持材料3或垫型支持材料30的密度(间隙密度)在低基重区域A是0.25-0.4g/cm3，在高基重区域B中是0.35-0.6g/cm3。根据催化剂载体1和套件2之间的间隙，适当地设定在每个支持材料3，30中低基重区域A和高基重区域B的基重。
实施例下面结合实施例和对比实施例更加详细地描述本发明。但是，本发明完全不局限于这些实施例。
实施例1将100份基重的氧化铝纤维，其具有纤维尺寸约4mm，纤维长度约3mm，Al2O3含量为96重量％(剩余重量％为SiO2含量)和湿体积为800cc/5g，和9份基重的有机粘合剂(丙烯酸乳化液)分散在水中进而制备含水浆料。然后，使用圆柱形金属丝网通过真空脱水模制方法得到如图1所示内径为225mm，厚度为8mm，低基重区域A的宽度(a)为50mm且高基重区域B的宽度(b)为100mm的圆柱形模型支持材料。顺便提及，在模制的时候，设定吸力和压力以至于低基重区域A的基重为1300g/m2(间隙密度为0.325g/cm3)且高基重区域B的基重为1800g/m2(间隙密度为0.35g/cm3)。
实施例2依据实施例1，如图2所示，在其相对的末端部分生产具有低基重区域A的模型支持材料。顺便提及，选择两个低基重区域A各自的基重为1300g/m2(间隙密度为0.325g/cm3)，且选择两个低基重区域A各自的宽度(a1)，(a2)为25mm。顺便提及，高基重区域B的基重和宽度(b)以及支持材料的内径和厚度近似于实施例1中的数值。
实施例3以与实施例1相同的方式生产模型支持材料，除了形成低基重区域A以至于在开口侧面末端部分控制基重为1300g/m2(间隙密度为0.325g/cm3)且不断增加并逐渐达到1800g/m2(间隙密度为0.45g/cm3)。
对比实施例1生产具有与实施例1相同形状的但是在整个支持材料中固有基重为1800g/m2(间隙密度为0.45g/cm3)的模型支持材料。
对比实施例2生产具有与实施例1相同形状的但是在整个支持材料中固有基重为1300g/m2(间隙密度为0.325g/cm3)的模型支持材料。
所以将每种支持材料安装在具有229mm外径，150mm长度的圆筒形蜂窝结构的堇青石催化剂载体上，而且插入到具有237mm内径(即套件和催化剂载体的间隙为4mm)和180mm长度的不锈钢套件中。由此，生产出催化转化器。顺便提及，安排依据实施例的每个支持材料，以至于低基重区域位于排气入口侧面。然后，将催化转化器连接到汽油发动机的排气筒上，废气连续300小时分布到催化转化器中。
废气分布之后，拆卸催化转化器，用眼睛观察评价支持材料中风蚀的存在。而且测定套件中催化剂的移动距离。
结果示于表1中。
表1
从表1可以明显看出，在依据本发明的实施例中，在每个支持材料中没有观察到风蚀且每个催化剂载体几乎没有移动。所以，支持材料具有良好的支持性能。另一方面，在对比实施例1中，由于在废气入口侧面末端部分的风蚀，支持材料被严重损坏，因为作为整体形成的支持材料具有高基重，催化剂载体在套件中移动。所以，在支持性能方面支持材料是劣质的。而且，在对比实施例2中，由于作为整体形成的支持材料是低基重，在支持材料中没有发生风蚀，但是由于支持材料的支持力不足，在套件中催化剂载体有很大移动。
如上所述，依据本发明的支持材料在抗废气的风蚀作用的耐久性和保持支持催化剂载体的能力方面是优良的。
权利要求
1.用于催化转化器的支持材料，所述催化转化器含有催化剂载体、接纳催化剂载体的套件和安装在催化剂载体上并且插入到催化剂载体和套件之间的间隙中的支持材料，其中支持材料由无机纤维制成，并且设定支持材料的废气入口侧面的至少一个区域的基重小于支持材料其它区域的基重。
2.权利要求1的用于催化转化器的支持材料，其中当较小基重区域的基重设定为1时，其它区域的基重不小于1.15。
3.权利要求1的用于催化转化器的支持材料，其中在较小基重区域中，基重在支持材料的开口末端部分最小，且不断增加达到其它区域。
4.权利要求1的用于催化转化器的支持材料，其中当较小基重区域的平均基重设定为1时，其它区域的平均基重不小于1.15。
5.权利要求1的用于催化转化器的支持材料，其中较小基重区域与其它区域的轴长比率在1∶9-9∶1的范围内。
全文摘要
一种用于具有类似于圆筒状催化剂载体、接纳催化剂载体的套件的催化转化器的支持材料，所述支持材料安装在催化剂载体上并且插入到催化剂载体和套件之间的间隙中。支持材料包括类似垫或圆筒形状的无机纤维模制物，其中在预定轴长上设定支持材料的至少一个废气入口侧面末端部分的基重小于支持材料其它区域的基重。
文档编号F01N3/28GK1488843SQ0315578
公开日2004年4月14日 申请日期2003年9月2日 优先权日2002年9月30日
发明者田中真文, 持田贵仁, 仁 申请人:霓佳斯株式会社