专利名称：废气处理装置及其制造方法
技术领域：
本发明提供一种用于处理废气的装置，例如催化转换器或柴油粒子捕捉器，其具有安装在壳体内的脆性结构，受到其中一个设置在壳体和脆性结构之间的安装垫的支撑。
背景技术：
用于处理汽车或柴油机废气的催化转换器组件包含一个脆性结构，例如催化剂支撑结构，用于保持实现一氧化碳和烃的氧化以及氮的氧化物还原的催化剂。该脆性结构安装在一个金属壳体内，优选由脆性材料制成，例如由金属制成的单片结构，或脆性的、耐火陶瓷材料例如氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化锆、堇青石、碳化硅等。这些材料提供具有多条微小流动通道的结构骨架类型。然而，如上所述，这些结构可以是并常常是脆性相当大的。事实上，这些单片结构脆性可能非常大，以致于小的冲击载荷或应力都经常足以使其破裂或粉碎。
该脆性结构被包含在金属壳体内，在脆性结构的外表面和壳体的内表面之间存在一个空间或间隙。为了保护该脆性结构不受热冲击和机械冲击以及上面提到的其它应力，同时提供热绝缘和气体密封，公知的手段是在脆性结构和壳体之间的间隙内设置至少一个板层或安装层或者支撑材料。例如，受让人的美国专利Nos.4863700、4999168、5032441、5580532、5666726和6231818所公开的内容均结合到本文中作为参考，其中披露了催化转换器装置，所述催化转换器装置具有在壳体和包含在该装置内的脆性结构之间的间隙内设置的安装或支撑材料，以保护该脆性结构，并且将其保持在壳体内适当的位置。
目前，用于催化转换器和其它废气处理装置的安装垫的材料，可以选自相对便宜的材料，例如无定形玻璃纤维如S-玻璃，也可以选自更昂贵的材料，例如高氧化铝陶瓷氧化物纤维。膨胀性材料以及非膨胀性材料已经被用于并且持续用于安装垫，这取决于安装垫的应用用途及其使用条件。
要使用的单片结构的类型，及安装垫的应用和使用条件，必须在选择安装垫材料之前确定。例如，有人使用能够承受很宽温度范围的高温应用的，例如典型的在催化转换器中所使用的，耐高温的安装垫材料，而耐较低温度的、弹性的、柔性材料可以用于或者更适合用于高G负载的应用，其使用较重的基底，例如在柴油催化剂结构和柴油粒子捕捉器中所使用的基底。
在任何情况下，所使用的安装垫材料应该能够满足多种设计中的任何一种或由脆性结构制造商或催化转换器制造商所提出的物理要求。例如，现有技术中的安装垫材料的一层或多层，即便是在催化转换器已经历较宽范围的温度波动时，应优选在脆性结构上施加有效的残余保持压力，这样导致相对于脆性结构，也被称作催化剂支撑结构，金属壳体产生明显的膨胀和收缩，并进而导致安装垫在一段时间内进行明显的压缩和释放循环。最好地，已发现用于高温应用的现有技术安装垫在最苛刻的应用中足以保持脆性结构，在所述应用中温度达到900℃以上，并且经常发生持续至室温的热循环。
其它无需用于高温环境中的安装垫，必须具有足够的弹性和柔性，以足够大的力或强度有效地保持脆性结构，但是在持续的热循环中又不会压碎脆性结构。在催化转换器的正常操作条件下，安装垫需要至少5kPa的最低剪切强度，以防止脆性结构被移动或被损坏。安装垫的剪切强度的定义是垫的保持压力乘以垫/脆性结构界面的摩擦系数。在催化转换器中一般的垫在使用状态的摩擦系数是0.45左右。因此，高温应用中的安装垫，即催化转换器中的温度可能升高到大约900℃或更高的应用中的安装垫，在至少大约10kPa下大约900℃的加热面温度条件下，在1000次测试循环之后，应当具有有效的残余最低保持压力。
对于其它的废气处理装置，例如柴油粒子捕捉器或柴油机催化剂结构，可以理解的是，当这些装置没有达到高温催化转换器中的温度时，与上面提到的相比较，脆性结构的重量和所使用的负载技术需要所使用的安装垫具有不同的有效的残余最低保持压力。在这些应用中，优选安装垫达到至少大约25kPa的较高的最低剪切强度，以防止脆性结构被移动或被损坏。在这样的具有重基底的高G-负载应用中，安装垫产品的摩擦系数在使用状态下依然在0.45左右。因此，这种类型应用中的安装垫在至少大约50kPa大约300℃温度条件下，在1000次测试循环之后，应该具有有效的残余最低保持压力。
迄今为止，很多安装垫已经试图通过使用高氧化铝或莫来石陶瓷纤维克服与高温应用有关的热循环问题。在一种已公知的实施方式中，使用一种水溶液或一种常被称为“有机溶胶”或“溶胶凝胶”的胶体分散系来制造陶瓷纤维。虽然由溶胶凝胶法形成的陶瓷纤维可以提供安装单片结构所需的高弹性，但是这种纤维的高成本迫使制造商去寻找其它的更便宜的解决方案。另外，这些陶瓷纤维一般具有小于5微米，在一些情况下小于3.5微米，的平均纤维直径。因此，这些纤维是可被呼吸的，即会被吸入到肺中。
在其它的实例中，为了提供足够强度的可操纵性、弹性，或为了得到足够的保持压力，可使用含纤维的安装材料与其它材料相结合，例如膨胀性材料和垫层。
作为使用得自溶胶凝胶的陶瓷纤维的另一种可选方式，已经试图使用熔体处理技术形成耐火陶瓷纤维。仅在最近大约十年左右出现了耐火陶瓷纤维，即含有从大约45％到60％的氧化铝和从大约40％到大约55％二氧化硅的纤维，其通过提供具有足够弹性值的安装垫，满足了制造商的需要，而使高温催化转换器制造商感到满意。但是包括这样的耐火陶瓷纤维的安装垫不仅昂贵，而且难于制造，尤其是它们必须要进行工艺处理。为了保证其基本不含渣质，必须要小心谨慎。在美国专利No.5250269中已经公开了一种这样的耐火陶瓷纤维用作高温催化转换器安装垫的应用以及所需的提供足够产品的工艺。
在低温催化转换器应用中，例如涡轮增压的直接喷射(TDI)柴油动力车辆，废气温度一般在150℃左右，并且不会超过300℃。不同类型的安装垫可以用于这些和其它稍高温的应用中。对于很多催化转换器应用，已经使用膨胀垫，即由膨胀性材料例如石墨或蛭石制成的安装垫。最近已经发现由膨胀性材料制成的安装垫在这些低温应用中可能会失效。
这种失效的一种可能的原因是废气温度可能太低，以致于不能使典型的膨胀性蛭石颗粒充分的膨胀。因此，这种垫不能提供足够的对脆性结构的压力，以致趋向于失效。另一种可能的原因是在膨胀垫中所使用的有机粘结剂体系降解，并造成保持压力损失。
因此，已开发了非膨胀垫体系，并且目前在工业上得到普遍应用。这些材料适用于比现有技术中的膨胀垫更宽的温度范围。
非膨胀垫体系基本不含膨胀性材料如石墨或蛭石，因此，基本上是不膨胀的。术语“基本上不膨胀”是指在膨胀垫所期望应用的热应用中，这种垫不容易产生膨胀。当然，基于其热膨胀系数也会发生垫的一定程度的膨胀，但是与使用有效量膨胀性材料的垫的膨胀相比，这种膨胀的量不明显并且是最小化的。迄今为止，这些非膨胀垫包括耐高温的无机纤维，和选择使用的粘结剂。耐高温是指该纤维可以在直到大约1260℃的温度下使用。迄今为止，根据用途、垫所应用的温度范围以及所使用的整料的类型，已公知非膨胀垫一般包括一种或多种类型的纤维，所述纤维选自氧化铝/二氧化硅(可以从UnifraxCorporation，Niagara Falls，New York购买商标名为FIBERFRAX的产品)、氧化铝/二氧化硅/氧化镁(例如Owens Corning，Toledo，Ohio的S2玻璃)。
目前，用于现有技术中高温应用的非膨胀安装垫中的纤维，一般氧化铝的含量很高。例如，耐火陶瓷纤维基本上由氧化铝和二氧化硅组成，一般包含重量含量为大约45％到大约60％的氧化铝，和重量含量为大约40％到大约55％的二氧化硅。而其它的氧化铝/二氧化硅陶瓷纤维，例如由溶胶凝胶法得到的氧化铝或莫来石陶瓷纤维，通常包括大于50％的氧化铝。S2-玻璃纤维一般包括大约64％到大约66％的二氧化硅、大约24％到大约25％的氧化铝、和大约9％到大约10％的氧化镁。一般的，认为在纤维中使用的氧化铝越多，纤维可被应用的温度越高。因此出于此原因，已经有人建议使用基本上由氧化铝组成的纤维。
为了避免使用由溶胶凝胶产生的、含氧化铝的陶瓷纤维带来的高成本，一些安装垫的制造商已经回复到昂贵的前处理步骤，例如在安装安装垫之前对材料进行滚压粘合(stitch binding)。但是这样的滚压粘合技术不能用于所有的催化转换器应用中。其它的非膨胀安装垫一般非常厚，并缺少所需的结构完整性，甚至可能需要在袋子中进行处理以防止安装垫破碎。这些安装垫还难以被切割成适于进行安装的尺寸，并且必须进一步的压缩直到在催化剂支撑结构和壳体之间的缝隙内装配支撑安装所需的足够的材料。
在用于高温应用的催化转换器和其它废气处理装置的非膨胀安装垫的制造中，也尝试了使用其它类型的材料。例如，美国专利No.5380580中公开了一种柔性的、非织造安装垫，包括不含渣质的含铝硅酸盐纤维的陶瓷氧化物纤维，含有大约60％到大约85％重量含量的氧化铝和大约40％到大约15％重量含量的二氧化硅；结晶石英纤维；或两者的组合。所述的铝硅酸盐纤维中氧化铝的含量比耐火陶瓷纤维中氧化铝的含量高，但是是通过上述的溶胶凝胶技术制备得到的。另一方面，结晶石英纤维由基本纯的二氧化硅(即99.9％的二氧化硅)制成。这些纤维是通过使用由结晶石英中提取的原材料经熔体拉伸工艺制成的，不以任何方式进行浸沥。这样的纤维可以购买J.P.Stevens，Slater，New York的商品名为ASTROQUARTZ的商品，或从Saint Gobain，Louisville，Kentucky购买商品名为QUARTZEL的商品。然而，这些石英纤维的成本在商业上阻碍了其在安装垫中的使用。类似的，美国专利No.5290522中公开了一种用于催化转换器的非织造安装垫，其可包含如同本领域中公知的氧化镁/氧化铝/二氧化硅纤维，且可以从Owens Corning，Toledo，Ohio购买S2-GLASS和在上面引用的专利中讨论的ASTROQUARTZ石英纤维。在该专利中，在对比例I中清楚地注明了含有商业上可获得的含二氧化硅的浸沥玻璃纤维的安装垫不能通过专利权人所进行的为确定适用于高温催化转换器的安装垫的热震动测试。
含有二氧化硅纤维与膨胀性材料相结合的安装垫，为了应用于催化转换器而进行了测试，例如在德国专利公开No.19858025所述。
在美国专利No.2624658中有详细的说明二氧化硅含量较高的浸沥玻璃纤维的制备方法，其公开的全部内容在这里引为参考。在欧洲专利申请公开No.0973697中披露了另一种制备二氧化硅含量较高的浸沥玻璃纤维的方法。虽然美国专利和欧洲专利申请公开文件中披露了由合成纤维制备的耐高温产品的浸沥玻璃纤维的制备，但是没有提到任何适用的纤维，或能够被用作废气处理装置例如催化转换器的安装垫的纤维。
发明内容
广义的熔体-拉伸的、二氧化硅含量较高的浸沥玻璃纤维被用于制成用于催化转换器和其它废气处理装置的非膨胀安装垫。在某些实施方式中，已经发现在放置到催化转换器中之前对含二氧化硅的浸沥玻璃纤维或包含其的安装垫进行热处理，进一步增强了安装垫的保持压力性能。
一般地，废气处理装置包含壳体；弹性安装在壳体内的脆性结构；和设置在壳体和脆性结构之间的间隙内的非膨胀安装垫，其中安装垫包括通过熔融形成的包含至少67％重量百分比的二氧化硅的浸沥玻璃纤维，并施加用于将脆性结构保持在壳体内的以下最低保持压力之一(i)至少大约10kPa，在加热面温度大约为900℃下的1000次测试循环后，间隙容积密度从大约0.3到大约0.5g/cm3，间隙膨胀率为大约5％，或者(ii)至少大约50kPa，在加热面温度大约为300℃下的1000次测试循环后，间隙容积密度从大约0.3到大约0.5g/cm3，间隙膨胀率为大约2％。
还提供一种制造废气处理装置的方法，包括提供安装垫，所述安装垫含有通过熔融形成的含二氧化硅的玻璃纤维，其中熔融形成的玻璃纤维通过处理熔体拉伸的玻璃纤维制得，由此处理过的玻璃纤维中二氧化硅的含量大于处理前的玻璃纤维的二氧化硅含量，且由此处理过的玻璃纤维含有至少67％重量含量的二氧化硅；使安装垫包绕适于处理废气的脆性结构；以及把脆性结构和安装垫设置到壳体内，使得安装垫在壳体内弹性地保持脆性结构，其中安装垫施加以下用于将脆性结构保持在壳体内的最低保持压力之一(i)至少大约10kPa，在加热面温度大约为900℃下的1000次测试循环后，间隙容积密度从大约0.3到大约0.5g/cm3，间隙膨胀率为大约5％，或者(ii)至少大约50kPa，在加热面温度大约为300℃下的1000次测试循环后，间隙容积密度从大约0.3到大约0.5g/cm3，间隙膨胀率为大约2％。
图1为根据本发明的一个包含安装垫的催化转换器的局部立体图。
具体实施例方式
一种用于处理废气的装置，所述装置具有一个安装在壳体内的脆性结构，受到其中一个设置在壳体和脆性结构之间的安装垫的支撑。可以理解的是本发明并不旨在限于在附图所示的催化转换器中使用，其所示的形状只是作为解释本发明的一个例子。事实上，该安装垫可以用于安装或支撑任何适合于处理废气的脆性结构。例如柴油机催化剂结构、柴油粒子捕捉器等。催化剂结构一般包括一个或多个多孔管状或蜂窝状的结构，由耐热材料安装在壳体内。根据废气处理装置的类型，每个结构在每平方英寸面积内可包括从大约200到大约900或更多的凹槽或凹穴。柴油粒子捕捉器与催化剂结构的区别在于，在粒子捕捉器中的每个凹槽或凹穴在一端或另一端是封闭的。粒子从多孔结构中的废气中收集，直到通过高温燃烧处理再生。本发明的安装垫的非机动车的应用，可以包括用于化工排放(废气)堆的催化转换器。术语“脆性结构”是指包括例如金属或陶瓷单片等的结构，其在性质上是脆性的或易碎的，并可以受益于如本文中所述的安装垫。
一种用于处理废气的装置的代表形式是所示的催化转换器，一般由图中数字10来表示。催化转换器10可以包括一个大体上为管状的壳体12，所述壳体12由通过凸缘16保持到一起的两片金属例如耐高温钢制成。另一种可选方式是，壳体可以包括一个预成型的筒，被安装垫包绕的催化剂支撑结构可插入其中。壳体12包括一个在一端的入口14，和一个在相对端的出口(未示出)。入口14和出口在其外端部具有合适的结构，由此它们可以紧固到内燃机的排气系统中的导管上。装置10包含一个脆性的催化剂支撑结构，例如脆性的陶瓷单片18，其在壳体12内受到在下面将要描述的安装垫20支撑和限制。单片18包括多条气体透过通道，所述气体透过通道从它的一个端部的入口端表面向它的相对端部的出口端表面轴向延伸。单片18可以由任何合适的难熔金属或陶瓷材料以已公知的任何方式和构造制成。单片的截面构形一般是椭圆形或圆形，但也可能是其它形状。
单片与其壳体之间存在一段距离或间隙，根据所用的装置的类型和设计而不同，例如催化转换器、柴油机催化剂结构或柴油粒子捕捉器。在该间隙中填充有安装垫20来提供对陶瓷单片18的弹性支撑。弹性的安装垫20提供对外部环境的热绝缘和对催化剂支撑结构的机械支撑，保护脆性结构免受机械冲击。
在一些实施例中，安装垫20包括一个或多个熔融形成的、二氧化硅含量较高的耐高温的无定形浸沥玻璃纤维非膨胀层，并且可选择地包含一种粘合剂，或者适合于作为粘结剂的其它纤维。术语“富含二氧化硅”是指纤维中二氧化硅的含量大于任何其它组分的含量。事实上，如下面所讨论的，可以理解的是在浸沥后，这些纤维中的二氧化硅含量优选高于任何其它包含二氧化硅的玻璃纤维，包括S-玻璃纤维，除结晶石英得到的纤维或纯的二氧化硅纤维以外。
安装垫一般为一个整体，基本不胀开的复合板或熔融形成的浸沥玻璃纤维的薄层，该纤维中含有二氧化硅和有选择的少量氧化铝和其它非硅氧化物。术语“熔融形成”是指纤维是使用熔体处理技术制成，而不是由凝胶溶胶或其它化学分散技术得到的。术语“整体”是指在制造和致密化以后，安装垫具有自支撑结构，而不需要加固或加入纤维、塑料或纸层(包括滚压粘合到垫上的结构)，不需要分解就可以进行处理和操作。术语“基本不胀开”是作为对上述的说明。因此，可以理解的是在一个实施例中，安装垫无膨胀材料、溶胶凝胶得到的玻璃二氧化硅纤维和/或加固或加强层。
如上面提到的，优选对玻璃纤维进行处理以增加纤维中二氧化硅的含量。也就是说，当首先进行熔体处理，例如通过熔体拉伸所述纤维并产生纤维时，这些玻璃纤维一般包括很多非硅氧化物和其它组分。也就是说，它们可能具有例如纤维玻璃的特性。它们最初不是由纯的二氧化硅纤维如美国专利No.5290522或5380580中公开的由结晶石英得到的纤维形成的。相反，这些“不纯的”玻璃纤维必须进行处理以除去非硅氧化物，例如氧化铝、氧化钠、氧化硼和存在的其它任何水溶或酸溶组分，由此产生二氧化硅含量较高的纤维，二氧化硅含量比处理前的玻璃纤维中的二氧化硅含量高。得到的浸沥玻璃纤维中的二氧化硅含量取决于最初存在的非硅氧化物和其它组分的量和从纤维中提取这些材料的程度。
浸沥是一种优选的玻璃纤维处理方法，其可以增加纤维中的二氧化硅含量。玻璃纤维可以任何方式并使用本领域公知的任何技术进行浸沥。通常地，可以通过将熔融制成的玻璃纤维放到一种酸溶液或者其它适合于从纤维中提取非硅氧化物和其它组分的溶液中而进行浸沥。如前述，各种已公知的浸沥技术的更详细的描述在美国专利申请No2624658和欧洲专利申请公开No.0973697中，但是这样的技术不限于此。
这些玻璃纤维浸沥后的二氧化硅纯度比浸沥前的高得多。通常，浸沥过的玻璃纤维具有至少67％重量百分比的二氧化硅含量。这比S-玻璃的二氧化硅含量高。更优选的，浸沥过的玻璃纤维包含至少90％重量百分比的，甚至更优选的，从大约90％重量百分比到小于99％重量百分比的二氧化硅。可以理解的是这些纤维的二氧化硅含量比任何其它已公知的含有二氧化硅的玻璃纤维的高，包括S-玻璃纤维，除了石英纤维或包含大于99.9％二氧化硅的纯二氧化硅纤维。
在一些实施方式中，玻璃纤维包含从大约93％重量百分比到大约95％重量百分比的二氧化硅，其余为非硅氧化物，例如氧化铝、氧化钠和其它碱金属或碱土金属的氧化物。氧化铝的含量优选大约4％到6％重量百分比，而其它陶瓷氧化物和组分，包括氧化钠，通常包含浸沥玻璃纤维的小于大约1％重量百分比。在一些实施例中，优选浸沥纤维包含小于1％重量百分比的碱金属或碱土金属。可以理解的是，并不需要把所有的非硅氧化物从浸沥玻璃纤维中除去。然而，浸沥玻璃纤维需要二氧化硅的含量超过氧化铝的含量，并且更优选的，重量百分比超过至少大约67％。该纤维也是基本上不含渣质的。
重要的是，这些浸沥玻璃纤维与陶瓷纤维例如高氧化铝纤维和特别的上述晶体石英得到的纤维相比，相对便宜。这些浸沥玻璃纤维的平均纤维直径优选大于至少大约3.5微米，更优选的，大于5微米左右。平均地，玻璃纤维一般具有大约9微米的直径。从大约5到14微米的平均纤维直径是优选的。因此，本发明的浸沥玻璃纤维是不可呼吸的。
可以通常用于制造安装垫的任何形态提供浸沥玻璃纤维。在一些实施例中，这些纤维是切断的短纤维。在浸沥前，可以理解的是可以采用任何本领域已公知的方法制备纤维，但是一般使用已公知的熔体处理技术例如通过熔体旋转或熔体拉伸方法来形成，在一定意义上可以提供成本有效的纤维制造方法。在一些实施例中，玻璃纤维是经过熔体拉伸的。
二氧化硅含量较高的且适合用于制造催化转换器或其它已公知的气体处理装置的安装垫的浸沥玻璃纤维的例子包括可从德国的BelChemFiber Materials GmbH购买得到的商标名为BELCOTEX的浸沥玻璃纤维商品，和从加州Gardena的Hitco Carbon Composites，Inc.购买得到的注册商标为REFRASIL的浸沥玻璃纤维商品。BELCOTEX纤维是标准类型的人造短纤维预备纱(staple fiber pre-yarn)。这些纤维具有平均细度为大约550tex，且通常由氧化铝改性的硅酸制造。BELCOTEX纤维一般包含大约94.5％二氧化硅、大约4.5％氧化铝、小于0.5％氧化钠、和小于0.5％的其它组分。它们的平均纤维直径为大约9微米，熔点在1500℃到1550℃范围内。这些纤维耐热的温度达到1100℃，一般不含渣质且不含粘结剂。
REFRASIL纤维，与BELCOTEX纤维一样，为无定形的二氧化硅含量较高的浸沥玻璃纤维，用于提供1000℃到1100℃范围内应用的热绝缘。这些纤维的直径在大约6微米到大约13微米之间，熔点为1700℃左右。该纤维在浸沥后，一般具有大约95％重量含量的二氧化硅。存在的氧化铝重量含量为大约4％，存在的其它组分为1％或更少。
可用作废气处理装置例如催化转换器的安装垫的浸沥玻璃纤维是通过熔融制成的二氧化硅含量较高的纤维。据信在商业上基本上没有由浸沥玻璃纤维制成的催化转换器安装垫。浸沥玻璃纤维可能已经被测试，它们或是不能在热循环中保持足够的和有效的最低保持压力以用作废气处理装置中的安装垫，或是与大量的其它材料例如膨胀材料一起使用，这样有助于提供足够的和有效的用于安装垫的残余保持压力。
已发现被制成垫形状的浸沥玻璃纤维一般能提供较小的垫的强度。也就是说，由玻璃纤维浸沥出非硅材料，包括氧化铝，预计可以降低垫的保持力直至垫具有较小的剪切强度。虽然可能的情况是安装垫包含含有二氧化硅的浸沥玻璃纤维，以在最初提供在催化转换器的壳体内用于保持脆性结构的足够的最低保持压力，但是垫的机械或热循环将会快速的破坏其保持最低保持压力的能力。因此，人们渐渐不使用二氧化硅含量较高的浸沥玻璃纤维制备催化转换器安装垫。这样的事实在美国专利5290522中被证实。
然而，我们发现通过进一步的处理，在形成安装垫之前的浸沥玻璃纤维或者在形成后由这些纤维制成的安装垫，甚至在循环后，安装垫的保持压力性能会得到充分的提高，从而适合在废气处理装置中使用。然而，不进行这些附加处理，包含这些浸沥玻璃纤维的安装垫在进行热循环后不能保持足以将脆性结构保持在废气处理装置的壳体内的最低保持压力。
已惊奇地发现热处理该纤维提供明显更高的保持压力性能，尤其是对于高温应用来说，尽管在较低温应用中也能够达到较高的保持压力。在一种特定的实施方式中，这些浸沥玻璃纤维(或包含这些浸沥玻璃纤维的安装垫)可以在至少大约900℃以上的温度范围内进行热处理，优选的从900℃左右到1100℃左右，这样即使在1000周次的膨胀和收缩循环之后，使用这些纤维的安装垫可以在废气处理装置中施加最低的所需保持压力。迄今为止，通过热处理这些纤维，人们没有预料到安装垫能在热循环之后保持有效的最低保持压力。
已经发现热处理二氧化硅含量较高的纤维也改善了纤维的很多物理性质。例如，提高了纤维的蠕变强度，以及纤维的表面积。无需任何理论，可以相信的是热处理已经浸沥过的玻璃纤维使纤维预收缩。低的收缩量对良好的蠕变强度是有益处的，这也是公知的。还可以相信的是热处理纤维还从纤维中除去了多余的含水组分，由此提供增大的表面积。因此，使用浸沥玻璃二氧化硅纤维，特别是处理过的浸沥玻璃二氧化硅纤维，可用于制备具有纤维玻璃的所有的极好的物理特性的安装垫，但是适于较高温应用，具有超过纤维玻璃的熔点。
浸沥玻璃纤维的热处理可以在制成安装垫之前或在安装垫制成后进行。当在安装垫制成以后进行热处理时，安装垫在至少900℃的温度下热处理一段有效的时间，以满足或超过用于将脆性结构保持在所应用的壳体内的所需的有效的最低保持压力。类似的，当在安装垫制成之前进行热处理时，浸沥玻璃纤维可优选在至少900℃的温度下热处理一段有效的时间，以使得当制成安装垫时，满足用于将脆性结构保持在壳体内的最低保持压力。热处理的具体时间量可以根据安装垫的厚度、加热的均匀性、所使用热源的类型、温度上升时间和热源温度等条件在较大程度上变化。所有这些变量对于本领域技术人员是很容易理解的，因此在900℃或以上的温度进行热处理的有效时间可以容易地确定，而不需要过多的实验。
一般来说，已经认识到热处理可以进行从15分钟或更短的时间，这里使用相对小的、薄的垫和极好的均匀热源，到超过1小时的时间，这时使用较大、较厚的垫(不包括温度上升和下降时间)。在一些实施例中，安装垫或浸沥玻璃纤维在900℃左右到1100℃之间的温度下热处理1小时以上。进一步可理解的是另一种选择是，可以使浸沥玻璃纤维和/或由其制成的安装垫处于较低的加热温度，例如300℃进行热处理。然而，得到满意的具有所需有效的保持压力的安装垫所必需的时间长度，如果热处理超过24小时，在商业上是不可行的。在任何低于导致纤维析晶的时间和/或温度的时间和温度制度下的热处理从而获得与上述相同的有益效果的，将落入本发明的范围之内。通常，该纤维或垫可以在预定的使用温度或高于该温度下进行热处理。需要注意的是在较低温度下的热处理可能影响需要在超过热处理温度下热循环的应用中安装垫的实用性。
为了保持将脆性结构保持在壳体内的最低保持压力，可以使用其它方法对用于安装垫中的浸沥玻璃纤维进行处理，例如采用离子交换法或扩散法来增强纤维的蠕变强度。然而，可以理解的是实际上任何可以处理浸沥玻璃纤维或安装垫，以使得在热循环后保持用于安装垫将脆性结构保持在壳体内的最低保持压力的方法都可以使用。
安装垫优选使用达到100％重量含量的含有二氧化硅的浸沥玻璃纤维。然而，在其它实施例中，安装垫可以有选择的包含其它已公知的纤维，例如氧化铝/二氧化硅纤维，或其它适于在制备特定温度应用中的安装垫所需的陶瓷或玻璃纤维。因此，氧化铝/二氧化硅纤维例如耐火陶瓷纤维可以有选择地用于高温或宽温度范围的应用。其它陶瓷或玻璃纤维例如S-玻璃可以与浸沥玻璃二氧化硅纤维一起用在类似温度或较低温度的应用中。然而，在这样的例子中，安装垫优选包括至少50％重量含量的含二氧化硅的浸沥玻璃纤维。换句话说，用于制造安装垫的多数纤维是含有二氧化硅的浸沥玻璃纤维，在一个更优选的实施例中，纤维的至少80％重量含量为含有二氧化硅的浸沥玻璃纤维。
在一些可选的实施方式中，例如S2-玻璃等的纤维可以加到安装垫中，以整个安装垫的100％重量为基准，其重量含量从大于0到大约50％。可以预计的是由于其熔点温度等原因，这些玻璃纤维将主要用于低温应用。
在其它可选的实施方式中，安装垫除了包括浸沥玻璃纤维外，还可以包括耐火陶瓷纤维。当使用耐火陶瓷纤维，即氧化铝/二氧化硅纤维等时，以整个安装垫的100％重量为基准，其重量含量从大于0到小于大约50％。
如前述，安装垫可以包含或不包含粘结剂。当使用粘结剂，组分被混合形成混合物或浆料。然后纤维和粘结剂的浆料形成垫的结构并除去粘结剂，由此提供基本上只包含热处理过的纤维(和可选择的其它纤维)的安装垫。一般地，被除去的粘结剂的使用是为了最初使纤维粘结到一起。所使用的粘结剂一般为有机粘结剂。“被除去”的意思是粘结剂会最终从安装垫中烧掉，仅仅留下浸沥玻璃纤维(和其它陶瓷或玻璃纤维，如果使用了这些纤维的话)作为用于支撑脆性结构的安装垫。
合适的粘结剂包括水溶性粘结剂和非水溶性粘结剂，但优选的是所使用的粘结剂是活性的、热固性的乳胶，其在固化后为可以如上述通过燃烧而从安装垫中除去的柔性材料。合适的粘结剂或树脂的例子包括，但不限于，丙烯酸水基乳胶、苯乙烯-丁二烯、乙烯基吡啶、丙烯腈、氯乙烯、聚氨酯等。其它树脂包括低温、柔性热固性的树脂例如不饱和聚酯、环氧树脂和聚乙烯基酯。优选的，使用大约5％到大约10％的乳胶，8％左右是最优选的。用于粘结剂的溶剂可以包括水、或合适的有机溶剂，例如丙酮，用于所使用的粘结剂。在溶剂中(如果使用)粘结剂的浓度可以基于所需的粘结剂负载和粘结剂体系的可使用性(粘度、固体含量等)通过常规方法确定。
代替粘结剂，安装垫可以包括除浸沥玻璃纤维以外的其它纤维一同保持安装垫。这些纤维的用量基于整个组成为100％的重量，其重量含量可以从大于0到大约20％，用以帮助浸沥玻璃纤维粘接到一起。
包含含有纤维的浸沥玻璃二氧化硅的安装垫可以使用任何已公知的通常用于制备安装垫的技术来制备。例如，使用造纸方法，浸沥玻璃纤维可以与粘结剂或其它可用作粘结剂的纤维混合形成混合物或浆料。可以使用任何混合方式，但是优选地，当使用粘结剂时，含纤维的成分的稠度大约为0.25％到5％或者固体含量(0.25-5份固体和99.75-95份水)。然后将浆料用水稀释来促进其成形，其最后会在絮凝剂和排水保持力辅助化学试剂作用下絮凝。然后，可以把絮凝的混合物或浆料放置在造纸机上形成含有纸的纤维层。另一种可选方式是，这种层可以通过浆料的真空铸造来形成。在每种情况下，一般都在干燥炉中进行干燥。对于标准的造纸技术的更加详细的描述可参见美国专利No.3458329，其公开的内容在这里引为参考。可以理解的是当使用粘结剂时，浸沥玻璃纤维要进行热处理，热处理纤维的步骤应当在将粘结剂或粘结纤维加入到浸沥玻璃纤维中之前进行。
在其它实施例中，浸沥玻璃纤维可以采用常规方法例如干燥空气成层而被加工成一个垫。该垫在这个阶段具有非常小的结构完整性，并且相对于传统的催化转换器和柴油粒子捕捉器的安装垫来说太厚。因此得到的垫可以如同本领域所公知的那样进行干燥针刺，以使该垫致密化并增大其强度。纤维的热处理可以在垫形成之前或垫进行针刺处理之后进行。
当使用干燥空气成层技术时，另一种选择是，该垫可通过以浸渍的方式在垫中添加粘结剂进行处理而形成不连续的纤维复合物。在这种技术中，粘结剂是在垫形成之后加进去的，而不是形成如上文中所述的传统造纸技术中的垫的预浸料坯。这种制备垫的方法通过减少破裂而有助于保持纤维的长度。然而，可以理解的是可以在添加任何粘结剂之前进行热处理。
垫与粘结剂的浸渍方法包括将垫完全浸没在液体粘结剂系统中，或者另一种选择是对垫进行喷涂。在一个连续的过程中，可成卷进行传送的纤维垫被开卷并例如在传送带或粗布上移动经过用于在垫上施加粘结剂的喷涂喷嘴。另一种可选方式是，该垫可以在重力作用下经过喷涂喷嘴。然后垫/粘结剂预浸料坯在压辊之间通过，其除去多余的液体，使预浸料坯致密化到其所需的厚度。然后经致密化的预浸料坯经过加热炉以除去任何存留的溶剂，且如果必要，使粘结剂部分地固化，以形成复合物。干燥和固化温度首先取决于所使用的粘结剂和溶剂(如果使用的话)。接着复合物可以被切割或辊压，以便储存或运输。
安装垫也可以成批处理的方式进行制造，通过把垫的一部分浸渍到液体粘结剂中、去除预浸料坯以及加压除去多余的液体、随后进行干燥形成复合物并进行存储或切割成所需尺寸。
需要注意的是，由这些浸沥玻璃纤维制造出的安装垫的密度可能太低，以至于不能容易地用到催化转换器的应用中。因此，应该优选通过任何本领域已公知的方式进行进一步的致密化，以提供较高的强度。致密化的一种方式是针刺纤维以使其缠结和缠绕。另外的或替代的，可使用液压缠绕方法。其它替代方法是利用压辊进行辊压，将纤维压成垫的形式。这些垫的致密化方法中的任何一种或这些方法的组合可以容易地使用以获得正确的和所需形式的安装垫。
无论使用上述的何种方法，例如通过模压，都可以切断复合物，以形成精确形状和尺寸的具有可重现公差的安装垫。通过针刺等方法进行致密化，安装垫20显示出适当的处理性能，就是说其易于进行处理，不像很多其它纤维垫板或垫一样脆以至于会在手中破碎。其可以容易地和柔性安装或包绕在催化剂支撑结构18或类似的脆性结构上，而不会破裂，并且然后设置在催化转换器壳体12内。一般地，安装垫包绕的脆性结构可以插入壳体中或者壳体可以围绕由安装垫包绕的脆性结构进行建造。
进一步地，已经令人惊奇地发现本发明的安装垫能够保持至少50kPa的最低保持压力，在300℃左右的加热面温度下进行标准的1000周次间隙膨胀测试(gap expansion test)中1000次机械循环后，垫的间隙容积密度从大约0.3到大约0.5g/cm3，间隙膨胀率为2％左右。可以理解的是这种测试特别适合在低温高G负载应用中用来保持较重基底的安装垫。这种应用的废气处理装置包括柴油机催化剂结构和柴油粒子捕捉器。对于高温应用，例如通常的催化转换器，已发现安装垫能够保持至少10kPa的最低保持压力，在900℃左右的加热面温度下进行标准的1000周次间隙膨胀测试中1000次机械循环后，间隙容积密度从大约0.3到大约0.5g/cm3，间隙膨胀率为5％左右。
术语“循环”是指在单片(即脆性结构)和壳体之间的间隙以特定的距离和预定的比率被开启和闭合。为了模拟实际条件，壳体和给定直径的脆性结构之间的间隙的膨胀，可以通过计算常规壳体在例如900℃左右温度下的热膨胀系数来确定。然后选择满足测试标准的最终的垫的基重，并在1000次循环后提供大于10kPa左右的最低保持压力(Pmin)。目的在于以最低成本提供足够的支撑，因此选择满足大于所需10kPa左右的最小基重。虽然有些现有技术中的不膨胀安装垫也能够具有在至少900℃左右的加热面温度下在1000次循环后保持“高”最低压力的能力，但是那些垫中都包含非常昂贵的由凝胶溶胶制备的具有至少30％或更高氧化铝含量的陶瓷纤维，或者由晶体石英得到的纤维，或两者皆有。现有技术的不膨胀垫中不包含具有多于大约67％的二氧化硅的浸沥玻璃纤维。
在操作中，催化转换器经历明显的温度变化。由于热膨胀系数的不同，壳体的膨胀可能大于支撑结构18，以致于这些元件之间的间隙会些微增大。在一种典型的情况中，在转换器热循环期间，间隙可能膨胀和收缩大约0.25到大约50mm。选择安装垫的厚度和安装密度以在所有条件下保持至少10kPa左右的最低保持压力，以防止脆性结构振动变松。在这些条件下安装垫20施加的安装压力能够适应组件的热特性，而不破坏组成元件的物理整体性。
对于用于低温应用的安装垫，在约300℃下进行测试。然而，测试的方式与所述的高温测试的方式相同。然而，考虑到负载应用的差异和经常使用较重的催化剂结构这一事实，必须具有较高的最低保持压力。因此，如上所述，该垫在加热面温度为300℃左右的1000次测试循环后必须提供对脆性结构至少50kPa的保持压力。
上面已经描述了本发明的一般情况，下面通过实例进行更具体的说明。可以理解的是这些实例仅仅是为了进行说明，而不应被认为是在任何方面进行限定，除非另外提到的。这些实例仅用于说明本发明的为了说明本发明的实施方式，BELCOTEX浸沥玻璃纤维在大约900℃到1100℃之间的温度下热处理2小时。然后热处理过的纤维与大约6.5％重量含量的适合于加热粘接浸沥玻璃二氧化硅纤维的一种纤维混合到一起。组合的纤维然后湿法制成垫的形状。在加热炉中大约60℃温度下干燥该垫。然后将干燥的垫热压至密度为148kg/m3左右。经压制的垫被制成适当的最终形态，以用作催化转换器应用的安装垫。
在另一个实施例中，通过首先在垫中湿法放置浸沥玻璃二氧化硅纤维对本发明进行说明。然后对该垫进行针刺处理以使密度达到148kg/m3左右。然后所述针刺处理过的垫在大约900℃到1100℃之间的温度下热处理2小时。热处理之后，该垫形成其最终的产品形式以用作催化转换器应用的安装垫。
其它包含从其他制造商处获得的浸沥玻璃二氧化硅纤维的安装垫，基本上也使用上述方法之一进行制造，且垫或纤维在至少900℃温度下进行热处理。为了进行对比，制备包含二氧化硅含量较高的浸沥玻璃纤维的样品垫，但是不对纤维或垫进行热处理。这些垫被认为是处于“原态”的状态。
在至少一个例子中，对“预收缩”浸沥玻璃二氧化硅纤维垫板进行了测试。这个纤维垫板为了不同的用途在商业上是可以获得的，但是从未被测试或建议适合于用作废气处理装置的安装垫。术语“预收缩”是指浸沥玻璃二氧化硅纤维已经进行进一步的处理以降低垫板的收缩量。在很多种应用中，纤维垫板被希望应保持其形状，并且在高温应用中不会收缩。
对每个垫进行高温(900℃)1000次循环间隙膨胀测试。测试条件包括一组用于比较样品垫的恒定参数。这些测试参数包括三种不同的加热面温度300℃、600℃和900℃，间隙容积密度为0.3g/cm3，且间隙膨胀率为5％左右。给定的这些参数和已公知的安装垫的基重，在该测试中使用了2.9到5.45mm的间隙以实现0.3g/cm3的间隙容积密度。对于低温(300℃)1000次循环测试，使用4.13mm的间隙和大约2％的膨胀率。
可以理解的是本领域的普通技术人员将能够进行该1000周次的测试，使用这些设置参数，而不需要进行多余的实验。也就是说，上述设定的参数将能够使本领域普通技术人员对垫的有效的保持压力作出类似的比较，而不考虑垫的特性或者间隙的尺寸如何。对于这里进行测试的特定垫，基于垫的已公知的特征如基重和其它设置参数如间隙容积密度，2.9到5.45mm的间隙尺寸被认为是适当的。同样可以理解的是安装垫的间隙容积密度会根据用途而变化。对于一些应用来说，可能在较低的间隙容积密度例如0.3g/cm3时得不到可以接受的最低保持压力，但是在较高的间隙容积密度例如0.5g/cm3时可以获得可以接受的最低保持压力。因此，该测试可以使用任何对于应用来说适当的间隙容积密度来完成，一般落入大约0.3到0.5g/cm3的范围内。
这些测试的结果如下面的表I所示。
表I1000周次间隙膨胀测试结果(单位kPa)
观察测试的结果，可以看到的是所有处理过的浸沥玻璃纤维垫在300℃、600℃和900℃的初始测试中开始具有大大超过高温(即Pmin＝10kPa)和低温(即Pmin＝50kPa)的应用所需的最低保持压力的保持压力(P固定间隙结果)。然而，“原态”的浸沥玻璃二氧化硅纤维垫在初始循环后没有保持足够的保持压力，更不用说1000次循环以后了。通过比较，使用经处理的、浸沥玻璃纤维的垫在上面的测试中的第1000次循环以后，全部保持超过所需最小值的有效的保持压力或负载(Pmin)。对于高温应用，可以看到经处理的纤维在900℃下1000次循环后最低的有效保持压力(Pmin)是29kPa左右，大大超过10kPa的最小值。
根据本发明的用于废气处理装置的不膨胀安装垫示范的显著的1000周次间隙膨胀测试的结果，以及与凝胶溶胶陶瓷纤维或由晶体石英得到的纤维相比，与含二氧化硅的浸沥玻璃纤维的制造相关联的相对低的成本，这些垫对于催化转换器和柴油粒子捕捉器工业来说是有利的。安装垫可以进行冲切，在薄断面中可操作地作为弹性支撑物，提供简易的处理，并呈现柔性形式，以便能够提供对催化剂支撑结构的完全包绕，如果需要，而不会产生裂纹。另一种可选方式是，安装垫可以整体地包绕在整个圆周或者催化剂支撑结构的至少一部分的周长上。安装垫也可以部分被包绕，并且如果需要的话，包括如同目前用于一些常规转化器装置中的一样的端部密封件，防止气体旁流通过。
上述的安装垫对于很多应用也是有益的，例如常规汽车催化转换器、摩托车和其它小型发动机机械、汽车预转换器、以及高温衬垫和垫圈、甚至未来的电动汽车底板催化转换器系统。通常，它们可以用于任何在室温下需要垫或垫圈以施加保持压力的用途，更重要的是在20℃左右到至少1100℃左右的高温下，包括在热循环期间提供维持保持压力的能力。
上述的安装垫也可以用在化学工业中的催化转换器中，所述催化转换器设置在废气或排放叠层组件中，包括含有需要进行保护性安装的脆性蜂窝状结构的叠层组件。
本发明不限于上述的具体实施方式
，但是包括由下面的权利要求所限定的变型、改变和等同的实施方式。上述实施方式不一定是替代性质的，不同的实施方式可以进行组合以提供所需的特征。
权利要求
1.一种用于处理废气的装置，包含壳体；弹性安装在所述壳体内的脆性结构；和设置在所述壳体和所述脆性结构之间的间隙内的非膨胀安装垫，其特征在于，所述安装垫包括通过熔融形成的包含至少67％重量百分比的二氧化硅的浸沥玻璃纤维，并施加用于将脆性结构保持在壳体内的以下最低保持压力之一(i)至少大约10kPa，在加热面温度大约为900℃下的1000次测试循环后，间隙容积密度从大约0.3到大约0.5g/cm3，间隙膨胀率为大约5％，或者(ii)至少大约50kPa，在加热面温度大约为300℃下的1000次测试循环后，间隙容积密度从大约0.3到大约0.5g/cm3，间隙膨胀率为大约2％。
2.根椐权利要求1所述的装置，其中所述壳体在一端具有一个入口，在相对的端部具有一个出口，废气流动通过其中；且其中所述脆性结构具有一个外表面，在一端的与所述壳体的所述入口相连通的入口端表面，在相对的端部的与所述壳体的所述出口端相连通的出口端表面。
3.根椐权利要求1所述的装置，其中所述安装垫包含至少一个整体的、基本不膨胀的层，其包含熔体拉伸出的含有二氧化硅的浸沥玻璃纤维。
4.根椐权利要求1所述的装置，其中所述浸沥玻璃纤维包含至少90％重量百分比的二氧化硅。
5.根椐权利要求1所述的装置，其中所述浸沥玻璃纤维包含从大约90％到低于99％重量百分比的二氧化硅。
6.根椐权利要求1所述的装置，其中所述浸沥玻璃纤维包含大约93％到大约95％重量百分比的二氧化硅，和从大约4％到大约6％重量百分比的氧化铝。
7.根椐权利要求1所述的装置，其中所述浸沥玻璃纤维包含低于1％重量百分比左右的碱金属或碱土金属。
8.根椐权利要求1所述的装置，其中所述安装垫包含从大约50％到100％重量百分比的所述浸沥玻璃纤维。
9.根椐权利要求1所述的装置，其中所述安装垫包含至少80％重量百分比的所述浸沥玻璃纤维。
10.根椐权利要求1所述的装置，其中安装垫基本不含粘结剂。
11.根椐权利要求1所述的装置，其中浸沥玻璃纤维的直径大于3.5微米。
12.根椐权利要求1所述的装置，其中浸沥玻璃纤维的直径大于5微米。
13.根椐权利要求1所述的装置，其中浸沥玻璃纤维是熔体拉伸出的。
14.根椐权利要求1所述的装置，其中浸沥玻璃纤维基本上是不含渣质的。
15.根椐权利要求1所述的装置，其中基于整个垫的重量百分比为100％，安装垫包含大于0到大约50％重量百分比的S2-玻璃纤维或耐火陶瓷纤维。
16.根椐权利要求1所述的装置，其中安装垫在至少大约300℃或至少大约900℃温度下热处理一段有效的时间，以达到用于将脆性结构保持在壳体内的有效的最低保持压力。
17.根椐权利要求1所述的装置，其中浸沥玻璃纤维在至少大约300℃或至少大约900℃温度下热处理一段有效的时间，以使得浸沥玻璃纤维在形成安装垫时，达到用于将脆性结构保持在壳体内的最低保持压力。
18.根椐权利要求1所述的装置，其中该装置为催化转换器或柴油粒子捕捉器。
19.一种制造用于处理废气的装置的方法，包括提供安装垫，所述安装垫含有通过熔融形成的含二氧化硅的玻璃纤维，其中熔融形成的玻璃纤维通过以下步骤成形处理熔融形成的玻璃纤维，由此经处理的玻璃纤维中二氧化硅的含量大于处理前的玻璃纤维的二氧化硅含量，且由此经处理的玻璃纤维含有至少67％重量含量的二氧化硅；使安装垫包绕适于处理废气的脆性结构；以及把脆性结构和安装垫设置到壳体内，使得安装垫在壳体内弹性地保持脆性结构，其中安装垫施加以下用于将所述脆性结构保持在所述壳体内的最低保持压力之一(i)至少大约10kPa，在加热面温度大约为900℃下的1000次测试循环后，间隙容积密度从大约0.3到大约0.5g/cm3，间隙膨胀率为大约5％，或者(ii)至少大约50kPa，在加热面温度大约为300℃下的1000次测试循环后，间隙容积密度从大约0.3到大约0.5g/cm3，间隙膨胀率为大约2％。
20.根椐权利要求19所述的方法，其中处理熔体拉伸的玻璃纤维的步骤包括在一种酸溶液中浸沥玻璃纤维。
21.根椐权利要求19所述的方法，进一步包括在包绕脆性结构之前热处理安装垫的步骤。
22.根椐权利要求20所述的方法，其中热处理步骤包括在大约900℃到大约1100℃之间的温度下加热纤维或安装垫1小时以上。
23.根椐权利要求18所述的方法，其中热处理步骤包含在至少300℃的温度下加热纤维或安装垫一段有效的时间，以达到用于将所述脆性结构保持在所述壳体内的有效的最低保持压力。
全文摘要
一种用于处理废气的装置(10)，包含壳体(12)；弹性安装在壳体(12)内的脆性结构(18)；和设置在壳体(12)和脆性结构(18)之间的间隙内的非膨胀安装垫(20)。安装垫(20)包括通过熔融形成的二氧化硅含量较高的浸沥玻璃纤维，并施加用于将脆性结构(18)保持在壳体(12)内的以下最低保持压力之一(i)至少大约10kPa，在加热面温度大约为 900℃下的1000次测试循环后，间隙容积密度从大约0.3到大约0.5g/cm
文档编号F01N3/28GK1700950SQ03825268
公开日2005年11月23日 申请日期2003年9月24日 优先权日2002年9月30日
发明者A·库马, J·D·滕艾克, T·拉基 申请人:尤尼弗瑞克斯有限公司