DE20122864U1

DE20122864U1 - Halte- und Siegelmaterial für Katalysatoren

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Publication number: DE20122864U1
Application number: DE20122864U
Authority: DE
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2011-10-18
Also published as: CN1392921A; DE60124579T2; KR20110113776A; US20080312071A1; KR20020068056A; JP2002129455A; EP1329601B1; EP1329601A4; EP1736644A1; KR20080065705A; KR20100018086A; DE60124579D1; KR20110003403A; US20040052694A1; EP1757782B1; WO2002033233A1; EP1736644B1; KR101232957B1; KR101153763B1; EP1329601A1

Abstract

Halte- und Siegelmaterial 1 angeordnet zwischen einem Katalysatorträger 3 und einer Metallhülle 2, die den Katalysatorträger bedeckt, wobei das Halte- und Siegelmaterial 1 einen Faserkörper umfasst, der im Wesentlichen aus auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern besteht, welche einen Mullitkristallgehalt von 10 Gew.-% oder weniger aufweisen und wobei der Faserkörper einem Nadelstoßverfahren unterworfen wurde und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Dicke des Faserkörpers ungefähr 1,1 bis 4,0 mal so groß wie die Lücke zwischen dem Katalysatorträger 3 und der Metallhülle 2 ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Katalysator und insbesondere ein Halte- und Siegelmaterial für Katalysatoren.
Stand der Technik
Verbrennungsmotoren, die Benzin und Leichtöl als Kraftstoffe verwenden, werden seit 100 Jahren und länger als Kraftstoffquellen für Fahrzeuge und insbesondere für Automobile genutzt. Jedoch wurden schädliche Auswirkungen der Abgase auf die Gesundheit und die Umwelt zu einer bedenklichen Angelegenheit und seitdem sind verschiedene Arten von Abgasreinigungskatalysatoren vorgeschlagen worden, die Vorrichtungen zur Entfernung von im Abgas enthaltenen CO, NOx und PM sind. Ein gewöhnlicher Abgasreinigungskatalysator umfasst einen Katalysatorträger, eine Metallhülle, die das Äußere des Katalysatorträgers bedeckt, und ein Halte- und Siegelmaterial, welches in einer Lücke zwischen dem ersteren und dem letzteren angeordnet ist. Ein wabenförmiger Cogierite-Träger wird beispielsweise als Katalysatorträger verwendet, und ein Katalysator wie beispielsweise Platin wird auf dem Cogierite-Träger getragen.
Das Halte- und Siegelmaterial des Katalysators verhindert einen Schaden des Katalysatorträgers durch einen Kontakt zwischen dem Katalysatorträger und der Metallhülle während der Fahrt des Autos und ein Ausströmen von Gas aus der Lücke zwischen der Metallhülle und dem Katalysatorträger. Das Halte- und Siegelmaterial dient auch der thermischen Isolierung der Metallhülle, um eine wirksame Reaktion des Katalysators in seiner Anfangsphase zu ermöglichen. Ein für diese Funktion geeignetes Material ist ein mattenähnliches Material, welches aus auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern hergestellt wird.
Das mattenähnliche Material aus auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern ist sperrig. Für das Halte- und Siegelmaterial sollte deshalb das Zusammenbauen im Katalysatorträger verbessert werden. Im Hinblick auf die oben beschriebene Situation wurden Techniken vorgeschlagen, die die Dicke des mattenähnlichen Materials durch Imprägnieren eines aus anorganischen Fasern mit einem organischen Binder hergestellten mattenähnlichen Materials reduzieren.
Für den Fall, dass das Halte- und Siegelmaterial mit dem organischen Binder imprägniert ist und das Halte- und Siegelmaterial in einer Lücke verwendet wird, zersetzt sich jedoch der organische Binder aufgrund der Hitze des Abgases und dessen Abbaugas wird in die Atmosphäre entlassen. Mindestens einige Gew.-% oder mehr eines solchen organischen Binders sollten zum Imprägnieren des Halte- und Siegelmaterials verwendet werden, um das Zusammenbauen zu verbessern. Deshalb ist es mit herkömmlichen Techniken sehr schwierig, überdurchschnittlich emissionsarme Eigenschaften zu erreichen und gleichzeitig einen günstigen Zusammenbau beizubehalten.
Zusätzlich hat sich in den letzten Jahren die Temperatur des Abgases schrittweise erhöht, weil sich die Leistung der Motoren verbessert hat. Bei einer hohen Kraftstoffeffizienz erreicht die Abgastemperatur in Magerverbrennungsmotoren beispielsweise fast 1000°C und deshalb fällt der Kontaktdruck des hohen Temperaturen ausgesetzten Halte- und Siegelmaterials in relativ kurzer Zeit ab. Aus diesem Grund wird die Siegel- und Trägerhalteleistung des Lückenteils in einer frühen Phase verschlechtert und die Haltbarkeit des Katalysators ist verringert.
Offenbarung der Erfindung
Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Katalysator mit extrem emissionsarmen Eigenschaften bereitzustellen, der sowohl eine hervorragende Haltbarkeit als auch eine hervorragende Zusammenbaubarkeit aufweist.
Die zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halte- und Siegelmaterial für Katalysatoren, das geeignet ist, den oben beschriebenen hervorragenden Katalysator zu verwirklichen, und ein Verfahren zur Herstellung desselben bereitzustellen.
In einem ersten erfindungsgemäßen Aspekt wird ein zwischen einem Katalysatorträger und einer den Katalysatorträger bedeckenden Metallhülle angeordnetes Halte- und Siegelmaterial bereitgestellt. Das Halte- und Siegelmaterial umfasst einen Faserkörper, der im Wesentlichen aus auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern besteht, welche einen Mullitkristallgehalt von 10 Gew.-% oder weniger haben, und der einem Nadelstoßverfahren unterworfen wurde.
In einem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Halte- und Siegelmaterial, welches zwischen dem Katalysatorträger und der den Katalysatorträger bedeckenden Metallhülle angeordnet ist, bereitgestellt. Das Halte- und Siegelmaterial umfasst einen Faserkörper, der im Wesentlichen aus auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern besteht, welche einen Mullitkristallgehalt von 0,5 bis 4 Gew.-% haben, und der einem Nadelstoßverfahren unterworfen wurde.
In einem dritten erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Halte- und Siegelmaterial, welches zwischen einem Katalysatorträger und einer den Katalysatorträger bedeckenden Metallhülle angeordnet ist, bereitgestellt. Das Halte- und Siegelmaterial umfasst einen Faserkörper, der im Wesentlichen aus auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern besteht, welche einen Mullitkristall-Gehalt von 10 Gew.-% oder weniger haben, wobei einige der genannten keramischen Fasern in Richtung der Dicke des genannten Faserkörpers miteinander verwoben sind.
In einem vierten erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halte- und Siegelmaterials für einen Katalysator, das zwischen einem Katalysatorträger und einer den Katalysatorträger bedeckenden Metallhülle angeordnet ist, bereitgestellt. Das Herstellungsverfahren umfasst die folgenden Schritte: Faserspinnnen einer wässrigen Lösung, die aus einer Mischung aus einem Aluminiumsalz, einem Kieselsol und einem organischen Polymer gebildet wird, und die als Rohmaterial verwendet wird, um die auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden keramischen Fasern herzustellen; Stapeln der auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden keramischen Fasern, um einen Faserkörper herzustellen; Anwenden eines Nadelstoßverfahrens auf dem Faserkörper; und Backen des dem Nadelstoßverfahren unterworfenen Faserkörpers, um ein Halte- und Siegelmaterial herzustellen, das einen Faserkörper mit einem Mullitkristallgehalt von 10 Gew.-% oder weniger aufweist.
In einem fünften erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Katalysator bereitgestellt. Der Katalysator umfasst einen Katalysatorträger, eine den Katalysatorträger bedeckende Metallhülle und ein Halte- und Siegelmaterial, das zwischen dem Katalysatorträger und der Metallhülle angeordnet ist. Das Halte- und Siegelmaterial umfasst einen Faserkörper, der im Wesentlichen aus auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern besteht, welche einen Mullitkristallgehalt von 10 Gew.-% oder weniger haben, und der einem Nadelstoßverfahren unterworfen wurde.
In einem sechsten erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Katalysator bereitgestellt. Der Katalysator umfasst einen Katalysatorträger, eine den Katalysatorträger bedeckende Metallhülle und ein Halte- und Siegelmaterial, das zwischen dem Katalysatorträger und der Metallhülle angeordnet ist. Das Halte- und Siegelmaterial umfasst einen Faserkörper, der im Wesentlichen aus auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern besteht, welche einen Mullitkristallgehalt von 0,5 bis 4 Gew.-% haben, und der einem Nadelstoßverfahren unterworfen wurde.
In dem siebten erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Katalysator bereitgestellt. Der Katalysator umfasst einen Katalysatorträger, eine den Katalysatorträger bedeckende Metallhülle und ein Halte- und Siegelmaterial, das zwischen dem Katalysatorträger und der Metallhülle angeordnet ist. Das Halte- und Siegelmaterial umfasst einen Faserkörper, der im Wesentlichen aus auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern besteht, welche einen Mullitkristallgehalt von 10 Gew.-% oder weniger haben, wobei einige der Keramikfasern in Richtung der Dicke des genannten Faserkörpers miteinander verwoben sind.
Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine erläuternde Darstellung der Lage des Katalysators gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
2 ist ein schematischer Querschnitt des Katalysators gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
3(a) ist eine Draufsicht auf ein Halte- und Siegelmaterial, wie es in dem Katalysator der 2 verwendet wird;
3(b) ist eine schematische Perspektivdarstellung, die ein Verfahren zum Zusammensetzen des Katalysators der 2 illustriert;
3(c) ist eine schematische Perspektivdarstellung des zusammengesetzten Katalysators; und
4 ist ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen dem Mullitgehalt des in dem Katalysator verwendeten Halte- und Siegelmaterials und dem Kontaktdruck zeigt.
Beste Ausführungsformen der Erfindung
Ein Katalysator 5 für eine Autoabgasreinigungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der 1 bis 4 detailliert beschrieben.
Wie in 1 gezeigt wird der Katalysator 5 an einer Position entlang des Abgasrohres 91 eines Motors 9 entlang des Fahrzeugaufbaus 92 bereitgestellt. Außerdem wird dem Katalysator 5 eine hohe Abgastemperatur von 700°C bis 900°C zugeführt, weil der Abstand zwischen dem Motor 9 und dem Katalysator 5 relativ gering ist. Für den Fall, dass der Motor ein magerer Verbrennungsmotor ist, wird dem Katalysator 5 ein höher temperiertes Abgas von ungefähr 900°C bis 1000°C zugeführt.
Wie in 2 gezeigt umfasst der Katalysator 5 einen zylindrischen Katalysatorträger 3, eine das Äußere des Katalysatorträgers 3 bedeckende Metallhülle 2, und ein Halte- und Siegelmaterial 1, das in einer Lücke zwischen dem Katalysatorträger 3 und der Metallhülle 2 angeordnet ist.
Der Katalysatorträger 3 ist aus einem Keramikmaterial wie Cogierite oder ähnlichem hergestellt. Außerdem besitzt der Katalysatorträger 3 vorzugsweise eine wabenförmige Struktur mit einer hohen Anzahl von Zellen 31 und 32, welche sich entlang der Achslinie erstrecken. Darüber hinaus wird ein Katalysator, der zur Reinigung von Abgas in der Lage ist, wie Platin oder Rhodium, von den Wänden der Zellen getragen.
Die Metallhülle 2 ist vorzugsweise ein zylindrisches Metallbauteil mit einem O-förmigen Profil, wenn beispielsweise ein Einpressverfahren zur Befestigung angewandt wird. Außerdem wird für das Metallmaterial zur Formung des zylindrischen Bauteils bevorzugt ein Metall mit hervorragender Wärmewiderstandsfähigkeit und Schlagwiderstandsfähigkeit gewählt. Wenn ein sogenanntes Konservenverfahren anstelle des Einpressverfahrens angewandt wird, wird eine Metallhülle (zweischalig), die durch Teilen des zylindrischen Metallbauteils mit einem O-förmigen Profil in eine Vielzahl von Abschnitten entlang der Achslinie gebildet wird, verwendet.
Des Weiteren wird ein zylindrisches Bauteil mit einem C-förmigen oder U-förmigen Profil verwendet (d. h. ein zylindrisches Metallbauteil wird mit einem Spalt (Öffnung) geformt, der sich entlang der Achse erstreckt), wenn beispielsweise eine Rollmethode zum Befestigen verwendet wird. In diesem Fall wird, beim Zusammensetzen des Katalysatorträgers 3, der Katalysatorträger 3 mit dem Halte- und Siegelmaterial 1, das auf dessen Oberfläche fixiert ist, in der Metallhülle 2 angeordnet und in diesem Zustand die Metallhülle 2 aufgerollt und anschließend das Ende der Spaltöffnung versiegelt (geschweißt, geklebt, verriegelt oder ähnliches). Ein Versiegeln wie beispielsweise Verschweißen, Verkleben oder Verriegeln wird auch ausgeführt, wenn das Konservenverfahren angewendet wird.
Wie in 3(a) gezeigt ist das Halte- und Siegelmaterial 1 ein gestrecktes mattenähnliches Material, das an dessen einen Ende mit einem konkaven Anschlussteil 11 und an dessen anderen Ende mit einem konvexen Anschlussteil 12 ausgestattet ist. Wenn das Halte- und Siegelmaterial 1 um den Katalysatorträger 3 gewickelt ist, wird das konvexe Anschlussteil 12 in das konkave Anschlussteil 11 eingesetzt.
Das Halte- und Siegelmaterial 1 umfasst einen Faserkörper, der im Wesentlichen aus auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern mit einem Mullitkristallgehalt von 0 bis 10 Gew.-% besteht. In anderen Worten, das Halte- und Siegelmaterial 1 umfasst einen Faserkörper, der im Wesentlichen aus Keramikfasern besteht, welche aus einer Aluminiumsilizium-Spinelverbindung hergestellt werden, die gar keine oder 10 Gew.-% oder weniger Mullitkristalle enthält. Mit einer solchen chemischen Zusammensetzung hat das Halte- und Siegelmaterial 1 eine hervorragende Wärmewiderstandsfähigkeit und eine hohe Elastizität gegenüber einer angewandten Druckbelastung. Deshalb fällt der Kontaktdruck kaum ab, selbst wenn das Halte- und Siegelmaterial 1 in der Lücke hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Es ist in diesem Fall besonders bevorzugt, wenn der Mullitkristallgehalt in einem Bereich von 0,5 bis 4 Gew.-% ist. Die Aluminiumsilizium-Spinelverbindung ist beispielsweise γ-Aluminiumoxid, δ-Aluminiumoxid oder χ-Aluminiumoxid.
Die auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern weisen bevorzugt eine chemische Zusammensetzung mit einem Aluminiumoxidgehalt von 68 Gew.-% bis 83 Gew.-% und einem Siliziumdioxidgehalt von 17 Gew.-% bis 32 Gew.-% auf und besonders bevorzugt ist eine Zusammensetzung von Al₂O₃:SiO₂ = 72:28.
Wenn der Aluminiumoxidgehalt geringer ist als 68 Gew.-% oder der Siliziumdioxidgehalt 32 Gew.-% übersteigt, kann eine ausreichende Verbesserung der Wärmewiderstandsfähigkeit und der Elastizität gegenüber einer angewandten Druckbelastung ausgeschlossen sein. Wenn der Aluminiumoxidgehalt 83 Gew.-% übersteigt und der Siliziumdioxidgehalt geringer als 17 Gew.-% ist, kann ebenso eine ausreichende Verbesserung der Wärmewiderstandsfähigkeit und der Elastizität gegenüber einer angewandten Druckbelastung ausgeschlossen sein.
Der Faserkörper wird durch ein Nadelstoßverfahren hergestellt, welches eine Art des Faserwebens ist. Folglich sind einige der keramischen Fasern an den Nadelstoßpunkten in Richtung der Dicke des Faserkörpers miteinander verwoben. In dem Nadelstoßverfahren wird beispielsweise eine flache Nähschablone (Nadelbrett) mit einer hohen Anzahl von aufgestellten Nadeln verwendet.
Die Dichte der Nadelstoßpunkte ist vorzugsweise 10 bis 500 Punkte und besonders bevorzugt 20 bis 250 Punkte pro 100 cm².
Wenn die Dichte der Nadelstoßpunkte geringer als 10 Punkte pro 100 cm² ist, kann das Halte- und Siegelmaterial 1 nicht verlässlich in Richtung der Dicke komprimiert werden, sodass es ausgeschlossen sein kann die Dicke des Halte- und Siegelmaterial 1 zu einem ausreichenden Grad zu reduzieren, der ein passendes Zusammensetzen erlaubt. Wenn die Dichte der Nadelstoßpunkte 500 Punkte pro 100 cm² übersteigt, kann einerseits die Dicke des Halte- und Siegelmaterials 1 ausreichend reduzierte werden, aber aufgrund der zu großen Anzahl von Nadelstoßpunkten kann andererseits eine Erhöhung der Elastizität gegenüber einer angewandten Druckbelastung ausgeschlossen sein.
Vor dem Zusammenbauen und nach der Anwendung des Nadelstoßverfahrens ist die Raumdichte des Halte- und Siegelmaterials 1 bevorzugt 0,1 g/cm³ bis 0,6 g/cm³ und besonders bevorzugt 0,2 g/cm³ bis 0,4 g/cm³. Die Packdichte des zusammengesetzten Halte- und Siegelmaterial 1 ist vorzugsweise ebenso auf den gleichen oben beschriebenen Grad eingestellt. Wenn die Raumdichte und die Packdichte zu gering sind, kann, aufgrund einer Verringerung des erzeugten Kontaktdrucks, ein verlässlicher Halt des Katalysatorträgers 3 ausgeschlossen sein. Wenn die Raumdichte und die Packdichte zu groß sind, ist einerseits die Festigkeit verbessert, aber andererseits, aufgrund einer verringerten Deformierbarkeit, das Zusammensetzen schwierig.
Der Gehalt der organischen Komponente (organischer Binder) in den keramischen Fasern, welche das Halte- und Siegelmaterial 1 bildet, ist vorzugsweise 1 Gew.-% oder weniger, weiter bevorzugt 0,1 Gew.-% oder weniger und besonders bevorzugt 0,01 Gew.-% oder weniger. Wenn der Gehalt des organischen Binders auf mehrere Gew.-% oder mehr erhöht wird, wird der organische Binder durch die Wärme des Abgases zersetzt, wodurch sich die Menge des in die Atmosphäre entlassenen Gases erhöht. Deshalb ist es sehr schwierig niedrige Emissionseigenschaften zu erreichen, die den herkömmlichen Grad übersteigen.
Die Dicke des Halte- und Siegelmaterials 1 vor dem Zusammensetzen entspricht vorzugsweise ungefähr 1,1 bis 4,0 mal, und besonders bevorzugt ungefähr 1,5 bis 3,0 mal so groß wie die Lücke zwischen dem Katalysatorträger 3 und der Metallhülle 2. Wenn die Dicke schmaler als 1,1 mal die Größe der Lücke ist, kann eine hohe Trägerhalteleistung ausgeschlossen sein, sodass sich die Wahrscheinlichkeit einer relativen Bewegung des Katalysatorträgers 3 zu der Metallhülle 2 erhöht und dieser dabei verschleißt. In diesem Fall ist eine hohe Siegelleistung ausgeschlossen und deshalb entweicht das Abgas leichter durch die Lücke, was ein Erreichen niedriger Emissionseigenschaft auf einem hohen Niveau unmöglich macht. Wenn die Dicke des Halte- und Siegelmaterials 1 größer als 4,0 mal die Größe der Lücke ist, ist ein Platzieren des Katalysatorträgers 3 in der Metallhülle 2 schwierig, insbesondere dann, wenn das Einpressverfahren angewendet wird. Deshalb kann eine Verbesserung beim Zusammenbau ausgeschlossen sein.
Außerdem beträgt der mittlere Durchmesser der auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern, welche das Halte- und Siegelmaterial 1 bilden, vorzugsweise ungefähr 5 bis 20 μm und besonders bevorzugt ungefähr 7 bis 13 μm. Die mittlere Länge der Keramikfasern ist vorzugsweise ungefähr 0,1 bis 100 mm und besonders bevorzugt ungefähr 2 bis 50 mm. Die Reißfestigkeit der Keramikfasern selber ist vorzugsweise 0,1 GPa oder mehr und besonders bevorzugt 0,5 GPa oder mehr.
Das Verfahren zur Herstellung des Halte- und Siegelmaterials 1 wird im Folgenden beschrieben.
Zur Herstellung einer Spinnlösung wird zunächst ein Aluminiumsalz, ein Kieselsol und ein organisches Polymer im Lösungsmittel Wasser vermischt. In diesem Fall kann der Spinnlösung ein Antischaummittel und ähnliches zugegeben werden. Außerdem kann durch Verändern des Verhältnisses zwischen dem Aluminiumsalz und dem Kieselsol die chemische Zusammensetzung der auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern zu einem gewissen Ausmaß kontrolliert werden.
Anschließend wird die erhaltene Spinnlösung unter reduziertem Druck konzentriert, wobei eine Spinnlösung erhalten wird deren Konzentration, Temperatur, Viskosität und ähnliches zum Spinnen geeignet ist. Hier wird eine Spinnlösung mit einer Konzentration von ungefähr 20 Gew.-% und vorzugsweise auf ungefähr 30 bis 40 Gew.-% konzentriert.
Zusätzlich wird die Spinnlösung zur kontinuierlichen Abgabe in die Atmosphäre durch eine Düse einer Spinmaschine hergestellt und die gebildeten auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern werden gezogen und aufgewickelt. In diesem Fall kann beispielsweise ein trockenes Druckspinnverfahren angewendet werden.
Lange Fasern der auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern, welche durch das oben beschriebene Spinnverfahren erhalten wurden, werden in eine vorbestimmte Länge zerhackt, um relativ kurze Fasern zu bilden, die anschließend in Wasser dispergiert werden. Die erhaltene Faserdispersion wird in eine Formschablone gegossen, um das Dispergiermittel unter Druck zu setzen und zu trocknen, wobei ein mattenähnliches Material mit gestapelten Fasern erhalten wird.
Das mattenähnliche Material (Faserkörper), welches durch das oben beschriebene Stapelverfahren erhalten wurde, wird unter Verwendung des oben beschriebenen Nadelbretts einem Nadelstoßverfahren unterworfen. Durch dieses Verfahren werden nicht ausgehärtete und flexible Fasern zuverlässig und einheitlich miteinander verwoben.
Anschließend wird der dem Nadelstoßverfahren unterworfene Faserkörper gebacken, wobei nicht ausgehärtete und flexible Fasern getrocknet, gebacken und dabei gehärtet werden. In diesem Fall sollten die Backbedingungen so eingestellt werden, dass der Mullitkristallgehalt in dem durch Backen erhaltenen Faserkörper 10 Gew.-% oder geringer ist.
Beispielsweise ist die Backtemperatur in dem Backschritt vorzugsweise auf 1100°C bis 1300°C eingestellt. Wenn die Backtemperatur geringer als 1100°C ist, können die auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Fasern nicht ausreichend getrocknet und gebacken sein und ein zuverlässiges Erreichen einer hervorragenden Wärmewiderstandsfähigkeit und einer hohen Elastizität gegenüber einer auf das Halte- und Siegelmaterial 1 angewandten Druckbelastung kann deshalb ausgeschlossen sein. Umgekehrt, wenn die Backtemperatur höher als 1300°C ist, bilden sich leichter Mullitkristalle in den auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern. Folglich kann der Mullitkristallgehalt kaum bei 10 Gew.-% oder weniger gehalten werden und ein zuverlässiges Erreichen einer hervorragenden Wärmewiderstandsfähigkeit und einer hohen Elastizität gegenüber einer auf das Halte- und Siegelmaterial 1 angewandten Druckbelastung kann deshalb ausgeschlossen sein.
Zusätzlich wird die Backzeit vorzugsweise auf 1 bis 60 Minuten eingestellt. Wenn die Backzeit geringer als 1 Minute ist, können die auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Fasern nicht ausreichend getrocknet und gebacken sein und ein zuverlässiges Erreichen einer hervorragenden Wärmewiderstandsfähigkeit und einer hohen Elastizität gegenüber einer auf das Halte- und Siegelmaterial 1 angewandten Druckbelastung kann deshalb ausgeschlossen sein. Umgekehrt wenn die Backzeit 60 Minuten übersteigt, bilden sich leichter Mullitkristalle in den auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern. Folglich kann der Mullitkristallgehalt kaum bei 10 Gew.-% oder geringer gehalten werden und ein zuverlässiges Erreichen einer hervorragenden Wärmewiderstandsfähigkeit und einer hohen Elastizität gegenüber einer auf das Halte- und Siegelmaterial 1 angewandten Druckbelastung kann deshalb ausgeschlossen sein.
Für das Backen des Faserkörpers bei einer hohen Temperatur von 1100°C bis 1300°C wird außerdem vorzugsweise eine Vorbehandlung durch Erwärmen auf 200°C bis 400°C für ungefähr 10 bis 60 Minuten durchgeführt.
Darüber hinaus kann nach dem oben beschriebenen Backschritt das Halte- und Siegelmaterial 1 durch einen organischen Binder imprägniert werden und anschließend in Richtung der benötigten Dicke komprimiert werden. In diesem Fall ist der organische Binder Polyvinylalkohol, Acrylharz sowie Latex wie z. B. Acrylgummi oder Nitrilgummi oder ähnliches. Für das Imprägnieren können bekannte Verfahren wie z. B. ein Eintauch-, Sprüh-, oder Rollrakelverfahren angewendet werden.
Anschließend wird das durch die oben beschriebenen Schritte hergestellt Halte- und Siegelmaterial 1 um das Äußere des Katalysatorträgers 3 gewickelt, dabei fixiert und danach ein Einpress-, Konserven-, oder Aufrollverfahren durchgeführt, um den Katalysator 5 zu vervollständigen.
Beispiel 1
Herstellungsbeispiel 1
In Beispiel 1 wurde ein Cogierite Monolith mit einem äußeren Durchmesser von 130 mm und einer Länge von 100 mm als Katalysatorträger 3 verwendet. Ebenso wurde eine zylindrische Hülle aus BUS 304 mit einer Dicke von 1,5 mm und einem inneren Durchmesser von 140 mm hergestellt, und als Metallhülle 2 verwendet. Das mattenähnliche Halte- und Siegelmaterial 1 wurde in folgender Weise hergestellt.
Zunächst wurden 23,5 Gew.-% eines alkalischen Aluminiumchlorids, 20 Gew.-% kolloides Siliziumdioxid, 10 Gew.-% eines Polyvinylalkohols und eine geringe Menge eines Antischaummittels (n-Octanol) mit Wasser vermischt und ausreichend gerührt, um eine Spinnlösung herzustellen.
Die erhaltene Spinnlösung wurde bei reduziertem Druck unter Verwendung eines Verdampfers konzentriert, wobei die Konzentration, Temperatur und Viskosität der Spinnlösung eingestellt wurden. In diesem Beispiel wurde die Konzentration der Spinnlösung auf 38 Gew.-%, die Temperatur auf 50°C und die Viskosität auf 100 Poise eingestellt und die Spinnlösung für 1 Tag stehen gelassen.
Nachdem die hergestellte Spinnlösung für einen Tag oder länger stehen gelassen wurde, ist sie kontinuierlich in die Atmosphäre (20°C Luftfeuchtigkeit, 50%) durch die Düse eines Trockendruckspinnapparates abgegeben und gestapelt worden. Anschließend wurde der durch das oben beschriebene Stapelverfahren erhaltene Faserkörper unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung einem Nadelstoßverfahren unterworfen. Die Dichte der Nadelstoßpunkte war hier auf 100 Punkte pro 100 cm² eingestellt.
Zusätzlich wurde der dem Nadelstoßverfahren unterworfenen Faserkörper als Vorverfahren für 30 Minuten auf 25°C erwärmt und danach für 10 Minuten bei 1250°C unter einer normalen oxidierenden Atmosphäre in einem elektrischen Muffelofen gebacken. Als Ergebnis wurden auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierende Keramikfasern mit einem Mullitkristallgehalt von 2 Gew.-% erhalten.
Der mittlere Durchmesser der durch Backen erhaltenen auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern war 9,1 μm und die mittlere Länge war 5 mm. Außerdem hatte die Faser ein fast kreisförmiges Profil und eine lineare Struktur. Ebenso war die Dichte der keramischen Faser selber 3,0 g/cm³ und die Reißfestigkeit betrug 0,65 GPa. Die keramische Faser hatte eine Zusammensetzung von Al₂O₃:SiO₂ = 72:28 und die Hauptkomponenten waren γ-Aluminiumoxid und χ-Aluminiumoxid.
Nach dem oben beschriebenen Backschritt wurde das Halte- und Siegelmaterial 1 mit dem organischen Binder durch das Eintauchverfahren imprägniert und anschließend in Richtung der Dicke komprimiert. Hier wurde Latex als organischer Binder ausgewählt und die Konzentration des Latex wurde auf 1 Gew.-% oder weniger eingestellt.
Zu diesem Zeitpunkt war die erhaltene Raumdichte des Halte- und Siegelmaterials 1 ungefähr 0,15 g/cm³.
Das durch die oben beschriebenen Schritte hergestellte Halte- und Siegelmaterial 1 wurde anschließend um das Äußere des Katalysatorträgers 3 gewickelt, dabei fixiert und anschließend in die Metallhülle 2 eingepresst, um den Katalysator 5 zu vervollständigen.
Herstellung in den Beispielen 2 bis 5
In den Beispielen 2 bis 5 wurde das Halte- und Siegelmaterial 1 gemäß dem Verfahren und den Bedingungen in Beispiel 1 hergestellt und in gleicher Weise wie in Beispiel 1 befestigt, um den Katalysator 5 zu vervollständigen. In den Beispielen 2 und 3 wurde eine höhere Backtemperatur als in Beispiel 1 eingestellt, sodass der Mullitkristallgehalt jeweils 3 Gew.-% und 9,8 Gew.-% war. Umgekehrt wurde in den Beispielen 4 und 5 eine geringere Backtemperatur als in Beispiel 1 eingestellt, sodass der Mullitkristallgehalt jeweils 0 Gew.-% und 1 Gew.-% war. Jedoch wurde die Backtemperatur und die Backzeit jeweils innerhalb eines Bereiches von 1100°C bis 1300°C und 1 bis 60 Minuten eingestellt.
Herstellung in Vergleichsbeispielen 1 und 2
In Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurde das Halte- und Siegelmaterial 1 gemäß dem Verfahren und den Bedingungen in Beispiel 1 hergestellt und in gleicher Weise wie in Beispiel 1 zusammengebaut, um den Katalysator 5 zu vervollständigen. In Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurde jedoch die Backtemperatur höher als 1300°C eingestellt. Als Ergebnis war der Mullitkristallgehalt jeweils 15 Gew.-% und 20 Gew.-% und beide überstiegen den Mullitkristallgehalt der Beispiele.
Herstellung in Vergleichsbeispiel 3
In Vergleichsbeispiel 3 wurde das Halte- und Siegelmaterial 1 gemäß dem Verfahren und den Bedingungen in Beispiel 1 hergestellt und in gleicher Weise wie in Beispiel 1 zusammengebaut, um den Katalysator 5 zu vervollständigen. In Vergleichsbeispiel 3 wurde jedoch das Nadelstoßverfahren nicht durchgeführt und anstelle dessen der Gehalt des organischen Binders auf 15 Gew.-% erhöht, um das Halte- und Siegelmaterial 1 herzustellen. Darüber hinaus wurde der Mullitkristallgehalt auf 15 Gew.-% eingestellt.
Vergleichsverfahren und Ergebnisse
Der Katalysator 5 der oben beschriebenen Beispiele 1 bis 5 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 wurde in einen Testapparat eingesetzt und ein Abgas von 100°C für 30 Minuten durchgeleitet, gefolgt von einer Messung des durch das Halte- und Siegelmaterials 1 erzeugten Kontaktdrucks (MPa). Die Ergebnisse sind in dem Diagramm in 4 gezeigt.
Aus diesem Diagramm ist einerseits zu sehen, dass der höchste Kontaktdruck in den Beispielen 1, 2 und 5 erzeugt wurde, und dass ein hoher Kontaktdruck in den Beispielen 3 und 4 erzeugt wurde. Andererseits ist zu sehen, dass in den Vergleichsbeispielen 1, 2 und 3 die Werte des erzeugten Kontaktdrucks kleiner als die der Beispiele sind, was offensichtlich in einer vergleichsweise schlechten Leistung resultiert. Außerdem wurde das Abgas für eine längere Zeit durch den Testapparat geleitet und danach eine Messung des erzeugten Kontaktdrucks durchgeführt, wobei herausgefunden wurde, dass der erzeugte Kontaktdruck mindestens für die Beispiele kaum abfällt.
Das Zusammenbauen des Halte- und Siegelmaterials 1 ist in jedem Fall zufriedenstellend.
Zusätzlich wurde bei einem Betriebstest des in einem Fahrzeug installierten Katalysators 5 und anschließenden Beobachtungen festgestellt, dass in den Beispielen weder Positionsbewegungen und Brüche des Katalysatorträgers 3 auftraten, noch irgendein Ausströmen des Abgases gefunden wurde. Bei den Vergleichsbeispielen, bei denen der erzeugte Kontaktdruck relativ gering war, traten leicht Positionsveränderungen und Brüche des Katalysatorträgers 3 auf. Zusätzlich strömte in einigen Vergleichsbeispielen Abgas aus.
Das Gas, welches durch den Auspuff des Katalysators 5 während des Betriebstests in die Umwelt ausgetreten ist, wurde gesammelt und dessen Komponenten analysiert. Als ein Ergebnis war der Gehalt von luftverschmutzendem CO, HC, NOx und ähnlichem für die Beispiele extrem gering, während in den Vergleichsbeispielen der Gehalt der oben beschriebenen Verbindungen etwas größer war, verglichen zu den Beispielen.
Das Halte- und Siegelmaterial 1 dieser Ausführungsform erzielt die folgenden Vorteile.

(1) Das Halte- und Siegelmaterial 1 dieser Ausführungsform umfasst einen Faserkörper, der im Wesentlichen aus auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern mit einem Mullitkristallgehalt von 10 Gew.-% oder weniger besteht. Folglich hat es eine hervorragende Wärmewiderstandsfähigkeit und eine hohe Elastizität gegenüber einer angewandten Druckbelastung. Selbst wenn das in der Lücke angeordnete Halte- und Siegelmaterial 1 einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, erzeugt es deshalb einen Kontaktdruck, der kaum abfällt. Wenn der Katalysator 5 unter Verwendung des Halte- und Siegelmaterials 1 hergestellt ist, ist der Katalysator 5 daher in der Lage eine hohe Versiegelungsleistung und Trägerhaltefähigkeit für eine lange Zeit beizubehalten und weist daher eine hervorragende Haltbarkeit auf.
(2) der Faserkörper des Halte- und Siegelmaterials 1 wird einem Nadelstoßverfahren unterworfen. Folglich werden einige Keramikfasern an den Nadelstoßpunkten in der Richtung der Dicke des Faserkörpers miteinander verwoben und deshalb ist die Dicke des Faserkörpers derart reduziert, dass er komprimiert in Richtung der Dicken ist. Aus diesem Grund ist die Sperrigkeit des Faserkörpers vermindert, was für einen hervorragenden Zusammenbau sorgt. Außerdem kann die Menge des organischen Binders reduziert werden, die zur Reduzierung der Dicke des Faserkörpers benötigte wird, da dieser einem Nadelstoßverfahren unterworfen wird. Aus diesem Grund können extrem niedrige Emissionseigenschaften und ein zufriedenstellender Zusammenbau erreicht werden.
(3) Gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Halte- und Siegelmaterials dieser Ausführungsform, können Fasern verlässlich und einheitlich miteinander verwoben werden, was eine niedrigere Dichte der Nadelstoßpunkte ermöglicht. Aus den oben beschriebenen Tatsachen und gemäß diesem Herstellungsverfahren kann das oben beschriebene Halte- und Siegelmaterial 1 für einen Katalysator leicht und zuverlässig erhalten werden.

Außerdem kann die erfindungsgemäße Ausführungsform wie folgt geändert werden. Die Fasern können mit einem anderen mechanischen Faserwebverfahren als dem Nadelstoßverfahren miteinander verwoben werden. Außerdem können in einem nicht mechanischen Faserwebverfahren Wasserkraft, Luftkraft oder ähnliches angewendet werden.
Die Form des Halte- und Siegelmaterials 1 kann frei geändert werden. Beispielsweise können die konkaven und konvexen Teile 11 und 12 weggelassen werden, um eine einfachere Form bereitzustellen.
Die Profilform des Katalysatorträgers 3 ist nicht auf einen Kreis limitiert sondern eine elliptische oder rechteckige Form ist beispielsweise auch akzeptabel. In Übereinstimmung damit, kann in diesem Fall die Profilform der Metallhülle 2 in eine elliptische oder rechteckige Form geändert werden.
Andere als die vorausgegangenen Metalle können von dem Katalysatorträger 3 als Katalysator getragen werden.
Für den Katalysatorträger 3 wird ein wabenförmiger Cogierite-Träger verwendet, jedoch kann ein wabenförmiger porös gesinterter Körper, wie z. B. Silikoncarbid oder Silikonnitrid, ebenfalls verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Halte- und Siegelmaterial 1 kann nicht nur in einem Katalysator 5 als Abgasreinigungsvorrichtung verwendet werden, sondern beispielsweise auch als Dieselpartikelfilter (DPF) und als Katalysator für Brennstoffzellen.

Claims

Halte- und Siegelmaterial 1 angeordnet zwischen einem Katalysatorträger 3 und einer Metallhülle 2, die den Katalysatorträger bedeckt, wobei das Halte- und Siegelmaterial 1 einen Faserkörper umfasst, der im Wesentlichen aus auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern besteht, welche einen Mullitkristallgehalt von 10 Gew.-% oder weniger aufweisen und wobei der Faserkörper einem Nadelstoßverfahren unterworfen wurde und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Dicke des Faserkörpers ungefähr 1,1 bis 4,0 mal so groß wie die Lücke zwischen dem Katalysatorträger 3 und der Metallhülle 2 ist.
Halte- und Siegelmaterial 1 angeordnet zwischen einem Katalysatorträger 3 und einer Metallhülle 2, die den Katalysatorträger bedeckt, wobei das Halte- und Siegelmaterial 1 einen Faserkörper umfasst, der im Wesentlichen aus auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern besteht, welche einen Mullitkristallgehalt von 0,5 bis 4 Gew.-% aufweisen und wobei der Faserkörper einem Nadelstoßverfahren unterworfen wurde und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Dicke des Faserkörpers ungefähr 1,1 bis 4,0 mal so groß wie die Lücke zwischen dem Katalysatorträger 3 und der Metallhülle 2 ist.
Das Halte- und Siegelmaterial gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die genannten auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden keramischen Fasern eine chemische Zusammensetzung mit einem Aluminiumoxidgehalt zwischen 68 Gew.-% und 83 Gew.-% und einen Siliziumdioxidgehalt zwischen 17 Gew.-% und 32 Gew.-% aufweisen.
Das Halte- und Siegelmaterial gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern aus einer Aluminiumsilizium-Spinelverbindung hergestellt werden, die mindestens eine aus der Gruppe von γ-Aluminiumoxid, δ-Aluminiumoxid oder χ-Aluminiumoxid enthält.
Das Halte- und Siegelmaterial gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Gehalt der organischen Komponente in dem Faserkörper 1 Gew.-% oder weniger ist.
Das Halte- und Siegelmaterial gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der mittlere Durchmesser der auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern 7 μm bis 13 μm ist.
Das Halte- und Siegelmaterial gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das zwischen dem Katalysatorträger 3 und der Metallhülle 2 angeordnete Siegelmaterial einen Kontaktdruck von 0,02 MPa oder mehr aufweist.
Das Halte- und Siegelmaterial gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dichte der genannten Nadelstoßpunkte zwischen 10 und 500 Punkten pro 100 cm² beträgt.
Halte- und Siegelmaterial 1 angeordnet zwischen einem Katalysatorträger 3 und einer Metallhülle 2, welche den Katalysatorträger bedeckt, wobei das Halte- und Siegelmaterial einen Faserkörper umfasst, der im Wesentlichen aus auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden Keramikfasern besteht, welche einen Mullitkristallgehalt von 10 Gew.-% oder weniger aufweisen, wobei einige der genannten keramischen Fasern in Richtung der Dicke des genannten Faserkörpers miteinander verwoben sind.
Verwendung eines Halte- und Siegelmaterials 1, welches zwischen einem Katalysatorträger 3 und einer den Katalysatorträger bedeckenden Metallhülle 2 angeordnet ist, und dadurch gekennzeichnet ist, dass das Halte- und Siegelmaterial 1 durch Faserspinnen hergestellt wird, wobei als Rohmaterial eine wässrige Lösung verwendet wird, die aus einer Mischung aus Aluminiumsalz, einem Kieselsol und einem organischen Polymer besteht, um auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierende keramische Fasern herzustellen; Stapeln der auf Aluminiumoxid-Siliziumdioxid basierenden keramischen Fasern, um einen Faserkörper herzustellen; Anwenden eines Nadelstoßverfahrens auf dem Faserkörper; und Backen des dem Nadelstoßverfahren unterzogenen Faserkörpers, um ein Halte- und Siegelmaterial 1 herzustellen, welches einen Faserkörper mit einem Mullitkristallgehalt von 10 Gew.-% oder weniger aufweist.
Verwendung eines Halte- und Siegelmaterials gemäß Anspruch 10, wobei die Backtemperatur im genannten Backschritt 1100°C bis 1300°C beträgt.
Verwendung eines Halte- und Siegelmaterials gemäß Anspruch 11, wobei die Backzeit im genannten Backschritt 1 bis 60 Minuten beträgt.
Katalysator 5 umfassend: Einen Katalysatorträger 3; eine Metallhülle 2, der den genannten Katalysatorträger bedeckt; und ein Halte- und Siegelmaterial 1 gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9.