一种净化器及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机动车排气净化领域，尤其是一种净化器及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着空气污染问题的日益突出和汽车数量的迅速增加，汽车排放的废气已成为城 市大气环境污染的主要污染源之一。汽车尾气中的有害物质主要有C0、NOx和HC，多环芳 烃（PAH)以及悬浮物（SPM)等。NOx和HC在大气中经过一系列的光化学反应，易生成臭氧 等多种氧化性很强的物质，形成光化学烟雾。光化学烟雾不仅严重危害人的健康，而且会对 动植物和各种材料造成严重破坏。
[0003] 净化器，是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出 的C0、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。当高 温的汽车尾气通过净化装置时，净化器中的净化剂将增强C0、HC和NOx三种气体的活性，促 使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中C0在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气 体；HC化合物在高温下氧化成水（H20)和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。三种有害气体 变成无害气体，使汽车尾气得以净化。
[0004] 汽车尾气净化器包括壳体、载体和覆盖于载体表面的催化剂。早期的载体多采用 颗粒载体，但由于颗粒载体的催化剂具有堆集密度大、床层阻力大、易粉碎等缺点，不适于 汽车尾气净化。而蜂窝状整装催化剂载体由于具有纵向、连续、不受阻挡的通道，排气阻力 小等优点，在后来的研究中被广泛应用于汽车尾气的净化，目前汽车尾气催化剂多采用这 类载体。20世纪70年代初，3M公司和福特公司用烧结法生产出一种蜂窝陶瓷载体，1972年 康宁公司也开发出一种蜂窝陶瓷载体，1986年康宁公司在西德设备厂生产蜂窝陶瓷载体， 以满足欧洲汽车工业的需要，为车用催化剂的大规模推广奠定了坚实的物质基础。我国大 约在20世纪80年代中期开始生产蜂窝陶瓷载体，虽然经过了十几年的发展，但由于技术、 设备等原因，与国外的产品相比，还有一定的差距。
[0005] 陶瓷载体是目前广泛使用的汽车尾气净化催化剂载体，其中比较常见的是堇青石 质蜂窝陶瓷载体。工业化的堇青石陶瓷制备方法，多以高岭土、滑石或纯组分氧化物为原 料，采用高温固相反应合成。该方法具有生产工艺简单，生产效率高等优点；但其存在的最 大问题就是合成温度高，能源消耗大，烧结温度达1390~1400°C，且其烧结温区很窄。如 引入玻璃相，可以适当降低堇青石陶瓷的烧结温度，拓宽其烧结温区，但却提高了其热膨胀 系数，降低了抗热震和侵蚀的能力。沉淀包裹法和溶胶-凝胶法工艺要求比较严格，合成过 程复杂，原料多为有机化合物，价格昂贵，有些还对人体有害，很难满足工业应用要求。在利 用添加助剂改善堇青石陶瓷性能方面，助剂多为单一组元，往往平均热膨胀系数很小，但其 a轴和c轴的热膨胀系数却存在较大差异，很难使"零膨胀"与各向异性热效应相协调，从而 降低了堇青石陶瓷的热性能。
[0006] 氧化铝也是一种常见的陶瓷材料，具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗氧化等许多优良 的性能，但是由于氧化铝自身阳离子电荷多，半径小，离子键强等特点，导致其晶格能较大， 扩散系数较低，烧结温度高，另外也由于其脆性大、热膨胀系数高的缺陷使其应用受到了一 定的限制，故亟需寻找一种可以解决上述问题的有效方法。
【发明内容】
[0007] 为解决上述问题，本发明公开了一种净化器及其制备方法，该尾气净化剂的载体 是以氧化铝为基质，加入烧结助剂、稀土氧化物和碳纤维使制得的载体具有高抗压强度、较 低的热膨胀系数和较低的烧结温度。
[0008] 本发明的技术方案是：一种净化器，包括壳体和蜂窝陶瓷载体，蜂窝陶瓷载体固 定在壳体内，所述蜂窝陶瓷载体的多孔结构包括弯曲的蛇形通道和直道，直道连通到蛇 形通道上，所述蜂窝陶瓷载体的组分及其质量分数包括：烧结助剂：6-10 %，稀土氧化物： 2-5%，粘结剂：2-4%，碳纤维：1-2%，余量为氧化铝粉体。在陶瓷载体内部设置部分弯曲 的蛇形通道，并与直道连通，使得尾气气流在经过连通处时形成涡流或者湍流而发生不规 则混合，起到搅拌的作用，同时蛇形通道也增加了尾气与通道表面催化剂的接触面积以及 接触压力，有效提高催化效率。（其中直道连通到载体表面，蛇形通道设置在载体内部，如此 设置可以降低载体表面的进气阻力，从而提高高速高温尾气进入载体进行净化的效率）
[0009] 作为一种优选，直道与蛇形通道的长度比为（5-6) : (2-4)。当直道与蛇形通道的 长度比为（5-6):(2-4)时，可明显提高催化效率，如果蛇形通道长度比例过高，超出这个范 围，会因短时间大流量的尾气通入蛇形通道而导致进气压力过高使陶瓷坯体产生裂纹。
[0010] 作为一种优选，蜂窝陶瓷载体的平均壁厚为1-3_。平均壁厚小于1_时，陶瓷载 体部分区域会由于孔壁过薄而承受不住尾气的冲击而出现裂纹，但若平均壁厚超过3mm，会 因为厚度太大导致传热效果不佳，也会减小气孔的表面积，直接导致催化面积变小，无法达 到最佳的催化效果，故陶瓷载体的平均厚度为l_3mm。
[0011] 作为一种优选，氧化铝粉体粒径为150-200nm。普通氧化铝质陶瓷材料往往需要较 高的烧结温度而增加了其在尾气净化器中的应用成本。由于烧结是通过表面张力来实现物 质的迀移，故需要较高的活化能，而细化的氧化铝陶瓷颗粒粒径小、比表面积大、表面活性 高，颗粒间扩散的距离短，只需要较低的烧结活化能和烧结温度，能够明显改善陶瓷体的物 理性能，显示出优良的力学性能。
[0012] 作为一种优选，烧结助剂为MgO、CaO、Si02、V20 5、Fe203、Ti02中的至少两种。多种 烧结助剂的加入能有效降低氧化铝陶瓷材料的热膨胀系数和烧结温度，提高烧结性能，由 于氧化铝纳米粉体颗粒的表面能较大，高温烧结致密化的过程中晶粒容易迅速生长影响材 料力学性能，而在氧化铝陶瓷涂料中加入烧结助剂，一方面可抑制其晶粒在高温时长大，另 一方面，还可降低其烧结温度。
[0013] 添加2-5 %的稀土氧化物，例如氧化镧、氧化铈、氧化镨，均可明显改善氧化铝陶瓷 材料的显微结构和性能，其中镧、铈、镨元素是表面活性元素，当其氧化物颗粒与基体颗粒 相遇时，倾向于分布在基体颗粒表面，吸附晶界处的杂质，净化晶界。另外稀土氧化物颗粒 与氧化铝颗粒接触反应形成低熔点液相，可明显降低陶瓷的烧结温度。当稀土氧化物含量 低于2%时，烧结温度降低不明显，影响净化器的表面活性，而含量高于5%时，会导致孔隙 率大大降低，并不利于增加陶瓷材料的比表面积，故其含量没有必要大于5%。
[0014] 作为一种优选，粘结剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素或羟丙基纤维素中的一种。甲 基纤维素、羧甲基纤维素与羟丙基纤维素的分子间距比较大，其分子链互相交联，形成网络 结构，陶瓷颗粒进入网状结构而被粘结在一起，故而能起到非常好的粘结作用。另外由于碳 纤维有一定的疏水性，所以甲基纤维素、羧甲基纤维素与羟丙基纤维素还可作为分散剂来 加强对碳纤维的分散效果，使分散更加均匀。
[0015] 作为一种优选，碳纤维的长度为4-10mm。短切碳纤维具有强度高、模量高、密度低、 化学性能稳定、热膨胀系数小等优点，在陶瓷材料受到外力冲击过程中，短切碳纤维可以改 变裂纹扩散路径，吸收断裂能量，还能实现对不同晶界、结晶区以及杂质缺陷区域的跨界连 接，在增强陶瓷抗压强度方面起到了重要的作用，而且短切的碳纤维在陶瓷浆料中能够实 现更均匀的分散。
[0016] 作为一种优选，碳纤维为经过等离子体表面预处理的。碳纤维表面惰性比较大，与 陶瓷基体的相容性比较差，易在界面上形成孔隙和缺陷，致使与界面的结合强度较低。使用 等离子体处理碳纤维主要是通过等离子体撞击碳纤维表面，从而刻蚀碳纤维表层，使其表 面的粗糙度增加，表面积也相应增加，故而碳纤维在陶瓷基体中的浸润性有大幅度的增加； 同时等离子体处理碳纤维能使碳纤维的石墨化程度和规整性降低，与陶瓷基体的机械铰合 点增加，故而粘结性也增加；等离子体处理可在碳纤维表面形成游离基，改善界面结合力， 提尚力学性能。
[0017] -种净化器的制备方法，包括如下步骤：
[0018] 1)陶瓷浆料制备：将氧化铝粉体、烧结助剂、稀土氧化物、粘结剂混合均匀得到混 合粉料，将混合粉料与水以（80-85) : 100的质量比进行充分混合，再加入碳纤维，分散均匀 得到陶瓷浆料；
[0019] 2)成型制坯，得到素坯；本步骤的具体实施为将步骤1)所得浆料通过挤出成型设 备进行；
[0020] 3)烧结：a.将素坯在常压下于1100-1200°C烧结60-90min，b.调节压力至20MPa， 调节温度至800-1000°C继续烧结30-60min，c.在500-700°C下保温90-120min，得到蜂窝 陶瓷载体；
[0021] 4)载体涂覆与浸渍：将浆料溶液涂敷于制得的蜂窝陶瓷载体表面，经干燥处理后 再将载体放入含钯、铂、铑的活性组分溶液中进行浸渍处理；
[0022] 5)后续处理：将步骤4)得到的载体经干燥及焙烧处理（放入焙烧炉内按如 下温度曲线进行加热焙烧，时间控制在5-8h :-区：170-190°C，二区：200-240°C，三区： 280-320°C，四区：370-500°C，五区：500-520°C )后与壳体进行组装，制成完整的净化器。
[0023] 作为一种优选，步骤4)涂覆分为两次完成，其中第二次涂覆湿增重比第一次重 45-55% (这里的涂覆湿增重是指载体经涂覆后质量的增加量）。
[0024] 作为一种优选，步骤4)涂覆后的载体堵孔率小于1 %。若有堵孔