专利名称：夹心混杂的安装垫的制作方法
技术领域：
本发明公开了一种用于在污染控制装置内安装污染控制元件的多层垫。
背景机动车上利用污染控制装置以减少大气污染。目前有两种装置得到广泛应用催化转化器和柴油机微粒过滤器或捕集器。催化转化器中包含一种或多种催化剂，它们通常涂布在整体结构的表面上。所述整体结构通常是陶瓷的，尽管金属整体结构也已得到了应用。催化剂氧化一氧化碳和碳氢化合物，或还原废气中的氮氧化物。柴油机微粒过滤器或捕集器通常是壁流过滤器的形式，它们具有由多孔结晶陶瓷材料制备的蜂窝状整体结构。在这些污染控制装置的现有构造中，每种类型的整体结构都包在金属外壳中。
防护性填充材料通常置于整体结构和金属外壳之间，以防止整体结构因在路上颠簸和震动而受到损坏，从而弥补金属外壳和整体结构间的热膨胀差异，并防止废气从整体结构和金属外壳间通过。放置防护性填充材料的过程称作“罐封”，包括如下步骤将糊状物注入整体结构和金属外壳之间的空隙中，或者在整体结构外面包裹一层片状材料(即，安装垫)，将包裹好的整体结构塞入外壳中，压缩外壳封闭，和沿外壳侧缘焊接凸缘。
通常，用来形成常规防护性填充材料的组合物包括玻璃或耐火陶瓷纤维，其提供诸如耐高温、良好处理性、弹性高、柔韧性高和强度高等性质。还可以包含膨胀性材料，使防护性填充材料在高温时容积膨胀。这种膨胀有助于在使用中将整体结构固定在适当位置。
概述本发明提供多层垫、含有多层垫的污染控制装置和制造多层垫的方法。更具体而言，多层垫包括夹在两个非膨胀层之间的膨胀层。
在一个方面中，提供一种多层垫，其包括至少三层具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面的膨胀层；面向膨胀层的第一主表面的第一非膨胀层；和面向膨胀层的第二主表面的第二非膨胀层。膨胀层具有面积A1。第一非膨胀层含有无机纤维和具有大于面积A1的面积A2。第二非膨胀层含有无机纤维和具有大于面积A1的面积A3。膨胀层完全位于第一非膨胀层和第二非膨胀层的面积内。
在另一个方面中，提供一种形成多层垫的方法。提供一种膨胀层，其包括第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面。膨胀层具有面积A1。第一非膨胀层面向膨胀层的第一主表面。第一非膨胀层含有无机纤维和具有大于面积A1的面积A2。第二非膨胀层面向膨胀层的第二主表面。第二非膨胀层含有无机纤维和具有大于面积A1的面积A3。膨胀层完全位于第一非膨胀层和第二非膨胀层的面积内。
本发明另一个方面提供一种污染控制装置，其包括金属外壳，污染控制元件和置于污染控制元件和金属外壳之间的多层垫。多层垫包括至少三层具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面的膨胀层；面向膨胀层的第一主表面的第一非膨胀层；和面向膨胀层的第二主表面的第二非膨胀层。膨胀层具有面积A1。第一非膨胀层含有无机纤维和具有大于面积A1的面积A2。第二非膨胀层含有无机纤维和具有大于A1的面积A3。膨胀层完全位于第一非膨胀层和第二非膨胀层的面积内。
本文中，术语″一种(a)″，″一种(an)″，和″该(the)″与″至少一种(atleast one)″交换可用，用于指所述的一种或多种成分。
附图简述通过结合下面附图对本发明的各种实施方案所作的详细描述，可以更完整地理解本发明，在附图中
图1是多层垫一个实施方案的示意性截面图。
图2A和图2B是多层垫不同实施方案的示意性俯视图，其中膨胀层在多层垫的整个长度上延伸。
图3A和图3B是多层垫不同实施方案的示意性俯视图，其中膨胀层是分段的，并且在小于多层垫的整个长度上延伸。
图3C是包住椭圆形污染控制元件的多层安装垫的一个实施方案的示意性截面图。
图4A和图4B是具有至少一个非膨胀层的多层垫的实施方案的示意性截面图，其中不平主表面面向膨胀层。
图5是平行四边形多层垫的实施方案的示意性俯视图，其中端部和边缘形成了90度之外的角度。
图6是具有可以用舌状物和凹槽结构连接的相对端部的多层垫的示意性俯视图。
图7是本发明实施方案的催化转化器的示意性立体图，所示为分解图。
图8是本发明实施方案的柴油机微粒过滤器沿中心线的径向剖面图。
尽管本发明具有各种变化和替代形式，但附图仍例举了其细节，下面对这些细节将进行详细描述。然而，应当理解，这种描述无意使本发明受限于所描述的具体实施方案。相反，本发明涵盖符合本发明精神和范围的所有变化、等价物和替代形式。
详细说明提供的多层垫包括夹在两个非膨胀层之间的膨胀层。每个非膨胀层的面积大于膨胀层的面积，膨胀层完全位于第一非膨胀层和第二非膨胀层的面积内。
更具体而言，提供一种多层垫，其包括至少三层具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面的膨胀层；面向膨胀层的第一主表面的第一非膨胀层；和面向膨胀层的第二主表面的第二非膨胀层。膨胀层具有面积A1。第一非膨胀层含有无机纤维和具有大于面积A1的面积A2。第二非膨胀层含有无机纤维和具有大于面积A1的面积A3。
在多层垫的一些实施方案中，第一非膨胀层的面积A2基本上等于第二非膨胀层的面积A3。本文中，术语″基本上等于″指第一测量值与第二测量值的差值小于约10％。在一些实施方案中，第一测量值与第二测量值的差值小于8％，小于7％，小于5％，小于3％，小于2％，或小于1％。
在面积A2基本上等于面积A3的一些多层垫中，第一非膨胀层具有长度L2，第二非膨胀层具有基本上等于长度L2的长度。此外，第一非膨胀层具有宽度W2，第二非膨胀层具有基本上等于宽度W2的宽度。
在多层垫的许多实施方案中，第一非膨胀层与第二非膨胀层对齐。然而，与其他层相比，其中一层可以有点歪斜，只要多层垫能够有效地包住污染控制装置内的污染控制元件即可。
本文中，术语″宽度″指在层或垫的平面中二维尺寸中较短的那个。相反，术语″长度″指层或垫的平面中二维尺寸中较长的那个。如果两个尺寸基本上相等，那么术语宽度和长度可以互换。宽度和长度指层或垫的外部尺寸。
本文中，术语″面积″指从层或垫的外部尺寸计算出的层或垫的面积(即，对于矩形垫，其面积等于长度乘以宽度)。因此，如果外部尺寸基本上相等，那么包括槽的层或垫具有基本上等于没有槽的层或垫的面积。
本文中，术语″槽″指具有非平表面的层或垫，其中表面的一部分比表面的相邻部分低。
本文中，术语″表面积″不是指从层或垫的外部尺寸计算出的面积。相反，表面积指层或垫的表面特性(例如，轮廓)。具有相同外部尺寸的垫或层可能具有不同表面积。例如，如果一个垫或层具有包括槽的表面，那么与具有相同外部尺寸的平面垫或层相比，将具有更大表面积。
图1是多层垫100的一个实施方案的示意性截面图。该截面图平行于多层垫的宽度。多层垫包括按如下顺序排列的三层含有无机纤维的第一非膨胀层110，膨胀层120和含有无机纤维的第二非膨胀层130。在图1所示多层垫的实施方案中，膨胀层120的宽度比第一非膨胀层110或第二非膨胀层130都要小。
尽管图1显出了仅有三层的多层垫，但是可以存在另外的膨胀层，另外的非膨胀层或其组合。多层垫例如可以具有两个或多个相邻的膨胀层，两个或多个相邻的非膨胀层或交替的非膨胀和膨胀层。
多层垫的一些具体例子包括但不限于按如下顺序排列的各层非膨胀/膨胀/非膨胀/膨胀/非膨胀；非膨胀/非膨胀/膨胀/非膨胀；非膨胀/膨胀/膨胀/非膨胀等。所有这些例子都包括夹在两个非膨胀层之间的膨胀层。所有这些例子都包括非膨胀外层。
本文中，″膨胀″指在加热到约800℃～约900℃的温度下厚度表现出至少10％自由膨胀的材料。当加热到这些温度时，一些膨胀材料厚度具有至少12％，至少15％，或至少20％的自由膨胀。在至少约400℃或至少约500℃的温度下，膨胀材料通常至少在某种程度上膨胀。自由膨胀指当加热时材料在Z-轴上的膨胀量不受限制。
本文中，″非膨胀″指在相同条件下厚度表现出小于10％自由膨胀的材料。当加热时非膨胀材料膨胀小于8％，小于6％，小于4％，小于2％，或小于1％。
图2A是多层垫150的一个实施方案的示意性俯视图。第一非膨胀层110位于膨胀层120上方。当从上方观察多层垫时，仅能看到第一非膨胀层110。膨胀层120具有比第一非膨胀层110的宽度W2更小的宽度W1。膨胀层120具有基本上等于第一非膨胀层110的长度L2的长度L1。即，在此实施方案中，膨胀层120沿多层垫150的整个长度延伸。
在图2A中，第二非膨胀层(图未示)与第一非膨胀层110对齐。第二非膨胀层的面积，宽度和长度基本上等于第一非膨胀层110的相应面积A2，宽度W2和长度L2。膨胀层120的面积A1小于第一非膨胀层110的面积A2和小于第二非膨胀层的面积。即，面积A2大于面积A1。
在图2A中，膨胀层120相对于非膨胀层110设置，使得多层垫150的两个外边缘152和154在长度方向上没有膨胀材料。至少在压缩下的一些多层垫150中，选择膨胀层120的厚度，使得第一非膨胀层110可以沿多层垫150的外边缘152和154在长度方向上接触第二非膨胀层。
图2B与图2A相似，除了膨胀层120相对于非膨胀层110设置，使得多层垫155的外边缘157和159仅有一个而不是两个在长度方向上没有膨胀材料(即，边缘159没有膨胀材料，而边缘157不是这样)。至少在压缩下的一些多层垫155中，选择膨胀层120的厚度，使得第一非膨胀层110可以沿多层垫的一个边缘159接触第二非膨胀层(图未示，但与第一非膨胀层对齐)。膨胀层的宽度W1小于第一非膨胀层110的宽度W2和小于第二非膨胀层的宽度。相似地，膨胀层的面积A1小于第一非膨胀层的面积A2和小于第二非膨胀层的面积。即，面积A2大于面积A1。
图3A是多层垫160的另一个实施方案的示意性俯视图，其中膨胀层分成两段或多段。在这种多层垫160中，膨胀层分成相互分开的膨胀段120a和120b。膨胀层的延伸小于多层垫的整个长度。即，膨胀段120a的长度L1a和膨胀段120b的长度L1b之和小于第一非膨胀层110的长度L2。膨胀段120a和120b的宽度W1基本上等于第一非膨胀层的宽度W2。膨胀层的总面积A1(不同膨胀段120a和120b的面积之和)小于第一非膨胀层110的面积A2(即，面积A2大于面积A1)。第二非膨胀层(图未示，但与第一非膨胀层对齐)其面积，长度和宽度基本上等于第一非膨胀层的值。
膨胀层的各段具有与第一非膨胀层相同的宽度(如图3A所示)或宽度可以比第一非膨胀层小(如图3B所示)。此外，各膨胀段可以具有基本上相同或不同的长度和基本上相同或不同的宽度。
在图3B所示的一些多层垫中，膨胀层段120a和120b相对于第一非膨胀层110设置，使得多层垫165的至少一个外边缘169沿长度方向没有膨胀材料。选择膨胀层段120a和120b的厚度，使得当压缩多层垫165时，第一非膨胀层110沿多层垫165的至少一个边缘169沿长度方向接触第二非膨胀层。
多层垫可以环绕包住污染控制元件，以在金属外壳和污染控制元件间提供绝缘。图3A和图3B中所示的多层垫例如可以用作污染控制装置中的安装垫，其中污染控制元件具有图3C所示的椭圆截面。在图3C中，多层垫192环绕包住污染控制元件191。膨胀段193A和193B位于污染控制元件具有最小曲率半径的整个区域上。在多层垫192中，非膨胀层之一处于污染控制元件191和膨胀段193A与193B之间。
如图1所示，面向膨胀层的第一非膨胀层的表面和第二非膨胀层的表面可以是平的。在其他实施方案中，面向膨胀层的第一非膨胀层的表面，面向膨胀层的第二非膨胀层的表面，或面向膨胀层的第一和第二非膨胀层的表面可以具有槽。槽可以如图4A所示，其是多层垫一个实施方案的示意性截面图。截面图沿着多层垫200的宽度。非膨胀层110和130每一个在面向膨胀层的主表面上都具有槽(即，第一非膨胀层中的第一槽111和第二非膨胀层中的第二槽131)。第一槽111与第二槽131对齐，以提供放置膨胀层120的空腔。
尽管图4A中的槽深度等于非膨胀层厚度的约50％，但可以使用任何槽深度。在一些例子中，槽占非膨胀层厚度的不大于50％，不大于40％，不大于30％，不大于20％，或不大于10％。此外，尽管图4A示出了U-形槽，但槽可以具有适于在其中放置膨胀层的任何形状。
在一些多层垫中，在非膨胀层中具有多个槽，膨胀层分段，膨胀层的各段位于每个槽中。
与膨胀层120相对的非膨胀层的主表面是平的(即，图4A中的表面112和132是平的)。膨胀层120安装在由第一非膨胀层110中的第一槽111和第二非膨胀层130中的第二槽131形成的空腔中。第一非膨胀层110的宽度W2基本上等于第二非膨胀层130的宽度(即，宽度是由层的外部尺寸决定的)。膨胀层的宽度W1通常不大于由第一槽111和第二槽131形成的空腔的宽度。
面向膨胀层的每一非膨胀层侧面(即，在图4A中含有槽111和131的侧面)的表面积大于与膨胀层相对的每一非膨胀层侧面(即，在图4A中侧面112和132)的表面积。然而，面向膨胀层的第一非膨胀层侧面(即，在图4A中含有槽111的侧面)的表面积可以基本上等于或不同于面向膨胀层的第二非膨胀层侧面(即，在图4A中含有槽131的侧面)的表面积。这两个表面积可以基本上相等，例如，当槽的尺寸基本上相等时。不管面向膨胀层的非膨胀层侧面的表面积如何，图4A中第一非膨胀层的面积A2基本上等于第二非膨胀层的面积(即，从各层外部尺寸计算出的面积A2；这两层的长度和宽度基本上相等)。
在其他实施方案中，如图4B所示，非膨胀层之一在面向膨胀层的主表面上具有槽，其他非膨胀层具有面向膨胀层的平表面。图4B是沿多层垫宽度的示意性截面图。膨胀层120装配在由第一非膨胀层110中的第一槽111和第二非膨胀层130中的平表面133形成的空腔中。非膨胀层的外表面(即，表面112和表面132)是平的。面向膨胀层120的第一非膨胀层的表面积不等于面向膨胀层的第二非膨胀层的表面积，尽管这两层的总尺寸(即，长度和宽度)基本上相等。因为第一和第二非膨胀层的总尺寸基本上相等，所以这两层的面积基本上相等。
多层垫通常是柔韧性的。通常垫子可以在不破坏或破裂的情况下被处理，并包住污染控制装置中的污染控制元件。当包住污染控制元件时，多层垫的端部可以符合各种接界。例如，各端部可以形成垂直于多层垫长度的线性接界。形成这种接界的多层垫示于图2A和图2B中，其中当多层垫的端部和边缘形成90度角(例如，在图2A中端部151和边缘152形成90度角；在图2B中端部156和边缘157形成90度角)。当在图2A多层垫150中端部151与端部153连接时，形成垂直于垫子长度的线性接界。相似地，当在图2B的多层垫155中端部156和158连接时，形成垂直于垫子长度的线性接界。
在其他例子中，多层垫的端部可以形成不垂直于多层垫长度的线性接界。图5示出了形成与长度不垂直的接界的垫子。图5中的多层垫具有平行四边形形状，包括形成大于或小于90度角的端部和边缘(例如，端部171和边缘172形成大于90度的角；端部173和边缘172形成小于90的角)。当在图5的多层垫170中端部173与端部171连接时，形成不垂直于垫子长度的线性接界。
可选择地，多层垫的端部可以连接形成非线性接界。例如，可以使用在图6所示为多层垫180设计的舌状物185和凹槽186连接垫子的端部。即，舌状物185可以置于凹槽186中，以连接多层垫180的相对端部(即，第一端部是188，第二端部是189)。可以使用本领域已知的任何其他适合的接合方式。
多层垫包括在膨胀层两侧上的非膨胀层。第一非膨胀层和第二非膨胀层的组成可以相同或不同。每个非膨胀层含有无机纤维。可以选择适于污染控制装置用安装垫的任何无机纤维。例如，无机纤维可以是氧化铝纤维，莫来石纤维，石英纤维，碳化硅纤维，氮化硅纤维，金属纤维，铝硅酸盐纤维，镁铝硅酸盐纤维，铝硼硅酸盐纤维，氧化锆纤维，氧化钛纤维等。纤维可以是无定形的、结晶的或其组合。
石英纤维以商品名″ASTROQUARTZ″由J.P.Stevens，Inc.(Slater，NC)市售。碳化硅纤维由Nippon Carbon(Tokyo，Japan)以商品名″NICALON″市售或由Textron Specialty Materials(Lowell，MA)以商品名″TYRANNO″市售。氮化硅纤维由Toren Energy International Corp.(New York，NY)市售。金属纤维由Beckaert(Zweregan，Belgium)以商品名″BEKI-SHELD GR 90/C2/4″市售和由Ribbon Technology Corp.(Gahana，OH)以商品名″RIBTEC″市售。
在非膨胀层的一些实施方案中，无机纤维是玻璃纤维。本文中，术语″玻璃纤维″指从已经冷却但没有大量结晶的无机熔化材料制备的无机纤维。使用x-射线衍射或透射电子显微镜技术测定玻璃纤维是无定形的。至少在一些应用中，玻璃纤维没有渣球(即，纤维含有不大于5wt.％渣球，不大于3wt.％渣球，不大于2wt.％渣球，不大于1wt.％渣球，或不大于0.5wt.％渣球)。本文中，术语″渣球″指非纤维粒子，可以是一些无机纤维形成过程中的副产物。
适合的玻璃纤维通常是镁铝硅酸盐纤维。这种玻璃纤维可以含有至少50wt.％SiO2，至少8wt.％Al2O3，和至少1wt.％氧化镁。例如，镁铝硅酸盐纤维可以含有50～70wt.％，50～60wt.％，60～70wt.％，或55～65wt.％SiO2；8～30wt.％，10～20wt.％，或20～30wt.％Al2O3；和1～15wt.％，1～12wt.％，1～10wt.％，或1～8wt.％氧化镁。可以存在另外的氧化物，如氧化钠，氧化钾，氧化硼，氧化钙等。
镁铝硅酸盐玻璃纤维的具体例子是E-玻璃纤维，S-玻璃纤维，S2-玻璃纤维和R-玻璃纤维。E-玻璃纤维通常含有约55wt.％SiO2，约11wt.％Al2O3，约6wt.％B2O3，约18wt.％CaO，约5wt.％MgO，和约5wt.％其他氧化物。S-玻璃和S2-玻璃纤维通常含有约65wt.％SiO2，约25wt.％Al2O3，和约10wt.％MgO。R-玻璃纤维通常含有约60wt.％SiO2，约25wt.％Al2O3，约9wt.％CaO和约6wt.％MgO。E-玻璃纤维，S-玻璃纤维和S2-玻璃纤维由Advanced Glassfiber Yarns，LLC(Aiken，SC)和Owens-Coming Fiberglass Corp.(Granville，OH)市售。R-玻璃纤维由Saint-Gobain Vetrotex(Herzogenrath，Germany)市售。
非膨胀层中可以使用各种耐火陶瓷纤维。在一些实施方案中，陶瓷纤维是无定形的，主要含有Al2O3和SiO2。可以存在少量其他氧化物。Al2O3与SiO2的重量比(Al2O3∶SiO2)通常大于或等于20∶80，30∶70，35∶65，40∶60，45∶55，50∶50，55∶45，60∶40或70∶30。陶瓷纤维通常包括至少30wt.％SiO2和至少20wt.％Al2O3。例如，按纤维重量计，适合的陶瓷纤维可以含有30～80wt.％的SiO2和20～70wt.％的Al2O3。在一些具体例子，按纤维重量计，陶瓷纤维可以含有40～60wt.％的SiO2和40～60wt.％的氧化铝。在其他具体例子中，按纤维重量计，陶瓷纤维可以含有45～55wt.％的SiO2和45～55wt.％的Al2O3。
主要含有Al2O3和SiO2的示例性无定形陶瓷纤维包括但不限于由Thermal Ceramics(Augusta，GA)以商品名″KAOWOOL HA BULK″市售的那些，按纤维重量计含有50wt.％SiO2和50wt.％Al2O3；由ThermalCeramics以商品名″CERAFIBER″市售的那些，按纤维重量计含有54wt.％SiO2和46wt.％Al2O3；由Thermal Ceramics以商品名″KAOWOOL D73F″市售的那些，按纤维重量计含有54wt.％SiO2和46wt.％Al2O3；由Rath(Wilmington，DE)以商品名″RATH 2300RT″市售的那些，按纤维重量计含有52wt.％SiO2，47wt.％Al2O3，和不大于1wt.％Fe2O3，TiO2和其他氧化物；由Rath以商品名″RATHALUMINO-SILICATE CHOPPED FIBER″市售的那些，按纤维重量计含有54wt.％SiO2，46wt.％Al2O3，和不大于1wt.％其他氧化物；由Vesuvius(Buffalo，NY)以商品名″CER-WOOL RT″市售的那些，按纤维重量计含有49～53wt.％SiO2，43～47wt.％Al2O3，0.7～1.2wt.％Fe2O3，1.5～1.9wt.％TiO2，和不大于1wt.％其他氧化物；由Vesuvius以商品名″CER-WOOLLT″市售的那些，按纤维重量计含有49～57wt.％SiO2，38～47wt.％Al2O3，0.7～1.5wt.％Fe2O3，1.6～1.9wt.％TiO2，和0～0.5wt.％其他氧化物；和由Vesuvius以商品名″CER-WOOL HP″市售的那些，按纤维重量计含有50～54wt.％SiO2，44～49wt.％Al2O3，0～0.2wt.％Fe2O3，0～0.1wt.％TiO2，和不大于0.5wt.％其他氧化物。
在其他实施方案中，陶瓷纤维是无定形的，主要含有SiO2，Al2O3和ZrO2。可以存在少量其他氧化物。Al2O3与SiO2的重量比(Al2O3∶SiO2)大于或等于20∶80，30∶70，35∶65，40∶60，45∶55，50∶50，55∶45，60∶40，或70∶30。按纤维重量计，纤维含有至少3wt.％ZrO2，至少30wt.％SiO2，和至少20wt.％Al2O3。在一些实施方案中，按纤维重量计，纤维含有5wt.％以下，7wt.％以下，10wt.％以下，12wt.％以下15wt.％以下，16wt.％以下，20wt.％以下，或25wt.％以下的ZrO2。按纤维重量计，陶瓷纤维可以含有30～70wt.％，40～65wt.％，45～60wt.％，45～55wt.％，或50～60wt.％的SiO2。按纤维重量计，陶瓷纤维可以含有20～60wt.％，25～50wt.％，25～45wt.％，25～40wt.％，25～35wt.％，30～50wt.％，或30～40wt.％的Al2O3。在一些具体例子，按纤维重量计，陶瓷纤维含有25～50wt.％Al2O3，40～60wt.％SiO2，和3～20wt.％ZrO2。在其他具体例子中，按纤维重量计，陶瓷纤维含有30～40wt.％Al2O3，45～60wt.％SiO2和5～20wt.％ZrO2。
含有SiO2，Al2O3和ZrO2的示例性无定形陶瓷纤维是由ThermalCeramics(Augusta，GA)以商品名″KAOWOOL ZR″和″CERACHEM″市售的那些，按纤维重量计含有50wt.％SiO2，35wt.％Al2O3，和15wt.％ZrO2；由Unifrax(Tonawonda，NY)以商品名″UNIFRAX FIBERFRAXFIBERMAT″市售的那些，按纤维重量计含有52～57wt.％SiO2，29～47wt.％Al2O3，和不大于18wt.％ZrO2；由Unifrax以商品名″UNIFRAX FIBERFRAX DURABACK″市售的那些，按纤维重量计含有50～54wt.％SiO2，31～35wt.％Al2O3，5wt.％ZrO2，1.3wt.％Fe2O3，1.7wt.％TiO2，0.5wt.％MgO，和不大于7wt.％CaO；由Rath(Wilmington，DE)以商品名″RATH 2600 HTZ″市售的那些，按纤维重量计含有48wt.％SiO2，37wt.％Al2O3，15wt.％ZrO2，和不大于1wt.％其他氧化物；和由Vesuvius(Buffalo，NY)以商品名″CER-WOOL HTZ″市售的那些，按纤维重量计含有44～51wt.％SiO2，33～37wt.％Al2O3，13～19wt.％ZrO2，0.1～0.6wt.％Fe2O3，0.1～0.6wt.％TiO2，和不大于1wt.％其他氧化物。
在非膨胀层的一些实施方案中，使用热机械分析仪(TMA)测试，陶瓷纤维其体积收缩率不大于10％，不大于8％，不大于6％，不大于4％，不大于3％，不大于2％，或不大于1％。陶瓷纤维通常收缩至少0.5％。在一些实施方案中，陶瓷纤维其体积收缩率为0.5～2％，0.5～3％，0.5～5％，或0.5～6％。
在TMA测试中，将负载下的样品(例如，50psi或345N/m2)加热到1000℃，然后冷却。在750℃的加热和冷却循环中测量样品的厚度，以计算收缩百分比。收缩百分比等于在加热和冷却步骤中在750℃下测量的厚度之差乘以100，再除以在加热步骤中在750℃下测量的厚度。TMA测试用于表征陶瓷纤维或从陶瓷纤维制备的非膨胀层。在热机械分析仪的温度到达750℃时，除去在非膨胀层中可能存在的大部分或所有有机材料。
所提供的体积收缩率不大于10％的陶瓷纤维的例子(即，未经热处理而提供的纤维)包括但不限于结晶的纤维以及含有Al2O3和SiO2的纤维。Al2O3与SiO2的重量比(Al2O3∶SiO2)可以大于或等于60∶40，65∶35，70∶30，72∶28，75∶25，80∶20，90∶10，95∶5，96∶4，97∶3，或98∶2。在一些具体例子，按纤维重量计，陶瓷纤维含有60～98wt.％Al2O3和2～40wt.％SiO2。在其他具体例子中，按纤维重量计，陶瓷纤维含有70～98wt.％Al2O3和2～30wt.％SiO2。可以存在痕量的其他氧化物。本文中，术语″痕量″指量不大于2wt.％，不大于1wt.％，或不大于0.5wt.％。
结晶的且体积收缩率不大于10％的适合陶瓷纤维包括但不限于由Mitsubishi Chemical(Tokyo，Japan)以商品名″MAFTEC″(例如，MLS1，MLS2，和MLS3)市售的那些，按纤维重量计含有28wt.％SiO2和72wt.％Al2O3；由Saffil Limited(Widness Cheshire，U.K.)以商品名″SAFFIL″(例如，SF，LA Bulk，HA Bulk，HX Bulk)市售的那些，按纤维重量计含有3～5wt.％SiO2和95～约97wt.％Al2O3；和由Unifrax(Tonawonda，NY)以商品名″UNIFRAX FIBERFRAX FIBERMAX″市售的那些，按纤维重量计含有with 27wt.％SiO2和72wt.％Al2O3。
所提供的结晶的且体积收缩率不大于10％的陶瓷纤维的其他例子是铝硼硅酸盐纤维。按纤维重量计，这些纤维通常含有至少50wt.％的Al2O3，不大于50wt.％的SiO2，和不大于25wt.％的B2O3。按纤维重量计，更具体的铝硼硅酸盐纤维含有50～75wt.％Al2O3，25～50wt.％SiO2，和1～25wt.％B2O3。这种铝硼硅酸盐纤维以商品名″NEXTEL 312″和″NEXTEL 440″由3M Company(St.Paul，MN)市售。
制造商所提供的结晶的且体积收缩率不大于10％的陶瓷纤维中的至少一些是使用溶胶-凝胶法制备的。在溶胶-凝胶法中，通过对溶液，分散体或粘性浓缩物进行纺丝或挤出而形成陶瓷纤维。美国专利3,760,049(Borer等人)中进一步描述了溶胶-凝胶法，包括通过小孔挤出溶液，分散体或浓缩物，形成绿色纤维(green fiber)，然后经烧制形成陶瓷纤维。溶液，分散体或浓缩物含有在纤维中的氧化物或氧化物的前体。
在一些实施方案中，市售无定形陶瓷纤维可被热处理，以提供体积收缩率不大于10％的陶瓷纤维。通常从Al2O3和SiO2的混合物或Al2O3和SiO2与其他氧化物如B2O3，P2O5或ZrO2的混合物熔喷或熔纺形成可以被热处理以提供体积收缩率不大于10％的纤维的陶瓷纤维。可被热处理的示例性无定形陶瓷纤维包括但不限于由ThermalCeramics(Augusta，GA)以商品名″KAOWOOL HA BULK″，″CERAFIBER″，″KAOWOOL D73F″，″KAOWOOL ZR″，或″CERACHEM″市售的陶瓷纤维；由Rath(Wilmington，DE)以商品名″RATH 2300RT″，″RATH ALUMINO-SILICIATE CHOPPED FIBER″，或″RATH 2600HTZ″市售的陶瓷纤维；由Vesuvius(Buffalo，NY)以商品名″CER-WOOL RT″，″CER-WOOL LT″，或″CER-WOOL HTZ″，或″CER-WOOL HP″市售的陶瓷纤维；和由Unifrax(Tonawonda，NY)以商品名″UNIFRAX FIBERFRAX FIBEMAT″或″UNIFRAX FIBERFRAXDURABACK″市售的陶瓷纤维。
在热处理过程中，陶瓷纤维易于析晶(即，至少部分地从无定形态变化到微晶或结晶态)。通常，仅有单根陶瓷纤维的部分发生析晶。即，热处理后，单根陶瓷纤维含有无定形材料以及结晶材料，微晶材料，或结晶和微晶材料的组合。
诸如透射电子显微镜技术和x-射线衍射等技术可用于表征无机纤维的无定形，结晶或微晶性质。本文中，术语″无定形″指没有结晶或微晶区域的无机纤维。如果无机纤维是无定形的，那么使用透射电子显微镜技术或x-射线衍射检测不到衍射峰(即，没有衍射图案)。如果无机纤维含有较小结晶尺寸(即，微晶)的区域，那么使用透射电子显微镜技术可以检测到衍射峰(即，衍射图案)，但使用x-射线衍射不能。本文中，术语″微晶″指至少一些区域具有结晶性质，可以用透射电子显微镜技术检测到晶体尺寸，而用x-射线衍射技术检测不到晶体尺寸的无机纤维。如果无机纤维含有较大结晶尺寸(即，结晶)的区域，那么可以使用x-射线衍射得到衍射图案。本文中，术语″结晶″指至少一些区域具有结晶性质，可以用x-射线衍射检测到晶体尺寸的无机纤维。可使用x-射线衍射检测到的最小晶体尺寸通常得到较宽的衍射图案，而没有精确的峰。峰越窄表明结晶尺寸越大。衍射峰的宽度可用于确定结晶尺寸。结晶的无机纤维通常是多晶的，而不是单晶的。
在一些应用中，在至少700℃的温度下热处理陶瓷纤维。例如，在至少800℃的温度下，在至少900℃的温度下，在至少1000℃的温度下，或在至少1100℃的温度下热处理陶瓷纤维。适合的热处理温度可以根据陶瓷纤维的组成和陶瓷纤维保持在热处理温度下的时间而变化。适合的热处理方法和适合的热处理陶瓷纤维进一步公开在例如国际专利申请WO 99/46028(Fernando等人)和美国专利5,250,269(Langer)中，在此将其公开内容引入作为参考。
对于在热处理过程中形成的晶体或微晶体尺寸存在一种时间-温度关系。例如，陶瓷纤维可以在低温下热处理较长时间或在高温下热处理较短时间，以得到可比较状态的结晶或微晶。热处理温度下的时间可以为1小时以下，40分钟以下，30分钟以下，20分钟以下，10分钟以下，5分钟以下，3分钟以下，或2分钟以下。例如，可以选择热处理温度，以使用相对较短的热处理时间如10分钟以下。
可以选择热处理温度高于析晶温度(即，陶瓷纤维从无定形材料变化到微晶或结晶材料时的温度)至少20℃，至少30℃，至少40℃，至少50℃，至少60℃，至少70℃，至少80℃，至少90℃，或至少100℃。可以使用例如差热分析(DTA)等技术测定陶瓷纤维的适合热处理时间和温度。Al2O3-SiO2纤维的温度通常为700℃～1200℃，800℃～1200℃，900℃～1200℃，或950℃～1200℃。
完全无定形的陶瓷纤维通常比含有微晶，结晶或其组合区域的陶瓷纤维收缩更大。至少部分是结晶或微晶的陶瓷纤维可用于制造安装垫，其可以反复被加热到适用于污染控制装置的温度，然后冷却。微晶或结晶陶瓷纤维倾向于抵抗进一步收缩，而进一步收缩对非膨胀层有负面影响。
对于经热处理的陶瓷纤维，纤维的脆度可以与低体积收缩率特性平衡。结晶或微晶陶瓷纤维比无定形陶瓷纤维更易碎。从结晶或微晶陶瓷纤维制备的非膨胀层比从无定形纤维制备的绝缘层更易碎裂。另一方面，结晶或微晶陶瓷纤维比无定形陶瓷纤维具有更低的体积收缩率。
无机纤维的平均直径通常是至少3微米，至少4微米，至少5微米，至少6微米，或至少7微米。无机纤维通常平均直径不大于20微米，不大于18微米，不大于16微米，或不大于14微米。在一些实施方案中，至少60wt.％的无机纤维其平均直径在3微米的平均直径内。例如，至少70wt.％，至少80wt.％，或至少90wt.％的无机纤维其平均直径在3微米的平均直径内。
按非膨胀层重量计，非膨胀层还含有20wt.％以下的有机粘合剂。在一些实施方案中，按非膨胀层重量计，有机粘合剂存在量为10wt.％以下，5wt.％以下，或3wt.％以下。当在高温如污染控制装置通常所受的温度下使用含有非膨胀层的多层垫时，有机粘合剂通常被烧掉。
适合的有机粘合剂材料可以包括含水聚合物乳状液，溶剂基聚合物和无溶剂聚合物。含水聚合物乳状液可以包括乳胶形式的有机粘合剂聚合物和弹性体(例如，天然橡胶晶格，苯乙烯-丁二烯晶格，丁二烯-丙烯腈晶格，和丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯聚合物或共聚物晶格)。溶剂基聚合粘合剂材料可以包括聚合物，如丙烯酸类，聚氨酯，乙酸乙烯酯，纤维素，或橡胶基有机聚合物。无溶剂聚合物可以包括天然橡胶，苯乙烯-丁二烯橡胶和其他弹性体。
在一些实施方案中，有机粘合剂材料包括含水丙烯酸类乳状液。有利的是，丙烯酸类乳状液具有良好的老化性能和非腐蚀性燃烧产物。适合的丙烯酸类乳状液可以包括但不限于市售产品，如以商品名″RHOPLEX TR-934″(含有44.5wt.％固体的含水丙烯酸类乳状液)和″RHOPLEX HA-8″(含有45.5wt.％固体的丙烯酸类共聚物的含水乳状液)由Rohm and Hass(Philadelphia，PA)出售的那些；以商品名″NEOCRYL XA-2022″(含有60.5％固体的丙烯酸类树脂的含水分散体)由ICI Resins US(Wilmington，MA)出售的那些；和以商品名″AIRFLEX600BP DEV″(含有55wt.％固体的乙烯丙烯酸乙烯酯三聚物的含水乳状液)由Air Products and Chemical，Inc.(Philadelphia，PA)出售的那些。
有机粘合剂也可以包括增塑剂，增粘剂或其组合。增塑剂可以软化聚合物基质，并增强非膨胀层的柔韧性和可模塑性。例如，有机粘合剂可以包括增塑剂，如以商品名″SANTICIZER 148″由Monsanto(St.Louis，MO)市售的异癸基二苯基二磷酸酯。增粘剂或增粘树脂可以有助于将绝缘材料粘到一起。适合的增粘剂的例子由Eka Nobel，Inc.(Toronto，Canada)以商品名″SNOWTACK 810A″市售。
非膨胀层也可以含有其他材料，如但不限于增塑剂，润湿剂，分散剂，消泡剂，乳胶凝结剂和杀菌剂。可以加入填料，如玻璃粒子，碳酸钙，可膨胀蛭石，分层蛭石，云母，珍珠岩，三水合铝，六水合磷酸镁，硼酸锌和氢氧化镁。此外，可以加入无机粘合剂如粘土，斑脱土和胶体氧化硅。
非膨胀层也可以含有有机纤维，例如丙烯酸类，纤维素，聚烯烃，聚乙烯醇，聚酯或其组合。纤维可以是人造短纤维或原纤化纤维。有用的人造短纤维通常尺寸约0.5～5旦尼尔。尺寸1.5旦尼尔/丝的适合人造丝纤维由Minifiber，Inc.(Johnson City，TX)市售。适合的聚乙烯醇纤维由Kuraray Americas，Inc.(New York，NY)以商品名″KURALON″市售。丙烯酸类纤维浆以商品名″CFF″由Cytek Industries，Inc.(WestPaterson，NJ)市售。
至少在一些实施方案中，适合的非膨胀层可包括10～99.5wt.％的无机纤维和0.5～20wt.％的有机粘合剂。例如，非膨胀层可以含有20～99.5wt.％的无机纤维，0.5～20wt.％的有机粘合剂，和60wt.％以下的无机粘合剂或填料。
含有热处理的铝硅酸盐陶瓷纤维的适合非膨胀层由3M Company(St.Paul，MN)以商品名″INTERAM 900HT″市售。这种垫子其体积密度约0.25g/cm3，和重量/单位面积约1020～约2455g/m2。其他适合的非膨胀层包括由3M Company以商品名″INTERAM 1100HT″和″INTERAM 1101HT″市售的那些。这些垫子其体积密度约0.15g/cm3，重量/单位面积约440～约2100g/m2。这些垫子含有结晶氧化铝纤维(即，多晶氧化铝纤维)。包括镁铝硅酸盐玻璃纤维的另一个适合的非膨胀层由3M Company以商品名″INPE 571.02″市售。这种垫子其体积密度为0.12g/cm3，重量/单位面积约600～约1400g/m2。针粘垫子由MitsubishiChemical Company，Tokyo，Japan以商品名″MAFTEC MLS-3″市售，体积密度约0.16g/cm3。按纤维重量计，这种垫子含有约72wt.％Al2O3和约28wt.％SiO2。
在多层垫中，膨胀层夹在第一非膨胀层和第二非膨胀层之间。膨胀层含有至少一类膨胀材料。膨胀层还可以包括无机纤维，有机粘合剂，增塑剂，润湿剂，分散剂，消泡剂，乳胶凝结剂，杀菌剂，填料，无机粘合剂和有机纤维。这些另外的成分与上面对非膨胀层所述的那些相同。
膨胀层用的适合膨胀材料的例子包括非膨胀蛭石、水黑云母、美国专利3,001,571(Hatch)所述可水溶胀合成的四氟化硅型云母、美国专利4,521,333(Graham等人)所述碱金属硅酸盐颗粒、可膨胀石墨或其组合。碱金属硅酸盐颗粒由3M Company(St.Paul，MN)以商品名″EXPANTROL 4BW″市售。可膨胀石墨以商品名″GRAFOIL GRADE338-50″由UCAR Carbon Co.，Inc.(Cleveland，OH)市售。非膨胀蛭石由Cometals Inc.(New York，NY)市售。在一些应用中，膨胀材料选自非膨胀蛭石，可膨胀石墨，或其组合。
蛭石例如可以用盐处理，如磷酸二氢铵，硝酸铵，氯化铵；氯化钾，或本领域已知的其他可溶盐。这种处理基于离子交换反应。
按膨胀层重量计，膨胀层通常含有至少5wt.％，至少10wt.％，至少20wt.％，至少40wt.％，或至少60wt.％的膨胀材料。在一些膨胀层，膨胀层没有无机纤维。在其他膨胀层中，膨胀层没有无机纤维和有机粘合剂。在其他膨胀层中，按膨胀层重量计，膨胀层含有5～约85wt.％膨胀材料和小于20wt.％有机粘合剂。在一些膨胀层中包括无机纤维。
在一些更具体例子中，按膨胀层重量计，膨胀层包括5～85wt.％的膨胀材料，0.5～15wt.％的有机粘合剂，和10～60wt.％的无机纤维。在其他例子中，按膨胀层重量计，膨胀层包括5～70wt.％的膨胀材料，0.5～10％的有机粘合剂，和30～45wt.％的无机纤维。在其他例子中，膨胀层包括20～65wt.％的膨胀材料，0.5～20wt.％的有机粘合剂，10～65wt.％的无机纤维，和40wt.％以下的无机填料或无机粘合剂。
适合的膨胀层由3M(St.Paul，MN)以商品名″INTERAM 100″，″INTERAM 200″，″INTERAM 550″，和″INTERAM 2000LT″市售。这些垫子通常其体积密度约0.4～约0.7g/cm3，重量/单位面积约1050g/m2～约8140g/m2。另一种适合的膨胀层由3M以商品名″INPE 570″市售。这种层通常其重量/单位面积约1050g/m2～约4070g/m2，含有符合欧洲未分类纤维规定的无机纤维。
在一些膨胀层中，包括生物可溶的无机纤维。含有生物可溶纤维的膨胀层进一步公开在国际专利申请公开WO 03/031368(Howorth)中，在此引入其全部内容作为参考。本文中，″生物可溶的无机纤维″指在生理介质或模拟生理介质中可分解的无机纤维。生理介质指但不限于通常存在于诸如动物或人类呼吸道(例如肺)等之中的体液。
生物可溶的无机纤维通常包含无机氧化物，如Na2O、K2O、CaO、MgO、P2O5、Li2O和BaO，或者它们与二氧化硅的组合。其他金属氧化物或其他陶瓷组分尽管自身缺乏所需的溶解性，但也可以包含在生物可溶的无机纤维中，只要其含量足够低，使得纤维整体上仍然可以在生理介质中分解。这样的金属氧化物例如包括Al2O3，TiO2，ZrO2，B2O3和氧化铁。生物可溶的无机纤维也可以包含金属组分，其含量要使得纤维在生理介质或模拟生理介质中可分解。
在一个实施方案中，生物可溶的无机纤维包含氧化硅、氧化镁和氧化钙。这种类型的纤维通常称作钙镁硅酸盐纤维。钙镁硅酸盐纤维通常含有小于约10wt.％的氧化铝。适合的生物可溶的纤维可以包括45～90wt.％的SiO2，45wt.％以下的CaO，35wt.％以下的MgO，和小于10wt.％的Al2O3。例如，所述纤维可以含有约55～约75wt.％SiO2，约25～约45wt.％CaO，约1～约10wt.％MgO，和小于约5wt.％Al2O3。
示例性生物可溶的无机氧化物纤维公开于美国专利5,332,699(Olds等人)；5,585,312(TenEyck等人)；5,714,421(Olds等人)；和5,874,375(Zoitas等人)中。可以用各种方法形成生物可溶的无机纤维，包括但不限于溶胶-凝胶形成法、晶体生长法和熔体成形技术，如纺制或吹制。
生物可溶的纤维由Unifrax Corporation(Niagara Falls，NY)以商品名″INSULFRAX″市售。其他生物可溶的纤维由Thermal Ceramics(位于Augusta，GA)以商品名″SUPERWOOL″出售。例如，SUPERWOOL 607含有60～70wt.％SiO2，25～35wt.％CaO，4～7wt.％MgO和痕量Al2O3。SUPERWOOL 607MAX可用于略微更高的温度下，并含有60～70wt.％SiO2，16～22wt.％CaO，12～19wt.％MgO和痕量Al2O3。
示例性膨胀层包括10～80wt.％的膨胀材料，5～80wt.％的生物可溶的无机纤维，5～80wt.％的云母粘合剂，和0.5～20wt.％的有机粘合剂。
本文中，″云母粘合剂″指这样的一种或多种云母类矿物质，可以将它们先润湿后干燥，形成自支撑内聚体。本文中，″自支撑″指云母粘合剂可以制成5cm×5cm×3mm的片状材料，其不含其他材料，使得在25℃和50％以下的相对湿度下捏住该干燥后片状材料的任何边缘，在水平状态下能够保持至少5分钟，而不会起皱或裂开。
本文中，术语“云母类矿物质”是指能劈裂成或以其他方式分离成平板或小板的一类矿物质。云母类矿物质包括但不限于膨胀蛭石、非膨胀蛭石和云母。云母类矿物质通常其平均纵横比(即，粒子的长度除以厚度)大于约3。云母类矿物质粒度通常小于约150微米(例如，云母粘合剂包含能通过100目筛网的云母类矿物质)。在一些实施方案中，所述云母粘合剂包含粒度小于约150微米、平均纵横比大于约8或大于约10的云母类矿物质。
适合的云母粘合剂可以包含经过粉碎的云母类矿物质。本文中，“粉碎”是指用任何合适的方法对云母类矿物质进行加工，以减小其平均粒度。粉碎方法包括但不限于机械剪切稀的或浓的浆料、研磨、气流粉碎或辊磨。其他方法可以单独使用或结合粉碎法使用，用以减小粒度。例如，可以用热方法或化学方法使云母类矿物质膨胀，或者先膨胀后剥落。膨胀蛭石可以在水中剪切或用其他方法处理，形成分层蛭石颗粒或小片的水悬浮液。可以用例如高速剪切混合器如搅拌机进行充分剪切。
在一些实施方案中，云母粘合剂包括经过处理的蛭石(即经过膨胀、分层和粉碎的蛭石)。经处理的蛭石通常是非膨胀的。在其他实施方案中，云母粘合剂包含未经膨胀、未分层或只是部分膨胀和分层的蛭石，这种材料可以膨胀。
适合的云母粘合剂由W.R.Grace & Company市售，包含分层的蛭石粉末(商品名“VFPS”)和用化学方法剥落的蛭石的含水分散体(商品名“MICROLITE”)。此外，膨胀蛭石薄片由W.R.Grace & Company(商品名“ZONELITE#5”)市售，可减小其粒度，形成云母粘合剂。
云母粘合剂可以包括粒度小于约150微米的蛭石，膨胀材料可以包括粒度大于约150微米的蛭石(不能通过100目筛网)。膨胀蛭石平均粒度大于约300微米。
在多层垫的一个实施方案中，非膨胀层含有玻璃纤维，膨胀层含有蛭石。在多层垫的另一个实施方案中，非膨胀层含有基于TMA测试收缩不大于10％的耐火陶瓷纤维，膨胀层含有蛭石。
边缘保护材料可以加到多层垫中。边缘保护材料可以是美国专利5,008,086(Merry)中所述的包住边缘的不锈钢线，在此引入该专利作为参考。其他适合的边缘保护材料包括美国专利4,156,533(Close等人)中所述的编织或绳状玻璃，陶瓷或金属纤维，在此引入该专利作为参考。边缘保护材料也可以由EP 639 701 A2(Howorth等人)，EP 639 702A2(Howorth等人)，和EP 639 700 A2(Stroom等人)中公开的包括玻璃粒子的组合物形成，在此引入这些专利作为参考。
多层垫中的各层厚度可以根据特定应用而变化。在一些实施方案中，膨胀层的厚度不大于每个非膨胀层的厚度。在一些应用中，膨胀层的厚度相对每个非膨胀层的厚度不大于50％，不大于45％，不大于40％，不大于35％，不大于30％，不大于25％，或不大于20％。
垫子的整体未压缩厚度通常不大于40mm，不大于36mm，不大于32mm，不大于30mm，不大于24mm，或不大于20mm。膨胀层通常其厚度相对垫子的总未压缩厚度不大于30％，不大于25％，不大于20％，不大于15％，或不大于10％。在一些例子中，膨胀层的厚度占多层垫总未压缩厚度的2～30％或5～25％。
在一些应用中，每个非膨胀层独立地具有厚度至少1mm，至少2mm，至少3mm，至少4mm，至少5mm，或至少6mm。每个非膨胀层的厚度通常小于30mm，小于20mm，或小于15mm。例如，每个非膨胀层的厚度可以独立地是3～20mm，3～16mm，3～12mm，3～10mm，4～20mm，4～16mm，4～10mm，5～20mm，5～16mm，5～12mm，6～20mm，6～16mm，6～12mm，或6～10mm。所述厚度是指未压缩厚度。
膨胀层其厚度至少为0.5mm，至少0.8mm，至少1mm，或至少1.2mm。膨胀层厚度通常小于20mm，小于10mm，或小于5mm。例如，膨胀层厚度可以是0.5～10mm，0.5～8mm，0.5～6mm，0.5～5mm，0.5～3mm，0.5～2.5mm，0.5～2mm，0.8～3mm，1～3mm，1.2～3mm，1～2.5mm，或1～2mm。所述厚度是指未压缩厚度。
在多层垫中每个非膨胀层通常其体积密度约0.1g/cm3～约0.3g/cm3，而膨胀层其体积密度约0.4g/cm3～约0.7g/cm3。本文中，术语″体积密度″指未压缩的层或多层垫的密度。多层垫的体积密度取决于各层的厚度和组成，但通常约0.15g/cm3～约0.5g/cm3或约0.2g/cm3～约0.4cm3。在一些应用中，多层垫其压缩密度约0.3g/cm3～约1.0g/cm3或约0.5g/cm3～约0.9g/cm3。本文中，术语″压缩密度″指多层垫在污染控制装置的污染控制元件周围组装后的密度。
在另一个方面中，提供一种形成多层垫的方法。提供的膨胀层具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面。膨胀层具有面积A1。第一非膨胀层面向膨胀层的第一主表面。第一非膨胀层含有无机纤维和具有大于面积A1的面积A2。第二非膨胀层面向膨胀层的第二主表面。第二非膨胀层含有无机纤维和具有大于面积A1的面积A3。膨胀层完全位于第一非膨胀层和第二非膨胀层的面积内。
第一非膨胀层的面积A2基本上等于第二非膨胀层的面积A3。在面积A2基本上等于面积A3的一些多层垫中，第一非膨胀层具有长度L2，第二非膨胀层具有基本上等于长度L2的长度。此外，第一非膨胀层具有宽度W2，第二非膨胀层具有基本上等于宽度W2的宽度。
在多层垫的许多实施方案中，第一非膨胀层与第二非膨胀层对齐。然而，与其他层相比，其中一层可以有点歪斜，只要多层垫能够有效地包住污染控制装置内的污染控制元件即可。
使用造纸法形成非膨胀层，膨胀层或其组合。例如，可以通过形成含有无机纤维的含水浆料来制备非膨胀层。按浆料重量计，含水浆料通常含30wt.％以下的固体(例如，按浆料重量计，浆料可以含有20wt.％以下或10wt.％以下的固体)。按浆料重量计，浆料通常含有至少1％固体(例如，浆料可以含有至少2wt.％或至少3wt.％固体)。在一些实施方案中，浆料可以含有1～10wt.％，2～8wt.％，或3～6wt.％固体。较高固体是有利的，因为为制备压片仅需要除去少量水。然而，较高固体百分比的浆料更难于混合。
可以通过形成含有膨胀材料的含水浆料来制备膨胀层。固体百分比可以与用于制备非膨胀层的相当。膨胀层的含水浆料通常含有无机纤维，然而膨胀层没有无机纤维。
每种含水浆料中所用的水可以是井水，地表水或经过处理除去杂质如盐和有机化合物的水。当在含水浆料中使用井水或地表水时，水中存在的盐(例如，钙盐和镁盐)用作无机粘合剂。在一些实施方案中，水是去离子水，蒸馏水或其组合。
在每种含水浆料组合物中还可以包括其他添加剂。这种添加剂可以包括无机粘合剂，无机填料，消泡剂，絮凝剂，表面活性剂等。还可以包括强度增强剂，例如有机纤维。
一些非膨胀层在层的一侧是非平表面。造纸法可用于形成这种非膨胀层。例如，浆料可被沉积在非平表面的可渗透基底上。通过在包括台阶或突起部分的可渗透基底上沉积浆料可以形成非膨胀层的槽。
还可以使用模塑技术制备具有非平主表面的非膨胀层。例如，将可渗透的成型模具置于浆料中。当抽吸真空时，浆料中的固体可以沉积在成型模具的表面上。在一些应用中，可以从浆料中取出成型模具，并且与具有和成型模具相同形状的形状保持装置结合。沉积的浆料可以置于成型模具和形状保持装置之间。将形状保持装置和成型模具压在一起，以进一步除去水，并制得具有相对光滑表面的压片。形状保持装置或成型模具可以是阳模具部分(即，如果成型模具是阳模具部分，那么形状保持装置是阴模具部分，或者如果成型模具是阴模具部分，那么形状保持装置是阳模具部分)。
可渗透的成型模具可以包括例如筛网。选择筛网尺寸，使得液体成分通过筛网，但陶瓷纤维不能通过。例如，筛网尺寸可以为20(约850微米)～80目(约180微米)或30(约600微米)～80目。如果网格尺寸太小，那么筛网易于堵塞。如果网格尺寸太大，那么筛网不能留下陶瓷纤维(即，不能形成压片)。在正常操作条件下，当抽吸真空时，浆料中的一些固体沉积在筛网上。
在一些应用中，模塑方法与美国专利5,078,822(Hodges等人)和6,596,120B2(Davis等人)中所述的相似，在此引入这些专利的内容作为参考。使用包括多成分模具和形状保持装置的模具组件可以制备三维压片。多成分模具是一种可渗透的成型模具，通常包括内部骨架和外壳。内部骨架具有通过其内部的真空系统，以在模具内提供真空抽拉和真空分布。成型模具的外壳具有筛网。例如，筛网的网格尺寸为20～80目。多成分成型模具是可渗透的。模具组件可以置于浆料中，使得多成分成型模具与形状保持装置分开。
真空可以连接至多成分成型模具，含有陶瓷纤维的层可以沉积在成型模具上。当在润湿的条件下，模具支撑的压片可以插进形状保持装置中。如果压片部分插进形状保持装置中或当压片与形状保持装置完全接触时，那么可以取下成型模具。在一些应用中，压片接触形状保持装置，同时仍被成型模具支撑。
一个或两个非膨胀层可以具有非平表面。当一个或两个非膨胀层在层的一侧具有槽时，膨胀层可置于槽中。
其他方法可用于制备非膨胀层。在一些应用中，通过将单根无机纤维切成所需长度将非膨胀层制造成非织造垫子。这种方法公开在国际专利申请公开WO 2004/011785(Merry等人)中，在此引入该申请作为参考。可以使用玻璃纤维粗纱切断机(例如，以商品名“MODEL 90GLASS ROVING CUTTER”购自Finn & Fram，Inc.(Pacoma，CA))切割纤维束或纤维纱，来制备单根化的(individualzied)纤维。可选择地，使用锤磨机然后使用鼓风机形成切碎的单根化纤维。纤维通常被切成约0.5～约15cm的长度。使用如由Rando Machine Corp.(Macedon，NY)以商品名″RANDO WEBBER″市售或由Scan Web Co.(Denmark)以商品名″DAN WEB″市售的常规料片形成机来形成垫子。将切碎的单根化纤维牵引到金属丝筛网或织带(例如金属或尼龙带)上。根据纤维的长度，得到的垫子具有足够的可操作性，可以在不需支撑物(例如平纹织物)的情况下将得到的垫子传送到针刺机或缝编机。为易于处理，一些垫子可以在平纹织物上形成或置于其上。
针刺的非织造垫是指其中由通过刺针多次完全或部分刺穿该垫来提供对无机纤维的物理缠结的垫。针刺通常包括压缩非织造垫，然后将刺针刺入该垫和从该垫中引出刺针。尽管每单位面积垫的最佳针刺数将根据具体应用而变化，但通常非织造垫被针刺以提供约5个针孔/cm2至约60个针孔/cm2。在一些应用中，垫子具有10～约20个针孔/cm2。可以采用常规针刺机(例如由Dilo(Germany)市售的针刺机)以及刺针(例如由Foster Needle Company(Manitowoc，WI)市售的刺针)对非织造垫进行针刺。
可选择地，可以采用例如美国专利4,181,514(Lefkowitz等人)中公开的技术缝编非织造垫子，在此将其公开内容引入作为参考。通常使用有机线或无机线(例如陶瓷或不锈钢)缝编该垫子。在缝编过程中可以将有机或无机片材的相对薄层放置在垫子的任一侧或两侧，以防止线切开该垫或使线最小限度地切开该垫。针脚间距可以变化，通常约3～约30mm，以便使纤维在垫的整个区域上被均匀压缩。商业购买的针刺非膨胀层可以得自由Mitsubishi Chemical(Tokyo，Japan)以商品名″MAFTEC″市售的那些。
膨胀层可以是涂布到非膨胀层主表面上的糊状物形式。膨胀层用的适合糊状物组合物进一步公开在例如美国专利5,853,675(Howorth)和5,207,989(MacNeil)中，在此引入这两件专利作为参考。这些组合物中的一些除了膨胀材料外还包括无机纤维。糊状物可以首先涂布到例如基底如剥离衬垫或纸上。在糊状物与非膨胀层的主表面接触后，除去基底。
在其他多层垫中，可以通过将适合的膨胀组合物喷到非膨胀层的主表面上形成膨胀层。所述组合物可以包括例如其他材料如无机纤维或有机粘合剂。可选择地，可以将没有粘合剂的膨胀材料涂布到非膨胀层的一部分主表面上。在涂布膨胀材料后，涂布另一个非膨胀层，使得膨胀材料夹在两个非膨胀层之间。
在制造多层垫的方法中，提供一片第一非膨胀层。一片膨胀层置于第一非膨胀层的一个表面上。一片第二非膨胀层置于膨胀片上，使得膨胀片夹在两片非膨胀层之间，形成多层结构。多层结构可以包括多个膨胀段。多层结构可被切成适于污染控制装置的尺寸和形状。多层结构可被切成矩形，平行四边形，或包括舌状物和凹槽的形状。例如，可以切割多层结构，以提供图2A，图2B，图3A，图3B，图4，或图6所示的任何多层垫。
在制造多层垫的另一种方法中，提供具有一个或多个槽的第一非膨胀层。在每个槽中放置一片膨胀层。具有平表面或槽的第二非膨胀层置于膨胀层上，形成多层结构。多层结构可以包括多个膨胀段。多层结构可被切成适于污染控制装置的尺寸和形状。例如，多层结构可被切成矩形，平行四边形，或包括舌状物和凹槽的形状。
各层可以单独制造，然后结合到一起。可以使用针刺或缝编技术使多层垫的各层相互结合。一些多层垫包括粘合剂，用于粘合非膨胀层与第一膨胀层，第二膨胀层或其组合。每一层可以单独制造，然后结合到一起。粘合剂可以是压敏粘合剂或热熔粘合剂。在一些多层垫中，粘合剂是热熔粘合剂，例如由Bostik-Findley(Stafford，UK)以商品名″PE 105-50″或″PE 65-50″市售的粘合剂。
在一些用粘合剂粘到一起的多层垫中，粘合剂可被涂布到至少一个非膨胀层的没有相邻膨胀层的面积上。例如，在图2A示意性所示的多层垫中，粘合剂可以沿边缘154和152涂布。
可以使用造纸法制备多层垫。美国专利公开2001/0046456(Langer等人)中公开了一种这样的方法，在此引入其公开内容作为参考。可以制备含有无机纤维的第一浆料，然后沉积在可渗透基底上。使沉积的第一浆料部分脱水，形成第一层。将膨胀组合物涂布到第一层的一部分上，形成第二层。例如如果组合物包括液体，那么通过喷射法涂布膨胀组合物，或如果组合物没有液体，那么通过喷淋法涂布膨胀组合物。可以制备含有无机纤维的第二浆料，然后沉积在第二层和任何露出的第一层上。使沉积的第三浆料至少部分脱水，形成第三层。在沉积最后层后，干燥垫子，以除去至少一部分任何残留的水。例如，可以通过使垫子通过热辊来压缩和干燥垫子。
这种方法会使各层发生一些相互混合。各层的相互混合实际上用眼睛看不到，或混合程度是在两个相邻层间形成可见的边界或梯度层。使用这种方法，可以不使用粘合剂、缝线、针或钉而将各层结合到一起。
本发明另一个方面提供一种污染控制装置，其包括金属外壳，污染控制元件，和置于污染控制元件与金属外壳之间的多层垫。多层垫具有至少三层具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面的膨胀层；面向膨胀层的第一主表面的第一非膨胀层；和面向膨胀层的第二主表面的第二非膨胀层。膨胀层具有面积A1。第一非膨胀层含有无机纤维和具有大于面积A1的面积A2。第二非膨胀层含有无机纤维和具有大于A1的面积A3。膨胀层完全位于第一非膨胀层和第二非膨胀层的面积内。
第一非膨胀层的面积A2基本上等于第二非膨胀层的面积A3。在面积A2基本上等于面积A3的一些例子中，第一非膨胀层具有长度L2，第二非膨胀层具有基本上等于长度L2的长度。此外，第一非膨胀层具有宽度W2，第二非膨胀层具有基本上等于宽度W2的宽度。
在多层垫的许多实施方案中，第一非膨胀层与第二非膨胀层对齐。然而，与其他层相比，其中一层可以有点歪斜，只要多层垫能够有效地包住污染控制元件即可。
机动车的排气系统包括污染控制装置以减少大气污染。图7所示为催化转化器10形式的污染控制装置的一个说明性例子。催化转化器10通常包括金属外壳11，该金属外壳包在也被称为催化转化元件或整体结构的污染控制元件20周围。金属外壳11具有进口12和出口13，废气流分别从进口流入催化转化器10，从出口流出。金属外壳11也称罐或套，可用一种或多种金属、金属合金和/或金属间组合物制成。例如，金属外壳11可以是不锈钢或奥氏体钢。
适合的催化转化元件在本领域是已知的，包括用金属、陶瓷或其他材料制成的那些。各种陶瓷催化转化元件是可商购的。例如，有一种蜂窝状陶瓷催化转化元件以商品名″CELCOR″从Corning Inc.(Corning，NY)购得，另一种以商品名″HONEYCERAM″从NGK InsulatedLtd(Nagoya，Japan)购得。金属催化转化元件可商购于Emitec(Lohmar，Germany)。
根据常规做法，催化转化元件20上可以涂布一种或多种催化剂材料。催化转化元件20中所用的催化剂通常是一种或多种金属(例如钌、锇、铑、铱、镍、钯和铂)和/或金属氧化物(例如五氧化二钒和二氧化钛)。最一般的情况是，这些催化剂起氧化或以其他方式消除废气污染物如一氧化碳和碳氢化合物的作用。这些催化剂的另一种作用是有助于降低发动机废气中氮氧化物的含量。
为提供大的表面积，催化转化元件20通常具有很薄的壁。薄壁使催化转化元件20变得易碎，容易破裂。置于金属外壳11和催化转化元件20之间的安装垫或片状材料30有助于保护易碎的催化转化元件20免受由路途颠簸和/或震动引起的损坏。安装垫或片状材料30还有助于防止废气从催化转化元件20和金属外壳11之间通过。
图8所示为柴油机微粒过滤器40形式的污染控制装置的代表性例子。柴油机微粒过滤器40是壁流过滤器，它包含蜂窝状整体结构42(也称作整体结构或整块结构)，该结构包含多个通道。催化剂可以涂布在柴油机微粒过滤器40的整体结构42上。柴油机微粒过滤元件通常由陶瓷材料制备。这种柴油机微粒过滤元件有多种商业来源，包括例如Corning Inc.(Corning，N.Y.)和NGK Intumescent Layer Ltd.(Nagoya，Japan)。有用的柴油机微粒过滤元件在Howitt等人的″Cellular CeramicDiesel Particulate Filter″，论文编号810114，SAE Technical Paper Series，1981中有描述。
柴油机微粒过滤器40包括具有进口46和出口48的金属外壳44。金属外壳44包在整体结构42的周围。安装垫或片状材料50置于整体结构42和金属外壳44之间，它能提供图8中安装垫30所具有的优点。
催化转化器和柴油机微粒过滤元件通常都是陶瓷整体结构形式。陶瓷整体结构通常用它们的壁厚和每平方英寸的开口或孔数(cpsi)来描述。在20世纪70年代初期，一般是具有12密耳的壁厚和300cpsi的孔密度的整体结构(“12/300整体结构”，其中分子指按密耳计的壁厚，分母指每平方英寸的孔数)。随着排放法变得更严格，减小壁厚已经作为增大几何表面积的一种办法。该标准已经改进到6/400整体结构。然而，为进一步增强污染控制装置的性能，研制出了例如4/400，4/600，4/900，3/600，3/900和2/900等极薄壁的整体结构。这些整体结构甚至更脆弱和易受破裂。
陶瓷整体结构的热膨胀系数比包含此结构的金属外壳的热膨胀系数小一个数量级。在一些污染控制装置中，当发动机将污染控制元件从约25℃加热到最大操作温度约900℃时，金属外壳升到温度约530℃(即，因为金属外壳的外表面暴露在环境条件中，所以金属外壳的温度更低)。即使金属外壳经历比污染控制元件更小的温度变化，金属外壳比陶瓷整体结构更高的热膨胀系数也使金属外壳发生更大的膨胀。在一些应用中，金属外壳和陶瓷整体结构间的间隙可以从约4mm增大到约4.3mm。在其他应用中，该间隙甚至大于此值。
取决于组成，本发明的多层垫可以在各种驱动和温度条件下使用。多层垫可以适用于大多数已知的车辆污染控制装置。
通过在非膨胀层间夹置膨胀层，膨胀材料可以接触足以膨胀的温度，但不会接触将永久改变材料使得膨胀特性改变的温度。蛭石当接触超过约700℃的温度时易于失去膨胀特性。
在许多污染控制装置中，引入的气流可能撞击安装垫，在至少使用本领域中已知的一些安装垫时，可能使安装垫发生一些腐蚀。随着时间变化和垫子腐蚀，膨胀材料可能没有垫子。如果安装垫在接近前缘处含有膨胀材料，并且由于腐蚀的原因，膨胀材料与其余的垫子脱离连接，那么膨胀材料将存放在污染控制装置的整体结构中。被存放的膨胀材料会降低气体在整体结构中的流动，并增大系统背压。
因此，随时间变化，在受引入的气流撞击的面积中没有膨胀材料的多层垫更不可能堵塞整体结构。在多层垫的一些实施方案中，当多层垫受压时，第一非膨胀层可以沿多层垫的至少一个边缘接触第二非膨胀层。有利的是，这种没有膨胀材料的边缘可以接近接触引入气流的污染控制元件的端部(即，前缘)。
在一些污染控制装置中，串联布置多个污染控制元件。对于这种污染控制装置，有利的是可构建多层垫，使得第一非膨胀层可以沿第一边缘和沿与第一边缘相对的第二边缘接触第二非膨胀层。多层垫可以包住第一污染控制元件，使得多层垫在气体进入(即，前缘)或退出污染控制元件(即，后缘)的区域中没有膨胀材料。在气体进入第一污染控制元件处存在无膨胀层的边缘有助于最小化膨胀材料对第一污染控制元件的堵塞。在气体退出第一污染控制元件处存在无膨胀层的边缘有助于最小化对第二污染控制元件的堵塞。
在一些多层垫中，膨胀层被分段。各段可以位于例如污染控制元件最小曲率半径的区域上。污染控制元件的这些分段部分最坚固，并能够承受因膨胀材料膨胀产生的较高压力。因此，至少在一些污染控制装置中，使用分段的膨胀层可以最小化污染控制元件中易碎的整体结构破裂。
本发明多层垫中膨胀层的面积小于非膨胀层(即，非膨胀层的面积大于膨胀层的面积)。当膨胀材料膨胀时，多层垫会对整体结构施加压力。通过减小膨胀垫的面积，可以降低施加到整体结构上的总力。至少在一些实施方案中，这种特征可以降低污染控制元件中整体结构破裂的可能性。
至少一些多层垫的安装压力小于膨胀材料的单层垫。因此，在一些条件下和在一些应用中，多层垫优选是膨胀材料的单层垫，因为整体结构更不可能因不可接受的高安装压力而破裂。
至少一些多层垫的安装压力大于非膨胀材料的单层垫。因此，在一些条件下和在一些应用中，多层垫优选是非膨胀材料的单层垫，因为可以更有效地保持整体结构。即，与单层非膨胀垫相比，污染控制装置的整体结构和外壳间的间隙可以用一些多层垫更有效地填充。
上面针对本发明人预见的实施方案描述了本发明，但是对本发明非实质的变化和将来的预见也是本发明的等价物。
实施例测试方法真实条件夹具测试真实条件夹具测试(RCFT)模仿具有被安装垫包围的整体结构(例如，催化转化元件或柴油机微粒过滤器)的污染控制装置中的实际操作条件。该测试测量由安装垫所施加的压力(即，安装压力)。在Hans Bode编的Material Aspects in Automotive Pollution Control Devices，Wiley-VCH，页-206-208(2002)中详细描述了RCFT方法。
将多层垫的44.45mm×44.45mm样品置于两块50.8mm×50.8mm的热不锈钢板间。多层样品的安装密度，即当其安装在各板之间时，为0.64g/cm3。一块板加热到温度900℃，另一块板加热到550℃，以分别模拟使用时污染控制装置中整体结构侧和垫子外壳侧上的温度。同时，使各板之间的间距或间隙增加的值为根据指定类型的典型污染控制装置的温度和材料的热膨胀系数计算得到的值。对每个样品进行三次循环。对于每一次循环，每块板加热到其峰值温度900℃或550℃，保持15分钟，然后冷却到大约室温例如约20℃。
在三个RCFT循环完成后，数据曲线就可以产生，曲线表明两块板之间的压力(即，安装压力)作为温度的函数。记录在第一和第三循环期间峰值温度下的安装压力以及室温下的安装压力。通常在污染控制装置的实际应用中，需要约50kPa的最小安装压力来稳固整体结构。
体积收缩率(TMA)使用带有图表记录器的Theta Dilatronic II热分析仪，型号MFE-715(从Theta Industries，Inc.，Port Washington，NY得到)通过热机械分析法(TMA)测量陶瓷纤维物质的体积收缩率。使用直径11mm的圆形模具切割纤维样品，并放在加热炉的板上。在样品上面安放一根7mm直径的石英棒(约35.6cm长)，该棒承受着1350克重量，关闭加热炉。这相应于向样品施加负载约50psi(345kN/m2)。将施加重物的样品稳定约5分钟，然后以15℃/分钟的速率加热到1000℃。在加热炉到达1000℃后，关闭加热炉，冷却到室温。样品在加热炉内冷却。样品的厚度为棒端部和板之间的间隙，在加热和冷却循环期间都绘制在图表记录器上。从在加热循环中在750℃下记录的厚度(T1)和在冷却循环中在750℃下记录的厚度(T2)来计算收缩百分比。体积收缩率计算如下％体积收缩率＝[(T1-T2)/T1]×100。
TMA测试可用于含有或不含有机粘合剂材料的样品。有机材料通常在约500℃下烧掉。在加热循环中，在750℃下测量的样品厚度基本上是含有无机粘合剂和粒子(如果存在)的纤维物质的厚度。当进一步加热样品时，如果在冷却循环中在750℃下测量的厚度小于加热循环中的样品厚度，那么在1000℃以下纤维发生的任何收缩将很明显。
实施例1膨胀层夹在两个非膨胀层之间，以形成多层垫。两个非膨胀层从3M Company(St.Paul，MN)以商品名″INTERAM 900HT″非膨胀绝缘垫得到。每个非膨胀层具有垫子端部可以与舌状物和凹槽(例如，与图6所示形状相似)相连的形状。这些非膨胀层约140mm宽×410mm长。每个非膨胀层其重量/单位面积为1020g/m2，厚度约4.1mm。膨胀垫从3M Company以商品名″INTERAM 100″膨胀安装垫得到。膨胀垫其重量/单位面积为1050g/m2，厚度约1.7mm。尽管膨胀层具有大约与非膨胀层相似的舌状物和凹槽尺寸和长度，但是宽度更窄(115mm，而不是140mm)。
每个非膨胀层的一个主表面用泡沫粘合剂(以商品名″FOAMFAST 74SPRAY ADHESIVE″从3M Company得到)喷射。膨胀层层压在涂布粘合剂的非膨胀层之间。膨胀层大约在非膨胀层间的中心，使得膨胀层的每一侧边缘距非膨胀层的每一侧边缘约12.5mm。即，多层垫的每一侧边缘没有膨胀材料。
在略微压到叠层上之后，膨胀垫完全封装在非膨胀层内。在85℃的烘箱中干燥多层垫约5分钟，其厚度约7.5mm。在最大温度下使用RCFT测试多层垫。样品的数据列于表1中。
参考例R1参考例R1是从3M Company(St.Paul，MN)得到的″INTERAM100″膨胀安装垫。样品的数据列于表1中。
参考例R2参考例R2是从3M Company(St.Paul，MN)得到的″INTERAM1100HT″非膨胀安装垫。垫子含有结晶(即，多晶)氧化铝纤维。样品的数据列于表1中。
表1安装压力
实施例2根据实施例1的过程制备多层垫，除了切割膨胀层使得膨胀层的一个侧边缘与外部非膨胀垫的一个侧边缘对齐，且膨胀垫的另一侧边缘与外部非膨胀垫的侧边缘相距约13mm。非膨胀层沿没有膨胀材料的边缘相互粘接。
实施例3根据实施例1的过程制备多层垫，除了未使用粘合剂。此外，使用刺针将单个垫子针刺在一起，以使纤维在三层间物理缠结。适合的针刺机以商品名″DILO″由Dilo of Germany市售，具有市售刺针(FosterNeedle Company，Inc.，(Manitowoc，WI))。针刺多层垫，以提供约10个针孔/cm2。膨胀层夹在两个非膨胀层之间。
实施例4根据实施例1的方法制备多层垫，除了使用丙烯酸类粘合带代替泡沫粘合剂。此外，粘合带仅应用到一个非膨胀层的侧边缘。将0.13mm厚的丙烯酸类粘合剂转移带的12mm宽的条(以商品名″ADHESIVETRANSFER TAPE 468″从3M Company(St.Paul MN)得到)置于一个非膨胀垫的侧边缘的主表面上。膨胀层置于第一非膨胀层上的粘合条间。第二非膨胀层置于膨胀层上，使得膨胀层夹在两个非膨胀层之间。粘合剂使第一非膨胀层与第二非膨胀层粘合。
实施例5根据实施例1的方法制备多层垫，除了使用热熔网状粘合剂(以商品名″PE 105-50POLYESTER WEB ADHESIVE″从Bostik Findley Inc.，(Middleton，MA)得到)代替喷射粘合剂来层压多层垫的各层。粘合剂置于非膨胀片上，并加热至熔融(约110℃～140℃)，然后用轻压力将非膨胀片层压到膨胀垫上。膨胀层夹在两个非膨胀层之间。
实施例6根据实施例5的方法制备多层垫，除了将12mm宽的热熔粘合剂条仅沿一个非膨胀垫的每一侧边缘放置。加热非膨胀层至熔化粘合剂后，膨胀垫置于粘合条间的第一非膨胀层上。第二非膨胀垫置于膨胀垫上。轻压侧边缘，以将垫子固定到一起。膨胀层夹在两个非膨胀层之间。
实施例7根据PCT专利公布WO 0075496(Langer)所述的过程，用热处理陶瓷纤维制造非膨胀垫。陶瓷纤维其组成为约50％氧化铝和约50％氧化硅，其以商品名″KAOWOOL HA-BULK″由Thermal Ceramics(Augusta，GA)市售。纤维被热处理至根据TMA测试体积收缩率为4.5％。通过在1060℃下加热大量纤维约3分钟，进行充分热处理。热处理后纤维其平均直径约3微米，平均长度小于约10mm。当使用x-射线衍射分析时，使用铜Kα线作为辐射源，在约22.5度的2θ角处得到宽峰。纤维含有结晶区，但结晶尺寸不够大，从而得到较窄的衍射峰。
根据实施例6的过程使用热处理的非膨胀陶瓷纤维垫制备多层垫。即，膨胀层是3M Company的″INTERAM 100″。热熔粘合剂条(12mm宽)仅沿一个非膨胀垫的每一侧边缘放置。加热非膨胀层至熔化粘合剂后，膨胀垫置于粘合条间的第一非膨胀层上。第二非膨胀垫置于膨胀垫上。轻压侧边缘，以将垫子固定到一起。膨胀层夹在两个非膨胀层之间。
实施例8根据实施例6的过程制备多层垫，除了非膨胀垫由结晶(即，多晶)氧化铝纤维形成。这种垫子以商品名″INTERAM 1100HT″非膨胀安装垫由3M Company(St.Paul MN)市售。
实施例9根据实施例1的过程制备多层垫，除了将膨胀层切成段，每一段为约100mm×140mm宽。两段膨胀层位于两个非膨胀层之间，使得当垫子包住椭圆形横截面的整体结构时，膨胀部分在整体结构最小曲率半径的部分上。
实施例10根据实施例3的过程制备针刺垫子，除了两个非膨胀层不相同。一个非膨胀层是结晶(即，多晶)氧化铝纤维垫。这种垫子可以商品名″MAFTEC MLS-2″多晶毯，800g/m2从Mitsubishi Chemical Co.(Tokyo，Japan)得到。另一非膨胀层根据PCT公布WO 2004/011785(Merry)中实施例3所述的过程形成。无机纤维是R-玻璃，从Saint-Gobain Vetrotex得到，通常组成为60wt.％SiO2，25wt.％Al2O3，9wt.％CaO和6wt.％MgO。R-玻璃纤维直径约10微米，长度约36mm。使用Rando MachineCorp.(Macedon，NY)以商品名″RANDO WEBBER″市售的机器制造R-玻璃非膨胀层。针刺该非膨胀层。
实施例11根据实施例1的过程制备多层垫，除了膨胀层是由符合欧洲未分类纤维规定的陶瓷纤维制造的垫子。这种垫子以商品名″INPE 570″安装垫从3M Company(St.Paul，MN)得到。膨胀垫其重量/单位面积为1050g/m2，厚度约1.7mm。
实施例12通过用从3M Company得到的喷射粘合剂″FOAM FAST 74SPRAY ADHESIVE″喷射从3M Company(St.Paul，MN)得到的″INTERAM 1100HT″安装垫的非膨胀层，来制备多层垫。将从CometalsInc.(New York，NY)得到的非膨胀蛭石粒子喷撒在距垫子侧边缘约12mm的垫子中心上。粒子随机分布，在大部分粒子间留有空间。将″INTERAM 1100HT″安装垫的第二非膨胀层轻压到粒子顶部上。
本领域技术人员在对本说明书进行思考或根据本发明进行实践之后，不难发现本发明的其他实施方案。在不背离所附权利要求所示的本发明真正范围和精神的情况下，本领域技术人员可以对这里所述的原则和实施方案进行各种删减、修改和变化。
权利要求
1.一种多层垫，包括具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面的膨胀层，所述膨胀层具有面积A1；面向膨胀层的第一主表面的第一非膨胀层，所述第一非膨胀层包括无机纤维和所述第一非膨胀层具有大于面积A1的面积A2；和面向膨胀层的第二主表面的第二非膨胀层，所述第二非膨胀层包括无机纤维，所述第二非膨胀层具有大于面积A1的面积A3，其中膨胀层完全位于第一非膨胀层和第二非膨胀层的面积内。
2.如权利要求1所述的多层垫，其中面积A2基本上等于面积A3，第一非膨胀层与第二非膨胀层对齐。
3.如权利要求1所述的多层垫，其中第一非膨胀层具有长度L2，第二非膨胀层具有基本上等于长度L2的长度，其中第一非膨胀层具有宽度W2，第二非膨胀层具有基本上等于宽度W2的宽度。
4.如权利要求1所述的多层垫，其中第一非膨胀层沿垫子的至少一个边缘接触第二非膨胀层。
5.如权利要求1所述的多层垫，其中膨胀层分成相互分离的至少两段。
6.如权利要求1所述的多层垫，其中膨胀层其厚度为垫子总厚度的5～25％。
7.如权利要求1所述的多层垫，其中第一非膨胀层在面向膨胀层的侧面上具有第一槽，膨胀层位于该槽中。
8.如权利要求7所述的多层垫，其中第二非膨胀层在面向膨胀层的侧面上具有第二槽，第二槽与第一槽对齐，膨胀层位于第一槽和第二槽中。
9.如权利要求7所述的多层垫，其中多层垫的两层或多层通过粘合剂、针刺或缝合结合在一起。
10.如权利要求3所述的多层垫，其中膨胀层具有小于W2的长度W1，膨胀层具有基本上等于L2的长度L1，第二非膨胀层沿多层垫的至少一个边缘接触第一非膨胀层。
11.如权利要求1所述的多层垫，其中第一非膨胀层和第二非膨胀层均具有面向膨胀层的平表面。
12.如权利要求1所述的多层垫，其中多层垫的第一端部具有舌状物，多层垫的第二端部具有凹槽，用于使第一端部和第二端部连接。
13.一种污染控制装置，包括金属外壳；污染控制元件；和置于污染控制元件和金属外壳之间的多层安装垫，所述多层垫包括具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面的膨胀层，所述膨胀层具有面积A1；面向膨胀层的第一主表面的第一非膨胀层，所述第一非膨胀层包括无机纤维，所述第一非膨胀层具有大于面积A1的面积A2；和面向膨胀层的第二主表面的第二非膨胀层，所述第二非膨胀层包括无机纤维，所述第二非膨胀层具有大于面积A1的面积A3，其中膨胀层完全位于第一非膨胀层和第二非膨胀层的面积内。
14.如权利要求13所述的污染控制装置，其中面积A2基本上等于面积A3，第一非膨胀层与第二非膨胀层对齐。
15.如权利要求13所述的污染控制装置，其中第一非膨胀层具有长度L2，第二非膨胀层具有基本上等于长度L2的长度，其中第一非膨胀层具有宽度W2，第二非膨胀层具有基本上等于宽度W2的宽度。
16.如权利要求13所述的污染控制装置，其中第一非膨胀层沿垫子的至少一个边缘接触第二非膨胀层，所述至少一个边缘在污染控制装置的气体进口侧。
17.如权利要求13所述的污染控制装置，其中膨胀层分成相互分离的至少两段。
18.如权利要求17所述的污染控制装置，其中污染控制元件具有椭圆截面，膨胀层的各段在污染控制元件较小曲率半径的部分上。
19.如权利要求15所述的污染控制装置，其中膨胀层具有小于W2的长度W1，膨胀层具有基本上等于L2的长度L1，第二非膨胀层沿多层垫的至少一个边缘接触第一非膨胀层。
20.一种形成多层垫的方法，所述方法包括提供具有第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面的膨胀层，所述膨胀层具有面积A1；布置第一非膨胀层面向膨胀层的第一主表面，所述第一非膨胀层包括无机纤维并具有大于面积A1的面积A2；和布置第二非膨胀层面向膨胀层的第二主表面，所述第二非膨胀层与所述第一非膨胀层对齐并包括无机纤维，所述第二非膨胀层具有大于面积A1的面积A3，其中膨胀层完全位于第一非膨胀层和第二非膨胀层的面积内。
21.如权利要求20所述的方法，其中面积A2基本上等于面积A3，第一非膨胀层与第二非膨胀层对齐。
22.如权利要求20所述的方法，其中第一非膨胀层具有长度L2，第二非膨胀层具有基本上等于长度L2的长度，其中第一非膨胀层具有宽度W2，第二非膨胀层具有基本上等于宽度W2的宽度。
23.如权利要求20所述的方法，其中所述形成包括在面向膨胀层的侧面上模塑制造具有槽的第一非膨胀层。
24.如权利要求20所述的方法，其中膨胀层其厚度为垫子总厚度的5～25％。
25.如权利要求20所述的方法，其中多层垫沿多层垫的至少一个边缘没有膨胀材料。
26.如权利要求20所述的方法，其中所述布置包括制造具有至少两段并使各段分开的膨胀层。
27.如权利要求22所述的方法，其中膨胀层具有小于W2的宽度W1，膨胀层具有基本上等于L2的长度L1，和多层垫沿多层垫的至少一个边缘没有膨胀材料。
28.如权利要求20所述的方法，所述方法还包括将多层垫切割成适合用作污染控制装置内安装垫的尺寸。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述切割形成带有边缘的垫子，其具有用于在包住污染控制元件后连接垫子的舌状物和凹槽结构。
全文摘要
本发明公开了多层垫、含有多层垫的污染控制装置和制造多层垫的方法。该多层垫包括夹在两个非膨胀层(110，130)之间的膨胀层(120)。非膨胀层(110，130)含有无机纤维，并比膨胀层(120)面积大。
文档编号F01N3/28GK1969111SQ200580019588
公开日2007年5月23日 申请日期2005年2月25日 优先权日2004年4月14日
发明者理查德·P·梅里 申请人:3M创新有限公司