蜂窝结构体及其制备方法、颗粒捕集器与流程

1.本发明涉及颗粒捕集器领域，尤其涉及一种蜂窝结构体及其制备方法、颗粒捕集器。


背景技术：

2.作为用于捕集除去汽油、柴油发动机尾气等含尘流体中粒子状物质的过滤器、或者用于负载对尾气中有害物质进行净化的催化剂成分的催化剂载体，广泛使用多孔质的蜂窝结构体。另外，这样的蜂窝结构体作用于汽车发动机时，需要经常面对高温环境，而使用堇青石、氧化物、金属硅粉等粘结剂将碳化硅粒子(sic粒子)等骨料粘结而得到的具备多个细孔的多孔质材料具有耐热冲击性等优异特性。使用这些多孔质材料，形成具有由隔壁区划形成的多个隔室的蜂窝结构体，可以应用在内燃机颗粒捕集器(gpf、dpf)上，进而通过隔室壁过滤尾气中的固体颗粒物，使其达到排放标准。
3.颗粒捕集器需要满足高捕集效率、低背压、高机械强度、高耐久性等特征，具体地，颗粒捕集器需要满足高捕集效率，达到尾气规定排放标准；也要降低尾气通过压降，节省发动机油耗；同时颗粒捕集器又要满足应对复杂的路况和车况，所以要具备优异的机械强度和耐久性。但是高捕集效率和低背压要求产品具备高孔隙率的特征，而高机械强度和高耐久性又要求产品具有低孔隙率和高产品密度。
4.当前的工艺及产品大都只是调控孔隙率，来试图寻找两者之间的平衡性，但是随着环保要求越来越高，这种调节手段越来越不能同时满足孔隙率和耐久性的要求。
5.中国专利cn 110759746 a采用了添加纤维状造孔剂将孤立孔贯穿为通透孔，以降低颗粒捕集器背压特性，但是添加纤维状造孔剂会造成孔径分布的变化，影响捕集效率，并且需要额外控制造孔剂的粒度一致性和混料一致性，增加生产工艺的成本和技术难度。
6.因此，本领域亟需开发一种同时兼顾机械强度与背压特性的产品，并且兼顾生产工艺的难易程度，以提高颗粒捕集器的使用性能。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种蜂窝结构体及其制备方法、颗粒捕集器。
8.第一方面，本发明提供一种蜂窝结构体，其孔隙率大于等于36％，孔隙分为通透孔和孤立孔，其中通透孔的体积占总孔隙体积的72％以上。
9.由于蜂窝陶瓷结构体中起捕集效用的为通透孔，孤立孔的存在不仅起不到捕集颗粒物、降低背压的效用，还会降低蜂窝陶瓷结构体的导热特性、抗压特性以及碳载量。本发明通过控制通透孔的体积占总孔隙体积的72％以上，从而在不降低蜂窝结构体背压特性和捕集效率的同时拥有高的机械性能、导热特性和优异的碳载量。
10.需要说明的是，本发明所述通透孔为蜂窝结构体中所含的与外界至少存在一个孔眼即存在连通的孔洞。孤立孔为蜂窝结构体中所含的与外界不存在任何一个孔眼即不存在
连通的孔洞。所述通透孔与所述孤立孔均为微米级。
11.根据本发明提供的蜂窝结构体，所述蜂窝结构体的原料包括金属硅粉和碳化硅，其中，金属硅粉的质量为碳化硅的质量的10-30％，碳化硅原料粒径为21-48μm，碳化硅原料球度＞0.78，金属硅粉粒径为5-12μm，金属硅粉原料球度＞0.65。
12.本发明充分考虑了粒径、表面形貌和组分含量的关系，在原料方面找到了关键的粘结剂(金属硅粉)和碳化硅骨料的匹配特性。其中，碳化硅粒径过小或过大，会造成孔径分布过小或过大；金属硅粉粒径过小，会造成制备工艺成本上升，粒径过大则会在烧结阶段堵塞球度低的碳化硅颗粒所组成的小型缝隙；碳化硅原料球度＞0.78，防止球度不好的碳化硅骨料突出部分所支撑起的小型孔隙被大颗粒金属硅粉堵塞；金属硅粉原料球度＞0.65，球度高的金属硅粉在混料过程中与碳化硅骨料分散的更均匀，避免金属硅粉因分布不均，含量高的金属硅粉熔融团聚堵塞碳化硅颗粒小缝隙。总之，将原料各条件控制在上述范围内，才能使通透孔的体积占总孔隙体积的72％以上。
13.根据本发明提供的蜂窝结构体，所述金属硅粉的质量为碳化硅的质量的18-21％，所述碳化硅原料粒径为28-40μm。
14.根据本发明提供的蜂窝结构体，所述原料经烧结后，再经1250
±
10℃氧化处理。
15.烧结时金属硅粉熔融后会因毛细现象在表面富集，对其氧化处理生成二氧化硅保护膜不仅可以调控孔径分布，增强捕集效率，还可以增加其机械强度，提升耐久性。
16.根据本发明提供的蜂窝结构体，所述原料还包括膨润土、烧结助剂、润滑剂、粘合剂和水。
17.根据本发明提供的蜂窝结构体，所述烧结助剂为氢氧化铝、氧化锶、碳酸镁中的一种或多种。
18.根据本发明提供的蜂窝结构体，所述润滑剂为甘油、月桂酸、妥尔油中的一种或多种。
19.根据本发明提供的蜂窝结构体，所述粘合剂为甲基纤维素、聚乙烯醇中的一种或多种。
20.在本发明的一些具体实施方式中，将金属硅粉、碳化硅、膨润土、烧结助剂、润滑剂、粘合剂和水以15：70：1：1.2：1.4：4.8：6.6的比例进行混合。
21.根据本发明提供的蜂窝结构体，所述通透孔的中值孔径为10～13μm。
22.根据本发明提供的蜂窝结构体，所述蜂窝结构体的b轴抗弯强度≥15mpa。
23.根据本发明提供的蜂窝结构体，所述蜂窝结构体的热导率≥20w/mk。
24.第二方面，本发明提供上述蜂窝结构体的制备方法。
25.本发明提供的制备方法包括以下步骤：
26.将各原料混合，所得混合物料进行加工得到隔室单元条，将所述隔室单元条进行脱脂、烧结后，再进行1250
±
10℃氧化处理，将所得隔室单元条进行拼接得到蜂窝结构体。
27.进一步地，所述加工过程包括捏合、练泥、陈腐、挤出和干燥。
28.第三方面，本发明提供一种颗粒捕集器，包括上述蜂窝结构体。
29.本发明提供了一种蜂窝结构体及其制备方法、颗粒捕集器，通过控制通透孔的体积占总孔隙体积的72％以上，从而在不降低蜂窝结构体背压特性和捕集效率的同时拥有高的机械性能、导热特性和优异的碳载量。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一一简单地介绍，需要指出，示意图中各部分的尺寸并不是按照实际比例关系绘制的。下面描述中的附图是本发明的一些实施例。
31.图1为本发明实施例1所得蜂窝结构体的微观结构示意图，图中1、2、3为贯穿孔，4、5为孤立孔；
32.图2为本发明实施例1所得蜂窝结构体的显微镜图。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.若无特别说明，本发明实施例所涉及原料均可通过市售获得。
35.实施例1
36.本实施例提供一种蜂窝结构体，其制备方法包括以下步骤：
37.(i)将金属硅粉、碳化硅、膨润土、烧结助剂(氢氧化铝和氧化锶质量比1：2)、润滑剂(月桂酸)、粘合剂(甲基纤维素和聚乙烯醇质量比2：1)和水以15：70：1：1.2：1.4：4.8：6.6的比例进行混合。
38.(ii)将i中的混合物料进行捏合、练泥、陈腐、挤出、干燥。
39.(iii)将步骤(ii)中的单元条进行脱脂、烧结(1450℃)处理。
40.(iv)将烧结后的单元条进行1250℃氧化处理。
41.(v)将步骤(iv)中的单元条进行拼接、磨削、植皮、打码。
42.所得蜂窝结构体其微观结构示意图如图1所示，其显微镜图如图2所示。
43.实施例2-11
44.按照表1的原料(表1中未提及的原料以及用量同实施例1)以及与实施例1相同的制备方法得到蜂窝结构体。
45.对比例1-4
46.按照表1的原料(表1中未提及的原料以及用量同实施例1)以及与实施例1相同的制备方法得到蜂窝结构体。
47.对比例5
48.本对比例提供一种蜂窝结构体，其原料同实施例1，制备方法如下：
49.将各原料混合，进行捏合、练泥、陈腐、挤出、干燥；
50.将上步所得单元条进行脱脂、烧结处理，然后800℃氧化处理，最后进行拼接、磨削、植皮、打码。
51.表1
[0052][0053]
性能测试
[0054]
将实施例1-11和对比例1-5得到的蜂窝结构体进行如下性能测试，结果见表2。
[0055]
(1)三点抗弯强度(即b轴抗弯强度)：测试方法为gb-t 6569-2006；
[0056]
(2)孔隙率：jc/t 2396-2017柴油机颗粒捕集器用壁流式蜂窝陶瓷”规定；
[0057]“gb/t 3810.3-2006陶瓷砖试验方法第3部分吸水率、显气孔率、表观相对密度和容重的测定”检测；
[0058]
(3)中值孔径：jc/t 2396-2017柴油机颗粒捕集器用壁流式蜂窝陶瓷”规定；
[0059]
gb/t21650.1-2008压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度第1部分：压汞法”检测；
[0060]
(4)孤立孔体积：将(2)孔隙率测试所用的样烘干并研磨粉碎；再次按照同样的标准(jc/t 2396-2017柴油机颗粒捕集器用壁流式蜂窝陶瓷”规定；“gb/t 3810.3-2006陶瓷砖试验方法第3部分吸水率、显气孔率、表观相对密度和容重的测定”)进行检测。用此阶段得到的粉末体积v1除(2)孔隙率测试得到的单元条体积v2得到固体率；孤立孔体积＝v2*(1-孔隙率-固体率)。
[0061]
(5)通透孔与总孔隙体积比值：孔隙率*单元条体积v2/(孔隙率*单元条体积v2+孤立孔体积)。
[0062]
(6)背压：背压测试仪，测试流量800m3/h。
[0063]
表2
[0064][0065][0066]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。