專利名稱：模制的三維隔熱體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
提供了模制的三維隔熱體和制造該隔熱體的方法。更具體地說，提供了一種適用于污染控制器件的末端錐體區(qū)域中的模制三維隔熱體。
背景技術(shù)：
污染控制器件被用于機(jī)動車中以降低大氣污染。目前廣泛使用的是兩種污染控制器件催化轉(zhuǎn)化器和柴油機(jī)顆粒過濾器或捕集器。催化轉(zhuǎn)化器中含有一種或多種催化劑，這些催化劑通常被涂布在整體式塊狀結(jié)構(gòu)形式的底物上。這些整體式塊狀結(jié)構(gòu)通常是陶瓷，不過也使用過金屬整料。催化劑能氧化一氧化碳，氧化各種碳?xì)浠?，還原氮氧化物，或者廢氣中這些物質(zhì)的混合。柴油機(jī)顆粒過濾器或捕集器通常是具有蜂窩整體式塊狀結(jié)構(gòu)的壁流式過濾器，由滲透性晶體陶瓷材料制成。蜂窩整體式塊狀結(jié)構(gòu)的交錯孔隙被堵塞，使尾氣能進(jìn)入一個孔隙，流過滲透性孔壁進(jìn)入另一個孔隙，然后離開該結(jié)構(gòu)。
在這些污染空氣器件的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)中，該整體式塊狀結(jié)構(gòu)被封閉在末端錐體外殼中。因為整體式塊狀結(jié)構(gòu)的直徑通常大于汽車尾氣管，所以該末端錐體外殼中通常包括一個過渡區(qū)。這個過渡區(qū)是指從適合于整體式塊狀結(jié)構(gòu)的直徑逐漸縮小到適合于連接廢氣管的直徑的區(qū)域稱之為末端錐體區(qū)域。末端錐體通常是圓錐形的，位于污染控制器件的進(jìn)口和出口側(cè)。
污染控制器件通常在較高溫度下工作，比如超過約500℃。因此，通常需要在末端錐體外殼中提供隔熱。可以在整體式塊狀結(jié)構(gòu)和金屬外殼之間使用裝配墊形式的隔熱材料。還可以在末端錐體外殼的末端錐體區(qū)域中提供隔熱。末端錐體區(qū)域通常具有雙壁結(jié)構(gòu)，包括外側(cè)末端錐體外殼和內(nèi)側(cè)末端錐體外殼。可以在內(nèi)側(cè)和外側(cè)末端錐體外殼之間使用隔熱材料。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種模制的三維隔熱體。更具體地說，該隔熱體適用于污染控制器件的末端錐體區(qū)域中。本發(fā)明還提供了制造該隔熱體的方法。
本發(fā)明一方面提供的制件包括其尺寸適用于污染控制器件的末端錐體區(qū)域中的模制三維隔熱體。該隔熱體中包括體積收縮率不超過10％的陶瓷纖維，使用熱機(jī)械分析儀進(jìn)行測試(即，在大約50磅/平方英寸(345千牛/平方米)的負(fù)載下將陶瓷纖維樣品加熱到1000℃，然后冷卻；對加熱步驟中樣品的750℃下的直徑與冷卻步驟中樣品的750℃下的直徑進(jìn)行比較)。隔熱體是自支撐和無縫的，裝配密度約為0.4克/毫升時的可壓縮性值不超過750千牛/平方米。該制件中可以還包括與隔熱體內(nèi)表面，隔熱體外表面或其組合結(jié)合的污染控制器件末端錐體外殼。
本發(fā)明第二方面提供的制件包括其三維尺寸適用于污染控制器件的末端錐體區(qū)域中的模制三維隔熱體。該隔熱體包括含有占其總重量至少20重量％氧化鋁和至少30重量％氧化硅的陶瓷纖維。這些陶瓷纖維可以是微晶，晶體或其混合形式的。該隔熱體是自支撐和無縫的，當(dāng)裝配密度約為0.4克/毫升時具有不超過750千牛/平方米的可壓縮性值。該制件可以還包括與隔熱體內(nèi)表面，隔熱體外表面或其組合結(jié)合的污染控制器件的末端錐體外殼。
本發(fā)明第三方面提供了包括適用于污染控制器件的末端錐體區(qū)域中的隔熱體的制件制造方法。該方法包括制備水漿料，在透過性成型壓模上用水漿料真空盛開形成模制的三維預(yù)制體，和將預(yù)制體干燥形成模制的三維隔熱體。用于制備預(yù)制體的水漿料中包括體積收縮率不超過10％的陶瓷纖維，收縮率由熱機(jī)械分析儀測試獲得。該隔熱體是自支撐的，當(dāng)裝配密度約為0.4克/毫升時具有不超過750千牛/平方米的可壓縮性值。
本發(fā)明第四方面提供了包括適用于污染控制器件的末端錐體區(qū)域中的隔熱體的制件制造方法。該方法包括制備水漿料，在滲透性成型壓模上用水漿料真空形成模制的三維預(yù)制體，和干燥預(yù)制體形成模制的三維隔熱體。用于制備預(yù)制體的水漿料中包括含有至少20重量％氧化鋁和至少30重量％氧化硅的陶瓷纖維。這些陶瓷纖維可以是微晶，晶體或其混合形式的。該隔熱體是自支撐的，當(dāng)裝配密度約為0.4克/毫升時具有不超過750千牛/平方米的可壓縮性值。
本發(fā)明的以上概述并非試圖說明本發(fā)明的每個實施例或?qū)嵤┓绞?。以下附圖和具體說明將更具體地描述這些實施例。
附圖簡要說明附

圖1所示為在末端錐體外殼內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間具有模制的三維隔熱體的污染控制器件截面圖。
附圖2是一種適用于污染控制器件的末端錐體區(qū)域中的模制三維隔熱體的示意圖。
附圖3是另一種適用于污染控制器件的末端錐體區(qū)域中的模制三維隔熱體的示意圖。
雖然可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改進(jìn)和變化，但是其特征如附圖所示，以下將具體說明。應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不限于所述特定實施例。相反，本發(fā)明覆蓋其原理和范圍內(nèi)的所有改進(jìn)，等同和替換。
發(fā)明具體說明本發(fā)明提供了具有適用于污染控制器件的末端錐體區(qū)域中的模制三維隔熱體的制件和制造該制件的方法。這里所用詞組“模制的三維隔熱體”是指并非由隔熱平面材料形成的隔熱體。而是用具有三維形狀的模具或壓模形成的隔熱體。不同于由片材形成的隔熱體，該模制三維隔熱體沒有能夠被打開提供扁平的隔熱體的一條或多條縫。
附圖1所示為在末端錐體外殼內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間具有隔熱體的典型污染控制器件。該污染控制器件10中包括具有圓錐形進(jìn)口14和出口16的末端錐體外殼12。這個外殼也被稱為罐或套，通常由不銹鋼等金屬制成。位于外殼12內(nèi)部的是由陶瓷或金屬材料制成的整體式塊狀結(jié)構(gòu)18。該整體式塊狀結(jié)構(gòu)中可以含有催化劑。隔熱材料22包圍住整體式塊狀結(jié)構(gòu)18。
金屬外殼的進(jìn)口14和出口16區(qū)域中包括末端錐體外殼內(nèi)側(cè)28和末端錐體外殼外側(cè)26。本發(fā)明的模制三維隔熱體可以作為隔熱材料30。
從片材或墊料制備的末端錐體隔熱體是已知的?？梢詫⒏魺岵牧系钠幕驂|料切割成合適的尺寸與形狀，然后使其與末端錐體區(qū)域內(nèi)部匹配。比如，可以切割片材形成有縫的錐形。將片材或墊料切割成要求的尺寸和形狀會導(dǎo)致浪費隔熱材料。模制的三維隔熱體能產(chǎn)生較少的浪費。而且，很難或無法切割片材以適應(yīng)具有復(fù)雜形狀的末端錐體。
含有陶瓷纖維的模制三維隔熱體是已知的。但是，某些隔熱體太硬，很難被定位于污染控制器件的末端錐體外殼的內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間。某些隔熱體具有不均勻的厚度。具有不均勻厚度的隔熱材料也很難被定位于污染控制器件的末端錐體區(qū)域中。
本發(fā)明一方面提供了包括其尺寸適用于污染控制器件的末端錐體區(qū)域中的模制三維隔熱體的制件。該隔熱體中包括體積收縮率不超過10％的陶瓷纖維，收縮率由熱機(jī)械分析儀測試獲得。該隔熱體是自支撐和無縫的，當(dāng)裝配密度為0.4克/毫升時具有不超過750千牛/平方米的可壓縮性值。該制件中可以還包括與隔熱體內(nèi)表面，隔熱體外表面，或其組合結(jié)合的污染控制器件的末端錐體外殼。
附圖2所示為一種具有內(nèi)表面52和外表面54的模制三維隔熱體50。隔熱體50的內(nèi)表面52可以與里邊的污染控制器件的末端錐體外殼內(nèi)部鄰接。隔熱體50的外表面54可以與外邊的污染控制器件的末端錐體外殼鄰接?？梢圆捎闷渌螤睿峁┪廴究刂破骷哪┒隋F體區(qū)域中基本圓錐形的隔熱體。一種形狀如附圖3中所示。
適用的陶瓷纖維具有熱機(jī)械分析儀(TMA)測試獲得的不超過10％的體積收縮率。在TMA測試中，將負(fù)載(比如50磅/平方英寸或345牛/平方米)樣品加熱到1000℃然后冷卻。在加熱和冷卻周期中測量750℃時的樣品卡尺直徑，計算百分收縮率。百分收縮率等于加熱和冷卻步驟中，750℃卡尺直徑的差乘以100并除以加熱步驟中的750℃卡尺直徑?？梢杂肨MA測試表征陶瓷纖維或者由陶瓷纖維制備的隔熱體。當(dāng)熱機(jī)械分析儀的溫度達(dá)到750℃時，隔熱體中含有的大部分或全部有機(jī)物質(zhì)都被除去。
在某些實施例中，陶瓷纖維的體積收縮率不超過10％，不超過8％，不超過6％，不超過4％，不超過3％，不超過2％，或者不超過1％。陶瓷纖維的收縮率通常至少為0.5％。在某些實施例中，TMA測試獲得的陶瓷纖維體積收縮率在0.5到2％，0.5到3％，0.5到5％，或0.5到6％的范圍內(nèi)。
供應(yīng)時的體積收縮率不超過10％的市售陶瓷纖維實例(即供應(yīng)時不經(jīng)過熱處理就可用的纖維)包括但并不限于晶體形式的而且含有Al2O3(即氧化鋁)和SiO2(氧化硅)的纖維。Al2O3對SiO2的重量比(Al2O3∶SiO2)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。在某些特定實施例中，陶瓷纖維中含有占該纖維總重量為60到98重量％的Al2O3和2到40重量％的SiO2。在某些特定實施例中，陶瓷纖維中含有占該纖維總重量為70到98重量％的Al2O3和2到30重量％的SiO2。可以含有痕量的其他氧化物。這里所用術(shù)語“痕量”是指含量不超過2重量％，不超過1重量％，或者不超過0.5重量％。
適合于不進(jìn)行熱處理而使用的陶瓷纖維包括但并不限于以下物質(zhì)，從Mitsubishi Chemical(Tokyl，Japan)以商品名“MAFTEC”購得的產(chǎn)品(比如MLS1，MLS2和MLS3)，含有占纖維總重量為28重量％的SiO2和72重量％的Al2O3；從Saffil Limited(Widness Cheshire，U.K.)以商品名“SAFFIL”購得的產(chǎn)品(比如SF，LA Bulk，HA Bulk，HX Bulk)，含有占纖維總重量為3到5重量％的SiO2和95到約97重量％的Al2O3；和從Unifrax(Tonawonda，NY)以商品名“UNIFRAXFIBERFRAX FIBERMAX”購得的產(chǎn)品，含有占纖維總重量為27重量％的SiO2和72重量％的Al2O3。
在某些實施例中，可以對市售陶瓷纖維進(jìn)行熱處理以提供體積收縮率小于10％的陶瓷纖維。這些纖維中通常包括Al2O3和SiO2。Al2O3對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。陶瓷纖維中通常含有至少30重量％的SiO2和至少20重量％的Al2O3。比如，適用的陶瓷纖維中可以含有占纖維總重量為30到80重量％的氧化硅和20到70重量％的氧化鋁。在某些特定實施例中，陶瓷纖維中可以含有占纖維總重量為40到60重量％的氧化硅和40到60重量％的氧化鋁。在其他特定實施例中，陶瓷纖維中含有占纖維總重量為45到55重量％的氧化硅和45到55重量％的氧化鋁?？梢院泻哿康钠渌趸?。
適合于在熱處理之后應(yīng)用的陶瓷纖維實例包括但并不限于以下材料，從Thermal Ceramic(Augusta，GA)以商品名“KAOWOOL HA BULK”購得的陶瓷纖維，含有占纖維總重量為50重量％的SiO2和50重量％的Al2O3；從ThermalCeramics以商品名“CERAFIBER”購得的陶瓷纖維，含有占纖維總重量為54重量％的SiO2和46重量％的Al2O3；從Thermal Ceramics以商品名“KAOWOOL D73F”購得的陶瓷纖維，含有占纖維總重量為54重量％的SiO2和46重量％的Al2O3；從Rath(Wilmington，DE)以商品名“RATH 2300RT”購得的陶瓷纖維，含有占纖維總重量為52重量％的SiO2，47重量％的Al2O3，和不超過1重量％的Fe2O3，TiO2和其他物質(zhì)；從Rath以商品名“RATH ALUMINO-SILICATE CHOPPED FIBER”購得的陶瓷纖維，含有占纖維總重量為54重量％的SiO2，46重量％的Al2O3和痕量的其他物質(zhì)；從Vesuvius(Buffalo，NY)以商品名“CER-WOOL RT”購得的陶瓷纖維，含有占纖維總重量為49到53重量％的SiO2，43到47重量％的Al2O3，0.7到1.2重量％的Fe2O3，1.5到1.9重量％的TiO2和不超過1重量％的其他物質(zhì)；從Vesuvius以商品名“CER-WOOL LT”購得的陶瓷纖維，含有占纖維總重量為49到57重量％的SiO2，38到47重量％的Al2O3，0.7到1.5重量％的Fe2O3，1.6到1.9重量％的TiO2和0到0.5重量％的其他物質(zhì)；和從Vesuvius以商品名“CER-WOOL HP”購得的陶瓷纖維，含有占纖維總重量為50到54重量％的SiO2，44到49重量％的Al2O3，0到0.2重量％的Fe2O3，0到0.1重量％的TiO2和不超過0.5重量％的其他物質(zhì)。
適合于在熱處理之后應(yīng)用的陶瓷纖維其他實施例中含有SiO2，Al2O3和ZrO2。Al2O3對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。纖維中含有占其總重量為至少3重量％的ZrO2，至少30重量％的SiO2和至少20重量％的Al2O3。在某些實施例中，纖維中含有占其總重量不超過5重量％，不超過7重量％，不超過10重量％，不超過12重量％，不超過15重量％，不超過16重量％，不超過20重量％，或不超過25重量％的ZrO2。陶瓷纖維中可以含有占纖維總重量為30到70重量％，40到65重量％，45到60重量％，45到55重量％，50到60重量％的SiO2。陶瓷纖維中可以含有占纖維總重量為20到60重量％，25到50重量％，25到45重量％，25到40重量％，25到35重量％，30到50重量％或者30到40重量％的Al2O3。在某些實施例中，陶瓷纖維中含有占纖維總重量為25到50重量％的Al2O3，40到60重量％的SiO2和3到20重量％的ZrO2。在其他特定實施例中，陶瓷纖維中含有占纖維總重量為30到40重量％的Al2O3，45到60重量％的SiO2和5到20重量％的ZrO2?？梢院泻哿康钠渌趸?。
適合于在熱處理之后應(yīng)用而且含有SiO2，Al2O3和ZrO2的陶瓷纖維實例包括以下材料，從Thermal Ceramic(Augusta，GA)以商品名“KAOWOOL ZR”和“CERACHEM”購得的陶瓷纖維，含有占纖維總重量為50重量％的SiO2，35重量％的Al2O3和15重量％的ZrO2；從Unifrax(Tonawonda，NY)以商品名“UNIFRAXFIBERFRAX FIBERMAT”購得的陶瓷纖維，含有占纖維總重量為52到57重量％的SiO2，29到47重量％的Al2O3和不超過18重量％的ZrO2；從Unifrax以商品名“UNIFRAX FIBERFRAX DURABACK”購得的陶瓷纖維，含有占纖維總重量為50到54重量％的SiO2，31到35重量％的Al2O3，5重量％的ZrO2，1.3重量％的Fe2O3，1.7重量％的TiO2，0.5重量％的MgO和不超過7重量％的CaO；從Rath(Wilmington，DE)以商品名“RATH 2600 HTZ”購得的陶瓷纖維，含有占纖維總重量為48重量％的SiO2，37重量％的Al2O3，15重量％的ZrO2和不超過1重量％的其他物質(zhì)；和從Vesuvius(Buffalo，NY)以商品名“CER-WOOL HTZ”購得的陶瓷纖維，含有占纖維總重量為44到51重量％的SiO2，33到37重量％的Al2O3，13到19重量％的ZrO2，0.1到0.6重量％的Fe2O3，0.1到0.6重量％的TiO2和不超過1重量％的其他物質(zhì)。
陶瓷纖維會在熱處理過程中發(fā)生反玻璃化(即至少在部分程度上從無定形狀態(tài)變成微晶或晶體狀態(tài))。通常只有部分單獨的陶瓷纖維發(fā)生反玻璃化。即熱處理之后，一些單獨的陶瓷纖維中含有無定形物質(zhì)和晶體物質(zhì)，微晶物質(zhì)，或晶體與微晶物質(zhì)的混合。
可以采用透射電鏡和X射線衍射技術(shù)表征陶瓷纖維的無定形，晶體或微晶性質(zhì)。這里所用術(shù)語“無定形”是指沒有晶體或微晶區(qū)域的陶瓷纖維。如果陶瓷纖維是無定形的，則采用透射電鏡或X射線衍射技術(shù)不會檢測到衍射峰(即沒有衍射圖像)。如果陶瓷纖維中含有小尺寸晶體部分(即微晶)，則采用透射電鏡技術(shù)能夠檢測到衍射峰(即衍射圖像)，而采用X射線衍射不會檢測到衍射峰。這里所用術(shù)語“微晶”是指陶瓷纖維中至少具有部分晶體性質(zhì)的部分，其晶體尺寸能夠被透射電鏡檢測到，卻不能被X射線衍射檢測到。如果陶瓷纖維中含有更大尺寸的晶體部分(即晶體)，則可以采用X射線衍射技術(shù)獲得衍射圖像。這里所用術(shù)語“晶體”起指陶瓷纖維中的至少部分區(qū)域具有晶體性質(zhì)，其晶體尺寸能被X射線衍射技術(shù)檢測到。采用X射線衍射技術(shù)能夠檢測到的最小晶體尺寸通常會產(chǎn)生比較寬而且沒有明確定義峰的衍射圖像。較窄的峰表示較大的晶體尺寸。可以用衍射峰的寬度確定晶體尺寸。
在某些應(yīng)用中，在至少700℃的溫度下對陶瓷纖維進(jìn)行熱處理。比如，可以在至少800℃，至少900℃，至少1000℃或至少1100℃的溫度下對陶瓷纖維進(jìn)行熱處理。合適的熱處理溫度隨著陶瓷纖維的組成和陶瓷纖維保持熱處理溫度的時間而變化。參考文獻(xiàn)中國際專利申請WO 99/46028和美國專利5250269進(jìn)一步描述了合適的熱處理方法以及經(jīng)過熱處理的陶瓷纖維。
在熱處理過程中形成的晶體或微晶尺寸與時間-溫度關(guān)系相關(guān)。比如，可以在較低溫度下以較長時間對陶瓷纖維進(jìn)行熱處理，或者在較高溫度下以較短時間對陶瓷纖維進(jìn)行熱處理，形成類似的晶體或微晶狀態(tài)。保持熱處理溫度的時間不超過1小時，不超過40分鐘，不超過30分鐘，不超過20分鐘，不超過20分鐘，不超過5分鐘，不超過3分鐘或不超過2分鐘。比如，選擇合適的熱處理溫度，進(jìn)行不超過10分鐘的較短時間熱處理。
熱處理溫度比失透溫度(即陶瓷纖維從無定形材料變成微晶或晶體材料時的溫度)至少高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℃?？梢酝ㄟ^差示熱分析(DTA)技術(shù)確定合適的陶瓷纖維熱處理時間和溫度。對于氧化鋁-氧化硅纖維，溫度通常在700到1200℃，800到1200℃，900到1200℃或950到1200℃的范圍內(nèi)。
與含有微晶，晶體或其混合區(qū)域的陶瓷纖維相比，完全無定形的陶瓷纖維通常會產(chǎn)生更大程度的收縮。將無定形纖維制成模制三維體時，該制件在被加熱到污染控制器件中能達(dá)到的高溫時會發(fā)生顯著收縮。在污染控制器件的末端錐體區(qū)域中使用含無定形纖維的隔熱材料時，因為加熱而收縮的隔熱材料會移動到末端錐體外殼內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間。這種移動會使隔熱材料破裂，喪失隔熱作用。
至少含有部分晶體或微晶的陶瓷纖維所制成的模制三維隔熱體能被重復(fù)加熱到污染控制器件的適用溫度，然后冷卻。微晶或晶體陶瓷纖維對于會影響隔熱體性能的進(jìn)一步收縮具有承受能力。
對于經(jīng)過熱處理的陶瓷纖維，纖維的脆性和低收縮性之間存在平衡作用。晶體或微晶材料陶瓷纖維比無定形陶瓷纖維更脆。由晶體或微晶陶瓷纖維制成的隔熱材料比由無定形纖維制成的隔熱體更容易發(fā)生斷裂。另一方面，晶體或微晶陶瓷纖維會比無定形陶瓷纖維具有更低的收縮率。
當(dāng)裝配密度為0.4克/毫升時，本發(fā)明的隔熱體具有不超過750千牛/平方米，不超過700千牛/平方米，不超過650千牛/平方米，不超過600千牛/平方米，不超過550千牛/平方米，不超過500千牛/平方米，不超過450千牛/平方米，不超過400千牛/平方，不超過300千牛/平方米，不超過200千牛/平方米，或不超過100千牛/平方米的可壓縮性值。當(dāng)裝配密度為0.4克/毫升時，可壓縮性值通常至少是50千牛/平方米；但是，如果裝配密度大于0.4克/毫升，則可以使用具有較低可壓縮性值的隔熱體。這里所用術(shù)語“裝配密度”是指固定間隙內(nèi)的隔熱體密度(比如隔熱體通常在壓力下)。在某些實施例中，當(dāng)裝配密度為0.4克/毫升時，可壓縮性值至少是75千牛/平方米或至少100千牛/平方米。比如，可壓縮性值在50到750千牛/平方米，50到500千牛/平方米，50到300千牛/平方米，75到400千牛/平方米，75到300千牛/平方米，100到400千牛/平方米或100到300千牛/平方米的范圍內(nèi)。壓縮隔熱體時不會發(fā)生斷裂或碎裂現(xiàn)象。
隔熱體通常是柔韌的。這里所用術(shù)語“柔韌”是指隔熱體的三維形狀能夠發(fā)生變形或彎曲，與污染控制器件的末端錐體區(qū)域中外殼內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間的形狀匹配，而不發(fā)生破裂，斷裂或碎裂。柔韌的隔熱體通常能在厚度方向上被壓縮。
本發(fā)明第二方面還提供了一種其尺寸適用于污染控制器件的末端錐體區(qū)域中的模制三維隔熱體。隔熱體中包括含有占纖維總重量為至少20重量％的氧化鋁和至少30重量％的氧化硅的陶瓷纖維。陶瓷纖維是微晶，晶體或其混合形式的。隔熱體是自支撐和無縫的，當(dāng)裝配密度約為0.4克/毫升時，具有不超過750千牛/平方米的可壓縮性值。適用的陶瓷纖維如上所述。制件中可以還包括與隔熱體內(nèi)表面，隔熱體外表面或其組合結(jié)合的污染控制器件末端錐體外殼。
形成模制三維隔熱體的方法是先制備含有陶瓷纖維的水漿料。除了陶瓷纖維之外，水漿料組合物中可以含有有機(jī)粘合劑。有機(jī)粘合劑能提高模制三維隔熱體的整體性，柔韌度和加工性。比較柔韌的隔熱材料能更簡單地被定位于污染控制器件的末端錐體外殼內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間。
有機(jī)粘合劑的用量占隔熱體重量不超過20重量％。在某些實施例中，有機(jī)粘合劑的含量占隔熱體重量不超過10重量％，不超過5重量％，或者不超過3重量％。在污染控制器件中常見的高溫下使用隔熱體時，通常能從隔熱體中燃燒除去有機(jī)粘合劑。
適用的有機(jī)粘合劑材料包括聚合物水乳濁液，溶劑基聚合物和不含溶劑的聚合物。聚合物水乳濁液中包括膠乳形式的有機(jī)粘合劑聚合物和彈性體(比如天然橡膠乳，苯乙烯-丁二烯膠乳，丁二烯-丙烯腈膠乳，和丙烯酸酯與甲基丙烯酸酯聚合物或共聚物的膠乳)。溶劑基聚合粘合劑材料包括丙烯酸，聚氨酯，乙酸乙烯酯，纖維素或橡膠基有機(jī)聚合物等聚合物。不含溶劑的聚合物包括天然橡膠，苯乙烯-丁二烯橡膠和其他彈性體。
在某些實施例中，有機(jī)粘合劑材料包括丙烯酸水乳濁液。丙烯酸乳液的優(yōu)點是具有很好的老化性質(zhì)，能形成沒有腐蝕性的燃燒產(chǎn)物。適用的丙烯酸乳液包括但并不限于從Rohm and Hass(Philadelphia，PA)以商品名“RHOPLEXTR-934”(一種固體含量為44.5重量％的丙烯酸水乳濁液)和“RHOPLEX HA-8”(一種固體含量為45.5重量％的丙烯酸共聚物水乳濁液)購得的產(chǎn)品；從ICIResins US(Wilmington，MA)以商品名“NEOCRYL XA-2022”(一種固體含量為60.5％的丙烯酸樹脂水分散體)購得的產(chǎn)品；和從Air Products and Chemical，Inc.(Philadelphia，PA)以商品名“AIRFLEX 600BP DEV”(一種固體含量為55重量％的乙烯丙烯酸乙烯酯三元共聚物水乳濁液)購得的產(chǎn)品。
有機(jī)粘合劑還包括增塑劑，增粘劑或其混合。增塑劑能軟化聚合物基體，提高隔熱體的柔韌性和模壓加工性。比如，有機(jī)粘合劑中可以包括增塑劑，比如從Monsanto(St.Louis，MO)以商品名“SANTICIZER 148”購得的二磷酸異癸基二苯酯。增粘劑或增粘樹脂有助于將隔熱材料結(jié)合在一起。一種適用的增粘劑是從Eka Nobel，Inc.(Toronto，Canada)以商品名“SNOWTACK 810A”購得的產(chǎn)品。
水漿料中可以包括無機(jī)膠體材料。該無機(jī)膠體材料起到無機(jī)粘合劑的作用，作為凝結(jié)劑幫助從水漿料中除去陶瓷纖維，形成模制的三維預(yù)制體，還起到填料的作用，或者同時起到這兩個作用。無機(jī)膠體通常是粘土或金屬氫氧化物。
在某些應(yīng)用中，無機(jī)膠體材料是在陶瓷纖維存在條件下形成的。形成無機(jī)膠體材料的方法是向水漿料中添加一種或多種水溶性前體。前體能在水漿料中反應(yīng)形成金屬氫氧化物。在水漿料中形成無機(jī)膠體材料能使無機(jī)膠體的凝聚作用最小化，提高整個漿料和所形成預(yù)制體中無機(jī)膠體分布的均勻性。漿料的pH應(yīng)當(dāng)高到足以形成金屬氫氧化物。通過改變pH，反應(yīng)時間和溫度，前體濃度和前體相對比例能夠改變膠體顆粒的尺寸。漿料的pH通常至少約為3。適用的無機(jī)膠體材料包括金屬氫氧化物，比如氫氧化鋁，氫氧化硅，氫氧化鈦，氫氧化釔或其混合。
無機(jī)膠體金屬氫氧化物的一個實例是堿金屬鋁酸鹽與鋁鹽反應(yīng)而形成的氫氧化鋁。更具體地說，可以通過鋁酸鈉與硫酸鋁，磷酸鋁，氯化鋁，硝酸鋁或其混合的反應(yīng)形成氫氧化鋁。另一種膠體氫氧化鋁是通過將漿料的pH調(diào)節(jié)為至少約3而由硫酸鋁形成的。
無機(jī)膠體材料通常占陶瓷纖維總重量不超過50重量％。在某些實施例中，無機(jī)膠體材料的含量占陶瓷纖維總重量不超過40重量％，不超過30重量％，不超過20重量％。比如，可以將占陶瓷纖維總重量為1到20重量％的鋁酸鈉與1到20重量％的硫酸鋁混合，形成氫氧化鋁膠體。在更具體的實例中，可以將3到15重量％的鋁酸鈉與3到15重量％的硫酸鋁混合，或者將5到12重量％的鋁酸鈉與5到12重量％的硫酸鋁混合，形成氫氧化鋁膠體。在其他實施例中，可以從硫酸鋁制備氫氧化鋁膠體。比如，從占陶瓷纖維總干重為10到40重量％的硫酸鋁或15到30重量％的硫酸鋁制備氫氧化鋁膠體。每種前體的百分比(比如硫酸鋁或鋁酸鈉)都以前體干重為基準(zhǔn)。
無機(jī)膠體材料起到粘合劑的作用，將陶瓷纖維結(jié)合在一起。在某些應(yīng)用中，無機(jī)粘合劑能提高隔熱體的溫度緩沖性。有機(jī)粘合劑通常會在污染控制器件中的高溫下發(fā)生分解。不含無機(jī)粘合劑的隔熱體會在某些情況下發(fā)生斷裂，并且喪失隔熱功能。
無機(jī)膠體材料可以均勻分散在模制三維隔熱體中。這時，隔熱體在制造和使用含有污染控制器件等隔熱體的制件時能保持整體性。
在某些實施例中，制件包括模制的三維隔熱體和污染控制器件的一個或兩個末端錐體外殼。末端錐體外殼可以與隔熱體的內(nèi)表面，外表面相鄰，或者同時與其內(nèi)外表面相鄰(即，隔熱體可以位于兩個末端錐體外殼之間)。某些應(yīng)用中的末端錐體外殼與隔熱體相連。末端錐體外殼是通過摩擦力相連的。
本發(fā)明第三方面提供了包括適用于污染控制器件的末端錐體區(qū)域中的模制三維隔熱體的制件的制造方法。該方法包括制備水漿料，在透過性成型壓模上用水漿料真空成型形成模制的三維預(yù)制體，和干燥預(yù)制體形成模制的三維隔熱體。用于制備預(yù)制體的水漿料中包括體積收縮率不超過10％的陶瓷纖維，收縮率是在熱機(jī)械分析儀上測試獲得的。隔熱體是自支撐的，當(dāng)裝配密度為0.4克/毫升時，具有不超過750千牛/平方米的可壓縮性值。
水漿料中通常含有占漿料總重量為不超過30重量％的固體。比如，漿料中含有占漿料總重量不超過20重量％或者不超過10重量％的固體。漿料中通常含有占漿料總重量至少1％的固體。比如，漿料中含有至少2重量％或至少3重量％的固體。在某些實施例中，漿料中含有1到10重量％，2到8重量％或3到6重量％的固體。固體含量較高是有利的，因為這時只需要除去較少的水就能制備預(yù)制體。但是，固體含量比較高的漿料會更難混合。
漿料中所用的水可以是井水，地表水，或經(jīng)過處理除去鹽和有機(jī)化合物等雜質(zhì)的水。在水漿料中使用井水或地表水時，水中的鹽(比如鈣鹽和鎂鹽)起到無機(jī)粘合劑的作用。在某些實施例中，所用的水為去離子水，蒸餾水或其混合。
水漿料組合物中還可以含有其他添加劑。這些添加劑包括消泡劑，凝絮劑，表面活性劑和類似物。還可以含有增強(qiáng)劑，比如有機(jī)纖維和玻璃纖維。適用的有機(jī)纖維包括人造絲和纖維素纖維。
在某些應(yīng)用中，漿料中不含膨脹材料。膨脹材料傾向于從模制三維隔熱體上分離。一理從隔熱體中游離出來時，膨脹材料會移動并且沖擊隔熱體或整體式塊狀結(jié)構(gòu)。比如，用于污染控制器件的末端錐體區(qū)域中時，如果開動具有污染控制器件的車輛，則膨脹材料會連續(xù)沖擊隔熱體或整體結(jié)構(gòu)。隔熱體在這種條件下發(fā)生破裂的可能性增大。如果破裂情況很嚴(yán)重，則該制件無法繼續(xù)起到隔熱材料的作用。如果較大碎屑進(jìn)入進(jìn)口中，則整體式塊狀結(jié)構(gòu)也會開始堵塞。
制備水漿料時，首先向水中添加陶瓷纖維并充分?jǐn)嚢?。在某些實施例中，使用低剪切混料機(jī)?？梢允褂萌魏尾粫^度切斷陶瓷纖維的混合方法。與未經(jīng)熱處理的纖維相比，經(jīng)過熱處理的纖維更容易發(fā)生斷裂。與具有更大晶體的熱處理陶瓷纖維相比，微晶陶瓷纖維更不容易發(fā)生斷裂。
水漿料組合物中的陶瓷纖維通常具有不超過40毫米的平均長度。在某些實施例中，平均長度不超過30毫米，不超過25毫米，不超過20毫米，不超過15毫米，或不超過10毫米。平均長度通常大于0.5毫米。在某些實施例中，平均長度大于1毫米或大于2毫米。比如，平均纖維長度未0.5到40毫米，0.5到25毫米或1到40毫米。
適用陶瓷纖維的平均直徑通常不超過20微米。在某些實施例中，平均直徑不超過10微米或者不超過8微米。平均直徑通常大于0.5微米，1微米或2微米。
雖然可以按照任何順序添加水漿料的組分，但是通常在形成陶瓷纖維水漿料之后再添加有機(jī)粘合劑?？梢栽谙蛩疂{料中添加有機(jī)粘合劑之后，再添加無機(jī)膠體材料或無機(jī)膠體材料的前體。在反應(yīng)過程中要持續(xù)攪拌，形成無機(jī)膠體材料，保證膠體材料均勻地混合在漿料中。
可以使用本領(lǐng)域中已知的任何適用模制技術(shù)或模具來制造預(yù)制體。在某些應(yīng)用中，可以采用真空成型技術(shù)制備模制的三維預(yù)制體。將透過性成型壓模置于漿料中。抽真空時，漿料中的固體會沉積在成型壓模的表面上。在某些應(yīng)用中，可以從漿料中移除成型壓模，和形狀與成型壓模相同的形狀保持器件配對。沉積的陶瓷纖維位于成型壓模和形成保持器件之間。該形狀保持器件和成型壓?？梢员话磯涸谝黄?，進(jìn)一步排除水分，形成具有比較平滑表面和比較均勻厚度的預(yù)制體。形狀保持器件或成型壓?？梢宰鳛殛柲２考?即，如果成型壓模是陽模部件，則形狀保持器件是陰模部件，或者如果成型壓模是陰模部件，則形成保持器件是陽模部件)。
滲透性成型壓模中可以包括篩網(wǎng)?？梢赃x擇合適的網(wǎng)眼尺寸，使液體組分而不是陶瓷纖維通過篩網(wǎng)。比如，網(wǎng)眼尺寸范圍可以是20(約850微米)到80目(約180微米)，或者是30(約600微米)到80目。如果網(wǎng)眼尺寸太小，則篩網(wǎng)很容易被堵塞。如果網(wǎng)眼尺寸太大，則篩網(wǎng)無法保留陶瓷纖維(即無法形成預(yù)制體)。在常規(guī)操作條件下，抽回真空時會有部分固體從漿料中沉積在篩網(wǎng)上。
可以將預(yù)制體干燥形成模制的三維隔熱體。如果預(yù)制體相當(dāng)堅固，則可以不使用支撐物進(jìn)行干燥。即，在成型壓模上成型之后，可以從壓模中移除預(yù)制體，進(jìn)一步干燥。在某些實施例中，用成型壓模，形狀保持器件或其組合進(jìn)行支撐同時干燥預(yù)制體。這種附加的支撐物有助于防止預(yù)制體在變干和變硬之前發(fā)生損壞。可以使用本領(lǐng)域中已知的任何方法對預(yù)制體進(jìn)行干燥。比如，可以在烘箱中或在室溫下對預(yù)制體進(jìn)行干燥。在烘箱中進(jìn)行干燥時，溫度可以高達(dá)約200℃。在某些應(yīng)用中，干燥溫度可以高達(dá)約150℃或125℃。
在某些應(yīng)用中，可以在接觸成型壓模的同時對預(yù)制體進(jìn)行干燥。干燥過程中，使用一股空氣或氮氣流吹掃成型壓模。吹掃成型壓模的空氣或氮氣流可以是室溫或高溫可的?？梢杂昧硗獾目諝饣虻獨饬鞔祾呋驔_擊預(yù)制體與成型壓模接觸表面相對的外表面。
在某些應(yīng)用中，模制過程與參考文獻(xiàn)中美國專利5078822和6596120B2所述內(nèi)容相似?？梢允褂冒ǘ嗖考耗：托螤畋３制骷膲耗＝M件制造三維預(yù)制體。多部件壓模是透過性成型壓模，通常包括內(nèi)骨架和外殼。內(nèi)骨架的整個內(nèi)部中具有真空系統(tǒng)，能在壓模中提供真空抽吸和真空分布。成型壓模的外殼具有篩網(wǎng)。比如，篩網(wǎng)的網(wǎng)眼尺寸為20到80目。多部件成型壓模是透過性的?？梢詫耗＝M件置于漿料中，這樣能從形狀保持器件中分離多部件成型壓模。
可以將真空裝置與多部件成型壓模相連，在成型壓模上沉積含有陶瓷纖維的層。沉積層的外部尺寸(即預(yù)制體的外部尺寸)至少等于，如果不略微大于，要安放制得的隔熱體的污染控制器件末端錐體區(qū)域外殼的內(nèi)部尺寸。在潮濕條件下，可以將壓模支撐的預(yù)制體插入形狀保持器件中(比如，形狀保持器件可以作為污染控制器件的外部末端錐體外殼)。將預(yù)制體部分插入形狀保持器件或者預(yù)制體與形狀保持器件發(fā)生完全接觸時，可以移除成型壓模。在某些應(yīng)用中，預(yù)制體接觸形狀保持器件同時仍然獲得成型壓模的支撐。
或者，多部件成型壓模的尺寸和形狀能夠制備與形狀保持器件匹配的預(yù)制體(比如，形狀保持器件可以作為污染控制器件的內(nèi)部末端錐體外殼)。在潮濕條件下，可以將成型壓模支撐的預(yù)制體插入形狀保持器件中。預(yù)制體被部分插入形狀保持器件中或者預(yù)制體與形狀保持器件發(fā)生完全接觸時，可以移除壓模。在某些應(yīng)用中，預(yù)制體接觸形狀保持器件同時仍然獲得成型壓模的支撐。
可以在預(yù)制體上施加壓力，增加預(yù)制體和形狀保持器件之間的接觸程度。即，可以將預(yù)制體壓入形狀保持器件中。可以通過撤除施加于成型壓模的真空，通過對透過性成型壓模應(yīng)用空氣或氮氣，或者通過本領(lǐng)域中已知的其他方法并取出成型壓模，將預(yù)制體轉(zhuǎn)移到形狀保持器件中。移除成型壓模之后，將預(yù)制體和形狀保持器件的組合體置于烘箱中，從預(yù)制體中蒸發(fā)水分。
對位于成型壓模和形狀保持器件之間的預(yù)制體施加壓力時，預(yù)制體能被壓入形狀保持器件中。在某些應(yīng)用中，預(yù)制體可以在形狀保持器件中干燥，形成通過摩擦與形狀保持器件結(jié)合的隔熱體。比如，可以制得與污染控制器件的內(nèi)部或外部末端錐體外殼結(jié)合的隔熱體。
預(yù)制體與形狀保持器件的壓力配合能形成具有比較平滑表面的隔熱體。即，與只使用成型壓模制備的隔熱體相比，通過將預(yù)制體壓入形狀保持器件而制得的隔熱體往往更平滑。而且，通過預(yù)制體與形狀保持器件的壓力配合，能夠提高預(yù)制體和制得隔熱體的厚度均勻性。
將預(yù)制體壓入形狀保持器件中還能形成具有干凈邊緣的隔熱體。即，施加壓力能剪斷預(yù)制體邊緣處的陶瓷纖維，減少延伸超出形狀保持器件邊緣的陶瓷纖維數(shù)量。
在某些應(yīng)用中，可以將另外的無機(jī)粘合劑應(yīng)用于模制三維隔熱體的表面，進(jìn)一步硬化隔熱體。比如，可以在干燥之前或之后，將另外的無機(jī)粘合劑的溶液涂覆于三維形狀的內(nèi)表面或外表面上。適用的另外的無機(jī)粘合劑包括，比如氧化鋁溶膠，氧化鈦溶膠，氧化鋯溶膠，膠體二氧化硅懸浮體，粘土，耐火涂層比如碳化硅懸浮體，或者鋁或磷酸鹽的溶液。使用適當(dāng)?shù)牧硗獾臒o機(jī)粘合劑通常能提供柔韌和一致的隔熱體。如果使用了過多的無機(jī)粘合劑，則隔熱體可能會變得太硬(即不柔韌)和無法壓縮(即，裝配密度約為0.4克/毫升時的壓力值大于750千牛/平方米)。預(yù)制體表面上添加的另外的無機(jī)粘合劑通常不超過占預(yù)制體或隔熱體干重的1重量％。比如，加到表面上的另外的無機(jī)粘合劑的用量不超過預(yù)制體或隔熱體干重的5重量％，不超過3重量％或不超過1重量％。
在某些其他應(yīng)用中，另外的有機(jī)粘合劑或材料可以作為涂層被涂覆于隔熱體的內(nèi)表面，隔熱體的外表面，或其組合。應(yīng)用這種涂層能提高隔熱體的光滑度，降低隔熱體的摩擦，簡化將隔熱體定位于污染控制器件末端錐體區(qū)域內(nèi)部和外部外殼之間或者其組合的操作。有機(jī)涂層中可以包括，比如聚烯烴材料或丙烯酸材料。
隔熱體的厚度變化取決于應(yīng)用。影響厚度的變量比如是持續(xù)時間和真空度。持續(xù)時間越長(即成型壓模在真空條件下在漿料中的時間長度)通常會導(dǎo)致形成更厚的預(yù)制體和隔熱體。類似的，相同持續(xù)時間內(nèi)更高的真空度通常會導(dǎo)致形成更厚的預(yù)制體和隔熱體。在污染控制器件的末端錐體區(qū)域中作為隔熱設(shè)備時，隔熱體的厚度通常在1到25毫米范圍內(nèi)，在某些實施例中，厚度在整個形狀上是均勻的。厚度均勻性受到陶瓷纖維尺寸的影響(即比較小的陶瓷纖維傾向于形成厚度更均勻的預(yù)制體)。具有相當(dāng)均勻厚度的隔熱體更容易被定位于污染控制器件末端錐體區(qū)域的外部和內(nèi)部外殼之間。
模制三維隔熱體的堆密度(即沒有壓力時的密度)隨著制備隔熱體的過程而變化。堆密度通常在0.1到0.4克/毫升的范圍內(nèi)。在某些實施例中，隔熱體具有0.15到0.3，0.2到0.4，或0.2到0.3克/毫升的堆密度。
本發(fā)明第四方面提供了包括適用于污染控制器件末端錐體區(qū)域中的模制三維隔熱體的制件的制造方法。該方法包括制備水漿料，在透過性成型壓模上用水漿料真空盛開形成模制的三維預(yù)制體，并將預(yù)制體干燥形成模制的三維隔熱體。用于制備預(yù)制體的水漿料中包括含有至少20重量％氧化鋁和至少30重量％氧化硅的陶瓷纖維。陶瓷纖維可以是微晶，晶體或其混合形式的。隔熱體是自支撐的，當(dāng)裝配密度為0.4克/毫升時，具有不超過750千牛/平方米的可壓縮性值。
制備模制三維隔熱體的方法能被用于制備無縫或有縫制件。在某些實施例中，該制件是無縫的。這里所用術(shù)語“無縫”是指模制的三維隔熱體中沒有隔熱體形成材料分離或不連續(xù)現(xiàn)象，比如隔熱材料中的切痕或槽口。也就是說，無縫隔熱體中沒有槽口，切痕，或者在隔熱體部分區(qū)域中形成的釋放應(yīng)力的其他分離現(xiàn)象。附圖2和3是無縫的模制三維隔熱體的示意圖。制件表面上表示的任何線條都表示陰影，用于表現(xiàn)三維形狀。
在其他實施例中，可以制備有縫的隔熱體。這里所用術(shù)語“縫”是指材料分離現(xiàn)象，比如隔熱材料中的切痕或槽口?？梢杂每p來釋放應(yīng)力，或者提高隔熱體在封裝過程中的一致性(即，在某些應(yīng)用中，縫能增強(qiáng)在污染控制器件的外部和內(nèi)部末端錐體外殼之間定位隔熱體的能力)?？p會在隔熱體厚度方向上延伸，或者通過隔熱體的整個厚度延伸。
上述內(nèi)容通過預(yù)示性實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，所述內(nèi)容是可行的，但是目前未預(yù)見的非實質(zhì)性改進(jìn)與其是等同的。
實施例測試方法體積收縮率使用具有圖表記錄器的MFE-715型Theta Dilatronic II熱分析儀(從Theta Industries，Inc.，Port Washington，NY獲得)按照熱機(jī)械分析(TMA)方法測定陶瓷纖維的體積收縮率。用直徑為11毫米的圓形壓模切割纖維樣品，并且置于加熱爐中的壓板上。將支撐1350克砝碼的7毫米直徑石英棒(約35.6厘米長)置于樣品上，并關(guān)閉加熱爐。這相當(dāng)于在樣品上施加大約50磅/平方英寸(345千牛/平方米)的負(fù)載。使樣品和砝碼穩(wěn)定約5分鐘，然后以15℃/分的速率升溫至1000℃。烘箱達(dá)到1000℃之后，關(guān)閉加熱爐并冷卻至室溫。樣品在加熱爐中冷卻。在棒端和壓板之間測得的縫隙等于樣品厚度，在圖表記錄器上將加熱和冷卻周期中的樣品厚度作圖。用加熱周期中記錄的750℃厚度(T1)和冷卻周期中記錄的750℃厚度(T2)計算收縮百分率。按照以下等式計算體積收縮率％體積收縮率＝[(T1-T2)/T1]×100。
可以對含有或沒有有機(jī)粘合劑材料的樣品進(jìn)行TMA測試。有機(jī)材料通常會在大約500℃被燃燒掉。在加熱周期中，在750℃測得的樣品厚度基本上是纖維和無機(jī)粘合劑以及可能存在的顆粒的厚度。進(jìn)一步加熱樣品時，如果這時測得的750℃厚度小于加熱周期中的樣品厚度，則在1000℃以下發(fā)生的纖維收縮在冷卻周期中是很明顯的。
可壓縮性可壓縮性是固定孔隙中的隔熱材料在室溫(比如約20到25℃)下對壓縮承受能力的度量，用單位面積的力，千牛/平方米表示。用MTS SystemsCorp(Research Triangle Park，NC)制造的壓縮測試機(jī)在大約3.8厘米乘3.8厘米的方形隔熱材料樣品上進(jìn)行測試。測試機(jī)具有靜止的下壓板和與負(fù)載傳感器相連的上壓板。將樣品置于下壓板上，以30.48厘米/分的速率降低上壓板，達(dá)到由要求的裝配密度確定的固體間隙。當(dāng)上壓板首次達(dá)到裝配密度設(shè)定的間隙時壓縮樣品，隔熱材料表現(xiàn)出峰值作用力。然后停止壓板，在該位置保持15秒，這時隔熱材料發(fā)生弛豫，產(chǎn)生的作用力減小。這里所用術(shù)語“壓縮率值”是指保持15秒之后測得的壓縮率。壓縮率值取決于裝配密度。
裝配密度是限定空隙內(nèi)隔熱材料的密度(即，隔熱材料處于壓力下)，通常位于污染控制器件的雙壁末端錐體中兩個嵌套同心錐體外殼之間(即，末端錐體區(qū)域通常包括位于內(nèi)側(cè)和外側(cè)末端錐體兩外殼之間的隔熱體)。末端錐體外殼是指污染控制器件末端錐體區(qū)域中的外殼。兩個末端錐體外殼之間隔熱體的裝配密度在整個隔熱體中通常是均勻的，但也并非總是如此。用隔熱材料的基重(克/平方厘米)除以空隙(厘米)可以求得裝配密度(克/毫升)。切割已知面積的隔熱體并稱重能確定基重。
在具有雙壁末端錐體的污染控制器件組件中，隔熱體與外側(cè)末端錐體外殼的內(nèi)表面鄰接，內(nèi)側(cè)末端錐體外殼的外表面與隔熱體鄰接?；蛘邔⒏魺狍w置于內(nèi)側(cè)末端錐體外殼的外表面上，使隔熱體與外側(cè)末端錐體外殼的內(nèi)表面鄰接。將這兩個末端錐體外殼按壓在一起，壓縮內(nèi)側(cè)和外側(cè)末端錐體外殼之間的隔熱體。內(nèi)側(cè)和外側(cè)末端錐體外殼通常在錐體的較小末端處被焊接在一起。進(jìn)一步對兩個末端錐體外殼間隙內(nèi)的隔熱體進(jìn)行壓縮，將末端錐體外殼首次焊接在一起時，鄰接兩個外殼的隔熱體所產(chǎn)生的單位面積作用力最大。在短時間內(nèi)，隔熱體通常會在內(nèi)側(cè)和外側(cè)外殼之間發(fā)生弛豫，對外殼產(chǎn)生較小的壓力。降低的壓力足以使隔熱體在使用時保留在原位。
RCFT(真實條件裝置測試)RCFT模擬了常規(guī)使用中金屬污染控制器件上雙壁末端錐體間隙中的條件，測量隔熱材料在類似于被安裝在模擬條件下器件內(nèi)側(cè)和外側(cè)末端錐體外殼之間情況下所產(chǎn)生的壓力。隔熱材料被置于兩個50.8毫米乘50.8毫米的不銹鋼壓板之間，使壓板靠近，使隔熱材料的裝配密度為0.4克/毫升。壓板是獨立控制的，被加熱到不同溫度，模擬暴露在較低室溫空氣中的外側(cè)末端錐體外殼溫度，和在使用時暴露于污染器件的熱尾氣中的內(nèi)側(cè)末端錐體外殼溫度。將壓板加熱至下表4中所示設(shè)定溫度。根據(jù)從內(nèi)側(cè)和外側(cè)末端錐體外殼在其各自溫度下的熱膨脹系數(shù)求得的值，減小并增加壓板間的距離。當(dāng)?shù)谝粔喊?即壓板1)上的溫度升高到大約450℃，模擬內(nèi)側(cè)末端錐體外殼在靠近熱尾氣時發(fā)生的略微較高的膨脹情況時，該間隙略有減小。隨著溫度繼續(xù)增加，第二壓板(即壓板2)上的金屬膨脹，該間隙略有增加。壓板1模擬內(nèi)側(cè)末端錐體外殼，壓板2模擬外側(cè)末端錐體外殼，壓板溫度如下表4中所示。使用Sintech ID計算機(jī)控制的負(fù)載支架和從MTS Systems Corp.，Research Triangle Park，NC獲得的拉伸計測量固定的材料所產(chǎn)生的壓力。合適的隔熱體通常能在整個加熱和冷卻周期中在間隙內(nèi)產(chǎn)生壓力，特別是在壓板保持900℃和530℃的15秒內(nèi)，這時的壓力最低。
實施例1在5加侖塑料襯里圓桶中制備含有95.5重量％水，2.95重量％陶瓷纖維，0.95重量％鋁酸鈉和0.6重量％活性硫酸鋁(以50％的硫酸鋁水溶液形式添加)的漿料。使用工業(yè)級低剪切混料機(jī)進(jìn)行低速攪拌，向圓桶中的15.4升井水中緩慢添加陶瓷纖維，同時增加混料機(jī)的攪拌速度，分散陶瓷纖維使纖維的大團(tuán)塊打碎。所有陶瓷纖維添加完成之后，加入鋁酸鈉，攪拌約3分鐘。然后緩慢加入硫酸鋁溶液，再攪拌漿料5分鐘，直到漿料變均勻。
本實施例制備所用陶瓷纖維是從Thermal Ceramics，Augusta，GA以商品名“KAOWOOL HA-BULK”購得的硅酸鋁纖維。該陶瓷纖維的組成是約50％的氧化鋁和50％的氧化硅。對纖維進(jìn)行熱處理，使TMA測試確定的體積收縮率為4.5％，在1060℃加熱散纖維約3分鐘，進(jìn)行充分的熱處理。經(jīng)過熱處理之后，纖維的平均直徑約為3微米，平均長度小于約10毫米。用X射線衍射分析時，以銅Kα線為輻射源，2θ角約為22.5度時有寬峰。纖維中含有晶體區(qū)域，但是晶體尺寸不夠大，無法形成衍射窄峰。沒有經(jīng)過熱處理的相同纖維具有約47％的體積收縮率，而且是無定形的。
將與真空系統(tǒng)相連的成型壓模篩網(wǎng)側(cè)浸入混合均勻的漿料中，形成預(yù)制體。壓模具有由50目篩網(wǎng)形成的橢圓錐形截面，預(yù)制體形狀為頂部和底部開放的截頂橢圓錐。錐體頂部開口是直徑約為10.5厘米乘3.8厘米的橢圓，錐體底部開口是直徑約為12.1厘米乘4.3厘米的橢圓。錐體高約7厘米。預(yù)制體壁厚約為1.5-15毫米，這取決于選擇的加工條件?？梢愿淖兘n時間和真空度，使樣品厚度和基重適合于最終應(yīng)用。
達(dá)到要求的壁厚之后，從漿料中移出壓模和相連的預(yù)制體，用塑料袋覆蓋預(yù)制體。塑料袋模擬兩部件模具的陰模，保持預(yù)制體材料留在原位。使真空再持續(xù)幾秒，直到預(yù)制體變硬并排出了大部分水分。關(guān)閉真空，向壓模中鼓入壓縮空氣，使預(yù)制體脫模，從壓模中小心地移出預(yù)制體。
該預(yù)制體是自支撐的(即，置于表面上時，預(yù)制體基本上能保持其形狀，不會破裂或變形)。在150℃的烘箱中干燥預(yù)制體40分鐘，形成適合于在污染器件的末端錐體區(qū)域中進(jìn)行隔熱的錐形三維隔熱體。制得的隔熱體是獨立的(即，隔熱體被置于平面上時能支撐其自身重量而不會破裂)。用手在厚度方向略微壓縮然后釋放時，隔熱體略有回彈性(即，隔熱體的厚度會恢復(fù)，不過不一定恢復(fù)到原始厚度，只要壓力不超過纖維的破裂強(qiáng)度即可)。
實施例2向裝備有中高速在線螺旋槳式混料器的不銹鋼混料槽中添加約178升井水，制備漿料。緩慢加入5.7千克經(jīng)過熱處理的陶瓷纖維(如實施例1中所述)，同時提高混料器速度至最大值，維持分散體并打碎纖維大團(tuán)塊。然后加入1.1千克膠乳(固體含量為55重量％的乙烯丙烯酸乙烯酯三元共聚物水乳濁液，從Air Products，Philadelphia，PA以商品名“AIRFLEX 600BP”購得)，攪拌約5分鐘。然后加入1.9千克活性硫酸鋁，以50％固體含量的水溶液形式加入，再加入178升井水，然后加入90.7克消泡劑(從Henkel，Germany以商品名“FOAMASTER III”購得)。攪拌漿料約10分鐘，直到變均勻。然后泵入塑料襯里的55加侖(208升)圓桶中。以干重為基(即不含水)，該組合物中含有78重量％熱處理陶瓷纖維，8重量％膠乳，13重量％硫酸鋁和1重量％消泡劑。
用混料器再次攪拌漿料，并鼓入空氣形成均勻分散體。將多部件成型壓模浸沒在漿料中，在壓模上從漿料中沉積固體，直到達(dá)到要求的厚度，重量和密度，制備錐形預(yù)制體。在壓模上從漿料中沉積足量固體，使預(yù)制體干燥后形成隔熱體，其目標(biāo)厚度約為8.0-9.0毫米，目標(biāo)重量約為30克，目標(biāo)密度約為0.20克/毫升。
多部件成型壓模結(jié)構(gòu)中包括內(nèi)骨架和外殼。內(nèi)骨架的整個內(nèi)部中具有真空系統(tǒng)，能在成型壓模中實現(xiàn)真空抽吸和真空分配。成型壓模的外殼具有每6.45平方厘米900個孔的篩網(wǎng)。外殼形狀和尺寸與污染控制器件雙壁末端錐體內(nèi)部末端錐體外殼的外表面相匹配(即，外殼的形狀對應(yīng)于污染控制器件末端錐體區(qū)域的內(nèi)側(cè)末端錐體外殼)。
從成型壓模上脫模仍然潮濕的預(yù)制體，在室溫下干燥過夜，形成隔熱體?；蛘呖梢栽诤嫦渲谢蚴褂闷渌稍镞^程干燥預(yù)制體。
制得的隔熱體具有截頂錐體的形狀，頂部圓形開孔直徑約為5.5厘米，底部橢圓開孔直徑約為15厘米乘10厘米。隔離體高約4.5厘米，厚約8.2毫米。獨立隔熱體有柔韌性(即，隔熱體能被輕微彎曲而不會斷裂或破裂；柔韌性隔熱體是可彎曲的)和回彈性的。隔熱體的體積收縮率約為4.5％。對隔熱體材料的可壓縮性進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)如表1中所示。這些值是每個樣品3次測試的平均。
實施例3使用壓模組件從實施例2的漿料制備預(yù)制體，該預(yù)制體位于污染控制器件上雙壁末端錐體的外側(cè)末端錐體外殼中(即，污染控制器件的外側(cè)末端錐體外殼)。用于該預(yù)制體的壓模組件包括多部件成型壓模和形狀保持器件。該多部件成型壓模具有內(nèi)骨架和外殼。形狀保持器件是用于污染控制器件的外側(cè)末端錐體外殼。該多部件壓模與上述實施例2的壓模類似，區(qū)別在于多部件成型壓模的外殼比污染控制器件末端錐體區(qū)域中所述內(nèi)側(cè)末端錐體外殼略小一些。這種較小的成型壓模能夠形成外部尺寸與形狀保持器件相同，但是其壁厚大于較大成型壓模所制造壁厚的預(yù)制體。形狀保持器件相對于多部件成型壓模的位置使?jié){料在該組件被浸沒在漿料中而且在成型壓模中抽真空時能輕易地流入形狀保持器件和成型壓模之間。達(dá)到要求的預(yù)制體厚度和密度之后，停止抽真空，從漿料中取出整個組件。預(yù)制體被插入形成保持器件中，同時受到成型壓模的支撐。然后將空氣從成型壓模中吹出，使預(yù)制體從壓模中脫模，將預(yù)制體壓入形狀保持器件中。可以使預(yù)制體與形狀保持器件壓力匹配?？梢酝ㄟ^壓力匹配制備具有干凈邊緣的隔熱體。在成型壓模和形狀保持器件之間按壓預(yù)制體時，可以修剪邊緣處的陶瓷纖維。即，末端錐體隔熱體的邊緣周圍沒有過多的纖維。
可以在形狀保持器件中或者從形狀保持器件中取出之后干燥預(yù)制體。預(yù)制體可以在室溫(約20到25℃)下干燥過夜，形成尺寸和外觀類似于實施例2的隔熱體，區(qū)別在于本實施例隔熱體的壁更厚。末端錐體隔熱體是獨立，柔韌和回彈性的。壁厚增加允許在組裝污染控制器件時壓縮隔熱體，隔熱體能保持一定程度的壓縮以在使用時保留在原位。
實施例4按照實施例2中所述過程制備漿料，區(qū)別在于漿料組成為356升水，5.7千克熱處理陶瓷纖維，1.07千克膠乳(AIRFLEX 600BP)，1.2千克50％固體含量的活性硫酸鋁水溶液，和90.7克消泡劑(FOAMASTER III)。以干重為基(即不含水)，該組合物是82重量％熱處理纖維，8重量％膠乳，9重量％硫酸鋁，和1重量％消泡劑。按照實施例3中所述過程制備預(yù)制體，區(qū)別在于多部件成型壓模的尺寸基本上與污染控制器件末端錐體區(qū)域中內(nèi)側(cè)末端錐體外殼的外表面相同。使用如實施例3中所述的形狀保持器件?？諝飧稍镱A(yù)制體過夜，形成隔熱體。
該隔熱體的外觀和尺寸類似于實施例3的隔熱體，區(qū)別在于錐形隔熱體的壁厚約為8.2毫米，隔熱體的內(nèi)部尺寸大致與污染控制器件末端錐體區(qū)域中內(nèi)側(cè)末端錐體外殼的外部尺寸相同。獨立的隔熱體是柔韌和回彈性的。體積收縮率約為4.5％，可壓縮性測試結(jié)果如表3中所示。
實施例5用在線螺旋槳式混料機(jī)在不銹鋼混料槽中制備含有96.2重量％水，2.97重量％熱處理陶瓷纖維(如實施例1中所述)，0.24重量％鋁酸鈉，0.3重量％膠乳(AIRFLEX 600BP膠乳)，和0.3重量％50％固體含量的活性硫酸鋁水溶液的漿料。漿料中含有大約183.6升(48.5加侖)井水。添加鋁酸鈉時混料機(jī)以中高速進(jìn)行攪拌。緩慢添加陶瓷纖維，提高混料機(jī)速度到最大值，分散纖維并打碎纖維大團(tuán)塊。纖維分散之后，添加膠乳并攪拌約5分鐘。然后緩慢加入硫酸鋁溶液，攪拌漿料約10分鐘，直到變均勻。按照實施例2中所述過程制造隔熱體。該獨立隔熱體是柔韌，回彈性的，體積收縮率約為4.5％。在不同裝配密度和基重下測試隔熱材料的可壓縮性。結(jié)果如表3中所示。
進(jìn)一步使用真實條件裝置測試評價實施例5的末端錐體，結(jié)果如表4中所示。三個加熱和冷卻周期中，在兩個壓板之間保持壓力。
實施例6按照實施例3中所述過程制備隔熱體，區(qū)別在于所用纖維是從Vesuvius，Buffalo，NY獲得的Cer-Wool HP纖維，在1060℃熱處理3分鐘。供應(yīng)商給出的纖維組成是44到49重量％的Al2O3，50到54重量％的SiO2，0到0.2重量％的Fe2O3，0到0.1重量％的TiO2，和小于0.5重量％的其他物質(zhì)。該纖維的體積收縮率為3.2％。
實施例7按照實施例3中所述過程制備隔熱體，區(qū)別在于所用纖維是從ShinnikaTC(Tokyo，Japan)獲得的SNSC纖維，經(jīng)過熱處理。纖維組成是約54重量％氧化硅和約46重量％氧化鋁。該纖維在1060℃經(jīng)過熱處理，體積收縮率為2.6％。
實施例8-12用經(jīng)過熱處理的各種陶瓷纖維制備隔熱體。在1060℃對陶瓷纖維進(jìn)行表5中所示時間的熱處理。還給出了熱處理之后的體積收縮率。纖維組成如下所示含有46重量％的Al2O3和54重量％的SiO2的KAOWOOL HP(從ThermalCeramics獲得)；含有51重量％的Al2O3和48到52％的SiO2的CERWOOL HTA46(從Vesuvius獲得)；含有50重量％的SiO2，35重量％的Al2O3，和15重量％的ZrO2的KAOWOOL ZR(從Thermal Ceramics獲得)；含有28重量％的SiO2和78重量％的Al2O3的MAFTEC MLS(從MitsubishiChemical獲得)；和SAFILL LDM(從Safill獲得)。
權(quán)利要求
1.包括其尺寸適用于污染控制器件的末端錐體區(qū)域中的模制三維隔熱體的制件，所述隔熱體包括熱機(jī)械分析儀測得的體積收縮率不超過10％的陶瓷纖維，其特征在于所述隔熱體是自支撐的無縫的，裝配密度約為0.4克/毫升時的可壓縮性值不超過750千牛/平方米。
2.如權(quán)利要求1所述的制件，其特征在于所述制件還包括與模制三維隔熱體內(nèi)表面相連，與模塑三維隔熱材料外表面相連，或者組合情況的污染控制器件末端錐體外殼。
3.如權(quán)利要求1所述的制件，其特征在于陶瓷纖維中包括占其總重量為至少20重量％的Al2O3和至少30重量％的SiO2。
4.如權(quán)利要求3所述的制件，其特征在于陶瓷纖維是晶體，微晶或其混合形式的。
5.如權(quán)利要求1所述的制件，其特征在于模制三維隔熱體是柔韌的。
6.如權(quán)利要求1所述的制件，其特征在于隔熱體中還包括有機(jī)粘合劑。
7.包括其尺寸適用于污染控制器件的末端錐體區(qū)域中的模制三維隔熱體的制件，所述隔熱體中包括的陶瓷纖維含有占纖維總重量為至少20重量％的Al2O3和至少30重量％的氧化硅，所述纖維是微晶，晶體或其混合形式的，其特征在于所述隔熱體是自支撐和無縫的，裝配密度約為0.4克/毫升時的可壓縮性值不超過750千牛/平方米。
8.如權(quán)利要求7所述的制件，其特征在于還包括與模制三維隔熱體的內(nèi)表面相連，與模制三維隔熱體的外表面相連，或者組合情況的污染控制器件末端錐體外殼。
9.如權(quán)利要求7所述的制件，其特征在于所述隔熱體中還包括有機(jī)粘合劑。
10.制造污染控制器件末端錐體區(qū)域的方法，所述末端錐體區(qū)域包括模塑的三維隔熱體，所述方法包括制備由熱機(jī)械分析儀測得所含陶瓷纖維的體積收縮率不超過10％的水漿料；用水漿料在透過性成型壓模上真空成型形成模制的三維預(yù)制體；將預(yù)制體干燥，制成適用于污染控制器件末端錐體區(qū)域中的模制三維隔熱體，所述隔熱體是自支撐的，裝配密度為0.4克/毫升時的可壓縮性值不超過750千牛/平方米。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述真空型過程還包括將預(yù)制體插入形狀保持器件中，同時用透過性成型壓模支撐預(yù)制體，將預(yù)制體轉(zhuǎn)移至形狀保持器件，并移除透過性成型壓模。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于形狀保持器件是污染控制器件末端錐體區(qū)域的內(nèi)側(cè)末端錐體外殼或外側(cè)末端錐體外殼。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于隔熱體與末端錐體外殼相連。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于隔熱體是無縫的。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于陶瓷纖維是微晶或晶體形式的。
16.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于陶瓷纖維中包括占其總重量為至少20重量％的Al203和至少30重量％的SiO2。
17.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于陶瓷纖維中包括至少20重量％的Al2O3和至少30重量％的氧化硅，陶瓷纖維是晶體，微晶或其混合形式的，漿料中還包括有機(jī)粘合劑。
18.制造污染控制器件末端錐體區(qū)域的方法，所述末端錐體區(qū)域包括模制的三維隔熱體，所述方法包括制備所含陶瓷纖維中包括占纖維總重量為至少20重量％的Al2O3和至少30重量％的氧化硅的水漿料，所述纖維是微晶，晶體或其混合形式的；用水漿料在透過性成型壓模上真空成型成模制的三維預(yù)制體；和將預(yù)制體干燥，制成適用于污染控制器件末端錐體區(qū)域中的模制三維隔熱體，所述隔熱體是自支撐的，當(dāng)裝配密度為0.4克/毫升時具有不超過750千牛/平方米的可壓縮性值。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所述真空型過程還包括將預(yù)制體插入形狀保持器件中，同時用透過性成型壓模支撐預(yù)制體，將預(yù)制體轉(zhuǎn)移至形狀保持器件，并移除透過性成型壓模。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于該形狀保持器件是污染控制器件的內(nèi)側(cè)末端錐體外殼或外側(cè)末端錐體外殼。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于隔熱體與末端錐體外殼相連。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于隔熱體是無縫的。
23.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于漿料中還包括有機(jī)粘合劑。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種適用于污染控制器件的末端錐體區(qū)域中的模制三維隔熱體。本發(fā)明還提供了一種制造該隔熱體的方法。該隔熱體中包括體積收縮率產(chǎn)超過10重量％的陶瓷纖維。這些陶瓷纖維中含有氧化鋁和氧化硅，是微晶，晶體或其混合形式的。
文檔編號C04B35/63GK1741976SQ200480002581
公開日2006年3月1日 申請日期2004年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月22日
發(fā)明者C·J·布勞恩雷特, J·E·岡薩雷斯, M·P·M·曼丹尼斯 申請人:3M創(chuàng)新有限公司