一種汽車尾氣凈化器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及機(jī)動(dòng)車排氣凈化領(lǐng)域，尤其是一種汽車尾氣凈化器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著空氣污染問題的日益突出和汽車數(shù)量的迅速增加，汽車排放的廢氣已成為城 市大氣環(huán)境污染的主要污染源之一。汽車尾氣中的有害物質(zhì)主要有C0、NOx和HC，多環(huán)芳 控（PAH)W及懸浮物（SPM)等。NOx和肥在大氣中經(jīng)過一系列的光化學(xué)反應(yīng)，易生成臭氧 等多種氧化性很強(qiáng)的物質(zhì)，形成光化學(xué)煙霧。光化學(xué)煙霧不僅嚴(yán)重危害人的健康，而且會(huì)對(duì) 動(dòng)植物和各種材料造成嚴(yán)重破壞。
[0003] 汽車尾氣凈化器，是安裝在汽車排氣系統(tǒng)中最重要的機(jī)外凈化裝置，它可將汽車 尾氣排出的C0、HC和NOx等有害氣體通過氧化和還原作用轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的二氧化碳、水和氮 氣。當(dāng)高溫的汽車尾氣通過凈化裝置時(shí)，尾氣凈化器中的凈化劑將增強(qiáng)C0、肥和NOxΞ種 氣體的活性，促使其進(jìn)行一定的氧化-還原化學(xué)反應(yīng)，其中C0在高溫下氧化成為無色、無毒 的二氧化碳?xì)怏w；HC化合物在高溫下氧化成水化2〇)和二氧化碳；NOx還原成氮?dú)夂脱鯕狻?Ξ種有害氣體變成無害氣體，使汽車尾氣得W凈化。
[0004] 汽車尾氣凈化器包括殼體、載體和覆蓋于載體表面的催化劑。早期的載體多采用 顆粒載體，但由于顆粒載體的催化劑具有堆集密度大、床層阻力大、易粉碎等缺點(diǎn)，不適于 汽車尾氣凈化。而蜂窩狀整裝催化劑載體由于具有縱向、連續(xù)、不受阻擋的通道，排氣阻力 小等優(yōu)點(diǎn)，在后來的研究中被廣泛應(yīng)用于汽車尾氣的凈化，目前汽車尾氣催化劑多采用運(yùn) 類載體。20世紀(jì)70年代初，3M公司和福特公司用燒結(jié)法生產(chǎn)出一種蜂窩陶瓷載體，1972年 康寧公司也開發(fā)出一種蜂窩陶瓷載體，1986年康寧公司在西德設(shè)備廠生產(chǎn)蜂窩陶瓷載體， W滿足歐洲汽車工業(yè)的需要，為車用催化劑的大規(guī)模推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。我國(guó)大 約在20世紀(jì)80年代中期開始生產(chǎn)蜂窩陶瓷載體，雖然經(jīng)過了十幾年的發(fā)展，但由于技術(shù)、 設(shè)備等原因，與國(guó)外的產(chǎn)品相比，還有一定的差距。
[0005] 陶瓷載體是目前廣泛使用的汽車尾氣凈化催化劑載體，其中比較常見的是堇青石 質(zhì)蜂窩陶瓷載體。工業(yè)化的堇青石陶瓷制備方法，多W高嶺±、滑石或純組分氧化物為原 料，采用高溫固相反應(yīng)合成。該方法具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)；但其存在的最 大問題就是合成溫度高，能源消耗大，燒結(jié)溫度達(dá)1390~1400°C，且其燒結(jié)溫區(qū)很窄。如引 入玻璃相，可W適當(dāng)降低堇青石陶瓷的燒結(jié)溫度，拓寬其燒結(jié)溫區(qū)，但卻提高了其熱膨脹系 數(shù)，降低了抗熱震和侵蝕的能力。沉淀包裹法和溶膠-凝膠法工藝要求比較嚴(yán)格，合成過程 復(fù)雜，原料多為有機(jī)化合物，價(jià)格昂貴，有些還對(duì)人體有害，很難滿足工業(yè)應(yīng)用要求。
[0006] 在利用添加助劑改善堇青石陶瓷性能方面，助劑多為單一組元，往往平均熱膨脹 系數(shù)很小，但其a軸和C軸的熱膨脹系數(shù)卻存在較大差異，很難使"零膨脹"與各向異性熱 效應(yīng)相協(xié)調(diào)，從而降低了堇青石陶瓷的熱性能。
[0007] 氧化侶也是一種常見的陶瓷材料，具有耐高溫、耐磨、耐腐蝕、抗氧化等許多優(yōu)良 的性能，但是由于氧化侶自身陽離子電荷多，半徑小，離子鍵強(qiáng)等特點(diǎn)，導(dǎo)致其晶格能較大， 擴(kuò)散系數(shù)較低，燒結(jié)溫度高，另外也由于其脆性大、熱膨脹系數(shù)高的缺陷使其應(yīng)用受到了一 定的限制，故亟需尋找一種可W解決上述問題的有效方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種汽車尾氣凈化器及其制備方法，該汽車尾氣 凈化劑的載體是W氧化侶為基質(zhì)，加入燒結(jié)助劑、混合粘±、稀±氧化物和增強(qiáng)材料使制得 的載體具有高抗壓強(qiáng)度、較低的熱膨脹系數(shù)和較低的燒結(jié)溫度。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種汽車尾氣凈化器，包括殼體和蜂窩陶瓷載體，蜂窩陶 瓷載體固定在殼體內(nèi)，所述蜂窩陶瓷載體的多孔結(jié)構(gòu)包括彎曲的蛇形通道和直道，直道連 通到蛇形通道上，所述蜂窩陶瓷載體的組分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)包括：燒結(jié)助劑：6-10%，混合粘 ± :5-10%，稀±氧化物：4-8%，分散劑：2-4%，無機(jī)晶須：1-5%，余量為氧化侶粉體。（其 中直道連通到載體表面，蛇形通道設(shè)置在載體內(nèi)部，如此設(shè)置可W降低載體表面的進(jìn)氣阻 力，從而提高高速高溫尾氣進(jìn)入載體進(jìn)行凈化的效率）陶瓷材料顆粒間粘接是靠外加高溫 粘結(jié)劑在燒成溫度下形成的玻璃相粘接而成的，混合粘±在燒成過程中在基體顆粒的表面 上形成一層玻璃相，并在兩個(gè)顆粒的接觸點(diǎn)處聚集，形成頸部，使陶瓷材料的強(qiáng)度得W提 高。本發(fā)明中當(dāng)混合粘±的加入量小于2%時(shí)作用不明顯（對(duì)陶瓷材料中高烙點(diǎn)的成分的 連接作用不夠充分，同時(shí)極易在載體內(nèi)部形成微弱的間隙，從而在陶瓷內(nèi)部形成缺陷），而 大于5%時(shí)，陶瓷的強(qiáng)度不但沒有增加反而急劇降低。運(yùn)是因?yàn)樵跐{料的制備過程中，隨著 混合粘±加入量的增加，漿料的粘度不斷增加，當(dāng)漿料的粘度達(dá)到1000mPa，sW上時(shí)，陶瓷 在燒成時(shí)產(chǎn)生流線型裂紋，使制品的強(qiáng)度大大降低。
[0010] 作為一種優(yōu)選，直道與蛇形通道的長(zhǎng)度比為化-8) : (2-3)。在陶瓷載體內(nèi)部設(shè)置部 分彎曲的蛇形通道，并與直道連通，使得尾氣氣流在經(jīng)過連通處時(shí)形成滿流或者端流而發(fā) 生不規(guī)則混合，起到攬拌的作用，同時(shí)蛇形通道也增加了尾氣與通道表面催化劑的接觸面 積W及接觸壓力，有效提高催化效率。當(dāng)直道與蛇形通道的長(zhǎng)度比為巧-6) : (2-4)時(shí)，可明 顯提高催化效率，如果蛇形通道長(zhǎng)度比例過高，超出運(yùn)個(gè)范圍，會(huì)因短時(shí)間大流量的尾氣通 入蛇形通道而導(dǎo)致進(jìn)氣壓力過高使陶瓷巧體產(chǎn)生裂紋。
[0011] 作為一種優(yōu)選，直道與蛇形通道的孔徑比為4: (4-5)。直道與蛇形通道在具有相同 大小的孔徑的情況下，蛇形通道的進(jìn)氣壓力要高于直道，略微減小直道與蛇形通道的孔徑 比能使陶瓷載體內(nèi)部因受力更為均勻，其孔徑比控制為4: (4-5)可W避免陶瓷載體產(chǎn)生裂 紋。
[0012] 作為一種優(yōu)選，氧化侶粉體粒徑為150-200nm。普通氧化侶質(zhì)陶瓷材料往往需要較 高的燒結(jié)溫度而增加了其在汽車尾氣凈化器中的應(yīng)用成本。由于燒結(jié)是通過表面張力來實(shí) 現(xiàn)物質(zhì)的遷移，故需要較高的活化能，而細(xì)化的氧化侶陶瓷顆粒粒徑小、比表面積大、表面 活性高，顆粒間擴(kuò)散的距離短，只需要較低的燒結(jié)活化能和燒結(jié)溫度，能夠明顯改善陶瓷體 的物理性能，顯示出優(yōu)良的力學(xué)性能。 陽〇1引所述燒結(jié)助劑為MgO、化0、Si化、V205、化2化、Ti化中的至少兩種。多種燒結(jié)助劑 的加入能有效降低氧化侶陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)和燒結(jié)溫度，提高燒結(jié)性能，由于氧化侶 納米粉體顆粒的表面能較大，高溫?zé)Y(jié)致密化的過程中晶粒容易迅速生長(zhǎng)影響材料力學(xué)性 能，而在氧化侶陶瓷涂料中加入燒結(jié)助劑，一方面可抑制其晶粒在高溫時(shí)長(zhǎng)大，另一方面， 還可降低其燒結(jié)溫度。
[0014] 作為一種優(yōu)選，混合粘±為經(jīng)過1400°C高溫預(yù)處理的。預(yù)處理過后將混合粘±進(jìn) 行研磨，研磨至其粒度小于0.2μπι。高溫預(yù)處理可W去除混合粘±中較多的結(jié)晶水、揮發(fā) 分和雜質(zhì)，使得顆粒易于研磨分散，有利于與基體顆粒形成更均勻的混合，提高質(zhì)量的穩(wěn)定 性，同時(shí)還可W在混合粘±中形成細(xì)密的微孔，在燒結(jié)時(shí)形成微型傳熱通道，提高陶瓷載體 的微孔結(jié)構(gòu)的有效率，同時(shí)通道具有較高的活性，從而提高燒結(jié)質(zhì)量，并且防止因受熱不均 而發(fā)生破損變形。預(yù)處理的時(shí)間一定要控制好，由于預(yù)處理的溫度較高，時(shí)間超過5min即 可達(dá)到效果，但是不能超過lOmin，否則粘±會(huì)開始瓷化，故預(yù)處理時(shí)間為5-lOmin。混合粘 ±在本發(fā)明中是作為高溫粘結(jié)劑使用的，陶瓷基體顆粒粒徑與高溫粘結(jié)劑的細(xì)度控制非常 重要。高溫粘結(jié)劑的粒度與氧化侶顆粒粒度不能相差太大，否則在燒成過程中高溫粘結(jié)劑 烙融時(shí)，高溫粘結(jié)劑周圍的某些孔隙就會(huì)被玻璃相封閉，形成封閉孔而損失掉，造成有效氣 孔率下降。
[0015] 作為一種優(yōu)選，混合粘±為質(zhì)量比為化-10) : (6-8) :3:1的長(zhǎng)石、高嶺石、生滑石 和蒙脫石混合物。長(zhǎng)石是一種含有巧、鋼、鐘的侶娃酸鹽礦物，可W擴(kuò)大陶瓷的燒結(jié)范圍，但 是長(zhǎng)石中的堿金屬氧化物會(huì)降低瓷巧的機(jī)械強(qiáng)度，故應(yīng)加W控制。當(dāng)燒結(jié)溫度高于1100°c 時(shí)，長(zhǎng)石開始形成液相，在基體顆粒連接處逐漸形成玻璃結(jié)合，此時(shí)高嶺石、生滑石和蒙脫 石中的雜質(zhì)達(dá)到了低共烙物的比例，也開始形成液相，高嶺石、生滑石與蒙脫石顆粒不僅與 長(zhǎng)石形成陶瓷結(jié)合，也與氧化侶顆粒表面形成玻璃結(jié)合，同時(shí)在一定程度上降低了長(zhǎng)石的 流動(dòng)性，既保證了燒結(jié)，又避免了巧體變形。
[0016] 添加2-5%的稀±氧化物，例如氧化銅、氧化姉、氧化錯(cuò)，均可明顯改善氧化侶陶瓷 材料的顯微結(jié)構(gòu)和性能，其中銅、姉、