一種車用尾氣凈化器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)動(dòng)車排氣凈化領(lǐng)域，尤其是一種車用尾氣凈化器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著空氣污染問(wèn)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 烴（PAH)以及懸浮物（SPM)等。NOx和HC在大氣中經(jīng)過(guò)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] 車用尾氣凈化器，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(guò)氧化和還原作用轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)害的二氧化碳、水和氮 氣。當(dāng)高溫的汽車尾氣通過(guò)凈化裝置時(shí)，尾氣凈化器中的凈化劑將增強(qiáng)CO、HC和NOx三種 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(wú)色、無(wú)毒 的二氧化碳?xì)怏w；HC化合物在高溫下氧化成水（H20)和二氧化碳；NOx還原成氮?dú)夂脱鯕狻?三種有害氣體變成無(wú)害氣體，使汽車尾氣得以凈化。
[0004] 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(lái)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這類載 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，以 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(guò)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，多以高嶺土、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(wèn)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，可以適當(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(guò)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] 氧化鋁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，但是由于氧化鋁自身陽(yáng)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，故亟需尋找一種可以解決上述問(wèn)題的有效方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明公開了 一種車用尾氣凈化器及其制備方法，該尾氣凈化 劑的載體是以氧化鋁為基質(zhì)，加入燒結(jié)助劑、氮化鈦、分散劑、稀土氧化物和增強(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)和較高的導(dǎo)熱性能和散熱性能。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種車用尾氣凈化器，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：1〇_15%，氮化鈦： 4-10%，分散劑：2-5%，稀土氧化物：2-5%，增強(qiáng)纖維：1-2%，余量為氧化鋁粉體。（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)置可以降低載體表面的進(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）
[0010] 作為一種優(yōu)選，所述蜂窩陶瓷載體的開口氣孔率為70-80 %。開口氣孔率對(duì)蜂窩陶 瓷載體的導(dǎo)熱性能有較大的影響，高開孔率蜂窩陶瓷的當(dāng)量直徑大于低開孔率蜂窩陶瓷當(dāng) 量直徑，這樣，相同體積下，具有70-80%的開口氣孔率的蜂窩陶瓷具有更大的孔內(nèi)面積，溫 度較高的時(shí)候，輻射傳熱增加更快，使有效導(dǎo)熱系數(shù)快速升高。
[0011] 作為一種優(yōu)選，所述直道和蛇形通道的氣孔體積比為（7-8): (4-5)。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(guò)連通處時(shí)形成渦流 或者湍流而發(fā)生不規(guī)則混合，起到攪拌的作用，同時(shí)蛇形通道也增加了尾氣與通道表面催 化劑的接觸面積以及接觸壓力，有效提高催化效率。當(dāng)直道和蛇形通道的氣孔體積比為 (7-8) : (4-5)時(shí)，控制直道體積大于蛇形通道體積，尾氣的進(jìn)氣阻力不會(huì)太大，與孔壁的接 觸壓力也不會(huì)超過(guò)開裂限度，有利于尾氣凈化的順利進(jìn)行。
[0012] 作為一種優(yōu)選，氧化鋁粉體粒徑為150-200nm。普通氧化鋁質(zhì)陶瓷材料往往需要較 高的燒結(jié)溫度而增加了其在尾氣凈化器中的應(yīng)用成本。由于燒結(jié)是通過(guò)表面張力來(lái)實(shí)現(xiàn)物 質(zhì)的迀移，故需要較高的活化能，而細(xì)化的氧化鋁陶瓷顆粒粒徑小、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。
[0013] 作為一種優(yōu)選，燒結(jié)助劑為MgO、CaO、Si02、V20 5、Fe203、Ti02中的至少兩種。多種 燒結(jié)助劑的加入能有效降低氧化鋁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 于氧化鋁納米粉體顆粒的表面能較大，高溫?zé)Y(jié)致密化的過(guò)程中晶粒容易迅速生長(zhǎng)影響材 料力學(xué)性能，而在氧化鋁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] 添加2-5%的稀土氧化物，例如氧化鑭、氧化鈰、氧化鐠，均可明顯改善氧化鋁陶瓷 材料的顯微結(jié)構(gòu)和性能，其中鑭、鈰、鐠元素是表面活性元素，當(dāng)其氧化物顆粒與基體顆粒 相遇時(shí)，傾向于分布在基體顆粒表面，吸附晶界處的雜質(zhì)，凈化晶界。另外稀土氧化物顆粒 與氧化鋁顆粒接觸反應(yīng)形成低熔點(diǎn)液相，可明顯降低陶瓷的燒結(jié)溫度。當(dāng)稀土氧化物含量 低于2%時(shí)，燒結(jié)溫度降低不明顯，影響凈化器的表面活性，而含量高于5%時(shí)，會(huì)導(dǎo)致孔隙 率大大降低，并不利于增加陶瓷材料的比表面積，故其含量沒有必要大于5%。
[0015] 作為一種優(yōu)選，氮化鈦與稀土氧化物的質(zhì)量比為（3-5) : 2。氮化鈦在本發(fā)明的蜂窩 陶瓷材料中起到較好的導(dǎo)熱作用，較高的導(dǎo)熱性能在較大的區(qū)域內(nèi)把熱能散開來(lái)，避免因 熱應(yīng)力而產(chǎn)生缺陷，受熱后散熱速度也會(huì)特別快；在車用尾氣凈化器的實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)熱性 較好的蜂窩陶瓷載體在受到尾氣沖擊時(shí)，能夠較快地吸收并傳遞尾氣的熱量，均勻地給載 體提供活化催化劑所需的充分的熱量，尤其是在低溫的情況下，載體表面的催化劑可較快 地啟動(dòng)催化機(jī)制。在燒結(jié)助劑與稀土氧化物的共同作用下，氮化鈦的熔點(diǎn)可明顯降低；當(dāng)?shù)?化鈦與稀土氧化物的質(zhì)量比為（3-5):2時(shí)，陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)可大大提高。這是由于氮 化鈦與稀土氧化物在高溫易于在陶瓷晶界處形成熔融相，把氧雜質(zhì)吸附在晶界上，減少了 氧雜質(zhì)進(jìn)入晶格的可能性，晶格內(nèi)部的氧也會(huì)因?yàn)榫Ы缣幍难鯘舛却蟠蠼档投园l(fā)擴(kuò)散到 晶界處，使陶瓷晶格的氧含量降低，陶瓷結(jié)構(gòu)缺陷的數(shù)量和種類減少，從而降低聲子散射幾 率，增加聲子的平均自由程，提升熱導(dǎo)率。
[0016] 作為一種優(yōu)選，分散劑包括硅酸鈉、甘油、羧甲基纖維素、硬脂酸。在陶瓷基體中 加入分散劑可使陶瓷基體粉料與其他添加物均勻混合不分離，由硅酸鈉、甘油、羧甲基纖維 素、硬脂酸形成的分散劑與陶瓷粉體潤(rùn)濕角小，具有良好的親和性。其中甘油能產(chǎn)生較好的 流動(dòng)特性，可以很好地潤(rùn)濕粉體，硅酸鈉對(duì)陶瓷粉體有效好的粘附作用。為了改善分散劑的 潤(rùn)濕性能，故加入了硬脂酸和羧甲基纖維素，它