專利名稱：涂布金屬基質(zhì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于擔(dān)載發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣處理催化劑的涂布金屬基質(zhì)。
背景技術(shù)：
小型內(nèi)燃機(jī)，尤其是兩沖程和四沖程火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，被用來給各種機(jī)器例如汽油驅(qū)動(dòng)割草機(jī)、鏈鋸、葉片鼓風(fēng)機(jī)、線切割機(jī)(string cutter)、葉片鼓風(fēng)機(jī)、小型摩托車、摩托車等提供動(dòng)力。這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)使催化尾氣處理裝置處于惡劣環(huán)境下工作。這歸因于在小型發(fā)動(dòng)機(jī)中，尾氣中含有高濃度未燃燒的燃料和未消耗的氧氣。
此外，兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)力可達(dá)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的3到4倍。例如，據(jù)報(bào)道，小型內(nèi)燃機(jī)在150赫茲下能產(chǎn)生70到90重力加速度的震動(dòng)加速度。小型內(nèi)燃機(jī)的強(qiáng)烈震動(dòng)和尾氣溫度條件導(dǎo)致了幾種尾氣催化處理裝置失效的模式，包括通過其將催化劑元件固定在裝置中的支撐結(jié)構(gòu)的失效，和作為結(jié)果的、機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致的催化劑元件損壞或損毀，以及在高溫條件下的尾氣的流量波動(dòng)。
催化劑元件一般含有通常由例如堇青石、多鋁紅柱石等制成的陶瓷類載體元件，在其上涂有尾氣處理催化劑材料。陶瓷類材料將由于過度震動(dòng)開裂并粉碎。金屬載體元件，也就是金屬基質(zhì)，顯然可用來替代陶瓷類材料，但有如下所公開的它們自己的問題。
在不遠(yuǎn)的將來，小型內(nèi)燃機(jī)將受到嚴(yán)格的聯(lián)邦和各州的排放控制法規(guī)的約束。由此，這些小型發(fā)動(dòng)機(jī)將需要類似當(dāng)前用于控制汽車排放的尾氣排放控制系統(tǒng)。
對(duì)于小型內(nèi)燃機(jī)所用的尾氣排放控制系統(tǒng)，通常將控制烴類、一氧化碳和氮氧化物排放的尾氣控制處理催化劑如三元轉(zhuǎn)化(“TWC”)催化劑涂在金屬基質(zhì)(在現(xiàn)有技術(shù)中也稱作金屬載體元件)上。所面臨的挑戰(zhàn)在于，對(duì)于壽命有限的各種小型發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)，賦予金屬基質(zhì)這樣的物理性質(zhì)，即使得催化劑能夠承受劇烈震動(dòng)下的高溫條件和來自油的毒物以及灰分，以及這樣的小型發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)在寬范圍的空氣/燃料比和空間速度下運(yùn)行的需要。貴金屬催化劑和金屬基質(zhì)熱脹系數(shù)上的嚴(yán)重差異會(huì)使這個(gè)問題更加嚴(yán)重。
尾氣排放控制催化劑材料通常以例如直徑為10到20微米的微米級(jí)顆粒度范圍的顆粒形式使用，這樣就可以將它們制成漿料，并被用作載體元件上的修補(bǔ)基面涂層。展現(xiàn)出很好的活性和長(zhǎng)壽命的已知TWC催化劑含有一種或多種沉積在高表面積的難熔氧化物載體(例如高表面積的氧化鋁涂層)上的鉑族金屬(例如鉑或鈀，銠，釕和銥)。用尾氣排放控制處理催化劑如TWC催化劑涂布金屬基質(zhì)所產(chǎn)生的主要問題是在很寬范圍的條件下(在小型發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)的運(yùn)行過程中，涂有催化劑的金屬基質(zhì)將被暴露在這樣的條件下)將催化劑粘結(jié)到金屬基質(zhì)上。
發(fā)明目的本發(fā)明的一個(gè)目的是提供涂布組合物和有效地將尾氣排放控制處理催化劑固定到涂布金屬基質(zhì)上的方法。
發(fā)明綜述本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放物催化還原所用的涂布金屬基質(zhì)，包括金屬基質(zhì)和金屬基質(zhì)上的氧化鋁-硅酸鹽涂料，上述的涂料中分散有氧化鋁顆粒。
發(fā)明詳述為了本發(fā)明的目的，金屬基質(zhì)可包含一種金屬如不銹鋼、碳鋼、鈦、FeCr合金或哈氏合金。哈氏合金是非注冊(cè)商標(biāo)合金，它的主要組分是鎳-鉻和鉬并含有包含鈷、鐵和鎢的微量組分。
通常用于小型發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)的金屬基質(zhì)以膨脹錐體(expansion cone)或廢氣消音器(exhauset gas silencer)的形式存在，長(zhǎng)約為100到約300mm，直徑在約30到約100mm的范圍內(nèi)，厚度為約0.5到約3mm以及內(nèi)表面積為約0.03到0.06mm2。
金屬基質(zhì)表面上的粘合層含有其中分布有氧化鋁顆粒的氧化鋁-硅酸鹽組合物。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氧化鋁-硅酸鹽組合物與金屬基質(zhì)的表面非常好地粘合。然而，氧化鋁-硅酸鹽粘合層的表面很光滑，尾氣排放物處理催化劑組合物不能很好地附著至粘合層的表面，特別是在小型發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)運(yùn)行過程中涂布金屬基質(zhì)所處的條件下。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧化鋁的顆粒在粘合層還濕潤(rùn)時(shí)被分散在其中時(shí)，所得到的涂布金屬基質(zhì)經(jīng)煅燒后，在小型發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)的所有運(yùn)行條件下，尾氣排放物處理催化劑都能很好地附著到涂布金屬基質(zhì)上。
施用粘合層和將氧化鋁顆粒分散在粘合層中的過程相對(duì)簡(jiǎn)單。如果需要，對(duì)金屬基質(zhì)進(jìn)行噴砂處理以形成粗糙表面并除去任何不需要的顆粒；其后，噴砂處理的金屬基質(zhì)可用30％醋酸洗滌，然后用水沖洗。然后借助例如浸漬、涂刷、海綿輥、空氣槍噴霧等方法，將含有水性分散體(其中主要成分是硅酸鋁)的粘合層組合物施于金屬基質(zhì)的潔凈表面上。其后通過例如浸漬、涂刷等方法在金屬基質(zhì)上的粘合層仍濕潤(rùn)時(shí)將氧化鋁顆粒施于涂布金屬基質(zhì)上。然后可從粘合表面除去松動(dòng)的氧化鋁顆粒，例如借助溫和的空氣流，通過在硬表面上輕拍等，而后將所得到的涂布金屬基質(zhì)煅燒。煅燒后，可通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的常規(guī)方法將含有一種或多種貴金屬如鉑、鈀、銠等的尾氣排放物處理催化修補(bǔ)基面涂層施于涂布金屬基質(zhì)表面，緊接著干燥和煅燒擔(dān)載了催化劑的涂布金屬基質(zhì)。
制備本發(fā)明的涂布金屬基質(zhì)的方法可總結(jié)為包括以下步驟(a)用含有硅酸鋁的分散液涂布金屬基質(zhì)；
(b)在涂在金屬基質(zhì)上的硅酸鋁依然濕潤(rùn)時(shí)，用氧化鋁顆粒浸漬從步驟(a)所得到的涂布金屬基質(zhì)；以及(c)煅燒從步驟(b)所得到的涂布金屬基質(zhì)。
含有硅酸鋁的分散液在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的并且可商購。適宜的硅酸鋁分散體組成如下組分量，重量％硅酸鈉鉀鋁 約40到約45水 約35到約40丙烯酸共聚物約1到約5氧化鉻二氧化鈦玻璃料約1到約5氧化鋁 約1到約5氫氧化鉀約1到約5無定形氧化硅約1到約5氧化鈷 約1到約5另一適宜的硅酸鋁分散體組成如下組分量，重量％碳化硅 約45到約50水 約20到約26磷酸鋁 約10到約15無定形氧化硅粘合劑 約2到約6硼酸約1到約3乙醇約3到約7多鋁紅柱石 約4到約6在方法步驟(b)中，氧化鋁顆粒是以粉末狀施用的，其中顆粒的顆粒度在約5到約15微米的范圍內(nèi)，優(yōu)選6到9微米。將氧化鋁顆粒以0.01到0.5g/in2用于方法步驟(a)中的硅酸鋁涂層的量使用。步驟(c)，即煅燒，在約350到約550℃的溫度下進(jìn)行約0.25到約2小時(shí)。
然后將含有發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣處理催化劑的修補(bǔ)基面涂層施于(例如通過噴霧、浸漬、輥涂等)從步驟(c)得到的涂布金屬基質(zhì)上，然后在約60到約100℃的空氣中干燥約0.5到約2小時(shí)，隨后在約350到約550℃的溫度下煅燒約0.25到約2小時(shí)。
下面的非限制性實(shí)施例用于說明本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方案。除非另外指出，所有的份數(shù)和百分比都基于重量。
實(shí)施例1在本實(shí)施例中所使用的金屬基質(zhì)是由1.3mm規(guī)格309不銹鋼所構(gòu)成的膨脹錐體。膨脹錐體的長(zhǎng)為172mm，內(nèi)徑范圍在40.2mm到66.4mm的范圍內(nèi)，計(jì)算面積為0.0288m2。將膨脹錐體噴砂處理，用30％醋酸洗滌并用蒸餾水沖洗。
然后用具有下列組成的鋁-硅酸鹽分散體對(duì)潔凈的膨脹錐體進(jìn)行空氣槍噴霧組分量，重量％硅酸鈉鉀鋁 約40到約45水 約35到約40丙烯酸共聚物約1到約5氧化鉻二氧化鈦玻璃料約1到約5氧化鋁 約1到約5氫氧化鉀約1到約5無定形氧化硅約1到約5氧化鈷 約1到約5然后在450℃的溫度下煅燒噴涂過的膨脹錐體30分鐘。實(shí)驗(yàn)室熱沖擊試驗(yàn)表明鋁-硅酸鹽涂層能夠容易地耐受超過1000℃的溫度循環(huán)。
煅燒后，將錐體冷卻到室溫，然后用手持空氣噴槍以1.75g每個(gè)錐體的目標(biāo)比例涂布含有發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣處理催化劑的修補(bǔ)基面涂層，以便給每個(gè)錐體施用0.07g貴金屬。由發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣處理催化劑的含水漿料(35重量％固體)所組成的修補(bǔ)基面涂層具有下列組成組分量，g/in3高表面積氧化鋁 0.61CeZr共沉淀復(fù)合物0.31醋酸鋇 0.04醋酸鋯 0.025Pt(銨氫氧化物的形式)0.037Pd(硝酸鹽的形式)0.0037然后在80℃下將所得到的錐體空氣干燥1小時(shí)，然后在450℃的溫度下煅燒30分鐘。沒有對(duì)涂布膨脹錐體作進(jìn)一步研究，因?yàn)樾扪a(bǔ)基面涂層漿料沒有附著到氧化鋁-硅酸鹽涂布膨脹錐體上。
實(shí)施例2重復(fù)實(shí)施例1，以下除外將同樣的鋁-硅酸鹽分散體用海綿輥?zhàn)佣皇且钥諝鈽寚婌F的方式施于膨脹錐體上。然后，在錐體表面被鋁-硅酸鹽分散體所潤(rùn)濕時(shí)，將涂布過的錐體浸入顆粒度范圍在2-15微米的氧化鋁粉末中。然后在硬表面上輕拍錐體以除去松動(dòng)的氧化鋁顆粒，隨后在450℃的溫度下煅燒30分鐘。涂布錐體含有約0.3g氧化鋁顆粒。
煅燒后，將錐體冷卻到室溫，并用手持空氣噴霧槍將與實(shí)施例1中所用相同的修補(bǔ)基面涂層以每個(gè)錐體1.75g的目標(biāo)比例施于涂布錐體上，以便給每個(gè)錐體施用0.07g貴金屬。將所得到的錐體在80℃的溫度下空氣干燥1小時(shí)，然后在450℃的溫度下煅燒30分鐘。
實(shí)施例2的涂布錐體的實(shí)驗(yàn)室熱沖擊試驗(yàn)表明鋁-硅酸鹽涂層能夠容易地耐受超過1000℃的溫度循環(huán)。實(shí)施例2的涂布錐體在固定發(fā)電機(jī)上剛性連接發(fā)動(dòng)機(jī)老化約300小時(shí)。老化錐體的目測(cè)檢查表明涂層沒有顯著的物理性能惡化。
權(quán)利要求
1.用于發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放物的催化還原的涂布金屬基質(zhì)，其包括其上具有氧化鋁-硅酸鹽涂層的金屬基質(zhì)，所述氧化鋁-硅酸鹽涂層中分散有氧化鋁顆粒。
2.權(quán)利要求1的基質(zhì)，其另外包括至少一個(gè)包含發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣處理催化劑的頂層。
3.用于發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放物的催化還原的涂布金屬基質(zhì)的制備方法，該方法包括以下步驟(a)用包含硅酸鋁的分散液對(duì)金屬基質(zhì)進(jìn)行涂布；(b)在金屬基質(zhì)上的硅酸鋁涂層仍濕潤(rùn)時(shí)，用氧化鋁顆粒浸漬從步驟(a)所得到的涂布金屬基質(zhì)；以及(c)煅燒從步驟(b)所得到的涂布金屬基質(zhì)。
4.權(quán)利要求3的方法，其中步驟(c)在約350到約550℃的溫度下進(jìn)行約0.25到約2小時(shí)。
5.權(quán)利要求3的方法，該方法另外包括將包含發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣處理催化劑的修補(bǔ)基面涂層施于從步驟(c)所得到的涂布金屬基質(zhì)上。
6.權(quán)利要求2或5的催化劑，其包含三元轉(zhuǎn)化催化劑。
7.權(quán)利要求1或3的基質(zhì)，其中金屬基質(zhì)包含選自不銹鋼、碳鋼、鈦、FeCr合金和哈氏合金的金屬。
8.權(quán)利要求1或3的氧化鋁顆粒，其中氧化鋁顆粒的顆粒度在約5到約15微米的范圍內(nèi)。
9.權(quán)利要求1或3的金屬基質(zhì)，其以膨脹錐體或尾氣消音器的形式使用。
10.權(quán)利要求9的方法，其中膨脹錐體的長(zhǎng)度為約200到約300mm，直徑范圍為約30到約100mm，厚度為約0.5到約3mm，內(nèi)表面積為約0.03到0.06m2。
11.權(quán)利要求3的方法，其中分散液包含以下量的組分組分 量，重量％硅酸鈉鉀鋁約40到約45水約35到約40丙烯酸共聚物 約1到約5氧化鉻二氧化鈦玻璃料 約1到約5氧化鋁約1到約5氫氧化鉀 約1到約5無定形氧化硅 約1到約5氧化鈷約1到約5。
12.權(quán)利要求3的方法，其中分散液包含以下量的組分組分 量，重量％碳化硅約45到約50水約20到約26磷酸鋁約10到約15無定形二氧化硅粘合劑 約2到約6硼酸 約1到約3乙醇 約3到約7多鋁紅柱石約4到約6。
全文摘要
用于小型發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)的、用于擔(dān)載尾氣排放催化處理催化劑例如三元轉(zhuǎn)化催化劑的涂布金屬基質(zhì)。涂布金屬基質(zhì)包含選自例如不銹鋼、碳鋼、鈦、FeCr合金和哈氏合金等的金屬。金屬催化劑涂層包括其中分散有氧化鋁顆粒的硅酸鋁。用含有硅酸鋁的分散液涂布并且在涂層依然濕潤(rùn)時(shí)將氧化鋁顆粒分散于硅酸鋁中。隨后煅燒涂布金屬基質(zhì)。然后可將包含發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣處理催化劑的修補(bǔ)基面涂層施于涂布金屬基質(zhì)的表面上。
文檔編號(hào)B01J23/63GK1909965SQ200580002431
公開日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2005年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月14日
發(fā)明者M·P·加利根, Y·G·金 申請(qǐng)人:恩格哈德公司