專利名稱：涂覆的顆粒過濾器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及顆粒過濾器及其制造方法，更具體來說涉及多孔陶瓷顆粒過濾器，例如用于發(fā)動機廢氣后處理的多孔陶瓷顆粒過濾器。
背景技術(shù)：
柴油發(fā)動機和汽油直接注入(GDI)發(fā)動機向廢氣流中排放顆粒，人們希望從廢氣流除去這些顆粒。
發(fā)明概述在一個方面，本發(fā)明揭示了一種顆粒過濾器，其包括過濾器主體，所述過濾器主體包括至少一個多孔壁，還包括位于所述壁上的多孔涂層(或薄膜或?qū)?，所述涂層的中值孔徑小于20微米，涂層孔徑偏差小于所述涂層中值孔徑的三倍，所述涂層的平均厚度小于50微米。在另一個方面，本發(fā)明揭示了一種制造顆粒過濾器的方法，該方法包括提供過濾器主體，所述主體包括至少一個多孔壁，然后在所述壁上沉積顆粒，所述顆粒的平均粒徑約小于30微米。在以下的詳細描述中提出了本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點，其中的部分特征和優(yōu)點對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言根據(jù)所作描述就容易理解，或者通過實施包括以下詳細描述、權(quán)利要求書以及附圖
在內(nèi)的本文所述的本發(fā)明而被認識。應(yīng)理解，前面的一般性描述和以下的詳細描述都提出了本發(fā)明的實施方式，用來提供理解要求保護的本發(fā)明的性質(zhì)和特性的總體評述或框架。包括的附圖提供了對本發(fā)明的進一步的理解，附圖被結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分。附圖以圖示形式說明了本發(fā)明的各種實施方式，并與說明書一起用來說明本發(fā)明的原理和操作。附圖簡要說明圖IA顯示計算的煙炱顆粒(通常具有⑶I汽車發(fā)動機產(chǎn)生的尺寸)的過濾效率隨孔徑和涂層厚度的變化關(guān)系。圖IB顯示計算的過濾器背壓隨孔徑和涂層厚度的變化關(guān)系。圖2顯示單獨厚度的玻璃片上粒度分布極窄的陶瓷粉末。圖中顯示了直徑約為5微米的球形陶瓷粉末的單層。圖3顯示了多孔基材蜂窩體壁上的窄粒度分布陶瓷粉末的涂層的示意圖，在壁內(nèi)具有短效顆粒。圖4a顯示了多孔基材蜂窩體壁上的具有類似粒度的短效顆粒的窄粒度分布陶瓷粉末的涂層的示意圖，在壁內(nèi)具有較大的短效顆粒。圖4b顯示了多孔基材蜂窩體壁上的具有類似粒徑的多孔顆粒的窄粒度分布陶瓷粉末的涂層的示意圖，已經(jīng)除去了短效顆粒。圖5a是通過氣溶膠技術(shù)制備的窄粒度分布陶瓷粉末的照片。圖5b是對圖5a的粉末測得的窄粒度分布圖。圖5c是對圖5a的窄粒度分布粉末測得的質(zhì)量分布圖。圖6顯示以下對象的表面形貌的SEM圖(a)低微裂的堇青石裸露載體；(b)低微裂的堇青石載體上的AA3氧化鋁涂層；以及(c)低微裂的堇青石載體上的C701氧化鋁涂層。圖7顯示薄膜氧化鋁涂層以及裸露載體的表面形貌的SEM圖(a)低微裂的堇青 石裸露載體；(b)低微裂的堇青石載體上的AA3氧化鋁涂層；以及(c)低微裂的堇青石載體上的C701氧化鋁涂層。圖8顯示在1380°C燒制2小時之后的自立式AA-3和C701氧化鋁薄膜的孔徑分布，通過水銀孔隙率法測得，其中AA-3薄膜具有較窄的孔徑分布。圖9顯示在進行了不同的預(yù)處理干燥歷程的低微裂堇青石載體上涂覆的氧化鋁薄膜層的SEM圖:#1樣品室溫下23小時;#2樣品在60°C下23小時;#3樣品室溫下5小時，然后60°C下18小時。發(fā)明詳述下面詳細參考本發(fā)明的各種實施方式，這些實施方式的例子在附圖中示出。只要有可能，在所有附圖中使用相同的附圖標記來表示相同或類似的部件。根據(jù)本發(fā)明，提供了顆粒過濾器和制造所述顆粒過濾器的方法。在一個方面，所述顆粒過濾器包括過濾器主體，所述過濾器主體包括至少一個多孔壁，還包括位于所述壁上的多孔涂層，所述涂層的中值孔徑小于20微米，涂層孔徑偏差小于所述涂層中值孔徑的三倍，所述涂層的平均厚度小于50微米。在一些所述實施方式中，所述涂層的中值孔徑小于或等于15微米。在一些所述實施方式中，所述涂層的中值孔徑小于或等于10微米。在一些所述實施方式中，所述涂層的中值孔徑小于或等于5微米。在一些所述實施方式中，所述涂層的中值孔徑小于或等于2微米。在一些所述實施方式中，所述涂層的中值孔徑小于或等于I微米。在一些實施方式中，所述涂層的中值孔徑約為0. 3-10. 0微米。在一些實施方式中，所述涂層的中值孔徑約為0.3-3. 0微米。在一些實施方式中，所述涂層的中值孔徑約為0.5-3. 0微米。在一些實施方式中，所述涂層的中值孔徑約為0. 5-2. 5微米。在一些實施方式中，所述涂層的中值孔徑約為1.0-2. 0微米。在一些實施方式中，所述涂層的孔徑偏差小于涂層的中值孔徑的2倍。在一些實施方式中，所述涂層的中值孔徑約為0. 3-10. 0微米，所述涂層的孔徑偏差小于涂層的中值孔徑的2倍。 在一些實施方式中，所述涂層的中值孔徑比壁的中值孔徑小大約一個數(shù)量級。在一些實施方式中，所述壁的中值孔徑比涂層的中值孔徑大大約一個數(shù)量級。在一些實施方式中,所述壁的中值孔徑約大于5微米。在一些實施方式中,所述壁的中值孔徑約大于10微米。在一些實施方式中，所述壁的中值孔徑約大于20微米。在一些實施方式中，所述壁的中值孔徑約大于50微米。在一些實施方式中，所述壁的中值孔徑約大于100微米。
在一些實施方式中，所述涂層的平均厚度小于25微米。在一些實施方式中，所述涂層的平均厚度小于15微米。在一些實施方式中，所述涂層的平均厚度約大于3微米且約小于30微米。在一些實施方式中，所述涂層的平均厚度約大于5微米且約小于25微米。在一些實施方式中，所述涂層的平均厚度約大于3微米且約小于15微米，所述涂層的中值孔徑約為0. 3-5. 0微米。在一些實施方式中，所述涂層的平均厚度約大于3微米且約小于15微米，所述涂層的中值孔徑約為0. 5-3. 0微米。在一些實施方式中，所述涂層的平均厚度約大于3微米且約小于15微米，所述涂層的中值孔徑約為0. 5-2. 5微米。在一些實施方式中，所述涂層的總孔隙率大于40 %。在一些實施方式中，所述涂層的總孔隙率約大于45%。在一些實施方式中，所述涂層的總孔隙率約大于50%。在一些實 施方式中，所述涂層的總孔隙率約大于55%。在一些實施方式中，所述涂層的總孔隙率約小于65%。在一些實施方式中，所述涂層的總孔隙率約為50-60*%。在一些實施方式中，所述涂層由陶瓷組成。在一些實施方式中，所述涂層包含至少一種以下的化合物氧化鋁、堇青石、鋁硅酸鹽、鈦酸鋁、氧化鋯、氧化鋁-氧化鋯、La-氧化鋁、碳化硅、氧化鈰、沸石以及它們的組合。在一些實施方式中，所述涂層包含催化劑。所述催化劑可以包含貴金屬。在一些實施方式中，所述催化劑包含W，V，Pt，Rh或Pd，或它們的組合。在一些實施方式中，所述催化劑促進(a) —氧化碳的氧化，(b)烴類的氧化，(C)氮氧化物的還原，或者⑷炭煙炱的氧化，或者(a)，(b)，(c)或(d)的組合。在一些實施方式中，所述涂層包含NOx吸收劑。在一些實施方式中，所述多孔壁由陶瓷組成。所述多孔壁可以由以下化合物組成氧化招、堇青石、招娃酸鹽、鈦酸招、氧化錯、氧化招-氧化錯、La-氧化招、碳化娃、氧化鋪、沸石、氮化硅、或者它們的組合。在一些實施方式中，所述涂層包含在壁中沒有發(fā)現(xiàn)的化合物。在一些實施方式中，所述過濾器主體包括多個多孔壁，或者多孔壁的矩陣。所述矩陣可以包括交叉的多孔壁。所述矩陣可以限定多個平行的通道，例如蜂窩體結(jié)構(gòu)的形式。所述蜂窩體結(jié)構(gòu)可以限定多個四邊形通道，或者多個六邊形通道，或者具有其它的橫截面形狀的通道。在一些實施方式中，至少一部分的涂層存在于多孔壁的孔之內(nèi)。在一些實施方式中，至少一部分的涂層存在于多孔壁的周邊表面上，而不是位于多孔壁的孔之內(nèi)。在本發(fā)明的另一個方面，提供了一種制造顆粒過濾器的方法，該方法包括提供包括至少一個多孔壁的過濾器主體，將顆粒沉積在所述壁上，所述顆粒的平均粒徑約小于30微米。較佳的是，對沉積的顆粒進行加熱。較佳的是，將顆粒沉積在壁上從而足以在壁的至少一部分之上形成涂層，然后對所述涂層進行加熱。在一些實施方式中，所述顆粒的平均粒徑約小于20微米。在一些實施方式中，所述顆粒的平均粒徑約小于15微米。在一些實施方式中，所述顆粒的平均粒徑約小于10微米。在一些實施方式中，所述顆粒的平均粒徑約小于5微米。
在一些實施方式中，所述顆?；旧鲜菃畏稚⒌?。在一些實施方式中，所述過濾器主體由一種或多種氧化物組成。在一些實施方式中，所述過濾器主體由一種或多種非氧化物組成。在一些實施方式中,所述過濾器主體由陶瓷材料組成。在一些實施方式中，所述顆粒包括非短效顆粒和短效顆粒。在一些實施方式中，所述顆粒包括非短效材料和短效材料。如果使用短效材料或短效顆粒，則所述方法還包括對涂層進行充分的加熱，以從壁(即從多孔壁上和/或壁內(nèi))除去至少一些短效材料。在一些實施方式中，顆粒被載體流體流攜帶著流向多孔壁,所述載體流體流通過壁，所述壁將顆粒與載體流體流分離。在一些實施方式中，所述顆粒的平均粒徑約小于10微米。在一些實施方式中，所述顆粒以氣溶膠的形式沉積；顆粒以溶膠/凝膠球體的形式沉積；在一些實施方式中，所述顆粒在沉積到過濾器主體上之前通過加熱的氣體環(huán)境。以氣溶膠形式產(chǎn)生的顆粒的中值粒徑小于100微米，甚至小于50微米。在一些實施方式中， 當顆粒以氣溶膠的形式沉積的時候，氣溶膠顆粒在壁附近或壁上原位轉(zhuǎn)化為陶瓷顆粒。在一些實施方式中，所述顆粒包括由非短效材料組成的非短效顆粒以及由短效材料組成的短效顆粒，其中短效顆粒被第一載體流體流攜帶，所述第一載體流體流通過壁，所述壁將短效顆粒與第一載體流體流分離，所述非短效顆粒被第二載體流體流攜帶，所述第二載體流體流通過壁，所述壁將非短效顆粒與第二載體流體流分離，從而形成由短效材料和非短效材料組成的涂層。因此，優(yōu)選對涂層進行充分加熱，以從涂層除去至少一些短效材料。在一些實施方式中，在非短效顆粒沉積在壁上之前，將短效顆粒沉積在壁上。在一些實施方式中，所述短效顆粒的中值粒徑大于非短效顆粒的平均粒徑；在一些實施方式中，所述短效顆粒的中值粒徑比非短效顆粒的平均粒徑大至少25% ;在一些實施方式中，所述短效顆粒的中值粒徑比非短效顆粒的平均粒徑大至少100% ;在一些實施方式中，所述短效顆粒的中值粒徑比非短效顆粒的平均粒徑大至少300% ;在一些實施方式中，至少一些短效顆粒比非短效顆粒的中值粒徑大至少400%。較佳的是，所述非短效顆粒由無機材料組成。所述方法還可以包括，在沉積顆粒之前，用孔填料堵塞壁的至少一部分的至少一些孔，以形成堵塞的區(qū)域。在一些實施方式中，所述孔填料由無機材料組成；在一些實施方式中，所述孔填料由聚合物組成；在一些實施方式中，所述孔填料由蛋白質(zhì)聚集體組成，或者由蛋白質(zhì)聚合物，例如源自牛奶的那些組成；在其它的實施方式中，所述聚合物是淀粉或合成聚合物。在一些實施方式中，所述堵塞步驟包括用包含孔填料的孔堵塞混合物(可以包括溶液或懸浮液或膠體)潤濕壁，所述方法還包括隨后對壁進行充分干燥，以形成堵塞的區(qū)域。在一些實施方式中，在潤濕的過程中，將過濾器主體浸沒在孔堵塞混合物中。在一些實施方式中，在潤濕之后，在干燥環(huán)境中、近似在室溫下，對包括所述壁的過濾器主體進行干燥至少5小時，在一些實施方式中干燥至少10小時，在其它的實施方式中干燥至少20小時。在一些實施方式中，在潤濕之后，在干燥環(huán)境中、在15_30°C的溫度下，對所述過濾器主體進行干燥至少5小時,在一些實施方式中干燥至少10小時,在其它的實施方式中干燥至少20小時。
在一些實施方式中，在潤濕之后，在干燥環(huán)境中、在大約20°C的溫度下，對所述過濾器主體進行干燥至少5小時，在一些實施方式中干燥至少10小時，在其它的實施方式中干燥至少20小時。在一些實施方式中，在潤濕之后，在干燥環(huán)境中，在約高于20°C且低于120°C的一種或多種溫度下，對過濾器主體干燥大于或等于5小時且小于或等于20小時。在一些實施方式中，在潤濕之后，在干燥環(huán)境中，在15_30°C的一種或多種溫度下，對過濾器主體干燥4-15小時,然后在大氣中，在15-120°C的一種或多種溫度下,干燥大于或等于5小時且小于或等于20小時。在一些實施方式中，通過用孔堵塞混合物進行浸涂，或者用孔堵塞混合物進行流涂，或者同時采用此兩種手段對過濾器主體進行潤濕。在一些實施方式中，在用孔堵塞混合物進行潤濕之前，對過濾器主體進行清潔?？?以在用孔堵塞混合物潤濕過濾器主體之前，用流體對過濾器主體進行沖洗，以及/或者可以在用孔堵塞混合物潤濕之前，用施加作用力的氣體對過濾器主體進行沖洗。在一些實施方式中，在用孔堵塞混合物進行潤濕之前，用去離子水對過濾器主體進行沖洗。在一些實施方式中，在用孔堵塞混合物潤濕之前，所述過濾器主體在高于100°c的溫度下，在干燥環(huán)境中干燥大于5小時。在一些實施方式中，在用孔堵塞混合物潤濕之前，所述過濾器主體在高于100°C的溫度下，在干燥環(huán)境中干燥5-24小時。在一些實施方式中，在用孔堵塞混合物潤濕之前，所述過濾器主體在大約120°C的溫度下，在干燥環(huán)境中干燥5-24小時。在一些實施方式中，所述沉積顆粒的操作包括使得壁與包含顆粒的液體基涂料混合物接觸。在一些實施方式中，所述涂料混合物是水基的。在一些實施方式中，所述涂料混合物包含以下的至少一種去離子水，a-氧化鋁顆粒，堇青石顆粒，分散劑，粘合劑，消泡齊U，成孔劑以及它們的組合。在一些實施方式中，所述顆粒包括以下的至少一種a-氧化鋁顆粒，堇青石顆粒以及它們的組合。在一些實施方式中，在沉積顆粒之后，對過濾器主體進行干燥。在一些實施方式中，在沉積顆粒之后，對過濾器主體進行干燥，然后對過濾器主體進行燒制。在一些實施方式中，干燥環(huán)境保持在濕度大于50 %，在一些實施方式中，濕度保持在50-75 %。燒制可以包括例如在600-700°C的爐溫下，在受控制的氧氣含量下燒掉短效材料(例如蛋白質(zhì))。在一些實施方式中，所述過濾器主體在高于100°C的溫度下，在干燥環(huán)境中，干燥大于2小時。在一些實施方式中，所述過濾器主體在100-150°C的溫度下，在干燥環(huán)境中，干燥2-8小時。在一些實施方式中，所述過濾器主體在高于1150°C的溫度下，在燒制環(huán)境中，燒制大于0. 5小時。在一些實施方式中,所述過濾器主體在1150_1380°C的溫度下,在燒制環(huán)境中燒制。在一些實施方式中，所述過濾器主體在1150-1380°C的溫度下，在燒制環(huán)境中燒制0. 5-5小時。在一些實施方式中，所述過濾器主體在1150-1380°C的溫度下，在燒制環(huán)境中，以0. 5-20C /分鐘的加熱速率燒制0. 5-5小時。在一些實施方式中，所述過濾器主體在1150-1380°C的溫度范圍內(nèi)，在燒制環(huán)境中燒制0. 5-5小時，溫度的變化不超過2V /分鐘。在一些實施方式中，所述顆粒在堵塞的區(qū)域上形成涂層，所述方法還包括在足以除去至少一些孔填料的溫度下對涂層加熱足夠的時間。多孔陶瓷過濾器上的具有窄尺寸分布孔隙率的涂層可以較薄，但是仍然能夠俘獲類似量的顆粒。通過將窄粒度分布的陶瓷粉末用于涂層或者用于涂層的短效“成孔劑”部分，有助于制造所述窄尺寸分布的涂層。氣溶膠和流體沉淀法可以制備窄粒度分布/單分散粉末。由窄粒度分布粉末制得的所述薄的窄尺寸分布孔隙率涂層可以使得使用包括本文所述的過濾器的廢氣系統(tǒng)的發(fā)動機獲得較低的背壓和較佳的燃料效率。圖IA顯示了孔隙率為60%的示例性400/6(400個孔/平方英寸，6密耳(0.006英寸)壁厚度)基材的計算的過濾效率隨薄膜涂層厚度和涂層孔徑的變化關(guān)系圖。圖IA顯示計算的煙炱顆粒(通常具有GDI汽車發(fā)動機產(chǎn)生的尺寸)的過濾效率隨孔徑和涂層厚度的變化關(guān)系(A :95-100%過濾效率；B :90-95% ；C :85-90% ；D :80-85% ；E :75-80% ；F 70-75% )。圖IB顯示計算的過濾器背壓隨孔徑和涂層厚度的變化關(guān)系(X 2-3Log kPa背壓；Y:l-2Log kPa背壓；Z :0-lLog kPa背壓)，其中陰影部分FE表示過濾效率> 90%。圖IB的區(qū)域Z顯示了能夠同時獲得良好的過濾效率和低背壓的薄膜厚度和孔隙率的計算的組合，其適合用于在至少一個實施方式中作為汽油顆粒過濾器(GPF)，例如用于汽油直接注入發(fā)動機排氣系統(tǒng)。
轉(zhuǎn)讓給康寧有限公司(Corning Incorporated)的美國專利第4，871，489號描述了一種制備極窄粒度分布的陶瓷粉末的方法。極窄粒度分布的粉末，由特定的氣溶膠法得到的具有特定分布的粉末，或者受控粒度分布粉末的混合物(其中一些可以是短效的)可以得到所需的涂層厚度和窄尺寸分布孔隙率。圖2顯示單獨厚度的玻璃片上粒度分布極窄的陶瓷粉末。圖中顯示了直徑約為5微米的球形陶瓷粉末的單層。圖3顯示了多孔基材蜂窩體壁20上的窄粒度分布陶瓷粉末的涂層10的示意圖，在壁內(nèi)具有短效顆粒30。短效顆粒30可以堵塞蜂窩體20內(nèi)的孔40，防止蜂窩體的孔40被較小的涂層顆粒12填充。圖4a顯示了位于多孔基材蜂窩體壁20上的包含類似尺寸的短效顆粒30'的窄粒度分布陶瓷粉末的涂層10'的示意圖(即陶瓷粉末的粒度與容納在多孔基材陶瓷蜂窩體壁內(nèi)的短效顆粒30'的粒度類似)，在壁內(nèi)具有較大的短效顆粒30"。短效顆?？梢远氯涓C體內(nèi)的孔40，以防蜂窩體的孔被較小的涂層顆粒填充，可以作為涂層顆粒的一部分，用來形成具有較大孔隙率的涂層以及具有較大孔徑的孔。圖4b顯示了在除去短效顆粒之后，多孔基材蜂窩體壁20上的具有類似粒徑的多孔顆粒12的窄粒度分布陶瓷粉末的涂層10"的示意圖。通過除去短效顆粒，例如30，30'，30"，在蜂窩體中留下未被填充的孔，形成具有較大孔隙率的涂層和具有較大孔徑的孔40，例如與圖3相比。圖5a是通過美國專利第4，871，489號所述的氣溶膠技術(shù)制備的窄粒度分布陶瓷粉末的照片。圖5b是對圖5a的粉末測得的窄粒度分布圖。圖5c是對圖5a的窄粒度分布粉末測得的質(zhì)量分布圖。窄粒度分布粉末可以通過若干方法制備，例如以上關(guān)于圖2和5所述的氣溶膠法，與連續(xù)“Stober 二氧化硅”法類似的流體沉淀和生長法，以及對平均粉末的簡單粒度分類。對于一些方法，特別是氣溶膠法，氣溶膠顆粒被原位轉(zhuǎn)化為陶瓷顆粒，所述粉末在形成的時候可以以涂層的形式沉積在蜂窩體上{即溶膠/凝膠球體(約等于或小于數(shù)十微米)以氣溶膠的形式流過加熱爐}。所述載氣流過蜂窩體過濾器，當氣溶膠顆粒被從載氣濾出的時候，形成涂層。優(yōu)選所述涂料顆粒不會堵塞蜂窩體的孔。通過使用第二氣流，可以在施涂涂層之前，使得較大粒度的一組短效顆粒進入蜂窩體的孔中，以防止蜂窩體的孔被涂層顆粒堵塞，見圖3。為了增大孔隙率，同時保持小的孔徑，可以將具有類似尺寸的短效顆粒加入陶瓷粉末涂層中。可以將陶瓷粉末制成高度多孔的，它們也可以作為催化劑載體。已經(jīng)證明了氧化鋁、氧化鋯、氧化鋁-氧化鋯、La-氧化鋁可以作為具有窄粒度分布的氣溶膠粉末。也可以制備氧化鈰。NOx吸收劑、沸石、其他材料也可以以窄粒度分布的陶瓷粉末的形式制得。這些組合物除了用來提供過濾功能以外，還可以用來提供催化功能、儲氧功能、NOx俘獲功能或烴類俘獲功能。
實施例在本發(fā)明的一組實施方式中，提供了一種在蜂窩體載體上制備薄過濾層的方法，其包括蜂窩體載體，所述載體包括多邊形、或六邊形或四邊形或正方形的通道。所述方法包 括用孔填料(例如脫脂牛奶)堵塞載體的孔，在經(jīng)過預(yù)處理的表面上沉積一個無機過濾層，并進行燒制以除去孔填料。我們發(fā)現(xiàn)，所得的過濾層的孔徑可以比載體的孔徑小大約一個數(shù)量級。該方法允許在大孔的載體上直接沉積小孔的無機薄膜，相對于常規(guī)的多層涂覆步驟，這可以降低成本，還可以改進過濾效率，同時最大程度減小所產(chǎn)生的背壓，這是由于小的孔徑以及涂層厚度減小帶來的。這些實施方式中的方法包括對蜂窩體載體進行預(yù)處理，然后進行粉漿澆鑄。所述預(yù)處理過程包括以下步驟。首先，用去離子水沖洗蜂窩體載體，或者用加壓的空氣吹掃，以除去任何疏松的顆?；蛩樾肌＝?jīng)過洗滌的樣品在120°C的烘箱內(nèi)干燥5-24小時。第二，通過浸涂法或者流涂技術(shù)之類的其他方法，將孔填充材料吸入陶瓷載體的孔內(nèi)。只有載體的內(nèi)通道表面與孔填充溶液接觸。將載體在溶液中浸沒一段時間之后，將載體從溶液取出。改良的載體在室溫下干燥23小時，或者在低于120°C的較高的溫度下干燥5-20小時，或者先在室溫下干燥5-6小時，然后在低于120°C的較高的溫度下干燥5-20小時。所述載體可以用來通過粉漿澆鑄法涂覆無機薄膜層。所述粉漿澆鑄工藝包括粉漿制備，涂覆，干燥和燒制。所述水基粉漿包含去離子水，a-氧化鋁顆粒或堇青石顆粒，分散劑，粘合劑和消泡劑。所述成孔劑可以用來增大孔隙率。使用浸涂法對經(jīng)過預(yù)處理的載體進行涂覆。經(jīng)過涂覆的載體首先在120°C干燥5小時，然后以0. 5-2°C /分鐘的加熱速率，在1150-1380°C燒制0. 5-5小時，對于不同的材料，有各自的燒結(jié)溫度需求。實施例I :涂覆在堇青石蜂窩體載體上的過濾薄膜層該實施例舉例說明了在多孔堇青石蜂窩體載體上涂覆氧化鋁過濾層，在涂覆之前不對載體進行預(yù)處理。400/6低微裂的堇青石蜂窩體載體包括在橫截面上均勻分布的正方形通道，孔密度為400個孔/英寸2，壁厚度為6密耳(150微米)，得到的GSA約為2750米2/米3。通過水銀孔隙率法測得，中值孔徑d50為9. 89微米，d95為44. 43微米，總孔隙率為60. 8%。使去離子水通過通道，對載體進行沖洗。所述載體在120°C的烘箱中完全干燥過夜。使用具有不同粒度的氧化鋁材料(AA-3和C701)制備兩種固體濃度為40重量％的氧化招粉衆(zhòng)。氧化招AA-3 (松山化學公司(Sumitomo Chemical Co.))具有窄粒度分布，中值粒徑為2. 7-3. 6微米，而氧化鋁C701具有寬粒度分布，中值粒徑為6. 3微米。首先將0. 20克Tiron (4，5-二氫-1，3-苯二磺酸二鈉鹽，F(xiàn)luka)加入裝有123克去離子水的150毫升塑料廣口瓶中，然后向其中加入100克氧化鋁粉末。在振搖大約I分鐘之后，將所述廣口瓶放入冰浴中，超聲處理30次，每次啟動10秒，之間關(guān)停間隔30秒。接下來，將經(jīng)過處理的粉漿與31. 3克20重量％的PEG(聚乙二醇，MW = 20, 000,Fluka)和2. 30克1%的DC-B消泡劑乳液溶液(道康寧公司(Dow-Corning))混和。在進行了 15-20小時的球磨之后,通過細小的篩網(wǎng)將粉漿倒入燒瓶中，然后通過用真空泵進行脫氣。通過浸涂法使得氧化鋁涂層進入載體的通道之內(nèi)。浸泡時間為10秒。在涂覆之后，除去通道中過量的氧化鋁粉漿。在120°C干燥2小時之后，經(jīng)過涂覆的樣品以1°C /分鐘的加熱速率，在1380°C燒制2小時。圖6顯示了未涂覆的載體和兩個經(jīng)過涂覆的載體的SEM圖。圖6 (a)顯示載體的一些孔最大為30微米，但是中值孔徑為10微米(水銀孔隙率法)。圖6(b)顯示當使用中值粒徑約為3微米的氧化鋁AA-3的時候，沒有在載體上形成連續(xù)的薄膜，這是因為小的氧化鋁顆粒會滲入載體的孔之內(nèi)。圖6(c)顯示當使用具有寬粒度分布的約6微米的大氧化鋁顆粒C701的時候，不會形成連續(xù)的薄膜。 實施例2 :涂覆在堇青石蜂窩體載體上的過濾薄膜層該實施例具體說明在用脫脂牛奶改良的多孔堇青石蜂窩體載體上涂覆兩層氧化鋁薄膜。使用與實施例I相同的低微裂堇青石載體。涂覆方法也是相同的，區(qū)別在于，在粉漿澆鑄之前增加了預(yù)處理工藝。用Teflon帶將經(jīng)過沖洗和干燥的整體料型載體纏繞，浸泡入Great Value 脫脂牛奶中。在浸泡了 10秒之后，排去過量的牛奶，在環(huán)境條件下干燥5-6小時，然后在60°C干燥15小時。在整個干燥過程中，載體保持被纏繞。然后用40重量％的氧化鋁粉漿AA-3(與實施例I相同)涂覆經(jīng)過預(yù)處理的載體。然后在120°C干燥，并在1380°C燒制。再例如，可以用40重量％的氧化鋁粉漿C701對相同的經(jīng)過預(yù)處理的載體進行涂覆，然后干燥并在1380°C燒制。制得的氧化鋁薄膜用SEM進行表征。如圖7(a)和7 (b)所示，形成平滑而均勻的薄膜。側(cè)薄膜厚度約為10微米，而角薄膜更厚。圖8顯示了自立式AA-3和C701薄膜的孔徑分布。這兩個薄膜具有I. I微米的相同的中值孔徑，孔隙率為47%，而由于窄的粒度分布，AA-3具有窄的孔徑分布，如圖7所示。實施例3 :涂覆在低微裂載體上的氧化鋁薄膜層該實施例舉例說明了涂覆在低微裂的堇青石載體上，但是采用不同的預(yù)處理干燥歷程的氧化鋁過濾薄膜。在將低微裂的載體浸泡、然后從Great Value 脫脂牛奶中取出之后，#1載體在室溫( 20°C )干燥23小時，#2載體在60°C干燥23小時，#3載體首先在室溫干燥5小時，然后在60°C干燥18小時。在干燥過程中，所有的載體保持被纏繞。然后三種干燥的載體用相同的40重量％的氧化鋁AA-3粉漿涂覆，然后干燥并在1380°C燒制2小時。圖9顯示制得的氧化鋁薄膜涂層的表面形貌的SEM圖像。涂覆在#3載體上并且采用了組合干燥歷程的氧化鋁薄膜表現(xiàn)出更均勻的表面形貌。從該實施例可以看到，最終氧化鋁薄膜涂層的結(jié)構(gòu)會受到用來對裸露載體進行預(yù)處理的干燥歷程的影響。實施例4 :涂覆在低微裂載體上的堇青石薄膜層該實施例顯示了涂覆在低微裂載體上的堇青石過濾薄膜。
在此實施例中制備了固體濃度為40重量％的堇青石粉漿。首先將0.10克Tiron (4，5-二氫-I，3-苯二磺酸二鈉鹽，F(xiàn)luka)加入裝有61. 3克去離子水的150毫升塑料廣口瓶中，然后向其中加入50克氧化鋁粉末。在振搖大約I分鐘之后，將所述廣口瓶放入冰浴中，超聲處理30次，每次啟動10秒，之間關(guān)停間隔30秒。接下來，將經(jīng)過處理的粉漿與15. 6克20重量％的PEG(聚乙二醇，MW = 20, 000, Fluka)和I. 4克1%的DC-B消泡劑乳液溶液(道康寧公司(Dow-Corning))混和。在進行了 15-20小時的球磨之后,通過細小的篩網(wǎng)將粉漿倒入燒瓶中，然后通過用真空泵進行脫氣。使用與用于氧化鋁薄膜層相同的步驟，在低微裂的載體上涂覆堇青石薄膜層，所述步驟包括用脫脂牛奶對載體進行預(yù)處理，用堇青石粉漿對經(jīng)過預(yù)處理的載體進行浸涂，然后進行干燥和燒制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，可以在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的情況下對本發(fā)明進行各種修改和變動。因此，本發(fā)明人意圖是本發(fā)明包括本發(fā)明的修改和變化，只要這些修改和變化落在所附的權(quán)利要求和它們的等同內(nèi)容的范圍內(nèi)即可?！?br> 權(quán)利要求
1.一種顆粒過濾器，其包括 過濾器主體，其包括至少一個多孔壁； 涂覆在所述壁上的多孔涂層，所述涂層的中值孔徑小于20微米，涂層孔徑偏差小于所述涂層中值孔徑的三倍，所述涂層的平均厚度小于50微米。
2.如權(quán)利要求I所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述涂層的中值孔徑小于或等于5微米。
3.如權(quán)利要求I所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述涂層的中值孔徑約為0.3-3. 0微米。
4.如權(quán)利要求I所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述涂層的孔徑偏差小于涂層的中值孔徑的2倍。
5.如權(quán)利要求I所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述涂層的中值孔徑比壁的中值孔徑小大約一個數(shù)量級。
6.如權(quán)利要求I所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述壁的中值孔徑約大于5微米。
7.如權(quán)利要求I所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述涂層的平均厚度小于25微米。
8.如權(quán)利要求I所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述涂層的總孔隙率大于40%。
9.如權(quán)利要求I所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述涂層由陶瓷組成。
10.如權(quán)利要求I所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述多孔壁由陶瓷組成。
11.如權(quán)利要求I所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述涂層包含沒有在壁中發(fā)現(xiàn)的化合物。
12.一種制造顆粒過濾器的方法，該方法包括 提供過濾器主體，其包括至少一個多孔壁； 在所述壁上沉積顆粒，所述顆粒的平均粒徑約小于30微米。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述顆?；臼菃畏稚⒌?。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述過濾器主體由一種或多種氧化物組成。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述顆粒被充分地沉積在壁上，從而在壁的至少一部分上形成涂層。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法還包括對所述涂層進行加熱。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述顆粒包含非短效材料和短效材料。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述顆粒以氣溶膠的形式沉積。
19.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述顆粒包括由非短效材料組成的非短效顆粒以及由短效材料組成的短效顆粒，其中短效顆粒被第一載體流體流攜帶，所述第一載體流體流通過壁，所述壁將短效顆粒與第一載體流體流分離，所述非短效顆粒被第二載體流體流攜帶，所述第二載體流體流通過壁，所述壁將非短效顆粒與第二載體流體流分離，從而形成由短效材料和非短效材料組成的涂層。
20.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法還包括，在沉積顆粒之前，用孔填料堵塞壁的至少一部分的至少一些孔，以形成堵塞的區(qū)域。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述孔填料由以下的一種或多種化合物組成有機材料，聚合物，蛋白質(zhì)聚集體，蛋白質(zhì)聚合物，源自牛奶的蛋白質(zhì)聚合物，淀粉，合成聚合物，以及它們的組合。
22.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述沉積顆粒的操作包括使得壁與包含顆粒的液體基涂料混合物接觸。
23.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，在沉積顆粒之后，對過濾器主體進行干燥，然后對過濾器主體進行燒制。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種顆粒過濾器，所述顆粒過濾器包括過濾器主體，所述過濾器主體包括至少一個多孔壁，還包括位于所述壁上的多孔涂層，所述涂層的中值孔徑小于20微米，涂層孔徑偏差小于所述涂層中值孔徑的三倍，所述涂層的平均厚度小于50微米。還提供了一種制造顆粒過濾器的方法，該方法包括提供過濾器主體，所述主體包括至少一個多孔壁，然后在所述壁上沉積顆粒，所述顆粒的平均粒徑約小于30微米。
文檔編號B01D53/22GK102762279SQ200980153656
公開日2012年10月31日 申請日期2009年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月26日
發(fā)明者A·奧茲圖科, C·R·費克特, I·M·彼德森, K·L·豪斯, T·D·凱特查姆, 翁建華, 顧云峰 申請人:康寧股份有限公司