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挤出成形蜂窝陶瓷气孔密度分布的改进

摘要：针对柴油发动蜂窝陶瓷过滤器在回收处理过程中易破坏这一问题，提出了在原过滤间壁外加涂带催化剂的多孔陶瓷涂层方法，改进挤出成形蜂窝陶瓷过滤间壁气孔密度的分布。

关键词：挤出成形，烟灰碳颗粒，陶瓷涂层，气孔密度


1 序言
收集柴油发动机废气中含碳细小颗粒、净化废气中CO、Nox等有害气体的陶瓷蜂窝过滤器，是一种多孔性陶瓷产品，其成形方法有许多种，如挤出法、波纹法、卷片法、模压法和管子集束法等，而挤出法是最普遍采用的制造方法之一。该方法制备的蜂窝陶瓷结构优点是：蜂窝尺寸、形状、间壁厚度、孔隙率等均匀性优良，适宜大批量生产。但是，正是由于蜂窝陶瓷的结构均匀，过滤废气时收集的烟灰细小颗粒会均匀地分布在蜂窝通道中，不仅造成压差增大，降低了发动机性能和蜂窝陶瓷过滤性能，而且在对已收集有大量烟灰细小颗粒的陶瓷过滤器进行回收处理（如燃烧含碳烟灰细小颗粒）时，产生热量会从进口侧迅速传递到出口侧，导致出口侧温度急剧开高，超过了蜂窝陶瓷所能承受的抗热震性等的界限，从而恨容易毁坏很薄的蜂寓陶瓷体过滤间壁，为了克服上述缺陷，曾考虑采用波纹法来制备多孔陶瓷蜂窝结构，将过滤间壁的孔隙率预制成从进口侧到出口侧轴向逐渐降低，即预制不同孔隙率的陶瓷生坯，但更为棘平的是这样的陶瓷坯体在烧成过程中，由于密度的差异直接导致收缩率的不同，使得蜂窝陶瓷的制备极为困难。因此，该思路是不可取的。
本文从生产实际中总结出一种消除上述缺陷的方法，即在挤出成形的陶瓷蜂窝坯体上涂覆一层多孔陶瓷层浆，制备出过滤性能优良的改进型蜂窝陶瓷产品。

2 实验
2.1 生产工艺
(1)精选细粉状滑石、高岭上、氧化铝等以形成抗热震性优良的堇青石原料，按照一定比例组成生料混合物，将配制好的生料加水进行搅拌和混合。

（2）在搅拌好的生料中加入成形助剂和成孔剂，进行生料塑练处理，使之容易挤出。然后用挤出机将塑练好的混合生料挤出成蜂窝结构陶瓷坯体。在本实验中，蜂寓结构的通道切而形状首选六角形、矩形和环形，蜂寓密度范围为8～47个/cm2，间壁厚度则在0.25mm~0.76mm之间。

（3）将成形完好的蜂窝坯体干燥后，在蜂窝坯体出口端涂覆一定长度的多孔陶瓷层，考虑到热膨胀等回素，涂层材质首选与坯体一致的以奎青石为主体的配有稀有元素为催化剂的材料。涂覆后的蜂窝切面结构见图1。再次干燥后按照拟定的烧成制度烧制堇青石蜂窝陶瓷产品。产品冷却后，将烧成的堇青石蜂寓陶瓷进行必要的水处理工艺，进一步增强抗热震等性能。

2.2 具体实验
按照生产工艺(2)制备直径为144mm，总长度为152mm，蜂寓过滤间壁厚度为0.3mm，蜂窝密度为31个／Cm2的堇青石蜂寓结构陶瓷坯体和相应的对比实验陶瓷坯体。

按照生产工艺(3)分别在堇青石蜂寓结构陶瓷坯体和相应的对比实验陶瓷坯体上，涂覆不同长度的多孔陶瓷层，干燥后烧制成竺青石蜂窝陶瓷过滤器，并且进行必要的处理上艺，制成陶瓷过滤器成品。最后进行废气过滤测试和过滤器回收处理实验（为了定量分析过滤器收集、灰颗粒后在回收处理实验中产生的文验结果，烟从颗粒的收集量定为20g），并记录烟灰颗粒燃烧过程中蜂窝陶瓷过滤器内的最高温度及过滤器的毁坏情况等相关数据。整个实验的具体数据见表1。

3 实验结果
根据表：实验结果（序号9）可知：没有进行多孔陶瓷涂覆工艺处理的莫青石蜂窝陶瓷，在将收集的烟灰碳颗粒燃烧回收过滤器实验过程中，含碳细小颗粒燃烧时产生的热量可使过滤器内的最高温度达到1400℃，使蜂窝陶瓷融熔，破坏了蜂窝陶瓷过滤性能。实验表明，在蜂窝陶瓷内涂覆一层多孔陶瓷，明显可将收集的含碳细小颗粒燃烧时所产生的热量，即最高温度从1400℃降至1160℃。当然，多孔陶瓷涂层长度大于过滤器总长度的4/5或小于总长度的1/10的堇青石蜂窝陶瓷在测试实验中，含碳细小颗粒燃烧时产生的热量也可使过滤器内最高温度达到1100℃以上，最高温度虽下降了20％，但蜂窝陶瓷同样受到损坏。只有多孔陶瓷涂层长度为过滤器总长度的1/10-4/5之间的堇青石蜂窝陶瓷过滤器在测试实验中，由于烟灰颗粒燃烧时产生的热量仅使过滤器内的最高温度在840℃～1040℃范围内波动，堇青石材质蜂窝陶瓷优良的抗热震性和抗熔化性就能满足生产要求，不会受到损坏，过滤器可进行回收再使用。为了更直观他说明多孔陶瓷涂层的作用，根据表：绘制成多孔陶瓷涂层长度与过滤器内最高温度之间的相互关系图（见图2）。从图2中可以明显看出多孔陶瓷涂层的重要作用。

表1 堇青石蜂窝陶瓷的实验数据
编号 材质 有效长度之比 长度(mm) 密度 过滤器内的最高温度(℃) 状况
1 堇青石 1/10 13 0.14 1040 良好
2 1/5 26 　 990
3 2/5 52 　 860
4 3/5 79 　 840
5 4/5 106 　 1000
6 1/20 7 　 1160 损坏
7 9/10 119 　 1110
8 1/1 132 　 1140
9 0 0 0 1400 熔解
10 γ-氧化铝 3/10 79 0.14 850 良好


在本实验中，多孔陶瓷涂层厚度可以是均匀的或从进口侧、出口侧逐渐增加。一般来说，本文采用的多孔陶瓷涂层要求比过滤间壁相对致密，可防止细小颗粒在再氧化过程中过滤间壁温度的迅速升高而损坏蜂窝陶瓷的过滤性能。另外，多孔陶瓷涂层也常常作为催化剂辅助载体，与Y一氧化铝一起组成催化剂载体担载铂或稀土元素等催化剂，当进行废气处理时，不仅能够将CO、Nox和碳氢化合物等有害气体在催化剂的作用下转变为无害即净化的气体，而且还可降低烟灰颗粒的着火点。

4 结论
（1） 挤出成形制备堇青石蜂窝陶瓷过程中，过滤间壁必须进行多孔陶瓷涂层工艺。
（2）制备堇青石蜂窝陶瓷时，过滤间壁、封闭膜和多孔陶瓷涂层应采用同一种生坯原料，但多孔陶瓷涂层的组成成分中至少含部分Y一氧化铝等耐热性材料。
（3） 多孔陶瓷涂层长度一般为堇青石蜂寓陶瓷总长度的1/5～4/5。涂层长度过长或过短都会影响蜂窝陶瓷的实际使用性能，而当涂层长度为蜂窝陶瓷总长度的2/5～3/5时，堇青石蜂窝陶瓷的实际使用性能最佳。

参考文献
1 李建勇堇青石蜂寓陶瓷。陶瓷工程，25～29， 1995，3
2 [日]色川秀勇，堇青石蜂窝陶瓷。河北陶瓷， 17， 1993，1


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