DE69633953T3

DE69633953T3 - Dichtungselement

Info

Publication number: DE69633953T3
Application number: DE69633953T
Authority: DE
Inventors: Naruse Kazuya; Ohno Satoshi; Stimato Koji; Okazoe Hiroshi; Iwahiro Seiki
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1996-01-12
Filing date: 1996-01-12
Publication date: 2013-02-07
Anticipated expiration: 2016-01-13
Also published as: DE69633953T2; DE69633953D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer (Ab)Dichtungsmasse in einem keramischen Strukturkörper, um die (Ab)Dichtungsmasse zwischen einer Vielzahl von keramischen Elementen anzuordnen, um diese integral miteinander zu verbinden, zur Herstellung eines keramischen Strukturkörpers und insbesondere auf eine Verbesserung der Struktur des keramischen Strukturkörpers, die erzielt wird durch Bohren einer Vielzahl von durchgehenden Löchern parallel zueinander entlang der Längsrichtung (Längsachse) in ein Element, beispielsweise einen Keramik-Formkörper mit Wabenstruktur, einen monolithischen Strukturkörper und dgl..
Im Allgemeinen wird ein keramischer Strukturkörper, beispielsweise ein Keramik-Körper mit Wabenstruktur und dgl., hergestellt durch Bohren einer Vielzahl von durchgehenden Löchern parallel zueinander in ein Element in der Längsrichtung desselben, als Filter zum Reinigen der von Fahrzeugen, Fabriken und dgl. abgegebenen Abgase verwendet.
Dieser keramische Strukturkörper weist eine solche Stirnfläche auf, dass der offene-geschlossene Zustand der durchgehenden Löcher (Durchgangsbohrungen) ein Schachbrett-artiges Muster ergibt (die benachbart zueinander angeordneten durchgehenden Bohrungen liegen abwechselnd in offen-geschlossen Zuständen vor). Das heißt, diese durchgehenden Löcher (Durchgangsbohrungen) sind nur an einer ihrer Stirnflächen verschlossen und benachbarte durchgehende Löcher (Durchgangsbohrungen) sind jeweils geöffnet oder geschlossen unter Ausbildung eines Schachbrett-artigen Musters. Daher ist dann, wenn ein durchgehendes Loch an einer Stirnfläche offen ist, die andere Stirnfläche verschlossen, während das benachbarte durchgehende Loch an einer Stirnfläche verschlossen ist und an der anderen Stirnfläche offen ist.
Darüber hinaus weist der keramische Strukturkörper einen solchen porösen Körper auf, dass dann, wenn ein Gas, das behandelt werden soll, aus einer Stirnfläche jeder der oben genannten Durchgangsbohrungen ausströmt, das behandelte Gas in eine benachbarte Durchgangsbohrung eintritt, wobei es die porösen Trennwände auf dem Weg zu der anderen Stirnfläche passiert und dann aus dieser anderen Stirnfläche austritt. Das heißt, der keramische Strukturkörper ermöglicht den jeweiligen Durchgang des Gases durch die Trennwand, welche die Durchgangsbohrungen voneinander trennt. Daher gelangt das zu behandelnde Gas leicht in das andere durchgehende Loch in dem Strukturkörper, sodass das Gas verschiedene Durchgangsbohrungen an der Einlassseite und an der Auslassseite passiert.
Daher werden dann, wenn das Abgas den oben genannten keramischen Strukturkörper durchströmt, die teilchenförmigen Substanzen (Teilchen) in dem Abgas zurückgehalten und gereinigt in dem Trennwandabschnitt, während das Abgas von einer Stirnfläche durch die Trennwand zu der Auslassöffnung strömt. Durch die Reinigungswirkung auf das Abgas wird der Durchgang des Gases durch den keramischen Strukturkörper erschwert, weil die Teilchen sich in der Trennwand auf der Seite der Einlassöffnung sammeln und anreichern, wodurch allmählich eine Verstopfung entsteht. Daher muss der keramische Strukturkörper einer Behandlung unterzogen werden, um die auf der Trennwand angereicherten Teilchen, die zu einer Verstopfung führen, periodisch zu verbrennen und zu entfernen mittels einer Heizeinrichtung, beispielsweise einem Brenner, einem Erhitzer oder dgl. (nachstehend einfach als ”Regenerierung” bezeichnet).
In dem oben genannten keramischen Strukturkörper tritt jedoch im Innern des Strukturkörpers als Folge einer lokalen Wärmeanreicherung, die einhergeht mit einem ungleichförmigen Erhitzungsverfahren und einem abnormen Verbrennen der Teilchen, eine ungleichförmige Temperaturverteilung auf, und es tritt ein Wärmeschock auf durch eine plötzliche Temperatur-Änderung des Abgases und dgl., sodass Wärmespannungen entstehen. Als Folge davon treten bei dem oben genannten keramischen Strukturkörper die Probleme auf, dass Risse entstehen und Verluste an geschmolzenem Material auftreten, was schließlich zu einem Bruch führt, wodurch das Einsammeln von Teilchen verhindert wird.
Dagegen wurde bisher als Mittel zur Lösung der oben genannten Probleme beispielsweise ein Verfahren zur Herabsetzung der thermischen Spannungen vorgeschlagen, die auf einen keramischen Strukturkörper einwirken, durch Aufteilen des keramischen Strukturkörpers in eine Vielzahl von keramischen Teilen bzw. Elementen in der Fläche senkrecht zur Achse oder in der Fläche parallel zu der Achse (vgl. JP-A-60-65219 ). Darüber hinaus wurde bereits ein aufgeteilter keramischer Strukturkörper mit verbesserten Eigenschaften in Bezug auf die Versiegelung des Abgases vorgeschlagen durch Einführen eines nicht-haftenden Abdichtungselements in einen Zwischenraum, der zwischen den benachbarten keramischen Teilen bzw. Elementen in diesem keramischen Strukturkörper vom unterteilten Typ entsteht (nachstehend als ”unterteilter keramischer Strukturkörper” bezeichnet) (vgl. JU-A-1-63715 ).
Bei den oben genannten jeweiligen Vorschlägen kann der aufgeteilte keramische Strukturkörper die thermischen Spannungen auflösen, die in einem aus einem Stück bestehenden keramischen Strukturkörper festzustellen sind als Folge der Verwendung des oben genannten Verschluss- bzw. Abdichtungselements.
Das Abdichtungselement ist jedoch nicht-haftend, sodass die keramischen Teile bzw. Elemente nicht fest miteinander verbunden werden können. Deshalb musste der oben genannte, nach dem konventionellen Verfahren unterteilte keramische Strukturkörper eine Druckkraft aufweisen, um diese keramischen Elemente miteinander zu vereinigen, um die Form eines aus einem Stück bestehenden Strukturkörpers aufrechtzuerhalten. Als Mittel, um diese Druckkraft zu erzeugen, wurde bisher eine Anordnung aus einem sich thermisch ausdehnenden Wärmeisolator oder die Verwendung des sich thermisch ausdehnenden Wärmeisolators als inneres Abdichtungselement verwendet.
Das oben genannte nicht haftende Abdichtungselement und der sich thermisch ausdehnende Wärmeisolator weisen jedoch eine geringe Beständigkeit (Haltbarkeit) gegenüber der Wärme bei der Regenerierung und dem Auftreten wiederholter Oszillationen auf, die durch einen Verbrennungsmotor entstehen. Deshalb führt das Abdichtungselement zu einer Abnahme der Volumenschrumpfung und der Festigkeit unter Herabsetzung der Abdichtungseigenschaften, während als Folge des sich thermisch ausdehnenden Wärmeisolators das Problem auftritt, dass die Erholungskraft nach der Volumenexpansion schnell abnimmt.
Deshalb nimmt bei dem oben genannten unterteilten keramischen Strukturkörper die Kraft zum Zusammenhalten einer Vielzahl von keramischen Teilen bzw. Elementen, die diesen Strukturkörper aufbauen, ab und er zerfällt und wird dispergiert durch den Druck des Abgases. Darüber hinaus ist es selbst dann, wenn ein Verstärkungselement an einer Stirnfläche an einer Auslassseite des Gases angeordnet ist, schwierig, den Abbau des Abdichtungselements zu verhindern, und es ist wünschenswert, die Beständigkeit (Haltbarkeit) zu verbessern.
Zur Bildung eines groß dimensionierten unterteilten keramischen Strukturkörpers ist insbesondere eine größere Druckkraft erforderlich, wobei die Kombination aus dem konventionellen nicht haftenden Abdichtungselement und dem sich thermisch ausdehnenden Wärmeisolator dies von Beginn an nicht schaffen kann, sodass kein Strukturkörper erhalten wird, welcher der Verwendung in der Praxis standhält.
Unter den oben genannten Umständen haben die Erfinder bereits früher eine ”Abgasreinigungs-Vorrichtung und einen dafür geeigneten Strukturkörper” vorgeschlagen durch Verwendung einer Abdichtungsmasse, die besteht aus einer Keramikfaser, Siliziumcarbid-Pulver und einem anorganischen Bindemittel, durch Verbesserung der Abdichtungsmasse, das den unterteilten keramischen Strukturkörper aufbaut, als Mittel zur Überwindung der Probleme, die bei der oben genannten konventionellen Technik auftreten (vgl. die japanische Patentanmeldung Nr. 5-204 242 ).
Nach diesem Vorschlag wird eine Vielzahl von keramischen Teilen bzw. Elementen durch eine solche Abdichtungsmasse miteinander verbunden, sodass es möglich ist, die Beständigkeit (Haltbarkeit) des unterteilten keramischen Strukturkörpers bis zu einem gewissen Grade zu verbessern.
Die Abdichtungsmasse hat jedoch die Neigung, leicht eine Wanderung hervorzurufen (ein Phänomen, bei dem sich das Bindemittel beim Trocknen und bei der Entfernung eines Lösungsmittels bewegt), wenn sie zwischen die jeweiligen Keramikelemente eingefüllt und gehärtet wird. Deshalb wird die Abdichtungsschicht, die durch die Aushärtung der Abdichtungsmasse gebildet wird, spröde.
Das heißt, das anorganische Bindemittel, welches die oben genannte Abdichtungsmasse aufbaut, bewirkt, dass sich das Keramikelement mit der Abdichtungsschicht und einem Schnittpunkt von dreidimensional einander überkreuzenden Keramikfasern fest verbindet als ein wichtiges Element zur Entwicklung einer Spannungspuffer-Funktion der Abdichtungsschicht. Das anorganische Bindemittel wandert jedoch aus dem Innern der Abdichtungsschicht zu der Oberfläche der Verbindungsstelle zusammen mit dem Keramikelement durch die Wanderung, die beim Trocknen und Aushärten entsteht, wodurch die Bindungskraft an der Schnittstelle herabgesetzt wird, und dadurch wird die Festigkeit des keramischen Strukturkörpers selbst verringert, sodass die gewünschte Beständigkeit (Haltbarkeit) nicht in zufriedenstellender Weise erhalten werden konnte.
Außerdem bewegt sich das Siliziumcarbid-Pulver, welches die Abdichtungsmasse aufbaut, ebenfalls bei der oben genannten Wanderung, was eine Herabsetzung und Ungleichförmigkeit der Wärmeleitfähigkeit mit sich bringt, die zur Verringerung des Regenerierungs-Wirkungsgrades des keramischen Strukturkörpers führt.
Dagegen wird ein Verfahren zur Verbesserung der Haltbarkeit (Beständigkeit) des Strukturkörpers vorgeschlagen durch Kontrolle (Bekämpfung) der Wanderung. Dieses Verfahren dauert jedoch lang in Bezug auf die Trocknung und die Aushärtung der Abdichtungsmasse und es setzt in unerwünschter Weise die Produktivität herab.
Wie oben angegeben, lässt der konventionelle unterteilte keramische Strukturkörper noch Raum für eine Verbesserung in Bezug auf die Beständigkeit (Haltbarkeit) und dgl. als keramischer Strukturkörper.
Die Erfindung dient dazu, die oben genannten verschiedenen Probleme zu lösen, die bei der konventionellen Technik auftreten, und das Hauptziel der Erfindung besteht darin, die Materialeigenschaften, wie z. B. die Haftungseigenschaften einer Abdichtungsmasse bei Raumtemperatur und bei hoher Temperatur und dgl., zu verbessern.
Ein weiteres der Erfindung besteht darin, die Haftungseigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit der Abdichtungsmasse bei Raumtemperatur und hoher Temperatur zu verbessern unter gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Elastizität und Wärmebeständigkeit, um dadurch gleichzeitig sowohl die Beständigkeit (Haltbarkeit) als auch den Regenerierungswirkungsgrad des unterteilten keramischen Strukturkörpers zu verbessern.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung liegt in der Verwendung einer (Ab)dichtungsmasse in einem keramischen Strukturkörper, um die Ab(Dichtungsmasse) zwischen einer Vielzahl von keramischen Elementen anzuordnen, um diese integral miteinander zu verbinden zur Bildung eines keramischen Strukturkörpers, die dadurch gekennzeichnet, dass die (Ab)Dichtungsmasse besteht mindestens aus einer anorganischen Faser, einem anorganischen Bindemittel, einem organischen Bindemittel und anorganischen Teilchen, wobei die anorganische Faser und die anorganischen Teilchen dreidimensional miteinander vernetzt sind und durch das anorganische Bindemittel und das organische Bindemittel wechselseitig miteinander verbunden sind.
Die Abdichtungsmasse ist zweckmäßig ein elastisches Material, das hergestellt worden ist durch Verwendung von keramischen Fasern als anorganische Fasern, durch Verwendung eines kolloidalen Sols als anorganisches Bindemittel, durch Verwendung von Polysaccharid als organisches Bindemittel und durch Verwendung mindestens eines anorganischen Pulvers oder Faserkristalls (Whiskers), ausgewählt aus Carbiden und Nitriden, als anorganische Teilchen, und Mischen derselben miteinander. Insbesondere ist die Abdichtungsmasse zweckmäßig ein elastisches Material, das hergestellt worden ist durch Verwendung mindestens einer keramischen Faser, ausgewählt aus Siliziumdioxid-Aluminiumoxid, Mullit, Aluminiumoxid und Siliziumdioxid, als anorganischer Faser, durch Verwendung mindestens eines kolloidalen Sols, ausgewählt aus Silicasol und Aluminasol, als anorganisches Bindemittel, durch Verwendung mindestens eines Polysaccharids, ausgewählt aus Polyvinylalkohol, Methylzellulose, Ethylzellulose und Carboxymethylzellulose, als organisches Bindemittel und durch Verwendung mindestens eines anorganischen Pulvers oder Faserkristalls (Whiskers), ausgewählt aus Siliziumcarbid, Siliziumnitrid und Bornitrid, als anorganische Teilchen. Insbesondere ist es zweckmäßig, dass es sich um ein elastisches Material handelt, das besteht aus Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Keramikfasern, Silicasol, Carboxymethylzellulose und Siliziumcarbid-Pulver.
Konkret weist die oben genannte Abdichtungsmasse zweckmäßig die folgende Zusammensetzung auf:

➀ In der keramischen Faser ist es zweckmäßig, dass der Gehalt an Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Faser 10~70 Gew.-%, vorzugsweise 10~40 Gew.-%, besonders bevorzugt 20~30 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt, beträgt, da dann, wenn der Gehalt weniger als 10 Gew.-% beträgt, der Effekt als elastischer Körper abnimmt, während dann, wenn er 70 Gew.-% übersteigt, die Wärmeleitfähigkeit abnimmt und auch der Effekt als elastischer Körper abnimmt.
➁ In dem kolloidalen Sol ist es zweckmäßig, dass der Gehalt an Siliziumdioxid-Sol (Silicasol) 1~30 Gew.-%, vorzugsweise 1~15 Gew.-%, besonders bevorzugt 5~9 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt, beträgt, weil dann, wenn der Gehalt weniger als 1 Gew.-% beträgt, die Haftfestigkeit abnimmt, und dann, wenn er 30 Gew.-% übersteigt, die Wärmeleitfähigkeit abnimmt.
➂ In dem Polysaccharid ist es zweckmäßig, dass der Gehalt an Carboxymethylzellulose 0,1~5,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,2~1,0 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,4~0,6 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt, beträgt, weil dann, wenn der Gehalt weniger als 0,1 Gew.-% beträgt, die Wanderung nicht gesteuert (kontrolliert) werden kann, und dann, wenn er 5,0 Gew.-% übersteigt, das organische Bindemittel durch thermische Hysterese bei hoher Temperatur verbrennt und die Festigkeit abnimmt.
➃ In dem anorganischen Pulver oder Faserkristall (Whisker) ist es zweckmäßig, dass der Gehalt an Siliziumcarbid-Pulver 3~80 Gew.-%, vorzugsweise 10~60 Gew.-%, besonders bevorzugt 20~40 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt, beträgt, weil dann, wenn der Gehalt weniger als 3 Gew.-% beträgt, die Wärmeleitfähigkeit abnimmt, während dann, wenn er 80 Gew.-% übersteigt, die Haftfestigkeit bei hoher Temperatur abnimmt.
➄ Bei der keramischen Faser, welche die Abdichtungsmasse aufbaut, ist es zweckmäßig, dass die Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Keramikfaser einen Schmelzpartikel-Gehalt (shot content) von 1~10 Gew.-%, vorzugsweise von 1~5 Gew.-%, besonders bevorzugt von 1~3 Gew.-%, und eine Faserlänge von 0,1~100 mm, vorzugsweise von 0,1~50 mm, besonders bevorzugt von 0,1~20 mm, hat, da dann, wenn der Schmelzpartikel-Gehalt weniger als 1 Gew.-% beträgt, die Herstellung schwierig ist, während dann, wenn der Schmelzpartikel-Gehalt 10 Gew.-% übersteigt, die Wand eines Teils, das versiegelt (verschlossen) werden soll (keramisches Teil) beschädigt wird. Wenn andererseits die Faserlänge weniger als 0,1 mm beträgt, kann kein elastischer Strukturkörper gebildet werden, während dann, wenn sie 100 mm übersteigt, die Faser flauschig wird, wodurch die Dispersion der anorganischen Teilchen schlechter wird, und außerdem die Dicke der Abdichtungsmasse nicht niedrig gemacht werden kann, sodass die Wärmeleitfähigkeit zwischen den miteinander zu verbindenden Teilen abnimmt.
➅ Bei dem anorganischen Pulver oder Faserkristall (Whisker), das (der) die Abdichtungsmasse aufbaut, ist es zweckmäßig, dass die Teilchengröße des Siliziumcarbid-Pulvers 0,01~100 μm, vorzugsweise 0,1~15 μm, besonders bevorzugt 0,1~10 μm beträgt, weil dann, wenn die Teilchengröße 100 μm übersteigt, die Klebekraft (Haftfestigkeit) und die Wärmeleitfähigkeit abnehmen, während dann, wenn sie weniger als 0,01 μm beträgt, die Kosten unerwünscht hoch werden.

Die 1 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Filter für eine Abgasreinigungsvorrichtung, in dem der keramische Strukturkörper verwendet wird.
Die 2 zeigt eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht des Filters für die Abgasreinigungsvorrichtung, in dem der keramische Strukturkörper verwendet wird.
Die 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines keramischen Teils in dem Filter für die Abgasreinigungsvorrichtung.
Die 4 zeigt eine teilweise weggeschnittene vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie A-A der 3.
Die 5 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie B-B der 4.
Die 6 ist eine Darstellung, die einen Test zur Messung der Haftfestigkeit erläutert.
Die 7 ist eine Darstellung, die einen Test zur Messung der Wärmeleitfähigkeit erläutert.
Erfindungsgemäß stellen dar die Bezugsziffer 1 einen Filter für eine Abgasreinigungsvorrichtung, die Bezugsziffern 2 und 3 keramische Elemente bzw. Teile, die Bezugsziffer 4 eine Abdichtungsmasse und die Bezugsziffer 5 einen Wärmeisolator.
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen keramischen Strukturkörpers liegt im Aufbau einer (Ab)Dichtungsmasse, die eine Vielzahl von keramischen Teilen integral miteinander verbinden kann.
Konkret ist ein erster Punkt die Verbesserung der Beständigkeit (Haltbarkeit) des keramischen Strukturkörpers durch Verfilzung (Verhakung) der anorganischen Fasern mit dem organischen Bindemittel, welche die Dichtungsmasse aufbauen, um die Gleichförmigkeit der Struktur und die Bindungseigenschaften in einem Niedertemperatur-Bereich zu verbessern. Das heißt, ein wesentlicher Punkt besteht darin, dass es möglich ist, die dreidimensionale Bindung der anorganischen Fasern und die Fixierung der anorganischen Teilchen an den anorganischen Fasern aufrechtzuerhalten durch Verwendung eines organischen Bindemittels, das trocknen und aushärten kann, in einer frühen Stufe um das Auftreten einer Wanderung zu kontrollieren (zu steuern), wie sie bei einer konventionellen Abdichtungsmasse auftritt.
Die Abdichtungsmasse kann somit ein elastisches Material sein, das eine einheitliche Struktur und ausgezeichnete Haftungseigenschaften, eine ausgezeichnete Elastizität und Festigkeit aufweist. Als Folge davon weist der keramische Strukturkörper, der durch integrales Verbinden einer Vielzahl von keramischen Teilen unter Verwendung dieser Abdichtungsmasse hergestellt worden ist, eine ausreichende Haftfestigkeit auf, ohne dass eine Druckkraft von außen angewendet wird, und dadurch können gleichzeitig die thermischen Spannungen aufgelöst werden.
Ein zweiter Punkt liegt darin, dass die Haftfestigkeit in einem Hochtemperatur-Bereich aufrechterhalten werden kann durch den Verhakungs- bzw. Verfilzungseffekt zwischen den anorganischen Fasern und dem anorganischen Bindemittel, welche die Dichtungsmasse aufbauen. Der Grund ist der, wie angenommen wird, dass das organische Bindemittel in dem Hochtemperatur-Bereich kalziniert und entfernt wird, jedoch das anorganische Bindemittel durch das Erhitzen in ein Keramikmaterial umgewandelt wird und dieses Keramikmaterial an den Schnittpunkten der anorganischen Fasern vorliegt und zur Entstehung von Bindungen zwischen den anorganischen Fasern und zwischen der anorganischen Faser und dem keramischen Teil beiträgt. Andererseits kann das anorganische Bindemittel die Haftfestigkeit auch in dem Niedertemperatur-Bereich durch Trocknen und Erhitzen beibehalten.
Der keramische Strukturkörper, der ausgezeichnete Haftfestigkeiten im Niedertemperatur-Bereich und im Hochtemperatur-Bereich aufweist, kann daher gebildet werden aufgrund einer synergetischen Wirkung des organischen Bindemittels mit dem oben genannten Effekt der Verhakung (Verfilzung) der keramischen Fasern, beispielsweise derjenigen aus Siliziumdioxid-Aluminiumoxid, mit dem anorganischen Bindemittel, wie z. B. Siliziumdioxid-Sol (Silicasol).
Ein dritter Punkt liegt darin, dass die anorganischen Teilchen auf der Oberfläche der anorganischen Faser und der Oberfläche des anorganischen Bindemittels oder im Innern derselben vorliegen, wodurch die Wärmeleitfähigkeit des keramischen Strukturkörpers verbessert wird.
Insbesondere kann durch die anorganischen Teilchen, wie z. B. aus Nitrid und Carbid, die Wärmeleitfähigkeit beträchtlich verbessert werden aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeitseigenschaften, die dem Nitrid und dem Carbid eigen sind.
Die Abdichtungsmasse, welche die anorganischen Teilchen enthält, weist daher eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit auf und kann auf wirksame Weise das Brechen des keramischen Strukturkörpers verhindern, ohne dass ein Temperaturspitzenwert-Phänomen bei der Regenerierung hervorgerufen wird durch das Auffüllen der Zwischenräume, die beim Zusammenfügen der Vielzahl von keramischen Teilen entstehen, wenn die Abdichtungsmasse verwendet wird, beispielsweise als Filter für eine Abgasreinigungsvorrichtung. Darüber -hinaus kann das Auftreten von Rissen durch den Wärmezyklus verringert werden und der Randabschnitt des äußeren Umfangs des Filters kann in einer verhältnismäßig kurzen Zeit erhitzt werden, um den Regenerierungswirkungsgrad zu verbessern.
Nachstehend wird der keramische Strukturkörper näher beschrieben.
Wenn der keramische Strukturkörper als Filter für eine Abgasreinigungsvorrichtung verwendet wird, ist die Abdichtungsmasse, die den Strukturkörper aufbaut, erforderlich, um ihm zusätzlich zu der Wärmebeständigkeit Elastizität, Wärmeleitfähigkeit, Verbindungs- bzw. Anschlusseigenschaften, Festigkeit und dgl. zu verleihen. Wenn die Elastizität ausgezeichnet ist, kann selbst dann, wenn eine thermische Spannung durch Erhitzen in dem Filter entsteht, diese thermische Spannung sicher abgebaut werden. Wenn die Wärmeleitfähigkeit ausgezeichnet ist, wird die Wärme eines Heizelements sofort und gleichmäßig über den gesamten Strukturkörper verteilt, wobei die Temperaturdifferenz in der Abgasreinigungsvorrichtung minimiert wird. Darüber hinaus wird dann, wenn die Verbindungs- bzw. Anschlusseigenschaften und die Festigkeit ausgezeichnet sind, die Haftung zwischen benachbarten, miteinander verbundenen keramischen Teilen ausgezeichnet und die Beständigkeit (Haltbarkeit) des keramischen Strukturkörpers selbst wird ausgezeichnet.
Die Erfindung liegt darin, dass der Aufbau der Abdichtungsmasse (des Abdichtungselements), die (das) die oben genannten Eigenschaften aufweist, ein elastischer Strukturkörper ist, der gebildet wird durch Verwendung von anorganischen Fasern, eines anorganischen Bindemittels, eines organischen Bindemittels und von anorganischen Teilchen und durch wechselseitiges Verbinden der sich dreidimensional überschneidenden anorganischen Fasern und anorganischen Teilchen durch das anorganische Bindemittel und das organische Bindemittel.
Als anorganische Faser verwendbar sind eine keramische Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Faser, eine Mullit-Faser, eine Aluminiumoxid-Faser und eine Siliziumdioxid-Faser. Vorteilhaft ist insbesondere die keramische Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Faser, weil sie eine ausgezeichnete Elastizität aufweist und die Funktion hat, Wärmespannungen zu absorbieren.
Als anorganisches Bindemittel ist ein kolloidales Sol geeignet, das beispielsweise umfasst Aluminiumoxid-Sol und Siliziumdioxid-Sol. Zweckmäßig ist insbesondere Siliziumdioxid-Sol, das als Klebstoff (anorganisches Bindemittel) fungiert. Dieses Siliziumdioxid-Sol ist leicht zugänglich und geeignet als Klebstoff im Hochtemperatur-Bereich, weil es sich beim Brennen leicht in SiO₂ umwandelt und ausgezeichnete Isoliereigenschaften hat.
Als organisches Bindemittel geeignet ist ein hydrophiles organisches hohes Polymer und besonders bevorzugt ist insbesondere ein Polysaccharid. Konkret können genannt werden Polyvinylalkohol, Methylzellulose, Ethylzellulose, Carboxymethylzellulose und dgl. Unter ihnen ist die Carboxymethylzellulose besonders vorteilhaft, weil sie die Fließfähigkeit zum Zeitpunkt des Zusammenfügens gewährleistet (zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit beiträgt) und ein ausgezeichnetes Haftungsvermögen im Raumtemperatur-Bereich aufweist.
Als anorganische Teilchen werden zweckmäßig anorganische Teilchen aus Carbid und/oder Nitrid, wie z. B. Siliziumcarbid, Siliziumnitrid und Bornitrid, verwendet. Diese Carbid- und Nitrid-Teilchen weisen eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auf und tragen zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit bei, wenn sie an der Oberfläche der Keramikfaser und an der Oberfläche und im Innern des kolloidalen Sols vorliegen. Beispielsweise beträgt die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumcarbid 0,19 cal/cm.s.°C und die Wärmeleitfähigkeit von Bornitrid beträgt 0,136 cal/cm.s.°C, während die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumoxid etwa 0,08 cal/cm.s.°C beträgt, sodass selbstverständlich das Carbid und das Nitrid besonders wirksam sind in Bezug auf die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit.
Unter den anorganischen Teilchen, den Carbid- und Nitrid-Teilchen, ist Siliziumcarbid in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit optimal. Bornitrid weist eine niedrigere Affinität gegenüber Keramikfasern auf als Siliziumcarbid. Das heißt, die Siliziumcarbid-Teilchen weisen alle Eigenschaften auf, nämlich Haftung, Wärmebeständigkeit, Beständigkeit gegen Wasser und Wärmeleitfähigkeit.
Eine Ausführungsform, bei der der keramische Strukturkörper in einem Filter für eine Abgasreinigungsvorrichtung verwendet wird, die an einem Dieselmotor befestigt ist, wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 1~5 näher beschrieben.
Die 1 zeigt einen Filter 1 für eine Abgasreinigungsvorrichtung, in welcher der keramische Strukturkörper verwendet wird, und die 2 zeigt eine partiell vergrößerte Schnittansicht des Filters. In diesen Figuren ist der Filter 1 für die Abgasreinigungsvorrichtung hergestellt durch integrales haftendes Verbinden von acht prismatischen keramischen Teilen 2 und vier keramischen Teilen 3 mit einem gleichseitigen rechtwinkligen Dreieck im Querschnitt mittels der Abdichtungsmasse bzw. Abdichtungselemente 4 (in einer Dicke von 1,5~3,0 mm) aus einem elastischen Material, die zwischen den jeweiligen Teilen angeordnet ist (sind).
Die 3 bis 5 zeigen ein keramisches Teil 2, das einen Teil des Filters für die Abgasreinigungsvorrichtung darstellt. In diesen Figuren ist das keramische Teil 2 mit einer prismatischen Gestalt (33 mm × 33 mm × 150 mm) entlang seiner Längsachse mit durchgehenden Löchern (Durchgangsbohrungen) in regelmäßiger Anordnung mit einem etwa quadratischen Querschnitt versehen. Diese Durchgangsbohrungen 2a sind durch poröse Trennwände 2b mit einer Dicke von 0,3 mm voneinander getrennt. Jeweils ein Ende auf der Abgaseinlassseite und der -Auslassseite jedes der durchgehenden Löcher (Durchgangsbohrungen) 2a ist mit einem Abdichtungsstück 2c aus einem porösen Sinterkörper in Art eines schachbrettartigen Musters verschlossen. Infolgedessen werden Zellen C1, C2 gebildet, die nur auf einer der Einlass- und Auslassseiten des keramischen Teils 2 offen sind. Darüber hinaus kann sich ein Oxidationskatalysator, der aus einem Platinelement, einem anderen Metallelement oder einem Oxid davon besteht, auf den Trennwänden 2b der Zellen C1, C2 befinden, weil die Entzündungstemperatur der Teilchen durch den Katalysator herabgesetzt wird. Darüber hinaus hat das keramische Teil 3 den gleichen Aufbau wie das keramische Teil 2, jedoch mit der Ausnahme, dass der Querschnitt ein gleichseitiges rechtwinkliges Dreieck ist. Für den Fall, dass die keramischen Teile 2, 3 den Filter 1 für die Abgasreinigungsvorrichtung der Erfindung darstellen, wird ein mittlerer Porendurchmesser von 10 μm, eine Porosität von 43%, eine Dicke der Zellwand von 0,3 mm bzw. ein Zellenabstand von 1,8 mm eingestellt.
Bei dieser Ausführungsform wird der Filter 1 für die Abgasreinigungsvorrichtung, welche die oben genannte Struktur hat, hergestellt zur Durchführung der Bewertung des Leistungsvermögens in dem Filter.
Beispiel 1

(1) 51,5 Gew.-% Siliziumcarbid-Pulver vom α-Typ und 22 Gew.-% Siliziumcarbid-Pulver vom β-Typ wurden nass miteinander gemischt und die resultierende Mischung wurden zugegeben zu und verknetet mit 6,5 Gew.-% eines organischen Bindemittels (Methylzellulose) und 20 Gew.-% Wasser. Danach wurden geringe Mengen eines Weichmachers und eines Schmiermittels zugegeben und verknetet, dann wurde das Ganz durch Extrusion geformt, wobei man einen wabenförmigen ungebrannten Grünkörper (Grünpressling) erhielt.
(2) Danach wurde dieser ungebrannte Formkörper unter Verwendung eines Mikrowellentrockners getrocknet. Anschließend wurden die Durchgangsbohrungen 2a des Formkörpers mit einer Paste verschlossen zur Bildung eines Versiegelungsstücks 2c aus einem porösen Sinterkörper und dann wurde die Paste für das Versiegelungsstück 2c getrocknet, wiederum unter Verwendung des Trockners. Danach wurde der getrocknete Formkörper bei 400°C entfettet, in einer Argonatmosphäre bei 2200°C weiter gebrannt, wobei man poröse wabenförmige keramische Teile 2, 3 erhielt.
(3) Eine Abdichtungsmasse bzw. ein Abdichtungselement wurde hergestellt aus einer Paste, die durch Mischen und Verkneten von 23,3 Gew.-% Keramikfasern (Aluminiumoxid-Silicat-Keramikfaser, Schmelzperlen-Gehalt 3 Gew.-%, Faserlänge: 0,1~100 mm), 30,2 Gew.-% Siliziumcarbid-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,3 μm, 7 Gew.-% Siliziumdioxid-Sol (SiO₂-Umwandlungsmenge des Sols: 30%) als einem anorganischen Bindemittel, 0,5 Gew.-% Carboxymethylzellulose als einem organischen Bindemittel und 39 Gew.-% Wasser hergestellt worden war.
(4) Die oben genannte Abdichtungsmasse wurde zwischen die jeweiligen keramischen Teile 2, 3 eingefüllt, getrocknet und gehärtet bei 50 bis 100°C × 1 h zur Herstellung eines Filters 1, in dem die keramischen Teile 2, 3 mit der Abdichtungsmasse 4 zu einer Einheit verbunden worden waren, wie in 1 dargestellt.

Darüber hinaus konnte die oben genannte Abdichtungsmasse getrocknet und gehärtet werden, ohne dass eine Wanderung auftrat.
Beispiel 2
Dieses Beispiel ist im Prinzip das gleiche wie das Beispiel 1, es wurde jedoch die folgende Abdichtungsmasse anstelle derjenigen des Beispiels 1 verwendet.
Die Abdichtungsmasse wurde hergestellt durch Mischen und Verkneten von 25 Gew.-% keramischen Fasern (Mullit-Fasern, Schmelzperlen-Gehalt 5 Gew.-%, Faserlänge: 0,1 bis 100 mm), 30 Gew.-% Siliziumnitrid-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 1,0 μm, 7 Gew.-% Aluminiumoxid-Sol (Umwandlungsmenge des Aluminiumoxid-Sols: 20%) als einem anorganischen Bindemittel, 0,5 Gew.-% Polyvinylalkohol als einem organischen Bindemittel und 37,5 Gew.-% Alkohol.
Darüber hinaus konnte die oben genannte Abdichtungsmasse getrocknet und gehärtet werden, ohne dass eine Wanderung auftrat.
Beispiel 3
Dieses Beispiel ist im Prinzip das gleiche wie das Beispiel 1, es wurde jedoch die folgende Abdichtungsmasse anstelle derjenigen des Beispiels 1 verwendet.
Die Abdichtungsmasse wurde hergestellt durch Mischen und Verkneten von 23 Gew.-% Keramikfasern (Aluminiumoxid-Fasern, Schmelzperlengehalt 4 Gew.-%, Faserlänge: 0,1 bis 100 mm), 35 Gew.-% Bornitrid-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 1 μm, 8 Gew.-% Aluminiumoxid-Sol (Umwandlungsmenge des Aluminiumoxid-Sols: 20%) als einem anorganischen Bindemittel, 0,5 Gew.-% Ethylzellulose als einem organischen Bindemittel und 35,5 Gew.-% Aceton.
Darüber hinaus konnte die oben genannte Abdichtungsmasse getrocknet und gehärtet werden, ohne dass eine Wanderung auftrat.
Vergleichsbeispiel
Dieses Beispiel ist im Prinzip das gleiche wie das Beispiel 1, wobei jedoch die folgende konventionelle Abdichtungsmasse anstelle der Abdichtungsmasse des Beispiels 1 verwendet wurde und außerdem ein äußerer Umfangsabschnitt des Filters 1 mit einem Wärmeisolator abgedeckt wurde (63 Gew.-% Keramikfaser, 7 Gew.-% α-Sepiolit, 20 Gew.-% nicht-geblähter Vermiculit und 10 Gew.-% eines organischen Bindemittels).
Die Abdichtungsmasse wurde hergestellt in Form einer Paste oder einer Folie durch Mischen und Verkneten von 44,2 Gew.-% Keramikfaser (Aluminiumoxid-Siliziumdioxid-Faser, Schmelzperlen-Gehalt 2,7 Gew.-%, Faserlänge: 30 bis 100 mm), 13,3 Gew.-% Siliziumdioxid-Sol als einem anorganischen Bindemittel und 42,5 Gew.-% Wasser.
Beim Trocknen und Härten trat bei der oben genannten Abdichtungsmasse eine Wanderung auf.
Die Bewertung der Eigenschaften der Filter 1, die in den Beispielen 1 bis 3 und in dem Vergleichsbeispiel hergestellt worden waren, wurde unter Anwendung des folgenden Verfahrens durchgeführt.
Messung der Haftfestigkeit in der Anfangsstufe und nach einem Wärmezyklus
Wie in der 6 dargestellt, wurde ein Teststück, das drei keramischen Teilen entsprach, aus dem Filter 1 herausgeschnitten und auf ein zentrales keramisches Teil wurde eine Belastung einwirken gelassen, um die Belastung, welche die Ablösung bewirkt, zu bestimmen. Darüber hinaus wurde das Teststück einem Wärmezyklustest bei Raumtemperatur bis 900°C unterworfen, um das schnelle Erhitzen und Abkühlen von Raumtemperatur auf 900°C bei der praktischen Verwendung zu simulieren.

Die Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse, die für die Haftfestigkeit in der Anfangsstufe und nach dem Wärmezyklus (nach 100 Zyklen) zwischen den benachbarten keramischen Teilen 2, 3, die den Filter 1 aufbauen, gemessen wurden. Darüber hinaus wird angenommen, dass der Grund dafür, warum die Haftfestigkeit nach dem Wärmezyklus verbessert war, auf die Sinterwirkung von Siliziumdioxid durch Erhitzen auf 900°C zurückzuführen war. Tabelle 1

	Haftfestigkeit in der Anfangsstufe	Haftfestigkeit nach dem Wärmezyklus
Beispiel 1	4,6 kg/cm²	7,6 kg/cm²
Beispiel 2	4,5 kg/cm²	5,3 kg/cm²
Beispiel 3	4,3 kg/cm²	5,6 kg/cm²
Vergleichsbeispiel 1	2,3 kg/cm²	0,76 kg/cm²

Messung der Wärmeleitfähigkeit
Wie in 7 darstellt, wurde ein Teststück entsprechend vier keramischen Teilen herausgeschnitten und auf seinem äußeren Umfang mit einem Wärmeisolator bedeckt und in eine Heizeinrichtung 6 eingeführt, um ein 20-minütiges Erhitzen durchzuführen. Die Temperaturdifferenz zwischen T1 und T2 wurde bestimmt.
Die Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse, die als Temperaturdifferenz zwischen T1 und T2, wie in 7 dargestellt, gemessen wurde für die Beispiele 1 bis 3 und das Vergleichsbeispiel. Tabelle 2

T1–T2 Temperaturdifferenz

Beispiel 1 55°C

Beispiel 2 65°C

Beispiel 3 70°C

Vergleichsbeispiel 1 180°C
Wie aus den obigen Ergebnissen ersichtlich, weist der Filter, in dem der keramische Strukturkörper verwendet wird, eine sehr hohe Haftfestigkeit sowohl bei hoher Temperatur als auch bei Raumtemperatur auf und er weist ausgezeichnete Wärmezyklus-Eigenschaften auf, sodass bestätigt wurde, dass die Beständigkeit (Haltbarkeit) als Filter ausgezeichnet war.
Außerdem weist dieser keramische Strukturkörper eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit auf, sodass das Auftreten einer Spitzentemperatur in dem keramischen Teil, das im Innern des Filters angeordnet ist, vermindert werden kann und auch die Temperaturerhöhungszeit des keramischen Strukturkörpers, der an dem Randabschnitt angeordnet ist, verkürzt werden kann und dadurch der Regenerierungswirkungsgrad gleichzeitig verbessert werden kann.
Darüber hinaus ist der Aufbau des Filters 1, in dem der keramische Strukturkörper verwendet wird, nicht auf solche beschränkt, wie sie in den obigen Beispielen beschrieben sind, und der Aufbau kann beispielsweise wie folgt geändert werden:

(a) Die Anzahl der miteinander kombinierten keramischen Teile beträgt nicht notwendigerweise 12 wie in den Beispielen, sondern es ist jede beliebige Zahl möglich. In diesem Fall ist es natürlich möglich, keramische Teile mit unterschiedlichen Größen, Formen und dgl. in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren. Darüber hinaus ist die Verwendung eines Aufbaus, der durch Kombinieren von mehreren keramischen Teilen hergestellt worden ist, besonders vorteilhaft bei der Herstellung eines Filters für eine groß dimensionierte Abgasreinigungsvorrichtung.
(b) Der Filter 1 der obigen Beispiele kann angesehen werden als Teilstück eines so genannten großen Filters, der entlang der Längsachse in viele Teile unterteilt ist. Er kann daher angesehen werden beispielsweise als Teilstück des Filters in Form eines Doughnut, als Teilstück des Filters in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung und dgl.
(c) Es ist natürlich möglich, nicht nur die wabenförmigen keramischen Teile 2, 3, wie sie in den obigen Beispielen angegeben sind, zu verwenden, sondern es kann auch eine dreidimensionale Netzwerkstruktur, eine Schaumstruktur, eine Nudelstruktur, eine Faserstruktur und dgl. verwendet werden. Darüber hinaus kann das Material für die keramischen Elemente 2, 3 natürlich auch aus anderen Materialien als Siliziumcarbid ausgewählt werden.
(d) Im Falle der Herstellung des Filters 1 kann eine Heizeinrichtung zwischen den keramischen Teilen 2, 3 angeordnet sein. In diesem Fall ist die Heizeinrichtung nicht auf einen Metalldraht beschränkt. Das heißt, die Heizeinrichtung kann hergestellt werden nach einem Verfahren, wie z. B. durch Metallisierung, durch Aufdrucken einer elektrischen Leiterpaste, durch Zerstäuben oder dgl.

Obgleich die vorstehenden Beispiele unter Bezugnahme auf den Fall der Verwendung des keramischen Strukturkörpers als Filter für eine Abgasreinigungsvorrichtung, die an einem Dieselmotor befestigt ist, beschrieben wurde, kann dieser keramische Strukturkörper beispielsweise auch als Wärmeaustauscher-Element oder als Filter zum Filtrieren eines Fluids bzw. einer Flüssigkeit bei hoher Temperatur oder von Dampf bei hoher Temperatur zusätzlich zu dem Filter für eine Abgasreinigungsvorrichtung verwendet werden.
Wie oben angegeben, ist der keramische Strukturkörper ausgezeichnet in Bezug auf die Haftfestigkeit, unabhängig von der Temperatur, und außerdem ist er ausgezeichnet in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit, sodass dann, wenn er als Filter für eine Abgasreinigungsvorrichtung verwendet wird, es möglich ist, die Regenerationszeit zu verkürzen und den Regenerations-Wirkungsgrad und die Beständigkeit (Haltbarkeit) zu verbessern.

Claims

Verwendung eines (Ab)Dichtungsmittels, die geeignet ist, um das Abdichtungsmittel zwischen einer Vielzahl von keramischen Elementen anzuordnen, um diese integral miteinander zu verbinden, in einem keramischen Strukturkörper, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwendung aufweist, dass ein Abdichtungsmittel verwendet wird, das mindestens aus einer anorganischen Faser, einem anorganischen Bindemittel, einem organischen Bindemittel und anorganischen Teilchen besteht, wobei die anorganische Faser und die anorganischen Teilchen dreidimensional miteinander vernetzt und durch das anorganische Bindemittel und das organische Bindemittel wechselseitig miteinander verbunden sind.
Verwendung eines (Ab)Dichtungsmittels nach Anspruch 1, bei der eine keramische Faser als anorganische Faser, ein kolloidales Sol als anorganisches Bindemittel, ein Polysaccharid als organisches Bindemittel und mindestens ein anorganisches Pulver oder Faser, ausgewählt aus einem Carbid und einem Nitrid, als anorganische Teilchen verwendet werden und das Abdichtungsmittel ein elastisches Material ist, das durch Vermischen dieser Komponenten miteinander hergestellt worden ist.
Verwendung eines (Ab)Dichtungsmittels nach Anspruch 1 oder 2, bei der die keramische Faser mindestens eine solche, ausgewählt aus Siliziumoxid-Aluminiumoxid, Mullit, Aluminiumoxid und Siliziumoxid, ist.
Verwendung eines (Ab)Dichtungsmittels nach Anspruch 2 oder 3, wobei das kolloidale Sol mindestens ein solches, ausgewählt aus einem Siliziumoxidsol und einem Aluminiumoxidsol, ist.
Verwendung eines (Ab)Dichtungsmittels nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der das Polysaccharid mindestens ein solches, ausgewählt aus Polyvinylalkohol, Methylcellulose, Ethylcellulose und Carboxymethylcellulose, ist.
Verwendung eines (Ab)Dichtungsmittels nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der mindestens ein anorganisches Pulver oder eine Faser, ausgewählt aus dem Carbid und dem Nitrid, mindestens ein(e) solches) ist, das (die) ausgewählt ist aus einem Siliziumcarbid, einem Siliziumnitrid und einem Bornitrid.
Verwendung eines (Ab)Dichtungsmittels nach Anspruch 2, bei der das Abdichtungsmittel aus einer keramischen Siliziumoxid-Aluminiumoxid-Faser, einem Siliziumoxidsol, Carboxymethylcellulose und Siliziumcarbid-Pulver besteht.
Verwendung eines (Ab)Dichtungsmittels nach Anspruch 7, bei der das Abdichtungsmittel aus 10 bis 70 Gew.-% einer keramischen Siliziumoxid-Aluminiumoxid-Faser, 1 bis 30 Gew.-% eines Silicasols, 0,1 bis 5,0 Gew.-% Carboxymethylcellulose und 3 bis 80 Gew.-% Siliziumcarbidpulver, bezogen auf den Feststoffgehalt, besteht.
Verwendung eines (Ab)Dichtungsmittels nach Anspruch 7, bei der die Siliziumoxid-Aluminumoxid-Faser einen Shot-Gehalt (shot content) von 1 bis 10 Gew.-% und eine Faserlänge von 1 bis 100 mm aufweist.
Verwendung eines (Ab)Dichtungsmittels nach Anspruch 7, bei der das Siliziumcarbid-Pulver eine Teilchengröße von 0,01 bis 100 μm hat.