CN102770630B - 用于污染控制装置的多层安装垫 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于废气处理装置(10)的多层安装垫(20)，包括耐高温无机纤维、可选的有机粘合剂和可选的膨胀材料。复数个安装垫层片含有相当大比例的在所述安装垫的x-y平面定向的无机纤维。废气处理装置包括壳体(12)、弹性安装在所述壳体内的易碎催化剂支撑结构(18)和布置于所述壳体与所述易碎催化剂支撑结构之间的间隙中的多层安装垫。

Description

用于污染控制装置的多层安装垫
技术领域
提供一种垫，其用于废气处理装置，如催化转化器和用于汽车废气系统中的柴油微粒捕集器。所述垫可以用作安装垫，以在废气处理装置的外部壳体内安装易碎结构或用作废气处理装置端锥中的热隔绝。也提供一种用于处理废气的装置，如催化转化器或柴油微粒捕集器。所述装置可以包括通过安装垫安装在壳体内的易碎结构，所述安装垫布置在壳体与易碎结构之间的间隙中，或可以包括在其端锥部分作为热隔绝的所述垫。
发明背景
废气处理装置是用在汽车上，以减少从发动机排放的大气污染。广泛使用的废气处理装置的实例包括催化转化器、柴油微粒捕集器和其它污染控制装置。
一种用于处理汽车发动机废气的催化转化器包括壳体，用于保持催化剂(其用于实现一氧化碳和碳氢化合物的氧化和氮氧化物的还原)的易碎催化剂支撑结构和布置在易碎催化剂支撑结构的外表面与壳体的内表面之间，以在壳体内弹性保持易碎催化剂支撑结构的安装垫。
另一类废气处理装置是一种选择性催化还原单元；选择性催化还原单元的活性部分包括易碎基材，易碎基材涂有催化剂以促进化学还原和清除废气流中非所需的产物。
另一类废气处理装置是NOx捕集器；NOx捕集器的活性部分包括易碎催化基材，易碎催化基材包括碱金属或碱土金属材料。捕集器以循环方式操作；在“吸附”过程和“再生”过程之间循环。在吸附期间，基材吸入NOx类物质并把它们以硝酸盐类物质的形式捕集在催化基材的表面上。在再生期间，将还原物质引入NOx捕集器和从基材中除去硝酸盐类物质并使其还原为氮气。
一种用于控制柴油发动机所产生的污染的柴油微粒捕集器一般包括壳体、用于从柴油发动机排放收集微粒的易碎微粒过滤器或捕集器、布置在过滤器或捕集器的外表面与壳体的内表面之间，以在壳体内弹性保持易碎过滤器或捕集器的安装垫。
易碎结构一般包括由碎性金属材料或易碎陶瓷材料(如氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化锆、堇青石、碳化硅等)制造的单片式结构。这些材料提供具有复数个气流通道的骨架类型结构。这些单片式结构是如此易碎，以致甚至小的冲击负荷或应力就常常足以破裂或粉碎它们。为了保护易碎结构免受热学和机械冲击和上述其它应力，以及提供热隔绝和气密封，将安装垫放置于易碎结构与壳体之间的间隙中。
所使用的安装垫材料应该能够满足由易碎结构制造商或废气处理装置制造商所规定的多个设计或物理要求中的任一个要求。例如，安装垫材料应该能够在易碎结构上施加有效的残留保持压力，即使废气处理装置因经历很宽的温度波动而会导致金属壳体相对于易碎结构显著膨胀和收缩，进而导致安装垫在一段时间内进行显著压缩和释放循环。
用于废气处理装置中的陶瓷和金属基材最常见是利用基于无机纤维的安装垫安装在金属壳体内。这安装垫材料可以只包含无机纤维。但是，安装垫材料还可以包含其它类型的纤维、有机粘合剂、无机填料和/或膨胀材料。
安装垫必须在广泛的工作温度中起作用，以有效地保持基材在适当位置。基材承受由于振动而作用在基材上的轴向力。安装垫还补偿金属壳体膨胀大于或小于基材本身的事实。各种废气处理装置在约20℃环境条件至约1200℃的温度范围内操作。因此，安装垫必须在这个宽广温度范围内提供强大的保持压力性能。
附图简述
图1显示包括本发明安装垫的说明性废气处理装置的零碎视图。
发明概要
提供一种用于废气处理装置应用中的多层安装垫。所述安装垫包括多个层，这些层包括耐热无机纤维、和可选的计划牺牲性烧毁的有机粘合剂，其中至少一个或多个安装垫层片包括相当大比例或大多数在安装垫的x-y平面定向的无机纤维。根据某些实施方案，至少有一个安装垫层片可以视情况包括膨胀材料。
也提供一种用于处理废气的装置。所述装置包括外部金属壳体，通过安装垫安装在壳体内的至少一个易碎结构，所述安装垫布置在壳体的内表面与易碎结构的外表面之间。术语“易碎结构”打算表示和包括如金属或陶瓷单片等的结构，其可以是脆性或属性上易碎，且将从如本文所述的安装垫受益。
具体实施方式
催化转化器催化剂结构一般包括一个或多个通过耐热材料安装在壳体内的多孔管状或蜂窝状结构。各结构可包括每平方英寸约200至约900或更多个通道或小室，这取决于废气处理装置的类型。柴油微粒捕集器与催化转化器结构的不同之处在于微粒捕集器内的每个通道或小室的一端封闭。从废气将微粒收集在多孔结构中，直至通过高温烧毁过程再生。安装垫的非汽车应用可以包括用于化工业排放(排废)堆的催化转化器。
在图1中将一种用于处理废气的装置的一说明形式指定为数字10。应了解，安装垫不打算只限于在如图1中所示的装置中使用，所以形状只作为一个说明性实施方案显示。事实上，安装垫可以用于安装或支持适用于处理废气的任何易碎结构，如柴油催化剂结构、柴油微粒捕集器等。
根据某些说明性实施方案，催化转化器10可以包括由两片金属(例如耐高温钢)形成的壳体12，并通过凸缘16保持在一起。或者，所述壳体可以包括预成型筒，在其中插入以安装垫包覆的易碎结构。壳体12包括在一末端的入口14，和在其另一末端的出口(未显示)。入口14和出口在其外端适当形成，藉此使它们可以固定到内燃机排气系统中的管道。装置10包含易碎结构，如易碎陶瓷单片18，其是通过安装垫20支撑和限制在壳体12内。单片18包括多个透气通道，透气通道从一端的其入口轴向延伸到其另一端的其出口。单片18可以由任何适宜的耐火金属或陶瓷材料以任何已知方式和形态构造。单片的横断面外形通常是椭圆或圆形，但是也可以是其它形状。
单片从壳体的内表面隔开一段距离或间隙，距离或间隙将根据所使用装置(例如催化转化器、柴油催化剂结构、或柴油微粒捕集器)的类型和设计变化。这个间隙填充有安装垫20，以对陶瓷单片18提供弹性支撑。弹性安装垫20提供对外部环境的热隔绝和对易碎结构的机械支撑，从而保护易碎结构免受在宽范围废气处理装置工作温度下的机械冲击。
一般而言，所述安装垫包括包含耐热无机纤维的多个层片，且可以包括可选地计划牺牲性烧毁的有机粘合剂，其中至少一个或复数个安装垫层片包括相当大比例的在安装垫的x-y平面内定向的无机纤维。安装垫20能够提供足以在整个宽广的温度范围内在废气处理装置10的壳体12内弹性保持易碎催化剂支撑结构18的保持压力。
通常情况下，湿铺设的膨胀性或非膨胀性垫是在造纸装置(如旋转成型造纸机)上以单层生产。已发现，如果垫由分开制造的多个层片或层组成，那么安装垫的性能或保持力可以显著改善。例如，可以通过生产各100g/m2的基重的10层，并将它们合并起来制成1000g/m2(gsm)基重的多层安装垫，来提高单层1000g/m2基重的安装垫的性能。
湿法铺设垫在基重和厚度分布上通常比干法垫更均匀。在湿法铺设系统中，借助于高稀释水平和分散用化学品，可以制造均匀的片。但是，当安装垫被制造为给定基重的单一厚层，大多数纤维不会在所需的x-y片平面的方向定向，或者铺设。这种现象导致安装垫的承载能力降低。通过生产多个薄层片并将它们合并，以实现目标基重和厚度，便可以强制大多数纤维铺设在x-y平面，从而提高安装垫产品的整体性能。
纤维在安装垫内的铺设方向影响垫的性能。理想情况下，所有纤维是在安装垫的x-y平面内定向，以使性能或保持压力最大化。为了排列所有或大部分纤维在x-y平面中，垫理论上需仅为1层纤维厚，保证没有垂直交叉通过垫结构(厚度)的纤维。安装垫越厚或越重，则越多纤维不在x-y平面的方向定向。这些不在x-y平面的方向内的纤维理论上不承受任何负载，从而不利于保持压力。典型的非膨胀安装垫是约1200gsm或更重。在那样重量下的垫为8mm或更厚，并具有许多不在安装垫的x-y平面的方向定向的纤维。
一种在厚和/或重的安装垫中实现大比例纤维在x-y平面中定向的方法包括：制造分开的薄层片或层，并将多个层合并，以制造所需基重和/或厚度的安装垫。以此方式，大多数纤维将在x-y平面或方向中定向，从而通过减少垂直定向的非负重纤维的百分比来提供更大的纤维承载表面。所得安装垫将具有比相同基重和/或厚度的单层安装垫更高的模量和高得多的性能。
在某些实施方案中，各别的膨胀或非膨胀纤维层约可以具有各3mm的厚度，及各约30至约50克/平方米(gsm)的基重。在铺上或层压个别层和通过例如但不限于针刺(下文论述)处理约10或更多层的堆叠，所得多层垫可以具有约10mm的厚度和1500gsm的基重。
用于本发明安装垫中的耐高温无机纤维可以承受安装垫成形过程，承受废气处理装置的操作温度，并提供用于在操作温度下将易碎结构保持在废气处理装置内的最小保持压力性能。可以用于制备安装垫和废气处理装置的适宜无机纤维包括但不限于高氧化铝多晶纤维；莫来石纤维；耐火陶瓷纤维，如铝硅酸盐纤维或高岭土纤维；氧化铝-氧化锆-二氧化硅纤维；铝氧化镁-二氧化硅纤维，如S-玻璃纤维或S2-玻璃纤维；切短浸出玻璃高硅纤维；生物可溶性无机纤维，其包括但不限于生物可溶性碱金属硅酸盐纤维，如氧化钙-氧化镁-二氧化硅纤维或氧化镁-二氧化硅纤维；或其组合。
根据某些实施方案，用于制备所述安装垫的耐高温无机纤维包括陶瓷纤维，其包括氧化铝。适宜陶瓷纤维包括但不限于氧化铝纤维、莫来石纤维、铝硅酸盐纤维、氧化铝-氧化锆-二氧化硅纤维、和类似纤维。高氧化铝多晶纤维可包括约72至约100重量％氧化铝和0至约28重量％二氧化硅的纤维化产物。适宜的铝硅酸盐陶瓷纤维可以注册商标FIBERFRAX购自UnifraxILLC(NiagaraFalls，NewYork)。FIBERFRAX陶瓷纤维包括包含约45至约75重量％氧化铝和约25至约55重量％二氧化硅的熔融物的纤维化产物。FIBERFRAX纤维展示高达约1540℃的操作温度和高达约1870℃的熔点。FIBERFRAX纤维可以轻易成形为耐高温片或纸。
在某些实施方案中，耐火陶瓷纤维(RCF)(如铝硅酸盐纤维)可以包括约40重量％至约60重量％Al2O3和约60重量％至约40重量％SiO2，且在某些实施方案中，约47至约53重量％氧化铝和约47至约53重量％二氧化硅。RCF纤维是可以由组分材料的熔融物吹制或纺成的纤维化产物。
氧化铝-氧化锆-二氧化硅纤维包括氧化铝、二氧化硅和氧化锆的纤维化产物，在某些实施方案中，量为约29至约31重量％氧化铝、约53至约55重量％二氧化硅、和约15至约17重量％氧化锆。
氧化铝/二氧化硅/氧化镁玻璃纤维通常包括约64重量％至约66重量％SiO2、约24重量％至约25重量％Al2O3、和约9重量％至约11重量％MgO。
在某些实施方案中，所述安装垫包括具有高硅含量的熔融成形的、非晶形耐高温浸出玻璃纤维。术语“高硅含量”表示，纤维含有比所述纤维的任何其它组成成分更多的二氧化硅。事实上，这些纤维在浸出后的硅含量通常大于含有二氧化硅的任何其它玻璃纤维，包括S-玻璃纤维，但排除晶体石英衍生的纤维或纯二氧化硅纤维。在一个实施方案中，应了解，所述安装垫可以不含膨胀材料、溶胶-凝胶衍生的玻璃硅纤维和/或背衬或加固层。
一般而言，所述浸出玻璃纤维将具有至少67重量％的硅含量。在某些实施方案中，所述浸出玻璃纤维含有至少90重量％，且在某些情况下约90重量％至小于99重量％的二氧化硅。这些浸出玻璃纤维的平均纤维直径可以大于至少约3.5微米，且经常大于至少约5微米。平均而言，玻璃纤维通常具有约9微米至约14微米的直径。
高硅含量且适用于制造用于催化转化器或其它已知废气处理装置的安装垫的浸出玻璃纤维的实例包括可以商标名BELCOTEX购自BelChemFiberMaterialsGmbH，Germany和以注册商标REFRASIL购自HitcoCarbonComposites，Inc.ofGardenaCalifornia和以名称PS-23(R)购自Polotsk-Steklovolokno，RepublicofBelarus的那些浸出玻璃纤维。
BELCOTEX纤维是标准型短纤维预纱线。这类纤维具有约550tex的平均细度，且一般由经氧化铝改性的硅酸制成。BELCOTEX纤维是非晶形且一般含有约94.5％二氧化硅、约4.5％氧化铝、小于0.5％氧化钠、及小于0.5％的其它组分。这些纤维具有约9微米的平均纤维直径和1500至1550℃范围内的熔点。这些纤维耐热至高达1100℃的温度，且一般无闪色且无粘合剂。
REFRASIL纤维(类似于BELCOTEX纤维)是高硅含量的非晶形浸出玻璃纤维，其为在1000℃至1100℃温度范围内的应用提供热隔绝。这些纤维直径介于约6与约13微米之间，熔点为约1700℃。浸出后，纤维通常具有约95重量％的二氧化硅含量。氧化铝可以约4重量％的含量存在，其它组分以1％或更少的含量存在。
来自Polotsk-Steklovolokno的PS-23(R)纤维是高硅含量的非晶形玻璃纤维，且适宜为需要耐至少约1000℃的应用提供热隔绝。这些纤维的纤维长度在约5至约20mm的范围内，和纤维直径为约9微米。这些纤维(类似于REFRASIL纤维)的熔点为约1700℃。
可使用的适宜耐高温生物可溶性无机纤维包括但不限于碱土金属硅酸盐纤维(如氧化钙-氧化镁-二氧化硅纤维或氧化镁-二氧化硅纤维)、钙铝纤维、钾钙铝纤维、钾铝硅酸盐纤维、或钠铝硅酸盐纤维。
术语“生物可溶性”无机纤维是指在生理培养基中或在模拟生理培养基(如模拟肺液、盐水溶液、缓冲盐水溶液等)中可溶或以其它方式可分解的无机纤维。可以通过测量纤维在模拟生理培养基中随时间的溶解度，评估纤维的溶解度。也可以通过观察在测试动物中纤维的直接植入的效果，或通过检查已经暴露于纤维的动物或人类，来评估生物可溶性，即生物持久性。
一种测量纤维在生理培养基中的生物可溶性(即，非耐久性)的方法是揭示于颁予UnifraxILLC的美国专利No.5,874,375中，且其以引用的方式并入本文。其它方法适用于评估无机纤维的生物可溶性。根据某些实施方案，所述生物可溶性纤维当以0.1g样品暴露于在37℃下以0.3ml/min流动的模拟肺液时，展示至少30ng/cm2-hr的溶解度。根据其它实施方案，所述生物可溶性无机纤维当以0.1g样品暴露于在37℃下以0.3ml/min流动的模拟肺液时，可以展示至少50ng/cm2-hr、或至少100ng/cm2-hr、或至少1000ng/cm2-hr的溶解度。
评估纤维的生物可溶性的另一种方法是基于纤维的组成。例如，德国根据组成指数(KI值)分类可吸入无机氧化物纤维。KI值是通过将碱金属及碱土金属氧化物的重量百分比相加和减去氧化铝在无机氧化物纤维中的重量百分比的两倍，计算。生物可溶性的无机纤维通常具有约40或更大的KI值。
可以用于制备用于废气处理装置的安装垫的生物可溶性碱金属硅酸盐纤维的适宜实例包括但不限于揭示于美国专利No.6,953,757、6,030,910、6,025,288、5,874,375、5,585,312、5,332,699、5,714,421、7,259,118、7,153,796、6,861,381、5,955,389、5,928,075、5,821,183、和5,811,360中的那些纤维，这些专利以引用的方式并入本文。
根据某些实施方案，所述生物可溶性碱土金属硅酸盐纤维可以包括镁和硅的氧化物的混合物的纤维化产物。这些纤维通常被称为镁硅酸盐纤维。镁硅酸盐纤维一般包括约60至约90重量％二氧化硅、大于0至约35重量％氧化镁和5重量％或更少的杂质的纤维化产物。根据某些实施方案，碱金属硅酸盐纤维包括约65至约86重量％二氧化硅、约14至约35重量％氧化镁和5重量％或更少杂质的纤维化产物。根据其它实施方案，碱土金属硅酸盐纤维包括约70至约86重量％二氧化硅、约14至约30重量％氧化镁、和5重量％或更少杂质的纤维化产物。一种适宜的镁硅酸盐纤维可以注册商标ISOFRAX购自UnifraxILLC(NiagaraFalls，NewYork)。市售的ISOFRAX纤维一般包括约70至约80重量％二氧化硅、约18至约27重量％氧化镁和4重量％或更少杂质的纤维化产物。
根据某些实施方案，生物可溶性碱金属硅酸盐纤维可以包括钙、镁氧化物和二氧化硅的混合物的纤维化产物。这些纤维通常被称为氧化钙-氧化镁-二氧化硅纤维。根据某些实施方案，氧化钙-氧化镁-二氧化硅纤维包括约45至约90重量％二氧化硅、大于0至约45重量％氧化钙、大于0至约35重量％氧化镁、和10重量％或更少杂质的纤维化产物。在某些实施方案中，生物可溶性氧化钙-氧化镁-二氧化硅纤维包括约15％至约35％CaO、约2.5％至约20％MgO、和约60％至约70％SiO2。
有用的氧化钙-氧化镁-二氧化硅纤维可以注册商标INSULFRAX购自UnifraxILLC(NiagaraFalls，NewYork)。INSULFRAX纤维一般包括约61至约67重量％二氧化硅、约27至约33重量％氧化钙、及约2至约7重量％氧化镁的纤维化产物。其它适宜的氧化钙-氧化镁-二氧化硅纤维可以商标名SUPERWOOL607、SUPERWOOL607MAX和SUPERWOOLHT购自ThermalCeramics(Augusta，Georgia)。SUPERWOOL607纤维包括约60至约70重量％二氧化硅、约25至约35重量％氧化钙、和约4至约7重量％氧化镁、和微量氧化铝。SUPERWOOL607MAX纤维包括约60至约70重量％二氧化硅、约16至约22重量％氧化钙和约12至约19重量％氧化镁、及微量氧化铝。SUPERWOOLHT纤维包括约74重量％二氧化硅、约24重量％氧化钙和微量氧化镁、氧化铝和氧化铁。
根据某些实施方案，所述生物可溶性碱金属硅酸盐纤维可包括钙和铝的氧化物的混合物的纤维化产物。根据某些实施方案，至少90重量％的所述钙铝纤维包括约50至约80重量％氧化钙、约20至小于50重量％氧化铝、及10或更少重量％杂质的纤维化产物.根据其它实施方案，至少90重量％的所述钙铝纤维包括约50至约80重量％氧化铝、约20至小于50重量％氧化钙和10重量％或更少杂质的纤维化产物。
根据某些实施方案，生物可溶性碱金属硅酸盐纤维可包括钾、钙和铝的氧化物的混合物的纤维化产物。根据某些实施方案，所述氧化钾-钙铝纤维包括约10至约50重量％氧化钙、约50至约90重量％氧化铝、大于0至约10重量％氧化钾和10重量％或更少杂质的纤维化产物。
所述生物可溶性纤维通常是可以熔融成形的非晶形无机或玻璃纤维，是具有高化学纯度(大于约98％)的纤维，且可以具有在约1μm至约10μm范围内且在某些实施方案中在约2μm至约4μm范围内的平均直径。如相关技术中已熟知，虽然未明确要求，但是可改善所述纤维的性能。
可以视情况并入所述安装垫的膨胀材料可以包括但不限于未膨胀蛭石、离子交换蛭石、热处理蛭石、可膨胀石墨、水黑云母、水溶胀性四硅氟云母、碱金属硅酸盐、或其混合物。所述膨胀材料可以占最终垫的约10重量％至约60重量％的量存在于所述安装垫中。所述安装垫可包括多于一类的膨胀材料的混合物。所述膨胀材料可以包括相对量为约9∶1至约1∶2蛭石∶石墨的未膨胀蛭石与可膨胀石墨的混合物，如美国专利No.5,384,188中所述。
在某些实施方案中，所述安装垫可以包括耐高温无机纤维和可选的粘合剂的实质上非膨胀性多层片。“实质上非膨胀性”意指，当施加热时，片不容易膨胀，而膨胀片或纸预期将膨胀。当然，基于其热膨胀系数，将发生一定程度的片膨胀。然而，相比于基于膨胀性质所发生的膨胀，这种膨胀程度不明显。应了解，这类安装垫可以实质上不含膨胀材料。
所述安装垫包括一或多种有机粘合剂。所述有机粘合剂可以固体形式(如粘合剂粉末、液体、溶液、分散液、乳胶、乳液或类似形式)提供。所述有机粘合剂可以包括热塑性或热固性粘合剂，其在固化后为挠性材料，且可以从装好的安装垫烧毁。适宜的有机粘合剂的实例包括但不限于丙烯酸乳胶、(甲基)丙烯酸乳胶、苯乙烯与丁二烯的共聚物、乙烯吡啶、丙烯腈、丙烯腈与苯乙烯的共聚物、氯乙烯、聚氨酯、醋酸乙烯酯与乙烯的共聚物、聚酰胺等。其它树脂包括低温挠性热固性树脂，如不饱和聚酯、环氧树脂和聚乙烯酯。
有机粘合剂可以占所述安装垫的总重量大于0至约20重量％，在某些实施方案中约0.5至约15重量％，在其它实施方案中约1至约10重量％和在某些实施方案中约2至约8重量％的量并入所述安装垫中。
所述安装垫可以包括聚合物粘合剂纤维以代替或附加至树脂性或液体粘合剂。这些聚合物粘合剂纤维可以占所述安装垫的总重量大于0至约20重量％，在某些实施方案中约1至约15重量％，且在其它实施方案中约2至约10重量％范围的量使用，以帮助将耐热无机纤维粘合在一起。粘合剂纤维的适宜实例包括聚乙烯醇纤维、聚烯烃纤维(如聚乙烯和聚丙烯)、丙烯酸纤维、聚酯纤维、醋酸乙基乙烯酯纤维、尼龙纤维和其组合。
通常，有机粘合剂是用于起始时将纤维粘合在一起的牺牲性粘合剂。“牺牲”表示，随着安装垫的温度向操作温度升高，有机粘合剂最终将从安装垫烧毁，留下无机纤维和可选的膨胀材料作为在金属壳体内用于支撑易碎结构的安装垫的组分。
用于粘合剂的溶剂可以包括水或适宜的有机溶剂，如丙酮。可以通过以所需的粘合剂负载和粘合剂系统的可加工性(粘性、固体含量等)为基础的传统方法，测定溶剂(如果使用)中的粘合剂的溶液强度。
在某些实施方案中，所述多层安装垫可以另外包括胶体二氧化硅、胶体氧化铝、胶体氧化锆、或其组合中的至少一种。可以将所述胶体无机氧化物以占安装垫的总重量约0.1重量％至约10重量％的量添加到安装垫中。
可以通过在形成片状材料的相关技术中已知的任何方式制造安装垫材料。例如，传统造纸法，无论是手铺设或机器铺设，可以用于制备片材。可以使用手抄模具、长网造纸机、或旋转成型造纸机制造片材。
例如，使用造纸法，可以将无机纤维、有机粘合剂和可选的膨胀材料混在一起，以形成混合物或浆液。纤维组分可以约0.25％至约5％的稠度或固形物含量(0.25至5份固体对99.75至95份水)混合。可以用水稀释组分浆液，以促进成形，且可以通过添加絮凝剂和排水助留化学物质和可选的其它添加剂到浆液来使其絮凝。将絮凝的混合物或浆液放置在造纸机上，使其形成含纤维层或片的纸。然后将多个湿层或片的堆叠干燥，如通过空气干燥或烘箱干燥。关于所使用的标准造纸技术的更详细说明，请参阅美国专利No.3458329，其公开内容以引用的方式并入本文。
或者，可以通过真空浇铸浆液形成层或片。按照这种方法，将组分浆液湿铺设到透水网上。对网施加真空，以从浆液中抽出大部分的水分，从而形成湿层或片。然后将多个湿层或片的堆叠干燥，通常是在烘箱中干燥。在干燥前或后，可以使所述层或片的堆叠通过一组滚筒，以压缩所述堆叠。
在一个制造本发明安装垫的方法的实施方案中，将包含耐高温纤维、可选的有机粘合剂和可选的膨胀材料的层片或层湿铺设在旋转成型造纸机上，堆叠仍然湿润的纸或片的多层片或层和通过″针刺机″处理，然后供料到干燥烘箱。这个过程可以包括当纤维仍被造纸溶液或浆液润湿时，针刺纤维以使一部分纤维交织或缠结，然后干燥所述片。因此，所得的安装垫相比于类似厚度和密度的先前技术安装垫得以加强。
在典型的纤维针刺操作(通常在纤维化步骤后立刻进行)中，使用润滑液(通常是油或其它润滑有机材料)以防止纤维断裂，和帮助纤维移动和缠结。在所述方法的一个实施方案中，来自湿法形成、造纸过程中的水可以用来帮助针刺过程。或者，可以在针刺过程之前干燥湿铺设片。
针刺，它意指将导致在纸或片内的部分纤维从它们的位置位移，并在纸或片的相对表面之间延伸一定长度的任何操作。针刺设备通常包括让纤维网在其上铺设或移动的水平表面，和附带一系列向下延伸针的针板。针板使针往复进出所述网，并将一些网纤维重新定位到实质上垂直网表面的平面中。针可以从一个方向推动纤维通过网，或例如通过使用在针上的倒钩，既可以从顶部推动纤维，也可以从网的底部牵拉纤维。常见的是，通过钩针全部或部分穿过纤维纸或片，使一小部分的纤维物理缠结。
此外或作为选择，水力缠结方法可以用于交织和缠结纤维。在水力缠结方法中，用细而高强度的水射流冲击松散纤维的层或片，使纤维支持在穿孔表面(如线屏或穿孔鼓)上。液体射流造成相对较短且具有松散末端的纤维被重新排列，同时使至少部分纤维相互物理缠结、包覆、和/或交织。
在针刺或水力缠结仍湿润的纸或真空浇铸垫后，垫可以视情况经按压，并在烘箱中干燥，例如但不限于在约80℃至约700℃下干燥。
湿法针刺步骤甚至允许编织脆纤维而不发生大量断裂。湿法针刺进一步提供高强度，即使有机粘合剂已被烧毁(如在车辆运作的初期)，使垫即使在汽车排气系统所经历的振动条件下维持耐用。
应注意，单层安装垫可能由于密度过低而无法在某些应用中便利使用。因此，它们可接受进一步的致密化，包括堆叠薄层和通过相关技术已知的任何方式处理以提供更高的密度。一种如上所述的致密化方式是针刺纤维，以使一部分纤维交织和缠结。此外或作为选择，可使用如上文详细论述的水力缠结方法。另一种替代方法是通过压辊轧制来将纤维按压成垫。这些多层垫致密化方法中的任一种或这些方法的组合都可以很轻易地用于获得恰当和理想形式的安装垫。
不论使用上述技术中的哪一种，都可以如通过模压来切割复合材料，以形成具有可重现公差的精确形状和大小的安装垫。安装垫20在如通过针刺等的致密化后展示适当处理属性，这意味着它可以轻易处理且不会像许多其它纤维毯或垫那么脆而在手中破碎。它可以轻易地且挠性地安装或包覆在易碎结构18或类似易碎结构周围而不开裂，和然后布置在催化转化器壳体12内。一般来说，经安装垫包覆的易碎结构可以插入到壳体中，或可以在经安装垫包覆的易碎结构周围建造或以其它方式制造壳体。
实例
叙述以下实例只是为了进一步说明安装垫和废气处理装置。说明性实例不应该以任何方式被解释为限制安装垫、并入安装垫的废气处理装置、或制造安装垫或废气处理装置的方法。
比较实例1
使用手抄模具，制造1600gsm单层安装垫。垫主要是由RCF和少量的有机粘合剂编成。将手抄片干燥，然后按压至9mm的目标厚度。目标厚度提供约180kg/m3的垫密度。
实例2
使用手抄模具，制造10片各160gsm的安装垫。各片主要是由RCF和少量的有机粘合剂纤维编成。将10个手抄片干燥，然后按压在一起，以形成具有实例1的目标厚度的1600gsm多层垫。目标厚度提供约180kg/m3的多层垫密度。
实例3
使用旋转成型造纸机，制造2个725gsm的片。所述片主要是由RCF和少量的另一种耐高温无机纤维编成。随后，将2个片合并，并使用针刺致密化。在针刺后，煅烧多层垫，并机械轧制成8.5mm的目标厚度。目标厚度提供172kg/m3的垫密度。
实例4
使用旋转成型造纸机，制造4个350gsm的片。所述片主要是由RCF和少量的另一种耐高温无机纤维编成。随后，将4个片合并，并使用针刺致密化。在针刺后，煅烧多层垫，并机械轧制成实例3的目标厚度。目标厚度提供172kg/m3的多层垫密度。
实例5
使用真空圆网造纸机，制造8片175gsm的片。所述片主要是由RCF和少量的额外的耐高温无机纤维编成。随后，将8片纸合并，并使用针刺致密化。在针刺后，煅烧多层垫，并机械轧制成实例3的目标厚度。目标厚度提供172kg/m3的多层垫密度。
测试
使用1000次循环试验，测试如在以上实例中所述那样制造的各种样品的性能。测试使在900℃的热面温度和550℃的冷面温度下进行的标准1000次循环间隙膨胀测试进行了1000次机械循环。间隙膨胀率保持在8％且测试垫的间隙容重为0.3g/cm3。
术语“循环”的意思是在特定距离并以预定速率打开和闭合单片(即易碎结构)与壳体之间的间隙。为了模拟现实条件，可以通过计算传统壳体在例如约900℃的温度下的热膨胀系数，确定给定直径的壳体与易碎结构之间的间隙的膨胀。然后选择最终垫的基重，使其能够满足测试标准，并提供1000次循环后的目标最低保持力。应了解，一般技术人员将能采用这些参数进行这个1000次循环试验，而无需过度实验。也就是说，上面设置的参数，让一般技术人员可以进行垫子的有效保持压力的同类比较，而无需考虑垫的特性或间隙的大小。
在1000次循环后，各个实例的最低保持压力记录在以下表1中。
表1
实例2的多层垫(在垫的x-y平面中定向的纤维比例增加)表现出保持压力相对比较实例1的单层安装垫增加30％。通过增加垫层数(在垫的x-y平面中定向的纤维比例增加)，同时保持相应单层垫的目标厚度，实例3-5的多层垫表现出保持压力增加20至30％。
这些垫有利于催化转化器和柴油微粒捕集器行业。安装垫可以进行模切和可以提供易于操作的薄型且以挠性形式作为弹性支撑操作，以便能够提供对催化剂支撑结构的完全包裹，如果需要，不会开裂。或者，安装垫可以完整包裹至少一部分催化剂支撑结构的整个全围或周长。安装垫也可以部分包裹且包括如目前在一些传统的转换器装置中使用的端密封(如果需要)，以防止气体通过。
上述安装垫还可以用于多种应用中，如传统的汽车催化转化器，尤其是用于摩托车和其它小型发动机中的催化转化器，汽车预转化器，以及高温垫片、垫圈、甚至下一代汽车底盘催化转化器系统。一般来说，它们可以用在需要垫或垫圈，以在室温下施加保持压力，更重要的是提供在高温下(包括在热循环期间)维持保持压力的能力的任何应用中。
上述本发明安装垫材料可以用作废气处理装置中的端锥隔绝。根据某些实施方案，提供一种用于废气处理装置的端锥。端锥一般包括外金属锥、内金属锥和布置于外金属端锥与内金属端锥之间的间隙或空间内的端锥隔绝。
根据其它实施方案，所述端锥可包括外金属锥和布置在外金属锥的内表面附近的至少一个锥隔绝层。根据这些实施方案，端锥组合件不提供内金属锥。相反，以已知方式硬化锥隔绝，以提供阻止高温气体流经装置的自立式锥结构。
提供一种包括至少一端锥的废气处理装置。所述废气处理装置可以包括壳体、放置在壳体内部的易碎结构、用于将排气管附接到壳体的入口和出口端锥组合件，各端锥组合件包括内端锥壳体、外端锥壳体、和端锥隔绝。本发明多层安装垫可配置为端锥隔绝，放置于废气处理装置的双壁端锥组合件的内锥壳体与外锥壳体之间。
上述安装垫也可以用于在化学工业中所使用的位于排气或排放堆内的催化转化器中，包括那些含有需要保护安装的易碎蜂巢型结构的催化转化器。
本发明的第一实施方案包括一种用于废气处理装置的多层安装垫，其包括：耐高温无机纤维；可选的有机粘合剂；和可选的膨胀材料；其中所述垫是由多层纤维片形成；和其中在至少一纤维片中的大多数纤维是在所述至少一纤维片的x-y平面内定向。
第一实施方案的所述多层安装垫可以另外包括，在复数层纤维片中的大多数纤维是在所述复数层纤维片的x-y平面内定向。
上述第一或随后实施方案中任一个或两个的所述多层安装垫可以另外包括，所述纤维片是由湿法铺设。
上述第一或随后实施方案中任一个的所述多层安装垫可以另外包括，小部分所述纤维是通过湿法针刺、干法针刺、水力缠结或按压中至少一种而物理缠结在所述多层安装垫内。
上述第一或随后实施方案中任一个的所述多层安装垫可以另外包括，所述无机纤维是高氧化铝多晶纤维、耐火陶瓷纤维、莫来石纤维、氧化铝-氧化锆-二氧化硅纤维、铝氧化镁-二氧化硅纤维、玻璃纤维、耐高温生物可溶性纤维、浸出玻璃二氧化硅纤维、或其组合中的至少一种。所述高氧化铝多晶纤维可包括约72至约100重量％氧化铝和约0至约28重量％二氧化硅的纤维化产物。所述耐火陶瓷纤维可包括铝硅酸盐纤维，其包括约45至约75重量％氧化铝和约25至约55重量％二氧化硅的纤维化产物。所述生物可溶性纤维可包括氧化镁-二氧化硅纤维，其包括约65至约86重量％二氧化硅、约14至约35重量％氧化镁和约5重量％或更少的杂质的纤维化产物。所述生物可溶性纤维可包括氧化钙-氧化镁-二氧化硅纤维，其包括约45至约90重量％二氧化硅、大于0至约45重量％氧化钙和大于0至约35重量％氧化镁的纤维化产物。
上述第一或随后实施方案中任一个的所述多层安装垫可另外包括，所述膨胀材料是未膨胀蛭石、离子交换蛭石、热处理蛭石、可膨胀石墨、水黑云母、水溶胀性四硅氟云母、碱金属硅酸盐、或其混合物中的至少一种。所述膨胀材料可包括未膨胀蛭石。
上述第一或随后实施方案中任一个的所述多层安装垫可以另外包括，所述有机粘合剂包括丙烯酸乳胶、(甲基)丙烯酸乳胶、苯乙烯与丁二烯的共聚物、乙烯吡啶、丙烯腈、丙烯腈与苯乙烯的共聚物、氯乙烯、聚氨酯、醋酸乙烯酯与乙烯的共聚物、聚酰胺、硅酮、不饱和聚酯、环氧树脂和聚乙烯酯、和其混合物中的至少一种。
上述第一或随后实施方案中任一个的所述多层安装垫可另外包括，其中所述有机粘合剂包括聚乙烯醇纤维、聚烯烃纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、丙烯酸纤维、聚酯纤维、醋酸乙基乙烯酯纤维、尼龙纤维和其组合中的至少一种。
上述第一或随后实施方案中任一个的所述多层安装垫可另外包括胶体二氧化硅、胶体氧化铝、胶体氧化锆、或其组合中的至少一种。
本发明的第二实施方案包括一种制造上述第一或随后实施方案中任一个的所述多层安装垫的方法，其包括制备包括所述耐高温纤维、可选的有机粘合剂和可选的膨胀材料的湿纸或片；将多层所述湿纸或片堆叠在一起，及使在湿纸或片层堆叠内的层之间的一部分纤维交织或缠结，然后干燥。
第二实施方案的方法可以另外包括，所述交织或缠结包括针刺或水力缠结湿纸或片层堆叠中的至少一种。
本发明的第三实施方案包括一种废气处理装置，其包括：壳体；弹性安装在所述壳体内的易碎结构；和布置于所述壳体与所述易碎结构之间的间隙中的安装垫，其中所述安装垫是上述第一或随后实施方案中任一个的所述安装垫。
第三实施方案的废气处理装置可以另外包括，所述装置是催化转化器或柴油微粒捕集器。
本发明的第四实施方案包括一种用于废气处理装置的端锥，其包括：外金属锥；内金属锥；和布置在所述外金属端锥与内金属端锥之间的锥隔绝，所述锥隔绝包括上述第一或随后实施方案中任一个的所述多层安装垫。
本发明的第五实施方案包括一种用于废气处理装置的端锥，其包括：外金属锥；和包括上述第一或随后实施方案中任一个的所述多层安装垫的自立式锥隔绝；其中所述锥隔绝放置在所述外金属端锥的内表面附近。

Claims (17)

1.一种用于废气处理装置的多层安装垫，其包括：
耐高温无机纤维；
可选的有机粘合剂；和
可选的膨胀材料；
其中所述垫是由多层湿法铺设的纤维片形成；
其中在所述多层湿法铺设的纤维片的多个中的每个纤维片中的大多数耐高温无机纤维是在所述每个纤维片的x-y平面内定向，及
其中小部分耐高温无机纤维是通过湿法针刺、干法针刺、水力缠结或按压中的至少一种而物理缠结在所述多层安装垫内。
2.根据权利要求1所述的多层安装垫，其中所述耐高温无机纤维是高氧化铝多晶纤维、耐火陶瓷纤维、莫来石纤维、氧化铝-氧化锆-二氧化硅纤维、氧化铝-氧化镁-二氧化硅纤维、玻璃纤维、耐高温生物可溶性纤维或浸出玻璃二氧化硅纤维的至少一种。
3.根据权利要求2所述的多层安装垫，其中所述高氧化铝多晶纤维包括72至100重量％氧化铝和0至28重量％二氧化硅的纤维化产物。
4.根据权利要求2所述的多层安装垫，其中所述耐火陶瓷纤维包括铝硅酸盐纤维，其包括45至75重量％氧化铝和25至55重量％二氧化硅的纤维化产物。
5.根据权利要求2所述的多层安装垫，其中所述生物可溶性纤维包括氧化镁-二氧化硅纤维，其包括65至86重量％二氧化硅、14至35重量％氧化镁和5重量％或更少杂质的纤维化产物。
6.根据权利要求2所述的多层安装垫，其中所述生物可溶性纤维包括氧化钙-氧化镁-二氧化硅纤维，其包括45至90重量％二氧化硅、大于0至小于或等于45重量％氧化钙和大于0至小于或等于35重量％氧化镁的纤维化产物。
7.根据权利要求1所述的多层安装垫，其中所述膨胀材料是未膨胀蛭石、离子交换蛭石、热处理蛭石、可膨胀石墨、水黑云母、水溶胀四硅氟云母或碱金属硅酸盐中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的多层安装垫，其中所述膨胀材料包括未膨胀蛭石。
9.根据权利要求1所述的多层安装垫，其中所述有机粘合剂包括丙烯酸乳胶、(甲基)丙烯酸乳胶、苯乙烯与丁二烯的共聚物、乙烯吡啶、丙烯腈、丙烯腈与苯乙烯的共聚物、氯乙烯、聚氨酯、醋酸乙烯酯与乙烯的共聚物、聚酰胺、硅酮、不饱和聚酯、环氧树脂和聚乙烯酯中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的多层安装垫，其中所述有机粘合剂包括聚乙烯醇纤维、聚烯烃纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、丙烯酸纤维、聚酯纤维、醋酸乙基乙烯酯纤维或尼龙纤维中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的多层安装垫，其另外包括胶体二氧化硅、胶体氧化铝或胶体氧化锆中的至少一种。
12.一种制造根据权利要求1至11中任一项所述的多层安装垫的方法，其包括制备包括所述耐高温无机纤维、可选的有机粘合剂和可选的膨胀材料的湿纸或片；将多层所述湿纸或片堆叠在一起，和使在湿纸或片层堆叠内的层之间的一部分耐高温无机纤维交织或缠结，然后干燥。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述部分耐高温无机纤维通过针刺和/或水力缠结片层或湿纸的堆叠交织或缠结。
14.一种废气处理装置，其包括：
壳体；
弹性安装在所述壳体内的易碎结构；和
布置于所述壳体与所述易碎结构之间的间隙中的安装垫，其中所述安装垫是在权利要求1至11中任一项中定义。
15.根据权利要求14所述的废气处理装置，其中所述装置是催化转化器或柴油微粒捕集器。
16.一种用于废气处理装置的端锥，其包括：
外金属端锥；
内金属端锥；和
布置于所述外金属端锥与内金属端锥之间的锥隔绝，所述锥隔绝包括根据权利要求1至11中任一项所述的多层安装垫。
17.一种用于废气处理装置的端锥，其包括：
外金属端锥；和
包括根据权利要求1至11中任一项所述的多层安装垫的自立式锥隔绝；
其中所述自立式锥隔绝布置在所述外金属端锥的内表面附近。
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