DE202006017355U1 - Porous substrate having high porosity useful for e.g. filter comprises structure formed of bonded ceramic fibers produced by mixing ceramic fiber with additives and fluid; extruding the mixture into green substrate followed by curing - Google Patents

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Abstract

A porous ceramic substrate having porosity of 60 - 85% comprises structure formed of bonded ceramic fibers and is produced by an extrusion process involving mixing ceramic fibers with additives and a fluid to form an extrudable mixture; extruding the mixture into a green substrate; and curing the green substrate into the porous substrate. Independent claims are included for the following: (1) an extruded porous honeycomb substrate; (2) a filter product; and (3) a catalytic converter product.

Description

HINTERGRUNDBACKGROUND

1. VERWANDTE ANMELDUNGEN1. RELATED APPLICATIONS

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nummer 60/737,237, eingereicht am 16. November 2005, mit dem Titel „System zum Extrudieren eines porösen Substrats"; der US-Patentanmeldung Nummer 11/323,430, eingereicht am 30. Dezember 2005, mit dem Titel „Extrudierbares Gemisch zum Bilden eines porösen Blocks"; der US-Patentanmeldung Nummer 11/322,777, eingereicht am 30. Dezember 2005, mit dem Titel „Verfahren zum Extrudieren eines porösen Substrats"; und der US-Patentanmeldung Nummer 11/323,429, eingereicht am 30. Dezember 2005, mit dem Titel „Extrudiertes poröses Substrat und Erzeugnisse unter Verwendung desselben"; von denen alle in ihrer Gesamtheit hierin einbezogen sind.These Application claims the benefit of US Provisional Patent Application Number 60 / 737,237, filed on 16 November 2005, entitled "Extrusion System porous Substrate "; U.S. Patent Application Number 11 / 323,430, filed December 30 2005, entitled "Extrudable Mixture to form a porous Blocks "of the US patent application Number 11 / 322,777, filed December 30, 2005, entitled "Method for extruding a porous one Substrate "; and United States Patent Application Number 11 / 323,429 filed December 30 2005, entitled "Extruded porous Substrate and articles using the same ", of which all are included herein in their entirety.

2. GEBIET2nd AREA

Die vorliegende Erfindung betrifft ein poröses keramisches Wabensubstrat.The The present invention relates to a porous ceramic honeycomb substrate.

3. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK3. DESCRIPTION OF THE STAND OF THE TECHNIQUE

Viele Prozesse erfordern feste Substrate zum Erleichtern und Unterstützen verschiedener Vorgänge. Zum Beispiel werden Substrate bei Filteranwendungen verwendet, um Schwebstoffe zu filtern, unterschiedliche Substanzen zu trennen oder Bakterien oder Keime aus der Luft zu entfernen. Diese Substrate können derart konstruiert sein, dass sie in Luft, Abgasen oder Flüssigkeiten wirken, und können derart hergestellt werden, dass sie erheblichen Umwelt- oder chemischen Belastungen standhalten. In einem anderen Beispiel werden zur Erleichterung chemischer Reaktionen katalytische Materialien auf die Substrate aufgetragen. Zum Beispiel kann ein Edelmetall auf ein geeignetes Substrat aufgetragen werden, und das Substrat kann dann derart wirken, dass es schädliche Abgase in weniger schädliche Gase katalytisch umwandelt. Typischerweise arbeiten diese festen Substrate wirksamer mit einer höheren Porosität.Lots Processes require solid substrates to facilitate and support different ones Operations. To the For example, substrates used in filtering applications are suspended solids to filter, separate different substances or bacteria or remove germs from the air. These substrates can be so Be constructed in air, exhaust gases or liquids act, and can be prepared so that they have significant environmental or chemical Withstand loads. In another example, to the relief chemical reactions catalytic materials on the substrates applied. For example, a precious metal may be applied to a suitable one Substrate are applied, and the substrate can then act, that it is harmful Exhaust gases in less harmful Catalytically converts gases. Typically, these fixed Substrates more effective with a higher Porosity.

Die Porosität ist im Allgemeinen als die Eigenschaft eines festen Materials definiert, die den prozentualen Anteil des Gesamtvolumens dieses Materials bestimmt, welches von einem offenen Raum eingenommen wird. Zum Beispiel hat ein Substrat mit 50% Porosität das halbe Volumen des Substrats, das von offenen Räumen eingenommen wird. Auf diese Weise hat ein Substrat mit einer höheren Porosität weniger Masse pro Volumen als ein Substrat mit einer geringeren Porosität. Einige Anwendungen ziehen Nutzen aus einem Substrat mit geringerer Masse. Wenn zum Beispiel ein Substrat verwendet wird, um einen katalytischen Prozess zu unterstützen, und der katalytische Prozess bei einer erhöhten Temperatur arbeitet, erwärmt sich ein Substrat mit einer geringeren thermisch wirksamen Masse schneller auf seine Betriebstemperatur. Auf diese Weise wird die Zeit für den auf seine Betriebstemperatur zu erwärmenden Katalysator, d.h. die Anspringzeit, unter Verwendung eines poröseren und weniger thermisch massiven Substrats reduziert.The porosity is generally defined as the property of a solid material, the percentage of the total volume of this material determines which of an open space is occupied. For example has a substrate with 50% porosity half the volume of the substrate occupied by open spaces becomes. In this way, a substrate with a higher porosity has less Mass per volume as a substrate with a lower porosity. Some Applications benefit from a lower mass substrate. For example, when a substrate is used to produce a catalytic Support process and the catalytic process operates at an elevated temperature, heats up a substrate with a lower thermal mass faster to its operating temperature. This way, the time is up for to warm its operating temperature Catalyst, i. the kicking time, using a more porous and less thermally massive substrate reduced.

Die Permeabilität ist ebenfalls eine wichtige Eigenschaft für Substrate, insbesondere Filter- und katalytische Substrate. Die Permeabilität steht mit der Porosität dadurch in Beziehung, dass die Permeabilität ein Maß dafür ist, wie leicht ein Fluid, wie eine Flüssigkeit oder ein Gas, durch das Substrat hindurch strömen kann. Die meisten Anwendungen ziehen Nutzen aus einem hochpermeablen Substrat. Zum Beispiel arbeitet ein Verbrennungsmotor effizienter, wenn der Nachbehandlungsfilter einen geringeren Staudruck für den Motor bereitstellt. Ein geringer Staudruck wird durch Verwendung eines höherpermeablen Substrats erzeugt. Da die Permeabilität schwieriger als die Porosität zu messen ist, wird die Porosität häufig als ein Ersatzrichtwert für die Permeabilität eines Substrats verwendet. Jedoch ist dies keine besonders genaue Charakterisierung, da ein Substrat ziemlich porös sein, aber noch eine begrenzte Permeabilität haben kann, wenn die Poren nicht generell offen und miteinander verbunden sind. Zum Beispiel wird ein Styropor-Trinkbecher aus einem hochporösen Schaumstoffmaterial gebildet, ist jedoch nicht permeabel für den Flüssigkeitsstrom. Daher muss in Anbetracht der Bedeutung der Porosität und Permeabilität auch die Porenstruktur des Substrats geprüft werden. In dem Beispiel des Styroporbechers hat das Styropormaterial ein geschlossenes Porennetz. Das heißt, dass der Schaumstoff viele nicht verbundene und/oder geschlossene Poren enthält. Auf diese Weise gibt es viele Lücken und offene Räume in dem Schaumstoff, aber da die Poren nicht verbunden sind, kann kein Fluid oder Gas von der einen Seite des Schaumstoffs zu der anderen strömen. Wenn mehrere der Kanäle beginnen, sich miteinander zu verbinden, beginnen die Fluidpfade, sich von der einen Seite zu der anderen zu bilden. In einem solchen Fall spricht man davon, dass das Material mehrere offene Porennetze besitzt. Je mehr verbundene Kanäle durch das Material hindurch ausgebildet sind, desto höher ist die Permeabilität für die Substanz. In dem Fall, wo jede Pore mit wenigstens einem anderen Kanal verbunden ist und alle Poren den Fluidstrom durch die gesamte Dicke der aus dem Material gebildeten Wand hindurch ermöglichen, würde das Substrat als ein vollständig offenes Porennetz definiert werden. Es ist wichtig, den Unterschied zwischen Zellen und Poren zu beachten. Als Zellen werden die Kanäle bezeichnet, die (im Allgemeinen, aber nicht unbedingt parallel zueinander) durch das Wabensubstrat hindurch verlaufen. Häufig werden Wabensubstrate im Zusammenhang damit erwähnt, wie viele Zellen pro Quadratinch sie haben. Zum Beispiel hat ein Substrat mit 200 Zellen pro Quadratinch 200 Kanäle entlang der Hauptachse des Substrats. Als Poren werden andererseits die Spalte in dem Material selbst bezeichnet, wie in dem Material, das die Wand bildet, die zwei parallele Kanäle oder Zellen trennt. Vollständig oder größtenteils offene Porennetzsubstrate sind in den Filter- oder Katalysatorindustrien nicht bekannt. Stattdessen sind sogar die meisten porösen verfügbaren extrudierten Substrate eine Mischform aus einer geöffneten und geschlossenen Porenporosität.Permeability is also an important property for substrates, especially filter and catalytic substrates. The permeability is related to porosity in that the permeability is a measure of how easily a fluid, such as a liquid or gas, can flow through the substrate. Most applications take advantage of a high permeability substrate. For example, an internal combustion engine works more efficiently when the aftertreatment filter provides a lower back pressure for the engine. Low back pressure is created by using a higher permeability substrate. Since permeability is more difficult to measure than porosity, porosity is often used as a substitute guide to the permeability of a substrate. However, this is not a particularly accurate characterization because a substrate may be quite porous but may still have limited permeability if the pores are not generally open and interconnected. For example, a Styrofoam cup is formed from a highly porous foam material, but is not permeable to the liquid flow. Therefore, considering the importance of porosity and permeability, the pore structure of the substrate must also be tested. In the example of styrofoam cup, the polystyrene material has a closed pore network. That is, the foam contains many unbonded and / or closed pores. In this way, there are many gaps and open spaces in the foam, but since the pores are not connected, no fluid or gas can flow from one side of the foam to the other. As more of the channels begin to connect, the fluid paths begin to form from one side to the other. In such a case, it is said that the material has several open pore networks. The more connected Channels are formed through the material, the higher the permeability for the substance. In the case where each pore is connected to at least one other channel and all pores allow fluid flow through the entire thickness of the wall formed from the material, the substrate would be defined as a completely open pore network. It is important to keep in mind the difference between cells and pores. Cells are the channels that pass (generally but not necessarily parallel to one another) through the honeycomb substrate. Often honeycomb substrates are mentioned in connection with how many cells per square inch they have. For example, a substrate has 200 cells per square inch 200 Channels along the major axis of the substrate. On the other hand, as pores, the gaps are referred to in the material itself, as in the material forming the wall separating two parallel channels or cells. Fully or mostly open pore network substrates are not known in the filter or catalyst industries. Instead, even most porous extruded substrates available are a mixed form of open and closed pore porosity.

Dementsprechend ist es für viele Anwendungen sehr erwünscht, dass Substrate mit hoher Porosität und mit einer inneren Porenstruktur gebildet werden, die eine gleichermaßen hohe Permeabilität ermöglicht. Ebenso müssen die Substrate mit einer ausreichend festen Struktur gebildet werden, um den strukturellen und umweltbedingten Erfordernissen für besondere Anwendungen Rechnung zu tragen. Zum Beispiel muss ein Filter oder Katalysator, der an einem Verbrennungsmotor angebracht werden soll, in der Lage sein, der möglichen umgebungsbedingten Erschütterung, den thermischen Anforderungen und den Fertigungs- und Nutzungsbeanspruchungen standzuhalten. Schließlich muss das Substrat mit einem Aufwand hergestellt werden können, der gering genug ist, um eine umfassende Benutzung zu ermöglichen. Zum Beispiel muss, um auf das Niveau der weltweiten Schadstoffemission von Kraftfahrzeugen einzuwirken, ein Filtersubstrat sowohl in entwickelten als auch Entwicklungsländern erschwinglich und verwendbar sein. Dementsprechend ist die gesamte Kostenstruktur für Filter- und Katalysatorsubstrate ein wesentlicher Gesichtspunkt bei der Substratgestaltung und dem ausgewählten Verfahren.Accordingly is it for many applications very desirable, that substrates with high porosity and be formed with an inner pore structure that is equally high permeability allows. As well have to the substrates are formed with a sufficiently strong structure, to meet the structural and environmental needs of particular Applications. For example, a filter or Catalyst to be attached to an internal combustion engine to be able of possible environmental Vibration, the thermal requirements and the manufacturing and use stresses withstand. After all the substrate must be able to be manufactured at a cost, the low enough to allow full use. For example, to get to the level of global pollutant emissions of motor vehicles, a filter substrate both in developed as also developing countries affordable and usable. Accordingly, the entire Cost structure for Filter and catalyst substrates an essential consideration in the substrate design and the selected method.

Die Extrusion hat sich als ein effizientes und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung fester Substrate mit konstantem Querschnitt erwiesen. Insbesondere ist die Extrusion von Keramikpulvermaterial das am weitesten verbreitete Verfahren zur Herstellung von Filter- und katalytischen Substraten für Verbrennungsmotoren. Mit der Zeit ist das Verfahren zum Extrudieren von Keramikpulver derart fortgeschritten, dass nun Substrate mit Porositäten von annähernd 60% extrudiert werden können. Diese extrudierten porösen Substrate hatten gute Festigkeitseigenschaften, können flexibel hergestellt werden, können massengefertigt werden, hohe Qualitätsniveaus halten, und sind sehr kostengünstig. Jedoch hat die Extrusion von Keramikpulvermaterial eine praktische Obergrenze der Porosität erreicht, und weitere Erhöhungen der Porosität scheinen zu einer inakzeptablen geringen Festigkeit zu führen. Zum Beispiel hat sich, wenn die Porosität über 60% erhöht ist, das extrudierte Keramikpulversubstrat als nicht stark genug erwiesen, um in der rauen Umgebung eines Dieselpartikelfilters zu arbeiten. Bei einer anderen Beschränkung der bekannten Extrusionsverfahren war es erwünscht, den Oberflächenbereich in einem Substrat zu vergrößern, um eine effizientere katalytische Umwandlung zu ermöglichen. Um den Oberflächenbereich zu vergrößern, wurde versucht, die Zelldichte der extrudierten Keramikpulversubstrate zu erhöhen, jedoch führte die Erhöhung der Zelldichte zu einem inakzeptablen Staudruck für den Motor. Daher haben die extrudierten Keramikpulversubstrate mit sehr hohen Porositäten keine ausreichende Festigkeit und erzeugen auch einen inakzeptablen Staudruck, wenn ein vergrößerter Oberflächenbereich benötigt wird. Dementsprechend scheint die Extrusion von Keramikpulver ihre praktischen Nutzungsgrenzen erreicht zu haben.The Extrusion has proven to be an efficient and cost effective Process for the preparation of solid substrates with constant cross-section proved. In particular, the extrusion of ceramic powder material the most widely used method for the production of filter and catalytic substrates for Internal combustion engines. Over time, the process is to extrude of ceramic powder advanced so that now substrates with porosities from approximate 60% can be extruded. These extruded porous Substrates have good strength properties, can be flexible can be made be mass produced, maintain high quality levels, and are very inexpensive. However, the extrusion of ceramic powder material has a practical one Upper limit of porosity achieved, and further increases the porosity seem to lead to unacceptably low strength. To the For example, when the porosity is increased above 60%, the extruded ceramic powder substrate has become as not strong enough to work in the harsh environment of a diesel particulate filter to work. In another limitation of the known extrusion methods was it desirable the surface area in a substrate to enlarge to enable a more efficient catalytic conversion. To the surface area to enlarge attempts the cell density of the extruded ceramic powder substrates to increase, however, led the increase the cell density to an unacceptable back pressure for the engine. Therefore, the extruded ceramic powder substrates have very high porosities insufficient strength and also produce an unacceptable Back pressure, if an increased surface area needed becomes. Accordingly, the extrusion of ceramic powder seems their to have reached practical limits of use.

In dem Bestreben, höhere Porositäten zu erreichen, haben Filterlieferanten versucht, auf gefaltete Keramikpapiere umzustellen. Unter Verwendung solcher gefalteter Keramikpapiere sind Porositäten von etwa 80% mit sehr geringem Staudruck möglich. Mit einem solchen geringen Staudruck wurden diese Filter bei Anwendungen, wie Bergbau, verwendet, wo ein äußerst geringer Staudruck eine Notwendigkeit ist. Jedoch war die Verwendung der gefalteten Keramikpapierfilter sporadisch und wurde nicht sehr stark angenommen. Zum Beispiel wurden gefaltete Keramikpapiere in rauen Umgebungen nicht wirksam verwendet. Die Herstellung der gefalteten Keramikpapiere erfordert die Verwendung eines Papierherstellungsverfahren, das Keramikpapierstrukturen erzeugt, die relativ schwach sind und im Vergleich zu extrudierten Filtern nicht kostengünstig zu sein scheinen. Ferner ermöglicht die Bildung von gefalteten Keramikpapieren sehr wenig Flexibilität in der Zellform und Zelldichte. Zum Beispiel ist es schwierig, einen gefalteten Papierfilter mit großen Einlasskanälen und kleineren Auslasskanälen zu erzeugen, welche bei einigen Filteranwendungen erwünscht sein können. Dementsprechend hat die Verwendung von gefalteten Keramikpapieren die Erfordernisse für Filter- und katalytische Substrate mit höherer Porosität nicht erfüllt.In the desire to be higher porosities To achieve, filter suppliers have tried on folded ceramic papers convert. Using such folded ceramic papers are porosities of about 80% possible with very low dynamic pressure. With such a small one Back pressure these filters were used in applications such as mining, where a very small Back pressure is a necessity. However, the use of the Folded ceramic paper filter sporadically and did not get very strong accepted. For example, folded ceramic papers became rough Environments are not used effectively. The production of the folded Ceramic papers requires the use of a papermaking process, which produces ceramic paper structures that are relatively weak and not cost-effective compared to extruded filters seem to be. Furthermore allows the formation of folded ceramic papers has very little flexibility in the Cell shape and cell density. For example, it is difficult to do a folded one Paper filter with big inlet channels and smaller outlet channels which are desirable in some filter applications can. Accordingly, the use of folded ceramic papers the requirements for Filter and catalytic substrates with higher porosity not Fulfills.

In einem anderen Beispiel des Bestrebens, die Porosität zu erhöhen und die Nachteile von gefaltetem Papier zu vermeiden, hat man Substrate durch Formen einer Masse mit keramischen Präkursoren und sorgfältiges Verarbeiten der Masse zu wachsenden monokristallinen Whiskern in einem porösen Muster gebildet. Jedoch erfordert das Wachsen dieser Kristalle an Ort und Stelle eine sorgfältige und genaue Steuerung des Aushärtungsprozesses, was den Prozess für die Massenfertigung schwierig, relativ teuer und anfällig für Fehler macht. Ferner bietet dieser schwierige Prozess nur ein wenig mehr Prozentpunkte in der Porosität. Schließlich entwickelt der Prozess nur einen mullitartigen kristallinen Whisker, welcher die Anwendbarkeit des Substrats beschränkt. Zum Beispiel ist ein Mullit dafür bekannt, dass er einen großen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, was kristalline Mullitwhisker bei vielen Anwendungen unerwünscht macht, die einen breiten Temperaturbereich und genaue Temperaturübergänge erfordern.In another example of the endeavor to increase the porosity and the disadvantages of folded To avoid paper, substrates have been formed by forming a mass with ceramic precursors and thoroughly processing the mass into growing monocrystalline whiskers in a porous pattern. However, growing these crystals in place requires careful and accurate control of the curing process, making the process for mass production difficult, relatively expensive and prone to failure. Furthermore, this difficult process only provides a little more percentage points in porosity. Finally, the process develops only a mullite-like crystalline whisker which limits the applicability of the substrate. For example, a mullite is known to have a large coefficient of thermal expansion, making crystalline mullite whiskers undesirable in many applications requiring a wide temperature range and accurate temperature transitions.

Dementsprechend hat die Industrie einen Bedarf an einem festen Substrat, das eine hohe Porosität und eine entsprechend hohe Permeabilität hat. Bevorzugt würde das Substrat als ein sehr erwünschtes offenes Zellnetz geformt sein, würde kostengünstig in der Herstellung sein und könnte mit flexiblen physikalischen, chemischen und Reaktionseigenschaften hergestellt werden.Accordingly The industry has a need for a solid substrate that has a high porosity and has a correspondingly high permeability. This would be preferred Substrate as a very desirable open cell network would be shaped economical be in the making and could with flexible physical, chemical and reaction properties getting produced.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Kurz zusammengefasst, schafft die vorliegende Erfindung ein extrudierbares Gemisch zum Erzeugen eines hochporösen Substrats unter Verwendung eines Extrusionsverfahrens. Insbesondere ermöglicht die vorliegende Erfindung, Fasern, wie organische, anorganische, Glas-, Keramik- oder Metallfasern, zu einer Masse zu vermischen, die, wenn sie extrudiert und ausgehärtet ist, ein hochporöses Substrat bildet. In Abhängigkeit von dem besonderen Gemisch ermöglicht die vorliegende Erfindung Substratporositäten von etwa 60% bis etwa 90% und ermöglicht auch Prozessvorteile mit anderen Porositäten. Das extrudierbare Gemisch kann eine breite Vielfalt von Fasern und Additiven verwenden und ist an eine breite Vielfalt von Betriebsumgebungen und Anwendungen anpassbar. Fasern, welche einen Formfaktor von größer als 1 haben, werden nach den Substratanforderungen ausgewählt und werden mit Bindemitteln, Porenbildnern, Extrusionshilfsmitteln und Fluid vermischt, um eine homogene extrudierbare Masse zu bilden. Die homogene Masse wird zu einem Grünkörper-Substrat extrudiert. Das flüchtigere Material wird vorzugsweise aus den Grünkörper-Substrat entfernt, was ermöglicht, dass sich die Fasern miteinander verbinden und kontaktieren. Während der Aushärtungsprozess andauert, werden Faser-zu-Faser-Bindungen gebildet, um eine Struktur mit einem im Wesentlichen offenen Porennetz zu erzeugen. Das resultierende poröse Substrat ist bei vielen Anwendungen nützlich, zum Beispiel als ein Substrat für ein Filter- oder Katalysatorgehäuse oder einen Katalysator.Short summarized, the present invention provides an extrudable Mixture for producing a highly porous substrate using an extrusion process. In particular, the present invention enables Fibers, such as organic, inorganic, glass, ceramic or metal fibers, into a mass that, when extruded and cured, a highly porous Substrate forms. In dependence of allows the special mixture the present invention substrate porosities from about 60% to about 90% and allows also process advantages with other porosities. The extrudable mixture can use a wide variety of fibers and additives and is connected to a wide variety of operating environments and applications customizable. Fibers having a shape factor greater than 1 are selected according to the substrate requirements and be with binders, pore formers, extrusion aids and Fluid mixed to form a homogeneous extrudable mass. The homogeneous mass is extruded to a greenbody substrate. The more volatile Material is preferably removed from the green body substrate, which allows that the fibers connect and contact each other. During the Curing process continues, Fiber-to-fiber bonds are formed to form a structure with one to create a substantially open pore network. The resulting porous Substrate is useful in many applications, for example as a Substrate for a filter or catalyst housing or a catalyst.

In einem spezielleren Beispiel werden Keramikfasern mit einem Formfaktor zwischen etwa 3 und etwa 1000, obwohl typischer in dem Bereich von etwa 3 bis etwa 500 ausgewählt. Der Formfaktor ist das Verhältnis der Länge der Faser geteilt durch den Durchmesser der Faser. Die Keramikfasern werden mit Bindemittel, Porenbildner und einem Fluid zu einer homogenen Masse vermischt. Ein Schermischprozess wird angewendet, um die Faser gleichmäßig in der Masse vollständiger zu verteilen. Das Keramikmaterial kann etwa 8 bis etwa 40 Volumenprozent der Masse sein, woraus sich ein Substrat ergibt, das zwischen etwa 92% und etwa 60% Porosität hat. Die homogene Masse wird zu einem Grünkörper-Substrat extrudiert. Das Bindemittelmaterial wird aus dem Grünkörper-Substrat entfernt, was den Fasern ermöglicht, zu überlappen oder zu kontaktieren. Während der Aushärtungsprozess andauert, werden Faser-zu-Faser-Bindungen gebildet, um ein festes offenes Zellnetz zu erzeugen. Wie in dieser Beschreibung verwendet, ist „Aushärten" derart definiert, dass es zwei wesentliche Verfahrensschritte umfasst: 1) Bindemittelentfernung und 2) Bindungsbildung. Der Bindemittelentfernungsvorgang entfernt freies Wasser, entfernt den größten Teil der Additive und ermöglicht den Faser-zu-Faser-Kontakt. Das resultierende poröse Substrat ist bei vielen Anwendungen nützlich, zum Beispiel als ein Substrat für einen Filter oder Katalysator.In A more specific example is ceramic fibers with a shape factor between about 3 and about 1000, although more typically in the range of about 3 to about 500 selected. The form factor is the ratio of Length of Fiber divided by the diameter of the fiber. The ceramic fibers become homogeneous with binder, pore former and a fluid Mass mixed. A shear mixing process is applied to the fiber evenly in the Mass more complete to distribute. The ceramic material may be about 8 to about 40 volume percent be the mass, resulting in a substrate that is between about 92% and about 60% porosity Has. The homogeneous mass is extruded to a greenbody substrate. The Binder material is removed from the green body substrate, which allows the fibers to overlap or to contact. While the curing process continues, fiber-to-fiber bonds are formed to form a solid to create an open cell network. As used in this description, is "curing" defined in such a way that it comprises two main process steps: 1) Binder removal and 2) bond formation. The binder removal process is removed free water, removes most of it the additive and allows the fiber-to-fiber contact. The resulting porous substrate is useful in many applications for example as a substrate for a filter or catalyst.

In einem anderen speziellen Beispiel kann ein poröses Substrat ohne die Verwendung von Porenbildnern erzeugt werden. In diesem Fall kann das Keramikmaterial etwa 40 bis etwa 60 oder mehr Volumenprozent der Masse sein, woraus sich ein Substrat ergibt, das zwischen etwa 60% und etwa 40% Porosität hat. Da kein Porenbildner verwendet wird, ist das Extrusionsverfahren vereinfacht und kostengünstiger. Ebenso ist die resultierende Struktur ein sehr erwünschtes, im Wesentlichen offenes Porennetz.In Another specific example may be a porous substrate without use be generated by pore formers. In this case, the ceramic material from about 40 to about 60 or more percent by volume of the mass, from which resulting in a substrate having between about 60% and about 40% porosity. There no pore former is used, the extrusion process is simplified and cheaper. Likewise, the resulting structure is a very desirable, essentially open pore network.

Vorteilhafterweise erzeugt das offenbarte Faserextrusionssystem ein Substrat, das eine hohe Porosität hat und sowohl ein offenes Porennetz, das eine entsprechend hohe Permeabilität ermöglicht, als auch eine ausreichende Festigkeit entsprechend den Anwendungserfordernissen hat. Das Faserextrusionssystem erzeugt auch ein Substrat mit ausreichender Kosteneffizienz, um eine umfassende Verwendung der resultierenden Filter und Katalysatoren zu ermöglichen. Das Extrusionssystem ist leicht für die Massenfertigung einsetzbar und ermöglicht, dass flexible chemische Zusammensetzungen und Konstruktionen eine Vielzahl von Anwendungen unterstützen. Die vorliegende Erfindung stellt eine bahnbrechende Verwendung von Fasermaterial in einem extrudierbaren Gemisch dar. Dieses fasrige extrudierbare Gemisch ermöglicht die Extrusion von Substraten mit sehr hohen Porositäten in einer Massenfertigung und in einer kostengünstigen Weise. Durch Ermöglichen der Verwendung von Fasern in dem reproduzierbaren und robusten Extrusionsprozess ermöglicht die vorliegende Erfindung die Massenfertigung von Filter- und katalytischen Substraten zur weiten Verwendung in der ganzen Welt.Advantageously, the disclosed fiber extrusion system produces a substrate which has a high porosity and has both an open pore network which allows a correspondingly high permeability and a sufficient strength according to the application requirements. The fiber extrusion system also produces a substrate with sufficient cost efficiency to allow full utilization of the resulting filters and catalysts. The extrusion system is readily applicable for mass production and allows flexible chemical compositions and constructions to handle a variety of applications support applications. The present invention represents a pioneering use of fibrous material in an extrudable blend. This fibrous extrudable blend enables the extrusion of very high porosity substrates in a mass production and cost effective manner. By enabling the use of fibers in the reproducible and robust extrusion process, the present invention enables the mass production of filter and catalytic substrates for wide use throughout the world.

Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus einer Lesung der folgenden Beschreibung ersichtlich und können durch die Mittel und Kombinationen realisiert werden, die in den beigefügten Ansprüchen besonders aufgezeigt sind.These and other features of the present invention are from a reading The following description can be seen and understood by the means and combinations be realized, which are particularly indicated in the appended claims.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENSHORT DESCRIPTION THE DRAWINGS

Die Zeichnungen bilden einen Teil dieser Beschreibung und enthalten beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche in verschiedenen Formen ausgeführt werden können. Es versteht sich, dass in manchen Fällen verschiedene Aspekte der Erfindung übertrieben oder vergrößert gezeigt sein können, um ein Verständnis der Erfindung zu erleichtern.The Drawings form part of this description and are included exemplary embodiments of the invention, which are carried out in various forms can. It is understood that in some cases different aspects of Invention exaggerated or shown enlarged could be, for an understanding to facilitate the invention.

1 ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Extrudieren eines porösen Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung. 1 Fig. 10 is a block diagram of a system for extruding a porous substrate according to the present invention.

2 ist eine Darstellung eines fasrigen extrudierbaren Gemisches gemäß der vorliegenden Erfindung. 2 Figure 11 is an illustration of a fibrous extrudable blend according to the present invention.

3A und 3B sind Darstellungen eines offenen Porennetzes gemäß der vorliegenden Erfindung. 3A and 3B FIG. 10 is an illustration of an open pore network according to the present invention. FIG.

4 ist ein Elektronenmikroskopbild eines offenen Porennetzes gemäß der vorliegenden Erfindung und eines geschlossenen Porennetzes des Standes der Technik. 4 FIG. 4 is an electron micrograph of an open pore network according to the present invention and a closed pore network of the prior art. FIG.

5 ist eine Darstellung eines Filterblocks unter Verwendung eines porösen Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung. 5 Fig. 10 is an illustration of a filter block using a porous substrate according to the present invention.

6 sind Tabellen von Fasern, Bindemitteln, Porenbildnern, Fluiden und Rheologien, die bei der vorliegenden Erfindung zweckmäßig sind. 6 are tables of fibers, binders, pore formers, fluids and rheologies useful in the present invention.

7 ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Extrudieren eines porösen Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung. 7 Fig. 10 is a block diagram of a system for extruding a porous substrate according to the present invention.

8 ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Aushärten eines porösen Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung. 8th Fig. 10 is a block diagram of a system for curing a porous substrate according to the present invention.

9 ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Bearbeiten von Fasern für ein poröses Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung. 9 Figure 10 is a block diagram of a system for processing fibers for a porous substrate according to the present invention.

10 ist ein Schema zum Extrudieren eines porösen Gradientensubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung. 10 Figure 4 is a schematic for extruding a porous gradient substrate according to the present invention.

11 ist ein Schema zum Extrudieren eines porösen Gradientensubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung. 11 Figure 4 is a schematic for extruding a porous gradient substrate according to the present invention.

12 ist ein Schema zum Extrudieren eines porösen Gradientensubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung. 12 Figure 4 is a schematic for extruding a porous gradient substrate according to the present invention.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Ausführliche Beschreibungen von Beispielen der Erfindung sind hierin vorgesehen. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung in verschiedenen Formen veranschaulicht werden kann. Daher sind die hierin offenbarten speziellen Details nicht als Einschränkung zu interpretieren, sondern vielmehr als eine repräsentative Grundlage zum Lehren eines technisch versierten Fachmanns, wie die vorliegende Erfindung in nahezu jedem(r) eingehenden System, Struktur oder Methode anzuwenden ist.Detailed descriptions of examples of the invention are provided herein. It is understood, however, that the present invention can be illustrated in various forms. Therefore, the specific details disclosed herein are not to be interpreted as limiting, but rather as a representative basis for teaching a person skilled in the art, such as the present invention in almost any incoming system, structure or method.

Mit Bezug auf 1 wird nun ein System zum Extrudieren eines porösen Substrats erläutert. Im Allgemeinen nutzt ein System 10 ein Extrusionsverfahren, um ein Grünkörper-Substrat zu extrudieren, das zu dem hochporösen Endsubstratprodukt ausgehärtet werden kann. Das System 10 erzeugt vorteilhafterweise ein Substrat mit hoher Porosität, das sowohl ein im Wesentlichen offenes Porennetz, das eine entsprechend hohe Permeabilität ermöglicht, als auch eine ausreichende Festigkeit entsprechend den Anwendungserfordernissen hat. Das System 10 erzeugt auch ein Substrat mit ausreichender Kosteneffizienz, um eine umfassende Verwendung der resultierenden Filter und Katalysatoren zu ermöglichen. Das System 10 ist leicht für die Massenfertigung einsetzbar und ermöglicht, dass flexible chemische Zusammensetzungen und Konstruktionen eine Vielzahl von Anwendungen unterstützen.Regarding 1 Now, a system for extruding a porous substrate will be explained. In general, a system uses 10 an extrusion process to extrude a greenbody substrate that can be cured to the highly porous final substrate product. The system 10 advantageously produces a substrate with high porosity, which has both a substantially open pore network, which allows a correspondingly high permeability, as well as a sufficient strength according to the application requirements. The system 10 also produces a substrate with sufficient cost efficiency to allow full utilization of the resulting filters and catalysts. The system 10 is readily applicable to mass production and allows flexible chemical compositions and designs to support a variety of applications.

Das System 10 ermöglicht einen hochflexiblen Extrusionsvorgang, so dass es in der Lage ist, einen breiten Bereich von speziellen Anwendungen abzudecken. Bei der Verwendung des Systems 10 bestimmt der Substratgestalter zuerst die Erfordernisse für das Substrat. Diese Erfordernisse können zum Beispiel Beschränkungen der Größe, Fluidpermeabilität, gewünschten Porosität, Porengröße, mechanischen Festigkeit und Stoßeigenschaften, Wärmebeständigkeit und chemischen Reaktionsfähigkeit umfassen. Nach diesen und anderen Erfordernissen wählt der Gestalter Materialien zur Verwendung beim Bilden eines extrudierbaren Gemisches aus. Bedeutenderweise ermöglicht das System 10 die Verwendung von Fasern 12 bei der Bildung eines extrudierten Substrats. Diese Fasern können zum Beispiel Keramikfasern, organische Fasern, anorganische Fasern, Polymerfasern, Oxidfasern, glasige Fasern, Glasfasern, amorphe Fasern, kristalline Fasern, Nichtoxidfasern, Karbidfasern, Metallfasern, andere anorganische Faserstrukturen oder eine Kombination aus diesen sein. Jedoch wird zur Erleichterung der Erläuterung die Verwendung von Keramikfasern beschrieben, obwohl es sich versteht, dass auch andere Fasern verwendet werden können. Ebenso wird das Substrat häufig als ein Filtersubstrat oder ein katalytisches Substrat beschrieben, obwohl auch andere Verwendungen betrachtet werden und innerhalb des Bereichs dieser Lehre sind. Der Gestalter wählt die besondere Art der Faser auf der Basis der anwendungsspezifischen Anforderungen aus. Zum Beispiel kann die Keramikfaser als eine Mullitfaser, eine Aluminiumsilikatfaser oder ein anderes allgemein verfügbares Keramikfasermaterial ausgewählt werden. Die Fasern müssen bei 14 üblicherweise bearbeitet werden, indem man die Fasern auf eine brauchbare Länge schneidet, was einen Schneidvorgang vor dem Vermischen der Fasern mit Additiven umfassen kann. Ebenso schneiden die verschiedenen Misch- und Formgebungsschritte bei dem Extrusionsverfahren weiter die Fasern.The system 10 enables a highly flexible extrusion process, so that it is able to cover a wide range of specific applications. When using the system 10 First, the substrate designer determines the requirements for the substrate. These requirements may include, for example, size limitations, fluid permeability, desired porosity, pore size, mechanical strength and impact properties, heat resistance, and chemical reactivity. According to these and other requirements, the designer selects materials for use in forming an extrudable blend. Significantly, the system allows 10 the use of fibers 12 in the formation of an extruded substrate. These fibers may be, for example, ceramic fibers, organic fibers, inorganic fibers, polymer fibers, oxide fibers, glassy fibers, glass fibers, amorphous fibers, crystalline fibers, non-oxide fibers, carbide fibers, metal fibers, other inorganic fiber structures, or a combination thereof. However, for ease of explanation, the use of ceramic fibers will be described, although it will be understood that other fibers may be used. Also, the substrate is often described as a filter substrate or a catalytic substrate, although other uses are considered and within the scope of this teaching. The designer selects the particular type of fiber based on the application-specific requirements. For example, the ceramic fiber may be selected as a mullite fiber, an aluminum silicate fiber, or other generally available ceramic fiber material. The fibers must be added 14 usually machined by cutting the fibers to a useful length, which may include a cutting operation prior to blending the fibers with additives. Likewise, the various mixing and shaping steps in the extrusion process further cut the fibers.

Nach den speziellen Erfordernissen werden Additive 16 hinzugefügt. Diese Additive 16 können Bindemittel, Dispersionsmittel, Porenbildner, Weichmacher, Verarbeitungshilfsmittel und Verstärkungsmaterialien umfassen. Ebenso wird ein Fluid 18, welches üblicherweise Wasser ist, mit den Additiven 16 und den Fasern 12 kombiniert. Die Fasern, die Additive und das Fluid werden zu einer extrudierbaren Rheologie 21 vermischt. Dieses Mischen kann Trockenmischen, Nassmischen und Schermischen umfassen. Die Fasern, die Additive und das Fluid werden gemischt, bis eine homogene Masse erzeugt wird, was die Fasern in der Masse gleichmäßig verteilt und anordnet. Die fasrige und homogene Masse wird dann extrudiert, um ein Grünkörper-Substrat 23 zu bilden. Das Grünkörper-Substrat hat eine ausreichende Festigkeit, um bis zu den übrigen Prozessen zusammenzuhalten.According to the special requirements are additives 16 added. These additives 16 may include binders, dispersants, pore formers, plasticizers, processing aids, and reinforcing materials. Likewise, a fluid 18 , which is usually water, with the additives 16 and the fibers 12 combined. The fibers, the additives and the fluid become an extrudable rheology 21 mixed. This mixing may include dry mixing, wet mixing and shear mixing. The fibers, additives and fluid are mixed until a homogeneous mass is produced, which evenly distributes and arranges the fibers throughout the mass. The fibrous and homogeneous mass is then extruded to form a greenbody substrate 23 to build. The green body substrate has sufficient strength to hold together up to the remaining processes.

Das Grünkörper-Substrat wird dann bei 25 ausgehärtet. Wie in dieser Beschreibung verwendet, ist „Aushärten" derart definiert, dass es zwei wesentliche Verfahrensschritte umfasst: 1) Bindemittelentfernung und 2) Bindungsbildung. Der Bindemittelentfernungsvorgang entfernt freies Wasser, entfernt den größten Teil der Additive und ermöglicht den Faser-zu-Faser-Kontakt. Häufig wird das Bindemittel unter Verwendung eines Erwärmungsvorgangs entfernt, der das Bindemittel abbrennt, jedoch versteht es sich, dass andere Entfernungsvorgänge in Abhängigkeit von den benutzten speziellen Bindemittel verwendet werden können. Zum Beispiel können manche Bindemittel unter Verwendung eines Verdampfungs- oder Sublimationsvorgangs entfernt werden. Manche Bindemittel und/oder andere organische Komponenten können vor dem Abbau in eine Dampfphase geschmolzen werden. Während der Aushärtungsvorgang andauert, werden Faser-zu-Faser-Bindungen gebildet. Diese Bindungen fördern die gesamte Strukturfestigkeit und erzeugen auch die gewünschte Porosität und Permeabilität für das Substrat. Dementsprechend ist das ausgehärtete Substrat 30 ein hochporöses Substrat aus größtenteils Fasern, die zu einem offenen Porennetz 30 gebunden sind. Das Substrat kann dann als ein Substrat für viele Anwendungen, einschließlich als ein Substrat für Filteranwendungen und Katalysatoranwendungen verwendet werden. Vorteilhafterweise hat das System 10 ein erwünschtes Extrusionsverfahren ermöglicht, um Substrate mit Porositäten von bis zu etwa 90% herzustellen.The greenbody substrate is then added 25 hardened. As used in this specification, "cure" is defined to include two major process steps: 1) binder removal and 2) bond formation The binder removal process removes free water, removes most of the additives, and allows fiber-to-fiber contact Frequently, the binder is removed using a heating process that burns off the binder, however, it will be understood that other removal operations may be used depending on the particular binder used. For example, some binders may be removed using an evaporative or sublimation process. Some binders and / or other organic components may be melted prior to degradation into a vapor phase As the curing process continues, fiber-to-fiber bonds are formed These bonds promote overall structural strength and also produce the desired porosity and the like nd permeability to the substrate. Accordingly, the cured substrate 30 a highly porous substrate made up mostly of fibers that form an open pore network 30 are bound. The substrate can then be used as a substrate for many applications, including as a substrate for filter applications and catalyst applications. Advantageously, the system has 10 allows a desirable extrusion process to produce substrates with porosities of up to about 90%.

Mit Bezug auf 2 wird nun ein extrudierbares Material 50 erläutert. Das extrudierbare Material 50 ist zur Extrusion aus einem Extruder, wie einem Kolben- oder Schneckenextruder, bereit. Das extrudierbare Gemisch 52 ist eine homogene Masse, die Fasern, Weichmacher und andere Additive enthält, wie es durch die spezielle Anwendung erforderlich ist. 2 stellt einen vergrößerten Abschnitt 54 der homogenen Masse dar. Es versteht sich, dass der vergrößerte Abschnitt 54 nicht im Maßstab gezeichnet werden kann, sondern als ein Hilfsmittel für diese Beschreibung vorgesehen ist. Das extrudierbare Gemisch 52 enthält Fasern, wie Fasern 56, 57 und 58. Diese Fasern wurden ausgewählt, um ein stark poröses und festes Endsubstrat mit gewünschten thermischen, chemischen, mechanischen und Filtrationseigenschaften zu erzeugen. Wie es sich versteht, wurden im Wesentlichen fasrige Körper nicht als extrudierbar in Betracht gezogen, da sie keine eigene Plastizität haben. Jedoch wurde herausgefunden, dass durch genaue Auswahl von Weichmachern und durch Prozesssteuerung ein extrudierbares Gemisch 52 aus Fasern extrudiert werden kann. Auf diese Weise können die Kosten-, Massenfertigungs- und Flexibilitätsvorteile der Extrusion erweitert werden, indem die Vorteile einbezogen werden, die aus der Verwendung von fasrigem Material zur Verfügung stehen.Regarding 2 now becomes an extrudable material 50 explained. The extrudable material 50 is ready for extrusion from an extruder such as a piston or screw extruder. The extrudable mixture 52 is a homogeneous mass containing fibers, plasticizers and other additives as required by the specific application. 2 represents an enlarged section 54 It is understood that the enlarged section 54 can not be drawn to scale, but is provided as an aid to this description. The extrudable mixture 52 contains fibers, such as fibers 56 . 57 and 58 , These fibers were selected to produce a highly porous and solid final substrate with desired thermal, chemical, mechanical and filtration properties. As will be understood, essentially fibrous bodies have not been considered extrudable because they have no inherent plasticity. However, it has been found that by accurate selection of plasticizers and by process control, an extrudable mixture 52 can be extruded from fibers. In this way, the cost, mass production and flexibility benefits of extrusion can be extended by including the benefits that are available from the use of fibrous material.

Im Allgemeinen wird eine Faser als ein Material mit einem relativ kleinen Durchmesser und einem Formfaktor von größer als Eins betrachtet. Der Formfaktor ist das Verhältnis der Länge der Faser geteilt durch den Durchmesser der Faser. Wie hierin verwendet, wird bei dem „Durchmesser" der Faser der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass die Querschnittsform der Faser ein Kreis ist; diese vereinfachte Annahme wird für Fasern unabhängig von ihrer tatsächlichen Querschnittsform angewendet. Zum Beispiel hat eine Faser mit einem Formfaktor von 10 eine Länge, die dem 10-fachen Durchmesser der Faser entspricht. Der Durchmesser der Faser kann 6 Mikrometer sein, obwohl die Durchmesser in dem Bereich von etwa 1 Mikrometer bis etwa 25 Mikrometer leicht verfügbar sind. Es versteht sich, dass Fasern mit vielen anderen Durchmessern und Formfaktoren in dem System 10 erfolgreich verwendet werden können. Wie mit Bezug auf spätere Figuren ausführlicher beschrieben ist, gibt es mehrere Alternativen zum Auswählen von Formfaktoren für die Fasern. Es versteht sich auch, dass die Form der Fasern in starkem Gegensatz zu dem üblichen Keramikpulver steht, wo der Formfaktor jedes Keramikpartikels annähernd 1 ist.In general, a fiber is considered to be a material having a relatively small diameter and a shape factor greater than one. The form factor is the ratio of the length of the fiber divided by the diameter of the fiber. For simplicity, as used herein, the "diameter" of the fiber is assumed to be a circular cross-sectional shape of the fiber, and this simplified assumption is applied to fibers regardless of their actual cross-sectional shape, for example, a fiber having a shape factor of 10 The diameter of the fiber may be 6 microns, although the diameters are readily available in the range of about 1 micron to about 25 microns, it being understood that fibers of many other diameters and form factors in the system 10 can be successfully used. As described in more detail with respect to later figures, there are several alternatives for selecting form factors for the fibers. It should also be understood that the shape of the fibers is in sharp contrast to the conventional ceramic powder where the shape factor of each ceramic particle is approximately one.

Die Fasern für das extrudierbare Gemisch 52 können metallisch sein (manchmal auch als metallische Drähte mit dünnem Durchmesser bezeichnet), obwohl 2 in Bezug auf Keramikfasern diskutiert wird. Die Keramikfasern können in einem amorphen Zustand, einem glasigen Zustand, einem kristallinen Zustand, einem polykristallinen Zustand, einem monokristallinen Zustand oder einem glaskeramischen Zustand sein. Beim Bilden des extrudierbaren Gemisches 52 wird ein relativ geringes Volumen von Keramikfaser verwendet, um das poröse Substrat zu erzeugen. Zum Beispiel kann das extrudierbare Gemisch 52 nur etwa 10 bis 40 Volumenprozent Keramikfasermaterial haben. Auf diese Weise hat nach dem Aushärten das resultierende poröse Substrat eine Porosität von etwa 90% bis etwa 60%. Es versteht sich, dass andere Mengen von Keramikfasermaterial ausgewählt werden können, um andere Porositätswerte zu erzeugen.The fibers for the extrudable mixture 52 may be metallic (sometimes referred to as thin-diameter metallic wires), though 2 in relation to ceramic fibers. The ceramic fibers may be in an amorphous state, a glassy state, a crystalline state, a polycrystalline state, a monocrystalline state, or a glass-ceramic state. When forming the extrudable mixture 52 For example, a relatively small volume of ceramic fiber is used to create the porous substrate. For example, the extrudable mixture 52 have only about 10 to 40 volume percent ceramic fiber material. In this way, after curing, the resulting porous substrate has a porosity of about 90% to about 60%. It is understood that other amounts of ceramic fiber material can be selected to produce other porosity values.

Um ein extrudierbares Gemisch zu erzeugen, werden die Fasern üblicherweise mit einem Weichmacher kombiniert. Auf diese Weise werden die Fasern mit anderen ausgewählten organischen oder anorganischen Additiven kombiniert. Diese Additive bilden drei Haupteigenschaften für das Extrudat. Erstens ermöglichen die Additive, dass das extrudierbare Gemisch eine Rheologie hat, die zum Extrudieren geeignet ist. Zweitens verleihen die Additive dem extrudierten Substrat, welches üblicherweise als Grünkörper-Substrat bezeichnet wird, eine ausreichende Festigkeit, um seine Form zu halten und die Fasern zu positionieren, bis diese Additive während des Aushärtungsvorgangs entfernt werden. Drittens werden schließlich die Additive derart ausgewählt, dass sie in dem Aushärtungsvorgang in einer Weise abbrennen, welche die Anordnung der Fasern in einer überlappenden Konstruktion erleichtert und die Bildung einer festen Struktur nicht schwächt. Üblicherweise enthalten die Additive ein Bindemittel, wie das Bindemittel 61. Das Bindemittel 61 wirkt als ein Hilfsmittel, um die Fasern in der Position zu halten und dem Grünkörper-Substrat Festigkeit zu verleihen. Die Fasern und Bindemittel können verwendet werden, um ein poröses Substrat mit einer relativ hohen Porosität zu erzeugen. Jedoch können, um die Porosität weiter gleichmäßig zu erhöhen, zusätzliche Porenbildner, wie der Porenbildner 63, hinzugefügt werden. Die Porenbildner werden hinzugefügt, um den offenen Raum in dem ausgehärteten Endsubstrat zu vergrößern. Die Porenbildner können in der Form sphärisch, länglich, fasrig oder unregelmäßig sein. Die Porenbildner werden nicht nur für ihre Fähigkeit, einen offenen Raum zu erzeugen, und auf der Basis ihres thermischen Abbauverhaltens ausgewählt, sondern auch für die Unterstützung bei der Ausrichtung der Fasern. Auf diese Weise unterstützen die Porenbildner die Anordnung der Fasern zu einem überlappenden Muster, um die geeignete Bindung zwischen den Fasern während eines späteren Stadiums der Aushärtung zu erleichtern. Außerdem spielen Porenbildner auch eine Rolle bei der Ausrichtung der Fasern in bevorzugte Richtungen, was Einfluss auf die Wärmeausdehnung des extrudierten Materials und die Festigkeit entlang verschiedener Achsen hat.To produce an extrudable mixture, the fibers are usually combined with a plasticizer. In this way, the fibers are combined with other selected organic or inorganic additives. These additives constitute three major characteristics for the extrudate. First, the additives allow the extrudable mixture to have a rheology suitable for extrusion. Second, the additives impart sufficient strength to the extruded substrate, commonly referred to as a green body substrate, to hold its shape and position the fibers until these additives are removed during the curing process. Third, finally, the additives are selected to burn in the curing process in a manner that facilitates the placement of the fibers in an overlapping construction and does not weaken the formation of a solid structure. Usually, the additives contain a binder, such as the binder 61 , The binder 61 acts as an aid to hold the fibers in place and provide strength to the green body substrate. The fibers and binders can be used to produce a porous substrate having a relatively high porosity. However, in order to further increase the porosity evenly, additional pore formers, such as the pore former, may be used 63 , to be added. The pore formers are added to increase the open space in the cured final substrate. The pore formers may be spherical, oblong, fibrous or irregular in shape. The pore formers are selected not only for their ability to create an open space and based on their thermal degradation behavior, but also for assisting in aligning the fibers. In this way, the pore formers assist in arranging the fibers into an overlapping pattern to facilitate proper bonding between the fibers during a later stage of curing. In addition, pore formers also play a role in aligning the fibers in preferred directions, which affects the thermal expansion of the extruded material and the strength along various axes.

Wie oben kurz beschrieben, kann das extrudierbare Gemisch 52 eine oder mehrere Fasern verwenden, die aus vielen Arten von verfügbaren Fasern ausgewählt sind. Ferner kann die ausgewählte Faser mit einem oder mehreren Bindemitteln kombiniert werden, die aus einer breiten Vielfalt von Bindemitteln ausgewählt sind. Ebenso können ein oder mehrere Porenbildner hinzugefügt werden, die aus einer Vielfalt von Porenbildnern ausgewählt sind. Das extrudierbare Gemisch kann Wasser oder anderes Fluid als dessen Weichmachmittel verwenden und kann andere Additive hinzugefügt haben. Diese Flexibilität bei der Bildung der chemischen Zusammensetzung ermöglicht, dass das extrudierbare Gemisch 52 vorteilhafterweise bei vielen unterschiedlichen Arten von Anwendungen verwendet werden kann. Zum Beispiel können Gemischkombinationen nach den erforderlichen Umgebungs-, Temperatur-, chemischen, physikalischen und anderen Anforderungen ausgewählt werden. Ferner kann, da das extrudierbare Gemisch 52 für die Extrusion vorbereitet ist, das extrudierte Endprodukt flexibel und wirtschaftlich gebildet werden. Obwohl in 2 nicht dargestellt, wird das extrudierbare Gemisch 52 mittels eines Schnecken- oder Kolbenextruders extrudiert, um ein Grünkörper-Substrat zu bilden, welches dann zu dem porösen Endsubstratprodukt ausgehärtet wird.As briefly described above, the extrudable mixture 52 use one or more fibers those selected from many types of available fibers. Further, the selected fiber may be combined with one or more binders selected from a wide variety of binders. Also, one or more pore formers selected from a variety of pore formers may be added. The extrudable mixture may use water or other fluid as its softening agent and may have added other additives. This flexibility in the formation of the chemical composition allows the extrudable mixture 52 advantageously can be used in many different types of applications. For example, mixture combinations may be selected according to the required environmental, temperature, chemical, physical and other requirements. Furthermore, since the extrudable mixture 52 is prepared for extrusion, the extruded end product is formed flexibly and economically. Although in 2 not shown, the extrudable mixture 52 extruded by means of a screw or piston extruder to form a greenbody substrate, which is then cured to the final porous substrate product.

Die vorliegende Erfindung stellt eine bahnbrechende Verwendung von Fasermaterial in einem Kunststoffblock oder Gemisch zur Extrusion dar. Dieses fasrige extrudierbare Gemisch ermöglicht die Extrusion von Substraten mit sehr hohen Porositäten in einer Massenfertigung und in kostengünstiger Weise. Durch Ermöglichen der Verwendung der Fasern bei dem reproduzierbaren und robusten Extrusionsverfahren ermöglicht die vorliegende Erfindung die Massenfertigung von Filter- und katalytischen Substraten zur breiten Verwendung in der ganzen Welt.The The present invention represents a pioneering use of fibrous material in a plastic block or mixture for extrusion. This fibrous extrudable mixture allows the extrusion of substrates with very high porosities in a mass production and in a cost effective manner. By enabling the use of the fibers in the reproducible and robust Extrusion process allows the present invention mass production of filter and catalytic Substrates for wide use throughout the world.

Mit Bezug auf 3A ist ein vergrößerter ausgehärteter Bereich eines porösen Substrats dargestellt. Der Substratabschnitt 100 ist nach der Bindemittelentfernung 102 und nach dem Aushärtungsvorgang 110 dargestellt. Nach der Bindemittelentfernung 102 werden die Fasern, wie die Faser 103 und 104, zunächst in Position mit Bindemittelmaterial gehalten, und wenn das Bindemittelmaterial abbrennt, werden die Fasern derart freigelegt, dass sie in einer überlappenden, aber losen Struktur sind. Ebenso kann ein Porenbildner 105 positioniert sein, um sowohl einen offenen Raum zu erzeugen als auch die Fasern auszurichten oder anzuordnen. Da die Fasern nur ein relativ geringes Volumen des extrudierbaren Gemisches haben, existieren viele offene Räume 107 zwischen den Fasern. Wenn das Bindemittel und der Porenbildner abgebrannt sind, können sich die Fasern leicht verschieben, um weiter einander zu kontaktieren. Das Bindemittel und die Porenbildner werden ausgewählt, um in einer gesteuerten Weise derart abzubrennen, dass sie nicht die Anordnung der Fasern unterbrechen oder das Substrat beim Abbrennen zusammenfallen lassen. Üblicherweise werden das Bindemittel und die Porenbildner derart ausgewählt, dass sie vor dem Bilden von Bindungen zwischen den Fasern abbauen oder abbrennen. Während der Aushärtungsvorgang andauert, beginnen die überlappenden und sich berührenden Fasern, Bindungen zu bilden. Es versteht sich, dass die Bindungen in verschiedenartiger Weise gebildet werden können. Zum Beispiel können die Fasern erwärmt werden, um die Bildung einer flüssigkeitsunterstützten Sinterbindung an dem Schnittpunkt oder Knotenpunkt der Fasern zu ermöglichen. Dieses Sintern im flüssigen Zustand kann sich aus den besonders ausgewählten Fasern oder aus zusätzlichen Additiven ergeben, die zu dem Gemisch hinzugefügt oder an den Fasern beschichtet sind. In anderen Fällen kann es erwünscht sein, eine Sinterbindung im festen Zustand zu bilden. In diesem Fall bilden die sich kreuzenden Bindungen eine Kornstruktur, welche die überlappenden Fasern verbindet. In dem Rohzustand haben die Fasern noch keine physikalischen Bindungen miteinander gebildet, können jedoch infolge des Verwickelns der Fasern miteinander noch ein gewisses Maß an Grünkörperfestigkeit besitzen. Die besondere Art der ausgewählten Bindung ist von der Auswahl der Ausgangsmaterialien, der gewünschten Festigkeit und der wirkenden chemischen Zusammensetzungen und Umgebungen abhängig. In manchen Fällen werden die Bindungen durch das Vorhandensein von anorganischen Bindemitteln verursacht, die das Gemisch darstellen, das die Fasern in einem Verbundnetz zusammenhält, und die während des Aushärtungsvorgangs nicht abbrennen.Regarding 3A an enlarged hardened area of a porous substrate is shown. The substrate section 100 is after binder removal 102 and after the curing process 110 shown. After binder removal 102 become the fibers, like the fiber 103 and 104 , initially held in position with binder material, and as the binder material burns, the fibers are exposed to be in an overlapping but loose structure. Likewise, a pore builder 105 be positioned to both create an open space and to align or arrange the fibers. Since the fibers have only a relatively small volume of the extrudable mixture, many open spaces exist 107 between the fibers. When the binder and pore former are burned off, the fibers can easily shift to further contact each other. The binder and pore formers are selected to burn off in a controlled manner such that they do not disrupt the placement of the fibers or cause the substrate to collapse upon burning. Usually, the binder and pore formers are selected such that they degrade or burn off prior to forming bonds between the fibers. As the curing process continues, the overlapping and contacting fibers begin to form bonds. It is understood that the bonds can be formed in a variety of ways. For example, the fibers may be heated to allow the formation of a liquid assisted sintered bond at the intersection or node of the fibers. This liquid state sintering may result from the particular fibers selected or from additional additives added to the mixture or coated on the fibers. In other cases, it may be desirable to form a sintered bond in the solid state. In this case, the intersecting bonds form a grain structure connecting the overlapping fibers. In the raw state, the fibers have not yet formed physical bonds with each other, but may still have some degree of green body strength due to the entanglement of the fibers together. The particular type of bond selected depends on the choice of starting materials, the desired strength, and the chemical compositions and environments that are effective. In some cases, the bonds are caused by the presence of inorganic binders, which are the mixture that holds the fibers together in a composite net, and which do not burn off during the curing process.

Vorteilhafterweise erleichtert die Bildung von Bindungen, wie der Bindungen 112, das Bilden einer im Wesentlichen festen Struktur mit den Fasern. Die Bindungen ermöglichen auch die Bildung eines offenen Porennetzes mit sehr hoher Porosität. Zum Beispiel wird ein offener Raum 116 durch den Raum zwischen den Fasern natürlich erzeugt. Ein offener Raum 114 wird erzeugt, wenn der Porenbildner 105 herabfällt oder abbrennt. Auf diese Weise erzeugt der Vorgang zur Bildung der Faserbindung ein offenes Porennetz ohne oder nahezu ohne begrenzte Kanäle. Dieses offene Porennetz erzeugt eine hohe Permeabilität und hohe Filtrationseffizienz und ermöglicht einen großen Oberflächenbereich beispielsweise zum Hinzufügen eines Katalysators. Es versteht sich, dass die Bildung von Bindungen von der Art der gewünschten Bindung, wie Sintern im festen Zustand oder flüssigkeitsunterstützten/flüssigen Zustand, und Additiven abhängen kann, die während des Aushärtungsvorgangs vorhanden sind. Zum Beispiel können die Additive, die besondere Faserauswahl, die Zeit der Erwärmung, das Niveau der Wärme und die Reaktionsumgebung sämtlich angepasst werden, um eine besondere Art der Bindung zu erzeugen.Advantageously, it facilitates the formation of bonds, such as the bonds 112 , forming a substantially solid structure with the fibers. The bonds also allow the formation of an open pore network with very high porosity. For example, it becomes an open space 116 naturally generated by the space between the fibers. An open space 114 is generated when the pore builder 105 falls down or burns down. In this way, the process of forming the fiber bond creates an open pore network with no or nearly no limited channels. This open pore network produces high permeability and high filtration efficiency and allows a large surface area, for example, to add a catalyst. It will be understood that the formation of bonds may depend on the type of bonding desired, such as solid state sintering or liquid supported / liquid state, and additives that are present during the curing process. For example, the additives, the particular fiber selection, the time of heating, the level of heat, and the reaction environment may all be adjusted to produce a particular type of bonding.

Mit Bezug auf 3B wird nun ein vergrößerter ausgehärteter Bereich eines porösen Substrats erläutert. Der Substratabschnitt 120 ist nach der Bindemittelentfernung 122 und nach dem Aushärtungsvorgang 124 dargestellt. Der Substratabschnitt 120 ist ähnlich wie der Substratabschnitt 100, der mit Bezug auf 3A beschrieben ist, so dass nicht ausführlich beschrieben wird. Das Substrat 120 wurde ohne die Verwendung von speziellen Porenbildnern gebildet, so dass sich das gesamte offene Porennetz 124 aus der Positionierung der Fasern mit einem Bindemittelmaterial ergeben hat. Auf diese Weise können Substrate mit angemessener hoher Porosität ohne die Verwendung irgendwelcher spezieller Porenbildner gebildet werden, wodurch die Kosten und die Komplexität für die Herstellung solcher Substrate mit angemessener Porosität reduziert werden. Es wurde herausgefunden, dass Substrate mit einer Porosität im Bereich von etwa 40% bis etwa 60% auf diese Weise hergestellt werden können.Regarding 3B Now, an enlarged cured portion of a porous substrate will be explained. The substrate section 120 is after binder removal 122 and after the curing process 124 shown. The substrate section 120 is similar to the substrate section 100 who's referring to 3A is described so that is not described in detail. The substrate 120 was formed without the use of special pore formers, so that the entire open pore network 124 resulting from the positioning of the fibers with a binder material. In this way, substrates of reasonably high porosity can be formed without the use of any particular pore-forming agents, thereby reducing the cost and complexity of producing such substrates with adequate porosity. It has been found that substrates having a porosity ranging from about 40% to about 60% can be produced in this manner.

Mit Bezug auf 4 wird nun ein Elektronenmikroskopbildsatz 150 erläutert. Der Bildsatz 150 stellt zuerst ein offenes Porennetz 152 dar, das nach Wunsch unter Verwendung eines fasrigen extrudierbaren Gemisches erzeugt wird. Wie zu sehen ist, haben die Fasern Bindungen mit sich kreuzenden Faserknotenpunkten gebildet, und Porenbildner und Bindemittel wurden unter Belassen eines porösen offenen Porennetzes abgebrannt. Im starken Gegensatz dazu stellt das Bild 154 ein typisches geschlossenes Zellnetz dar, das unter Verwendung bekannter Verfahren hergestellt ist. Das teilweise geschlossene Porennetz hat eine relativ hohe Porosität, jedoch stammt zumindest ein Teil der Porosität von geschlossenen Kanälen. Diese geschlossenen Kanäle tragen nicht zur Permeabilität bei. Auf diese Weise hat von einem offenen Porennetz und einem geschlossenen Porennetz mit derselben Porosität das offene Porennetz eine wünschenswertere Permeabilitätscharakteristik.Regarding 4 now becomes an electron microscope picture set 150 explained. The image set 150 first make an open pore network 152 which is produced as desired using a fibrous extrudable mixture. As can be seen, the fibers formed bonds with intersecting fiber nodes and pore formers and binders were burned leaving a porous open pore network. In stark contrast, the picture represents 154 a typical closed cell network made using known methods. The partially closed pore network has a relatively high porosity, but at least part of the porosity is from closed channels. These closed channels do not contribute to permeability. In this way, from an open pore network and a closed pore network with the same porosity, the open pore network has a more desirable permeability characteristic.

Das extrudierbare Gemisch und der Prozess, die im Allgemeinen so weit beschrieben sind, werden verwendet, um ein sehr vorteilhaftes und poröses Substrat zu erzeugen. In einem Beispiel kann das poröse Substrat zu einem Filterblocksubstrat 175 extrudiert werden, wie in 5 dargestellt ist. Der Substratblock 175 wurde unter Verwendung eines Kolben- oder Schneckenextruders extrudiert. Der Extruder könnte klimatisiert sein, um bei Raumtemperatur, etwas erhöhter Temperatur oder in einem gesteuerten Temperaturfenster zu arbeiten. Außerdem könnten verschiedene Teile des Extruders auf unterschiedliche Temperaturen erwärmt werden, um auf die Verzögerungseigenschaften, die Vorgeschichte des Scherens und die Gelbildungseigenschaften einzuwirken. Außerdem kann auch die Größe der Extrusionspressformen dementsprechend bemessen werden, um die erwartete Schrumpfung in dem Substrat während des Erwärmungs- und Sintervorgangs zu regeln. Vorteilhafterweise war das extrudierbare Gemisch ein fasriges extrudierbares Gemisch mit ausreichend Weichmacher und anderen Additiven, um die Extrusion von fasrigem Material zu ermöglichen. Der extrudierte Block im Rohzustand wurde ausgehärtet, um das freie Wasser zu entfernen, Additive abzubrennen und strukturelle Bindungen zwischen den Fasern zu bilden. Der resultierende Block 175 hat sowohl sehr erwünschte Porositätseigenschaften als auch eine ausgezeichnete Permeabilität und einen sehr brauchbaren Oberflächenbereich. Ebenso kann der Block 175 in Abhängigkeit von den besonderen ausgewählten Fasern und Additiven für eine vorteilhafte Tiefenfilterung konstruiert werden. Der Block 176 hat Kanäle 179, die sich längs durch den Block hindurch erstrecken. Die Einlässe zu dem Block 178 können für einen Durchströmvorgang offen gelassen werden, oder jede andere Öffnung kann verstopft werden, um einen Wandströmungseffekt zu erzeugen. Obwohl der Block 175 mit hexagonalen Kanälen gezeigt ist, versteht es sich, dass andere Muster und Größen verwendet werden können. Zum Beispiel können die Kanäle mit einem gleichmäßig großen quadratischen, rechteckigen oder dreieckigen Kanalmuster; einem quadratisch/rechteckigen oder oktagonal/quadratischen Kanalmuster mit größeren Einlasskanälen; oder mit einem anderen symmetrischen oder asymmetrischen Kanalmuster versehen sein. Die genauen Formen und Größen der Kanäle oder Zellen können durch Anpassen der Gestaltung der Pressform abgestimmt werden. Zum Beispiel kann ein quadratischer Kanal derart gestaltet sein, dass er gekrümmte Ecken unter Verwendung von EDM (Funkenerosion) hat, um die Zapfen in der Pressform zu formen. Solche gerundeten Ecken werden erwartet, um trotz eines etwas höheren Staudrucks die Festigkeit des Endprodukts zu erhöhen. Außerdem kann die Pressformgestaltung modifiziert werden, um Wabensubstrate zu extrudieren, wo die Wände unterschiedliche Dicken haben und die Außenhaut eine andere Dicke als der Rest der Wände hat. Gleichermaßen kann bei manchen Anwendungen eine Außenhaut auf das extrudierte Substrat zur endgültigen Bestimmung der Größe, Form, Kontur und Festigkeit aufgebracht werden.The extrudable mixture and process, which are generally so described, are used to produce a very beneficial and porous substrate. In one example, the porous substrate may become a filter block substrate 175 be extruded, as in 5 is shown. The substrate block 175 was extruded using a piston or screw extruder. The extruder could be conditioned to operate at room temperature, a little elevated temperature or in a controlled temperature window. In addition, various parts of the extruder could be heated to different temperatures to affect the deceleration properties, shear history, and gelation properties. In addition, the size of the extrusion dies may also be sized to control the expected shrinkage in the substrate during the heating and sintering process. Advantageously, the extrudable mixture was a fibrous extrudable mixture with sufficient plasticizer and other additives to allow the extrusion of fibrous material. The extruded ingot in the raw state was cured to remove the free water, burn off additives and form structural bonds between the fibers. The resulting block 175 has both very desirable porosity properties as well as excellent permeability and a very useful surface area. Likewise, the block 175 depending on the particular fibers and additives selected for advantageous depth filtering. The block 176 has channels 179 which extend longitudinally through the block. The inlets to the block 178 may be left open for a flow-through operation, or any other opening may become clogged to create a wall-flow effect. Although the block 175 With hexagonal channels shown, it should be understood that other patterns and sizes can be used. For example, the channels may have a uniformly sized square, rectangular or triangular channel pattern; a square / rectangular or octagonal / square channel pattern with larger inlet channels; or be provided with a different symmetrical or asymmetrical channel pattern. The exact shapes and sizes of the channels or cells can be tuned by adjusting the design of the mold. For example, a square channel may be configured to have curved corners using EDM (spark erosion) to form the posts in the die. Such rounded corners are expected to increase the strength of the final product despite a somewhat higher back pressure. In addition, the die design can be modified to extrude honeycomb substrates where the walls have different thicknesses and the outer skin has a different thickness than the rest of the walls. Similarly, in some applications, an outer skin may be applied to the extruded substrate for final determination of size, shape, contour, and strength.

Bei der Verwendung als eine Durchströmvorrichtung ermöglicht die hohe Porosität des Blocks 176 einen großen Oberflächenbereich für die Anwendung des katalytischen Materials. Auf diese Weise kann ein sehr wirksamer und effizienter Katalysator mit einer geringen thermisch wirksamen Masse hergestellt werden. Mit einer solchen geringen thermisch wirksamen Masse hat der resultierende Katalysator gute Anspringeigenschaften und nutzt effizient das katalytische Material. Bei der Verwendung in einem Beispiel der Wandströmung oder Wandfilterung ermöglicht die hohe Permeabilität der Substratwände relativ geringe Staudrücke, wobei die Tiefenfilterung erleichtert wird. Diese Tiefenfilterung ermöglicht eine effiziente teilweise Entfernung und erleichtert auch wirksamer die Regenerierung. Bei der Gestaltung der Wandströmung wird das durch das Substrat hindurch strömende Fluid gezwungen, sich durch die Wände des Substrats hindurch zu bewegen, wodurch ein direkterer Kontakt mit den Fasern ermöglicht wird, welche die Wand bilden. Diese Fasern bieten einen großen Oberflächenbereich für eventuelle Reaktionen, die derart ablaufen, als ob ein Katalysator vorhanden wäre. Da das extrudierbare Gemisch aus einer breiten Vielfalt von Fasern, Additiven und Fluiden gebildet werden kann, kann die chemische Zusammensetzung des extrudierbaren Gemisches angepasst werden, um einen Block mit speziellen Eigenschaften zu erzeugen. Zum Beispiel werden, wenn der endgültige Block als Dieselpartikelfilter gewünscht wird, die Fasern derart ausgewählt, dass sie zu einem sicheren Betrieb sogar bei der extremen Temperatur einer ungesteuerten Regenerierung beitragen. In einem anderen Beispiel werden, wenn der Block dazu verwendet werden soll, um eine besondere Art von Abgas zu filtern, die Faser und die Bindungen derart ausgewählt, dass sie nicht mit dem Abgas in dem erwarteten Betriebstemperaturbereich reagieren. Obwohl die Vorteile des Substrats mit hoher Porosität mit Bezug Filter und Katalysatoren beschrieben wurden, versteht es sich, dass es viele andere Anwendungen für das hochporöse Substrat gibt.When used as a flow-through device allows the high porosity of the block 176 a large surface area for the application of the catalytic material. In this way, a very effective and efficient catalyst with a low thermal mass can be produced. With such a low thermal mass, the resulting catalyst has good light-off properties and efficiently utilizes the catalytic material. When used in an example of wall flow or wall filtration, the high permeability of the substrate walls allows relatively low back pressures where in the depth filtering is facilitated. This depth filtering allows for efficient partial removal and more effectively facilitates regeneration. In shaping the wall flow, the fluid flowing through the substrate is forced to move through the walls of the substrate, allowing more direct contact with the fibers forming the wall. These fibers provide a large surface area for any reactions that take place as if a catalyst were present. Because the extrudable mixture can be formed from a wide variety of fibers, additives and fluids, the chemical composition of the extrudable mixture can be adjusted to produce a block having specific properties. For example, if the final block is desired as a diesel particulate filter, the fibers are selected to contribute to safe operation even at the extreme temperature of uncontrolled regeneration. In another example, if the block is to be used to filter a particular type of exhaust, the fiber and bonds are selected such that they do not react with the exhaust in the expected operating temperature range. Although the advantages of the high porosity substrate with respect to filters and catalysts have been described, it should be understood that there are many other applications for the highly porous substrate.

Das fasrige extrudierbare Gemisch, wie mit Bezug auf 2 beschrieben, kann aus einer breiten Vielfalt von Ausgangsmaterialien gebildet werden. Die Auswahl der geeigneten Materialien basiert im Allgemeinen auf den chemischen, mechanischen und Umgebungsbedingungen, unter denen das Endsubstrat arbeiten muss. Dementsprechend ist es ein erster Schritt bei der Gestaltung eines porösen Substrats, die endgültige Anwendung für das Substrat zu verstehen. Auf der Basis dieser Erfordernisse können besondere Fasern, Bindemittel, Porenbildner, Fluide und andere Materialien ausgewählt werden. Es versteht sich, dass das Verfahren, das bei den ausgewählten Materialien angewendet wird, Einfluss auf das Endsubstratprodukt haben kann. Da die Faser das Hauptstrukturmaterial in dem Endsubstratprodukt ist, ist die Auswahl des Fasermaterials entscheidend dafür, dass das Endsubstrat in seiner beabsichtigten Anwendung arbeiten kann. Dementsprechend werden die Fasern nach den erforderlichen Bindungsanforderungen ausgewählt, und eine besondere Art von Bindungsvorgang wird ausgewählt. Der Bindungsvorgang kann ein Sintern im flüssigen Zustand, ein Sintern im festen Zustand oder eine Verbindung sein, die ein Bindemittel, wie einen Glasbildner, Glas, Schichtsilikate, Keramik, keramische Präkursoren oder kolloide Lösungen, erfordert. Das Bindemittel kann ein Teil einer der Faserkonstruktionen, eine Beschichtung an der Faser oder eine Komponente in einem der Additive sein. Es versteht sich auch, dass mehr als eine Art von Faser ausgewählt werden kann. Es versteht sich ebenso, dass einige Fasern während des Aushärtungs- und Bindungsvorgangs verbraucht werden können. Bei der Auswahl der Faserzusammensetzung ist die Endbetriebstemperatur ein wichtiger Gesichtspunkt, so dass die Wärmebeständigkeit der Faser aufrechterhalten werden kann. In einem anderen Beispiel wird die Faser derart ausgewählt, dass sie in der Gegenwart von erwarteten Gasen, Flüssigkeiten oder festen Schwebstoffen chemisch inaktiv und nicht reagierend bleibt. Die Faser kann auch nach ihren Kosten ausgewählt werden, und einige Fasern können infolge ihrer geringen Abmessungen gesundheitliche Bedenken darstellen, so dass ihre Verwendung vermieden werden kann. In Abhängigkeit von der mechanischen Umgebung werden die Fasern nach ihrer Fähigkeit ausgewählt, sowohl eine starke feste Struktur zu bilden als auch die erforderliche mechanische Integrität beizubehalten. Es versteht sich, dass die Auswahl einer geeigneten Faser oder eines Satzes von Fasern Kompromisse zwischen Ausführung und Anwendung mit sich bringen kann. 6, Tabelle 1 zeigt verschiedene Arten von Fasern, die verwendet werden können, um ein fasriges extrudierbares Gemisch zu bilden. Im Allgemeinen können die Fasern oxid- oder nichtoxidkeramisch, gläsern, organisch, anorganisch sein, oder sie können metallisch sein. Für keramische Materialien können die Fasern in verschiedenen Zuständen, wie amorph, glasig, polykristallin oder monokristallin, sein. Obwohl Tabelle 1 viele verfügbare Fasern aufzeigt, versteht es sich, dass andere Arten von Fasern verwendet werden können.The fibrous extrudable mixture as described with reference to 2 can be formed from a wide variety of starting materials. The selection of suitable materials is generally based on the chemical, mechanical and environmental conditions under which the final substrate must operate. Accordingly, a first step in designing a porous substrate is to understand the ultimate application for the substrate. Based on these requirements, special fibers, binders, pore formers, fluids and other materials can be selected. It will be appreciated that the method used with the selected materials may affect the final substrate product. Since the fiber is the major structural material in the final substrate product, the choice of fiber material is critical to the final substrate being able to operate in its intended application. Accordingly, the fibers are selected according to the required bonding requirements, and a particular type of bonding process is selected. The bonding process may be liquid state sintering, solid state sintering or a compound which requires a binder such as a glass former, glass, layer silicates, ceramics, ceramic precursors or colloidal solutions. The binder may be part of one of the fiber constructions, a coating on the fiber, or a component in one of the additives. It is also understood that more than one type of fiber can be selected. It is also understood that some fibers may be consumed during the curing and bonding process. When selecting the fiber composition, the final operating temperature is an important consideration, so that the heat resistance of the fiber can be maintained. In another example, the fiber is selected such that it remains chemically inactive and unreactive in the presence of expected gases, liquids or solid suspended matter. The fiber may also be selected at its expense, and some fibers may pose health concerns due to their small dimensions, so their use can be avoided. Depending on the mechanical environment, the fibers are selected for their ability to both form a strong solid structure and to maintain the required mechanical integrity. It will be understood that the selection of a suitable fiber or set of fibers can compromise design and application. 6 Table 1 shows various types of fibers that can be used to form a fibrous extrudable mixture. In general, the fibers may be oxide or non-oxide ceramic, glass, organic, inorganic, or metallic. For ceramic materials, the fibers may be in various states, such as amorphous, glassy, polycrystalline or monocrystalline. Although Table 1 lists many available fibers, it will be understood that other types of fibers can be used.

Die Bindemittel und Porenbildner können dann sowohl nach der Art der ausgewählten Fasern als auch nach anderen gewünschten Eigenschaften ausgewählt werden. In einem Beispiel wird das Bindemittel derart ausgewählt, dass es eine besondere Art von Bindung im flüssigen Zustand zwischen den ausgewählten Fasern erleichtert. Insbesondere hat das Bindemittel eine Komponente, welche bei einer Bindungstemperatur derart reagiert, dass sie den Fluss einer flüssigen Verbindung zu den Knotenpunkten der sich kreuzenden Fasern erleichtert. Ebenso wird das Bindemittel für seine Fähigkeit ausgewählt, sowohl die ausgewählte Faser weichzumachen als auch deren Festigkeit im Rohzustand beizubehalten. In einem Beispiel wird das Bindemittel auch nach der Art der verwendeten Extrusion und der erforderlichen Temperatur für die Extrusion ausgewählt. Zum Beispiel bilden manche Bindemittel eine gallertartige Masse, wenn sie zu sehr erwärmt werden, und können daher nur bei Extrusionsverfahren mit geringer Temperatur verwendet werden. In einem anderen Beispiel kann das Bindemittel nach seinen Stoß- oder Schermischeigenschaften ausgewählt werden. Auf diese Weise kann das Bindemittel das Schneiden der Fasern mit dem gewünschten Formfaktor während des Mischvorgangs erleichtern. Das Bindemittel kann auch nach seinen Abbau- oder Abbrenneigenschaften ausgewählt werden. Das Bindemittel muss in der Lage sein, die Fasern generell an Ort und Stelle zu halten und die sich bildende Faserstruktur während des Abbrennens nicht zu unterbrechen. Zum Beispiel können, wenn das Bindemittel zu schnell oder heftig abbrennt, die austretenden Gase die sich bildende Struktur unterbrechen. Ebenso kann das Bindemittel nach der Menge des Restes des Binders ausgewählt werden, der nach dem Abbrennen hinterlassen wird. Manche Anwendungen können hochempfindlich gegen solche Reste sein.The binders and pore formers can then be selected according to the type of fibers selected as well as other desired properties. In one example, the binder is selected to facilitate a particular type of bonding in the liquid state between the selected fibers. In particular, the binder has a component which reacts at a bonding temperature such that it facilitates the flow of a liquid compound to the junctions of the intersecting fibers. Also, the binder is selected for its ability to both soften the selected fiber and maintain its strength in the raw state. In one example, the binder is also selected for the type of extrusion used and the temperature required for extrusion. For example, some binders form a gelatinous mass when heated too much and therefore can only be used in low temperature extrusion processes. In another example, the binder may be selected for its impact or shear mixing properties. In this way, the binder can facilitate cutting the fibers of the desired shape factor during the blending operation. The binder can also be selected according to its degradation or burning properties. The binder must be able to hold the fibers generally in place and the forming fiber structure during burning not to interrupt. For example, if the binder burns off too quickly or violently, the exiting gases may disrupt the forming structure. Likewise, the binder can be selected according to the amount of the remainder of the binder left after burning. Some applications may be highly sensitive to such residues.

Porenbildner können für die Bildung von relativ angemessenen Porositäten nicht benötigt werden. Zum Beispiel können die natürliche Anordnung und Verdichtung der Fasern innerhalb des Bindemittels zusammenwirken, um eine Porosität von etwa 40% bis etwa 60% zu ermöglichen. Auf diese Weise kann ein Substrat mit angemessener Porosität unter Verwendung eines Extrusionsverfahrens ohne die Verwendung von Porenbildnern erzeugt werden. In manchen Fällen ermöglicht die Beseitigung von Porenbildnern ein poröses Substrat, das im Vergleich zu bekannten Verfahren wirtschaftlicher herzustellen ist. Jedoch können, wenn eine Porosität von mehr als etwa 60% erforderlich ist, Porenbildner verwendet werden, um einen zusätzlichen Luftraum innerhalb des Substrats nach dem Aushärten zu bewirken. Die Porenbildner können auch nach ihren Abbau- oder Abbrenneigenschaften ausgewählt werden, und können auch nach ihrer Größe und Form ausgewählt werden. Die Porengröße kann zum Beispiel zum Abscheiden besonderer Arten von Schwebstoffen oder zum Ermöglichen einer besonders hohen Permeabilität wichtig sein. Die Form der Poren kann auch angepasst werden, um zum Beispiel die genaue Ausrichtung der Fasern zu unterstützen. Zum Beispiel kann eine relativ längliche Porenform die Fasern zu einem ausgerichteteren Muster anordnen, während eine unregelmäßigere oder sphärische Form die Fasern zu einem beliebigeren Muster anordnen kann.pore formers can for the Formation of relatively adequate porosities are not needed. To the Example can The natural Arrangement and densification of the fibers within the binder interact to create a porosity from about 40% to about 60%. In this way, a substrate with adequate porosity under Use of an extrusion process without the use of pore formers be generated. In some cases allows the removal of pore forming a porous substrate, in comparison to produce known processes more economical. however can, if a porosity required by more than about 60%, pore formers are used for an additional To cause air space within the substrate after curing. The pore formers can also be selected according to their degradation or burning properties, and can also according to their size and shape selected become. The pore size can For example, for separating special types of suspended matter or Enable important for a particularly high permeability. The shape of the Pores can also be adjusted, for example, the exact alignment to support the fibers. For example, a relatively elongated Pore form the fibers to a more aligned pattern, while a more irregular or spherical Shape the fibers can arrange to a more arbitrary pattern.

Die Faser kann von einem Hersteller als eine zugeschnittene Faser bereitgestellt und direkt in dem Verfahren verwendet werden, oder eine Faser kann in einem Massenformat bereitgestellt werden, welches üblicherweise vor der Benutzung bearbeitet wird. Auf die eine oder andere Art sollten Verfahrensgesichtspunkte berücksichtigen, wie die Faser zu ihrer endgültigen gewünschten Formfaktorverteilung zu bearbeiten ist. Im Allgemeinen wird die Faser zunächst vor dem Vermischen mit anderen Additiven zerschnitten, und wird dann während der Misch-, Scher- und Extrusionsschritte weiter zerschnitten. Jedoch kann die Extrusion auch mit unzerschnittenen Fasern durchgeführt werden, indem die Rheologie derart festgelegt wird, dass sie das Extrusionsgemisch mit angemessenen Extrusionsdrücken extrudierbar macht, und ohne dass Dilatanzströmungen in dem Extrusionsgemisch verursacht werden, wenn es an der Extrusionspressformfläche unter Druck platziert ist. Es versteht sich, das das Zerschneiden von Fasern zu einer angemessenen Formfaktorverteilung an verschiedenen Stellen in dem gesamten Prozess durchgeführt werden kann: Sobald die Faser ausgewählt und auf eine brauchbare Länge zugeschnitten wurde, wird sie mit dem Bindemittel und dem Porenbildner vermischt. Dieses Mischen kann zunächst in einer trockenen Form durchgeführt werden, um den Mischvorgang einzuleiten, oder kann als ein Nassmischvorgang durchgeführt werden. Das Fluid, welches üblicherweise Wasser ist, wird zu dem Gemisch hinzugefügt. Um das erforderliche Niveau der homogenen Verteilung zu erreichen, wird das Gemisch über ein oder mehrere Stadien schergemischt. Das Schermischen oder Dispersionsmischen schafft sowohl einen sehr erwünschten homogenen Mischvorgang für eine gleichmäßige Verteilung der Fasern in dem Gemisch als auch ein weiteres Zerschneiden von Fasern auf den gewünschten Formfaktor.The Fiber may be provided by a manufacturer as a tailored fiber and can be used directly in the process, or a fiber can be provided in a mass format, which is usually is processed before use. In one way or another should consider procedural issues, such as the fiber to their final desired Form factor distribution is to be processed. In general, the Fiber first sliced before mixing with other additives, and will then while the mixing, shearing and extrusion steps further cut. however the extrusion can also be carried out with uncut fibers, by setting the rheology to be the extrusion mixture with reasonable extrusion pressures makes extrudable, and without dilatant flows in the extrusion mixture caused when it attaches to the extrusion press molding surface Pressure is placed. It goes without saying that the cutting of Fibers to an appropriate form factor distribution at different Jobs in the entire process can be performed: as soon as the Fiber selected and to a usable length it is cut with the binder and the pore former mixed. This mixing may initially be in a dry form carried out to initiate the mixing process, or may be used as a wet mixing operation carried out become. The fluid, which is usually Water is added to the mixture. To the required level to achieve the homogeneous distribution, the mixture is over or several stages sheared. The shear mixing or dispersion mixing creates both a very desirable homogeneous mixing process for a uniform distribution of Fibers in the mixture as well as a further cutting of fibers to the desired Form factor.

6, Tabelle 2 zeigt verschiedene Bindemittel, die zur Auswahl zur Verfügung stehen. Es versteht sich, dass ein einziges Bindemittel verwendet werden kann, oder mehrere Bindemittel können verwendet werden. Die Bindemittel werden im Allgemeinen in organische und anorganische Klassifikationen eingeteilt. Die organischen Bindemittel brennen im Allgemeinen bei einer niedrigen Temperatur während des Aushärtens ab, während die anorganischen Bindemittel üblicherweise einen Teil der Endstruktur bei einer höheren Temperatur bilden. Obwohl verschiedene Bindemittelauswahlen in Tabelle 2 aufgelistet sind, versteht es sich, dass verschiedene andere Bindemittel verwendet werden können. 6, Tabelle 3 zeigt eine Liste von verfügbaren Porenbildnern. Porenbildner können im Allgemeinen als organisch oder anorganisch definiert werden, wobei die organischen üblicherweise bei einer niedrigeren Temperatur als die anorganischen abbrennen. Obwohl verschiedene Porenbildner in Tabelle 3 aufgelistet sind, versteht es sich, dass andere Porenbildner verwendet werden können. 6, Tabelle 4 zeigt verschiedene Fluide, die verwendet werden können. Obwohl es sich versteht, dass Wasser das wirtschaftlichste und am häufigsten verwendete Fluid sein kann, können manche Anwendungen andere Fluide erfordern. Obwohl Tabelle 4 verschiedene Fluide zeigt, die verwendet werden können, versteht es sich, dass andere Fluide nach speziellen Anwendungs- und Prozesserfordernissen ausgewählt werden können. 6 Table 2 shows various binders available for selection. It is understood that a single binder may be used, or multiple binders may be used. The binders are generally classified into organic and inorganic classifications. The organic binders generally burn off at a low temperature during curing, while the inorganic binders usually form part of the final structure at a higher temperature. Although various binder choices are listed in Table 2, it should be understood that various other binders can be used. 6 Table 3 shows a list of available pore formers. Pore formers can generally be defined as organic or inorganic, with the organic usually burning at a lower temperature than the inorganic ones. Although various pore formers are listed in Table 3, it will be understood that other pore formers can be used. 6 Table 4 shows various fluids that can be used. Although it is understood that water may be the most economical and most commonly used fluid, some applications may require different fluids. Although Table 4 shows various fluids that may be used, it will be understood that other fluids may be selected according to specific application and process requirements.

Im Allgemeinen kann das Gemisch derart angepasst werden, dass es eine Rheologie hat, die für eine vorteilhafte Extrusion geeignet ist. Üblicherweise resultiert die richtige Rheologie aus der richtigen Auswahl und Mischung der Fasern, Bindemittel, Dispersionsmittel, Weichmacher, Porenbildner und Fluide. Ein hohes Maß an Mischung wird benötigt, um den Fasern eine angemessene Plastizität zu verleihen. Sobald die richtige Faser, das richtige Bindemittel und der richtige Porenbildner ausgewählt wurden, wird die Menge des Fluids üblicherweise endgültig geregelt, um die richtige Rheologie zu erreichen. Eine richtige Rheologie kann angezeigt werden, wie zum Beispiel durch einen von zwei Versuchen. Der erste Versuch ist ein subjektiver, informeller Versuch, wo ein Tropfen des Gemisches entfernt und zwischen den Fingern einer erfahrenen Extrusionsbedienperson geformt wird. Die Bedienperson ist in der Lage, zu erkennen, wenn das Gemisch zwischen den Fingern richtig gleitet, was anzeigt, dass das Gemisch in einem richtigen Zustand für die Extrusion ist. Ein zweiter objektiverer Versuch beruht auf der Messung physikalischer Eigenschaften des Gemisches. Im Allgemeinen kann die Scherfestigkeit im Vergleich zum Kompaktionsdruck unter Verwendung eines begrenzten (d.h. Hochdruck) ringförmigen Rheometers gemessen werden. Die Messungen werden übernommen und entsprechend einem Vergleich der Kohäsionsfestigkeit mit der Druckabhängigkeit aufgezeichnet. Durch Messen des Gemisches bei verschiedenen Gemischen und Fluidniveaus kann ein Rheologiediagramm gebildet werden, das die Rheologiepunkte anzeigt. Zum Beispiel stellt Tabelle 5 in 6 ein Rheologiediagramm für ein fasriges Keramikgemisch dar. Die Achse 232 stellt die Kohäsionsfestigkeit dar, und die Achse 234 stellt die Druckabhängigkeit dar. Der extrudierbare Bereich 236 stellt einen Bereich dar, wo die fasrige Extrusion höchstwahrscheinlich auftritt. Daher wird ein Gemisch, das durch irgendeine Messung gekennzeichnet ist, die in den Bereich 236 fällt, wahrscheinlich erfolgreich extrudiert. Natürlich versteht es sich, dass das Rheologiediagramm vielen Variationen unterliegt, und so ist eine gewisse Variation in der Positionierung des Bereichs 236 zu erwarten. Außerdem gibt es verschiedene andere direkte und indirekte Versuche zum Messen der Rheologie und Plastizität, und es versteht sich, dass irgendeine Anzahl von diesen verwendet werden kann, um zu prüfen, ob das Gemisch die richtige Rheologie hat, mit der es zu der Endform des gewünschten Produktes extrudiert werden kann.In general, the mixture can be adjusted to have a rheology suitable for advantageous extrusion. Usually, proper rheology results from the proper selection and mixing of fibers, binders, dispersants, plasticizers, pore formers, and fluids. A high level of mixing is needed to give the fibers adequate plasticity. Once the right fiber, the right binder and the right pore former have been selected, the amount of fluid will become usually finalized to achieve the right rheology. Proper rheology can be indicated, such as by one of two trials. The first attempt is a subjective, informal attempt where a drop of the mixture is removed and molded between the fingers of an experienced extrusion operator. The operator is able to detect when the mixture is properly sliding between the fingers, indicating that the mixture is in a proper state for extrusion. A second more objective approach is based on the measurement of physical properties of the mixture. In general, shear strength can be measured versus compaction pressure using a limited (ie high pressure) annular rheometer. The measurements are taken and recorded according to a comparison of the cohesive strength with the pressure dependence. By measuring the mixture at various mixtures and fluid levels, a rheology diagram indicating the rheology points can be formed. For example, Table 5 presents 6 a rheology diagram for a fibrous ceramic mixture. The axis 232 represents the cohesive strength, and the axis 234 represents the pressure dependence. The extrudable area 236 represents an area where fibrous extrusion is most likely to occur. Therefore, a mixture that is characterized by any measurement that falls within the range 236 falls, probably successfully extruded. Of course, it is understood that the rheology diagram is subject to many variations, and so there is some variation in the positioning of the region 236 expected. In addition, there are several other direct and indirect attempts to measure rheology and plasticity, and it will be understood that any number of these can be used to test whether the mixture has the right rheology to match the final shape of the desired one Product can be extruded.

Sobald die richtige Rheologie erreicht wurde, wird das Gemisch mittels eines Extruders extrudiert. Der Extruder kann ein Kolbenextruder, ein Einschneckenextruder oder ein Doppelschneckenextruder sein. Das Extrusionsverfahren kann hochautomatisiert sein oder kann einen menschlichen Eingriff erfordern. Das Gemisch wird mittels einer Pressform extrudiert, welche die gewünschte Querschnittsform für den Substratblock hat. Die Pressform wurde derart ausgewählt, dass sie das Grünkörper-Substrat ausreichend formt. Auf diese Weise wird ein stabiles Grünkörper-Substrat erzeugt, das durch den Aushärtungsvorgang behandelt wird, während seine Form und Faserausrichtung beibehalten wird.As soon as the correct rheology has been achieved, the mixture is an extruder extruded. The extruder can be a piston extruder, a single screw extruder or a twin screw extruder. The extrusion process can be highly automated or can be a require human intervention. The mixture is determined by means of a Extruded die having the desired cross-sectional shape for the substrate block Has. The die was selected to be the greenbody substrate sufficiently formed. In this way, a stable green body substrate generated by the curing process is being treated while his Shape and fiber orientation is maintained.

Das Grünkörper-Substrat wird dann getrocknet und ausgehärtet. Die Trocknung kann bei Raumbedingungen, bei gesteuerten Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsbedingungen (wie in gesteuerten Öfen), in Mikrowellenöfen, in HF-Öfen und Konvektionsöfen stattfinden. Die Aushärtung erfordert im Allgemeinen die Entfernung von freiem Wasser, um das Grünkörper-Substrat zu trocknen. Es ist wichtig, das Grünkörper-Substrat in einer gesteuerten Weise derart zu trocken, dass keine Risse oder andere strukturelle Fehler eingebracht werden. Die Temperatur kann dann erhöht werden, um Additive, wie Bindemittel und Porenbildner, abzubrennen. Die Temperatur wird gesteuert, um sicherzustellen, dass die Additive in einer gesteuerten Weise abgebrannt werden. Es versteht sich, dass das Abbrennen der Additive ein Durchlaufen von Temperaturen über verschiedene Zeitzyklen und verschiedene Wärmeniveaus erfordern kann. Sobald die Additive abgebrannt sind, wird das Substrat auf die erforderliche Temperatur erwärmt, um strukturelle Bindungen an der Faserkreuzungspunkten oder Knotenpunkten zu bilden. Die erforderliche Temperatur wird nach der Art der erforderlichen Bindung und der chemischen Zusammensetzung der Fasern ausgewählt. Zum Beispiel werden flüssigkeitsunterstützte gesinterte Bindungen üblicherweise bei einer Temperatur gebildet, die geringer als bei Bindungen im festen Zustand ist. Es versteht sich, dass die Größe der Zeit bei der Bindungstemperatur entsprechend der speziellen Art der zu erzeugenden Bindung geregelt werden kann. Der gesamte Wärmezyklus kann in demselben Ofen, in unterschiedlichen Öfen, in diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Prozessen und bei Bedingungen von Luft oder gesteuerter Atmosphäre durchgeführt werden. Nachdem die Faserbindungen gebildet wurden, wird das Substrat langsam auf Raumtemperatur abgekühlt. Es versteht sich, dass der Aushärtungsvorgang in einem Ofen oder mehreren Öfen/Herden durchgeführt werden kann und in Produktions-Öfen/Herden, wie Tunnelöfen, automatisiert werden kann.The Green substrate is then dried and cured. Drying may take place under ambient conditions, at controlled temperature and humidity conditions (as in controlled ovens), in microwave ovens, in HF ovens and convection ovens occur. The curing generally requires the removal of free water to the Green substrate to dry. It is important to control the green body substrate in a controlled manner Way too dry, that no cracks or other structural Errors are introduced. The temperature can then be increased to burn off additives, such as binders and pore formers. The Temperature is controlled to ensure that the additives be burned in a controlled manner. It goes without saying that the burning off of the additives is a passage of temperatures over different Time cycles and different heat levels may require. Once the additives have burned off, the substrate becomes heated to the required temperature to structural bonds at the fiber crossing points or nodes. The required Temperature is determined by the type of bond required and the chemical composition of the fibers selected. For example, liquid-backed sintered Bindings usually formed at a temperature lower than bonds in the solid State is. It is understood that the size of the time at the bonding temperature regulated according to the specific nature of the bond to be generated can be. The entire heat cycle can in the same oven, in different ovens, in discontinuous or continuous processes and under conditions of air or controlled atmosphere carried out become. After the fiber bonds have been formed, the substrate becomes slowly cooled to room temperature. It is understood that the curing process in one oven or several ovens / cookers carried out can be and in production ovens / herds, like tunnel ovens, can be automated.

Mit Bezug auf 7 wird nun ein System zum Extrudieren eines porösen Substrats erläutert. Das System 250 ist ein hochflexibler Prozess zum Erzeugen eines porösen Substrats. Um das Substrat zu gestalten, werden die Substraterfordernisse definiert, wie in Block 252 gezeigt ist. Zum Beispiel definiert die endgültige Verwendung des Substrats im Allgemeinen die Substraterfordernisse, welche Größenbeschränkungen, Temperaturbeschränkungen, Festigkeitsbeschränkungen und chemische Reaktionsbeschränkungen umfassen können. Ferner können die Kosten und die Herstellbarkeit des Substrats in der Masse bestimmte Auswahlen bestimmen und vorantreiben. Zum Beispiel kann eine hohe Produktionsrate zu der Erzeugung von relativ hohen Temperaturen in der Extrusionspressform führen, und daher werden Bindemittel ausgewählt, die bei einer erhöhten Temperatur arbeiten, ohne auszuhärten oder zu gelieren. Bei Extrusionen unter Verwendung von Hochtemperaturbindemitteln müssen die Pressformen und der Zylinder bei einer relativ hohen Temperatur, wie 60 bis 180°C, gehalten werden können. In einem solchen Fall kann das Bindemittel schmelzen, was den Bedarf an zusätzlichem Fluid reduziert oder ausschließt. In einem anderen Beispiel kann ein Filter derart gestaltet sein, dass er Schwebstoffe abscheidet, so dass die Faser derart ausgewählt wird, dass sie mit den Schwebstoffen selbst bei erhöhten Temperaturen nicht reagierend bleibt. Es versteht sich, dass ein breiter Bereich von Anwendungen mit einem breiten Bereich von möglichen Gemischen und Prozessen in Einklang gebracht werden kann. Ein erfahrener Fachmann versteht die Kompromisse, die mit der Auswahl von Fasern, Bindemitteln, Porenbildnern, Fluiden und Verfahrensschritten verbunden sind. Allerdings ist einer der bedeutenden Vorteile des Systems 250 seine Flexibilität bezüglich der Auswahl der Gemischzusammensetzung und der Anpassungen an die Prozesses.Regarding 7 Now, a system for extruding a porous substrate will be explained. The system 250 is a highly flexible process for producing a porous substrate. To shape the substrate, the substrate requirements are defined as in block 252 is shown. For example, the ultimate use of the substrate generally defines the substrate requirements, which may include size limitations, temperature limitations, strength limitations, and chemical reaction limitations. Furthermore, the cost and manufacturability of the substrate in bulk may dictate and drive certain selections. For example, a high production rate may result in the production of relatively high temperatures in the extrusion die, and therefore, binders that operate at an elevated temperature without curing or gelling are selected. For extrusions using high temperature binders, the dies and cylinder must be maintained at a relatively high temperature, such as 60 to 180 ° C, can be maintained. In such a case, the binder may melt, which reduces or eliminates the need for additional fluid. In another example, a filter may be configured to deposit suspended matter so that the fiber is selected such that it does not react with the suspended matter even at elevated temperatures. It is understood that a wide range of applications can be reconciled with a wide range of possible mixtures and processes. One skilled in the art understands the trade-offs associated with the selection of fibers, binders, pore formers, fluids, and process steps. However, one of the significant advantages of the system 250 its flexibility in the choice of mixture composition and process adaptations.

Sobald die Substraterfordernisse definiert wurden, wird eine Faser aus Tabelle 1 von 6 ausgewählt, wie in Block 253 gezeigt ist. Die Faser kann von einer einzigen Art sein oder kann eine Kombination aus zwei oder mehreren Arten sein. Es versteht sich auch, dass manche Fasern derart ausgewählt werden können, dass sie während des Aushärtungsvorgangs verbraucht werden können. Ebenso können Additive zu den Fasern hinzugefügt werden, wie zum Beispiel Beschichtungen an den Fasern, um andere Materialien in das Gemisch einzuführen. Zum Beispiel können Dispersionsmittel an Fasern aufgebracht werden, um die Trennung und Anordnung von Fasern zu erleichtern, oder Bindemittel können auf die Fasern aufgetragen werden. In dem Fall von Bindemitteln unterstützen die Bindemittel, wenn die Fasern die Aushärtungstemperaturen erreichen, die Bildung und das Fließen von Bindungen im flüssigen Zustand.Once the substrate requirements have been defined, a fiber is taken from Table 1 of 6 selected as in block 253 is shown. The fiber may be of a single type or may be a combination of two or more types. It is also understood that some fibers can be selected to be consumed during the curing process. Also, additives may be added to the fibers, such as coatings on the fibers to introduce other materials into the mixture. For example, dispersants can be applied to fibers to facilitate separation and placement of fibers, or binders can be applied to the fibers. In the case of binders, as the fibers reach the curing temperatures, the binders aid in the formation and flow of bonds in the liquid state.

Eine typische Zusammensetzung, um eine Porosität > 80% zu erreichen

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A typical composition to achieve a porosity> 80%
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Ein Bindemittel wird dann aus Tabelle 2 von 6 ausgewählt, wie in Block 255 gezeigt ist. Das Bindemittel wird derart ausgewählt, dass es sowohl die Festigkeit im Rohzustand fördert als auch das Abbrennen steuert. Ebenso wird das Bindemittel derart ausgewählt, dass es eine ausreichende Plastizität in dem Gemisch erzeugt. Wenn erforderlich, wird ein Porenbildner aus Tabelle 3 von 6 ausgewählt, wie in Block 256 gezeigt ist. In manchen Fällen kann eine ausreichende Porosität durch die Verwendung von ausschließlich Fasern und Bindemitteln erreicht werden. Die Porosität wird nicht nur durch die natürlichen Verdichtungseigenschaften der Fasern erreicht, sondern auch durch den Raum, der von den Bindemitteln, Lösungsmitteln und anderen leicht flüchtigen Komponenten eingenommen wird, welche während der Entbindungs- und Aushärtungsstadien freigegeben werden. Um höhere Porositäten zu erreichen, können zusätzliche Porenbildner hinzugefügt werden.A binder is then removed from Table 2 of 6 selected as in block 255 is shown. The binder is selected to promote both the green strength and to control burn-off. Likewise, the binder is selected such that it produces sufficient plasticity in the mixture. If necessary, a pore former from Table 3 of 6 selected as in block 256 is shown. In some cases, sufficient porosity can be achieved by using only fibers and binders. The porosity is achieved not only by the natural densification properties of the fibers, but also by the space occupied by the binders, solvents, and other volatile components released during the debonding and curing stages. To achieve higher porosities, additional pore formers can be added.

Porenbildner werden auch nach ihren gesteuerten Abbrennfähigkeiten ausgewählt und können auch die Weichmachung des Gemisches unterstützen. Ein Fluid, welches üblicherweise Wasser ist, wird aus Tabelle 4, 6 ausgewählt, wie in Block 257 gezeigt ist. Andere flüssige Materialien, wie zum Beispiel ein Dispersionsmittel, zur Unterstützung der Trennung und Anordnung der Fasern und Weichmacher und Extrusionshilfsmittel zur Verbesserung des Strömungsverhaltens des Gemisches können hinzugefügt werden. Dieses Dispersionsmittel kann verwendet werden, um die elektronische Oberflächenladung an den Fasern zu regeln. Auf diese Weise können Fasern eine gesteuerte Ladung haben, um zu bewirken, dass sich einzelne Fasern einander abstoßen. Dies erleichtert eine homogenere und beliebigere Verteilung der Fasern. Eine typische Zusammensetzung für ein Gemisch, das ein Substrat mit einer Porosität > 80% zu erzeugen beabsichtigt, ist unten gezeigt. Es versteht sich, dass das Gemisch entsprechend der Zielporosität, der speziellen Anwendung und den Verfahrensgesichtspunkten abgestimmt werden kann.Pore formers are also selected for their controlled burn-off capabilities and can also aid in the plasticization of the mixture. A fluid, which is usually water, is shown in Table 4, 6 selected as in block 257 is shown. Other liquid materials, such as a dispersant, to aid in the separation and placement of the fibers and plasticizers and extrusion aids to improve the flow behavior of the mixture can be added. This dispersant can be used to control the surface electronic charge on the fibers. In this way, fibers can have a controlled charge to cause individual fibers to repel each other. This facilitates a more homogeneous and arbitrary distribution of the fibers. A typical composition for a mixture that intends to produce a substrate with a porosity> 80% is shown below. It is understood that the mixture can be tuned according to the target porosity, the particular application and the process aspects.

Wie in Block 254 gezeigt, sollten die in Block 252 ausgewählten Fasern derart bearbeitet werden, dass sie eine angemessene Formfaktorverteilung haben. Dieser Formfaktor sollte bevorzugt im Bereich von etwa 3 bis etwa 500 liegen und kann einen oder mehrere Verteilungsmodi haben. Es versteht sich, dass andere Bereiche, zum Beispiel um einen Formfaktor von 1000 herum ausgewählt werden können. In einem Beispiel kann die Verteilung von Formfaktoren über den gewünschten Bereich beliebig verteilt werden, und in anderen Beispielen können die Formfaktoren mit diskreteren Moduswerten ausgewählt werden. Es wurde herausgefunden, dass der Formfaktor ein wichtiger Faktor beim Definieren der Verdichtungseigenschaften für die Fasern ist. Dementsprechend werden der Formfaktor und die Verteilung der Formfaktoren derart ausgewählt, dass ein besonderes Festigkeits- und Porositätserfordernis realisiert wird. Ebenso versteht es sich, dass die Bearbeitung der Fasern in ihre bevorzugte Formfaktorverteilung an verschiedenen Stellen in dem Prozess durchgeführt werden kann. Zum Beispiel können die Fasern von einem Fremdbearbeiter zugeschnitten werden und mit einer vorbestimmten Formfaktorverteilung geliefert werden. In einem anderen Beispiel können die Fasern in einer Massenform bereitgestellt und als ein vorbereitender Schritt in dem Extrusionsverfahren zu einem geeigneten Formfaktor bearbeitet werden. Es versteht sich, dass das Mischen, Schermischen oder Dispersionsmischen und Extrusionsaspekte des Prozesses 250 auch zum Schneiden und Zerkleinern der Fasern beitragen können. Dementsprechend ist der Formfaktor der Fasern, die ursprünglich in das Gemisch eingeführt werden, anders als der Formfaktor in dem ausgehärteten Endsubstrat. Dementsprechend sollte die Zerkleinerungs- und Schneidwirkung des Mischens, des Schermischens und der Extrusion bei der Auswahl der richtigen Formfaktorverteilung 254 in Betracht gezogen werden, die in den Prozess einbezogen wird.As in block 254 Shown in the block 252 selected fibers are processed so that they have an appropriate form factor distribution. This form factor should preferably be in the range of about 3 are up to about 500 and may have one or more distribution modes. It is understood that other ranges may be selected, for example, around a 1000 form factor. In one example, the distribution of form factors may be arbitrarily distributed over the desired range, and in other examples, the form factors may be selected with more discrete mode values. Form factor has been found to be an important factor in defining compaction properties for the fibers. Accordingly, the shape factor and the distribution of the shape factors are selected such that a particular strength and porosity requirement is realized. It will also be understood that the processing of the fibers into their preferred form factor distribution may be performed at various locations in the process. For example, the fibers may be trimmed by a contractor and provided with a predetermined form factor distribution. In another example, the fibers may be provided in a bulk form and processed into a suitable form factor as a preparatory step in the extrusion process. It is understood that mixing, shear mixing or dispersion mixing and extrusion aspects of the process 250 also contribute to cutting and shredding the fibers. Accordingly, the form factor of the fibers originally introduced into the mixture is different than the shape factor in the cured final substrate. Accordingly, the crushing and cutting action of mixing, shear mixing and extrusion should be used in selecting the correct form factor distribution 254 be included in the process.

Mit den Fasern, die zu der geeigneten Formfaktorverteilung bearbeitet sind, werden die Fasern, Bindemittel, Porenbildner und Fluide zu einer homogenen Masse vermischt, wie in Block 262 gezeigt ist. Dieser Mischvorgang kann einen Trockenmischaspekt, einen Nassmischaspekt und einen Schermischaspekt umfassen. Es wurde herausgefunden, dass das Scher- oder Dispersionsmischen erwünscht ist, um eine hochhomogene Verteilung von Fasern innerhalb der Masse zu erzeugen. Diese Verteilung ist infolge der relativ geringen Konzentration von Keramikmaterial in dem Gemisch besonders wichtig. Wenn das homogene Gemisch gemischt wird, kann die Rheologie des Gemisches geregelt werden, wie in Block 264 gezeigt ist. Wenn das Gemisch gemischt wird, wird seine Rheologie weiter geändert. Die Rheologie kann subjektiv geprüft werden oder kann gemessen werden, um mit dem gewünschten Bereich übereinzustimmen, wie in Tabelle 5 von 6 dargestellt ist. Das Gemisch, das in diesen gewünschten Bereich fällt, hat eine hohe Wahrscheinlichkeit, richtig zu extrudieren. Das Gemisch wird dann zu einem Grünkörper-Substrat extrudiert, wie in Block 268 gezeigt ist.With the fibers machined to the proper form factor distribution, the fibers, binders, pore formers and fluids are mixed to a homogeneous mass, as in block 262 is shown. This mixing process may include a dry mixing aspect, a wet mixing aspect and a shear mixing aspect. It has been found that shear or dispersion mixing is desirable to produce a highly homogeneous distribution of fibers within the mass. This distribution is particularly important because of the relatively low concentration of ceramic material in the mixture. When the homogeneous mixture is mixed, the rheology of the mixture can be controlled, as in block 264 is shown. When the mixture is mixed, its rheology is further changed. The rheology can be subjectively tested or measured to match the desired range as shown in Table 5 of FIG 6 is shown. The mixture falling within this desired range has a high probability of extruding properly. The mixture is then extruded to a greenbody substrate as in block 268 is shown.

Im Falle der Schneckenextruder kann das Mischen auch in dem Extruder selbst, und nicht in einem separaten Mischer auftreten. In solchen Fällen muss die Vorgeschichte des Scherens des Gemisches sorgfältig gehandhabt und gesteuert werden. Das Grünkörper-Substrat hat eine ausreichende Grünkörperfestigkeit, um seine Form und Faseranordnung während des Aushärtungsvorgangs zu halten. Das Grünkörper-Substrat wird dann ausgehärtet, wie in Block 270 gezeigt ist. Der Aushärtungsvorgang umfasst das Entfernen von irgendwelchem restlichen Wasser, das gesteuerte Abbrennen der meisten Additive und das Bilden der Faser-zu-Faser-Bindungen. Während des Abbrennvorgangs halten die Fasern ihre verwickelte und kreuzende Beziehung bei, und während der Aushärtungsvorgang andauert, werden Bindungen an den Kreuzungspunkten oder Knotenpunkten gebildet. Es versteht sich, dass sich die Bindungen aus einem Bindungsvorgang im flüssigen Zustand oder im festen Zustand ergeben können. Ebenso versteht es sich, dass einige der Bindungen die Folge von Reaktionen mit Additiven sein können, die in dem Bindemittel, den Porenbildnern, als Beschichtungen an den Fasern, oder in den Fasern selbst vorgesehen sind. Nachdem die Bindungen gebildet wurden, wird das Substrat langsam auf Raumtemperatur abgekühlt.In the case of screw extruders, mixing can also occur in the extruder itself, not in a separate mixer. In such cases, the history of shearing the mixture must be carefully handled and controlled. The green body substrate has sufficient green body strength to hold its shape and fiber arrangement during the curing process. The greenbody substrate is then cured, as in block 270 is shown. The curing process involves the removal of any residual water, the controlled burning off of most additives, and the formation of the fiber-to-fiber bonds. During the firing process, the fibers maintain their entangled and crossing relationship, and as the curing process continues, bonds are formed at the crossing points or junctions. It is understood that the bonds may result from a bonding process in the liquid state or in the solid state. It is also understood that some of the bonds may be the result of reactions with additives provided in the binder, pore formers, as coatings on the fibers, or in the fibers themselves. After the bonds have been formed, the substrate is slowly cooled to room temperature.

Mit Bezug auf 8 wird nun ein Verfahren zum Aushärten eines porösen fasrigen Substrats erläutert. Das Verfahren 275 hat ein Grünkörper-Substrat mit einem fasrigen keramischen Inhalt. Der Aushärtungsvorgang entfernt zuerst langsam das restliche Wasser aus dem Substrat, wie in Block 277 gezeigt ist. Üblicherweise kann die Entfernung von Wasser bei einer relativ niedrigen Temperatur in einem Ofen durchgeführt werden. Nachdem das restliche Wasser entfernt wurde, können die organischen Additive abgebrannt werden, wie in Block 279 gezeigt ist. Diese Additive werden in einer gesteuerten Weise abgebrannt, um die richtige Anordnung der Fasern zu erleichtern und sicherzustellen, dass austretende Gase und Rückstände nicht mit der Faserstruktur in störenden Eingriff gelangen. Wenn die Additive abbrennen, halten die Fasern ihre überlappende Anordnung aufrecht und können weiter an den Kreuzungspunkten oder Knotenpunkten kontaktieren, wie in Block 281 gezeigt ist. Die Fasern wurden in diesen überlappenden Anordnungen unter Verwendung des Bindemittels positioniert und können besondere Muster haben, die durch die Verwendung von Porenbildnern gebildet werden. In manchen Fällen könnten anorganische Additive verwendet werden, welche sich mit den Fasern verbinden, während des Bindungsbildungsvorgangs verbraucht werden oder als ein Teil der Endsubstratstruktur verbleiben können. Der Aushärtungsvorgang schreitet fort, um Faser-zu-Faser-Bindungen zu bilden, wie in Block 285 gezeigt ist. Die spezielle Zeitsteuerung und Temperatur, die zum Erzeugen der Bindungen erforderlich sind, hängen von der Art der verwendeten Fasern, der Art der verwendeten Bindemittel oder Hilfsmittel und der Art der gewünschten Bindung ab. In einem Beispiel kann die Bindung eine Sinterbindung im flüssigen Zustand sein, die zwischen den Fasern erzeugt wird, wie in Block 286 gezeigt ist. Solche Bindungen werden von Glasbildnern, Glas, keramischen Präkursoren oder anorganischen Flussmitteln unterstützt, die in dem System vorhanden sind. In einem anderen Beispiel kann eine Sinterbindung im flüssigen Zustand unter Verwendung von Sinterhilfsmitteln oder Agenzien erzeugt werden, wie in Block 288 gezeigt ist. Die Sinterhilfsmittel können als eine Beschichtung an den Fasern, als Additive, von Bindemitteln, von Porenbildnern oder von der chemischen Zusammensetzung der Fasern selbst bereitgestellt werden. Ebenso kann die Faser-zu-Faser-Bindung durch ein Sintern im festen Zustand zwischen den Fasern gebildet werden, wie in Block 291 gezeigt ist. In diesem Falle besitzen die sich kreuzenden Fasern Korngrößenwachstum und Massenübergang, was zu der Bildung von chemischen Bindungen an den Knotenpunkten und zu einer insgesamt festen Struktur führt. Im Falle des Sinterns im flüssigen Zustand sammelt sich eine Masse von Bindungsmaterial an den Kreuzungsknotenpunkten der Fasern an und bildet die feste Struktur. Es versteht sich, dass der Aushärtungsvorgang in einem oder mehreren Öfen durchgeführt werden kann und in einem industriellen Tunnel- oder Brennofen automatisiert werden kann.Regarding 8th Now, a method of curing a porous fibrous substrate will be explained. The procedure 275 has a green body substrate with a fibrous ceramic content. The curing process first slowly removes the remaining water from the substrate as in block 277 is shown. Usually, the removal of water can be carried out at a relatively low temperature in an oven. After the residual water has been removed, the organic additives can be burned off, as in block 279 is shown. These additives are burned in a controlled manner to facilitate the proper placement of the fibers and to ensure that leaking gases and residues do not interfere with the fibrous structure. As the additives burn, the fibers maintain their overlapping arrangement and can continue to contact at the crossings or junctions, as in block 281 is shown. The fibers were positioned in these overlapping arrangements using the binder and may have particular patterns formed by the use of pore formers. In some cases, inorganic additives may be used which will bond to the fibers, be consumed during the bond formation process, or remain as part of the final substrate structure. The curing process proceeds to form fiber-to-fiber bonds, as in block 285 is shown. The specific timing and temperature required to create the bonds depends on the type of fibers used, the type of binder used, or Aids and the type of binding desired. In one example, the bond may be a liquid-state sintered bond created between the fibers, as in block 286 is shown. Such bonds are supported by glass formers, glass, ceramic precursors or inorganic fluxes present in the system. In another example, a sintered bond in the liquid state can be produced using sintering aids or agents, as in block 288 is shown. The sintering aids may be provided as a coating on the fibers, as additives, as binders, as pore formers or as the chemical composition of the fibers themselves. Likewise, the fiber-to-fiber bond can be formed by sintering in the solid state between the fibers, as in block 291 is shown. In this case, the intersecting fibers have grain size growth and mass transfer, leading to the formation of chemical bonds at the nodes and to an overall solid structure. In the case of sintering in the liquid state, a mass of bonding material accumulates at the crossing nodes of the fibers and forms the solid structure. It is understood that the curing process can be performed in one or more ovens and can be automated in an industrial tunnel or kiln.

Mit Bezug auf 9 wird nun ein Verfahren zur Vorbereitung der Fasern erläutert. Das Verfahren 300 zeigt, dass Massenfasern aufgenommen werden, wie in Block 305 gezeigt ist. Die Massenfasern haben üblicherweise sehr lange Fasern in einer gruppierten und verflochtenen Anordnung. Solche Massenfasern müssen bearbeitet werden, um die Fasern zur Verwendung in dem Mischvorgang ausreichend zu trennen und zu schneiden. Dementsprechend werden die Massenfasern mit Wasser 307 und möglicherweise einem Dispersionsmittel 309 gemischt, um einen Brei 311 zu bilden. Das Dispersionsmittel 309 kann zum Beispiel ein pH-Regler oder ein Ladungsregler sein, um die Fasern beim Abstoßen voneinander zu unterstützen. Es versteht sich, dass verschiedene andere Arten von Dispersionsmitteln verwendet werden können. In einem Beispiel werden die Massenfasern vor der Einführung in den Brei mit einem Dispersionsmittel beschichtet. In einem anderen Beispiel wird das Dispersionsmittel einfach zu dem Breigemisch 311 hinzugefügt. Das Breigemisch wird heftig gemischt, wie in Block 314 gezeigt ist. Dieses heftige Mischen dient dazu, die Massenfasern in eine brauchbare Formfaktorverteilung zu zerschneiden und zu trennen. Wie vorher beschrieben, ist der Formfaktor für die anfängliche Verwendung der Fasern anders als die Verteilung in dem Endsubstrat, da der Misch- und Extrusionsvorgang die Fasern weiter zerkleinert.Regarding 9 Now, a method for preparing the fibers will be explained. The procedure 300 shows that bulk fibers are taken up as in block 305 is shown. The bulk fibers usually have very long fibers in a grouped and interlaced arrangement. Such bulk fibers must be processed to sufficiently separate and cut the fibers for use in the blending operation. Accordingly, the bulk fibers become water 307 and possibly a dispersant 309 mixed to a pulp 311 to build. The dispersant 309 For example, it may be a pH regulator or a charge regulator to help the fibers repel each other. It is understood that various other types of dispersants can be used. In one example, the bulk fibers are coated with a dispersant prior to introduction into the slurry. In another example, the dispersant simply becomes the pudding mix 311 added. The porridge is mixed vigorously, as in block 314 is shown. This vigorous mixing serves to cut and separate the bulk fibers into a usable form factor distribution. As previously described, the form factor for the initial use of the fibers is different than the distribution in the final substrate as the mixing and extrusion process further shreds the fibers.

Nachdem die Fasern zu einer geeigneten Formfaktorverteilung geschnitten wurden, wird das Wasser unter Verwendung einer Filterpresse 316 oder durch Pressen gegen einen Filter in einer anderen Ausstattung größtenteils entfernt. Es versteht sich, dass andere Wasserentfernungsverfahren, wie zum Beispiel Gefriertrocknung, verwendet werden können. Die Filterpresse kann Druck, Vakuum oder andere Mittel verwenden, um das Wasser zu entfernen. In einem Beispiel werden die zerschnittenen Fasern weiter in einen vollständig trockenen Zustand getrocknet, wie in Block 318 gezeigt ist. Diese getrockneten Fasern können dann in einem Trockenmischverfahren 323 verwendet werden, wo sie mit anderen Bindemitteln und trockenen Porenbildnern vermischt werden, wie in Block 327 gezeigt ist. Dieses anfängliche Trockenmischen trägt zur Erzeugung einer homogenen Masse bei. In einem anderen Beispiel wird der Wassergehalt der gefilterten Fasern für den richtigen Feuchtigkeitsgehalt geregelt, wie in Block 321 gezeigt ist. Insbesondere wird genügend Wasser in der zerkleinerten Fasermasse gelassen, um das Nassmischen zu erleichtern, wie in Block 325 gezeigt ist. Es wurde herausgefunden, dass durch Austritt von ein wenig breiigem Wasser mit den Fasern eine zusätzliche Trennung und Verteilung der Fasern erreicht werden kann. In dem Stadium des Nassmischens können auch Bindemittel und Porenbildner hinzugefügt werden, und Wasser 329 kann hinzugefügt werden, um die richtige Reologie zu erreichen. Die Masse wird auch schergemischt, wie in Block 332 gezeigt ist. Das Schermischen kann auch durchgeführt werden, indem das Gemisch unter Verwendung eines Schneckenextruders, eines Doppelschneckenextruders oder eines Schermischers (wie eines Mischers des Sigma-Schaufeltyps) durch schlauchartige Pressformen hindurchtritt. Das Schermischen kann auch in einem Sigma-Mischer, einem Hochschermischer und innerhalb des Schneckenextruders stattfinden. Der Schermischvorgang ist zum Erzeugen einer homogeneren Masse 335 erwünscht, die eine gewünschte Plastizität und extrudierbare Rheologie hat, damit die Extrusion wirksam wird. Die homogene Masse 335 hat eine gleichmäßige Verteilung der Fasern, wobei die Fasern in einer überlappenden Matrix positioniert sind. Auf diese Weise wird, wenn die homogene Masse zu einem Substratblock extrudiert und ausgehärtet wird, eine Bindung der Fasern zu einer festen Struktur ermöglicht. Ferner bildet diese feste Struktur ein offenes Porennetz mit hoher Porosität, hoher Permeabilität und einem hohen Oberflächenbereich.After the fibers have been cut to a suitable shape factor distribution, the water is filtered using a filter press 316 or by pressing against a filter in other equipment for the most part. It is understood that other methods of water removal, such as freeze-drying, may be used. The filter press can use pressure, vacuum or other means to remove the water. In one example, the cut fibers are further dried to a completely dry state, as in block 318 is shown. These dried fibers can then be dry blended 323 where they are mixed with other binders and dry pore formers, as in block 327 is shown. This initial dry mixing helps to create a homogeneous mass. In another example, the water content of the filtered fibers is controlled for the correct moisture content, as in block 321 is shown. In particular, enough water is left in the shredded pulp to facilitate wet mixing, as in block 325 is shown. It has been found that by exiting slightly pulpy water with the fibers, additional separation and distribution of the fibers can be achieved. At the wet mixing stage, binders and pore formers may also be added, and water 329 can be added to achieve the right reology. The mass is also shear mixed, as in block 332 is shown. The shear mixing may also be carried out by passing the mixture through tubular dies using a screw extruder, a twin screw extruder or a shear mixer (such as a sigma blade type mixer). Shear mixing can also take place in a sigma mixer, a high shear mixer and inside the screw extruder. The shear mixing process is to produce a more homogeneous mass 335 desirable having a desired plasticity and extrudable rheology for the extrusion to be effective. The homogeneous mass 335 has a uniform distribution of fibers, with the fibers positioned in an overlapping matrix. In this way, when the homogeneous mass is extruded and cured into a block of substrate, bonding of the fibers to a solid structure is made possible. Further, this solid structure forms an open pore network with high porosity, high permeability and high surface area.

Mit Bezug auf 10 wird nun ein Verfahren zum Erzeugen eines Gradientensubstratblocks erläutert. Das Verfahren 350 ist derart gestaltet, dass es die Herstellung und Extrusion eines Substratblocks mit einer Gradientencharakteristik ermöglicht. Zum Beispiel kann ein Substrat erzeugt werden, das ein erstes Material in Richtung zu der Mitte des Blocks und ein anderes Material in Richtung zu der Außenseite des Blocks aufweist. In einem spezielleren Beispiel wird ein Material mit einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten in Richtung zu der Mitte des Blocks verwendet, wo besonders hohe Wärme zu erwarten ist, während ein Material mit einem relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten an den Außenflächen verwendet wird, wo eine geringe Wärme erwartet wird. Auf diese Weise kann ein einheitlicheres Ausdehnungsvermögen für den gesamten Block erhalten werden. In einem anderen Beispiel können ausgewählte Bereiche eines Blocks keramisches Material mit höherer Dichte aufweisen, um eine erhöhte strukturelle Abstützung zu schaffen. Diese strukturellen Stützelemente können konzentrisch oder axial in dem Block angeordnet sein. Dementsprechend können die speziellen Materialien nach gewünschten Gradienten in der Porosität, Porengröße oder chemischen Zusammensetzung entsprechend den Anwendungserfordernissen ausgewählt werden. Ferner kann der Gradient die Verwendung von mehr als zwei Materialien erfordern.Regarding 10 Now, a method for generating a gradient substrate block will be explained. The procedure 350 is designed to allow the production and extrusion of a substrate block having a gradient characteristic. For example, a substrate may be formed having a first material toward the center of the block and another material toward the outside of the block has. In a more specific example, a material having a lower coefficient of thermal expansion towards the center of the block is used, where particularly high heat is to be expected, while a material having a relatively high coefficient of thermal expansion is used on the outer surfaces where low heat is expected. In this way, a more uniform expansibility for the entire block can be obtained. In another example, selected areas of a block may include higher density ceramic material to provide increased structural support. These structural support members may be concentric or axially disposed in the block. Accordingly, the particular materials may be selected according to desired gradients in porosity, pore size or chemical composition according to the application requirements. Further, the gradient may require the use of more than two materials.

In einem Beispiel kann die Gradientenstruktur durch Bereitstellen eines Zylinders aus einem ersten Material 351 erzeugt werden. Ein Blech aus einem zweiten Material 353 wird um den Zylinder 351 herum gewickelt, wie durch die Darstellung 355 gezeigt ist. Auf diese Weise ist die Schicht B 353 ein konzentrisches Rohr um den inneren Zylinder 351 herum. Der geschichtete Zylinder 355 wird dann in einem Kolbenextruder platziert, dem Luft evakuiert wird, und die Masse wird durch eine Pressform hindurch extrudiert. Während des Extrusionsverfahrens wird Material an der Grenzfläche zwischen dem Material A und dem Material B gemischt, was einen nahtlosen Übergang erleichtert. Eine solche Grenzfläche ermöglicht die Überlappung und Bindung von Fasern zwischen zwei unterschiedlichen Arten von Materialien, wodurch eine stärkere Gesamtstruktur gefördert wird. Sobald das Material extrudiert, ausgehärtet und kompaktiert wurde, erzeugt es ein Filter- oder Katalysatorgehäuse 357 mit einem Gradientensubstrat. Insbesondere bildet sich das Material A in der Mitte des Substrats, während sich das Material B 361 an den äußeren Abschnitten bildet. Es versteht sich, dass mehr als zwei Materialien verwendet werden können, und dass die Porengröße, Porosität und chemischen Eigenschaften gradientisch geregelt werden können.In an example, the gradient structure may be provided by providing a cylinder of a first material 351 be generated. A sheet of a second material 353 gets around the cylinder 351 wrapped around, as by the presentation 355 is shown. In this way, the layer B 353 a concentric tube around the inner cylinder 351 around. The layered cylinder 355 is then placed in a piston extruder where air is evacuated and the mass is extruded through a die. During the extrusion process, material is mixed at the interface between the material A and the material B, facilitating a seamless transition. Such an interface allows for the overlap and bonding of fibers between two different types of materials, thereby promoting a stronger overall structure. Once the material has been extruded, cured and compacted, it creates a filter or catalyst housing 357 with a gradient substrate. In particular, the material A forms in the middle of the substrate while the material B 361 forms at the outer sections. It is understood that more than two materials can be used and that the pore size, porosity and chemical properties can be controlled gradient.

Mit Bezug auf 11 wird nun ein anderes Verfahren 375 zum Erzeugen eines Gradientensubstrats beschrieben. Bei dem Verfahren 375 ist ein erster Zylinder 379 in etwa der Größe des Kolbenextrusionszylinders vorgesehen. In einem Beispiel ist der äußere Zylinder 379 der tatsächliche Zylinder, der in dem Kolbenextruder verwendet wird. Ein inneres Rohr 377 ist vorgesehen, das einen kleineren Durchmesser als das äußere Rohr 379 hat. Die Rohre sind konzentrisch derart angeordnet, dass das innere Rohr 377 konzentrisch innerhalb des Rohres 379 positioniert ist. Pellets eines ersten extrudierbaren Gemischmaterials 383 sind in dem Rohr 377 eingelagert, während Pellets eines zweiten extrudierbaren Gemischmaterials 381 in dem Ring zwischen dem Rohr 377 und dem Rohr 379 eingelagert sind. Das innere Rohr wird vorsichtig entfernt, so dass das Material A von dem Material 381 konzentrisch umgeben ist. Die Anordnung des Materials wird dann in dem Extrusionskolben platziert, dem Luft vakuumentfernt wird, und durch eine Pressform hindurch extrudiert. Sobald es extrudiert, ausgehärtet und kompaktiert ist, wird ein Gradientensubstrat erzeugt, wie mit Bezug auf 10 beschrieben ist. Es versteht sich, dass mehr als zwei konzentrische Ringe gebildet werden können, und dass verschiedene Arten von Gradienten erzeugt werden können.Regarding 11 now becomes another procedure 375 for generating a gradient substrate. In the process 375 is a first cylinder 379 provided in approximately the size of the piston extrusion cylinder. In one example, the outer cylinder 379 the actual cylinder used in the piston extruder. An inner tube 377 is provided, which has a smaller diameter than the outer tube 379 Has. The tubes are concentrically arranged such that the inner tube 377 concentric inside the tube 379 is positioned. Pellets of a first extrudable mixture material 383 are in the pipe 377 while pellets of a second extrudable mixture material 381 in the ring between the pipe 377 and the tube 379 are stored. The inner tube is carefully removed, leaving the material A of the material 381 is surrounded concentrically. The assembly of the material is then placed in the extrusion flask where air is removed from the vacuum and extruded through a die. Once extruded, cured and compacted, a gradient substrate is produced as described with reference to FIG 10 is described. It is understood that more than two concentric rings can be formed, and that different types of gradients can be generated.

Mit Bezug auf 12 wird ein anderes Verfahren zum Herstellen eines Gradientensubstrats erläutert. Das Verfahren 400 hat eine Säule eines extrudierbaren Gemisches 402 mit abwechselnden Scheiben aus zwei extrudierbaren Materialien. Das extrudierbare Gemisch 402 weist ein erstes Material 403 benachbart zu einem zweiten Material 404 auf. In einem Beispiel ist das Material A relativ porös, während das Material B weniger porös ist. Während der Extrusion fließt das Material durch die Extrusionspressform hindurch, was bewirkt, dass sich die Fasern von dem Abschnitt A und dem Abschnitt B in einer überlappenden Anordnung vermischen. Auf diese Weise werden die jeweiligen Abschnitte A und B miteinander verbunden, um einen fasrigen Substratblock zu bilden. Nach dem Aushärten und Kompaktieren wird ein Filter 406 erzeugt. Der Filter 406 weist einen ersten Abschnitt 407 mit relativ hoher Porosität und einen zweiten Abschnitt 408 mit weniger Porosität auf. Auf diese Weise wird Gas, das durch den Filter 406 hindurchströmt, zuerst durch einen Bereich hoher Porosität mit großer Porengröße hindurch gefiltert und dann durch einen weniger porösen Bereich mit kleiner Porengröße hindurch gefiltert. Auf diese Weise werden große Partikel im Bereich 407 abgeschieden, während kleinere Partikel im Bereich 408 abgeschieden werden. Es versteht sich, dass die Größe und Anzahl der Materialscheiben entsprechend den Anwendungserfordernissen geregelt werden können.Regarding 12 Another method for producing a gradient substrate will be explained. The procedure 400 has a column of an extrudable mixture 402 with alternating discs of two extrudable materials. The extrudable mixture 402 has a first material 403 adjacent to a second material 404 on. In one example, material A is relatively porous while material B is less porous. During extrusion, the material flows through the extrusion die causing the fibers from section A and section B to intermix in an overlapping arrangement. In this way, the respective sections A and B are bonded together to form a fibrous substrate block. After curing and compacting becomes a filter 406 generated. The filter 406 has a first section 407 with relatively high porosity and a second section 408 with less porosity. That way, gas will pass through the filter 406 first filtered through a high porosity region of large pore size and then filtered through a less porous, small pore size region. In this way, large particles in the area 407 deposited while smaller particles in the area 408 be deposited. It is understood that the size and number of the material discs can be controlled according to the application requirements.

Das Faserextrusionssystem bietet eine große Flexibilität in der Anwendung. Zum Beispiel kann ein breiter Bereich von Fasern und Additiven ausgewählt werden, um das Gemisch zu bilden. Es bestehen sowohl verschiedene Misch- und Extrusionsoptionen als auch Optionen bezüglich des Aushärtungsverfahrens, der Zeit und der Temperatur. Mit den offenbarten Lehren versteht ein in den Extrusionstechniken erfahrener Fachmann, dass viele Variationen verwendet werden können. Das Wabensubstrat ist eine allgemeine Gestaltung, die unter Verwendung der in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Technik erzeugt werden kann, jedoch können andere Formen, Größen, Konturen und Gestaltungen für verschiedene Anwendungen extrudiert werden.The fiber extrusion system offers great flexibility in the application. For example, a wide range of fibers and additives can be selected to form the blend. There are various mixing and extrusion options as well as options for curing, time and temperature. With the teachings disclosed, one skilled in the art of extrusion understands that many variations can be used. The honeycomb substrate is a general design that can be produced using the technique described in the present invention, however For example, other shapes, sizes, contours and shapes can be extruded for different applications.

Für bestimmte Anwendungen, wie zum Beispiel die Verwendung bei Filtervorrichtungen (DPF, Öl/Luftfilter, Heißgasfilter, Luftfilter, Wasserfilter usw.) oder katalytischen Vorrichtungen (wie 3-Wege-Katalysatoren, SCR-Katalysatoren, deozorierende Mittel, deodorierende Mittel, biologische Reaktoren, chemische Reaktoren, Oxidationskatalysatoren usw.), müssen die Kanäle in einem extrudierten Substrat verstopft werden können. Das Verstopfen kann in dem Rohzustand oder an einem gesinterten Substrat durchgeführt werden. Die meisten Verstopfungszusammensetzungen erfordern eine Wärmebehandlung für die Aushärtung und Bindung mit dem extrudierten Substrat.For certain Applications, such as use with filter devices (DPF, oil / air filter, Hot gas filter, Air filters, water filters, etc.) or catalytic devices (such as 3-way catalysts, SCR catalysts, deodorants, deodorants, biological reactors, chemical reactors, oxidation catalysts, etc.), the channels can be plugged in an extruded substrate. The Clogging may occur in the raw state or on a sintered substrate carried out become. Most constipation compositions require one heat treatment for the curing and bonding with the extruded substrate.

Obwohl besondere bevorzugte und alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart wurden, ist es für einen erfahrenen Durchschnittsfachmann ersichtlich, dass viele verschiedene Modifikationen und Erweiterungen der oben beschriebenen Technologie unter Verwendung der Lehre dieser hierin beschriebenen Erfindung realisiert werden können. Alle derartigen Modifikationen und Erweiterungen sollen in den wirklichen Sinn und Bereich der Erfindung einbezogen sein, wie in den beigefügten Ansprüchen diskutiert ist.Even though particular preferred and alternative embodiments of the present invention For one of ordinary skill in the art, it will be apparent to one of ordinary skill in the art you can see that many different modifications and extensions the technology described above using the teaching of this can be realized in the invention described herein. All Such modifications and extensions are intended in the real world Sense and scope of the invention as discussed in the appended claims.

Claims (6)

Poröses keramisches Wabensubstrat (175): mit einer Porosität in dem Bereich von etwa 60% bis etwa 85%; mit einer Struktur, die im wesentlichen aus gebundenen keramischen Fasern (30) gebildet ist, und ein Feld von wabenförmigen Kanälen aufweist, und wobei das Wabensubstrat (175) durch einen Extrusionsprozess (10) erzeugt wird, mit den Schritten: Mischen der Keramikmaterialfaser (12) mit Additiven (16) und einem Fluid (18), um ein extrudierbares Gemisch (21, 52) zu bilden; Extrudieren des extrudierbaren Gemisches zu einem wabenförmigen Grünkörper-Substrat (23); und Aushärten des Grünkörper-Substrat zu dem porösen Wabensubstrat.Porous ceramic honeycomb substrate ( 175 ): having a porosity in the range of about 60% to about 85%; having a structure consisting essentially of bonded ceramic fibers ( 30 ), and has a field of honeycomb channels, and wherein the honeycomb substrate ( 175 ) by an extrusion process ( 10 ), comprising the steps of: mixing the ceramic material fiber ( 12 ) with additives ( 16 ) and a fluid ( 18 ) to form an extrudable mixture ( 21 . 52 ) to build; Extruding the extrudable mixture into a honeycomb green body substrate ( 23 ); and curing the green body substrate to the porous honeycomb substrate. Poröses keramisches Wabensubstrat nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Sinter-, Kristall- oder Glasbindungen zwischen den Fasern.porous Ceramic honeycomb substrate according to claim 1, characterized by Sintered, crystal or glass bonds between the fibers. Poröses keramisches Wabensubstrat nach Anspruch 1, wobei das ausgehärtete poröse keramische Substrat im Wesentlichen aus einem offenen Porennetz (152) von keramischen Fasern (12) besteht.Porous ceramic honeycomb substrate according to claim 1, wherein the cured porous ceramic substrate consists essentially of an open pore network ( 152 ) of ceramic fibers ( 12 ) consists. Poröses keramisches Wabensubstrat nach Anspruch 1, wobei die Bindungen durch Sintern oder durch Bildung von Glas-, Glaskeramik- oder Keramikbindungen entstanden sind.porous The ceramic honeycomb substrate of claim 1, wherein the bonds are through Sintering or by formation of glass, glass ceramic or ceramic bonds have arisen. Poröses keramisches Wabensubstrat (175) nach Anspruch 1, wobei die keramischen Fasern (12) einen verteilten Formfaktor mit einem Modus in dem Bereich von 3 bis 1000 haben.Porous ceramic honeycomb substrate ( 175 ) according to claim 1, wherein the ceramic fibers ( 12 ) have a distributed form factor with a mode in the range of 3 to 1000. Poröses keramisches Wabensubstrat (175) nach Anspruch 1, wobei die keramischen Fasern (12) aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind: Fiber FP, Hersteller DuPont, Zusammensetzung in Gew.% > 99% a-Al2O3; PRD-166, Hersteller Du Pont, Zusammensetzung in Gew.% ~80% a-Al2O3 ~20% ZrO2; Nextel 312, Hersteller 3M, Zusammensetzung in Gew.% 62% Al2O3 24% SiO2 14% B2O3; Nextel 720, Hersteller 3M, Zusammensetzung in Gew.% 85% Al2O3 15% SiO2; Nextel 550, Hersteller 3M, Zusammensetzung in Gew.% 73% Al2O3 27% SiO2; Nextel 610, Hersteller 3M, Zusammensetzung in Gew.% 0.2-0.3% SiO2 0.4-0.7% Fe2O3 > 99% a-Al2O3; Almax, Hersteller Mitsu Mining, Zusammensetzung in Gew.% > 99% a-Al2O3; Altex, Hersteller Sumitomo, 85% ?-Al2O3 15% SiO2; Saphikon, Hersteller Saphikon, Zusammensetzung in Gew.% 100% Al2O3; Nicalon NL200, Zusammensetzung Si-C-O; Hi-Nicalon, Zusammensetzung Si-C; Tyranno Lox M, Zusammensetzung in Si-C-O-Ti; Sylramic, Zusammensetzung SiC, TiB2; Tonen, Zusammensetzung Si-N-C; SCS-6, Zusammensetzung SiC; Nextel 610, Zusammensetzung Al2O3; Nextel 720, Zusammensetzung Al2O3-SiO2; Almax, Zusammensetzung Al2O3; Saphikon, Zusammensetzung Al2O3 (single crystal)Porous ceramic honeycomb substrate ( 175 ) according to claim 1, wherein the ceramic fibers ( 12 ) are selected from the following group: Fiber FP, manufacturer DuPont, composition in wt.%> 99% a-Al 2 O 3 ; PRD-166, manufacturer Du Pont, composition in wt.% ~ 80% a-Al 2 O 3 ~ 20% ZrO 2 ; Nextel 312, manufacturer 3M, composition in wt.% 62% Al 2 O 3 24% SiO 2 14% B 2 O 3 ; Nextel 720, manufacturer 3M, composition in wt.% 85% Al 2 O 3 15% SiO 2 ; Nextel 550, manufacturer 3M, composition in wt.% 73% Al 2 O 3 27% SiO 2 ; Nextel 610, manufacturer 3M, composition in wt.% 0.2-0.3% SiO 2 0.4-0.7% Fe 2 O 3 > 99% a-Al 2 O 3 ; Almax, manufacturer Mitsu Mining, composition in wt.%> 99% a-Al 2 O 3 ; Altex, manufacturer Sumitomo, 85%? -Al 2 O 3 15% SiO 2 ; Saphikon, manufacturer Saphikon, composition in wt.% 100% Al 2 O 3 ; Nicalon NL200, composition Si-CO; Hi-Nicalon, composition Si-C; Tyranno Lox M, composition in Si-CO-Ti; Sylramic, composition SiC, TiB 2 ; Cloning, composition Si-NC; SCS-6, composition SiC; Nextel 610, composition Al 2 O 3 ; Nextel 720, composition Al 2 O 3 -SiO 2 ; Almax, composition Al 2 O 3 ; Sapphire, composition Al 2 O 3 (single crystal)
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