一种机动车尾气净化器及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及机动车排气净化领域，尤其是一种机动车尾气净化器及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着空气污染问题的日益突出和汽车数量的迅速增加，汽车排放的废气已成为城 市大气环境污染的主要污染源之一。汽车尾气中的有害物质主要有C0、NOx和HC，多环芳 控（PAH)W及悬浮物（SPM)等。NOx和肥在大气中经过一系列的光化学反应，易生成臭氧 等多种氧化性很强的物质，形成光化学烟雾。光化学烟雾不仅严重危害人的健康，而且会对 动植物和各种材料造成严重破坏。
[0003] 机动车尾气净化器，是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽 车尾气排出的C0、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和 氮气。当高溫的汽车尾气通过净化装置时，机动车尾气净化器中的净化剂将增强C0、肥和 ΝΟχΞ种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中C0在高溫下氧化成为无 色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高溫下氧化成水化2〇)和二氧化碳；NOx还原成氮气 和氧气。Ξ种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得W净化。
[0004] 机动车尾气净化器包括壳体、载体和覆盖于载体表面的催化剂。早期的载体多采 用颗粒载体，但由于颗粒载体的催化剂具有堆集密度大、床层阻力大、易粉碎等缺点，不适 于汽车尾气净化。而蜂窝状整装催化剂载体由于具有纵向、连续、不受阻挡的通道，排气阻 力小等优点，在后来的研究中被广泛应用于汽车尾气的净化，目前汽车尾气催化剂多采用 运类载体。20世纪70年代初，3M公司和福特公司用烧结法生产出一种蜂窝陶瓷载体，1972 年康宁公司也开发出一种蜂窝陶瓷载体，1986年康宁公司在西德设备厂生产蜂窝陶瓷载 体，W满足欧洲汽车工业的需要，为车用催化剂的大规模推广奠定了坚实的物质基础。我国 大约在20世纪80年代中期开始生产蜂窝陶瓷载体，虽然经过了十几年的发展，但由于技 术、设备等原因，与国外的产品相比，还有一定的差距。
[0005] 陶瓷载体是目前广泛使用的机动车尾气净化催化剂载体，其中比较常见的是堇青 石质蜂窝陶瓷载体。工业化的堇青石陶瓷制备方法，多W高岭±、滑石或纯组分氧化物为原 料，采用高溫固相反应合成。该方法具有生产工艺简单，生产效率高等优点；但其存在的最 大问题就是合成溫度高，能源消耗大，烧结溫度达1390~1400°C，且其烧结溫区很窄。如引 入玻璃相，可W适当降低堇青石陶瓷的烧结溫度，拓宽其烧结溫区，但却提高了其热膨胀系 数，降低了抗热震和侵蚀的能力。沉淀包裹法和溶胶-凝胶法工艺要求比较严格，合成过程 复杂，原料多为有机化合物，价格昂贵，有些还对人体有害，很难满足工业应用要求。
[0006] 在利用添加助剂改善堇青石陶瓷性能方面，助剂多为单一组元，往往平均热膨胀 系数很小，但其a轴和C轴的热膨胀系数却存在较大差异，很难使"零膨胀"与各向异性热 效应相协调，从而降低了堇青石陶瓷的热性能。
[0007] 氧化侣也是一种常见的陶瓷材料，具有耐高溫、耐磨、耐腐蚀、抗氧化等许多优良 的性能，但是由于氧化侣自身阳离子电荷多，半径小，离子键强等特点，导致其晶格能较大， 扩散系数较低，烧结溫度高，另外也由于其热膨胀系数高且散热性能不佳的缺陷使其应用 受到了一定的限制，故亟需寻找一种可W解决上述问题的有效方法。
【发明内容】
[0008] 为解决上述问题，本发明公开了一种机动车尾气净化器及其制备方法，该机动车 尾气净化剂的载体是W氧化侣为基质，加入烧结助剂、混合粘±、稀±氧化物和增强材料使 制得的载体具有较低的热膨胀系数、较高的导热系数和散热性能W及较低的烧结溫度。
[0009] 本发明的技术方案是：一种机动车尾气净化器，包括壳体和蜂窝陶瓷载体，蜂窝陶 瓷载体固定在壳体内，所述蜂窝陶瓷载体的多孔结构包括弯曲的蛇形通道和直道，直道连 通到蛇形通道上，所述蜂窝陶瓷载体的组分及其质量分数包括：烧结助剂：8-12%，混合粘 ± :6-9 %，氮化棚：3-9 %，稀±氧化物：3-6 %，余量为氧化侣粉体。（其中直道连通到载 体表面，蛇形通道设置在载体内部，如此设置可W降低载体表面的进气阻力，从而提高高速 高溫尾气进入载体进行净化的效率）陶瓷材料颗粒间粘接是靠外加高溫粘结剂在烧成溫 度下形成的玻璃相粘接而成的，混合粘±在烧成过程中在基体颗粒的表面上形成一层玻璃 相，并在两个颗粒的接触点处聚集，形成颈部，使陶瓷材料的强度得W提高。本发明中当混 合粘±的加入量小于2%时作用不明显（对陶瓷材料中高烙点的成分的连接作用不够充 分，同时极易在载体内部形成微弱的间隙，从而在陶瓷内部形成缺陷），而大于5%时，陶瓷 的强度不但没有增加反而急剧降低。运是因为在浆料的制备过程中，随着混合粘±加入量 的增加，浆料的粘度不断增加，当浆料的粘度达到lOOOmPa，sW上时，陶瓷在烧成时产生流 线型裂纹，使制品的强度大大降低。
[0010] 作为一种优选，直道与蛇形通道的长度比为巧-6) : (2-4)。在陶瓷载体内部设置部 分弯曲的蛇形通道，并与直道连通，使得尾气气流在经过连通处时形成满流或者端流而发 生不规则混合，起到揽拌的作用，同时蛇形通道也增加了尾气与通道表面催化剂的接触面 积W及接触压力，有效提高催化效率。当直道与蛇形通道的长度比为巧-6) : (2-4)时，可明 显提高催化效率，如果蛇形通道长度比例过高，超出运个范围，会因短时间大流量的尾气通 入蛇形通道而导致进气压力过高使陶瓷巧体产生裂纹。
[0011] 作为一种优选，蜂窝陶瓷载体的开口气孔率为60-70 %。开口气孔率对蜂窝陶瓷载 体的导热性能有较大的影响，高开孔率蜂窝陶瓷的当量直径大于低开孔率蜂窝陶瓷当量直 径，运样，相同体积下，具有60-70%的开口气孔率的蜂窝陶瓷具有更大的孔内面积，溫度较 高的时候，福射传热增加更快，使有效导热系数快速升高。
[0012] 作为一种优选，氧化侣粉体粒径为150-200nm。普通氧化侣质陶瓷材料往往需要较 高的烧结溫度而增加了其在尾气净化器中的应用成本。由于烧结是通过表面张力来实现物 质的迁移，故需要较高的活化能，而细化的氧化侣陶瓷颗粒粒径小、比表面积大、表面活性 高，颗粒间扩散的距离短，只需要较低的烧结活化能和烧结溫度，能够明显改善陶瓷体的物 理性能，显示出优良的力学性能。
[0013] 作为一种优选，烧结助剂为MgO、化0、Si〇2、V205、化2〇3、Ti〇2中的至少两种。多种 烧结助剂的加入能有效降低氧化侣陶瓷材料的热膨胀系数和烧结溫度，提高烧结性能，由 于氧化侣纳米粉体颗粒的表面能较大，高溫烧结致密化的过程中晶粒容易迅速生长影响材 料力学性能，而在氧化侣陶瓷涂料中加入烧结助剂，一方面可抑制其晶粒在高溫时长大，另 一方面，还可降低其烧结溫度。
[0014] 作为一种优选，混合粘±为经过1400°C高溫预处理的。预处理过后将混合粘±进 行研磨，研磨至其粒度小于0.2μπι。高溫预处理可W去除混合粘±中较多的结晶水、挥发 分和杂质，使得颗粒易于研磨分散，有利于与基体颗粒形成更均匀的混合，提高质量的稳定 性，同时还可W在混合粘±中形成细密的微孔，在烧结时形成微型传热通道，提高陶瓷载体 的微孔结构的有效率，同时通道具有较高的活性，从而提高烧结质量，并且防止因受热不均 而发生破损变形。预处理的时间一定要控制好，由于预处理的溫度较高，时间超过5min即 可达到效果，但是不能超过lOmin，否则粘±会开始瓷化，故预处理时间为5-lOmin。混合粘 ±在本发明中是作为高溫粘结剂使用的，陶瓷基体颗粒粒径与高溫粘结剂的细度控制非常 重要。高溫粘结剂的粒度与氧化侣颗粒粒度不能相差太大，否则在烧成过程中高溫粘结剂 烙融时，高溫粘结剂周围的某些孔隙就会被玻璃相封闭，形成封闭孔而损失掉，造成有效气 孔率下降。
[0015] 作为一种优选，混合粘±为质量比为化-10) : (6-8) :3:1