РЕГЕНЕРИРУЕМЫЙ, КЕРАМИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДЛЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
CLEANABLE CERAMIC FILTER OF DIESEL EXHAUST GAS SOLID PARTICLES AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Представленное изобретение относится к фильтру для автомобильной индустрии, в частности к регенерируемому керамическому фильтру твердых частиц выхлопных газов для дизельных транспортных средств и способу его получения.
С введением EURO V-норм и обязательств для немецкой автомобильной индустрии с 2008 года в каждом новом дизельном транспортном средстве устанавливать фильтр появилась огромная потребность в таких фильтрующих системах. Также имеет место увеличивающееся использование дизельных фильтров твердых частиц выхлопных газов, фильтров во внедорожной области.
Частицы в отходящем газе дизеля состоят главным образом из сажи и несгоревших углеводородов. В зависимости от используемого двигателя размеры частиц сажи, с точки зрения значимости, лежат в области примерно 50-100 мкм и адсорбируются на поверхности фильтра до тех пор, пока они, в конце концов, не будут регенерированы после соответствующей нагрузки.
В качестве способного функционировать рабочего вещества фильтров для специальных условий использования в дизельных фильтрах предложен карбид кремния. Сегодняшние фильтры для частиц сажи изготавливаются либо экструзией порошка SiC (карбида кремния) и последующей рекристаллизацией, либо прямо из отдельных компонентов - кремния и углерода. Температуры силицирования лежат при этом между 1500 и 2300°C. Фильтр твердых частиц выхлопных газов может без проблем высоко нагружаться и затем термически отжигаться, при этом в режиме частичной нагрузки отходящий газ с высокой долей кислорода достигает фильтра, нагретого до 600°C, и ликвидирует собравшиеся частицы термически.
Для повышения производительности используемого фильтра твердых частиц выхлопных газов для дизелей необходимо предоставить, по возможности, большую поверхность, на которую наслаиваются частицы сажи. За счет используемых до настоящего времени процесса экструзии могла получаться относительно пористая поверхность, которая не показывала все-таки оптимальных адсорбционных свойств.
Известен способ получения пористого β-SiC-содержащего керамического формованного тела, который состоит в том, что включает следующие стадии:
a) подготовка пористого кремний- и углеродсодержащего формованного тела, из массы, которая включает кремнийсодержащие частицы предпочтительно с размером зерен из области от 0,001 до 190 мкм и углеродсодержащие частицы предпочтительно с размером зерен из области от 0,001 до 150 мкм, и предпочтительно коксующегося органического связующего средства,
b) пиролиз кремний- и углеродсодержащего формованного тела, изготовленного на стадии а), при температуре от 600 до 1000°C, и
c) силицирование кремний- и углеродсодержащего формованного тела посредством нагревания до температуры в области от 1150 и 1700°C с получением β-SiC-содержащего формованного тела (см. европейскую заявку на патент EP 1741 685 A1, 10.01.2007).
Полученное керамическое формованное тело может найти применение в качестве носителя катализаторов, горючих вспомогательных средств, изоляционных материалов, материалов для субстратов или для нагревания газа в головке горелки или для солнечных установок, а также в качестве фильтрующих материалов для очистки отходящего газа при высоких температурах.
Задачей изобретения является создать регенерируемый керамический фильтр твердых частиц выхлопных газов для дизельных транспортных средств с возможно большей поверхностью с целью улучшения фильтрующих свойств.
Эта задача разрешается с помощью заявляемого способа получения регенерируемого керамического фильтра твердых частиц выхлопных газов для дизельных транспортных средств за счет смешивания углеродсодержащих частиц и кремнийсодержащих частиц с органическим веществом, перевода полученной смеси в формованное тело с помощью экструзии и последующего пиролиза и силицирования за счет того, что в качестве органического вещества используют полиамид.
Предпочтительно полиамид используется в порошкообразной форме в количестве от 5 до 15%, в частности 7-10%.
В качестве полиамида используется сополиамид с точкой плавления менее 150°С. Сополиамид имеет предпочтительно точку плавления менее 120°С, в особенности менее 110°С.
Сополиамид имеет предпочтительно распределение частиц по размерам между 0 и 200 мкм, в частности, между 0 и 80 мкм, при этом 35-40%, предпочтительно 40-60%, частиц должны иметь размер менее 50 мкм. В качестве сополиамида используется предпочтительно сополиамид, основанной на лауринлактаме, капролактаме, додекандикарбоновой кислоте и метилпентаметилендиамине, например VESTAMELT730-P1.
Кремнийсодержащие частицы, например порошок кремния, в исходной массе имеют размер зерен предпочтительно от 0,001 до 190 мкм и углеродсодержащие частицы, например активированный уголь, имеют размер зерен предпочтительно от 0,001 до 150 мкм. Пиролиз проводится при температуре от 600 до 1000°С и последующее силицирование при исключении кислорода предпочтительно при температуре от 1150 до 1700°С.
Во время пиролиза сополиамид почти полностью термически разлагается и приводит к образованию каналов в стенках с толщиной стенки в области 100-480 мкм, предпочтительно 220-350 мкм. Это приводит к достаточной стабильности при отчетливо увеличенной поверхности, что создает возможность получения явно меньших фильтров. Как раз для отходящего газа дизельного легкового автомобиля необходимо иметь фильтр с меньшим объемом.
Снижение толщины стенки за счет использования сополиамида приводит уже при снижении на 70 мкм и одновременном повышении плотности каналов к отчетливому увеличению внутренней поверхности фильтра при одинаковом объеме.
2
2
2
Заявляемый способ делает возможным получение регенерируемого керамического фильтра твердых частиц выхлопных газов с БЕТ-поверхностью от более 350 м/г до примерно 800 м/г, предпочтительно 600-800 м/г. Этот фильтр твердых частиц выхлопных газов является следующим объектом изобретения.
Пористые SiC-содержащие формованные тела пригодны также для применения в системе отходящего газа транспортного средства или в установке для обработки отходящего газа двигателя внутреннего сгорания, в котором расположено пористое SiC-содержащее формованное тело. Керамическое формованное тело может находить применение также в качестве структуры носителя для катализатора, а также в качестве соответствующей системы катализатора. В качестве примера для этого следует упомянуть наземные транспортные средства, судовые двигатели, строительные транспортные средства, а также машины с двигателем внутреннего сгорания, которые выбрасывают обусловленную системой мелкую пыль.
Пример
2
Полученное для исследований формованное тело из керамики изготавливали из водной керамической суспензии с использованием VESTAMELT 730-P1 порошка. Для этого кремнийсодержащие частицы с распределением зерен в области от 0,001 до 75 мкм смешивали с углеродсодержащими частицами, которые имели распределение зерен в области от 0,001 до 35 мкм, а также с порошком сополиамида с распределением зерен от 0 до 80 мкм и обычными добавками, полученную смесь экструдировали и подвергали пиролизу при 830°C. Уже при этом происходит термическое разложение порошка сополиамида, так что за счет процесса выгорания происходит увеличение внутренней поверхности. В представленном здесь случае внутренняя поверхность может увеличиться до 780 м/г по БЕТ. Затем посредством силицирования при 1450°С в атмосфере аргона образуется карбид кремния SiC, который представляет собой конечный материал для фильтров.
Используется следующий состав материала:
Активированный уголь
8,9%
Порошок кремния
40,0%
VESTAMELT730-P1
8,0%
Вода
24,0%
Фенольная смола
12,5%
Вспомогательное средство
6,6%