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CN101883666A - 用于安装用于废气处理的污染控制元件的垫 - Google Patents

用于安装用于废气处理的污染控制元件的垫 Download PDF

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CN101883666A
CN101883666A CN2008801188646A CN200880118864A CN101883666A CN 101883666 A CN101883666 A CN 101883666A CN 2008801188646 A CN2008801188646 A CN 2008801188646A CN 200880118864 A CN200880118864 A CN 200880118864A CN 101883666 A CN101883666 A CN 101883666A
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fiber
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乌尔里希·昆兹
克劳斯·米登多夫
哈拉尔德·H·克里格
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3M Innovative Properties Co
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Abstract

本发明涉及用于将一个或多个污染控制元件安装到用于废气处理的污染控制装置中的垫，所述垫包含经热处理的玻璃纤维，该经热处理的玻璃纤维含有基于所述玻璃纤维的总重量的10至30重量％的Al2O3和52至65重量％的SiO2。

Description

用于安装用于废气处理的污染控制元件的垫
技术领域
在下文中，提供了用于在用于废气处理的污染控制装置(例如，催化转化器)中安装污染控制元件的安装垫。具体地讲，提供了包括经热处理的玻璃纤维的安装垫、制造这种垫的方法以及含有这种垫的控制装置。
背景技术
在机动车辆上采用污染控制装置来控制大气污染。这种装置包括污染控制元件。示例性的污染控制装置包括催化转化器及柴油机颗粒过滤器或捕集器。催化转化器通常包含陶瓷单片结构，该陶瓷单片结构具有支承催化剂的壁。催化剂通常氧化一氧化碳和碳氢化合物并还原发动机废气中的氮氧化物，以控制大气污染。单片结构也可以由金属制成。柴油机颗粒过滤器或捕集器通常包括壁流过滤器，壁流过滤器经常是由(例如)多孔陶瓷材料制成的蜂窝状单片结构。过滤器通常移除发动机废气中的煤烟及其它排出的颗粒。这些装置中的每一个都具有容纳污染控制元件的壳体(通常由类似不锈钢的金属制成)。
单片污染控制元件经常由其壁厚和每平方英寸的开口或孔的数量(cpsi)来描述。在20世纪70年代初，常见的是壁厚为12密耳(304微米)且孔密度为300cpsi(47个孔/平方厘米)的陶瓷单片污染控制元件(“300/12单片”)。
随着排放法规变得更加严格，作为增加几何表面积的方法，壁厚已经减小，从而减少了热容并且降低了单片的压降。该标准已进展到900/2单片。陶瓷单片结构由于其壁薄而易碎并且易受振动或冲击损坏和破坏的影响。损坏力可以来自在污染控制装置的组装期间操纵不当或下落、来自发动机振动或来自在不平坦路面上的行驶。由于高度的热冲击(例如来自与路面喷洒的接触)，陶瓷单片也容易受到损坏。
陶瓷单片具有通常比包含其的金属壳体小一个数量级的热膨胀系数。例如，随着发动机将催化转化器单片元件从25℃加热到约900℃的最大操作温度，金属壳体的周壁与单片之间的间隙可以从约4mm开始，并且可增加约0.33mm。同时，金属壳体的温度从约25℃增加到约530℃。即使金属壳体经历了较小的温度变化，金属壳体较高的热膨胀系数导致壳体膨胀到较大的外围尺寸，其膨胀速度比单片元件的膨胀速度快。在车辆的使用寿命期间，这种热循环通常发生数百次或数千次。
为了避免路面冲击和振动对陶瓷单片造成损坏，为了补偿热膨胀差，并且为了抑制废气穿过单片和金属壳体之间(从而绕过催化剂)，在陶瓷单片和金属壳体之间设置安装垫。将单片放置在壳体内的工艺也称作罐装，并包括以下步骤，例如在单片周围包裹垫材料的片、将包裹好的单片置于壳体中、将壳体挤压闭合以及沿着壳体的侧向边缘焊接凸缘。
通常，安装垫材料包括无机纤维(可选的为膨胀型材料)、有机粘结剂、填料及其它佐剂。用于在壳体中安装单片的已知的垫材料在(例如)以下专利中有所描述：美国专利No.3,916,057(Hatch等人)、No.4,305,992(Langer等人)、No.4,385,135(Langer等人)、No.5,254,410(Langer等人)、No.5,242,871(Hashimoto等人)、No.3,001,571(Hatch)、No.5,385,873(MacNeil)和No.5,207,989(MacNeil)；英国专利GB1,522,646(Wood)，1978年8月23日公布；日本Kokai No.J.P.Sho.58-13683，1983年1月26日公布(即，专利申请公开No.J.P.Hei.2-43786和申请No.J.P.Sho.56-112413)和日本Kokai No.J.P.Sho.56-85012，1981年7月10日公布(即，专利申请No.Sho.54-168541)。
安装垫材料应当在长时间的使用期间在整个操作温度范围内保持非常好的回弹力。回弹力是垫子不管如何重复厚度变化(即，压缩和松弛循环)，都维持基本保持力的能力。
本领域的安装垫主要包含无机纤维，主要为硅酸铝纤维。然而，容易获得的玻璃纤维，具体地说S-玻璃、S2-玻璃、R-玻璃或E-玻璃在高温时具有差的回弹力。玻璃纤维是无定形硅酸铝镁纤维，其含有相对低量的氧化铝(多于10重量％并少于30重量％的Al2O3)、多量的二氧化硅(多于50重量％并少于67重量％的SiO2)以及少量的其他氧化物或其他组分。
1999年9月16日公布的WO 99/46028描述了使用陶瓷纤维制备用于高温应用的安装垫。难熔陶瓷纤维具有高的铝的氧化物含量并且通常具有45至60重量％的氧化铝和40至55重量％的二氧化硅。
在2004年4月15日公布的WO2004/031544中，描述了相反的方法。不增加氧化铝的含量，WO 2004/031544描述了使用具有增加的二氧化硅含量的纤维。WO2004/031544所描述的纤维(即，所谓的浸渍纤维)被处理为将它们的二氧化硅含量增加为大于67重量％或优选地大于90重量％。那些材料也相对昂贵。
对安装垫仍存在着需求：即，该安装垫有足够的回弹力且可压缩，以在宽泛的操作温度范围和大量的热循环内适应单片和金属壳体之间的变化间隙。因此，仍然存在提供如下安装垫的特定需求，即，要求所述安装垫具有良好的耐温性，而在环境温度下和在包括安装垫的污染控制装置会被暴露于其的工作温度下保持良好的机械强度。另外，形成安装垫的主要问题之一是平衡材料成本与性能属性。希望以最低的可能成本提供高质量的安装系统。
发明内容
现已发现这种垫可通过利用经热处理的玻璃纤维来制备。可使用易得的玻璃纤维，而不需要增加纤维中的铝或硅的含量。
在以下内容中，提供了一种用于将一个或多个污染控制元件安装到用于废气处理的污染控制装置中的垫，所述垫包含经热处理的玻璃纤维，该经热处理的玻璃纤维含有基于所述玻璃纤维的总重量的10至30重量％的Al2O3和52至65重量％的SiO2的经热处理的玻璃纤维。
还提供了一种污染控制装置，其包括用于催化剂的支撑结构和用于容纳支撑结构的外壳，在支撑结构和外壳之间布置的包括以上定义的经热处理的玻璃纤维的垫，其中在将所述垫被布置在所述支撑结构和所述外壳间之前已经将所述纤维热处理。
此外，还提供了一种制备在污染控制装置中使用的安装垫的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)穿过在成型丝网上方设置的具有开放底部的成型箱的入口供应以上定义的玻璃纤维，以在成型丝网上形成纤维垫，成型箱具有多个纤维分离辊和环形带筛机，多个纤维分离辊在入口和壳体底部之间的壳体中设置成至少一排，用于打散纤维团；
(ii)在纤维分离辊下方和成型丝网上方的环形带筛机的下行带上捕获纤维团；
(iii)将捕获的纤维团在纤维分离辊上方的环形带上传送，以使捕获的纤维团能够从环形带释放，并接触纤维分离辊并被纤维分离辊分开；
(iv)通过所述成型丝网将所述纤维垫运出所述成型箱；以及
(v)压缩所述纤维垫并且将纤维垫限制在其压缩状态，从而获得具有所需厚度的安装垫，其适用于将污染控制元件安装在催化转化器的壳体中。
还提供了一种制备在污染控制装置中使用的安装垫的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)位于成型丝网上方的具有开放底部的成型箱的入口供应玻璃纤维，以在成型丝网上形成纤维垫，玻璃纤维含有基于玻璃纤维的总重量的10至30重量％的Al2O3和52至65重量％的SiO2，成型箱具有多个纤维分离辊和环形带筛机，多个纤维分离辊在入口和壳体底部之间的壳体中设置成至少一排，用于打散纤维团；
(ii)在纤维分离辊下方和成型丝网上方的环形带筛机的下行带上捕获纤维团；
(iii)将捕获的纤维团在纤维分离辊上方的环形带上传送，以使捕获的纤维团能够从环形带释放，并接触纤维分离辊并被纤维分离辊打散；
(iv)通过所述成型丝网将所述纤维垫运出所述成型箱；以及
(v)压缩所述纤维垫并且将纤维垫限制在其压缩状态，从而获得具有所需厚度的安装垫，其适用于将污染控制元件安装在催化转化器的壳体中；
(vi)使纤维垫经受热处理。
附图说明
图1示出成型箱的示意性透视图；
图2示出成型箱的示意性侧视图；
图3示出图2中示出的成型箱的详细视图；
图4示出污染控制装置的示意图。
具体实施方式
经热处理的玻璃纤维
本文引用的经热处理的玻璃纤维是硅酸铝纤维，优选地是硅酸铝镁纤维。术语“硅酸铝(镁)玻璃纤维”包括含有硅、铝(和镁)的氧化物的玻璃纤维，但不排除存在其他氧化物，尤其是其他金属氧化物。
经热处理的玻璃纤维和适于被热处理的玻璃纤维通常包括10至30重量％的氧化铝和52至65重量％的二氧化硅。优选地，它们包括12至27重量％的氧化铝。所述纤维还可包括氧化镁，优选地，1至12重量％的氧化镁。
虽然在玻璃中存在的氧化物可实际上具有不同的化学组成，但是本文所用的氧化铝、氧化硅、氧化镁的重量百分比基于氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)和氧化镁(MgO)的理论含量。
所述纤维还可另外包括选自氧化钠、氧化钾、氧化硼、氧化钙及他们的组合的氧化物。
在本发明的一些实施例中，玻璃纤维可包含约52％至58％的SiO2、约13至17％的Al2O3、约5至9％的B2O3、约17至21％的CaO、约2至4％的MgO和约1％的其他氧化物(所有的百分比都是重量百分比)。
在本发明的其他实施例中，玻璃纤维可包含约63至65％的SiO2、23至27％的Al2O3和8至12％的MgO。
在另外的实施例中，玻璃纤维可包含约58至62％的SiO2、23至27％的Al2O3、7至11％的CaO和4至8％的MgO。
合适的玻璃纤维的具体示例包括经热处理的E-玻璃、S-及S2-玻璃或R-玻璃。
E-玻璃纤维通常具有以下组成：约55％的SiO2、约15％的Al2O3、约7％的B2O3、约19％的CaO、约3％的MgO和约1％的其他氧化物。
S及S-2纤维通常具有以下组成：约65％的SiO2、25％的Al2O3和10％的MgO。
R-玻璃纤维通常具有以下组成：60％的SiO2、25％的Al2O3、9％的CaO和6％的MgO。
E-玻璃、S-玻璃和S-2玻璃可得自(例如)Advanced Glassfiber Yarns有限责任公司，R-玻璃可得自Saint-Gobain Vetrotex。
这些玻璃纤维通常不含或基本不含渣球，即，具有不大于5重量％的渣球。
已经发现，对那些玻璃纤维进行热处理不仅提高了玻璃纤维的耐热性而且提高了它们的回弹力。可以在高达约50℃或100℃的温度(低于玻璃的软化点或熔点)下对玻璃纤维进行热处理。通常，虽然(例如)至少300℃的较低温度也是可能的，但对玻璃进行热处理的最低温度将为约400℃。然而，较低温度通常将需要较长时间地暴露于热，以便实现所需的玻璃纤维的耐热性和回弹力的增加。采用低于玻璃的软化点或熔点的300℃和约50℃之间的温度时，热处理将通常花费约2分钟至约1小时，例如，5分钟至30分钟。
热处理使用的温度可大于污染控制装置的工作温度。
本文引用的经热处理的玻璃纤维是在污染控制装置中使用之前已经被热处理的玻璃纤维。所述纤维是通常在装配到安装垫之前被热处理的，但是在装配的同时或之后被热处理也是可以的，尤其对于非膨胀型垫。
经热处理的玻璃纤维优选地是无定形或基本无定形的，这意味着它们具有少于10％的结晶部分。优选地，所述纤维具有受限定的直径。这些纤维可通过熔融拉伸工艺来制成。也可使用熔喷纤维或熔纺纤维。
经热处理的纤维的平均直径可为至少5微米，并且长度可在0.1cm和15cm之间。优选地，平均直径将为至少6微米并且通常在6微米至14微米的范围内。优选地，长度在0.3cm和7cm之间。本文使用的平均直径和平均长度参照重量平均值。在一个实施例中，经热处理的玻璃纤维的直径为至少4.0微米。
安装垫
本文提供的安装垫适于在污染控制装置中安装用于废气处理的污染控制元件，并且含有上述经热处理的纤维。垫可包括基于垫的总重量的至少5重量％或至少10重量％或至少重量30％或至少重量50％或至少重量75％或至少重量80％或至少90重量％的上述经热处理的纤维。
安装垫还可包括不同的热处理纤维的混合物，其中所述纤维的化学组成、它们的热处理和/或它们的尺寸不同。
不同的纤维会或不会(例如)以不同层在空间上分离。
除了经热处理的纤维之外，所述垫可包括其他纤维，所述其他纤维能够经受它们将被暴露于其中的废气的温度。通常，那些纤维包括难熔陶瓷纤维和多晶无机纤维。无机纤维材料的实例包括碳、碳化硅、硼、铝硼硅酸盐、氧化锆、二氧化钛等。这些无机材料可以单独使用、或它们中的至少两者可以混合并组合使用。
陶瓷纤维可由溶胶-凝胶法获得。术语“溶胶-凝胶”法意指纤维通过纺丝或挤出溶液或分散体、或纤维或其前体物质的组成成分的一般粘性浓缩液而形成。因此，应将溶胶-凝胶法与熔融成型纤维的工艺对照，在熔融成型纤维工艺中，是通过挤出纤维的组分的熔融物形成纤维。合适的溶胶-凝胶法(例如)在美国专利No.3,760,049(Borer等人)中公开。其中教导了形成陶瓷纤维的方法，即，通过孔挤出金属化合物的溶液或分散体，从而形成连续的绿色纤维，然后该绿色纤维被烧结以获得陶瓷纤维。金属化合物通常是可煅烧成金属氧化物的金属化合物。溶胶-凝胶法形成的纤维经常是结晶的或半结晶的，其在本领域已知为多晶纤维。根据溶胶-凝胶法的用于形成纤维的金属化合物的溶液或分散体的实例包括含氧锆化合物的水溶液，例如含有胶态二氧化硅的二醋酸锆(例如，在美国专利No.3,709,706(Sowman)中所公开的)。另一个实例包括水溶性或可分散的铝和硼的化合物的水溶液，例如水性碱性二醋酸铝或者包含二氧化硅的胶质分散体与水溶性或可分散的铝和硼的化合物的水性混合物的两相系统。其它可通过溶胶-凝胶法制成的代表性耐火金属氧化物纤维包括氧化锆、锆、氧化锆-氧化钙、氧化铝、铝酸镁、硅酸铝等等。另外，这种纤维可包含多种金属氧化物，例如，氧化铁、氧化铬和氧化钴。
陶瓷纤维包括多晶氧化物陶瓷纤维，例如莫来石、氧化铝、高铝硅铝酸盐、硅铝酸盐、氧化锆、二氧化钛、氧化铬等等。陶瓷纤维(通常为高铝晶体纤维)包含在约67重量％至约98重量％范围内的氧化铝和约33重量％至约2重量％范围内的氧化硅。这些纤维(例如)可以商品名“NEXTEL550”从3M公司(St.Paul，MN)商购、以商品名“SAFFIL”从Dyson Group公共有限公司(Sheffield，UK)商购、以商品名“MAFTEC”从Mitsubishi Chemical公司(Tokyo，Japan)商购、以商品名“FIBERMAX”从Unifrax(Niagara Falls，N.Y.)商购和以商品名“ALTRA”从Rath GmbH(Germany)商购获得。
合适的多晶氧化物陶瓷纤维还包括铝硼硅酸盐纤维，优选地包括约55重量％至约75重量％范围内的氧化铝、小于约45重量％至大于0重量％(优选地小于44重量％至大于0重量％)范围内的氧化硅，以及小于约25重量％至大于0重量％(优选地约1重量％至约5重量％)范围内的氧化硼(分别基于如Al2O3、SiO2和B2O3的理论氧化物计算)。
铝硼硅酸盐纤维优选地为至少约50重量％的晶体，更优选地为至少75％，并且最优选地为约100％(即，晶体纤维)。铝硼硅酸盐纤维(例如)可以商品名“NEXTEL 312”和“NEXTEL440”从3M公司商购获得。
通过溶胶-凝胶法可获得的陶瓷纤维通常不含渣球或含有非常少量的渣球，通常小于基于陶瓷纤维的总重量的1重量％。另外，陶瓷纤维将通常具有1微米和16微米之间的平均直径，例如5微米或更大的平均直径。优选地，陶瓷纤维不含或基本上不含直径小于3微米的纤维。此处“基本上不含”意指此类小直径纤维的含量不大于纤维的总重量的2重量％，优选地不大于1重量％。
安装垫还可包括生物可溶性纤维。如本文所用，“生物可溶性纤维”是指在生理介质或模拟生理介质中可分解的纤维。生理介质包括(但不限于)通常存在于(例如为)动物或人类的肺之类的呼吸道中的体液。如本文所用，“耐用型”是指非生物可溶性纤维。
通过观察试验动物中的直接植入纤维的效应或通过检验已暴露于纤维的动物或人类，可评估生物可溶性。也可通过测量模拟生理介质(例如盐溶液、缓冲盐溶液等)中纤维的溶解度随时间的变化来评估生物可溶性。一个确定溶解度的这种方法在美国专利No.5,874,375(Zoitas等人)中有所描述。通常，在约1年的时间内，生物可溶解纤维可溶解或基本上可溶解在生理介质中。如本文所用，术语“基本上可溶解”是指纤维溶解了至少约75重量％。在一些实施例中，在约六个月内，至少约50％的纤维可溶解在生理介质中。在其它实施例中，在约三个月内，至少约50％的纤维可溶解在生理流体中。仍然在其它的实施例中，在至少约40天内，至少约50％的生物可溶性纤维可溶解在生理流体中。例如，可通过Fraunhofer Institut验证纤维在气管内滴注(即，纤维具有小于40天的半衰期)之后是否通过老鼠体内的高温绝缘纤维的生物持久性的测试。
评价纤维的生物可溶性的另一个方法是基于纤维的组成。例如，德国提出了根据致癌指数(KI值)的分类。通过将碱和碱土氧化物的重量百分比相加，再减去无机氧化物纤维中的氧化铝的重量百分比的两倍，计算出KI值。生物可溶性无机纤维通常具有约40或更大的KI值。
本发明适用的生物可溶性无机纤维通常包括(但不限于)无机氧化物，例如Na2O、K2O、CaO、MgO、P2O5、Li2O、BaO或其与二氧化硅的组合。其它金属氧化物或其它陶瓷组分可被包括在生物可溶性无机纤维中，即使这些组分(本身)不含所需的溶解度，但其含量却低到足以使得纤维(就整体而言)在生理介质中仍然可降解。此类金属氧化物包括(例如)Al2O3、TiO2、ZrO2、B2O3和铁的氧化物。生物可溶性无机纤维也可包含金属组分，其含量使得纤维在生理介质中或模拟生理介质中可降解。
在一个实施例中，生物可溶性无机纤维包括二氧化硅、镁和钙的氧化物。这些类型的纤维通常被称为钙镁硅酸盐纤维。钙镁硅酸盐纤维通常含有小于约10重量％的氧化铝。在一些实施例中，所述纤维包括约45重量％至约90重量％的SiO2、高达约45重量％的CaO、高达约35重量％的MgO以及小于约10重量％的Al2O3。例如，所述纤维可含有约55重量％至约75重量％的SiO2、约25重量％至约45重量％的CaO、约1重量％至约10重量％的MgO和小于约5重量％的Al2O3。
在另外的实施例中，生物可溶性无机纤维包括二氧化硅和氧化镁的氧化物。这些类型的纤维通常被称为硅酸镁纤维。硅酸镁类纤维通常含有约60重量％至约90重量％的SiO2、高达约35重量％的MgO(通常，约15重量％至约30重量％的MgO)和小于约5重量％的Al2O3。例如，该纤维可含有约70重量％至约80重量％的SiO2、约18重量％至约27重量％的MgO和小于约4重量％的其它微量元素。合适的生物可溶性无机氧化物纤维在美国专利No.5,332,699(Olds等人)、No.5,585,312(Ten Eyck等人)、No.5,714,421(Olds等人)和No.5,874,375(Zoitas等人)以及2002年7月31日提交的欧洲专利申请02078103.5中有所描述。各种方法可用于形成生物可溶性无机纤维，所述方法包括(但不限于)溶胶-凝胶成型、晶体生长方法和诸如纺丝或吹塑的熔体成型技术。
生物可溶性纤维可以商品名“ISOFRAX”和“INSULFRAX”从Unifrax Corporation(Niagara Falls，NY)商购获得。其它的生物可溶性纤维由Thermal Ceramics(Augusta，GA)以商品名“SUPERWOOL”出售。例如，SUPERWOOL 607含有60至70重量％的SiO2、25至35重量％的CaO、4至7重量％的MgO和痕量的Al2O3。以商品名“SUPERWOOL607 MAX”销售的纤维可用于稍高的温度，并且含有60至70重量％的SiO2、16至22重量％的CaO、12至19重量％的MgO和痕量的Al2O3。
在特定的实施例中，以上提及的生物可溶性纤维与上述经热处理的玻璃纤维结合在一起使用。
除了以上描述的经过热处理的玻璃纤维之外，使用的无机纤维通常具有约1微米至50微米的平均直径，更优选地，约为从2微米至14微米，最优选地，为从4微米至10微米。此外，类似于平均直径，对无机纤维的长度没有专门的限制。然而，无机纤维的平均长度通常为约0.01mm至1000mm，并且更优选地约0.5mm至300mm。在具体实施例中，在制备安装垫的过程中可以组合具有不同平均长度的纤维。在具体实施例中，制备的安装垫可以包括长度不大于15mm的短纤维和长度至少为20mm的长纤维，并且其中短纤维的量是基于长纤维和短纤维的混合物的总重量的至少3重量％。由长短纤维的混合物构成的安装垫具体地包括具有上述组合物的长短玻璃纤维的混合物的安装垫。
安装垫还可包含有机粘结剂。多种橡胶、水溶性聚合物配混物、热塑性树脂、热固性树脂等作为有机粘结剂被举例说明。橡胶的实例包括天然橡胶、例如丙烯酸乙酯和氯乙烯醚的共聚物以及丙烯酸正丁酯和丙烯腈的共聚物等的丙烯酸橡胶、例如丁二烯和丙烯腈的共聚物等的丁腈橡胶、丁二烯橡胶等。水溶性聚合物配混料的实例包括羧甲基纤维素、聚乙烯醇等。热塑性树脂的实例包括以下形式的丙烯酸树脂：丙烯酸、丙烯酸酯、丙烯酰胺、丙烯腈、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯等的均聚物或共聚物；丙烯腈苯乙烯共聚物；丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物等。热固性树脂的实例包括双酚型环氧树脂、酚醛型环氧树脂等。
安装垫可以是非膨胀型或膨胀型的安装垫。膨胀型安装垫是含有膨胀型材料的垫。如本文所用，“膨胀型材料”意指当暴露于足量的热能时扩展、起泡或膨胀的材料。如本文所用，“非膨胀型垫”意指该垫不含有任何膨胀型材料或至少没有足够的膨胀型材料来为安装垫施加的保持压力贡献足够的量。
在制备膨胀型垫中可用的膨胀型材料包括(但不限于)未膨胀的蛭石矿石、经处理的未膨胀的蛭石矿石、部分脱水的蛭石矿石、可膨胀的石墨、可膨胀的石墨与经处理的或未经处理的未膨胀的蛭石矿石的混合物、经处理的可膨胀的硅酸钠(例如，以商品名“EXPANTROL”得自3M公司(St.Paul，MN)的不溶解的硅酸钠)及其混合物。出于本专利申请的目的，旨在将上列膨胀型材料中的每一个的实例视为彼此不同并且区别明显的。所需的膨胀型材料包括未膨胀的蛭石矿石、处理过的未膨胀的蛭石矿石、可膨胀的石墨及其混合物。理想的可膨胀的石墨材料的实例以商品名“GRAFOIL”(Grade 338-50可膨胀石墨片)从UCAR Carbon有限公司(Cleveland，OH)商购获得。
在具体实施例中，在以下描述的方法中，通过采用类似于将无机纤维供应到成型箱的方式，将膨胀型材料穿过成型箱的入口供应，可以将膨胀型材料包括在纤维垫中并在纤维垫中分布。本方法能够以容易的方式、以低成本、可再生和一致的性能、甚至以低粘结剂含量来制备膨胀型垫。因此，本发明能够制造不含有机粘结剂(例如，针刺的)的膨胀型安装垫或者基于安装垫的重量的有机粘结剂含量不超过5重量％的膨胀型安装垫。这在不需要或需要少量粘结剂的应用(例如，如同柴油机的低温应用)中尤其有利。
所述安装垫还可包含一种或多种辅助剂。在具体实施例中，安装垫包含无机纳米粒子。无机纳米粒子的平均直径在1nm至100nm之间，例如在2nm和80nm之间，例如在3nm和60nm之间或者在3nm和50nm之间。在具体实施例中，平均直径在8nm和45nm之间。无机纳米粒子可具有任何形状，但一般来讲纳米粒子的形状将大体是球形、或可以具有盘状的形状。对于纳米粒子不是球形的情况，术语“直径”宜理解为意指粒子最大尺寸的量度。另外，结合本发明，平均直径通常是加权平均直径。
无机纳米粒子的化学组成可以有很大差别，但它们通常包括(例如为)二氧化硅、氧化铝、钛和/或氧化锆的氧化物。无机纳米粒子还包括含有Mg、Ca、Al、Zr、Fe、Na、K和/或Li的硅酸盐，例如云母、粘土和沸石。可使用的可商购的纳米粒子包括：以商品名“NALCO”得自Nalco Chemical有限公司(Leiden，The Netherlands)、以商品名“AERO SIL”得自Evonik Industries股份公司(Frankfurt，Germany)；以商品名“LAPONITE”得自Rockwood Additives(Widnes，UK)；以商品名“MICROLITE”得自Elkem ASA(Voogsbygd，Norway)；以商品名“BENTONITE”得自Betoite Performance(Houston TX，USA)；和以商品名“BINDZIL”得自Eka Chemicals AB(Gothenburg，Sweden)。
包括在安装垫中的无机纳米粒子的量通常为基于垫的总重量的至少0.5重量％。示例性的范围为0.5重量％至10重量％，例如，0.6重量％至8重量％或0.8重量％至7重量％。
可以采用多种方式将无机纳米粒子设置在安装垫中。例如，在一个实施例中，在将纤维纺成非织造幅材并形成安装垫之前，可以由溶液或分散体(例如，水性分散体)在纤维上喷涂无机纳米粒子。根据另一个实施例，可以使用纳米粒子的分散体来浸渍形成的非织造幅材或安装垫、或可以将分散体喷涂到其上。在又一个实施例中，纳米粒子可作为干粉末与纤维一起添加到以下描述的方法中的成型箱中。
包括上述纳米粒子的安装垫优选地不含有机粘结剂、或所含有的有机粘结剂的量基于安装垫的总重量不大于5重量％，例如不大于3重量％或不大于2重量％。另外，采用类似于供应无机纤维的方式，通过将纳米粒子穿过成型箱的入口供应，可用下面描述的方法容易地制备包括纳米粒子的安装垫。
对于安装垫的特定配制或组成来说，可能需要稳定安装垫。对于具有低含量或根本没有含量的有机粘结剂的安装垫或在纤维垫中分布了未粘结的颗粒物质的安装垫而言，这尤其会是理想的。例如，在用于稳定安装垫的一个实施例中，可能有利的是，通过在安装垫上喷涂有机粘结剂溶液来在安装垫的一面或两面上涂布或浸渍表面。根据另一个实施例，可以在安装垫的一面或两面上共成型纤维垫，该安装垫不含或含极少的有机粘结剂和/或含有在其内分布的颗粒物质。在这种垫的一面或两面上共成型的纤维垫可以含有相对大比例的粉末形式或纤维形式的热塑性聚合物材料。在加热后，使该聚合物材料熔融，从而在一面或两面上形成纤维垫层，这样可以抑制在安装垫的处理期间纤维移位或颗粒物质的损耗。
在与本发明有关的特定实施例中，安装垫可包括从选自由稀松布和网组成的组中的一层或多层。稀松布或结网通常是薄层，其单位面积的重量在10g/m2和150g/m2之间，例如，在15g/m2和100g/m2之间或在20g/m2和50g/m2之间。一般来讲，与安装垫的整体重量相比，安装垫中稀松布和结网的重量很小。通常，安装垫中的结网或稀松布的重量百分比在1重量％和10重量％之间，例如在2重量％和6重量％之间。结合本发明使用的结网通常包括大致按规则方式布置的聚合物型纤维和/或无机纤维。例如，在一个实施例中，纤维可以彼此平行。在另一个实施例中，纤维可以在两个正交的方向平行布置，从而彼此交叉并限定其间的方形或矩形空间。结合本发明使用的稀松布通常是具有随机取向的纤维的非织造物。稀松布的纤维可以包含以上公开的无机纤维中的任何纤维以及任何类型的聚合物型纤维，特别是以上公开的热塑性聚合物型纤维。
在一个实施例中，出于加固安装垫的目的，可以在安装垫的主体内包括稀松布或结网的层。
在又一个实施例中，可以在安装垫的一面或两面上设置稀松布层或结网。这可通过在上述成型机的成型丝网上供应稀松布或结网来便利地完成。如果需要或期望的话，可以在成型的纤维垫上设置另外的稀松布或结网，然后可以将垫和稀松布或结网针刺或缝编在一起。根据另一个实施例，可以用有机粘结剂材料涂布稀松布(或结网)、或稀松布/结网自身可以包括热塑性聚合物型纤维。因此，在后续的热处理后，有机粘结剂或热塑性纤维可以形成膜或粘结到纤维垫的纤维。
在具体实施例中，将有机粘结剂涂布在垫的一面或两面上，以减少或最小化纤维脱落。对于合适液体介质中的溶液或分散体，这种有机粘结剂可以在垫的一个主表面或两个相背的主表面上以粉末的形式涂布或喷涂。此外，如下所述，可以选择这样涂布的涂层，以便另外调节垫的摩擦性质。
在本发明的具体实施例中，安装垫可以被浸渍。在一个实施例中，纤维垫的纤维可以被有机硅化合物中的一种或多种浸渍，所述化合物选自由硅氧烷化合物(优选地为倍半硅氧烷)、这些化合物的水解产物和缩合物(优选地为自缩合)及其组合组成的组。硅氧烷化合物的水解产物和/或缩合物(特别是自缩合物)有时可在(例如)所述硅氧烷的水性溶液中形成，特别是如果没有立即地而只是数小时之后应用所述水性溶液。硅氧烷化合物在干燥之后通常在纤维上形成非常薄的、连续或不连续的涂层。可用于浸渍纤维的硅氧烷化合物的实例为：有机硅氧烷(例如倍半硅氧烷、其共聚物(共缩合物)及其水解产物)、聚有机硅氧烷(例如聚二有机硅氧烷及其水解产物)、及其组合。在具体实施例中，对于自缩合反应的已知官能团，有机硅氧烷(如，倍半硅氧烷或聚有机硅氧烷)具有一个或多个官能团，该官能团能够在所需的浸渍条件下发生自缩合反应，例如羟基、烷氧基(例如甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基)等等。这类基团优选地设置在有机硅氧烷的端部位置处，但也可位于侧链上，优选在其端部位置处。特别优选的是下述倍半硅氧烷，其优选地在主链或侧链的端部位置处具有用于上述自缩合反应的一个或多个官能团。
如本文所用，术语“倍半硅氧烷”(也称为硅倍半环丙烷)包括倍半硅氧烷以及倍半硅氧烷共聚物(共缩合物)。倍半硅氧烷本身是硅-氧化合物，其中每一个Si原子被界定到平均3/2个(倍半)O原子和一个烃基，具有以下通式(I)：
R2n Si2n O3n        (I)
其中：
R为H或优选地具有1到20个、更优选地具有1到12个碳原子的有机残基，并且
n为1到20、优选地为2到15、更优选地为3到12、甚至更优选地为4到12的整数。优选的是，用于浸渍纤维毯的倍半硅氧烷在室温(23℃±2℃)下为固体。此外，倍半硅氧烷优选在端部位置处具有官能团(例如羟基或烷氧基)，其可在下述所需的浸渍条件下自交联。原则上，它们可通过(如)三官能化(如三烷氧基官能化)硅烷(如R-Si(OR)3)的水解缩合获得。
在上式(I)中，R为优选地包括1到20、更优选地1到12、甚至更优选地1到8个碳原子，并且可任选地包括一个或多个(优选地1到5个)选自氮、氧和硫(优选地氮和氧)的杂原子的有机基团或取代的有机基团。倍半硅氧烷的R可为烷基、烯基、炔基、环烷基、芳基、烷芳基或芳烷基的基团，并且这些基团可选地包括1到5个杂原子(例如氮或氧)。这些基团可以包括一个或多个取代基，例如氨基、巯基、羟基、烷氧基、环氧、丙烯酸基(acrylato)、氰基和羧基的基团，其中优选的取代基为氨基、巯基、环氧或C1-C8的烷氧的基团。
具体的R的示例性实例为C1-C8-烷基，例如甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基和庚基；C2-C8-烯基，例如乙烯基、丙烯基、丁烯基和己烯基；C2-C8-炔基，例如乙炔基和丙炔基；C3-C8-环烷基，例如环戊基、环己基和环庚基；C1-C8-烷氧基，例如甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基、戊氧基和己氧基；C2-C8-链烯氧基，例如乙烯氧基、丙烯氧基和丁烯氧基；炔丙基；具有6至12个碳原子的任选的取代的芳基，例如苯基、甲苯基、苄基和萘基；R1-(O-R2)n-或R3-(NR5-R4)n-，其中R1至R4独立地为可选取代的具有高达8个碳原子的饱和或不饱和烃基，优选地选自上述基团，R5为氢或C1-C8烷基，并且n为1到10；上述基团的所有代表被一个或多个氨基、羟基、巯基、环氧或C1-C8烷氧基取代。在上述基团中，特别优选的是可选地被取代的C1-C8烷基，可选地被取代的具有6至12个碳原子的芳基和R1-(O-R2)n-或R3-(NR5-R4)n-，其中R1至R4独立地为可选地被取代的具有高达8个碳原子的饱和或不饱和烃基，其优选地选自上述基团，R5为氢或C1-C8烷基，并且n为1至10；其中可选取代基选自氨基、羟基、巯基、环氧或C1-C8-烷氧基。
R的另外的示例性实例为3，3，3-三氟丙基、二氯苯基、氨丙基、氨丁基、H2NCH2CH2NH(CH2)3-、
H2NCH2CH2NHCH2CH(CH3)CH2-、巯丙基、巯乙基、羟丙基、
Figure GPA00001143530800191
CH2＝CHCOO(CH2)3-，
CH2＝C(CH3)COO(CH2)3-、
氰丙基、氰乙基、羰乙基和羰苯基。当然，烃基残基上的取代基不宜与水反应。当使用单个倍半硅氧烷时，优选的是甲基、乙基、丙基、氨甲基、氨乙基和氨丙基以及巯乙基和巯丙基的基团。当R并非甲基或巯丙基时，优选的是倍半硅氧烷与甲基倍半硅氧烷以5至30∶70至95的重量比共聚，即，5重量％至30重量％的RSiO3/2单元和70重量％至95重量％的CH3SiO3/2单元共聚。
本发明可以使用的倍半硅氧烷通常具有低平均分子量(Mw)，其中Mw优选地在高达10,000、优选地在200至6000、更优选地在250至5000和300至4000的范围内，这是使用聚苯乙烯标准通过凝胶渗透色谱法(GPC)测量的。GPC测试方法在“Modern Size Exclusion LiquidChromatography”Practice of Gel Permeation Chromatography，John Wileyand Sons，1979(《现代排阻液相色谱》凝胶渗透色谱准则，John Wiley和Sons，1979年)中有进一步解释。可用的倍半硅氧烷在以下美国专利中有所描述：No.3,493,424(Mohrlok等人)；No.4,351,736(Steinberger等人)；和No.4,781,844(Kortmann等人)，这些专利均以引用方式并入本文中。
倍半硅氧烷共聚物(共缩合物)包括倍半硅氧烷聚合物(由化学式R11SiO3/2或R11-Si(OR12)3表示)与二有机氧硅烷(或其水解产物，由化学式R11 2Si(OR12)2表示)和/或三有机氧硅烷(或其水解产物，由化学式Si(OR12)4表示)的共聚物或共缩合物，其中每一个R11为如以上所定义的用于基团R，并且优选地，每一个R11代表具有1至12、优选地1至8个碳原子的未取代的或取代的烃基，其取代基可以是氨基、巯基和环氧基团，并且R12独立地为1至8、优选地1至4个碳原子的烷基。倍半硅氧烷可选地还可以包括由化学式R11 3SiOR12表示的硅烷的共缩合物。优选的倍半硅氧烷聚合物是中性的或是阴离子。可用的倍半硅氧烷可通过美国专利No.3,493,424(Mohrlok等人)、No.4,351,736(Steinberger等人)、No.5,073,442(Knowlton等人)和No.4,781,844(Kortmann等人)中描述的技术来制备。
如果需要，也可采用倍半硅氧烷和倍半硅氧烷共聚物的混合物。倍半硅氧烷通常应为固体，即在室温(23℃±2℃)下既不是气体也不是液体。倍半硅氧烷可用作胶态悬浮液。倍半硅氧烷可通过如下步骤制备：在酸性或碱性条件下搅拌混合物的同时，通过将硅烷添加到水、缓冲液、表面活性剂和可任选的溶剂中。在倍半硅氧烷制剂中使用的表面活性剂实质上应当是阴离子或阳离子表面活性剂。通过阳离子悬浮液通常可获得最好的结果。优选地，均匀并缓慢地添加一定量的硅烷，以实现小颗粒尺寸。在胶态悬浮液中的倍半硅氧烷的平均粒度应该在1nm至100nm(10埃至1000埃)的范围内，优选地在1nm至50nm(10埃至500埃)的范围内，或者在1nm至40nm(10埃至400埃)的范围内，更优选地在20nm至50nm(200埃至500埃)的范围内。可被添加的硅烷的确切量取决于取代基R以及使用的是阴离子还是阳离子表面活性剂。
其中单元可以嵌段或无规分布的形式存在的倍半硅氧烷共聚物通过硅烷的同时水解而形成。添加的由化学式Si(OR2)4表示的硅烷(包括其水解产物(如由化学式Si(OH)4表示))的优选量为相对于采用的硅烷的重量的2重量％至50重量％、优选地3重量％至20重量％。在所得组合物中存在的四有机硅烷(包括四烷氧基硅烷及其水解产物(如由化学式Si(OH)4表示))的量相对于倍半硅氧烷的重量为优选地小于10重量％、优选地小于5重量％、更优选地小于2重量％。
下列硅烷(例如)可用于制备本发明的倍半硅氧烷：甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、甲基三异丙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、2-乙基丁基三乙氧基硅烷、四乙氧基硅烷和2-乙基丁氧基三乙氧基硅烷。
优选地，羟基数为约1000至6000/g，更优选地为约1500至2500/g。可(例如)通过滴定来测量羟基数，或者可通过29Si核磁共振来估计分子量。
基本上不含残余的四烷氧基硅烷(或其水解产物，例如Si(OH)4)的可用的倍半硅氧烷为可以商品名“SR 2400RESIN”得自Dow Corning(Midland，MI)的倍半硅氧烷。特别优选的倍半硅氧烷的实例为以商品名“DRI-SIL 55”得自Dow Corning的倍半硅氧烷，其在甲醇中在末端处具有98重量％的(3-(2-氨基乙基)氨基丙基)甲基倍半硅氧烷。
在另一个实施例中，硅氧烷化合物是聚有机硅氧烷，优选地为聚二有机硅氧烷。优选地，用于浸渍纤维垫的聚有机硅氧烷在室温(23℃±2℃)下是固态的。此外，聚有机硅氧烷优选在端部位置处具有官能团(例如羟基或烷氧基)，该官能团可在下述所需的浸渍条件下自交联。在本发明中优选使用的聚有机硅氧烷具有低平均分子量(Mw)，其中Mw优选地在高达10,000、优选地在200至6000、更优选地在250至5000和300至4000的范围内，这是使用聚苯乙烯标准通过凝胶渗透色谱法(GPC)测量的。例如，可使用聚有机硅氧烷(优选的聚二有机硅氧烷)，其中总的硅键合的取代基的至少约50％是甲基基团，而任何剩下的取代基是其它的单价烃基(例如，较高烷基基团(具有例如4到20个碳原子)，例如十四烷基和十八烷基)、苯基、乙烯基和烯丙基、单价烃氧基(hydrocarbonoxy)和被取代的烃基，例如，烷氧基、烷氧基-烷氧基、氟代烷基、羟基烷基、氨基烷基和聚氨基(烷基)、巯基烷基和羧基烷基。这种烃氧基和取代烃基的具体实例为甲氧基、乙氧基、丁氧基、甲氧基乙氧基、3，3-三氟丙基、羟基甲基、氨基丙基、β-氨基乙基-γ-氨基丙基、巯基丙基和羰基丁基。除了上述有机取代基之外，有机硅氧烷还可以具有硅键合的羟基(通常在端部的硅烷醇基中存在)或如在(例如)聚(甲基氢)硅氧烷和二甲基硅氧烷单元与甲基氢硅氧烷单元和/或二甲基氢硅氧烷单元的共聚物中的硅键合的氢原子。
在一些情况下，聚有机硅氧烷(例如，聚二有机硅氧烷)可以包括两种或更多种不同类型的硅氧烷，或它可以与其他有机硅化合物结合使用。例如，聚有机硅氧烷可以既包括硅烷醇基封端的聚二甲基硅氧烷、又包括交联剂，因此(例如)聚(甲基氢)硅氧烷、烷氧基硅烷(如CH3Si(OCH3)3和/或NH2CH2CH2NH(CH2)3Si(OC2H5)3或这类硅烷的部分水解产物和缩合物。因此，根据性质，可使用任何宽泛的有机基硅氧烷范围来作为聚有机硅氧烷。通常优选的聚有机硅氧烷，例如，聚二有机硅氧烷是具有单独使用或与其它有机基硅氧烷化合物联合使用的封端硅键合反应基团的聚有机硅氧烷，例如，羟基和烷氧基。以上聚有机硅氧烷(例如聚二有机硅氧烷)还可与具有以下通式(II)表示的有机硅烷联合使用，所述通式(II)即：
Figure GPA00001143530800221
其中每一个Y代表选自烃基、烷氧基和烷氧基烷氧基的具有小于6个碳原子的单价基团，至少一个Y是烷氧基或烷氧基烷氧基，R代表具有3至10个碳原子的二价基团，所述基团由碳、氢和可选的以醚键和/或羟基的形式存在的氧组成，R′代表具有1至15个碳原子的一价烃基或基团
(-OQ)aOZ，其中Q代表具有2个或3个碳原子的亚烷基，a具有1至20的值，Z代表氢原子、烷基或酰基，每一个R″代表甲基或乙基，X代表卤素原子。
在以上特定的通式(II)中，二价基团R由碳和氢构成或由碳、氢和氧构成，任何氧都是以醚键和/或羟基的形成存在的。因此，基团R可以是(例如)亚甲基、亚乙基、亚己基、亚联苯基(xenylene)、-CH2CH2OCH2CH2-和
-(CH2)2OCH2CH(OH)CH2-。优选地，R代表基团-(CH2)3-、-(CH2)4-或
-CH2CH(CH3)CH2-。基团R′可以是具有1至15个碳原子的任何单价烃基，例如烷基(如甲基、乙基、丙基、丁基或十四烷基)；烯基(如乙烯基)；或芳基、烷芳基或芳烷基(如苯基、萘基、甲苯基、2-乙基苯基、苄基和2-苯丙基)。基团R′也可以是如上定义的基团-(OQ)aOZ，这种基团的实例是
-(OCH2CH2)OH，-(OCH2CH2)3OH，-(OCH2CH2)3(OCH2CH2CH2)3OC4H9和
-(OCH2CH2)2OC3H7。作为Y取代基，可以存在单价烃基(例如甲基、乙基、丙基和乙烯基)和烷氧基和烷氧基烷氧基(例如甲氧基、乙氧基、丁氧基和甲氧基乙氧基)。至少一个Y应该是烷氧基或烷氧基烷氧基，优选的硅烷是其中Y取代基选自具有少于4个碳原子的甲基和烷氧基或烷氧基烷氧基的硅烷。优选地，X代表氯或溴。上述有机硅烷是已知物质，可(例如)通过如下方法来制备：叔胺(如C15H31N(CH3)2)与卤代烷基硅烷(如氯丙基三甲氧基硅烷)反应；或通过向硅氢化合物中加入不饱和胺，然后产物与烃基卤化物或卤化氢反应。
在本发明的另一个实施例中，可采用选自以下物质的有机硅化合物来浸渍纤维：含烷氧基硅烷(优选的是可选地被取代的烷基烷氧基硅烷或芳基烷氧基硅烷，更优选的是可选地被取代的由化学式RSi(OR′)3表示的烷基三烷氧基硅烷或芳基三烷氧基硅烷)、其水解产物和缩合物及其组合。如果R为烷基，则该烷基优选地包括1至20、更优选地包括1至16、甚至更优选地包括1至10或1至8个碳原子。优选的烷基基团为甲基、乙基、丙基、甲基乙基、丁基、戊基、己基和环己基。如果R是芳基，则芳基优选地为苯基。烷氧基OR′优选地包括1至12，更优选地包括1至8，甚至更优选地包括1至6个碳原子。优选地，烷氧基是甲氧基和乙氧基，另外2-甲氧基乙氧基和异丙氧基也是可用的。烷氧基可彼此独立地选择。可选的取代基优选地从氨基中选择，其可选地进一步被例如C1-C6-烷基或氨基-C1-C6-烷基；环氧、3-氧化缩水甘油基、3-(甲基)丙烯酰氧基、巯基和C1-C6-烷氧基团取代。在优选的实施例中，仅烷基被取代。这种含烷氧基的硅烷化合物的水解产物和/或缩合物(尤其是自缩合物)可在(例如)所述硅烷的水溶液中形成，特别是如果所述水溶液不是立刻而是数小时后应用。
三烷氧基硅烷的实例为：甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、甲基三异丙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、2-乙基丁基三乙氧基硅烷、四乙氧基硅烷和2-乙基丁氧基三乙氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、环己基三乙氧基硅烷、甲基丙烯氧基三甲氧基硅烷、氧化缩水甘油基三甲氧基硅烷和N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷。烷基或苯基三烷氧基硅烷的实例为可以商品名“DYNASYLAN”从Degussa商购获得，(例如，“DYNASYLAN PTMO”，即丙基三甲氧基硅烷)。
浸渍材料还包括上述三烷氧基硅烷与四烷氧基硅烷的共混物，所述四烷氧基硅烷由公式Si(OR)4或Si(OR)3OR′或Si(OR)2(OR′)2表示，其中R和R′是可任选地被取代的烷基，该烷基优选地包括1至20个，更优选地包括1至16个，甚至更优选地包括1至10或1至8个碳原子。优选的烷基是甲基、乙基、丙基、甲基乙基、丁基、戊基、己基和环己基。可选的取代基优选地从氨基中选择，其可任选地进一步被例如C1-C6-烷基或氨基-C1-C6-烷基；环氧、3-氧化缩水甘油基、3-(甲基)丙烯酰氧基、巯基和C1-C6-烷氧基团取代。
在压缩和限制纤维垫之前或之后，可以用上述材料中的任何材料浸渍纤维垫。另外，也可以在纤维供应到成型箱之前浸渍纤维。
在另一个实施例中，在安装垫的内表面(即，安装垫的将接触污染控制元件的表面)或可选的外表面(即，安装垫的将接触外壳的表面)上形成连续或不连续的高摩擦力涂层材料的薄涂层。涂布高摩擦力涂层使得高摩擦力涂层材料基本上不侵入安装垫。此外，用高摩擦力涂层涂布安装垫的内表面和可选的外表面，使得可选地被涂布的安装垫的外表面和外壳之间的摩擦系数小于纤维垫的被涂布的内表面和催化剂成分之间的摩擦系数。高摩擦力涂层的有机部分在催化剂成分的常规操作条件下部分地或全部地分解和消散。安装垫的外表面的高摩擦力涂层可与内表面的高摩擦力涂层相同或不同。如果在两个表面上均使用相同的涂层材料，则为了获得所需的安装特性，必须采取预防措施，从而安装垫的外表面侧和内表面侧的浸渍量之间存在差值。对于同样的高摩擦力涂层的浸渍，浸渍内表面侧的涂层材料的固体组分含量应大于浸渍外表面侧的涂层材料的固体组分含量。已经表明，当两个面之间的摩擦力差值最大化时，可实现优良的填充结果。尽管对于安装垫上的高摩擦力涂层的含量的差值没有特别限定，安装垫的内表面侧的高摩擦力涂层的固体组分含量优选地为约5g/m2至100g/m2，更优选地为约10g/m2至50g/m2。另一方面，安装垫的外表面侧的高摩擦力涂层的固体组分含量优选地为约0.5g/m2至10g/m2。
高摩擦力涂层通常在(如催化剂填充(常用的罐装方法)期间)起到提高性能的作用。选择高摩擦力涂层，从而在催化剂成分的表面上得到防滑性质，以避免罐装期间垫的滑动。涂层可以选自天然或合成的聚合物材料，优选地为树脂或橡胶材料，例如丙烯酸树脂或橡胶(例如丙烯酸酯共聚物)、腈类树脂或橡胶、乙烯基乙酸酯共聚物、聚苯乙烯树脂、丙烯酸酯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-丁二烯树脂、SIS嵌段共聚物、EPDM、ABS、PE或PP膜等、及其组合。这些有机聚合物材料中的多种材料提供优良的防滑性质。这些有机聚合物中的一些有机聚物在高温下会发生软化，这会导致在有机聚合物材料降解和消散之前在某一个温度/时间窗口中的固定性能降低。可使用无机涂层(例如硅石、矾土、和粘土-凝胶或颗粒浆料等)，但这些无机涂层有时与有机聚合物材料相比防滑性质较差。它们的优点在于在较高温度下不分解，因此使摩擦力持久增大，从而造成垫的固定性能提高。可通过在垫的壳体侧设置无机高摩擦力涂层来实现固定性能的进一步优化，这并不明显地改变填充性能，但造成摩擦力和垫的固定性能增加。
在具体实施例中，高摩擦力涂层组合物由乳胶构成，该乳胶可在催化转化器的操作期间适用的高温条件下发生的任意反应中分解和消散。本文可用的乳胶包括通过将天然或合成聚合物材料分散到水性介质或另一个介质或有机材料(例如聚(乙烯醇))中而获得的胶态分散体，该聚合材料优选地是树脂材料，例如丙烯酸酯共聚物、乙烯基乙酸酯共聚物、聚苯乙烯树脂、丙烯酸酯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-丁二烯树脂、及其组合。可任选地是，乳胶还包括混合于其中的硅石、矾土或粘土颗粒中的一者或多者。采用使用丙烯酸树脂的丙烯酸乳胶会是特别有利的。优选的晶格的实例是乙烯基乙酸酯-乙烯聚合物分散体，其可以得自Air Products Polymers(Allentown，PA，USA)的商品名为“AIRFLEX EAF67”和“ACRONAL A 420S”，其为丙烯酸酯的可热交联共聚物的水性、无增塑剂分散体(可得自BASF(Ludwigshafen，Germany)，商品名为“ACRONAL A 420S”和“ACRONAL LA 471S”)。
在另一个实施例中，纤维垫上涂布的高摩擦力涂层也可包括上述有机聚合物材料和一种或多种类型的磨粒。更多详情(尤其是相对于可用的有机聚合物材料和可用的磨粒)可见于2006年2月23日公布的WO-A-2006/020058。例如，将通过将磨料的细小颗粒在有机聚合物材料中分散制成的浆料涂布到纤维垫的表面。因此获得具有涂层的纤维垫，在该涂层中，磨料的细小颗粒选择性地固定在至少纤维垫的内表面并可选地固定在纤维垫的外表面上。因为磨料的细小颗粒至少布置在纤维垫与催化剂成分的接触表面上，所以可增加与催化剂成分的摩擦系数并且可进一步改善催化剂成分的保持可靠性。此外，当催化剂成分和在催化剂成分的周围缠绕的纤维垫被罐装时，可以抑制或至少明显减小催化剂成分和缠绕纤维垫之间的移动，而不会对将被组装的催化转化器的能力产生不利影响。
如上说明的具有高摩擦力涂层的安装垫的涂布可用已知的常规技术(例如喷涂、涂刷、层合、印刷(例如，丝网印刷))有利地进行。优选的方法是通过利用(例如)喷漆系统(例如喷枪)来喷涂，这通过如下方法满意地进行：例如，仅制备喷雾溶液或分散体，并且连续或同时将溶液或分散体(如上述丙烯酸乳胶等晶格)喷到纤维垫的一个或两个主表面上。因此该操作简单并且经济。喷涂后的溶液或分散体可以自然干燥或通过加热达到合适的温度(如110℃)来干燥。纤维垫内表面侧的高摩擦力涂层的固体组分含量优选地为约5g/m2至100g/m2、更优选地为约10g/m2至50g/m2，并且安装垫的外表面上的高摩擦力涂层的固体组分含量优选地为约0.5g/m2至10g/m2。优选地，分别在安装垫的内表面和可选地外表面上形成连续或不连续的高摩擦力涂层材料的薄涂层。采用所用的涂布方法，使得安装垫的任何毛细管作用最小化，并且高摩擦力涂层材料基本上不侵入安装垫。即，高摩擦力涂层基本上只存在于安装垫的表面上，并且基本上不会渗入该垫。这可通过如下方法获得：使用(例如)固体浓度高的涂布溶液或分散体，向溶液或分散体中添加乳化剂或触变剂或具有类似效应的添加剂，涂布安装垫(在该涂布条件下，用过的溶剂迅速蒸发)等；或通过层合基本上不含溶剂的高摩擦力涂层。优选的是，高摩擦力涂层渗透小于安装垫厚度的10％，优选地小于5％、更优选地小于3％并且最优选地小于1％。
安装垫可被制造为各种厚度以适应终端使用需求。这些需求包括(例如)单片的类型(例如，薄壁、金属、标准厚度壁)、室温和工作温度下的间隙厚度和用于使之在工作温度下收缩或伸展的由垫施加的压力。通常，安装垫的厚度范围可以从约4mm至约30mm。安装垫的单位面积的重量值在约800g/m2至约3,000g/m2的范围内。在5kPa的负载下，安装垫的堆密度在0.3g/cm3至0.7g/cm3的范围内，或者就膨胀性材料垫的情况而言，通常在约0.6g/cm3和1.3g/cm3之间。
安装垫可用于安装所谓的薄壁或超薄壁污染控制单片。具体地说，安装垫可用于安装具有400cpsi至1200cpsi(62孔/cm2至186孔/cm2)以及壁厚度不超过0.005英寸(0.127mm)的污染控制单片。可与安装垫安装在一起的污染控制单片的实例包括薄壁单片4密耳/400cpsi(100微米/62孔/cm2)和4密耳/600cpsi(100微米/93孔/cm2)和超薄壁单片3密耳/600cpsi(76微米/93孔/cm2)、2密耳/900cpsi(51微米/140孔/cm2)和2密耳/1200cpsi(51微米/186孔/cm2)。
制备安装垫的方法
安装垫可通过湿法成网法或干法成网法来制备。例如，利用市售的成网机(例如，以商品名“RANDO WEBBER”从Rando Machine公司(Macedon，NY)获得或以商品名“DAN WEB”从ScanWeb公司(Denmark)获得)制备安装垫，其中纤维被拉成丝网筛或网带。
优选地，垫利用以下方法制备，所述方法包括以下步骤：
(i)穿过在成型丝网上方设置的具有开放底部的成型箱的入口供应无机纤维，以在成型丝网上形成纤维垫，成型箱具有多个纤维分离辊和环形带筛机，多个纤维分离辊在入口和壳体底部之间的壳体中设置成至少一排，用于打散纤维团；
(ii)在纤维分离辊下方和成型丝网上方的环形带筛机的下行带上捕获纤维团；
(iii)将捕获的纤维团在纤维分离辊上方的环形带上传送，以使捕获的纤维团能够从环形带释放，并接触纤维分离辊并被纤维分离辊分开；
(iv)通过所述成型丝网将所述纤维垫运出所述成型箱；以及
(v)压缩所述纤维垫并且将纤维垫限制在其压缩状态，从而获得具有所需厚度的安装垫，其适用于将污染控制元件安装在催化转化器的壳体中。
上述制备安装垫的方法通常提供以下优点中的一个或多个。通常，该方法允许以高性价比和便利的方式制备多种组成的安装垫。另外，可以容易、便利、高性价比和可靠的方式来制备没有有机粘结剂或有机粘结剂含量低的安装垫，从而得到一致的品质和性能。例如，可以容易地制备没有有机粘结剂或具有不大于5重量％的有机粘结剂(例如不大于3重量％或不大于2重量％)的安装垫。在具体实施例中，可制备有机粘结剂含量低(例如，没有粘结剂，不大于5重量％的有机粘结剂，例如不大于3重量％或不大于2重量％的有机粘结剂)的具有极佳的性能和一致品质的膨胀型安装垫。该方法还可以提供的优点是能够制备采用已知方法难以制备或不可能制备的安装垫。具体地讲，与湿法成网或干法成网方法相比，当使用上述经热处理的玻璃纤维时，所述方法避免或减少了纤维的断裂。
根据该方法，通过成型箱的纤维入口向成型箱供应纤维。已经于2005年5月19日公布的WO 2005/044529中公开了结合本发明使用的适合的成型箱。该成型箱包括布置成一排且打散纤维团的多个纤维分离辊。通常，纤维分离辊是齿辊。布置在成型箱中的环形带筛机具有上行带和位于成型箱的下部中的下行带，上行带在齿辊排的正下方和/或正上方(即，例如在两排齿辊之间)行进。因此，抑制纤维团或过大的纤维铺设在成型丝网上并被保留在成型箱中的带筛机上，然后从成型箱的下部运离并返回到齿辊上，以用于进一步地分解。在实施例中，环形带筛机提供自清洁的滤筛或纤维筛网构件，这是由于过大的纤维保留在环形带筛机的下行带的一个上侧上，并因为在成型箱和成型丝网下方的真空而在环形带筛机的上行带的下侧上被释放。
在实施例中，两排齿辊设置在带筛机的上行带的每一侧上。籍此，在带筛机筛选之前可以对供应的纤维进行初始分解，并且在该首次筛选之后进行进一步的分解。在另外的实施例中，在带筛机的上行带正下方那排中的齿辊被这样设置，即，在带筛机的上行带的行进方向上，齿辊的旋转轴线和带筛机之间的距离减小。由此，随着保留在带筛机的下行带上的纤维团或纤维簇返回到带筛机的上部进行再处理，这些保留的纤维被逐渐地再分解。通过开始对返回的纤维进行“路线”处理，然后逐渐减小带筛机和各个齿辊之间的间隙的尺寸，可确保返回的纤维团被分解，并且没有被压缩并拖曳经过两个相邻的齿辊之间的间隙。由此，可以实现较好的分解。为了实现对纤维的进一步分解，从而更加均匀地分布，可以在带筛机的下行带的每一侧上设置另外的两排齿辊。
在实施例中，齿辊沿着带筛机的至少一个竖行带设置。由此，沿着带筛机拖曳的纤维在返回路径上也可以被再处理和/或可通过沿着带筛机的竖直路径设置的齿辊来清洁带筛机。在本发明的实施例中，在相对于成型丝网的行进方向的下游方向，带筛机延伸超出壳体。或者，带筛机被设置在壳体的内部。
可以驱动带筛机，使下行带的移动方向与基础成型丝网相同或相反。此外，带筛机可以要么被连续地驱动(如，以恒定的速度)、要么被间歇性地驱动。在一个实施例中，可以在带筛机的下行带的每一侧上设置另外的两排齿辊。带筛机优选具有预定图案的网格开口。
在一个实施例中，带筛机可以是具有预定网孔的丝网。在另一个实施例中，带筛机具有横向取向的网格构件，在网格构件之间具有开口。在本发明的实施例中，带筛机的下行带在成型丝网的正上方，从而带筛机与成型丝网上气纺的纤维形成物的上侧接触。由此，真空在成型箱的底部开口中的一些区域中被筛选，并可实现纺成的产品的预定表面结构。这些真空筛选的区域由带筛机的筛网图案确定。以下，参照图1-3更加详细地描述在本发明的方法中采用的成型箱的实施例。
在图1和图2中，示出本方法采用的成型箱。成型箱包括壳体1，纤维3从入口2被供应到该壳体中。成型箱被布置在成型丝网4上方，由于成型丝网4下方的真空箱5，导致纤维3被气纺到该成型丝网上，以在干法成型工艺中形成纤维板6。在图1中，示出成型箱，壳体中的内部元件是可见的。然而应该认识到，壳体壁可以由或者透明或者不透明的材料制成。
通过入口2将纤维3被吹入成型箱的壳体1中。在成型箱的内部，多个齿辊7被设置成一排或多排(如，四排15个)齿辊71、72、73、74，如图1和图2所示。在壳体中，还设置环形带筛机8。该环形带筛机8具有传输路径，包括上行带85、竖直部分88(在此处，带筛机8沿着向下的方向运动)、下行带86(在此处，带筛机8与下方的成型丝网5基本平行地行进)和向上取向的20行程87，如图3所示。
与带筛机8的上行带85相邻地设置有至少一排齿辊71。在示出的实施例中，上两排齿辊71、72与下两排齿辊73、74设置在壳体1中的不同高度处。带筛机被如下布置，即，上行带85位于上两排齿辊71、72之间，下行带86位于下两排齿辊73、74之间。纤维3可以成团地供应到壳体1中。然后，齿辊7分解或撕碎纤维3的团，以便确保纤维3均匀地分布在成型丝网5上形成的产品6中。随着纤维在成型箱中被朝下吸，纤维经过第一排齿辊71，然后经过带筛机8和第二排齿辊72。在带筛机8的下行带86中，过大的纤维被保留在带筛机8上并返回到成型箱的上段，以用于进一步分解。保留的纤维在带筛机8的下行带86的顶部上被捕获，该顶部然后变成上行带85的下表面，并且纤维被吸离带筛机8，并且纤维团被齿辊再一次撕碎。
如图3所示，在带筛机8的上行带85的正下方的齿辊排72倾斜。该排72接收从以下的保留过程返回的被保留的“过大的”纤维。为了确保纤维3在该排72中被有效地撕碎，该排72中的第一齿辊72′、72″、72″′和72″″在各个齿辊72′、72″、72″′和72″″的旋转轴线与带筛机8的上行带85之间具有不同的距离。该排中的第一齿辊72′被定位为具有最大距离，并且逐渐地，后续的齿辊72″、72″′和72″″被定位为具有更靠近的距离，从而返回的过大的纤维团中的纤维被轻轻地“剥离”，由此确保纤维团被撕碎和分解，而不是被吸离以及拖离带筛机并进入到两个相邻的齿辊之间。
环形带筛机8包括按照预定图案设置的闭合部分81和开口82。或者，带筛机8可以是丝网。通过带筛机8的开口82和闭合部分81的特定图案，通过编排带筛机8的下行带86使得其与纺在成型丝网4上的纤维的顶部表面接触，可以实现通过干法成型工艺形成的纤维板6上的预定表面图案。
在竖直取向的行程通道87、88中，可以设置与带筛机8相邻的一个或多个齿辊(未示出)，以用于疏松带筛机上的纤维。可以根据有待成型箱气纺的纤维的种类来选择齿辊的模式。
成型箱的底部可以具有滤筛11(未示出)，因此带筛机8可以具有用于移除保留的纤维的刷子装置(未示出)。籍此，带筛机另外可以用于清洁底部滤筛。刷子装置可以是被设置用于将纤维从带筛机的下行带路径的上侧扫除的构件。替代性地或结合性地，带筛机可以具有用于产生湍动气流的装置，该湍动气流搅动滤筛上保留的纤维。这样，具有底部滤筛的成型箱可以具有用于底部滤筛的清洁设施，并且该带可以另外用于抑制筛子堵塞。
在上述图示的实施例中，入口被示出为设置在带筛机和齿辊的上方。然而应该认识到，入口可以设置在带筛机的上行带的下方，和/或可以设置多个入口(如，用于将不同种类的纤维供应到成型箱)。齿辊(实际上，带筛机)然后将协助混合成型箱的内部的纤维。
根据用于制备安装垫的本方法，在成型丝网上形成的纤维垫被运出成型箱，然后被压缩成所需的厚度，该厚度适用于在催化转化器的壳体中安装该安装垫。应当限制该垫，使得安装垫在被进一步操作、处理(如，切成所需的形状和大小)和在催化转化器中安装该安装垫期间保持压缩状态。在制备催化转化器或污染控制装置的过程中，安装垫设置在污染控制装置的壳体或外壳与污染控制元件(也称作单片)之间的间隙中。通常，壳体和污染控制元件之间的间隙将在2mm和10mm之间变化，例如，在3mm和8mm之间变化。间隙大小可以为常数、或可以根据污染控制装置的具体设计而沿着污染控制元件的周围有差别。
纤维垫可以多种不同的途径被压缩和限制，包括针刺、缝编、树脂粘合、加压和/或其组合。优选地，被压缩和限制的纤维垫的每单位面积的重量值的范围从约800g/m2至约3000g/m2，并且在另一个方面，其厚度的范围从约0.5cm至约3cm。通常，在5kPA负载下的堆密度的范围为0.1g/m3至0.2g/m3。含有膨胀型材料的垫的每单位面积的重量的范围可以从约2000g/m2至8000g/m2和/或在5kPA负载下的堆密度的范围可以从0.3g/m2至0.7g/m2。
在一个实施例中，纤维垫通过针刺法被压缩和限制。针刺垫是指其中存在纤维物理缠绕的垫，该缠绕是通过多次全部或部分(优选的是全部)穿透垫形成，例如通过倒刺针。可使用具有倒刺针(可(例如)从Foster Needle Company有限公司(Manitowoc，WI)商购获得)的常规的针刺装置(如，可以商品名“DILO”从Dilo(Germany)商购的针刺机)来对纤维垫进行针刺，从而得到被针刺的纤维垫。提供纤维缠绕的针刺通常涉及压缩垫，然后冲孔，以及拖拉倒刺针穿过垫。单位面积的垫上针刺的最佳次数会依据具体应用而有差别。通常，纤维垫被针刺从而得到约1个到约60个针孔/cm2。优选地，垫被针刺从而得到约5个至约20个针孔/cm2。
可以使用常规的技术(参见如美国专利No.4,181,514(Lefkowitz等人)，该专利的公开内容以引用方式并入本文，以用于其缝编非织造垫的教导)缝合非织造垫。通常，使用有机线来缝合垫。薄层的无机或有机片状材料在缝编期间可被放置在垫的任意一面或两面，以抑制线割穿垫或使垫的割穿最小化。凡是期望缝合线在使用中不分解的，可使用无机线，例如玻璃、陶瓷或金属(如不锈钢)。针脚的间距通常为3mm至30mm，从而纤维在垫的整个面积上被均匀地压缩。
在另一个实施例中，垫可以被压缩并通过树脂粘合被限制。通常，在树脂粘合中，垫被有机粘结剂溶液绝缘浸渍或饱和，通过施压被压缩，并且然后移除粘结剂溶液中的溶剂，使得该垫保持在大约其压缩厚度。只要粘结剂在一般温度下可保持压缩垫的压缩厚度，并且其热分解允许垫恢复到初始厚度，就可在本方法中可用的由有机化合物构成的任何粘结剂作为有机粘结剂，而没有特殊限制。优选地，在催化转化器旨在使用的温度下，有机粘结剂从垫中容易热分解和消散(破坏)。此外，由于安装垫一般暴露于不小于300℃的温度或暴露于900℃至1,000℃的温度进行高温使用，因此在大约500℃或更低的温度下，有机粘结剂优选在短时间内被热分解，从而失去其作为粘结剂的功能。更优选地，热分解时，有机粘结剂在该温度范围内从垫中消散。
前述有机粘结剂可以水溶液、水分散型乳液、使用有机溶剂的乳胶或溶液的形式使用。这些有机粘结剂在下文中一般称为“粘结剂液体”。
树脂粘合也可以通过如下步骤来实现：将(例如)以粉末或纤维形式的聚合物材料添加到垫中；通过在其上施加压力来压缩垫；对压缩后的垫进行热处理，从而导致聚合物材料熔融或软化，从而将纤维在垫中粘合，并因此在冷却时限制该垫。
可以被包含在垫中的合适的聚合物材料包括热塑性聚合物，该热塑性聚合物包括聚烯烃，聚酰胺，聚酯，醋酸乙烯酯-乙烯共聚物和乙烯基乙烯共聚物。或者，热塑性聚合物型纤维可被包括在垫中。合适的热塑性聚合物型纤维的实例包括聚烯烃纤维(例如聚乙烯或聚丙烯、聚苯乙烯纤维、聚醚纤维)、聚酯纤维(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT))、乙烯基聚合物纤维(例如聚氯乙烯和聚偏二氟乙烯)、聚酰胺(例如聚己内酰胺)、聚氨酯、尼龙纤维和聚芳酰胺纤维。对于纤维垫的热粘结来说特别有用的纤维也包括所谓的双组分纤维，其通常包括不同组成或具有不同物理性质的聚合物。通常，这些纤维是皮芯纤维，其中(例如)芯的聚合物型组分提供结构，而外皮是可熔融或热塑性的，使得纤维能够粘结。例如，在一个实施例中，双组分纤维可以是皮芯聚酯/聚烯烃纤维。可使用的双组分纤维包括可以商品名“TREVIRA”从Trevira GmbH(Bobingen，Germany)商购、和以商品名“FIBERVISIONCREATE WL”从FiberVisions(Varde，Denmark)商购的那些。
在具体实施例中，两个或更多个纤维垫层可以在彼此顶部上形成。例如，在这种共成型的一个实施例中，该方法包括：通过进行上述方法的步骤(i)至(iv)形成第一纤维垫；通过重复步骤(i)至(iv)在第一垫上形成至少一个第二垫，第一垫设置在成型丝网上；以及进行该方法的步骤(v)(即，压缩和限制)，以便获得具有第一纤维垫和第二纤维垫的安装。根据可供选择的实施例，在第一纤维垫上形成第二纤维垫之前，首先压缩并限制第一纤维垫。
污染控制装置
在图4中示出了污染控制装置的实施例。污染控制装置10包括外壳11(通常由金属材料制成)，该外壳通常分别具有截头圆锥体的入口12和出口13。在外壳11内设置的为污染控制元件或单片20。围绕污染控制单片20的为根据本方法制成的安装垫30并且其起到紧紧地但弹性地支承外壳11内的单片元件20的作用。安装垫30将污染控制单片20保持在壳体中的合适位置，并密封污染控制单片20和外壳11之间的间隙，以借此抑制或最小化废气绕过污染控制单片20。如从图4可看到，外壳11的外部暴露于大气环境。换句话讲，装置10不包括将外壳11容纳于其中的另一个壳体。然而，在另一个实施例中，污染控制单片可以保持在外壳中，并且这些中的一个或多个可以然后被容纳在另外的外壳中，如在用于卡车的(例如)催化转化器中的情况。污染控制装置的外壳可由针对这种用途的本领域已知的材料制成，包括不锈钢等。
可与安装垫安装在一起的污染控制元件包括汽油污染控制单片以及柴油污染控制单片。污染控制单片可以是催化转化器、颗粒过滤器或捕集器等。催化转化器包含催化剂，该催化剂通常被涂布在单片结构上，该单片结构安装在金属壳体内。催化剂通常适于在必要温度下为可操作的和有效的。例如，对于与汽油发动机一起使用的情况，催化转化器在400℃至950℃的温度下应当是有效的，然而对于柴油发动机，较低的温度(通常不大于350℃)是通用的。该单片结构通常为陶瓷的，但也使用金属单片。催化剂氧化一氧化碳和碳氢化合物并且还原废气中的氮氧化物，以控制大气污染。虽然在汽油发动机中所有这三种污染物都可在所谓的“三通转化器”中同时进行反应，但大多数柴油机仅配备柴油机氧化催化转化器。用于减少氮氧化物的催化转化器(其经常在现代柴油货车中使用)一般由单独的催化转化器组成。
用于汽油发动机的污染控制单片的实例包括由从Coming公司(Coming，NY)或NGK Insulators有限公司(Nagoya，Japan)商购获得的堇青石制造的那些或者从Emitec(Lohmar，Germany)商购获得的金属单片。关于催化剂单片的额外的细节参见(例如)：“AdvancedCeramic Substrate：Catalytic Performance Improvement by HighGeometric Surface Area and Low Heat Capacity，”Umehara et al.，PaperNo.971029，SAE Technical Paper Series，1997(《先进陶瓷基片：通过高几何表面积和低热容量进行的催化剂性能改进》，Umehara等人，论文No.971029，美国汽车工程师学会技术论文丛刊，1997年)；“SystemsApproach to Packaging Design for Automotive Catalytic Converters，”10Stroom et al.，Paper No.900500，SAE Technical Paper Series，1990(《用于汽车催化转化器的包装设计的系统方法》，Stroom等10人，论文No.900500，美国汽车工程师学会技术论文丛刊，1990年；“Thin WallCeramics as Monolithic Catalyst Supports，”Howitt，Paper 800082，SAETechnical Paper Series，1980(《用作单片催化剂支承件的薄壁陶瓷》Howitt，论文No.800082，美国汽车工程师学会技术论文丛刊，1980年)；以及“Flow Effects in Monolithic Honeycomb Automotive CatalyticConverters，”Howitt et al.，Paper No.740244，SAE Technical Paper Series，1974(《单片蜂窝式汽车催化转化器中的流动效应》，Howitt等人，论文No.740244，美国汽车工程师学会技术论文丛刊，1974年)。
柴油机颗粒过滤器或捕集器通常为壁流式过滤器，其具有通常由多孔晶体陶瓷材料制成的蜂窝状单片结构。蜂窝结构的替换单元通常被塞紧，使得废气进入一个单元并被迫通过多孔壁到达它可排出此结构的相邻的单元。这样，柴油机废气中存在的小油烟颗粒被收集。由堇青石制成的合适的柴油机颗粒过滤器可从Corning有限公司(ComingNY)和NGK Insulators有限公司(Nagoya，Japan)商购获得。由碳化硅制成的柴油机颗粒过滤器可(例如)从Ibiden有限公司(Japan)商购获得，并且在(例如)2002年2月12日公布的JP2002047070A中有所描述。
实例
以下的实例进一步示出了本发明，而不意图限制本发明。
材料列表
  商品名   供应商   材料类型  化学组成   状态/维度
  R-玻璃   St.Gobain Vetrotex，Chambery/法国   玻璃纤维  60％的SiO2，25％的Al2O3、9％的CaO、6％的MgO   短纤维
  S-玻璃   Polotsk-Steklovolokno公司-Belarus   玻璃纤维  65％的SiO2、25％的Al2O3、10％的MgO   短纤维
  E-玻璃   St.Gobain Vetrotex，Chambery/法国   玻璃纤维  55％的SiO2、15％的Al2O3、19％的CaO、3％的MgO、7％的B2O3   短纤维
  “belCoTex”   belChem公司，Freiberg/德国   石英纤维  95％的SiO2   短纤维
  “TREVIRA 255”   Trevira GmbH(德国)   双组分纤维  皮芯PES/聚乙烯   短纤维
测试方法
循环的压缩试验
进行循环压缩试验的测试设备包括下列元件：
a.)拉力试验机，型号为Zwick/Roell Model Z010，可购自ZwickGmbH & CoKG(Ulm，Germany)，其包括具有能够测量高达10kN的力的测力传感器的固定下部和以定义为“夹头速度”的速率在垂直方向上与下部可移动地分开的上部；
b.)测试固定装置，其由基部区域为6cm×8cm的2个不锈钢块组成，每一个不锈钢块都包含能够将块彼此独立地加热到至少900℃的加热元件。不锈钢下块牢牢附接到测力传感器上，而不锈钢上块牢牢附接到拉力试验机的可移动上部(夹头)上，从而该块的基部区域垂直地设置在彼此的上方。每一个不锈钢块都配有位于该块中心的热偶；
c.)激光伸长仪，可购自Fiedler Optoelektronik(Lützen，Germany)，其测量不锈钢块之间的开口距离。
待测的安装垫样品具有大约2英寸(51mm)的直径并且直接设置在不锈钢下块上。然后闭合间隙，从而将安装垫压缩到限定的压缩密度(也称为开放间隙)。在开放间隙位置中松弛一分钟之后记录由安装垫施加的压力。之后，以30℃/分钟的速率加热这两个不锈钢块，直到达到限定的测试温度为止。在这段时期，不锈钢块之间的间隙保持恒定(即，用激光伸长仪来持续补偿金属膨胀)。记录在加热期间的最低压力。
在加热之后，通过将间隙闭合至第二限定垫密度(也称为闭合间隙)来开始循环。然后间隙再打开成开放间隙位置。该循环重复500次。循环期间的夹头速度为2.5米/分钟。记录最后一次循环的开放间隙和闭合间隙的压力。
2.热机械分析(“TMA”)
本测试使用的设备是来自Thermoanalyse GmbH(HüllhorstGermany)的型号为801L的热机械分析机，其配备有石英样本夹持器和能够加热到800℃的炉子。
直径为11mm的圆形安装垫样本被切割并放置到石英夹具上。直径为7mm的石英杆布置在样本中心上并负重1350g。然后，烘箱在石英夹具的上方移动，并且温度从室温(23℃+/-2℃)以每分钟15℃的速率升高至800℃。
在所述温度内，记录安装垫样本的厚度。确定样本表现出3％收缩时的温度。
一般来讲，希望热收缩等于或小于3％，以确保安装垫的良好耐久性。在废气处理装置的使用寿命期间，较高的收缩率将会导致夹持力的显著损耗。
3.真实条件固定装置试验(RCFT)
RCFT的测试设备包括如下设备：
a)拉力试验机(以商品名“MTSMODEL ALLIANCE RT/5”从Material Test Systems(Eden Prairie，MN，USA)获得)，包括固定的下部和上部，该上部以定义为“夹头速度”的速率在垂直方向上与下部可移动地分开并且载有能够测量高达5kN的力的测力传感器。
b)测试固定装置，其由基部区域为6cm×8cm的2个不锈钢块组成，每一个不锈钢块都包含能够将块彼此独立地加热到至少900℃的加热元件。不锈钢下块牢牢附接到固定下部，不锈钢上块在拉力试验机的可移动上部(夹头)处牢牢附接到测力传感器，从而该块的基部区域被垂直地设置在彼此的上方。每一个不锈钢块都配有位于该块中心的热偶。
c)可购自Fiedler Optoelektronik(Lützen，Germany)的激光伸长仪，其用于测量不锈钢块之间的开口距离(间隙)。
尺寸为44.5mm×44.5mm的安装垫样品被布置在不锈钢块之间。间隙以1.0m/min的夹头速度闭合成限定的安装垫密度(也称为安装座密度)。之后每一个不锈钢块被逐步加热到不同温度分布，以模拟废气处理装置中的金属壳体和陶瓷基底的温度。在加热期间，不锈钢块之间的间隙增加了一定值，该值由通常的废气处理装置壳体和陶瓷基底的温度和热膨胀系数计算得出。
此处用两种不同的温度分布来进行RCFT。第一分布模拟陶瓷基底的最高温度为500℃和金属罐的最高温度为200℃。第二分布模拟陶瓷基底的最高温度为700℃和金属罐的最高温度为400℃。
在加热到最高温度之后，不锈钢块逐步冷却，间隙减小了一定的值，该值由温度和热膨胀系数计算得出。记录在加热和冷却循环期间由安装垫施加的压力。安装垫样品和不锈钢块冷却到35℃，循环再重复两次同时记录由安装垫施加的压力。用于3次循环中的每一次的最小压力为至少50kPa对于安装垫来说通常被认为是可取的。
4.热振动试验
热振动试验涉及使热空气穿过在金属外壳中与安装垫安装在一起的废气处理元件(以下称为测试组件)，同时使测试组件经受足以起到加速的耐久性试验的作用的机械振动。
测试组件的组成如下：
1)圆柱形陶瓷单片，其直径为118.4mm，长度为101.6mm，具有400孔/英寸2(62孔/厘米2)并且壁厚为6.0密耳(152微米)。
2)在陶瓷单片和金属外壳之间以圆柱形方式布置的安装垫。
3)圆柱形罐状外壳，其包括内径为约126.5mm的不锈钢型1,4512(EN标准)。
常规摇床，可购自LDS Test and Measurement有限公司(Royston，Herfordshire，United Kingdom)，用于向测试组件提供振动。热源，包括天然气燃烧器，其以450米3/小时的气体流量向转化器提供高达900℃的气体入口温度。
转化器配备了热偶以测量气体入口温度和金属外壳上的温度。气体温度循环(即，反复地升高和降低)以便在安装垫材料上施加额外的压力。在测试的振动阶段开始之前进行16小时的热调节阶段。热调节阶段由4个在选定高温下保持3小时然后1小时冷却到室温的循环组成。
在测试的振动阶段，采用“随机正弦”型振动以产生另外的应力并模拟在使用条件下测试组件的加速老化。振动阶段包括在选定温度下振动3小时而在允许转化器冷却到室温的1小期间不振动的循环。如下表中所示，振动级在每一个循环期间都有所增加。一直进行测试，直到显示测试组件失效为止。
希望达到循环6或7振动级。认为循环5级失效是合格的界线，而在较低循环数情况下的失效表示存在重大风险。
  循环编号   正弦振动峰值(m/s2)   随机振动(g2/Hz)   总振动峰值(m/s2)
  1   39   0.02   157
  2   49   0.04   216
  3   69   0.08   304
  4   98   0.16   432
  5   137   0.32   608
  6   196   0.64   863
  7   275   1.28   1216
制备安装垫
在310mm宽的非织造机上制造安装垫(实例)，所述非织造机是根据2005年5月19日公布的WO 2005/044529的原理制造，并购自Formfiber(Denmark)。该非织造机具有抵靠着彼此运转的3个顶部和3个底部的2组齿辊的成型部分。将金属棒安装在所述齿辊对之间的运动带确保没有材料块会落到成型带上。
将用于各种安装垫(实例)的纤维通过传送带被送进非织造机中。首先，纤维穿过具有2个旋转齿辊的预开口部分。之后，纤维被吹入成型箱的顶部中。然后，纤维被收集到以约1m/min的速度移动的成型带上。单位面积的重量为约18g/m2的薄纸式非织造稀松布被送进成型室的下部中，以便在传送期间支承安装垫。在经过成型部分之后，安装垫(实例)经过在140℃的烘箱温度下工作的热空气烘箱以活化双组分纤维或者利用针刺机(可购自DILO(Eberbach，Germany))被刺针粘合。经过烘箱的垫在离开烘箱之后被辊子按照减小其初始形成的厚度的方式立即压缩。
然后，安装垫经受循环压缩测试或热机械分析(TMA)。
实例1的组合物(所有的组合物按照重量份计)
97％的短切R-玻璃纤维，其为6mm长，所述纤维在700℃下的窖炉中被热处理1小时
3％的双组分纤维(“TREVIRA 255”)
利用以上工序形成垫，安装垫(实例1)经过140℃的烘箱。安装垫(实例1)被辊子压缩，垫的初始厚度从约45mm减至约13mm。
实例2的组合物
80％的短切R-玻璃纤维，其为6mm长，所述纤维在700℃下的窖炉中被热处理1小时
20％的短切R-玻璃纤维，其为36mm长，没有经预先的热处理。
使用前述相同的工序形成垫。垫不经过热空气烘箱，而是在成型之后利用针刺机(可购自DILO(Eberbach，Germany))被刺针粘合。垫的厚度从初始形成的约50mm的厚度减小至约12mm。
实例3-9的组合物
利用不同类型的玻璃纤维以及不同的热处理将所有其它的垫样品按照实例2所述地制备。这些实例中的每个100％地由一种纤维类型和长度制造，不进行混合。在成型和针刺之后，根据“TMA”工序测试垫样品。因此，确定纤维垫的厚度收缩3％时的温度。
比较例C1：
97％的短切R-玻璃纤维，其为6mm长
3％的双组分纤维(“TREVIRA 255”)
比较例C1的安装垫按照实例1所述地制备，不同之处在于，短切R-玻璃纤维不经受热处理工艺。
比较例C2至C8：
比较例C2至C8的安装垫通过以下组合物按照实例2所述地制备。
C2：
100％短切二氧化硅belCoTex 225；其为54mm长，在700℃下的窖炉中被热处理1小时
C3：
100％的短切E-玻璃纤维，其为36mm长，没有经热处理
C4：
100％的短切R-玻璃纤维，其为36mm长，没有经热处理
C5：
100％的短切S-玻璃纤维，其为65mm长，没有经热处理
C6：
100％的短切硅belCoTex 225；其为54mm长，没有经热处理
C7：
100％的短切硅belCoTex 225；其为54mm长，在800℃下的窖炉中被热处理1小时
C8：
100％的短切硅belCoTex 225；其为54mm长，在900℃下的窖炉中被热处理1小时
测试结果
循环压缩试验
循环压缩试验的结果在表1中列出。
表1：600℃下的500次循环压缩；安装密度为0.40g/cm 3 (开放间 隙)和0.44g/cm 3 (闭合间隙)
Figure GPA00001143530800441
由具有3％的双组分纤维的经热处理的R-玻璃制成的实例1具有最好的压力保持性。由80％的经热处理的R-玻璃纤维和20％的未经热处理的R-玻璃纤维的共混物制成的实例2也在整个测试工序中表现出良好的压力结果。比较例C1表现出显著较低的压缩结果，并且在开放间隙状态下甚至降为0压力。比较例C2的垫开始于与实例1和2相似的压力水平下，但是在循环过程中，在闭合间隙位置和开放间隙位置压力均降至显著较低的水平。这表现出二氧化硅纤维尽管经过热处理也还缺乏机械回弹力。
热机械分析(“TMA”)
热机械分析(“TMA”)的结果在表2中列出。
  实例编号   组合物的说明   导致3％的收缩(TMA)的温度(℃)
  C3   没有经热处理的E-玻璃   179
  3   在500℃下被热处理1小时的E-玻璃   407
  4   在600℃下被热处理1小时的E-玻璃   520
  5   在700℃下被热处理1小时的E-玻璃   593
  C4   没有经热处理的R-玻璃   377
  6   在600℃下被热处理1小时的R-玻璃   628
  7   在700℃下被热处理1小时的R-玻璃   680
  8   在800℃下被热处理1小时的R-玻璃   715
  C5   没有经热处理的S-玻璃   414
  9   在800℃下被热处理1小时的S-玻璃   660
  实例编号   组合物的说明   导致3％的收缩(TMA)的温度(℃)
  C6   没有经热处理的二氧化硅玻璃   91
  C7   在800℃下被热处理1小时的二氧化硅玻璃   778
  C8   在900℃下被热处理1小时的二氧化硅玻璃   ＞800
TMA结果显示出对于玻璃纤维和二氧化硅纤维二者而言，对玻璃纤维的热处理导致耐温性显著提高。然而，如表1所示，在循环压力测试过程中显示出，与经热处理的玻璃纤维相反，经热处理的二氧化硅纤维缺乏在污染控制装置的寿命期间提供良好耐久性需要的回弹力。
实例10
按照以下组成制备膨胀型安装垫：
54.3％的纤维(“ISOFRAX”)
13.6％的短切R-玻璃纤维，其为6mm长，在700℃下被热处理1小时
29.2％的未膨胀蛭石
2.9％的双组分纤维(“TREVIRA 255”)
实例10的膨胀型安装垫在可购自Formfiber(Denmark)的310nm宽的非织造机上制备并且根据上述公开的方法来操作。非织造机的成型室在成型室的上部构建有2×3个齿辊而在成型室的下部构建有2×3个齿辊。
无机纤维和粘结剂纤维经由传送带被送进非织造机的成型室中。首先，纤维穿过具有2个旋转齿辊的预开口部分。之后，纤维被吹入成型箱的顶部中。蛭石经由第二传送带被直接送入成型室的顶部中。纤维和颗粒被收集到以约1m/min的速度移动的成型带上。单位面积的重量为约18g/m2的薄纸式非织造稀松布通过布置在成型丝网上而送入成型箱的下部中，以便在传送期间支承该垫。在成型部分之后，垫穿过热空气烘箱。烘箱温度为140℃，该温度热激活实例10中的膨胀型安装垫的组成中使用的粘结剂纤维。在烘箱之后通过辊以这样的方式立即压缩垫，使得冷却后最初形成的约25mm的厚度减小至约8mm。移除支承的非织造纸。
然后，用真实条件固定装置试验(“RCFT”)和热振动试验来测试所得的安装垫(实例10)。
在安装密度为0.7g/cm 3 时的真实条件固定装置测试结果
Figure GPA00001143530800461
实例10的热振动试验的结果：
实例10的膨胀型垫以0.75g/cm3的安装密度来安装并且在300℃下对其进行测试。转化器组件达到循环7(其为约1216m/s2的振动峰值的最高振动水平)，并且40分钟后在该水平处失效。
然后，以0.75g/cm3的安装密度在第二转化器组件中安装实例10的垫，并在800℃下对其进行测试。该转化器组件也达到具有约1216m/s2的振动峰值的循环7，并且83分钟后在该水平处失效。这些结果显示出含有经热处理的玻璃纤维的实例10中的膨胀型安装垫适于包括高温条件的广温度范围的应用。
对于本领域的技术人员来说将显而易见的是，在不脱离本发明的范围和精神的前提下，可以对本发明作出可预见的修改和更改。本发明不应当限于为了进行示意性的说明而在本申请中阐述的实施例。

Claims (16)

1.一种用于将一个或多个污染控制元件安装到用于废气处理的污染控制装置中的垫，所述垫包含经热处理的玻璃纤维，该经热处理的玻璃纤维含有基于所述玻璃纤维的总重量的10至30重量％的Al2O3和52至65重量％的SiO2。
2.根据权利要求1所述的垫，其中所述经热处理的玻璃纤维还包含基于所述玻璃纤维的总重量的1至12重量％的氧化镁。
3.根据权利要求1或2所述的垫，其中所述经热处理的玻璃纤维还包含选自氧化钠、氧化钾、氧化硼、氧化钙以及它们的组合的金属氧化物。
4.根据前述任一项权利要求所述的垫，其中所述经热处理的玻璃纤维是无定形的。
5.根据前述任一项权利要求所述的垫，其中所述玻璃纤维选自E-玻璃、S-玻璃、S2-玻璃、R-玻璃以及它们的组合。
6.根据前述任一项权利要求所述的垫，其中所述经热处理的玻璃纤维的直径大于4.0μm。
7.根据前述任一项权利要求所述的垫，其中所述经热处理的玻璃纤维的长度为约0.1至约15cm。
8.根据前述任一项权利要求所述的垫，其包括基于所述垫的总重量的至少5％，优选至少10％的所述经热处理的玻璃纤维。
9.根据前述任一项权利要求所述的垫，其中所述垫是膨胀型垫。
10.根据前述任一项权利要求所述的垫，其中所述垫是被浸渍的。
11.根据前述任一项权利要求所述的垫，其中所述垫在其主要面的一面上或两面上被涂覆。
12.根据前述任一项权利要求所述的垫，其中所述垫还包括稀松布或结网。
13.一种污染控制装置，其包括用于催化剂的支撑结构和用于容纳所述支撑结构的外壳，以及在所述支撑结构和所述外壳之间布置的根据权利要求1至7中的任一项所述的包括经热处理的玻璃纤维的垫，其中在将所述垫被布置在所述支撑结构和所述外壳间之前已经将所述纤维热处理。
14.根据权利要求13所述的污染控制装置，所述污染控制装置是汽油发动机的催化转化器。
15.一种制备在污染控制装置中使用的安装垫的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)穿过在成型丝网上方设置的具有开放底部的成型箱的入口供应根据权利要求1至7中的任一项所述的玻璃纤维，以在所述成型丝网上形成纤维垫，所述成型箱具有多个纤维分离辊和环形带筛机，所述多个纤维分离辊在所述入口和壳体底部之间的壳体中设置成至少一排，以用于打散纤维团；
(ii)在纤维分离辊下方和所述成型丝网上方的环形带筛机的下行带上捕获纤维团；
(iii)将捕获的纤维团在纤维分离辊上方的环形带上传送，以使捕获的纤维团能够从所述环形带释放，并接触所述纤维分离辊并被所述纤维分离辊打散；
(iv)通过所述成型丝网将所述纤维垫运出所述成型箱；以及
(v)压缩所述纤维垫并且将所述纤维垫限制在其压缩状态，从而获得具有所需厚度的安装垫，其适用于将污染控制元件安装在所述催化转化器的壳体中。
16.一种制备在污染控制装置中使用的安装垫的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)通过位于成型丝网上方的具有开放底部的成型箱的入口供应玻璃纤维，以在所述成型丝网上形成纤维垫，所述玻璃纤维含有基于所述玻璃纤维的总重量的10至30重量％的Al2O3和52至65重量％的SiO2，所述成型箱具有多个纤维分离辊和环形带筛机，所述多个纤维分离辊在所述入口和壳体底部之间的所述壳体中设置成至少一排，以用于打散纤维团；
(ii)在纤维分离辊下方和所述成型丝网上方的环形带筛机的下行带上捕获纤维团；
(iii)将捕获的纤维团在纤维分离辊上方的环形带上传送，以使捕获的纤维团能够从所述环形带释放，并接触所述纤维分离辊并被所述纤维分离辊打散；
(iv)通过所述成型丝网将所述纤维垫运出所述成型箱；以及
(v)压缩所述纤维垫并且将所述纤维垫限制在其压缩状态，从而获得具有所需厚度的安装垫，其适用于将污染控制元件安装在所述催化转化器的壳体中；
(vi)使所述纤维垫经受热处理。
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