CN106032556A - 一种发泡器及基于其的三元催化器载体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发泡器及基于其的三元催化器载体的制备方法，该发泡器包括：发泡器本体，位于发泡器本体内的腔体隔板，以及设置于发泡器本体上的高压空气入口管，其中，腔体隔板将发泡器本体分隔为熔体浇注模腔和高压稳压腔，且腔体隔板上开设有多个连通熔体浇注模腔和高压稳压腔的气体通道。本发明选取预定成分的铝合金，并对其进行熔炼制得铝合金熔体，并在熔体浇注模腔内使铝合金熔体与高压空气进行反应制泡沫铝合金，再对泡沫铝合金进行有氧气氛热处理，制得载体材料，上述制备方法工艺简单并易于控制，且有效地缩短了制备周期；此外通过制备泡沫型载体材料，可大大增加涂覆催化剂的面积，优化了三元催化器载体质量。

Description

一种发泡器及基于其的三元催化器载体的制备方法

技术领域

本发明涉及汽车及催化器制备工艺领域，尤其涉及一种发泡器及基于其的三元催化器载体的制备方法。

背景技术

随着乘用车环保法规越来越严苛，对汽车发动机尾气的处理成为降低污染物排放的重要环节，目前乘用车尾气处理多采用三元催化器进行。发动机排出的尾气中的污染物成分(如一氧化碳CO、碳氢化合物HC、一氧化氮NO)通过排气系统时，在催化剂(如金属铂、铑、钯等)的作用下，通过反应可转变为二氧化碳CO₂、水H₂O、氧气O₂、氮气N₂等无污染成分。催化器载体是催化剂的固定体，对催化剂催化效果的充分发挥起到重要作用。

现有技术中常采用陶瓷烧结的方式制备，生产周期长、制备工艺复杂，且成本过高，此外，基于陶瓷烧结制得催化器载体的比表面积局限于模具蜂窝的尺寸和数目，比表面积受到很大的限制。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种发泡器及基于其的三元催化器载体的制备方法，解决了上述所提及的制备工艺复杂、周期长和成本高，以及比表面积有限的问题。

依据本发明的一个方面，提供了一种发泡器，包括：

发泡器本体；

位于所述发泡器本体内的腔体隔板，所述腔体隔板将所述发泡器本体分隔为熔体浇注模腔和高压稳压腔；其中，所述腔体隔板上开设有多个连通所述熔体浇注模腔和所述高压稳压腔的气体通道；以及

高压空气入口管，设置于所述发泡器本体上，并与所述高压稳压腔相连通。

依据本发明的另一个方面，还提供了一种三元催化器载体的制备方法，基于如上所述的发泡器，包括：

选取满足预定成分要求的铝合金原料；

对所述铝合金原料进行熔炼，制得铝合金熔体；

将所述铝合金熔体置于所述发泡器的熔体浇注模腔内，使其与流经所述高压空气入口管、所述高压稳压腔和所述气体通道到达所述熔体浇注模腔内的高压空气反应，制得泡沫铝合金；

对所述泡沫铝合金进行有氧气氛热处理，制得载体材料。

可选地，在对所述泡沫铝合金进行有氧气氛热处理，制得载体材料的步骤之后，还包括：

在所述载体材料的外表面涂覆三元催化剂，制得所述三元催化器载体。

可选地，在选取满足预定成分要求的铝合金原料的步骤之前，还包括：

按照预定成分选取制备所述铝合金原料的材料，包括：石墨C、铜Cu、锰Mn、钛Ti、锌Zn、钒V和铝Al；

对所述材料进行熔炼，制得所述铝合金原料。

可选地，所述满足预定成分要求的铝合金原料包括：铝Al以外，还包括：质量含量为8％～10％的石墨C，质量含量为2.4％～3.0％的铜Cu，质量含量为0.3％～0.6％的锰Mn，质量含量为0.048％～0.05％的钛Ti，质量含量为0.02％～0.04％的锌Zn以及质量含量为0.04％～0.07％的钒V。

可选地，对所述铝合金原料进行熔炼，制得铝合金熔体的步骤包括：

将所述铝合金原料放置在预定的熔炼装置内熔炼，

将熔炼后的铝合金原料在温度为690℃～700℃的环境下进行保温稳定，制得所述铝合金熔体。

可选地，将所述铝合金熔体置于所述发泡器的熔体浇注模腔内，使其与流经所述高压空气入口管、所述高压稳压腔和所述气体通道到达所述熔体浇注模腔内的高压空气反应，制得泡沫铝合金的步骤包括：

将所述铝合金熔体浇注于所述熔体浇注模腔内；

向所述高压空气入口管注入高压空气，所述高压空气经所述高压稳压腔进行稳压形成高压稳压空气；

所述高压稳压空气经所述气体通道注入所述铝合金熔体内，在所述铝合金熔体内形成高压空气通道；

流经所述高压空气通道的高压稳压空气与所述高压空气通道四周的铝合金熔体反应，形成多个与所述高压空气通道贯通的孔隙，从而制得所述泡沫铝合金；

对所述泡沫铝合金进行冷却成型。

可选地，对所述泡沫铝合金进行有氧气氛热处理，制得载体材料的步骤包括：

将所述泡沫铝合金放置于有氧气氛的热处理炉内；

将所述热处理炉的温度设置为640℃～660℃，保持3h～5h，制得所述载体材料。

本发明的实施例的有益效果是：一种发泡器及基于其的三元催化器载体的制备方法，选取预定成分的铝合金，并对其进行熔炼制得铝合金熔体，并在熔体浇注模腔内使铝合金熔体与高压空气进行反应制泡沫铝合金，再对泡沫铝合金进行有氧气氛热处理，制得载体材料，上述制备方法工艺简单并易于控制，且有效地缩短了制备周期；此外通过制备泡沫型载体材料，可大大增加涂覆催化剂的面积，优化了三元催化器载体质量。

附图说明

图1表示本发明的发泡器的结构示意图；

图2表示本发明的发泡器的剖视图；

图3表示本发明的三元催化器载体的制备方法的流程示意图；

图4表示本发明的三元催化器载体的制备方法中发泡反应过程的示意图。

其中图中：1、发泡器本体，2、腔体隔板，3、高压空气入口管；

11、熔体浇注模腔，12、高压稳压腔；

21、气体通道。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例

如图1和图2所示，本发明的实施例提供了一种发泡器，包括：发泡器本体1，位于发泡器本体1内的腔体隔板2，以及设置于发泡器本体1上的高压空气入口管3。其中，腔体隔板2将发泡器本体1分隔为熔体浇注模腔11和高压稳压腔12，且开设有连通熔体浇注模腔11和高压稳压腔12的气体通道21。高压空气入口管3与高压稳压腔12相连通，高压空气从高压空气入口管3进入高压稳压腔12，并经由气体通道21进入熔体浇注模腔11内。

优选地，为了保证高压空气的顺畅流通，均衡高压空气的气压，腔体隔板上的气体通道由多个环形布置的通孔序列构成，其中，每一通孔序列由多个直径相同通孔构成，且外围通孔序列中的通孔直径大于内围通孔序列中的通孔直径，以达到均衡气压的作用。

依据本发明的另一个方面，还提供了一种三元催化器载体的制备方法，其中，该制备方法基于上述的发泡器实现，具体包括如图3所示的制备过程：

步骤10：选取满足预定成分要求的铝合金原料。

目前铝合金成分包括：硅Si、铁Fe、铜Cu、锰Mn、镁Mg、铬Cr、镍Ni、锌Zn、钛Ti、镓Ga或钒V中的几种，主要成分铝Al，以及其他特殊物质成分组成，本发明优选地可采用包括以下组分的铝合金原料：石墨C、铜Cu、锰Mn、钛Ti、锌Zn、钒V和铝Al。

优选地，满足预定成分要求的铝合金原料包括：铝Al以外，还包括：质量含量为8％～10％的石墨C，质量含量为2.4％～3.0％的铜Cu，质量含量为0.3％～0.6％的锰Mn，质量含量为0.048％～0.05％的钛Ti，质量含量为0.02％～0.04％的锌Zn以及质量含量为0.04％～0.07％的钒V。

进一步地，在选取满足预定成分要求的铝合金原料的步骤之前，还包括：按照预定成分选取制备所述铝合金原料的材料；以及对所述材料进行熔炼，制得所述铝合金原料的过程。其中，目前制取铝合金原料的制备工艺已相当成熟，具体工艺和过程不在此赘述。

步骤20：对铝合金原料进行熔炼，制得铝合金熔体。

由于铝合金原料的融化温度为700～800℃，这样就避免了传统的陶瓷烧结制备过程中的高温工艺过程，可实现节能减排。

优选地，对铝合金原料进行熔炼，制得铝合金熔体具体可参照以下步骤进行：将铝合金原料放置在预定的熔炼装置内熔炼，使铝合金原料变为液体状态，将熔炼后的铝合金原料在温度为690℃～700℃的环境下进行保温稳定，制得铝合金熔体，将铝合金熔体保持在690℃～700℃的温度下使下述的发泡反应过程进行的更加顺利彻底。

步骤30：将铝合金熔体置于发泡器的熔体浇注模腔内，使其与流经高压空气入口管、所述稳压腔和气体通道到达熔体浇注模腔内的高压空气反应，制得泡沫铝合金。

为了增大三元催化器载体的比表面积，需在三元催化器载体的质量和体积一定的情况下，尽可能增大三元催化器载体的表面积，本实施例采用发泡的形式实现，铝合金原料经过熔炼后，保温至690℃～700℃后浇注进发泡器中，高压空气经过高压空气入口管进入高压稳压腔进行稳压后，经过气体通道被喷射进入熔体浇注模腔，与浇注在发泡器中的铝合金熔体反应。

优选地，将铝合金熔体置于发泡器的熔体浇注模腔内，使其与流经高压空气入口管、所述稳压腔和气体通道到达熔体浇注模腔内的高压空气反应，制得泡沫铝合金具体可参照以下过程实现：

将铝合金熔体浇注于熔体浇注模腔内；

向高压空气入口管注入高压空气，高压空气经高压稳压腔进行稳压形成高压稳压空气；

高压稳压空气经气体通道流至熔体浇注模腔内，并注入铝合金熔体内，在铝合金熔体内形成高压空气通道；采用从铝合金熔体底部向上注入高压稳压空气的方法可以产生足够的气泡，并形成连续的高压空气通道，凝固后可形成贯通的孔隙。

流经高压空气通道的高压稳压空气与高压空气通道四周的铝合金熔体反应，形成多个与高压空气通道贯通的孔隙，从而制得泡沫铝合金；其中，上述提及在铝合金原料中增加了起发泡剂作用的石墨成分，高压稳压空气中的氧气与石墨反应生成以高压空气通道为主干的树枝状互通二氧化碳孔隙，起到增强发泡的作用。

对泡沫铝合金进行冷却成型。

具体发泡反应过程如图4所示，高压稳压空气中的氧气与熔体中的石墨反应，在高压稳压空气上升的过程中又产生大量反应生成的二氧化碳气体，使铝合金熔体在凝固点附近产生剧烈沸腾，同时高压稳压空气中的氧气与部分铝生成片状氧化铝，增加了熔体的粘稠度，进一步提高了凝固后材料的空隙率，泡沫铝合金发泡越彻底，制得的载体材料的表面积就越大。

步骤40：对泡沫铝合金进行有氧气氛热处理，制得载体材料。

获得泡沫铝合金后，需要对其进行有氧气氛热处理，使泡沫铝合金表面生成一层氧化铝膜，泡沫材料进行氧化的温度为600～700℃，进一步避免了高温工艺过程，实现节能减排。

进一步地，对泡沫铝合金进行有氧气氛热处理，制得载体材料具体可参照以下过程实现：

将泡沫铝合金放置于有氧气氛的热处理炉内；

将热处理炉的温度设置为640℃～660℃，优选地可设置为650℃，保持3h～5h，优选地可设置为3h，制得载体材料。

获得泡沫铝合金材料后，将其放入热处理炉中在有氧气氛下进行650℃保持3h，进行氧化处理，使泡沫铝合金表面生成一层氧化铝膜，并使氧化铝膜长大到稳定厚度，即可制得载体材料。氧化热处理后，泡沫铝合金材料实质上变成双层复合材料：表面层为耐高温的氧化铝陶瓷材料，芯部为铝合金材料；表面生成的氧化铝陶瓷材料可以承受高温的冲击，芯部的铝合金材料具有良好的塑性以及热传导能力，可以将过多的热量及时散发出去，防止催化器过热烧坏。此外，采用上述方式不仅避免了高温工艺，实现了节能减排，还大大缩短了制备周期。

进一步地，在对泡沫铝合金进行有氧气氛热处理，制得载体材料的步骤之后，还包括：

在载体材料的外表面涂覆三元催化剂，制得三元催化器载体。三元催化剂的涂覆工艺与传统三元催化剂的涂覆工艺相同，故不再此赘述。

以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种发泡器，其特征在于，包括：

发泡器本体；

位于所述发泡器本体内的腔体隔板，所述腔体隔板将所述发泡器本体分隔为熔体浇注模腔和高压稳压腔；其中，所述腔体隔板上开设有多个连通所述熔体浇注模腔和所述高压稳压腔的气体通道；以及

高压空气入口管，设置于所述发泡器本体上，并与所述高压稳压腔相连通。

2.一种三元催化器载体的制备方法，基于如权利要求1所述的发泡器，其特征在于，包括：

选取满足预定成分要求的铝合金原料；

对所述铝合金原料进行熔炼，制得铝合金熔体；

将所述铝合金熔体置于所述发泡器的熔体浇注模腔内，使其与流经所述高压空气入口管、所述高压稳压腔和所述气体通道到达所述熔体浇注模腔内的高压空气反应，制得泡沫铝合金；

对所述泡沫铝合金进行有氧气氛热处理，制得载体材料。

3.根据权利要求2所述的三元催化器载体的制备方法，其特征在于，在对所述泡沫铝合金进行有氧气氛热处理，制得载体材料的步骤之后，还包括：

在所述载体材料的外表面涂覆三元催化剂，制得所述三元催化器载体。

4.根据权利要求2或3所述的三元催化器载体的制备方法，其特征在于，在选取满足预定成分要求的铝合金原料的步骤之前，还包括：

按照预定成分选取制备所述铝合金原料的材料，包括：石墨C、铜Cu、锰Mn、钛Ti、锌Zn、钒V和铝Al；

对所述材料进行熔炼，制得所述铝合金原料。

5.根据权利要求4所述的三元催化器载体的制备方法，其特征在于，所述满足预定成分要求的铝合金原料包括：铝Al以外，还包括：质量含量为8％～10％的石墨C，质量含量为2.4％～3.0％的铜Cu，质量含量为0.3％～0.6％的锰Mn，质量含量为0.048％～0.05％的钛Ti，质量含量为0.02％～0.04％的锌Zn以及质量含量为0.04％～0.07％的钒V。

6.根据权利要求2所述的三元催化器载体的制备方法，其特征在于，对所述铝合金原料进行熔炼，制得铝合金熔体的步骤包括：

将所述铝合金原料放置在预定的熔炼装置内熔炼，

将熔炼后的铝合金原料在温度为690℃～700℃的环境下进行保温稳定，制得所述铝合金熔体。

7.根据权利要求2所述的三元催化器载体的制备方法，其特征在于，将所述铝合金熔体置于所述发泡器的熔体浇注模腔内，使其与流经所述高压空气入口管、所述高压稳压腔和所述气体通道到达所述熔体浇注模腔内的高压空气反应，制得泡沫铝合金的步骤包括：

将所述铝合金熔体浇注于所述熔体浇注模腔内；

向所述高压空气入口管注入高压空气，所述高压空气经所述高压稳压腔进行稳压形成高压稳压空气；

所述高压稳压空气经所述气体通道注入所述铝合金熔体内，在所述铝合金熔体内形成高压空气通道；

流经所述高压空气通道的高压稳压空气与所述高压空气通道四周的铝合金熔体反应，形成多个与所述高压空气通道贯通的孔隙，从而制得所述泡沫铝合金；

对所述泡沫铝合金进行冷却成型。

8.根据权利要求2所述的三元催化器载体的制备方法，其特征在于，对所述泡沫铝合金进行有氧气氛热处理，制得载体材料的步骤包括：

将所述泡沫铝合金放置于有氧气氛的热处理炉内；

将所述热处理炉的温度设置为640℃～660℃，保持3h～5h，制得所述载体材料。