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CN107667082A - 壁阻力下降的陶瓷批料混合物 - Google Patents

壁阻力下降的陶瓷批料混合物 Download PDF

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CN107667082A
CN107667082A CN201680031395.9A CN201680031395A CN107667082A CN 107667082 A CN107667082 A CN 107667082A CN 201680031395 A CN201680031395 A CN 201680031395A CN 107667082 A CN107667082 A CN 107667082A
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CN
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ceramics
concentration
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D·E·麦考雷
M·莫里诺
C·J·沃尔什
S·S·吴
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Original Assignee
Corning Inc
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Abstract

根据实施方式,批料混合物包括无机组分、非极性碳链润滑剂和具有极性头部的有机表面活性剂。非极性碳链润滑剂和有机表面活性剂以满足以下关系的浓度存在:B(C1(d+d0)+C2(f+f0))=SC,其中:d0+d为以无机组分的重量百分比计的通过追加的非极性碳链润滑剂的量;f0+f为以无机组分的重量百分比计的通过追加的有机表面活性剂的量;B为比例因数;C1为非极性碳链润滑剂的浓度的比例因数;以及C2为有机表面活性剂的浓度的比例因数。实施方式规定3.6≤SC≤14。

Description

壁阻力下降的陶瓷批料混合物
相关申请交叉参考
本申请依据35U.S.C.§120要求于2015年3月30日提交的系列号为14/673,240的美国申请的优先权的权益,本文以该申请的内容为基础并且其全文通过引用的方式纳入本文。
技术领域
本说明书一般涉及陶瓷批料混合物,更具体地,涉及壁阻力下降的陶瓷批料混合物,其包括非极性碳链润滑剂和具有极性头部的有机表面活性剂。
背景技术
挤出陶瓷蜂窝整体件的工艺稳定性取决于批料通过制造仪器和挤出模头的批料流动特性。批料流动特性可以至少部分地通过由陶瓷批料形成的陶瓷糊料的刚度和壁阻力特性决定。陶瓷糊料的刚度应使得挤出物在挤出后一直到被干燥均保持其形状,但是也应使得陶瓷糊料在合理的压力下通过挤出模头时可变形。陶瓷糊料的壁阻力应使得陶瓷糊料在合理的压力下移动通过制造仪器和挤出模头。然而,用于降低壁阻力的流体所加入的量不应该使形成的挤出物失去刚度或使拉伸强度减小。
因此,存在适于挤出成形工艺并具有低的壁阻力的替换性陶瓷批料混合物的需要。
发明内容
根据一个方面,用于挤出成为挤出坯体的批料混合物可以包括无机组分、非极性碳链润滑剂和具有极性头部的有机表面活性剂。无机组分选自陶瓷成分、形成陶瓷的无机成分及其组合。非极性碳链润滑剂和有机表面活性剂可以以满足以下关系的浓度存在:
B[C1(d+d0)+C2(f+f0)]=SC,
其中:d0为以无机组分的重量百分比计的通过追加的非极性碳链润滑剂的最小量;d为以无机组分的重量百分比计的通过追加的非极性碳链润滑剂的添加量;f0为以无机组分的重量百分比计的通过追加的有机表面活性剂的最小量;f为以无机组分的重量百分比计的通过追加的有机表面活性剂的添加量;C1为非极性碳链润滑剂的浓度的比例因数;C2为有机表面活性剂的浓度的比例因数;并且B为基于其他挤出因素的比例因数。在这一方面中,3≤(d+d0)≤10并且0.3≤(f+f0)≤10。另外,在这一方面中,0.5≤C1≤1.5并且0.5C1≤C2≤4C1。变量SC表示壁面滑移,并且3.6≤SC≤14。
根据另一个方面,陶瓷前体批料可以包括形成陶瓷的无机成分、至少一种聚α-烯烃和至少一种脂肪酸表面活性剂。聚α-烯烃和脂肪酸表面活性剂可以以满足以下关系的浓度存在:
B[C1(d+d0)+C2(f+f0)]=SC,
其中:d0为以无机组分的重量百分比计的通过追加的非极性碳链润滑剂的最小量;d为以无机组分的重量百分比计的通过追加的非极性碳链润滑剂的添加量;f0为以无机组分的重量百分比计的通过追加的有机表面活性剂的最小量;f为以无机组分的重量百分比计的通过追加的有机表面活性剂的添加量;C1为非极性碳链润滑剂的浓度的比例因数;C2为有机表面活性剂的浓度的比例因数;并且B为基于其他挤出因素的比例因数。在这一方面中,3.5≤(d+d0)≤10并且0.7≤(f+f0)≤5。另外,在这一方面中,0.5≤C1≤1.5并且0.5C1≤C2≤4C1。变量SC表示壁面滑移,并且3.6≤SC≤14。
根据另一个方面,提供了制造未烧制的挤出坯体的方法。所述方法可以包括:将至少一种聚α-烯烃和至少一种脂肪酸表面活性剂添加到一种或多种陶瓷成分或形成陶瓷的无机成分中;混合所述至少一种聚α-烯烃、所述至少一种脂肪酸表面活性剂和所述一种或多种陶瓷成分或形成陶瓷的无机成分以形成批料混合物;和使批料混合物经过成形模头挤出以形成生坯体。聚α-烯烃和脂肪酸表面活性剂可以以满足以下关系的浓度存在:
B[C1(d+d0)+C2(f+f0)]=SC,
其中:d0为以无机组分的重量百分比计的通过追加的非极性碳链润滑剂的最小量;d为以无机组分的重量百分比计的通过追加的非极性碳链润滑剂的添加量;f0为以无机组分的重量百分比计的通过追加的有机表面活性剂的最小量;f为以无机组分的重量百分比计的通过追加的有机表面活性剂的添加量;C1为非极性碳链润滑剂的浓度的比例因数;C2为有机表面活性剂的浓度的比例因数;并且B为基于其他挤出因素的比例因数。在这一方面中,3≤(d+d0)≤10并且0.3≤(f+f0)≤10。另外,在这一方面中,0.5≤C1≤1.5并且0.5C1≤C2≤4C1。变量SC表示壁面滑移,并且3.6≤SC≤14。
在以下的具体实施方式中给出了附加特征和优点,通过所作的描述,其中的部分特征和优点对于本领域的技术人员而言是显而易见的,或者通过实施包括以下具体实施方式、权利要求书以及附图在内的本文所描述的实施方式而被认识。
应理解,前述的一般性描述和下文的具体实施方式都描述了各个方面和实施方式且都旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各个实施方式的进一步理解,附图并入本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本文所描述的各个实施方式,且与说明书一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。
附图简要说明
图1用图表的方式描述了作为陶瓷糊料通过挤出模头的速度(x轴)的函数的示例性批料混合物的壁面剪切应力(y轴);
图2用图表的方式描述了作为陶瓷糊料通过挤出模头的速度(x轴)的函数的另一种示例性批料混合物的壁面剪切应力(y轴);
图3A用图表的方式描述了作为批料中聚α-烯烃的浓度(y轴)与妥尔油的浓度(x轴)的函数的批料特性;
图3B用图表的方式描述了不同数值的比例因数C2对非极性碳链润滑剂的浓度(y轴)与有机表面活性剂的浓度(x轴)的关系的影响;
图3C用图表的方式描述了不同数值的比例因数B对非极性碳链润滑剂的浓度(y轴)与有机表面活性剂的浓度(x轴)的关系的影响;
图4示意性地描述了各个实施方式降低壁阻力的相互作用的假设;
图5用图表的方式描述了作为陶瓷糊料通过挤出模头的速度(x轴)的函数的示例性批料混合物的壁面剪切应力(y轴),所述示例性批料混合物包括4%聚α-烯烃和1.5%硬脂酸;
图6用图表的方式描述了作为陶瓷糊料通过挤出模头的速度(x轴)的函数的示例性批料混合物的壁面剪切应力(y轴),所述示例性批料混合物包括5.5%聚α-烯烃和1.5%硬脂酸。
图7用图表的方式描述了作为陶瓷糊料通过挤出模头的速度(x轴)的函数的示例性批料混合物的壁面剪切应力(y轴),所述示例性批料混合物包括4%聚α-烯烃和2%硬脂酸;
图8用图表的方式描述了作为陶瓷糊料通过挤出模头的速度(x轴)的函数的示例性批料混合物的壁面剪切应力(y轴),所述示例性批料混合物包括4%聚α-烯烃和3%硬脂酸;
图9用图表的方式描述了作为陶瓷糊料通过挤出模头的速度(x轴)的函数的示例性批料混合物的壁面剪切应力(y轴),所述示例性批料混合物包括4.75%聚α-烯烃和2%硬脂酸;
图10用图表的方式描述了作为陶瓷糊料通过挤出模头的速度(x轴)的函数的示例性批料混合物的壁面剪切应力(y轴),所述示例性批料混合物包括5.5%聚α-烯烃和2%硬脂酸;
图11用图表的方式描述了作为陶瓷糊料通过挤出模头的速度(x轴)的函数的示例性批料混合物的壁面剪切应力(y轴),所述示例性批料混合物包括5.5%聚α-烯烃和3%硬脂酸;
图12用图表的方式描述了作为陶瓷糊料在10℃下通过挤出模头的速度(x轴)的函数的示例性批料混合物的壁面剪切应力(y轴),所述示例性批料混合物具有不同的非极性碳链润滑剂;
图13用图表的方式描述了作为陶瓷糊料在18℃下通过挤出模头的速度(x轴)的函数的示例性批料混合物的壁面剪切应力(y轴),所述示例性批料混合物具有不同的非极性碳链润滑剂;
图14用图表的方式描述了作为陶瓷糊料在26℃下通过挤出模头的速度(x轴)的函数的示例性批料混合物的壁面剪切应力(y轴),所述示例性批料混合物具有不同的非极性碳链润滑剂;
图15用图表的方式描述了作为陶瓷糊料在18℃下通过挤出模头的速度(x轴)的函数的示例性批料混合物的壁面剪切应力(y轴),所述示例性批料混合物具有不同的有机表面活性剂;
图16用图表的方式描述了作为陶瓷糊料在26℃下通过挤出模头的速度(x轴)的函数的示例性批料混合物的壁面剪切应力(y轴),所述示例性批料混合物具有不同的有机表面活性剂;
图17用图表的方式描述了作为陶瓷糊料在34℃下通过挤出模头的速度(x轴)的函数的示例性批料混合物的壁面剪切应力(y轴),所述示例性批料混合物具有不同的有机表面活性剂;
图18用图表的方式描述了作为陶瓷糊料在30℃下通过挤出模头的速度(x轴)的函数的示例性批料混合物的壁面剪切应力(y轴),所述示例性批料混合物具有不同的有机表面活性剂;以及
图19用图表的方式描述了作为陶瓷糊料在40℃下通过挤出模头的速度(x轴)的函数的示例性批料混合物的壁面剪切应力(y轴),所述示例性批料混合物具有不同的有机表面活性剂。
具体实施方式
现对陶瓷前体批料及使用所述陶瓷前体批料形成陶瓷生坯体的方法的各个实施方式进行详细说明。只要可能,在附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的部分。批料混合物的组分一般可以包括无机组分,例如陶瓷成分或形成陶瓷的无机成分;非极性碳链润滑剂和具有极性头部的有机表面活性剂。批料混合物依赖于协同量的非极性碳链润滑剂和有机表面活性剂的存在,以在不同的温度和挤出速度下提供下降的壁阻力。因此,当批料混合物通过挤出模头挤出时,其具有低的壁阻力,这进而提供了工艺稳定性。下面将具体参照附图对批料混合物及使用该批料混合物形成未烧制的挤出坯体的方法的各个实施方式进行描述。
如本文中所使用的,术语“未烧制的挤出坯体”、“生坯体”、“生陶瓷坯体”或“陶瓷生坯体”是指在烧制之前的未进行烧结的坯体、部件或器皿,另有明确说明的除外。术语“批料混合物”、“陶瓷前体批料”、“生组合物”和“生批料”是指用于通过挤出形成生坯体的材料混合物,另有明确说明的除外。未烧制的挤出坯体和坯料混合物含有赋形剂,例如水,并且通常包括无机组分,以及可包括其他材料,例如粘合剂、造孔剂、稳定剂、增塑剂等。如在本文中所使用的,“烧制”是指在高温下对生坯体进行热加工以形成陶瓷材料或陶瓷坯体。
如在本文中所使用的,除非有明确的相反表示,否则无机组分或有机组分的“重量%”或“重量百分比”基于包含该组分的总无机物的总重量计。本文中的有机组分具体是指基于100%的所使用的无机组分的追加物。
在组分、成分、添加剂、反应物、常数、比例因数和类似方面公开的具体和优选的数值及其范围仅用于说明。它们不排除其他限定数值或限定范围内的其他数值。本公开的组合物、设备和方法包括具有本文所述任何数值或任何数值的组合、具体数值、或其范围的组合物、设备和方法。
形成未烧制的挤出坯体的批料混合物包括至少一种无机组分。无机组分可以为一种或多种陶瓷成分、一种或多种形成陶瓷的无机成分和/或它们的组合。陶瓷成分可以为例如堇青石、钛酸铝、碳化硅、富铝红柱石、氧化铝等。形成陶瓷的无机成分可以为形成堇青石的原料、形成钛酸铝的原料、形成碳化硅的原料、形成氧化铝的原料、氧化铝、二氧化硅、氧化镁、二氧化钛、含铝成分、含硅成分、含钛成分等。
堇青石的化学式是2MgO·2Al2O3·5SiO2。形成堇青石的原料可以包括至少一种镁源、至少一种氧化铝源、至少一种二氧化硅源和至少一种水合粘土。在本文描述的实施方式中,镁源包括但不限于氧化镁或具有低水溶性的经烧制转化成MgO的其他其他材料,例如Mg(OH)2、MgCO3及其组合。例如,镁源可以为滑石(Mg3Si4O10(OH)2),包括煅烧和/或未煅烧的滑石以及粗滑石和/或细滑石。在各个实施方式中,所述至少一种镁源可以存在的量为总的形成堇青石原料的约5重量%至约25重量%,基于氧化物计。在其他实施方式中,所述至少一种镁源可以存在的量为总的形成堇青石原料的约10重量%至约20重量%,基于氧化物计。在另外的实施方式中,所述至少一种镁源可以存在的量为约11重量%至约17重量%。
氧化铝源包括但不限于在不存在其他原料的情况下加热至足够高的温度时可产生基本纯的氧化铝的粉末。合适的氧化铝源的实例可以包括:α-氧化铝、过渡氧化铝如γ-氧化铝或ρ-氧化铝、水合氧化铝或三水合铝、三水铝石、刚玉(Al2O3)、勃姆石[AlO(OH)]、假勃姆石、氢氧化铝[Al(OH)3]、铝羟基氧化物(aluminum oxyhydroxide),以及它们的混合物。在一个实施方式中,所述至少一种氧化铝源为高岭土,而在另一个实施方式中,所述至少一种氧化铝源不为高岭土。所述至少一种氧化铝源可以存在的量为例如总的形成堇青石原料的约25重量%至约45重量%,基于氧化物计。在另一个实施方式中,所述至少一种氧化铝源可以存在的量为形成堇青石原料的约30重量%至约40重量%,基于氧化物计。在另一个实施方式中,所述至少一种氧化铝源可以存在的量为形成堇青石原料的约32重量%至约38重量%,基于氧化物计。
二氧化硅可以以其纯的化学状态存在,例如α-石英或熔凝二氧化硅。二氧化硅源可包括但不限于非晶体二氧化硅,如熔凝二氧化硅或溶胶-凝胶二氧化硅;有机硅树脂;基本不含碱的低氧化铝沸石;硅藻土二氧化硅;高岭土和晶体二氧化硅如石英或方英石。此外,二氧化硅源还可以包括但不限于形成二氧化硅的源,所述形成二氧化硅的源包括在加热时形成游离二氧化硅的化合物。例如,硅酸或硅有机金属化合物在加热时可以形成游离二氧化硅。所述至少一种二氧化硅源可以存在的量为总的形成堇青石原料的约40重量%至约60重量%,基于氧化物计。在一些实施方式中,所述至少一种二氧化硅源可以存在的量为形成堇青石原料的约45重量%至约55重量%,基于氧化物计。在另外的实施方式中,所述至少一种二氧化硅源可以存在的量为约48重量%至约54重量%。
用于形成堇青石原料的水合粘土可包括,例如但不限于基于高岭石[Al2(Si2O5)(OH)4]、多水高岭石[Al2(Si2O5)(OH)4·H2O]、叶腊石[Al2(Si2O5)(OH)2]、它们的组合或混合物等。在一些实施方式中,所述至少一种氧化铝源和至少一种二氧化硅源不为高岭土。在其他实施方式中,高岭土——未经处理和经煅烧的——可以包括小于30重量%或小于20重量%的形成堇青石的原料。生坯体还可以包括杂质,例如,CaO、K2O、Na2O和Fe2O3
在一些实施方式中,形成堇青石的原料的总组成包括5-25重量%MgO、40-60重量%SiO2和25-45重量%Al2O3,基于氧化物的重量百分比计。在其他实施方式中,形成堇青石的原料的总组成包括11-17重量%MgO、48-54重量%SiO2和32-38重量%Al2O3,基于氧化物的重量百分比计。
在由形成陶瓷的无机成分形成钛酸铝陶瓷的实施方式中,形成陶瓷的无机成分可包括氧化铝源、二氧化硅源和二氧化钛源。在一个方面中,二氧化钛源可以为二氧化钛组合物,例如金红石型二氧化钛、锐钛型二氧化钛或其组合。氧化铝源和二氧化硅源可以选自上文描述的氧化铝和二氧化硅的源。形成陶瓷的无机成分的量适于提供烧结相钛酸铝陶瓷组合物,该组合物以氧化物重量百分比表征,包含约8重量%至约15重量%SiO2、约45重量%至约53重量%Al2O3和约27重量至约33重量%TiO2。例如,一种示例性无机钛酸铝前体粉末批料组合物可包含约10%石英;约47%氧化铝;约30%二氧化钛和约13%另外的无机添加剂。适合用于形成钛酸铝的另外的示例性非限制性无机批料组分混合物包括在第4,483,944号、第4,855,265号、第5,290,739号、第6,620,751号、第6,942,713号、第6,849,181号、第7,001,861号和第7,294,164号美国专利中公开的那些,所述美国专利中的每一项专利通过参引的方式纳入本文。
在无机组分形成碳化硅陶瓷的实施方式中,形成陶瓷的无机成分可包括约10-40重量%的最终批料——细粉末化硅金属,优选为约15-30%。硅粉末应当表现出小的平均粒度,例如约0.2微米至50微米,优选1-30微米。在一些情况中,硅粉末的表面积可以比粒度更具有描述性,并且该表面积应在约0.5m2/g至10m2/g的范围内,优选在约1.0-5.0m2/g之间。在各个实施方式中,硅粉末为晶体硅粉末。
形成陶瓷的碳化硅批料混合物还含有约10-40重量%的碳前体,所述碳前体例如为粘度小于约1000厘泊(cp)的水溶性交联热固性树脂。使用的热固性树脂可以为高产碳率树脂,其量为使得在批料混合物中生成的碳与硅之比以重量计为约12:28,这为形成碳化硅所需的Si—C的化学计量比。
粉末化的含硅填料的量为最高达60重量%,其也可以包含在形成陶瓷的碳化硅批料混合物中。这些填料的主要功能为防止生坯体在碳化和反应性固化/烧结步骤期间过分收缩。合适的含硅填料包括碳化硅、氮化硅、富铝红柱石或其他耐火材料。适合用于形成碳化硅的另外的示例性非限制性无机批料组分混合物包括在第6,555,031号和第6,699,429号美国专利中公开的那些,所述美国专利中的每一项专利通过参引的方式纳入本文。
在无机组分形成氧化铝陶瓷的实施方式中,无机组分可包括Al2O3和/或形成氧化铝的成分。
除了无机组分,每种批料组合物包括有机物质组合件(organics package),其包括至少一种非极性碳链润滑剂和具有极性头部的有机表面活性剂。在各个实施方式中,有机物质组合件还包括一种或多种粘合剂和/或一种或多种造孔材料。如在本文中所使用的术语“有机物质组合件”排除了各种批料组合物中包括的溶剂的量,例如水的量。有机物质组合件用于形成具有相对较高的陶瓷材料负载量的可流动的分散体。非极性碳链润滑剂和有机表面活性剂与无机组分在化学上兼容,并且提供了充分的强度和刚度以允许处理未烧制的挤出坯体。此外,在烧制期间可从未烧制的挤出坯体中去除有机物质组合件而不会使陶瓷坯体变形或破裂。在实施方式中,通过追加,批料混合物可以具有约1%至约25%或约2%至约20%的有机物质组合件,以无机组分的重量百分比计。在一些实施方式中,通过追加,批料混合物可以具有约5%至约15%、约7%至约12%或者甚至是约9至约10%的有机物质组合件,以无机组分的重量百分比计。在一些实施方式中,通过追加,批料混合物可以具有约5%至约11%或约7%的有机物质组合件,以无机组分的重量百分比计。
在一些实施方式中,有机物质组合件可以包括粘合剂和至少一种造孔材料。粘合剂可以包括但不限于含纤维素的组分,例如甲基纤维素、乙基羟基乙基纤维素、羟丁基甲基纤维素、羟甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基甲基纤维素、羟丁基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素钠和他们的混合物。甲基纤维素和/或甲基纤维素衍生物,例如羟丙基甲基纤维素,尤其适合用作有机粘合剂。
造孔材料可包括例如淀粉(如玉米、大麦、豆子、马铃薯、稻谷、木薯淀粉、豌豆、西谷椰子、小麦、美人蕉以及核桃壳粉);聚合物[例如聚丁烯、聚甲基戊烯、聚乙烯(优选珠粒)、聚丙烯(优选珠粒)、聚苯乙烯、聚酰胺(尼龙)、环氧树脂、ABS、丙烯酸类以及聚酯(PET)];过氧化氢和/或树脂,例如酚树脂。在一些实施方式中,有机材料可以包括至少一种造孔材料。在其他实施方式中,有机材料可以包括至少两种造孔材料。在另外的实施方式中,有机材料可以包括至少三种造孔材料。例如,在实施方式中,聚合物与淀粉的组合可以用作造孔剂。
非极性碳链润滑剂为陶瓷前体批料提供了流动性并且有助于使陶瓷前体批料成形,同时还允许批料在成形(即挤出)工艺期间保持足够的刚度。非极性碳链润滑剂可包括,例如,从石油中蒸馏出的矿物油;合成及半合成的基础油,包括II类和III类链烷基础油;聚α-烯烃;α-烯烃等。在各个实施方式中,非极性碳链润滑剂为聚α-烯烃。适于使用的示例性聚α-烯烃包括以商品名进行销售的那些,包括但不限于162和164;以及以商品名进行销售的那些,包括但不限于362,其可购自英力士集团(INEOS Group AG,瑞士)。适于使用的其他示例性润滑剂包括以商品名进行销售的那些,包括但不限于3020[芬兰耐思特(Neste Oil,Finland)];以及以商品名PARAFLEXTM进行销售的那些,包括但不限于PARAFLEXTM HT5[加拿大Petro-Canada(Petro-Canada,Canada)]。在各个实施方式中,通过追加,非极性碳链润滑剂存在的量为无机组分的至少3重量%。
具有极性头部的有机表面活性剂吸附到无机颗粒上,保持无机颗粒处于悬浮,从而防止结块,并且可以产生迁移路径,如在下文更加详述的。有机表面活性剂可包括,例如,C8-C22脂肪酸和/或它们的酯或醇衍生物,例如硬脂酸、月桂酸、亚油酸、油酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、棕榈油酸、大豆卵磷脂和它们的混合物。在各个实施方式中,通过追加,有机表面活性剂存在的量为无机组分的至少0.3重量%。
在各个实施方式中,可以向批料混合物中添加溶剂以形成陶瓷糊料(或以别的方式形成前体),由其形成未烧制的挤出坯体。在实施方式中,溶剂可以包括基于水性的溶剂,例如水或水混溶性溶剂。在一些实施方式中,溶剂是水。存在于陶瓷前体批料中的水性溶剂的量可以在约20重量%至约50重量%的范围内。
根据各个实施方式,制造陶瓷坯体的方法包括向至少一种无机组分中添加有机物质组合件(至少包括非极性碳链润滑剂和有机表面活性剂)。可以将无机组分和有机材料混合以形成批料混合物。可以用常规技术制备批料混合物。例如,可以将无机组分以粉末材料的形式合并,并充分混合,以形成基本均匀的批料。有机材料和/或溶剂可以与无机组分单独混合、以任意顺序与之混合或一起与之混合以形成基本均匀的批料。当然,可以使用其他合适的步骤和条件将无机组分和有机材料合并和/或混合在一起以产生基本均匀的批料。例如,可以通过捏合工艺混合无机组分和有机材料以形成基本均匀的批料混合物。
在各个实施方式中,使用常规成形方式,例如模塑、压制、浇铸、挤出等,将批料混合物成形为或形成一种结构。根据各个实施方式,将批料混合物挤出以形成生坯体。可使用液压油缸挤压机、两段排气单钻挤出机或在挤出机的出料端连接有模头组件的双螺杆混合机实现挤出。可以在预定的温度和速度下挤出批料混合物。根据各个实施方式,选择挤出的温度和速度以使得在挤出期间保持相对较低的壁阻力,如在本文中将更详细描述的。
在各个实施方式中,将批料混合物形成蜂窝结构。所述蜂窝结构可包括具有多个孔道的网状结构,所述多个孔道被孔道壁隔开。在一些实施方式中,每个孔道壁的厚度小于约0.005英寸。该薄壁蜂窝结构可能易于变形,该变形除了其他原因导致之外,还由通过挤出模头的批料混合物的剪切或流动差异,和/或挤出模头与批料材料之间的相互作用导致。
在成形之后,接着在选定的温度下在合适的气氛下对未烧制的挤出坯体进行一段时间的烧制以获得经烧制的多孔陶瓷坯体,烧制时间取决于生坯体的组成、尺寸和几何结构。烧制时间和温度取决于各种因素,例如生坯体中的材料组成及量,以及用于烧制生坯体的仪器类型。用于形成堇青石的烧制温度可以在约1300℃至最高1450℃的范围内,在峰值温度下的保持时间在约1小时至约8小时的范围内,并且总的烧制时间可以在约20小时至最高约85小时的范围内。合适的烧制工艺可以包括在第8,187,525号美国专利、第6,287,509号美国专利、第6,099,793号美国专利或第6,537,481号美国专利中描述的烧制工艺,所述各专利中的每件专利通过参引的方式全文纳入。当通过烧制形成陶瓷坯体时,蜂窝结构可用作例如内燃系统中的微粒过滤器。
批料流动特性可以至少部分地通过由批料形成的陶瓷糊料的刚度和壁阻力来确定。陶瓷糊料的壁阻力应足够低以使得陶瓷糊料移动通过制造仪器并在合理的压力下通过挤出模头,并且是以均匀的流通过模头。然而,用于降低壁阻力的流体所加入的量不应该使形成的挤出物失去刚度(例如塌落)或使拉伸强度减小。在本文描述的实施方式中,对批料混合物的有机物质组合件进行控制以使壁阻力最小,同时防止塌落、保留拉伸强度及降低用于挤出的压力。壁阻力降低可提供产品和质量益处、工艺益处并降低制造成本。例如,改变批料混合物的壁阻力的能力可以使弯曲最小并减少塌落,同时增加模头寿命并降低能源成本。因此,各个实施方式的批料混合物包括的非极性碳链润滑剂和有机表面活性剂的浓度,其足以降低壁阻力,同时保持良好的拉伸强度并保持良好的烧制特性。
批料混合物的组成也可影响批料通过挤出机的流动。例如,批料混合物的组成的流动可受到粘合剂的类型、粒度和取向或者包含在批料中的颗粒等的影响。此外,已经发现批料的流动受批料中非极性碳链润滑剂的量以及具有极性头部的有机表面活性剂的量的影响。
在各个实施方式中,通过修正Benbow-Bridgwater方程,可根据以下关系表示系统的总压:
其中,Ty为屈服应力;k为稠度指数;V为在壁处的挤出物速度;d为毛细管直径;L为毛细管长度;β为壁阻力或壁面滑移,其为系数;m为壁阻力幂律(power law)指数;并且f和g为几何项(geometry term)。在壁处的压力Pw可根据以下关系表示:
并且壁剪切应力Tw可根据以下关系表示:
τw=βVm
因此,壁阻力β可根据以下关系表示:
在各个实施方式中,对包含在批料中的非极性碳链润滑剂的量和具有极性头部的有机表面活性剂的量进行选择,以使得β值小于约8。
在本文描述的实施方式中,可以使用“速率扫描测试”测量壁阻力,在该测试中,使批料混合物通过毛细管流变仪中的两个模头被同时挤出。根据各个实施方式,两个模头均具有1mm圆形开口。但是,第一模头可以具有0.25mm的长度,并且第二模头可以具有16mm的长度,以使得两个模头之间的压力差可归因于壁阻力。
在速率扫描测试的各个实施方式中,在多种批料速度和温度下测定壁阻力或压力,并且将在0.25mm模头和16mm模头上的各压力间的差绘制成批料速度的函数,如图1和2所示。在各个实施方式中,将毛细管流变仪设定到所需的温度,并且以0.01英寸/秒至4英寸/秒的一系列速度挤出批料,所述速度对应在挤出工艺期间产生的批料速度。在约3分钟的时间段之后改变批料速度以使批料能够达到稳定状态。例如,可以使用编程单元来改变批料速度,所述编程单元控制挤出活塞被推动的速度。各速度变化之间的时间可以根据特定的实施方式而变化,但是应该足够长,以允许在速度变化之后使压力稳定。在每个所需批料速度下测量压力之后,改变温度并再次进行测试以确定批料的壁阻力对温度的响应。
图1为作为从毛细管模头中出来的挤出物的出口速度v的函数,批料混合物的壁剪切应力Tw的曲线图,所述毛细管模头的直径为1mm,所述批料混合物包括0.7%硬脂酸和6%聚α-烯烃。如图1所示,对于给定的批料混合物来说,壁剪切应力Tw相对于挤出速度而变化。特别地,图1例示的流变曲线对于小于约0.50英寸/秒的速度来说具有相对低的壁阻力,而对于大于约0.75英寸/秒的速度来说具有相对高的壁阻力。
在图1中,曲线100对应在约0.01英寸/秒至约2.5英寸/秒的速度内进行的速率扫描测试。如图1所示,可使曲线100符合低壁阻力(曲线102)和高壁阻力(曲线104)的幂律,如下文将说明的。曲线100在约0.5英寸/秒至约1.0英寸/秒之间的速度下表现出了“壁阻力陡壁”。如在本文中所使用的,壁阻力陡壁对应于曲线100从符合低β幂律转变到符合高β幂律。对于壁阻力陡壁左边的速度来说,可从低壁阻力幂律中导出壁剪切应力Tw,而对于壁阻力陡壁右边的速度来说,可从高壁阻力幂律中导出壁剪切应力Tw。通过使曲线100符合不同的幂律,可推导出β值,例如,使用上文提供的方程推导,以进一步确定在具体温度和速度下批料的壁阻力。
相反,图2包括曲线200和曲线202,所述曲线200对应于对本文描述的实施方式的批料混合物在约17℃下进行的速率扫描测试,所述曲线202对应于对本文描述的实施方式的批料混合物在约38℃下进行的速率扫描测试。如图2所示,曲线200和202对于高达2.5英寸/秒的速度来说不表现出壁阻力陡壁,并且测得的壁阻力保持在约8psi(磅/平方英寸)以下,β值在两个温度下示出的速度范围内小于约8,表明批料混合物在测试的速度范围内具有相对较低的壁阻力。因此,如本文所述,当用于形成挤出的生坯体时,与常规批料混合物相比,所述批料混合物可以形成变形更少的生坯体,可以需要更低的挤出压力,并且可以有节能效果。
已经发现,可对包含在批料混合物中的非极性碳链润滑剂和有机表面活性剂的量进行调整,以控制在所需的速度和温度范围内的壁阻力。例如,可以对批料混合物中的非极性碳链润滑剂和有机表面活性剂的量进行选择,以使得批料混合物在各速度和温度范围内具有制造具体的陶瓷坯体所需的低的壁阻力。
图3A为概括了非极性碳链润滑剂的浓度(用y轴表示)和有机表面活性剂的浓度(用x轴表示)对各个实施方式的批料混合物的流变学影响的图。非极性碳链润滑剂可为,例如,聚α-烯烃,并且有机表面活性剂可为,例如,妥尔油。如图3A所示,在区域300内,非极性碳链润滑剂与有机表面活性剂的结合导致了高的壁阻力,而在区域302内,非极性碳链润滑剂与有机表面活性剂的结合导致对批料具有不利的成形影响,例如刚度不足,从而使得批料不适于烧制。另外,在区域304中,润滑剂的浓度结合表面活性剂的浓度获得了拉伸强度较差的未烧制的挤出坯体。然而,如今已经发现,在区域306内的非极性碳链润滑剂与有机表面活性剂的结合获得了壁阻力适当较低的陶瓷批料,并且该陶瓷批料具有其他合适的成形特性,例如刚度、拉伸强度和烧制特性,且该陶瓷坯料可用于通过挤出有效地形成陶瓷生坯体。
在各个实施方式中,对于符合所对应的批料的压力曲线的幂律,“低的壁阻力”对应于小于约8的β值。在各个实施方式中,“低的壁阻力”为测得的小于约10psi的壁阻力。在一些实施方式中,壁阻力可以小于约8psi。在其他一些实施方式中,壁阻力可以小于约6psi,或者甚至是小于约4psi。根据一些实施方式,对批料混合物中的非极性碳链润滑剂的量和有机表面活性剂的量进行选择,以使得在约0.1英寸/秒至约2.5英寸/秒的速度范围内,在约10℃至约45℃的温度下,批料混合物的测得的壁剪切应力为小于约10psi。在一些实施方式中,对批料混合物中的非极性碳链润滑剂的量和有机表面活性剂的量进行选择,以使得在约0.1英寸/秒至约2.5英寸/秒的速度范围内,在约24℃至约45℃的温度下,批料混合物的测得的壁剪切应力为小于约8psi。在其他实施方式中,对批料混合物中的非极性碳链润滑剂的量和有机表面活性剂的量进行选择,以使得在约0.1英寸/秒至约2.5英寸/秒的速度范围内,在约31℃至约45℃的温度下,批料混合物的测得的壁剪切应力为小于约6psi。一些实施方式规定,对批料混合物中的非极性碳链润滑剂的量和有机表面活性剂的量进行选择,以使得在约0.1英寸/秒至约2.5英寸/秒的速度范围内,在约24℃至约45℃的温度下,批料混合物的测得的壁剪切应力为小于约6psi,或者,在约0.1英寸/秒至约2.5英寸/秒的速度范围内,在约24℃至约45℃的温度下,批料混合物的测得的壁剪切应力为小于约4psi。
根据各个实施方式,非极性碳链润滑剂和有机表面活性剂以满足以下关系的浓度存在于批料混合物中:
B[C1(d+d0)+C2(f+f0)]=SC,
其中:d0为以无机组分的重量百分比计的通过追加的非极性碳链润滑剂的最小量;d为以无机组分的重量百分比计的通过追加的非极性碳链润滑剂的添加量;f0为以无机组分的重量百分比计的通过追加的有机表面活性剂的最小量;f为以无机组分的重量百分比计的通过追加的有机表面活性剂的添加量;C1为非极性碳链润滑剂的浓度的比例因数;C2为有机表面活性剂的浓度的比例因数;并且B为基于其他挤出因素的比例因数。
在各个实施方式中,非极性碳链润滑剂以一定浓度存在以使得3≤(d+d0)≤10。然而,在一些实施方式中,3≤(d+d0)≤5.5。在一些实施方式中,3.5≤(d+d0)≤6。在其他实施方式中,4≤(d+d0)≤5.5。在其他实施方式中,4.75≤(d+d0)≤5.5。各个实施方式规定,d0等于约3。
在各个实施方式中,有机表面活性剂以一定浓度存在以使得0.3≤(f+f0)≤10。然而,在一些实施方式中,0.3≤(f+f0)≤3。在其他实施方式中,1≤(f+f0)≤2.5。在其他实施方式中,1≤(f+f0)≤3。在其他实施方式中,1.5≤(f+f0)≤3。根据其他实施方式,1.75≤(f+f0)≤2.5。在一些实施方式中,1.0≤(f+f0)≤2.0。在其他实施方式中,0.4≤(f+f0)≤0.7。各个实施方式规定,f0等于约0.3。
在本文描述的实施方式中,比例因数C1和C2为使得0.5≤C1≤1.5且0.5C1≤C2≤4C1。根据一些实施方式,C1等于约1并且C2等于约2。在其他实施方式中,C1可以等于约0.5、0.75、1.25或1.5。在其他实施方式中,C2可以等于约0.5、1、1.5、1.75、2、2.25、2.5、3、3.5或4。
变量B可根据具体的实施方式而变化,并且是导致在挤出工艺中可影响壁面滑移的其他因素的原因。例如,B可根据无机物性质、混合能、表面精整度等而变化。在各个实施方式中,0.4≤B≤2。在一些实施方式中,B等于约0.5、0.625、0.75、1或1.25。
变量SC表示壁面滑移,并且在各个实施方式中,3.6≤SC≤14。在一些实施方式中,5.5≤SC≤9.5。在一些实施方式中,6.5≤SC≤8.5。在一些实施方式中,7≤SC≤11.5。根据一些实施方式,SC等于约7。在其他实施方式中,SC可以等于约5、6、6.5、7.5、8、8.5、9、10、10.5、11、11.5或12。
虽然,在这些方程中的各变量值可以根据具体的实施方式而变化,但是,各个实施方式的批料混合物包括的非极性碳链润滑剂和有机表面活性剂的浓度,其足以降低壁阻力,同时在陶瓷批料中保持良好的拉伸强度并保持良好的烧制特性。
应理解,在给定的温度和速度下足以达到所需的壁阻力水平的非极性碳链润滑剂和有机表面活性剂的具体浓度,其在上述范围内可以根据其他因素而变化。这些因素包括粒度分布、水量、无机表面化学、存在于批料中的其他有机组分、赋予批料混合物的工作量(例如在混合期间)、原料级别等。例如,降低粒度分布可以使壁阻力陡壁向图表的右边移动,而增加混合能使壁阻力向图表的左边移动。在各个实施方式中,可调整非极性碳链润滑剂和/或有机表面活性剂的浓度以获得响应各个挤出模头、线和/或设施以及批料中形成陶瓷的无机成分的所需的壁阻力。举例来说,B的值可以更接近于上述范围的上限,其中赋予批料混合物大量的混合能或者其中在批料混合物中存在较大的颗粒,并且B的值可以更接近于上述范围的下限,其中去除了细氧化铝颗粒并且赋予批料混合物较小的混合能。
作为实例,图3B和3C为SC为7.5时,非极性碳链润滑剂的浓度(y轴)作为有机表面活性剂的浓度(x轴)的函数的曲线。图3B和3C证明了用C2和B表示的机表面活性剂的力量。如在本文中所使用的,表面活性剂的“力量”是指表面活性剂的离子强度。具有较大力量的表面活性剂为具有较强离子电荷的表面活性剂,这进而对应于在批料混合物中使颗粒分散并保持批料的分散性质的能力增强。在图3B中,比例因数B的值为0.5(对应于线A)、0.625(对应于线B)、0.75(对应于线C)、1(对应于线D)和1.25(对应于线E)。从上到下,比例因数C2的值为0.5、1、2、3和4。如图3B所示,随着比例因数C2的增加(即,使用了更强的脂肪酸),各条线更加靠近并且每条线的斜率有所增加(即,各条线变得更加垂直)。换言之,较强的有机表面活性剂使各条线挤在一起(需要更少的有机表面活性剂),而较弱的有机表面活性剂使各条线分隔开(为了达到相同的结果需要更多的有机表面活性剂)。在图3C中,比例因数C2的值为0.5(对应于线A)、1(对应于线B)、2(对应于线C)、3(对应于线D)和4(对应于线E)。从上到下,比例因数B的值为0.5、0.625、0.75、1和1.25。如图3C所示,随着比例因数B的增加(再次表示强有机表面活性剂),各条线更加靠近,但是每条线的斜率有所减小(即,各条线变得更加水平)。
现在参考图4,不囿于理论,认为通过选择适当量的表面活性剂和润滑剂,有机表面活性剂的极性头部400使批料与其自身以及批料行进其上的表面——例如金属表面402(如挤出模头的表面)保持分开,如图4所示。因此,有机表面活性剂400形成了“通道”404,非极性碳链润滑剂406和其他油通过该通道404从批料408的内部行进到金属表面402,在金属表面402处形成了润滑层410。从高壁阻力转变到低壁阻力为非极性碳链润滑剂406以一定速率容易地到达表面402的临界点,所述一定速率超过了非极性碳链润滑剂406通过挤出工艺被除去的速率。换言之,壁阻力陡壁表示阈值速度,在该阈值速度下稳定的润滑层(例如低壁阻力)转变成不稳定的润滑层(例如高壁阻力)。
根据各个实施方式,制作未烧制的挤出坯体的方法包括向无机组分(例如,一种或多种陶瓷成分和/或形成陶瓷的无机成分)中添加有机物组合件(包括至少一种非极性碳链润滑剂和有机表面活性剂),混合各成分以形成批料混合物,以及使批料混合物通过成形模头挤出以形成生坯体。
实施例
相信通过以下实施例将进一步阐述上文所述的各个实施方式。
实施例1
制备具有不同浓度的聚α-烯烃和硬脂酸的一系列七种批料混合物,并使用上文描述的扫描速率测试进行测试。每种批料混合物包括相同的无机组分以及不同的有机物组合件,所述无机组分为形成堇青石的原料的形式,其总组成包括5-25重量%MgO、40-60重量%SiO2和25-45重量%Al2O3,基于氧化物的重量百分比计。每种批料混合物的有机物组合件概括于表1。在0.01英寸/秒至2.5英寸/秒范围内的速度以及在10℃(用曲线A表示)、17℃(用曲线B表示)、24℃(用曲线C表示)、31℃(用曲线D表示)、38℃(用曲线E表示)和45℃(用曲线F表示)的温度下测量每种批料混合物的壁剪切应力。聚α-烯烃的浓度在4%至5.5%之间,并且硬脂酸的浓度在1.5%至3%之间。结果示于图5-11。
特别地,图5为作为从毛细管模头中出来的挤出物的出口速度v的函数,陶瓷前体批料的壁剪切应力Tw的曲线图,所述毛细管模头的直径为1mm,所述陶瓷前体批料具有浓度为4%的聚α-烯烃和浓度为1.5%的硬脂酸(样品1)。虽然批料混合物在45℃时具有低的壁阻力(曲线F),但是对于其他温度中的每个温度,在0.25英寸/秒至2英寸/秒间的速度下,批料均具有壁阻力陡壁。在这些温度下存在壁阻力表明批料混合物在至少一些挤出工艺期间将具有高的壁阻力,这可能要求更大的挤出压力,并且可能获得变形的未烧制的挤出坯体。因此,在各个实施方式中,可以根据具体的批料混合物对挤出工艺进行更改以在所需的范围内进行操作。
图6为作为从毛细管模头中出来的挤出物的出口速度v的函数,批料混合物的壁剪切应力Tw的曲线图,所述毛细管模头的直径为1mm,所述批料混合物具有浓度为5.5%的聚α-烯烃和浓度为1.5%的硬脂酸(样品2)。图6与图5的对比显示出,在不同的温度和速度下,非极性碳链润滑剂(例如聚α-烯烃)浓度的增加对壁阻力的影响。特别地,各个图示出了对于所有测试的温度,非极性碳链润滑剂的增加使壁阻力陡壁向右位移。
图7和8为作为从毛细管模头中出来的挤出物的出口速度v的函数,批料混合物的壁剪切应力Tw的曲线图,所述毛细管模头的直径为1mm,所述批料混合物具有浓度为4%的聚α-烯烃和浓度分别为2%和3%的硬脂酸(分别为样品3和4)。图5、7与8的对比显示出,在不同的温度和速度下,有机表面活性剂(例如硬脂酸)浓度的增加对壁阻力的影响。特别地,各个图示出了对于所有测试的温度,有机表面活性剂的增加使壁阻力陡壁向右位移,并且在包括3%硬脂酸的组合物中,在测试的速度范围内及在大多数温度下,导致了低的壁阻力。因此,在具有4%聚α-烯烃的各批料中,图8的批料混合物可能是用于挤出的具最合适的批料混合物,因为其在最宽的速度范围和最大数量的温度下具有低的壁阻力。
图9为作为从毛细管模头中出来的挤出物的出口速度v的函数,批料混合物的壁剪切应力Tw的曲线图,所述毛细管模头的直径为1mm,所述批料混合物具有浓度为4.75%的聚α-烯烃和浓度为2%的硬脂酸(样品5)。图9与图7的对比显示出,增加非极性碳链润滑剂和有机表面活性剂的浓度的结合影响使壁阻力陡壁比当仅增加有机表面活性剂浓度时的更加向右位移。然而,图9与图8的对比表明,含有较多硬脂酸和较少聚α-烯烃的批料混合物(例如图8的批料混合物)可能会是优选的,这是因为其在各个速度范围内及在最大数量的温度下具有低的壁阻力。
图10为作为从毛细管模头中出来的挤出物的出口速度v的函数,批料混合物的壁剪切应力Tw的曲线图,所述毛细管模头的直径为1mm,所述批料混合物具有浓度为5.5%的聚α-烯烃和浓度为2%的硬脂酸(样品6)。图10与图7和9的对比进一步例示了聚α-烯烃的浓度增加的影响。特别地,聚α-烯烃的浓度增加导致在测试的各速度范围内及在所有温度下,壁阻力下降。另外,图10与图6的对比证明了硬脂酸的量增加结合聚α-烯烃的量增加的影响。更具体而言,硬脂酸的量增加结合聚α-烯烃的量增加导致在测试的速度范围内及在大多数的温度下,壁阻力下降,并且速度陡壁向右位移。
图11为作为从毛细管模头中出来的挤出物的出口速度v的函数,批料混合物的壁剪切应力Tw的曲线图,所述毛细管模头的直径为1mm,所述批料混合物具有浓度为5.5%的聚α-烯烃和浓度为3%的硬脂酸(样品7)。如图11所示,硬脂酸和聚α-烯烃的浓度均增加使得在0.01英寸/秒至2.5英寸/秒之间的速度下及在10℃、17℃、24℃、31℃、38℃和45℃的温度下导致壁阻力在约6psi以下。因为在测试的全部速度范围和温度下,壁阻力均较低,因此,图11的批料混合物对于各个实施方式来说可以是最合适的。此外,图11与图5的对比证明了硬脂酸与聚α-烯烃的浓度均增加对获得具有低壁阻力的批料混合物的协同作用。
实施例2
制备包括作为有机表面活性剂的硬脂酸和包括不同的非极性碳链润滑剂的一系列三种批料,并使用上文描述的扫描速率测试进行测试。每种批料混合物包括相同的无机组分以及不同的有机物组合件,所述无机组分为形成堇青石的原料的形式,其总组成包括5-25重量%MgO、40-60重量%SiO2和25-45重量%Al2O3,基于氧化物的重量百分比计。每种批料混合物的有机物组合件概括于表2。在0.01英寸/秒至2.5英寸/秒范围内的速度以及在10℃(图12)、18℃(图13)、26℃(图14)的温度下测量每种批料混合物的壁剪切应力。图12-14以图表的形式描述了扫描速率测试的结果,图12-14为作为从直径为1mm的毛细管模头中出来的挤出物的出口速度v的函数,壁剪切应力Tw的曲线图。
图12为在10℃下作为从毛细管模头中出来的挤出物的出口速度v的函数,各批料混合物的壁剪切应力Tw的曲线图,所述毛细管模头的直径为1mm,所述各批料混合物具有浓度为0.7%的硬脂酸和6%的聚α-烯烃(用曲线A表示;样品8);6%的以商品名3020商购的基础油(用曲线B表示;样品9)和6%的以商品名PARAFLEXTM HT5商购的基础油(用曲线C表示;样品10)。图13为在18℃下作为从毛细管模头中出来的挤出物的出口速度v的函数,各批料混合物的壁剪切应力Tw的曲线图,所述毛细管模头的直径为1mm,所述各批料混合物具有浓度为0.7%的硬脂酸和6%的聚α-烯烃(用曲线A表示;样品8);6%的以商品名3020商购的基础油(用曲线B表示;样品9)和6%的以商品名PARAFLEXTM HT5商购的基础油(用曲线C表示;样品10)。图14为在26℃下作为从毛细管模头中出来的挤出物的出口速度v的函数,各批料混合物的壁剪切应力Tw的曲线图,所述毛细管模头的直径为1mm,所述各批料混合物具有浓度为0.7%的硬脂酸和6%的聚α-烯烃(用曲线A表示;样品8);6%的以商品名3020商购的基础油(用曲线B表示;样品9)和6%的以商品名PARAFLEXTM HT5商购的基础油(用曲线C表示;样品10)。
如图12-14的对比所示,每种非极性碳链润滑剂随着时间均使系统的压力下降,从而确定了除聚α-烯烃之外的非极性碳链润滑剂也适于本文描述的各个实施方式。
实施例3
制备具有6%非极性碳链润滑剂和不同的有机表面活性剂的一系列七种批料混合物,并使用上文描述的扫描速率测试进行测试。每种批料混合物包括相同的无机组分以及不同的有机物组合件,所述无机组分为形成堇青石的原料的形式,其总组成包括5-25重量%MgO、40-60重量%SiO2和25-45重量%Al2O3,基于氧化物的重量百分比计。每种批料混合物的有机物组合件概括于表3。在0.01英寸/秒至2.5英寸/秒之间的速度及在各个温度下测量每种批料混合物的压力。图15为在18℃下作为从毛细管模头中出来的挤出物的出口速度v的函数,壁剪切应力Tw的曲线图,所述毛细管模头的直径为1mm,其用于各批料混合物,所述各批料混合物具有浓度为0.4%的亚油酸和0.3%的硬脂酸(用曲线A表示;样品11);0.7%的大豆卵磷脂(用曲线B表示;样品12)和1.8%的大豆卵磷脂(用曲线C表示;样品13)。
图16为在26℃下作为从毛细管模头中出来的挤出物的出口速度v的函数,各批料混合物的壁剪切应力Tw的曲线图,所述毛细管模头的直径为1mm,所述各批料混合物具有浓度为0.4%的亚油酸和0.3%的硬脂酸(用曲线A表示;样品11);0.7%的大豆卵磷脂(用曲线B表示;样品12)和1.8%的大豆卵磷脂(用曲线C表示;样品13)。图17为在34℃下作为从毛细管模头中出来的挤出物的出口速度v的函数,各批料混合物的壁剪切应力Tw的曲线图,所述毛细管模头的直径为1mm,所述各批料混合物具有浓度为0.4%的亚油酸和0.3%的硬脂酸(用曲线A表示;样品11);0.7%的大豆卵磷脂(用曲线B表示;样品12)和1.8%的大豆卵磷脂(用曲线C表示;样品13)。图15、16和17的对比证实了如与在批料混合物中仅含有硬脂酸一样,每种批料混合物的温度升高使得壁阻力下降并使速度曲线向右位移。
图18为在30℃下作为从毛细管模头中出来的挤出物的出口速度v的函数,各批料混合物的壁剪切应力Tw的曲线图,所述毛细管模头的直径为1mm,所述各批料混合物具有浓度为0.7%的月桂酸(用曲线D表示;样品14);0.7%的肉豆蔻酸(用曲线E表示;样品15)、0.7%的棕榈酸(用曲线F表示;样品16)和0.7%的硬脂酸(用曲线G表示;样品17)。图19为在40℃下作为从毛细管模头中出来的挤出物的出口速度v的函数,各批料混合物的壁剪切应力Tw的曲线图,所述毛细管模头的直径为1mm,所述各批料混合物具有浓度为0.7%的月桂酸(用曲线D表示);0.7%的肉豆蔻酸(用曲线E表示)、0.7%的棕榈酸(用曲线F表示)和0.7%的硬脂酸(用曲线G表示)。图18和19表明在特定的速度和温度下,一些有机表面活性剂产生的壁阻力可以比硬脂酸产生的更小。图18和19例示的结果可以用于例如对具体的速度或温度选择批料混合物。
数据说明了根据本文描述的一个或多个实施方式使用的非极性碳链润滑剂和有机表面活性剂的各种组合的适用性。特别地,为了在特定的速度和温度下获得具有低壁阻力的陶瓷前体批料,可根据以下关系对非极性碳链润滑剂和有机表面活性剂的范围进行组合:
B[C1(d+d0)+C2(f+f0)]=SC,
其中:d0为以无机组分的重量百分比计的通过追加的非极性碳链润滑剂的最小量;d为以无机组分的重量百分比计的通过追加的非极性碳链润滑剂的添加量;f0为以无机组分的重量百分比计的通过追加的有机表面活性剂的最小量;f为以无机组分的重量百分比计的通过追加的有机表面活性剂的添加量;C1为非极性碳链润滑剂的浓度的比例因数;C2为有机表面活性剂的浓度的比例因数;并且B为基于其他挤出因素的比例因数。壁阻力降低可获得变形更少及网络更密的未烧制的挤出坯体,同时通过降低用于挤出的压力(并因此减少了投入到系统中的能量)而降低了成本及延长了模头寿命。
应理解的是,本公开的实施方式能够对用于陶瓷前体批料的有机物组合件进行具体选择以具备低的壁阻力。壁阻力降低可提供产品和质量益处、工艺益处并降低制造成本。例如,改变陶瓷批料混合物的壁阻力的能力可以使弯曲最小并减少塌落,同时增加模头寿命并降低能源成本。另外,各个实施方式能够对批料混合物进行改进以使得其不受工艺中使用的模头或其他机器束缚而具有相同的壁阻力。本领域技术人员将能理解其他优点。
对本领域的技术人员显而易见的是,可以对本文所述的实施方式进行各种修改和变动而不偏离要求保护的主题的精神和范围。因此,本说明书旨在涵盖本文所述的各种实施方式的修改和变化形式,条件是这些修改和变化形式落入所附权利要求及其等同内容的范围之内。

Claims (20)

1.一种用于挤出成挤出坯体的批料混合物,所述批料混合物包括:
无机组分,其选自陶瓷成分、形成陶瓷的无机成分及其组合;
非极性碳链润滑剂;和
具有极性头部的有机表面活性剂,其中,非极性碳链润滑剂和有机表面活性剂以满足以下关系的浓度存在:
B[C1(d+d0)+C2(f+f0)]=SC,
其中:
d0为以无机组分的重量百分比计的通过追加的非极性碳链润滑剂的最小量,并且d0为约3;
d为以无机组分的重量百分比计的通过追加的非极性碳链润滑剂的添加量,并且3≤(d+d0)≤10;
f0为以无机组分的重量百分比计的通过追加的有机表面活性剂的最小量,并且f0为约0.3;
f为以无机组分的重量百分比计的通过追加的有机表面活性剂的添加量,并且1≤(f+f0)≤10;
C1为非极性碳链润滑剂的浓度的比例因数,并且0.5≤C1≤1.5;
C2为有机表面活性剂的浓度的比例因数,并且0.5C1≤C2≤4C1
B为比例因数,并且0.4≤B≤2;并且
3.6≤SC≤14。
2.根据权利要求1所述的批料混合物,其中,非极性润滑剂包括矿物油、PAO、聚α-烯烃或它们的组合。
3.根据权利要求1所述的批料混合物,其中,有机表面活性剂包括脂肪酸。
4.根据权利要求3所述的批料混合物,其中,脂肪酸包括硬脂酸、油酸、妥尔油、亚油酸或它们的组合。
5.根据权利要求1所述的批料混合物,其中,5≤SC≤9.5。
6.根据权利要求1所述的批料混合物,其中,B为约1。
7.根据权利要求1所述的批料混合物,其中,C1为约1。
8.根据权利要求1所述的批料混合物,其中,C2为约2。
9.根据权利要求1所述的批料混合物,其中,4≤(d+d0)≤5.5且1.0≤f+f0≤3.0。
10.根据权利要求1所述的批料混合物,其中,非极性碳链润滑剂和有机表面活性剂以满足以下关系的浓度存在:
(d+d0)+2(f+f0)=SC,
其中,5.5≤SC≤9.5。
11.根据权利要求1所述的批料混合物,其中,无机组分包括选自以下的至少一种陶瓷成分:堇青石、钛酸铝、碳化硅、富铝红柱石、氧化铝和它们的组合。
12.根据权利要求1所述的批料混合物,其中,无机组分包括选自以下的至少一种形成陶瓷的成分:氧化铝、二氧化硅、氧化镁、二氧化钛、含铝成分、含硅成分、含钛成分和它们的组合。
13.一种陶瓷前体批料,其包括:
形成陶瓷的无机成分;
至少一种矿物油;和
至少一种脂肪酸表面活性剂,其中,矿物油和脂肪酸表面活性剂以满足以下关系的浓度存在:
B[C1(d+d0)+C2(f+f0)]=SC,
其中:
d0为以形成陶瓷的无机成分的重量百分比计的通过追加的矿物油的最小量,并且d0为约3;
d为以形成陶瓷的无机成分的重量百分比计的通过追加的矿物油的添加量,并且3≤(d+d0)≤10;
f0为以形成陶瓷的无机成分的重量百分比计的通过追加的脂肪酸表面活性剂的最小量,并且f0为约0.3;
f为以形成陶瓷的无机成分的重量百分比计的通过追加的脂肪酸表面活性剂的添加量,并且0.3≤(f+f0)≤1;
C1为矿物油的浓度的比例因数,并且0.5≤C1≤1.5;
C2为脂肪酸表面活性剂的浓度的比例因数,并且0.5C1≤C2≤4C1
B为比例因数,并且0.4≤B≤2;并且
3.6≤SC≤14。
14.根据权利要求13所述的陶瓷前体批料,其中,矿物油和脂肪酸表面活性剂以满足以下关系的浓度存在:
(d+d0)+2(f+f0)=SC,
其中,5.5≤SC≤9.5。
15.根据权利要求13所述的陶瓷前体批料,其中,脂肪酸包括硬脂酸、油酸、妥尔油、亚油酸或它们的组合。
16.一种制造未烧制的挤出坯体的方法,所述方法包括以下步骤:
向一种或多种陶瓷成分或形成陶瓷的无机成分中加入至少一种聚α-烯烃和至少一种脂肪酸表面活性剂;
将所述至少一种聚α-烯烃、所述至少一种脂肪酸表面活性剂和所述一种或多种陶瓷成分或形成陶瓷的无机成分混合以形成批料混合物;和
使批料混合物通过成形模头挤出以形成生坯体;
其中,聚α-烯烃和脂肪酸表面活性剂以满足以下关系的浓度存在:
B[C1(d+d0)+C2(f+f0)]=SC,
其中:
d0为以所述一种或多种陶瓷成分或形成陶瓷的无机成分的重量百分比计的通过追加的聚α-烯烃的最小量,并且d0为约3;
d为以所述一种或多种陶瓷成分或形成陶瓷的无机成分的重量百分比计的通过追加的聚α-烯烃的添加量,并且3≤(d+d0)≤10;
f0为以所述一种或多种陶瓷成分或形成陶瓷的无机成分的重量百分比计的通过追加的脂肪酸表面活性剂的最小量,并且f0为约0.3;
f为以所述一种或多种陶瓷成分或形成陶瓷的无机成分的重量百分比计的通过追加的脂肪酸表面活性剂的添加量,并且1≤(f+f0)≤10;
C1为聚α-烯烃的浓度的比例因数,并且0.5≤C1≤1.5;
C2为脂肪酸表面活性剂的浓度的比例因数,并且0.5C1≤C2≤4C1
B为比例因数,并且0.4≤B≤2;并且
5.5≤SC≤9.5。
17.根据权利要求16所述的方法,其中,脂肪酸表面活性剂包括硬脂酸、油酸、妥尔油、亚油酸或它们的组合。
18.如权利要求16所述的方法,其中,1.0≤f+f0≤3.0。
19.根据权利要求16所述的方法,其中,所述挤出包括以0.1英寸/秒至2.5英寸/秒的速度,在约24℃至约45℃的温度下使批料混合物通过成形模头挤出,并且批料混合物的壁阻力β小于8。
20.一种形成陶瓷坯体的方法,所述方法包括在足以形成多孔陶瓷坯体的温度下对权利要求16的生坯体进行烧制,并且烧制足以形成多孔陶瓷坯体的加工时间。
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