DE69320451T2

DE69320451T2 - Mit Kohlenstoff überzogene inorganische Substrate

Info

Publication number: DE69320451T2
Application number: DE69320451T
Authority: DE
Inventors: Evelyn Mcgee Corning Ny 14831 Deliso; Kishor Purushottam Corning Ny 14831 Gadkaree; Joseph Frank Corning Ny 14831 Mach; Kevin Paul Corning Ny 14831 Streicher
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1993-01-29
Filing date: 1993-12-14
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2013-12-15
Also published as: US5451444A; KR940018137A; ES2118879T3; EP0608539B1; KR100302472B1; DE69320451D1; US5597617A; EP0608539A1; JPH06315630A; JP3580373B2

Description

BESCHREIBUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft mit einem aktivierten Kohlenstoff beschichtete Substrate, die zum Filtrieren von Verunreinigungen aus Fluidströmen einsetzbar sind.

Hintergrund der Erfindung

Aktivierter Kohlenstoff ist eine nicht graphitförmige, mikrokristalline Form des Kohlenstoffs, die aufgearbeitet wurde, um einen Kohlenstoff mit hoher Porosität zu erhalten. Die im aktivierten Kohlenstoff ausgebildeten Poren können Makroporen sein (beispielsweise Poren mit einem Durchmesser von über etwa 500 Å), Mesoporen (beispielsweise Poren mit einem Durchmesser von etwa 20 bis 500 Å) oder Mikroporen (beispielsweise Poren mit einem Durchmesser von unter etwa 20 Å). Aktivierter Kohlenstoff ist durch eine hohe spezifische Oberfläche (beispielsweise 300 bis 2500 m²/g) gekennzeichnet, und er ist für sein hohes Adsorptionsvermögen bekannt. Aktivierter Kohlenstoff findet bei der Entfernung von Verunreinigungen aus Fluidströmen, d. h. flüssigen oder gasförmigen Strömen, Verwendung. Beispielsweise können Verunreinigungen in Nahrungsmitteln (beispielsweise Fruchtsäften, alkoholischen Getränken) oder Arzneimitteln (beispielsweise Insulin, Vitaminen) unter Anwendung von aktiviertem Kohlenstoff erfolgreich herausfiltriert werden. In ähnlicher Weise wird aktivierter Kohlenstoff beim Entfernen gasförmiger Spezies verwendet, die in niedrigen Konzentrationen in Luft- oder Gasströmen vorliegen (beispielsweise in Gastrennverfahren, Verfahren zur Entfernung organischer Dämpfe oder in Zigarettenfiltern). Aktivierter Kohlenstoff eignet sich insbesondere zum Adsorbieren und Reinigen fließfähiger Emissionen (Fluidemissionen) aus Verbrennungsmotoren.
Üblicherweise wird aktivierter Kohlenstoff in pulverförmiger oder granulärer Form verwendet. Pulverförmiger oder granulärer aktivierter Kohlenstoff ist bei Verfahren unvorteilhaft einsetzbar, bei denen kontinuierliche Fluidströme filtriert und/oder behandelt werden. Zur Lösung dieses Problems wurden Versuche vorgenomen, aktivierten Kohlenstoff in Form von oder in Verbindung mit einem festen Substrat zu verwenden.
Beispielsweise wurden Versuche durchgeführt, um Monolithsubstrate herzustellen, die im wesentlichen aus aktiviertem Kohlenstoff bestehen oder um kohlenstoffhaltiges Material als Substrat zu extrudieren und dann das gesamte Substrat in aktivierten Kohlenstoff umzuwandeln. Bei derartigen Verfahren wird typischer Weise ein Bindemittel zum aktivierten Kohlenstoffpulver zugegeben und die Mischung wird in Form eines Monolithsubstrates extrudiert. Vergleiche beispielsweise die US-Patentschriften 5,043,310 von Takeuchi et al., 4,999,330 von Bose et al., 4,399,310 von Sugino und 4,386,947 von Mizuno et al. Die durch diese Verfahren gebildeten Substrate weisen eine beschränkte Anwendbarkeit auf. Beispielsweise blockiert das zur Erleichterung zur Extrusion eingesetzte Bindemittel die Poren des aktivierten Kohlenstoffs und vermindert hierdurch die Adsorptionsfähigkeit des Substrats. Falls die Bindemittelmenge verringert wird, um diese Blockierungswirkungen zu verringern, wird die Festigkeit des Substrats in nicht annehmbarer Weise verringert. Weiterhin beginnen die meisten als Extrusionsbindemittel einsetzbaren Substanzen bei Temperaturen von über 150ºC sich in ihren Eigenschaften zu verschlechtern, was ihre Anwendbarkeit weiterhin verringert. Schließlich reagieren Bestandteile des zu filtrierenden Prozeßstroms häufig mit üblicherweise verwendeten Extrusionsbindemitteln, wodurch sich das Bindemittel während der Anwendung verschlechtert. Beispielsweise löst im Fluidstrom vorhandenes Wasser Methylcellulose, ein sehr häufig eingesetztes Extrusionsbindemittel.
Die US-Patentschrift Nr. 4,518,704 von Okabayashi et al. beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines aktivierten Kohlenstoffsubstrats unter Verwendung eines anorganischen Bindemittels (beispielsweise Ton, Talk, Aluminiumozid, Schmelzglaspulver). Der hohe Prozentsatz an Bindemittelteilchen, der erforderlich ist, um eine minimale Festigkeit im Wabenkörper zu erreichen, resultiert jedoch in einem niedrigen Adsorptionsvermögen. Weiterhin verbleibt die Festigkeit des gebildeten Substrats aufgrund der schlechten Bindung des Kohlenstoffs an die anorganischen Bindemittel gering.
Weitere, in ähnlicher Weise nicht zufriedenstellende Versuche zur Bildung aktivierter Kohlenstoffsubstrate betreffen die Beschichtung eines Substrats mit beispielsweise einer Aufschlämmung aus aktiviertem Kohlenstoff in einem Bindemittel. Vergleiche die US-Patentschriten Nr. 4,992,319 von Kurosawa et al. und 5,104,540 von Day et al. Das erforderliche Bindemittel in der Kohlenstoffbeschichtung ergibt Substrate mit einem geringen Adsorptionsvermögen, da die Bindemittelteilchen einen gewissen Teil der Porosität im aktivierten Kohlenstoff verschließen. Weiterhin neigt der aktivierte Kohlenstoff dazu, in Form von Flocken oder Teilchen vom Substrat abzufallen, da die Bindung zwischen dem Bindemittel, dem Kohlenstoff und dem Substrat schwach ist.
Die EP-A-0342598 beschreibt eine von einem aktivierten Kohlenstoff getragene Wabenkörperstruktur, die dadurch hergestellt wurde, daß ein anorganisches Papier mit einer Suspension aus aktiviertem Kohlenstoff und einem Bindemittel durchtränkt wurde, worauf sich eine Trocknung, Formgebung und Bindung des mit einem Kohlenstoff beschichteten Papiers in eine Wabenkörperstruktur der gewünschten Größe anschloß.
Es besteht weiterhin eine Notwendigkeit für Substrate, die aktivierten Kohlenstoff verwenden und die fest, temperaturresistent, resistent gegen Absplittern oder Abblättern und hochadsorptiv sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbundstruktur mit einer Beschichtung aus einem aktivierten Kohlenstoff auf der Oberfläche eines anorganischen Substrats, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein anorganisches Monolithsubstrat mit einer Außenfläche ist, von der die Poren in das Substrat reichen, und die Beschichtung über die Außenfläche des Substrats in Form einer im wesentlichen ununterbrochenen anhaftenden Schicht des aktivierten Kohlenstoff reicht, der in die Poren eindringt und im wesentlichen über die Poren verteilt vorliegt. Es wurde unerwarteterweise gefunden, daß die erfindungsgemäßen Verbundkörper sehr hohe adsorptive Eigenschaften aufweisen, obwohl sie relativ geringe Mengen an Kohlenstoff enthalten.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines anorganischen, aktivierten, mit Kohlenstoff beschichteten Substrats, wobei eine Beschichtung aus einem aktiviertem Kohlenstoff auf dem Substrat bereit gestellt wird, gekennzeichnet durch: Auswählen eines Substrats, das aus einem anorganischen Monolithsubstrat mit einer Außenoberfläche besteht, von der die Poren in das Substrat reichen; Beschichten des anorganischen Substrats mit einer Imprägnierflüssigkeit, bestehend im wesentlichen oder vollständig aus einer Kohlenstoffvorläuferflüssigkeit, die in die Poren eindringt und im wesentlichen über die Poren verteilt vorliegt; Behandeln des beschichteten anorganischen Substrats unter solchen Bedingungen, die eine wesentliche Härtung der Kohlenstoffvorläuferflüssigkeit bewirken; Behandeln des beschichteten anorganischen Substrat unter Bedingungen, die eine Umwandlung der gehärteten Kohlenstoffvorläuferflüssigkeit zu Kohlenstoff bewirken; und Behandeln des beschichteten anorganischen Substrats unter solchen Bedingungen, die eine Aktivierung des Kohlenstoffs bewirken.
Die erfindungsgemäßen Verbundkörper weisen Kohlenstoffbeschichtungen auf, die gegen Absplittern oder Abblättern hochresistent sind, die eine hohe Festigkeit aufweisen und die gegen hohe Temperaturen resistent sind. Weiterhin weisen die erfindungsgemäßen Verbundkörper Adsorptionseigenschaften auf, die unerwartet höher sind als die gemäß dem Stand der Technik in Form von eztrudierten Kohlenstoff oder von Substraten, die in eine Aufschlämmung aus aktiviertem Kohlenstoffenbindemittel getaucht wurden, hergestellt wurden.

Detaillierte Beschreibuna der Erfindung

Der erfindungsgemäße Verbundkörper umfaßt ein anorganisches Substrat mit einer Außenfläche, von der die Poren in das Substrat hineinreichen und eine Beschichtung, die sich über die Außenfläche des Substrats in Form einer im wesentlichen ununterbrochenen Kohlenstoffschicht erstreckt. Die Kohlenstoffbeschichtung dringt in die Poren des anorganischen Substrats ein und ist im wesentlichen über die Poren des anorganischen Substrats verteilt. Man nimt an, daß der Kohlenstoff in den Poren eine Beschichtung auf den Wandungen der Poren bildet. Der vorliegende Verbundkörper kann durch ein Verfahren hergestellt werden, das als Schritte das Bereitstellen eines anorganischen Substrats einschließt, das mit einer Beschichtungs- und Imprägniersubstanz in Kontakt gebracht wird, bestehend im wesentlichen oder vollständig aus einer Kohlenstoffvorläuferflüssigkeit. Das anorganische Substrat wird dann unter Bedingungen erhitzt, die im wesentlichen eine Aushärtung der Kohlenstoffvorläuferflüssigkeit bewirken. Das Substrat wird dann erhitzt, um die ausgehärtete Kohlenstoffvorläuferflüssigkeit umzuwandeln. Das Substrat wird dann unter solchen Bedingungen behandelt, die eine Aktivierung des Kohlenstoffs bewirken.
Das anorganische Substrat der vorliegenden Erfindung kann aus irgendeinem an sich bekannten Material und durch ein an sich bekanntes Verfahren hergestellt werden. Die einzige Voraussetzung ist, daß das Substrat Poren aufweist, die sich von seiner äußeren Oberfläche aus erstrecken und daß es befähigt ist, Temperaturen zu widerstehen, die erforderlich sind, um den Kohlenstoffvorläufer zu erhärten und umzuwandeln und den Kohlenstoff zu aktivieren. Die Gesamtporosität des Substrats sollte über 10% liegen. Die Gesamtporosität des Substrats liegt bevorzugt bei über 25, am bevorzugtesten bei über 40%. Für die meisten Zwecke liegt der wünschenswerte Porositätsbereich bei 45 bis 55%. Bevorzugterweise bilden die Poren des Substratmaterials eine Nuntereinander verbundene Porosität". Eine untereinander verbundene Porosität ist dadurch gekennzeichnet, daß Poren vorliegen, die sich in andere Poren erstrecken und/oder sich mit anderen Poren schneiden, um ein mehrfach gekrümtes bzw. gewundenes Porositätsnetzwerk im Substrat zu ergeben. Gemäß der vorliegenden Erfindung dringt die Kohlenstoffvorläuferflüssigkeit in diese untereinander verbundene Porosität ein und erzeugt beim Aushärten und Carbonisieren eine Beschichtung, die physikalisch in der untereinander verbundenen Porosität des Substrats eingeschlossen ist.
Geeignete poröse Substratmaterialien umfassen sowohl Metallalsauch Keramikmaterialien.
Beispielsweise sind Aluminium-Silikate (beispielsweise Porzellane), Silikat, Titanat, Zirkonat, Zirkondioxid, Zirkondioxid-Spinell und Magnesiumaluminosilikate, Aluminiumoxid, Spinell und Magnesiumaluminosilikate, Aluminiumozid, Spinell, Mullit und Cordierit alle geeignete Keramiksubstratmaterialien. Insbesondere einsetzbare anorganische Substrate sind starre feuerfeste Materialien, die eine untereinander verbundene Porosität aufweisen, beispielsweise Cordierit. Cordierit ist weiterhin deshalb bevorzugt, weil er einen zu Kohlenstoff vergleichbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wodurch die Stabilität des geformten Verbundkörpers erhöht wird.
Die zur Bildung des Substrats geeigneten Metallmaterialien sind im allgemeinen beliebige Metalle, Legierungen oder Intermatallverbindungen, die einen dauerhafen, strukturellen Betrieb ermöglichen und wünschenswerter Weise ein Material, das nicht unter etwa 600ºC erweicht. Insbesondere einsetzbar sind Legierungen, die vorherrschend aus der Eisenmetallgruppe stammen (d. h. Fe, Ni und Co), entweder mit Kohlenstoff (beispielsweise Stähle, insbesondere Edelstahl oder Hochtemperaturstähle) oder ohne Kohlenstoff. Am typischten für die zuletzt genannten Legierungen für einen Betrieb bei einer höheren Temperatur sind solche, die im wesentlichen aus einem Metall der Eisengruppe und Aluminium bestehen, wobei das bevorzugteste Metall der Eisengruppe Eisen ist. Insbesondere bevorzugt sind Fe, Al und cr. Beispielsweise sind insbesondere Fe5-20A15-4Cr- und Fe7-10A110-20Cr-Pulver mit anderen möglichen Zusätzen geeignet. Einige typische Zusammensetzungen der Metallpulver zur Ausbildung von Substraten sind in den US- Patentschriften Nr. 4,992,233 und 4,758,272 und in der europäischen Patentanmeldung Nr. 488176 Al offenbart, auf die hier voll inhaltlich verwiesen wird und die in die vorliegende Anmeldung mit aufgenomen werden. Die US-Patentschriften Nr. 4,992,233 und 4,758,272 beziehen sich auf Verfahren zur Herstellung poröser gesinteter Körper, die aus Metallpulverzusammensetzungen von Fe und Al mit wahlweisen Zugaben von Sn, Cu und Cr hergestellt wurden. Die europäische Patentanmeldung Nr. 488176 Al betrifft poröse gesinterte Körper in einer Zusammensetzung, bestehend im wesentlichen, ausgedrückt in Gew.%, aus etwa 5 bis etwa 40 Chrom, etwa 2 bis etwa 30 Aluminium, 0 bis etwa 5 eines speziellen Metalls, bis etwas 4 eines Seltenerdoxidadditivs und einem Metall der Eisengruppe als Rest und nicht vermeidbaren Verunreinigungen, beispielsweise Mn oder Mo, wobei das bevorzugte Metall der Eisengruppe Eisen ist. Wenn ein Seltenerdoxid vorliegt, ist das spezielle Metall zumindest eines von Y, den Lanthaniden, Zr, Hf, Ti, Si, Alkalierdmetall B, Cu und Sn. Wenn kein Seltenerdoxid vorliegt, ist das spezielle Metall zumindest eines aus Y, den Lanthaniden, Zr, Hf, Ti, Si und B, mit wahlweisen Zugaben von Erdalkalimetallen, Cu und Sn.
Das Substrat kann eine beliebige Form aufweisen, und kann beispielsweise in Form von Rohren, Schäumen, vielzelligen Körpern oder Wabenkörpern vorliegen. Der Verbundkörper ist bevorzugt ein Wabenkörper mit einer Matrix aus dünnen Wandungen, die eine Vielzahl offenendiger Zellen bilden, die sich zwischen den Enden des Wabenkörpers erstrecken. Ein Wabenkörpersubstrat kann eine Zelldichte von wenigstens etwa 7,75 Zellen/cm² aufweisen und eine Dichte von bis zu etwa 125 Zellen/cm² zeigen; wünschenswerterweise liegt die Dichte jedoch im Bereich von 15,5 bis 93 Zellen/cm² und zur Zeit bevorzugt bei 62 Zellen/cm².
Die Dicke der Wandungen in einem Wabenkörpersubstrat kann im Bereich von etwa 0,05 bis 1,27 mm liegen, wobei zumindest 0,076 mm praktischer ist, und die Dicke wünschenswerterweise bei etwa 0,15 bis 0,5 mm liegt.
Bevorzugte Substrate und ihre Herstellungsverfahren sind in den US-Patentschriften Nummern 3,790,645 von Bagley und 3,824,196 von Benbow et al. aufgeführt. Weitere beispielhafte Herstellungstechniken, die erfindungsgemäß einsetzbar sind, sind in den US-Patentschriften Nr. 3,112,184, 3,397,154 und
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das anorganische Substrat zunächst mit einer Beschichtung und einer Imprägnierungssubstanz in Kontakt gebracht, die im wesentlichen oder vollständig aus einer Kohlenstoffvorläuferflüssigkeit besteht. Für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung umfaßt eine Kohlenstoffvorläuferflüssigkeit Kohlenstoffvorläuferlösungen, Kohlenstoffvorläufer, die bei Umgebungstemperaturen flüssig sind oder Kohlenstoffvorläufer, die in anderer Weise durch Erhitzen oder andere Verfahren verflüssigbar sind. Das in Kontakt bringen kann durch beliebige geeignete Verfahren erfolgen, bei denen die Kohlenstoffvorläuferlösung in innigen Kontakt mit dem anorganischen Substrat gebracht wird. Beispielhafte Verfahren zum in Kontakt bringen umfassen das Eintauchen des Substrats in die Vorläuferlösung oder das Aufsprühen der Vorläuferlösung direkt auf das Substrat.
Die auf dem Verbundkörper gebildete mögliche Kohlenstoffmenge hängt von der Menge des vom anorganischen Substrat zurückgehaltenen Kohlenstoffvorläufers ab. Die Menge des durch das Substrat zurückgehaltenen Kohlenstoffvorläufers kann beispielsweise durch mehrmaliges in Kontakt bringen des Substrats mit der Vorläuferflüssigkeit und nachfolgender Trocknung des Substrats zwischen den Schritten, in denen der Kontakt stattfindet, erhöht werden. Weiterhin kann die Menge des vom Substrat zurückgehaltenen Vorläufers bei porösen Substraten dadurch reguliert werden, daß einfach die Gesamtporosität des Substrats verändert wird (beispielsweise wird durch eine erhöhte Porosität die Menge des durch das poröse Substrat zurückgehaltenen Vorläufers zunehmen und hierdurch die Menge des gebildeten Kohlenstoffs).
Erfindungsgemäß einsetzbare Kohlenstoffvorläufer umfassen eine beliebige flüssige oder verflüssigbare kohlenstoffhaltige Substanz. Beispiele für Kohlenstoffvorläufer umfassen Thermoplastharze (beispielsweise Polyvinylidenchlorid, Polyvinylchlorid, Polyvinylalkolhol und ähnliche Substanzen), wärmehärtbare Harze (beispielsweise Epoxide, Phenolharze, Polyester, Polyimide und ähnliche Substanzen), Zuckerlösungen, Furfurylalkohol und Kohlenteerpech.
Kohlenstoffvorläufer mit geringer Viskosität (beispielsweise wärmehärtbare Kohlenstoffe) werden bevorzugt, da ihre geringe Viskosität eine höhere Penetration des Kohlenstoffvorläufers in die porösen anorganischen Substrate gestattet. Phenolharze werden aufgrund ihrer geringen Viskosität, ihrer hohen Kohlenstoffausbeute, ihres hohen Vernetzungsgrades beim Härten im Vergleich zu anderen Vorläufern und aufgrund der geringen Kosten bevorzugt. Die im vorliegenden Verfahren verwendete Kohlenstoffvorläuferflüssigkeit kann ein einzelnes Vorläufermaterial oder ein Mischung aus zwei oder mehreren Vorläufermaterialien umfassen. Wahlweise kann aktivierter Kohlenstoff zur Kohlenstoffvorläuferflüssigkeit zugegeben werden, um die Adsorptionsfähigkeit des gebildeten Verbundkörpers zu erhöhen.
Nach dem in Kontakt bringen wird das anorganische Substrat unter Bedingungen behandelt, die ein Aushärten (d. h. Verfestigen) des Kohlenstoffvorläufers auf (und in) dem organischen Substrat bewirken. Das Aushärten wird in typischer Weise durch Erhitzen des beschichteten anorganischen Substrats auf Temperaturen im Bereich vom etwa 100 bis 200ºC für etwa 0,5 bis 5 Stunden erreicht. Das Aushärten erfolgt im allgemeinen in Luft bei Atmosphärendruck. Bei Verwendung bestimmter Vorläufer (beispielsweise Furfurylalkohol) kann das Aushärten durch Zugabe eines Säurekatalysators bei Raumtemperatur erreicht werden.
Das anorganische Substrat wird dann unter solchen Bedingungen erhitzt, die im wesentlichen die Umwandlung des gehärteten Kohlenstoffvorläufers zu Kohlenstoff bewirken. Im wesentlichen ist eine Karbonisierung der thermische Abbau des kohlenstoffhaltigen Materials, wodurch Spezies mit niedriger Temperatur eliminiert werden (beispielsweise Kohlendioxid, Wasser usw.) und wodurch eine festgelegte Kohlenstoffmasse und eine rudimentäre Porenstruktur entstehen.
Eine derartige Umwandlung oder Carbonisierung des gehärteten Kohlenstoffvorläufers wird typischerweise durch Erhitzen des Substrats auf eine Temperatur im Bereich von 600 bis 1000ºC bei etwa 1 bis 10 Stunden in einer reduzierenden oder inerten Atmosphäre (beispielsweise Stickstoff, Argon) erreicht.
Das Aushärten und Carbonisieren des Kohlenstoffvorläufers auf dem Substrat resultiert in einem Verbundkörper mit einer Beschichtung, die über die Außenfläche des Substrats in Form einer im wesenlichen ununterbrochenen Kohlenstoffschicht reicht. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird diese kontinuierliche Kohlenstoffbeschichtung in die Porosität des Substrats verankert, und hierdurch ergibt sich eine hohe Anhaftung. Die obere Fläche der Kohlenstoffbeschichtung liegt in Form einer ununterbrochenen Schicht von Kohlenstoff-zu- Kohlenstoff-Bindungen vor. Dies unterscheidet sie von einer "diskontinuierlichen" Kohlenstoffbeschichtung, die beispielsweise auf Strukturen erhalten wird, die mit einer Bindemittelaufschlämmung und aktiviertem Kohlenstoff beschichtet sind. In Strukturen, die mit einer Aufschlämmung beschichtet sind, wird aktivierter Kohlenstoff an das Bindemittel gebunden, das wiederum an das Substrat gebunden vorliegt. Als Ergebnis sind Bindemittelteilchen notwendigerweise über die Kohlenstoffbeschichtung eingestreut, wodurch die Beschichtung diskontinuierlich ist.
Falls eine untereinander verbundene Porosität im Substrat vorliegt, wird sich, wie oben diskutiert, ein untereinander verbundenes Kohlenstoffnetzwerk im Verbundkörper ausbilden, wodurch eine noch höher haftende Kohlenstoffbeschichtung erreicht wird. Die Beschichtung aus ununterbrochenem Kohlenstoff, die über die Außenfläche des Substrats reicht und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, schafft einen Verbundkörper mit unerwarteten Eigenschaften, d. h. einem hohen Adsorptionsvermögen trotz einem relativ geringen Kohlenstoffgehalt, einer hohen Festigkeit und hohen Anwendungstemperaturen. Erfindungsgemäß können Verbundkörper hergestellt werden, die Kohlenstoff in einer Menge von weniger als und bis zu etwa 50 % enthalten, oft von weniger als und bis zu etwa 30 % des Gesamtgewichts des Verbundkörpers.
Das überraschend hohe Adsorptionsvermögen dieser Substrate im Vergleich mit beispielsweise durch das Extrudieren von Mischungen aus aktiviertem Kohlenstoff und Bindemittel hergestellten Substraten ist in den unten angegehenen Beispielen 13, 14 und 15 beschrieben, bei denen das Adsorptionsvermögen pro Gramm Kohlenstoff 2- bis 3mal so hoch liegt als die an Wabenkörpern mit der gleichen Geometrie, die "ausschließlich aus Kohlenstoff" bestehen. Bevorzugt wird der Kohlenstoff auf dem gehärteten und carbonisierten Verbundkörper aktiviert. Die Aufgabe des Aktivierungsverfahrens liegt in der Erhöhung des Volumens und der Vergrößerung des Durchmessers der Poren, die während des Carbonisierungsverfahrens ausgebildet werden alsauch in der Bildung einer neuen Porosität. Die Aktivierung des Kohlenstoffs schafft eine hohe Oberfläche und verleiht hierdurch dem Verbundkörper der vorliegenden Erfindung ein hohes Adsorptionsvermögen. Jedes beliebige bekannte Verfahren zur Aktivierung von Kohlenstoff ist verwendbar. Gut einsetzbare Aktivierungsverfahren sind im allgemeinen so ausgestaltet, daß der Verbundkörper einem Oxidationsmittel, beispielsweise Dampf, Kohlendioxid, Metallchlorid (z. B. Zinkchlorid), Phosphorsäure oder Kaliumsulfid, bei hohen Temperaturen (z. B. etwa 600 bis 1000ºC) ausgesetzt wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen weiter beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.

BEISPIELE

Beispiel 1

Aus einem Cordieritwabenkörper mit etwa 16 Zellen/cm² ("Zellen/cm³"), einer Wanddicke von etwa 150 um, einer Gesamtporosität von 30 %, der nach den in den US- Patentschriften Nr. 3, 885,977 und 4,001,028 beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, wurde ein Kern herausgebohrt. Die herausgebohrte Kernprobe wies eine Länge und einen Durchmesser von 2,54 Centimeter (cm) auf. Die Probe wurde 10 Minuten lang in Plyophen 43-290, einer Phenolharzlösung, die von Occidental Chemical Co., Niagara Falls, N.Y., beziehbar ist, eingetaucht. Die Probe wurde aus der Resollösung entfernt und auf einem absorbierenden Papiertuch ruhengelassen, um überschüssiges Harz von den Zellen abtropfen zu lassen. Die Probe wurde dann 60ºC 30 Minuten lang in Luft getrocknet ünd anschließend bei 150ºC 30 Minuten lang gehärtet. Das Harz bildete eine starke, hoch vernetzte Beschichtung auf der Oberfläche des Substrats beim Aushärten. Der beschichtete Wabenkörper wurde anschließend in der Stickstoffatmosphäre mit einer Geschwindigkeit von 100ºC/Stunde auf 900ºC erhitzt und bei dieser Temperatur 1 Stunde lang gehalten, um das gehärtete Harz zu Kohlenstoff umzuwandeln, d. h. das Harz zu carbonisieren. Anschließend wurde die Probe auf Raumtemperatur in Stickstoffatmosphäre abgekühlt. Die Probe wurde dann mit einer Geschwindigkeit von 200ºC/Stunde auf 800ºC erhitzt, und der Kohlenstoff wurde dadurch aktiviert, daß das Substrat einem 23 Mol % Dampf-in-Stickstoff-Strom eine Stunde lang ausgesetzt wurde. Am Ende der Stunde wurde der Dampfstrom gestoppt, und die Probe wurde dann in einer Stickstoffatmosphäre auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die Probe wurde einer Adsorptionsmessung auf einem System im Labormaßstab unterzogen. Die Probe wurd in einem Fließstrom von 1500 Teilen/Million (ppm) n-Butan in Stickstoff mit einer Geschwindigkeit von 400 Milliliter ("ml") pro Minute gehalten. Ein Kohlenwasserstoffanalysegerät unter Verwendung eines Flammionisierungsnachweisverfahrens (erhältlich von Rosemount Analytical, Modell 400 A) bestimmte den Prozentsatz an Kohlenwasserstoff, der durch das System tritt. Die Ablesungen wurden alle 30 Sekunden durchgeführt. Die Gesamtmasse an adsorbiertem Kohlenwasserstoff wurde dadurch erhalten, daß die Fläche einer Meßkurve des Prozentsatzes von Kohlenwasserstoff gegen die Zeit, basierend auf der Geschwindigkeit und der Konzentration des verwendeten Kohlenwasserstoffs, integriert wurde
Die 2 Minuten-Adsorptionseffizienz wurde ebenfalls aus dieser Kurve bestimmt. Verwendbare Verbundkörper zur Adsorption von Automobilkraftstoffemissionen sollten eine 2 Minuten-Adsorptionseffizienz von über 90 Gew.% aufweisen. Die 2 Minuten-Adsorptionseffizienz für die Probe betrug 99,68 Gew.%, und insgesamt wurden 55 mg an Kohlenwasserstoff adsorbiert, was zeigt, daß der erfindungsgemäße Verbundkörper ein ausgezeichnetes Adsorptionsvermögen aufweist

Beisoiel 2

Eine Probe wurde entsprechend dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Harzmenge auf dem Wabenkörper dadurch erhöht wurde, daß der Wabenkörper in das Harz getaucht wurde, überschüssiges Harz dadurch entfernt wurde, daß man den Körper auf einem adsorbierenden Papier stehen ließ, der Wabenkörper bei 60ºC 30 Minuten lang getrocknet wurde und dann der Vorgang wiederholt wurde. Dieses Verfahren ergab eine Probe mit 10,2 Gew.% an aktiviertem Kohlenstoff im Vergleich zu 6,6 Gew.% an aktiviertem Kohlenstoff auf der Probe des Beispiels 1. Die 2 Minuten- Adsorptionseffizienz betrug 99,94 Gew.%, und das Gesamtgewicht an adsorbiertem Kohlenwasserstoff betrug 82,67 mg, was zeigt, daß der erhöhte Kohlenstoffgehalt eine signifikant höhere Gesamtadsorptions fähigkeit ergab.

Beispiel 3

Es wurde eine Probe gemäß dem im Beispiel 2 beschriebenen Verfahren hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Probe einen Kern darstellte, der aus einem Wabenkörper mit 15 Zellen/cm² mit einer inneren Wanddicke von etwa 430 um gebohrt wurde. Die Probe wies eine 2 Minuten-Adsorptionseffizienz von 91,68 Gew.% und eine Gesamtadsorption von 153 mg auf. Ein Vergleich mit den Proben der Beispiele 1 und 2 zeigt, daß die 2 Minuten- Adsorptionseffizienz demnach für die Probe mit 15 Zellen/cm² niedriger ausfiel. Dieses Ergebnis ist aufgrund der geringeren geometrischen Oberfläche, die für das fließende Gas zur Verfügung steht, zu erwarten. Das Gesamtadsorptionsvermögen ist aufgrund der höheren Mengen an aktiviertem Kohlenstoff in den dicken, porösen Wandungen der Probe mit 15 Zellen/cm³&sub1; die eine große Menge der Vorläuferflüssigkeit zurückhält, größer.

Beispiel 4

Eine Probe wurde gemäß dem im Beispiel 3 beschriebenen Verfahren hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Carbonisierungsatmosphäre eine Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff (94 : 6) ("Formungsgas") war. Die Probe wies ein 2 Minuten-Adsorptionsvermögen von 90,77 Gew.% und eine Gesamtadsorption von 145,2 mg auf. Obwohl die Ergebnisse etwas geringer sind als im Fall des Beispiels 3, in dem ausschließlich Stickstoff als Carbonisierungsatmosphäre verwendet wurde, sind sie vergleichbar.

Beispiel 5

Eine Probe wurde gemäß dem im Beispiel 2 beschriebenen Verfahren hergestellt, mit der Ausnahme, daß die carbonisierungserhitzungsgeschwindigkeit 300 ºC/Stunde anstelle von 100ºC/Stunde betrug und die Dampfaktivierung mit 25 Mol% Dampf in Stickstoff durchgeführt wurde. Das 2 Minuten- Adsorptionsvermögen der Probe betrug 99,98 Gew.%, und die Gesamtadsorption betrug 84 mg, was zeigt, daß die Erhitzungsgeschwindigkeit während der Carbonisierung die Gesamtadsorption oder die 2 Minuten-Adsorptionseffizienz nicht signifikant beeinfluBt.

Beispiel 6

Es wurde eine Probe gemäß dem im Beispiel 5 beschriebenen Verfahren hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Aktivierung mit 88 Mol% Dampf in Stickstoff durchgeführt wurde. Der erhaltene Wabenkörper wies ein 2 Minuten-Adsorptionsvermögen von 98,11 Gew.% und eine Gesamtadsorption von 43 mg auf. Dies zeigt, daß eine Erhöhung des Dampfverhältnisses von 25 auf 88 Mol% im Aktivierungsschritt eine Abnahme der Adsorptionsfähigkeit des Verbundkörpers um etwa 50 % bewirkt.

Beispiel 7

Die Kohlenstoffvorläuferflüssigkeiten wurden unter Verwendung von Thermoplastpolymeren hergestellt. Zu Wasser wurde Polyvinylalkohol in einer Konzentration von 1 Gew.% zugegeben. Getrennte Lösungen an Polyvinylidenchlorid und bzw. Polyvinylchlorid wurden zu Tetrahydrofuran in einer Konzentration von 1 Gew.% zugegeben. Proben wurden dann entsprechend dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellt, wobei das jeweilige Thermoplastharz als Kohlenstoffvorläufer verwendet wurde. Die Analyse des Kohlenstoffgehalts der resultierenden Proben zeigte, daß die Proben nur 1 bis 2 Gew.% Kohlenstoff, bezogen auf das Gewicht des unbeschichteten Cordieritsubstrats, enthielten. Proben, die unter Verwendung eines wärmehärtbaren Harzes als einem Kohlenstoffvorläufer (d. h. die Probe des Beispiels 1) hergestellt wurden, enthalten 30 bis 40 Gew.% Kohlenstoff. Diese Ergebnisse zeigen, daß hitzehärtbare Harze gegenüber Thermoplastharzen als Kohlenstoffvorläufer bevorzugt werden, da hierdurch eine erhöhte Kohlenstoffausbeute erhalten wird, wenn das wärmehärtbare Harz als Kohlenstoffvorläufer verwendet wird.

Beispiel 8

20 Gew.% an aktiviertem Kohlenstoffpulver (BPLF3, bezogen von Calgon Carbon, Pittsburgh, Pennsylvania) wurde in Plyophen 43- 290-Phenolharz und destilliertem Wasser in einem Gewichtsmischungsverhältnis von 50 : 50 dispergiert. Ein Wabenkörper mit einem Durchmesser von 2,54 cm und einer Höhe von 2,54 cm mit etwa 60 Zellen/cm² und einer Wanddicke von etwa 150 um wurde in die erhaltene Mischung 10 Minuten lang eingetaucht. Die beschichtete Probe wurde bei 150ºC 30 Minuten lang erhitzt, um das Phenolharz auszuhärten. Die Adsorptionsanalyse der Probe zeigte eine 2 Minuten- Adsorptionseffizienz von weniger als 10 Gew.% und eine Gesamt- Kohlenstoffadsorption von 2,13 mg. Diese Ergebnisse zeigen, daß die direkte Beschichtung eines Substrate mit aktiviertem Kohlenstoff in einer härtbaren Flüssigkeit keinen Verbundkörper liefert, der eine einsetzbare adsorptive Fähigkeit aufweist. Dies liegt wahrscheinlich daran, daß das gehärtete Vorläufermaterial die Poren im aktivierten Kohlenstoff verstopft.

Beispiel 9

Die Probe des Beispiels 8 wurde in Formungegas bei 900ºC carbonisiert, und ihre Adsorptionseffizienz wurde bestimmt. Die Probe wies ein 2 Minuten-Adsorptionsvermögen von 91,3 Gew.% und eine Gesamtadsorption von 71,9 mg auf. Diese Ergebnisse zeigen, daß die Carbonisierung die Verstopfung der Poren des aktivierten Kohlenstoffs beseitigt und ein Verbundkörper mit nützlichen Adsorptionseigenschaften erhalten wird.

Beispiel 10

Die Probe des Beispiels 9 wurde bei nur 800ºC erhitzt und einer Mischung aus 34 Mol% Dampf in Stickstoff eine Stunde lang ausgesetzt, um den geformten Kohlenstoff aus dem gehärteten Phenolharz zu aktivieren. Die Probe wies eine 2 Minuten-Adsorptionseffizienz von 95 Gew.% und eine Gesamtadsorption von 79,4 mg auf. Die Aktivierung ergibt somit eine Verbesserung der Gesamtadsorption alsauch eine Verbesserung der 2 Minuten-Adsorptionseffizienz.

Beispiel 11

Sechs Proben eines Kerns, der aus einem Cordierit-Wabenkörper (60 Zellen/cm², 150um Wanddicke) gebohrt worden, wurden mit aktiviertem Kohlenstoff gemäß den im Beispiel 2 beschriebenen Verfahren beschichtet. Die Proben wurden dann einer Hitzbehandlung bei 250ºC für 4 Stunden in Luft unterzogen. Die Bruchfestigkeiten dieser Proben wurden dadurch bestimmt, daß eine Probe mit einem Durchmesser von 2,54 cm und einer Dicke von 2,54 cm zwischen zwei Stahlplatten angebracht und eine zunehmende mechanische Belastung ausgeübt wurde, wobei eine Kopfplattengeschwindigkeit von 1,02 mm/Minute eingesetzt wurde, bis die Probe brach. Das aufgezeichnete Ergebnis war die Belastung im Zeitpunkt des Versagens. Die Bruchfestigkeiten der erfindungsgemäßen Verbundkörper wurden dann mit den Bruchfestigkeiten unbeschichteter, unbehandelter Cordieritwabenkörperproben verglichen. Die mittlerer Bruchfestigkeit der beschichteten und behandelten Proben betrug 268 kg/cm² im Vergleich zu 191 kg/cm² für unbeschichtete, unbehandelte Cordieritproben. Die erhöhte Festigkeit der beschichteten Proben ist auf die Harzinfiltration in die Poren und die Risse des Substrats zurückzuführen. Beim Härten verleiht das Harz dem Substrat eine erhöhte Festigkeit. Dies führt dazu, daß Verbundkörper mit sehr hohen Festigkeiten durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbar sind.
Eine zweite Gruppe von Substraten (die "extrudierten Proben") wurden dadurch hergestellt, daß aktivierter Kohlenstoff wie unten beschrieben extrudiert wurde. Ein Ansatz mit 6 Gew.% Hydroxypropylmethylcellulose, 2 Gew.% Polyvinylalkohol und - 200 Mesh aktivierten Kohlenstoff (Calgon Carbon BPLF3) wurden in einem Wirbelmischer 3 Minuten lang gemischt. Die gemischten, trockenen Inhaltsstoffe wurden in einen Müllermischerr überführt, und eine ausreichende Menge an Wasser wurde zugegeben, um einen homogenen plastifizierten Ansatz zu bilden. Die Mischzeit betrug etwa 30 Minuten. Der plastifizierte Ansatz wurde durch eine 25-Tonnen- Extrusionspresse extrudiert, um Wabenkörper mit einem Durchmesser von 2,54 cm zu bilden. Die extrudierten Proben wiesen die gleiche Geometrie auf wie die erfindungsgemäßen Proben (d. h. 60 Zellen/cm², 150um Wanddicke). Die Proben wurden bei 100ºC getrocknet, um das Wasser zu entfernen. Die Bruchfestigkeit dieser Wabenkörper wurde wie oben beschrieben bestimmt. Die mittlere Bruchfestigkeit der so hergestellten Wabenkörper betrug 35,2 kg/cm³. Die Festigkeit der erfindungsgemäßen Proben und der extrudierten Proben wurde wiederum bestimmt, nachdem die Proben einer Temperatur von 250ºC in Luft für 4 Stunden ausgesetzt wurden. Die extrudierten Proben wiesen eine mittlere Bruchfestigkeit von bis 1 kg/cm² auf. Die erfindungsgemäßen Proben wiesen eine mittlere Bruchfestigkeit von 268 kg/cm² auf. Diese Ergebnisse zeigen, daß die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Verbundkörper eine wesentlich höhere Festigkeit und Temperaturtauglichkeit aufwiesen als diejenigen Substrate, die durch Extrudieren von aktivierten Kohlenstoff hergestellt wruden.

Beispiel 12

Die Probe des Beispiels 2 wurde einer Behandlung bei 358ºC für 4 Stunden in Luft unterzogen, und die Adsorptionsfähigkeit wurde bestimmt. Die behandelte Probe wies ein 2 Minuten- Adsorptionsvermögen von 99,93 Gew.% und eine Gesamt- Butanadsorption von 78,3 mg auf. Ein Vergleich mit der Probe des Beispiels 2 (unbehandelt) ergibt praktisch keinen Unterschied zwischen dem Adsorptionsvermögen der behandelten und der unbehandelten Verbundkörper. Diese Ergebnisse veranschaulichen die Fähigkeit des Verbundkörpers der vorliegenden Erfindung, bei hohen Temperaturen effektiv zu arbeiten.

Beispiel 13

Ein Wabenkörpersubatrat aus Cordierit mit 16 Zellen/cm², einer Wandungsdicke von Isopin und einer Gesamtporosität von 50% wurde mit Phenolharz beschichtet, gehärtet und gemäß den im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren Carbonisiert. Der Kohlenstoff auf dem Substrat wurde in einer Mischung aus 23 Mol% Dampf in Stickstoff bei 800ºC aktiviert. Der erhaltene Verbundkörper enthielt insgesamt 1,15 g Kohlenstoff. Ein zweites Substrat (die "extrudierte Proben) wurde durch Trockenvermischung eines Ansatzes hergestellt, der 6 Gew.% Hydroxypropylmethylcellulose, 2 Gew.% Polyvinlyalkohol als Trockenpulver und aktivierten Kohlenstoff von -200 Mesh enthielt, wobei das Vermischen in einem Wirbelmischer für 30 Minuten erfolgte. Die gemischten, trockenen Inhaltsstoffe wurden in einen Müller -Mischer gefüllt, und es wurde eine ausreichende Wassermenge zugegeben, um einen homogenen plastifizierten Ansatz zu bilden. Die Mischzeit betrug etwa 30 Minuten. Der plastifizierte Ansatz wurde dann durch eine 25- Tonnen-Extrusionspresse extrudiert, um Wabenkörper mit einem Durchmesser von 2,54 cm und einer Länge von 2,54 cm auszubilden. Die extrudierte Probe wies eine Zellkonzentration von 60 Zellen/cm² und eine Wanddicke von etwa lsoum auf. Die extrudierte Probe enthielt 92 Gew.% Kohlenstoff, enthaltend eine Gesamtmenge von 2,25 g Kohlenstoff. Die Proben wurden bei 100ºC getrocknet, um das Wasser zu entfernen. Die Adsorptionsfähigkeit der 2 Proben wurde wie im Beispiel 1 beschrieben bestimmt. Die Gesamtadsorption der erfindungsgemäßen Probe betrug 154,5 mg, während die Gesamtadsorption der extrudierten Probe durch Extrudieren von aktivierten Kohlenstoff 155,5 mg betrug. Diese vergleichbaren Adsorptionsfähigkeiten sind deshalb unerwartet, weil die erfindungsgemäße Probe weniger als die Hälfte des Kohlenstoffs der extrudierten Probe enthält.

Beispiel 14

Ein Wabenkörpersubstrat (60 Zellen/cm², Wanddicke 150 um) mit einem Durchmesser von 2,54 cm und einer Länge von 2,54 cm wurde in eine Aufschlämmung aus 250 g Wasser, 10 g Phenolharz und 90 g aktiviertem Kohlenstoff (Calgon Carbon BPLF3 - 200 Mesh) getaucht, und die überschüssige Lösung wurde aus den Kanälen ausgeblasen. Die Probe wurd bei 150ºC 5 Minuten lang gebacken. Der Aufschlämmungs-Eintauch-Prozeß wurde anschließend wiederholt, um die Dicke der Aufschlämmungsbeschichtung zu erhöhen. Nach dem zweiten Eintauchen wurde die Probe bei 150ºC 4 Stunden lang gebacken, um das Harz auszuhärten. Die Butanadsorptionsfähigkeit der gehärteten Probe wurde gemäß dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren bestimmt. Die Gesamtadsorptionsfähigkeit (Adsorptionskapazität) der in die Aufschlämmung getauchten Probe alsauch der extrudierten Probe und der erfindungsgemäßen Proben des Beispiels 13 wurde dadurch bestimmt, daß die Gesamtadsorption des Butans einer Jeden Probe durch die Menge des aktivierten Kohlenstoffs, der auf/in der Probe vorlag, dividiert wurde, und sie wurde als mg adsorbiertes Butan/g aktivierten Kohlenstoff, die vorliegen, ausgedrückt. Die Ergebnisse sind in der untenstehenden Tabelle I angegeben. TABELLE I
Wie in der Tabelle I angegeben beträgt die Adsorptionsfähigkeit der erfindungsgemäßen Probe das 2,5fache der in die Aufschlämmung getauchten Probe und das 2fache der extrudierten Probe, die nur aus Kohlenstoff bestand. Deshalb ist die Adsorptionsfähigkeit der erfindungsgemäßen Probe signifikant und unerwartet besser als derjenigen Proben, die in die Aufschlämmung getaucht wurden und die extrudiert wurden. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Probe nicht die nachfolgenden Nachteile auf, nämlich eine Bindemittelverschlechterung bei niedrigen Temperaturen und eine schwache Bindung des Kohlenstoffs auf dem anorganischen Substrat (was zu einer geringen Lebensdauer führt), was sich sowohl an den Proben zeigt, die in die Aufschlämmung getaucht wurden alsauch bei den nur aus Kohlenstoff bestehenden, extrudierten Proben.

Beispiel 15

Ein Substrat in Wabenkörperform aus Cordierit mit 15 Zellen/cm², einer Wandungsdicke von 430 pm und einer Gesamtporosität von 45% wurde mit Phenolharz beschichtet, gehärtet und nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren carbonisiert. Der Kohlenstoff auf dem Substrat wurde in einer Mischung aus 23 Mol% Dampf in Stickstoff bei 800ºC aktiviert. Der erhaltene Verbundkörper enthielt insgesamt 1,12 g Kohlenstoff. Ein zweites Substrat (die "extrudierte Probe") wurde dadurch hergestellt, daß eine Kombination aus aktiviertem Kohlenstoff und einem Polymerbindemittel in einer vergleichbaren Wabenkörperkonfiguration gemäß dem Verfahren zur Herstellung der extrudierten Probe, wie es im Beispiel 13 beschrieben wurde, extrudiert wurde. Die extrudierte Probe enthielt insgesamt 3,06 g an Kohlenstoff. Die Adsorptionsfähigkeit der zwei Proben wurde wie in Beispiel 1 beschrieben bestimmt. Die Gesamtadsorption der erfindungsgemäßen Probe betrug 169 mg, während die Gesamtadsorption der extrudierten Probe 180 mg betrug. Wie das oben beschriebene Beispiel 13 sind diese vergleichbaren Adsorptionsfähigkeiten deshalb unerwartet, weil die erfindungsgmäße Probe nur etwa ein Drittel des Kohlenstoffs der extrudierten Probe enhält.

Beispiel 16

Zwei Proben wurden gemäß dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellt, mit der Ausnahme, daß eine der Proben etwa 60 Zellen/cm² und eine Wandungsdicke von etwa 150 um (geometrische Oberfläche 27,7 cm²/cm³) aufwies. Die zweite Probe wies etwa 15 Zellen pro cm² und eine Wandungsdicke von etwa
430 um (geometrische Oberfläche 15,1 cm²/cm³) auf. Die Adsorptionsfähigkeit der zwei Proben ist in der unten angegebenen Tabelle II veranschaulicht. Die Gesamtmenge in mg an adsorbierten Butan und die Effizienz bei 2 Minuten im Labormaßstabstest sind in der unten angegebenen Tabelle II angegeben. TABELLE II
Wie in der Tabelle II angegeben wies der Wabenkörper mit einer höheren geometrischen Oberfläche (60 Zellen/cm², Wanddicke 150um) eine höhere Adsorptionseffizienz auf. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Adsorption ein Oberflächenphänomen ist und deshalb durch die geometrische Oberfläche des Wabenkörpers selbst beeinflußt wird, insbesondere dann, wenn die Adsorptionsfähigkeit über kurze Zeitintervalle bestimmt wird.

Beispiel 17

Drei poröse gesinterte, Metall enthaltende Wabenkörper, die verschiedene Anteile an Eisen, Chrom und Aluminium enthielten, wurden gemäß den in den US-Patentschriften Nr. 4,992,233 und 4,758,272 beschriebenen Verfahren hergestellt. Die metallischen Wabenkörper wurden bei einer Höchsttemperatur von iiooec gebrannt und waren deshalb hochporös. Die metallischen Wabenkörper wurden gemäß dem im obigen Beispiel 1 beschriebenen Verfahren beschichtet. Die Eigenschaften der beschichteten metallischen Wabenkörper sind in der unten stehenden Tabelle III beschrieben. TABELLE III
In jeder Probe wurde eine brauchbare Menge an Kohlenstoff auf die metallischen Wabenkörper beschichtet. Die Beschichtungen hafteten gut, was die Einsatzfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens bei metallischen Substraten zeigt.

Claims

1.Verbundstruktur mit einer Beschichtung aus einem aktivierten Kohlenstoff auf der Oberfläche eines anorganischen Substrats, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein anorganisches Monolithsubstrat mit einer Außenfläche ist, von der die Poren in das Substrat ragen, und

die Beschichtung über die Außenfläche des Substrats in Form einer im wesentlichen ununterbrochenen, anhaftenden Schicht aus aktiviertem Kohlenstoff reicht, die in die Poren eindringt und im wesentlichen über alle Poren verteilt vorliegt.

2. Verbundstruktur nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Keramikmaterial oder Metallmaterial ist.

3. Verbundstruktur nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Aluminiumoxid-Silikat, Silikat, Titanat, Zirkonat, Zirkondioxid, Zirkondioxid-Spinell, Magnesiumalumino- Silikat, Aluminiumoxid, Spinell, Mullit, Cordierit, eine Fe, Ni oder Co enthaltende Legierung, eine Legierung, die im wesentlichen aus einem Metall der Eisengruppe und Aluminium besteht oder eine Legierung, die im wesentlichen aus Fe, Al und Cr besteht, ist.

4. Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Poren des Substrats eine miteinander verbundene Porosität im Substrat bilden und die Kohlenstoffbeschichtung mit der untereinander verbundenen Porosität physikalisch ineinandergreift.

5. Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substrat ein Wabenkörper mit einer Matrix aus dünnen Wandungen ist, die eine Vielzahl offenendiger Zellen bilden, die zwischen die Enden des Wabenkörpers reichen, wobei der Wabenkörper wahlweise zumindest etwa 7,75 Zellen pro cm² und die dünnen Wandungen eine Dicke im Bereich von etwa 0,05 bis 1,27 mm aufweisen.

6. Verbundstruktur nach Anspruch 5, wobei die Kohlenstoffbeschichtung nicht mehr als etwa 50 % desgesamtgewichts des Wabenkörpers aufweist.

7. Verfahren zur Herstellung eines anorganischen aktivierten kohlenstoffbeschichteten Substrats durch Beschichten des Substrats mit einem aktivierten Kohlenstoff, gekennzeichnet durch:

Auswählen eines Substrats, das aus einem anorganischen Monolithsubstrat mit einer Außenoberfläche besteht, von der Poren in das Substrat reichen;

Beschichten des anorganischen Substrats mit einer Imprägnierflüssigkeit, bestehend im wesentlichen oder vollständig aus einer Kohlenstoffvorläuferflüssigkeit, die in die Poren und im wesentlichen über alle Poren verteilt eindringt;

Behandeln des beschichteten anorganischen Substrats unter Bedingungen, die bewirken, daß die Kohlenstoffvorläuferflüssigkeit im wesentlichen gehärtet wird;

Behandeln des beschichteten anorganischen Substrats unter Bedingungen, die wirksam sind, um die gehärtete Kohlenstoffvorläuferflüssigkeit zu Kohlenstoff umzuwandeln; und Behandeln des beschichteten anorganischen Substrats unter solchen Bedingungen, die wirksam sind, um den Kohlenstoff zu aktivieren.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Kohlenstoffvorläuferflüssigkeit ein hitzehärtbarer Kunststoff oder ein Phenolharz ist.