DE2263554A1 - Katalysatortraeger aus gesintertem anorganischem material mit aussenmantel - Google Patents

Katalysatortraeger aus gesintertem anorganischem material mit aussenmantel

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Description

Anmelder: Feldmühle Anlagen- und ProduktionsgeseI!schaft mit beschränkter Haftung
4 Düsseldorf-Oberkassel, Fr i tz-Vomf e I de-Platz 4
Anlage zur Eingabe vom 22. 12. 1972 Pat/12.268
Katalysatorträger aus gesintertem anorganischem Material mit Außenmantel
Die Erfindung betrifft einen Katalysatorträger für die Anwendung als Abgaskatalysator und stellt eine weitere Ausbildung des Gegenstandes der deutschen Patentanmeldung P 22 02 152.9 dar: Gegenstand der Stammanmeldung ist ein Katalysatorträger, bei dem flache und profilierte Lagen abwechseIndübereinander angeordnet und zu einer Wabenstruktur aufgewickelt oder aufgeschichtet sind, der erfindungsgemäß aus gesinterten hochtemperatur- und temperaturwechseIbeständigen anorganischen Materialien und einem in diesen anorganischen Materialien eingesintei— ten Trägervlies aus hochtemperaturbeständigen organischen Fasern besteht.
Es hat sich gezeigt, daß bei radial wirkenden Einspannvorrichtungen die Druckbruchfestigkeit des keramischen Katalysatorträgers lokal überschritten werden kann. Eine Befestigung z. B. durch Schrauben kann leicht Ausgangspunkt für die mechanische Zerstörung des Katalysatorträgers werden. Darüber hinaus stellt die Sprödigkeit, die keramischen Sinterkörpern von Natur aus eigen ist, für den hier im Vordergrund stehenden Anwendungszweck der Abgasentgiftung eine erhebliche Schwierigkeit dar. Es besteht nämlich die Gefahr, daß Trägerkörper den mechanischen Beanspruchungen, wie sie beispielsweise durch die ständigen Erschütterungen beim Fahren von Kraftfahrzeugen auftreten, nicht standhalten können.
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Eine verhältnismäßig dickwandige Ausführung der Wände des Trägerkörpers stellt keine befriedigende Lösung dar, da auf diese Weise die wirksame Oberfläche erheblich vermindert und das Gewicht stark erhöht wird.
Es bestand daher die Aufgabe, die Druckbruchfestigkeit in radialer Richtung und zugleich die Widerstandsfähigkeit der Katalysatorträger gegen mechanische Erschütterungen auf einfache Weise zu verbessern, ohne die Wirksamkeit des Katalysatorträgers negativ zu beeinflussen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Katalysatorträger für die Anwendung als Abgaskatalysator aus gesinterten hochtemperatur- und temperaturwechseI bestand!gen anorganischen Materialien und einem in diese anorganischen Materialien eingesinterten Trägervlies aus hochtemperaturbeständigen anorganischen Fasern, bei dem flache und profilierte Lagen abwechselnd übereinander angeordnet und zu. einer Wabenstruktur aufgewickelt oder . auf gesch i chtet sind, dadurch gelöst, daß der Katalysatorträger mit einem mechanisch festen, hochtemperatur- und temperaturwechselbeständlgen Außenmantel aus schwindungsfreiem keramischem Zement umgeben ist.
Keramische Zemente enthalten als wesentliche Bestandteile hochschmelzende anorganische Metalloxide, wie ZIrkonoxid und Magnesiumoxid, besonders aber Aluminiumoxid, wobei vorteilhaft das Zementmaterial stofflich dem Material nahekommt, aus dem der Katalysatorträger überwiegend besteht. Bei einem Katalysatorträger mit hohem Aluminiumoxidgehalt ergibt sich deshalb eine gute Verbindung des Außenmantels zum Katalysatorträger, wenn der verwendete keramische Zement große Anteile an Aluminiumoxid enthält oder Im wesentlichen aus Aluminiumoxid besteht. Dadurch bleibt der Ab-
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gaskataIysator insgesamt auch bei hohen Temperaturen
und häufigem Temperaturwechsel, wie sie durch Starten
und Abstellen des Motors bedingt sind, auch über, lange
Zeiten stabil, die der Lebensdauer der Auspuffanlage
entsprechen.
Der wesentliche Vorteil des Außenmantels aus keramischem Zement liegt in der außerordentlichen Steigerung der
radialen Druckbruchfestigkeit. Trägerkörper nach Beispiel 1 der Hauptanmeldung P 22 02 152.9 weisen üblicherweise eine radiale Druckbruchfestigkeit von 3-7 kp/cm
auf. Ein 1 mm starker Außenmantel aus keramischem Zement ergibt eine Steigerung der Druckbruchfestigkeit auf über 100 kp/cm2.
Wesentliche Bedeutung kommt beim Anmeldegegenstand dem
Merkmal zu, daß der keramische Zement weitgehend schwlndungsfrei ist. übliche keramische Zemente unterliegen während der Verfestigung einer Schwindung von 0,25 - 0„30 %, während der Katalysatorträger sich bei einer thermischen Verfestigung des Zementes ausdehnt. Dadurch ist es nicht möglich, im Zementmantel Risse zu verhindern, die sich in den Trägerkörper fortsetzen und zur mechanisehen Zerstörung führen.
Die überraschende Lösung dieses technischen Problems besteht nun darin, einen solchen keramischen Zement zu find.en, bei dem eine solche RJßbildung nicht auftritt. Die
Lösung besteht in der Entwicklung und Verwendung eines
weitgehend schwindungsfreien Zementes, der weiter hinten noch eingehend beschrieben wird. Unter schw!ndungsfreiem Zement wird dabei ein solcher Zement verstanden, bei dem die Schwindung durch Fehlsteilen, wie Poren, kompensiert wird. Wahrscheinlich beruht der überraschende technische Effekt, der durch die Verwendung dieses speziell mit dem
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Ziel der schwindungsfreien Abbindung entwickelten Zementes darin, daß β-1-e+i bei der Verfestigung entstehende Spannungsrisse von einer Vielzahl kleiner Poren aufgefangen werden. Auf diese Weise wird verhindert, daß bei der Vorfestigung In Bildung begriffene Risse sich nicht zu wenigen großen Rissen vereinigen, sondern aufgefangen werden oder zumindest nicht über das Stadium der Mikrorisse im Außenmantel hinaus größer werden können. Durch solche Poren oder Mikrorisse wird die Festigkeit des Außenmantels nicht wesentlich verringert und eine Fortsetzung in den Katalysatorträger verhindert.
Als besonders zweckmäßig hat sich ein Außenmantel aus einem Aluminiumoxid-Phosphat-gebundenen Zement erwiesen. Dieser keramische Zement besteht neben der der Abbindung dienenden Phosphorsäure und gegebenenfalls noch Zuschlagstoffen ausschließlich aus Aluminiumoxid. Auf diese Weise entsteht bei keramischen Katalysatorträgern mit einem hohen Aluminiumoxidgehalt und einem eingesinterten KeramikfaservIies ein besonders Inniger Verbund zwischen Außenmantel und Katalysatorträger.
Weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Katalysatorträgers, das darin besteht, daß der Katalysatorträger nach dem Sintern mit einer aufgeschIemmten Mischung aus schwindungsfrei em keramischem Zement belegt wird, die bei Temperat abgebunden wird.
die bei Temperaturen von 200 - 1000° C getrockent und
Der besondere Vorteil der Anwendung eines keramischen Zementes liegt in den geringen Trocknungs- und Abbln-
dungstemperaturen von 200 - 1000 C, vorzugsweise 200 - 500° C.
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Zur Herstellung eines Außenmantels aus einem aluminiumoxid-phosphatgebundenen Zement werden verschiedene Körnungen Aluminiumoxid gemischt und gegebenenfalls unter Zusatz von Ausbrenn- und Gleitmitteln in verdünnte Phosphorsäure eingearbeitet. Der keramische Katalysatorträger wird mit dieser Paste belegt und obiger Temperaturbehandlung ausgesetzt, wobei der Außenmantel trocknet und abbindet.
Zur Erzeugung der bereits erwähnten notwendigen Fehlstellen wie Mikrorisse oder Poren können Feststoffe der Zementausgangsmischung vorteilhaft aus 30 - 70 % einer groben Fraktion von kleiner als 48 mesh bestehen. Eine Körnung von weniger als«48 mesh bedeutet, daß alle Körner einen geringeren Durchmesser als 590 nm aufweisen.
Nach einer anderen vorteilhaften Verfahrensweise enthalten die Feststoffe der Zementausgangsmischung bis 20 Ge*- wichtsprozent Ausbrennstoffe. Als Ausbrennstoffe eignen sich anorganische oder organische Füllstoffe, wie z. B. Ammoniumhydrogencarbonat, Sägemehl, Zellulosefasern oder Kunststoffe in pulvriger oder kugeliger Form. Als besonders geeignet haben sich Wachse aus der Gruppe der Amidwachse, z. B. Wachs C der Farbwerke Hoechst, erwiesen.
Schließlich kann es zweckmäßig sein, wenn die gesamte Ausgangsmischung 1 - 10 Gew.-% hydroxy Igruppenha11ige Kohlenwasserstoffe als Gleitmittel enthält. Als Gleitmittel kommen dabei z. B. Glycerin, Polydiole oder auch höhere Alkohole in Frage.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben, ohne daß sich der Erfindungsgegenstand auf dieses Beispiel beschränkt:
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4 verschiedene Fraktionen von "S-.-A I umi η ί umoxl d werden vermischt und anschließend mit Wachs C In verdünnte Phosphorsäure eingearbeitet, so daß eine Zementmischung mit folgender Zusammensetzung entsteht:
oC -Aluminiumoxid 28 mesh 48 Gew.-ί
1^ -Aluminiumoxid 48 mesh 18 Gew.-ίί
Ά -Aluminiumoxid 90 mesh 26 Gew.-ί
^-Aluminiumoxid 200 mesh 8 Gew.-ί
Wachs C 3 Gew.-ί Phosphorsäure, verdünnt 15 Gew.-jt
100 Gew.-*
Das Wesentliche bei dieser Zementmischung ist die Kombination einer groben o( -A Iumiηiumoxid-Fraktion mit 28 mesh und des Ausbrennstoffes Wachs C;
Die so erhaltene pastenförmige Mischung hat eine Viskosität von 4000 cp _^ 300 cp und wird mit einer automatischen Spachte Ivorrichtung auf den gesinterten Katalysatorträger aufgetragen.
Zur Aushärtung des Außenmant«ls wird der besghichtete Katalysatorträger in einen elektrisch beheizten Ofen eingeführt. Durch eine langsame Aufheizung erfolgt zunächst eine Trocknung, wobei der Außenmantel vorverfestigt wird. Bei etwa 200° C erfoigt das eigentliche Abbinden des Zementes. Der Temperungsprozeß wird bis 400° C wei tergeführt.
Der so ummantelte Katalysatorträger weist eine Druckbruchfest!gkelt In radialer Richtung von über 100 kp/cm , eine große Thermoschockbeständigkeit und Beständigkeit bei den Temperaturen auf, die bei Kfz-Abgasen auftreten.
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Der erfindungsgemäße Gegenstand Ist im folgenden an Hand einer schematI sehen Zeichnung dargestellt:
Die Figur zeigt einen Katalysatorträger 1, der mit einem mechanisch festen, hochtemperatur- und temperaturwechseIbeständigen·AußenmanteI 2 aus schwtndungsfreiem keramischem Zement umgeben ist, wobei der Katalysatorträger 1 aus der profilierten Lage 4 und der flachen Lage 3 besteht.
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Claims (6)

Anmelder: Feldmühle Anlagen- und Produktions-GmbH 4 Düsseldorf-Oberkassel, FrItz-VomfeIde-PIatz 4 Anlage zur Eingabe vom 22. 12. 72 Patentansprüche
1. Katalysatorträger für die Anwendung als Abgaskatalysator aus gesinterten hochtemperatur- und temperaturwechseI bestandigen anorganischen Materialien und einem In diese anorganischen Materialien eingesinterten Trägervlies aus hochtemperaturbeständigen anorganischen Fasern, bei dein flache und profilierte Lagen abwechselnd übereinander angeordnet und zu einer Wabenstruktur aufgewickelt oder aufgeschichtet sind, nach Patentanmeldung P 22 02 152.9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Katalysatorträger mit einem mechanisch festen, hochtemperatur- und temperaturwechselbeständlgen Außenmantel aus schwindungsfreiem keramischem Zement umgeben i st.
2. Katalysatorträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel ein a Iumiηiumoxldphosphatgebundener Zement ist.
3. Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorträger nach dem Sintern mit einer aufgeschIämmten Mischung eines schwindungsfrei en keramischen Zementes belegt wird, die bei Temperaturen von 200 - 1000° C getrocknet und abgebunden wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß 30-70^ der Feststoffe der Zementausgangsmischung aus einer groben Fraktion von kleiner als 48 mesh bestehen.
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5. Verfahren nach den Ansprüchen 3 oder A, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffe der Zementausgangsmischung bis 20 Gew,-$ Ausbrennstoffe enthalten.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Zementausgangsmischüng 1 bis 10 Gew.—% hydroxy Igruppenha11ige Kohlenwasserstoffe enthält.
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