成形制品及其制备方法
成形制品及其制备方法
【专利说明】
[0001] 背景
[0002] 本申请根据35U.S.C. § 119要求2012年12月28日提交的美国临时申请系列第 61/746649号的优先权，本文以该申请的内容为基础并通过引用纳入其全文。
技术领域
[0003] 本发明总体涉及成形制品，具体来说，涉及用于分离设备的成形制品。
【背景技术】
[0004] 各种分离应用使用设备来过滤加工气流。这些分离设备可具有使用活性材料涂覆 的成形基材，该活性材料可吸附、催化加工气流中包含的物质或与之反应。例如，有些CO 2 捕集应用使用由吸附材料形成蜂窝体、丸或整体件制品来降低气流中的CO2浓度。这些制 品中有些可通过烧结过程来制备，烧结温度通常至少约1200°c。但是，在这些温度下烧结 需要过量的能量，且可能需要特殊设备。此外，烧结的制品必须由通常非常昂贵的耐火材料 形成。
[0005] 因此，本领域需要可在较低温度下制备的用于分离设备的成形制品。
[0006] 概述
[0007] 本文所述的实施方式涉及用于分离设备的成形制品。根据一种实施方式，用于分 离设备的成形制品可通过下述方法来制备，所述方法可包括形成批料混合物，该批料混合 物可包括填料材料、纤维材料和无机粘合剂的，以及将该批料混合物成形为成形的结构。 纤维材料的D 5tl可大于或等于约4微米，且平均长径比大于或等于约2:1且小于或等于约 20:1。填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物可包括大于或等于约60重 量份且小于或等于约98重量份填料材料。填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批 料混合物可包括大于或等于约2重量份且小于或等于约40重量份纤维材料。填料材料和 纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物可包括大于或等于约10重量份和小于或等于 约50重量份无机粘合剂。
[0008] 在另一种实施方式中，用于分离设备的蜂窝体制品可通过下述方法制备，所述方 法可包括形成批料混合物，该批料混合物可包括填料材料、纤维材料、无机粘合剂和有机粘 合剂，把该批料混合物成形为蜂窝体结构。纤维材料的D 5tl可大于或等于约4微米，且平均 长径比大于或等于约2:1且小于或等于约20:1。填料材料和纤维材料合计每100重量份 计，该批料混合物可包括大于或等于约60重量份和小于或等于约98重量份填料材料。填 料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物可包括大于或等于约2重量份且小 于或等于约40重量份纤维材料。填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物 可包括大于或等于约10重量份且小于或等于约50重量份无机粘合剂。填料材料和纤维材 料合计每100重量份计，该批料混合物可包括大于或等于约1重量份且小于或等于约12重 量份有机粘合剂。
[0009] 还在另一种实施方式中，成形制品可包括成形制品，其可包括填料材料、纤维材料 和无机粘合剂，其中：所述成形制品可用于分离设备。纤维材料的D5tl可大于或等于约4 微米，且平均长径比大于或等于约2:1且小于或等于约20:1。填料材料和纤维材料合计每 100重量份计，该成形制品可包括大于或等于约60重量份且小于或等于约98重量份填料材 料。填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该成形制品可包括大于或等于约2重量份 且小于或等于约40重量份纤维材料。填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该成形制 品可包括大于或等于约10重量份且小于或等于约50重量份无机粘合剂。
[0010] 在以下的详细描述中提出了本发明实施方式的其他特征和优点，其中的部分特征 和优点是本领域的技术人员根据所作描述能显见，或者通过实施本文描述的实施方式能认 识到的，这些描述包括下文的详细描述、权利要求书以及附图。
[0011] 应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述介绍了各种实施方式，这些用来提 供理解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种实施方 式的进一步的理解，附图被纳入本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明 了本文所述的各种实施方式，并与说明书一起用来解释要求保护的主题的原理和操作。
[0012] 附图简要说明
[0013] 图1示意性地显示根据本文所示和所述的一种或多种实施方式的蜂窝体制品的 结构；
[0014] 图2图形化显示根据本文所示和所述的一种或更多种实施方式的填料材料的粒 度分布；
[0015] 图3图形化显示根据本文所示和所述的一种或更多种实施方式的纤维材料的粒 度分布；
[0016] 图4图形化显示根据本文所示和所述的一种或更多种实施方式制备的多种样品 的断裂模量；
[0017] 图5图形化显示根据本文所示和所述的一种或更多种实施方式制备的多种样品 的比表面积；和
[0018] 图6图形化显示根据本文所示和所述的一种或更多种实施方式制备的多种样品 的断裂模量。
[0019] 详细描述
[0020] 下面详细述及用于分离设备的成形制品的各种实施方式，这些实施方式的例子在 附图中示出。在有可能时，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。 在一种实施方式中，如本文所述，通常可通过形成批料混合物并使所述批料混合物成形， 例如通过挤出，来制备成形制品。批料混合物可通过把填料材料、纤维材料和无机粘合剂与 可塑剂例如水混合来形成。可挤出批料混合物，且在挤出之后可任选地在非烧结温度例如 等于或低于约1000°c下加热该成形制品。或者，成形制品可适于应用，而不用加热成形制 品。成形制品可用于分离设备，用于从流体流分离一种或更多种化学物质。例如，蜂窝体 制品可用作基材，并可用活性材料涂覆，该活性材料对于加工气流中接触的物质而言是化 学反应性的、催化性的或吸附性的。或者，蜂窝体制品的填料材料可包括活性材料，从而 活性材料是成形基材的一部分。下面将结合附图更详细地描述成形制品以及用于制备成形 制品的方法。
[0021] 成形制品可成形为任意合适的形状，包括但不限于：整体件（monolithic)、蜂 窝、螺旋缠绕、球体、丸状、圆柱形、三叶形（trilobe)、车轮（wagonwheel)、环状、迷你件 (minilith)、泡沫、板（平、弯、波纹）和/或组合。在一种实施方式中，成形制品可具有蜂 窝体结构。例如，现在参考图1，示意性地显示由本文所述的组合物形成的蜂窝体制品100。 蜂窝体制品100通常包含蜂窝体，所述蜂窝体具有在第一端102和第二端104之间延伸的 多条孔通道101。所述制品100的蜂窝体结构可包括多条基本平行的孔通道101，所述孔通 道由在所述第一端102和第二端104之间延伸的交叉的孔道壁106形成，并且至少部分地 由该孔道壁限定。所述蜂窝体制品100还可以包括外皮，所述外皮围绕所述多条孔通道形 成，并包围所述多条孔通道。所述外皮可以在形成孔道壁106的过程中挤出形成，或者可以 在之后的加工过程中作为后施加的外皮而形成，例如通过将外皮粘结剂施加于孔道的周边 部分而形成。
[0022] 在一个实施方式中，所述多条平行的孔通道101的截面通常分别是正方形的。但 是，在其他实施方式中，制品中的多条平行的孔通道可具有其它截面构型，包括矩形、圆形、 椭圆形、三角形、八边形、六边形和/或它们的组合。
[0023] 尽管图1描述了蜂窝体制品100,其中部分或全部通道是被堵塞的，但是应理解， 在替代实施方式中，蜂窝体制品的所有通道可以是未被堵塞的，例如当将所述多孔陶瓷蜂 窝体制品用作催化流通型基材时。
[0024] 成形制品可通常通过形成批料混合物和把该批料混合物成形为成形的结构来制 备。在各种实施方式中，批料混合物通过下述来成形：挤出、注塑、3D打印、饶铸（casting)、 压延、闪光等离子 体烧结、热等静压压制和/或其组合。在一种示例实施方式中，把批料混 合物成形为本文所述的蜂窝体构造。批料混合物可在成形之后干燥，例如在周围环境或在 升高的温度（例如小于或等于约l〇〇°C )下干燥。批料材料可包括填料材料、纤维材料和无 机粘合剂。在一些实施方式中，批料材料还可包括有机粘合剂，用于保持一些特定形状构 造的稳定性和强度。例如，当把批料混合物成形为蜂窝体构造时，可利用有机粘合剂。
[0025] 在一些实施方式中，还可对干燥的、成形的批料混合物进行热处理。热处理的温 度可通常低于成形之后足以烧结批料混合物的材料的温度。对于一些常规陶瓷材料，在至 少约1200°C的温度下观察到烧结。但是，在本文所述的实施方式中，热处理温度可小于或 等于约1000°C，小于或等于约900°C，小于或等于约800°C，小于或等于约700°C，小于 或等于约600°C，小于或等于约500°C，小于或等于约400°C，小于或等于约300°C，小于 或等于约200°C，或甚至小于或等于约100°C。在其他实施方式中，无需热处理。在一种 示例实施方式中，可在大于或等于400°C且小于或等于约900°C的温度下加热已成形的批 料混合物。在另一种示例实施方式中，可在大于或等于450°C且小于或等于约750°C的温 度下加热已成形的批料混合物。热处理可持续足以煅烧批料混合物的材料的时间。例如， 热处理可持续下述时段：约〇. 5小时，1小时，2小时，3小时，4小时，或5小时，或任意 所批露持续时间之间的范围。热处理可固结和/或稳定制品以供操作环境中使用，该操作 环境的温度最高为所需应用中的热处理温度。该处理还可增加成形制品的孔隙率。
[0026] 在一种实施方式中，填料材料包括陶瓷填料。陶瓷填料材料的非限制性例子包 括：氧化硅、粘土、堇青石、莫来石（mullite)粉末、灰、玻璃、氧化钛、氧化铝、氧化镁、钛酸 铝、β锂霞石、铯榴石（pollucite)、氧化锆和/或其组合。其它陶瓷材料也可用作填料材 料。
[0027] 在另一种实施方式中，填料材料可包括活性填料材料。如本文所使用，"活性材料" 指可吸附、反应或催化流体流中包含的特定化学物质的任意材料。活性填料材料的非限制 性例子包括沸石，沸石咪唑酯（imidazolate)骨架结构、金属有机骨架、碳、钙钛矿、聚乙烯 亚胺（poylyethelene imine)、尖晶石、钛娃酸盐（titanosilicates)和/或其组合。如果 填料材料不包括活性材料，或不包括足以用作气流分离设备的量的活性材料，成形结构的 至少部分表面可用例如但不限于本文所述的那些活性材料涂覆。如果填料材料包括活性材 料，活性材料涂层可能不是必需的。当使用涂层时，可通过任何合适的方式例如但不限于 浸涂来施涂涂层。
[0028] 在另一种实施方式中，填料材料可包括高比表面积（SSA)材料。高SSA材料可增 加成形制品的比表面积和容积。高比表面积促进直接接触流体流，或可允许更好地把活性 材料施涂到作为基材的成形制品上。在一种实施方式中，SSA材料可占填料材料的小于或 等于约50%。在一种示例实施方式中，SSA材料可占填料材料的小于或等于约30%。SSA 材料的非限制性例子包括沸石、介孔硅酸盐、沸石咪唑酯骨架结构、金属有机骨架、碳分子 筛或其组合。在一些实施方式中，高SSA材料的比表面积可大于或等于约300m 2/g。
[0029] 填料材料可包括多个颗粒例如粉末相，并与其它物质混合以形成批料混合物。例 如，在一些实施方式中，填料材料可包括颗粒，其质量中值直径（D 5tl)大于或等于约5微米 且小于或等于约80微米，例如大于或等于约5微米，大于或等于约10微米，大于或等于 30微米，大于或等于约40微米，大于或等于约50微米，大于或等于约60微米，或大于 或等于约70微米，或任意所批露D 5tl值之间的范围。在一种示例实施方式中，填料材料的 D5tl可为约10微米-约40微米。在另一种示例实施方式中，填料材料的D 5(|可为约20微 米-约60微米。还在另一种示例实施方式中，填料材料的D5tl可为约60微米-约80微米。 应理解，本文所述的D 5tl基于用麦奇克（microtrac)仪器进行测量。例如，图2图形化显示 合适的填料材料的粒度分布。具体来说，图2显示两种级别溶凝石英（用虚线表示的-325F 溶凝石英和用实线表示的-200F溶凝石英）的粒度分布。
[0030] 在一些实施方式中，填料材料可具有较低的热膨胀系数（CTE)。虽然无意受限于 理论，但据信较低CTE材料可为成形制品带来更好的耐热震性。
[0031] 在一种示例实施方式中，溶凝石英可用作填料材料。在另一示例实施方式中，灰 可用作填料材料。与其它合适的填料材料相比时，灰和溶凝石英都可具有较低CTE。例如， 填料材料的CTE可大于或等于约lxl(TV°C )且小于或等于约6〇Xl(T7/°C )。在一种示例实 施方式中，填料材料的CTE大于或等于约l〇Xl(T/°C )且小于或等于约4〇Xl(T7/°C )。
[0032] 在一种实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包 括大于或等于约60重量份且小于或等于约98重量份填料材料。在其他实施方式中，填料 材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包括大于或等于约60重量份，大于或 等于约65重量份，大于或等于约70重量份，大于或等于约75重量份，大于或等于约80 重量份，大于或等于约85重量份，大于或等于约90重量份，或甚至约95重量份，或约 98重量份填料材料，或按填料材料和纤维材料合计每100重量份计包括任何所批露的量之 间任何范围的填料材料。在示例实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计， 批料混合物可包括大于或等于约75重量份且小于或等于约98重量份填料材料。在另一示 例实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包括大于或等于 约75重量份且小于或等于约98重量份填料材料。又在另一示例实施方式中，填料材料和 纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包括大于或等于约75重量份且小于或等于约 90重量份填料材料。
[0033] 批料混合物的纤维材料可包括适用于成形制品的任意纤维材料。纤维材料可具有 长径比，其为所测量的平均长度和平均直径之比（长度：直径）。在本文所述的实施方式 中，纤维材料的长径比可大于或等于约2:1且小于或等于约40:1，例如为约2:1，4:1，6:1 ，8:1,10:1,15:1，20:1,30:1或40:1，或这些批露长径比之间的任意范围。在一种示例实 施方式中，纤维材料的平均长径比大于或等于约2:1且小于或等于约20:1。纤维材料可 具有基于纤维材料直径的质量中值直径（D 5tl)。应理解，本文所述的所有D5tl基于用麦奇克 (microtrac)仪器进行测量。纤维材料的D 5tl可大于约4微米，大于约6微米，大于约8微 米，或甚至大于约10微米。D5tl小于约2微米的纤维材料可能是不利的，因为它们是可吸 入（respirable)的。此外，具有高生物持久性的材料可能是不理想的。
[0034] 在示例实施方式中，纤维材料可包括硅灰石。硅灰石是天然矿石CaSiO3。硅灰石 可为晶体形式。非限制性的合适的市售硅灰石包括Nygl 〇s4W(可从尼科公司（Nyco)购买， 其D5tl为至少约4微米且平均长径比为约4:1)和Ultrafibe II (可从尼科公司（Nyco)购 买，其D5tl为至少约8微米且平均长径比为约7:1)。硅灰石可为与石棉相对比的示例纤维 材料，石棉可具有更小的D 5tl和比硅灰石更具生物持久性。在另一示例实施方式中，纤维材 料可包括多水高岭石（halloysite)。例如，图3图形化显示合适的纤维材料的粒度分布。 具体来说，图3显示Ultrafibe II娃灰石的粒度分布。
[0035] 无意受限于理论，但据信纤维材料增强成形制品的强度和韧度。但是，纤维材料 可具有较高CTE，例如大于约5〇 Xl(T/°C。因此，可限制纤维材料的量，以最大化成形制品 的强度同时限制因高热膨胀造成的物理弱点。在一种实施方式中，填料材料和纤维材料合 计每100重量份计，批料混合物可包括大于或等于约2重量份且小于或等于约40重量份纤 维材料。在其他实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包 括约大于或等于约2重量份，大于或等于约5重量份，大于或等于约10重量份，大于或 等于约15重量份，大于或等于约20重量份，大于或等于约25重量份，大于或等于约30 重量份，大于或等于约35重量份，或约40重量份纤维材料，或填料材料和纤维材料合计 每100重量份计包括任何所批露的量之间任何范围的纤维材料。在示例实施方式中，填料 材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包括大于或等于约10重量份且小于或 等于约25重量份纤维材料。在另一示例实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重 量份计，批料混合物可包括大于或等于约2重量份且小于或等于约20重量份纤维材料。又 在另一示例实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包括大 于或等于约20重量份且小于或等于约40重量份纤维材料。
[0036] 批料混合物可包括适用于成形制品的任意无机粘合剂。在一种实施方式中，无机 粘合剂包括胶体相的胶体材料。适于用作无机粘合剂的胶体相材料的非限制性例子是胶体 氧化硅。胶体氧化硅可为单模分散体或多模分散体，其中值直径大于或等于约Inm且小于 或等于约lOOnm，且固含量可为约20%-约50%。市售胶体氧化硅的非限制性例子包括 Ludox PW50EC和Ludox HS40 (可从W. R.格雷斯公司（W. R. Grace&Co)购买）。替代无机粘 合剂的非限制性例子包括胶体氧化硅、胶体氧化铝、胶体氧化锆、硅酮乳液、硅酮树脂、粘土 和/或其组合。
[0037] 在一种实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包 括大于或等于约10重量份且小于或等于约50重量份无机粘合剂（计为所接收胶体悬浮液 的重量）。如本文所使用，如果无机粘合剂是胶体相，无机粘合剂的重量份计为所接收胶体 悬浮液的重量。在其他实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物 可包括大于或等于约10重量份，大于或等于约15重量份，大于或等于约20重量份，大 于或等于约25重量份，大于或等于约30重量份，大于或等于约35重量份，大于或等于 约40重量份，大于或等于约45重量份，或约50重量份无机粘合剂，或按填料材料和纤 维材料合计每100重量份计包括任何所批露的量之间任何范围的无机粘合剂。在示例实施 方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包括约10重量份到约30 重量份无机粘合剂。在另一示例实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计， 批料混合物可包括约10重量份到约25重量份无机粘合剂。又在另一示例实施方式中，填 料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包括约25重量份到约50重量份无 机粘合剂。
[0038] 在一些实施方式中，批料混合物可任选地包括有机粘合剂。有机粘合剂的非限 制性例子包括纤维素醚，水溶性甲基纤维素，羟丙基甲基纤维素聚合物，胶例如小核菌 (sclerotium)胶和黄原胶，聚乙稀醇，淀粉，和/或其组合。市售有机粘合剂的非限制 性例子包括Methocel (可从陶氏化学公司（DowChemical)购买）和Actigum(可从卡吉尔 公司（Cargill)购买）。加热成形制品时可烧除至少部分的有机粘合剂。在一些实施方式 中，可在至少约200°C的温度下出现烧除。烧除有机粘合剂可导致成形制品的强度比没有 加热的成形制品降低。例如，在一些实施方式中，加热到约300°C的成形制品的强度可能 不如没有加热的成形制品。但是，当加热到大于约300°C的温度时，成形制品可获得强度。
[0039] 在一种实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包 括大于或等于约1重量份且小于或等于约12重量份有机粘合剂。在其他实施方式中，填 料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包括大于或等于约1重量份，大于 或等于约3重量份，大于或等于约5重量份，大于或等于约7重量份，大于或等于约9重 量份，大于或等于约11重量份，或约12重量份有机粘合剂，或按填料材料和纤维材料合 计每100重量份计包括任何所批露的量之间任何范围的有机粘合剂。在示例实施方式中， 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物包括大于或等于约2重量份且小于 或等于约8重量份有机粘合剂。在另一示例实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100 重量份计，批料混合物包括大于或等于约1重量份且小于或等于约6重量份有机粘合剂。又 在另一示例实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物包括大于 或等于约6重量份且小于或等于约12重量份有机粘合剂。
[0040] 批料材料还可包括可塑剂例如水，醇，和/或其组合，其量足以形成可模塑的 相，例如能通过挤出成形为蜂窝体的相。为了形成批料混合物，可将填料材料、纤维材料、 无机粘合剂和任选的有机粘合剂与适量的可塑剂混合，从而促进形成塑化的且可成形的材 料。基质中包括的可塑剂的量随被挤出粉末的粒度以及所用有机物而变化。此外，包括的 可塑剂的量受到成形批料混合物中所用制造设备的影响，其这些设备的参数例如加料速率 要求、模头尺寸等可能不同。
[0041] 在一种实施方式中，成形制品的材料可具有断裂模量，其基于由成形制品的材料 制成的〇. 25英寸杆的四点弯曲测得。断裂模量可取决于是否进行热处理以及热处理的温 度而有不同。在一种实施方式中，没有进行热处理的成形制品的材料（即当材料为刚形成 的条件时）若挤出成具有0.25英寸直径的杆，其断裂模量大于或等于约700psi，大于或等 于约800psi,大于或等于约900psi,或甚至大于或等于约1000 psi。
[0042] 在另一种实施方式中，在小于或等于约300°C下热处理的成形制品的材料若挤出 成具有0. 25英寸直径的杆，其断裂模量大于或等于约300psi，大于或等于约350psi，或甚 至大于或等于约400psi。在一些实施方式中，烧除有机粘合剂可导致与未加热的成形制品 相比强度减弱。
[0043] 在另一种实施方式中，在小于或等于约600°C下热处理的成形制品的材料若挤出 成具有0. 25英寸直径的杆，其断裂模量大于或等于约700psi，大于或等于约750psi，或甚 至大于或等于约800psi。
[0044] 在另一种实施方式中，在小于或等于约1000°C下热处理的成形制品的材料若挤 出成具有〇. 25英寸直径的杆，其断裂模量大于或等于约700psi，大于或等于约800psi，或 甚至大于或等于约900psi。 实施例
[0045] 实施例1
[0046] 使用不同量和种类的填料材料、纤维材料、无机粘合剂、有机粘合剂和水制备批料 混合物。把批料混合物挤出成具有0.25英寸直径的杆。样品在不同温度下经受热处理3 小时。组合物样品示于表1中。表1的组合物基于与组合物的其它材料相比的重量份。
[0047] 表 1
[0048]
[0049] 图4图形化显示（表1中）选定样品的断裂模量。各选定样品分别在300°C下热 处理3小时，在600°C热处理3小时，和在1000°C下热处理3小时。报道的数据是由所述 组合物制成的0. 25英寸直径挤出杆的各样品在各热处理温度下的断裂模量（基于四点弯 曲测试）。
[0050] 图5图形化显示（表1中）选定样品的比表面积。各选定样品分别在600°C 热处 理3小时和在1000°C下热处理3小时。报道的数据是由所述组合物制成的0. 25英寸直径 挤出杆的各样品在各热处理温度下的表面积。
[0051] 实施例2
[0052] 如本文所述制备批料混合物，并挤出成具有0. 25英寸直径的杆。挤出体由不同量 的Nyglos 4W(纤维材料）和不同量的-200F级别溶凝石英（填料材料）形成，Nyglos 4W 和-200F级别溶凝石英合计每100重量份计，Nyglos 4W的重量份如X轴所示。此外，按 Nyglos 4W和-200F级别溶凝石英合计每100重量份计，批料混合物具有8重量份有机粘合 剂（Actigum CS或Culminal724)和60重量份无机粘合剂（Ludox PW50EC)。图6图形化显 示挤出杆的断裂模量（基于四点弯曲测试）随着Nyglos 4W(纤维相材料）和-200F级别 溶凝石英（填料材料）的组成比例而变化。各样品分别在300°C热处理3小时和在600°C 下热处理3小时。还报道了没有进行热处理的样品的数据。此外，改变有机粘合剂，报道了 Actigum CS和Culminal 724的数据。还报道了各样品在各热处理温度下和用各有机粘合 剂的断裂模量。
[0053] 现应理解，能制备可作为基材或作为活性材料用于分离设备来至少部分分离流体 流中组分的成形制品。与可能需要烧结的常规制品相比，所述成形制品可在低温条件和使 用低成本的材料制得。实际上，无需高温烧结，本文所述的成形制品就具有充足的物理强度 和/或韧度。这些成形制品可用作烧结材料的低成本替代，尤其是在具有较低温条件的分 离过程中。
[0054] 应注意，本文可用术语"基本上"和"约"表示可由任何定量比较、数值、测量或其 它表示方法造成的固有不确定性。在本文中还使用这些术语代表定量表示可能与所述的参 考值有一定的偏离程度，但是不会导致所议主题的基本功能改变。
[0055] 可对本发明进行各种修改和改变而不偏离本发明的范围。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，只要这些修改和变化形式落在所附权利要 求及其等同内容的范围之内。
【主权项】
1. 一种制备用于分离设备的成形制品的方法，所述方法包括： 形成包括填料材料、纤维材料和无机粘合剂的批料混合物；和 将该批料混合物成形为成形的结构，其中： 纤维材料的D5tl大于或等于约4微米，平均长径比大于或等于约2:1且小于或等于约 20:1 ； 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物包括大于或等于约60重量份 且小于或等于约98重量份填料材料； 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物包括大于或等于约2重量份 且小于或等于约40重量份纤维材料；和 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物包括大于或等于约10重量份 且小于或等于约50重量份无机粘合剂。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述批料混合物通过下述来成形：挤出、浇 铸、注塑、3D打印、压延、闪光等离子体烧结、热等静压压制或其组合。3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成形制品成形为蜂窝体构造。4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括把该成形的批料混合物加热到小于 或等于约1000 °C的温度。5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，该批料混合物的材料在挤出成0. 25英寸直 径的杆时其断裂模量大于或等于约700psi。6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括使用活性材料涂覆所述成形的结构 的至少一部分表面。7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，按填料材料和纤维材料合计每100重量份 计，所述批料混合物还包括大于或等于约1重量份且小于或等于约12重量份的有机粘合 剂。8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填料材料包括陶瓷填料。9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述陶瓷填料包括：氧化硅、粘土、堇青石、 莫来石粉末、灰、玻璃、氧化钛、氧化铝、氧化镁、钛酸铝、0锂霞石、铯榴石、氧化锆或其组 合。10. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填料材料包括活性填料。11. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述活性填料材料包括沸石、沸石咪唑酯 骨架结构、金属有机古架、碳、钙钛矿、聚乙烯亚胺、尖晶石、钛硅酸盐或其组合。12. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维材料包括硅灰石、多水高岭石或 其组合。13. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无机粘合剂包括胶体氧化硅、胶体氧 化铝、胶体氧化锆、硅酮乳液、硅酮树脂、粘土或其组合。14. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无机粘合剂包括胶体材料。15. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述批料混合物还包括有机粘合剂，该有 机粘合剂包括纤维素醚、水溶性甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素聚合物、胶例如小核菌胶和 黄原胶、聚乙烯醇、淀粉或其组合。16. -种制备用于分离设备的蜂窝体制品的方法，所述方法包括： 形成包括填料材料、纤维材料、无机粘合剂和有机粘合剂的批料混合物；和 将该批料混合物成形为蜂窝体结构，其中： 纤维材料的D5tl大于或等于约4微米，平均长径比大于或等于约2:1且小于或等于约 20:1 ； 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物包括大于或等于约60重量份 且小于或等于约98重量份填料材料； 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物包括大于或等于约2重量份 且小于或等于约40重量份纤维材料； 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物包括大于或等于约10重量份 且小于或等于约50重量份无机粘合剂；和 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物包括大于或等于约1重量份 且小于或等于约12重量份有机粘合剂。17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括把该成形的批料混合物加热到小 于或等于约l〇〇〇°C的温度。18. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，该批料混合物的材料在挤出成具有0. 25 英寸直径的杆时其断裂模量大于或等于约700pSi。19. 一种用于分离设备的成形制品，该成形制品包括填料材料、纤维材料和无机粘合 剂，其中： 纤维材料的D5tl大于或等于约4微米，平均长径比大于或等于约2:1且小于或等于约 20:1 ； 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该成形制品包括大于或等于约60重量份且 小于或等于约98重量份填料材料； 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该成形制品包括大于或等于约2重量份且 小于或等于约40重量份纤维材料；和 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该成形制品包括大于或等于约10重量份且 小于或等于约50重量份无机粘合剂。20. 如权利要求19所述的成形制品，其特征在于，所述成形制品是蜂窝体。
【专利摘要】一种用于分离设备的成形制品可通过下述来制备：形成包括填料材料、纤维材料和无机粘合剂的批料混合物，以及将该批料混合物成形为成形的结构。纤维材料的D50可大于或等于约4微米。填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物可分别包括大于或等于约60重量份且小于或等于约98重量份的填料材料,大于或等于约2重量份且小于或等于约40重量份的纤维材料,和大于或等于约10重量份且小于或等于约50重量份无机粘合剂。
【IPC分类】C04B35/645, C04B38/00, C04B35/16, C04B35/14
【公开号】CN104903272
【申请号】CN201380067520
【发明人】S·B·奥冈伍米, H·K·萨尔马, E·M·惠勒
【申请人】康宁股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年12月13日
【公告号】US20150299054, WO2014105456A1
【专利说明】
[0001] 背景
[0002] 本申请根据35U.S.C. § 119要求2012年12月28日提交的美国临时申请系列第 61/746649号的优先权，本文以该申请的内容为基础并通过引用纳入其全文。
技术领域
[0003] 本发明总体涉及成形制品，具体来说，涉及用于分离设备的成形制品。
【背景技术】
[0004] 各种分离应用使用设备来过滤加工气流。这些分离设备可具有使用活性材料涂覆 的成形基材，该活性材料可吸附、催化加工气流中包含的物质或与之反应。例如，有些CO 2 捕集应用使用由吸附材料形成蜂窝体、丸或整体件制品来降低气流中的CO2浓度。这些制 品中有些可通过烧结过程来制备，烧结温度通常至少约1200°c。但是，在这些温度下烧结 需要过量的能量，且可能需要特殊设备。此外，烧结的制品必须由通常非常昂贵的耐火材料 形成。
[0005] 因此，本领域需要可在较低温度下制备的用于分离设备的成形制品。
[0006] 概述
[0007] 本文所述的实施方式涉及用于分离设备的成形制品。根据一种实施方式，用于分 离设备的成形制品可通过下述方法来制备，所述方法可包括形成批料混合物，该批料混合 物可包括填料材料、纤维材料和无机粘合剂的，以及将该批料混合物成形为成形的结构。 纤维材料的D 5tl可大于或等于约4微米，且平均长径比大于或等于约2:1且小于或等于约 20:1。填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物可包括大于或等于约60重 量份且小于或等于约98重量份填料材料。填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批 料混合物可包括大于或等于约2重量份且小于或等于约40重量份纤维材料。填料材料和 纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物可包括大于或等于约10重量份和小于或等于 约50重量份无机粘合剂。
[0008] 在另一种实施方式中，用于分离设备的蜂窝体制品可通过下述方法制备，所述方 法可包括形成批料混合物，该批料混合物可包括填料材料、纤维材料、无机粘合剂和有机粘 合剂，把该批料混合物成形为蜂窝体结构。纤维材料的D 5tl可大于或等于约4微米，且平均 长径比大于或等于约2:1且小于或等于约20:1。填料材料和纤维材料合计每100重量份 计，该批料混合物可包括大于或等于约60重量份和小于或等于约98重量份填料材料。填 料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物可包括大于或等于约2重量份且小 于或等于约40重量份纤维材料。填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物 可包括大于或等于约10重量份且小于或等于约50重量份无机粘合剂。填料材料和纤维材 料合计每100重量份计，该批料混合物可包括大于或等于约1重量份且小于或等于约12重 量份有机粘合剂。
[0009] 还在另一种实施方式中，成形制品可包括成形制品，其可包括填料材料、纤维材料 和无机粘合剂，其中：所述成形制品可用于分离设备。纤维材料的D5tl可大于或等于约4 微米，且平均长径比大于或等于约2:1且小于或等于约20:1。填料材料和纤维材料合计每 100重量份计，该成形制品可包括大于或等于约60重量份且小于或等于约98重量份填料材 料。填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该成形制品可包括大于或等于约2重量份 且小于或等于约40重量份纤维材料。填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该成形制 品可包括大于或等于约10重量份且小于或等于约50重量份无机粘合剂。
[0010] 在以下的详细描述中提出了本发明实施方式的其他特征和优点，其中的部分特征 和优点是本领域的技术人员根据所作描述能显见，或者通过实施本文描述的实施方式能认 识到的，这些描述包括下文的详细描述、权利要求书以及附图。
[0011] 应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述介绍了各种实施方式，这些用来提 供理解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种实施方 式的进一步的理解，附图被纳入本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明 了本文所述的各种实施方式，并与说明书一起用来解释要求保护的主题的原理和操作。
[0012] 附图简要说明
[0013] 图1示意性地显示根据本文所示和所述的一种或多种实施方式的蜂窝体制品的 结构；
[0014] 图2图形化显示根据本文所示和所述的一种或更多种实施方式的填料材料的粒 度分布；
[0015] 图3图形化显示根据本文所示和所述的一种或更多种实施方式的纤维材料的粒 度分布；
[0016] 图4图形化显示根据本文所示和所述的一种或更多种实施方式制备的多种样品 的断裂模量；
[0017] 图5图形化显示根据本文所示和所述的一种或更多种实施方式制备的多种样品 的比表面积；和
[0018] 图6图形化显示根据本文所示和所述的一种或更多种实施方式制备的多种样品 的断裂模量。
[0019] 详细描述
[0020] 下面详细述及用于分离设备的成形制品的各种实施方式，这些实施方式的例子在 附图中示出。在有可能时，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。 在一种实施方式中，如本文所述，通常可通过形成批料混合物并使所述批料混合物成形， 例如通过挤出，来制备成形制品。批料混合物可通过把填料材料、纤维材料和无机粘合剂与 可塑剂例如水混合来形成。可挤出批料混合物，且在挤出之后可任选地在非烧结温度例如 等于或低于约1000°c下加热该成形制品。或者，成形制品可适于应用，而不用加热成形制 品。成形制品可用于分离设备，用于从流体流分离一种或更多种化学物质。例如，蜂窝体 制品可用作基材，并可用活性材料涂覆，该活性材料对于加工气流中接触的物质而言是化 学反应性的、催化性的或吸附性的。或者，蜂窝体制品的填料材料可包括活性材料，从而 活性材料是成形基材的一部分。下面将结合附图更详细地描述成形制品以及用于制备成形 制品的方法。
[0021] 成形制品可成形为任意合适的形状，包括但不限于：整体件（monolithic)、蜂 窝、螺旋缠绕、球体、丸状、圆柱形、三叶形（trilobe)、车轮（wagonwheel)、环状、迷你件 (minilith)、泡沫、板（平、弯、波纹）和/或组合。在一种实施方式中，成形制品可具有蜂 窝体结构。例如，现在参考图1，示意性地显示由本文所述的组合物形成的蜂窝体制品100。 蜂窝体制品100通常包含蜂窝体，所述蜂窝体具有在第一端102和第二端104之间延伸的 多条孔通道101。所述制品100的蜂窝体结构可包括多条基本平行的孔通道101，所述孔通 道由在所述第一端102和第二端104之间延伸的交叉的孔道壁106形成，并且至少部分地 由该孔道壁限定。所述蜂窝体制品100还可以包括外皮，所述外皮围绕所述多条孔通道形 成，并包围所述多条孔通道。所述外皮可以在形成孔道壁106的过程中挤出形成，或者可以 在之后的加工过程中作为后施加的外皮而形成，例如通过将外皮粘结剂施加于孔道的周边 部分而形成。
[0022] 在一个实施方式中，所述多条平行的孔通道101的截面通常分别是正方形的。但 是，在其他实施方式中，制品中的多条平行的孔通道可具有其它截面构型，包括矩形、圆形、 椭圆形、三角形、八边形、六边形和/或它们的组合。
[0023] 尽管图1描述了蜂窝体制品100,其中部分或全部通道是被堵塞的，但是应理解， 在替代实施方式中，蜂窝体制品的所有通道可以是未被堵塞的，例如当将所述多孔陶瓷蜂 窝体制品用作催化流通型基材时。
[0024] 成形制品可通常通过形成批料混合物和把该批料混合物成形为成形的结构来制 备。在各种实施方式中，批料混合物通过下述来成形：挤出、注塑、3D打印、饶铸（casting)、 压延、闪光等离子 体烧结、热等静压压制和/或其组合。在一种示例实施方式中，把批料混 合物成形为本文所述的蜂窝体构造。批料混合物可在成形之后干燥，例如在周围环境或在 升高的温度（例如小于或等于约l〇〇°C )下干燥。批料材料可包括填料材料、纤维材料和无 机粘合剂。在一些实施方式中，批料材料还可包括有机粘合剂，用于保持一些特定形状构 造的稳定性和强度。例如，当把批料混合物成形为蜂窝体构造时，可利用有机粘合剂。
[0025] 在一些实施方式中，还可对干燥的、成形的批料混合物进行热处理。热处理的温 度可通常低于成形之后足以烧结批料混合物的材料的温度。对于一些常规陶瓷材料，在至 少约1200°C的温度下观察到烧结。但是，在本文所述的实施方式中，热处理温度可小于或 等于约1000°C，小于或等于约900°C，小于或等于约800°C，小于或等于约700°C，小于 或等于约600°C，小于或等于约500°C，小于或等于约400°C，小于或等于约300°C，小于 或等于约200°C，或甚至小于或等于约100°C。在其他实施方式中，无需热处理。在一种 示例实施方式中，可在大于或等于400°C且小于或等于约900°C的温度下加热已成形的批 料混合物。在另一种示例实施方式中，可在大于或等于450°C且小于或等于约750°C的温 度下加热已成形的批料混合物。热处理可持续足以煅烧批料混合物的材料的时间。例如， 热处理可持续下述时段：约〇. 5小时，1小时，2小时，3小时，4小时，或5小时，或任意 所批露持续时间之间的范围。热处理可固结和/或稳定制品以供操作环境中使用，该操作 环境的温度最高为所需应用中的热处理温度。该处理还可增加成形制品的孔隙率。
[0026] 在一种实施方式中，填料材料包括陶瓷填料。陶瓷填料材料的非限制性例子包 括：氧化硅、粘土、堇青石、莫来石（mullite)粉末、灰、玻璃、氧化钛、氧化铝、氧化镁、钛酸 铝、β锂霞石、铯榴石（pollucite)、氧化锆和/或其组合。其它陶瓷材料也可用作填料材 料。
[0027] 在另一种实施方式中，填料材料可包括活性填料材料。如本文所使用，"活性材料" 指可吸附、反应或催化流体流中包含的特定化学物质的任意材料。活性填料材料的非限制 性例子包括沸石，沸石咪唑酯（imidazolate)骨架结构、金属有机骨架、碳、钙钛矿、聚乙烯 亚胺（poylyethelene imine)、尖晶石、钛娃酸盐（titanosilicates)和/或其组合。如果 填料材料不包括活性材料，或不包括足以用作气流分离设备的量的活性材料，成形结构的 至少部分表面可用例如但不限于本文所述的那些活性材料涂覆。如果填料材料包括活性材 料，活性材料涂层可能不是必需的。当使用涂层时，可通过任何合适的方式例如但不限于 浸涂来施涂涂层。
[0028] 在另一种实施方式中，填料材料可包括高比表面积（SSA)材料。高SSA材料可增 加成形制品的比表面积和容积。高比表面积促进直接接触流体流，或可允许更好地把活性 材料施涂到作为基材的成形制品上。在一种实施方式中，SSA材料可占填料材料的小于或 等于约50%。在一种示例实施方式中，SSA材料可占填料材料的小于或等于约30%。SSA 材料的非限制性例子包括沸石、介孔硅酸盐、沸石咪唑酯骨架结构、金属有机骨架、碳分子 筛或其组合。在一些实施方式中，高SSA材料的比表面积可大于或等于约300m 2/g。
[0029] 填料材料可包括多个颗粒例如粉末相，并与其它物质混合以形成批料混合物。例 如，在一些实施方式中，填料材料可包括颗粒，其质量中值直径（D 5tl)大于或等于约5微米 且小于或等于约80微米，例如大于或等于约5微米，大于或等于约10微米，大于或等于 30微米，大于或等于约40微米，大于或等于约50微米，大于或等于约60微米，或大于 或等于约70微米，或任意所批露D 5tl值之间的范围。在一种示例实施方式中，填料材料的 D5tl可为约10微米-约40微米。在另一种示例实施方式中，填料材料的D 5(|可为约20微 米-约60微米。还在另一种示例实施方式中，填料材料的D5tl可为约60微米-约80微米。 应理解，本文所述的D 5tl基于用麦奇克（microtrac)仪器进行测量。例如，图2图形化显示 合适的填料材料的粒度分布。具体来说，图2显示两种级别溶凝石英（用虚线表示的-325F 溶凝石英和用实线表示的-200F溶凝石英）的粒度分布。
[0030] 在一些实施方式中，填料材料可具有较低的热膨胀系数（CTE)。虽然无意受限于 理论，但据信较低CTE材料可为成形制品带来更好的耐热震性。
[0031] 在一种示例实施方式中，溶凝石英可用作填料材料。在另一示例实施方式中，灰 可用作填料材料。与其它合适的填料材料相比时，灰和溶凝石英都可具有较低CTE。例如， 填料材料的CTE可大于或等于约lxl(TV°C )且小于或等于约6〇Xl(T7/°C )。在一种示例实 施方式中，填料材料的CTE大于或等于约l〇Xl(T/°C )且小于或等于约4〇Xl(T7/°C )。
[0032] 在一种实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包 括大于或等于约60重量份且小于或等于约98重量份填料材料。在其他实施方式中，填料 材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包括大于或等于约60重量份，大于或 等于约65重量份，大于或等于约70重量份，大于或等于约75重量份，大于或等于约80 重量份，大于或等于约85重量份，大于或等于约90重量份，或甚至约95重量份，或约 98重量份填料材料，或按填料材料和纤维材料合计每100重量份计包括任何所批露的量之 间任何范围的填料材料。在示例实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计， 批料混合物可包括大于或等于约75重量份且小于或等于约98重量份填料材料。在另一示 例实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包括大于或等于 约75重量份且小于或等于约98重量份填料材料。又在另一示例实施方式中，填料材料和 纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包括大于或等于约75重量份且小于或等于约 90重量份填料材料。
[0033] 批料混合物的纤维材料可包括适用于成形制品的任意纤维材料。纤维材料可具有 长径比，其为所测量的平均长度和平均直径之比（长度：直径）。在本文所述的实施方式 中，纤维材料的长径比可大于或等于约2:1且小于或等于约40:1，例如为约2:1，4:1，6:1 ，8:1,10:1,15:1，20:1,30:1或40:1，或这些批露长径比之间的任意范围。在一种示例实 施方式中，纤维材料的平均长径比大于或等于约2:1且小于或等于约20:1。纤维材料可 具有基于纤维材料直径的质量中值直径（D 5tl)。应理解，本文所述的所有D5tl基于用麦奇克 (microtrac)仪器进行测量。纤维材料的D 5tl可大于约4微米，大于约6微米，大于约8微 米，或甚至大于约10微米。D5tl小于约2微米的纤维材料可能是不利的，因为它们是可吸 入（respirable)的。此外，具有高生物持久性的材料可能是不理想的。
[0034] 在示例实施方式中，纤维材料可包括硅灰石。硅灰石是天然矿石CaSiO3。硅灰石 可为晶体形式。非限制性的合适的市售硅灰石包括Nygl 〇s4W(可从尼科公司（Nyco)购买， 其D5tl为至少约4微米且平均长径比为约4:1)和Ultrafibe II (可从尼科公司（Nyco)购 买，其D5tl为至少约8微米且平均长径比为约7:1)。硅灰石可为与石棉相对比的示例纤维 材料，石棉可具有更小的D 5tl和比硅灰石更具生物持久性。在另一示例实施方式中，纤维材 料可包括多水高岭石（halloysite)。例如，图3图形化显示合适的纤维材料的粒度分布。 具体来说，图3显示Ultrafibe II娃灰石的粒度分布。
[0035] 无意受限于理论，但据信纤维材料增强成形制品的强度和韧度。但是，纤维材料 可具有较高CTE，例如大于约5〇 Xl(T/°C。因此，可限制纤维材料的量，以最大化成形制品 的强度同时限制因高热膨胀造成的物理弱点。在一种实施方式中，填料材料和纤维材料合 计每100重量份计，批料混合物可包括大于或等于约2重量份且小于或等于约40重量份纤 维材料。在其他实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包 括约大于或等于约2重量份，大于或等于约5重量份，大于或等于约10重量份，大于或 等于约15重量份，大于或等于约20重量份，大于或等于约25重量份，大于或等于约30 重量份，大于或等于约35重量份，或约40重量份纤维材料，或填料材料和纤维材料合计 每100重量份计包括任何所批露的量之间任何范围的纤维材料。在示例实施方式中，填料 材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包括大于或等于约10重量份且小于或 等于约25重量份纤维材料。在另一示例实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重 量份计，批料混合物可包括大于或等于约2重量份且小于或等于约20重量份纤维材料。又 在另一示例实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包括大 于或等于约20重量份且小于或等于约40重量份纤维材料。
[0036] 批料混合物可包括适用于成形制品的任意无机粘合剂。在一种实施方式中，无机 粘合剂包括胶体相的胶体材料。适于用作无机粘合剂的胶体相材料的非限制性例子是胶体 氧化硅。胶体氧化硅可为单模分散体或多模分散体，其中值直径大于或等于约Inm且小于 或等于约lOOnm，且固含量可为约20%-约50%。市售胶体氧化硅的非限制性例子包括 Ludox PW50EC和Ludox HS40 (可从W. R.格雷斯公司（W. R. Grace&Co)购买）。替代无机粘 合剂的非限制性例子包括胶体氧化硅、胶体氧化铝、胶体氧化锆、硅酮乳液、硅酮树脂、粘土 和/或其组合。
[0037] 在一种实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包 括大于或等于约10重量份且小于或等于约50重量份无机粘合剂（计为所接收胶体悬浮液 的重量）。如本文所使用，如果无机粘合剂是胶体相，无机粘合剂的重量份计为所接收胶体 悬浮液的重量。在其他实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物 可包括大于或等于约10重量份，大于或等于约15重量份，大于或等于约20重量份，大 于或等于约25重量份，大于或等于约30重量份，大于或等于约35重量份，大于或等于 约40重量份，大于或等于约45重量份，或约50重量份无机粘合剂，或按填料材料和纤 维材料合计每100重量份计包括任何所批露的量之间任何范围的无机粘合剂。在示例实施 方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包括约10重量份到约30 重量份无机粘合剂。在另一示例实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计， 批料混合物可包括约10重量份到约25重量份无机粘合剂。又在另一示例实施方式中，填 料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包括约25重量份到约50重量份无 机粘合剂。
[0038] 在一些实施方式中，批料混合物可任选地包括有机粘合剂。有机粘合剂的非限 制性例子包括纤维素醚，水溶性甲基纤维素，羟丙基甲基纤维素聚合物，胶例如小核菌 (sclerotium)胶和黄原胶，聚乙稀醇，淀粉，和/或其组合。市售有机粘合剂的非限制 性例子包括Methocel (可从陶氏化学公司（DowChemical)购买）和Actigum(可从卡吉尔 公司（Cargill)购买）。加热成形制品时可烧除至少部分的有机粘合剂。在一些实施方式 中，可在至少约200°C的温度下出现烧除。烧除有机粘合剂可导致成形制品的强度比没有 加热的成形制品降低。例如，在一些实施方式中，加热到约300°C的成形制品的强度可能 不如没有加热的成形制品。但是，当加热到大于约300°C的温度时，成形制品可获得强度。
[0039] 在一种实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包 括大于或等于约1重量份且小于或等于约12重量份有机粘合剂。在其他实施方式中，填 料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物可包括大于或等于约1重量份，大于 或等于约3重量份，大于或等于约5重量份，大于或等于约7重量份，大于或等于约9重 量份，大于或等于约11重量份，或约12重量份有机粘合剂，或按填料材料和纤维材料合 计每100重量份计包括任何所批露的量之间任何范围的有机粘合剂。在示例实施方式中， 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物包括大于或等于约2重量份且小于 或等于约8重量份有机粘合剂。在另一示例实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100 重量份计，批料混合物包括大于或等于约1重量份且小于或等于约6重量份有机粘合剂。又 在另一示例实施方式中，填料材料和纤维材料合计每100重量份计，批料混合物包括大于 或等于约6重量份且小于或等于约12重量份有机粘合剂。
[0040] 批料材料还可包括可塑剂例如水，醇，和/或其组合，其量足以形成可模塑的 相，例如能通过挤出成形为蜂窝体的相。为了形成批料混合物，可将填料材料、纤维材料、 无机粘合剂和任选的有机粘合剂与适量的可塑剂混合，从而促进形成塑化的且可成形的材 料。基质中包括的可塑剂的量随被挤出粉末的粒度以及所用有机物而变化。此外，包括的 可塑剂的量受到成形批料混合物中所用制造设备的影响，其这些设备的参数例如加料速率 要求、模头尺寸等可能不同。
[0041] 在一种实施方式中，成形制品的材料可具有断裂模量，其基于由成形制品的材料 制成的〇. 25英寸杆的四点弯曲测得。断裂模量可取决于是否进行热处理以及热处理的温 度而有不同。在一种实施方式中，没有进行热处理的成形制品的材料（即当材料为刚形成 的条件时）若挤出成具有0.25英寸直径的杆，其断裂模量大于或等于约700psi，大于或等 于约800psi,大于或等于约900psi,或甚至大于或等于约1000 psi。
[0042] 在另一种实施方式中，在小于或等于约300°C下热处理的成形制品的材料若挤出 成具有0. 25英寸直径的杆，其断裂模量大于或等于约300psi，大于或等于约350psi，或甚 至大于或等于约400psi。在一些实施方式中，烧除有机粘合剂可导致与未加热的成形制品 相比强度减弱。
[0043] 在另一种实施方式中，在小于或等于约600°C下热处理的成形制品的材料若挤出 成具有0. 25英寸直径的杆，其断裂模量大于或等于约700psi，大于或等于约750psi，或甚 至大于或等于约800psi。
[0044] 在另一种实施方式中，在小于或等于约1000°C下热处理的成形制品的材料若挤 出成具有〇. 25英寸直径的杆，其断裂模量大于或等于约700psi，大于或等于约800psi，或 甚至大于或等于约900psi。 实施例
[0045] 实施例1
[0046] 使用不同量和种类的填料材料、纤维材料、无机粘合剂、有机粘合剂和水制备批料 混合物。把批料混合物挤出成具有0.25英寸直径的杆。样品在不同温度下经受热处理3 小时。组合物样品示于表1中。表1的组合物基于与组合物的其它材料相比的重量份。
[0047] 表 1
[0048]
[0049] 图4图形化显示（表1中）选定样品的断裂模量。各选定样品分别在300°C下热 处理3小时，在600°C热处理3小时，和在1000°C下热处理3小时。报道的数据是由所述 组合物制成的0. 25英寸直径挤出杆的各样品在各热处理温度下的断裂模量（基于四点弯 曲测试）。
[0050] 图5图形化显示（表1中）选定样品的比表面积。各选定样品分别在600°C 热处 理3小时和在1000°C下热处理3小时。报道的数据是由所述组合物制成的0. 25英寸直径 挤出杆的各样品在各热处理温度下的表面积。
[0051] 实施例2
[0052] 如本文所述制备批料混合物，并挤出成具有0. 25英寸直径的杆。挤出体由不同量 的Nyglos 4W(纤维材料）和不同量的-200F级别溶凝石英（填料材料）形成，Nyglos 4W 和-200F级别溶凝石英合计每100重量份计，Nyglos 4W的重量份如X轴所示。此外，按 Nyglos 4W和-200F级别溶凝石英合计每100重量份计，批料混合物具有8重量份有机粘合 剂（Actigum CS或Culminal724)和60重量份无机粘合剂（Ludox PW50EC)。图6图形化显 示挤出杆的断裂模量（基于四点弯曲测试）随着Nyglos 4W(纤维相材料）和-200F级别 溶凝石英（填料材料）的组成比例而变化。各样品分别在300°C热处理3小时和在600°C 下热处理3小时。还报道了没有进行热处理的样品的数据。此外，改变有机粘合剂，报道了 Actigum CS和Culminal 724的数据。还报道了各样品在各热处理温度下和用各有机粘合 剂的断裂模量。
[0053] 现应理解，能制备可作为基材或作为活性材料用于分离设备来至少部分分离流体 流中组分的成形制品。与可能需要烧结的常规制品相比，所述成形制品可在低温条件和使 用低成本的材料制得。实际上，无需高温烧结，本文所述的成形制品就具有充足的物理强度 和/或韧度。这些成形制品可用作烧结材料的低成本替代，尤其是在具有较低温条件的分 离过程中。
[0054] 应注意，本文可用术语"基本上"和"约"表示可由任何定量比较、数值、测量或其 它表示方法造成的固有不确定性。在本文中还使用这些术语代表定量表示可能与所述的参 考值有一定的偏离程度，但是不会导致所议主题的基本功能改变。
[0055] 可对本发明进行各种修改和改变而不偏离本发明的范围。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，只要这些修改和变化形式落在所附权利要 求及其等同内容的范围之内。
【主权项】
1. 一种制备用于分离设备的成形制品的方法，所述方法包括： 形成包括填料材料、纤维材料和无机粘合剂的批料混合物；和 将该批料混合物成形为成形的结构，其中： 纤维材料的D5tl大于或等于约4微米，平均长径比大于或等于约2:1且小于或等于约 20:1 ； 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物包括大于或等于约60重量份 且小于或等于约98重量份填料材料； 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物包括大于或等于约2重量份 且小于或等于约40重量份纤维材料；和 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物包括大于或等于约10重量份 且小于或等于约50重量份无机粘合剂。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述批料混合物通过下述来成形：挤出、浇 铸、注塑、3D打印、压延、闪光等离子体烧结、热等静压压制或其组合。3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成形制品成形为蜂窝体构造。4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括把该成形的批料混合物加热到小于 或等于约1000 °C的温度。5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，该批料混合物的材料在挤出成0. 25英寸直 径的杆时其断裂模量大于或等于约700psi。6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括使用活性材料涂覆所述成形的结构 的至少一部分表面。7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，按填料材料和纤维材料合计每100重量份 计，所述批料混合物还包括大于或等于约1重量份且小于或等于约12重量份的有机粘合 剂。8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填料材料包括陶瓷填料。9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述陶瓷填料包括：氧化硅、粘土、堇青石、 莫来石粉末、灰、玻璃、氧化钛、氧化铝、氧化镁、钛酸铝、0锂霞石、铯榴石、氧化锆或其组 合。10. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填料材料包括活性填料。11. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述活性填料材料包括沸石、沸石咪唑酯 骨架结构、金属有机古架、碳、钙钛矿、聚乙烯亚胺、尖晶石、钛硅酸盐或其组合。12. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维材料包括硅灰石、多水高岭石或 其组合。13. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无机粘合剂包括胶体氧化硅、胶体氧 化铝、胶体氧化锆、硅酮乳液、硅酮树脂、粘土或其组合。14. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无机粘合剂包括胶体材料。15. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述批料混合物还包括有机粘合剂，该有 机粘合剂包括纤维素醚、水溶性甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素聚合物、胶例如小核菌胶和 黄原胶、聚乙烯醇、淀粉或其组合。16. -种制备用于分离设备的蜂窝体制品的方法，所述方法包括： 形成包括填料材料、纤维材料、无机粘合剂和有机粘合剂的批料混合物；和 将该批料混合物成形为蜂窝体结构，其中： 纤维材料的D5tl大于或等于约4微米，平均长径比大于或等于约2:1且小于或等于约 20:1 ； 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物包括大于或等于约60重量份 且小于或等于约98重量份填料材料； 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物包括大于或等于约2重量份 且小于或等于约40重量份纤维材料； 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物包括大于或等于约10重量份 且小于或等于约50重量份无机粘合剂；和 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物包括大于或等于约1重量份 且小于或等于约12重量份有机粘合剂。17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括把该成形的批料混合物加热到小 于或等于约l〇〇〇°C的温度。18. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，该批料混合物的材料在挤出成具有0. 25 英寸直径的杆时其断裂模量大于或等于约700pSi。19. 一种用于分离设备的成形制品，该成形制品包括填料材料、纤维材料和无机粘合 剂，其中： 纤维材料的D5tl大于或等于约4微米，平均长径比大于或等于约2:1且小于或等于约 20:1 ； 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该成形制品包括大于或等于约60重量份且 小于或等于约98重量份填料材料； 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该成形制品包括大于或等于约2重量份且 小于或等于约40重量份纤维材料；和 填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该成形制品包括大于或等于约10重量份且 小于或等于约50重量份无机粘合剂。20. 如权利要求19所述的成形制品，其特征在于，所述成形制品是蜂窝体。
【专利摘要】一种用于分离设备的成形制品可通过下述来制备：形成包括填料材料、纤维材料和无机粘合剂的批料混合物，以及将该批料混合物成形为成形的结构。纤维材料的D50可大于或等于约4微米。填料材料和纤维材料合计每100重量份计，该批料混合物可分别包括大于或等于约60重量份且小于或等于约98重量份的填料材料,大于或等于约2重量份且小于或等于约40重量份的纤维材料,和大于或等于约10重量份且小于或等于约50重量份无机粘合剂。
【IPC分类】C04B35/645, C04B38/00, C04B35/16, C04B35/14
【公开号】CN104903272
【申请号】CN201380067520
【发明人】S·B·奥冈伍米, H·K·萨尔马, E·M·惠勒
【申请人】康宁股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年12月13日
【公告号】US20150299054, WO2014105456A1
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