ЦЕМЕНТИРУЮЩЕЕ ВЕЩЕСТВО ДЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ ШВОВ В ФИЛЬТРЕ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ, ВКЛЮЧАЮЩЕЕ ПОЛЫЕ СФЕРИЧЕСКИЕ ЧАСТИЦЫ Российский патент 2011 года по МПК C04B38/00 F01N3/22 

Изобретение относится к цементирующему веществу, в частности к цементирующему заполнителю швов, предназначенному для скрепления нескольких фильтрующих элементов фильтрующего узла, в частности, для фильтрации твердых частиц в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания автотранспортного средства, а также, в частности, к цементирующему веществу, предназначенному для формирования внешнего покрытия боковых поверхностей такого фильтрующего узла. Изобретение также относится к фильтрующему узлу, который содержит несколько фильтрующих элементов, скрепленных вместе посредством шва, проходящего между указанными фильтрующими элементами и выполненного таким образом, что он препятствует прохождению указанных выхлопных газов между указанными фильтрующими элементами, причем шов образован цементирующим веществом или цементирующим раствором согласно изобретению.

Перед выбросом в атмосферу выхлопные газы могут быть подвергнуты очистке с помощью фильтра твердых частиц, например, подобного известному из уровня техники и представленному на Фиг.1 и 2. На разных чертежах идентичные или сходные компоненты обозначены одинаковыми номерами позиций.

На Фиг.1 фильтр 1 твердых частиц представлен в поперечном разрезе по плоскости В-В, показанной на Фиг.2, а на Фиг.2 - в продольном разрезе по плоскости А-А, показанной на Фиг.1.

Фильтр 1 твердых частиц в традиционном исполнении содержит по меньшей мере один фильтрующий узел 3 длины L, вставленный в металлический корпус 5.

Фильтрующий узел 3 может состоять из одного элемента. Однако оказалось, что с точки зрения улучшения сопротивления термомеханическим нагрузкам, в частности, на этапе регенерации, преимуществами обладают конструкции, которые состоят из нескольких соединенных вместе и обточенных до необходимой формы элементов 11, обозначаемых 11a-11i.

Такой элемент 11 изготавливается экструзией керамического материала (кордиерита, карбида кремния и др.) с образованием пористой ячеистой структуры. Экструдированная пористая структура в традиционном варианте имеет форму прямоугольного параллелепипеда, который заполняет пространство между двумя, по существу, квадратными поверхностями 12 (входной) и 13 (выходной), включая несколько параллельных и смежных сквозных каналов 14, прямых по форме.

Каналы в этих полученных экструзией пористых структурах закрываются попеременно со стороны входной поверхности (12) или выходной поверхности (13) соответственно входными заглушками (15s) и выходными заглушками (15e) с формированием согласно известному решению «каналов (14s) выхода» и «каналов (14e) входа») соответственно. В концах каналов 14s выхода и каналов 14е входа, противоположных входным заглушкам 15s и выходным заглушкам 15e соответственно, каналы 14s выхода и каналы 14e входа оканчиваются выходными отверстиями (19s) и входными (19e) отверстиями, обращенными соответственно на выходную поверхность 13 и входную поверхность 12. Каналы 14s выхода и каналы 14e входа, таким образом, определяют внутренние полости 20e и 20s, ограничиваемые боковыми стенками 22e и 22s, заглушкой 15e и 15s и отверстием 19s или 19e соответственно. Два смежных канала - канал 14e входа и канал 14s выхода - взаимно проницаемы для текучих сред через общую часть своих боковых стенок 22e и 22s.

Элементы 11a-11i соединены с помощью швов 27, изготовленных из керамического цементирующего вещества, в общем случае состоящего из кварца, и/или карбида кремния, и/или нитрида алюминия. Собранный таким образом модуль может быть затем обточен на станке, например, до круглой в сечении формы. В предпочтительном варианте используется также внешнее покрытие 27' (или просто «покрытие»), которое, по существу, закрывает всю боковую поверхность фильтрующего узла. В результате получается цилиндрический фильтрующий узел 3 с продольной осью С-С, который может быть вставлен в корпус 5, причем между наружными фильтрующими элементами 11a-11h или, в случае необходимости, покрытием 27', с одной стороны, и корпусом 5, с другой стороны, проходит поверхностный шов 28, непроницаемый для выхлопных газов.

Как показывают стрелки на Фиг.2, поток выхлопных газов F входит в фильтрующий узел 3 через отверстия 19e каналов 14e входа, пронизывает фильтрующие боковые стенки этих каналов, переходя в каналы 14s выхода, а затем выходит через отверстия 19s.

Через некоторое время использования фильтра твердые частицы, или «сажа», накопившиеся в каналах фильтрующего узла 3, увеличивают потерю давления, которая происходит в фильтрующем узле 3, и таким образом изменяют характеристики двигателя. По этой причине фильтрующий узел приходится регулярно регенерировать, например, через каждые 500 километров.

Регенерация («очистка пор») заключается в окислении сажи. Для этого требуется нагреть узел до температуры, способствующей воспламенению сажи. Неоднородность температур в пределах фильтрующего узла 3 и возможные различия в свойствах материалов, которые используются для фильтрующих элементов 11a-11i и швов 27 и 28, могут при этом создать сильные термомеханические напряжения, способные привести к образованию трещин в швах и/или фильтрующих элементах 11a-11i, уменьшая срок службы фильтра 1 твердых частиц.

Известны, в частности, цементирующие заполнители швов, содержащие карбид кремния в количестве от 30 до 60% от массы. Карбид кремния имеет высокую теплопроводность, что оказывается преимуществом, так как позволяет повысить однородность теплопередачи. Однако карбид кремния имеет относительно высокий коэффициент расширения. Поэтому содержание карбида кремния в таких цементирующих заполнителях швов должно быть ограничено, чтобы обеспечить такую термомеханическую прочность, которая соответствует данному применению фильтров твердых частиц.

Известно, например, из публикации ЕР 0816065, что включение в цементирующий заполнитель швов керамических волокон позволяет увеличить эластические характеристики шва и тем самым устойчивость сборного фильтрующего узла к термомеханическим нагрузкам. Содержание карбида кремния в цементирующем веществе составляет от 3 до 80% от массы. Однако присутствие керамических волокон представляет потенциальный риск с точки зрения гигиены и безопасности и затрудняет переработку фильтрующего узла для повторного использования. Этот риск можно было бы ограничить, используя биорастворимые волокна. Однако их влияние на устойчивость к термомеханическим напряжениям, в частности, при высокой температуре весьма невелико. Кроме того, внедрение волокон, особенно с пониженным содержанием вкраплений (частиц неволокнистой природы), является достаточно дорогой операцией.

Цементирующие вещества, не содержащие керамических волокон и имеющие высокое содержание карбида кремния, известны, в частности, как средство заполнения пространств между фильтрующими узлами. Такие цементирующие вещества обычно изготавливаются из порошка или зерен карбида кремния, керамического вяжущего, типа CaO алюмината для холодного отверждения, и керамического вяжущего, работающего при высоких температурах. Однако эти цементирующие вещества не обладают необходимыми огнеупорными свойствами из-за присутствия CaO алюмината, который ослабляет шов при предельных напряжениях, в частности, при полной регенерации.

Цементирующие вещества с высоким содержанием карбида кремния вследствие наличия мелких частиц этого карбида, чувствительны к окислению в очень жестких условиях, например, при высокой температуре. Частичное окисление цементирующего вещества ведет к образованию кристаллов кварца, что сказывается на термомеханической прочности.

Таким образом, существует потребность в керамическом цементирующем веществе, которое могло бы эффективно противостоять термомеханическим напряжениям, возникающим при его использовании в процессе фильтрации выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, в частности дизельных, и которое имело бы высокое содержание карбида кремния при отсутствии керамических волокон и повышенной устойчивости к окислению.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение цементирующего вещества, отвечающего указанным требованиям.

Согласно изобретению поставленная задача решается посредством цементирующего вещества, предназначенного, в частности, для скрепления нескольких фильтрующих элементов фильтрующего узла для фильтрации твердых частиц в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания автотранспортного средства или для использования в качестве внешнего покрытия для такого фильтрующего узла, причем указанное вещество содержит в процентном содержании по массе относительно общей массы минерального материала (включая карбид кремния), исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе:

- от 30 до 90% карбида кремния (SiC),

- по меньшей мере 3%, предпочтительно по меньшей мере 5% и предпочтительно менее 55%, и еще более предпочтительно менее 30%, полых сферических частиц,

причем по меньшей мере 80% от числа указанных полых сферических частиц имеют размер от 5 до 150 мкм.

В предпочтительном варианте полые сферические частицы имеют неорганическую природу и содержат предпочтительно в процентном содержании по массе от 20 до 99% кварца (SiO₂) и от 1 до 80% оксида алюминия (Al₂O₃), что составляет в сумме по меньшей мере 99%.

Помимо высокой устойчивости к термомеханическим напряжениям шов или внешнее покрытие, образованные в результате термообработки керамического цементирующего вещества согласно настоящему изобретению, приобретают замечательную устойчивость к термической усталости, даже несмотря на отсутствие керамических волокон и/или высокое содержание карбида кремния. Кроме того, цементирующее вещество согласно изобретению обладает повышенной устойчивостью к окислению.

Согласно настоящему изобретению цементирующее вещество предпочтительно обладает одной или более из следующих необязательных характеристик:

- карбид кремния присутствует в виде частиц, медианный размер которых менее 200 мкм, предпочтительно менее 100 мкм. Благодаря карбиду кремния достигаются преимущества, заключающиеся в улучшении химической устойчивости, в частности, по отношению к окружающей среде фильтра, повышении теплопроводности и жесткости шва в нагретом состоянии;

- цементирующее вещество содержит, в процентном содержании по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе, по меньшей мере 0,05%, предпочтительно по меньшей мере 0,1%, и еще более предпочтительно по меньшей мере 0,2%, и/или менее 5% термореактивной смолы, возможно, с подобранным к ней катализатором. Благодаря присутствию термореактивной смолы достигается преимущество, заключающееся в повышении механической прочности шва или внешнего покрытия, в частности, в ненагретом состоянии, что влечет за собой другое преимущество - возможность ограничить количество известьсодержащего гидравлического вяжущего. За счет этого повышается долговечность швов или внешних покрытий в фильтрующих элементах. Кроме того, такое повышение механической прочности позволяет обходиться без керамических волокон и/или увеличить содержание карбида кремния;

- термореактивная смола представляет собой вещество, выбираемое из группы: эпоксидная, силиконовая, полиимидная, фенольная или полиэфирная смола;

- цементирующее вещество не содержит керамических волокон;

- цементирующее вещество содержит диспергатор в количестве от 0,1 до 2%, предпочтительно менее 0,5% по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе;

- содержание указанного карбида кремния составляет более 60% по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе;

- карбид кремния, оксид алюминия и кварц составляют по меньшей мере 80%, предпочтительно по меньшей мере 95% по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе;

- цементирующее вещество имеет содержание извести (CaO) менее 0,5% по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе. Благодаря такому низкому содержанию извести удается избежать ухудшения свойств цементирующего вещества, обусловленного наличием извести;

- цементирующее вещество имеет содержание оксида алюминия, предпочтительно кальцинированного, от 5 до 25%, предпочтительно от 10 до 25%, и/или содержание кварца, предпочтительно в форме кварцевой пыли, от 1 до 15%, предпочтительно от 3 до 10% по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе;

- цементирующее вещество, за вычетом полых сферических частиц, имеет содержание карбида кремния (SiC) от 30 до 90%, и/или содержание оксида алюминия (Al₂O₃) от 1 до 50%, и/или содержание кварца (SiO₂) от 1 до 50%, в процентном содержании по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе.

Настоящее изобретение относится также к увлажненному цементирующему веществу, или «цементирующему раствору», которое образуется при добавлении воды к сухому цементирующему веществу согласно изобретению.

В предпочтительном варианте цементирующий раствор имеет содержание воды менее 40% и/или по меньшей мере 10%, предпочтительно по меньшей мере 15%, в процентном содержании по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которая может содержаться в веществе.

Изобретение относится также к фильтрующему узлу, в частности к фильтру твердых частиц в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания автотранспортного средства, который включает несколько фильтрующих элементов, скрепленных вместе посредством по меньшей мере одного шва, проходящего между указанными фильтрующими элементами и выполненного таким образом, что он препятствует прохождению указанных выхлопных газов между указанными фильтрующими элементами. Этот фильтрующий узел отличается тем, что шов образован термообработкой цементирующего вещества согласно изобретению.

Наконец, изобретение относится к фильтрующему узлу, в частности к фильтру твердых частиц в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания автотранспортного средства, одноэлементному или включающему несколько фильтрующих элементов, которые скреплены вместе посредством по меньшей мере одного шва, проходящего между указанными фильтрующими элементами, причем указанный узел содержит внешнее покрытие, образованное в результате термообработки цементирующего вещества согласно изобретению.

Под «цементирующим веществом» понимается «пригодный для пластичного формования» состав, увлажненный или образованный сухой смесью частиц, способный к отверждению после его активации.

О цементирующем веществе говорят, что оно «активировано», когда в нем начался процесс отверждения. В типичном случае переход в активированное состояние происходит при увлажнении цементирующего вещества водой. При этом получается «увлажненное цементирующее вещество» или «цементирующий раствор».

Переход в твердое состояние (отверждение) цементирующего раствора может быть вызвано сушкой или, например, отверждением смолы. «Отвержденный цементирующий раствор» может быть далее подвергнут воздействию повышенной температуры, в частности, в процессе термообработки, что приведет к полному испарению воды.

Под «сферическими частицами» понимаются частицы, форме которых присуща сферичность, т.е. отношение наименьшего и наибольшего диаметров равно или превышает 0,75, причем способ, которым эта сферичность достигается, несуществен. В предпочтительном варианте сферические частицы, образованные согласно настоящему изобретению, имеют сферичность, равную или более 0,8, предпочтительно равную или более 0,9.

Сферическая частица считается «полой», если она имеет центральную полость, замкнутую или сообщающуюся с наружной средой, и объем указанной полости составляет по меньшей мере 50% от полного внешнего объема полой сферический частицы.

За «размер» сферы или частицы принимается ее максимальное измерение.

Традиционно под «медианным размером частиц или зерен» или «медианным диаметром частиц или зерен» для смеси частиц или совокупности зерен понимается размер D50, относительно которого эти частицы или зерна разделены на две равные по количеству частиц фракции, причем указанные первая и вторая фракции содержат частицы или зерна, размер которых соответственно больше или меньше медианного размера.

Термин «термореактивная смола» обозначает полимер, который может быть трансформирован в тугоплавкий нерастворимый материал после термообработки (теплопередачей, излучением) или физико-химической обработки (катализа, взаимодействия с отвердителем). Таким образом, термореактивные материалы принимают свою окончательную форму при первом охлаждении смолы, и обратить этот процесс невозможно.

Наконец, термином «волокно» обычно обозначается продолговатая структура, имеющая диаметр от 0,1 до 2 мкм и длину, равную приблизительно 1000 мкм.

Процентные отношения указаны по массе, относительно общей массы минерального материала (включая карбид кремния), исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе. На практике данные процентные отношения вычисляются с учетом только базового минерального сырья, состоящего из сухой смеси, и не учитывают минеральные добавки, в частности минеральную смолу, а также воду, которые могут содержаться в веществе. Это базовое минеральное сырье представляет собой, в частности, карбид кремния, минеральные волокна, кварц, алюминат кальция, полые сферические частицы, оксид алюминия, как указано в верхней части Табл.1 ниже.

Цементирующее вещество согласно изобретению готовится обычными способами производства цементирующих веществ.

В типичном случае материалы в виде частиц перемешивают до получения однородной смеси.

Они могут представлять собой любое сырье, которое традиционно используется в производстве цементирующих веществ для огнеупорных керамических швов, соединяющих фильтрующие элементы. В предпочтительном варианте карбид кремния, оксид алюминия и кварц составляют по меньшей мере 80%, предпочтительно по меньшей мере 95% общей массы цементирующего вещества.

Цементирующее вещество, за вычетом полых сферических частиц, содержит предпочтительно от 30 до 90% карбида кремния, от 1 до 50% оксида алюминия и от 1 до 50% кварца, в процентном содержании по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе, причем предпочтительно так, чтобы сумма этих компонентов составила приблизительно 100%. Содержание кварца и оксида алюминия в этих пределах облегчает процесс изготовления цементирующего вещества и обеспечивает более высокую механическую прочность после спекания. Содержание карбида кремния в этих пределах обеспечивает хорошую теплопроводность.

В предпочтительном варианте реализации изобретения цементирующее вещество содержит в процентном содержании по массе относительно массы минерального материала (включая карбид кремния), исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе:

- от 30 до 90% карбида кремния (SiC),

- по меньшей мере 3%, предпочтительно от 5% до 30%, и не более 55% полых сферических частиц, которые содержат в процентном содержании по массе от 20 до 99% кварца (SiO₂) и от 1 до 80% оксида алюминия (Al₂O₃), что составляет в сумме по меньшей мере 99%, причем по меньшей мере 80% от числа указанных полых сферических частиц имеют размер от 5 до 150 мкм.

Стенки сферических частиц предпочтительно сплошные или в небольшой степени пористые, т.е. имеют плотность более 90% от теоретической.

Полые сферические частицы зольной пыли, образующейся в металлургическом производстве или сжиганием исходного материала, например зольной пыли, образующейся в металлургическом производстве, обычно после ее уплотнения.

Примером полых сферических частиц являются сферические частицы производства фирмы Enviro-spheres, продаваемые под маркой «E-spheres», которые представляют собой типичный состав из 60% SiO₂ и 40% Al₂O₃. Традиционно их используют для улучшения реологических свойств красок и бетонов, используемых в строительстве, или в качестве минеральных заполнителей, уменьшающих стоимость пластмассовых изделий.

В предпочтительном варианте отношение R(=D_spheres/D_SiC) медианного размера сферических частиц D_spheres к медианному размеру частиц карбида кремния D_SiC больше 0,1, предпочтительно больше 0,2 и еще более предпочтительно больше 0,5 и/или меньше 30, предпочтительно меньше 10 и еще более предпочтительно меньше 2. Отношение R в пределах от 0,6 до 1,9 представляется наиболее подходящим для рассматриваемых применений. При таком отношении действительно повышается устойчивость к окислению и в то же время обеспечиваются удовлетворительная плотность и пористость.

В одной из реализаций изобретения медианный размер полых сферических частиц предпочтительно больше 80 мкм, еще более предпочтительно больше 100 мкм и/или меньше 160 мкм, еще более предпочтительно меньше 140 мкм. В наиболее предпочтительном варианте медианный размер полых сферических частиц приблизительно равен 120 мкм.

В предпочтительном варианте реализации полые сферические частицы могут быть отнесены к двум нижеследующим фракциям, причем частицы, входящие в эти фракции, в сумме составляют 100% от массы:

- фракцию, составляющую 70% массы полых сферических частиц, в которой медианный размер сферических частиц больше 110 мкм, предпочтительно больше 120 мкм, и/или меньше 150 мкм, предпочтительно меньше 140 мкм, в наиболее предпочтительном варианте равен приблизительно 130 мкм, и

- фракцию, составляющую 30% массы полых сферических частиц, в которой медианный размер сферических частиц больше 35 мкм, предпочтительно больше 40 мкм, и/или меньше 55 мкм, предпочтительно меньше 50 мкм, в наиболее предпочтительном варианте равен приблизительно 45 мкм.

При этом предпочтительно, чтобы медианный размер частиц карбида кремния был больше 20 мкм, предпочтительно больше 45 мкм, еще более предпочтительно больше 60 мкм и/или меньше 150 мкм, предпочтительно меньше 120 мкм, еще более предпочтительно меньше 100 мкм.

В предпочтительном варианте реализации на этой стадии изготовления цементирующего вещества добавляется термореактивная смола в виде порошка.

Для реализации изобретения выбирается такая термореактивная смола, которая отверждается при предварительно заданных условиях и не расплавляется в процессе эксплуатации или при регенерации фильтрующего узла. Тогда добавление смолы позволяет улучшить сопротивление шва термомеханическим напряжениям в течение всего срока службы фильтрующего узла.

В зависимости от применения предпочтительным может быть отверждение смолы при температуре окружающей среды, например при добавлении катализатора, при температуре сушки или при температуре термообработки.

Кроме того, в предпочтительном варианте термореактивная смола имеет до отверждения вязкую консистенцию. Благодаря этому облегчается нанесение цементирующего вещества и поддержание его в нужной форме до термообработки. В предпочтительном варианте смола должна иметь вязкость менее 50 Па·с при скорости сдвига 12 с^-1 и измерении с помощью вискозиметра Haake VT550. Она должна быть предпочтительно растворима в воде при температуре окружающей среды.

Термореактивная смола может присутствовать в цементирующем веществе согласно изобретению в порошкообразном состоянии или в цементирующем растворе согласно изобретению - в жидком состоянии, причем порошкообразное состояние является предпочтительным.

Предпочтительно цементирующее вещество включает карбид кремния в количестве предпочтительно более 60% от массы относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе. Действительно, наличие термореактивной смолы является преимуществом, которое позволяет повысить содержание карбида кремния до величин, превышающих 60%, сохраняя при этом удовлетворительную термомеханическую прочность. Тем самым облегчается извлечение драгоценных металлов при переработке фильтрующего узла для повторного использования. И само повторное использование карбида кремния при этом также упрощается.

Для облегчения переработки желательно также, чтобы цементирующее вещество не содержало керамических волокон.

Наличие термореактивной смолы в цементирующем веществе согласно изобретению позволяет ограничить содержание керамического вяжущего для холодного отверждения. Содержимое CaO в цементирующем веществе, подвергнутом термообработке, может составлять менее 0,5% от массы. Таким образом удается ограничить уменьшение прочности из-за наличия CaO. В предпочтительном варианте цементирующее вещество согласно изобретению не содержит CaO.

В предпочтительном варианте цементирующее вещество включает диспергатор в количестве от 0,1 до 0,5% от массы относительно общей массы цементирующего вещества. Диспергатор может представлять собой, например, полифосфат щелочного металла или производное метакрилата.

Возможно применение всех известных типов диспергаторов: чисто ионного действия (например, гексаметафосфат натрия (HMPNa)), чисто стерического действия (например, полиметакрилат натрия) или комбинированного, ионного и стерического действия. Добавление диспергатора позволяет лучше распределять мелкие частицы, имеющие размер менее 50 мкм, и таким образом благоприятно влияет на механическую прочность шва.

В предпочтительном варианте диспергатор, или «дефлокулянт», вводится в цементирующее вещество в виде порошка.

Помимо компонентов, упомянутых выше, цементирующее вещество согласно изобретению может также включать одну или более из традиционно применяемых добавок для придания формы или улучшения спекания в количестве, общеизвестном специалистам в данной области. В качестве примеров таких добавок можно упомянуть, не претендуя на исчерпывающий характер списка:

- временно добавляемые (т.е. полностью или частично удаляемые при термообработке) органические вяжущие, например смолы; производные целлюлозы или лигнина, такие как, например, карбоксиметилцеллюлоза, декстрин, поливиниловые спирты и др.;

- химические ускорители схватывания, такие как, например, фосфорная кислота, монофосфат алюминия и др.;

- добавки, улучшающие спекание, например диоксид титана или гидроксид магния;

- добавки для придания формы, например стеарат кальция или стеарат магния.

Добавки для придания формы или улучшения спекания вносятся в различных количествах, но при этом достаточно незначительных, чтобы не оказывать существенного влияния на пропорции содержания по массе различных компонентов, определяющих основные свойства цементирующего вещества или цементирующего раствора согласно изобретению.

Получаемая при этом смесь представляет собой деактивированное цементирующее вещество согласно изобретению, которое может быть доведено до товарного вида и отправлено на продажу. В предпочтительном варианте эта смесь содержит по меньшей мере часть различных необходимых порошкообразных добавок. Другую их часть при этом можно добавить на последующем этапе приготовления раствора.

В типичном случае на этом последнем этапе к смеси частиц добавляют воду. В предпочтительном варианте добавляют менее 40% и/или по меньшей мере 10%, предпочтительно по меньшей мере 15% воды, в процентном содержании по массе относительно массы минерального материала цементирующего вещества, исключая воду и минеральную смолу, которая может содержаться в веществе. В предпочтительном варианте смолу растворяют в воде, чтобы повысить ее вязкость, и после этого такой раствор добавляют к смеси частиц.

На этом этапе можно также добавить катализатор для смолы, который ускорит отверждение смолы. Выбор катализатора, например фурфурилового спирта или мочевины, зависит от типа смолы, и принципы этого выбора известны специалистам в данной области.

Смесь, в которую добавлена вода, размешивают до получения существенно однородного тестообразного раствора. Добавление воды приводит к активации цементирующего вещества согласно изобретению, т.е. запускает процесс его загустевания. Полученный при этом раствор можно нанести между фильтрующими элементами фильтрующего узла или на поверхность фильтрующего узла.

В традиционном процессе после размещения цементирующего раствора между фильтрующими элементами его сушат при температуре, предпочтительно находящейся в диапазоне от 100 до 200°C, предпочтительно под потоком воздуха или в атмосфере с контролем влажности, предпочтительно так, чтобы остаточная влажность составляла от 0 до 20%. Традиционная продолжительность сушки составляет от 15 минут до 24 часов, в зависимости от формата шва.

Подсохший цементирующий раствор затем может быть подвергнут термическому отверждению. Благодаря термообработке происходит уплотнение цементирующего раствора. В типичном случае процесс представляет собой обжиг, предпочтительно в окислительной атмосфере, предпочтительно при атмосферном давлении и температуре от 400 до 1200°C, с образованием достаточно устойчивого шва. Такая операция термообработки известна специалистам в данной области. Обычно она ведет к снижению пористости и усадке. Продолжительность обжига обычно составляет приблизительно от 1 до 20 часов от исходного ненагретого состояния до заключительного ненагретого состояния и зависит от материала, а также от размера и формы создаваемых огнеупорных швов.

В зависимости от наличия смолы и от того, какая смола используется, ее отверждение может происходить при температуре окружающей среды, при предпочтительной температуре сушки, при температуре термообработки или же может нуждаться в воздействии излучения, например посредством ультрафиолетовых лучей, или в дополнительном нагреве.

Выявлено, что цементирующее вещество согласно изобретению пригодно не только для скрепления фильтрующих элементов фильтрующего узла, предназначенного для фильтрования выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания автотранспортного средства, но и для формирования внешнего покрытия, которое традиционно наносится на внешние боковые поверхности фильтрующих узлов. Таким образом, изобретение относится также к использованию цементирующего вещества согласно изобретению для формирования покрытия внешней поверхности фильтрующего узла, независимо от того, представляет ли он собой один элемент (т.е. не является сборным), или, наоборот, образован соединением нескольких фильтрующих элементов. Изобретение, в частности, относится к фильтрующему узлу, который включает несколько фильтрующих элементов, скрепленных вместе посредством шва, образованного цементирующим веществом согласно изобретению, и на внешние боковые поверхности которого нанесено покрытие, выполненное из того же цементирующего вещества.

Следующие примеры, описанные в Табл.1 и 2, приведены исключительно в иллюстративных целях и не исчерпывают все возможные случаи.

Испытываемые цементирующие растворы готовились в смесителе низкоинтенсивной планетарной конструкции согласно традиционной процедуре, предусматривающей:

- сухое размешивание порошков и зерен в течение 2 минут с добавлением в случае необходимости диспергатора, после чего следует

- добавление воды, возможно, с вяжущим (полисахаридом) и, в случае необходимости, катализатора, после чего следует

- размешивание в течение 10 минут до консистенции, достаточной для применения данного раствора в качестве заполнителя швов.

Данные столбцов, помеченных ссылками «Сс.1», «Сс.2» и «Сс.3», относятся к цементирующим веществам, изготовленным согласно технологии, известной из уровня техники. Данные в столбце, соответствующем ссылке 2, относятся к волокнистому цементирующему веществу, описанному в качестве примера 1 в публикации ЕР 0816065.

Данные, приведенные в столбцах 1-4, соответствуют примерам реализации цементирующего вещества согласно настоящему изобретению.

Образцы цементирующего раствора, описанные в Табл.1, сушили при температуре 120°C в течение 12 часов, а затем подвергли термообработке при температуре 800°C под потоком воздуха (этап продолжительностью 2 часа). После этого измерили открытую пористость в соответствии со стандартом ISO5017.

Химическому анализу были подвергнуты образцы цементирующего вещества, просушенного при 120°C и растертого в порошок, которое прошло предварительную кальцинацию под потоком воздуха при 750°C в течение приблизительно 0,5 часа, что соответствует практике подготовки к химическому анализу, хорошо известной специалистам в данной области. Содержание SiC, в частности, измерялось прибором фирмы LECO.

В верхней части Табл.1 для различных испытываемых цементирующих веществ приведен, в процентном содержании по массе, состав базового сырья, изготовленного из сухой смеси. Данные о «добавках», в частности о количестве воды, добавленной для активации этих цементирующих веществ, и смолы, выражены в процентном содержании по массе указанного сырья.

В Табл.1 также приводятся результаты испытаний на различные характеристики цементирующего вещества, подвергнутого предварительной обработке в соответствии с условиями испытания на окисляемость: образец, подвергнутый предварительному обжигу при 800°C, испытывался при 1450°C под потоком воздуха.

Из Табл.1 видно, что подвергнутый термообработке материал, который был получен из цементирующего вещества или цементирующего раствора согласно изобретению, при одинаковом составе улучшает свою устойчивость к окислению в случае добавления в смесь полых сферических частиц.

Однако, как показывает пример 6, увеличение отношения R ограничивает воздействие сферических частиц на окисляемость. Таким образом, отношение R должно быть предпочтительно менее 30.

Разумеется, настоящее изобретение не ограничивается описанными примерами реализациии, которые приводились исключительно в иллюстративных целях и не исчерпывают возможные случаи.

В частности, не исключается присутствие глины или керамических волокон. Цементирующее вещество согласно изобретению может также содержать водорастворимые волокна.

Изобретение относится к цементирующему заполнителю швов, предназначенному для скрепления нескольких фильтрующих элементов фильтрующего узла. Техническим результатом изобретения является повышение термомеханической прочности цементирующего вещества. Цементирующее вещество содержит по меньшей мере 3 мас.% полых сферических частиц, от 30 до 90 мас.% карбида кремния, от 1 до 50 мас.% оксида алюминия и от 1 до 50 мас.% кварца относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе. Причем по меньшей мере 80% от числа указанных полых сферических частиц имеют размер от 5 до 150 мкм, содержание карбида кремния, оксида алюминия и кварца составляет по меньшей мере 80 мас.% относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе, а отношение (R) медианного размера сферических частиц к медианному размеру частиц карбида кремния в указанном цементирующем веществе меньше 30. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Цементирующее вещество, в частности, для скрепления нескольких фильтрующих элементов фильтрующего узла для фильтрации твердых частиц в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания автотранспортного средства или для использования в качестве внешнего покрытия такого фильтрующего узла, причем указанное вещество содержит по меньшей мере 3% полых сферических частиц, в процентном содержании по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе, причем по меньшей мере 80% от числа указанных полых сферических частиц имеют размер от 5 до 150 мкм; при этом указанное цементирующее вещество за вычетом полых сферических частиц, содержит от 30 до 90% карбида кремния, от 1 до 50% оксида алюминия и от 1 до 50% кварца, причем карбид кремния, оксид алюминия и кварц составляют по меньшей мере 80%, в процентном отношении по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе; причем в указанном цементирующем веществе отношение (R) медианного размера сферических частиц к медианному размеру частиц карбида кремния меньше 30.

2. Цементирующее вещество по п.1, в котором указанные полые сферические частицы содержат, в процентном содержании по массе, от 20 до 99% кварца (SiO₂) и от 1 до 80% оксида алюминия (Al₂O₃), что составляет в сумме по меньшей мере 99%.

3. Цементирующее вещество по п.1, содержащее по меньшей мере 5% указанных полых сферических частиц, в процентном содержании по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе.

4. Цементирующее вещество по п.1, имеющее содержание извести (СаО) менее 0,5% по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе.

5. Цементирующее вещество по п.1, которое содержит карбид кремния в виде частиц, медианный размер которых менее 200 мкм.

6. Цементирующее вещество по п.1, содержащее по меньшей мере 0,05% и менее 5% термореактивной смолы, в процентном содержании по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе.

7. Цементирующее вещество по п.1, содержащее карбид кремния в количестве более 60% по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе.

8. Цементирующее вещество по п.1, не содержащее керамических волокон.

9. Цементирующее вещество по п.1, в котором карбид кремния, оксид алюминия и кварц составляют по меньшей мере 95% по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе.

10. Цементирующее вещество по п.1, содержащее воду в количестве менее 40% по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе.

11. Цементирующее вещество по п.1, в котором отношение (R) медианного размера полых сферических частиц к медианному размеру частиц карбида кремния больше 0,1.

12. Цементирующее вещество по п.12, в котором указанное отношение (R) больше 0,2 и меньше 10.

13. Цементирующее вещество по п.13, в котором указанное отношение (R) больше 0,5 и меньше 2.

14. Цементирующее вещество по п.14, в котором указанное отношение (R) находится в пределах от 0,6 до 1,9.

15. Цементирующее вещество по п.1, в котором медианный размер полых сферических частиц находится в пределах от 80 до 160 мкм и/или медианный размер частиц карбида кремния находится в пределах от 50 мкм до 150 мкм.

16. Цементирующее вещество по п.16, в котором медианный размер полых сферических частиц находится в пределах от 100 до 140 мкм и/или медианный размер частиц карбида кремния находится в пределах от 80 мкм до 100 мкм.

17. Цементирующее вещество по п.1, в котором полые сферические частицы разделены на две фракции, суммарно составляющие 100% массы указанных частиц:
- первую фракцию, составляющую 70% от массы полых сферических частиц, причем медианный размер сферических частиц указанной первой фракции больше 110 мкм и меньше 150 мкм, и
- вторую фракцию, составляющую 30% от массы полых сферических частиц, причем медианный размер сферических частиц указанной второй фракции больше 35 мкм и меньше 55 мкм.

18. Цементирующее вещество по п.7, не содержащее керамических волокон.

19. Цементирующее вещество по п.18, содержащее по меньшей мере 0,05% и менее 5% термореактивной смолы, в процентном содержании по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе.

20. Цементирующее вещество по п.19, имеющее содержание извести (СаО) менее 0,5% по массе относительно массы минерального материала, исключая воду и минеральную смолу, которые могут содержаться в веществе.

21. Фильтрующий узел, в частности, для фильтра твердых частиц в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания автотранспортного средства, содержащий несколько фильтрующих элементов, скрепленных вместе посредством по меньшей мере одного шва, проходящего между указанными фильтрующими элементами и выполненного таким образом, что он препятствует прохождению указанных выхлопных газов между указанными фильтрующими элементами, в котором:
- указанный шов выполнен посредством термообработки цементирующего вещества по п.1, и/или
- указанный фильтрующий узел содержит внешнее покрытие (27'), выполненное посредством термообработки цементирующего вещества по п.1.

22. Одноэлементный фильтрующий узел, в частности, для фильтра твердых частиц в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания автотранспортного средства, содержащий внешнее покрытие (27'), выполненное посредством термообработки цементирующего вещества по п.1.