一种蜂窝陶瓷载体表面增强涂料及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种蜂窝陶瓷载体表面增强涂料及其制备方法和应用 (Honeycomb ceramic carrier surface reinforcing coating and preparation method and application thereof ) 是由 李桂娟 张瑶 许妹华 鹿明 于 2020-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明属于涂料领域,尤其涉及一种蜂窝陶瓷载体表面增强涂料及其制备方法和应用。本发明提供的涂料以重量份数计,包括：一级纤维20～50份；二级纤维1～3份；硅酸铝镁2～5份；无机溶胶140～260份；无机粉料200～600份；所述一级纤维的纤维直径为2～4μm,纤维长度为50～250μm；所述二级纤维的纤维直径为3～10μm,纤维长度为50～250μm。本发明通过对涂料的成分组成进行优化设计,特别是两级纤维的复配,达到纤维长短粗细合理搭接的效果,从而显著提高了涂料的抗热冲击性能。将本发明的蜂窝陶瓷载体表面增强涂料涂覆于蜂窝陶瓷载体表面,其抗热冲击性能可达到850℃循环三次无裂纹。(The invention belongs to the field of coatings, and particularly relates to a honeycomb ceramic carrier surface reinforcing coating as well as a preparation method and application thereof. The coating provided by the invention comprises the following components in parts by weight: 20-50 parts of primary fiber; 1-3 parts of secondary fiber; 2-5 parts of aluminum magnesium silicate; 140-260 parts of inorganic sol; 200-600 parts of inorganic powder; the fiber diameter of the primary fiber is 2-4 μm, and the fiber length is 50-250 μm; the diameter of the secondary fiber is 3-10 μm, and the length of the secondary fiber is 50-250 μm. The invention achieves the effect of reasonably overlapping the length, the thickness and the thickness of the fibers by optimally designing the component composition of the coating, particularly compounding the two-stage fibers, thereby obviously improving the thermal shock resistance of the coating. The surface enhanced coating of the honeycomb ceramic carrier is coated on the surface of the honeycomb ceramic carrier, and the thermal shock resistance of the surface enhanced coating can reach 850 ℃ and can be circulated for three times without cracks.)
技术领域
本发明属于涂料领域，尤其涉及一种蜂窝陶瓷载体表面增强涂料及其制备方法和应用。
背景技术
随着经济的快速发展，汽车占有量的迅速增加，汽车尾气处理也越来越得到人们的关注。随着我国对环保要求的不断加强，汽车尾气的排放标准逐渐提高，尤其我国即将推行的“国六”排放标准，将对汽车尾气排放提出更高的要求，因此市场对用于汽车尾气处理的蜂窝陶瓷载体也提出了更加严格的要求。
为了提高蜂窝陶瓷载体的催化效率，蜂窝陶瓷载体的孔密度越来越大，孔壁随之越来越薄，这导致生产大直径蜂窝陶瓷载体一次成型困难，需要先将成型的坯体进行烧成，然后将烧成后的坯体去除外表皮，最后在坯体外围涂覆一层表面增强涂料，干燥后得到蜂窝陶瓷载体成品。坯体去除外表皮后外壁网络薄且脆，机械强度差，且蜂窝陶瓷载体长期使用在颠簸的汽车上，不断受到机械冲击，这就要求蜂窝陶瓷载体表面增强涂料具有较高的机械强度，以起到保护蜂窝陶瓷载体不被机械破坏的作用。此外，在尾气处理过程中需要通过点火使催化剂产生催化作用，催化剂载体在使用过程中不断受到热冲击，因此要求蜂窝陶瓷载体要具备良好的抗热冲击性能。
目前市场上的蜂窝陶瓷载体能够满足650℃三次急冷无裂纹的要求，但是随着逐渐推行“国六”排放标准，蜂窝陶瓷载体孔壁越来越薄，对蜂窝陶瓷载体的抗热冲击性能将提出更高的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种蜂窝陶瓷载体表面增强涂料及其制备方法和应用，将本发明提供的涂料涂覆于蜂窝陶瓷载体表面，可显著提升蜂窝陶瓷载的抗热冲击性能。
本发明提供了一种蜂窝陶瓷载体表面增强涂料，以重量份数计，包括：
所述一级纤维的纤维直径为2～4μm，纤维长度为50～250μm；
所述二级纤维的纤维直径为3～10μm，纤维长度为50～250μm。
优选的，所述一级纤维为高纯纤维、高铝纤维、氧化铝纤维和含锆纤维中的一种或多种；
所述高纯纤维的Al2O3含量≥45wt％，SiO2含量≥54wt％，Fe2O3的含量≤0.2wt％；所述高铝纤维的Al2O3含量≥53wt％，SiO2含量≥46wt％，Fe2O3的含量≤0.2wt％；所述氧化铝纤维的Al2O3含量≥72wt％，Al2O3和SiO2的合计含量≥99.5wt％，Fe2O3的含量≤0.1wt％；所述含锆纤维的Al2O3含量≥36wt％，SiO2含量≥48wt％，ZrO2含量≥15wt％，Fe2O3的含量≤0.1wt％。
优选的，所述二级纤维为无碱玻璃纤维和/或中碱玻璃纤维。
优选的，所述无机溶胶为二氧化硅溶胶和/或氧化锆溶胶。
优选的，所述无机粉料为堇青石粉和/或电熔石英粉。
优选的，所述无机粉料的粒径为200～1000目。
本发明提供了一种上述技术方案所述蜂窝陶瓷载体表面增强涂料的制备方法，包括以下步骤：
a)将一级纤维、二级纤维、硅酸铝镁、无机溶胶和无机粉料进行混合，得到蜂窝陶瓷载体表面增强涂料。
优选的，所述步骤a)具体包括：
a1)将一级纤维原料、二级纤维原料、硅酸铝镁和部分无机溶胶混合球磨，得到涂料基料；
所述一级纤维原料为未球磨粉碎的一级纤维，所述一级纤维原料的纤维直径为2～4μm，纤维长度为100～200mm；
所述二级纤维原料为未球磨粉碎的二级纤维，所述二级纤维原料的纤维直径为3～10μm，纤维长度为3～10mm；
a2)将所述涂料基料、无机粉料和余量的无机溶胶混合，得到蜂窝陶瓷载体表面增强涂料。
优选的，所述步骤a1)具体包括：
先将一级纤维原料、二级纤维原料和部分无机溶胶混合球磨，之后再将混合球磨产物与硅酸铝镁继续混合球磨，得到涂料基料。
本发明提供了一种蜂窝陶瓷载体，包括蜂窝陶瓷载体基体，所述蜂窝陶瓷载体基体表面涂覆有上述技术方案所述蜂窝陶瓷载体表面增强涂料。
与现有技术相比，本发明提供了一种蜂窝陶瓷载体表面增强涂料及其制备方法和应用。本发明提供的涂料以重量份数计，包括：一级纤维20～50份；二级纤维1～3份；硅酸铝镁2～5份；无机溶胶140～260份；无机粉料200～600份；所述一级纤维的纤维直径为2～4μm，纤维长度为50～250μm；所述二级纤维的纤维直径为3～10μm，纤维长度为50～250μm。本发明通过对涂料的成分组成进行优化设计，特别是两级纤维的复配，达到纤维长短粗细合理搭接的效果，从而显著提高了涂料的抗热冲击性能。将本发明的蜂窝陶瓷载体表面增强涂料涂覆于蜂窝陶瓷载体表面，其抗热冲击性能可达到850℃循环三次无裂纹，进一步为“国六”排放标准提供了有力支撑。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种蜂窝陶瓷载体表面增强涂料，以重量份数计，包括：
所述一级纤维的纤维直径为2～4μm，纤维长度为50～250μm；
所述二级纤维的纤维直径为3～10μm，纤维长度为50～250μm。
本发明提供的涂料包括一级纤维、二级纤维、硅酸铝镁、无机溶胶和无机粉料。其中，所述一级纤维的纤维直径优选为2～4μm，具体可为2μm、2.5μm、3μm、3.5μm或4μm；所述一级纤维的纤维长度优选为50～250μm，具体可为50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm、200μm、210μm、220μm、230μm、240μm或250μm；所述一级纤维优选为一级纤维原料的球磨粉碎产物，球磨粉碎前的所述一级纤维原料的纤维长度优选为100～200mm，具体可为100mm、110mm、120mm、130mm、140mm、150mm、160mm、170mm、180mm、190mm或200mm。在本发明中，所述一级纤维优选为高纯纤维、高铝纤维、氧化铝纤维和含锆纤维中的一种或多种；所述高纯纤维的Al2O3含量≥45wt％，SiO2含量≥54wt％，Fe2O3的含量≤0.2wt％；所述高铝纤维的Al2O3含量≥53wt％，SiO2含量≥46wt％，Fe2O3的含量≤0.2wt％；所述氧化铝纤维的Al2O3含量≥72wt％，Al2O3和SiO2的合计含量≥99.5wt％，Fe2O3的含量≤0.1wt％；所述含锆纤维的Al2O3含量≥36wt％，SiO2含量≥48wt％，ZrO2含量≥15wt％，Fe2O3的含量≤0.1wt％。在本发明中，所述一级纤维在涂料中的含量为20～50重量份，具体可为20重量份、21重量份、22重量份、23重量份、24重量份、25重量份、26重量份、27重量份、28重量份、29重量份、30重量份、31重量份、32重量份、33重量份、34重量份、35重量份、36重量份、37重量份、38重量份、39重量份、40重量份、41重量份、42重量份、43重量份、44重量份、45重量份、46重量份、47重量份、48重量份、49重量份或50重量份。
在本发明提供的涂料中，所述二级纤维的纤维直径优选为3～10μm，具体可为3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm；所述二级纤维的纤维长度优选为50～250μm，具体可为50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm、200μm、210μm、220μm、230μm、240μm或250μm；所述二级纤维优选为一级纤维原料的球磨粉碎产物，球磨粉碎前的所述二级纤维原料的纤维长度优选为3～10mm，具体可为3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm或10mm。在本发明中，所述二级纤维优选为无碱玻璃纤维和/或中碱玻璃纤维。在本发明中，所述二级纤维在涂料中的含量为1～3重量份，具体可为1重量份、1.1重量份、1.2重量份、1.3重量份、1.4重量份、1.5重量份、1.6重量份、1.7重量份、1.8重量份、1.9重量份、2重量份、2.1重量份、2.2重量份、2.3重量份、2.4重量份、2.5重量份、2.6重量份、2.7重量份、2.8重量份、2.9重量份或3重量份。
在本发明提供的涂料中，所述硅酸铝镁在涂料中的含量为2～5重量份，具体可为2重量份、2.1重量份、2.2重量份、2.3重量份、2.4重量份、2.5重量份、2.6重量份、2.7重量份、2.8重量份、2.9重量份、3重量份、3.1重量份、3.2重量份、3.3重量份、3.4重量份、3.5重量份、3.6重量份、3.7重量份、3.8重量份、3.9重量份、4重量份、4.1重量份、4.2重量份、4.3重量份、4.4重量份、4.5重量份、4.6重量份、4.7重量份、4.8重量份、4.9重量份或5重量份。
在本发明提供的涂料中，所述无机溶胶优选为二氧化硅溶胶和/或氧化锆溶胶；所述无机溶胶的固含量优选为30～40wt％，具体可为30wt％、31wt％、32wt％、33wt％、34wt％、35wt％、36wt％、37wt％、38wt％、39wt％或40wt％。在本发明中，所述无机溶胶在涂料中的含量为140～260重量份，具体可为140重量份、145重量份、150重量份、155重量份、160重量份、165重量份、170重量份、175重量份、180重量份、185重量份、190重量份、191重量份、195重量份、196重量份、200重量份、205重量份、210重量份、215重量份、220重量份、225重量份、230重量份、235重量份、240重量份、245重量份、250重量份、253重量份、255重量份或260重量份。
在本发明提供的涂料中，所述无机粉料优选为堇青石粉和/或电熔石英粉；所述无机粉料的粒径优选为200～1000目，具体可为200目、250目、300目、325目、350目、400目、450目、500目、550目、600目、650目、700目、750目、800目、850目、900目、950目或1000目。在本发明中，所述无机粉料在涂料中的含量为200～600重量份，具体可为200重量份、210重量份、220重量份、227重量份、230重量份、240重量份、247重量份、250重量份、260重量份、270重量份、280重量份、290重量份、300重量份、309重量份、310重量份、320重量份、350重量份、370重量份、400重量份、420重量份、450重量份、470重量份、500重量份、520重量份、550重量份、570重量份或600重量份。
本发明还提供了一种上述技术方案所述蜂窝陶瓷载体表面增强涂料的制备方法，包括以下步骤：
a)将一级纤维、二级纤维、硅酸铝镁、无机溶胶和无机粉料进行混合，得到蜂窝陶瓷载体表面增强涂料。
在本发明提供的制备方法中，直接将所述一级纤维、二级纤维、硅酸铝镁、无机溶胶和无机粉料按照配比混合均匀即可得到本发明提供的涂料，其具体的制备过程优选包括：
a1)将一级纤维原料、二级纤维原料、硅酸铝镁和部分无机溶胶混合球磨，得到涂料基料；
所述一级纤维原料为未球磨粉碎的一级纤维，所述一级纤维原料的纤维直径为2～4μm，纤维长度为100～200mm；
所述二级纤维原料为未球磨粉碎的二级纤维，所述二级纤维原料的纤维直径为3～10μm，纤维长度为3～10mm；
a2)将所述涂料基料、无机粉料和余量的无机溶胶混合，得到蜂窝陶瓷载体表面增强涂料。
在本发明提供的上述制备过程中，步骤a1)中，以一级纤维的用量为20～50重量份计，所述部分无机溶胶的用量优选为40～60重量份，具体可为40重量份、41重量份、42重量份、43重量份、44重量份、45重量份、46重量份、47重量份、48重量份、49重量份、50重量份、51重量份、52重量份、53重量份、54重量份、55重量份、56重量份、57重量份、58重量份、59重量份或60重量份。
在本发明提供的上述制备过程中，所述步骤a1)具体包括：先将一级纤维原料、二级纤维原料和部分无机溶胶混合球磨，之后再将混合球磨产物与硅酸铝镁继续混合球磨，得到涂料基料。其中，球磨采用的研磨体直径优选为5～10mm；球磨的球料质量比优选为(2～3)：1；第一次球磨的时间优选为10～15min；继续球磨的时间优选为3～5min。
本发明通过对蜂窝陶瓷载体表面增强涂料的成分组成进行优化设计，使所得涂料表现出极为优秀的抗热冲击性能；将其涂覆于蜂窝陶瓷载体表面后，蜂窝陶瓷载体的抗热冲击性能可以达到850℃循环三次无裂纹。更具体来说，本发明提供和制备的蜂窝陶瓷载体表面增强涂料具有以下优点：
1)采用两级纤维复配，纤维长度及纤维直径合理级配，显著提高了涂料本身的抗热冲击性能；
2)无机粉料优选采用的堇青石细粉和电熔石英粉热膨胀系数低，避免了因受热膨胀引起的涂层开裂；
3)原材料全部采用无机材料，长期存储稳定，避免了有机胶质长期存储被细菌分解导致涂料腐败变质的问题，同时产品高温下不会产生有机物二次生烟污染。
本发明还提供了一种蜂窝陶瓷载体，包括蜂窝陶瓷载体基体，所述蜂窝陶瓷载体基体表面涂覆上述技术方案所述蜂窝陶瓷载体表面增强涂料，涂覆厚度优选为1～5mm，更优选为3～5mm。本发明提供的蜂窝陶瓷载体表面涂覆有本发明提供的所述涂料，从而大幅提升了蜂窝陶瓷载体的抗热冲击性能，该蜂窝陶瓷载体热冲击性能可达到850℃循环三次无裂纹。
为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例1
1)涂料基料的制备：
准备20重量份一级纤维、3重量份二级纤维、40重量份无机溶胶和2重量份硅酸镁铝；其中，一级纤维为氧化铝纤维(Al2O3含量≥72wt％，Al2O3和SiO2的合计含量≥99.5wt％，Fe2O3的含量≤0.1wt％)，纤维直径为2～4μm，纤维长度为100～200mm；二级纤维为无碱玻璃纤维(江苏康达夫新材料有限公司，E级玻璃纤维)，纤维直径为3～5μm，纤维长度为3～5mm；无机溶胶为二氧化硅溶胶，固含量为30wt％；
将上述一级纤维、二级纤维、无机溶胶于搅拌球磨机中球磨；其中，球磨介质为刚玉球，刚玉球的直径为5～10mm，球料比为2:1，球磨时间为10min；球磨结束后，球磨混合物中的纤维长度达到200～250μm；然后，加入硅酸镁铝，继续混合球磨3min，得到涂料基料。
2)蜂窝陶瓷载体表面增强涂料的制备：
在步骤1)制备的65重量份的涂料基料中加入130重量份的二氧化硅溶胶、520重量份的无机粉料；其中，二氧化硅溶胶的固含量为40wt％，无机粉料为粒径200目的堇青石细粉；将上述材料搅拌均匀后，得到蜂窝陶瓷载体表面增强涂料。
将上述蜂窝陶瓷表面增强涂料涂覆于蜂窝陶瓷载体表面，所述蜂窝陶瓷载体为山东奥福环保科技股份有限公司SCR蜂窝陶瓷载体(规格为266.7×152.4-400/4)，所述涂覆的厚度为3mm；涂覆上述涂料后，蜂窝陶瓷载体的抗热冲击性能可以达到850℃循环三次无裂纹(检测方法依据GB/T25994-2010)。
实施例2
1)涂料基料的制备：
准备50重量份一级纤维、1重量份二级纤维、60重量份无机溶胶和5重量份硅酸镁铝；其中，一级纤维为高铝纤维(Al2O3含量≥53wt％，SiO2含量≥46wt％，Fe2O3的含量≤0.2wt％)，纤维直径为2～4μm，纤维长度为100～200mm；二级纤维为中碱玻璃纤维(江苏康达夫新材料有限公司，C级玻璃纤维)，纤维直径为5～10μm，纤维长度为5～10mm；无机溶胶为氧化锆溶胶，固含量为30wt％；
将上述一级纤维、二级纤维、无机溶胶于搅拌球磨机中球磨；其中，球磨介质为刚玉球，刚玉球的直径为5～10mm，球料比为3:1，球磨时间为15min；球磨结束后，球磨混合物中的纤维长度达到50～150μm；然后，加入硅酸镁铝，继续混合球磨5min，得到涂料基料。
2)蜂窝陶瓷载体表面增强涂料的制备：
在步骤1)制备的116重量份的涂料基料中加入193重量份的二氧化硅溶胶、309重量份的无机粉料；其中，二氧化硅溶胶的固含量为30wt％，无机粉料为粒径1000目的电熔石英粉；将上述材料搅拌均匀后，得到蜂窝陶瓷载体表面增强涂料。
将上述蜂窝陶瓷表面增强涂料涂覆于蜂窝陶瓷载体表面，所述蜂窝陶瓷载体为山东奥福环保科技股份有限公司SCR蜂窝陶瓷载体(规格为266.7×152.4-400/4)，所述涂覆的厚度为3mm；涂覆上述涂料后，蜂窝陶瓷载体的抗热冲击性能可以达到850℃循环三次无裂纹(检测方法依据GB/T25994-2010)。
实施例3
1)涂料基料的制备：
准备30重量份一级纤维、3重量份二级纤维、55重量份无机溶胶和3重量份硅酸镁铝；其中，一级纤维为高纯纤维(Al2O3含量≥45wt％，SiO2含量≥54wt％，Fe2O3的含量≤0.2wt％)，纤维直径为2～4μm，纤维长度为100～200mm；二级纤维为中碱玻璃纤维(江苏康达夫新材料有限公司，C级玻璃纤维)，纤维直径为5～10μm，纤维长度为3～5mm；无机溶胶为氧化锆溶胶，固含量为30wt％；
将上述一级纤维、二级纤维、无机溶胶于搅拌球磨机中球磨；其中，球磨介质为刚玉球，刚玉球的直径为5～10mm，球料比为2:1，球磨时间为13min；球磨结束后，球磨混合物中的纤维长度达到150～200μm；然后，加入硅酸镁铝，继续混合球磨4min，得到涂料基料。
2)蜂窝陶瓷载体表面增强涂料的制备：
在步骤1)制备的91重量份的涂料基料中加入136重量份的二氧化硅溶胶、227重量份的无机粉料；其中，二氧化硅溶胶的固含量为40wt％，无机粉料为粒径325目的电熔石英粉；将上述材料搅拌均匀后，得到蜂窝陶瓷载体表面增强涂料。
将上述蜂窝陶瓷表面增强涂料涂覆于蜂窝陶瓷载体表面，所述蜂窝陶瓷载体为山东奥福环保科技股份有限公司SCR蜂窝陶瓷载体(规格为266.7×152.4-400/4)，所述涂覆的厚度为3mm；涂覆上述涂料后，蜂窝陶瓷载体的抗热冲击性能可以达到800℃循环三次无裂纹(检测方法依据GB/T25994-2010)。
实施例4
1)涂料基料的制备：
准备45重量份一级纤维、2重量份二级纤维、55重量份无机溶胶和4重量份硅酸镁铝；其中，一级纤维为含锆纤维(Al2O3含量≥36wt％，SiO2含量≥48wt％，ZrO2含量≥15wt％，Fe2O3的含量≤0.1wt％)，纤维直径为2～4μm，纤维长度为100～200mm；二级纤维为无碱玻璃纤维(江苏康达夫新材料有限公司，E级玻璃纤维)，纤维直径为5～10μm，纤维长度为5～10mm；无机溶胶为氧化锆溶胶，固含量为30wt％；
将上述一级纤维、二级纤维、无机溶胶于搅拌球磨机中球磨；其中，球磨介质为刚玉球，刚玉球的直径为5～10mm，球料比为2.5:1，球磨时间为14min；球磨结束后，球磨混合物中的纤维长度达到120～200μm；然后，加入硅酸镁铝，继续混合球磨3min，得到涂料基料。
2)蜂窝陶瓷载体表面增强涂料的制备：
在步骤1)制备的106重量份的涂料基料中加入141重量份的二氧化硅溶胶、247重量份的无机粉料；其中，二氧化硅溶胶的固含量为40wt％，无机粉料为粒径600目的堇青石细粉；将上述材料搅拌均匀后，得到蜂窝陶瓷载体表面增强涂料。
将上述蜂窝陶瓷表面增强涂料涂覆于蜂窝陶瓷载体表面，所述蜂窝陶瓷载体为山东奥福环保科技股份有限公司SCR蜂窝陶瓷载体(规格为266.7×152.4-400/4)，所述涂覆的厚度为3mm；涂覆上述涂料后，蜂窝陶瓷载体的抗热冲击性能可以达到850℃循环三次无裂纹(检测方法依据GB/T25994-2010)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。