用于涂覆一系列承載體的方法和設備的制作方法

專利名稱：用于涂覆一系列承載體的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用涂料懸浮液涂覆一系列承載體的方法。特別是，本發明涉及涂覆用于催化劑(例如汽車廢氣催化劑)的承載體的方法和設備。
背景技術：
汽車廢氣催化劑的承載體通常是帶有兩個端面和殼體的圓柱形，并具有多個大致平行于圓柱軸線的、用于來自內燃機的廢氣的流動通道，廢氣從第一端面穿過流動通道到達第二端面。這些承載體也被稱為蜂窩承載體。
承載體的截面取決于車輛的安裝需要。帶有圓形、橢圓形或三角形截面的承載體得到了廣泛的應用。流動通道通常為正方形截面并在承載體的整個截面上布置成密集的網格狀。流動通道的通道或微孔密度根據特別的應用在10cm-2和140cm-2之間變化。微孔密度達到250cm-2或更高的蜂窩承載體正在開發中。
通過擠出陶瓷化合物得到的催化劑承載體主要用于汽車廢氣的凈化。可選的，可獲得由波紋和卷繞金屬箔片制成的催化劑承載體。目前，微孔密度為62cm-2的陶瓷承載體主要用于凈化客車的廢氣。在這個實例中流動通道的截面尺寸是1.27×1.27mm2。這種承載體的壁厚位于0.1和0.2mm之間。
精細分布的鉑族金屬(其催化作用可由賤金屬的化合物改變)通常用于將包含在汽車廢氣中的污染物(例如一氧化碳、烴和氧化氮)轉化為無害化和物。這些催化活性組分必須沉積在承載體上。但是，通過將這些組分沉積在承載體的幾何表面上很難獲得催化活性組分所需要的非常精細的分布。這同樣適用于無孔金屬承載體和多孔陶瓷承載體。催化活性組分的足夠大的表面積可只通過將帶有高表面積的精細顆粒材料的支撐層施加給流動通道的內表面而提供。在下文中這種操作被稱為涂覆承載體。不期望涂覆承載體的罩表面，并且應該避免上述操作以避免貴重的催化作用材料的損失。
為了利用精細顆粒涂覆承載體，使用了高表面積材料和在液態(例如水)中的這些材料的懸浮液。典型的催化作用的涂料懸浮液包含，例如活性氧化鋁、硅酸鋁、沸石、二氧化硅、氧化鈦、氧化鋯、以及基于氧化鈰的儲氧組分，作為用作催化活性組分的帶高表面積的支撐材料。這些材料形成涂覆懸浮液的固體部分。另外，有可能從元素周期系的鉑族添加到助催化劑或催化活性貴金屬的涂料懸浮液可溶前體。通常的涂料懸浮液的固體濃度為其重量占懸浮液總重量的20至65％的范圍內。它們的密度在1.1和1.8kg/l之間。
現有技術已經公開了多種利用涂料懸浮液將支承層沉積在承載體上的方法。通過示例，將被涂覆的承載體可被浸入涂料懸浮液，或者涂料懸浮液可被澆注到它們上。另外，有可能將涂料懸浮液泵入或吸入承載體的流動通道。
在所有情況下，多余的涂料懸浮液必須從承載體中去除，例如通過將其吸出或將壓縮空氣吹過承載體的通道。這還打開了已經被懸浮液堵塞的所有通道。
在涂覆操作后，承載體和支承層被干燥，然后支承層被煅燒在承載體上以合并和固定。然后，通過浸漬催化活性組分的前體化合物的一般水溶液將催化活性組分引入涂料中。可選的，也可將催化活性組分添加入涂料懸浮液本身。在這種情況下，不需要隨后將整個支承層浸漬催化活性組分。
這種涂覆方法的一個重要標準是一次可達到的涂覆濃度或裝載濃度。這被理解為在干燥和煅燒后保持在承載體上的固體組分。涂覆濃度由每升承載體的克數給出(g/l)。在實際中，汽車廢氣催化劑需要涂覆濃度達到300g/l。如果在所選的涂覆方法中，一次不能施加這個量，則必須在承載體干燥以及適當的煅燒后重復涂覆操作，直到達到所需要的裝載。經常要利用不同組分的涂料懸浮液進行兩次或多次涂覆操作。這導致了具有一層一層的多層不同催化功能的催化劑。
DE 40 40 150 C2描述了允許蜂窩形式的催化劑承載體在它們的整個長度上被均勻地涂覆有支承層或催化作用層的方法。下面，蜂窩形式的催化承載體也被稱為蜂窩承載體。根據DE 40 40 150 C2描述的方法，蜂窩承載體的圓柱形軸線被豎直定位以便被涂覆。然后，涂料懸浮液通過蜂窩承載體的下端面被泵入通道直到其在上端面處出現。接著，涂料懸浮液又在底部被泵出，多余的涂料懸浮液通過吹或吸從承載體中去除，以便防止通道堵塞。該方法產生了在蜂窩承載體的整個長度上均勻性很好的支承層。
上述涂覆方法和所有的工藝方法一樣，承載體和承載體的涂覆量具有一定的波動范圍。波動范圍取決于涂料懸浮液的性質以及要被涂覆的蜂窩承載體的特性。
涂覆工藝的波動范圍對于最終催化劑的催化作用有直接影響，這是由于在各種因素中，催化作用直接取決于催化作用貴金屬的裝載量。因此，為了保證催化劑的最小作用，必須保證所有的催化劑至少包含涂料懸浮液的目標量。這意味著在生產中，承載體必須被超載涂料懸浮液達到涂覆工藝的波動范圍的一半。因此，如果可以減小涂覆工藝的波動范圍，所需要的過載程度可因此降低，從而節省了昂貴的貴金屬和涂覆原材料。

發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種涂覆承載體(其尤其用于催化劑)的方法和設備，其與現有的類似方法相比，可使涂覆催化劑承載體的涂覆量具有減小的波動范圍。
本發明的目的通過權利要求的特征獲得。
在對本發明進行詳細描述之前，需要先對一些術語進行解釋。
在本發明的文本中，術語“體”被理解為用于催化作用涂料的惰性承載體。它們通常是公知的由陶瓷或金屬制成的蜂窩承載體。
在下文中，術語“濕吸收量”、“濕涂覆量”或“粗涂覆”可被理解為在涂覆后和任何干燥操作之前保持在承載體上的涂料懸浮液的量。這可通過在涂覆前和涂覆后稱重承載體來確定。
相比而言，“干吸收量”是在干燥和煅燒后存在于承載體上的涂覆材料的量。
在下文中，術語“目標量”被理解為實現所需的催化作用所必須的且必須不能讓任何被涂覆的承載體低于目標量的濕吸收量。
術語“最終涂覆”被理解為在涂覆方法以及結束后存在的濕吸收量。
根據本發明的方法可被用于利用至少一種涂料懸浮液涂覆一系列帶開口的圓柱形的體，所述涂料懸浮液特別包含有液體介質中的固體溶解物質，其濕態下的量至少對應于所需要的目標量，在涂覆操作中，對于不同的體所涂施的濕涂覆量具有一個波動范圍，所述方法的特征在于其具有下述步驟a)通過利用涂料懸浮液涂覆所述體進行粗涂覆；
b)確定涂施給所述體的粗涂覆的實際量；以及c)通過去除仍然是濕的涂料懸浮液或施加附加的涂料懸浮液來校正實際量，從而使最終涂覆的涂覆量處于高于目標量的容差范圍內，容差范圍的大小小于粗涂覆的波動范圍。
本方法適于涂覆由金屬或陶瓷制成的承載體。承載體可以是公知的帶有在兩側面開口的平行通道的蜂窩承載體的形式，或者也可以包括開口的多孔結構或開口的網眼泡沫或纖維結構。但是，本方法還可用于涂覆公知的壁流式過濾器，其流動通道在交替側面上被堵塞，從而強制廢氣在其通過過濾器的通路上流過流動通道之間的多孔分隔壁。
本發明的下述解釋假定帶有平行通道的承載體必須(例如大量的承載體)被涂覆用作催化劑的承載體，以凈化來自內燃機的廢氣。
承載體在步驟a)的涂覆優選在被稱為涂覆工位的位置進行。從現有技術可以了解很多這些涂覆工位的示例。下面的解釋假定涂覆工位是例如在DE 40 40 150A1，EP 0941763A1，EP 1136462A1和EP 1273344A1中描述的。
為了在這種類型的工位上涂覆，承載體被放置成使它們的圓柱軸線豎直布置，并且它們的下端面例如被放置在涂覆工位上，之后通過泵它們被從下面填裝涂料懸浮液，或從壓力容器填裝懸浮液。然后，從承載體去除多余的涂料懸浮液。這可通過泵抽、抽吸、吹或這些方式的組合來實現。于是承載體具有包括它們內壁面上的涂料懸浮液的涂料。
以這種方式在承載體上產生的涂料在下面被稱為粗涂覆。粗涂覆的涂覆量取決于涂料懸浮液的固體濃度、其粘稠度和涂覆條件，尤其是當從承載體的流動通道去除多余的涂料懸浮液時的條件。本領域技術人員明白它們的關系，因此，他們可考慮該涂覆工藝的波動范圍而設置實際涂覆量到希望涂覆量的中間值。
這種傳統涂覆工藝的波動范圍取決于涂料懸浮液的性質和涂覆工藝的其它參數。波動范圍通常從±5％至±10％。在有利的實例中，其可減小到±2％。
為了使這種傳統的涂覆工藝的波動范圍變窄，本發明為施加的涂覆量提供校正。為此，在步驟b)中確定了涂覆的實際量。如果粗涂覆的實際量低于目標量，根據本發明，附加的涂料懸浮液被施加給承載體。另一方面，如果粗涂覆的實際量高于最終涂覆的限定容差范圍，一些仍然是濕的涂覆懸浮液被從承載體上去除。在兩種情況下，目的都是通過單次校正將高于目標量的涂覆的實際量調整到規定的容差范圍內。
在已經校正過涂覆量之后，可再次確定新的實際量，并且如果需要，可進行根據步驟c)的再次校正。因此，方法步驟b)(確定實際量)和方法步驟c)(校正實際量)可進行多次循環直到達到所需要的涂覆量的精度。在下文中，進行方法步驟b)和c)的次序被稱為重復循環。
當涂覆的實際量位于最終涂覆的規定容差范圍內時，重復步驟終止，因此涂覆工藝終止。
為了提高軸向上承載體上的涂料的均勻性，在兩個重復循環之間，承載體繞著水平軸線旋轉180度，以使得在下一重復循環中，原來在底部的承載體端面現在位于頂部。
在步驟a)中濕涂覆量相對于希望的目標量的中間值對本方法來說是次要的。其可以低于或高于目標量或可以等于目標量。特別是，在步驟c)中，如果校正超過目標，在同一承載體上的實際量和目標量之間的負差和正差之間可以有變化。因此，如果實際量高于目標量，則去除仍然是濕的涂料懸浮液，如果實際量低于目標量，則施加附加的涂料懸浮液。
但是，特別有利的是考慮步驟a)中的涂覆工藝的波動范圍，確保實際涂覆量總是低于或高于目標量。已經發現，在前一情況下，該工藝可以下述方式進行，即，在每一情況下只需施加附加的涂料懸浮液以便更接近目標量，而在后一情況下，只需在重復循環中去除涂料懸浮液。然后，可以基本取消在施加附加的涂料懸浮液和去除涂料懸浮液之間變化的需要。第一方法變化例在本文中是特別優選的，其是在步驟a)中設置涂覆量使得對于所有的承載體而言，在步驟a)中施加的涂覆量低于所需要的目標量。
為了在步驟a)中確定實際涂覆量，在涂覆操作之前和之后優選稱量承載體。當涂覆量已經在步驟c)中被校正后，承載體被再次稱量，通過將其與在步驟a)中涂覆之前的重量相比較以確定新的實際量，從而估計校正是否成功，如果需要，開始又一重復循環。
如果在實際量和目標量之間出現負差，附加的涂料懸浮液可被施加給豎直放置的承載體的上端面。然后，可通過抽吸或吹過承載體而將所述附加的涂料懸浮液分布到承載體的整個長度上。
如果在實際量和目標量之間出現正差，則通過抽吸或吹出仍然濕的涂料懸浮液使實際量更接近所需要的目標量。在這種情況下抽吸或吹的強度和/或持續時間被選擇作為所確定的量差的函數。通過示例，抽吸或吹的強度和/或持續時間的匹配可在于從預測試中確定的測量實際量的值表中選擇對應的數值。可選地，強度和/或持續時間被作為實際量、強度和/或持續時間以及剛剛涂覆過的所述體確定的實際量和目標量之間的差值的減小的數值的函數而控制。也就是說，在步驟c)中的抽吸或吹被基于開始重量或相對于所需要的目標量的偏差而以下述方式預先設置，即，實際量盡可能地靠近目標重量或承載體中設置的涂覆量。
因此，根據本發明，傳統的涂覆方法被用于對承載體施加粗涂覆。其之后是校正，在校正中，任何過涂覆或涂覆不足(基于目標值或目標量)被吸出或施加。
在涂覆工藝完成之后，涂覆后的承載體被在80和200℃之間的高溫處干燥5分鐘至2個小時的時間。然后煅燒(通常在300和600℃之間的溫度處)10分鐘至5小時的時間。煅燒使涂料可靠地固定到承載體上，并將涂料懸浮液中的所有前體化合物轉化成它們的最終形式。
本發明提出的方法在利用催化活性涂料涂覆承載體時，使體和體之間的涂料濃度有很好的精度，即低的波動范圍。提高精度通過本發明的步驟c)中的校正獲得。
特別有利的是應用本方法在承載體上產生多個層。在該情況下，各個涂覆的波動范圍是累加的，其是指在傳統方法中，最終的多層涂料容易有相對大的波動范圍。對應于上述涂覆問題，根據本發明的方法可產生涂覆濃度的波動范圍被大大減小的多個層。


通過示例并參考所附附圖詳細描述本發明的設備和方法的優選實施例，其中圖1示出實施本發明方法的優選涂覆系統的輪廓圖；圖2示意性地示出了涂覆方法。
具體實施例方式
圖1示出了適于本方法的涂覆系統的可能結構。涂覆系統優選包括用于進行粗涂覆的涂覆工位20。為此，將被涂覆的承載體1被放置在為此設置的保持元件上(見圖1)。承載體1被固定在該工位上并通過使可膨脹的橡膠箍帶21膨脹而被密封。另外，還可設置第二密封箍帶22，其被安裝至承載體1的上端以緊緊地固定溢流口23。上述結構優選具有高度傳感器25，其用于檢測承載體1的充分填充，并隨后將信號傳送到涂覆系統的設備控制單元。
為了進行粗涂覆，涂料懸浮液被從下面經由供給管線24泵入承載體，直到高度傳感器指示已經達到了限定的高度。然后，通過打開抽吸閥或節流閥26從承載體的通道去除多余的涂料懸浮液。為此，將一泵管27連接至減壓容器(此處未示出)和除沫器(demister)。該減壓容器被連接至一風機，該風機保持低于大氣壓的壓力，優選在50和500毫巴之間，特別優選為300毫巴。抽吸的強度和持續時間可借助節流閥26設置。這些參數確定了保持在承載體上的粗涂覆的量。該操作還用于打開已經被涂料懸浮液堵塞的所有通道。
圖1還示出了稱重工位30，其中被涂覆的承載體1在天平31上被稱重。這樣，就有可能確定在承載體1中的涂料懸浮液的量。另外，有可能在涂覆工位20上游提供一個帶天平11的稱重工位10，以便在涂覆前確定承載體1的重量。
如果發現在稱重工位30中對承載體1進行的涂料懸浮液的裝載在最終涂覆的容差范圍之外，則承載體被送往校正工位40。在校正工位中，既可以經由抽吸管46通過抽吸去除施加的多余涂料懸浮液，也可以經由噴嘴45使施加不充分的涂料懸浮液被裝滿。
和在涂覆工位20中一樣，在校正工位40中具有密封箍帶41，其將承載體1牢牢地固定至校正工位40。吸出的涂料懸浮液的量可通過抽吸閥46控制或調整。另一方面，如果稱重工位30確定涂施的涂覆量已經處于最終涂覆的容差范圍內，則承載體在沒有對涂覆量進行任何校正的情況下從涂覆系統排出，并且然后輸送到干燥和煅燒工位(此處未示出)。
在校正工位之后，尤其優選的是，承載體1在稱重工位30或帶天平51的另一稱重工位50中被再次稱重，如圖1所示。如果對承載體1上的涂料懸浮液的量的再次檢測顯示實際的涂覆量仍然處在最終涂覆的容差范圍之外，則承載體可再次被送入校正工位40。否則，承載體被從涂覆系統排出并送至干燥和煅燒工位。
如前面所述，稱重工位30和50可合并為一整體，這取決于所希望的系統的靈活性和/或速度。另外，稱重工位30和/或50可與抽吸工位50或涂覆工位20組合起來。
圖2示意性地示出根據本發明涂覆四個承載體A，B，C，D的操作。
實現最小催化作用所需的涂覆量在圖2中被稱為“目標量”。在涂覆方法結束后，所有被涂覆的承載體所具有的涂覆量都不應低于目標量。因此，最終涂覆的可允許的容差范圍剛高于目標量。
在圖2中假定涂覆方法已被設置為下述方式，即，可因此被實現的實際涂覆量的中間值低于設置的涂覆量，具體地，在大于粗涂覆的波動范圍的一半的距離處。因此，在承載體A至D上的粗涂覆量都低于目標量。粗涂覆量的波動范圍明顯大于所希望的最終涂覆的容差范圍。
根據本發明，通過進行校正使粗涂覆量增加至最終涂覆的容差范圍內。在承載體A和B的情況下，這通過單次校正實現。在承載體C的情況下，考慮到工藝過程中的波動，第一校正是不足以將涂覆量調整到最終涂覆的容差范圍內。因此，此處需要第二校正。在承載體D的情況下，第一校正調節超過了目標。在第一校正步驟中施加的附加的涂覆量過補償了之前涂覆量的不足。因此，第二校正必須再從承載體上去除一些涂料懸浮液。
在圖2的描述中，已經假定實際量的中間值低于目標量。但是，該方法也以類似方式適用于實際量的中間值高于目標量或正處于最終涂覆的容差范圍中的情況。
盡管提出的方法能夠將涂施給承載體的涂覆量調整到重復基底上設置的涂料的所希望的容差范圍內，在該方法的一個優選實施例中，通常希望通過涂覆量的單次校正實現希望的目標。
權利要求
1.利用至少一種涂料懸浮液涂覆一系列帶開口的圓柱形的體的方法，所述涂料懸浮液特別包含有液體介質中的固體溶解物質，其濕態下的量至少對應于所需要的目標量，在涂覆操作中，對于不同的體所涂施的濕涂覆量具有一個波動范圍，其特征在于，其具有下述步驟a)通過利用涂料懸浮液涂覆所述體進行粗涂覆；b)確定涂施給所述體的粗涂覆的實際量；以及c)通過去除仍然是濕的涂料懸浮液或施加附加的涂料懸浮液來校正實際量，從而使最終涂覆的涂覆量處于高于目標量的容差范圍內，容差范圍的大小小于粗涂覆的波動范圍。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，通過在步驟a)中的涂覆操作之前和之后稱重所述體以確定實際量。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，在步驟a)中被涂覆的所述體被豎直放置，并經由下端面裝入涂料懸浮液，然后從承載體去除多余的涂料懸浮液。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，在步驟a)中通過泵抽、抽吸、吹或這些方式的組合從承載體中去除多余的涂料懸浮液。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，如果需要，可對步驟b)和步驟c)進行多次重復循環，直到達到所需要的涂覆量的精度。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，通過在重復步驟之后稱重并將其與涂覆前的重量比較，確定相應的實際量。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，在兩次重復循環之間，承載體繞一水平軸線旋轉通過180度。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，在步驟c)中，如果在實際量和目標量之間出現負差，則通過對承載體的上端面施加附加的涂料懸浮液使實際量更接近所需要的目標量，并且然后，通過將附加的涂料懸浮液抽吸或吹過承載體使其分布在承載體的整個長度上。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，在步驟c)中，如果在實際量和目標量之間出現正差，則通過抽吸或吹出仍然濕的涂料懸浮液使實際量更接近所需要的目標量。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，抽吸或吹的持續時間和/或強度從在初步測試中確定的測量實際量的值表中選擇。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，抽吸或吹的持續時間和/或強度被作為實際量、抽吸或吹的持續時間和/或強度以及剛剛涂覆過的所述體確定的實際量和目標量之間的差值的減小的數值的函數而控制。
12.根據權利要求1所述的方法，其中，在步驟c)后，承載體的涂料被干燥和煅燒。
13.利用至少一種涂料懸浮液涂覆一系列帶開口的圓柱形的體的設備，所述涂料懸浮液特別包含有液體介質中的固體溶解物質，其濕態下的量趨向于至少對應于所需要的目標量，在涂覆操作中，對于不同的體所涂施的濕涂覆量具有一個波動范圍，其尤其用于根據前述權利要求的至少之一所述的方法，所述設備包括a)在涂覆前確定所述體的重量的第一稱重工位(10)；b)用于涂覆所述體的裝置(20)；c)在涂覆后確定所述體的重量的第二稱重工位(20)；d)用于校正涂覆量的校正裝置(40)，如果實際量高于最終涂覆的容差范圍，則通過吹或抽吸去除仍然是濕的涂料懸浮液來校正涂覆量，如果實際量低于最終涂覆的容差范圍，則通過噴嘴(45)將附加的涂料懸浮液涂施到所述體的上端面來校正涂覆量；以及e)第三稱重工位(50)，用于在校正裝置(40)中校正了涂覆量之后確定實際量。
全文摘要
根據本發明，在將催化活性涂料涂施到適當的承載體上時涂覆濃度的精度可提高，從而在涂覆濃度的變化范圍相當大的粗涂覆之后，可選擇重復地校正太少或太多的涂料。過多涂施的涂料懸浮液在其仍然是濕的時被去除，例如通過后續的抽吸，而涂料懸浮液施加的太少的話，則例如通過附加噴灑涂料懸浮液以補充。
文檔編號F01N3/022GK101080276SQ200580043364
公開日2007年11月28日 申請日期2005年10月14日 優先權日2004年10月19日
發明者O·費恩勒, D·德特貝克, A·維南德, B·默格納 申請人:烏米科雷股份兩合公司