減少陶瓷制品和前體中的缺陷的方法
【專利摘要】一種減少陶瓷制品和前體、尤其是使用包含油相材料的批料組合物制備的陶瓷制品和前體中的缺陷的方法。所述方法包括提高批料組合物中的水不溶性皂濃度，由此可提高油相的粘著強度，導致陶瓷制品和前體中的缺陷發生率降低。
【專利說明】減少陶瓷制品和前體中的缺陷的方法
[0001]相關申請交叉參考
[0002]本申請根據35U.S.C.§ 120要求于2011年9月16日提交的美國申請序列第13/234598號的優先權，以其內容為基礎并通過參考將其全文結合于此。
發明領域
[0003]本發明一般涉及減少陶瓷制品和前體中的缺陷的方法，更具體涉及減少使用包含油相材料的批料組合物制備的陶瓷制品和前體中的缺陷的方法。
【背景技術】
[0004]在陶瓷制品的生產中，例如在用作機動車排放應用中的基材和過濾器的蜂窩形制品的生產中，希望盡可能減少工件中存在的會上升到導致故障水平的缺陷，以符合日益嚴格的客戶要求。這些缺陷不僅包括觀察到的燒制后缺陷，還包括觀察到的擠出后和干燥后階段的缺陷，例如生坯裂隙(green fissure)。這種工件的被拒收會導致材料利用率的降低，這是不希望發生的。
[0005]生坯裂隙之類的缺陷可能因一些原因導致。在某些陶瓷制品的生產中，例如在用于機動車排放控制的薄壁基材的生產中，經常要向批料中加入疏水性材料如脂肪酸或油作為潤滑劑。但是，由于通常施加的粘結劑材料例如甲基纖維素在該油相中通常是不溶性的，所以這種油相的粘著強度(cohesive strength)明顯低于水相。由于這種油相的粘著強度不足，所以導致出現一種生坯裂隙，該生坯裂隙通常稱為油裂隙，其特征是在擠出過程中會從批料主體遷移到皮層 區域的局部集中的油紋(oil streak)。若由這種裂隙導致的缺陷足夠嚴重，則會造成材料利用率發生顯著損失，而且生產設備需要較長的停工時間來嘗試解決問題。
[0006]發明概述
[0007]本發明的一種實施方式涉及減少陶瓷制品和前體中存在的缺陷的方法。該方法包括確定多個陶瓷制品或前體中的缺陷發生率。該方法還包括增加前體批料組合物中的水不溶性皂的濃度。另外，該方法包括確定多個由前體批料組合物制備的陶瓷制品或前體中的缺陷發生率。
[0008]以下詳細說明中將給出另外的特性和優點，本領域技術人員通過閱讀本說明書或者通過如說明書及其權利要求書和附圖所述實行實施方式，這些特性和優點中的一部分將是顯而易見的。
[0009]應該理解，以上發明概述和以下發明詳述都只是示例性的，意在提供理解權利要求書的性質和特性的概覽或框架。
[0010]包括附圖以提供進一步的理解，附圖結合在說明書中并構成說明書的一部分。附圖圖示說明一種或多種實施方式，與說明書一起解釋各實施方式的原理和操作。
[0011]附圖簡要描述
[0012]圖1是4次實驗的拉伸性質的圖表，其中的一些實驗中，以變化的量向陶瓷前體批料組合物中加入碳酸鈣；
[0013]圖2是另外4次實驗的拉伸性質的圖表，其中的一些實驗中，以變化的量向陶瓷前體批料組合物中加入氯化鈣；
[0014]圖3是另外4次實驗的拉伸性質的涂料，其中的一些實驗中，使用油酸或亞油酸代替妥爾油。
[0015]發明詳述
[0016]以下參考附圖(如果有的話)詳細說明本發明的各實施方式。
[0017]如本文所用，在“陶瓷制品和前體”的語境中使用術語“前體”時，是指成形的或擠出的材料，例如處于潮濕或生坯狀態，隨后可對其進行燒制以得到陶瓷制品。
[0018]如本文所用，“水不溶性皂”是指通式為RCOOX的物質，其中R表示賦予油相溶解性的通常為有機的成分，X表示金屬，其中該皂在25°C的水中的溶解度極限為小于0.001摩爾/升。 [0019]如本文所用，“水不溶性皂的鹽”是指包含水不溶性皂的金屬離子的鹽。
[0020]如本文所用，“堿土金屬皂”是指通式為RCOOX的物質，其中R表示賦予油相溶解性的通常為有機的成分，X表示堿土金屬(鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、或鐳)。
[0021]如本文所用，術語“前體批料組合物”是指用于制備陶瓷制品和前體的材料組合物。
[0022]在陶瓷制品的生產中，特別是由包含油相材料的前體批料組合物制備的陶瓷制品，經常由于油相中的粘著強度不足而導致出現某些缺陷，例如生坯裂隙，包括油裂隙。發明人意外地發現，通過增加通常可溶于油相中的某些水不溶性皂的批料濃度，可提高油相的粘著強度。通過如此提高油相的粘著強度，可明顯減少某些缺陷的發生率，例如生坯裂隙，包括油裂隙。
[0023]具體來說，通過確定多個陶瓷制品或前體中的一種或多種缺陷的發生率，可減少所述缺陷的發生率，例如，確定生產的一組陶瓷制品或前體中具有某種或某些缺陷的陶瓷制品或前體的百分比或比例。根據在陶瓷制品中發現的缺陷水平，可提高前體批料組合物中的水不溶性皂的濃度。然后就可確定由其中的水不溶性皂濃度得到提高的前體批料組合物制備的多個陶瓷制品中的一種或多種缺陷的發生率。需要時至少可第二次調節或提高該水不溶性皂的濃度，具體取決于例如由其中的水不溶性皂濃度得到提高的前體批料組合物制備的陶瓷制品或前體中的缺陷的發生率(和其他考慮因素)。
[0024]可通過許多不同途徑中的至少一種途徑來提高前體批料組合物中的水不溶性皂的濃度。例如，可通過向前體批料組合物中加入一定量的水不溶性皂的常見金屬離子鹽來提高該水不溶性皂的濃度。還可通過向前體批料組合物中加入一定量的水不溶性皂來提高水不溶性皂的濃度。另外可通過降低前體批料組合物中的脂肪酸和水不溶性皂金屬離子的總體溶度積來提高水不溶性皂的濃度。
[0025]可以對水不溶性皂進行選擇，以包含可螯合的無機離子，所述無機離子能形成通常不溶于水但在油中至少具有一定溶解度的無機脂肪酸絡合物。所述無機離子可包括選自以下的離子:堿土金屬元素、稀土元素、第VIIIB族元素和第IIB族元素，它們生成的有機脂肪酸鹽在67 °C的溶度積(Ksp)為10_16-10_12。
[0026]在一些不例性實施方式中，水不溶性阜選自至少一種堿土金屬阜。在一些不例性實施方式中，堿土金屬阜是鈣阜和鎂阜中的至少一種。示例性的鈣阜和鎂阜包括油酸鈣、月桂酸鈣、油酸鎂、月桂酸鎂、硬脂酸鈣、棕櫚酸鈣、硬脂酸鎂和棕櫚酸鎂。
[0027]在一些示例性實施方式中，可通過向前體批料組合物中加入一定量的水不溶性皂的常見金屬離子鹽來提高該前體批料組合物中的水不溶性皂濃度。例如，可通過向前體批料組合物中加入一定量的至少一種合適的堿土金屬鹽來提高該前體批料組合物中的水不溶性皂濃度。示例性的堿土金屬鹽包括碳酸鈣、氧化鈣和氯化鈣，碳酸鎂、氧化鎂和氯化鎂。
[0028]所加入的水不溶性皂的鹽的量可有效地按照以下平衡關系提高水不溶性皂的濃度:
[0029][RC00X] [RC001 [X+N]
[0030]其中[RC00X]表示水不溶性皂的濃度，[RC00_]表示脂肪酸陰離子的濃度，[X+N]表示水不溶性皂的金屬離子的濃度，表示金屬離子的凈正電荷。
[0031]在一些示例性實施方式中，加到前體批料組合物中的水不溶性皂的常見金屬離子鹽(例如合適的堿土金屬鹽)的量可以是該前體批料組合物的干成分重量的至少0.05%，例如至少0.10%，進一步例如為至少0.15%，更進一步例如為至少0.20%。
[0032]在一些示例性實施方式中，應小心地確保加到前體批料組合物中的水不溶性皂的常見金屬離子鹽的量不會對由該組合物制備的陶瓷制品的其他性質造成明顯的負面影響，例如熱膨脹系數(CTE)。因此，在一些示例性實施方式中，加到前體批料組合物中的水不溶性皂的常見金屬離子鹽(例如合適的堿土金屬鹽)的量為該前體批料組合物的干成分重量的 0.05-0.40%，例如 0.10-0.35%，進一步例如為 0.15-0.30%。
[0033]在一些示例性實施方式中，可通過向前體批料組合物中加入一定量的水不溶性皂來提高該前體批料組合物中的水·不溶性皂濃度。例如，可通過向前體批料組合物中加入一定量的至少一種合適的堿土金屬皂來提高該前體批料組合物中的水不溶性皂濃度。示例性的堿土金屬皂包括油酸鈣、月桂酸鈣、油酸鎂、月桂酸鎂、硬脂酸鈣、棕櫚酸鈣、硬脂酸鎂和棕櫚酸鎂。
[0034]在一些示例性實施方式中，加到前體批料組合物中的水不溶性皂(例如合適的堿土金屬皂)的量可以為該前體批料組合物的干成分重量的至少0.05%，例如至少0.10%，進一步例如為至少0.15%，更進一步例如為至少0.20%。
[0035]在一些示例性實施方式中，可通過降低脂肪酸和水不溶性皂的金屬離子的總體溶度積(Ksp)來提高該前體批料組合物中水不溶性皂的濃度，其中:
[0036]Ksp=[RC00l [X+N]
[0037]其中[RC00-]表示脂肪酸陰離子濃度，[X+N]表示水不溶性皂的金屬離子的濃度，表示金屬離子的凈正電荷。這可通過選擇脂肪酸與金屬離子的合適組合和/或通過向前體批料組合物中加入合適的脂肪酸和/或通過用合適的脂肪酸全部或部分替換前體批料組合物中的另一種脂肪酸來實現。
[0038]例如可通過降低前體批料組合物中脂肪酸和合適的堿土金屬離子的總體溶度積(Ksp)來提高該前體批料組合物中的水不溶性皂濃度。
[0039]在一些示例性實施方式中，可將前體批料組合物中脂肪酸和堿土金屬離子在67 V的總體溶度積(Ksp)降低到小于10_n，例如小于10_12，進一步例如小于10_13，更進一步例如小于 10_14，例如為 io—h-1o—16。[0040]通過向前體批料組合物中加入合適的脂肪酸和/或通過用合適的脂肪酸全部或部分替換前體批料組合物中的另一種脂肪酸，可以將脂肪酸和金屬離子(例如堿土金屬離子)的總體溶度積降低至少50%，例如至少90%，進一步例如至少95%，更進一步例如至少99%。
[0041]在一些示例性實施方式中，堿土金屬離子是鈣，通過加入與鈣離子在67°C的溶度積等于或小于10_12的脂肪酸來降低脂肪酸和鈣離子的總體溶度積。
[0042]在一些示例性實施方式中，堿土金屬離子是鎂，通過加入與鎂離子在67°C的溶度積等于或小于10_12的脂肪酸來降低脂肪酸和鈣離子的總體溶度積。
[0043]在一些示例性實施方式中，通過向前體批料組合物中加入油酸、硬脂酸、棕櫚酸和月桂酸中的至少一種和/或通過用至少一種這些酸替換前體批料組合物中的另一種脂肪酸來降低脂肪酸和金屬離子(例如堿土金屬離子)的總體溶度積。
[0044]通過以下實施例進一步闡明所附權利要求書的內容和范圍。在以下全部實施例中，滑石包含約0.1-0.2重量％作為雜質的鈣鹽。
[0045]實施例1
[0046]使用具有表1所示成分的堇青石前體批料組合物進行4次不同的實驗。
[0047]表1
[0048]
【權利要求】
1.一種減少陶瓷制品和前體中的缺陷的方法，該方法包括: 確定多個陶瓷制品或前體中的缺陷發生率； 提高前體批料組合物中水不溶性皂的濃度； 確定由該前體批料組合物制備的多個陶瓷制品或前體中的缺陷發生率。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述水不溶性皂是堿土金屬皂。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述堿土金屬皂選自鈣皂和鎂皂。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述堿土金屬皂是鈣皂。
5.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述堿土金屬皂選自油酸鈣、月桂酸鈣、油酸鎂、月桂酸鎂、硬脂酸鈣、棕櫚酸鈣、硬脂酸鎂和棕櫚酸鎂。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，通過以下至少一種方法提高前體批料組合物中的水不溶性皂濃度:向前體批料組合物中加入一定量的水不溶性皂的常見金屬離子鹽；向前體批料組合物中加入一定量的水不溶性皂；降低前體批料組合物中脂肪酸和水不溶性皂金屬離子的總體溶度積。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，通過向前體批料組合物中加入一定量的堿土金屬鹽來提高該前體批料組合物中的水不溶性皂濃度。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，加到前體批料組合物中的堿土金屬鹽的量為該前體批料組合物的干成分重量的至少0.05%。
9.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述堿土金屬鹽選自碳酸鈣、氧化鈣、氯化鈣、碳酸鎂、氧化鎂和氯化鎂。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，通過向前體批料組合物中加入一定量的堿土金屬皂來提高該前體批料組合物中的水不溶性皂濃度。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，加到前體批料組合物中的堿土金屬皂的量為該前體批料組合物的干成分重量的至少0.05%。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于，通過降低前體批料組合物中脂肪酸和堿土金屬離子的總體溶度積來提高該前體批料組合物中的水不溶性皂濃度。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，將前體批料組合物中脂肪酸和堿土金屬離子在67°C的總體溶度積降低到小于10—11。
14.如權利要求12所述的方法，其特征在于，將脂肪酸和堿土金屬離子的總體溶度積降低至少50%。
15.如權利要求12所述的方法，其特征在于，將脂肪酸和堿土金屬離子的總體溶度積降低至少90%。
16.如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述堿土金屬離子是鈣，通過加入與鈣離子在67°C的溶度積等于或小于10_12的脂肪酸來降低脂肪酸和鈣離子的總體溶度積。
17.如權利要求12所述的方法，其特征在于，通過向前體批料組合物中加入油酸、硬脂酸、棕櫚酸和月桂酸中的至少一種來降低脂肪酸和堿土金屬離子的總體溶度積。
18.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述缺陷是生坯裂隙。
19.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法使導致制品因無法滿足標準而被拒收的缺陷發生率降低至少20%。
【文檔編號】C04B35/634GK103796969SQ201280044394
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年9月13日 優先權日:2011年9月16日
【發明者】K·Y·周 申請人:康寧股份有限公司