张广广　陈智勇　黄晓婧　付兴领　高铭远

摘 要：现有的蜂窝陶瓷颗粒过滤器的微孔直径大小基本一致，难以满足废气中不同粒径的颗粒污染物的过滤需求，颗粒过滤器过滤效果较差，针对上述状况，文章提出一种多孔径蜂窝陶瓷颗粒过滤器及其制备方法。该多孔径蜂窝陶瓷颗粒过滤器由三节不同孔径的颗粒过滤器组成，三节不同孔径的颗粒过滤器的微孔直径依次减小，使多孔径蜂窝陶瓷颗粒过滤器能够依次过滤汽车尾气中的不同粒径的颗粒污染物，从而保证将小颗粒物过滤的前提下微孔不会被堵塞。该多孔径蜂窝陶瓷颗粒过滤器的过濾效果更好，清理周期更长，使用寿命更长。关键词：SiC;蜂窝陶瓷;颗粒过滤器;汽车尾气中图分类号：TB3  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）08-101-04

Abstract： In view of the fact that the micropore diameter of the existing honeycomb ceramic particle filter is basically the same， which is difficult to match with the size of different pollutant particles in the automobile exhaust gas， so that the filter in actual use will lead to poor filtering effect due to the too large or too small micropore diameter. This paper proposes a honeycomb ceramic particle filter and its preparation method. The honeycomb ceramic particle filter is composed of three sections of secondary particle filter， and the micropore diameter of the three sections of secondary particle filter is successively reduced， so that the three sections of secondary particle filter can successively filter the particle pollutants of different diameters in the tail gas， which can ensure that the micropore is not blocked quickly by the large particles on the premise of filtering the small particles. The particle filter has better filtration effect， longer cleaning cycle and longer service life.Keywords： SiC; Honeycomb ceramics; Particle filter; Automobile exhaustCLC NO.： TB3  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）08-101-04

1 引言

近年来，随着中国经济的高速发展和城镇化的快速推进，汽车尾气排放污染问题日益严重，同时冶金、化工、建材等行业也产生大量的废气，这些废气颗粒物含量高，同时含有大量有害气体，必须进行净化处理。多孔陶瓷具有热导率低、表面积大、气孔率高、耐腐蚀、耐高温、耐磨损等优点，因此常被作为传感器、催化剂载体、过滤器等，广泛应用到冶金、化工和汽车等领域的废气处理中。

目前，根据多孔陶瓷作为滤材使用时的安装排列方式和形状的不同，主要分为蜂窝式、列管式和挂烛式。其中，蜂窝式陶瓷多采用壁流式蜂窝结构，即具有平行的规则管道，所有管道的进口和出口交错密封，进而形成独立的进气管道和排气管道，含颗粒物废气进入蜂窝陶瓷进气管道后必须经过多孔薄壁到相邻排气管道排出，大的颗粒物被多孔薄壁阻挡在入口侧[1-4]。

现有的蜂窝陶瓷颗粒过滤器，通常为一个整体式结构，管道的首端至尾端的薄壁微孔直径基本一致。但废气中颗粒物粒径大小不同，薄壁微孔直径如果制备尺寸过大，则只能过滤粒径较大颗粒物，造成粒径较小颗粒物没有被吸附而从微孔逃逸;而薄壁微孔直径如果制备尺寸过小，直径较大的废气颗粒物将很快堵塞薄壁微孔，进而缩短了清理周期 [5-6]。

为解决上述的现有蜂窝陶瓷颗粒过滤器的微孔直径难以与废气中不同直径颗粒物相匹配问题，本文提出一种多孔径蜂窝陶瓷颗粒过滤器及其制备方法。

2 技术方案

该多孔径蜂窝陶瓷颗粒过滤器，由三节不同微孔直径（大、中、小）的次级蜂窝状陶瓷颗粒过滤器组成。三节次级颗粒过滤器的外壁为直径相同、内部截面形状相同的圆柱面，三节次级颗粒过滤器沿气体流通方向的长度相同，其结构如图1和图2所示，气体流通方向如图1中箭头所示。进入颗粒过滤器的气体，依次通过大孔径颗粒过滤器、中孔径过滤器和小孔径过滤器[7]。

三节颗粒过滤器均设置有进气管道和出气管道，任意相邻管道之间的管壁上均分布着微孔，用于过滤通过气体中的颗粒物的。所有进气管道的尾端和出气管道的首端均粘接着SiC块。

大孔径颗粒过滤器出气管道与中孔径颗粒过滤器进气管道相互连通对齐，中孔径颗粒过滤器出气管道与小孔径颗粒过滤器进气管道相互连通对齐。大孔径颗粒过滤器的尾端与中孔径颗粒过滤器的首端相互贴合对齐，中孔径颗粒过滤器的尾端与小孔径颗粒过滤器的首端相互贴合对齐[8-10]。

使用一个SiC块，将大孔径颗粒过滤器的进气管道尾端与相应的中孔径颗粒过滤器出气管道粘接;使用一个SiC块，两端将中孔径颗粒过滤器进气管道尾端与相应的小孔径颗粒过滤器出气管道首端粘接;從而将大、中、小孔径三节颗粒过滤器粘接成为一个整体。大孔径颗粒过滤器的微孔直径约15-20μm，中孔径颗粒过滤器的微孔直径约5-8μm，小孔径颗粒过滤器的微孔直径约2-3μm。

具有不同直径的汽车尾气等废气颗粒进入多孔径蜂窝陶瓷颗粒过滤器后，首先进入大孔径颗粒过滤器，侧壁的微孔吸附过滤掉直径过大的颗粒污染物;剩余未被吸附过滤的颗粒污染物进入中孔径颗粒过滤器，侧壁的微孔吸附过滤掉直径较大的颗粒污染物;剩余未被吸附过滤的颗粒污染物进入小孔径颗粒过滤器，侧壁的微孔吸附过滤掉直径稍大的颗粒污染物。从多孔径蜂窝陶瓷颗粒过滤器最终排出废气的颗粒物含量满足防颗粒污染要求，大幅降低了颗粒物将微孔堵塞的速度，大幅增大了蜂窝陶瓷颗粒过滤器的清理周期[11]。

3 制备方法

3.1 原料及实验设备

原料主要包括滑石粉、木节土、PMMA微球、鳞片石墨粉、无水乙醇 、聚乙烯醇水溶液、SiC粉、硅粉、环氧树脂、环氧树脂等[12-13]。

实验设备主要包括真空烧结炉、真空干燥箱、模具、冷压成型机等。

3.2 大孔径颗粒过滤器陶瓷的制备

大孔径颗粒过滤器陶瓷的制备步骤如下：

（1）称取造孔剂和粘结剂，其中造孔剂为12质量份比的PMMA微球、8质量份比的鳞片石墨粉，陶瓷粘结剂为18质量份比的木节土、62质量份比的滑石粉。将造孔剂和粘结剂放置于球磨机中进行混合球磨，球磨介质为无水乙醇，进行24小时的球磨和均匀混合，最终制备平均粒径为15-20?m的粉料。

（2）聚乙烯醇水溶液采用去离子水配制，质量百分比为3%。

（3）分别称取步骤1得到的12质量份比粉料和步骤2得到的5质量份比聚乙烯醇水溶液;再称取14质量份比的直径为15-20μm、长度为200-500μm的桃木粉，13质量份比的硅含量≥99.8%、粒径为15μm≤d50≤20μm的Si粉，55质量份比的SiC含量≥99.9%、粒径为15μm≤d50≤20μm的SiC粉，将三者混合搅拌均匀，并使用10-2Pa的真空度进行真空干燥处理。

（4）放置好预备的模具，并将步骤3所制备的粉料倒入，利用20MPa的压力进行冷压成型，保压20分钟，得到如图1和图2所示的三节不同孔径的颗粒过滤器的蜂窝状坯体。

（5）将步骤4制备的蜂窝状坯体和其预备模具置于真空烧结炉内进行真空热压烧结成型。使用10-2Pa的真空度，采用30MPa的烧结压力，以10℃/h的升温速率从室温缓慢升至1350℃，保温4h，保压3h，再以30℃/h的降温速率降至室温。

（6）将步骤5中制备的蜂窝状坯体取出，再对其进行表面处理，将表面模壳材料去除，即制备了直径为15-20μm微孔的大孔径蜂窝状陶瓷。

3.3 中孔径颗粒过滤器陶瓷的制备

中孔径颗粒过滤器陶瓷的制备步骤如下：

（1）称取造孔剂和粘结剂，其中造孔剂为10质量份比的PMMA微球、6质量份比的鳞片石墨粉，陶瓷粘结剂为15质量份比的木节土、65质量份比的滑石粉。将造孔剂和粘结剂放置于球磨机中进行混合球磨，球磨介质为无水乙醇，进行30小时的球磨和均匀混合，最终制备平均粒径为5-8?m的粉料。

（2）聚乙烯醇水溶液采用去离子水配制，质量百分比为3%。

（3）分别称取步骤1得到的9质量份比粉料和步骤2得到的6质量份比聚乙烯醇水溶液;再称取12质量份比的直径为5-8μm、长度为100-400μm的桃木粉，12质量份比的硅含量≥99.9%、粒径为5μm≤d50≤8μm的Si粉，58质量份比的SiC含量≥99.9%、粒径为5μm≤d50≤8μm的SiC粉，将三者混合搅拌均匀，并使用10-2Pa的真空度进行真空干燥处理。

（4）放置好预备的模具，并将步骤3所制备的粉料倒入，利用25MPa的压力进行冷压成型，保压25分钟，得到如图1和图2所示的三节不同孔径的颗粒过滤器的蜂窝状坯体。

（5）将步骤4制备的蜂窝状坯体和其预备模具置于真空烧结炉内进行真空热压烧结成型。使用10-2Pa的真空度，采用32MPa的烧结压力，以15℃/h的升温速率从室温缓慢升至1330℃，保温3h，保压3.5h，再以35℃/h的降温速率降至室温。

（6）将步骤5中制备的蜂窝状坯体取出，再对其进行表面处理，将表面模壳材料去除，即制备了直径为5-8μm微孔的大孔径蜂窝状陶瓷。

3.4 小孔径颗粒过滤器陶瓷的制备

小孔径颗粒过滤器陶瓷的制备步骤如下：

（1）称取造孔剂和粘结剂，其中造孔剂为15质量份比的PMMA微球、5质量份比的鳞片石墨粉，陶瓷粘结剂为16质量份比的木节土、60质量份比的滑石粉。将造孔剂和粘结剂放置于球磨机中进行混合球磨，球磨介质为无水乙醇，进行36小时的球磨和均匀混合，最终制备平均粒径为2-3?m的粉料。

（2）聚乙烯醇水溶液采用去离子水配制，质量百分比为3%。

（3）分别称取步骤1得到的11质量份比粉料和步骤2得到的4质量份比聚乙烯醇水溶液;再称取10质量份比的直径为2-3μm、长度为100-300μm的桃木粉，15质量份比的硅含量≥99.8%、粒径为2μm≤d50≤3μm的Si粉，60质量份比的SiC含量≥99.9%、粒径为2μm≤d50≤3μm的SiC粉，将三者混合搅拌均匀，并使用10-2Pa的真空度进行真空干燥处理。

（4）放置好预备的模具，并将步骤3所制备的粉料倒入，利用25MPa的压力进行冷压成型，保压25分钟，得到如图1和图2所示的三节不同孔径的颗粒过滤器的蜂窝状坯体。

（5）将步骤4制备的蜂窝状坯体和其预备模具置于真空烧结炉内进行真空热压烧结成型。使用10-2Pa的真空度，采用32MPa的烧结压力，以15℃/h的升温速率从室温缓慢升至1330℃，保温3小时，保压3.5小时，再以35℃/h的降温速率降至室温。

（6）将步骤5中制备的蜂窝状坯体取出，再对其进行表面处理，将表面模壳材料去除，即制备了直径为5-8μm微孔的大孔径蜂窝状陶瓷。

3.5 颗粒过滤器的制备

将制备的三节蜂不同微孔的窝状陶瓷用SiC块封堵并粘接，进而制备得到多孔径蜂窝陶瓷颗粒过滤器[14-15]，具体制备步骤如下：

（1）将脂肪胺型低温固化剂、双酚A型环氧树脂主剂、芳香胺型中温固化剂、酸酐型中高温固化剂搅拌均匀混合成环氧树脂，该环氧树脂室温时粘度≤800mpa.s;将该环氧树脂加热到60℃，此时的粘度≤500 mpa.s。

（2）在陶瓷颗粒过滤器中要安装SiC块的对应孔道位置，将步骤1制备的环氧树脂涂抹在大孔径、中孔径、小孔径蜂窝状陶瓷的孔道两端内壁，环氧树脂厚度约1mm左右。

（3）在预准备的SiC块表面均匀涂抹约1mm厚的步骤1所制备的环氧树脂，再将这些SiC块安装到蜂窝状陶瓷的涂抹过环氧树脂两端中，具体安装位置如图1所示。

（4）将制备的三节蜂窝状陶瓷整体放置到预备模具里，然后把模具放置到真空干燥箱中，真空干燥箱中温度设置为600℃，保温2小时。

（5）模具自然冷却到室温之后，把模具取出，再把所制备的多孔径蜂窝陶瓷颗粒过滤器从模具中取出，清理表面，完成制备。

4 分析测试

对所制备的三节不同孔径的蜂窝状陶瓷试样进行微观形貌和性能测试，其微观形貌如图3所示，其性能测试结果如表1所示，三节蜂窝状陶瓷均满足蜂窝状陶瓷颗粒过滤器的使用性能要求[16]。

5 结论

本文所设计和制备的多孔径蜂窝陶瓷颗粒过滤器，微孔直径与汽车尾气等废气中不同粒径大小的污染物颗粒相匹配，能够通过三节不同微孔的颗粒过滤器依次充分过滤尾气中的大、小颗粒物，满足环保要求。同时避免了小微孔过滤大颗粒污染物，确保了小微孔不被大颗粒污染物堵塞，过滤效果更好，使用寿命更长，适用范围更为广泛。

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