DE10052226B4 - Verfahren zur Herstellung einer metallischen Folie mit gradierter Porosität und nach diesem Verfahren hergestellte Folie - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer metallischen Folie mit gradierter Porosität, umfassend die Schritte:
a) ein erster Schlicker, umfassend ein Metallpulver mit bestimmter Korngröße, wird auf ein Trägersubstrat gegossen und getrocknet,
b) ein weiterer Schlicker, umfassend ein Metallpulver mit größerer Korngröße, wird auf den ersten Schlicker gegossen und getrocknet,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der erste Schlicker nach dem Gießen geebnet wird.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Folie mit gradierter Porosität. Unter einer Folie mit gradierter Porosität wird im weiteren, im Gegensatz zu Folien mit einem kontinuierlichen Übergang ein stufenweiser Aufbau der metallischen Folie verstanden.
• Bekannt sind aus Gewebe und Vlies bestehende poröse Metallschichten, die insbesondere als Filter eingesetzt werden.
• Bei Filtern sind kleine Schichtdicken anzustreben, um unerwünschte Strömungswiderstände zu minimieren. Es gibt ca. 100 μm dünne, aus Gewebe bestehende metallische Filter, die dann allerdings nachteilhaft verhältnismäßig große Poren aufweisen. Auch müssen zur Herstellung entsprechend dünne und daher teure Drähte verwendet werden. Die hieraus hergestellten Gewebe sind folglich ebenfalls entsprechend teuer.
• Wird ein metallisches Vlies eingesetzt, so können zwar kleine Porengrößen im Mikrometerbereich erzielt werden. Die Vliesdicke beträgt dann jedoch wenigstens einen halben Millimeter. Die Schichtdicken der vorgenannten Vliese können ferner nicht sehr genau gefertigt werden.
• Verhältnismäßig große Toleranzen müssen hingenommen werden.
• Aus der Druckschrift DE 1149972 B ist eine als durchlässige Membran bezeichnete Nickelschicht mit offener Porosität bekannt. Die Membran weist eine Schichtdicke von zum Beispiel 250 μm und einen Radius der vorhandenen Poren zwischen 0,06 und 2,2 μm auf.
• In der Druckschrift DE 2005571 C wird ein Verfahren zur Herstellung einer, als poröse Membran bezeichneten, Metallschicht mit offener Porosität beschrieben. Eine Suspension, die Nickel- und Chrompulver aufweist, wird zu einem Körper, so zum Beispiel zu einer Platte gepreßt, getrocknet und anschließend gesintert. Die Dicke einer so hergestellten Platte kann 100 bis 1000 μm und der Pulverdurchmesser des Metallpulvers 1 bis 10 μm betragen.
• Aus der Druckschrift "SCHATT: Pulvermetallurgie Sinter- und Verbundwerkstoffe, 1. Auflage Leipzig: VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1979 (pp. 140-142)" ist bekannt, beim Schlickergießen im Schlicker neben den Pulverteilchen eine Flüssigkeit und Zusätze, die die Viskosität der Lösung erhöhen, vorzusehen.
• Alternativ zum Metall werden auch Keramiken und Kunststoffe als Filtermaterialien verwendet. Keramische Filter sind jedoch relativ dick, und es tritt ein großer Strömungswiderstand auf. Hohe Drücke müssen dann für die Filtration aufgewendet werden. Für viele Einsatzzwecke stellt des weiteren die Sprödigkeit des keramischen Werkstoffs einen Nachteil dar.
• Wird Kunststoff als Filtermaterial eingesetzt, so sind keine erhöhten Betriebstemperaturen während der Anwendung möglich. Für einige medizinische und lebensmitteltechnologische Anwendungen stellt Kunststoff daher kein geeignetes Filtermaterial dar, da es nicht den Anforde rungen entsprechend sterilisiert werden kann. Die Wiedereinsetzbarkeit des Filters ist in diesen Fällen nicht gegeben.
• Aus EP 0190035 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Hohlkörpers bekannt. Dabei werden durch Drehen einer Form, welche eine stabilisierte Suspension von Metallteilchen enthält, die Metallteilchen aus der Suspension abgeschieden und auf der Innenwand der Form verteilt. Durch Entfernen der überstehenden Flüssigkeit und Erhitzen wird die Struktur getrocknet, und sodann das Verfahren wiederholt. Auf diese Weise entstehen metallische, hohlzylinderartige Folien mit gradierter Porosität. Nachteilig werden durch das technisch aufwändige Verfahren nur hohlzylinderartige Folien bestimmter Geometrie und Dicke bereit gestellt.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung sehr dünner metallischer Folien mit gradierter Porosität bereitzustellen, das zudem einfacher in der Handhabung ist.
• Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Das Verfahren umfaßt die Schritte:
• a) ein erster Schlicker, umfassend ein Metallpulver mit bestimmter Korngröße, wird auf ein Trägersubstrat gegossen, geebnet und getrocknet,
• b) ein weiterer Schlicker, umfassend ein Metallpulver mit größerer Korngröße, wird auf den ersten Schlicker gegossen und getrocknet.
• Zumindest der erste Schlicker wird nach dem Gießen geebnet. Dadurch werden Stoffschlüsse zwischen den festen Bestandteilen der Schlicker erzielt. Unebenheiten an der Grenzschicht der Schlicker werden vermieden.
• Die durch das Verfahren hergestellte metallische Folie mit gradierter Porosität umfaßt zumindest zwei getrocknete Schlicker, wobei der Schlicker mit dem Metallpulver der kleineren Korngröße zuerst gegossen, geebnet und getrocknet wird. Die Porengröße in den Schichten der Folie hängt im wesentlichen von der Korngröße der in den Schlickern verwendeten Metallpulver ab. Die Folie ist einfach herzustellen und kann auf einfache Weise weiter verarbeitet und in ihre endgültige Form und Dichte gebracht werden.
• Vorteilhaft wird mindestens ein weiterer Schlicker, umfassend Metallpulver mit größerer Korngröße, auf die getrockneten Schlicker gegossen und getrocknet.
• Dadurch entsteht vorteilhaft eine metallische Folie mit gradierter Porosität aus mindestens drei Schichten mit verschiedenen Porengrößen. Die Porengrößen innerhalb der Schichten hängen von den Korngrößen der verwendeten Metallpulver in den entsprechenden Schlickern ab. Es können ohne Einschränkung der Erfindung noch weitere Schlicker hergestellt, aufgegossen und getrocknet werden. Wichtig ist dabei, dass jeder Schlicker auf einen getrockneten Schlicker gegossen wird, welcher bezüglich des verwendeten Metallpulvers eine kleinere Korngröße aufweist.
• Vorteilhaft beträgt die Gießdicke einer Schicht etwa das fünf- bis zehnfache der Korngröße des verwendeten Metallpulvers in der Schicht. Aus Erfahrungswerten geht hervor, dass das Trägersubstrat dann vollständig bedeckt ist.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Schlicker unter Anwendung eines Gießrakels geebnet.
• Das Ebnen des Schlickers mit einem Gießrakel wird auch als Doctor-blade-technique bezeichnet. Der Schlicker fließt in Form eines Gießstreifens auf eine bewegliche Gießunterlage und wird unter einer Klinge (Rakel) abgestrichen. Alternativ kann auch die Klinge über einem fixierten Untergrund, auf dem sich die gegossenen Schlicker befinden, bewegt werden. Das Rakel ist über Mikrometerschrauben sehr exakt einstellbar, so dass der Schlicker hochpräzise zu einer völlig ebenen Schlickerschicht ausgezogen werden kann. Die Herstellung sehr dünner Schlickerschichten mit einer Dicke von beispielsweise 10 μm ist auf diese Weise möglich.
• Vorteilhaft wird die metallische Folie gesintert. Dadurch wird die Folie verfestigt und ihre Dichte nimmt zu. Die metallische Folie mit gradierter Porosität ist duktil, mechanisch stabil und elastisch. Es treten, sofern die Folie als Filter verwendet wird, nur geringe Strömungswiderstände auf. Metallische Folien mit gradierter Porosität als Filter sind immer dann von Vorteil, wenn extreme Einsatzbedingungen, z. B. hohe Temperaturen, hohe Drücke oder korrosive Medien vorliegen.
• In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die metallische Folie bei 950 °C im Vakuum gesintert. Bei dieser Temperatur ist gewährleistet, dass es zu keiner irreversiblen Verdichtung der Poren kommt.
• Die Dicke einer auf diese Weise hergestellten metallischen Folie mit gradierter Porosität beträgt insbesondere weniger als 300 μm.
• Solche Folien sind besonders gut für Filtrationszwecke mit einem Rückhaltebereich an der Grenze von Mikrofiltration zur Ultrafiltration industriell einsetzbar, insbesondere in der Lebensmitteltechnologie und in der Medizin. Hierdurch wird für metallische Folien mit gradierter Porosität ein neues Einsatzgebiet erschlossen.
• Als Ausführungsbeispiel für die Herstellung einer Folie mit gradierter Porosität wird eine aus drei Schichten hergestellte metallische Folie aus einem Edelstahlpulver 316L verschiedener Korngröße beschrieben. Zur Fer tigung der Folie werden zunächst drei Schlicker angesetzt, wobei die Edelstahlpulver unterschiedliche Korngrößen aufweisen. Nach ein bis zwei Stunden Homogenisierung eines jeden Schlickers wird zunächst der Schlicker mit dem feinkörnigsten Metallpulver blasenfrei gegossen. Eine Kunststoffolie des TypsCronar 412^® dient als Trägersubstrat. Aus dem Schlicker wird die erste Schicht der Folie unter Anwendung eines hochpräzisen Gießrakels geformt (Doctor-blade-technique). Nach einer 10-minütigen Trocknungszeit werden dann entsprechend die beiden anderen Schlicker auf die erste Schicht aufgetragen. Der Schlicker der feinen Schicht beinhaltet:
• – 100g Edelstahlpulver 316L (Fa. Osprey Metals Ltd.) ≥ 1 μm Korngröße (Feinstpulver)
• – 15g Polyvinylbuteral PVB 98 (gelöst in TIM: 1:8 Gewichtsanteile)
• – 0,5g Polyethylenglycol PEG 400
• – 0,5g Phthalsaurebis-(2-ethylhexylester)
• – 20 g TIM (Toluol : Isopropanol : Methylethylketon = 26:3:1 Gewichtsanteile)
• – 2 Tropfen Span 85
• Die Gießhöhe des Schlickers beträgt 50 μm.
• Der Schlicker der mittleren Schicht beinhaltet:
• – 200g Edelstahlpulver 316L (Fa. Osprey Metals Ltd.) ≥ 5 μm Korngröße
• – 10g Polyvinylbuteral PVB 98 (gelöst in TIM: 1:8 Gewichtsanteile)
• – 1g Polyethylenglycol PEG 400
• – 1g Phthalsäurebis-(2-ethylhexylester)
• – 20 g TIM (Toluol : Isopropanol : Methylethylketon = 26:3:1 Gewichtsanteile)
• - 2 Tropfen Span 85
• Die Gießhöhe des Schlickers beträgt 70 μm.
• Der Schlicker der groben Schicht beinhaltet:
• – 200g Edelstahlpulver 316L (Fa. Osprey Metals Ltd.) 16-45 μm Korngröße
• – 10g Polyvinylbuteral PVB98, (gelöst in TIM: 1:8 Gewichtsanteile)
• – 1g Polyethylenglycol PEG 400
• – 1g Phthalsäurebis-(2-ethylhexylester)
• – 20 g TIM (Toluol : Isopropanol : Methylethylketon = 26:3:1 Gewichtsanteile)
• Die Gießhöhe des Schlickers beträgt 200 μm.
• Die Sinterung erfolgt für 1 Stunde bei 950 °C im Vakuum. Die Schichtdicke der metallischen Folie mit gradierter Porosität beträgt nach der Sinterung ca. 190 μm. Die im Anwendungsfall geforderte Porosität ist über die Wahl der Ausgangskorngröße und über die Sinterbedingungen einstellbar. Diese Folie ist temperaturbeständig und somit sterilisierbar.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung einer metallischen Folie mit gradierter Porosität, umfassend die Schritte: a) ein erster Schlicker, umfassend ein Metallpulver mit bestimmter Korngröße, wird auf ein Trägersubstrat gegossen und getrocknet, b) ein weiterer Schlicker, umfassend ein Metallpulver mit größerer Korngröße, wird auf den ersten Schlicker gegossen und getrocknet, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der erste Schlicker nach dem Gießen geebnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Schlicker, mit einem Metallpulver mit größerer Korngröße auf die getrockneten und die geebneten Schlicker gegossen und getrocknet wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlicker unter Anwendung eines Gießrakels geebnet werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Folie gesintert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Folie bei 950°C im Vakuum gesintert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägersubstrat eine Kunststofffolie, insbesondere PET als Material für die Kunststofffolie gewählt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießdicke einer Schicht etwa das fünf- bis zehnfache der Korngröße des verwendeten Metallpulvers in der Schicht beträgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schlickerschichten mit einer Dicke von 10 μm gegossen werden.
9. Metallische Folie mit gradierter Porosität, hergestellt nach einem Verfahren der Patentansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Dicke von weniger als 300 μm.
10. Metallische Folie mit gradierter Porosität nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Dicke von weniger als 130 μm.
11. Verwendung einer Folie nach einem der Ansprüche 9 oder 10 in der Medizin- oder Lebensmitteltechnologie.