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Technisches Gebiet
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Gegenstand der Erfindung sind metallische Halbzeuge, metallische Werkstoffe und Verfahren zur Herstellung der Werkstoffe und Halbzeuge sowie deren Verwendungen.
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Stand der Technik
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Poröse Sintermetallstrukturen, welche zum Beispiel als Partikelfilter im Abgassystem einer Diesel-Brennkraftmaschine eingebaut sind, sind Stand der Technik. Beispielsweise ist in
DE 101 28 936 A1 eine aus keilförmigen Filtertaschen bestehende poröse Sintermetallstruktur offenbart.
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Vom Markt bekannt sind Verfahren zur Sintermetallfilterherstellung, bei welchen eine Streckmetallstützstruktur zum Einsatz kommt. Derartige Streckmetallstrukturen werden nach dem Stand der Technik vor dem Sintervorgang auf unterschiedliche Weise mit Sintermetall angereichert: So ist vom Markt her bekannt, dass aus Sintermetallpulver sowie einem möglichst geringen Anteil an organischen Bindern eine streichfähige Paste hergestellt wird, und diese nach dem Zellradprinzip in das Metallgewebe bzw. Streckmetall eingerakelt wird.
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Ebenso ist bekannt, dass aus Sintermetallpulver, organischen Bindern und Lösungsmittel eine fließfähige Paste oder ein Schlicker hergestellt werden kann. Im Anschluss wird das so aufbereitete Sintermetallpulver entweder durch Eintauchen des Metallgewebes oder Streckmetalls in die Paste bzw. Schlicker aufgebracht. Das Metallgewebe bzw. Streckmetall kann auch in einem Gießverfahren mit dem Schlicker übergossen bzw. mit der Paste überdruckt werden. Bei allen Varianten ist ein anschließender Trocknungsvorgang notwendig, um das Lösemittel abdampfen zu lassen und das Sintermetall auf dem Metallgerüst zu fixieren.
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Auch ist bekannt, Sintermetallpulver mit Wachs zu vermengen und nach Erwärmung die plastische Masse auf ein Metallgerüst z. B. in Form eines Streckmetallgitters aufzubringen. Unabhängig vom Beschichtungsverfahren des Metallgewebes bzw. Streckmetalls besteht die Schwierigkeit, die Schichtdicke und die Schichtdichte exakt einzustellen. Zudem erhöht das Steckmetall Gewicht und Kosten der resultierenden Filtermatte. Demnach ist es erstrebenswert, auf ein Gerüstmaterial verzichten zu können, und dennoch eine flächige, definierte und stabile Filtermatte zu erzeugen.
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In der
WO 2006/008222 werden folgende Schritte offenbart: Herstellung eines Gemisches aus einem Sintermetallfolie und einem organischen Binder; Herstellen einer Folie aus dem Gemisch; Strukturierung der Folie; Sintern. Bei diesem Verfahren dient als Halbzeug eine Sintermetallfolie, welche im Grünzustand (vor dem Sintern) eine gewisse Eigenfestigkeit aufweist, um in Filterübliche Strukturen überführt zu werden.
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Aus der
WO 2010/034792 A1 ist ein Halbzeug, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs und ein aus dem Halbzeug gewonnener metallischer Körper bekannt. Dort wird ein flächiges metallangereichertes Halbzeug als metallangereichertes Papiers bereitgestellt. Dieses kann wässrig in papierüblichen Verfahren mittels Papiermaschine in papierüblichen Dimensionen hergestellt werden. Der metallische Füllstoff kann während des Papierherstellungsprozesses zugeführt werden. Es ist nicht erforderlich, flüchtige organische Lösungsmittel einzusetzen. Durch die Nutzung papiertechnologischer Verfahrenstechnik kann in Relation zu anderen Verfahren, wie zum Beispiel Foliengießen, erheblich schneller und in erheblich größerem Umfang ein derartiges metallisches Halbzeug hergestellt werden. Darüber hinaus wirken die beim Papierherstellungsprozess eingesetzten Zellstofffasern als Faserarmierung im resultierenden flächigen Halbzeug, so dass dieses wesentlich stabiler und flexibler sind als beispielsweise Sintermetallfolien, welche mittels Foliengießen hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Papier kann mittels papierüblicher Verfahren z. B. zu komplexen, filterrelevanten Geometrien geformt und gegebenenfalls thermisch in einen metallischen Werkstoff überführt werden. Das Halbzeug, enthält insbesondere (a) organische Faserstoffe, (b) Bindemittel, (c) 15 bis 90 Vol.-% metallische Füllstoffe und (d) 0 bis 15 Vol.-% nicht metallische anorganische Füllstoffe, wobei der Gesamtgehalt der Füllstoffe (c) und (d) zusammen nicht mehr als 90 Vol.-% des Halbzeugs beträgt, und wobei sich alle Volumenangaben auf das Feststoffvolumen des Halbzeugs beziehen.
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Davon ausgehend ergibt sich die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines metallischen Halbzeugs und eines aus dem metallischen Halbzeug gewonnenen Körpers bereitzustellen, sowie ein metallisches Halbzeug und einen aus dem metallischen Halbzeug gewonnenen Körper, der optimiert für Filtrationsanwendungen insbesondere Heißgasfiltration, insbesondere die Filtration von Dieselpartikelfiltern oder für die Herstellung von Filterelementen für z. B. Heißgasfiltration oder Dieselpartikelfiltration ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein flächiges metallangereichertes Halbzeug als metallangereichertes Papiers bereitgestellt. Dieses kann wässrig in papierüblichen Verfahren mittels Papiermaschine in papierüblichen Dimensionen hergestellt werden. Als metallischer Füllstoff wird während des Papierherstellungsprozesses zumindest Edelstahl zugeführt. Der zugeführte Edelstahl ist bevorzugt hochtemperaturfest und/oder Aluminium-arm. Bevorzugt hat der Edelstahl einen Chromanteil von mehr als 20 Gewichts-%. Bevorzugt wird ein Edelstahl EN Werkstoff Kurzname X15CrNiSi25-20 bzw. Werkstoffnummer 1.4841 zugeführt. Bevorzugt ist der Aluminiumgehalt des zugefügten Edelstahls kleiner 1 Gewichts-% des Edelstahls oder kleiner 0,5 Gewichts-% oder sogar kleiner 0,1 Gewichts-%. Durch einen niedrigen Aluminiumgehalt im Edelstahl des Halbzeugs wird die Sinterung verbessert, vermutlich indem Oxidationsvorgänge verringert werden.
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Es ist nicht erforderlich, flüchtige organische Lösungsmittel einzusetzen. Durch die Nutzung papiertechnologischer Verfahrenstechnik kann in Relation zu anderen Verfahren, wie zum Beispiel Foliengießen, erheblich schneller und in erheblich größerem Umfang ein derartiges metallisches Halbzeug hergestellt werden. Darüber hinaus wirken die beim Papierherstellungsprozess eingesetzten Zellstofffasern als Faserarmierung im resultierenden flächigen Halbzeug, so dass dieses wesentlich stabiler und flexibler sind als beispielsweise Sintermetallfolien, welche mittels Foliengießen hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Papier kann mittels papierüblicher Verfahren z. B. zu komplexen, filterrelevanten Geometrien geformt und gegebenenfalls thermisch in einen metallischen Werkstoff überführt werden. Hierbei kann das Halbzeug z. B. zunächst gefaltet werden und dann durch Sintern in einen metallischen Werkstoff überführt werden.
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Das Halbzeug, enthält (a) organische Faserstoffe, (b) Bindemittel, (c) 15 bis 90 Vol.-% metallische Füllstoffe und (d) 0 bis 15 Vol.-% nicht metallische anorganische Füllstoffe, wobei der Gesamtgehalt der Füllstoffe (c) und (d) zusammen nicht mehr als 90 Vol.-% des Halbzeugs beträgt, und wobei sich alle Volumenangaben auf das Feststoffvolumen des Halbzeugs beziehen. Die Mengenangaben sind als Feststoffvolumenanteil angegeben. Damit ist der Anteil gemeint, welcher das Volumen des eingesetzten Füllstoffes an dem gesamten Volumen aller eingesetzten Feststoffe bestehend aus Füllstoff, Zellstoff, Latex und weitere organische Binder und oder Polymere hat. Das Volumen der Poren wird nicht betrachtet. Damit erfährt der Anspruch eine Unabhängigkeit vom spezifischen Gewicht der eingesetzten Füllstoffe sowie vom Verdichtungsgrad des Papiers. Die Angabe der Anteile in Vol.-% ist hier von Vorteil, da auf diese Art besser beschrieben werden kann, in welchem Maße das Halbzeug mit Metallen befüllt ist. Ein hoher Volumenanteil an Metallen vereinfacht im Allgemeinen die Sinterung, weil die Metallpartikel in Kontakt stehen. Die Erfindung erlaubt es, ein Halbzeug in einem Papierherstellungsprozess mit metallischen Füllstoffen hochgradig anzureichern. Das Halbzeug ist in erster Linie durch die eingesetzten metallischen Füllstoffe geprägt. Es wird ein flächiges metallisches Halbzeug erhalten, welches nach der Formgebung im unverfestigten Zustand oder thermisch verfestigt zum Einsatz kommen kann. Weitere nicht metallische Füllstoffe können zusätzlich, jedoch nicht in einem den Charakter des Halbzeugs signifikant beeinflussenden Umfang, enthalten sein. Es sind bevorzugt erheblich weniger nicht metallische Füllstoffe als metallische Füllstoffe enthalten. Beispielweise kommen auf 100 Teile metallische Füllstoffe nicht mehr als 20, 10 oder 5 Teile nicht metallische anorganische Füllstoffe. In einer Ausführungsform bildet der Faserstoff (a) in dem Halbzeug keine durchgängige Matrix. Bei dieser Ausführungsform ist der Anteil an Faserstoff nicht ausreichend, um eine Matrix zu bilden. Die Füllstoffe werden durch den Binder verbunden, in einer weiteren Ausführungsform ist der Anteil der Metalle so hoch, dass diese sich kontaktieren und eine durchgängige Matrix bilden. Das Material wird als ”Halbzeug” bezeichnet. Dies bedeutet, dass das Metall-haltige Material in einer Form bereitgestellt wird, das weiterverarbeitet werden kann. Dadurch ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass das Halbzeug selbst als Gebrauchsgegenstand eingesetzt wird. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Halbzeug ein Papier oder eine Pappe. Der Papiercharakter des Halbzeugs nimmt mit dem Anteil der organischen Faserstoffe (a) zu. Überraschenderweise ist das Halbzeug jedoch selbst dann nach üblichen papiertechnischen Verfahren herstellbar und verarbeitbar, wenn der Faserstoffgehalt so niedrig ist, dass nach der üblichen Definition kein Papier vorliegt. Das Halbzeug ist fest. Es weist nach der Herstellung nur noch einen geringen Wasseranteil auf, beispielsweise weniger als 5, weniger als 1 oder weniger als 0,2 Gew.-%. Es ist bevorzugt ausreichend stabil, um bei Üblicher Handhabung und Transport nicht zu zerfallen. In einer bevorzugten Ausführungsform entsteht bei einer Sinterung des Halbzeugs unter üblichen Bedingungen, beispielsweise bei Temperaturen zwischen 1100 und 18°C, insbesondere zwischen 1200°C und 1700°C, oder zwischen 1200 und 1600°C, insbesondere bei 1200, 1300 oder 1600°C, beispielsweise für 10 h, ein metallischer Werkstoff. Ein ”metallische Werkstoff im Sinne der Erfindung ist ein Werkstoff, der einen wesentlichen Anteil an Metallen aufweist, also beispielsweise mindestens 15, 50, 80, 95, 99 oder 100 Gew.-%. In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Halbzeug der Gehalt an metallischen Füllstoffen (c) mindestens 20 Vol.-%, bevorzugt mindestens 50 Vol.-%, besonders bevorzugt mindestens 76 Vol.-% oder mindestens 85 Vol.-%, bezogen auf das Feststoffvolumen des Halbzeugs. Der Gesamtfüllstoffgehalt ist bevorzugt 40–95 Vol.-% oder 70 bis 95 Vol.-%, insbesondere 76 bis 90 Vol.-% bezogen auf das Feststoffvolumen des Halbzeugs. Um dem Halbzeug zunehmend den metallischen Charakter zu verleihen, sind höhere Anteile metallischer Füllstoffe von Vorteil. So ist zum Erreichen einer Sinterfähigkeit eines metallpulverangereicherten Papiers eine ausreichende räumliche Nähe der Sintermetallpartikel notwendig. Diese ist umso mehr gewährleistet, je mehr metallischer Füllstoff im Papier enthalten ist. Bevorzugt sind mindestens 20 Vol.-%, bevorzugt 35 Vol.-%, besonders bevorzugt 45 Vol.-% oder 55 Vol.-% Metallpulver bezogen auf das Feststoffvolumen enthalten. Da die Metalle eine deutlich höhere Dichte als die organischen Komponenten aufweisen, entspricht dies sehr hohen Anteilen in Gewichts-%. Bei einer Rohdichte eines Sintermetalls beispielsweise von 8 g/cm3 entsprechen diese Feststoffvolumenanteile folgenden Gewichtanteilen bezogen auf Gesamttrockenmasse des Papiers: 10 Vol.-% entspricht rund 37 Gew.-%, 20 Vol.-% entspricht rund 57 Gew.-%, 35 Vol.-% entspricht rund 74 Gew.-%, 45 Vol.-% entspricht rund 81 Gew.-% und schließlich 55 Vol.-% entspricht rund 87 Gew.-% bezogen auf Gesamttrockenmasse des metallangereicherten Papiers. Das metallangereicherte Papier kann 70 bis 90 Gewichts-% an Edelstahl umfassen, bevorzugt umfasst es 75 bis 85 Gewichts-% an Edelstahl. In einer Ausführungsform ist der Anteil nicht-metallischer Füllstoffe weniger als 10 Vol.-%, bevorzugt weniger als 5 Vol.-% und bevorzugt weniger als 2 Vol.-% bezogen auf das Feststoffvolumen des Halbzeugs. In einer Ausführungsform liegen das Metall und/oder die weiteren Füllstoffe als Pulver und/oder Fasern, bevorzugt mit einer Partikelgrösse und/oder einem Faserdurchmesser von weniger als 200 μm, besonders bevorzugt von weniger als 100 μm oder von weniger als 50 μm vor. Für die Zugabe des Edelstahls, insbesondere für den angestrebten Einsatz im Filtrationsbereich, haben sich Korngrößen mit einer mittleren Korngröße d50 von 10 μm bis 50 μm, insbesondere 15 μm bis 25 μm, besonders bewährt.
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Neben dem Einsatz nicht faserförmiger Partikel als Füllstoff können auch faserartige Füllstoffe als sogenannte Faserfüllstoffe zum Einsatz kommen. Der angegebene Füllstoffgehalt umfasst demnach sowohl faserförmige als auch nicht faserförmige Füllstoffe.
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Der Einsatz von metallischen Kurzfasern kann zum Beispiel in einer resultierenden papierabgeleiteten Sintermetallstruktur dieser eine höhere Festigkeit und/oder höhere Schadenstoleranz verleihen. Z. B. können Metallfasern mit einer Länge von z. B. 10 bis 30 μm und einem Durchmesser von 1 bis 8 μm zugegeben werden, um eine optimierte innere Matrix zu schaffen. Diese können z. B. in einer Menge von kleiner 5 Gewichts-% des Halbzeugs zugegeben werden. Bevorzugt sind diese Metallfasern aus Edelstahl mit einen Chromanteil von mehr als 20 Gewichts-%. Bevorzugt wird ein Edelstahl EN Werkstoff Kurzname X15CrNiSi25-20 bzw. Werkstoffnummer 1.4841 verwendet. Bevorzugt ist der Aluminiumgehalt der zugefügten Edelstahlfasern kleiner 1 Gewichts-% des Edelstahls oder kleiner 0,5 Gewichts-% oder sogar kleiner 0,1 Gewichts-%
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Je kleiner der repräsentative Partikel bzw. Faserdurchmesser ist, desto geringer ist bei gegebener Rohdichte die Sedimentationsneigung des Füllstoffes während des Papierherstellungsprozesses. Feinere Partikel können demnach leichter in hohem Umfang mit dem vorgestellten papiertechnologischen Verfahren im Papier angereichert werden.
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In einer Ausführungsform ist der Gehalt an organischen Faserstoffen (a) 2 bis 84,5 Vol.-%, insbesondere 5 bis 50 oder 5 bis 25 Vol.-%, bezogen auf das Feststoffvolumen des Halbzeugs. Der Gehalt an Bindemittel (b) ist 0,5 bis 20 Vol.-%,; bevorzugt 1 bis 15 Vol.-%, oder 2 bis 10 Vol.-%, bezogen auf das Feststoffvolumen des Halbzeugs.
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In einer Ausführungsform ist das Bindemittel (b) Latex und/oder ein natürliches oder derivatisiertes natürliches Polysaccharid, insbesondere Stärke. Insbesondere Latex erfüllt dabei eine Doppelfunktion. Zum einen erlaubt der Einsatz von Latex (Emulsion vorvernetzter Polymere) beim Papierherstellungsprozess eine starke Flockung des Füllstoffes. Latex bildet als Emulsion sehr feine Tröpfchen mit Durchmessern im Bereich 100–500 nm aus. Dadurch erreicht man mit relativ wenig Wirksubstanz eine hohe effektive Oberfläche des eingesetzten Latex. In Kombination mit der Fähigkeit zur Filmbildung lassen sich durch den Einsatz von Latex sehr große Füllstoffmengen in Kombination mit weiteren Retentionsmitten sehr effektiv flocken, das heißt zu Aggregaten zusammenfügen. In diesem Zusammenhang kann durch den Einsatz geladener Stärke die Flockung gezielt weiter reguliert werden. Durch die starke Flockung wird gewährleistet, dass in dem hoch wässrigen System bei der Papierherstellung der Füllstoff beim Aufbringen des Stoffgemisches auf das Papiersieb von diesem zurückgehalten wird und nicht mit dem Siebwasser verloren geht. Zum anderen erfüllt Latex im fertigen, metallangereicherten Papier die Funktion eines elastischen Binders. Dadurch wird ein Stauben des Papiers (Abtrag von Füllstoff) vermieden. Die Kombination von Zellstofffasern und Latex ermöglicht zudem eine sehr gute Formbarkeit der metallangereicherten Papiers. Bevorzugt ist der Latex eine Polymerdispersion. Als Polymerdispersion bezeichnet man eine kolloidal stabile Dispersion von Polymerpartikeln in einer wässrigen Phase. Der Durchmesser der Polymerpartikel kann zwischen 10 Nanometern bis 5 Mikrometern liegen. Als Latices können beispielsweise Polymerdispersionen auf der Basis von Acrylester-Vinylacetat oder Methylmethacrylat sowie Ethylacrylat oder StyrolButadien oder Acyl-Nitril zum Einsatz kommen. Insbesondere haben sich als geladene Latices das Produkt der Marke Styronal 809 (auf Styrol-Butadien-Basis) von dem Hersteller BASF oder das Produkt der Marke Nychem 1562x117 (auf Acryl-Nitril-Basis) der Firma Emerald bewährt. Es können auch natürliche Polysaccharide eingesetzt werden. Unter diesen ist Stärke besonders bevorzugt. Als Stärke kann z. B. Kartoffelstärke, Maisstärke oder Reisstärke zum Einsatz kommen. Weitere geeignete natürliche Polysaccharide sind Xanthan sowie solche aus Guar. Die natürlichen Polysaccharide und die Stärke können nach bekannten Methoden derivatisiert, also chemisch modifiziert, sein. In einer bevorzugten Ausführungsform sind organische Bindemittel, bevorzugt Phenolharze und/oder anorganische Bindemittel bevorzugt silikatische Binder und oder metallorganische Polymere bevorzugt Silane, Siloxane, Silazane und oder Hybridpolymere, enthalten. Diese Binder können beispielsweise in Kombination mit Latex und/oder natürlichen oder derivatisierten natürlichen Polysacchariden, insbesondere Stärke, eingesetzt werden.
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in einer Ausführungsform enthält das Halbzeug als Bindemittel geladenen Latex und/oder natürliches oder derivatisiertes natürliches Polysaccharid, insbesondere Stärke, wobei der geladene Latex oder die geladene Stärke in einer Menge von 0,05–15 Gew.-%, insbesondere bevorzugt in einer Menge von 0,5–10 Gew.-%, bezogen auf das trockene Gesamtgewicht des Halbzeugs, vorliegen. Bevorzugt wird anionischer Latex und/oder kationische Stärke eingesetzt. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Halbzeug als Retentionsmittel Polyvinylamin, Polyacrylamid, Polyamidamin, Aluminiumsulfat und/oder Bentonit, bevorzugt in einer Menge von 0,01 bis 7 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,1 bis 2 Gew.-%, bezogen auf das trockene Gesamtgewicht des Halbzeugs. Diese Retentionsmittel können auch in Kombination mit Latex und Stärkte eingesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Halbzeug als organischen Faserstoff (a) natürliche Fasern, chemisch modifizierte natürliche Fasern oder synthetische Fasern, insbesondere auf Cellulose-Basis. Geeignet sind beispielsweise Sulfatzellstoff und/oder Sulfitzellstoff und/oder nach thermomechanischem Verfahren (TMP) hergestellter Zellstoff und/oder nach chemo-thermomechanischem Verfahren (CTMP) hergestellter Zellstoff und/oder Baumwolle und/oder Linters, lignocellulosehaltige Stoffe und/oder Holzschliff. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Halbzeug eine Dicke von 50 bis 20000 μm, bevorzugt von 100 bis 1500 μm auf.
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In einer Ausführungsform sind in dem Halbzeug zusätzlich Benetzungs- und/oder Dispergiermittel, bevorzugt kationische und oder anionisch-stabilisierende Mittel enthalten. Das Benetzungsund oder Dispergiermittel ist bevorzugt in einer Menge von 0,05–5 Gew.-%, insbesondere in einer Menge von 0,1–3 Gew.-%, bezogen auf das trockene Gesamtgewicht des Halbzeugs, enthalten.
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In einer Ausführungsform weist das Halbzeug bei der vollständigen Pyrolyse einen Gewichtsverlust von weniger als 50 Gew.-%, bevorzugt weniger als 40 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 30 Gew.-%, oder weniger als 20 Gew.-%, bezogen auf das trockene Gesamtgewicht des Halbzeugs, auf.
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In einer Ausführungsform liegt das Halbzeug papiertechnisch geformt vor, bevorzugt als Wellpappe, Wabenoder Rohrstruktur. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Halbzeug papiertechnisch geformt in Kombination mit einer metallischen Stützstruktur, bevorzugt in Kombination mit einem Streckmetall oder in Kombination mit einem metallischen Fasergewebe vor, bevorzugt als Wellpappe-, Wabenoder Rohrstruktur.
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Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung eines Halbzeugs gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung eines metallischen Werkstoffes, beispielsweise als Filter für Gase oder Flüssigkeiten, als Katalysatorträger, Katalysator, Wärmetauscher, Barriereschicht, Gehäusekomponente, Porenbrenner oder Papier zur elektromagnetischen Abschirmung.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs mit den Schritten: – Vermischen der Faserstoffe (a), Bindemittel (b) und Füllstoffe (c) und (d) in einem Lösungsmittel, bevorzugt Wasser, zu einem Brei; und Verarbeiten des Breis zu einem Halbzeug unter Verwendung einer Papiermaschine oder eines Extrusion oder Spritzgussverfahrens.
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In einer Ausführungsform ist das Halbzeug mit einem Schlicker beschichtet. Der Schlicker umfasst bevorzugt organische Bindemittel und/oder metallische und/oder keramische und/oder kohlenstoffhaltige und/oder ligno-cellulosehaltige Zusatzstoffe in Form von Pulvern und/oder Fasern.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Werkstoffes, wobei ein erfindungsgemäßes Halbzeug so lange thermisch behandelt wird, bis die organischen Bestandteile entfernt sind. Dies bedeutet beispielsweise, dass der Anteil organischer Bestandteile weniger als 1, 0,2 oder 0,05 Gew.-% ausmacht. Es verbleibt eine weitgehend metallische Matrix. Die Verfahrensführung erfolgt so, dass das Metall nicht oder nur unwesentlich (beispielsweise zu weniger als 10, 5 oder 2%), chemisch reagiert, beispielsweise zu einem Oxid, Nitrid oder Carbid.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein metallischer Werkstoff, z. B. erhältlich nach einem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Werkstoffe weisen eine weitgehend metallische Matrix auf. Sie sind bevorzugt stabil bei mechanischer Belastung. Sie sind bevorzugt porös, wobei der Anteil der Poren am Volumen des Werkstoffes bevorzugt 20 bis 95% oder besonders bevorzugt 30 bis 70% ausmacht. Für Filtrationsanwendungen sollte die Porosität größer als 50% sein, z. B. zwischen 55–70% liegen. Die Porengrößen liegen dabei beispielsweise zwischen 1 und 2000 μm, bevorzugt zwischen 10 und 500 μm, bei mindestens 95% oder mindestens 95% der Poren. Die für Filtrationszwecke besonders bevorzugte Porengröße liegt bei 15–20 μm als mean pure size gemessen mit einem Topas PSM 165 Porometer.
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Der metallische Werkstoff hat bevorzugt einen Kohlenstoffgehalt von kleiner 2%, besonders bevorzugt weniger als < 1,5 Gewichts-%. Der Sauerstoffgehalt des metallischen Werkstoffs sollte kleiner 1% sein, bevorzugt geringer als 0,05 Gewichts-%.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des Halbzeugs oder des metallischen Werkstoffes als Filter für Gase oder Flüssigkeiten, als Katalysatorträger, Katalysator, Wärmetauscher, Barriereschicht, Gehäusekomponente, Porenbrenner, Membran, Oberflächenbrenner, thermische Isolierung, Elektrode, Heizrohr, Wärmerohr, Verdampfer, Leichtbaustruktur oder zur Abschirmung von Strahlung, insbesondere Elektrosmog, Röntgenwellen oder Radarwellen.
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Die Halbzeuge eignen sich dabei insbesondere als Vorrichtungen, wie Leichtbaustruktur oder Verkleidungen, zur Abschirmung von Strahlung. Das Vorteilspotential der vorgelegten Erfindung liegt in der Bereitstellung eines flächigen, homogenen, stabilen und formbaren Metallhalbzeuges, welches aufgrund der Zellstofffasern als Faserarmierung ohne Metallstützstruktur zu anwendungsrelevanten Strukturen überführt werden kann.
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Von Vorteil ist ebenso, dass ein derartiges Papier papiertechnologisch wässrig, demnach ohne organische Lösungsmittel, in papierüblichen Umfang und Kostenrahmen hergestellt werden kann. Vorteilhaft ist, dass die Dicke, Dichte und Mikrostruktur des Metallpapiers exakt eingestellt werden können, was z. B. die exakte Steuerung der Eigenschaften wie z. B. Festigkeit und Mikrostruktur des resultierenden metallischen Werkstoffes im Falle der thermischen Umsetzung erlaubt. Ebenso von Vorteil Ist, dass im Falle der thermischen Umsetzung durch die thermische Zersetzung der Zellstofffasern die Porosität und Mikrostruktur des resultierenden Metallwerkstoffes gesteuert werden kann. Ebenso vorteilhaft ist, dass das metallangereicherte Papier papiertechnologisch imprägniert (z. B. mittels Leimpresse) und oder papiertechnologisch beschichtet (z. B. Gautschen, Streichen) und oder bedruckt (z. B. Siebdruck) werden kann. Vorteilhaft ist, dass metallangereichertes Papier mittels papiertechnologischer Formgebung wie zum Beispiel Riffelung (Wellpappenerzeugung) und/oder Wickelung (Wickelhülsenherstellung) aufgrund der Faserarmierung der eingesetzten organischen Fasern wie z. B. Zellstoff gut in anwendungsrelevante Geometrien z. B. Filterstrukturen überführt werden kann. Ebenso ist es von Vorteil, dass Papiere, welche mit unterschiedlichen Pulvern hinsichtlich Zusammensetzung und oder Partikelgröße gefüllt sind, miteinander kombiniert werden können, um damit z. B. besondere Filtereigenschaften im Falle der thermischen Umsetzung zu erhalten. Von Vorteil ist ebenfalls die Möglichkeit, neben metallischen Partikeln auch metallische Fasern beim Papierherstellungsprozess zuführen zu können, so dass das metallangereicherte Papier neben metallischen Partikeln auch metallische Fasern beinhalten kann. Zudem ist es von Vorteil, dass die wässrige Suspension bestehend aus Zellstoff, Metall und organischen Bindern sowie möglichen weiteren Additiven wie zum Beispiel Latex anstelle über einen Papierherstellungsprozess flächig ausgeformt, mittels Spritzguss oder Extrusion neben flächig auch 3-dimensional ausgeformt werden kann. Von Vorteil ist die Möglichkeit, das metallangereicherte Papier mit einer metallischen Stützstruktur wie zum Beispiel einem Streckmetall verbinden zu können. Ebenso von Vorteil ist, dass durch den hohen Anteil metallischer Füllstoffe, im Falle deren Sinterfähigkeit, das Papier bzw. die Papierstruktur effektiv thermisch in einen metallischen Werkstoff überführt werden kann.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Halbzeug umfassend (a) Zellulose als organische Faserstoffe, (b) Latex und Stärke als Bindemittel, (c) Edelstahl als metallischen Füllstoff wobei es sich um einen Edelstahl 1.4841 handelt, der durch seine Hochtemperaturbeständigkeit und seinen niedrigen Aluminiumgehalt die Fertigung von Heißgasfiltern ermöglicht. Der Edelstahl liegt mit ca. 80 Gew.-% im getrockneten Halbzeug vor. Der Edelstahl wurde mit einer mittleren Korngröße d5 von 20 μm dem Halbzeug beigegeben.
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Metallischer Werkstoff, der aus dem beschriebenen solchen Halbzeug gefertigt ist, wobei das Halbzeug dabei zumindest gesintert wurde bei einer Temperatu größer 1000°C. Der Werkstoff ist ca. 0,4 bis 0,5 mm dick. Und hat ein Flächengewicht von etwa 1400 g/m2. Die mittlere Porengröße gemessen mit einem Topas PSM 165 Porometer beträgt zwischen 15 und 20 μm bei einer Porosität zwischen 55 und 65%. Der Kohlenstoffgehalt liegt bei 1 Gew.-%. Der Sauerstoffgehalt unterhalb von 1 Gew.-%.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10128936 A1 [0002]
- WO 2006/008222 [0006]
- WO 2010/034792 A1 [0007]