DE102015221853B4 - Process for the preparation of carbonaceous ceramic components - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von kohlenstoffhaltigen keramischen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet,
dass ein, ein Geliermittel enthaltender, wässriger Schlicker aus einem später graphitisierbaren Kohlenstoffträger und aus mindestens einer Oxidkörnung und/oder Nicht-Oxidkörnung in eine wässrige Härterlösung mit mindestens 0,05 Gew.% Metallkationen zur Gelierung gefördert und darin zu einem 2- oder 3-dimensionalen Bauteil geformt wird,
dass das 2- oder 3-dimensionale Bauteil nach einer Gelierungszeit von 1 sec bis 30 min von der wässrigen Lösung getrennt, getrocknet und zur Pyrolyse des Kohlenstoffträgers thermisch behandelt wird,
wobei der wässrige Schlicker als Geliermittel ein Alginat mit einem Anteil von 0,1 bis 5 Gew.% des Feststoffgehaltes des wässrigen Schlickers enthält,
wobei die Oxidkörnung und/oder Nichtoxidkörnung, der graphitisierbare Kohlenstoffträger und das Alginat vermischt und mit Wasser sowie mithilfe von Additiven zu einer stabilen Suspension, dem wässrigen Schlicker, verarbeitet werden,
wobei als Additive Dispergierhilfsmittel, Netzmittel, temporäre Bindemittel sowie Entschäumungsmittel eingesetzt werden,
wobei die in der wässrigen Härterlösung geformten und gelierten Grünkörper nach der Trocknung mit einem gleich- oder andersartigen keramischen Schlicker imprägniert werden.
Process for the production of carbonaceous ceramic components, characterized
in that an aqueous slip comprising a gelling agent, which is later graphitizable carbon carrier and composed of at least one oxide grain and / or non-oxide grain, is conveyed into an aqueous hardener solution containing at least 0.05% by weight of metal cations for gelling and forming therein a 2- or 3- dimensional component is formed,
that the 2- or 3-dimensional component is separated from the aqueous solution after a gelation time of 1 sec to 30 min, dried and thermally treated to pyrolysis of the carbon support,
wherein the aqueous slurry contains as gelling agent an alginate in a proportion of 0.1 to 5 wt.% Of the solids content of the aqueous slurry,
wherein the oxide grain and / or non-oxide grain, the graphitizable carbon carrier and the alginate are mixed and processed with water and with the aid of additives to form a stable suspension, the aqueous slip,
wherein as additives dispersing agents, wetting agents, temporary binders and defoaming agents are used,
wherein the green bodies formed and gelled in the aqueous hardener solution are impregnated after drying with an identical or different kind of ceramic slip.

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von kohlenstoffhaltigen keramischen Bauteilen mit einer Makrostruktur. Die resultierenden Bauteile können, je nach verwendetem Material, aufgrund ihrer großen Oberfläche für die Filtration von Fluiden, als Katalysator oder Katalysatorträger als wärmeübertragende Materialien eingesetzt werden.The invention relates to the production of carbonaceous ceramic components with a macrostructure. Depending on the material used, the resulting components can be used as heat-transferring materials because of their large surface area for the filtration of fluids, as catalyst or catalyst support.

Bekannt sind Verfahren zur Herstellung von komplexen Strukturen, wie Robocasting oder Schmelzschichtung (Fused Deposition Modeling, kurz FDM). Diese Verfahren basieren auf robotergestützten Abscheidungsprozessen in denen kolloidale sogenannte Polymertinten oder Gele extrudiert werden und einen kontinuierlichen Materialstrang erzeugen. Dadurch werden unter anderen zweidimensionale Strukturen, die durch eine schichtweise Übereinanderlagerung eine komplexe dreidimensionale Geometrie bilden, erzeugt. Beispielhaft ist in EP 0833237 B1 das Fused Deposition Modeling beschrieben, welches grundsätzlich unabhängig vom zu verwendenden Material ist, solange eine ausreichende Haftung der einzelnen Schichten untereinander besteht und das Material grundsätzlich extrudierbar ist, d.h. passende rheologische Eigenschaften aufweist. Dazu wird beispielhaft in DE 102006017595 A1 beschrieben, wie ein keramischer Schlicker für das Robocasting herzustellen und zu verarbeiten ist, um medizinische Implantate zu erzeugen. Andere Herstellungsprozesse nach dem „solid free-forming“ Prinzip sind die Stereolithographie oder das selektive Lasersintem. Bei diesen additiv fertigenden Verfahren werden dünne Schichten des herzustellenden Materials aufgetragen und über UV-Strahlung (bei der Stereolithografie ( WO 2009128902 A1 )) oder über einen kurzen Laserimpuls (beim selektiven Lasersintem ( WO 2004089851 A1 )) gehärtet. Dadurch entstehen schichtweise komplexe Bauteile, was jedoch den Nachteil einer aufwendigen Datenverarbeitung mit sich bringt.Methods are known for producing complex structures, such as robocasting or fused deposition modeling (FDM). These methods are based on robotic deposition processes in which colloidal so-called polymer inks or gels are extruded and produce a continuous strand of material. As a result, among other things, two-dimensional structures that form a complex three-dimensional geometry by layered superimposition are generated. Exemplary is in EP 0833237 B1 described the fused deposition modeling, which is basically independent of the material to be used, as long as there is sufficient adhesion of the individual layers with each other and the material is basically extrudable, that has appropriate rheological properties. This is exemplified in DE 102006017595 A1 describe how to make and process a ceramic slip for robocasting to produce medical implants. Other manufacturing processes based on the "solid free-forming" principle are stereolithography or selective laser sintering. In these additive manufacturing processes, thin layers of the material to be produced are applied and irradiated by UV radiation (in stereolithography ( WO 2009128902 A1 )) or via a short laser pulse (in selective laser sintering ( WO 2004089851 A1 )) hardened. This results in layers complex components, but this brings the disadvantage of a complex data processing with it.

Eine weitere Möglichkeit um Bauteile mit einer linearen „Endlos-Struktur herzustellen, ist der in der Keramikindustrie bereits etablierte Extrusionsprozess. Hierbei wird, je nach Extruderart, eine bildsame Masse entweder mithilfe einer Förderschnecke oder mittels eines hydraulisch betriebenen Stempels durch ein sogenanntes Mundstück mit definierter Geometrie gepresst. Der resultierende Grünkörper besitzt eine lineare Geometrie und kann, im Falle eines Schneckenextruders, kontinuierlich produziert werden. Der Betrieb eines Kolbenextruders hingegen ist diskontinuierlich. Unabhängig von der Extruderart kann die bildsame Masse unter Vakuum evakuiert werden und/oder die Prozesstemperatur verändert werden. Dadurch lassen sich sogenannte Wabenkörperstrukturen generieren, welche als makroporöse durchströmbare Bauteile vor allem vielfältige Anwendungen in der Filtration von Fluiden finden und speziell in Rußpartikelfiltern für dieselbetriebene Motoren (Offenlegungsschrift WO2009000664 A2 ). Das Extrusionsverfahren wird nicht nur in der keramischen Industrie, sondern ebenfalls zur Herstellung von Graphitelektroden eingesetzt. Dies ist möglich, da, wie in EP 0109839 B1 beschrieben, grobkörniges Material bis 6,35 mm Korngröße eingesetzt und die Extrusionsmasse bei einer Temperatur von 110 °C verarbeitet wird. Dies ist durch den Einsatz eines, bei dieser Temperatur, niedrigviskosen Harzes möglich. Die Extrusion von feinkörnigen keramischen Materialien mit einem Anteil an Graphit als Kohlenstoffträger für wasserbasierte Systeme ist in US 5344799 A beschrieben. Hierbei dient der Graphit allerdings nicht zur Bildung einer Kohlenstoffmatrix sondern wird während des Sinterprozesses ausgebrannt um eine hohe Porosität zu erzeugen. Diese erzeugten, nahezu kohlenstofffreien, Schaumkeramiken sollen zur Filtration verschiedener Materialien eingesetzt werden.Another possibility for producing components with a linear, endless structure is the extrusion process already established in the ceramics industry. Depending on the type of extruder, a viscous mass is pressed either by means of a screw conveyor or by means of a hydraulically operated punch through a so-called mouthpiece with a defined geometry. The resulting green body has a linear geometry and, in the case of a screw extruder, can be continuously produced. The operation of a piston extruder, however, is discontinuous. Regardless of the type of extruder, the plastic mass can be evacuated under vacuum and / or the process temperature can be changed. As a result, it is possible to generate so-called honeycomb structures which, as macroporous components which can be flowed through, find above all manifold applications in the filtration of fluids and, in particular, in soot particle filters for diesel-operated engines (Offenlegungsschrift WO2009000664 A2 ). The extrusion process is used not only in the ceramic industry, but also for the production of graphite electrodes. This is possible because, as in EP 0109839 B1 described coarse-grained material used up to 6.35 mm grain size and the extrusion mass is processed at a temperature of 110 ° C. This is possible by using a, at this temperature, low viscosity resin. The extrusion of fine - grained ceramic materials with a proportion of graphite as carbon support for water - based systems is known in US 5344799 A described. However, the graphite does not serve to form a carbon matrix but is burned out during the sintering process in order to produce a high porosity. These produced, almost carbon-free, foamed ceramics are to be used for the filtration of various materials.

Aufgrund der guten Umweltverträglichkeit werden Alginate auch im keramischen Gelcasting eingesetzt ( WO 2006027593 A2 ). WO 2006027593 A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Katalysatorträgern mittels Gelcasting, wobei der keramische Schlicker zur Formgebung in eine Gießform gegossen wird. In diesem Formgebungsprozess werden üblicherweise synthetisch hergestellte, umweit- und gesundheitsschädliche Monomere, wie monofunktionales Acrylamid und difunktionales Methylenbisacrylamid zu einem keramischen Schlicker gegeben ( EP 1306148 B1 ). Durch Zugabe eines Initiators und eines Katalysators findet ein pH-Wertwechsel statt und die Monomere polymerisieren und bilden dadurch ein Gelnetzwerk aus. Das Resultat ist ein formstabiler keramischer Grünkörper mit endabmessungsnaher Geometrie, der bei Bedarf auch grünbearbeitet werden kann. Dieses Verfahren ist zur Herstellung von dreidimensionalen komplexen Bauteilen im diskontinuierlichen Betrieb entwickelt. Durch den Einsatz von Alginat werden die üblichen toxischen Acrylamide durch nicht-toxische natürliche Materialien ersetzt und somit aufwendige Arbeitsschutzmaßnahmen reduziert.Due to the good environmental compatibility, alginates are also used in ceramic gel casting ( WO 2006027593 A2 ). WO 2006027593 A2 describes a process for the preparation of catalyst supports by means of gel casting, wherein the ceramic slurry is poured into a casting mold for shaping. In this shaping process, synthetically prepared monomers harmful to health and the environment, such as monofunctional acrylamide and difunctional methylenebisacrylamide, are usually added to a ceramic slip ( EP 1306148 B1 ). Addition of an initiator and a catalyst causes a pH change and the monomers polymerize, thereby forming a gel network. The result is a dimensionally stable ceramic green body with a geometry close to the final dimensions, which can also be green-painted if required. This process is developed for the production of three-dimensional complex components in discontinuous operation. By using alginate, the usual toxic acrylamides are replaced by non-toxic natural materials, thus reducing costly occupational safety measures.

Allgemein werden Alginate aufgrund ihrer guten Verträglichkeit im menschlichen Körper (Lebensmittelzusatzstoffe E 401-404) und ihrer Gelierungseigenschaften bei Raumtemperatur oft in der Medizin als Hilfsmittel für Verbandsmaterialien ( WO 2003045293 A1 ) oder als Abformmaterial für die Zahntechnik ( DE 3831043 A1 ) eingesetzt. Weitere Verwendungen finden Alginate als Gelierungsmittel oder als immobilisierendes Trägermaterial ( DE 59004966 D1 ) in der Lebensmitteltechnik und in der Kosmetiktechnik ( EP 0391803 B1 ).In general alginates are often used in medicine as auxiliaries for bandages because of their good compatibility in the human body (food additives E 401-404) and their gelling properties at room temperature ( WO 2003045293 A1 ) or as an impression material for dental technology ( DE 3831043 A1 ) used. Other uses include alginates as gelling agents or as immobilizing carrier material ( DE 59004966 D1 ) in food technology and in cosmetic technology ( EP 0391803 B1 ).

DE 10 2004 002 561 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von kohlenstoffgebundenen Feuerfesterzeugnissen aus feuerfesten Körnungen und organischem Bindemittel, wobei man als organisches Bindemittel ein pulverförmiges, grafitierbares Steinkohlenteerpech mit einem Benzo(a)pyren-gehalt kleiner 500 mg/kg und einem Verkokungsrückstand von mindestens 80 Gew.-% nach DIN 51905 und ein bei Raumtemperatur flüssiges grafitierbares Bindemittel mit einem Verkokungsrückstand von mindestens 15 Gew.-% und einem Benzo[a]pyrengehalt von kleiner 500 ppm nach DIN 51905 einsetzt, dieses mit den übrigen Bestandteilen mischt, in einen Formkörper überführt und anschließend bei einer Temperatur von 150 bis etwa 400 °C wärmebehandelt. DE 10 2004 002 561 A1 describes a process for producing refractory grain carbonaceous carbonaceous refractory products and organic binder which comprises, as an organic binder, a powdered graphitizable coal tar pitch having a benzo (a) pyrene content of less than 500 mg / kg and a coking residue of at least 80% by weight DIN 51905 and a graphitizable binder which is liquid at room temperature and has a coking residue of at least 15% by weight and a benzo [a] pyrene content of less than 500 ppm in accordance with DIN 51905, mixes this with the other constituents, converts it into a shaped body and then with a Temperature of 150 to about 400 ° C heat treated.

WO 2015/077130 A1 offenbart die Herstellung von keramischen Proppant-Partikeln (Proppants) mit 0,45 bis 0,90 mm Durchmesser als Füll- und Stützpartikel, insbesondere Füllmaterial in geologischen Spalten im Zusammenhang mit der Öl- und Gasförderung. Dazu wird ein keramischer Schlicker durch eine perforierte Membran zur Ausbildung von Partikeln gepresst. Die Partikel werden aufgefangen und getrocknet. WO 2015/077130 A1 discloses the production of ceramic proppant particles (proppants) with 0.45 to 0.90 mm diameter as filling and supporting particles, in particular filling material in geological columns in connection with the oil and gas production. For this purpose, a ceramic slurry is pressed through a perforated membrane to form particles. The particles are collected and dried.

Speziell für die Filtration von Stahl- und Metallschmelzen werden meist keramische Schaumfilter eingesetzt. Diese Filter können aus oxidischen Materialien (Einsatz für Aluminiumschmelzen) oder aus einem kohlenstoffgebundenen keramischen Material (Einsatz in der Stahlschmelzfiltration) bestehen ( DE 102011109684 B4 und DE 102011109681 B4 ). Die Kohlenstoffbindung zeigt Stahlschmelzen gegenüber ein nichtbenetzendes Verhalten, was die Korrosion der Filter verringert und auch die Filtrationseigenschaften positiv beeinflussen kann. Zudem weisen kohlenstoffgebundene Keramiken aufgrund der geringeren thermischen Dehnung und der höheren Wärmeleitfähigkeit besseres Thermoschockverhalten gegenüber keramisch gebundenen Systemen auf. Um vor allem diese guten thermischen und thermo-mechanischen Eigenschaften von kohlenstoffgebundenen Keramiken nutzen zu können, werden offenzellige Schaumstrukturen über das Replica-Verfahren generiert. Dazu wird ein Polymerschaum, meist Polyurethan, als Trägermaterial verwendet und mit einem keramischen Schlicker imprägniert. Wahlweise kann nach der Trocknung der ersten Schlickerschicht, eine zweite funktionalisierte keramische Schicht durch einen Sprühprozess aufgetragen werden. Durch den sich anschließenden Pyrolyseprozess, wird der Polymerschaum ausgebrannt und hinterlässt trianguläre konkave Hohlräume innerhalb der einzelnen Stege des keramischen Schaums, welche zu einer signifikanten Verringerung der mechanischen Eigenschaften der kohlenstoffgebundenen Schaumkeramiken führen.Ceramic foam filters are usually used especially for the filtration of steel and metal melts. These filters can consist of oxide materials (use for aluminum melts) or of a carbon-bonded ceramic material (use in steel melt filtration) ( DE 102011109684 B4 and DE 102011109681 B4 ). The carbon bond exhibits a non-wetting behavior to molten steel, which reduces the corrosion of the filters and can also positively influence the filtration properties. In addition, due to the lower thermal expansion and the higher thermal conductivity, carbon-bonded ceramics exhibit better thermal shock behavior compared to ceramic-bonded systems. In order to be able to use these good thermal and thermo-mechanical properties of carbon-bonded ceramics in particular, open-cell foam structures are generated via the replica method. For this purpose, a polymer foam, usually polyurethane, used as a carrier material and impregnated with a ceramic slip. Optionally, after drying the first slurry layer, a second functionalized ceramic layer may be applied by a spray process. The subsequent pyrolysis process burns out the polymer foam and leaves triangular concave cavities within the individual webs of the ceramic foam which lead to a significant reduction in the mechanical properties of the carbon-bonded foam ceramics.

Die Aufgabe der Erfindung ist daher, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von feinkörnigen kohlenstoffhaltigen keramischen Bauteilen mit einer Makrostruktur anzugeben, dass die Fertigung von Bauteilen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften insbesondere für die Anwendung als Filter für Metallschmelzen, aber auch als Katalysator oder als wärmeübertragendes Material erlaubt.The object of the invention is therefore to provide an improved process for the production of fine-grained carbonaceous ceramic components with a macrostructure that allows the production of components with improved mechanical properties, in particular for use as a filter for molten metals, but also as a catalyst or as a heat transfer material.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The object is achieved by a method according to the main claim. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von kohlenstoffhaltigen keramischen Bauteilen mit einer Makrostruktur bereitgestellt, wobei ein Geliermittel enthaltender, wässriger Schlicker aus einem später graphitisierbaren Kohlenstoffträger und aus mindestens einer Oxidkörnung und/oder Nicht-Oxidkömung in eine wässrige Härterlösung mit mindestens 0,05 Gew.% Metallkationen zur Gelierung gefördert und darin zu einem 2- oder 3-dimensionalen Bauteil geformt wird, dass das 2- oder 3-dimensionale Bauteil nach einer Gelierungszeit von 1 sec bis 30 min von der wässrigen Lösung getrennt, getrocknet und zur Pyrolyse des Kohlenstoffträgers thermisch behandelt wird, wobei der wässrige Schlicker als Geliermittel ein Alginat mit einem Anteil von 0,1 bis 5 Gew.% des Feststoffgehaltes des wässrigen Schlickers enthält, wobei die Oxidkörnung und/oder Nichtoxidkörnung, der graphitisierbare Kohlenstoffträger und das Alginat vermischt und mit Wasser sowie mithilfe von Additiven zu einer stabilen Suspension, dem wässrigen Schlicker, verarbeitet werden, wobei als Additive Dispergierhilfsmittel, Netzmittel, temporäre Bindemittel sowie Entschäumungsmittel eingesetzt werden, wobei die in der wässrigen Härterlösung geformten und gelierten Grünkörper nach der Trocknung mit einem gleich- oder andersartigen keramischen Schlicker imprägniert werden.According to the invention, a method is provided for producing carbonaceous ceramic components having a macrostructure, wherein a gelling agent-containing, aqueous slip of a later graphitisable carbon support and of at least one oxide grain and / or non-oxide flow into an aqueous hardener solution with at least 0.05 wt.% Metal cations promoted for gelation and is formed into a 2- or 3-dimensional component, that the 2- or 3-dimensional component after a gelation time of 1 sec to 30 min separated from the aqueous solution, dried and thermally treated to pyrolysis of the carbon support wherein the aqueous slurry as gelling agent contains an alginate in a proportion of 0.1 to 5 wt.% Of the solids content of the aqueous slurry, wherein the oxide grain and / or non-oxide grain, the graphitisable carbon carrier and the alginate mixed and mixed with water and with Additives too a stable suspension, the aqueous slurry, are used as dispersants, wetting agents, temporary binders and defoaming agents are used as additives, wherein the shaped and gelled in the aqueous hardener solution green body are impregnated after drying with a same or different kind of ceramic slurry.

Vorteilhaft werden die später graphitisierbaren Kohlenstoffträger mit einem Gehalt von 5 bis 90 Gew.% bezogen auf den Feststoffgehalt des wässrigen Schlickers und mindestens einer Oxidkörnung und/oder Nicht-Oxidkörnung mit 10 bis 95 Gew.% bezogen auf den Feststoffgehalt des wässrigen Schlickers eingesetzt.The later graphitisable carbon carriers are advantageously used with a content of 5 to 90% by weight, based on the solids content of the aqueous slip and at least one oxide grain and / or non-oxide grain, with 10 to 95% by weight, based on the solids content of the aqueous slip.

Vorteilhaft werden als später graphitisierbare Kohlenstoffträger Peche, synthetische Peche, phenolbasierte Harze, Bitumen, Teer, Holz, Koks, Kohle, Biomasse oder Kombinationen davon mit einem Gehalt von 5 bis 90 Gew.% bezogen auf den Feststoffgehalt des wässrigen Schlickers eingesetzt.Peche, synthetic pitches, phenol-based resins, bitumen, tar, wood, coke, coal, biomass or combinations thereof with a content of from 5 to 90% by weight, based on the solids content of the aqueous slip, are advantageously used as later graphitisable carbon carriers.

Bevorzugt werden als Oxididkörnung Al2O3, MgO, CaO, SiO2, ZrO2, Fe2O3, TiO2, Na2O, K2O, P2O5, BaO, Li2O, SrO, Cr2O3 oder Kombinationen daraus und/oder als Nicht-Oxidkörnung werden bevorzugt SiC, Si3N4, AlN, B4C, ZrB2, ZrC oder Kombinationen daraus mit einem Gehalt von 10 bis 95 Gew.% bezogen auf den Feststoffgehalt des wässrigen Schlickers eingesetzt. Al 2 O 3 , MgO, CaO, SiO 2 , ZrO 2 , Fe 2 O 3 , TiO 2 , Na 2 O, K 2 O, P 2 O 5 , BaO, Li 2 O, SrO, Cr 2 are preferred as the oxide grains O 3 or combinations thereof and / or as non-oxide grains are preferably SiC, Si 3 N 4 , AlN, B 4 C, ZrB 2 , ZrC or combinations thereof with a content of 10 to 95% by weight, based on the solids content of the aqueous Schlickers used.

Bevorzugt werden feinkörnige keramische Materialien als Oxid- bzw. Nicht-Oxidkömungen mit einem d90-Wert größer 0,1 µm und kleiner 100 µm eingesetzt.Preference is given to using fine-grained ceramic materials as oxide or non-oxide streams having a d 90 value greater than 0.1 μm and less than 100 μm.

Die feinkörnigen Materialien der Oxid- und/oder Nichtoxid-Körnung, der graphitisierbare Kohlenstoffträger und das Alginat werden vermischt und mit Wasser sowie mithilfe von Additiven zu einer stabilen Suspension, dem sogenannten wässrigen Schlicker, verarbeitet. Als Additive werden Dispergierhilfsmittel, Netzmittel, temporäre Binder sowie Entschäumungsmittel eingesetzt.The fine-grained materials of the oxide and / or non-oxide grain, the graphitizable carbon carrier and the alginate are mixed and processed with water and with the aid of additives to form a stable suspension, the so-called aqueous slip. The additives used are dispersing aids, wetting agents, temporary binders and defoaming agents.

Die Dispergierhilfsmittel verändern die Oberflächeneigenschaften der einzelnen Kohlenstoff- und Keramikpartikel sterisch, elektrostatisch oder über eine sich bildende Doppelschicht, sodass diese nicht sofort absinken und homogen verteilt vorliegen. Die Dispergiermittel können beispielsweise synthetische Polyelektrolyte (z. B. Dolapix PC 21) sein, welche die Oberfläche der Feststoffpartikel aufgrund elektrochemischer Wechselwirkungen verändern und die Partikel somit gegeneinander abschirmen. Je nach eingesetztem Dispergiermittel und angestrebtem Einsatzziel liegt der Gehalt von Dispergiermitteln in der keramischen Industrie zwischen 0,05 Gew.% und 1 Gew.%.The dispersing agents change the surface properties of the individual carbon and ceramic particles sterically, electrostatically or via a bilayer that forms so that they do not sink immediately and are distributed homogeneously. The dispersants may be, for example, synthetic polyelectrolytes (eg Dolapix PC 21) which change the surface of the solid particles due to electrochemical interactions and thus shield the particles from each other. Depending on the dispersant used and the intended use, the content of dispersants in the ceramic industry is between 0.05% by weight and 1% by weight.

Einen ähnlichen Effekt, wie Dispergierhilfsmittel, besitzen Netzmittel, welche die Benetzung der, vor allem, Kohlenstoffpartikel mit Wasser ermöglichen und eine Stabilisierung der Feststoffpartikel im Schlicker fördern. Die Netzmittel werden oft nicht einzeln eingesetzt, sondern der zu erzielende Effekt wird meist durch andere Effekte, wie eine Dispergierwirkung begleitet. Aus diesem Grund ist das Netzmittel meist auch gleichzeitig Dispergiermittel und wird nicht einzeln aufgeführt.A similar effect, such as dispersing aids, have wetting agents which allow the wetting of, in particular, carbon particles with water and promote stabilization of the solid particles in the slurry. The wetting agents are often not used individually, but the effect to be achieved is usually accompanied by other effects, such as a dispersing effect. For this reason, the wetting agent is usually also the same dispersant and is not listed individually.

Um eine gewisse Grünfestigkeit der in der Härterlösung geformten Bauteile zu gewährleisten bzw. diese zu erhöhen, werden dem Schlicker temporäre Bindemittel zugegeben. Die temporären Bindemittel sind zumeist langkettige organische Verbindungen, welche auch aus natürlichen Quellen stammen können. Dazu gehören u.a. Celluloseether, Xanthan oder auch Polyvinylalkohol als nicht-natürlicher Rohstoff. Die temporären Bindemittel liegen in gelöster Form im Schlicker vor bzw. binden das Lösungsmittel - meist Wasser - und binden die Feststoffpartikel mechanisch an sich. Während der anschließenden Trocknung der Grünkörper wird das Wasser wieder abgegeben und die keramischen Partikel sind nun mit dem temporären Bindemittel „verzahnt“, was in einer Erhöhung der Grünfestigkeiten resultiert. Dabei liegen typische Gehalte je nach Art des Bindemittels und nach Einsatzzweck bzw. gewünschten Eigenschaften im Bereich zwischen 0,1 Gew.% und bis zu 10 Gew.%.To ensure a certain green strength of the components formed in the hardener solution or to increase these, temporary binders are added to the slurry. The temporary binders are mostly long-chain organic compounds, which may also be derived from natural sources. These include u.a. Cellulose ethers, xanthan or polyvinyl alcohol as a non-natural raw material. The temporary binders are present in dissolved form in the slip or bind the solvent - usually water - and mechanically bind the solid particles to themselves. During the subsequent drying of the green body, the water is released again and the ceramic particles are now "interlocked" with the temporary binder, which results in an increase in the green strength. Depending on the nature of the binder and on the purpose or desired properties, typical contents are between 0.1% by weight and up to 10% by weight.

Bei der Homogenisierung des Schlickers wird ein großer Anteil an Luft in den hergestellten Schlicker eingebracht. Diese Einschlüsse würden im späteren Bauteil zu einer erhöhten Porosität führen, was zu einer Absenkung der mechanischen Eigenschaften führen würde. Um dies zu verhindern werden keramischen Schlickern Entschäumungsmittel beigesetzt. Diese basieren in der keramischen Industrie oft auf Silikonölen, können aber für andere Anwendungen auch beispielsweise aus Alkylpolyalkylenglykolether (Contraspum K 1012) bestehen. bevorzugt Entschäumungsmittel auf Basis von Silikonölen beigesetzt. Dadurch wird die Oberflächenspannung des Schlickers verändert und die eingeschlossene Luft kann durch Anlegen eines Vakuums leichter entfernt werden. Die üblichen Gehalte sind dabei sehr gering und liegen im Bereich zwischen etwa 0,01 Gew.% und 0,5 Gew.%.In the homogenization of the slurry, a large proportion of air is introduced into the slurry produced. These inclusions would lead to increased porosity in the later component, which would lead to a lowering of the mechanical properties. In order to prevent this, defoamers are added to ceramic slips. These are often based on silicone oils in the ceramics industry, but for other applications can also be made, for example, of alkyl polyalkylene glycol ether (Contraspum K 1012). preferably defoamer based on silicone oils buried. This changes the surface tension of the slurry and the trapped air can be more easily removed by applying a vacuum. The usual contents are very low and are in the range between about 0.01 wt.% And 0.5 wt.%.

Vorteilhaft wird das Verfahren zur Herstellung der kohlenstoffhaltigen keramischen Bauteile mit einer dreidimensionalen periodischen Makrostruktur so geführt, dass ein wässriger Schlicker mit einem später graphitisierbaren Kohlenstoffträger mit mindestens 5 Gew. % und mindestens einer Oxidkörnung und/oder Nicht-Oxidkörnung mit mindestens 10 Gew.% und einem Alginat mit mindestens 0,1 Gew.% aufbereitet wird und mittels einer Pumpe und einer Schlauchverbindung von einem Vorratsbehälter über ein verjüngtes Formstück in eine wässrige Lösung mit mindestens 0,05 Gew.% Metallkationen kontinuierlich gefördert wird, so dass bei der Gelierung ein Strang entsteht, der zu Makrostrukturen über die Bewegung des verjüngten Formstückes überführt wird und nach der Entfernung aus der Metallkationen-enthaltenden wässrigen Lösung getrocknet und thermisch behandelt wird.Advantageously, the method for producing the carbonaceous ceramic components with a three-dimensional periodic macrostructure is performed so that an aqueous slip with a later graphitisable carbon support with at least 5 wt.% And at least one oxide grain and / or non-oxide grain with at least 10 wt.% And an alginate is treated with at least 0.1 wt.% And continuously conveyed by means of a pump and a hose connection from a reservoir via a tapered fitting into an aqueous solution containing at least 0.05 wt.% Metallcationen, so that during gelation a strand is formed, which is converted to macrostructures on the movement of the tapered molding and dried after removal from the metal cations-containing aqueous solution and thermally treated.

Bevorzugt wird als Gelierungsmittel Natriumalginat, Kaliumalginat, Calciumalginat, Ammoniumalginat, Propylenglycolalginat und/oder Kombinationen daraus zu mindestens 0,1 Gew. % eingesetzt.The gelling agent used is preferably sodium alginate, potassium alginate, calcium alginate, ammonium alginate, propylene glycol alginate and / or combinations thereof of at least 0.1% by weight.

Als Aginate werden über Extraktionsprozesse gewonnene Salze der wasserunlöslichen Alginsäure eingesetzt. Diese Salze bestehen aus zwei Hauptbestandteilen, dem α-L-Guluronat (G) und dem β-D-Mannuronat (M). Beide Monomere bilden Homopolymere in Form von MM- und GG-Blöcken und Heteropolymere mit alternierenden M- und G-Blöcken (-MG-). Der wichtigste Bestandteil für die Gelierung von Alginaten sind die GG-Blöcke, da nur diese die sogenannte „egg-box“-Struktur bilden, welche durch eine zusätzliche Zufuhr von vorrangig divalenten Metallkationen zu einer Vernetzung der einzelnen Molekülketten in eine Gelstruktur führt. Die anderen Polymere (MM-, GG- und MG-Blöcke) sind nicht bzw. in sehr geringem Maße an der Gelbildung beteiligt, aber bewirken eine höhere Elastizität in den resultierenden Gelstrukturen. Aginates used are salts of the water-insoluble alginic acid obtained by extraction processes. These salts consist of two main components, the α-L-guluronate (G) and the β-D-mannuronate (M). Both monomers form homopolymers in the form of MM and GG blocks and heteropolymers with alternating M and G blocks (-MG-). The most important constituents for the gelling of alginates are the GG blocks, since only these form the so-called "egg-box" structure, which leads to an interconnection of the individual molecular chains into a gel structure by an additional supply of predominantly divalent metal cations. The other polymers (MM, GG and MG blocks) do not or do not participate in the gelation, but cause a higher elasticity in the resulting gel structures.

Bevorzugt enthält die wässrige Härterlösung Ca2+, Ba2+, Mg2+, Sr2+, Al3+ oder Fe2+-Ionen oder Kombinationen daraus zu mindestens 0,01 Gew. % aber maximal bis zur vollständigen Sättigung der Lösung als Metallkationen.Preferably, the aqueous hardener solution Ca 2+, Ba 2+, Mg 2+, Sr 2+, Al 3+ or Fe 2+ ions, or combinations of at least 0.01 weight thereof.% But at most up to the complete saturation of the solution as metal cations.

Als Härterlösung haben sich einerseits aufgrund der guten Löslichkeiten und andererseits aufgrund der guten Gelbildungseigenschaften Calciumchlorid CaCl2 und Bariumnitrat Ba(NO3)2 jeweils in wässriger Lösung erwiesen.On the one hand, calcium chloride CaCl 2 and barium nitrate Ba (NO 3 ) 2 in aqueous solution have proved to be the hardener solution on the one hand because of the good solubilities and on the other hand because of the good gelation properties.

Die hergestellten Grünkörper mit einem Einzelstrangdurchmesser von 1 - 2 mm können für weniger als 10 min in einer 1 Gew.-% wässrigen Bariumnitratlösung belassen werden, was für eine vollständige Gelbildung hinreichend ist.The prepared green bodies with a single strand diameter of 1 - 2 mm can be left for less than 10 min in a 1 wt .-% aqueous barium nitrate solution, which is sufficient for a complete gelation.

Nach ausreichender Gelierung werden die in der Härterlösung geformten Bauteile mit destilliertem Wasser abgespült, um überschüssige Härterlösung und somit Verunreinigungen an der Oberfläche der Bauteile zu entfernen.After sufficient gelation, the components formed in the hardener solution are rinsed with distilled water to remove excess hardener solution and thus impurities on the surface of the components.

Nachfolgend schließt sich ein Trocknungsprozess an, bei dem die in der wässriger Lösung geformten und gelierten Grünkörper bei Temperaturen bis 50 °C und bis zur Massekonstanz der Bauteile getrocknet und im letzten Behandlungsschritt während einer geeigneten Temperaturbehandlung bis 1400 °C pyrolisiert werden.This is followed by a drying process in which the green bodies formed and gelled in the aqueous solution are dried at temperatures of up to 50 ° C. and until the components have a constant mass, and are pyrolyzed in the last treatment step to 1400 ° C. during a suitable heat treatment.

In einem sich anschließenden Pyrolyseprozess wird das Bauteil bei Temperaturen bis zu 1400 °C unter Ausschluss von Sauerstoff verkokt. Dabei bilden die im Bereich 10 - 40 Ma.-% zugegebenen bitumenstämmigen und/oder teerstämmigen Peche eine Kohlenstoffmatrix als kontinuierliche Phase, wobei durch die Zugabe von 0 - 15 Ma.-% Graphit und 0 - 15 Ma.-% Ruß die Bildung besagter Kohlenstoffmatrix gefördert und der Gesamtkohlenstoffgehalt im verkokten Produkt erhöht wird. Diese Kohlenstoffbindung enthält als diskontinuierliche Phase die keramische Körnung.In a subsequent pyrolysis process, the component is coked at temperatures up to 1400 ° C with the exclusion of oxygen. The bituminous and / or tar-based pitches added in the range 10-40% by weight form a carbon matrix as the continuous phase, with the addition of 0-15% by weight of graphite and 0-15% by weight of carbon black Promoted carbon matrix and the total carbon content in the coked product is increased. This carbon bond contains the ceramic grain as a discontinuous phase.

Erfindungsgemäß werden die in der wässrigen Härterlösung geformten und gelierten Grünkörper nach der Trocknung mit einem gleich- oder andersartigen keramischen Schlicker imprägniert.According to the invention, the green bodies shaped and gelled in the aqueous hardener solution are impregnated after drying with an identical or different kind of ceramic slip.

Die Imprägnierung erfolgt über Sprüh-, Tauch- oder ähnliche Beschichtungsverfahren (wie z. B. thermischen Spritzverfahren, Elektrospinning, chemischer Gasphasenabscheidung und/ oder physikalischer Gasphasenabscheidung und dient einerseits zur Steigerung der Festigkeit der geformten Grünkörper und andererseits kann eine Funktionalisierung der Oberfläche erfolgen. Während der Funktionalisierung soll das Grundmaterial des geformten Bauteils mit einem Schlicker imprägniert werden und dadurch die gewünschten und auf den jeweiligen Einsatzzweck angepassten Eigenschaften erzielt werden. Diese können z. B. für den Einsatz als Stahlschmelzfilter, eine hohe Korrosions- und Thermoschockbeständigkeit sein. Als Bauteil in Wärmetauschern sollte das Material eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen und ein Einsatz als Katalysator setzt eine hohe Oberfläche (Reaktionsfläche) voraus.The impregnation takes place by means of spraying, dipping or similar coating methods (such as, for example, thermal spraying, electrospinning, chemical vapor deposition and / or physical vapor deposition and serves, on the one hand, to increase the strength of the shaped green bodies and, on the other hand, to functionalize the surface For the functionalization, the base material of the molded component is to be impregnated with a slurry, thereby achieving the desired properties which are adapted to the respective intended use, for example for use as a steel melt filter, a high resistance to corrosion and thermal shock Heat exchangers should the material have a high thermal conductivity and use as a catalyst requires a high surface area (reaction surface).

Vorteilhaft werden dazu die in der wässrigen Härterlösung geformten und gelierten Grünkörper nach der Trocknung mit einem keramischen Schlicker der maximal einen Kohlenstoffgehalt durch eingebrachte graphitisierbare Kohlenstoffträger in Form von Pechen, synthetischen Pechen, phenolbasierten Harzen, Bitumen, Teer, Holz, Koks, Kohle, Biomasse oder Kombinationen daraus von maximal 95 Gew.% aufweist und einer keramischen Körnung, bestehend aus Al2O3, MgO, CaO, SiO2, ZrO2, Fe2O3, TiO2, Na2O, K2O, P2O5, BaO, Li2O, SrO, Cr2O3 oder Kombinationen daraus als Oxidkörnung und/oder SiC, Si3N4, AIN, B4C, ZrB2, ZrC und Kombinationen daraus als Nicht-Oxidkörnung eingesetzt werden bis maximal 100 Gew.% des Feststoffgehaltes des Beschichtungsschlickers eingesetzt.Advantageously, the green bodies formed and gelled in the aqueous hardener solution after drying with a ceramic slip of maximum carbon content by introduced graphitizable carbon support in the form of pitches, synthetic pitches, phenol-based resins, bitumen, tar, wood, coke, coal, biomass or Combinations thereof of at most 95 wt.% Has and a ceramic grain consisting of Al 2 O 3 , MgO, CaO, SiO 2 , ZrO 2 , Fe 2 O 3 , TiO 2 , Na 2 O, K 2 O, P 2 O. 5 , BaO, Li 2 O, SrO, Cr 2 O 3 or combinations thereof as oxide grain and / or SiC, Si 3 N 4 , AIN, B 4 C, ZrB 2 , ZrC and combinations thereof are used as non-oxide grain to maximum 100 wt.% Of the solids content of the coating slip used.

Die feinkörnigen Materialien der Oxid- und/oder Nichtoxid-Kömung, der graphitisierbare Kohlenstoffträger und das Alginat werden vermischt und mit Wasser sowie mithilfe von Additiven zu einer stabilen Suspension, dem wässrigen Beschichtungsschlicker, verarbeitet. Als Additive werden Dispergierhilfsmittel, Netzmittel, temporäre Binder sowie Entschäumungsmittel eingesetzt. The fine-grained materials of oxide and / or non-oxide Kömung, the graphitizable carbon support and the alginate are mixed and processed with water and with the help of additives to a stable suspension, the aqueous coating slurry. The additives used are dispersing aids, wetting agents, temporary binders and defoaming agents.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von feinkörnigen kohlenstoffgebundenen keramischen Bauteilen mit einer offenen durchströmbaren Makroporosität aus einem wasserbasierten keramischen Schlicker über einen kontinuierlichen Formgebungsprozess. Dieser Prozess erfolgt durch Zugabe von pulverförmigem Alginat zu einem keramischem Schlicker, bestehend aus keramischen Füllstoff, Kohlenstoff in Form von Graphit, Ruß bzw. auch kohlenstoffliefernde Teere, Peche und Harze. Dieser Schlicker wird aus einem Vorratsbehälter, vorzugsweise mit integriertem Rührwerk um Sedimentations- und Segregationsvorgänge zu vermeiden, durch einen Schlauch (bestehend aus PVC, Silikon oder anderen dem Schlicker gegenüber beständigen Materialien) mithilfe einer geeigneten Pumpe (in diesem Fall wurde eine Peristaltikpumpe genutzt) in einen Behälter mit einer geringprozentigen (1 - 10 Ma.-%) polyvalenten Metallkationen enthaltenden Lösung (Härterlösung) gepumpt. Der Schlicker verläßt dabei den Förderschlauch innerhalb der Härterlösung und kann durch geeignete Verfahren als kontinuierlicher Strang abgezogen bzw. als geordnete Struktur innerhalb der Härterlösung abgelegt werden.The method according to the invention makes it possible to produce fine-grained carbon-bonded ceramic components with an open through-flow macroporosity from a water-based ceramic slurry via a continuous shaping process. This process is carried out by adding powdered alginate to a ceramic slip, consisting of ceramic filler, carbon in the form of graphite, carbon black or carbon-producing tars, pitches and resins. This slurry is withdrawn from a reservoir, preferably with an integrated agitator, to avoid sedimentation and segregation, through a hose (made of PVC, silicone or other materials resistant to slip) using a suitable pump (in which case a peristaltic pump was used) a container with a low percentage (1 - 10 wt .-%) polyvalent metal cations containing solution (hardener solution) pumped. The slip leaves the delivery hose within the hardener solution and can be withdrawn by suitable processes as a continuous strand or deposited as an ordered structure within the hardener solution.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die in die Härterlösung geförderte Schlickermasse mithilfe eines computerunterstützten Handlingsystems in eine zweidimensionale Strangstruktur überführt, welche durch das wiederholte übereinander Lagern in einen dreidimensionalen Grünkörper überführt wird.According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, the slip mass conveyed into the hardener solution is transferred by means of a computer-assisted handling system into a two-dimensional strand structure, which is transferred into a three-dimensional green body by repeated superimposition.

Um offene durchströmbaren makroporösen Strukturen der Bauteile zu erzielen, wird die Herstellung der Bauteile durch ein computergesteuertes Handlingsystem unterstützt. Dadurch lassen sich vorher am Computer generierte Strukturen reproduzierbar herstellen. Da die Gelbildung der Endlosstränge in-situ stattfindet, werden zunächst nur die oberflächennahen Schichten der Stränge durch direkten Kontakt mit polyvalenten Metallkationen geliert. Der innere Kern bleibt für gewisse Zeit flüssig und die dort stattfindende Gelbildung wird durch Diffusionsprozesse der Metallkationen in das Innere der hergestellten Stränge bestimmt.In order to achieve open flow-through macroporous structures of the components, the production of the components is supported by a computer-controlled handling system. As a result, previously generated computer-generated structures can be produced reproducibly. Since the gelation of the endless strands takes place in situ, only the near-surface layers of the strands are initially gelled by direct contact with polyvalent metal cations. The inner core remains liquid for a certain time and the gel formation taking place there is determined by diffusion processes of the metal cations into the interior of the strands produced.

Der für die Herstellung der Grünkörper benötigte Schlicker wird aus einem Vorratsbehälter gefördert. Dazu muss ein Auslass angebracht sein, um den Schlicker mittels der Peristaltikpumpe aus dem Vorratsbehälter, durch den Schlauch und in die wässrige Lösung pumpen zu können. Der Vorratsbehälter wird so gewählt, dass genügend Schlicker für die Herstellung der Bauteile bereitsteht. Vorteilhaft ist auch eine Vorrichtung zur Nachfüllung von Schlicker, um so eine kontinuierliche Herstellung zu gewährleisten zu können. Um eventuelle Ablagerungserscheinungen des Schlickers im Vorratsbehälter durch längere Standzeiten zu vermeiden, bietet sich ein Rührwerk an, um ausreichende Homogenität beizubehalten. Dem schlickerfördernden Schlauch wird ein sogenanntes Mund- oder Formstück adaptiert, welches einen geringeren Querschnitt und eine andere Geometrie als der Schlauch besitzen kann. Zudem kann durch einen Unterschied im Querschnitt zwischen dem Schlauch und dem verjüngten Formstück, unabhängig von der Pumpe eine höhere Geschwindigkeit des Schlickers am Auslass realisiert werden, falls dies notwendig sein sollte. Die schlickerführenden Bauteile des Systems, der Vorratsbehälter, der Schlauch, sowie das verjüngte Formstück, sind aus Materialen zu wählen, welche keine Reaktionen mit dem Schlicker zeigen und auch bei Bedarf zu reinigen sind.The slurry required for the production of the green body is conveyed from a storage container. For this purpose, an outlet must be installed in order to be able to pump the slurry out of the storage tank, through the hose and into the aqueous solution by means of the peristaltic pump. The reservoir is chosen so that there is enough slurry for the manufacture of the components. Also advantageous is a device for refilling slips so as to be able to ensure continuous production. In order to avoid possible sedimentation of the sludge in the reservoir through longer service life, an agitator is available to maintain sufficient homogeneity. The Schlickerfördernden hose a so-called mouth or fitting is adapted, which may have a smaller cross section and a different geometry than the hose. In addition, a difference in cross-section between the hose and the tapered fitting, independent of the pump, can provide a higher velocity of the slip at the outlet, if necessary. The slip-carrying components of the system, the reservoir, the hose, as well as the tapered fitting are to be selected from materials which show no reactions with the slurry and can also be cleaned if necessary.

Die Grünkörper können auf einer geeigneten Unterlage produziert werden, um das Entfernen aus der Härterlösung zu vereinfachen und die späteren Prozessschritte ebenfalls zu erleichtern. Nach der Herstellung der Grünkörper, werden diese, je nach Dicke der einzelnen Stege, für 1 sec bis 30 min in der Härterlösung belassen um eine vollständige Gelierung gewährleisten zu können. Anschließend werden die noch feuchten Grünkörper herausgenommen und einem Trocknungsprozess bei bis zu 50 °C und bis zur Massenkonstanz unterzogen. Durch einen sich anschließenden Beschichtungsprozess, vorzugsweise Sprühprozess, werden vor allem die mechanischen Eigenschaften der Bauteile verbessert, da eine Verbindung der einzelnen Lagen untereinander stattfindet. Der Schlicker, welcher für die Beschichtung genutzt wird, kann aus demselben Material bestehen oder andersartig gestaltet sein um eine gezielte Funktionalisierung zu erreichen.The green bodies can be produced on a suitable base to facilitate removal from the hardener solution and also to facilitate later process steps. After the preparation of the green body, these are, depending on the thickness of the individual webs, left for 1 sec to 30 min in the hardener solution to ensure complete gelation. Subsequently, the still moist green bodies are removed and subjected to a drying process at up to 50 ° C and to constant mass. By a subsequent coating process, preferably spraying process, especially the mechanical properties of the components are improved, since a connection of the individual layers takes place with each other. The slurry used for the coating may be of the same material or otherwise designed to achieve a targeted functionalization.

Zur Erfindung gehört auch ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes keramisches Bauteil aus ein oder mehreren Lagen angeordneter Stränge.The invention also includes a ceramic component produced by the method according to the invention from one or more layers of arranged strands.

Vorteilhaft werden mittels des computergestützten Handlingsystems zunächst zweidimensionale Grünkörper gebildet, die durch das mehrfache übereinander Lagern einen von Schicht zu Schicht periodischen dreidimensionalen Grünkörper ausbilden.Advantageously, two-dimensional green bodies are initially formed by means of the computer-aided handling system, which form a three-dimensional green body that is periodic from one layer to the next as a result of multiple stacking.

Das Replica (Schwartzwalder)-Verfahren nutzt als Vorform zur Erzeugung der offenzelligen Struktur, Polypropylenschäume mit mehr oder weniger chaotisch verteilter Porosität sowie Stege. Diese Struktur wird in mehrstufiger Verfahrensweise mit keramischen Schlickern (meist wässrige Dispersionen keramischer Pulver) beschichtet und getrocknet. Aufgrund der Herstellungsmethode entstehen beim keramischen Brand trikonkave Hohlräume, die infolge des Ausbrandes der ehemaligen Polypropylen-Vorform, entstehen. Diese Hohlräume, insbesondere ihre kantige Form, wirkt bei mechanischer Beanspruchung als festigkeitsmindemder Fehler, d.h. die theoretisch mögliche Festigkeit fällt auf einen Bruchteil dieser. The replica (Schwartzwalder) method uses as a preform to produce the open-cell structure, polypropylene foams with more or less chaotically distributed porosity and webs. This structure is coated in a multi-step procedure with ceramic slips (mostly aqueous dispersions of ceramic powders) and dried. Due to the manufacturing method, trikonkave cavities are formed during ceramic firing, which result from the burnout of the former polypropylene preform. These cavities, in particular their angular shape, acts as a strength-reducing error under mechanical stress, ie the theoretically possible strength falls on a fraction of this.

Die erfindungsgemäß hergestellten Bauteile werden aufgrund ihrer großen Oberfläche als Filter für die Filtration von Fluiden, insbesondere zur Filtration von Metallschmelzen, als Katalysator oder Katalysatorträger oder als wärmeübertragende Materialien verwendet.Because of their large surface area, the components produced according to the invention are used as filters for the filtration of fluids, in particular for the filtration of metal melts, as catalyst or catalyst support or as heat-transferring materials.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Bauteile ohne innenliegende und festigkeitsmindernde Makroporosität erhalten. Je nach gewünschter Stapelart der im Verfahren erzeugten Stränge können regelmäßige Filterstrukturen maßgeschneidert und reproduzierbar hergestellt werden. Dadurch können unter anderen die auftretenden Strömungsverhältnisse im Filter besser modelliert und eine gezielte Anpassung der Struktur auf die jeweiligen Anforderungen vorgenommen werden. Aufgrund der Vollstege kann das Festigkeitspotential der verwendeten Materialien besser ausgeschöpft werden, wodurch technologisch mehr Möglichkeiten zur Anwendung der erzeugten porösen Strukturen bestehen.By means of the method according to the invention components without internal and strength-reducing macroporosity are obtained. Depending on the desired batch type of strands produced in the process, it is possible to produce regular filter structures tailored and reproducible. As a result, among other things, the flow conditions occurring in the filter can be better modeled and a targeted adaptation of the structure to the respective requirements can be made. Due to the full webs, the strength potential of the materials used can be better exploited, which technologically more opportunities to use the generated porous structures.

Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gegenüber dem „konventionellen“ Gelcasting in der keramischen Industrie ist eine bessere Umweltverträglichkeit, da natürliche Stoffe eingesetzt werden, die auch Anwendung in der Lebensmittel- und Medizintechnik finden und nicht auf umwelt- und gesundheitsschädlichen Stoffen wie Acrylamiden basiert. Zudem kann das erfindungsgemäße Verfahren im kontinuierlichen Betrieb genutzt werden, wohingegen das Gelcasting für den diskontinuierlichen Betrieb konzipiert ist.Advantage of the manufacturing method according to the invention over the "conventional" gel casting in the ceramic industry is better environmental compatibility, since natural substances are used, which are also used in food and medical technology and not based on environmentally and harmful substances such as acrylamides. In addition, the inventive method can be used in continuous operation, whereas the gel casting is designed for discontinuous operation.

Das derzeit stark erforschte Gebiet des „additive manufacturing“ bezieht sich in der keramischen Technologie hauptsächlich auf Verfahren, wie dem bekannten FDM oder dem Robocasting. Aufgrund der deutlich geringeren Viskosität des erfindungsgemäßen Alginatschlickers ist die Verarbeitung und speziell der Kraftaufwand während der Herstellung der Bauteile nach dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich geringer. Zudem muss der Schlicker keine stark adhäsiven Eigenschaften aufweisen, wie es beim Robocasting oder beim FDM aufgrund des schichtweisen Aufbaus der Fall ist. Dieser Sachverhalt wird in anderen Verfahren, wie dem selektiven Lasersintern oder der Stereolithographie durch kurze Laserimpulse oder Mikrowellen umgangen. Dadurch entstehen wiederum neue Investitionskosten und stärkere Arbeitsschutzmaßnahmen müssen getroffen werden, was in dem Fall des erfindungsgemäß beschriebenen Herstellungsverfahrens entfällt. Dennoch gibt es andere Möglichkeiten um dreidimensionale periodische Strukturen herzustellen, wie z. B. die Extrusion. Jedoch ist es aufgrund der Tatsache, dass dafür eine bildsame Masse benötigt wird, bisher nicht möglich kohlenstoffhaltige Materialien zu verwenden, was ein großer Vorteil des neuen Verfahrens ist, da hierfür die Schlickertechnologie zum Einsatz kommt und somit kohlenstoffhaltige und/oder kohlenstoffgebundene Materialien verwendet werden können. Um mittels Extrusion vergleichbare Strukturen, wie mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu generieren, muss entweder die Unterlage auf der das Bauteil entstehen soll oder der komplette Extruder bewegt werden. In dem erfindungsgemäßen Verfahren, muss lediglich ein Teil des Transportschlauchs samt Mundstück (falls vorhanden) bewegt werden. Der Kraftaufwand und somit auch die Kosten sind deutlich geringer mit dem neuen alginatbasierten Verfahren. Zudem werden in der Industrie meist horizontal aufgebaute Extruder eingesetzt, was im Fall der dreidimensionalen periodischen Strukturen, aber nicht möglich ist. Dadurch fallen ebenfalls weitere Kosten an, um Extruder vertikal anzuordnen und zu betreiben. Auch gegenüber dem, für die Herstellung von keramischen Filtern für die Metallschmelzfiltration etablierten, Replica-Verfahren bietet die neue Herstellungsart vor allem hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften der späteren Bauteile Vorteile. Die festigkeitssenkenden Hohlräume die während der Pyrolyse innerhalb der einzelnen Stege des Schaumfilters entstehen, sind in den Strukturen des neuen Verfahrens nicht vorhanden. Auch lassen sich unterschiedliche Strukturen und Geometrien verwirklichen. Das Replica-Verfahren bietet lediglich eine Auswahl an unterschiedlichen Porengrößen der Polymerschäume.The field of "additive manufacturing" currently being researched in ceramic technology mainly refers to processes such as known FDM or robocasting. Due to the significantly lower viscosity of the alginate slurry according to the invention, the processing and especially the effort required during the production of the components according to the inventive method is significantly lower. In addition, the slip does not have to have strongly adhesive properties, as is the case with robocasting or FDM due to the layered structure. This situation is circumvented in other processes, such as selective laser sintering or stereolithography by short laser pulses or microwaves. As a result, in turn, new investment costs and stronger occupational safety measures must be taken, which is omitted in the case of the manufacturing method described according to the invention. Nevertheless, there are other ways to produce three-dimensional periodic structures, such. B. the extrusion. However, due to the fact that a plastic mass is needed for this, it is not yet possible to use carbonaceous materials, which is a great advantage of the new process, since slurry technology is used and thus carbonaceous and / or carbonaceous materials can be used , In order to generate comparable structures by means of extrusion, as by means of the method according to the invention, either the base on which the component is to be produced or the complete extruder must be moved. In the method according to the invention, only a part of the transport tube together with the mouthpiece (if present) has to be moved. The effort and thus the costs are significantly lower with the new alginate-based method. In addition, industry usually uses horizontally constructed extruders, which is not possible in the case of three-dimensional periodic structures. As a result, additional costs are incurred in order to arrange and operate extruders vertically. The new production method also offers advantages over the replica method established for the production of ceramic filters for metal melt filtration, above all with regard to the mechanical properties of the later components. The strength-reducing cavities formed during pyrolysis within the individual webs of the foam filter are not present in the structures of the new process. Also, different structures and geometries can be realized. The replica process offers only a selection of different pore sizes of the polymer foams.

Zur Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche zu kombinieren.To implement the invention, it is also expedient to combine the above-described embodiments and features of the claims.

Nachfolgend wird anhand eines Ausführungsbeispiels zur Herstellung eines Bauteiles aus einem Al2O3-C Werkstoff die Erfindung näher erläutert, ohne sie darauf zu beschränken.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment for producing a component made of an Al 2 O 3 -C material, without limiting it thereto.

Ausführungsbeispielembodiment

Tabelle 1 gibt die Zusammensetzung der Schlicker zur Herstellung des Formteiles und zur Sprühbeschichtung an. Tabelle 1: Zusammensetzung der Schlicker Rohstoff Schlicker zur Herstellung des Formteiles [Ma.-%] Schlicker zur Sprühbeschichtung [Ma.-%] Al2O3 Martoxid MR 70 66 66 Carbores P® 15 15 Graphit AF 96/97 8 8 Ruß MT N-991 6 6 Additive* Natriumalginat Ceroga NA 4012 1 0 Dolapix PC 21 0,9 0 Polyvinylalkohol 4 0 Contraspum K 1012 0,1 0,1 Castament VP 95 L 0 0,3 Ammoniumligninsulfonat 0 1,5 * bezogen auf den Feststoffgehalt Table 1 gives the composition of the slips for the production of the molding and for spray coating. Table 1: Composition of the slip raw material Slip for the production of the molded part [% by mass] Slip for spray coating [% by weight] Al 2 O 3 Martoxid MR 70 66 66 Carbores P® 15 15 Graphite AF 96/97 8th 8th Carbon black MT N-991 6 6 additives * Sodium alginate Ceroga NA 4012 1 0 Dolapix PC 21 0.9 0 polyvinyl alcohol 4 0 Contraspum K 1012 0.1 0.1 Castament VP 95 L 0 0.3 ammonium lignosulphonate 0 1.5 * based on the solids content

Im ersten Verfahrensschritt werden die Trockensubstanzen (Graphit, Ruß, Carbores P®, Aluminiumoxid, und Natriumalginat) für 2 min in einem Taumelmischer mit gleicher Masse Mahlkugeln (Al2O3, 10 mm Durchmesser) gemischt um eine homogene Verteilung und eine Agglomeratbildung bei Wasserzugabe zu vermeiden. Danach werden die flüssigen Bestandteile (Wasser, 4 Gew.%-ige wässrige Polyvinylalkohollösung, Dolapix PC 21 und Castament VP 95 L) hinzugegeben und auf einer Rollbank für mindestens 4 h gemischt. Der dadurch entstehende kohlenstoffhaltige keramische Schlicker wir nun mithilfe einer Vakuumpumpe für etwa 30 min evakuiert, um eingeschlossene Luft aus dem Schlicker zu entfernen und somit eine geringere Porosität im späteren Formkörper generieren zu können.In the first process step, the dry substances (graphite, carbon black, Carbores P®, alumina, and sodium alginate) for 2 min in a tumble mixer with the same mass grinding balls (Al 2 O 3 , 10 mm diameter) mixed to a homogeneous distribution and agglomeration with addition of water to avoid. Thereafter, the liquid ingredients (water, 4 wt.% Aqueous polyvinyl alcohol solution, Dolapix PC 21 and Castament VP 95 L) are added and mixed on a roll bar for at least 4 h. The resulting carbonaceous ceramic slurry is now evacuated by a vacuum pump for about 30 minutes to remove trapped air from the slurry, thus allowing us to generate less porosity in the final molded body.

Der für die Herstellung des Formkörpers fertige Schlicker wird in einem Vorratsbehälter gelagert und mithilfe einer Peristaltikpumpe durch einen Silikonschlauch mit 1,6 mm Innendurchmesser in eine 1 Gew.%-ige wässrige Bariumnitratlösung gefördert. Dabei lässt sich eine kontinuierliche Strangproduktion von etwa 10 mm/s realisieren, wobei auch höhere Geschwindigkeiten möglich sind. Das in die Bariumnitratlösung reichende Schlauchende wird von einem computergestützten Handlingsystem geführt. Mit dem computergestützten Handlingsystems werden auf einen in der Bariumnitratlösung angeordneten Träger mit einer Fläche von 5x5 cm zunächst eine zweidimensionale periodische Strangstruktur mit einem Strangabstand von 2mm und danach darüber jeweils in geänderter Richtung 4 weitere periodische Strangstrukturen abgelegt, so dass ein dreidimensionaler Formkörper entsteht.The slip prepared for the production of the molded article is stored in a storage container and conveyed by means of a peristaltic pump through a silicone tube with an inner diameter of 1.6 mm into a 1% strength by weight aqueous barium nitrate solution. In this case, a continuous strand production of about 10 mm / s can be realized, with higher speeds are possible. The hose end reaching into the barium nitrate solution is guided by a computer-aided handling system. With the computer-aided handling system, a two-dimensional periodic strand structure with a strand spacing of 2 mm and thereafter each in a changed direction 4 further periodic strand structures are placed on a arranged in the barium nitrate carrier with an area of 5x5 cm, so that a three-dimensional molded body is formed.

Die so hergestellten Formkörper wurden mit destilliertem Wasser abgespült und anschließend bei 40 °C bis zur Massekonstanz getrocknet. Danach wird der Formkörper mittels Sprühen mit dem in Tabelle 1 aufgeführten Sprühschlicker beschichtet. Danach folgt ein weiterer Trocknungsprozess bei 50 °C ebenfalls bis zur Massekonstanz. Der so erhaltene Grünkörper wird in reduzierender Atmosphäre in einer Koksschüttung gebrannt und der Kohlenstoffträger somit pyrolisiert. Das dazu genutzte Temperaturregime bestand aus einer Aufheizrate von 1 K/min bis zu einer Maximaltemperatur von 800 °C, welche für eine Zeit von 3 h beibehalten wurde. Die Aufheizkurve beinhaltete zusätzlich Zwischenschritte aller 100 K mit jeweils einer 30-minütigen Haltezeit. Die Abkühlkurve wurde nicht kontrolliert und fand frei statt.The moldings thus produced were rinsed with distilled water and then dried at 40 ° C to constant mass. Thereafter, the molding is coated by spraying with the spray slurry listed in Table 1. This is followed by another drying process at 50 ° C also to constant mass. The green body thus obtained is fired in a reducing atmosphere in a coke bed and thus pyrolyzed the carbon support. The temperature regime used consisted of a heating rate of 1 K / min up to a maximum temperature of 800 ° C, which was maintained for a period of 3 h. The heating curve also included intermediate steps of all 100 K, each with a 30-minute hold time. The cooling curve was not controlled and took place freely.

Das so hergestellte Bauteil wurde für eine Versuchsgießform so bearbeitet, dass es als Filter für eine Stahlschmelze eingesetzt werden konnte.The component produced in this way was processed for a test mold so that it could be used as a filter for a molten steel.

Claims (8)

Verfahren zur Herstellung von kohlenstoffhaltigen keramischen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass ein, ein Geliermittel enthaltender, wässriger Schlicker aus einem später graphitisierbaren Kohlenstoffträger und aus mindestens einer Oxidkörnung und/oder Nicht-Oxidkörnung in eine wässrige Härterlösung mit mindestens 0,05 Gew.% Metallkationen zur Gelierung gefördert und darin zu einem 2- oder 3-dimensionalen Bauteil geformt wird, dass das 2- oder 3-dimensionale Bauteil nach einer Gelierungszeit von 1 sec bis 30 min von der wässrigen Lösung getrennt, getrocknet und zur Pyrolyse des Kohlenstoffträgers thermisch behandelt wird, wobei der wässrige Schlicker als Geliermittel ein Alginat mit einem Anteil von 0,1 bis 5 Gew.% des Feststoffgehaltes des wässrigen Schlickers enthält, wobei die Oxidkörnung und/oder Nichtoxidkörnung, der graphitisierbare Kohlenstoffträger und das Alginat vermischt und mit Wasser sowie mithilfe von Additiven zu einer stabilen Suspension, dem wässrigen Schlicker, verarbeitet werden, wobei als Additive Dispergierhilfsmittel, Netzmittel, temporäre Bindemittel sowie Entschäumungsmittel eingesetzt werden, wobei die in der wässrigen Härterlösung geformten und gelierten Grünkörper nach der Trocknung mit einem gleich- oder andersartigen keramischen Schlicker imprägniert werden.Process for the production of carbonaceous ceramic components, characterized in that an aqueous slip comprising a gelling agent, which is later graphitizable carbon carrier and composed of at least one oxide grain and / or non-oxide grain, is conveyed into an aqueous hardener solution containing at least 0.05% by weight of metal cations for gelling and forming therein a 2- or 3- dimensional component is formed so that the 2- or 3-dimensional component after a gelation time of 1 sec to 30 min separated from the aqueous solution, dried and thermally treated to pyrolysis of the carbon support, wherein the aqueous slurry as a gelling agent alginate with a proportion from 0.1 to 5% by weight of the solids content of the aqueous slurry, wherein the oxide grain and / or non-oxide grain, the graphitizable carbon carrier and the alginate are mixed and processed with water and with the aid of additives to a stable suspension, the aqueous slurry, wherein as additives dispersing agents, wetting agents, temporary Binder and defoaming agents are used, wherein the molded and gelled in the aqueous hardener solution green body are impregnated after drying with a same or different kind of ceramic slurry. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als später graphitisierbare Kohlenstoffträger Peche, synthetische Peche, phenolbasierte Harze, Bitumen, Teer, Holz, Koks, Kohle, Biomasse oder Kombinationen daraus mit einem Gehalt von 5 bis 90 Gew.% bezogen auf den Feststoffgehalt des wässrigen Schlickers eingesetzt werden.Method according to Claim 1 characterized in that are used as later graphitisable carbon support pitches, synthetic pitches, phenol-based resins, bitumen, tar, wood, coke, coal, biomass or combinations thereof with a content of 5 to 90 wt.% Based on the solids content of the aqueous slurry , Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Oxidkörnung Al2O3, MgO, CaO, SiO2, ZrO2, Fe2O3, TiO2, Na2O, K2O, P2O5, BaO, Li2O, SrO, Cr2O3 oder Kombinationen daraus und/oder dass als Nicht-Oxidkörnung SiC, Si3N4, AIN, B4C, ZrB2, ZrC oder Kombinationen daraus mit einem Gehalt von 10 bis 95 Gew.% bezogen auf den Feststoffgehalt des wässrigen Schlickers eingesetzt werden.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that as the oxide grain Al 2 O 3 , MgO, CaO, SiO 2 , ZrO 2 , Fe 2 O 3 , TiO 2 , Na 2 O, K 2 O, P 2 O 5 , BaO, Li 2 O, SrO , Cr 2 O 3 or combinations thereof and / or that as a non-oxide grain SiC, Si 3 N 4 , AIN, B 4 C, ZrB 2 , ZrC or combinations thereof with a content of 10 to 95 wt.% Based on the solids content of the aqueous slip. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gelierungsmittel Natriumalginat, Kaliumalginat, Calciumalginat, Ammoniumalginat, Propylenglycolalginat oder Kombinationen daraus zu mindestens 0,1 Gew. % eingesetzt werden.Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that are used as gelling agent sodium alginate, potassium alginate, calcium alginate, ammonium alginate, propylene glycol alginate or combinations thereof to at least 0.1 wt.%. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Härterlösung Ca2+, Ba2+, Mg2+, Sr2+, Al3+ oder Fe2+ Ionen oder Kombinationen daraus zu mindestens 0,01 Gew. % als Metallkationen enthält.Method according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the hardener solution contains Ca 2+ , Ba 2+ , Mg 2+ , Sr 2+ , Al 3+ or Fe 2+ ions or combinations thereof to at least 0.01% by weight as metal cations. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Härterlösung geförderte Schlickermasse mithilfe eines computerunterstützten Handlingsystems in eine zweidimensionale Strangstruktur überführt, welche durch das wiederholte übereinander Lagern in einen dreidimensionalen Grünkörper überführt wird.Method according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the slip mass conveyed into the hardener solution is transferred by means of a computer-assisted handling system into a two-dimensional strand structure, which is transferred into a three-dimensional green body by the repeated superimposition. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in der wässriger Lösung geformten und gelierten Bauteile bei Temperaturen bis 50 °C und bis zur Massekonstanz der Bauteile getrocknet und im letzten Behandlungsschritt während einer geeigneten Temperaturbehandlung bis 1400 °C pyrolisiert werden.Method according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that the molded and gelled in the aqueous solution components are dried at temperatures up to 50 ° C and to the constancy of mass of the components and pyrolized in the last treatment step during a suitable temperature treatment to 1400 ° C. Verwendung der nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellten Bauteile als Filter für die Filtration von Fluiden oder als Katalysator oder Katalysatorträger oder alswärmeübertragende Materialien.Use of the after one of Claims 1 to 7 manufactured components as filters for the filtration of fluids or as a catalyst or catalyst support or as heat transfer materials.
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