DE102016117790A1 - Complex monolithic, porous SiO₂-rich glass molded body, a process for its preparation and its use - Google Patents

Complex monolithic, porous SiO₂-rich glass molded body, a process for its preparation and its use Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines komplexmonolithischen, porösen SiO2-reichen Glaskörpers mittels selektiver Lasersinterung und/oder Laserverschmelzung, sowie dessen Verwendung.The invention relates to a method for producing a complex monolithic, porous SiO 2 -rich glass body by means of selective laser sintering and / or laser fusion, as well as its use.

Description

Die Erfindung betrifft einen komplexen monolithischen porösen, siliziumdioxidreichen Glasformkörper, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie dessen Verwendung.The invention relates to a complex monolithic porous, silica-rich glass molded body, a process for its preparation and its use.

Aus dem Stand der Technik sind Produkte aus porösen Gläsern, wie beispielsweise Mikrokugeln oder Flakes, bekannt. Mikrokugeln finden beispielsweise Verwendung als Schüttbett in Reaktoren. Eine kontrollierte Dosierung und Steuerung der durch die Mikrokugeln durchströmenden Medien, wie beispielsweise Flüssigkeiten oder Gase, ist allerdings nur begrenzt möglich. Flakes aus porösen Gläsern besitzen keine innenliegenden Reaktionsräume. Die Strömungssteuerung von Flüssigkeiten oder Gasen erfolgt ausschließlich über die Schüttdichte und den angelegten Volumenstrom. Folglich ist eine gezielte Lenkung der Strömung ausgeschlossen. Darüber hinaus sind weiterhin Membranen aus porösen Gläsern bekannt, bei welchen allerdings die durchströmenden Medien einem hohen Druckverlust und geringen Strömungsgeschwindigkeiten ausgesetzt sind. Schließlich sind auch Rohre oder Rohrbündel aus porösen Gläsern aus dem Stand der Technik bekannt, welche lediglich eine lineare Führung des Mediums ermöglichen. Products of porous glasses, such as microspheres or flakes, are known in the art. Microspheres are used, for example, as a packed bed in reactors. Controlled metering and control of the media flowing through the microspheres, such as liquids or gases, is limited, however. Porous glass flakes have no internal reaction spaces. The flow control of liquids or gases takes place exclusively via the bulk density and the applied volume flow. Consequently, a targeted steering of the flow is excluded. In addition, membranes of porous glasses are still known in which, however, the flowing media are exposed to a high pressure loss and low flow velocities. Finally, pipes or tube bundles of porous glasses are known from the prior art, which allow only a linear guidance of the medium.

Die bekannten Produkte aus porösem Glas weisen geschlossen den Nachteil auf, dass mit ihnen lediglich einfache und geometrisch begrenzte Morphologien umgesetzt werden können. So können mit derart bekannten Produkten beispielsweise keine Hinterschneidungen bzw. unterschiedliche Porengeometrien in einem einzigen Monolithen realisiert werden. Diese Einschränkungen wirken sich dahingehend nachteilig aus, dass Dosierung, Druckverlust und Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des porösen Glases nur begrenzt einstellbar sind.The known products made of porous glass have the drawback that they can be implemented with them only simple and geometrically limited morphologies. Thus, with such known products, for example, no undercuts or different pore geometries can be realized in a single monolith. These limitations are detrimental in that dosage, pressure drop, and flow rate within the porous glass are limitedly adjustable.

Allen bekannten Strukturen aus porösen Gläsern ist gemein, dass diese gerade nicht in beliebig verschiedenen Geometrien, sowohl äußerlich als auch innerlich, hergestellt werden können, um individuelle Morphologien mit individuell einstellbaren Eigenschaften auszubilden. All known structures made of porous glasses have in common that they can not be produced in any desired different geometries, both externally and internally, in order to form individual morphologies with individually adjustable properties.

Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen komplexen monolithischen Formkörper bereitzustellen, welcher individuell erstellbar ist und komplexe dreidimensionale Strukturen mit beliebig verschiedenen Geometrien bereitstellt. Insbesondere sollen zwei Porensysteme in unterschiedlichen Größen unabhängig voneinander einstellbar sein. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen komplexen monolithischen porösen, siliziumdioxidreichen Glasformkörper bereitzustellen, welches kostengünstig, einfach und schnell durchführbar ist.Accordingly, the present invention has for its object to provide a complex monolithic molded body, which can be individually created and provides complex three-dimensional structures with arbitrarily different geometries. In particular, two pore systems in different sizes should be independently adjustable. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a production process for a complex monolithic porous, silica-rich glass molded body, which is inexpensive, easy and quick to carry out.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1, des Patentanspruches 12 sowie des Patentanspruches 13 gelöst.This object is achieved according to the features of claim 1, of claim 12 and of claim 13.

Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, dass das Verfahren zur Herstellung eines komplexen monolithischen porösen, siliziumdioxidreichen Glasformkörpers wenigstens die folgenden Schritte aufweist:

  • a. Aufbringen eines Glasausgangsmaterials auf ein Trägersubstrat, wobei das Glasausgangsmaterial wenigstens Alkaliborosilicatglaspartikel aufweist;
  • b. Selektive Beaufschlagung der Alkaliborosilicatglaspartikel mit wenigstens einer Laserquelle zu Versinterung und/oder Verschmelzung der Alkaliborosilicatglaspartikel miteinander in einer vorbestimmbaren Geometrie zur Ausbildung eines Alkaliborosilicatglasformkörpers;
  • c. Wärmebehandlung des selektiv versintertem und/oder verschmolzenem Alkaliborosilicatglasformkörpers zur Erzeugung einer Entmischung des Alkaliborosilicatglasformkörpers; und
  • d. Saure Extraktion der boratreichen Phase aus dem Alkaliborosilicatglasformkörper zur Ausbildung eines komplexen monolithischen porösen, siliziumdioxidreichen Glasformkörpers mit einer Vielzahl an Poren und/oder Kanälen und/oder Reaktionsräumen,
wobei die Schritte a. und b. wenigstens einmal durchgeführt werden.An essential point of the invention is that the process for producing a complex monolithic porous, silicon dioxide-rich glass molded body has at least the following steps:
  • a. Applying a glass starting material to a carrier substrate, wherein the glass starting material comprises at least alkali borosilicate glass particles;
  • b. Selective loading of the alkali borosilicate glass particles with at least one laser source for sintering and / or fusing the alkali borosilicate glass particles together in a predeterminable geometry to form an alkali borosilicate glass molded body;
  • c. Heat treatment of the selectively sintered and / or fused alkali borosilicate glass molded body to produce a demixing of the alkali borosilicate glass molded body; and
  • d. Acid extraction of the borate-rich phase from the alkali borosilicate glass molded body to form a complex monolithic porous, silicon dioxide-rich glass molded body having a multiplicity of pores and / or channels and / or reaction spaces,
wherein steps a. and b. be performed at least once.

In Abhängigkeit vom zu erstellenden komplexen monolithischen porösen, siliziumdioxidreichen Glasformkörper werden die Schritte a. und b. derart oft wiederholt, bis der gewünschte dreidimensionale Alkaliborosilicatglasformkörper als Zwischenprodukt erzeugt ist. Erst danach werden die Schritte c. und d. nacheinander ausgeführt.Depending on the complex monolithic porous, silicon dioxide-rich glass molded body to be produced, steps a. and b. repeated until the desired three-dimensional Alkaliborosilicatglasformkörper is produced as an intermediate. Only then are steps c. and d. executed in succession.

Zunächst wird ein Glasausgangsmaterial, welches wenigstens Alkaliborosilicatglaspartikel aufweist, bereitgestellt. Hierzu ist es von Vorteil, wenn Alkaliborosilicatglas, wie beispielsweise Natriumborosilicatglas oder Lithiumborosilicatglas mit einem erhöhten Boratanteil entsprechend zerkleinert bereitgestellt wird. Im einfachsten Fall erfolgt die Zerkleinerung mittels Mahlprozess und anschließendem Siebprozess. Das Glasausgangsmaterial ist vorteilhaft partiklulär ausgebildet.First, a glass raw material having at least alkali borosilicate glass particles is provided. For this purpose, it is advantageous if alkali borosilicate glass, such as, for example, sodium borosilicate glass or lithium borosilicate glass with an increased borate content, is correspondingly comminuted. In the simplest case, the comminution takes place by means of grinding process and subsequent screening process. The glass starting material is advantageously formed Partiklulär.

Das wenigstens Alkaliborosilicatglaspartikel enthaltende Glasausgangsmaterial wird zunächst auf ein Trägersubstrat aufgebracht. Dies kann direkt oder indirekt über wenigstens eine Zwischenschicht erfolgen. Das Trägersubstrat ist beliebig wählbar und kann beispielsweise aus Glas, Keramik, Metall oder auch Kunststoff ausgebildet sein. Als besonders vorteilhaft haben sich Aufbringungsschichtdicken für eine Lage im Bereich von 10nm–5mm, vorteilhaft 10 nm bis 150 µm und noch vorteilhafter von 10 nm bis 80 µm erwiesen. Die hiergenannte Schichtdicke bezieht sich auf das frisch aufgebrachte Ausgangsmaterial.The glass starting material containing at least alkali borosilicate glass particles is first applied to a carrier substrate. This can be done directly or indirectly via at least one intermediate layer. The carrier substrate is arbitrary and can be formed for example of glass, ceramic, metal or plastic. Application layer thicknesses have proven to be particularly advantageous a position in the range of 10nm-5mm, advantageously 10 nm to 150 microns and more preferably proved from 10 nm to 80 microns. The layer thickness mentioned here refers to the freshly applied starting material.

Im Anschluss wird die aufgebrachte Schicht zumindest teilweise, vorteilhaft vollständig, versintert und/oder verschmolzen. Hierzu wird das Glasausgangsmaterial und somit auch die Alkaliborosilicatglaspartikel mit wenigstens einer Laserquelle beaufschlagt. Die durch die wenigstens eine Laserquelle in das frisch aufgebrachte Glasausgangsmaterial eingebrachte Energie ist ausreichend, um die im Glasausgangsmaterial enthaltenen Partikel in einer vorbestimmbaren Geometrie zur Ausbildung eines Alkaliborosilicatglasformkörpers zu versintern und/oder zu verschmelzen.Subsequently, the applied layer is at least partially, advantageously completely, sintered and / or fused. For this purpose, the glass starting material and thus also the alkali borosilicate glass particles are subjected to at least one laser source. The energy introduced by the at least one laser source into the freshly applied glass starting material is sufficient to sinter and / or fuse the particles contained in the glass starting material in a predeterminable geometry to form an alkali borosilicate glass molded body.

Aufgrund des hohen Energieeintrags und dem geringen Durchmesser des wenigstens einen Laserspots ist es erstmals möglich, individuelle Formen, Größen und Geometrien, wie beispielsweise Partikelhohlräume, Reaktionsräume, Kanäle oder eine Mischung hieraus als erstes Porensystem innerhalb des Glasausgangsmaterials herzustellen. Due to the high energy input and the small diameter of the at least one laser spot, it is now possible to produce individual shapes, sizes and geometries, such as particle cavities, reaction spaces, channels or a mixture thereof as a first pore system within the glass starting material.

Besonders vorteilhaft werden die Alkaliborosilicatglaspartikel miteinander versintert, da hierdurch die Rissanfälligkeit des resultierenden komplexen, monolithischen, porösen, siliziumdioxidreichen Glasformkörpers deutlich reduziert wird. The alkali borosilicate glass particles are particularly advantageously sintered with one another, as this significantly reduces the susceptibility to cracking of the resulting complex, monolithic, porous, silicon dioxide-rich glass molded body.

Je nach Ausführung ist denkbar, entweder die wenigstens eine Laserquelle horizontal über der aufgetragenen Schicht aus Glasausgangsmaterial zu verschieben, beispielsweise computergesteuert. Andererseits ist es auch denkbar, das Trägersubstrat entsprechend horizontal unterhalb der wenigstens einen Laserquelle zu verschieben. Beispielsweise erfolgt das Verschieben zeilenartig, rasterpunktartig, konzentrisch oder auch rein zufällig. Die Führung der Laserquelle wird beispielsweise in Abhängigkeit des vorgefertigten Computermodells des zu erstellenden dreidimensionalen Körpers computergesteuert durchgeführt.Depending on the embodiment, it is conceivable to move either the at least one laser source horizontally over the applied layer of glass starting material, for example computer-controlled. On the other hand, it is also conceivable to displace the carrier substrate horizontally below the at least one laser source. For example, the shifting is line-like, grid-like, concentric or purely random. The guidance of the laser source is computer-controlled, for example, depending on the prefabricated computer model of the three-dimensional body to be created.

In Abhängigkeit von der gewünschten dreidimensionalen Struktur des komplexen monolithischen porösen, siliziumdioxidreichen Glasformkörpers als Endprodukt, werden die ersten beiden Schritte a. und b. mehrmals wiederholt. Mit jeder Wiederholung wird das Zwischenprodukt, der Alkaliborosilicatglasformkörper nebst dem ersten Porensystem, schichtweise weiter aufgebaut. Somit können beliebige Geometrien ausgebildet werden, wie beispielsweise Pyramiden, Kugeln, Quader mit einem ersten Porensystem mit entsprechenden Löchern, Reaktionsräumen oder auch Kanälen. Depending on the desired three-dimensional structure of the complex monolithic porous, silicon dioxide-rich glass molded body as the final product, the first two steps a. and b. repeated several times. With each repetition, the intermediate product, the Alkaliborosilicatglasformkörper in addition to the first pore system, built up in layers. Thus, any geometries can be formed, such as pyramids, spheres, cuboids with a first pore system with corresponding holes, reaction spaces or channels.

Zur Ausbildung des schichtweisen Aufbaus des Zwischenprodukts sind vorteilhaft zwei Ausführungen denkbar. So kann beispielsweise das Glasausgangsmaterial direkt in der Form aufgetragen werden, welche das Endprodukt später aufweisen soll. Die Versinterung erfolgt dann über das gesamte aufgetragene Glasausgangsmaterial. To form the layered structure of the intermediate product advantageously two versions are conceivable. Thus, for example, the glass starting material can be applied directly in the form which the end product should later have. The sintering then takes place over the entire applied glass starting material.

Weiterhin ist es aber auch denkbar, dass das flächig auf das Trägersubsstrat und/oder die Zwischenschicht aufgetragene Glasausgangsmaterial lediglich teilweise versintert wird und loses Glasausgangsmaterial später wieder optional entfernt wird. Furthermore, however, it is also conceivable that the glass starting material applied to the substrate substrate and / or the intermediate layer in a planar manner is only partially sintered and loose starting glass material is later removed again as an option.

Es ist folglich nicht notwendig, die gesamte Fläche des Glasausgangsmaterials zu versintern und/oder zu verschmelzen, um dann wiederrum die entstandene Struktur mittels physikalischen Methoden auszufräsen oder auszuschneiden. Durch den gezielten Einsatz der wenigstens einen Laserquelle ist es nunmehr erstmals möglich, Alkaliborosilicatglaspartikel selektiv zu versintern und/oder zu verschmelzen, beispielsweise um eine dreidimensionale Struktur mit makroskopischen Löchern oder Krümmungen als Alkaliborosilicatglasformkörper als Zwischenprodukt zu erzeugen.Consequently, it is not necessary to sinter and / or fuse the entire surface of the glass starting material, and then in turn to cut or cut out the resulting structure by physical methods. Through the targeted use of the at least one laser source, it is now possible for the first time to selectively sinter and / or fuse alkali borosilicate glass particles, for example to produce a three-dimensional structure with macroscopic holes or bends as an alkali borosilicate glass molded body as an intermediate product.

Mit Fertigstellung des vorbestimmten, geometrisch freigestaltbaren Alkaliborosilicatglasformkörpers wird dieser nun in Schritt c. einer Wärmebehandlung unterzogen. Durch die Wärmebehandlung erfolgt vorteilhaft in einem Temperaturbereich von 300–1000 °C, vorteilhafter von 450–750 °C und noch vorteilhafter bei 600°C für ein Zeitintervall im Bereich von 0,5–90 Stunden, vorteilhafter von 1–72 Stunden die Entmischung der Glasphasen. Durch diese Wärmebehandlung wird das Glasausgangsmaterial des Alkaliborosilicatglasformkörpers entmischt, sodass sich eine boratreiche Phase und eine silicatreiche Phase ausbildet. Es kommt folglich zu einer Phasenseparation innerhalb des Alkaliborosilicatglasformkörpers. Vorteilhaft erfolgt die Entmischung spinodal. Dies ist aber selbstverständlich nicht beschränkend zu verstehen, so dass auch die Entmischung neben spinodal auch/oder bimodal und/oder multimodal erfolgen kann.With the completion of the predetermined, geometrically free-form alkali borosilicate glass molded body, it will be completed in step c. subjected to a heat treatment. The heat treatment is advantageously carried out in a temperature range of 300-1000 ° C, more preferably 450-750 ° C and even more advantageously at 600 ° C for a time interval in the range of 0.5-90 hours, more advantageously 1-72 hours demixing the glass phases. By this heat treatment, the glass starting material of the alkali borosilicate glass molded body is demixed, so that a borate-rich phase and a silicate-rich phase is formed. Consequently, there is a phase separation within the alkali borosilicate glass molded body. Advantageously, the segregation is spinodal. However, this is of course not to be understood as limiting, so that demixing in addition to spinodal can also take place bimodal and / or multimodal.

Die durch die Wärmebehandlung bedingte Entmischung erfolgt in den Wandungsbereichen des Alkaliborosilicatglasformkörpers, welche das erste Porensystem aufspannen und begrenzen. Durch die hier beschriebene, kontrollierte Entmischung wird ein weiteres, zweites Porensystem mit Durchdringungsstruktur sowohl innerhalb der Wandungsbereiche als auch an deren Oberfläche ausgebildet. The demixing caused by the heat treatment takes place in the wall regions of the alkali borosilicate glass molded body, which span and bound the first pore system. By means of the controlled demixing described here, a further, second pore system with a penetration structure is formed both within the wall regions and at the surface thereof.

Im einfachsten Fall erfolgt die Wärmebehandlung beispielsweise in einem Ofen, ist darauf aber nicht beschränkt. So ist es auch denkbar, dass die Wärmebehandlung durch die wenigstens eine Laserquelle ausgeführt wird. In the simplest case, the heat treatment, for example in an oven, but is not limited thereto. So it is also conceivable that the Heat treatment is performed by the at least one laser source.

Mit Abschluss der Wärmebehandlung kann anschließend über eine saure Extraktion die boratreiche Phase aus dem entmischten Alkaliborosilicatglasformkörper herausgelöst werden. Durch das Herauslösen der boratreichen Phase wird ein weiteres, von dem ersten Porensystem verschiedenes, Porensystem in den ansonsten monolithischen Glaswandungsbereichen des resultierenden siliziumdioxidreichen Glasformkörpers ausgebildet. Die Poren des zweiten Porensystems bilden ein Porensystem aus. Besonders vorteilhaft wird somit eine poröse Durchdringungsstruktur ausgebildet. After completion of the heat treatment, the borate-rich phase can then be removed from the demixed alkali borosilicate glass molded body by acid extraction. By dissolving out the borate-rich phase, a further pore system different from the first pore system is formed in the otherwise monolithic glass wall regions of the resulting silicon dioxide-rich glass molded body. The pores of the second pore system form a pore system. Thus, a porous penetration structure is particularly advantageously formed.

Besonders vorteilhaft erfolgt die saure Extraktion mit 0,5–4 M Salzsäure, vorteilhafter mit 1–3 M Salzsäure, bei einer Temperatur im Bereich von Raumtemperatur bis 100 °C für ein Zeitintervall von 4–96 Stunden, vorteilhafter von 8–72 Stunden. Insbesondere der Temperaturbereich bis 100 °Celsius, vorteilhafter < 98°C hat sich dahingehend als vorteilhaft erwiesen, da sichergestellt wird, dass in diesem Temperaturbereich lediglich die Boratphase in Lösung geht. Werden höhere Temperaturen verwendet, so löst sich auch ein Teil der silicatreichen Phase, also ein Teil des Siliziumdioxids mit in der Boratphase, und verbleibt nach der sauren Extraktion in den Poren und verstopft diese. Daher ist eine exakte Temperatureinstellung für die Extraktion besonders wichtig.Particularly advantageously, the acid extraction is carried out with 0.5-4 M hydrochloric acid, more preferably with 1-3 M hydrochloric acid, at a temperature in the range of room temperature to 100 ° C for a time interval of 4-96 hours, more preferably 8-72 hours. In particular, the temperature range up to 100 ° Celsius, advantageously <98 ° C has proved to be advantageous in this respect, since it is ensured that only the borate phase is dissolved in this temperature range. If higher temperatures are used, a part of the silicate-rich phase, ie part of the silicon dioxide, also dissolves in the borate phase and remains in the pores after the acidic extraction and clogs them. Therefore, an exact temperature setting is especially important for extraction.

Durch die Entfernung der boratreichen Phase verbleibt somit die silicatreiche Phase und somit auch das Siliziumdioxid im Formkörper selbst bzw. bildet den komplexen, monolithischen, porösen Glasformkörper aus. Unter siliziumdioxidreich sind vorteilhaft Anteile an Siliziumdioxid von > 80 Gewichtsprozent, noch vorteilhafter > 90 Gewichtsprozent, noch vorteilhafter von > 97 Gewichtsprozent bezogen auf das Gesamtgewicht des komplexen, monolithischen, porösen Glasformkörpers, zu verstehen. As a result of the removal of the borate-rich phase, the silicate-rich phase and thus also the silicon dioxide in the shaped body itself remain or form the complex, monolithic, porous glass molded body. Silicon dioxide rich shares of silica of> 80 weight percent, more preferably> 90 weight percent, more preferably of> 97 percent by weight based on the total weight of the complex, monolithic, porous glass molded body to understand.

Unter komplex sind vorteilhaft aufwändige, individuelle zweiund dreidimensionale innere und äußere Geometrien des Glasformkörpers zu verstehen.Under complex are advantageously complex, individual two and three-dimensional inner and outer geometries of the glass molded body to understand.

Dies betrifft zunächst die gezielte Formgebung der äußeren Form des Alkaliborosilicatglasformkörpers als Zwischenprodukt durch das Lasersintern, wodurch beispielsweise Platten, Quader, Pyramiden, Kugeln und weitere kompliziertere Formen hergestellt werden können.This initially relates to the targeted shaping of the external shape of the alkali borosilicate glass molded body as an intermediate product by laser sintering, whereby, for example, plates, cuboids, pyramids, spheres and other more complicated shapes can be produced.

Ferner werden auch zugleich komplexe, gezielte Geometrien des inneren ersten Porensystems des Alkaliborosilicatglasformkörpers wie beispielsweise Partikelhohlräume, Reaktionsräume, Kanäle durch das Lasersintern hergestellt. Furthermore, at the same time complex, targeted geometries of the inner first pore system of the alkali borosilicate glass molded body, such as particle cavities, reaction spaces, channels, are produced by laser sintering.

Mit der anschließend durchgeführten Wärmebehandlung wird innerhalb der Wandungsbereiche des Alkaliborosilicatglasformkörpers, welche das erste Porensystem aufspannen und begrenzen, das Wandungsmaterial selbst entmischt, vorteilhaft spinodal und/oder bimodal und/oder multimodal, so dass innerhalb der Wandungsbereich des Alkaliborosilicatglasformkörpers ein weiteres, zweites Porensystem ausgebildet wird. Hierbei werden vorteilhaft Poren mit Durchdringungsstruktur ausgebildet, noch vorteilhafter wird im Wandungsbereich sowie an dessen Oberfläche eine dreidimensionale, offenporige Durchdringungsstruktur ausgebildet. Diese Durchdringungsstruktur weist einen Größenbereich von < 1 µm auf. Das zweite Porensystem wird mit der sauren Extraktion der boratreichen Phase ausgebildet und zugänglich.With the heat treatment subsequently carried out, within the wall regions of the alkali borosilicate glass molded body which span and bound the first pore system, the wall material itself is demixed, advantageously spinodal and / or bimodal and / or multimodal, so that a further, second pore system is formed within the wall region of the alkali borosilicate glass molded body , In this case, pores with a penetration structure are advantageously formed, more preferably a three-dimensional, open-pore penetration structure is formed in the wall region and on its surface. This penetration structure has a size range of <1 μm. The second pore system is formed with the acidic extraction of the borate-rich phase and accessible.

Dies ist selbstverständlich nicht begrenzend zu verstehen, so dass es alternativ auch denkbar ist, die Extraktion im Basischen durchzuführen. Als besonders vorteilhaft wird die basische Extraktion, beispielsweise mit Natronlauge, als weiterer Verfahrensschritt im Anschluss an die saure Extraktion durchgeführt. Diese basische Extraktion dient dazu, feindisperses Siliziumdioxid aus den, in den Wandungsbereichen bereits durch die saure Extraktion gebildeten Poren zu entfernen. Zudem werden durch die basische Extraktion die Poren nochmals kontrolliert vergrößert. This is of course not to be understood as limiting, so that it is alternatively also conceivable to carry out the extraction in the basic. The basic extraction, for example with sodium hydroxide solution, is carried out particularly advantageously as a further process step following the acidic extraction. This basic extraction serves to remove finely dispersed silicon dioxide from the pores already formed in the wall regions by the acidic extraction. In addition, the pores are again controlled by the basic extraction increases.

Darüber hinaus schafft das hier beschriebene Verfahren einen monolithischen, siliziumdioxidreichen Glasformkörper, welcher die Steuerung von Strömungsgeschwindigkeiten sowie die Einstellung des Druckverlustes bei Separation individuell ermöglicht. In addition, the method described here creates a monolithic, silicon dioxide-rich glass molded body, which allows the control of flow rates and the adjustment of the pressure loss at separation individually.

Ferner ermöglicht das vorliegende Verfahren auch die Einstellbarkeit der Geometrie, Größe und Oberflächenrauigkeit des Reaktionsräume und/oder Kanäle und/oder Poren im Inneren des Monolithen. Insbesondere die Einstellung der Porengröße des weiteren, zweiten Porensystems in den Wandungsbereichen erfolgt in Abhängigkeit von der Wärmebehandlung zur Entmischung des Alkaliborosilicatglasformkörpers. So weist beispielsweise ein Alkaliborosilicatglasformkörper, welcher bei 500°C und 72h den Wärmebehandlungsschritt durchlaufen hat, eine deutlich ausgeprägtere Entmischung auf, als ein Alkaliborosilicatglasformkörper, welcher bei 500°C für lediglich 2h der Wärmebehandlung unterzogen wurde. So ist bei 72 Stunden zu beobachten, dass sich boratreiche und silicatreiche Phasen deutlich vergrößern und die boratreiche Phase Größenbereiche von mehr als > 300 nm ausbildet. Die Größenbereiche der boratreichen Phase ergeben sich aus dem Boratanteil des Glasausgangsmaterials. Je höher der Boratanteil darin gewählt wird, desto größer sind die Entmischungsbereiche ausgebildet. Furthermore, the present method also allows the adjustability of the geometry, size and surface roughness of the reaction spaces and / or channels and / or pores in the interior of the monolith. In particular, the adjustment of the pore size of the further, second pore system in the wall regions takes place as a function of the heat treatment for separation of the alkali borosilicate glass molded body. Thus, for example, an alkali borosilicate glass molded body which has undergone the heat treatment step at 500 ° C. and 72 hours has a significantly more pronounced segregation than an alkali borosilicate glass molded body which was subjected to the heat treatment at 500 ° C. for only 2 hours. It can be observed at 72 hours that borate-rich and silicate-rich phases increase markedly and the borate-rich phase forms size ranges of more than> 300 nm. The size ranges of the borate-rich phase result from the borate content of the glass starting material. The higher the borate content selected, the greater the segregation areas are formed.

Nach der sauren Extraktion der Boratphase verbleiben folglich hohle Poren im monolithischen Glasformkörper, welche vorteilhaft miteinander in Verbindung stehen. Somit wird eine Durchdringungsstruktur ausgebildet, welche das zweite Porensystem darstellt. Consequently, after the acidic extraction of the borate phase, hollow pores remain in the monolithic glass molded body, which advantageously communicate with one another. Thus, a penetrating structure is formed, which constitutes the second pore system.

Besonders vorteilhaft ist die Porengröße des zweiten Porensystems im Bereich von 1 nm bis 750 nm einstellbar. Die Einstellung der Porengröße des weiteren, zweiten Porensystems erfolgt durch den Wärmebehandlungsschritt und/oder durch die anschließende saure und/oder optional basische Extraktion, wie oben bereits beschrieben.Particularly advantageous is the pore size of the second pore system in the range of 1 nm to 750 nm adjustable. The pore size of the further, second pore system is adjusted by the heat treatment step and / or by the subsequent acidic and / or optionally basic extraction, as already described above.

Dies ist allerdings nicht begrenzend zu verstehen, sodass es auch denkbar ist, dass bei Variation des Glasausgangsmaterials und ggf. bei pseudomorpher Transformation die Porengröße auf den Bereich von 0,1–1000 nm erweiterbar ist. Unter Porengröße ist hier vorteilhaft der Porendurchmesserdurchschnitt zu verstehen. However, this is not to be understood as limiting, so that it is also conceivable that the pore size can be extended to the range of 0.1-1000 nm if the glass starting material is varied and, if appropriate, during pseudomorphic transformation. Under pore size is to be understood here advantageously the pore diameter average.

Neben den Poren des zweiten Porensystems sind darüber hinaus mit dem hier beschriebenen Verfahren auch Kanäle, Poren, Partikelhohlräume und Reaktionsräume des ersten Porensystems innerhalb des komplexen monolithischen siliziumdioxidreichen Glasformkörpers durch das Lasersintern herstell- und einstellbar. In addition to the pores of the second pore system, channels, pores, particle cavities and reaction spaces of the first pore system within the complex monolithic silicon dioxide-rich glass molded body can also be produced and adjusted by laser sintering using the method described here.

Vorteilhaft liegt die Größe der Kanäle und Reaktionsräume im Bereich von 10µm–50 mm, besonders vorteilhafter im Bereich von 500 µm–5 mm. Unter Größe der Hohlräume ist vorliegend vorteilhaft deren Durchmesser zu verstehen. Deren Länge wird durch die Gesamtabmessungen des Formkörpers beschränkt.Advantageously, the size of the channels and reaction spaces is in the range of 10 .mu.m-50 mm, particularly advantageously in the range of 500 .mu.m-5 mm. Under size of the cavities is presently advantageous to understand their diameter. Their length is limited by the overall dimensions of the molding.

Darüber hinaus können mit dem vorliegenden Verfahren auch Hohlräume erzeugt werden, welche durch das interpartikuläre Volumen gebildet werden. Die Größe der Hohlräume ist vorteilhaft vom Grad der Versinterung und/oder der Verschmelzung abhängig. Besonders vorteilhafter haben sich Größenbereiche der Hohlräume von < 250µm erwiesen. Diese Hohlräume sind als Partikelhohlräume ausgebildet. Unter Partikelhohlräumen sind diejenigen Hohlräume zu verstehen, welche sich zwischen wenigstens drei miteinander versinterten Partikeln ergeben. Die Partikelhohlräume können leer ausgebildet sein, können aber auch zumindest teilweise mit losen Glaspartikeln unterschiedlicher Größe und Zusammensetzung gefüllt sein. Die Partikelhohlräume sind deutlich kleiner ausgebildet als beispielsweise die Kanäle. Auch die Partikelhohlräume zählen, wie beispielsweise die Kanäle und Reaktionsräume zum ersten Porensystem.In addition, with the present method, voids can be generated, which are formed by the interparticle volume. The size of the cavities is advantageously dependent on the degree of sintering and / or the fusion. Size ranges of the cavities of <250 μm have proved particularly advantageous. These cavities are formed as particle cavities. Particle cavities are to be understood as meaning those cavities which result between at least three particles sintered together. The particle cavities may be formed empty, but may also be at least partially filled with loose glass particles of different size and composition. The particle cavities are significantly smaller than, for example, the channels. Also, the particle cavities include, such as the channels and reaction spaces to the first pore system.

Unter Reaktionsräumen sind vorteilhaft abgeschlossene Hohlräume innerhalb des Glasformkörpers zu verstehen, welche keine direkte Öffnung zur Oberfläche aufweisen. Ein möglicher Stofftransport in die Reaktionsräume bzw. aus diesen heraus erfolgt lediglich durch die porösen Wandungsbereiche, also durch die Poren mit Durchdringungsstruktur des zweiten Porensystems sowie durch die Partikelhohlräume des ersten Porensystems. Im Gegensatz hierzu weisen Kanäle des ersten Porensystems mindestens eine Öffnung auf, welche direkt in der Oberfläche des Glasformkörpers angeordnet ist.Under reaction chambers are advantageously closed cavities within the glass molded body to understand, which have no direct opening to the surface. A possible mass transport into or out of the reaction chambers takes place only through the porous wall regions, that is to say through the pores with the penetration structure of the second pore system and through the particle cavities of the first pore system. In contrast, channels of the first pore system have at least one opening which is arranged directly in the surface of the glass molded body.

Die Oberflächenrauigkeit innerhalb der Partikelhohlräume, Reaktionsräume und Kanäle des ersten Porensystems ist überwiegend von der Glaspartikelfraktion und/oder Glaspartikelfraktionsspanne und dem Grad der Versinterung und/oder Verschmelzung abhängig.The surface roughness within the particle cavities, reaction spaces and channels of the first pore system is predominantly dependent on the glass particle fraction and / or glass particle fraction span and the degree of sintering and / or fusion.

Als besonders vorteilhafte Glaszusammensetzung hat sich eine Zusammensetzung aus wenigstens SiO2 im Bereich von 55 bis 75 Gewichtsprozent, B2O3 im Bereich von 20 bis 35 Gewichtsprozent und Na2O und/oder Li2O im Bereich von 2,5 bis 10 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse der Glaszusammensetzung ergeben. As a particularly advantageous glass composition has a composition of at least SiO 2 in the range of 55 to 75 weight percent, B 2 O 3 in the range of 20 to 35 weight percent and Na 2 O and / or Li 2 O in the range of 2.5 to 10 weight percent based on the total mass of the glass composition.

Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Further advantageous embodiments will become apparent from the dependent claims.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahrensschritt werden die Schritte a. und b. mehrmals unter Veränderung der Höhenposition des Trägersubstrats wiederholt, um somit eine vorbestimmbare Höhe und vorbestimmbare Geometrie des Alkaliborosilicatglasformkörpers auszubilden. Werden in einem ersten Durchgang die Schritte a. und b. ausgeführt, so erfolgt nach Abschluss der Versinterung und/oder Verschmelzung eine Änderung der Position des Trägersubstrats. Dieses kann sowohl angehoben, als auch abgesenkt werden. Im einfachsten Fall wird das Trägersubstrat um die zuvor aufgetragene Schichtdicke des Glasausgangsmaterials abgesenkt, bevor eine neue Schicht des Glasausgangsmaterials auf die vorherige, bereits versinterte und/oder verschmolzene monolithische Schicht des Glasausgangsmaterials aufgetragen wird. Diese Änderung der Höhenposition des Trägersubstrats führt somit zu einem schichtweisen Aufbau des Alkaliborosilicatformkörpers, welcher dann letztendlich in einem dreidimensionalen Körper resultiert. In a further advantageous method step, the steps a. and b. Repeatedly repeated changing the height position of the carrier substrate, thus forming a pre-definable height and pre-definable geometry of the alkali borosilicate glass molded body. In a first pass, steps a. and b. carried out, so takes place after completion of the sintering and / or fusion, a change in the position of the carrier substrate. This can be raised as well as lowered. In the simplest case, the carrier substrate is lowered by the previously applied layer thickness of the glass starting material before a new layer of the glass starting material is applied to the previous, already sintered and / or fused monolithic layer of the glass starting material. This change in the height position of the carrier substrate thus leads to a layered structure of the alkali borosilicate molding, which then ultimately results in a three-dimensional body.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahrensschritt wird vor Schritt a. wenigstens eine Haftvermittlerschicht auf dem Trägersubstrat aufgebracht. Dies ist von Vorteil, da hierdurch das Glasausgangsmaterial leichter auf dem Trägersubstrat positionierbar ist und auch auf diesem leichter gehalten werden kann. Der Aufbau von komplexen, dreidimensionalen Formkörpern wird dadurch vereinfacht. Besonders vorteilhaft haben sich Haftvermittlerschichten aus Keramik erwiesen. Hierzu wird wenigstens ein Filterband auf dem Trägersubstrat angeordnet. Auf der dem Trägersubstrat zugewandten Seite des Filterbandes ist wenigstens eine Beschichtung vorgesehen, welche bei Laserbestrahlung von dem Filterband auf das Trägersubstrat übertragen wird. Das Aufbringen dieser Haftvermittlerschicht kann sowohl großflächig als auch partiell erfolgen. Dies ist selbstverständlich nicht beschränkend zu verstehen, so dass es in einem alternativen Ausführungsbeispiel auch denkbar ist, die Haftvermittlerschicht zunächst als keramischen Schlicker aufzutragen. Im Anschluss wird der keramische Schlicker mittels Laserquelle versintert, so dass sich eine keramische Schicht ausbildet. Diese Schicht kann auf dem Trägersubstrat durchgängig ausgebildet sein oder auch nur partiell. Letzteres hat den Vorteil, dass während der Laserbeaufschlagung lediglich die Geometrie versintert wird, welche dann auch als Grundfläche für den späteren siliziumdioxidreichen Glasformkörper benötigt wird. Die Haftvermittlerschicht wird in einer Schichtdicke von 10 nm bis 800 µm, vorteilhaft von 50 nm bis 500 µm und noch vorteilhafter von 800 nm bis 250 µm hergestellt. In diesem Schichtdickenbereich lässt sich die Haftvermittlerschicht in einem späteren Verfahrensschritt schnell und effizient in Gegenwart von wenigstens einer Säure, beispielsweise Salzsäure, auflösen. In a further advantageous method step, before step a. at least one adhesion promoter layer is applied to the carrier substrate. This is advantageous because it makes it easier to position the glass starting material on the carrier substrate and also makes it easier to hold on to it. The construction of complex, Three-dimensional moldings is simplified. Bonding agent layers made of ceramic have proved to be particularly advantageous. For this purpose, at least one filter band is arranged on the carrier substrate. At least one coating is provided on the side of the filter belt facing the carrier substrate, which coating is transferred from the filter belt to the carrier substrate upon laser irradiation. The application of this primer layer can be done both over a large area and partially. This is of course not to be understood as limiting, so that in an alternative embodiment it is also conceivable to initially apply the adhesion promoter layer as a ceramic slip. Subsequently, the ceramic slip is sintered by means of a laser source, so that a ceramic layer is formed. This layer may be formed continuously on the carrier substrate or only partially. The latter has the advantage that during the laser application only the geometry is sintered, which is then also required as a base for the future silicon dioxide-rich glass molded body. The adhesion promoter layer is produced in a layer thickness of 10 nm to 800 .mu.m, advantageously from 50 nm to 500 .mu.m, and more preferably from 800 nm to 250 .mu.m. In this layer thickness range, the adhesion promoter layer can be quickly and efficiently dissolved in the presence of at least one acid, for example hydrochloric acid, in a later process step.

Je nach Anforderung ist es darüber hinaus auch denkbar, mehr als eine Haftvermittlerschicht vorzusehen. So können beispielsweise, zwei, drei oder vier Haftvermittlerschichten vorgesehen werden. Hierdurch kann die Stabilität des Zwischenprodukts erhöht und Rissbildung vermieden werden.Depending on the requirements, it is also conceivable to provide more than one adhesion promoter layer. For example, two, three or four adhesion promoter layers can be provided. This can increase the stability of the intermediate and prevent cracking.

Wenigstens eine Haftvermittlerschicht hat sich auch dahingehend als vorteilhaft erwiesen, da diese flächendeckend oder auch der Monolithstruktur entsprechend aufgetragen werden kann. At least one adhesion promoter layer has also proved to be advantageous in that it can be applied over the entire area or even to the monolithic structure.

Ferner ist auch denkbar, mittels der wenigstens einen Laserquelle das Trägersubstrat und die Glaspartikel mit einer entsprechend hohen Energie zu beaufschlagen, sodass sowohl das Trägersubstrat als auch die Glaspartikel anschmelzen und sich hierdurch eine Verbindung ergibt. Dies ist in der Praxis allerdings problematisch, da die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Trägersubstrat und Glaspartikeln häufig zum Bruch führen. Darüber hinaus ist oftmals die Veränderung der Trägersubstratoberfläche in der Praxis nicht erwünscht. Das Anschmelzen von Trägersubstrat und Glaspartikel ist somit nur dann vorteilhaft anwendbar, wenn sich Trägersubstrat und Glaspartikel in ihrer chemischen Beschaffenheit ähneln beziehungsweise identisch sind.Furthermore, it is also conceivable to apply a correspondingly high energy to the carrier substrate and the glass particles by means of the at least one laser source so that both the carrier substrate and the glass particles melt and thereby form a connection. However, this is problematic in practice, since the different expansion coefficients of carrier substrate and glass particles often lead to breakage. In addition, changing the carrier substrate surface is often undesirable in practice. The melting of the carrier substrate and glass particles is thus advantageously applicable only if the carrier substrate and glass particles are similar or identical in their chemical nature.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahrensschritt wird das Glasausgangsmaterial mittels Dekantierprozess, Schwammdrucktechnik, Rakeltechnik, Rolltechnik, Sprühprozess oder Drucktechnik) auf das Trägersubstrat und/oder die Haftvermittlerschicht aufgetragen. In a further advantageous method step, the glass starting material is applied to the carrier substrate and / or the adhesion promoter layer by means of a decanting process, sponge printing technique, doctor blade technique, roll technique, spraying process or printing technique).

Vorteilhaft richtet sich die Art der Aufbringungstechnik des Glasausgangsmaterials nach dessen Beschaffenheit. So ist es besonders vorteilhaft, dass Glasausgangsmaterial als Glassuspension oder als Glaspulver einzusetzen, wobei die Glassuspension neben den Alkaliborosilicatglaspartikeln weiterhin wenigstens eine flüssige Phase aufweist. Es ist somit erstmals möglich, einen komplex monolithischen Alkaliborosilicatglasformkörper durch feuchte Auftragung einer Glassuspension und/oder durch trockene Auftragung eines Glaspulvers schichtweise aufzubauen. Advantageously, the nature of the application technique of the glass starting material depends on its nature. Thus, it is particularly advantageous to use the glass starting material as a glass suspension or as a glass powder, wherein the glass suspension further comprises at least one liquid phase in addition to the Alkaliborosilicatglaspartikeln. It is thus possible for the first time to build up a complex monolithic alkali borosilicate glass molded body in layers by wet application of a glass suspension and / or by dry application of a glass powder.

Wird eine Glassuspension verwendet, so ist die Trägerflüssigkeit vorteilhaft ein polares Lösungsmittel, wie beispielsweise Wasser, einwertige, mehrwertige oder cyclische Alkohole, wie beispielsweise Polyvinylalkohol oder Carbonsäuren und/oder eine Mischung hieraus. Als besonders vorteilhaft haben sich Ethanol und Polyvinylalkohol als Trägerflüssigkeit für die Alkaliborosilicatglaspartikel erwiesen. In dieser Trägerflüssigkeit sind die Alkaliborosilicatglaspartikel suspensiert. Die Glassuspension selbst weist ein Volumenverhältnis zwischen Lösungsmittel, vorteilhaft Ethanol, und Glaspulver, also den Alkaliborosilicatglaspartikeln, im Verhältnis von 1:0,3–1:5 auf. Besonders bevorzugte Volumenverhältnisse zwischen Ethanol und Alkaliborosilicatglaspartikeln betragen 1:2 oder 1:1. Mit diesen beiden Volumenverhältnissen kann besonders leicht und effektiv die Glassuspension mit den oben beschriebenen Techniken auf das Trägersubstrat und/oder die Haftvermittlerschicht aufgetragen werden. If a glass suspension is used, the carrier liquid is advantageously a polar solvent, for example water, monohydric, polyhydric or cyclic alcohols, for example polyvinyl alcohol or carboxylic acids and / or a mixture thereof. Ethanol and polyvinyl alcohol have proved to be particularly advantageous as the carrier liquid for the alkali borosilicate glass particles. In this carrier liquid, the alkali borosilicate glass particles are suspended. The glass suspension itself has a volume ratio between solvent, advantageously ethanol, and glass powder, ie the alkali borosilicate glass particles, in the ratio of 1: 0.3-1: 5. Particularly preferred volume ratios between ethanol and alkali borosilicate glass particles are 1: 2 or 1: 1. With these two volume ratios, it is particularly easy and effective to apply the glass suspension to the carrier substrate and / or the adhesion promoter layer using the techniques described above.

So hat es sich beispielsweise als vorteilhaft erwiesen, die Glassuspension mittels Dekantierprozess auf dem Trägersubstrat und/oder der Haftvermittlerschicht aufzubringen. Hierbei wird die Glassuspension tropfenweise auf die Haftvermittlerschicht bzw. auf das Trägersubstrat aufgegeben. Dabei ist es möglich, dass sich die in der Suspension enthaltenen Alkaliborosilicatglaspartikel auf der entsprechenden Oberfläche absetzen, ohne dass die Partikel mechanischen Belastungen, wie beispielsweise Scherkräften, ausgesetzt sind. Anstelle der Auftropfung ist es auch denkbar, dass ein Tauchschritt durchgeführt wird, in welchem das Trägersubstrat in die Glassuspension eingetaucht wird und mit kontrollierter Geschwindigkeit im Bereich von 0,1 µm/s bis 2 mm/s wieder herausgezogen wird.For example, it has proved to be advantageous to apply the glass suspension to the carrier substrate and / or the adhesion promoter layer by means of a decanting process. In this case, the glass suspension is added dropwise onto the adhesion promoter layer or onto the carrier substrate. It is possible that the alkali borosilicate glass particles contained in the suspension settle on the corresponding surface, without the particles being exposed to mechanical stresses, such as, for example, shearing forces. Instead of the dripping, it is also conceivable that a dipping step is carried out in which the carrier substrate is immersed in the glass suspension and at a controlled speed in the range of 0.1 .mu.m / s to 2 mm / s pulled out again.

Vorteilhaft wird das polare Lösungsmittel im Anschluss kontrolliert einreduziert, beispielsweise mittels Wärmebehandlung bei einem Temperaturbereich von 55 bis 80 °C innerhalb eines Zeitfensters von 0,2 bis 5 Minuten. Advantageously, the polar solvent is subsequently reduced in a controlled manner, for example by heat treatment at a temperature range of 55 to 80 ° C within a time window of 0.2 to 5 minutes.

Im Anschluss erfolgt die selektive Versinterung und/oder Verschmelzung der Alkaliborosilicatglaspartikel mit wenigstens einer Laserquelle. Im Anschluss daran wird der Prozess von Anfang an wiederholt, sodass wiederrum die Glassuspension tropfenweise auf die nun bereits entstandene Monolithoberfläche aufgebracht wird. Die eben beschriebenen Schritte werden solange wiederholt, bis die gewünschte Geometrie des Alkaliborosilicatglasformkörpers erreicht ist. This is followed by the selective sintering and / or fusion of the alkali borosilicate glass particles with at least one laser source. Following this, the process is repeated from the beginning, so that in turn the glass suspension is applied dropwise to the already existing monolith surface. The steps just described are repeated until the desired geometry of the Alkaliborosilicatglasformkörpers is reached.

Besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Glassuspension mit einer Höhe von 1 bis 3 mm auf die entsprechende Oberfläche – das kann das Trägersubstrat, die Haftvermittlerschicht oder die Monolithoberfläche sein – aufgebracht wird. It has proven particularly advantageous if the glass suspension with a height of 1 to 3 mm is applied to the corresponding surface, which may be the carrier substrate, the adhesion promoter layer or the monolith surface.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft gezeigt, die Aufbringung des Glaspulvers und/oder der Glassuspension als dreidimensionalen Druck durchzuführen. In diesem Fall ist das Glasausgangsmaterial als Glaspulver eingesetzt. Das Glaspulver, welches wenigstens Alkaliborosilicatglaspartikel aufweist, wird beispielsweise in einem Zuführbehälter gelagert, um dann selektiv zunächst auf das Trägersubstrat und/oder die Haftvermittlerschicht aufgetragen zu werden. Unter selektiv ist in diesem Zusammenhang vorteilhaft zu verstehen, dass die Auftragung des Glaspulver auf das Trägersubstrat und/oder der Haftvermittlerschicht nach einer vorbestimmten Geometrie erfolgt. Diese kann beispielsweise in einem Softwareprogramm vorab berechnet und hinterlegt worden sein. Furthermore, it has proven to be advantageous to carry out the application of the glass powder and / or the glass suspension as a three-dimensional printing. In this case, the glass starting material is used as a glass powder. The glass powder, which comprises at least alkali borosilicate glass particles, is stored, for example, in a feed container, in order then to be selectively applied first to the carrier substrate and / or the adhesion promoter layer. Selective in this context is to be understood as meaning that the application of the glass powder to the carrier substrate and / or the adhesion promoter layer takes place according to a predetermined geometry. This can for example be calculated in advance in a software program and deposited.

Im Anschluss wird die Versinterung und/oder Verschmelzung mit der wenigstens einen Laserquelle durchgeführt. Hierdurch werden die Alkaliborosilicatglaspartikel miteinander untrennbar verbunden. Mit Abschluss dieses Fixierungsschrittes der Alkaliborosilicatglaspartikel erfolgt eine erneute Schichtauftragung des Glaspulvers aus dem Zuführbehälter auf die versinterte und/oder verschmolzene Schicht der Alkaliborosilicatglaspartikel nach der vorgegebenen Geometrie. Das dreidimensionale Zwischenprodukt, der Alkaliborosilicatglasformkörper wird somit schichtweise gedruckt.Subsequently, the sintering and / or fusion with the at least one laser source is performed. As a result, the alkali borosilicate glass particles are inseparably connected to each other. Upon completion of this fixing step of the alkali borosilicate glass particles, the glass powder is re-coated from the feed container to the sintered and / or fused layer of the alkali borosilicate glass particles according to the given geometry. The three-dimensional intermediate, the Alkaliborosilicatglasformkörper is thus printed in layers.

Somit kann mit dem hier beschriebenen Verfahren ein dreidimensionaler, komplexer monolithischer Glasformkörper durch schichtweise Auftragung und selektive Versinterung und/oder Verschmelzung des Glasausgangsmaterials hergestellt und gedruckt werden. Thus, with the method described herein, a three-dimensional, complex monolithic glass molded article can be prepared and printed by layered application and selective sintering and / or fusing of the glass starting material.

Eine weitere Alternative stellt das Schwammdruckverfahren dar. Bei diesem wird ein Schwamm mit der bereits oben beschriebenen Glassuspension getränkt. Als besonders vorteilhafte Schwämme haben sich Schwämme mit einer Nettodichte im Bereich von 25 kg pro Kubikmeter bis 32 kg pro Kubikmeter, sowie einer Trockendehnung im Bereich von 120–350% sowie einer Zellenzahl von 40–90 ppi erwiesen. Mit derartigen Schwämmen kann sowohl eine besonders effektive Aufnahme der Suspension als auch eine gleichmäßige Abgabe der Partikel auf das Trägersubstrat sichergestellt werden. Im einfachsten Fall wird der mit Suspension getränkte Schwamm über das Substrat gestrichen und/oder auf das Substrat aufgedruckt. Hierdurch wird eine dünne Schicht an Suspension mit einer Schichtdicke im Bereich von 100 nm–300 µm, vorteilhafter von 800–100 nm auf das Trägersubstrat übertragen. In einem weiteren Schritt wird das Lösungsmittel der Suspension einreduziert, vorteilhafter vollständig einreduziert. Dies kann im einfachsten Fall in Analogie zu dem bereits oben beschriebenen Dekantierprozess erfolgen. Mit diesem Druckverfahren können Pulverschichten aufgetragen werden, welche im Vergleich zu dem bereits beschriebenen Dekantierprozess in ihrer Schichtdicke dünner ausgebildet sind. Vorteilhaft erfolgt das Aufdrucken der Glassuspension auf das Trägersubstrat über die gesamte Fläche des Trägersubstrats, sodass im anschließenden selektiven Laserbeaufschlagungsschritt nur die vorbestimmte, gewünschte Geometrie mit der wenigstens einen Laserquelle abgefahren und versintert und/oder verschmolzen wird. Die restlichen Alkaliborosilicatglaspartikel können nach Fertigstellung des Zwischenprodukts beispielsweise mittels Druckluft von dem Trägersubstrat wieder entfernt und recycelt, also für weitere Suspensionen wieder verwendet werden.Another alternative is the sponge printing process. In this case, a sponge is soaked with the glass suspension already described above. Sponges with a net density in the range from 25 kg per cubic meter to 32 kg per cubic meter and a dry elongation in the range of 120-350% and a cell count of 40-90 ppi have proven to be particularly advantageous sponges. With such sponges both a particularly effective absorption of the suspension and a uniform release of the particles can be ensured on the carrier substrate. In the simplest case, the suspension-impregnated sponge is spread over the substrate and / or printed on the substrate. As a result, a thin layer of suspension having a layer thickness in the range of 100 nm-300 μm, more preferably 800-100 nm, is transferred to the carrier substrate. In a further step, the solvent of the suspension is reduced, advantageously completely reduced. In the simplest case, this can be done analogously to the decantation process already described above. With this printing method powder layers can be applied, which are thinner compared to the decanting process already described in their layer thickness. The printing of the glass suspension onto the carrier substrate advantageously takes place over the entire surface of the carrier substrate, so that in the subsequent selective laser application step only the predetermined, desired geometry with the at least one laser source is traversed and sintered and / or fused. The remaining Alkaliborosilicatglaspartikel can be removed again after completion of the intermediate product, for example by means of compressed air from the carrier substrate and recycled, so used for further suspensions.

Darüber hinaus ist es auch denkbar, das Glasausgangsmaterial mittels Rakeltechnik auf das Trägersubstrat aufzutragen. Hierbei kann vorteilhaft die Glassuspension auf dem Trägersubstrat und/oder der entsprechenden Haftvermittlerschicht ausgestrichen werden, um im Anschluss daran selektiv versintert und/oder verschmolzen zu werden. Auch hier wird die Glassuspension großflächig aufgebracht und die gewünschte Geometrie durch das Verfahren der wenigstens einen Laserquelle ermöglicht.In addition, it is also conceivable to apply the glass starting material by means of doctor blade technology to the carrier substrate. In this case, the glass suspension can advantageously be spread on the carrier substrate and / or the corresponding adhesion promoter layer in order to be subsequently selectively sintered and / or fused. Again, the glass suspension is applied over a large area and allows the desired geometry by the method of at least one laser source.

Ferner ist auch denkbar, die Glassuspension und/oder das Glaspulver mittels Sprühtechnik auf das Trägersubstrat und/oder die Haftvermittlerschicht aufzutragen. Hierzu werden geeignete Spritzdüsen verwendet, welche eine kontrollierte Auftragung der Glassuspension und/oder des Glaspulvers ermöglichen. Alternativ dazu ist auch denkbar, die Glassuspension und/oder das Glaspulver mit einer Rolle aufzurollen.Furthermore, it is also conceivable to apply the glass suspension and / or the glass powder by means of spraying to the carrier substrate and / or the adhesion promoter layer. For this purpose, suitable spray nozzles are used which allow a controlled application of the glass suspension and / or the glass powder. Alternatively, it is also conceivable to roll up the glass suspension and / or the glass powder with a roll.

Darüber hinaus sind auch Siebdruck oder Schablonendrucktechniken im vorliegenden Verfahren einsetzbar und anwendbar. In addition, screen printing or stencil printing techniques can also be used and applied in the present process.

Als Trägersubstrat kann vorliegend jedes Substrat verwendet werden, beispielsweise auf Glas, Metall, Kunststoff oder Keramik. Das Trägersubstrat dient vorteilhaft dem Aufbau des Zwischenprodukts sowie des Glasformkörpers als Endprodukt. In diesem Zusammenhang hat es sich auch als besonders vorteilhaft erwiesen, die Drucktechnik der Glassuspension bei gekrümmten Trägersubstraten anzuwenden. Dies ist besonders von Vorteil, da hierdurch, in Abhängigkeit von der Krümmung des Trägersubstrats, gerade und/oder konvex und/oder konkav, die gleiche Krümmung auf das Zwischenprodukt und auf den späteren Glasformkörper übertragen wird. Somit ist es erstmals möglich, gekrümmte monolithische, poröse, siliziumdioxidreiche Glasformkörper schichtweise zu drucken und herzustellen. In the present case any substrate can be used as the carrier substrate, for example on glass, metal, plastic or ceramic. The carrier substrate advantageously serves to build up the intermediate product and the glass molded body as the end product. In this context, it has also proved to be particularly advantageous to apply the printing technique of glass suspension in curved carrier substrates. This is particularly advantageous because, as a result, depending on the curvature of the carrier substrate, straight and / or convex and / or concave, the same curvature is transferred to the intermediate product and to the later glass molded body. Thus, it is possible for the first time to print and produce curved monolithic, porous, silica-rich glass moldings in layers.

Weiterhin vorteilhaft ist die wenigstens eine Laserquelle ein CO2-Laser oder ein YAG-Laser, wobei der CO2-Laser mit einer Leistung von 4,5 bis 5,5 Watt plus/minus 1 Watt und der YAG-Laser mit einer Leistung von 1,5 bis 2,5 Watt plus/minus 0,5 Watt betrieben werden. Vorteilhaft ist die wenigstens eine Laserquelle in wenigstens einer Ebene beweglich verfahrbar. Als vorteilhaft hat sich hierbei die horizontale Verfahrbarkeit erwiesen, was heißt, dass die wenigstens eine Laserquelle in x-y-Richtung beweglich ist. Dies ist von Vorteil, da hierdurch die Laserquelle selbst schnell und einfach bewegt werden kann, sodass die vorgegebene Geometrie, beispielsweise mittels Computerprogramm, direkt und sauber abgefahren werden kann und auch die Versinterung und/oder die Verschmelzung hochpräzise ausgeführt werden können. Furthermore, the at least one laser source is advantageously a CO 2 laser or a YAG laser, wherein the CO 2 laser with a power of 4.5 to 5.5 watts plus / minus 1 watt and the YAG laser with an output of 1.5 to 2.5 watts plus / minus 0.5 watts are operated. Advantageously, the at least one laser source is movably movable in at least one plane. In this case, the horizontal mobility has proven to be advantageous, which means that the at least one laser source is movable in the xy direction. This is advantageous because it allows the laser source itself to be moved quickly and easily so that the given geometry, for example by means of a computer program, can be traversed directly and cleanly and also the sintering and / or the fusion can be carried out with high precision.

Ferner ist es auch denkbar, die Laserquelle zusätzlich in vertikaler Richtung, also in z-Richtung, verfahrbar auszugestalten. Selbstverständlich ist dies nicht begrenzend zu verstehen, so dass auch zwei oder drei Laserquellen eingesetzt werden können, um die selektive Versinterung und/oder Verschmelzung durchzuführen.Furthermore, it is also conceivable to make the laser source movable in the vertical direction, ie in the z-direction. Of course, this is not limiting, so that two or three laser sources can be used to perform the selective sintering and / or fusion.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahrensschritt wird während der sauren Extraktion der boratreichen Phase zugleich die Haftvermittlerschicht aufgelöst. Dies ist besonders von Vorteil, da mit Auflösung der Haftvermittlerschicht auch der resultierende komplexe, monolithische, poröse, siliziumdioxidreiche Glasformkörper vom Trägersubstrat abgelöst wird und als eigenständiger Monolith zu betrachten ist. Die Ablösung kann voreilhaft thermisch oder chemisch erfolgen. Wird der chemische Schritt durchgeführt, so sind als Lösungsmittel Säuren, Basen oder andere organische Lösungsmittel denkbar, welche zwar die Haftvermittlerschicht angreifen und auflösen, den Monolithen selbst aber nicht angreifen. Als besonders vorteilhaft hat sich die Ablösung des komplexen, monolithischen, porösen, siliziumdioxidreichen Glasformkörpers während der Säurebehandlung, wie beispielsweise mit Salzsäure, gezeigt. Diese Säure ist dahingehend von Vorteil, da in einem einzigen Schritt saure Extraktion und Auflösen der Haftvermittlerschicht durchgeführt werden können. Dies spart Zeit. In a further advantageous method step, the adhesion promoter layer is simultaneously dissolved during the acidic extraction of the borate-rich phase. This is particularly advantageous because with dissolution of the adhesion promoter layer, the resulting complex, monolithic, porous, silicon dioxide-rich glass molded body is detached from the carrier substrate and is to be regarded as an independent monolith. The replacement can take place prematurely thermally or chemically. If the chemical step is carried out, the acids, bases or other organic solvents which attack and dissolve the primer layer, but do not attack the monolith itself, are conceivable as solvents. Particularly advantageous is the replacement of the complex, monolithic, porous, silica-rich glass molded body during the acid treatment, such as with hydrochloric acid shown. This acid is advantageous in that acid extraction and dissolution of the primer layer can be carried out in a single step. This saves time.

Weiterhin beansprucht die vorliegende Erfindung ein Glasausgangsmaterial für das oben beschriebene Verfahren, der Alkaliborosilicatglaspartikelfraktionen im Bereich von < 32 µm, < 63 µm und 63 bis 125 µm aufweist. Diese Größenbereiche von < 125 µm sind dahingehend von Vorteil, da derart kleine Alkaliborosilicatglaspartikel mit den oben aufgeführten Applikationsprozessen gleichmäßig auf das Trägersubstrat und/oder die Haftvermittlerschicht aufgetragen werden können. Insbesondere bei Verwendung der Glassuspension erweisen sich Alkaliborosilicatglaspartikel mit < 125 µm als vorteilhaft, da diese in Zusammenhang mit dem polaren Lösungsmittel eine homogene Suspension ausbilden.Furthermore, the present invention claims a glass starting material for the process described above, which has alkali borosilicate glass particle fractions in the range of <32 μm, <63 μm and 63 to 125 μm. These size ranges of <125 .mu.m are advantageous in that such small alkali borosilicate glass particles can be applied uniformly to the carrier substrate and / or the adhesion promoter layer with the application processes listed above. Especially when using the glass suspension, alkali borosilicate glass particles with <125 μm prove to be advantageous, since these form a homogeneous suspension in connection with the polar solvent.

In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform weisen die Alkaliborosilicatglaspartikel des Glasausgangsmaterials einen Boratanteil im Bereich von 15 bis 50 Gewichtsprozent, vorteilhafter im Bereich von 25 bis 35 Gewichtsprozent auf. Dieser Boratanteil stellt sicher, dass mit dem Wärmeschritt und der Entmischung, vorteilhaft spinodal und/oder bimodal und/oder multimodal, auch eine alkaliboratreiche Phase innerhalb des Alkaliborosilicatglasformkörpers ausgebildet und diese auch angereichert wird. Durch den Gewichtsprozentanteil der Alkaliboratphase von 25 bis 35 Gewichtsprozent können die Poren des zweiten Porensystems selektivausgebildet werden. In a further advantageous embodiment, the alkali borosilicate glass particles of the glass starting material have a borate content in the range from 15 to 50 percent by weight, more preferably in the range from 25 to 35 percent by weight. This borate content ensures that the heat step and the demixing, advantageously spinodal and / or bimodal and / or multimodal, also forms an alkali borate-rich phase within the alkali borosilicate glass molded body and also enriches it. By the weight percentage of the alkali borate phase of 25 to 35 weight percent, the pores of the second pore system can be selectively formed.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Alkaliborosilicatglaspartikel weiterhin eine Vielzahl von homogen verteilten Absorptionszentren auf. Vorteilhaft werden die Absorptionszentren für die wenigstens eine Laserquelle benötigt, insbesondere wenn diese als YAG-Laser ausgebildet ist. Vorteilhaft ist unter homogener Verteilung eine gleichmäßige Verteilung zu verstehen.In a further advantageous embodiment, the alkali borosilicate glass particles furthermore have a multiplicity of homogeneously distributed absorption centers. Advantageously, the absorption centers are required for the at least one laser source, in particular if this is designed as a YAG laser. Advantageously, homogenous distribution means a uniform distribution.

Diese Absorptionszentren sind aus Ionen und/oder Nicht-Ionen von einem oder mehreren Elementen ausgebildet, die bei anregender Wellenlänge des eingesetzten Lasers absorbieren. Vorteilhaft im Einsatz mit dem YAG-Laser sind Metallionen, wobei der Anteil an Metall im Gesamtglas im Bereich von 0,5 bis 15 Gewichtsprozent, bevorzugt ≤ 5 Gewichtsprozent liegt. Insbesondere die homogene Verteilung der Metallionen, als Absorptionszentren für die YAG-Laserquelle, ist für eine gleichmäßige Erwärmung und Sinterung wichtig. Durch eine lokal größere Metallionenkonzentration, also eine inhomogene Verteilung der Metallionen in den Glaspartikeln, wird in Bereichen mit einer erhöhten Metallkonzentration auch eine höhere Energie in das Material übertragen werden, sodass diese Bereiche stärker aufgeschmolzen werden und Rissbildung die Folge ist. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Eisenoxid zur Ausbildung der Absorptionszentren erwiesen. Dies ist insbesondere von Vorteil, da das Eisen in der boratreichen Phase akkumuliert und mit der sauren Extraktion aus dem Monolithen herausgewaschen wird.These absorption centers are formed of ions and / or non-ions of one or more elements which absorb at an exciting wavelength of the laser used. Advantageous in use with the YAG laser are metal ions, wherein the proportion of metal in the total glass in the range of 0.5 to 15 weight percent, preferably ≤ 5 weight percent. In particular, the homogeneous distribution of the metal ions, as absorption centers for the YAG laser source, is important for uniform heating and sintering. By a locally larger metal ion concentration, ie an inhomogeneous distribution of the metal ions in the glass particles, in areas with an increased metal concentration, a higher energy will be transferred into the material, so that these areas stronger be melted and cracking is the result. The use of iron oxide to form the absorption centers has proven to be particularly advantageous. This is particularly advantageous since the iron is accumulated in the borate-rich phase and washed out of the monolith with the acid extraction.

Darüber hinaus beansprucht die vorliegende Erfindung einen komplexen, monolithischen, porösen siliziumdioxidreichen Glasformkörper, welcher nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist, wobei dieser ein erstes Porensystem mit einer Vielzahl an Partikelhohlräumen, Poren und/oder Kanälen und/oder Reaktionsräumen aufweist und das erste Porensystem durch Wandungsbereiche des Glasformkörpers aufgespannt ist und, dass der Glasformkörper ein weiteres, zweites Porensystem aufweist, welches in den Wandungsbereichen des Glasformkörpers angeordnet ist und welches eine offenporige Durchdringungsstruktur aufweist. Für die hier beschriebenen Porensysteme greifen die oben ausführlich erläuterten Beschaffenheiten. In addition, the present invention claims a complex, monolithic, porous silica-rich glass molded body, which is prepared by the method described above, which has a first pore system with a plurality of particle cavities, pores and / or channels and / or reaction spaces and the first pore system Wall regions of the glass molded body is clamped and that the glass molded body has a further, second pore system which is arranged in the wall regions of the glass molded body and which has an open-pore penetrating structure. For the pore systems described here, the textures explained in detail above are applicable.

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, derart hergestellte komplexe, monolithische, poröse, siliziumdioxidreiche, Glasformkörper als Membran, Membranreaktor, Mikroreaktoren, optische Bauelemente, Filter und/oder als Filter in der Mikrofluidik zu verwenden.Furthermore, it has proved to be advantageous to use complex, monolithic, porous, silicon dioxide-rich, glass moldings produced in this way as membrane, membrane reactor, microreactors, optical components, filters and / or as filters in microfluidics.

Das hier beschriebene Glasausgangsmaterial kann neben den Alkaliborosilicatglaspartikeln auch weitere Glaspartikel enthalten oder auch vollständig aus einem anderen Glas ausgebildet sein. Voraussetzung für den vollständigen Ersatz ist, dass mindestens eine Glaspartikelfraktion ebenfalls in eine lösliche und unlösliche Phase, bezogen auf das eingesetzte Lösungsmittel, entmischt. The glass starting material described here can also contain other glass particles in addition to the alkali borosilicate glass particles or else be formed completely from another glass. A prerequisite for complete replacement is that at least one glass particle fraction also separates into a soluble and insoluble phase, based on the solvent used.

Vorteile und Zweckmäßigkeiten sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung zu entnehmen. Hierbei zeigen: Advantages and expediencies can be found in the following description in conjunction with the drawing. Hereby show:

1 die schematische Herstellung der Glaspartikel; 1 the schematic production of the glass particles;

2 die schematische Herstellung der Haftvermittlerschicht; 2 the schematic preparation of the adhesive layer;

3a–d die schematische Schrittabfolge des Dekantierprozesses; 3a The schematic step sequence of the decantation process;

4a–d die schematische Aufbringung der Suspension mittels Drucktechnik; 4a -D the schematic application of the suspension by means of printing technology;

5a–f die einzelnen Herstellungsschritte des Verfahrens zur Herstellung eines monolithischen, komplexen Glasformkörpers; und 5a -F the individual production steps of the process for producing a monolithic, complex glass molded body; and

6 eine weitere schematische Ansicht eines monolithischen, komplexen Glasformkörpers. 6 a further schematic view of a monolithic, complex glass molded body.

In 1 ist die schematische Darstellung gezeigt, wie die Alkaliborosilicatglaspartikel hergestellt werden. Ausgangspunkt ist in der oberen Abbildung ein Glas 2 aus Alkaliborosilicatglas, vorteilhafter aus Erdalkali-Alkaliboratglas, noch vorteilhafter aus Natrium-Alkaliboratglas oder Lithium-Alkaliboratglas. Das Glas 2 selbst weist einen Alkaliboratanteil im Bereich von 15 bis 50 Gewichtsprozent, vorteilhafter von 25 bis 35 Gewichtsprozent auf. Für den Einsatz mit YAG-Laser wurde zusätzlich bei Herstellung des Glases 2 zu dem mit Borat angereicherten Alkaliborosilicatglas wenigstens ein absorbierender Bestandteil zugegeben, vorteilhaft Eisen(III)-oxid, welches durch Reduktion innerhalb des Glases schließlich auch als Eisen(II)-oxid vorliegt. Besonders vorteilhaft ist der Eisenoxidanteil im Glas ≤ 5 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse des Glases. In 1 the schematic is shown how the alkali borosilicate glass particles are made. The starting point is a glass in the picture above 2 of alkali borosilicate glass, more advantageously of alkaline earth alkali borate glass, even more advantageously of sodium alkali borate glass or lithium alkali borate glass. The glass 2 itself has an alkali borate content in the range of 15 to 50 weight percent, more preferably 25 to 35 weight percent. For use with YAG laser was additionally used in the manufacture of the glass 2 to the borate-enriched alkali borosilicate glass added at least one absorbent component, preferably iron (III) oxide, which is also present by reduction within the glass as iron (II) oxide. Particularly advantageous is the proportion of iron oxide in the glass ≤ 5 weight percent based on the total mass of the glass.

In 1 oben ist das Alkaliborosilicatglas 2 gezeigt, welches eine Vielzahl homogen verteilter ionischer und nicht ionischer Absorptionszentren 4 aufweist. Nicht-ionische Absorptionszentren weisen beispielsweise Restbestände organischen Lösungsmittels oder auch Kohlenstoff auf. Ferner sind als Absorptionszentren auch neutrale Metallatome, Metallagglomerate und/oder (nicht-)geladene Nanopartikel einsetzbar.In 1 above is the alkali borosilicate glass 2 showing a variety of homogeneously distributed ionic and nonionic absorption centers 4 having. Nonionic absorption centers have, for example, residues of organic solvent or else carbon. Furthermore, neutral metal atoms, metal agglomerates and / or (non-) charged nanoparticles can also be used as absorption centers.

Im nächsten Schritt wird das erkaltete Glas zerkleinert, vorteilhaft gemahlen, so dass unterschiedlich große Fraktionen entstehen. Als besonders vorteilhaft haben sich für das oben beschriebene Verfahren Fraktionen von < 125 µm erwiesen. Diese werden mittels Siebverfahren entsprechend kontrolliert und bereitgestellt. Es ergeben sich unterschiedlich große Fraktionen an Alkaliborosilicatglaspartikel 18 von einer Größe < 125 µm.In the next step, the cooled glass is crushed, advantageously ground, so that different sized fractions arise. Fractions of <125 μm have proven particularly advantageous for the process described above. These are appropriately controlled and provided by sieving. There are different sized fractions of alkali borosilicate glass particles 18 of a size <125 microns.

Im darauf folgenden Arbeitsschritt werden die Alkaliborosilicatglaspartikel 18 mit wenigstens einem Lösungsmittel, vorteilhaft in Ethanol, suspensiert. Somit ist das Glasausgangsmaterial als Glassuspension bereitgestellt. Soll lediglich das Glaspulver verwendet werden, so werden die gemahlenen oder anderweitig zerkleinerten Alkaliborosilicatglaspartikel 18 aus dem ersten Schritt verwendet.In the next step, the alkali borosilicate glass particles 18 with at least one solvent, preferably in ethanol, suspended. Thus, the glass starting material is provided as a glass suspension. If only the glass powder is to be used, the ground or otherwise comminuted alkali borosilicate glass particles 18 used from the first step.

Ein Ausführungsbeispiel für die Herstellung einer Glassuspension besteht darin, dass anstelle des Ethanols auch Polyvinylalkohol (PVA), destilliertes Wasser und Glaspulver verwendet werden können. Im Laborversuch wird hierzu 50 ml destilliertes Wasser auf 80°C erwärmt. Unter kontinuierlichem Rühren werden 3 g PVA hinzugegeben. In einem zweiten Ansatz wird eine Suspension aus 33 g Glaspulver und 30 ml destilliertem Wasser hergestellt. Nach Homogenisierung des PVA/H2O-Gemisches wird die Suspension der Lösung aus PVA/H2O unter kontinuierlichem Rühren zugefügt. Anschließend werden weitere 10 ml destilliertes Wasser zugegeben, um ein ausreichendes Suspensionsvolumen zu erzeugen. Letztlich wurde die resultierende Suspension auf Raumtemperatur abgekühlt. Die resultierende Suspension wird anschließend nach einem der oben beschriebenen Verfahrensschritte weiter verarbeitet.An embodiment for the preparation of a glass suspension is that, instead of the ethanol, polyvinyl alcohol (PVA), distilled water and glass powder can also be used. In a laboratory experiment, 50 ml of distilled water are heated to 80 ° C. With continuous stirring, 3 g of PVA are added. In a second batch, a suspension of 33 g of glass powder and 30 ml of distilled water is prepared. After homogenization of the PVA / H 2 O- Mixture, the suspension of the solution of PVA / H 2 O is added with continuous stirring. Subsequently, another 10 ml of distilled water are added to produce a sufficient volume of suspension. Finally, the resulting suspension was cooled to room temperature. The resulting suspension is then further processed according to one of the method steps described above.

In 2 ist schematisch die Beschichtung des Substrats mit Keramik gezeigt. So ist in 2a zunächst das Trägersubstrat 6 dargestellt. Der Einfachkeit halber ist hierbei ein ebenes Trägersubstrat 6 gezeigt. Dies kann selbstverständlich in unterschiedlicher Geometrie und Krümmung beispielsweise konvex und/oder konkav, vorliegen. Auf die Oberfläche des Trägersubstrats 6 wird ein Keramikschlicker 8 mit einer Schichtdicke von 100–1000 µm aufgebracht. Der Keramikschlicker 8 wird in 2b durch die wenigstens eine Laserquelle 12 linienweise versintert, sodass sich letztendlich, wie in 2c gezeigt eine fest auf dem Trägersubstrat 6 haftende Keramikschicht 14 ausbildet. Neben dem eben beschriebenen Keramikschlicker 8 ist es allerdings auch möglich, ein Filterband (nicht gezeigt) zu verwenden, welches eine einseitige Keramikbeschichtung aufweist. Das Filterband wird mit der Beschichtungsseite auf die Oberfläche des Trägersubstrats 6 aufgebracht und fixiert, um dann ebenfalls linienweise mit der wenigstens einen Laserquelle 12 abgefahren zu werden. Durch das Abfahren des Filterbandes (nicht gezeigt) mit der wenigstens einen Laserquelle 12 wird die Beschichtung von dem Filterband auf das Trägersubstrat 6 übertragen und dort als Keramikschicht 14 fixiert. Neben dem linienweisen Abfahren der Laserquelle 12 sind auch andere Geometrien denkbar, wie beispielsweise konzentrisch oder auch rein zufällig. Die Keramikschicht 14 ist als Haftvermittlerschicht zwischen Trägersubstrat 6 und Alkaliborosilicatglaspartikeln 18 ausgebildet. In 2 schematically the coating of the substrate with ceramic is shown. So is in 2a first the carrier substrate 6 shown. For the sake of simplicity, this is a planar carrier substrate 6 shown. This can of course be in different geometry and curvature, for example, convex and / or concave. On the surface of the carrier substrate 6 becomes a ceramic slip 8th applied with a layer thickness of 100-1000 microns. The ceramic slip 8th is in 2 B by the at least one laser source 12 Sintered line by line, so that ultimately, as in 2c shown one firmly on the carrier substrate 6 adhesive ceramic layer 14 formed. In addition to the ceramic slip described above 8th However, it is also possible to use a filter belt (not shown), which has a one-sided ceramic coating. The filter belt is coated on the surface of the carrier substrate 6 applied and fixed, then also line by line with the at least one laser source 12 to be driven off. By moving the filter belt (not shown) with the at least one laser source 12 the coating is transferred from the filter belt to the carrier substrate 6 transferred and there as a ceramic layer 14 fixed. In addition to the line-wise shutdown of the laser source 12 Other geometries are conceivable, such as concentric or purely random. The ceramic layer 14 is as a primer layer between the carrier substrate 6 and alkali borosilicate glass particles 18 educated.

In 3a–d ist schematisch der Dekantierprozess gezeigt. Hierbei wird in einem ersten Schritt (3a) die Glassuspension 16 mit den darin angeordneten Alkaliborosilicatglaspartikeln 18, welche Fraktionen von < 125 µm aufweisen, auf das Trägersubstrat 6 und/oder auf die Keramikschicht 14, welche als Haftvermittlerschicht ausgebildet ist, aufgebracht. In 3a -D, the decantation process is shown schematically. This is done in a first step ( 3a ) the glass suspension 16 with the alkali borosilicate glass particles disposed therein 18 , which have fractions of <125 microns, on the carrier substrate 6 and / or on the ceramic layer 14 , which is designed as a primer layer applied.

Nach einer Verweilzeit, beispielsweise 5 min, sinken die Alkaliborosilicatglaspartikel 18 ab und sammeln sich auf der Haftvermittlerschicht (nicht gezeigt) und/oder auf dem Trägersubstrat 6 (3b). Das überschüssige Lösungsmittel 20, beispielsweise Ethanol oder PVA, kann mittels Temperaturbeaufschlagung, einreduziert werden. After a residence time, for example 5 min, the alkali borosilicate glass particles sink 18 and accumulate on the primer layer (not shown) and / or on the carrier substrate 6 ( 3b ). The excess solvent 20 , For example, ethanol or PVA, can be reduced by means of temperature.

Ist das Lösungsmittel 20 zu wenigstens 85 Gewichtsprozent, vorteilhafter zu 90 Gewichtsprozent, entfernt, werden die zu diesem Zeitpunkt noch losen Alkaliborosilicatglaspartikel 18 mittels wenigstens einer Laserquelle 12 in einer vorbestimmten Geometrie versintert und/oder verschmolzen (3c). Die Laserquelle 12 fixiert somit durch den Energieeintrag die zuvor losen Alkaliborosilicatglaspartikel 18 aneinander sowie auch an der Haftvermittlerschicht (nicht gezeigt) und/oder auf dem Trägersubstrat 6. Aufgrund des geringen Durchmessers des Laserspots von < 20 µm können hochpräzise und genaue Strukturen versintert und/oder verschmolzen werden. In 3d ist eine erste Lage der zumindest teilweise miteinander versinterten und/oder verschmolzenen Alkaliborosilicatglaspartikel 18 gezeigt.Is the solvent 20 at least 85 percent by weight, more preferably 90 percent by weight, are removed, the still at this time still loose alkali borosilicate glass particles 18 by means of at least one laser source 12 sintered and / or fused in a predetermined geometry ( 3c ). The laser source 12 thus fixed by the energy input, the previously loose Alkaliborosilicatglaspartikel 18 to each other as well as to the adhesion promoter layer (not shown) and / or on the carrier substrate 6 , Due to the small diameter of the laser spot of <20 μm, highly precise and accurate structures can be sintered and / or fused. In 3d is a first layer of the at least partially sintered and / or fused alkali borosilicate glass particles 18 shown.

In 4 ist eine weitere Herstellungsmöglichkeit des komplexen, monolithischen, porösen, siliziumdioxidreichen Glasformkörpers gezeigt. Hierbei wird die Glassuspension 16 mittels Schwamm 17 (4a) auf das Trägersubstrat 6 und/oder auf die Haftvermittlerschicht 14 schrittweise aufgedruckt (4b). In 4 another production possibility of the complex, monolithic, porous, silicon dioxide-rich glass molded body is shown. This is the glass suspension 16 by sponge 17 ( 4a ) on the carrier substrate 6 and / or on the primer layer 14 printed step by step ( 4b ).

Wie bereits oben ausgeführt, ist ein Schwamm 17 als Druckmedium dahingehend vorteilhaft, da die Suspension 16 mit Alkaliborosilicatglaspartikeln 18 von < 125 µm gut in den Schwamm 17 eingelagert werden, um dann bei Druckkraftbeaufschlagung auf die Haftvermittlerschicht 14 auch entsprechend wieder an diese abgegeben zu werden. As stated above, is a sponge 17 as printing medium to the effect advantageous because the suspension 16 with alkali borosilicate glass particles 18 of <125 microns well in the sponge 17 be stored, then at Druckkraftbeaufschlagung on the adhesive layer 14 to be given back to them accordingly.

Im weiteren Schritt (4c) werden wiederum mittels wenigstens einer Laserquelle 12 die aufgetragenen Alkaliborosilicatglaspartikel 18 selektiv miteinander und/oder mit der Haftvermittlerschicht 14 und/oder dem Trägersubstrat 6 versintert und/oder verschmolzen, in Abhängigkeit von der gewünschten Geometrie. Es hat sich hierbei als vorteilhaft erwiesen, dass auch nach dem Druckschritt das verbleibende Lösungsmittel, beispielsweise Ethanol oder Polyvinylalkohol (PVA), durch Temperaturbeaufschlagung einreduziert bzw. vollständig entfernt wird.In the next step ( 4c ) are in turn by means of at least one laser source 12 the applied alkali borosilicate glass particles 18 selectively with each other and / or with the primer layer 14 and / or the carrier substrate 6 sintered and / or fused, depending on the desired geometry. It has proved to be advantageous in this case that even after the printing step, the remaining solvent, for example ethanol or polyvinyl alcohol (PVA), reduced by temperature or completely removed.

In 4d ist eine erste Lage der zumindest teilweise miteinander versinterten und/oder verschmolzenen Alkaliborosilicatglaspartikel 18 gezeigt, welche dieser der Lage aus 3d entspricht.In 4d is a first layer of the at least partially sintered and / or fused alkali borosilicate glass particles 18 shown which of these capable of 3d equivalent.

Schließlich zeigt 5 die weiteren Schritte des selektiven Schichtaufbaus des Alkaliborosilicatglasformkörpers 22 als Zwischenprodukt sowie des komplexen, monolithischen, porösen, siliziumdioxidreichen Glasformkörpers 26 als Endprodukt. In Abhängigkeit von den angewandten Aufbringungsverfahren werden ausgehend von der ersten Lage aus 3d oder 4d nun die Schritte, wie in 3 und 4 beispielhaft erwähnt, solange wiederholt, bis die gewünschte Monolithhöhe des Zwischenprodukts erreicht ist (5b). Finally shows 5 the further steps of the selective layer structure of the alkali borosilicate glass molded body 22 as an intermediate and the complex, monolithic, porous, silica-rich glass molded body 26 as end product. Depending on the applied application method, starting from the first layer 3d or 4d now the steps as in 3 and 4 exemplified as long as repeated until the desired monolith level of the intermediate product is reached ( 5b ).

Im nächsten Schritt, also sobald die gewünschte Monolithhöhe erreicht ist, werden die Pulverrückstände entfernt, sodass, wie in 5c gezeigt, lediglich das Zwischenprodukt 22, also der Alkaliborosilicatglasformkörper 22 aus miteinander versinterten und/oder verschmolzenen Alkaliborosilicatglaspartikel 18, übrig bleibt.In the next step, as soon as the desired monolith height is reached, the powder residues are removed, so that, as in 5c shown, only the intermediate 22 , So the Alkaliborosilicatglasformkörper 22 from sintered and / or fused alkali borosilicate glass particles 18 , remains.

In dem in 5d dargestellten Ausführungsbeispiel wurden vertikal ausgerichtete, zylindrische Hohlräume, welche als Kanäle 24 ausgebildet sind, ausgespart. Die hier gezeigten Kanäle 24 weisen jeweils zwei direkte Öffnungen an der Oberfläche des Alkaliborosilicatglasformkörpers 22 auf. Anstelle der hier beispielhaft gezeigten Kanäle 24 sind auch weitere Geometrien, wie beispielsweise Poren und/oder Reaktionsräume (nicht gezeigt) denkbar, wobei Reaktionsräume keine direkte Öffnung nach außen aufweisen. Der Alkaliborosilicatglasformkörper 22 weist somit ein erstes Porensystem auf. In the in 5d illustrated embodiment have been vertically aligned, cylindrical cavities, which serve as channels 24 are formed, recessed. The channels shown here 24 each have two direct openings on the surface of the Alkaliborosilicatglasformkörpers 22 on. Instead of the channels shown here by way of example 24 are also other geometries, such as pores and / or reaction spaces (not shown) conceivable, with reaction spaces have no direct opening to the outside. The alkali borosilicate glass molded body 22 thus has a first pore system.

Bei dem Alkaliborosilicatglasformkörper 22 als Zwischenprodukt handelt es sich um eine noch nicht entmischte, monolithische Struktur. Diese kann sowohl zweidimensional als auch dreidimensional ausgebildet sein.In the alkali borosilicate glass molded body 22 as an intermediate it is a not yet demixed, monolithic structure. This can be formed both two-dimensional and three-dimensional.

Im Anschluss wird der Alkaliborosilicatglasformkörper 22 zunächst der Wärmebehandlung unterzogen. Die Wärmebehandlung erfolgt vorteilhaft in einem Temperaturbereich von 300–1000°C, vorteilhafter von 450–750°C und noch vorteilhafter bei 600°C für ein Zeitintervall im Bereich von 0,5–90 Stunden, vorteilhafter von 1–72 Stunden. Durch diese Wärmebehandlung wird das versinterte Glasausgangsmaterial des Alkaliborosilicatglasformkörpers 22 entmischt, sodass sich eine boratreiche Phase und eine silicatreiche Phase ausbilden. Vorteilhaft erfolgt die Entmischung spinodal oder bimodal. Subsequently, the Alkaliborosilicatglasformkörper 22 initially subjected to the heat treatment. The heat treatment is advantageously carried out in a temperature range of 300-1000 ° C, more preferably 450-750 ° C and more preferably at 600 ° C for a time interval in the range of 0.5-90 hours, more preferably 1-72 hours. By this heat treatment, the sintered glass raw material of the alkali borosilicate glass molded body becomes 22 demixed, forming a borate-rich phase and a silicate-rich phase. Advantageously, the separation takes place spinodal or bimodal.

Bei der anschließenden sauren Extraktion, vorteilhaft mit 0,5–4 M Salzsäure, vorteilhafter mit 1 – M Salzsäure bei einer Temperatur im Bereich von Raumtemperatur – 100°C für ein Zeitintervall von 4–96 Stunden, vorteilhafter von 8–72 Stunden wird die boratreiche Phase extrahiert, sodass lediglich der komplexe, monolithische, poröse, siliziumdioxidreiche Glasformkörper 26 verbleibt. Die durch Extraktion erzeugten Hohlräume bilden das weitere, zweite Porensystem (5e). Sogleich wird auch die Haftvermittlerschicht (nicht gezeigt) durch die saure Extraktion aufgelöst, sodass letztendlich der komplexe, monolithische, poröse, siliziumdioxidreiche Glasformkörper 26 von dem Trägersubstrat 6 ablösbar ist. In the subsequent acid extraction, advantageously with 0.5-4 M hydrochloric acid, more advantageously with 1 - M hydrochloric acid at a temperature in the range of room temperature - 100 ° C for a time interval of 4-96 hours, more preferably 8-72 hours is the extracted borate-rich phase, so that only the complex, monolithic, porous, silica-rich glass moldings 26 remains. The cavities created by extraction form the further, second pore system ( 5e ). Immediately, the primer layer (not shown) is also dissolved by the acidic extraction, thus ultimately forming the complex, monolithic, porous, silica-rich glass molded article 26 from the carrier substrate 6 is removable.

Der resultierende komplexe, monolithische, poröse, siliziumdioxidreiche Glasformkörper 26 (5f) weist eine Vielzahl an Poren mit Durchdingungsstruktur und Partikelhohlräume und/oder Reaktionsräumen und/oder Kanälen auf, welche sowohl innenliegend als auch außenliegend angeordnet sind und welche weiterhin vorteilhaft miteinander in Verbindung stehen. The resulting complex, monolithic, porous, silica-rich glass molded body 26 ( 5f ) has a plurality of pores with Durchdingungsstruktur and particle cavities and / or reaction spaces and / or channels, which are arranged both inside and outside and which further advantageously communicate with each other.

Darüber hinaus sind in den dargestellten Ausführungsbeispielen auch die als Kanäle 24 ausgebildeten Hohlräume deutlich zu erkennen, welche gezielt in den komplexen, monolithischen, porösen, siliziumdioxidreichen Glasformkörper 26 durch das selektive Lasersintern und/oder Laserverschmelzen eingebracht wurden. In addition, in the illustrated embodiments, as well as channels 24 clearly visible cavities formed, which specifically in the complex, monolithic, porous, silica-rich glass moldings 26 were introduced by the selective laser sintering and / or laser fusion.

In 6 ist eine weitere schematische Ansicht eines komplexen, monolithischen, porösen, siliziumdioxidreichen Glasformkörpers 26 gezeigt. Dieser weist neben dem Kanal 24, welche hier lediglich eine nach oben gerichtete direkte Öffnung aufweist, auch einen Reaktionsraum 29 auf. Dieser ist beispielshaft quaderförmig ausgebildet, jedoch nicht auf diese Form beschränkt. Der Reaktionsraum 29 weist keine direkte Öffnung zur Oberfläche des Glasformkörpers 26 auf. Ein Stofftransport oder -austausch in den Reaktionsraum 29 hinein und auch wieder heraus, ist lediglich über die Partikelhohlräume 28 und/oder über das zweite Porensystem 27 möglich. In 6 is another schematic view of a complex, monolithic, porous, silica-rich glass molded body 26 shown. This one points beside the canal 24 which has only an upwardly directed direct opening here, also a reaction space 29 on. This is for example cuboid, but not limited to this form. The reaction space 29 has no direct opening to the surface of the glass molded body 26 on. A mass transport or exchange in the reaction space 29 in and out again, is only about the particle cavities 28 and / or the second pore system 27 possible.

In der Vergrößerung sind beispielhaft drei miteinander versinterte Alkaliborosilicatglaspartikel 18 gezeigt, welche einen Partikelhohlraum 28 begrenzen. Die Alkaliborosilicatglaspartikel 18 selbst bilden die Wandungsbereiche des komplexen, monolithischen, porösen, siliziumdioxidreichen Glasformkörpers 26 aus und sind durch Wärmebehandlung und Extraktion porös und siliziumdioxidreich ausgebildet. Die Wandungsbereiche und somit auch die miteinander versinterten Alkaliborosilicatglaspartikel 18 weisen daher Poren mit Durchdringungsstruktur 27 auf und bilden somit das weitere, zweite Porensystem aus. By way of example, three magnified alkali borosilicate glass particles are sintered together 18 shown which has a particle cavity 28 limit. The alkali borosilicate glass particles 18 themselves form the wall regions of the complex, monolithic, porous, silica-rich glass molded body 26 and are formed by heat treatment and extraction porous and rich in silicon dioxide. The wall areas and thus also the sintered together Alkaliborosilicatglaspartikel 18 therefore have pores with Durchdringungsstruktur 27 and thus form the further, second pore system.

Wird für die hier beschriebenen Verfahrensschritte die wenigstens eine Laserquelle als ein CO2-Laser vorgesehen, erübrigt sich die zusätzliche Einbringung von Absorptionszenten. Der Fokus des Lasers wird auf Höhe des Trägersubstrats angepasst. Nach Auftrag der ersten Schicht der Glassuspension und nach Einreduzierung des Lösungsmittels, beispielsweise Ethanol bei 60°C, erfolgt die Beaufschlagung der Alkaliborosilicatglaspartikel mit dem CO2-Laser in x-y-Richtung bei einer Frequenz von 30 kHz. Anschließend wird die Fokusebene des Lasers in z-Richtung angehoben, neues Material aufgetragen und erneut gesintert und/oder verschmolzen. Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, nach zehn Schichten von der Schwammdrucktechnik auf den Dekantierprozess umzuschwenken, um ein Aufreißen der Randbereiche sowie inhomogene Schichthöhen zu vermeiden. In diesem Ausführungsbeispiel wird vorteilhaft eine Laserleistung von 40–100%, Partikelfraktionen von < 32 µm, < 63 µm sowie von 32–63 µm, eine Laservorschubgeschwindigkeit von 50–300 mm/Sekunde, ein Laserlinienabstand von 25–300 µm sowie Punktsteuerung und/oder Liniensteuerung des Lasers verwendet. Die einzelnen Schritte werden solange wiederholt, bis die gewünschte Schichthöhe erreicht ist.If the at least one laser source is provided as a CO 2 laser for the method steps described here, the additional introduction of absorption ceases is unnecessary. The focus of the laser is adjusted at the height of the carrier substrate. After application of the first layer of the glass suspension and after reduction of the solvent, for example ethanol at 60 ° C, the loading of the alkali borosilicate glass particles with the CO 2 laser takes place in the xy direction at a frequency of 30 kHz. Subsequently, the focal plane of the laser is raised in the z-direction, applied new material and sintered again and / or fused. In this case, it has proven to be advantageous, after ten layers of the sponge printing technique, to shift over to the decanting process, in order to avoid tearing of the edge regions and inhomogeneous layer heights. In this exemplary embodiment, a laser power of 40-100%, particle fractions of <32 μm, <63 μm and 32-63 μm, a laser feed speed of 50-300 mm / second, a laser line spacing of 25-300 μm as well as dot control and / or or line control of the laser used. The individual steps are repeated until the desired layer height is reached.

Wird anstelle des CO2-Lasers hingegen ein YAG-Laser verwendet, so wird auch dieser zunächst auf die Oberfläche des Trägersubstrats fokussiert. Im Anschluss daran kann die Glassuspension und/oder das Glaspulver auf die Haftvermittlerschicht aufgebracht werden und mit dem YAG-Laser versintert und/oder verschmolzen werden. Vor dem nächsten Schichtauftrag wird in diesem Fall, aufgrund des stationären YAG-Lasers, die Probe selbst in ihrer Höhenposition, also in z-Richtung, nach unten abgesenkt, sodass der Laserabstand zur Schichtoberfläche stets unverändert gleich bleibt. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Laservorschubgeschwindigkeit von 0,1–200 mm/Sekunde, eine Laserleistung von 30–90% bei einer Laserfrequenz von 80 kHz, ein Linienabstand von 10–100 µm sowie eine Partikelgröße von < 32 µm, < 63 µm sowie 32–63 µm verwendet. Wie auch im parallel beschriebenen Co2-Laserverfahren wird auch hier das Zwischenprodukt bei 550°C für 24 Stunden dem Wärmebehandlungsschritt unterzogen.If instead of the CO 2 laser, however, a YAG laser is used, then this is also focused initially on the surface of the carrier substrate. Subsequently, the glass suspension and / or the glass powder can be applied to the adhesion promoter layer and sintered and / or fused with the YAG laser. In this case, prior to the next layer application, due to the stationary YAG laser, the sample itself is lowered in its height position, ie in the z direction, downwards, so that the laser distance to the layer surface always remains unchanged. In this embodiment, a laser feed speed of 0.1-200 mm / second, a laser power of 30-90% at a laser frequency of 80 kHz, a line spacing of 10-100 microns and a particle size of <32 .mu.m, <63 .mu.m and 32 -63 μm used. As in the Co 2 laser process described in parallel, the intermediate product is also subjected to the heat treatment step at 550 ° C. for 24 hours.

Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.All disclosed in the application documents features are claimed as essential to the invention, provided they are new individually or in combination over the prior art.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

22
Glas Glass
44
Absorptionszentren absorption centers
66
Trägersubstrat carrier substrate
88th
Oberfläche surface
1010
gesinterte Keramikschlicker sintered ceramic slip
1212
Laserquelle laser source
1414
Keramikschicht ceramic layer
1616
Glassuspension glass suspension
1818
Alkaliborosilicatglaspartikel Alkaliborosilicatglaspartikel
2020
Lösungsmittel solvent
2222
gesinterter Alkaliborosilicatglasformkörper Sintered alkali borosilicate glass molded body
2424
Kanäle channels
2626
extrahierter siliziumdioxidreicher Glasformkörper extracted silica-rich glass molded body
2727
Poren mit Durchdringungsstruktur Pores with penetrating structure
2828
Partikelhohlräume particle voids
2929
Reaktionsräume reaction spaces

Claims (13)

Verfahren zur Herstellung eines komplexen monolithischen porösen, siliziumdioxidreichen Glasformkörpers (26), welches wenigstens die folgenden Schritte aufweist: a. Aufbringen eines Glasausgangsmaterials auf ein Trägersubstrat (6), wobei das Glasausgangsmaterial wenigstens Alkaliborosilicatglaspartikel (18) aufweist; b. Selektive Beaufschlagung der Alkaliborosilicatglaspartikel (18) mit wenigstens einer Laserquelle (12) zu Versinterung und/oder Verschmelzung der Alkaliborosilicatglaspartikel (18) miteinander in einer vorbestimmbaren Geometrie zur Ausbildung eines Alkaliborosilicatglasformkörpers (22); c. Wärmebehandlung des selektiv gesintertem und/oder verschmolzenem Alkaliborosilicatglasformkörpers (22) zur Erzeugung einer Entmischung des Alkaliborosilicatglasformkörpers (22); und d. Saure Extraktion der boratreichen Phase aus dem Alkaliborosilicatglasformkörper (22) zur Ausbildung eines komplexen monolithischen porösen, siliziumdioxidreichen Glasformkörpers (26) mit einer Vielzahl an Poren und/oder Kanälen und/oder Reaktionsräumen, wobei die Schritte a. und b. wenigstens einmal durchgeführt werden. Process for producing a complex monolithic porous, silicon dioxide-rich glass molded body ( 26 ) comprising at least the following steps: a. Application of a glass starting material to a carrier substrate ( 6 ), wherein the glass starting material comprises at least alkali borosilicate glass particles ( 18 ) having; b. Selective loading of the alkali borosilicate glass particles ( 18 ) with at least one laser source ( 12 ) to sintering and / or fusing the alkali borosilicate glass particles ( 18 ) with one another in a predeterminable geometry to form an alkali borosilicate glass molded body ( 22 ); c. Heat treatment of the selectively sintered and / or fused alkali borosilicate glass molded body ( 22 ) for producing a demixing of the alkali borosilicate glass molded body ( 22 ); and d. Acid extraction of the borate-rich phase from the alkali borosilicate glass molded body ( 22 ) to form a complex monolithic porous, silica-rich glass molded body ( 26 ) having a plurality of pores and / or channels and / or reaction spaces, the steps a. and b. be performed at least once. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der resultierende Formkörper in Schritt d) von der silicatreichen Phase des Alkaliborosilicatglasformkörpers (22) ausgebildet wird.A method according to claim 1, characterized in that the resulting shaped body in step d) from the silicate-rich phase of the Alkaliborosilicatglasformkörpers ( 22 ) is formed. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt b) wenigstens eine Haftvermittlerschicht auf dem Trägersubstrat (6) aufgebracht wird.Method according to at least one of claims 1 and 2, characterized in that before step b) at least one adhesion promoter layer on the carrier substrate ( 6 ) is applied. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasausgangsmaterial mittels Dekantierprozess, Schwammdrucktechnik, Rakeltechnik, Rolltechnik, Sprühprozess oder Drucktechnik auf das Trägersubstrat (6) und/oder die Haftvermittlerschicht aufgetragen wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the glass starting material is applied to the carrier substrate by means of a decanting process, sponge printing technique, doctor blade technique, roll technique, spraying process or printing technique (US Pat. 6 ) and / or the primer layer is applied. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) und b) unter Veränderung der Höhenposition des Trägersubstrats (6) mehrmals wiederholt werden bis der versinterte und/oder verschmolzene Alkaliborosilicatglasformkörper (22) eine vorbestimmbare Höhe und vorbestimmbare Geometrie aufweist.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the steps a) and b) while changing the height position of the carrier substrate ( 6 ) are repeated several times until the sintered and / or fused alkali borosilicate glass molded body ( 22 ) has a predeterminable height and predeterminable geometry. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasausgangsmaterial als Glassuspension (16) oder als Glaspulver eingesetzt wird, wobei die Glassuspension (16) neben den Alkaliborosilicatglaspartikel (18) weiterhin wenigstens eine flüssige Phase aufweist.A method according to claim 1, characterized in that the glass starting material as a glass suspension ( 16 ) or used as a glass powder, wherein the glass suspension ( 16 ) next to the Alkaline borosilicate glass particles ( 18 ) further comprises at least one liquid phase. Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz der Glassuspension (16) diese, nach dem Aufbringen auf das Trägersubstrat (6), zumindest teilweises unter Reduzierung des Flüssigkeitsvolumens und Erhalt der Alkaliborosilicatglaspartikel (18) angetrocknet wird.A method according to claim 1 or 6, characterized in that when using the glass suspension ( 16 ), after application to the carrier substrate ( 6 ), at least partially reducing the volume of liquid and obtaining the alkali borosilicate glass particles ( 18 ) is dried. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Laserquelle (12) ein CO2-Laser oder ein YAG-Laser ist, wobei der CO2-Laser mit einer Leistung von 4,5 bis 5,5W ± 1W und der YAG-Laser mit einer Leistung von 1,5 bis 2,5W ± 0,5W betrieben wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the at least one laser source ( 12 ) is a CO 2 laser or a YAG laser, wherein the CO 2 laser with a power of 4.5 to 5.5W ± 1W and the YAG laser with a power of 1.5 to 2.5W ± 0 , 5W is operated. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der sauren Extraktion der boratreichen Phase zugleich die Haftvermittlerschicht aufgelöst wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that during the acidic extraction of the borate-rich phase at the same time the adhesive layer is dissolved. Glasausgangsmaterial für das Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkaliborosilicatglaspartikel (18) Fraktionen im Bereich von < 32µm, < 63µm und 63–125µm aufweisen. Glass starting material for the process according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that the alkali borosilicate glass particles ( 18 ) Have fractions in the range of <32μm, <63μm and 63-125μm. Glasausgangsmaterial nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkaliborosilicatglaspartikel (18) weiterhin eine Vielzahl an homogenverteilten Absorptionszentren (4) aufweisen.Glass starting material according to claim 10, characterized in that the alkali borosilicate glass particles ( 18 ) a plurality of homogeneously distributed absorption centers ( 4 ) exhibit. Komplexer, monolithischer, poröser siliziumdioxidreicher Glasformkörper (26) hergestellt nach dem Verfahren nach wenigstens einem der der Ansprüche 1 bis 9; dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein erstes Porensystem mit einer Vielzahl an Poren und/oder Kanälen (24) und/oder Reaktionsräumen (29) aufweist und, dass das erste Porensystem durch Wandungsbereiche des Glasformkörpers (26) aufgespannt ist und, dass der Glasformkörper (26) ein weiteres, zweites Porensystem aufweist, welches in den Wandungsbereichen des Glasformkörpers (26) angeordnet ist und welches eine offenporige Durchdringungsstruktur (27) aufweist.Complex, monolithic, porous silica-rich glass molded body ( 26 ) prepared by the process according to at least one of claims 1 to 9; characterized in that it comprises a first pore system with a multiplicity of pores and / or channels ( 24 ) and / or reaction spaces ( 29 ) and that the first pore system is formed by wall regions of the glass molded body ( 26 ) and that the glass molded body ( 26 ) has a further, second pore system, which in the wall regions of the glass molded body ( 26 ) and which has an open-pore penetrating structure ( 27 ) having. Verwendung eines komplexen, monolithischen poröser siliziumdioxidreicher Glasformkörpers (26) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9 oder 12 als Membran, Membranreaktor, Mikroreaktoren, optische Bauelemente, Filter und/oder als Filter in der Mikrofluidik.Use of a complex monolithic porous silica-rich glass molded body ( 26 ) according to at least one of claims 1 to 9 or 12 as a membrane, membrane reactor, microreactors, optical components, filters and / or filters in microfluidics.
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DE10218278A1 (en) * 2002-04-19 2003-11-20 Fraunhofer Ges Forschung microreactors

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