DE10343438A1

DE10343438A1 - Keramischer Partikelfilter und Verfahren zu seiner Herstellung

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Publication number: DE10343438A1
Application number: DE10343438A
Authority: DE
Inventors: Jörg ADLER; Petra Dr. Rehak
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-09-15
Filing date: 2003-09-15
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2023-09-16
Also published as: DE10343438B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Keramik und betrifft einen keramischen Partikelfilter, der zur Filtration von Abgasen dient. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe von keramischen Partikelfiltern, die eine gute mechanische Stabilität bei gleichzeitig hoher spezifischer Oberfläche aufweisen. DOLLAR A Gelöst wird die Aufgabe durch einen keramischen Partikelfilter, der aus porösem SiC besteht, wobei ein Oberflächenbereich (1) aus SiC-Partikeln (2) mit einem Porenvolumen von 60 bis 95% besteht, der fest mit einem weiteren Bereich (3) aus porösem SiC mit einem Porenvolumen von 20 bis 60% verbunden ist. DOLLAR A Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren, bei dem auf ein poröses SiC-Material eine Schicht aufgebracht wird, wobei die Schicht zu mindestens 5 Vol.-% aus pyrolysierbaren Polymer- und/oder Natur-Kurzfasern besteht, anschließend die Kurzfasern in der Schicht unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre pyrolysiert und gesintert werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Keramik und betrifft einen keramischen Partikelfilter, wie er beispielsweise zur Filtration von Abgasen, insbesondere von Verbrennungskraftmaschinen, eingesetzt werden kann und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Filter zur Entfernung von Partikeln aus Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Als Filterprinzip wird überwiegend die sogenannte Wall-flow-Filtration angewandt, bei der das gesamte Abgas durch dünne Wände (200 μm bis 2 mm) aus einem feinporigen, zumeist keramischen Material geleitet wird und die Partikel an der Oberfläche des Filtermaterials abgeschieden und dort abgereinigt werden.

Typischerweise ist die poröse Keramik als sogenannter Honeycomb ausgeführt, die aus einer Aneinanderreihung von drei-, vier- oder sechseckigen (vorzugsweise viereckigen) Kanälen bestehen, deren dünne Wandungen aus einer porösen Keramik bestehen. Die Kanäle werden an ihren Endseiten wechselseitig verschlossen, so dass das Abgas in die anströmseitig offenen Kanäle einströmt, durch die poröse Wandung geführt und gereinigt wird und anschließend durch die abströmseitig offenen Kanäle abströmt ( US 4276071 ).

Bei der Durchströmung der porösen Keramik entsteht ein Abgasgegendruck, welcher die Motorleistung verringert und den Kraftstoffverbrauch erhöht. Es ist deshalb ein wichtiges Ziel der Materialentwicklung, einen möglichst niedrigen Abgasgegendruck bei ausreichender Abreinigungsleistung zu erreichen. Im wesentlichen wird dieser Gegendruck von der Porengröße, dem Porenvolumen und der Dicke der porösen Keramik bestimmt. Die Porengröße ist durch die Filtrationsaufgabe festgelegt, so dass versucht wird, das Porenvolumen zu erhöhen und die Filterwandstärke zu verringern. Die Wandstärke liegt typischerweise bei 300-500 μm, da dünnere Wandungen technisch schwierig hergestellt werden können und die mechanische Stabilität des Honeycombs zu gering wird. Das Porenvolumen ist aus Gründen der Materialstabilität auf etwa < 60 % begrenzt.

Zur Verringerung des Abgasgegendruckes werden deshalb sogenannte keramische Membranen oder asymmetrische Filter beschrieben, die aus einem grobporösen Trägermaterial, dem Support, und aus einer dünnen Schicht aus feinporöser Keramik, der Membran, bestehen, welche die eigentliche Filteraufgabe übernimmt. In JP 0005146617 ist ein Honeycomb-Filter aus poröser Siliciumcarbidkeramik beschrieben, dessen Kanäle auf der Abströmseite mit einer Membran mit einer geringeren Porengröße beschichtet sind. Hier führt aber eine Verringerung der Porengröße bei gleich bleibendem Porenvolumen zu einer starken Erhöhung des Gegendruckes. Wenn die Trägerkeramik grobporöser hergestellt wird, leidet die mechanische Festigkeit des Honeycombs.

Die Ablagerungen der Partikel führt zu einem allmählichen Anstieg des Abgasgegendruckes. Bei einem bestimmten Schwellwert wird eine Regeneration des Filters eingeleitet, bei der durch Temperaturerhöhung des Abgases, durch eine Brenner oder durch elektrisch Beheizung die Zündtemperatur der abgeschiedenen Partikel erreicht wird, oder es kommt durch die Abgastemperatur zu einer spontanen Abreinigung.

Bei der Regeneration des Filters könne sehr hohe Temperaturspitzen auftreten, und das Filtermaterial kann sich lokal sehr unterschiedlich erwärmen und ausdehnen. Deshalb ist nur ein hochtemperaturbeständiges Material mit einer niedrigen Wärmedehnung für diese Anwendung geeignet. Neben Cordieritkeramik wird aufgrund seiner höheren Temperaturbeständigkeit vor allem Siliciumcarbidkeramik eingesetzt ( JP 01145377 ).

Zur Erniedrigung der Zündtemperatur der Partikel werden Katalysatoren eingesetzt. Zum einen werden diese dem Kraftstoff zugesetzt, so dass sie sich gemeinsam mit den Partikeln am Filter absetzen, allerdings auch die Menge an nichtverbranntem Rückstand, der Asche, nach der Regeneration erhöhen. Zum anderen werden die Filtermaterialien katalytisch beschichtet.

Die Beschichtung der porösen Keramik mit Katalysatoren verursacht aber eine Verringerung der Porengröße des Filtermaterials, so dass Keramiken mit wesentlich gröberer Porengröße eingesetzt werden, um nach der Beschichtung die angestrebte Porengröße aufzuweisen. Nachteilig ist, dass die grobporösen Keramiken eine deutlich verringerte Festigkeit aufweisen. Beim Aufbringen der grobporösen Membran aus groben Partikeln auf einen feinen und hochfesten Träger muss diese Membran relativ dick ausgestaltet werden, um eine hohe Oberfläche für die Aufnahme der katalytisch aktiven Beschichtung aufzuweisen. Dies würde zu einer zu starken Verengung der Kanäle des Honeycombs führen.

Keramiken mit sehr hoher spezifische Oberfläche, großen Porenweiten und hohem Porenvolumen werden zum Beispiel durch die Versinterung von ungeordneten oder gerichtet angeordneten keramischen Fasern hergestellt (WO 98/37035). Damit lassen sich auch Porenvolumina bis zu 95 % herstellen.

Keramische Fasern aus Siliciumcarbid werden durch einen Spinnprozess aus Polycarbosilanen hergestellt und sind sehr teuer. Damit ist eine Verwendung in Massenanwendungen, wie sie die Abgasreinigung von Dieselmotoren betrifft, wirtschaftlich sehr nachteilig. US 5,094,906 nennt z.B. ein Verfahren, bei dem Kohlenstofffasern mit SiC umhüllt werden und anschließend der Kohlenstoff verbrannt wird. Dazu wird eine CVI-Methode (Chemical Vapour Infiltration) verwendet, die ebenfalls sehr aufwendig und aufgrund der komplizierten Verfahrensführung nicht für die gleichmäßige Innenbeschichtung von Honeycombs geeignet ist.

WO 00/01463 gibt u.a. eine keramische Membran an der Abströmseite von SiC-Honeycombs an, die durch die Abscheidung von keramischen Partikeln oder keramischen Fasern gebildet wird, wobei die Membran eine geringere Porengröße besitzen soll, als das Material, aus dem die Honeycomb-Wände bestehen. Das ist aber aus den weiter oben bereits genannten Gründen ungünstig für den Druckverlust.

Andere keramisch Fasern (z.B. Nextel-Fasern der Firma 3M) oder alumosilikatische Kurzfasern sind nicht für den genannten Einsatzfall geeignet, da sie nicht hochtemperaturbeständig genug sind oder eine zu hohe Wärmedehnung aufweisen.

Keramische Fasern mit einem ungünstigen Längen-Durchmesser-Verhältnis sind gesundheitlich bedenklich, da sie beim Einatmen karzinogen wirken können. Es ist nicht auszuschließen, dass aus einer faserhaltigen Membran, die auf der Abströmseite eines Partikelfilters angeordnet ist, einzelne Fasern oder Faserbruchstücke herausgelöst werden und mit dem Abgas in die Umwelt gelangen.

DE 100 43 666 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem eine faserähnliche Struktur erzeugt wird, indem Polymer- oder Naturfasern, in einer Suspension mit keramischen Partikeln umhüllt werden und diese beschichteten Fasern zu einem Formteil abgeschieden werden. Bei der Wärmebehandlung verbrennen die Fasern und es bildet sich eine filzähnliche Struktur aus keramischen Partikeln.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe von keramischen Partikelfiltern, die eine gute mechanische Stabilität bei gleichzeitig hoher spezifischer Oberfläche aufweisen und ein einfaches und wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung derartiger keramischer Partikelfilter.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße keramische Partikelfilter besteht mindestens aus porösem SiC, wobei davon mindestens ein Oberflächenbereich aus SiC-Partikeln besteht, die miteinander zu einem starren Netzwerk verwachsen sind, wobei die Netzwerkstruktur an der Position, Form und Länge der bei der Herstellung eingebrachten Kurzfasern orientiert ist. Dieser Oberflächenbereich weist ein Porenvolumen von 60 bis 95 % auf und ist fest mit einem weiteren Bereich aus mindestens porösem SiC mit einem Porenvolumen von 20 bis 60 % verbunden und bedeckt oder umgibt diesen weiteren Bereich ganz oder teilweise.

Vorteilhafterweise ist der keramische Partikelfilter in Form eines Honeycombs ausgebildet, bei dem die Kanäle viereckig oder sechseckig ausgebildet sind und die Kanäle Zellweiten von 1000 bis 5000 μm und/oder Wandstärken von 200 bis 600 μm und/oder Porenvolumina von 35 bis 60 % und/oder Porenweiten von 1 bis 60 μm aufweisen.

Ebenfalls vorteilhafterweise ist, dass der Oberflächenbereich des Filters, der ein Porenvolumen von 60 bis 95 % aufweist, auf der Anströmseite der Kanäle eines Honeycomb-Filters angeordnet ist.

Es ist auch vorteilhaft, wenn neben SiC Si und/oder Si₃N₄ Bestandteile des Filters sind.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Dicke des Oberflächenbereiches des Filters, der ein Porenvolumen von 60 bis 95 % aufweist, zwischen 10 und 500 μm und noch vorteilhafterweise zwischen 50 und 200 μm beträgt.

Von Vorteil ist auch, wenn das Porenvolumen des Oberflächenbereiches zwischen 80 und 90 % beträgt.

Weiterhin von Vorteil ist es, wenn die Größe der SiC-Partikel im Oberflächenbereich zwischen 0,5 und 30 μm und noch vorteilhafterweise zwischen 2 und 20 μm beträgt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Größe der Poren, die sich aus dem starren Netzwerk aus miteinander verwachsenen SiC-Partikeln im Oberflächenbereich ergeben, zwischen 5 und 500 μm, noch vorteilhafterweise zwischen 10 und 100 μm beträgt.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Länge zwischen zwei Knotenpunkten des starren Netzwerkes aus miteinander verwachsenen SiC-Partikeln zwischen 5 und 1000 μm, noch vorteilhafterweise zwischen 20 und 100 μm beträgt.

Und auch eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es, wenn die spezifische Oberfläche des Oberflächenbereiches zwischen 1 und 80 m²/g, noch vorteilhafterweise zwischen 2 und 10 m²/g beträgt.

Es ist auch von Vorteil, wenn die Oberfläche des porösen SiC mit einer Siliciumoxidschicht bedeckt ist, die zu einer besseren Haftung für die nachfolgende Beschichtung mit einer katalytisch wirksamen Substanz dient.

Von Vorteil ist es auch, dass der Oberflächenbereich mit einer katalytisch wirksamen Substanz beschichtet ist, die im Wesentlichen für eine verbesserte Partikeloxidation eingesetzt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu seiner Herstellung von keramischen Partikelfiltern wird auf ein poröses SiC-Material mit einem Porenvolumen von 20 bis 60 % eine Schicht aufgebracht, die das poröse SiC-Material ganz oder teilweise bedeckt und/oder umhüllt. Diese Schicht besteht zu mindestens 5 Vol.-% aus pyrolysierbaren Polymer- und/oder Natur-Kurzfasern einer Faserlänge von 5 – 1000 μm und mit einem Aspektverhältnis von Breite zu Länge von mindestens 1 : 4. Anschließend werden die Kurzfasern in der Schicht unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre pyrolysiert und nachfolgend wird die Sinterung bei Temperaturen zwischen 2000 und 2500 °C unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre durchgeführt. An die Sinterung anschließend kann eine Temperung unter Luft durchgeführt werden.

Vorteilhafterweise wird eine Schicht aufgebracht, die zu 10 bis 40 Vol.-% aus Kurzfasern besteht.

Ebenfalls vorteilhafterweise werden als pyrolysierbare Polymerfasern Fasern aus Cellulose, PAN, PES, PE eingesetzt.

Weiterhin vorteilhafterweise werden als pyrolysierbare Naturfasern Fasern aus Flachs und/oder Hanf und/oder Sisal und/oder Baumwolle und/oder Jute und/oder Kokos eingesetzt.

Es ist auch von Vorteil, wenn Kurzfasern mit Faserlängen von 10 bis 500 μm eingesetzt werden.

Und ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Pyrolyse der Kurzfasern bei Temperaturen von 400 bis 1200 °C durchgeführt wird.

Von Vorteil ist weiterhin, dass die Schicht aufgebracht wird, die weitere, siliciumhaltige Stoffe, wie feines SiC-, Silicium- oder Siliciumoxidpulver oder siliciumorganische Verbindungen, wie Siloxane, enthält. Durch das Einbringen dieser Stoffe wird das Siliciumangebot zur Sublimation im Prozessraum erhöht.

Von Vorteil ist es auch, wenn die Sinterung bei Temperaturen von 2100 bis 2300 °C durchgeführt wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Temperung bei Temperaturen von 400 bis 800 °C durchgeführt wird.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn Stoffe zur Förderung der Sublimation von SiC, noch vorteilhafterweise Al- und/oder B- und/oder Fe-haltige Verbindungen zugegeben werden, da diese das Wachstum und die Verbindung der SiC-Partikel bei der Sinterung fördern.

Und auch vorteilhaft ist es, wenn die Kurzfasern in einer Suspension auf die Oberfläche des porösen SiC-Materials aufgebracht werden.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Verfahrensschritte der Pyrolyse und der Sinterung in einem ununterbrochenen Verfahrensablauf realisiert werden.

Und ebenfalls von Vorteil ist es, wenn als poröses SiC-Material mit einem Porenvolumen von 20 bis 60 % gesintertes Material oder eine ungesinterte Vorstufe davon eingesetzt wird.

Mit den erfindungsgemäßen keramischen Partikelfiltern liegt ein Filter vor, der gleichzeitig ein hohes offenes Porenvolumen aufweist, einen Oberflächenbereich aus arteigenem Material besitzt, welches ebenfalls hochtemperaturbeständig ist und hinsichtlich der niedrigen Wärmedehnung mit dem restlichen Filtermaterial übereinstimmt, wobei dieser Oberflächenbereich grobporöser ist als das restliche Filtermaterial bei hoher spezifischer Oberfläche und guter mechanischer Festigkeit.

Erreicht werden diese Vorteile durch den Einsatz von Kurzfasern aus einem pyrolysierbaren Material, die auf ein poröses SiC-Filtermaterial aufgebracht werden. Sofern sie innerhalb einer Flüssigkeit oder Suspension auf das SiC-Filtermaterial aufgebracht werden, ist es erforderlich, dass vor der Pyrolyse des Fasermaterials eine Trocknung erfolgt. Anschließend wird das Fasermaterial pyrolysiert. Dadurch wandelt sich das Fasermaterial in hochporösen Kohlenstoff um. Die Position, Form und Länge der Fasern bleibt dabei weitestgehend erhalten, und ebenfalls die netzwerkartige Struktur, in der sie angeordnet waren.

Während der nachfolgenden Sinterung bei Temperaturen von 2000 bis 2500 °C, vorteilhafterweise 2100 bis 2300 °C, sublimiert ein Teil des SiC aus dem porösen SiC-Filtermaterial und es bildet sich ebenfalls gasförmiges Si. Dieses gasförmige Si reagiert mit dem vorhandenen Kohlenstoff aus den pyrolysierten Kurzfasern und bildet SiC-Partikel, die miteinander zu einem starren Netzwerk verwachsen, wobei die Netzwerkstruktur an der Position, Form und Länge der bei der Herstellung eingebrachten Kurzfasern orientiert ist. Die miteinander verwachsenen SiC-Partikel entstehen dabei vollständig an der Stelle des vorher vorliegenden hochporösen Kohlenstoffs oder bilden sich um mögliche Relikte des Kohlenstoffs oder lagern sich an derartige Kohlenstoffrelikte an, wobei sich die Bildung der SiC-Partikel immer an der Netzwerkstruktur, die durch die bei der Herstellung eingebrachten Kurzfasern entstanden ist, orientiert und dieses Netzwerk im Wesentlichen wieder nachbilden. Kohlenstoffrelikte werden in einer an die Sinterung nachfolgenden Temperung an Luft beseitigt. Die sich dabei auf der Oberfläche des porösen SiC ausbildende Siliciumoxidschicht ist besonders vorteilhaft, wenn darauf eine Schicht aus katalytisch wirksamen Substanzen aufgebracht wird, da diese Schicht dann besser haftet.

Weiterhin verbinden sich die SiC-Partikel, die sich in Kontakt mit dem porösen SiC-Filtermaterial befinden, chemisch und physikalisch fest mit dem porösen SiC-Filtermaterial, so dass dort eine unlösbare arteigene Verbindung entsteht.

Die netzwerkartige Struktur des Oberflächenbereiches weist dabei ein größeres Porenvolumen auf als das des weiteren porösen SiC-Filtermaterials und kann dadurch deutlich mehr Teilchen herausfiltern, als das weitere poröse SiC-Filtermaterial. Dadurch ist auch eine längere Filterfunktionszeit möglich, bevor das Filtermaterial gereinigt werden muss.

Von besonderem Vorteil bei der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass durch das größere Porenvolumen des Oberflächenbereiches eine Beschichtung mit einem Katalysator oder einem anderen Material möglich ist, ohne dass sich dadurch das Porenvolumen wesentlich einschränkt und mindestens noch ein Porenvolumen von Filtermaterialien nach dem Stand der Technik ohne eine derartige Beschichtung aufweist.

Die netzwerkartige Struktur kann dabei ungeordnet oder geordnet sein.

Die netzwerkartige Struktur des Oberflächenbereiches des Filtermaterials kann sowohl die Oberfläche des gesamten Filtermaterials betreffen oder auch nur Teile davon. Dabei ist es vorteilhaft, insbesondere die Anströmseite eines Filters mit einem erfindungsgemäßen Oberflächenbereich zu versehen.

Im weiteren wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigt
1 einen schematischen Aufbau eines Filterteilbereiches mit

1: Oberflächenbereich
2: SiC-Partikel
3: weiteren porösen SiC-Bereich

Beispiel 1
10 g PAN-Fasern (Länge von 500 μm, Durchmesser 20 μm) werden mit 5g feinem SiC-Pulver (α-SiC, mittlerer Korndurchmesser 0,5 μm) durch Einrühren in 200 ml destilliertes Wasser zu einer wässrigen Suspension verarbeitet. Eine poröse, ungesinterte SiC-Platte (Durchmesser 50 mm, Dicke 2 mm), die aus einer Pressmasse von 70% α-SiC-Pulver mit einem mittleren Korndurchmesser 50 μm und 30% SiC-Pulver mit einem mittleren Korndurchmesser von 1 μm durch Pressen bei einem Druck von 75 MPa hergestellt worden war, wurde mit der faserhaltigen Suspension durch kurzes Eintauchen (5 s) einseitig beschichtet. Nach dem Trocknen der Schicht hatte diese eine Dicke von ca. 300 μm. Der Grünkörper wurde in einen Graphittiegel eingebracht. Der geschlossene Graphittiegel wurde in der Heizzone eines mit Graphit ausgekleideten Widerstandsofens mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 3 K/min auf 1200 °C in fließender Argonatmosphäre erhitzt. Während einer Haltezeit von 2h bei 1200 °C erfolgt die Pyrolyse der Binderanteile des ungesinterten Substrates und der Fasern. Unmittelbar anschließend im gleichen Sinterprozess erfolgte eine Temperaturerhöhung auf 2350 °C mit 3 K/min. Danach wurde die Temperatur bei 2350 °C 2h gehalten, danach der Ofen abgeschaltet und der Tiegel mit den Proben auf Raumtemperatur abgekühlt. Reste von Kohlenstofffasern wurden bei einer Temperatur von 800 °C in einer Zeit von 2 Stunden unter Luft ausgebrannt. Das rekristallisierte poröse SiC-Material der Platte (weiterer poröser SiC-Bereich 3) mit einem Porenvolumen von 35 % ist einseitig von einer 250 μm dicken Schicht (Oberflächenbereich 1) aus Siliciumcarbidpartikeln 2 bedeckt. An der Grenzfläche von Platte 3 und Schicht 1 sind die SiC-Partikel 2 der Schicht 1 fest mit den SiC-Partikeln des Plattenmaterials 3 verwachsen.
Die Schicht 1 besitzt ein offenes Porenvolumen von 80% und besteht aus einem Netzwerk miteinander verwachsener SiC-Partikel 2 einer mittleren Korngröße von ca. 10 μm. Die Abstände der Knotenpunkte des Netzwerkes betragen im Mittel etwa 80-100 μm. Die SiC-Partikel 2 sind innerhalb der ursprünglichen PAN-Fasern gewachsen.
Beispiel 2
10g Cellulosefasern einer mittleren Länge von ca. 80 μm und einem mittleren Durchmesser von 5 μm wurden durch Einrühren in 300 ml destilliertes Wasser zu einer wässrigen, homogenen Suspension verarbeitet. In einen gesinterten porösen Parallelkanal-Honeycomb aus rekristallisiertem SiC (14/200 entsprechend 200 cpsi bei 0,014 inch Wandstärke, d.h. etwa 31 Zellen/cm² bei 0,35 mm Wandstärke, quadratischer Kanalquerschnitt, Porenvolumen 55%, mittlere Porenweite 8μm) mit wechselseitig verschlossenen Kanälen wurde die Suspension an einer Stirnseite eingegossen. Nach 10s wurde die Restsuspension ausgegossen und vorsichtig ausgeschüttelt, wodurch eine dünne Schicht von Cellulosefasern auf der Oberfläche der auf der Eingussseite offenen Kanäle verblieb. Nach dem Trocknen besaß diese Schicht eine Dicke von ca. 150 μm. Der beschichtete Honeycomb wurde entsprechend dem in Beispiel 1 genannten Tiegel und Ofen bei 600°C im Vakuum pyrolysiert. Die Sinterung der Schicht erfolgte bei 2200 °C, 3h. Die Kohlenstoffreste wurden bei 500 °C in Luft ausgebrannt.
Jeder 2. Kanal des Honeycombs ist an der Oberfläche seiner Wandungen (weiterer poröser SiC-Bereich 3) mit einer ca. 120 μm dicken Schicht (Oberflächenbereich 1) aus Siliciumcarbidpartikeln 2 bedeckt. Die SiC-Partikel 2 der Schicht 1 sind an der Grenzfläche fest mit den SiC-Partikeln des Honeycombs verwachsen.
Die Schicht 1 besitzt ein offenes Porenvolumen von 90% und besteht aus einem Netzwerk miteinander verwachsener SiC-Partikel 2 einer mittleren Korngröße von ca. 4 μm. Die Abstände der Knotenpunkte des Netzwerkes betragen im Mittel etwa 25 μm. Die SiC-Partikel 2 sind innerhalb der ursprünglichen Cellulosefasern gewachsen.

Claims

Keramischer Partikelfilter, bestehend mindestens aus porösem SiC, wobei davon mindestens ein Oberflächenbereich (1) aus SiC-Partikeln (2) besteht, die miteinander zu einem starren Netzwerk verwachsen sind, wobei die Netzwerkstruktur an der Position, Form und Länge der bei der Herstellung eingebrachten Kurzfasern orientiert ist, und dieser Oberflächenbereich (1) ein Porenvolumen von 60 bis 95 % aufweist und fest mit einem weiteren Bereich (3) aus mindestens porösem SiC mit einem Porenvolumen von 20 bis 60 % verbunden ist und diesen weiteren Bereich (3) ganz oder teilweise bedeckt oder umgibt.
Keramischer Partikelfilter nach Anspruch 1, bei dem der Filter in Form eines Honeycombs ausgebildet ist.
Keramischer Partikelfilter nach Anspruch 2, bei dem die Kanäle des Honeycomb-Filters viereckig oder sechseckig ausgebildet sind.
Keramischer Partikelfilter nach Anspruch 2, bei dem die Kanäle des Honeycomb-Filters Zellweiten von 1000 bis 5000 μm und/oder Wandstärken von 200 bis 600 μm und/oder Porenvolumina von 35 bis 60 % und/oder Porenweiten von 1 bis 60 μm aufweisen.
Keramischer Partikelfilter nach Anspruch 1, bei dem der Oberflächenbereich (1) des Filters, der ein Porenvolumen von 60 bis 95 % aufweist, auf der Anströmseite der Kanäle eines Honeycomb-Filters angeordnet ist.
Keramischer Partikelfilter nach Anspruch 1, bei dem neben SiC Si und/oder Si₃N₄ Bestandteile des Filters sind.
Keramischer Partikelfilter nach Anspruch 1, bei dem die Dicke des Oberflächenbereiches (1) des Filters, der ein Porenvolumen von 60 bis 95 % aufweist, zwischen 10 und 500 μm beträgt.
Keramischer Partikelfilter nach Anspruch 7, bei dem die Dicke des Oberflächenbereiches (1) zwischen 50 und 200 μm beträgt.
Keramischer Partikelfilter nach Anspruch 1, bei dem das Porenvolumen des Oberflächenbereiches (1) zwischen 80 und 90 % beträgt.
Keramischer Partikelfilter nach Anspruch 1, bei dem die Größe der SiC-Partikel (2) im Oberflächenbereich (1) zwischen 0,5 und 30 μm beträgt.
Keramischer Partikelfilter nach Anspruch 10, bei dem die Größe der SiC-Partikel (2) im Oberflächenbereich (1) zwischen 2 und 20 μm beträgt.
Keramischer Partikelfilter nach Anspruch 1, bei dem die Größe der Poren, die sich aus dem starren Netzwerk aus miteinander verwachsenen SiC-Partikeln (2) im Oberflächenbereich (1) ergeben, zwischen 5 und 500 μm beträgt.
Keramischer Partikelfilter nach Anspruch 12, bei dem die Größe der Poren, die sich aus dem starren Netzwerk aus miteinander verwachsenen SiC-Partikeln (2) im Oberflächenbereich (1) ergeben, zwischen 10 und 100 μm beträgt.
Keramischer Partikelfilter nach Anspruch 1, bei dem die Länge zwischen zwei Knotenpunkten des starren Netzwerk aus miteinander verwachsenen SiC-Partikel (2) zwischen 5 und 1000 μm beträgt.
Keramischer Partikelfilter nach Anspruch 1, bei dem die Länge zwischen zwei Knotenpunkten des starren Netzwerk aus miteinander verwachsenen SiC-Partikel (2) zwischen 20 und 100 μm beträgt.
Keramischer Partikelfilter nach Anspruch 1, bei dem die spezifische Oberfläche des Oberflächenbereiches (1) zwischen 1 und 80 m²/g beträgt.
Keramischer Partikelfilter nach Anspruch 16, bei dem die spezifische Oberfläche des Oberflächenbereiches (1) zwischen 2 und 10 m²/g beträgt.
Keramischer Partikelfilter nach Anspruch 1, bei dem die Oberfläche des porösen SiC (1, 3) mit einer Siliciumoxidschicht bedeckt ist.
Keramischer Partikelfilter nach Anspruch 1, bei dem der Oberflächenbereich (1) mit einer katalytisch wirksamen Substanz beschichtet ist.
Verfahren zu seiner Herstellung von keramischen Partikelfiltern nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem auf ein poröses SiC-Material mit einem Porenvolumen von 20 bis 60 % eine Schicht aufgebracht wird, die das poröse SiC-Material ganz oder teilweise bedeckt und/oder umhüllt, wobei die Schicht zu mindestens 5 Vol.-% aus pyrolysierbaren Polymer- und/oder Natur-Kurzfasern einer Faserlänge von 5 – 1000 μm und mit einem Aspektverhältnis von Breite zu Länge von mindestens 1 : 4 besteht, anschließend die Kurzfasern in der Schicht unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre pyrolysiert werden und nachfolgend die Sinterung bei Temperaturen zwischen 2000 und 2500 °C unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird, wobei an die Sinterung anschließend eine Temperung unter Luft durchgeführt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem eine Schicht aufgebracht wird, die zu 10 bis 40 Vol.-% aus Kurzfasern besteht.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem als pyrolysierbare Polymerfasern Fasern aus Cellulose, PAN, PES, PE eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem als pyrolysierbare Naturfasern Fasern aus Flachs und/oder Hanf und/oder Sisal und/oder Baumwolle und/oder Jute und/oder Kokos eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem Kurzfasern mit Faserlängen von 10 bis 500 μm eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Pyrolyse der Kurzfasern bei Temperaturen von 400 bis 1200 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem eine Schicht aufgebracht wird, die weitere, siliciumhaltige Stoffe enthält.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem eine Schicht aufgebracht wird, die feines SiC-, Silicium- oder Siliciumoxidpulver oder siliciumorganische Verbindungen, wie Siloxane, enthält.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Sinterung bei Temperaturen von 2100 bis 2300 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Temperung bei Temperaturen von 400 bis 800 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem Stoffe zur Förderung der Sublimation von SiC zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem Al- und/oder B- und/oder Fe-haltige Verbindungen zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Kurzfasern in einer Suspension auf die Oberfläche des porösen SiC-Materials aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Verfahrensschritte der Pyrolyse und der Sinterung in einem ununterbrochenen Verfahrensablauf realisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem als poröses SiC-Material mit einem Porenvolumen von 20 bis 60 % gesintertes Material oder eine ungesinterte Vorstufe davon eingesetzt wird.