DE19716595C1 - Dünne, feinporige, metallische Innenschicht eines Rohres - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Metallschicht mit offener Porosität.

Bekannt sind aus Gewebe und Vlies bestehende poröse Me­ tallschichten der eingangs genannten Art, die insbeson­ dere als Filter eingesetzt werden.

Bei Filtern sind kleine Schichtdicken anzustreben, um unerwünschte Strömungswiderstände zu minimieren. Es gibt ca. 100 µm dünne, aus Gewebe bestehende metalli­ sche Filter, die dann allerdings nachteilhaft verhält­ nismäßig große Poren aufweisen. Auch müssen zur Her­ stellung entsprechend dünne und daher teure Drähte ver­ wendet werden. Die hieraus hergestellten Gewebe sind folglich ebenfalls entsprechend teuer.

Wird ein metallisches Vlies eingesetzt, so können zwar kleine Porengrößen im Mikrometerbereich erzielt werden. Dann beträgt die Vliesdicke jedoch wenigstens einen halben Millimeter. Die Schichtdicken der vorgenannten Vliese können ferner nicht sehr genau gefertigt werden. Verhältnismäßig große Toleranzen müssen hingenommen werden.

Aus der Druckschrift DE-AS 11 49 972 ist eine als durchlässige Membran bezeichnete Nickelschicht mit offener Porosität bekannt. Die Membran weist eine Schichtdicke von zum Beispiel 250 µm und einen Radius der vorhandenen Poren zwischen 0,06 und 2,2 µm auf.

In der Druckschrift DE-AS 20 05 571 wird ein Verfahren zur Herstellung von einer als poröse Membran bezeichneten Metallschicht mit offener Porosität beschrieben. Eine Suspension, die Nickel- und Chrom­ pulver aufweist, wird zu einem Körper, so zum Beispiel zu einer Platte gepreßt, getrocknet und anschließend gesintert. Die Dicke einer so hergestellten Platte kann 100 bis 1000 µm und der Pulverdurchmesser des Metallpulvers 1 bis 10 µm betragen.

Aus der Druckschrift "SCHATT, Werner: Pulvermetallurgie Sinter- und Verbundwerkstoffe, 1. Auflage Leipzig: VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1979, Seiten 140 bis 142" ist bekannt, beim Schlickergießen im Schlicker neben den Pulverteilchen eine Flüssigkeit und Zusätze, die die Viskosität der Lösung erhöhen, vorzusehen.

Alternativ zum Metall werden u. a. Keramiken und Kunst­ stoffe als Filtermaterialien verwendet. Keramische Fil­ ter sind jedoch ebenfalls relativ dick, und es tritt ein entsprechend großer Strömungswiderstand auf. Auch ist die Duktilität nicht gewährleistet. Für viele Ein­ satzzwecke stellt des weiteren die Sprödigkeit des ke­ ramischen Werkstoffs einen Nachteil dar.

Wird Kunststoff als Filtermaterial eingesetzt, so sind keine erhöhten Betriebstemperaturen möglich. Für einige Anwendungszwecke stellt Kunststoff kein geeignetes Fil­ termaterial dar, da dieser nicht den Anforderungen ent­ sprechend sterilisiert werden kann, die z. B. im medi­ zinischen oder im Lebensmittelbereich erforderlich sind. Die Wiedereinsetzbarkeit des Filters ist in die­ sen Fällen nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist die Herstellung einer tempe­ raturbeständigen, sterilisierbaren, einfach und repro­ duzierbar herzustellenden, als Innenwand eines Rohres ausgestalteten Metallschicht mit durchgehender Porosität, die duktil, mechanisch stabil und elastisch ist und bei der - sofern sie als Filter eingesetzt wird - geringe Strömungsdruckverluste auftreten. Ferner sollen Mikrofiltrationsaufgaben mit der Metallschicht wahrgenommen werden können.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine maximal 500 µm dicke Metallschicht, mit anderen Worten durch eine Metallfolie gelöst, die einen effektiven Poren­ durchmesser aufweist, der bis zu einem Zwölftel, vor­ zugsweise bis zu einem Fünfzehntel der Schichtdicke der Metallschicht beträgt. Als Poren sind hier die Kanäle zu verstehen, die die durch die Schicht hindurchgehende offene Porosität erzeugen. Gelegentliche "Hohlräume" aufgrund von Inhomogenitäten stellen keine Poren im Sinne des Anspruchs dar. Die Metallschicht ist mit der Innenwand eines Rohres fest verbunden.

Die vorgenannten Hohlräume aufgrund von Inhomogenitäten spielen erfahrungsgemäß keine Rolle, wenn die Schicht­ dicke einer erfindungsgemäß aus Partikeln bzw. aus Pul­ ver hergestellten porösen Schicht wenigstens dreimal größer als der mittlere Partikeldurchmesser ist. Wird die anspruchsgemäße Schicht aus Partikeln oder Pulvern erfindungsgemäß hergestellt, so beträgt der effektive Porendurchmesser insbesondere bis zu einem Viertel, vorzugsweise bis zu einem Fünftel des mittleren Parti­ kel- bzw. Pulverkörnerdurchmessers des eingesetzten Pulvers.

Liegt beispielsweise eine 500 µm dicken Metallschicht vor, so beträgt die effektive Größe der Poren, die die durchgehende (offene) Porosität bewirken, bis zu 500/12 mm, also bis zu ca. 40 µm. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß Substanzen kleiner als ca. 40 µm sein müssen, um die Metallschicht passieren zu können.

Wurde eine Metallschicht aus Pulvern der Größe 50 µm erfindungsgemäß hergestellt, so sollte die Schichtdicke wenigstens dreimal so dick wie der Pulverdurchmesser, also wenigstens 150 µm betragen, um auf Inhomogenitäten des Materials zurückzuführende Hohlraumprobleme zuver­ lässig zu vermeiden. Der effektive Porendurchmesser der Schicht beträgt dann regelmäßig bis zu 50/4 µm (3.50/12 µm), vorzugsweise bis zu 50/5 µm (3.50/15 µm).

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung be­ trägt die Schichtdicke der Metallfolie maximal 100 µm, vorzugsweise nicht mehr als 50 µm. Die effektive Poren­ größe im vorgenannten Sinne beträgt in allen Fällen ma­ ximal 1/12 der Schichtdicke.

Das Metall erlaubt erhöhte Temperaturen, verhält sich duktil, mechanisch stabil und ist elastisch. Darüber hinaus ist das Material problemlos sterilisierbar. Die Schichtdicke der Schicht kann im Vergleich zu einem Vlies oder einem Gewebe in engen Toleranzgrenzen herge­ stellt werden. Auch ist die Herstellung insbesondere im Vergleich zu einem Gewebe kostengünstig.

Die Schicht besteht vorzugsweise aus Metallen, die sin­ terfähig sind. Metalle, die diese Eigenschaft im Sinne des Anspruchs aufweisen, bilden während eines Sinte­ rungsprozesses Sinterbrücken zwischen einzelnen metal­ lischen Pulverkörnern. Stahl, Edelstahl, Bronze und Nickel bilden Sinterbrücken im vorgenannten Sinne. Diese lassen sich besser als Reaktivmetalle wie Alumi­ nium und Titan sintern.

Die anspruchsgemäße Metallschicht kann durch das aus dem keramischen Bereich bekannte Foliengießen herge­ stellt werden. Hierfür wird zunächst ein Gießschlicker, mit anderen Worten eine Suspension bereitgestellt. Der Schlicker weist Metallpulver auf. Der mittlere Durch­ messer des Metallpulvers ist kleiner als ein Drittel der herzustellenden Schichtdicke zu wählen.

Das genannte Verhältnis von Metallpulver zur Schicht­ dicke stellt sicher, daß die Schicht aus mehreren Lagen Pulverkörnern besteht. So werden durch die Schicht hin­ durchgehende "Löcher" vermieden, die erheblich größer als die gewünschte effektive Porengröße sind. Je mehr Lagen Pulver möglich sind, desto zuverlässiger treten keine "hindurchgehenden Löcher" auf.

Nachteilhaft nimmt mit der Anzahl der Pulverlagen der Strömungswiderstand zu. Nach derzeitigem Kenntnisstand sollte eine Metallschicht daher bevorzugt aus 5 bis 10 Pulverlagen aufgebaut sein.

Der Schlicker besteht neben dem Pulver aus einem Lö­ sungsmittel, Dispergator, Binder und erforderlichen­ falls aus einer Substanz zur Anpassung der Viskosität des Schlickers an eine eingesetzte Gieß- oder Sprühvor­ richtung.

Je dünner beispielsweise der Ausgußschlitz bei einer verwendeten Gießvorrichtung ist, desto dünnflüssiger muß der Schlicker sein. Diese Anpassung erfolgt im Be­ darfsfall durch die Substanz zur Anpassung der Viskosi­ tät.

Als Lösungsmittel eignet sich insbesondere Isopropanol, aber auch Toluol, Wasser etc.. Als Dispergator kann Phtalsäurebis-(2 ethylhexylester) eingesetzt werden. Als Binder eignet sich beispielsweise Polyvinylbutyral. Als Substanz zur Anpassung der Viskosität an apparative Gegebenheiten kann Fischöl verwendet werden.

Bei der Auswahl des Schlickers ist darauf zu achten, daß die nachfolgende Sinterung möglichst wenig behin­ dert wird. Kohlenstoff, Sauerstoff oder Stickstoff dür­ fen im Sinterprodukt daher in nicht zu hohen Konzentra­ tionen auftreten. Oxid-, Carbid-, Nitridbildungen sind während der Sinterung zu vermeiden. Der Schlicker sollte also aus Substanzen bestehen, die zwecks Einhal­ tung der vorgenannten Anforderungen thermisch leicht zersetzbar sind.

Der Schlicker wird auf einen rohrförmigen Träger im Inneren schichtförmig aufgetragen, getrocknet und anschließend gesintert.

Die so hergestellte Metallschicht kann in einem vorteilhaften weiteren Verfahrensschritt durch Walzen kalibriert werden. Auf diese Weise wurde beispielsweise eine 117 µm dicke Schicht auf exakt 100 µm Dicke gewalzt. Die Metallschicht kann so hinsichtlich ihrer Dicke reproduzierbar hergestellt werden.

Alternativ läßt sich mittels Walzens die Porengröße de­ finiert verkleinern. Es kann so eine definierte Poren­ größe reproduzierbar hergestellt werden. Der Strömungs­ widerstand bzw. die Durchflußrate ist folglich bei der verfahrensgemäß hergestellten Schicht kalibrierbar.

Das Rohr ist durchgehend porös, wenn es als Filter ein­ gesetzt werden soll. Die effektive Porengröße im Rohr ist dann vorzugsweise größer als die der metallischen Schicht, um zu geringen Strömungswiderständen zu gelan­ gen.

Weist ein solches Rohr keine durchgehenden Poren auf, so kann die metallische Schicht z. B. als Katalysator oder zur Erzeugung einer turbulenten Strömung im Rohr dienen.

Zur Herstellung eines solchen Rohres mit poröser Innen­ schicht wird z. B. zunächst eine Suspension (Schlicker) wie in DE 41 20 706 hergestellt. Diese Suspension wird dosiert in ein rotierendes, je nach Anwendungszweck po­ röses Rohr eingespeist. Durch Rotation des Rohres wird die Suspension gleichmäßig und schichtförmig auf der Innenwand abgeschieden. Während des Rotationsvorgangs trocknet die Suspension. Ist die gewünschte Schicht­ dicke erreicht, so wird die Zufuhr der Suspension ge­ stoppt. Sobald der Trocknungsvorgang beendet ist, wird die Rotation beendet. Anschließend wird das Rohr mit der getrockneten Suspension, also mit dem Grünling gesintert.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des vorgenannten Herstellungsverfahrens wird im Falle eines porösen Roh­ res dieses von außen abgedichtet. So wird verhindert, daß Suspension im Übermaß in die Poren des Rohres ein­ dringen kann, wenn diese größer als der Pulverdurchmes­ ser sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Suspension mittels eines Röhrchens in das Rohr mit der offenen Porosität eingespeist. Das Röhrchen wird definiert in dem Rohr bewegt. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Verteilung der Suspension im Rohr sichergestellt.

In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird ein Sprühkopf in das Rohr eingeführt. Der Sprüh­ kopf oder das Rohr rotiert. Auf diese Weise werden die Innenwände des Rohrs besprüht. Dieses Verfahren ent­ spricht dem aus DE 41 20 706 bekannten Spray-Verfahren. Es wird insbesondere bei Rohren mit einem Innendurch­ messer von mehr als 50 mm eingesetzt.

In der Figur wird ausschnittsweise ein Rohrwand 2 mit offener Porosität im Querschnitt gezeigt, auf der ver­ fahrensgemäß eine Metallschicht 1 als Innenbeschichtung aufgebracht worden ist. Die Innenbeschichtung ist in der aus der Figur ersichtlichen Weise maximal 500 µm dick.

Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden Beispiels näher erläutert.

Für eine Herstellung mittels des aus DE 41 20 706 be­ kannten Spray-Verfahrens wird zunächst die Spritzsus­ pension durch Mischung von Binderlösung und Pulver im Verhältnis 2 : 1 (Vol. Anteile) hergestellt. Als Bin­ derlösung wurde eine 9%ige (Gew.-% ) Schellack-Ethanol­ lösung verwendet und als Metallpulver ein gasverdüstes Edelstahlpulver 316 L mit einem Korndurchmesser < 5 µm. Nach ca. 8 h Homogenisierung im Taumelmischer kann die Suspension unmittelbar in einer geeigneten Anlage ver­ spritzt werden.

Zur Innenbeschichtung wird das zu beschichtende Rohr (hier _i = 15 mm, Länge = 400 mm) in Rotation versetzt (hier ca. 60 Umdrehungen/min) und über einen mit konstanter Geschwindigkeit verfahrbaren Dosierkopf ( 3 mm) Suspension in das Rohr eindosiert. Nach ca. 5 minütiger Trockenzeit wird das Rohr in den Sinterofen eingesetzt und bei 950°C, 1 Stunde lang im Vakuum gesintert. Innenbeschichtungen mit Porositäten zwischen 30 und 50% wurden so in einem Dickebereich zwischen 20 und 300 µm hergestellt.

Claims (5)

1. Metallschicht mit offener Porosität, mit einer Schichtdicke von maximal 500 µm, wobei der effektive Durchmesser der durchgehenden Poren maximal ein Zwölftel der Schichtdicke beträgt, wobei die Metallschicht als Innenwand eines Rohres mit einer offenen oder ohne eine offene Porosität ausgestaltet ist.

2. Metallschicht nach vorhergehendem Anspruch, beste­ hend aus einem sinterfähigen Metall.

3. Verfahren zur Herstellung einer Metallschicht mit offener Porosität, indem eine Suspension, die Me­ tallpulver, Dispergator sowie Substanzen zur Anpas­ sung der Viskosität aufweist, auf einen Träger schichtförmig aufgebracht, hierauf getrocknet und anschließend gesintert wird, wobei die Schichtdicke der auf den Träger aufgebrachten Suspension so ge­ wählt worden ist, daß die Schichtdicke der Metall­ schicht nach der Sinterung wenigstens dreimal so dick wie der mittlere Pulverdurchmesser des Metall­ pulvers ist und bei dem als Träger die Innenwand eines Rohres eingesetzt wird.

4. Verfahren zur Herstellung einer Metallschicht mit offener Porosität nach vorhergehendem Anspruch, bei dem das Rohr während der Auftragung und Trocknung der Suspension rotiert.

5. Verfahren zur Herstellung einer Metallschicht mit offener Porosität nach einem der beiden vorhergehen­ den Ansprüche, bei dem die Außenwand eines porösen Rohres durch ein Dichtmittel bis zur Trocknung der Suspension abgedichtet ist.