Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung nichtoxidischer, amorpher oder kri
stalliner Keramikfasern durch Verspinnen einer elementorganische Precursoren enthaltenden
Lösung unter Erhalt einer Grünfaser und deren thermisches Überführen in die Keramik
faser.
Unter elementorganischen Verbindungen sollen im Rahmen dieser Anmeldung Verbindun
gen verstanden werden, in denen ein oder mehrere Kohlenstoffatome mit einem oder mehre
ren Fremdatomen verknüpft sind, die weder Wasserstoff, noch Sauerstoff, Stickstoff oder
ein Halogen sind (siehe hierzu auch Römpp Lexikon Chemie, 10. Auflage, Georg Thieme
Verlag, Stuttgart, 1997, Band 2, Seite 1137). Die Herstellung hochtemperaturbeständiger
Keramikfasern über elementorganische Precursoren ist nur dann möglich, wenn die Precur
soren eine für die Fasernherstellung geeignete Rheologie besitzen, d. h. einerseits für die
Verarbeitung aus der Schmelze und andererseits auch aus Lösung im Rahmen eines
Schmelz- bzw. Trockenspinnverfahrens geeignet sind. Dies ist in der Regel nur dann der
Fall, wenn die Precursoren höhere Molekulargewichte besitzen und eine geeignete, d. h.
langkettige molekulare Struktur aufweisen. Die Synthese solcher Precursoren, die neben der
geforderten Stöchiometrie der anorganischen Komponenten, vorzugsweise Si, B, C und N,
zusätzlich eine geeignete makromolekulare Struktur aufweisen, ist zum Teil technisch sehr
aufwendig bzw. für bestimmte Zusammensetzungen nicht möglich. Bei bekannten
technischen Verfahren zur Herstellung von Fasern aus solchen höhermolekularen, schmelz
baren oder löslichen Precursoren wird ohne den Zusatz organischer Polymere gearbeitet. So
beschreibt die DE 195 30 404 A1 die Herstellung von Si-B-N-C Fasern durch Verspinnen
der Precursormasse ohne vorherigen Zusatz eines Polymers. Ein Nachteil dieser bekannten
Verfahren liegt darin, daß die Rheologie der Schmelzen bzw. Lösungen im wesentlichen
von der molekularen Struktur der elementorganischen Precursoren bestimmt wird und nur in
gewissen Grenzen durch die Temperaturführung bzw. über die Konzentration der Lösungen
beeinflußt werden kann. Dies schränkt die Verarbeitungsmöglichkeiten und damit auch die
Anwendungsbreite bestimmter Precursoren stark ein. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß
die so hergestellten Grünfasern, die eine Zwischenstufe in der Keramikfaserherstellung
darstellen, mechanisch wenig stabil sind, was die Weiterverarbeitung zu Keramikfasern
erschwert. Im Ergebnis gibt es eine große Anzahl an sich hochinteressanter ele
mentorganischer Precursoren, die jedoch, wie gesagt, nur eine beschränkte Anwendbarkeit
haben. Da Materialien mit der Zusammensetzung Si-B-C-N extrem gute Hochtemperatur
beständigkeiten und geringe Kriechneigung bei hohen Temperaturen aufweisen (vgl. Nature
382 (1996), S. 796-798; Angew. Chem. 109 (1997), S. 339-354), besteht großes Interesse,
Fasern aus diesem Material für den Einsatz in hochtemperaturbeständigen Keramikmatrix-
Verbundwerkstoffen herzustellen. In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von Patenten
zur Herstellung von Precursoren für Si-B-C-N-Keramiken angemeldet (Arbeitsgruppe
Seyferth: WO/88 10280, US-A-5 026 809, EP-A-0 424 082; Arbeitsgruppen Jansen/Bal
dus und Bayer AG: EP-A-0 502 399, EP-A-0 601 405, EP-A-0 659 806, DE-A-195 30 390,
EP-A-0 819 720, WO/98 45 302; Arbeitsgruppe Petzow/Riedel und Hoechst AG: DE-A-
43 20 783, DE-A-43 20 784). Im Bereich geringerer Temperaturbeanspruchungen sind auch
Systeme des Typs Si-C-N-O bzw. des ternären Systems Si-C-N von Interesse.
Bekannt ist, daß bei wäßrigen Spinnlösungen für die Herstellung oxidischer Keramikfasern
zum Teil wasserlösliche Polymere als Additive verwendet werden. So schlägt beispielsweise
die DE 34 47 670 A1 ein Verfahren zur Herstellung von oxidischen anorganischen Fasern
vor, bei dem der Precursor in wässriger Lösung nach Zugabe eines wasserlöslichen
organischen Polymerisats versponnen wird. Der Herstellungsprozeß nichtoxidischer Fasern
unterscheidet sich jedoch wesentlich von dem oxidischer Fasern. So müssen die in Verbin
dung mit elementorganischen Precursoren verwendeten Polymere bei der Herstellung oxidi
scher Keramikfasern bzw. Keramikmaterialien völlig andere Anforderungen in bezug auf
chemische Zusammensetzung, Löslichkeit, Verträglichkeit mit dem Precursor und Pyroly
severhalten erfüllen. Grundsätzlich ist beispielsweise bei der Herstellung nichtoxidischer
Keramikfasern ein wäßriges Medium auszuschließen, des weiteren ist darauf zu achten, daß
möglichst in sauerstoffreiem Umfeld gearbeitet wird.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs bezeichnete Verfahren so
weiterzubilden, daß es auch für bisher zur Herstellung nichtoxidischer Keramikfasern nicht
geeignete elementorganische Precursor-Systeme einsetzbar ist und zudem, insbesondere im
Hinblick auf anzustrebende gleichmäßige Faserdurchmesser, eine optimale Verfahrens
führung möglich wird, so daß beispielsweise eine verbesserte Spinnsicherheit erzielt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Spinnlösung zusätzlich ein
mit dem elementorganischen Precursor verträgliches organisches Polymer enthält und trock
en zu der Grünfaser versponnen wird.
Der Erfindung liegt demzufolge die neue, bisher an keiner Stelle beschriebene Idee zu
grunde, daß auch bei elementorganischen Precursor-Systemen, die in Lösungsmittel gelöst
sind, ausgewählte organische Polymere als Zusatzstoffe zur Verbesserung der Spinnfähig
keit verwendet werden können. Dies ist dadurch möglich, daß eine Spinnlösung hergestellt
wird, die einen elementorganischen Precursor sowie ein damit verträgliches organisches
Polymer enthält. Die Verträglichkeit erweist sich darin, daß eine diese beiden Komponenten
enthaltende Spinnlösung möglichst homogen ist. Dieses organische Lösungsmittel ist weit
gehend wasserfrei. Zudem ist es vorteilhaft, daß das Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelge
misch wie auch das jeweils eingesetzte organische Polymer möglichst wenig gelösten bzw.
gebundenen Sauerstoff enthält, da die Hochtemperaturstabilität von Si-C-N- bzw. Si-B-C-N-
Keramiken durch eine Einlagerung von Sauerstoff negativ beeinflußt wird (bei anderen Ke
ramikzusammensetzungen ist die Minimierung des Sauerstoffgehalts von geringerer Be
deutung). Ein wichtiges Kriterium für die Herstellung hochwertiger Fasern ist also die
angesprochene Verträglichkeit des elementorganischen Precursors mit dem organischen
Polymer. Die Bildung von Ausscheidungen bzw. Niederschlägen und die Phasenseparation
sollte vermieden werden. Gelingt es nicht, mit sauerstoffreien Lösungsmitteln und organi
schen Polymeren eine homogene Lösung herzustellen, dann sollten Lösungsmittel und Po
lymere verwendet werden, deren Sauerstoffgehalt so gering wie möglich ist. In diesem Fall
kann über thermoanalytische und elementaranalytische Untersuchungen festgestellt werden,
welche Systeme sich am besten eignen, d. h. welche Systeme während des Pyrolyseprozesses
den Sauerstoff in einer Form abspalten, die nicht dazu führt, daß Sauerstoff in das Kera
mikmaterial eingebaut wird.
Von großer Bedeutung für die Verarbeitungseigenschaften der Lösung ist die Viskoelastizi
tät. Es ist daher besonders bevorzugt, daß die Viskoelastizität durch geeignete Auswahl von
elementorganischem Precursor/Lösungsmittel/organischem Polymer so gesteuert wird, daß
der Verlustfaktor tan δ der Spinnlösung, bei Temperaturen wie sie im späteren Spinnprozeß
vorliegen, Werte zwischen 0,1 und 10 annimmt (dynamische Messung am Rotationsvisko
simeter bei einer Meßfrequenz von 100 rad/s).
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß der Verlustfaktor der Spinnlösung bei
oben genannten Bedingungen ca. 1 beträgt.
Die Art des erfindungsgemäß eingesetzten elementorganischen Precursors unterliegt keiner
wesentlichen Einschränkung. Dem Fachmann ist es im Hinblick auf das jeweils gewünschte
Verfahrensziel problemlos möglich, das geeignete Ausgangsmaterial festzulegen. Hierbei
kann es sich insbesondere um Polyborosilazane, Polysilazane, Polycarbosilane, Polysilane
und/oder Polysiloxane handeln.
Bei dem hierbei bevorzugt hergestellten Keramikmaterial handelt es sich um ein solches des
Typs Si-B-C-N, des ternären Systems Si-C-N oder des Typs Si-C-N-O. Im letzteren Fall ist
hier zwar ein gewisser Anteil von Sauerstoff in diesem System enthalten, dennoch wird es
im Sinne der Erfindung als ein nichtoxidisches keramisches Material eingestuft. Bei den
keramischen Werkstoffen muß grundsätzlich zwischen Oxid-Keramik und Nichtoxid-Kera
mik unterschieden werden. Die Werkstoffe aus der Gruppe der Oxid-Keramik bestehen im
wesentlichen (< 90%) aus einphasigen und einkomponentigen Metalloxiden. Diese Mate
rialien sind glasphasenarm oder glasphasenfrei. Zu den Nichtoxid-Keramiken sind kerami
sche Werkstoffe zu zählen, die im wesentlichen sauerstoffrei sind und z. B. aus Verbindun
gen von Silizium und/oder Aluminium mit Stickstoff und/oder Kohlenstoff bestehen. Gene
rell weisen Nichtoxid-Keramiken einen hohen Anteil an kovalenten Bindungen auf, die ih
nen, auch bei hohen Einsatztemperaturen, sehr gute mechanische Eigenschaften verleihen.
Der Begriff nichtoxidisches Keramikmaterial soll jedoch nicht so eng verstanden werden,
daß es keinerlei Sauerstoff enthalten darf.
Im einzelnen geht man bei der Herstellung der Keramikfasern im Rahmen der Erfindung
wie folgt vor:
Als Lösungsmittel für die Synthese von Polysilazanen bzw. Polyborosilazanen werden vor
zugsweise Tetrahydrofuran (THF) oder Toluol verwendet. Da diese Lösungsmittel nicht in
allen Fällen geeignet sind, organische Polymere zu lösen, kann ein Austausch des Lösungs
mittels notwendig werden. Dabei ist es nicht immer sinnvoll, den Precursor vom ursprüng
lichen Lösungsmittel zu befreien und anschließend in einem neuen Lösungsmittel aufzuneh
men, da sonst in vielen Fällen bei der Aufkonzentrierung eine Vernetzung der elementorga
nischen Precursoren eintreten kann, die ein anschließendes Auflösen unmöglich macht. Der
Austausch des Lösungsmittels wird so durchgeführt, daß dem gelösten Precursor ein zweites
höhersiedendes Lösungsmittel zugegeben und das ursprüngliche Lösungsmittel anschließend
destillativ entfernt. Als sauerstoffreie Lösungsmittel können insbesondere Alkyl- bzw.
Arylnitrile, ein substituierter Aromat und/oder ein heterocyclischer Aromat eingesetzt wer
den. Als sauerstoffhaltige Lösungsmittel können beispielsweise ein cyclischer Ether, Di
methylformamid, und/oder Dimethylacetamid verwendet werden. Besonders bevorzugt wird
dabei als substituierter Aromat Toluol, als heterocyclischer Aromat Pyridin sowie als Ether
Tetrahydrofuran eingesetzt. Es können auch Lösungsmittelgemische verwendet werden.
Die so hergestellte Lösung des Precursorpolymers (in bestimmten Fällen kann auch die von
der Synthese vorliegende Lösung direkt verwendet werden) wird mit einem geeigneten or
ganischen Polymer, vorzugsweise mit hohem Molekulargewicht, versetzt. Die Zugabe
menge richtet sich nach dem rheologischen Verhalten der Lösung und kann sukzessive er
folgen, bis entsprechendes Fadenziehvermögen vorliegt. Bei Verwendung nochmolekularer
Polymere mit Molmassen über 1 000 000 g/mol wird das angestrebte viskoelastische Fließ
verhalten bereits bei geringeren Zusatzmengen (< 10 Gew.-%) erreicht. In einer bevorzug
ten Ausführungsform ist das organische Polymer so ausgebildet, daß es aufgrund seiner
qualitativen und quantitativen Zusammensetzung die Stöchiometrie der Keramik steuert.
Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt, daß zur Beeinflussung
des Stickstoffgehaltes der Keramik ein stickstoffhaltiges Polymer eingesetzt wird. In einer
bevorzugten Ausführungsform werden als organische Polymere Polyolefine, Vinyl
polymere, Polyacrylate und/oder Polymethacrylate eingesetzt. Als sauerstoffreie Polymere
kommen beispielsweise Polystyrol, ataktisches Polypropylen, Polyvinylpyridin und/oder Po
lyacrylnitril in Frage. Als sauerstoffhaltige Polymere können z. B. Polyvinylpyrrolidon
und/oder Polyvinylacetat verwendet werden. Es können auch Polymergemische verwendet
werden.
Der Zusatz der organischen Polymere bringt neben der Verbesserung des rheologischen
Verhaltens außerdem den Vorteil, daß die Stabilität der Grünfasern verbessert werden kann,
was die Weiterverarbeitung deutlich vereinfacht. Außerdem führt der Zusatz hochmolekula
rer, organischer Polymere über bestimmte rheologische Mechanismen (Dehnverfestigung)
zu einer Stabilisierung während der Fadenbildung und damit zu gleichmäßigeren Faser
durchmessern.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Spinnlösungen können nach be
reits bekannten Verfahren zu Keramikfasern weiterverarbeitet werden. Dabei werden zu
nächst über ein Trockenspinnverfahren bzw. in Fadenziehversuchen Grünfasern hergestellt
(bei Si-B-C-N-Precursoren ist dabei ein Arbeiten unter trockenem Schutzgas erforderlich).
Um während des anschließenden Vorgangs des thermischen Überführens der Grünfaser in
eine Keramikfaser einen zu großen Masseverlust durch Abspaltung niedermolekularer
Fragmente zu vermeiden, schließt sich in der Regel ein Curing-Schritt an, der das Ziel hat,
eine Vernetzung der elementorganischen Komponenten herbeizuführen. Bei Si-B-C-N-
Precursoren kann diese Vernetzung beispielsweise durch Einwirkung von Ammoniak bzw.
von Aminen oder durch Einwirkung ionisierender Strahlung (z. B. Elektronenstrahlen) er
folgen. Ein Kontakt mit Sauerstoff bzw. Feuchtigkeit ist auch in dieser Phase zu vermeiden.
Insbesondere ist es bevorzugt, daß bei der gesamten Verfahrensdurchführung Sauerstoff und
Wasser weitgehend ausgeschlossen werden. Anschließend erfolgt das thermische Überfüh
ren der Grünfaser in eine Keramikfaser. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Pyrolyse der
Grünfasern erwiesen. Dabei werden in Inertgasatmosphäre zum einen organische Kompo
nenten des Precursors thermolytisch abgespalten und zum anderen wird das organische Po
lymer pyrolisiert. Typischerweise erfolgt die Pyrolyse zwischen 1000°C und 1200°C. In
Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen während der Pyrolyse kann die Stöchiometrie
der so erhaltenen Keramik mehr oder weniger durch die Zusammensetzung und die Menge
des zugesetzten organischen Polymers beeinflußt werden. Im Falle von Si-B-C-N-Kerami
ken wird bei der Pyrolyse ein nichtkristallines, sauerstoffarmes Material angestrebt, da dies
die höchste Temperaturbeständigkeit zeigt. Für andere Anwendungen und bei anderen Ma
terialien kann es sinnvoll sein, durch entsprechende Temperaturführung eine Kristallisation
der keramischen Faser herbeizuführen und somit nano- bzw. mikrokristalline Gefüge zu
erzeugen. Dem eigentlichen Pyrolyseprozeß können sich noch weitere Temperaturbehand
lungen in inerter oder reaktiver Atmosphäre anschließen, die die mechanische Stabilität und
die Oxidationsstabilität der Fasern verbessern können.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es, porenfreie Keramikfasern aus elemen
torganischen Precursoren mit Durchmessern bis zu 100 µm herzustellen. Vorzugsweise wer
den Fasern mit Durchmessern von etwa 10 µm hergestellt.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß es nunmehr
möglich ist, auch solche elementorganische Precursor-Systeme einzusetzen, die an sich auf
grund ihres rheologischen Verhaltens alleine nicht-fadenziehend bzw. nicht-verspinnbar
sind. Durch die Einbeziehung von mit dem elementorganischen Precursor verträglichen or
ganischen Polymeren besteht auch die interessante Möglichkeit, die Stöchiometrie des Ver
fahrenserzeugnisses in gezielter Weise einzustellen bzw. zu steuern.
Beispiele
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen noch näher erläutert werden:
a) Herstellung der Spinnlösungen
Die in den folgenden Beispielen 1a bis 4a verwendeten Polyborosilazane wurden an anderer
Stelle durch Hydroborierung von Dichlormethylvinylsilan und anschließende Umsetzung mit
Ammoniak in Tetrahydrofuran oder Toluol hergestellt (vgl. DE-OS 43 20 783 A1). Lösun
gen dieser Polyborosilazane in Toluol oder THF zeigen ohne Polymerzusatz kein ausge
prägtes Fadenziehvermögen.
Beispiel a1
In einen 50-ml-Rundkolben werden 10, 31 g der 19%igen Polyborosilazan-Lösung (Lö
sungsmittel Toluol), 15,12 g Pyridin und 0,50 g Poly(4-vinylpyridin) unter Argon-Schutz
gasatmosphäre eingewogen. Das Toluol wird bei Raumtemperatur unter vermindertem
Druck solange abdestilliert, bis sich das Poly(4-vinylpyridin) aufzulösen beginnt. Nachdem
sich das Poly(4-vinylpyridin) vollständig aufgelöst hat, wird die Lösung durch weiteres Ab
destillieren des Lösungsmittels bei Raumtemperatur unter vermindertem Druck aufkonzen
triert.
Beispiel a2
In einen 50-ml-Rundkolben werden 20 g der 21,5%igen Polyborosilazan-Lösung (Lösungs
mittel Toluol) und 2 g Polyvinylacetat unter Argon-Schutzgasatmosphäre eingewogen.
Nachdem sich das Polyvinylacetat vollständig aufgelöst hat, wird die Lösung durch weiteres
Abdestillieren des Lösungsmittels aufkonzentriert.
Beispiel a3
In einen 50-ml-Rundkolben werden 8,50 g der 21,5%igen Polyborosilazan-Lösung (Lö
sungsmittel Toluol) und 2,49 g Dimethylformamid und 0,40 g Polyvinylpyrrolidon unter
Argon-Schutzgasatmosphäre eingewogen. Das Toluol wird bei Raumtemperatur unter
vermindertem Druck solange abdestilliert, bis sich das Polyvinylpyrrolidon aufzulösen be
ginnt. Nachdem sich das Polyvinylpyrrolidon vollständig aufgelöst hat, wird die Lösung
durch weiteres Abdestillieren des Lösungsmittels aufkonzentriert.
Beispiel a4
In einen 50-ml-Rundkolben werden 10,03 g der 21,5%igen Polyborosilazan-Lösung (Lö
sungsmittel Toluol), 15,39 g Butyronitril und 0,36 g Polyvinylpyrrolidon unter Schutz
gasatmosphäre eingewogen. Das Toluol wird bei Raumtemperatur unter vermindertem
Druck solange abdestilliert, bis sich das Polyvinylpyrrolidon aufzulösen beginnt. Nachdem
sich das Polyvinylpyrrolidon vollständig aufgelöst hat, wird die Lösung durch weiteres Ab
destillieren des Lösungsmittels aufkonzentriert.
b) Herstellung der Grünfasern
Die Fadenziehversuche zur Herstellung der Grünfasern werden in einer mit Argon inerti
sierten Schutzgasbox durchgeführt. Hierbei werden die aus den aufkonzentrierten Spinnlö
sungen gezogenen Fäden auf einer Spule aufgewickelt und getrocknet. Vor der Druchfüh
rung der Wickelversuche werden die Spinnlösungen temperiert, wobei die Temperatur so
gewählt wird, daß ein optimales Fadenziehvermögen resultiert (Temperaturrahmen: 5 bis
25°C). Durch die Wahl geeigneter Bedingungen beim Fadenziehversuch gelingt es, den
Grünfaserdurchmesser im Bereich zwischen 5 µm und 100 µm genau einzustellen. Es hat
sich gezeigt, daß Spinnlösungen, die auf diese Art zu Fasern verarbeitet werden können,
auch über Trockenspinnprozesse zu Multifilamenten versponnen werden können.
c) Vernetzung der Grünfasern
Beispiel c1
Die getrockneten Grünfasern werden unter inerten Bedingungen einer Elektronenbestrah
lung mit einer Strahlendosis von 120 kGy ausgesetzt. Die zu behandelnden Grünfasern be
finden sich hierbei in einer speziell angefertigten mit Argon inertisierten Form, deren Ober
seite mit einer Schutzfolie abgedeckt ist, die zwar ein Eindringen von Luft verhindert, aber
das Durchdringen der Elektronen bei der Bestrahlung noch ermöglicht.
Beispiel c2
Die getrockneten Grünfasern werden 20-60 Stunden lang bei Raumtemperatur in einer
Ammoniak-Atmosphäre ausgelagert.
d) Pyrolyse
Die vernetzten, formbeständig gemachten Grünfasern werden in einem Quarzglasrohr, das
sich in einem Rohrofen befindet und durch welches Argon als Inertgas geleitet wird, mit
einer Heizrate zwischen 5 K/min und 20 K/min bis zu einer Endtemperatur von 1100°C
pyrolysiert, wobei die Haltezeit 1 Stunde beträgt. Es werden porenfreie, amorphe Si-B-C-N-
Keramikfasern erhalten.
Die Qualität der Fasern kann durch nachfolgende Temperprozesse in oxidierender oder
nichtoxidierender Atmosphäre weiter verbessert werden.