DE2201477B2

DE2201477B2 - Verfahren zur herstellung von keramikkoerpern mit wabenartigem querschnitt

Info

Publication number: DE2201477B2
Application number: DE19722201477
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yokosuka Togawa Kmmochi Tokio Abe Satoshi Nakagawa Sigeyosi Yokosuka Takao, (Japan)
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1971-01-13
Filing date: 1972-01-13
Publication date: 1977-10-27
Also published as: JPS5036248B1; CA994531A; AU3774372A; US3899555A; GB1353853A; FR2122220A5; IT948184B; DE2201477A1; DE2201477C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Keramikkörpern mit einer dünnwandigen porösen Struktur und wabenartigem Querschnitt, bei dem teilchenförmiges Keramikmaterial in einer insbesondere wäßrigen Flüssigkeit suspendiert und schichtförmig aus der Suspension abgeschieden wird und die so erhaltene Schicht getrocknet, geformt und gebrannt wird.

Ein Verfahren der vorstehenden Art ist aus der DT-AS 10 97 344 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein durch Papier, Gewebe oder Folien gebildeter flexibler Träger beidseits mit einer Suspension aus sinterfähigem Keramikpulver und einem Bindemittel beschichtet, geformt und bei so hohen Temperaturen gebrannt, daß die Keramikteilchen zusammensintern, während Träger und Bindemittel unter Zurücklassung von Hohlräumen »weggebrannt« werden. Dabei besteht selbstverständlich die Gefahr, daß nach der Zerstörung des Trägers unzusammenhängende Einzelschichten verbleiben.

Um zu erreichen, daß trotz des Trägers nach dem Brennen eine in sich zusammenhängende poröse Keramikwand erhalten wird, sollen relativ dünne löchrige Träger benutzt und mit der Suspension möglichst weitgehend durchtränkt werden.

Es wurde nun gefunden, daß man auf einfachere Weise zu sehr viel besseren Produkten gelangen kann, indem man praktisch »trägerfrei« arbeitet und von einer Suspension von Keramikmaterial (in Faser- oder Pulverform) mit organischem Fasermatertal ausgeht, die nach Art der Papierherstellung, z. B. auf Fourdriniermaschinen, zu einem Bahnmaterial (»Keramik-Faservlies«) verarbeitet wird, das danr. in bekannter Weise getrocknet und gebrannt weiden kann.

Demgemäß ist das erfindungsgemäße Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß das dem Zusammenhalt dienende Fasermaterial ebenfalls in der Flüssigkeit unter Bildung einer Mischsuspension suspendiert und nach Art der Papierherstellung ein Keramik-Fasermischvlies gebildet wird, das getrocknet, geformt und gebrannt wird.

ίο Auf diese Weise können Produkte mit besonders gleichmäßigem Gefüge und Zusammenhalt und guter Maßhaltigkeit erzielt werden.

Nach Wunsch kann dem gründlich dispergierten Gemisch aus keramischem Material in Pulverform oder kurzgeschnittener Form und organischen Fasern in kurzgeschnittener Form ein geeigneter Binder oder auch ein geeignetes Dispergierungsmittel zugesetzt werden. Nach ausreichendem Durchmischen der gesamten Suspension wird ein Keramik-Faservlies auf einem

Drahtsieb erzeugt. Nach vollständigem oder teilweisein Trocknen wird das Keramik-Faservlies in die gewünschte Form gebracht und schließlich unter Sinterung des Keramikgehalts gebrannt, wodurch ein Keramikgefüge der gewünschten Form erhalten wird.

In der Zeichnung ist ein Keramikkörper in Bienenwabengestalt perspektivisch dargestellt, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.

Als Flüssigkeit für die Erzeugung der Suspension eignet sich gewöhnlich Wasser, dem nach Wunsch ein geeignetes wasserabstoßendes Mittel, wie Naturharz, zugesetzt werden kann. Letzteres hilft, wirksam, eine Verformung des Keramik-Faservlieses nach der Formgebung durch Absorption von Feuchtigkeit zu vermeiden.

Bei der Herstellung von Keramikgefügen mit großen Abmessungen besteht beim Sintern des Keramik-Faservlieses eine erhebliche Schrumpfungstendenz. Es wird gefunden, daß diese Verschlechterung der Maßstabilität übermäßig ist, wenn ein keramisches Material wie Cordierit verwendet wird. In diesem Falle kann jedoch die Maßstabilität verbessert werden, wenn eine organische Flüssigkeit wie Toluol oder Benzin anstelle von Wasser verwendet wird.

Man findet, daß ein geeigneter Binder die Flexibilität des Keramik-Faservlieses verbessert. Daher verhindert der Zusatz eines solchen Binders das Reißen des Keramik-Faservlieses beim Sintern, insbesondere wenn ein keramisches Gefüge von komplizierter Gestalt hergestellt werden soll. Bei diesem Verfahren können Polyvinylalkohol, Gummi arabicum. Naturharz oder andere natürliche oder synthetische Harze als Binder verwendet werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann die Korngröße des keramischen Materials irgendeinen Wert haben, sofern die Suspension zur Vliesherstellung verwendet werden kann. Man kann also unterschiedliche Keramikmaterialien auswählen wie z.B. Silicat, Tonerdecordierit, Spodumen, Zirkonerde, Magnesia, Titandioxid u. dgl. sowie irgendeine Kombination dieser

Stoffe. Zur Erzielung eines starren Keramikgefüges ist

es jedoch bevorzugt, daß das keramische Material Silicat enthält, welches einen niedrigen Schmelzpunkt besitzt.

Der Suspension von Keramikmaterial und organi-

«•5 sehen Fasern kann ein Dispergierungsmittel zugesetzt werden, um das Keramikmaterial einheitlich zu dispergieren und so die Keramik-Faservliesherstellung zu ermöglichen. Ein als Dispergierungsmittel brauchba-

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Material ist beispielsweise Wasserglas, Salzsäure ^tSL· Natriumhydroxid.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von _Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Substanzen

Ton als keramisches Material
fSiO* AhOj und geringe
Menge anderer Metalloxide)
Cellulose als organische
Fasern (Nadelholzpulpe,

ungebleicht)

Wasser als Flüssigkeit

0,5 bis 5 Gew.-%

0,05 bis 0,3 Gew-%

restlicher

Prozentsatz

Der obige Ton wird bereitet, indem man rohen Ton durch ein Sieb mit 44 μπι lichter Masch^nweite siebt. Die obige Pulpe bereitet man, indem man die Pulpe so : Weit schlägt, bis sie eine hinreichende Bindefestigkeit

Zuerst werden die obigen Substanzen hinreichend bewegt, um eine Suspension aus Ton und Cellulose zu bereiten Aus dieser Suspension bildet man ein Keramik-Faservlies von 0,1 bis 1,0 mm Dicke auf einem Drahtsieb mit 0,125 mm Maschenweite (200 mm Durchmesser 300 cm²). Nach Vollendung des Trocknens bei 12O⁰C wird das sich ergebende Vlies auf rechteckige Form geschnitten. Dann formt man dieses rechteckige Vlies zu einem Zylinder geeigneten Durchmessers oder bringt es in eine gerippte bzw. gewellte Form. Das so gestaltete Vlies wird danach auf ein nicht verformtes ebenes Vlies aufgeschichtet, welches getrennt bereitet wurde und dieses Aufschichten zur Bildung eines Bienenwabeng2füges wiederholt

Diese Wabenstruktur wird in der Zeichnung mit 10 bezeichnet; 11 ist das gerippte Vlies und 12 das ungeformte, flache Vlies.

Nach dem Aufschichten wird die Wabenstruktur 2 Stunden lang bei einer Temperatur von 1200 bis 1300⁰C gebrannt, wodurch das keramische Material des Gefüges 10 sintert. Obgleich der fertige Körper mit Wabenstruktur weitgehend aus Poren oder Zwischenräumen besteht, welche als Ergebnis des Ausbrennens des Cellulosegehaltes während des Brennens im Gefüge willkürlich verteilt sind, wird die ursprüngliche Gestalt des Gefüges beibehalten und die mechanische Festigkeit des Gefüges ist mit derjenigen eines Gefüges von gleicher Gestalt aus festem gebranntem Ton vergleichbar.

Beispiel 2

Substanzen
Gepulvertes keramisches

Material

03 bis 5 Gew.-% 0,01 bis 0,5 Gew.-%

0,05 bis 0,3 Gew.-%

restlicher

Prozentsatz

Bentonit

Cellulose (Nadelholzpulpe,
ungebleicht)
Wasser

Das Keramik-Faservlies wurde ir. ähnlicher Weise wie im Beispiel 1 bereitet und dann 4 Stunden lang bei einer Temperatur von 1300 bis 1500⁰C gebrannt. Der sich ergebende Keramikkörper kann ebenfalls seine ursprüngliche Gestalt beibehalten und besitzt ausgezeichnete Steifigkeit, und zwar sowohl in Bienenwabengestalt als auch in zylindrischer Gestalt.

> Beispiel 3

Cordierit und Hanfpulpe wurden in der gleichen Weise wie in Beispie! 1 bereitet. Etwa 4 Gew.-% Cordierit und etwa 0,8 Gew.-% Hanfpulver wurden in großem Maßstabe zusammen mit einer geeigneten ίο Menge eines pH-Steuerers in Wasser dispergiert Dann wurde auf einer Fourdrinier-Papierherstellungsmaschine (Drahtsieb mit 0,177 mm Maschenweite) ein Keramik-Faservlies mit einer Dicke von 0,3 bis 0,4 mm und einem spezifischen Gewicht von 0,9 bis 1,0 erzeugt. '5 Dieses Vlies enthielt ein Gemisch aus Cordierit und organischer Substanz im Gewichtsverhältnis von 10 bis 15:1.

Dieses Vlies wurde mittels einer Rippungseinrichtung zu einer einseitig gewellten Struktur verarbeitet, wobei ο als Klebstoff Vinylacetatemulsion diente. Das so erhaltene Material war 300 mm breit und 3 mm hoch und besaß 50 Erhebungen je 30 cm. Ferner wurde das einseitig gewellte Material zu einem zylindrischen Körper mit einem Durchmesser von 120 mm und einer Jj Höhe von 300 mm geformt, der mit einem Gemisch aus Vinylacetat vom Klebstofftyp und feinem Keramikpulver ähnlich demjenigen, wie es für das oben beschriebene Vlies diente, verfestigt wurde. Schließlich wurde das Material bei 1350⁰C gesintert unter }o Erzielung eines bienenwabenähnlichen Keramikgefüges mit ausgezeichneter Festigkeit, das bemerkenswert hygroskopisch ist.

Die erfindungsgemäßen Merkmale werden nachstehend mit dem herkömmlichen Verfahren verglichen: 1) Beim bekannten Verfahren ist zur Erlangung der Flexibilität des Trägers, weicher mit dem keramischen Material bedeckt ist, ein Binder ein unerläßliches Material. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das gepulverte bzw. kurzgeschnittene keramische Material dagegen zusammen mit den kurzgeschnittenen organischen Fasern dispergiert, so daß eine Absonderung des keramischen Materials bei der Herstellung des Keramikkörpers auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden kanu. Daher ist der Binder beim erfindungsgemäßen Verfahren entbehrlich, selbst wenn das Keramik-Faservlies eine grobe Faltung erfährt.

2) Das gepulverte keramische Material wird beim bekannten Verfahren auf der Oberfläche des flexiblen Trägers abgeschieden. Nachdem dieser beim Brennen 50 zerstört worden ist, bleibt im allgemeinen eine große Lücke zurück, was zu einer Festigkeitsverminderung führt. Auf der anderen Seite enthält das erfindungsgemäß hergestellte keramische Gefüge weitgehend Poren von geringer Größe, die im Gefüge willkürlich verteilt 55 sind, weil der Keramikanteil im Vlies zusammen mit den organischen Fasern verteilt ist, welch letztere beim Brennen bzw. Sintern verschwinden. Daher wird eine Festigkeitsabnahme bemerkenswert gut vermieden.

3) Nach dem bekannten Verfahren wird die Dicke der 60 Keramikabscheidung durch die Wasserabsorptionsfähigkeit des Trägers stark beeinflußt, so daß es als schwierig befunden wird, die Dicke frei zu steuern. Erfindungsgemäß kann man dagegen ein keramisches Gefüge einer gewünschten Dicke erhalten, indem man eine geeignete Anzahl an Vliesen aufschichtet

Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, schafft die Erfindung eijie dünnwandige Keramikstruktur mit einer großen wirksamen spezifischen Oberfläche. Solche

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Keramikkörper finden mannigfaltige Anwendungen, insbesondere beispielsweise in der Autoindustrie als Wärmeaustauscherelement, ferner als Katalysatorträger zur Verwendung in einem Nachbrenner und als Element für einen Heizkörper.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

22 Ol 477 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Keramikkörpern mit einer dünnwandigen porösen Struktur und wabenartigem Querschnitt, bei dem teilchenförmiges Keramikmateria! in einer insbesondere wäßrigen Flüssigkeit suspendiert und schichtförmig aus der Suspension abgeschieden wird und die so erhaltene Schicht getrocknet, geformt und gebrannt wird, wobei der mechanische Zusammenhalt der ungebrannten Schicht wesentlich durch organisches Fasermaterial herbeigeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Zusammenhalt dienende Fasermaterial ebenfalls in der Flüssigkeit unter Bildung einer Mischsuspension suspendiert und nach Art der Papierherstellung ein Keramik-Fasermischvlies gebildet wird, das getrocknet, geformt und gebrannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem wäßrigen Suspensionsmedium Naturharz als wasserabstoßendes Mittel vor der Bildung der Suspension zugesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Suspension Polyvinylalkohol, Gummi arabicum und/oder Naturharz als Binder hinzugesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Suspension Wasserglas, Salzsäure oder Natriumhydroxid als Dispergierungsmittel zugesetzt wird.