DE3540449C2 - - Google Patents
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- DE3540449C2 DE3540449C2 DE19853540449 DE3540449A DE3540449C2 DE 3540449 C2 DE3540449 C2 DE 3540449C2 DE 19853540449 DE19853540449 DE 19853540449 DE 3540449 A DE3540449 A DE 3540449A DE 3540449 C2 DE3540449 C2 DE 3540449C2
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- B01D39/14—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material
- B01D39/20—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material of inorganic material, e.g. asbestos paper, metallic filtering material of non-woven wires
- B01D39/2068—Other inorganic materials, e.g. ceramics
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- C04B38/06—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by burning-out added substances by burning natural expanding materials or by sublimating or melting out added substances
- C04B38/0615—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by burning-out added substances by burning natural expanding materials or by sublimating or melting out added substances the burned-out substance being a monolitic element having approximately the same dimensions as the final article, e.g. a porous polyurethane sheet or a prepreg obtained by bonding together resin particles
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Description
Gegenstand der Erfindung ist ein verschäumter Keramikkörper mit einer dreidimensional
vernetzten Keramikstruktur, die aus vielen miteinander verbundenen
Keramiksträngen besteht, der als Filter zur Entfernung von Metallklumpen
aus geschmolzenem Metall, einer Heizeinrichtung für einen Brenner
oder dergleichen verwendet werden kann, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Zur Entfernung von Metallklumpen und anderen festen Verunreinigungen aus
einem geschmolzenen Metall verwendet man üblicherweise einen Keramikschaumfilter.
Die üblicherweise als Filter verwendeten verschäumten Keramikkörper
bestehen aus Cordierit, Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid und besitzen
einen Hohlraumanteil von 75 bis 95%, eine Dichte (Schüttdichte) von 0,2 bis 0,3
g/cm³ und eine scheinbare Porosität der miteinander verbundenen Keramikstränge
von 10 bis 20%.
Zur Herstellung herkömmlicher verschäumter Keramikkörper wird ein weicher
Urethanschaum mit einer dreidimensional vernetzten Struktur als Ausgangsschaum
verwendet und mit einer Keramikaufschlämmung behandelt (beispielsweise
durch Eintauchen) oder imprägniert und dann gebrannt. Die Druckfestigkeit
liegt zwischen 9,81 und 294 N/cm² oder darunter. Die Biegefestigkeit beträgt
49 N/cm² oder weniger. Da diese Festigkeiten derart gering sind, zerbrechen die
verschäumten Keramikkörper häufig vor oder während der Verwendung.
Die DE-OS 35 27 872 beschreibt einen porösen Keramikkörper mit dichterer Abscheidung
des keramischen Materials im Randbereich des Keramikkörpers, wobei
die dichtere Abscheidung des keramischen Materials durch Rotation des mit
keramischen Schlickers getränkten Schaumstoffs durch Anwendung von Fliehkräften
auf den Schaumstoff hervorgerufen wird. Anschließend wird ein
Trocknen, ein Verfestigenlassen und ein Brennen zum Ausbrennen und Vernichten
des Schaumstoffs und zum gleichzeitigen Sintern des keramischen Rohstoffs
durchgeführt.
Die DE-OS 31 27 995 offenbart einen porösen Formkörper, durch das In-Form-
Gießen von keramischem Material in Form von Schnüren und Fäden in einen
Behälter von vorgegebener Form, wobei anschließend die gesammelte Masse
getrocknet und erhitzt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen verschäumten
Keramikkörper und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, der eine verbesserte
Festigkeit aufweist, so daß er nicht ohne weiteres vor der Verwendung
oder während der Verwendung zerbricht.
Diese Aufgabe wird nun gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des verschäumten
Keramikkörpers gemäß Hauptanspruch. Die Unteransprüche betreffen
besonders bevorzugte Ausführungsformen dieses Erfindungsgegenstandes
sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses verschäumten Keramikkörpers.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein verschäumter Keramikkörper mit einer
dreidimensional vernetzten Keramikstruktur, die aus vielen miteinander verbundenen
Keramiksträngen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die scheinbare
Porosität 5% oder weniger beträgt, die Dichte des verschäumten Keramikkörpers
zwischen 0,4 und 2,0 g/cm³ liegt und jeder der Stränge mehrere Keramikschichten
aufweist.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines
verschäumten Keramikkörpers durch Vermischen eines Keramikausgangsmaterials
mit Wasser und einem Bindemittel unter Ausbildung einer Aufschlämmung
oder eines Schlickers mit einer Viskosität von 0,2 bis 1,5 Pa · s, Imprägnieren
eines Ausgangsschaumes mit einer dreidimensionalen vernetzten Struktur
mit der Aufschlämmung oder dem Schlicker. Trocknen des Materials und
Brennen des Materials unter Bildung eines Keramikkörpers mit einer dreidimensional
vernetzten Keramikstruktur aus vielen miteinander verbundenen
Keramiksträngen, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahmen des Imprägnierens
und Trocknens mehrfach unter Bildung mehrerer Schichten zur Einstellung
der Dicke der Stränge durchgeführt werden.
Als Ausgangsschaum verwendet man vorzugsweise einen weichen Urethanschaum
mit einer dreidimensional vernetzten Struktur. Der Ausgangsschaum
wird mehrfach mit einer Keramikaufschlämmung oder einem Keramikschlicker
behandelt (durch Eintauchen oder dergleichen) oder imprägniert, um in
dieser Weise die Vielzahl der Keramikschichten zu bilden. Jede Schicht wird zum
Zwecke der Härtung getrocknet. Mit anderen Worten, es werden die Maßnahmen
des Imprägnierens und Trocknens mehrfach wiederholt.
Anschließend wird das Material bei einer hohen Temperatur von 1500°C oder
mehr gebrannt. In dieser Weise erhält man einen verschäumten Keramikkörper
mit einer dreidimensional vernetzten Porzellan-Keramikstruktur, die aus
vielen miteinander verbundenen Strängen besteht. Beim Brennvorgang verschwindet
auch der Ausgangsschaum.
Selbst wenn die Dichte (Schüttdichte) des verschäumten Keramikkörpers geringfügig
verändert wird, läßt sich die Festigkeit des verschäumten Keramikkörpers
in bemerkenswerter Weise verbessern. Dabei wird der Hohlraumanteil nicht verändert,
so daß das
geschmolzene Metall in wirksamer Weise durch den verschäumten Keramikkörper
geführt werden kann.
Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf
die beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1A bis 1E Schnittansichten, die die einzelnen Schritte
des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Herstellung des beanspruchten verschäumten Keramikkörpers
und insbesondere der sie bildenden
Keramikstränge verdeutlichen.
Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung
der Erfindung.
Zunächst bereitet man einen Keramikschlicker. Als Keramikausgangsmaterial
verwendet man ein Material aus 98
Gew.-% Al₂O₃, welches aus kleinen Teilchen besteht, deren
Größe zwischen 0,1 und 44 µm liegt bei einem durchschnittlichen
Teilchendurchmesser zwischen 5 und 0,5 µm.
Das Keramikausgangsmaterial wird mit Wasser und einem
schnelltrocknenden Bindemittel, wie PVA, unter Verwendung
einer Kugelmühle vermischt unter Ausbildung einer Keramikaufschlämmung
oder eines Schlickers mit einer Viskosität
von 0,2 bis 1,5 Pa · s.
Weiterhin bereitet man einen Ausgangsschaum. Man verwendet
einen weichen Urethanschaum mit einer dreidimensional vernetzten
Urethanstruktur, die aus vielen miteinander verbundenen
Strängen besteht. Fig. 1A zeigt den Querschnitt
eines solchen Stranges 1.
Wie aus der Fig. 1B hervorgeht, wird durch Imprägnieren
oder Eintauchen des Strangs 1 aus dem Urethanschaum mit
oder in den Schlicker eine erste Keramikschicht 2 auf
dem Urethanstrang 1 ausgebildet. Der überflüssige Schlicker
wird entfernt und das Material wird zur Härtung bei
einer Temperatur von 50 bis 100°C getrocknet.
Anschließend wird, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist,
eine zweite Keramikschicht 3 auf der ersten Schicht 2
ausgebildet, indem man die erste Schicht 2 mit dem Schlicker
imprägniert. Auch in diesem Fall wird der überflüssige
Schlicker entfernt und das Material erneut getrocknet
und gehärtet, wie im Fall der ersten Schicht 2.
Anschließend wird, wie es in der Fig. 1D dargestellt ist,
eine dritte Schicht 4 auf der zweiten Schicht 3 ausgebildet,
indem man diese mit dem Schlicker beschichtet. Der
überflüssige Schlicker wird entfernt und das Material
wird in gleicher Weise getrocknet und gehärtet.
Anschließend werden, wie es in der Fig. 1E dargestellt
ist, die Stränge 5, die aus dem Ausgangsschaum 1 und den
darauf ausgebildeten Keramikschichten 2, 3 und 4 bestehen,
bei einer hohen Temperatur von 1500°C oder mehr gebrannt.
Als Ergebnis davon ergeben die Keramikschichten
2, 3, 4 einen Keramikstrang 5′ aus einer mehrschichtigen
Porzellankeramik. Eine Vielzahl solcher Keramikstränge 5′
ist unter Ausbildung einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur
miteinander verbunden, ebenso wie es bei
dem Ausgangsschaum der Fall ist. Gleichzeitig verschwinden
beim Brennen die Urethanstränge 1 unter Hinterlassung
einer länglichen Öffnung 6 im mittleren Bereich eines
jeden Strangs 5′.
Die Dichte (Schüttdichte bzw. bulk density) des verschäumten Keramikkörpers
kann durch Einstellen der Dicke der mehrlagigen
Keramikschicht des Strangs 5 auf einen Wert von 0,4 bis
2,0 g/cm³ eingestellt werden.
Wie aus der nachfolgenden Tabelle I hervorgeht, liegt die
Dichte des verschäumten Keramikkörpers zwischen 0,4 und 2,0 g/cm³. Die Druckfestigkeit
liegt zwischen 490 und 981 N/cm²
und daher im Vergleich zu herkömmlichen verschäumten Keramikkörpern
mit einer Druckfestigkeit von 98 bis 294 N/cm²
oder weniger beträchtlich höher. Die
Biegefestigkeit liegt im Bereich von 98 bis 343 N/cm²,
was im Vergleich zu herkömmlichen verschäumten Keramikkörpern
mit einer Biegefestigkeit von 49 N/cm²
oder weniger eine beträchtliche Verbesserung
darstellt. Der Hohlraumanteil des erfindungsgemäßen verschäumten Keramikkörpers
beträgt 85 bis 90%, welches nur eine sehr geringfügige
Änderung gegenüber den Hohlraumanteilen herkömmlicher
verschäumter Keramikkörper darstellt. Die scheinbare Porosität
der Keramikstränge 5′ beträgt 5% oder weniger.
Während bei der in Beispiel 1 angegebenen Arbeitsweise
der weiche Urethanschaum 1 zur Ausbildung der ersten,
zweiten und dritten Schichten 2, 3 bzw. 4 ein Schlicker
gleicher Zusammensetzung verwendet wird, werden bei diesem
Beispiel 2 für die Ausbildung der verschiedenen
Schichten unterschiedliche Schlicker eingesetzt.
Bei der Ausführungsform dieses Beispiels 2 wird ein Keramikausgangsmaterial
aus 98 Gew.-% Al₂O₃ verwendet. Man
kann zur Ausbildung der ersten Schicht 2 den in Beispiel
1 verwendeten Schlicker einsetzen, während man andere
Schlicker unterschiedlicher Teilchengröße und Mischungsverhältnisse
zur Ausbildung der zweiten Schicht 3 und
der dritten Schicht 4 einsetzt.
Beispielsweise besteht das Keramikausgangsmaterial zur
Bildung der ersten Schicht 2 aus kleinen Teilchen mit
einer Teilchengröße von 10 bis 0,1 µm und einem durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 5 bis 0,5 µm, so
daß die Porosität der ersten Schicht 2 der Keramikstränge
5′ 0% beträgt.
Zur Ausbildung der zweiten Schicht 3 verwendet man ein
Keramikausgangsmaterial, welches aus zwei Gruppen von
kleinen Teilchen besteht, nämlich eine, die 70 bis 90
Gew.-% des Materials ausmacht und Teilchen mit einer
Größe zwischen 10 und 0,1 µm aufweist, während die andere
Gruppe der Teilchen 10 bis 30 Gew.-% des Materials
ausmacht und Teilchen mit einer Größe zwischen 44 und
10 µm umfaßt. Diese Materialien werden mit Wasser und
einem Bindemittel unter Bildung eines Schlickers vermischt.
In dieser Weise ergibt sich eine Porosität der
zweiten Schicht 3 der Keramikstränge 5′ bis 15%.
Zur Erzeugung der dritten Schicht 4 verwendet man zwei
Gruppen von kleinen Teilchen, von denen die eine 50 bis
70 Gew.-% des Materials ausmacht und Teilchen mit einer
Größe zwischen 10 und 0,1 µm umfaßt, während die andere
30 bis 50 Gew.-% des Materials ausmacht und Teilchen mit
einer Größe von 44 bis 10 µm umfaßt. In dieser Weise ergibt
sich die Porosität der dritten Schicht 4 der Stränge
5′ mit 15 bis 25%.
Das Imprägnieren, Trocknen und Brennen erfolgt bei dem
Beispiel 2 im wesentlichen in gleicher Weise wie in Beispiel
1 angegeben.
Die Dichte des verschäumten Keramikkörpers liegt zwischen 0,4 und 2,0 g/cm³
während die Druckfestigkeit und die Biegefestigkeit im wesentlichen
den Werten des Materials des Beispiels 1 entsprechen.
Bei dem Material des Beispiels 2 ist festzustellen, daß
die Keramikstränge 5′ eine Vielzahl von feinen Poren mit
Porendurchmessern von 50 bis 1 µm aufweisen, so daß sich
ein ausgezeichneter Filterwirkungsgrad ergibt.
Dem in der obigen Weise hergestellten verschäumten Keramikkörper kann
eine katalytische Wirkung verliehen werden, indem man auf
der dritten Schicht 4 aktives Aluminiumoxid (γ-Al₂O₃)
oder einen Platinkatalysator anordnet. Das Aufnahmevermögen
des aktiven Aluminiumoxids oder dergleichen kann über
die Mikroporosität in der Oberflächenschicht des Materials
verbessert werden, so daß sich eine größere Lebensdauer
ergibt.
Bei diesem Beispiel 3 besteht der verschäumte Keramikkörper im Gegensatz
zu jedem der Beispiele 1 und 2 aus Al₂O₃-ZrO₂. Dabei
besitzen die Keramikstränge 5′ eine erhöhte Dicke, wie es
auch für die Beispiele 1 und 2 beschrieben worden ist.
Bei dem Material dieses Beispiels 3 ergibt sich ebenso
wie bei den Materialien der Beispiele 1 und 2 eine Dichte
des verschäumten Keramikkörpers von 0,4 bis 2,0 g/cm³. Die Druckfestigkeit
und Biegefestigkeit des Materials entspricht den Werten
des Materials des Beispiels 1. Auch der Hohlraumanteil
und der Porendurchmesser liegen in jenen Bereichen, die
in Beispiel 1 angegeben sind. Die Temperaturwechselbeständigkeit
des Materials dieses Beispiels 3 ist besser als
jene des Materials von Beispiel 1.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen
Beispiele beschränkt. Beispielsweise kann die Dichte
des verschäumten Keramikkörpers zwischen 0,4 und 2,0 g/cm³ variieren und
kann Keramikstränge aufweisen, die eine beliebige Anzahl
von Schichten aufweisen können. Beispielsweise können lediglich
die ersten und zweiten Schichten ausgebildet werden.
Gewünschtenfalls können auch eine vierte Schicht und
weitere Schichten vorgesehen werden. Weiterhin kann das
Keramikausgangsmaterial aus der SiC, Si₃N₄, Al₂O₃-SiO₂,
Cordierit und ZrO₂ umfassenden Gruppe ausgewählt werden.
Wenn die Dichte des verschäumten Keramikkörpers mehr als 2,0 g/cm³ beträgt,
ergibt sich eine Verminderung des Hohlraumanteils, so daß
das geschmolzene Metall nicht ohne weiteres durch die zusammenhängenden
Poren des verschäumten Keramikkörpers hindurchzudringen
vermag. Hierdurch ergibt sich eine Beeinträchtigung
der Filterwirkung.
Claims (17)
1. Verschäumter Keramikkörper mit einer dreidimensional vernetzten
Keramikstruktur, die aus vielen miteinander verbundenen Keramiksträngen
besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die scheinbare Porosität 5% oder weniger
beträgt, die Dichte des verschäumten Keramikkörpers zwischen 0,4 und 2,0 g/cm³
liegt und jeder der Stränge (5) mehrere Keramikschichten (2, 3, 4) aufweist.
2. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stränge (5) aus Al₂O₃ bestehen.
3. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stränge (5) aus Al₂O₃-ZrO₂ bestehen.
4. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stränge (5) aus mindestens einem Material aus der SiC, Si₃N₄, Al₂O₃-
SiO₂, Cordierit und ZrO₂ umfassenden Gruppe bestehen.
5. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Hohlraumanteil des verschäumten Keramikkörpers zwischen 85 und
90% liegt.
6. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der verschäumte Keramikkörper Poren mit Porendurchmessern zwischen
1 mm und 2,5 mm aufweist.
7. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stränge (5) eine große Anzahl von feinen Poren mit einer Größe zwischen
1 µm und 50 µm aufweisen.
8. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stränge (5) aus mehreren Schichten (2, 3, 4) der gleichen Zusammensetzung
bestehen.
9. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stränge (5) aus mehreren Schichten (2, 3, 4) unterschiedlicher Zusammensetzung
bestehen.
10. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die verschiedenen Materialien unterschiedliche Teilchengrößen und
Mischungsverhältnisse aufweisen.
11. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die mehreren Schichten (2, 3, 4) unterschiedliche Porositäten aufweisen.
12. Verschäumter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die mehreren Schichten (2, 3, 4) eine erste Schicht (2) mit einer Porosität von
0%, eine zweite Schicht (3) mit einer Porosität von 5 bis 15% und eine dritte
Schicht (4) mit einer Porosität von 15 bis 25% aufweisen.
13. Verfahren zur Herstellung eines verschäumten Keramikkörpers durch Vermischen
eines Keramikausgangsmaterials mit Wasser und einem Bindemittel
unter Ausbildung einer Aufschlämmung oder eines Schlickers mit einer Viskosität
von 2,0-15 Pa · s, Imprägnieren eines Ausgangsschaums mit einer dreidimensional
vernetzten Struktur mit der Aufschlämmung oder dem Schlicker,
Trocknen des Materials und Brennen des Materials unter Bildung eines Keramikkörpers
mit einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur aus vielen miteinander
verbundenen Keramiksträngen, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahmen
des Imprägnierens und Trocknens mehrfach unter Bildung mehrerer
Schichten (2, 3, 4) zur Einstellung der Dicke der Stränge (5) durchgeführt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsames
Keramikausgangsmaterial zur Ausbildung der mehreren Schichten (2, 3, 4)
verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikausgangsmaterial
zu 98 Gew.-% aus Al₂O₃ besteht, welches Teilchen umfaßt,
deren Größe zwischen 0,1 und 44 µm liegt, bei einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser
zwischen 5 und 0,5 µm.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere unterschiedliche
Keramikausgangsmaterialien zur Bildung der mehreren Schichten
(2, 3, 4) verwendet werden.
17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren
Schichten (2, 3, 4) eine erste (2), zweite (3) und dritte (4) Schicht aufweisen, wobei
das Keramikausgangsmaterial zur Bildung der ersten Schicht (2) aus Teilchen mit
einer Teilchengröße von 10 bis 0,1 µm und einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser
von 5 bis 0,5 µm besteht, das Keramikausgangsmaterial der zweiten
Schicht (3) aus zwei Gruppen von Teilchen besteht, wovon eine 70-90 Gew.-%
ausmacht und Teilchen mit einer Größe zwischen 10 und 0,1 µm umfaßt und die
andere 10-30 Gew.-% ausmacht und Teilchen mit einer Größe zwischen 44 und
10 µm umfaßt, und das Material der dritten Schicht (4) zwei Gruppen von Teilchen
aufweist, wovon eine 50-70 Gew.-% ausmacht und Teilchen mit einer Größe
zwischen 10 und 0,1 µm aufweist und die andere 30-50 Gew.-% ausmacht und Teilchen,
mit einer Größe zwischen 44 und 10 µm umfaßt.
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1985
- 1985-11-05 GB GB08527212A patent/GB2168337B/en not_active Expired
- 1985-11-14 DE DE19853540449 patent/DE3540449A1/de active Granted
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