DE3540451A1

DE3540451A1 - Keramikschaumfilter und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3540451A1
Application number: DE19853540451
Authority: DE
Inventors: Masashi Kariya Aichi Fujimoto; Yoshihisa Kato
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1984-12-12
Filing date: 1985-11-14
Publication date: 1986-06-19
Also published as: GB2168335B; GB8527210D0; JPS61138512A; GB2168335A

Description

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER J]-OCERA 85 3

——

Beschreibung

Gegenstand der Erfindung sind Keramikschaumfilter mit einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur, die aus vielen miteinander verbundenen Keramiksträngen und zwischen den Strängen vorliegenden zusammenhängenden großen Poren besteht, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Diese Keramikschaumfilter sind insbesondere zum Abfiltrieren oder Entfernen von Metalloxiden oder Metallklumpen aus geschmolzenem Metall geeignet.

Zum Abfiltrieren von in geschmolzenem Metall vorhandenen Metalloxiden oder Metallklumpen verwendet man Keramikschaumfilter. Der Filterwirkungsgrad solcher Keramikschaumfilter hängt lediglich von den Poren des Keramikschaums ab.

Bei solchen herkömmlichen Keramikschäumen ist es schwierig, ihren Filterwirkungsgrad zu verbessern. Es besteht jedoch ein starkes Bedürfnis für diese Verbesserung des Filterwirkungsgrads der Keramikschaumfilter.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, Keramikschaumfilter mit verbessertem Filterwirkungsgrad und ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben.

Diese Aufgabe wird nun gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Keramikschaumfilters gemäß Hauptanspruch. Die Unteransprüche betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen dieses Erfindungsgegenstandes sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Keramikschaumfilters.

Das erfindungsgemäße Keramikschaumfilter ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Stränge eine große Anzahl feiner Poren aufweist.

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Erfindungsgemäß wird ein aus feinen Teilchen bestehendes Kohlenstoffmaterial zu einem ebenfalls feinteiligen Oxidkeramikmaterial zugesetzt. Beim Brennen verschwindet das Kohlenstoffmaterial unter Hinterlassung von feinen Poren in jedem der vielen Keramikstränge, die miteinander verbunden sind unter Bildung einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur, die in ihrer Gestalt einem als Ausgangsmaterial eingesetzten Schaummaterial, wie einem weichen Urethanschaum, entspricht, der beim Brennen ebenfalls verschwindet, so daß in jedem Strang eine Öffnung vorliegt. Weiterhin werden in vielen Strängen der vernetzten Keramikstruktur ununterbrochene bzw. zusammenhängende große Poren gebildet.

Wenn ein geschmolzenes Metall, wie geschmolzenes Aluminium, und ein Oxidkeramikmaterial, wie Al-O,, in Kontakt kommen, dringt das geschmolzene Aluminium wegen des Kontaktwinkels zwischen Al-O-, und Al nicht in die feinen Poren der Stränge ein. Daher werden lediglich die in dem geschmolzenen Aluminium vorhandenen Metalloxide oder Metallklumpen von den feinen Poren der Stränge zurückgehalten.

Erfindungsgemäß verwendet man als Oxidkeramikmaterial ein Al-O^-Material, welches aus kleinen Teilchen besteht, deren Größe zwischen 10 μπι und 0,1 μιη liegt. Die durchschnittliche Teilchengröße dieses Materials erstreckt sich von 5 μΐη bis 0,5 μπι.

Das dem Al„O-.-Material zuzusetzende Kohlenstoffmaterial besteht ebenfalls aus kleinen Teilchen, deren Teilchengrößenverteilung sich von 20 μπι bis 100 μΐη erstreckt ,wobei die durchschnittliche Teilchengröße dieses Materials zwischen 20 μπι und 100 μπι liegt.

Das Kohlenstoffmaterial wird vorzugsweise in einer Menge

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von 3 Gew.-% zu dem Al_nO,-Material zugesetzt.

Diese Ausgangsmaterialien werden in einer mit kleinen Kugeln, wie Keramikkugeln, beschickten Kugelmühle in der Weise mit Wasser und einem Bindemittel, wie PVA

vermischt, daß man einen Schlicker oder eine

Aufschlämmung mit einer Viskosität zwischen 0,2 Pa.s und 1,5 Pa.s (2 bis 15 Poise) erhält, der bzw. die für die Herstellung des Keramikschaumfilters eingesetzt wird. Ein weicher ürethanschaum mit einer an sich bekannten dreidimensional vernetzten Struktur, der aus einer Vielzahl miteinander verbundener Stränge und großen zusammenhängenden Poren besteht, wird vorzugsweise mehrfach mit dem Schlikker behandelt oder imprägniert und nach jedem Behandlungs-Vorgang zur Härtung getrocknet. Mit anderen Worten werden das Behandeln oder Imprägnieren mit dem Schlicker und das Trocknen mehrfach wiederholt.

Einzelheiten eines solchen Verfahrens zum Behandeln oder Imprägnieren des Urethanschaums mit dem Schlicker seien im folgenden näher erläutert. Der weiche Ürethanschaum wird mit dem Schlicker, der eine Viskosität von 0,2 bis 1,5 Pa.s (2 bis 5 Poise) aufweist, unter Ausbildung einer ersten Schicht imprägniert. Zu diesem Zeitpunkt wird der überschüssige Schlicker von den Oberflächen der Stränge entfernt, um zu verhindern, daß der Schlicker die großen Poren zwischen den Strängen verstopft. Der Schlicker wird bei einer Temperatur von 50 bis 100°C getrocknet und gehärtet und ergibt in dieser Weise die erste Schicht.

Anschließend wird eine zweite Schicht auf der ersten Schicht erzeugt, indem die erste Schicht mit dem gleichen oder einem anderen Schlicker mit einer Viskosität von 0,2 Pa.s bis 1,5 Pa.s (2 bis 15 Poise) behandelt oder imprägniert. Auch in diesem Fall wird der überflüssige Schlikker entfernt, um das Verschließen der großen Poren zwi-

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sehen den Strängen durch den Schlicker zu verhindern. Anschließend wird der Schlicker unter Bildung der zweiten Schicht getrocknet und gehärtet.

Anschließend wird durch Behandeln oder Imprägnieren der zweiten Schicht mit dem gleichen oder einem andersartigen Schlicker mit einer Viskosität von 0,1 Pa.s bis 1,0 Pa.s (1 bis 10 Poise) auf der zweiten Schicht eine dritte Schicht erzeugt. Auch in diesem Fall wird der überschüssige Schlicker entfernt, um das Verstopfen der großen Poren zwischen den Strängen zu verhindern. Anschließend wird das Material unter Bildung der dritten Schicht getrocknet und gehärtet.

Bei jedem Behandeln oder Imprägnieren des weichen ürethanschaums mit dem Schlicker oder der Aufschlämmung nimmt die Dicke der Keramikschicht zu, so daß man in diesem Fall eine aus drei Keramikschichten bestehende Mehrfachschicht erhält.

Anschließend wird das Material bei einer Temperatur von 1500⁰C oder mehr gebrannt. In dieser Weise ergibt die Keramikmehrfachschicht einen Porzellan-Keramikkörper mit einer dreidimensional vernetzten Struktur, die aus einer großen Vielzahl von miteinander verbundenen Strängen besteht. Die vernetzte Struktur des Keramikkörpers entspricht in ihrer Form dem als Ausgangsmaterial eingesetzten Urethanschaum, so daß sie große zusammenhängende Poren zwischen den Strängen aufweist. Gleichzeitig verschwindet das Kohlenstoffmaterial beim Brennen unter Hinterlassung von vielen feinen Poren in jedem der Stränge. Die feinen Poren der Stränge entsprechen in ihrer Größe den Teilchen des Kohlenstoffmaterials. Weiterhin verschwindet der weiche Urethanschaum beim Brennen, so daß sich längliche Öffnungen im Mittelbereich eines jeden Strangs ergeben.

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Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, besitzt der erfindungsgemäße Keramikschaumfilt.er eine dreidimensional vernetzte Keramikstruktur aus einer Vielzahl von Strängen, die jeweils mehrere Schichten aufweisen und viele Poren besitzen. Vorzugsweise beträgt die scheinbare Porosität der Stränge etwa 20 %, während die Porendurchmesser der feinen Poren der Stränge im Bereich von 20 bis 100 μΐη liegen.

Wenn beispielsweise ein Al-O.,-Material als Oxidkeramikmaterial verwendet wird, und es sich bei dem geschmolzenen Metall um geschmolzenes Aluminium handelt, kann aufgrund des Kontaktwinkels zwischen Al-O- und Al das geschmolzene Aluminium nicht in die feinen Poren der Stränge eindringen, so daß lediglich die Metalloxide oder Metallklumpen in dem geschmolzenen Aluminium in den feinen Poren festgehalten werden. Da in dieser Weise lediglich die Metallklumpen in dem geschmolzenen Metall in den feinen Poren der Stränge festgehalten werden, können sie nicht nur durch die großen Poren der vernetzten Struktur, sondern auch durch die feinen Poren der Stränge zurückgehalten werden. Als Ergebnis davon ergibt sich eine bemerkenswerte Steigerung des Filterwirkungsgrads und der Lebensdauer des Filters.

Selbst wenn Poren mit einem Porendurchmesser von 30 μπι erzeugt werden, kann wegen des Kontaktwinkels zwischen Al-O'-j und Al die Filterwirkung ebenso erzielt werden wie im Fall eines Porendurchmessers von 20 pm, wobei sich auch in diesem Fall ein verbesserter Wirkungsgrad und eine hohe Lebensdauer ergeben.

Wenngleich bei der oben angesprochenen bevorzugten Ausführungsform ein Al .«,Ο--Material als Oxidkeramikmaterial eingesetzt wird, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführ ungsform beschränkt. Beispielsweise kann man als

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Oxidkeramikmaterial auch Al₇Q^-ZrO₇, Cordierit, Mullit oder dergleichen verwenden.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, besitzt der erfindungsgemäße Keramikschaumfilter eine dreidimensional vernetzte Keramikstruktur, die aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen Keramiksträngen besteht, die ihrerseits eine große Vielzahl von feinen Poren aufweisen, so daß sich eine hohe scheinbare Porosität ergibt. Im Vergleich zu den herkömmlichen Materialien dieser Art läßt sich eine erhebliche Steigerung des Filterwirkungsgrads des Keramikschaumfilters erreichen.

Claims

TER MEER -MÜLL ER -S TEIN MEISTE R PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister 5Α5ΑΓΪΤ Artur-Ladebeck-S^sse 5, D-8OOO MÖNCHEN SO D-48OO BIELEFELD 1 tM/cb 14. November 1985 TOCERA 8 5-3' TOSHIBA CERAMICS CO., LTD. 1-26-2, Nishi Shinjuku Shinjuku-ku, Tokyo/Japan Keramikschaumfilter und Verfahren zu seiner Herstellung Priorität: 12. Dezember 1984, Japan, Nr. 59-260899 (P) Patentansprüche

1. Keramikschaumfilter mit einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur, die aus vielen miteinander verbundenen Keramiksträngen und zwischen den Strängen vorliegenden zusammenhängenden großen Poren besteht, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der Stränge eine große Anzahl feiner Poren aufweist.

2. Keramikschaumfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Stränge eine mehrschichtige Keramikstruktur aufweist und im Mittelbereich eine längliche Öffnung besitzt.

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3. Keramikschaumfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die scheinbare Porosität der Stränge etwa 20 % beträgt.

4. Keramikschaumfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Porendurchmesser der feinen Poren der Stränge zwischen 20 μΐη und 100 μίτι liegt.

5. Keramikschaumfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durchschnittliche Porendurchmesser der feinen Poren der Stränge zwischen 20 μπι und 100 μπι liegt.

6. Keramikschaumfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der Stränge aus mehreren Keramikschichten besteht.

7. Keramikschaumfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Schichten die gleiche Zusammensetzung besitzen.

8. Keramikschaumfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die mehreren Schichten sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden.

9. Keramikschaumfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die vernetzte Struktur aus einem Porzellan-Keramikmaterial besteht.

10. Verfahren zur Herstellung eines Keramikschaumfilters durch

Vermischen eines kleinteiligen Oxidkeramikmaterials mit Wasser und einem Bindemittel unter Bildung eines Schlik-

kers;

Behandeln oder Imprägnieren eines Ausgangsschaums mit

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dem Schlicker;

Trocknen des Ausgangsschaums und des Schlickers; Brennen des Ausgangsschaums und des Schlickers unter Bildung einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur, die aus vielen miteinander verbundenen Keramiksträngen und zwischen den Strängen vorliegenden zusammenhängenden großen Poren besteht, unter Verschwinden des Ausgangsschaums beim Brennen;

dadurch gekennzeichnet , daß man dem Oxidkeramikmaterial vor dem Imprägnieren ein aus kleinen Teilchen bestehendes Kohlenstoffmaterial zusetzt, welches beim Brennen unter Bildung einer großen Anzahl feiner Poren in jedem der Stränge verschwindet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Teilchen des Oxidkeramikmaterials zwischen 10 μηι und 0,1 μΐη und ihre durchschnittliche Teilchengröße zwischen 5 μΐη und 0,5 μΐη liegen .

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet ,daß die Größe der Teilchen des Kohlenstoffmaterials zwischen 20 μπι und 100 μΐη und ihre durchschnittliche Teilchengröße zwischen 20 μΐη und 100 ματ

25 liegen.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenstoffmaterial in einer Menge von 3 Gew.-I zu dem Oxidkeramikmaterial zugesetzt

3 0 wird.

14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenstoffmaterial und das Oxidkeramikmaterial zur Bildung des Schlickers mit Hilfe einer Kugelmühle mit dem Wasser und dem Bindemittel vermischt werden.

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15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Schlicker eine Viskosität zwischen 0,2 Pa.s und 1,5 Pa.s (2 bis 15 Poise) aufweist.

16. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß als Oxidkeramikmaterial Al^O-,, Al„O^-ZrO„, Cordierit oder Mullit eingesetzt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Maßnahmen des Imprägnierens und Trocknens zur Ausbildung eines mehrschichtigen Materials wiederholt werden.

18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die scheinbare Porosität der Stränge etwa 20 % beträgt.

19. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Porendurchmesser der in den Strängen vorliegenden feinen Poren zwischen 20 μΐη und 100 μΐη liegt.