DE69303932T2 - Poröses gesintertes Laminat mit Metallfasern - Google Patents

Poröses gesintertes Laminat mit Metallfasern

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein poröses gesintertes Laminat mit einem Metalldrahtgeflecht, an dem ein Vlies aus Metallfasern durch einen Sinterprozeß befestigt ist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Methode zur Herstellung dieser Laminate.
  • Poröse gesinterte Metallfaser-Laminate mit einem oder mehreren Metalldrahtgeflechten als Armierung sind allgemein bekannt. So ist beispielsweise aus der US-3 437 457 eine flächige poröse Struktur bekannt, bei welcher ein Metallfaservlies durch Sintern an zumindest einer ebenen Seite eines Drahtgewebes befestigt ist. Hierzu wird das Metallfasergewebe gegen das Drahtgewebe unter geringem Druck und Aufheizung gepreßt, so daß Diffusionsbindungen in den gegenseitigen Kontaktpunkten der Fasern miteinander und mit dem Netzwerk entstehen.
  • Ein gesintertes Filterelement mit homogener Porosität ist aus der DE-A-2 720 278 bekannt. Zu seiner Herstellung werden gewebte und/oder ungewebte Lagen von dünnen Edelstahlfasern mit polygonalem Querschnitt übereinandergelegt und dann in einem Ofen unter Druck und Erwärmung gesintert. Diese porösen Laminate sind zur Verwendung als Tiefenfilter konzipiert und enthalten dementsprechend einen hohen prozentualen Faseranteil. Der Inhalt der US-4 126 560 gehört ebenfalls zum Stand der Technik.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines porösen Laminates, das eine relativ geringe Porosität kombiniert mit einer ausreichenden Filterkapazität besitzt. Die Erfindung ist insbesondere bei solchen porösen Laminaten anwendbar, bei denen der prozentuale Faseranteil gegenüber den Zwischenräumen im Metalldrahtgewebe relativ klein ist und das eine ausreichende Filterkapazität besitzt. Dabei soll in diesem Falle trotz eines relativ geringen Fasergewichtes pro m² eine ausreichend niedrige Porosität und eine geeignete Luftdurchlässigkeit erreicht werden, insbesondere in den den Drahtgewebeöffnungen zugehörigen Flächenbereichen des Filters.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Metallfasern enthaltenden relativ dünnen Filterlaminats, das einem hohen Druckabfall und insbesondere Druckimpulsen widerstehen kann.
  • Ferner soll ein Filterlaminat geschaffen werden, bei welchem die Haftverbindungen zwischen den Fasern und den Gewebedrähten so fest ist, daß die Faserlagen nicht vom Gewebe abgezogen werden können.
  • Im Hinblick auf den kontinuierlichen Sinterprozeß in Öfen des Standes der Technik besteht eine weitere Aufgabe der Erfindung darin, einen spezifischen kontinuierlichen Sinterprozeß aufzuzeigen, der die Verwendung eines Ofens erübrigt. Insbesondere in bezug auf diesen spezifischen kontinuierlichen Sinterprozeß soll durch die Erfindung ein universelles, wirtschaftliches und flexibles Herstellungsverfahren aufgezeigt werden, das grundsätzlich die Verwendung von einfacheren und kostengünstigeren Sintereinrichtungen ermöglicht. Im einzelnen soll dieses kontinuierliche Verfahren die Realisation von neuen spezifischen Filterstrukturen mit speziellen Filtereigenschaften ermöglichen, welche die Laminate mit den erfindungsgemäßen Metallfasern umfassen.
  • Gemäß der Erfindung werden diese Aufgaben und Ziele gelöst durch ein poröses Laminat, das ein aus sich kreuzenden Drähten bestehendes Metalldrahtgewebe enthält, auf welchem ein ungewebtes Vlies aus Metallfasern unter Druck aufgesintert ist, wobei die Porosität des Vlieses im Bereich der Gewebe-Verbindungspunkte etwa 40 % und vorzugsweise nicht mehr als 25 % derjenigen in den zentralen Bereichen der Maschenöffnungen zwischen den Verbindungspunkten beträgt. Für spezielle Anwendungen sollte das Porositätsverhältnis noch unter 15 % liegen.
  • Das wirtschaftliche Verfahren zur Herstellung der porösen Laminate gemäß der Erfindung wird wie folgt durchgeführt. Ein Metalldrahtgewebe wird zusammen mit einem daraufliegenden Metallfaservlies kontinuierlich zwischen rotierenden Druckrollen hindurchbewegt, an die unterschiedliche elektrische Potentiale angelegt sind, so daß ein elektrischer Strom durch den Querschnitt der Laminate in deren Kontaktzone mit den Druckrollen fließt, welcher das Aneinandersintern der Fasern an ihren Kontaktpunkten und an das Gewebe bewirkt. Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zusammen mit weiteren Eigentümlichkeiten und Vorzügen beschrieben. Es zeigen:
  • Fig. 1 ein poröses Laminat im Querschnitt,
  • Fig. 2 eine Draufsicht auf das Laminat nach Fig. 1,
  • Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt gemäß Fig. 1,
  • Fig. 4 einen vergrößerten Querschnitt eines porösen Laminates des Standes der Technik,
  • Fig. 5 eine vergrößerte Draufsicht auf die Fasern in dem einen Teil des erfindungsgemäßen Laminats bildenden Vlies,
  • Fig. 6 eine analoge Draufsicht der Fasern in einem porösen Laminat des Standes der Technik,
  • Fig. 7 einen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines porösen Laminats gemäß der Erfindung.
  • Das in Fig. 1 dargestellte poröse Laminat 1 enthält ein gewebtes Metalldrahtgewebe 2 mit gekreuzten Kett- und Schuß- Drähten, mit welchem ein ungewebtes Vlies 3 durch Sintern verbunden ist. Die Gewebedrähte sind beispielsweise durch Drahtziehen erhaltene rostfreie Stahldrähte. Das Vlies 3 besteht aus Metallfasern, beispielsweise aus Edelstahlfasern, die z.B. durch gebündeltes Ziehen oder durch einen Schneid- oder Bearbeitungsprozeß erzeugt worden sind. Bekanntlich haben diese Fasern normalerweise eine irreguläre Oberfläche mit scharfen äußeren Unregelmäßigkeiten 10, Nuten und vom polygonalen Querschnitt herrührende scharfe Kanten etc. Die Verwendung dieser Fasern 5 und das Trockenverfahren zur Vuesbildung sind als solche z.B. aus den US- 3 469 297 oder 3 505 038 bekannt. Die Fasern haben eine Querschnittsfläche zwischen 3 10&supmin;&sup6; und 1,8 10&supmin;² mm² und vorzugsweise zwischen 1,2 10&supmin;&sup5; und 3 10&supmin;² mm² und besonders bevorzugt zwischen 5 10&supmin;&sup5; und 7,5 10&supmin;&sup4; mm².
  • Der neue und besondere Verbindungsvorgang des Drahtgewebes 2 mit dem Vlies 3 umfaßt einen im folgenden beschriebenen Sinterprozeß bei hohem Druck. Gemäß der Erfindung führt diese Hochdrucksinterung zu einer Laminat-Struktur mit starken Druckzonen im Bereich der Maschenverbindungspunkte 4 des Netzwerkes (vgl. Fig. 2). Zwischen diesen Druckzonen 4, insbesondere in den zentralen Bereichen 6 der Maschenöffnungen, sind porösere Zonen vorhanden. Diese Charaktenstiken sind auch in der Querschnittsdarstellung von Fig. 3 ersichtlich, die ferner die irregulären Querschnitte der Fasern 5 zeigt. Als eine Konsequenz der starken Kompression des Laminats beim Sintern erhalten die Gewebedrähte normalerweise eine abgeflachte Zone 8 zumindest im Bereich der Verbindungen 4 gegenüber anderen Stellen an der vom Vlies 3 abgewandten Außenseite. Die zusammengedrückten Fasern zeigen auch einen abgeflachten Querschnitt in dieser Zone.
  • Der erfindungsgemäße Sinterprozeß führt zu keinen erkennbaren Rekristallisationen im Stahldrahtgewebe oder in den Fasern. Die durch den Drahtzieh-Vorgang entstandene längsonentierte metallographische Struktur 7 wird im wesentlichen nach dem Sintern beibehalten (vgl. Fig. 3). Hier besteht ein Kontrast zu herkömmlichen Sinterprozeßen, in deren Verlauf eine signifikante Rekristallisation auftritt (vgl. Fig. 4). Bei dem herkömmlichen Prozeß ist die Vlieskompression im Bereich der Maschenverbindungen 4 auch sehr viel geringer oder nicht vorhanden. Nach dem erfindungsgemäßen Sintern behalten die Fasern weitgehend ihre rauhe unebene Oberfläche mit den scharfen äußeren Ungleichmäßigkeiten bzw. Riefen und Schrammen 10 (vgl. Fig. 5). Bei einem herkömmlichen Sintervorgang werden viele dieser ursprünglichen Oberflächenrillen und Riefen beseitigt, was Oberflächen nach Art einer Bambus-Struktur 9 ergibt (vgl. Fig. 6). Aus der Fig. 5 geht weiter hervor, daß die Fasern durch den hohen Druck an ihren gegenseitigen Kreuzungspunkten fester miteinander verfilzt und ineinander verankert werden. Die auf die erfindungsgemäße Sinterung zurückzuführende weitere Verfestigung ergibt eine sehr feste Bindung der Fasern aneinander und am Gewebe, so daß die Fasern praktisch unmöglich herausgezogen oder gerissen werden können.
  • Die kontinuierliche Herstellung des porösen Laminats gemäß der Erfindung wird wie folgt durchgeführt. Ein relativ hochporöses Metallfaservlies 11 wird auf ein Metalldrahtgewebe 2 aufgelegt und ggf. leichter Vorkompression mittels einer Rolle 12 wird diese Schichtstruktur kontinuierlich auf einem Tisch 13 in die Verfestigungsvorrichtung gefördert (vgl. Fig. 7). Diese Vorrichtung enthält im wesentlichen ein System von Metalldruckrollen 14, 15, zwischen denen eine von einer Stromquelle E erzeugte elektrische Potentialdifferenz anliegt, so daß ein elektrischer Strom durch den Querschnitt des Laminats in der engen streifenförmigen Kontaktzone 16 mit den Druckrollen 14, 15 fließt, wobei sich dieser Abschnitt senkrecht zur Förderbewegung des Laminats erstreckt.
  • Falls gewünscht, kann die elektrische Potentialdifferenz entsprechend der Beschaffenheit und den Eigenschaften des Laminats gesteuert bzw. eingestellt werden. Der elektrische Gleich- oder Wechsel-Strom bewirkt eine Widerstands-Heizung, die in einem Zusammensintern der Fasern an ihren Kontaktpunkten resultiert.
  • Aufgrund der relativ kurzen Kontaktzeit sind sehr hohe Drücke erforderlich, die zu einer hochgradigen Kompression und zu einer lokalen Abflachung führen, wobei insbesondere im Bereich der Verbindungen 4 die Fasern und Gewebedrähte ineinandergedrückt und eingeschnürt werden. Dadurch entsteht häufig eine lokale Abflachung 8 der Drähte 2 an ihren Außenseiten. In der Praxis ist es nahezu unmöglich, gleiche Sinter-Bindungs-Charakteristiken mit einem herkömmlichen Sinterprozeß in einem Ofen zu erzielen, da die hierzu notwendigen Drücke auf große Oberflächenbereiche ausgeübt werden müßten und dementsprechend viel zu hoch wären. Die erfindungsgemäßen Sinter-Verbindungs-Charakteristiken und die geringen Porositäten lassen sich auch nicht durch Kaltwalzen erhalten, was herkömmlich zum Komprimieren der gesinterten porösen Faserstrukturen nach einer herkömmlichen Sinterbehandlung erfolgt, und zwar weder in einem diskontinuierlichen noch in einem kontinuierlichen Prozeß. Der Kaltwalzdruck müßte so hoch sein, daß die poröse Vliesstruktur in den Bereichen der Gewebeverbindungen brechen würde.
    • Beispiel
  • Eine Anzahl von Vliesen mit Flächengewichten von entweder 300 g/m² oder 600 g/m² aus durch Bündel-Ziehen hergestellten Edelstahlfasern vom Typ 316L wurden gemäß der Erfindung mit verschiedenen Drahtgeweben kombiniert, die jeweils eine Dicke von 0,5 mm (d.i. Drahtdurchmesser von 0,25 mm) hatten. Die Maschengröße dieser Gaze oder Gewebe war unterschiedlich und ist der folgenden Tabelle entnehmbar. Verschiedene äquivalente Faserdurchmesser von jeweils 8, 12 und 22 µm wurden ebenso verwendet.
  • Die Laminate wurden in eine Vorrichtung nach Fig. 7 zwischen die beiden Druckrollen 14, 15 mit einer geeigneten Geschwindigkeit von z.B. zwischen 0,1 und 5 m/min gefördert. Der auf die Laminate beim Durchlauf zwischen den Druckrollen ausgeübte Druck lag im Bereich zwischen 10 und 30 N/mm² und die angelegte Spannung ergab einen Stromfluß im Querschnitt des durchlaufenden Laminats von 25.000 A für eine Laminatbreite von 40 mm. Die Vorrichtung war mit einer Steuereinrichtung ausgerüstet, um Stromspitzen oder Kurzschlüsse zu verhindern.
  • Die folgende Tabelle zeigt die durchschnittlichen Luftpermeabilitäts-Werte (AP), die bei einem Druckgradienten von 200 Pa ermittelt wurden. In jedem Falle hatten die Versuchsproben einen Flächenbereich von 0,62 cm. Zum Vergleich wurde im Versuch Nº 13 eine analoge Laminatkonstruktion getestet, die auf herkömmliche Weise (diskontinuierlich) in einem Vakuum-Ofen gesintert worden war (vgl. Fig. 4). Dieses Laminat war dementsprechend erheblich dikker, 0,82 mm, was zu einer vierfach höheren Luftpermeabilität gegenüber dem Versuch 3 führte. Ferner ist in dieser Tabelle die Porengröße (MFP - mittlere Strömungs-Porengröße) angegeben.
  • Bei den erfindungsgemäß hergestellten Laminaten war es unmöglich, das Vlies vom Drahtgewebe abzuziehen oder abzureißen, wohingegen dies bei dem herkömmlichen Laminat des Versuches 13 möglich war. TABELLE
  • Der Tabelle kann entnommen werden, daß für die gleiche Maschenöffnung und das gleiche Vliesgewicht die Luftdurchlässigkeit erheblich mit der Vergrößerung der Faserdurchmesser ansteigt. Andererseits sinkt natürlich die Luftdurchlässigkeit bei gleichbleibender Maschenöf fnung und einem vergrößerten Vliesgewicht. In absoluten Werten wird diese Abnahme bei dickeren Fasern größer als bei dünneren Schließlich ergibt sich bei konstantem Vliesgewicht und Faserdurchmesser eine Abnahme der Luftdurchlässigkeit bei kleinerwerdender Maschengröße Dieser Einfluß der Maschengröße ist jedoch von relativ geringerer Bedeutung als eine Änderung des Vliesgewichtes oder der Faserdurchmesser.
  • Aus den Ergebnissen des Versuches Nº 10 geht ferner hervor, daß bei niedrigem Vliesgewicht und gleichzeitig relativ großen Maschenöffnungen die Fasern nur eine unzureichende Anzahl an Brücken zwischeneinander und zwischen den benachbarten Geflechtverbindungen bilden, um reproduzierbare Filtercharakteristiken zu erhalten.
  • Statt der durch Bündel-Ziehen erhaltenen Fasern können auch Stahlwolle oder andere Metallfasern verwendet werden, die z.B. gemäß der EP-A-319 959 durch Hobeln oder Schneiden hergestellt sind und nach Einbindung in ein Vlies mit geeigneten Gewebestrukturen verbunden werden können. Derartige Fasern und daraus gebildete Vliese sind z.B. in der US- 3 505 038 beschrieben. Gemäß US-3 845 805 oder GB-B- 1 455 705 können auch Metallfasern verwendet werden, die direkt aus einer Metallschmelze oder durch Reduktion von Metalloxidmischungen gemäß US-3 671 228 und 4 312 670 hergestellt worden sind. Die Vliesbildung kann auch durch Anwendung eines Naßverfahrens erfolgen, das in der US- 3 127 668 beschrieben ist.
  • Falls gewünscht, kann auch eine Strickware als Drahtgewebe Verwendung finden. Der Querschnitt der Gewebedrähte muß nicht unbedingt rund sondern kann z.B. auch rechteckig sein. In bestimmten Fällen kann das Metallfaservlies auch sandwichartig als eine zentrale Filterschicht zwischen zwei Drahtgeweben ausgebildet sein, die an den beiden Vliesseiten angesintert sind. Das Drahtgewebe an einer Seite des Vlieses kann aus dünneren Drähten mit einem Durchmesser von z.B. 0,1 mm als derjenige an der anderen Seite von 0,2 mm Durchmesser sein. Ferner können weitere Faservlieslagen übereinander mit einem Drahtgewebe gesintert werden, wobei der Faserdurchmesser von einer Lage zur anderen differieren kann. Das Vliesgewicht kann zwischen 100 g/m² und 4 kg/m² variieren. Falls gewünscht, können gestrickte oder gewebte Netze mit kleinen Maschen kreuzweise übereinandergestapelt und unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gesintert werden.
  • Die verwendbare Metailfaserlegierung ist nicht auf die verschiedenen rostfreien Stähle beschränkt. Vielmehr können auch Nickel-, Inconel- (Warenzeichen) und Hastelloy- (Warenzeichen) Fasern, ebenso wie korrosions-, abrieb- und/oder wärmefeste Metallfasern, z.B. aus FeCrAlloy- (Warenzeichen) Legierungen, Verwendung finden.
  • Das erfindungsgemäße Laminat kann vielgestaltig eingesetzt und verwendet werden, z.B. als Filtermedium. In erster Linie eignet es sich als Filter für sog. Air-bags, die in der Regel in den Lenksäulen oder Armaturenbrettern von Kraftfahrzeugen installiert sind und Kopfverletzungen durch Aufschlagen eines Passagiers am Lenkrad oder am Armaturenbrett entgegenwirken. In der Regel sind gesinterte Metallvliesfilter in solche Air-bags integriert, um das plötzlich sich ausbreitende Gas zu filtern, das durch einen harten Stoß kurzzeitig freigesetzt wird. Derartige Faserfilter müssen naturgemäß gegenüber Druckwellen und Druckstößen widerstandsfähig sein. Die dichte Filterstruktur gemäß der Erfindung ist für diesen Zweck besonders gut geeignet.
  • Grundsätzlich können die Eigenschaften von relativ dünnen Filterstrukturen mit ziemlich geringer Porosität auch so verändert oder angepaßt werden, daß sie als Oberflächenfilter eingesetzt werden können. Sol-Gel-Suspensionen (z.B. ZrO&sub2;) können auch auf ihnen abgelagert oder diamantähnliche Beschichtungen aufgebracht werden, so daß sie als anorganische Membranfilter in der Mikro- oder Ultra-Filtration Anwendung finden können, und zwar bei tangentialer (querstrom) oder kreuzweiser Strömung.
  • Falls Fasern von hoher Temperaturfestigkeit, z.B. FeCrAlloy-Fasern, verwendet werden, können die gesinterten Laminate gemäß der Erfindung auch als flache oder rohrförmige Membranen für Flächen-Radiations-Brenner oder als recyclebare Filter für Rußpartikel aus Dieselabgasen Anwendung finden.
  • Entweder vor oder nach dem Sintervorgang können die Fasern z.B. mit katalytisch aktiven Substanzen beschichtet werden, so daß das Laminat als Katalysator Anwendung finden kann. Die Beschichtungen auf den Fasern von Oxidations-Katalysatoren können Rußpartikel einfach und bei geringen Temperaturen entfernen, wobei die Rußpartikel in Dieselabgasfiltern zurückbehalten werden. Die erfindungsgemäßen Laminate mit Nickel- oder Nickel-Legierungs-Fasern können auch als Elektroden verwendet werden.
  • Kundengemäße Filtersysteme gemäß der Erfindung können entwickelt werden, bei denen eine Kombination von ein oder mehreren Laminaten gemäß der Erfindung in flacher oder Rohrform installiert sind, und zwar in oder ohne Kombination mit anderen Filtermedien.

Claims (12)

1. Poröses Laminat (1) mit einem Vlies (3) aus unter Druck aneinandergesinterten Metallfasern (5), die mit einem Metalldrahtgeflecht (2) aus sich kreuzenden Drähten fest verbunden sind, wobei die Porosität des Vlieses (3) im Bereich der Verbindungen (4) des Geflechtes höchstens 40 % der Porosität in den zentralen Bereichen (6) der Geflechtöffnungen zwischen diesen Verbindungen beträgt.
2. Poröses Laminat nach Anspruch 1, bei welchem diese Porosität höchstens 25 % beträgt.
3. Poröses Laminat nach Anspruch 2, bei welchem dieses Porositätsverhältnis kleiner als 15 % ist.
4. Laminat nach Anspruch 1, bei welchem die Metallfasern (5) eine unebene Oberfläche mit scharfen deutlichen Unregelmäßigkeiten oder Riefen (10) haben.
5. Laminat nach Anspruch 1, bei welchem die Fasern (5) im Bereich der Verbindungen (4) einen geringfügig abgeflachten Querschnitt haben.
6. Laminat nach Anspruch 1, bei welchem die Fasern einen Querschnitts-Flächenbereich zwischen 3 10&supmin;&sup6; und 1,8 10&supmin;² mm² haben.
7. Laminat nach Anspruch 6, bei welchem dieser Flächen bereich zwischen 1,2 10&supmin;&sup5; und 3 10&supmin;³ mm² liegt.
8. Laminat nach Anspruch 7, bei welchem dieser Flächenbereich zwischen 5 10&supmin;&sup5; und 7,5 10&supmin;&sup4; mm² liegt.
9. Laminat nach Anspruch 1, bei welchem die Geflechtdrähte im Bereich der Verbindungen (4) einen abgeflachten Bereich (8) an ihrer vom Vlies weggerichteten Außenseite haben.
10. Laminat nach Anspruch 1, bei welchem die Drähte des Geflechtes (2) eine nicht rekristallisierte Struktur zeigen.
11. Verwendung der Laminate nach Anspruch 1 als Filtermedium.
12. Verfahren zur Herstellung eines porösen Laminats nach Anspruch 1, bei welchem ein Metalldrahtgeflecht (2) zusammen mit einem daraufliegenden Metallfaservlies (11) kontinuierlich zwischen Druckrollen (14, 15) vorgeschoben wird, wobei diese Rollen unterschiedliche elektrische Potentiale haben, so daß ein durch die Querschnitte der Laminate in der Kontaktzone (16) mit den Rollen übertragener elektrischer Strom die Fasern (5) an ihren sich kreuzenden Kontaktpunkten miteinander und an das Geflecht (2) sintert.
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