EP2526074A2 - Verfahren zur herstellung von hohlkörpern mit eingeschlossenen frei beweglichen partikeln - Google Patents
Verfahren zur herstellung von hohlkörpern mit eingeschlossenen frei beweglichen partikelnInfo
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Definitions
- the invention relates to a method for producing hollow bodies with enclosed in the hollow body, freely moving particles.
- hollow bodies with trapped, freely movable particles serve as sound-absorbing structures, in particular for applications in which structure-borne noise occurs and requires damping.
- a coating formed from at least two individual layers formed one above the other is applied to a core of an organic substance.
- solid particles of a substance are contained, which are formed from a material having a higher sintering temperature than particles of a material which are contained in a further applied layer.
- a heat treatment is carried out, in which first the organic constituents are pyrolyzed, the pulverulent particles of the layer, which are formed directly on the core, are released, and the powdery particles of the outer layer are sintered into a shell.
- the hollow structural elements are used as a loose bed or are connected by sintering by gluing, soldering or United cohesively to form bodies with each other.
- DE-A 2342948 discloses a method for producing hollow bodies consisting of a cavity enclosing a shell of a ceramic material. For this purpose, moldings of a combustible or heat-decomposable organic material coated with a powder of an unburned ceramic material and a binder are added, and the coated moldings are then heated to 200 to 2000 ° C., causing the organic material to burn or decompose Binder burns or decomposes or merges into its own ceramic bond and the ceramic material sinters.
- EP-A 300 543 describes a method for producing metallic or ceramic hollow spheres by applying a solid layer to a substantially spherical particle of foamed polymer and pyrolyzing the coated polymer core.
- the particles of foamed polymer preferably of expanded polystyrene, are treated under agitation with an aqueous suspension containing the dissolved or suspended binder and metallic and / or ketone. contains Ramische powder particles, the coated and dried particles at 400 to 500 ° C with movement pyrolyzed and sintered at temperatures of 900 to 1500 ° C with agitation.
- the earlier application EP 09157551.4 describes a process for producing hollow bodies with freely movable particles enclosed in the hollow body, in which cores of essentially closed-cell polymer foam particles in which particles are dispersed are coated with a composition containing a sinterable material and a binder, and heat-treated coated cores, in which the polymer and the binder are expelled and the sinterable material sintered into a closed shell.
- the invention has for its object to provide a method for the production of hollow bodies with trapped, free-moving particles, which allows the admiffle- lar production of hollow bodies with high degrees of filling.
- the object is achieved by a method for producing hollow bodies with freely movable particles enclosed in the hollow body, in which a) particles are suspended in a gel-forming liquid and the gel-forming liquid is introduced into a crosslinking bath,
- the cores are coated with a sinterable material and a binder-containing composition
- the gel-forming liquid is preferably an aqueous gel-forming liquid. It contains a gelling agent that forms a gel upon contact with a crosslinking agent while crosslinking.
- the gel-forming liquid with the particles dispersed therein is passed through a nozzle, z. B. with the aid of a pump, dropped into the crosslinking bath.
- the crosslinking bath is preferably an aqueous crosslinking bath. It contains a crosslinking agent which, on contact with the gelling agent contained in the gel-forming liquid, forms a gel with crosslinking, which stabilizes the shape of the droplets of the gel-forming liquid introduced into the crosslinking bath and encapsulates the particles dispersed therein.
- the resulting gel cores are isolated, for. B. filtered off and dried. They can be classified by sizing according to size.
- the gel cores serve as a template for the production of filled hollow bodies.
- the cores are coated with a sinterable material and a binder-containing composition, and the coated cores are subjected to a heat treatment in which the gel and the binder are expelled and the sinterable material is sintered into a closed shell.
- the particles dispersed in the gel are also released and are freely movable in the finished hollow body.
- the gelling agent may, for example, be ionically crosslinking gelling agents or covalently crosslinking gelling agents.
- Suitable covalently crosslinking gelling agents are, for example, polyacrylamides or polyurethanes which can be crosslinked with polyaldehydes, polyepoxides or the like. Ionically crosslinking gellants are preferred. Suitable ionically crosslinking gelling agents are alginates, carrageenans, chitosans and pectinates. Crosslinkers used are metal ions, in particular polyvalent metal ions, such as calcium and / or magnesium ions. The concentration of the gelling agent in the gel-forming liquid is chosen to be sufficiently high that the crosslinking takes place at a sufficient rate and the resulting gel cores have sufficient stability.
- the concentration of the gelling agent in the gel-forming liquid With the concentration of the gelling agent in the gel-forming liquid, however, the viscosity of the gel-forming liquid increases. The higher the viscosity of the gel-forming liquid, the more difficult it is to obtain small droplets and thus small gel cores.
- the concentration of the crosslinker in the crosslinking bath is chosen to be sufficiently high that crosslinking takes place at a sufficient rate. The skilled person can easily determine appropriate concentrations taking into account the aforementioned factors.
- the ionically crosslinking gellant is sodium alginate; the crosslinking bath contains calcium ions, e.g. In the form of calcium chloride.
- the sodium alginate concentration in the gel-forming liquid is preferably 0.1 to 5 wt .-%, in particular 0.5 to 2 wt .-%.
- the calcium chloride concentration in the crosslinking bath is preferably 0.05 to 20 wt .-%, in particular 0.5 to 5 wt .-%.
- the cores are substantially spherical.
- the cores generally have a diameter (or a length in the direction of the largest spatial extent in non-spherical cores) of 0.1 to 20 mm, in particular 1 to 3 mm.
- the droplets may be deformed due to the surface tension of the crosslinking bath, so that the shape of the gel cores obtained deviates more or less from the ideal spherical shape.
- the drops of the gel-forming liquid with the particles dispersed therein can recover their ideal spherical shape. These then sink from the liquid phase into the crosslinking bath, where the gelation takes place by crosslinking and the spherical shape is stabilized.
- water-immiscible solvents of lower density than water e.g. Aliphatic hydrocarbons such as hexane, cyclohexane, methylcyclohexane; or aromatic hydrocarbons, such as benzene, toluene, xylene, and the like.
- the gel-forming liquid contains 10 to 90% by weight of dispersed particles, in particular 30 to 60% by weight of dispersed particles, based on the total weight of the gel-forming liquid and of the particles.
- the density of the dispersed particles used in the invention is generally from 1000 to 10000 g / l.
- the particles generally have a higher sintering temperature than the sinterable material, for. B. a higher by at least 100 K sintering temperature.
- the particles are selected from inorganic materials, e.g. A carbide such as silicon carbide or boron carbide; a nitride, silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride or titanium nitride; Silicide and / or aluminide.
- Particularly preferred particles are oxides, such as Al 2 O 3 (in all modifications, in particular as Corundum, boehmite, AIO (OH) or aluminum hydroxide), Zr0 2, Y2O3, MgO, ZnO, CdO, S1O2, T1O2, Ce0 2, Fe 2 0 3, Fe 3 0 4, BaTiOs, CuO, NiO, CoO, Co 3 0 4 .
- a carbide such as silicon carbide or boron carbide
- These may be, for example, particles which are usually used for the production of glass (eg borosilicate glass, soda lime glass or silica glass), glass ceramics or ceramics (eg based on the oxides S1O2, BeO, Al2O3, ZrO2 or MgO or the corresponding mixed oxides ), or non-oxide ceramics such as silicon nitride, silicon carbide, boron nitride nitrides such as BN, AIN, Si 3 N 4 and Ti 3 N 4 , or boron carbide). It can also be particles that serve as fillers or pigments. Technically important fillers are z. B.
- glass eg borosilicate glass, soda lime glass or silica glass
- glass ceramics or ceramics eg based on the oxides S1O2, BeO, Al2O3, ZrO2 or MgO or the corresponding mixed oxides
- non-oxide ceramics such as silicon nitride, silicon carbide
- fillers based on Si0 2 such as quartz, cristobalite, tripolite, novaculite, diatomaceous earth, silica, fumed silicas, precipitated silicas and silica gels, silicates such as talc, pyrophyllite, kaolin, mica, muscovite, phlogopite, vermiculite, wollastonite and Perlite, aluminum oxides and titanium dioxide.
- Particularly preferred materials for the particles are ZrÜ2, Al2O3, T1O2 and S1O2 or mixtures thereof.
- the mean size of the dispersed particles is 5 nm to 500 ⁇ m, in particular 0.1 to 50 ⁇ m (measured by analytical ultracentrifuge or dynamic light scattering).
- a sublimable and / or pyrolyzable filler may be suspended in the gel-forming liquid.
- the filler is z. B. among wood flour, cork flour, nutshell flour, cornmeal, cellulose powder and / or carbon black selected.
- the use of fillers offers the advantage that the porosity can be made variable.
- the amount of filler is z. B. up to 30 wt .-%, in particular 0.5 to 10 wt .-%, based on the total weight of the gel-forming liquid, the particles and the filler.
- the gel cores are coated with a composition containing a sinterable material and a binder.
- the coating of sinterable material and binder can be applied to the cores in various ways. For example, mixing the sinterable material with the binder in the form of a suspension and covers the cores with this suspension, for example in a mixer, fluidized bed reactor or granulation.
- the cores are expediently introduced into a fluidized-bed reactor.
- the dispersion of the sinterable material in the solution or dispersion of the binder is introduced into the fluidized bed.
- the temperature of the fluidizing gas is z. B. between 70 and 120 ° C.
- Layer application and drying are generally completed in a period of 5 to 60 minutes.
- the cores can first be uniformly sprayed with the liquid binder and then the sinterable material powdered and, if the desired layer thickness is not reached in a single operation repeat this operation until the desired coating thickness was obtained.
- the coated cores are then dried.
- Suitable sinterable material are metal powders and ceramic powders. It is also conceivable to mix the metal or ceramic powders.
- the sinterable ceramics may include, for example, nitride, oxide and silicate ceramics and carbides.
- sinterable ceramic powders are oxide ceramic powders such as Al 2 O 3, ZrC "2, Y 2 O 3, as well as non-oxide ceramic powders such as SiC or S13N4.
- the sinterable material is a metal powder.
- metals which are in powder form are aluminum, iron, in particular iron carbonyl powder, cobalt, copper, nickel, silicon, titanium and tungsten.
- powdered metal alloys for example, high or low alloyed steels and Metallle- alloys based on aluminum, iron, titanium, copper, nickel, cobalt or tungsten, such. As bronze, to call. Both powder of already finished alloys and the powder mixtures of the individual alloy components can be used.
- the metal powder, metal alloy powder and Carbonylmetallpulver can also be used in a mixture.
- Carbonyl iron powder is an iron powder produced by thermal decomposition of iron carbonyl compounds. To maintain fluidity and to prevent agglomeration, e.g. be coated with S1O2.
- the corrosion inhibitor used may preferably be iron phosphide powder.
- the binder is generally present as a solution or dispersion, preferably in an aqueous medium.
- a variety of polymers can be used.
- polymers or copolymers from the group of vinyl ester polymers such as polyvinyl acetate, copolymers of vinyl acetate / ethylene, vinyl acetate / ethylene / vinyl chloride, vinyl acetate / acrylic ester, vinyl acetate / maleic di-n-butyl ester, vinyl acetate / vinyl laurate, vinyl acetate acrylate ; partially saponified polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol; polybutyral; Polyamides, such as polyvinylpyrrolidone; Polyacrylates, copolymer of styrene / acrylate; Celluloseester; Phenolic resins, amino resins such as urea resins or melamine resins; and epoxy resins used. Simple tests can be used to determine which binder, taking into
- the individual cores coated in this way can be subjected to heat treatment as such or cohesively bonded coated cores before the heat treatment in order to obtain shaped bodies.
- the cores can z. B. are glued together.
- the bonding can z. Example, by moistening the coated cores with a solvent that dissolves the binder, and then brings the cores together in the desired arrangement.
- it is possible to provide self-supporting sound-insulating structures which also have a certain degree of mechanical strength and, within certain limits, achieve load-bearing properties.
- partitions, door elements or floors of vehicles can be obtained in this form with hollow bodies according to the invention.
- the gel and optionally additionally used sublimable and / or pyrolyzable fillers and the binder are driven out of the cores from the cores.
- the sinterable material is sintered to a closed shell.
- the term "expelling" is intended to include upstream decomposition and / or pyrolysis operations.
- the heat treatment can be carried out in a single or multi-stage process. Taking into account the binder according to type and amount as well as sufficient layer thickness, the dried solid layers have sufficient strength so that the coated cores can be subjected to a pyrolytic decomposition process without the shell losing its shape. During the pyrolysis of the coated foam core, the binder of the solids layer also volatilizes, leaving a self-supporting hollow sphere with a porous shell structure.
- the pyrolysis of the coated foam particles can be carried out in air, inert gas or under reducing conditions, depending on the type of powder used.
- the heating time to a temperature of about 500 ° C is up to 3 hours and depends on the type and composition of the gel used.
- the pyrolytic treatment which serves both to remove the coated gel core and to at least partially remove the organic binder, is followed by a sintering process.
- This sintering process at a temperature of 900 to 1500 ° C is in an oven, for. B. rotary kiln, Krähl- or belt furnace made.
- the atmosphere in the kiln aggregate can be applied to the coating respectively be matched powder material used. It can therefore be used in a vacuum, under oxidizing or reducing conditions and under inert gas. It is possible to prevent the sintering of the individual hollow bodies either by movement or by an outer coating with inert powder, if this does not undergo any chemical or physical reactions with the hollow body material at the temperature used.
- inert powders can be easily removed mechanically or chemically from the hollow bodies after the sintering process. They can also act as a supporting shell for the actual hollow sphere during the pyrolysis and sintering process in particular when the wall thickness of the hollow body is very thin or the actual hollow body powder layer does not have sufficient green strength after pyrolysis.
- the hollow body material for example carbon, aluminum hydroxide or chalk are suitable as inert powders.
- hollow bodies can be deformed after the heat treatment, if, for example, a solid combination of structural elements to a sound-absorbing lightweight component is desired.
- the hollow bodies can form a sound-absorbing structure in the form of a loose bed.
- hollow bodies produced according to the invention can also be cast within a matrix, which is possible, for example, with a suitable hardenable plastic, such as an epoxy resin, or a relatively low-melting metal.
- Fig. 1 shows an apparatus suitable for the production of the cores used according to the invention.
- a crosslinking bath (B) is overcoated with a liquid phase (A) which is immiscible neither with the crosslinking bath nor with the gel-forming liquid (C).
- the liquid phase (A) is stirred by means of a motor-driven stirrer (motor).
- pump pump
- gel-forming liquid (C) is dripped into the liquid phase (A) and drops of the gel-forming liquid sink from the liquid phase (A) into the crosslinking bath (B).
- Example 1 In a stand cylinder, a 1 wt .-% aqueous CaC solution was filled to a filling height of 20 cm and covered with 15 cm of toluene. A dispersion of 100 g of alumina powder in a solution of 1 g of sodium alginate in 100 ml of water was dropped into the prepared crosslinking bath via a 1.8 mm die at a dripping rate of about 1 drop per second. When the addition was complete, the spheres formed were removed. The wet spheres had a diameter of 3.5 to 4.0 mm. The balls were dried at 60 ° C under vacuum in an oven. The dried balls had a diameter of 2.8 to 3.4 mm. The balls produced in this way can, for. B.
- the produced green spheres can then be subjected to a heat treatment under a protective gas atmosphere with a maximum sintering temperature of 1 120 ° C.
- the organic components are expelled and the spherical shells are consolidated by sintering.
- the aluminum oxide particles are freely movable in the dense spherical shell.
- Example 1 was repeated except that 10 g of wood flour were also dispersed in the gel-forming liquid.
- the wet spheres had a diameter of 3.2 to 3.6 mm.
- the dried spheres had a diameter of 2.9 to 3.1 mm.
Abstract
Bei einem Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern mit im Hohlkörper eingeschlossenen, frei beweglichen Partikeln a) bringt man eine gelbildende Flüssigkeit, in der Partikel suspendiert sind, in ein Vernetzungsbad ein, b) isoliert die sich bildenden Gel-Kerne, c) beschichtet die Kerne mit einer ein versinterbares Material und einen Binder enthaltenden Zusammensetzung und d) unterzieht die beschichteten Kerne einer Wärmebehandlung, bei der das Gel und der Binder ausgetrieben werden und das sinterbare Material zu einer geschlossenen Schale gesintert werden. Der Gelbildner ist z. B. Natrium-Alginat und das Vernetzungsbad enthält Calciumionen. Die Partikel sind z. B. unter ZrO2, AI2O3, TiO2 und SiO2 oder Gemischen davon ausgewählt. Das sinterbare Material ist z. B. ein Metallpulver, wie Carbonyleisenpulver.
Description
Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern mit eingeschlossenen frei beweglichen Partikeln
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern mit im Hohlkörper eingeschlossenen, frei beweglichen Partikeln.
Gemäß der DE 10 2004 003507 dienen Hohlkörper mit eingeschlossenen, frei beweg- liehen Partikeln als schallabsorbierende Strukturen, insbesondere für Applikationen, bei denen Körperschall auftritt und einer Dämpfung bedarf. Bei dem in der DE 10 2004 003507 beschriebenen und durch Ausführungsbeispiele veranschaulichten Herstellungsverfahren wird auf einen Kern aus einem organischen Stoff eine aus mindestens zwei übereinander ausgebildeten Einzelschichten gebildete Beschichtung aufgebracht. Dabei sind in der unmittelbar auf der Oberfläche des Kerns aufgebrachten Schicht feste Partikel eines Stoffes enthalten, die aus einem Werkstoff mit höherer Sintertemperatur gebildet sind als Partikel eines Werkstoffes, die in einer weiteren aufgebrachten Schicht enthalten sind. Im Anschluss an die Beschichtung wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, bei der zuerst die organischen Bestandteile pyrolysiert werden, die pul- verförmigen Partikel der vorab unmittelbar auf dem Kern ausgebildeten Schicht freigegeben und die pulverförmigen Partikel der äußeren Schicht zu einer Schale versintert werden. Die hohlen Strukturelemente werden als lose Schüttung eingesetzt oder werden nach dem Sintern durch Kleben, Löten oder Vereintem stoffschlüssig zu Formkörpern miteinander verbunden.
Die DE-A 2342948 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern, die aus einer einen Hohlraum einschließenden Schale aus einem Keramikmaterial bestehen. Man versieht hierzu Formkörper aus einem verbrennbaren oder durch Erhitzen zersetzbaren organischen Material mit einem Überzug aus einem Pulver eines unge- brannten Keramikmaterials und einem Bindemittel und erhitzt die überzogenen Formkörper sodann auf 200 bis 2000 °C, dass das organische Material verbrennt oder sich zersetzt, das Bindemittel verbrennt bzw. sich zersetzt oder in eine eigene keramische Bindung übergeht und das Keramikmaterial sintert. In der EP-A 300 543 wird ein Verfahren zum Herstellen von metallischen oder keramischen Hohlkugeln durch Aufbringen einer Feststoffschicht auf ein im Wesentlichen kugelförmiges Teilchen aus geschäumtem Polymer und Pyrolysieren des beschichteten Polymerkerns beschrieben. Die Teilchen aus geschäumtem Polymer, vorzugsweise aus expandiertem Polystyrol, werden unter Bewegung mit einer wässrigen Suspension behandelt, die gelöstes oder suspendiertes Bindemittel und metallische und/oder ke-
ramische Pulverteilchen enthält, die beschichteten und getrockneten Teilchen bei 400 bis 500 °C unter Bewegung pyrolysiert und bei Temperaturen von 900 bis 1500 °C unter Bewegung gesintert. Die ältere Anmeldung EP 09157551.4 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern mit im Hohlkörper eingeschlossenen, frei beweglichen Partikeln, bei dem man Kerne aus im Wesentlichen geschlossenzelligen Polymerschaumteilchen, in denen Partikel dispergiert sind, mit einer ein sinterbares Material und einen Binder enthaltenden Zusammensetzung beschichtet und die beschichteten Kerne einer Wärmebe- handlung unterzieht, bei der das Polymer und der Binder ausgetrieben werden und das sinterbare Material zu einer geschlossenen Schale sintert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern mit eingeschlossenen, frei beweglichen Partikeln anzugeben, das die zweckmä- ßige Herstellung von Hohlkörpern mit hohen Füllgraden erlaubt.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern mit im Hohlkörper eingeschlossenen, frei beweglichen Partikeln, bei dem man a) Partikel in einer gelbildenden Flüssigkeit suspendiert und die gelbildende Flüssigkeit in ein Vernetzungsbad einbringt,
b) die sich bildenden Gel-Kerne isoliert,
c) die Kerne mit einem versinterbaren Material und einen Binder enthaltenden Zusammensetzung beschichtet und
d) die beschichteten Kerne einer Wärmebehandlung unterzieht, bei der das Gel und der Binder ausgetrieben werden und das sinterbare Material zu einer geschlossenen Schale versintert.
Die gelbildende Flüssigkeit ist vorzugsweise eine wässrige gelbildende Flüssigkeit. Sie enthält einen Gelbildner, der beim Kontakt mit einem Vernetzer unter Vernetzung ein Gel ausbildet.
Die gelbildende Flüssigkeit mit den darin dispergierten Partikeln wird über eine Düse, z. B. mit Hilfe einer Pumpe, in das Vernetzungsbad getropft. Das Vernetzungsbad ist vorzugsweise ein wässriges Vernetzungsbad. Es enthält einen Vernetzer, der beim Kontakt mit dem in der gelbildenden Flüssigkeit enthaltenen Gelbildner unter Vernetzung ein Gel ausbildet, das die Gestalt der in das Vernetzungsbad eingebrachten Tropfen der gelbildenden Flüssigkeit stabilisiert und die darin dispergierten Partikel einkapselt.
Die so erhaltenen Gel-Kerne werden isoliert, z. B. abfiltriert und getrocknet. Sie können durch Sieben nach der Größe klassifiziert werden. Die Gel-Kerne dienen als Templat
für die Herstellung gefüllter Hohlkörper. Die Kerne werden hierzu mit einem versinter- baren Material und einen Binder enthaltenden Zusammensetzung beschichtet und die beschichteten Kerne einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der das Gel und der Binder ausgetrieben werden und das versinterbare Material zu einer geschlossenen Schale versintert. Dabei werden auch die im Gel dispergierten Partikel freigegeben und liegen im fertigen Hohlkörper frei beweglich vor.
Bei dem Gelbildner kann es sich beispielsweise um ionisch vernetzende Gelbildner oder kovalent vernetzende Gelbildner handeln.
Geeignete kovalent vernetzende Gelbildner sind beispielsweise Polyacrylamide oder Polyurethane, die mit Polyaldehyden, Polyepoxiden oder dergleichen vernetzt werden können. Ionisch vernetzende Gelbildner sind bevorzugt. Als ionisch vernetzende Gelbildner kommen Alginate, Carrageene, Chitosane und Pektinate in Betracht. Als Vernetzer dienen Metallionen, insbesondere mehrwertige Metallionen, wie Calcium- und/oder Magnesiumionen. Die Konzentration des Gelbildners in der gelbildenden Flüssigkeit wird ausreichend hoch gewählt, dass die Vernetzung mit ausreichender Geschwindigkeit erfolgt und die erhaltenen Gel-Kerne ausreichende Stabilität aufweisen. Mit der Konzentration des Gelbildners in der gelbildenden Flüssigkeit steigt allerdings die Viskosität der gelbildenden Flüssigkeit. Je höher die Viskosität der gelbildenden Flüssigkeit, desto schwie- riger ist es, kleine Tropfen und damit kleine Gel-Kerne zu erhalten. Die Konzentration des Vernetzers im Vernetzungsbad wird ausreichend hoch gewählt, dass die Vernetzung mit ausreichender Geschwindigkeit erfolgt. Der Fachmann kann unter Berücksichtigung der vorgenannten Faktoren geeignete Konzentrationen leicht ermitteln. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der ionisch vernetzende Gelbildner Natrium- Alginat; das Vernetzungsbad enthält Calciumionen, z. B. in Form von Calciumchlorid. Die Natrium-Alginat-Konzentration in der gelbildende Flüssigkeit beträgt vorzugsweise 0,1 bis 5 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 2 Gew.-%. Die Calciumchlorid-Konzentration im Vernetzungsbad beträgt vorzugsweise 0,05 bis 20 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 5 Gew.-%.
Vorzugsweise sind die Kerne im Wesentlichen kugelförmig. Die Kerne weisen im Allgemeinen einen Durchmesser (bzw. eine Länge in Richtung der größten Raumausdehnung bei nicht-kugelförmigen Kernen) von 0,1 bis 20 mm, insbesondere 1 bis 3 mm auf.
Beim Auftreffen der Tropfen der gelbildenden Flüssigkeit mit den darin dispergierten Partikeln auf die Oberfläche des Vernetzungsbads können die Tropfen aufgrund der Oberflächenspannung des Vernetzungsbades deformiert werden, so dass die Gestalt der erhaltenen Gel-Kerne mehr oder weniger von der idealen Kugelform abweicht.
Bevorzugt ist daher eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der man a1 ) das Vernetzungsbad mit einer Flüssigphase überschichtet, die weder mit dem Vernetzungsbad noch mit der gelbildende Flüssigkeit mischbar ist,
a2) die gelbildende Flüssigkeit mit den darin dispergierten Partikeln in die Flüssigphase einbringt, und
a3) Tropfen der gelbildende Flüssigkeit aus der Flüssigphase in das Vernetzungsbad einsinken lässt.
Während der Passage durch die Flüssigphase, bei der noch keine Vernetzung erfolgt, können die Tropfen der gelbildenden Flüssigkeit mit den darin dispergierten Partikeln ihre ideale Kugelgestalt zurückerlangen. Diese sinken dann aus der Flüssigphase in das Vernetzungsbad ein, wo die Gelbildung durch Vernetzung erfolgt und die Kugelform stabilisiert wird.
Als Flüssigphase eignen sich insbesondere nicht mit Wasser mischbare Lösungsmittel mit geringerer Dichte als Wasser, z. B. aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie Hexan, Cyclohexan, Methylcyclohexan; oder aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Benzol, Toluol, Xylol, und dergleichen.
Im Allgemeinen enthält die gelbildende Flüssigkeit 10 bis 90 Gew.-% dispergierte Partikel, insbesondere 30 bis 60 Gew.-% dispergierte Partikel, bezogen auf das Gesamtgewicht der gelbildenden Flüssigkeit und der Partikel.
Die Dichte der erfindungsgemäß verwendeten dispergierten Partikel beträgt im Allgemeinen 1000 bis 10000 g/l. In den Kernen können auch Vorläuferverbindungen disper- giert sein, die bei der Wärmebehandlung eine chemische und/oder morphologische Umwandlung erfahren, wie z. B. die Entwässerung eines Hydroxids zu einem Oxid.
Die Partikel weisen im Allgemeinen eine höhere Sintertemperatur auf als das sinterbare Material, z. B. eine um wenigstens 100 K höhere Sintertemperatur.
In bevorzugten Ausführungsformen sind die Partikel unter anorganischen Stoffen aus- gewählt, z. B. einem Carbid, wie Siliciumcarbid oder Borcarbid; einem Nitrid, Silicium- nitrid, Aluminiumnitrid, Bornitrid oder Titannitrid; Silizid und/oder Aluminid. Besonders bevorzugte Partikel sind Oxide, wie AI2O3 (in allen Modifikationen, insbesondere als
Korund, Böhmit, AIO(OH) oder als Aluminiumhydroxid), Zr02, Y2O3, MgO, ZnO, CdO, S1O2, T1O2, Ce02, Fe203, Fe304, BaTiOs, CuO, NiO, CoO, Co304.
Es kann sich dabei z. B. um Partikel handeln, die gewöhnlich für die Herstellung von Glas (z. B. Borosilicatglas, Natronkalkglas oder Kieselglas), Glaskeramik oder Keramik (z. B. auf Basis der Oxide S1O2, BeO, AI2O3, ZrÜ2 oder MgO oder der entsprechenden Mischoxide), oder Nichtoxidkeramiken, wie Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Bornitrid Nitride, wie BN, AIN, Si3N4 undTi3N4, oder Borcarbid) verwendet werden. Es kann sich auch um Partikel handeln, die als Füllstoffe oder Pigmente dienen. Technisch wichtige Füllstoffe sind z. B. Füllstoffe auf Basis von Si02, wie Quarz, Cristobalit, Tripolit, Nova- culit, Kieselgur, Kieselerde, pyrogene Kieselsäuren, Fällungskieselsäuren und Kieselgele, Silicate, wie Talkum, Pyrophyllit, Kaolin, Glimmer, Muskovit, Phlogopit, Vermiculit, Wollastonit und Perlite, Aluminiumoxide und Titandioxid. Besonders bevorzugte Materialien für die Partikel sind ZrÜ2, AI2O3, T1O2 und S1O2 oder Gemische davon.
Im Allgemeinen beträgt die mittlere Größe der dispergierten Partikel 5 nm bis 500 μηη, insbesondere 0,1 bis 50 μηη (gemessen mit analytischer Ultrazentrifuge oder dynami- scher Lichtstreuung).
Zur besseren Dispersion der Partikel in der gelbildenden Flüssigkeit können gegebenenfalls Dispiergierhilfsmittel mitverwendet werden. In der gelbildenden Flüssigkeit kann außerdem ein sublimierbarer und/oder pyrolisier- barer Füllstoff suspendiert sein. Der Füllstoff ist z. B. unter Holzmehl, Korkmehl, Nuss- schalenmehl, Getreidemehl, Cellulosepulver und/oder Ruß ausgewählt. Die Mitverwendung von Füllstoffen bietet den Vorteil, dass die Porosität variabel gestaltet werden kann. Die Menge des Füllstoffs beträgt z. B. bis zu 30 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der gelbildenden Flüssigkeit, der Partikel und des Füllstoffs.
Die Gel-Kerne werden mit einer ein versinterbares Material und einen Binder enthaltenden Zusammensetzung beschichtet. Der Überzug aus versinterbarem Material und Binder kann auf verschiedene Weise auf die Kerne aufgebracht werden. Beispielsweise mischt man das sinterbare Material mit dem Binder in Form einer Suspension und überzieht die Kerne mit dieser Suspension beispielsweise in einem Mischer, Wirbelschichtreaktor oder Granulierteller. Zweckmäßig werden die Kerne in einen Wirbelschichtreaktor eingebracht. In die Wirbelschicht wird die Dispersion des sinterbaren Materials in der Lösung oder Dispersion des Binders eingetragen. Die Temperatur des Wirbelgases beträgt z. B. zwischen 70 und 120 °C. Schichtauftrag und Trocknung sind im Allgemeinen in einem Zeitraum von 5 bis 60 min beendet.
Alternativ kann man die Kerne zunächst gleichmäßig mit dem flüssigen Binder besprühen und sodann das sinterbare Material aufpudern und, falls mit einem einzigen Arbeitsgang die erwünschte Schichtdicke noch nicht erreicht wird, diesen Arbeitsgang so oft wiederholen, bis die erwünschte Überzugsdicke erhalten wurde.
Falls erforderlich, werden die beschichteten Kerne anschließend getrocknet.
Als sinterbares Material kommen Metallpulver sowie Keramikpulver in Betracht. Auch Mischungen der Metall- oder Keramikpulver sind denkbar. Die sinterbaren Keramiken können beispielsweise Nitrid-, Oxid- und Silikatkeramiken sowie Karbide umfassen.
Beispiele für sinterfähige Keramikpulver sind oxidische Keramikpulver wie AI2O3, ZrC"2, Y2O3, als auch nicht-oxidische Keramikpulver wie SiC oder S13N4.
Vorzugsweise ist das sinterbare Material ein Metallpulver. Als Metalle, die in Pulverform vorliegen, seien beispielsweise Aluminium, Eisen, insbesondere Eisencarbonyl- pulver, Kobalt, Kupfer, Nickel, Silicium, Titan und Wolfram genannt. Als pulverförmige Metalllegierungen sind beispielsweise hoch- oder niederlegierte Stähle sowie Metallle- gierungen auf der Basis von Aluminium, Eisen, Titan, Kupfer, Nickel, Kobalt oder Wolfram, wie z. B. Bronze, zu nennen. Dabei können sowohl Pulver von bereits fertigen Legierungen als auch die Pulvermischungen der einzelnen Legierungsbestandteile eingesetzt werden. Die Metallpulver, Metalllegierungspulver und Carbonylmetallpulver können auch im Gemisch eingesetzt werden.
Als Metallpulver ist Carbonyleisenpulver bevorzugt. Carbonyleisenpulver ist ein Eisenpulver, das durch thermische Zersetzung von Eisencarbonylverbindungen hergestellt wird. Zum Erhalt der Fließfähigkeit und zur Verhinderung von Agglomeration kann es z.B. mit S1O2 beschichtet sein. Als Korrosionsinhibitor kann vorzugsweise Eisenphos- phidpulver mitverwendet werden.
Der Binder liegt im Allgemeinen als Lösung oder Dispersion, vorzugsweise in einem wässrigen Medium vor. Als Binder kann eine Vielzahl von Polymeren verwendet werden. Insbesondere werden Polymere oder Copolymere aus der Gruppe der Vinylester- polymere, wie Polyvinylacetat, Copolymere von Vinylacetat/Ethylen, Vinylace- tat/Ethylen/Vinylchlorid, Vinylacetat/Acrylsäureester, Vinylacetat/Maleinsäure-di-n- butylester, Vinylacetat/Vinyllaurat, Vinylacetat Acrylat; teilverseiftes Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol; Polybutyral; Polyamide, wie Polyvinylpyrrolidon; Polyacrylate, Copo- lymer von Styrol/Acrylat; Celluloseester; Phenolharze, Aminoharze, wie Harnstoffharze oder Melaminharze; und Epoxiharze eingesetzt. Anhand einfacher Versuche lässt sich ermitteln, welches Bindemittel unter Berücksichtigung des ausgewählten Pulverwerk-
Stoffs und der dadurch vorgegebenen Pyrolyse- und Sinterbedingungen am geeignetsten ist. Insbesondere eignen sich Polyvinylalkohole und Celluloseester.
Man kann die so beschichteten einzelnen Kerne als solche der Wärmebehandlung unterziehen oder beschichtete Kerne vor der Wärmebehandlung stoffschlüssig miteinander verbinden, um Formkörper zu erhalten. Die Kerne können z. B. miteinander verklebt werden. Das Verkleben kann z. B. dadurch erfolgen, dass man die beschichteten Kerne mit einem Lösungsmittel befeuchtet, das den Binder anlöst, und die Kerne dann in der gewünschten Anordnung aneinander bringt. So kann man selbsttragende schall- dämmende Strukturen zur Verfügung stellen, die auch über ein gewisses Maß an mechanischer Festigkeit verfügen und in gewissen Grenzen tragende Eigenschaften erreichen. So können beispielsweise Trennwände, Türelemente oder auch Fußböden von Fahrzeugen in dieser Form mit erfindungsgemäß hergestellten Hohlkörpern erhalten werden.
Durch eine Wärmebehandlung wird aus den Kernen das Gel und gegebenenfalls zusätzlich verwendete sublimierbare und/oder pyrolisierbare Füllstoffe und der Binder aus der Beschichtung ausgetrieben. Das sinterbare Material wird zu einer geschlossenen Schale gesintert. Der Begriff "austreiben" soll vorgelagerte Zersetzungs- und/oder Py- rolysevorgänge umfassen. Die Wärmebehandlung kann in einem ein- oder mehrstufigen Verfahren erfolgen. Unter Berücksichtigung des Bindemittels nach Art und Menge sowie ausreichender Schichtdicke besitzen die getrockneten Feststoffschichten ausreichende Festigkeit, so dass die beschichteten Kerne einem pyrolytischen Zersetzungs- prozess unterworfen werden können, ohne dass die Schale ihre Gestalt verliert. Bei der Pyrolyse des beschichteten Schaumstoffkerns verflüchtigt sich auch das Bindemittel der Feststoffschicht und hinterlässt eine selbsttragende Hohlkugel mit poröser Schalenstruktur.
Die Pyrolyse der beschichteten Schaumstoffteilchen kann je nach Art des verwendeten Pulvers in Luft, Inertgas oder unter reduzierenden Bedingungen vorgenommen werden. Die Aufheizzeit auf eine Temperatur von etwa 500 °C beträgt bis zu 3 Stunden und hängt von Art und Zusammensetzung des verwendeten Gels ab. Zur Erhöhung der sogenannten Grünfestigkeit kann es bei metallischen Pulvern zweckmäßig sein, unter leicht oxidierenden Bedingungen zu pyrolysieren. Hierdurch wird eine bessere Entfer- nung von Restkohlenstoff und eine festigkeitssteigernde Oxidhaut an den Oberflächen der Metallpulverteilchen erreicht.
An die pyrolytische Behandlung, die sowohl der Entfernung des beschichteten Gel- Kerns als auch der mindestens teilweisen Entfernung des organischen Bindemittels dient, schließt sich ein Sinterprozess an. Dieser Sinterprozess bei einer Temperatur von 900 bis 1500 °C wird in einem Ofen, z. B. Drehrohr-, Krähl- oder Bandofen, vorgenommen. Die Atmosphäre im Ofenaggregat kann auf den zur Beschichtung jeweils
verwendeten Pulverwerkstoff abgestimmt werden. Es kann daher im Vakuum, unter oxidierenden oder reduzierenden Bedingungen sowie unter Schutzgas gearbeitet werden. Man kann das Zusammensintern der einzelnen Hohlkörper entweder durch Bewegung oder durch eine äußere Beschichtung mit Inertpulver verhindern, wenn dieses bei der angewendeten Temperatur mit dem Hohlkörperwerkstoff keine chemischen oder physikalischen Reaktionen eingeht. Derartige Inertpulver lassen sich nach dem Sinterpro- zess mechanisch oder chemisch leicht von den Hohlkörpern entfernen. Sie können auch als stützende Hülle für die eigentliche Hohlkugel während des Pyrolyse- und Sinterprozesses insbesondere dann wirken, wenn die Wandstärke der Hohlkörper sehr dünn ist oder die eigentliche Hohlkörper-Pulverschicht nach der Pyrolyse noch keine ausreichende Grünfestigkeit besitzt. Als Inertpulver eignen sich je nach Hohlkörperwerkstoff z.B. Kohlenstoff, Aluminiumhydroxid oder Kreide.
Einzelne Hohlkörper können nach der Wärmebehandlung verformt werden, wenn beispielsweise ein fester Verbund von Strukturelementen zu einem schallabsorbierenden Leichtbauteil gewünscht ist. Die Hohlkörper können, wie bereits angesprochen, in Form einer losen Schüttung eine schallabsorbierende Struktur ausbilden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, Hohlkörper nach der thermischen Behandlung stoffschlüssig miteinander zu verbinden, was durch Kleben, Löten oder Vereintem, erreichbar ist. Erfindungsgemäß hergestellte Hohlkörper können aber auch innerhalb einer Matrix vergossen sein, was beispielsweise mit einem geeigneten aushärtbaren Kunststoff, wie einem Epoxyharz, oder einem relativ niedrig schmelzenden Metall möglich ist.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figur und der nachfolgenden Beispiele näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine zur Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten Kerne geeignete Apparatur.
Gemäß Fig. 1 ist ein Vernetzungsbad (B) mit einer Flüssigphase (A) überschichtet, die weder mit dem Vernetzungsbad noch mit der gelbildenden Flüssigkeit (C) mischbar ist. Die Flüssigphase (A) wird mittels eines motorbetriebenen Rührers (Motor) gerührt. Über eine Pumpe (Pump) wird gelbildende Flüssigkeit (C) in die Flüssigphase (A) eingetropft und Tropfen der gelbildenden Flüssigkeit sinken aus der Flüssigphase (A) in das Vernetzungsbad (B) ein.
Beispiel 1 :
In einen Standzylinder wurde eine 1 Gew.-%ige wässrige CaC -Lösung bis zu einer Füllhöhe von 20 cm eingefüllt und mit 15 cm Toluol überschichtet. Eine Dispersion von 100 g Aluminiumoxid-Pulver in einer Lösung von 1 g Natriumalginat in 100 ml Wasser wurde über eine 1 ,8 mm Düse mit einer Tropfgeschwindigkeit von etwa 1 Tropfen pro Sekunde in das vorbereitete Vernetzungsbad getropft. Nach beendeter Zugabe entnahm man die gebildeten Kugeln. Die feuchten Kugeln hatten einen Durchmesser von 3,5 bis 4,0 mm. Die Kugeln wurden bei 60 °C unter Vakuum in einem Ofen getrocknet. Die getrockneten Kugeln hatten einen Durchmesser von 2,8 bis 3,4 mm. Die so hergestellten Kugeln können z. B. mit einer Suspension von Carbonyleisenpul- ver in einer wässrigen Lösung von Polyvinylalkohol im Wirbelbett beschichtet werden. Die hergestellten Grünkugeln können anschließend einer Wärmebehandlung unter Schutzgasatmosphäre mit einer maximalen Sintertemperatur von 1 120 °C unterzogen werden. Dabei werden die organischen Komponenten ausgetrieben und die Kugel- schalen durch Sintern konsolidiert. In den erhaltenen Kugeln liegen die Aluminiumoxidpartikel in der dichten Kugelschale frei beweglich vor.
Beispiel 2:
Man wiederholte das Beispiel 1 , wobei in der gelbildenden Flüssigkeit außerdem 10 g Holzmehl dispergiert wurden. Die feuchten Kugeln hatten einen Durchmesser von 3,2 bis 3,6 mm. Die getrockneten Kugeln hatten einen Durchmesser von 2,9 bis 3,1 mm.
Claims
1 . Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern mit im Hohlkörper eingeschlossenen, frei beweglichen Partikeln, bei dem man a) Partikel in einer gelbildenden Flüssigkeit suspendiert und die gelbildende Flüssigkeit in ein Vernetzungsbad einbringt,
b) die sich bildenden Gel-Kerne isoliert,
c) die Kerne mit einem versinterbaren Material und einen Binder enthaltenden Zu- sammensetzung beschichtet und
d) die beschichteten Kerne einer Wärmebehandlung unterzieht, bei der das Gel und der Binder ausgetrieben werden und das sinterbare Material zu einer geschlossenen Schale versintert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die gelbildende Flüssigkeit einen ionisch vernetzenden Gelbildner enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der ionisch vernetzende Gelbildner unter Alginaten, Carrageenen, Chitosanen und Pektinaten ausgewählt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei der ionisch vernetzende Gelbildner Natrium- Alginat ist und das Vernetzungsbad Calciumionen enthält.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in der gelbilden- den Flüssigkeit außerdem ein sublimierbarer und/oder pyrolisierbarer Füllstoff suspendiert ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem man a1 ) das Vernetzungsbad mit einer Flüssigphase überschichtet, die weder mit dem Vernetzungsbad noch mit der gelbildende Flüssigkeit mischbar ist, a2) die gelbildende Flüssigkeit mit den darin dispergierten Partikeln in die Flüssigphase einbringt, und
a3) Tropfen der gelbildenden Flüssigkeit aus der Flüssigphase in das Vernet- zungsbad einsinken lässt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die gelbildende Flüssigkeit 10 bis 90 Gew.-% dispergierte Partikel, bezogen auf das Gesamtgewicht der gelbildenden Flüssigkeit und der Partikel, enthält.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Partikel unter anorganischen Stoffen ausgewählt sind.
9. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Partikel ein Carbid, Nitrid, Oxid, Silizid und/oder Aluminid umfassen.
10. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Partikel unter ZrÜ2, AI2O3, ΤΊΟ2 und S1O2 oder Gemischen davon ausgewählt sind.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mittlere Größe der Partikel 5 nm bis 500 μηη beträgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das sinterbare Material ein Metallpulver ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Metallpulver Carbonyleisenpulver ist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kerne im Wesentlichen kugelförmig sind.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kerne einen Durchmesser von 0,1 bis 20 mm aufweisen.
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