WO2005000446A1 - Keramischer flachmembranstapel und verfahren zur herstellung eines solchen - Google Patents

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flat membrane
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green
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Jochen Kriegsmann
Peter Strate
Bülent Ersen
Rüdiger Büchler
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Fachhochschule Koblenz
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Definitions

  • the invention relates to the field of filter and separation technology and ceramics and relates to a flat membrane stack made of ceramic flat membranes.
  • Such flat membrane stacks can be used both for liquid filtration and for gas separation.
  • Such flat membrane stacks are also suitable for filtering out particles, in particular diesel particles, from the exhaust gas flow of an internal combustion engine.
  • Such flat membrane stacks made of ceramic flat membranes are preferably used in the form of filter modules.
  • Such filter modules comprise a filter housing and at least one flat membrane stack according to the invention.
  • Ceramic membranes are available with planar geometry and with tube geometry.
  • Filter modules with planar flat membranes are known for example from PCT-DE 00-02142.
  • the ceramic flat membranes are arranged parallel one above the other in the flat membrane stack.
  • the flat membrane stack is obtained according to PCT-DE 00-02142 in that individual flat membranes are arranged one above the other and spaced apart with the aid of a spacer.
  • the ceramic flat membranes known from PCT-DE 00-02142 are made up of at least two layers, each of the two layers again consisting of at least two partial layers.
  • the two sub-layers of the two layers have different average pore sizes.
  • the flat membrane stack is produced by successively positioning a first and a second flat membrane with spacers one above the other. The flat membranes are then contacted and the unit is solidified by sintering.
  • a disadvantage of such a structure is that each individual flat membrane must be manufactured individually, the individual flat membranes must be positioned in a stack after manufacture, contacted and then the entire stack of membrane membranes must be solidified.
  • the object of the invention is to provide a flat membrane stack which is much easier to manufacture than the flat membrane stack as described in PCT-DE 00-02142.
  • the object is achieved in that the flat membrane is constructed as a one-piece membrane, comprising at least two partial layers of different porosity, and is divided into two partial sections and the at least two partial sections of the flat membrane are stacked one above the other.
  • the main advantage of such a concept is that only a single film has to be cast, which is then formed into a flat membrane stack by folding.
  • recrystallized materials such as recrystallized silicon carbide (RSiC), recrystallized boron carbide (RB 4 C), recrystallized aluminum nitride (RAIN) or recrystallized titanium carbide (RTiC) or recrystallized boron nitride (RBN) are used as materials. These materials are generally obtained by sintering sets of raw materials that contain raw material particles and optionally aggregates.
  • the recrystallized silicon carbide is particularly preferred is particularly suitable for the filtration of diesel particles from an exhaust gas flow, since recrystallized silicon carbide (RSiC) is a wear-resistant, chemically resistant ceramic material with adjustable porosity and pore size or pore size distribution.
  • RSiC is thermally much more resilient than cordierite, which plays an important role especially in the regeneration phase of a filter resulting from it.
  • Silicon carbide is a semiconducting material.
  • the electrical conductivity can be increased by targeted doping so that combustion of soot particles, which are retained in the filter, is possible through direct current passage.
  • the comparatively high thermal conductivity compared to other ceramic materials means that the material is resistant to temperature changes.
  • the production of the ceramic flat membrane stack according to the invention takes place on the basis of a flexible film green body, the flat membrane.
  • Various techniques are possible in order to obtain the film green body, as described in DE 197 36 560.
  • Production in the slip casting process, in die casting and film casting, in the extrusion process, in injection molding, in isostatic pressing and in axial pressing and comparable processes are conceivable.
  • the film casting technique is particularly preferred as the shaping method for producing the green film bodies. It can be used to produce films that are flexible in the green, ie in the unfired or green condition.
  • the foils can also be glued together, ie laminated, so that multilayer structures possible are.
  • the thickness of the individual foils is preferably more than 200 ⁇ m.
  • the film green body consists, for example, of two partial layers, a coarse-porous and a fine-porous partial layer.
  • the individual layers or partial layers of such a structure can also be designed in a graded manner in that they have different porosities or pore sizes.
  • one partial layer is preferably a coarse-porous partial layer
  • the other partial layer is a fine-porous partial layer.
  • Such two-layer films can be produced by using the film casting technique of the shaping process in conjunction with the laminating technology.
  • the advantage of recrystallized silicon carbide (RSiC) is that, unlike most other ceramics, RSiC bodies do not shrink during firing, so that when there are graded layers, the sintering process does not induce structural stresses that cause warping between the layers or even Break.
  • the green sheet is formed in the fired state to form the flat membrane by folding adjacent sections into a green sheet stack.
  • a largely elastic, flexible SiC-containing film is used, which is not only laminatable but also foldable, for example, like paper.
  • the high flexibility of the film allows filter arrangements with high specific, ie outer surfaces too.
  • a laminated, graded double film with two pore sizes is preferably used.
  • a relatively coarse-pore structure is provided on the inlet side of the filter module, while the outlet side is fine-pore. This arrangement enables a more uniform separation, for example of the diesel particles, than is possible with a filter with a symmetrical membrane structure.
  • the green film body is preferably folded using inserts in the form of spacers.
  • the spacers on the one hand give that Foil green body stacks a certain stability, on the other hand they provide the necessary distance between the individual sections of the green foil body. It is particularly preferred if materials are used as spacers which are completely removed thermally, for example during firing. Preferred materials are then cellulose materials, especially paper.
  • the folded film green body stack can be brought into its final shape, for example, by axial pressing.
  • a thermally oxidative removal is preferably carried out.
  • the final flat membrane stack is obtained from the preformed film green body stack by firing or sintering.
  • a filter module There are various options for producing a filter module.
  • the sintering can be carried out and then limiting plates and plates with inlet or outlet openings can be attached to the sintered filter stack.
  • a preferred method is, however, to also manufacture the lateral boundary plates or the inlet openings and the outlet openings from a recrystallizable green body and in the unsintered, i.e. in the green state, still to be attached or attached to the stack of film green bodies. After this has taken place, the entire filter module, that is to say the film filter stack with attached limit plates, is fired or sintered.
  • the filter modules according to the invention are particularly preferably used as particle filters, in particular for particles in the exhaust gas flow of a vehicle, in particular of a vehicle with a diesel engine.
  • a diesel engine the combustion in the diesel engine is incomplete, so that there are fine soot particles in the exhaust gas stream which have a bimodal distribution.
  • fine-particle particles lying in the nanometer range a high degree of lung mobility and thus a high degree of cancer risk are expected, since no evolutionary protective mechanisms against these fine particles could develop in the human organism.
  • a recrystallized material in particular silicon carbide (RSiC)
  • RiC silicon carbide
  • the input side of the filter is relatively large-pored, preferably with pore diameters in the range from 10 to 50 ⁇ m, and the output side is fine-pored, preferably with pore sizes from 0.3 to 15 ⁇ m.
  • the two-layer system guarantees a more uniform separation of diesel particles than any symmetrical filter in the cross section of the filter.
  • the folding creates large outer surfaces. By attaching support walls to the side of the filter stack, an increased stability of the structure and gas tightness is achieved.
  • the filter module is preferably installed in the form of a particle filter in the exhaust line of a diesel vehicle.
  • Fig. 1 shows a system for casting the film green body
  • FIG. 2A section through a symmetrical membrane
  • Fig. 2B section through an asymmetrical membrane 2C section through a double-layer green film body that forms an asymmetrical membrane.
  • FIG. 3 basic view of the compacting to produce a graded double film.
  • FIG. 4 a folded film during the pressing
  • Fig. 5 the attachment of side boundary plates and the inlet and outlet side of a filter module.
  • a slip of the raw material offset or later green body that is to be subjected to a shaping process is produced.
  • the slip which is a suspension of inorganic and organic components, is mixed by intensive mixing for several hours, for example in a cylindrical grinding media.
  • the film casting process is based on a pourable suspension. It is, for example, in the article by J. Heinrich “Foil casting of oxidic and non-oxide ceramic powder” in the book “Modern. Edited by H. Kolaska and H. Greve
  • modal grain distributions should be preferred to a continuous grain distribution with a relatively broad grain spectrum as well as the so-called “monosized powder", in which all particles have approximately the same size.
  • DJ Cumberland R J. Crawford: The Packing of Particles, Elsevier Science, Amsterdam, 1987. In filtration there are high porosities in connection with fine pores desirable.
  • modal, ie stepped or bimodal, grain distributions consisting of two fractions are less suitable than the two other distributions mentioned, ie the grain distribution with a relatively broad grain spectrum or the “income” distribution can surprisingly be used in the flat membrane stacks according to the invention of modal distributions to achieve a substantially more uniform, ie more homogeneous pore distribution.
  • a monomodal grain offset with a narrow or wide grain distribution is advantageous.
  • water is first mixed with a condenser. It can be a liquefier based on ammonium hydroxide or on an organic basis.
  • the pH of the solution liquefied with ammonium hydroxide is adjusted to 11.4.
  • a silicon carbide offset with a bimodal grain distribution with 70% by weight of coarse particles and 30% by weight of fine particles is used.
  • the d 5 o of the coarse-value coma portion is 9.30 microns, the dso value of the fine grain fraction 1, 00 microns.
  • a pourable slip with a low solids content or low "liter mass" is preferred in order to achieve a low green density.
  • the raw materials are preferably selected such that the film green bodies have a fine pore size but a low density, preferably ⁇ 50% of the theoretical density of the SiC, so that the pressure loss of the exhaust gas does not become too high when used as a particle filter.
  • Some of the offsets preferably also have a dopant, for example boron-containing substances, to influence the electrical conductivity.
  • a film casting installation as shown in FIG. 1, is used as the shaping unit for casting the film.
  • a suspension 3 located in a double-chambered storage container consisting of a dispersing agent, for example water, an organic binder and the grain mixture, is moved through a gap 7 delimited by a blade 5
  • Cast plastic tape 9 with adjustable feed speed. Due to the double chamber, air bubbles are retained in the casting shoe. In the steel plate 11, which carries the plastic band, there are bores for evacuation. By applying a vacuum, the plastic band 9 is positioned on the base and thereby the fluctuation in the gap width that the
  • the cast film for example, has a width of 200 mm and a maximum length of 4 m.
  • the films are either dried directly over the belt with an infrared or circulating dryer during the casting process or simply left to dry in air after the casting process.
  • the belt feed speed to be selected depends on the desired film thickness. The thinner the film, the higher the feed speed can be selected. With integrated drying, a thickness of 1.1 mm should not be exceeded, since otherwise the film can no longer be dried evenly. If the air is subsequently dried, there is no dependence of the casting speed on the layer thickness and thus a layer thickness of up to 2 mm is possible. After drying, the film is removed from the plastic tape.
  • the film green body can be glued together, i.e. H. laminated, so that multilayer structures are possible. Alternatively, it is also possible to achieve a multilayer by spraying a film with casting slip.
  • the individual layers of such a sandwich structure can also be designed in a graded manner by having different porosities or pore sizes. By using a grading technique, the technological advantage of the recrystallized materials can be exploited, which consists in the fact that, in contrast to most other ceramics, the corresponding bodies do not shrink during the fire, so that in the presence of graded layers, the sintering process does not induce any structural stresses that cause Signs of distortion between the layers or even break.
  • FIGS. 2A to 2C show sections through different green film bodies.
  • Figure 2A shows a so-called symmetrical membrane
  • Figure 2B shows a so-called asymmetrical membrane.
  • the channels are designated with the reference number 50.
  • Figure 2C is a double-layered green film body, which forms an asymmetrical membrane, with coarse
  • the grading can be achieved by connecting two foils with different microstructures using a lamination process.
  • lamination is possible at room temperature. At higher temperatures, better lamination is expected.
  • the rollers can be heated, for example with hot water flowing through them.
  • a first green sheet forming the first partial layer and a second green sheet forming the second partial layer become a roll nip 100, which is formed by two rollers 102 and 104, supplied.
  • the two rollers 102 104 rotate in the same direction and press the two green film bodies against one another, so that a green film body is formed with a first and a second partial layer.
  • the grading can be achieved by spraying a slip onto a dried film.
  • the film green body is folded into a film green body stack.
  • the folding process is preferably carried out by inserting spacers, for example spacers based on cellulose. It is particularly preferred to use paper layers, preferably with a thickness of .0.05 to 0.5 mm, as spacers.
  • the film green bodies according to the invention have a very high degree of flexibility and can therefore be bent or folded without breaking, namely up to 180 °.
  • the film contains an organic binder, which largely determines the green strength of the molded article, and a plasticizer, which guarantees the flexibility of the film.
  • the folded structure is then brought into its final shape by axial pressing.
  • Figure 4 the folding and pressing is shown schematically.
  • the film green body stack shown in FIG. 4 consists of a total of eight partial sections of the green film body which are stacked one above the other. These are labeled 100.1, 100.2, 100.3, 100.4, 100.5, 100.6, 100.7 and 100.8.
  • the stacked sections of the film green body are obtained by folding around the folds 102.1, 102.2, 102.3, 102.4, 102.5, 102.6 and 102.7.
  • the paper layers introduced as support bodies and spacers between the individual sections stacked one above the other have the advantage that they can be completely removed thermally and oxidatively without destroying the structure of the stack. After thermally oxidative removal of the paper layers, the channels necessary for use as filter elements remain between the individual sections of the film green body.
  • a filter module based on such a stack of sections of flat membranes can be obtained if the flat membrane stack is provided with lateral limiting plates and with an inlet and an outlet side.
  • the side boundary plates and the inlet and outlet side of the filter module are attached.
  • Boundary plates on the inlet or outlet side using a garnishing technique i.e. an adhesive technique still in the green state.
  • FIG. 5 shows schematically the garnishing of the side boundary plates 200.1, 200.2, 200.3, 200.4.
  • the inlet side 202 and the outlet side 204 of a filter module are shown, for example for the later use of the filter module in the exhaust gas duct.
  • the filter module shown in the sketch has a rectangular cross section. By gradually reducing the film widths, structures with oval or circular cross sections are also conceivable.
  • the stack of film green bodies with different sections of the film green body, which act as membranes after sintering is designated 100.1, 100.2, 100.3, 100.4, 100.5.
  • the inlet side 202 and the outlet side 204 are shown in FIG. 5.
  • the direction of flow of a stream to be filtered or of the filtrate is also shown.
  • the exhaust gas stream entering via the inlet side 202 flows in the direction 206, then the membrane as shown.
  • the diesel particles are separated at the interface.
  • a cleaned exhaust gas stream then emerges on the outlet side of the membrane, which flows to the exhaust gas line via the outlet opening 204 is handed over.
  • the advantage of the folds is clearly visible.
  • the folds separate the inlet side from the outlet side. In order for the exhaust gas medium to be cleaned to reach the outlet side, it must flow through the membrane. A separate closing of the channels as in the prior art is therefore not necessary with the new technology.
  • the filter modules are dried after the garnish.
  • the large quantities of organic binder contained in the film casting slip, which is responsible for the strength and flexibility of the film, and the paper layers between the folded sections of the film green body as spacers are also called debinding and are carried out, for example, at approx. 600 ° C in air.
  • the sintering or firing of the recrystallized carbide follows in graphite-lined induction or resistance furnaces at temperatures up to a maximum of 2150 ° C in a quasi-quiescent argon atmosphere which is under reduced pressure (vacuum) or under normal pressure, while recrystallized nitrides are sintered in appropriate nitrogen atmospheres or burned.
  • the temperature is measured using a pyrometer calibrated by a W / ReThermoelement.
  • the filter module according to the invention After the filter module according to the invention has been produced as described above, it can be installed in an exhaust line, for example of the diesel particle filter.
  • an easy to produce filter stack is first created, which can be used, for example, in a filter module, for example a diesel particle filter.
  • the filter module is also characterized by a fine pore size and by the fact that a filter with graded walls was created according to an asymmetrical membrane. Due to the finer pore sizes, finer particles can be separated. The loading of the filter can be evened out by the asymmetrical membrane. Because paper with a thickness of 0.03 to 0.3 mm can be used as a spacer, a large (outer) surface is possible with a small filter volume.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Flachmembranstapel insbesondere zur verwendung als partikelfilter im Abgasstrom eines Fahrzeuges umfassend mindestens eine Keramische Flachmembran, wobei die Flachmembran mindestens zwei Teilabschnitte und mindestens zwei Teilschichtten unterschiedliche mittlere porengrössen aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Teilabschnitte durch Falten der Flachmembran gestapelt übereinander angeordnet sind.

Description

KERAMISCHER FLACHMΞMBRANSTAPEL UND VERFAREN ZUR HERSTELLUNG EINES SOLCHEN
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Filter- und Separationstechnik und der Keramik und betrifft einen Flachmembranstapel aus keramischen Flachmembranen. Derartige Flachmembranstapel können sowohl zur Flüssigkeitsfiltration wie zur Gasseparation verwandt werden.
Insbesondere sind derartige Flachmembranstapel auch zum Herausfiltern von Partikeln, insbesondere Dieselpartikeln, aus dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors geeignet. Derartige Flachmembranstapel aus keramischen Flachmembranen werden bevorzugt in Form von Filtermodulen eingesetzt. Derartige Filtermodule umfassen ein Filtergehäuse und mindestens einen erfindungsgemäßen Flachmembranstapel. Keramische Membrane gibt es mit Planargeometrie und mit Rohrgeometrie.
Filtermodule mit planaren Flachmembranen sind beispielsweise aus der PCT-DE 00-02142 bekannt. Bei dem aus der PCT-DE 00-02142 bekannten Flachmembranstapel sind die keramischen Flachmembranen in dem Flachmembranstapel parallel übereinander angeordnet. Der Flachmembranstapel wird gemäß der PCT-DE 00-02142 dadurch erhalten, dass einzelne Flachmembranen übereinander angeordnet und mit Hilfe eines Abstandshalters voneinander beabstandet werden. Die aus der PCT-DE 00-02142 bekannten keramischen Flachmembranen sind aus mindestens zwei Schichten aufgebaut, wobei wiederum jede der beiden Schichten aus mindestens zwei Teilschichten besteht. Diese Teilschichten werden als Folie gegossen, wobei erst die eine Teilschicht als Folie gegossen und ganz oder teilweise getrocknet wird und anschließend auf diese Folie die zweite Folie aus dem Material für die zweite Teilschicht gegossen und getrocknet wird. Die beiden Teilschichten der beiden Schichten haben unterschiedliche mittlere Porengrößen. Die Herstellung des Flachmembranstapels geschieht durch sukzessives Positionieren eines ersten und eines zweiten Flachmembrans mit Abstandshalter übereinander. Die Flachmembranen werden dann kontaktiert und die Verfestigung der Einheit durch Sintern realisiert.
Nachteilig an einem derartigen Aufbau ist, dass jede einzelne Flachmembran einzeln hergestellt werden muss, die einzelnen Flachmembranen nach der Herstellung in einem Stapel positioniert, kontaktiert und sodann der gesamte Fiachmembranstapel verfestigt werden muss. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Flachmembranstapel anzugeben, der wesentlich einfacher herzustellen ist, als der Flachmembranstapel wie in der PCT-DE 00-02142 beschrieben. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Flachmembran als eine einstückige Membran, umfassend mindestens zwei Teilschichten unterschiedlicher Porosität, aufgebaut ist und in zwei Teilabschnitte aufgeteilt ist und die mindestens zwei Teilabschnitte der Flachmembran gestapelt übereinander angeordnet sind. Der wesentliche Vorteil eines derartigen Konzeptes, besteht darin, dass nur noch eine einzige Folie gegossen werden muss, die dann durch Falten zu einem Flachmembranstapel geformt wird. Ein Positionieren einzelner Flachmembranstapel wie im Stand der Technik beschrieben ist dann nicht mehr notwendig. Das Falten eines flexiblen Foliengrünkörpers der Flachmembran zu einem Flachmembran-Grünkörperstapel und anschließendes Sintern desselben zu einem Flachmembranstapel verdeutlicht eine erhebliche fertigungstechnische Vereinfachung. Damit zwischen den einzelnen Teilabschnitten Kanäle ausgebildet werden, können in einer bevorzugten Ausführungsform vor jedem Faltschritt zwischen zwei benachbarten Teilabschnitten des Foliengrünkörpers
Abstandshalter eingebracht werden. Als Werkstoffe kommen insbesondere rekristallisierte Werkstoffe, wie zum Beispiel rekristallisiertes Siliziumcarbid (RSiC), ) rekristallisiertes Borcarbid (RB4C), rekristallisiertes Aluminiumnitrid (RAIN) oder rekristallisiertes Titancarbid (RTiC) oder rekristallisiertes Bornitrid (RBN) zum Einsatz. Diese Werkstoffe werden im Allgemeinen durch Sintern von Rohstoffsätzen gewonnen, die Rohstoffpartikel und gegebenenfalls Zuschlagstoffe erhalten. Besonders bevorzugt ist hierbei das rekristallisierte Siliziumcarbid, das insbesondere für die Filtration von Dieselpartikeln aus einem Abgasstrom geeignet ist, da es sich bei rekristallisiertem Siliziumcarbid (RSiC) um einen verschleißbeständigen chemisch resistenten keramischen Werkstoff mit einstellbarer Porosität und Porengröße bzw. Porengrößenverteilung handelt. RSiC ist thermisch wesentlich stärker belastbar als Cordierit, was insbesondere in der Regenerationsphase eines daraus resultierenden Filters eine große Rolle spielt. Siliziumcarbid ist ein halbleitendes Material. Die elektrische Leitfähigkeit lässt sich durch gezielte Dotierung so erhöhen, dass eine Verbrennung von Rußpartikeln, die im Filter zurückgehalten werden, durch direkten Stromdurchgang möglich ist. Die im Vergleich zu anderen keramischen Werkstoffen vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit bedingt eine gute Temperatύrwechselbeständigkeit des Materials.
Aus der DE 197 36 560 C2, deren Offenbarungsgehalt in die vorliegende Anmeldung vollumfänglich miteingeschlossen wird, ist ein Verfahren bekanntgeworden, mit dem es möglich ist, einen rekristallisierten keramischen Werkstoff, insbesondere rekristallisiertes Siliziumcarbid (RSiC) mit einer definierten, besonders feinen und gleichmäßigen Porenstruktur zu erzeugen. Dies geschieht über die Sintertemperatur, über die die Korngrößenverteilung steuerbar und gezielt gemäß der DE 197 36 560 C2 einstellbar ist. Mit Hilfe des aus der
DE 197 36 560 C2 bekannten Verfahrens ist es möglich, poröse Matrizes sowohl mit groben wie mit feinen Poren zu erhalten. Die Herstellung der keramischen Flachmembranstapel gemäß der Erfindung geschieht auf Basis eines flexiblen Foliengrünkörpers, der Flachmembran. Um den Foliengrünkörper zu erhalten, sind verschiedene Techniken möglich, wie in der DE 197 36 560 beschrieben. Denkbar sind eine Herstellung im Schlickerguss-Verfahren, im Druckguss und Folienguss, im Extrudierverfahren, im Spritzguss, im isostatischen Pressen und im axialen Pressen und vergleichbaren Verfahren. Besonders bevorzugt ist als Formgebungsverfahren zur Herstellung der Foliengrünkörper die Foliengießtechnik. Mit ihr können Folien hergestellt werden, die im grünen, d.h. im ungebrannten bzw. ungesinterten Zustand flexibel sind. Die Folien können auch miteinander verklebt, d.h. laminiert werden, so dass mehrlagige Strukturen möglich sind. Die Dicke der einzelnen Folien beträgt bevorzugt mehr als 200 μm. Bei mehrlagigen Strukturen besteht der Foliengrünkörper aus beispielsweise zwei Teilschichten, einer grobporösen und einer feinporösen Teilschicht. Die einzelnen Lagen bzw. Teilschichten einer solchen Struktur können auch gradiert gestaltet werden, indem sie unterschiedliche Porositäten bzw. Porengrößen aufweisen.
Bevorzugt ist bei einem Zwei-Schicht-System die eine Teilschicht eine grobporöse Teilschicht, die andere Teilschicht eine feinporöse Teilschicht. Durch Anwendung der Foliengießtechnik des Formgebungsverfahrens in Verbindung mit der Laminiertechnik lassen sich derartige Zwei-Schicht-Folien herstellen. Der Vorteil des rekristallisierten Siliziumcarbids (RSiC) besteht darin, dass RSiC-Körper im Gegensatz zu den meisten anderen Keramiken beim Brand nicht schwinden, so dass beim Vorliegen gradierter Lagen durch den Sinterprozess keine Gefügespannungen induziert werden, die zu Verzugserscheinungen zwischen den Lagen oder gar zum Bruch führen.
Erfindungsgemäß wird der Foliengrünkörper ergebend im gebrannten Zustand die Flachmembran durch Faltung von jeweils benachbarten Teilabschnitten zu einem Foliengrünkörperstapel geformt. Dies ist möglich, da eine im „grünen", d.h. ungebrannten Zustand weitgehend elastische, flexible SiC-haltige Folie eingesetzt wird, die nicht nur laminierfähig, sondern auch beispielsweise wie Papier faltbar ist. Die hohe Flexibilität der Folie lässt Filteranordnungen mit hohen spezifischen, d.h. äußeren Oberflächen zu.
Bevorzugt wird eine laminierte, gradierte Doppelfolie mit zwei Porengrößen verwendet. Bei Verwendung des Filterstapels in einem Filtermodul wird auf der Einlassseite des Filtermoduls eine relativ grobporige Struktur vorgesehen, während die Auslaufseite feinporig ist. Durch diese Anordnung kann eine gleichmäßigere Abscheidung, beispielsweise der Dieselpartikel, erfolgen, als das bei einem Filter mit einem symmetrischen Membranaufbau möglich ist.
Das Falten des Foliengrünkörpers erfolgt bevorzugt über Einlagen in Form von Abstandshaltern. Die Abstandshalter verleihen zum einen dem Foliengrünkörperstapel eine gewisse Stabilität, zum anderen sorgen sie für den notwendigen Abstand zwischen den einzelnen Teilabschnitten des Foliengrünkörpers. Besonders bevorzugt ist es, wenn als Abstandshalter Materialien verwendet werden, die beispielsweise beim Brennen thermisch vollständig entfernt werden. Bevorzugte Materialien sind dann Zellulosematerialien, insbesondere Papier.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der gefaltete Foliengrünkörperstapel beispielsweise über axiales Pressen in seine endgültige Form gebracht werden.
Um im Foliengrünkörper enthaltene Bindemittel sowie die optional noch zwischen den gefalteten Doppelfolien eingebrachten Papierlagen als Abstandshalter zu entfernen, wird bevorzugt eine thermisch oxidative Entfernung durchgeführt.
Der endgültige Flachmembranstapel wird aus dem vorgeformten Foliengrünkörperstapel durch Brennen bzw. Sintern erhalten.
Zur Herstellung eines Filtermoduls ergeben sich verschiedene Möglichkeiten. Zum einen kann nachdem der Filterstapel gefaltet und gepresst wurde das Sintern durchgeführt werden und anschließend an den gesinterten Filterstapel Begrenzungsplatten und Platten mit Einlauf- bzw. Auslauföffnungen angebracht werden. Ein bevorzugtes Verfahren ist es aber, die seitlichen Begrenzungsplatten bzw. die Einlassöffnungen und die Auslassöffnungen ebenfalls aus einem rekristallisierbaren Grünkörper zu fertigen und im ungesinterten, d.h. im grünen Zustand, noch an den Foliengrünkörperstapel anzubringen bzw. anzugarnieren. Nachdem dies erfolgt ist, wird das gesamte Filtermodul, also der Folienfilterstapel mit angarnierten Begrenzungsplatten gebrannt bzw. gesintert.
Besonders bevorzugt finden die erfindungsgemäßen Filtermodule als Partikelfilter, insbesondere für Partikel im Abgasstrom eines Fahrzeuges, insbesondere eines Fahrzeuges mit einem Dieselmotor, Verwendung. Bei Fahrzeugen mit einem Dieselmotor ist die Verbrennung im Dieselmotor unvollständig, so dass sich im Abgasstrom feine Rußpartikel befinden, die eine bimodale Verteilung aufweisen. Besonders bei feinteiligen, im Nanometerbereich liegenden Partikeln wird eine hohe Lungengängigkeit und damit eine hoher Grad an Krebsgefährdung erwartet, da sich im menschlichen Organismus keine evolutionsbedingten Schutzmechanismen gegen diese feinen Teilchen entwickeln konnten. Um die Emission von Partikeln im Abgasstrom eines Dieselfahrzeugs zu reduzieren ist es aber erforderlich, eine Dieselpartikelfiltration vorzunehmen.
Mit dem erfindungsgemäßen Filtermodul ist es möglich, einen effektiven Dieselpartikelfilter zur Verfügung zu stellen, mit dem selbst Nanopartikel wirksam gefiltert werden können. Als poröser Filterwerkstoff ist erfindungsgemäß ein rekristallisierter Werkstoff, insbesondere Siliziumcarbid (RSiC) vorgesehen, das vorzugsweise zweilagig nach dem Prinzip einer asymmetrischen Membran in einer Gesamtschichtdicke zwischen 100 und 1000 μm, vorzugsweise zwischen 200 und 600 μm, aufgebaut ist. Die Eingangsseite des Filters ist relativ grobporig, bevorzugt mit Porendurchmessern im Bereich von 10 bis 50 μm gewählt und die Ausgangsseite feinporig, bevorzugt mit Porengrößen von 0,3 bis 15 μm. Die Zweilagigkeit garantiert eine gleichmäßigere Abscheidung von Dieselpartikeln als etwaige symmetrische Filter im Querschnitt des Filters. Durch die Faltung werden große äußere Oberflächen erzielt. Durch das Anbringen von Stützwänden seitlich am Filterstapel wird eine erhöhte Stabilität der Struktur und Gasdichtigkeit erreicht. Bevorzugt wird das Filtermodul in Form eines Partikelfilters in den Abgasstrang eines Dieselfahrzeugs eingebaut.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine Anlage zum Gießen des Foliengrünkörpers
Fig. 2A Schnitt durch eine symmetrische Membran Fig. 2B Schnitt durch eine unsymmetrische Membran Fig. 2C Schnitt durch einen doppellagigen Foliengrünkörper, der eine unsymmetrische Menbran ausbildet Fig. 3 prinzipielle Ansicht des Walzen kompaktierens zur Herstellung einer gradierten Doppelfolie Fig. 4 eine gefaltete Folie während des Pressens
Fig. 5 das Anbringen seitlicher Begrenzungsplatten sowie die Einlauf- und Auslaufseite eines Filtermoduls.
Nachfolgend sollen an einem Beispiel exemplarisch die Schritte zum Herstellen eines Filtermoduls gemäß der Erfindung sowie das erfindungsgemäße Filtermodul selbst beschrieben werden. Zunächst wird ein Schlicker des Rohstoffversatzes bzw. späteren Grünkörpers, der einem Formgebungsprozess unterworfen werden soll, hergestellt. Der Schlicker, der eine Suspension aus anorganischen und organischen Komponenten ist, wird durch intensive Mischung über mehrere Stunden, beispielsweise in einem zylindrischen Mahlkörper gemischt.
Bei dem Foliengießverfahren wird wie beim bekannten Schlickergießen von einer gießfähigen Suspension ausgegangen. Es wird zum Beispiel in dem Aufsatz von J. Heinrich „Foliengießen oxidischer und nichtoxidischer keramischer Pulver" in dem von H. Kolaska und H. Greve herausgegebenen Buch „Moderne
Formgebungsverfahren „Pulvermetallurige - Keramik", Gemeinschaftsausschuss für Pulvermetallurgie, Hagen, 1985, 237 - 248 (ISBN 3-925543-00-7) beschrieben. Die Suspergierung der Pulver erfolgt in organischen und wässrigen Lösungen unter Einsatz von Bindern oder Plastifizierem. Aus umweltrelevanten Gründen sind Suspensionen auf wässriger solchen auf organischer Basis vorzuziehen.
Zur Erzielung hoher Gründichten sind modale Kornverteilungen einer kontinuierlichen Kornverteilung mit relativ breitem Kornspektrum sowie dem sogenannten „Einkom'-Pulver (monosized powder), bei dem alle Partikel etwa gleiche Größe besitzen, vorzuziehen. Diesbezüglich wird auf D. J. Cumberland: R J. Crawford: The Packing of Particles, Elsevier Science, Amsterdam, 1987 verwiesen. Bei der Filtration sind hohe Porositäten in Verbindung mit feinen Poren anzustreben. Dies würde bedeuten, dass modale, d. h. gestufte bzw. bimodale, aus zwei Fraktionen bestehende Kornverteilungen weniger geeignet sind als die beiden anderen genannten Verteilungen, d. h. die Kornverteilung mit relativ breitem Kornspektrum oder die „Einkom"-Verteilung überraschenderweise lassen sich bei den erfindungsgemäßen Flachmembranstapeln mit einer modalen Verteilungen wesentlich gleichmäßigere, d. h. homogenere Porenverteilungen erzielen. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Porenverteilung bei sehr feinen Porengrößen kleiner oder gleich 1 μm ist ein monomodaler Kornversatz mit einer engen oder breiten Kornverteilung von Vorteil.
Nachfolgend soll die Herstellung eines möglichen Foliengießschlickers beispielhaft beschrieben werden. Ein Fachmann wird ohne erfinderisches Zutun je nach Art der gewünschten Konsistenz und der rheologischen Eigenschaften des Schlickers, der gewünschten Beschaffenheit der Grünfolie, sowie der einzustellenden Porengröße bzw. Porengrößenverteilung der gebrannten Folie die Art und Menge der Verflüssiger bzw. der einzustellende pH-Wert und das Verhältnis von Grob- und Feinkornanteilen in weiten Grenzen einstellen.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird zunächst Wasser mit einem Verflüssiger vermischt. Dabei kann es sich um einen Verflüssiger auf der Basis von Ammoniumhydroxid oder auf organischer Basis handein. Der pH-Wert der mit Ammoniumhydroxid verflüssigten Lösung wird auf 11 ,4 eingestellt. Beispielsweise wird ein bimodaler Siliziumcarbid-Versatz mit der Komverteilung d50 = 3 μm für die Grobkorn-Fraktion (70 Gew.-%) und d5o = 0,5 μm für die Feinkorn-Fraktion (30 Gew.-%) in die Lösung eingerührt. Auf diese Weise wird ein homogener wässriger Schlicker mit einem Feststoffanteil von etwa 75 Gew.-% hergestellt. Um eine Matrix mit relativ grobporiger Struktur zu erhalten, wird ein Siliziumcarbid- Versatz mit einer bimodalen Kornverteilung mit 70 Gew.-% Grobkornanteil und 30 Gew.-% Feinkornanteil verwendet. Der d5o-Wert des Grobkomanteils beträgt 9,30 μm, der dso-Wert des Feinkornanteils 1 ,00 μm. Nach dem Sintern wird eine Matrix mit einer relativ grobporigen Struktur erhalten. Bevorzugt wird ein gießfähiger Schlicker mit einem niedrigen Feststoffgehalt bzw. niedriger „Litermasse", um eine geringe Gründichte zu erreichen.
Bevorzugt werden die Rohstoffe derart ausgewählt, dass die Foliengrünkörper eine feine Porengröße aber eine geringe Dichte, vorzugsweise < 50% der theoretischen Dichte des SiC aufweisen, damit bei der Verwendung als Partikelfilter der Druckverlust des Abgases nicht zu hoch wird. Bevorzugt weisen die Versätze zum Teil auch ein Dotierungsmittel, beispielsweise Bor-haltige Substanzen, zur Beeinflussung der elektrischen Leitfähigkeit auf.
Zum Gießen der Folie wird als Formgebungsaggregat eine Foliengießanlage, wie in Figur 1 dargestellt, verwendet. Dabei wird eine in einem doppelkammerigen Vorratsbehälter befindliche Suspension 3, bestehend aus einem Dispersionsmittel, beispielsweise Wasser, einem organischen Bindemittel und dem Korngemisch durch einen von einer Klinge 5 begrenzten Spalt 7 auf ein sich bewegendes
Kunststoffband 9 mit einstellbarer Vorschubgeschwindigkeit gegossen. Durch die Doppelkammerigkeit werden Luftbläschen im Gießschuh zurückbehalten. In der Stahlplatte 11 , die das Kunststoffband trägt, befinden sich Bohrungen für eine Evakuierung. Durch Anlegen eines Vakuums wird das Kunststoffband 9 auf die Unterlage positioniert und dadurch die Schwankung der Spaltbreite, die die
Foliendicke bestimmt, verringert. Die Gießfolie hat beispielsweise eine Breite von 200 mm und eine Maximallänge von 4 m. Die Folien werden entweder während des Gießprozesses direkt über dem Band mit einem Infrarot- oder Umwälztrockner getrocknet oder einfach nach dem Gießprozeß zur Trocknung an Luft stehen gelassen. Bei Integration des Trocknungsprozesses in den Gießvorgang hängt die zu wählende Vorschubgeschwindigkeit des Bandes von der gewünschten Foliendicke ab. Je dünner die Folie ist, desto höher kann die Vorschubgeschwindigkeit gewählt werden. Bei integrierter Trocknung sollte eine Dicke von 1 ,1 mm nicht überschritten werden, da sonst die Folie nicht mehr gleichmäßig getrocknet werden kann. Erfolgt die Trocknung nachträglich an Luft, so ist keine Abhängigkeit der Gießgeschwindigkeit von der Schichtdicke gegeben und damit eine Schichtdicke bis zu 2 mm möglich. Nach der Trocknung wird die Folie vom Kunststoff band abgezogen.
Die Foliengrünkörper können miteinander verklebt, d. h. laminiert, werden, so dass mehrlagige Strukturen möglich werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, eine Mehrlagigkeit durch Besprühen einer Folie mit Gießschlicker zu erreichen. Die einzelnen Lagen einer solchen Sandwich-Struktur können auch gradiert gestaltet werden, indem sie unterschiedliche Porositäten bzw. Porengrößen aufweisen. Durch Anwendung einer Gradierungstechnik lässt sich der technologische Vorteil der rekristallisierten Werkstoffe ausnutzen, der darin besteht, dass die entsprechenden Körper im Gegensatz zu den meisten anderen Keramiken beim Brand nicht schwinden, so dass beim Vorliegen gradierter Lagen durch den Sinterprozess keine Gefügespannungen induziert werden, die zu Verzugserscheinungen zwischen den Lagen oder gar zum Bruch führen.
In den Figuren 2A bis 2C sind Schnitte durch unterschiedliche Foliengrünkörper gezeigt. Figur 2A zeigt eine so genannte symmetrische Membran, Figur 2B eine so genannte unsymmetrische Membran. Bei beiden Figuren 2A und 2B sind die Kanäle mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet. In Figur 2C ist ein doppellagiger Foliengrünkörper, der eine unsymmetrische Membran ausbildet, mit groben
Kanalporen 52 in der Teilschicht 54 und feinen Kanalporen 56 in der Teilschicht 58 gezeigt.
Die Gradierung kann durch Verbinden zweier Folien mit unterschiedlichem Gefügeaufbau durch ein Laminierverfahren erreicht werden. Das Laminieren ist prinzipiell bei Raumtemperatur möglich. Bei erhöhter Temperatur wird aber ein besseres Laminieren erwartet. Zu diesem Zweck können die Walzen erhitzt werden, beispielsweise mit heißem Wasser durchströmt werden.
In Figur 3 ist schematisch das Prinzip des Walzenkompaktierens gezeigt. Ein erster Foliengrünkörper ausbildend die erste Teilschicht und ein zweiter Foliengrünkörper ausbildend die zweite Teilschicht werden einem Walzenspalt 100, der von zwei Walzen 102 und 104 ausgebildet wird, zugeführt. Die beiden Walzen 102 104 rotieren in gleicher Richtung und Pressen die beiden Foliengrünkörper aneinander an, so dass ein Foliengrünkörper mit einer ersten und einer zweiten Teilschicht ausgebildet wird. Alternativ kann die Gradierung durch Aufsprühen eines Schlickers auf eine getrocknete Folie erreicht werden.
Diese Methode der Gradierung hat sich besonders vorteilhaft erwiesen, wenn eine Schichtdicke kleiner als 0,1 mm sein soll. Nach der Gradierung erfolgt erfindungsgemäß die Faltung des Foliengrünkörpers zu einem Foliengrünkörperstapel. Um dem System eine gewisse Stabilität zu verleihen und die einzelnen aufeinandergestapelten Lagen des Foliengrünkörpers zu beabstanden, erfolgt der Faltungsprozess bevorzugt über das Einlegen von Abstandshaltern, beispielsweise Abstandshaltern basierend auf Zellulosebasis. Besonders bevorzugt ist es, als Abstandshalter Papierlagen, bevorzugt mit einer Dicke von .0,05 bis 0,5mm einzusetzen.
Durch das erfindungsgemäße Falten des einen einzigen, einstückigen Foliengrünkörpers zu einem Foliengrünkörperstapel wird im Gegensatz zum Stand der Technik auf sehr rationelle und einfache Art und Weise ohne aufwendige Arbeitsschritte nach dem Brennen ein Stapel von Flachmembranen erzeugt, die als Filterelement eingesetzt werden können.
Dies ist möglich, da die erfindungsgemäßen Foliengrünkörper über eine sehr hohe Flexibilität verfügen und daher, ohne dass sie brechen, gebogen bzw. gefaltet werden können, und zwar bis 180°.
Die Folie enthält neben dem modal verteilten keramischen Pulver einen organischen Binder, der die Grünfestigkeit des Formkörpers weitgehend bestimmt, und einen Plastifizierer, der die Flexibilität der Folie garantiert.
Der gefaltete Aufbau wird sodann über ein axiales Pressen in seine endgültige Form gebracht. In Figur 4 ist schematisch das Falten und Pressen gezeigt. Der in Figur 4 gezeigte Foliengrünkörperstapel besteht aus insgesamt acht übereinander gestapelt angeordneten Teilabschnitten des Foliengrünkörpers. Diese sind mit 100.1 , 100.2, 100.3, 100.4, 100.5, 100.6, 100.7 und 100.8 bezeichnet.
Die übereinander gestapelten Teilabschnitte des Foliengrünkörpers werden durch Faltung um die Falten 102.1 , 102.2, 102.3, 102.4, 102.5, 102.6 und 102.7 erhalten. Zwischen den einzelnen übereinander angeordneten Teilabschnitten des Foliengrünkörpers befinden sich Papierlagen als Abstandshalter 104.1 , 104.2, 104.3, 104.4, 104.5, 104.6, 104.7.
Ganz entscheidend ist, dass durch die Falten bereits die Eingangsseite des Filters und die Ausgangsseite des Filters, wie in Figur 5 näher dargestellt, bereits getrennt sind. Werden die Flachmembranen ohne Faltung lediglich aufeinander gestapelt, so müssen, um diesen Effekt zu erzielen an den jeweiligen Stellen zwischen die einzelnen Flachmembranen Abschlüsse eingebracht werden. Dies ist sehr aufwendig. Durch die Faltungstechnik werden diese Abschlüsse der Eingangsseite von der Ausgangsseite automatisch ohne zusätzlichen Arbeitsschritt erhalten.
Die als Stützkörper und Abstandshalter eingebrachten Papierlagen zwischen die einzelnen übereinander gestapelten Teilabschnitten haben den Vorteil, dass sie thermisch oxidativ vollständig entfernt werden können, ohne dass die Struktur des Stapels zerstört wird. Nach einer thermisch oxidativen Entfernung der Papierlagen bleiben zwischen den einzelnen Teilabschnitten des Foliengrünkörpers die für den Einsatz als Filterelemente notwendigen Kanäle übrig.
Nach dem Pressvorgang zu einem Foliengrünkörperstapel wie zuvor beschrieben, kann ein Filtermodul, basierend auf einem derartigen Stapel von Teilabschnitten von Flachmembranen erhalten werden, wenn der Flachmembranstapel mit seitlichen Begrenzungsplatten und mit einer Einlauf- sowie einer Auslaufseite versehen wird. Hierfür gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten. So kann der aus dem Foliengrünkörper durch thermisch oxidative Entfernung der Abstandshalter bzw. des im Foliengrünkörper enthaltenen Binders der Foliengrünkörperstapel gebrannt, d.h. gesintert werden und nachdem der Brand abgeschlossen ist, die seitlichen Begrenzungsplatten sowie die Einlaufsseite und die Auslaufseite des Filtermoduls angebracht werden. Bevorzugt ist aber ein Anbringen der
Begrenzungsplatten an der Einlauf- bzw. Auslaufseite über eine Garniertechnik, d.h. eine Klebetechnik noch im Grünkörperzustand.
Bevorzugt bestehen diese ebenfalls aus rekristallisierbaren Grünkörpern, damit beim nachfolgenden Brand keine Verzugserscheinungen auftreten. Sie weisen bevorzugt eine höhere Wandstärke als die des Foliengrünkörpers auf und bestehen aus einer höher verdichteten Materialvariante, um die Stabilität des Faltenkörpers in den nachfolgenden Prozessschritten und in der Anwendung sicherzustellen und die seitliche Abdichtung gegenüber dem Abgas zu garantieren. Das Garnieren kann bevorzugt druckunterstützt, beispielsweise mit axialem Pressen, durchgeführt werden. Figur 5 zeigt schematisch das Angarnieren der seitlichen Begrenzungsplatten 200.1 , 200.2, 200.3, 200.4. Außerdem sind die Einlassseite 202 und die Auslassseite 204 eines Filtermoduls gezeigt, beispielsweise für den späteren Einsatz des Filtermoduls im Abgaskanal. Das in der Skizze dargestellte Filtermodul besitzt einen rechteckigen Querschnitt. Durch graduelle Reduzierung der Folienbreiten sind aber auch Strukturen mit ovalen oder kreisförmigen Querschnitten denkbar.
In Figur 5 wird der Stapel aus Foliengrünkörper mit unterschiedlichen Teilabschnitten des Foliengrünkörpers, die nach dem Sintern als Membranen wirken, mit 100.1 , 100.2, 100.3, 100.4, 100.5 bezeichnet. Des Weiteren ist in Figur 5 die Einlaufseite 202 dargestellt sowie die Auslassseite 204. Die Strömungsrichtung eines zu filternden Stromes bzw. des Filtrates ist ebenfalls gezeigt. Der über die Einlassseite 202 eintretende Abgasstrom strömt Richtung 206, sodann wie eingezeichnet die Membran. Hierbei werden an der Grenzfläche die Dieselpartikel abgeschieden. Auf der Auslassseite der Membran tritt dann ein gereinigter Abgasstrom aus, der über die Auslassöffnung 204 an den Abgasstrang übergeben wird. Deutlich zu erkennen ist der Vorteil der Falten. So trennen die Falten die Einlassseite von der Auslassseite. Damit das zu reinigende Abgasmedium zur Auslassseite gelangt, muss es notwendig die Membran durchströmen. Ein separates Verschließen der Kanäle wie im Stand der Technik ist somit mit der neuen Technik nicht erforderlich.
Da bei der Garniertechnik eine feuchte Masse verwendet wird, werden die Filtermodule nach der Garnierung getrocknet.
Die im Foliengießschlicker enthaltenen großen Mengen an organischem Binder, der für die Festigkeit und Flexibilität der Folie verantwortlich ist sowie die noch zwischen den gefalteten Teilabschnitten der Foliengrünkörper enthaltenen Papierlagen als Abstandshalter werden auch als Entbinderung bezeichnet und beispielsweise bei ca. 600°C an Luft durchgeführt.
Nach dem Entbindern folgt die Sinterung bzw. der Brand des rekristallisierten Carbide in graphitausgekleideten Induktions- oder Widerstandsöfen bei Temperaturen bis maximal 2150° C in einer quasi ruhenden, unter reduziertem Druck (Vakuum) oder unter Normaldruck befindlichen Argonatmosphäre, während rekristallisierte Nitride in entsprechenden Stickstoffatmosphären gesintert bzw. gebrannt werden. Die Temperaturmessung erfolgt mit einem durch ein W/ReThermoelement kalibriertes Pyrometer.
Nachdem das erfindungsgemäße Filtermodul wie oben beschrieben hergestellt wurde, kann ein Einbau in einen Abgasstrang, beispielsweise des Dieselpartikelfilters, durchgeführt werden.
Mit Hilfe der Erfindung wird erstmal ein einfach herzustellender Filterstapel, der beispielsweise in einem Filtermodul, beispielsweise einem Dieselpartikelfilter Verwendung finden kann, geschaffen. Das Filtermodul zeichnet sich des Weiteren durch eine feine Porengröße aus, sowie dadurch, dass ein Filter mit gradierten Wänden entsprechend einer asymmetrischen Membran geschaffen wurde. Aufgrund der feineren Porengrößen können feinere Partikel abgeschieden werden. Durch die asymmetrische Membran kann die Beladung des Filters vergleichmäßigt werden. Dadurch, dass als Abstandshalter Papier in Stärken von 0,03 bis 0,3 mm verwendet werden kann, ist bei kleinem Filtervolumen eine große (äußere) Oberfläche möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Flachmembranstapel umfassend mindestens eine keramische Flachmembran, wobei die Flachmembran mindestens zwei Teilabschnitte und mindestens zwei Teilschichten unterschiedliche mittlere Porengrößen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Teilabschnitte der Flachmembran gestapelt übereinander angeordnet sind.
2. Flachmembranstapel gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Teilabschnitte der Flachmembran eine planare Geometrie aufweisen.
3. Flachmembranstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen gestapelten Teilabschnitte mit Abstand zueinander übereinander angeordnet sind.
4. Flachmembranstapel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Abstand zwischen zwei einzelnen gestapelten Teilabschnitten Abstandshalter angeordnet sind.
5. Flachmembranstapel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Flachmembran einen rekristallisierten Werkstoff umfasst.
6. Flachmembranstapel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der rekristaIHsierte Werkstoff rekristallisiertes Siliziumcarbid (RSiC) oder rekristallisiertes Borcarbid (RB4C) oder rekristallisiertes Aluminiumnitrid (RAIN) oder rekristallisiertes Titancarbid (RTiC) oder rekristallisiertes Bornitrid (RBN) umfasst.
7. Flachmembranstapel, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Teilschichten eine unterschiedliche Porengröße aufweisen.
8. Flachmembranstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Teilschichten eine grobporige Teilschicht und eine feinporige Teilschicht umfassen.
9. Flachmembraiistapel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Partikeldurchmesser der grobporigen Teilschicht das zwei- bis einhundertfache des mittleren Partikeldurchmessers der feinporigen Teilschicht beträgt.
10. Verfahren zur Herstellung von keramischen Flachmembranstapeln aus einem flexiblen Foliengrünkörper, wobei der Foliengrünkörper mindestens zwei miteinander verbundene Teilabschnitte umfasst, mit folgenden Schritten: 10.1 Herstellung eines einstückigen, flexiblen Foliengrünkörpers
10.2 Falten des einstückigen, flexiblen Foliengrünkörpers, so dass die Teilabschnitte des Foliengrünkörpers einen Foliengrünkörperstapel ausbilden
10.3 Sintern des Foliengrünkörperstapels zu einem keramischen Flachmembranstapel.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Foliengrünkörper aus mindestens zwei Teilschichten besteht.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass jede der Teilschichten eine Teilfolie ausbilden und der einstückige, flexible Foliengrünkörper der Flachmembran durch Auflaminieren der einzelnen Teilfolien erhalten wird.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Folien durch Aufsprühen der Gießsuspension auf die Folienoberfläche in Schichtdicken zwischen 40 und 200 μm beschichtet werden.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Faltung zweier benachbarter Teilabschnitte des einstückigen, flexiblen Foliengrünkörpers zu einem Teil des Foliengrünkörperstapels zwischen die Teilabschnitte ein Abstandshalter eingebracht wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter ein Material umfasst, das bei Temperatur > 550° C vollständig verbrennt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Abstandshalters ein Zellulosematerial, insbesondere ein Papier mit einer Stärke von 0,05 bis 0,5 mm ist.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach vollständiger Faltung der einzelnen Teilabschnitte des Foliengrünkörpers zu einem Foliengrünkörperstapel der Foliengrünkörperstapel gepresst wird.
18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Sinterung des Foliengrünkörperstapels das Bindermaterial des Foliengrünkörperstapels und/oder der (die) Abstandshalter zwischen den Teilabschnitten des Foliengrünkörpers thermisch oxidativ entfernt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch oxidative Entfernung an Luft im Temperaturbereich von 350 bis 800° C erfolgt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung des Foliengrünkörperstapels weitgehend schwindungsfrei erfolgt, wobei weitgehend schwindungsfrei bedeutet, dass die Schwindung maximal 1 ,6 %, bezogen auf einen Längenabschnitt eines entbinderten Folienstapels bedeutet.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung des Foliengrünkörperstapels im Temperaturbereich von 1801 bis 2150° C in einer unter reduziertem Druck oder Normaldruck befindlichen Argonatatmosphäre erfolgt.
22. Filtermodul mit
22.1 einem Filtergehäuse
22.2 mindestens einem im Filtergehäuse angeordneten Flachmembranstapel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
23. Partikelfilter, insbesondere für Partikel im Abgasstrang eines Fahrzeuges, insbesondere eines Fahrzeuges mit einem Dieselmotor, umfassend wenigstens ein Filtermodul gemäß Anspruch 22.
24. Verfahren zur Herstellung eines Filtermoduls, umfassend wenigstens einen keramischen Flachmembranstapel mit folgenden Schritten:
24.1 Herstellen eines einstückigen, flexiblen Foliengrünkörpers
24.2 Falten des einstückigen Foliengrünkörpers, so dass Teilabschnitte des Foliengrünkörpers einen Foliengrünkörperstapel ausbilden
24.3 Sintern des Foliengrünkörperstapels zu einem keramischen Flachmembranstapel
24.4 Anbringen wenigstens einer Begrenzungsplatte an wenigstens einer Seite des Flachmembranstapels.
25. Verfahren zur Herstellung eines Filtermoduls, umfassend wenigstens einen keramischen Flachmembranstapel, umfassend folgende Schritte:
2.51 Herstellung eines einstückigen, flexiblen Foliengrünkörpers der Flachmembran
25.2 Falten des einstückigen Foliengrünkörpers, so dass Teilabschnitte des Foliengrünkörpers einen Foliengrünkörperstapel ausbilden
25.3 Anbringen an wenigstens einer Seite des Foliengrünkörperstapels wenigstens einer Begrenzungsplatte, wobei die Begrenzungsplatte in Form eines Grünkörpers vorliegt
25.4 Sintern des Foliengrünkörperstapels und der Begrenzungsplatten zu einem Filtermodul.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Faltung zweier benachbarter Teilabschnitte des einstückigen Foliengrünkörpers zu einem Teil des Foliengrünkörperstapels zwischen die Teilabschnitte ein Abstandshalter eingebracht wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter ein Material umfasst, das bei Temperatur > 400 °C vollständig verbrennt.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Abstandshalters ein Zellulosematerial, insbesondere ein Papier mit einer Stärke von 0,03 bis 0,3 mm ist.
29. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass nach vollständiger Faltung der einzelnen Teilabschnitte des Foliengrünkörpers zu einem Foliengrünkörperstapel der Foliengrünkörperstapel gepresst wird.
30. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Sinterung des Foliengrünkörperstapels das Bindermaterial des Foliengrünkörperstapels und/oder der (die) Abstandshalter zwischen den Teilabschnitten des Foliengrünkörpers thermisch oxidativ entfernt werden.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch oxidative Entfernung an Luft im Temperaturbereich von 350. bis 800° C erfolgt.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung des Foliengrünkörperstapels weitgehend schwindungsfrei, d. h. mit einer Schwindung von maximal 1 ,6 % bezogen auf einen Längenabschnitt eines entbinderten Folienstapels erfolgt.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung des Foliengrünkörperstapels im Temperaturbereich von 1801 bis 2150° C in Argonatmosphäre erfolgt.
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