WO2006005286A1 - Vorrichtung mit einer auf einen träger aufgebrachten zeolithbeschichtung sowie verfahren zum herstellen dieser zeolithbeschichtung - Google Patents

Vorrichtung mit einer auf einen träger aufgebrachten zeolithbeschichtung sowie verfahren zum herstellen dieser zeolithbeschichtung Download PDF

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    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
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    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS

Definitions

  • the invention relates to a device with a zeolite coating applied to a carrier and to a method for producing this zeolite coating.
  • Zeolite powder is arranged on electrodes of the capacitor arrangement, wherein the zeolite powder is applied by spraying an aqueous suspension with simultaneous evaporation of the water.
  • the invention has for its object to provide a device of the type mentioned above and a method for producing the zeolite coating for this device, which is characterized by a particularly sensitive to water and mechanically stable zeolite coating bezie ⁇ hurry to a corresponding zeolite coating. This object is achieved in the device of the aforementioned type with the features of claim 1.
  • zeolite powder consisting of zeolite powder grains in a silicate matrix
  • a mechanically stable structure is achieved with a relatively high sensitivity.
  • the metrological advantages of zeolite coatings can be exploited due to the high sensitivity with now also high mechanical stability in harsh measuring environments.
  • the silicate matrix preferably has cavities.
  • adhesion-promoting layer such as chromium oxide
  • the support has a capacitor arrangement, wherein at least part of the zeolite coating is arranged between electrodes of the capacitor arrangement.
  • the carrier is the gate electrode of a field-effect transistor.
  • the mixture according to the invention 7 to 100 parts by weight of zeolite powder, 2 to 4 parts by weight of water glass and 8 to 50 parts by weight of water are used to prepare the mixture according to the invention.
  • the water glass is sodium water glass or potash water glass.
  • the mixture is applied by brushing, spin-coating, printing, screen printing or by dipping.
  • the mixture is subjected to a heat treatment after application.
  • the temperature is above the first time period between 90 degrees Celsius and 150 degrees Celsius and above the first time period longer second time period above the temperatures prevailing during the first time period.
  • the temperature rises from a minimum value to a maximum value during the second period of time and returns to room temperature at the end of the heat treatment.
  • the maximum value of the temperature during the second period of time is between 450 degrees Celsius and 550 degrees Celsius.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a zeolite coating applied to a carrier
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an enlarged detail of a zeolite coating according to the invention.
  • FIG. 1 shows, in a schematic representation, an example designed as a ceramic substrate or silicon substrate Carrier 1, on which electrodes 2, 3, 4 of a capacitor arrangement of a sensor are arranged.
  • a zeolite coating 5 is applied, the zeolite powder embedded in a silicate matrix 6, for example, so-called zeolite A powder, of which a number of zeolite powder grains 7 are shown schematically.
  • a mixture is prepared using 1 milliliter of sodium waterglass, 3 milliliters of water and, as zeolite powder, 0.7 grams of zeolite 4A. This mixture is applied with a method which adapts the liquid consistency, for example immersion.
  • zeolite coating 5 having a relatively tough pasty consistency
  • a mixture is prepared using 1 milliliter of sodium waterglass, 3 milliliters of water and 10 grams of zeolite 4A as the zeolite powder. This mixture is applied with a process adapted to the paste-like consistency, such as brushing.
  • a heat treatment is carried out, for example, heating to a temperature of about 120 degrees Celsius and holding at this temperature for a first period of about 6 hours for drying and over a second period of ins ⁇ about 30 hours for calcination, heating to a temperature of about 500 degrees Celsius with a continuously rising temperature ramp of about 30 degrees Celsius per hour, holding the temperature at about 500 degrees Celsius for about 1 hour and cooling with a cooling rate corresponding to the ramp-like heating to room temperature.
  • a part of the zeolite coating 5 is arranged between the electrodes 2, 3, 4, so that the capacitance of the capacitor arrangement is substantially different from the dielectric variable, for example by water embedded in the zeolite powder grains 7 of the zeolite coating.
  • the properties of the zeolite coating 5. This can be measured, for example, to the measurement of the content of water known per se as an example of a polar substance in a liquid medium, for example engine oil in particular as an example of a hydrophobic liquid.
  • FIG. 2 shows, in a schematic illustration, which, however, in principle corresponds to the actual conditions, shows an enlarged section of a zeolite coating 5 according to the invention.
  • the zeolite powder boilers 7 are characterized by the dried out volume and thus by the original mixture significantly reduced silicate matrix 6 are connected to each other by individual adhesive points, wherein in the silicate matrix 6 in particular between the zeolite powder grains 7 cavities 8 are formed. Due to the permeability of the zeolite coating 5 thus achieved, for example, molecules to be detected are also deposited to a considerable extent in zeolite powder grains 7 arranged inside the zeolite coating 5, which leads to particularly good sensitivity.

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Abstract

Eine Vorrichtung mit einer auf einem Träger (1) aufgebrachten Zeolithbeschichtung (5) zeichnet sich dadurch aus, dass die Zeolithbeschichtung (5) Zeolithpulver und eine Silicatmatrix (6) aufweist, in der Zeolithpulverkörner (7) des Zeolithpulvers eingebettet sind. Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Zeolithbeschichtung (5) für eine derartige Vorrichtung wird eine Mischung unter Verwendung von Zeolithpulver, Wasser und Wasserglas hergestellt. Dadurch lassen sich die messtechnischen Vorteile von Zeolithbeschichtungen (5) aufgrund der hohen Sensitivität bei hoher mechanischer Stabilität auch in rauhen Messumgebungen ausnutzen.

Description

Vorrichtung mit einer auf einen Träger aufgebrachten
Zeolithbeschichtung sowie Verfahren zum Herstellen dieser Zeolithbeschichtung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer auf einen Träger aufgebrachten Zeolithbeschichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen dieser Zeolithbeschichtung.
Aus dem Zwischenbericht für das Vorhaben Nr. 788 (AIF-Nr. 13127) zu dem Thema „Ölzustandssensor", erschienen im Heft R 521 (2003) zu der Informationstagung Motoren, Herbst 2003, Magdeburg, veranstaltet von der Forschungsvereinigung Ver¬ brennungskraftmaschinen e.V. (FW), Frankfurt am Main, ist eine als Ölzustandssensor ausgebildete Vorrichtung bekannt, bei der eine Kondensatoranordnung mit einer Zeolithbeschich¬ tung versehen ist. Dadurch ist in Motoröl enthaltenes, sich in dem Zeolith einlagerndes und die Kapazität der Kondensator¬ anordnung änderndes Wasser detektierbar.
Aus der EP 0 426 989 A1 ist eine als Gassensor ausgebildete
Vorrichtung mit einer Kondensatoranordnung bekannt, bei der
Zeolithpulver auf Elektroden der Kondensatoranordnung an- geordnet ist, wobei das Zeolithpulver durch Versprühen einer wässrigen Suspension unter gleichzeitigem Verdampfen des Wassers aufgebracht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Herstellen der Zeolithbeschichtung für diese Vorrichtung anzugeben, die sich durch eine insbesondere gegenüber Wasser sensitive und mechanisch stabile Zeolithbeschichtung auszeichnet bezie¬ hungsweise zu einer entsprechenden Zeolithbeschichtung führt. Diese Aufgabe wird bei der Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren eingangs genannten Art mit der Merkmalen des Anspruches 6 gelöst.
Durch das Einbetten von aus Zeolithpulverkömern bestehenden Zeolithpulver in eine Silicatmatrix wird bei einer verhältnismäßig hohen Sensitivität ein mechanisch stabiler Aufbau erzielt. Da- durch lassen sich insbesondere die messtechnischen Vorteile von Zeolithbeschichtungen aufgrund der hohen Sensitivität bei nunmehr auch hoher mechanischer Stabilität in rauhen Mess¬ umgebungen ausnutzen.
Bevorzugt weist die Silicatmatrix Hohlräume auf.
Für eine Verbesserung der Haftung der Zeolithbeschichtung an dem Träger ist es vorteilhaft, zwischen der Zeolithbeschichtung und dem Träger wenigstens eine Haftvermittlungsschicht wie Chromoxid vorzusehen.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung einer erfindungsgemä¬ ßen Vorrichtung weist der Träger eine Kondensatoranordnung auf, wobei wenigstens ein Teil der Zeolithbeschichtung zwischen Elektroden der Kondensatoranordnung angeordnet ist.
Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung einer erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung ist der Träger die Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors.
Vorteilhafterweise werden zum Herstellen der erfindungsgemä¬ ßen Mischung zwischen 7 und 100 Gewichtsteilen Zeolithpulver, 2 bis 4 Gewichtsteilen Wasserglas und 8 bis 50 Gewichtsteilen Wasser verwendet. Bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Wasserglas Natriumwasserglas oder Kali¬ umwasserglas.
In verschiedenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Auftragen der Mischung durch Streichen, Aufschleudern, Drucken, Siebdrucken oder durch Eintauchen.
Für eine besonders gute Haftung der Zeolithbeschichtung wird die Mischung nach dem Auftragen einer Wärmebehandlung unterzogen. Hierzu ist es vorteilhaft, dass bei der Wärmebe¬ handlung die Temperatur über eine erste Zeitdauer zwischen 90 Grad Celsius und 150 Grad Celsius und über eine gegenüber der ersten Zeitdauer längeren zweiten Zeitdauer oberhalb der während der ersten Zeitdauer herrschenden Temperaturen liegt. Zweckmäßig ist hierbei weiterhin, dass die Temperatur während der zweiten Zeitdauer von einem Minimalwert auf einen Maxi¬ malwert ansteigt und zum Abschluss der Wärmebehandlung auf Zimmertemperatur zurückgeht. Zweckmäßigerweise liegt bei der letztgenannten Ausführung der Maximalwert der Temperatur während der zweiten Zeitdauer zwischen 450 Grad Celsius und 550 Grad Celsius.
Anhand der beigefügten Figuren der Zeichnung wird die Erfin- düng näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine auf einem Träger aufgebrachte Zeolithbeschichtung und
Fig. 2 in einer schematischen Darstellung einen vergrößer¬ ten Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Zeolith¬ beschichtung.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen beispiels- weise als Keramiksubstrat oder Siliziumsubstrat ausgebildeten Träger 1 , auf dem Elektroden 2, 3, 4 einer Kondensatoranord¬ nung eines Sensors angeordnet sind. Auf den Träger 1 ist eine Zeolithbeschichtung 5 aufgebracht, die in einer Silicatmatrix 6 eingebettetes Zeolithpulver, beispielsweise sogenanntes Zeolith- A-Pulver, aufweist, von dem schematisch eine Anzahl von Zeolithpulverkörner 7 dargestellt sind.
Zum Herstellen einer Zeolithbeschichtung 5 mit einer zu Beginn verhältnismäßig flüssigen Konsistenz wird eine Mischung unter Verwendung von 1 Milliliter Natriumwasserglas, 3 Milliliter Was¬ ser und als Zeolithpulver 0,7 Gramm Zeolith 4A hergestellt. Diese Mischung wird mit einem einen die flüssige Konsistenz angepassten Verfahren wie beispielsweise Eintauchen aufge¬ bracht.
Zum Herstellen einer Zeolithbeschichtung 5 mit einer zu Beginn verhältnismäßig zähen, pastenartigen Konsistenz wird eine Mischung unter Verwendung von 1 Milliliter Natriumwasserglas, 3 Milliliter Wasser und als Zeolithpulver 10 Gramm Zeolith 4A hergestellt. Diese Mischung wird mit einem einen die pasten¬ artige Konsistenz angepassten Verfahren wie beispielsweise Aufstreichen aufgebracht.
Nach dem Aufbringen der Mischung wird eine Wärmebehand- lung durchgeführt, die beispielsweise das Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 120 Grad Celsius und das Halten bei dieser Temperatur über eine erste Zeitdauer von etwa 6 Stun¬ den zum Trocknen und über eine zweite Zeitdauer von ins¬ gesamt etwa 30 Stunden zum Kalzinieren das Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 500 Grad Celsius mit einer kontinu¬ ierlich ansteigenden Temperaturrampe von etwa 30 Grad Celsi¬ us pro Stunde, das Halten der Temperatur bei etwa 500 Grad Celsius über etwa 1 Stunde und das Abkühlen mit einer im wesentlichen der rampenartigen Erwärmung entsprechenden Abkühlrate auf Raumtemperatur. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass ein Teil der Zeolithbeschichtung 5 zwischen den Elektroden 2, 3, 4 angeordnet ist, so dass die Kapazität der Kondensatoranordnung wesentlich von den bei¬ spielsweise durch in den Zeolithpulverkörnern 7 der Zeolith- beschichtung eingelagertes Wasser veränderlichen Dielektrizi- tätseigenschaften der Zeolithbeschichtung 5 abhängt. Dies lässt sich beispielsweise zu der an sich bekannten Messung des Gehaltes von Wasser als Beispiel einer polaren Substanz in einem flüssigen Medium, zum Beispiel insbesondere Motoröl als Beispiel einer hydrophoben Flüssigkeit, messtechnisch aus¬ werten.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen, grundsätzlich aber den tatsächlichen Verhältnissen entsprechenden Darstellung einen vergrößerten Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Zeolith¬ beschichtung 5. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass die Zeolithpul- verkömer 7 durch die ausgetrocknete und damit gegenüber der ursprünglichen Mischung im Volumen erheblich verringerte Silicatmatrix 6 durch einzelne Klebstoffpunkte miteinander verbunden sind, wobei in der Silicatmatrix 6 insbesondere zwi¬ schen den Zeolithpulverkörnern 7 Hohlräume 8 ausgebildet sind. Aufgrund der dadurch erzielten Durchlässigkeit der Zeolith¬ beschichtung 5 lagern sich beispielsweise zu detektierende Moleküle in einem erheblichen Anteil auch in im Inneren der Zeolithbeschichtung 5 angeordneten Zeolithpulverkörnern 7 ein, was zu einer besonders guten Sensitivität führt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung mit einer auf einem Träger aufgebrachten Zeolithbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die
Zeolithbeschichtung (5) ein Zeolithpulver und eine Silicat- matrix (6) aufweist, in der Zeolithpulverkörner (7) des Zeo- lithpulvers eingebettet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Silicatmatrix (6) Hohlräume (8) aufweist.
3. Vorrichtung nach einem Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zeolithbe- Schichtung (5) und dem Träger (1) wenigstens eine Haftver¬ mittlungsschicht vorhanden ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) Elektroden (2, 3, 4) einer Kondensatoranordnung aufweist, wobei wenigstens ein Teil der Zeolithbeschichtung (5) zwischen den Elek¬ troden (2, 3, 4) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) die Gate- Elektrode eines Feldeffekttransistors ist.
6. Verfahren zum Herstellen einer Zeolithbeschichtung für eine Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü- che, gekennzeichnet durch das Herstellen einer Mischung unter Verwendung von Zeolithpulver, Wasser und Wasser¬ glas.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen der Mischung zwischen 7 und 100 Ge- wichtsteilen Zeolithpulver, 2 bis 4 Gewichtsteilen Wasser¬ glas und 8 bis 50 Gewichtsteilen Wasser verwendet wer¬ den.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei das Wasserglas Natriumwasserglas oder Kaliumwasserglas ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekenn¬ zeichnet durch das Auftragen der Mischung durch Strei- chen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekenn¬ zeichnet durch das Auftragen der Mischung durch Auf¬ schleudern.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekenn¬ zeichnet durch das Auftragen der Mischung durch Drucken.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekenn- zeichnet durch das Auftragen der Mischung durch Sieb¬ drucken.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekenn¬ zeichnet durch das Auftragen der Mischung durch Eintau- chen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung nach dem Auftragen einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Wärmebehandlung die Temperatur über eine erste Zeitdauer zwischen 90 Grad Celsius und 150 Grad Celsius und über eine gegenüber der ersten Zeitdauer längeren zweiten Zeitdauer oberhalb der während der ersten Zeitdauer herrschenden Temperaturen liegt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dass die Temperatur wäh- rend der zweiten Zeitdauer von einem Minimalwert auf einen Maximalwert ansteigt und zum Abschluss der Wär¬ mebehandlung auf Zimmertemperatur zurückgeht.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert der Temperatur während der zweiten Zeitdauer zwischen 450 Grad Celsius und 550 Grad Celsius liegt.
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