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Hochfeste makroporöse Sinterkörper aus Keramik, Glas oder Metall, hergestellt aus Kapillarsuspensionen

Kurzfassung

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurde ein neues, einfaches und potentiell sehr wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von makroporösen Sinterkörpern entwickelt. Es beruht auf der Nutzung von Kapillareffekten in dreiphasigen Suspensionen aus nano- bis mikropartikulären Feststoffpartikeln. Im Gegensatz zum Basispatent weist die Erfindung eine bimodale Partikelgrößenverteilung in der festen Phase auf. Die mechanische Festigkeit der aus Kapillarsuspension hergestellten makroporösen Erzeugnisse (z. B. Filter, Katalysatorträger, Scaffolds, Elektroden) kann hierdurch signifikant gesteigert werden.

Hintergrund

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurde ein neues, einfaches und potentiell sehr wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von makroporösen Sinterkörpern ausgehend von Kapillarsuspensionen entwickelt. Es beruht auf der Nutzung von Kapillareffekten in dreiphasigen Suspensionen aus nano- bis mikro-partikulären Feststoffpartikeln.
Die beiden flüssigen Phasen einer solchen Kapillarsuspension sind von unterschiedlicher Polarität und daher nicht miteinander mischbar. Je nach Mengenverhältnis dieser flüssigen Phasen nimmt das fest-flüssig-flüssig-System eine dünnflüssige bis pastenartige Konsistenz an (s. Abbildung 1). Aufgrund dieses rheologischen Effekts können Kapillarsuspensionen auch zur Stabilisierung disperser Systeme genutzt werden. Auch bei großen Dichteunterschieden zwischen fester und flüssiger Phase wird Sedimentation weitgehend unterdrückt.
Durch anschließendes Entfernen der beiden flüssigen Phasen aus der Kapillarsuspension, z. B. mittels Extraktion oder thermischen Entbinderns und anschließendem Sinterns wird der hochporöse Festkörper erhalten. Auf diese Weise lassen sich aus verschiedensten Materialien makroporöse Erzeugnisse herstellen, deren Porengrößen im Makroporenbereich mit Porendurchmessern größer als 50 nm liegen. Das zu diesem Verfahren bestehende Basispatent wurde in Deutschland bereits erteilt.

Lösung

Die mechanische Festigkeit der aus Kapillarsuspension hergestellten makroporösen Erzeugnisse (z. B. Filter, Katalysatorträger, Scaffolds, Elektroden) kann durch die Verwendung einer bimodalen Partikelgrößenverteilung in der festen Phase signifikant gesteigert werden.
In diesem Fall muss das fest-flüssig-flüssig-System der Kapillarsuspension so gewählt werden, dass sich die kleineren Feststoffpartikel in den Kapillarbrücken zwischen den größeren Feststoffpartikeln anreichern.
Hierdurch kann der Energieaufwand für das Sintern reduziert werden, vor allem aber werden rundere Poren erzeugt. Dies erhöht die mechanische Festigkeit der Bauteile und der Filtrationswiderstand von entsprechend hergestellten Membranen reduziert sich. 

Keramische Kapillarsuspension aus Aluminiumoxid bei verschieden Anteilen an Zweitphase (Bilder: KIT).
Keramische Kapillarsuspension aus Aluminiumoxid bei verschieden Anteilen an Zweitphase (Bilder: KIT).
Kapillarsuspension mit bimodaler Partikelgrößenverteilung, Schema (li) und REM-Aufnahme einer Misch-Keramik (re).Allgemeines Schema des Herstellungsverfahrens. Die homogene Aufbereitung der Suspension sowie der Strukturaufbau erfolgen in einem Schritt.Prinzipdarstellung der Aufbereitung:  A) Suspension,  B) Suspension mit bimodaler Feststoff-fraktion, C) Kapillarsuspension mit Partikelnetzwerk und Anreicherung des Feinguts in der Zwickelphase,  D) gesintertes, hochporöses Formteil.Mechanische Festigkeit mono- und bimodaler Keramiken, die aus Kapillarsuspensionen hergestellt wurden.

Vorteile

  • Universelle Einsetzbarkeit (z. B. keramische Metalloxide, Glas oder auch Metall)
  • Makroporöse Sinterkörper mit erhöhter Festigkeit
  • Gezielte Einstellung der Porengröße
  • Variation der Porengrößenverteilung möglich
  • Gezielte Einstellung der offenen Porosität
  • In Kombination mit typischen Formgebungsverfahren (Siebdruck, Spritzguss, etc.) können einfach Formteile hergestellt werden
  • Auch Bauteile mit komplizierter Geometrie oder filigrane Formteile herstellbar
  • Wirtschaftliches Potential gegenüber herkömmlichen Verfahren: einfach, kostengünstiger, effizient
  • Es fallen keine toxischen Pyrolysegase an
  • Verfahren ist kombinierbar mit herkömmlichen Verfahren für hochporöse Werkstoffe
  • Organische Bulk-Phase rückführbar
  • Die mechanische Festigkeit kann durch gezielte Auswahl der feinen Partikel gezielt erhöht werden

Anwendungsbereiche

Herstellung makroporöser Erzeugnisse (z. B. Filter, Katalysatorträger, Scaffolds, Elektroden) mit hoher mechanischer Festigkeit

Exposé
Contact
Dr. Frank Schlotter
TLB GmbH
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe | Germany
Phone +49 721-79004-0
schlotter(at)tlb.de | www.tlb.de
Development Status
Konzept / TRL2
Patent Situation
DE 502014000453.0 erteilt
EP 2875858 B1) erteilt,
FR, GB validiert
Reference ID
13/084TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.