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ASPEKTE - Asymmetrische papierabgeleitete Komposit-Materialien mit hydrothermalstabilen Eigenschaften

Die deutsche Papierbranche ist seit längerem einem erheblichen Kostendruck ausgesetzt, der in den vergangenen Jahren als maßgeblicher Innovationsmotor diente. Damit die Unternehmen auch nachhaltig in der Gewinnzone gehalten werden können, sind Kostensenkungen allein nicht mehr zielführend. Neue, innovative und vor allem gewinnbringende Märkte und Branchen können durch die Entwicklung von Spezialpapieren geschaffen bzw. erschlossen werden.

Laufzeit: » 01.10.2019 – 30.09.2021

Projektart: » Förderprogramm Innovationskompetenz INNO-KOM IK-VF 190019

Forschungsstellen: » Papiertechnische Stiftung (PTS), Projektleiter: Dr. Yvonne Jüttke Dr. Cornell Wüstner

Mit ASPEKTE entwickelt die PTS eine neue, vielversprechende Möglichkeit zur Nutzung industrieller Papiermaschinen. Das Förderprogramm Innovationskompetenz des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie fördert dieses Vorlaufforschungsprojekt (IK-VF 190019) mit dem Fokus auf die Herstellung hierarchisch aufgebauter papierabgeleiteter Keramiken. In der PTS besteht langjährige Erfahrung im Bereich der Einbindung keramischer Füllstoffe in Papier (Patente: DE10348798A1, WO2012062424A3), die im laufenden Vorhaben genutzt und weiter ausgebaut werden soll. Prozesstechnologisch soll ein Porengrößengradient über den Querschnitt eingestellt werden und so die gewünschte Mikrostruktur entstehen. Dazu müssen die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen und die Zusammenhänge zwischen Stoffeinsatz und Prozessierung des präkeramischen Papieres genauer untersucht werden. Die papiertechnologische Herstellung von sinterfähigen, flexiblen, präkeramischen Sinterpapieren anstelle der gängigen Methoden wie Gieß-, Press- oder Extrudiertechnik ist mit immensen Energiekostenvorteilen verbunden.

Zur Herstellung dieser neuartigen, innovativen, präkeramischen Sinterpapiere werden konventionelle und kostengünstige Papierherstellungsverfahren genutzt. Im Allgemeinen enthält eine Vielzahl von Papieren neben den cellulosebasierten Faserstoffen einen Anteil an anorganischen Füllstoffen. In ASPEKTE wird der Anteil an Füllstoff (z. B. Al2O3) auf mindestens 70 Gew.% (ca. 40 - 60 Vol.%) angehoben. Dadurch wird das Papier vorrangig von den Eigenschaften des Füllstoffes dominiert. Die keramischen Partikel werden in das Papiergefüge (Cellulosefasernetzwerk) eingebunden und direkt als Stoffsuspension auf der Papiermaschine verarbeitet. Durch eine exakt angepasste Wärmebehandlung verbrennen die Faserstoffe und die einzelnen Füllstoffpartikel versintern. Dabei entstehen zylindrische Hohlräume, was in einer hochporösen Keramik resultiert. Abbildung 1 zeigt beispielhaft den Querschnitt einer homogen aufgebauten Keramik, die auf diese Weise erzeugt wurde.

Abb. 1: REM-Aufnahme vom Querschnitt einer papierabgeleiteten Sinterkeramik mit homogenem Aufbau

Das Verkleben einzelner homogener Schichten mit unterschiedlicher Porosität oder das Aufbringen weiterer Schichten unter Verwendung kleinerer Partikel ist zur Erzeugung eines Porengrößengradienten über den Querschnitt denkbar. Die Einstellung der Asymmetrie (Hierarchie) der Porengrößen ist im Idealfall auch in einem einzigen Prozessschritt möglich. Der Aufbau des Grünkörpers und einer Keramik mit asymmetrischer Porengrößenverteilung ist schematisch in Abbildung 2 dargestellt.

Abb. 2: Schematische Darstellung (nicht maßstabsgetreu) der Grünkörper nach der Blattbildung mit den Zellulosefasern und dem hierarchischen Aufbau (links) sowie der hochporösen Keramik nach dem Sinterprozess mit der gewünschten Mikrostruktur durch Verbrennen der Zellulosefasern mit dem Porengrößengradienten, damit ist die Durchströmbarkeit verschiedener Medien abhängig von der Porengröße über den Querschnitt möglich (rechts).

Die Aufgabe des Porenbildners wird in diesem Verfahren direkt von den eingesetzten Cellulosefasern und von den versinterten Partikeln übernommen. Die Art, Länge und Dicke der eingesetzten Fasern sowie die eingesetzte Partikelgröße bestimmen schlussendlich die entstehende Mikrostruktur, welche nach dem Sinterprozess nutzbar ist. Davor ist der Grünkörper flexibel genug, um diesen je nach Kundenwunsch in eine komplexe Geometrie (z.B. Wellen) zu bringen. Zur Erzeugung von Wickelstrukturen stehen das Spiral- und Parallelwickeln zur Verfügung. Die entstehenden Keramiken zeigen ein hohes Potenzial für den Einsatz als Filtermedien.

Hochgefüllte, flexible, präkeramische Spezialpapiere sowie die daraus resultierenden papierabgeleiteten Sinterkeramiken sind in der Industrie bisher nicht Stand der Technik. Allerdings zeigen aktuelle, anwendungsbezogene Forschungsprojekte beispielsweise im Themengebiet der Brennstoff- bzw. Elektrolysezelle, dass papierabgeleitete Hochleistungswerkstoffe zu einer Leistungssteigerung sowie einer anwendungsspezifischen Eigenschaftseinstellung eingesetzt werden können und somit für Produzenten und Endanwender großes Interesse an der Thematik besteht.

Dr. Yvonne Jüttke,

yvonne.juettke@ptspaper.de

Dr. Cornell Wüstner,

cornell.wuestner@ptspaper.de