Bestimmung der Wasserpermeabilität (FLUX)

Einleitung Im Folgenden werden die Ergebnisse der Flux-Bestimmung diskutiert. Hierzu wurden aus den präkeramischen Papieren der Erfolg versprechendsten Ver-suchsvarianten kreisrunde Plättchen geschnitten und thermisch umgesetzt (Durchmesser ca. 22 mm). Die gesinterten keramischen Plättchen wurden am PTS-Prüfstand untersucht.

Serie A 0:

Referenz

Abbildung 50 zeigt den Flux von Wasser durch 320 μm dicke Proben der Serie A0. Klar erkennbar ist eine lineare Abhängigkeit der Durchflussrate von dem angelegten Unterdruck. In der linken Darstellung wird die Permeabilität demnach in „Litern pro Minute und Quadratmeter“ angegeben.

Berechnet man nun diese Angabe auf 1 bar Unterdruck, so ergibt sich die Einheit l / (min*m²*bar). Diese Einheit soll zur folgenden Diskussion herangezo-gen werden. Zum Vergleich der jeweiliherangezo-gen Serien, werden die Mittelwerte bis zum Bruch des keramischen Substrates diskutiert.

Abbildung 50:

100 200 300 400 500

Unterdruck [mbar]

100 200 300 400 500

Unterdruck [mbar]

Flux [l / (min*m²*bar)]

A0

Pore im

Strich

12.1.1 Laborpapiere – Schritt 1

Serie A 0 – A 6 In Abbildung 51 werden die Mittelwerte der Durchflussmessungen an den untersuchten Proben der Serien A0 bis A6 dargestellt. Es werden folgende Einflüsse dargestellt: Referenz (A0), Füllstoffgehalt im präkeramischen Papier (A2), Faserstoff (A4), Füllstoff Partikelgröße (A5) und Kalanderdruck (A6).

Abbildung 51:

Flux [l / (min*m²*bar)]

Laborentwicklung Schritt 1

Serie A 2:

Füllstoffgehalt im präkeramischen Papier

Die höhere offene Porosität der thermisch umgesetzten Proben der Serie A2c im Vergleich zu den Proben der Referenzserie A0 spiegelt sich durch die Steige-rung des Fluxes wieder. Jedoch zeigt sich nur ein relativ geringer Einfluss im Vergleich zu den folgenden Serien.

Serie A 4:

Langfaser-zellstoff

In der Serie A 4c und A 4d wurden ausschließlich Langfaserzellstoffe ins Papier-gefüge integriert. Es wurde gezeigt, dass ein gröberes Faser- und demnach auch Porennetzwerk den Flux potentiell erhöhen kann.

Serie A 5:

Korngrößen-verteilung

Der Einfluss von verschiedenen Korngrößen (FS 1 (=A0), FS 2 (=A5c) und FS 3 (=A5b) ist sehr stark. Durch den Einsatz von „gröberen“ Partikeln lassen sich die Durchflussraten (Flux) deutlich erhöhen. Dies lässt sich mit der Entstehung von größeren interpartikulären Poren begründen.

Serie A 6:

Kalanderdruck

Erwartungsgemäß steigt der FLUX, wenn die präkeramischen Papiere mit weniger Druck verdichtet werden. Jedoch sinkt ebenfalls die Dichte der papier-abgeleiteten Keramik, so dass die Proben bei steigenden Unterdrücken tenden-ziell eher zerbrechen. Im Folgenden wurden ebenfalls unverdichtete Proben

12.1.2 Optimierung – Schritt 2

Optimierung Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurden im Schritt der Optimierung überwiegend Pulver mit erhöhtem Grobkornanteil (Füllstoff FS 2 mit bimodaler Korngrößenverteilung) sowie Faserstoffsysteme mit erhöhtem Kurzfaseranteil verwendet: Microcristalline Cellulose „MCC“ (KF 3) und Nanofibrillierte Cellulose

„NFC“ (KF 2). Sehr großen Einfluss zeigte erwartungsgemäß der reduzierte Füllstoffgehalt.

In Abbildung 52 werden die Mittelwerte der Serien F1 und F2 dargestellt. Es werden folgende Einflüsse dargestellt: Referenz (A0), 80% Füllstoff 4 + Zumi-schung KF 3 (F2_A0), 70% Füllstoff 2 + ZellstoffmiZumi-schung aus LF1 und LF2 (F1), Ausgleichsschicht auf F1 (F1_S), 70% Füllstoff 2 + Zumischung Kurzfaserzell-stoff 2+3 (NFC) und 70% FüllKurzfaserzell-stoff 2 + Zumischung KurzfaserzellKurzfaserzell-stoff 3 (F2_F1)

Abbildung 52:

Übersicht Serie F1 und F2 (Al2O3, 1600 °C, 2h, 320 μm mittlere Dicke) Mittelwerte Unterdruck 100 – 500 mbar

0 20.000 40.000 60.000 80.000 100.000 120.000 140.000 160.000

A0 F2-A0 F1 F1-S F2-NFC F2-F1

Flux [l / (min*m²*bar)]

Optimierung Schritt 2

Serie F2_A0 In Serie F2-A0 wurde die Referenzvariante A0 durch die Zumischung von 6%

MCC verändert. Bei einem Füllstoffgehalt von 80% zeigte sich dadurch keine relevante Veränderung.

Serie F1 In Serie F1 kommt die Zellstoffmischung aus der Referenzvariante A0 zum Einsatz, jedoch bei geringerem Füllstoffeinsatz (80 Î 70%). Durch die oxidative Entfernung des erhöhten Zellstoffanteils resultiert eine sehr grobporöse Keramik mit geringen Festigkeiten und hohen Flux Werten.

Serie F2_NFC und F2_F1

Durch die Zumischung von hoch gemahlenen und sehr kurzen Faserstoffen (KF2 und KF3) homogenisiert sich das Porennetzwerk und die Durchflussmenge nimmt deutlich ab.

Serie F1_S In Serie F1_S wurde eine Ausgleichsschicht bestehend aus FS 4 und angepass-tem Füllstoffgehalt (80%) aufgebracht. Daraus resultiert der drastische Abfall des Fluxwertes.

12.1.3 Maschinenpapiere – Schritt 3 Up-Scaling /

Maschinen-papiere

In Abbildung 55 werden die Wasserpermeabilitäten der Maschinenpapiere V4A und V9 der Labor Referenzvariante A0 gegenüber gestellt. Die Variante V4A beinhaltet FS 2 (78%) mit bimodaler Korngrößenverteilung. Die Variante V9 beinhaltet hingegen FS 4 (79%) mit monomodaler Korngrößenverteilung, wobei die durchschnittliche Partikelgröße (D50) mit 0,7 µm geringer ist. Der starke Einfluss der Füllstoff Partikelgrößenverteilung wird demnach auch an den Maschinenversuchen bestätigt.

Flux [l / (min*m²*bar)]

12.1.4 Beschichtete Papiere – Schritt 4 Beschichtete

Varianten

Eine Ausgleichsschicht durch eine papiertechnologische Beschichtung wird notwenig, wenn auf die hochporösen Filtersupporte filtrationseffektive Membran-schichten aufgebracht werden sollen. In den Serien I bis VIII sowie CC1 bis CC3 wurde mittels verschiedener Auftragsverfahren eine Beschichtungsmasse bestehend auf FS 4 auf das Maschinenpapier V4A aufgebracht. In Abbildung 54 sind die Ergebnisse dargestellt. Wie bereits in den Kapiteln zuvor beschrieben, neigte die Beschichtungsmasse jedoch teilweise zur Blasenbildung, was eine inhomogene Oberfläche der Keramik zur Folge hat. Zudem spielt die Vorbehand-lung der Beschichtung durch Verdichtung (Glättung) eine entscheidende Rolle.

Gradierung Durch die Oberflächenbeschichtung wird dem Filtersupport eine gradierte Struktur gegeben. Da die Beschichtungsmasse faserstofffrei ist, bilden sich keine fasertemplatierten Kanalstrukturen. Dadurch müsste sich also ein reduzierter FLUX im Vergleich zum Basispapier V4A ergeben.

Abbildung 54:

Übersicht Beschichtung (Al2O3, 1600 °C, 2h, 320 μm mittlere Dicke) Mittelwerte Unterdruck 100 – 500 mbar

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

V4A VII VIII CC1 CC2 CC3

Flux [l / (h*m²*bar)]

Serie I bis VI Die Auftragsverfahren Rakel und Blade erscheinen als ungeeignet, da die Beschichtung keine Abnahme des FLUX zur Folge hat. Eine Beschichtung ohne Vor- und Nachbehandlung (Serie I) wirkt sich am negativsten aus. Die Serie V zeigt den niedrigsten FLUX, da hier ein zweifacher Auftrag untersucht wurde.

Serie VII und VIII Das manuelle Rollen als Auftragsverfahren soll dem modernen Curtain Coater Auftragsverfahren nahe kommen. Die erhöhte Auftragsmenge (Beschichtungsdi-cke) bildet eine geschlossene Oberfläche und reduziert den FLUX.

Serie CC1 bis CC3

Das Auftragsverfahren des Curtain Coaters zeigt aus technischer Sicht das größte Potential, wobei noch zusätzlicher Entwicklungsbedarf besteht. Ge-schlossene Oberflächen wurden erreicht. Die Variante CC3 mit zweifacher Beschichtung zeigt bestätigt den Effekt verringerter Fluxwerte (Siehe Serie „V“).

Demnach lässt sich der Fluss durch die Auftragsmenge der Beschichtungsmas-se effektiv steuern.