8 Entwicklung des Filtersupports im Labormaßstab
8.1 Einflussmöglichkeiten zur Porositätssteuerung papierabgeleiteter Keramiken
8.1.4 Faserstoffe (Serie A4) Weitere
Langfaser-zellstoffe LF 2 und LF 3
Zusätzlich zu den bewährten Langfaserzellstoffen wurden zwei weitere Langfa-serzellstoffe schwedischer Herkunft in der Herstellung präkeramischer Sinterpa-piere verwendet, um den Einfluss der Fasermorphologie zu untersuchen.
Retentions-verluste
Im Vergleich zur Referenzserie A0 zeigten diese Langfaserzellstoffe (LF 2 und LF 3) ein schlechteres Retentionsverhalten, was zu einer geringeren Papierdicke und einem niedrigeren Flächengewichte in Serie A4c führte. Im direkten Ver-gleich der Serien A4c und A4d wurden bei Serie A4d höhere Flächengewichte sowie Papierdicken erzielt. Demzufolge hat dieser Faserstoff ein größeres Vermögen, ein Faser-Füllstoffnetzwerk auszubilden und den Füllstoff auf dem Blattbildungssieb abzufiltrieren.
Thermische Umsetzung
Die Geometrie der netzwerkbildenden Poren in Keramiken aus präkeramischen Papieren wird durch die Morphologie des Fasertemplats vorgegeben. Zum Vergleich mit der Referenzvariante (Serie A0), bei welcher eine 60 Ma.% : 40 Ma.%-Mischung aus Nadelholzzellstoff (LF 1) und Laubholzzellstoff (KF 1) zum Einsatz kam, wurden in den Serien A4c und A4d 100 Ma.% Nadelholz-Zellstoffe (LF 2 bzw. LF 3) eingesetzt. Bei der thermischen Umsetzung der Papiere zur Keramik konnte kein signifikanter Einfluss der Fasermorphologie auf die Schwin-dung festgestellt werden. Die retentionsbedingten Schwankungen in der ermittel-ten Masseabnahme liegen zwischen 21 Ma.% und 25 Ma.% und korrelieren mit der steigenden Porosität in den Serien A4c und besonders A4d. Die im Vergleich zu der in der Referenzvariante A0 eingesetzten Zellstoffmischung geringere Retention und damit höhere Porosität des Grünkörpers in Verbindung mit der größeren Dicke der Zellstofffasern LF 2 (siehe Abbildung 16), bedingen in der Porengrößenverteilung der Serie A4c eine Verschiebung der Peaks der zellstoff-templatierten Poren (Abbildung 18), was sich ebenfalls in der verringerten Festigkeit dieser Proben manifestiert (Tabelle 16).
Abbildung 16.
Morphologie der eingesetzten Zellstoffe.
60:40-Mischung aus Nadelholz-zellstoff (LF 1) und Laubholz-zellstoff (KF 1)
Nadelholz-zellstoff (LF 2)
Nadelholz-zellstoff (LF 3)
Tabelle 16.
Faserstoff 60:40-Mischung aus Nadelholz-zellstoff LF 1 und
Laubholz-zellstoff KF 1
Schwindung in
Papierebene [%]
19 18 18
Schwindung normal zur Papierebene [%]
24 26 25
Serie A0 = Referenz: Zellstoffmischung aus 60 Ma.% Langfaser (LF 1) und 40 Ma.% Kurzfaser (KF 1) .
Serie A4c: 100 Ma.% Langfaser (LF 2) / Serie A4d: 100 Ma.% Langfaser (LF 3).
Abbildung 18.
Porengrößen-verteilung von Al2O3-Keramiken aus
präkeramischen Papieren (1600
°C, 2 h) in
Abhängigkeit von der Morphologie des zur
Papierherstellung eingesetzten Zellstoffs.
8.1.5 Füllstoffe (Serie A5)
Papiereigen-schaften
Zur Untersuchung des Einflusses der Partikelgröße wurden 3 Al2O3-Pulver als Füllstoff eingesetzt. Der Einsatz von gröberen Partikeln mit einer mittleren Partikelgrößere von 2,5 µm erfolgte in Serie A5b (Füllstoff FS 3). Eine Mischung aus dem feinen Füllstoff FS 4 und dem gröberen Füllstoff FS 3 stellt der Füllstoff FS 2 mit bimodaler Korngrößenverteilung dar. Dieser wurde in Serie A5c unter-sucht. Die Papierfestigkeiten änderten sich kaum, wobei jedoch ein relevanter Einfluss auf die Luftdurchlässigkeit der Papiere (auch nach Kalander) festzustel-len ist. Wie in Abbildung 19 dargestellt, erhöht sich die Luftdurchlässigkeit enorm beim Einsatz von gröberen Füllstoffpartikeln. Demzufolge liegt bereits im Papier ein lockeres Gefüge mit höherer Porosität vor.
Abbildung 19
Luftdurchlässigkeit Gurley [s]
Einsatz monomodaler Füllstoffe
Die in Tabelle 17 zusammengefassten Ergebnisse belegen - für ein konstantes Sinterprofil - einen deutlichen Einfluss der Korngröße der Füllstoffe auf die Umsetzung präkeramischer Papiere zur Keramik. Durch den Einsatz feinkörniger Pulver, welche eine gesteigerte Sinteraktivität besitzen, steigt die Sinterschwin-dung sowohl in der Papierebene, als auch normal zur Papierebene deutlich an, was mit einer Verringerung der Gesamtporosität einhergeht. Abbildung 21 zeigt, dass diese zusätzliche Verdichtung durch das Schließen interpartikulärer Poren bedingt ist, während nur ein geringer Einfluss auf die zellstofftemplatierten Poren besteht. Dennoch bedingt das Schließen interpartikulärer Poren eine deutliche Steigerung der Doppelring-Biegefestigkeit, aufgrund der Festigkeitssteigerung der Keramik-Matrix. Allerdings ist hier mit dem vollständigen Schließen aller interpartikulären Poren eine physikalische Grenze zu erwarten, da das zellstoff-templatierte Porennetzwerkes immer Orte der Spannungsüberhöhung bei Krafteinwirkung bedingt.
Einsatz bimodaler Füllstoffe
Der Einsatz bimodaler Pulver (Serie A5c) führte aufgrund der erhöhten Pa-ckungsdichte im Grünzustand ebenfalls zu einer Verringerung der interpartikulä-ren Pointerpartikulä-ren, was in offenen Porositäten der Keramik resultiert, die zwischen denen der Proben der Serien A0 (d50 des Füllstoffs = 0,8 μm) und A5b (d50 des Füll-stoffs = 2,5 μm) liegt. Des Weiteren konnte eine Steigerung des Weibull-Moduls durch den Einsatz von bimodalem Pulver erreicht werden, was auf eine homo-genere Struktur zurückführbar sein könnte.
Tabelle 17.
Einfluss der Korngröße des Füllstoffs auf die Eigenschaften
Schwindung normal zur Papierebene [%]
Füllstoff: FS1 (Serie A0 = Referenz) Füllstoff: FS 3 (Serie A5b)
Füllstoff: FS 2 (Serie A5c)
Abbildung 21.
Porengrößen-verteilung von Al2O3-Keramiken aus
präkeramischen Papieren (1600
°C, 2 h) in
Abhängigkeit von der Korngröße des zur
Papierherstellung eingesetzten Füllstoffs.
8.1.6 Kalanderdruck (Serie A6)
Papierfestigkeit Aus Abbildung 22 wird ersichtlich, dass bei präkeramischen Papieren durch die Verdichtung mittels Temperatur und Druck die Zugfestigkeit zunimmt. Während dem Verdichten wirken lokal Temperatur und Druck auf das Papier ein, was zu einem Vernetzen der Komponente Latex führt.
Der Durchreißwiderstand konnte durch die Verdichtung der präkeramischen Sinterpapiere im Kalander gesteigert werden. Anhand des Durchreißfaktors wurden Festigkeitssteigerungen von 27,4 % bei Serie A2b und von 27 % bei Serie A2c im Vergleich zur Referenzserie A0 gemessen.
In den Serien A6 wurde der Kalanderdruck an Papieren mit 80% Füllstoffgehalt stufenweise reduziert, was sich jedoch kaum auf den Tensile Index auswirkte.
Abbildung 22:
Abhängigkeit des Tensile Index vom
Kalanderdruck Papierdicke ca.
630 µm (vor Kalander)
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0
73 74 75 76 77 78 79 80 81
Füllstoffgehalt [%]
Tensile-Index [kN*m/kg]
Tensile Index vor Kalander Tensile Index nach Kalander
Luftdurchlässig-keit
Durch Variation des Kalandrierdruckes lässt sich Einfluss auf die Luftdurchläs-sigkeit des präkeramischen Papiers nehmen. Je niedriger der ausgeübte Druck, desto höher die Luftdurchlässigkeit. Dies lässt auf ein voluminöseres Mikrogefü-ge mit Poren im unMikrogefü-gebrannten Papier schließen.
Abbildung 23:
Abhängigkeit der Luftdurchlässig-keit vom Kalanderdruck
Luftdurchlässigkeit in Abhängigkeit zum Kalandrierdruck
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0 20 40 60 80 100
Kalandrierdruck [kN/m]
Luftdurchlässigkeit Gurley [s]
Thermische Umsetzung
Durch das Kalandrieren von Papier erfolgt eine Nachverdichtung. Erwartungs-gemäß führt ein gesteigerter Kalandrierdruck daher zu einer Erhöhung der Dichte der abgeleiteten Keramiken (siehe Tabelle 18). Aufgrund der Templatie-rung des Porennetzwerks durch die Zellstofffasern bleibt die Porengrößenvertei-lung allerdings nahezu unverändert. Ebenso wurde kein Einfluss auf das Verhal-ten bei der thermischen Umsetzung beobachtet. Die mechanischen Eigenschaften der untersuchten Probenserien zeigen keinen eindeutigen Trend auf, der auf eine Abhängigkeit von dem zur Nachverdichtung eingesetzten Kalandrierdruck schließen lässt. Vielmehr ist davon auszugehen, dass die Festigkeit der Proben entscheidend von der Morphologie des Zellstofftemplats beeinflusst wird, und die gemessenen Abweichungen durch herstellungsbeding-te lokale Schwankungen der Wolkigkeit des präkeramischen Papiers bedingt sind.
Kalandrierdruck [kN/m] 90 60 30 7,5
Schwindung in Papierebene [%]
19 19 19 20 Schwindung normal
zur Papierebene [%]
24 22 25 22
8.1.7 Kalandertemperatur (Serie A7)
Papierfestigkeit Die Kalandertemperatur wurde in 3 Schritten variiert, wobei kein relevanter Einfluss auf den Tensile Index festgestellt werden konnte.
Luftdurchlässig-keit
Bei einer Verdichtung mit 90kN/m und niedrigeren Temperaturen sind keine Änderungen hinsichtlich der Luftdurchlässigkeit feststellbar.
Thermische Umsetzung
Es konnte kein signifikanter Einfluss der Kalandertemperatur auf die Schwindung bei der thermischen Umsetzung präkeramischer Papiere zur Keramik gezeigt werden. Allerdings führt die die erhöhte Kalandertemperatur zu einer leichten Verschiebung in der Porengrößenverteilung. Gleichzeitig erfolgt eine deutliche Erhöhung der Doppelring-Biegefestigkeit bei Erhöhung der Kalandertemperatur von 60 °C auf 90 °C. Dies könnte auf eine Nachvernetzung des im Papier eingesetzten Latex zurückführbar sein, die eine engere Bindung der Pulverteil-chen aneinander bedingt. Hierdurch könnte eine geringfügige bessere Verdich-tung interpartikulärer Poren stattfinden, welche die Festigkeit der Keramikmatrix erhöht.
Kalandertemperatur [°C] 90 60 30
Schwindung in Papierebene [%]
19 18 19
Schwindung normal zur Papierebene [%]
Abbildung 25.
Porengrößen-verteilung von Al2O3-Keramiken aus
präkeramischen Papieren (1600
°C, 2 h) in
Abhängigkeit von der zur
Nachverdichtung des Papiers eingesetzten Kalander-temperatur.