Filter aus präkeramischen Papieren

Kostengünstige Herstellung von Keramikfiltern durch Sinterpapiere.

„Die Arbeiten erfolgten in Kooperation zwischen Papiertechnischer Stiftung (Forschungsstelle 1) und Friedrich-Alexander-Universität Erlangen – Lehrstuhl für Glas und Keramik (Forschungsstelle 2).“

Im Bereich der Fluidfiltration haben keramische Membransysteme materialbedingte Vorteile gegenüber von Polymermembransystemen. Keramische  Membrane sind jedoch gegenüber den Polymermembranen aufwendiger herzustellen und letztendlich teurer. Materialbedingte Vorteile sind beispielsweis

• höhere Bioinertheit
• höhere Lebensdauer
• höhere Betriebstemperaturen
• besserer Regenerierbarkeit
• direkte Beheizbarkeit

Im Rahmen des vorliegenden Projektes sollte ein Halbzeug für eine kostengünstigere Herstellung von keramischen Filtersystemen durch Nutzung präkeramischer Papiere (Sinterpapiere) entwickelt und untersucht werden.

Die Herstellung von Filtern auf der Basis der Technologie präkeramischer Papiere und die dadurch erschlossenen Möglichkeiten der papiertechnologischen Formgebung erlauben es nun, analog zu Polymersystemen völlig neue und großflächige Filterstrukturen zu realisieren (z.B. Wellpappestrukturen). Dieser neue Ansatz soll es ermöglichen, keramische Filterstrukturen wesentlich kostengünstiger herzustellen und damit neue Marktsegmente im Bereich der Filtrationstechnik zu erschließen. Der Filtrationsmarkt insbesondere im Bereich Abwasseraufbereitung (z.B. Trinkwasseraufbereitung oder Abwasserbehandlung Papierfabrik) ist ein stark wachsender Markt. Ein „Low cost“ -Ansatz im Bereich keramischer Filter- und Membrantechnik verspricht demnach einen relevanten Absatz für die sogenannten präkeramischen Sinterpapiere.

Es sollte erarbeitet werden, welche verschiedenen keramischen Filterstrukturen auf der Basis präkeramischer Papiere mittels papiertechnologischer Formgebung prinzipiell möglich sind. Das präkeramische Papier sollte in diesem Zusammenhang den Filter-Support darstellen. Die eigentliche Filtermembran sollte mittels papiertechnologischen Streichverfahren aufgebracht werden. Die Eignung zur optionalen Beschichtung mittels konventioneller Auftragsverfahren sollte gewährleistet sein. Zudem sollten innovative alternative Möglichkeiten (wie z.B. Imprägnierung bzw. Teilimprägnierung mit präkeramischen Polymeren) zur Steuerung der Porenweite entwickelt werden, welche bereits im Papierherstellungs- und thermischen Umsetzungsprozess eingegliedert werden sollten.

Es wurden die technologischen Grundlagen zur Herstellung von Filtersystemen auf Basis präkeramischer Papiere erarbeitet. Die papierabgeleiteten Keramiken waren dabei zur Herstellung der Supportstruktur vorgesehen. Aufgrund der entscheidenden Bedeutung der Porosität und der Porenstruktur bei ausreichender Festigkeit wurden zunächst umfangreiche Untersuchungen zur Steuerung der Porosität von aus präkeramischem Papier abgeleiteten Keramiken durchgeführt. Im Focus stand dabei das Materialsystem Al₂O₃-gefüllter präkeramischer Papiere, an welchem beispielhaft der Einfluss der Parameter Sintertemperatur, Füllstoffgehalt der Papiere, Mischungsverhältnis Langfaserzellstoff : Kurzfaserzellstoff, Einsatz von Faserzellstoffen mit unterschiedlicher Morphologie, Einsatz keramischer Füllstoffe mit unterschiedlicher Korngrößenverteilung, sowie der Kalandrierparameter Temperatur und Druck auf Mikrostruktur und Porosität der Keramiken untersucht wurde. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Eigenschaften der Keramiken im Wesentlichen durch die Morphologie des porenbildenden Fasertemplats bestimmt werden, während die Sinterbedingungen und die Korngrößenverteilung des eingesetzten Füllstoffes die interpartikuläre Porosität steuern. Der Füllstoffgehalt und der Kalandrierdruck wurden als entscheidende Faktoren für die Gesamtporosität der Keramiken identifiziert, besitzen aber keinen signifikanten Einfluss auf die Porenstruktur.    

Basierend auf diesen Ergebnissen erfolgten eine Optimierung der Papiere und schließlich die erfolgreiche Umsetzung im Pilotmaßstab. Weiterhin wurden am Beispielsystem Al₂O₃-gefüllter präkeramischer Papiere Untersuchungen zur Rezyklierbarkeit durchgeführt. Hierbei konnten nicht gestrichene Maschinenpapiere erfolgreich rezykliert werden. Des Weiteren wurde der durch den projektbegleitenden Ausschuss empfohlene Auftrag einer Ausgleichsschicht zur Verringerung der Oberflächenrauhigkeit auf ein Maß, welches den Auftrag trenngrenzendefinierender Membranen ermöglicht, untersucht. In jedem Projektstadium erfolgte zudem eine Funktionsprüfung der Erfolg versprechendsten Varianten anhand der Messung des Flux (Wasserpermeabilität). Hierbei wurden die Morphologie der durch die Zellstofffasern templatierten Porenkanäle sowie die durch die Korngrößenverteilung des Füllstoffs in Verbindung mit dem Sinterprofil gesteuerte interpartikuläre Porosität als entscheidende Faktoren ermittelt. Die Ergebnisse der Funktionsprüfung weisen das grundsätzliche Potential präkeramischer Papiere in der Herstellung keramischer Filtersysteme nach.

Anhand SiC-gefüllter präkeramischer Papiere wurde die Umsetzung mittels Infiltration mit präkeramischen Polymeren untersucht welche nach Vernetzung und Pyrolyse eine die Füllstoffpartikel umschließende Matrix bilden und somit die aus der geringen Sinteraktivität von Systemen mit kovalenter Atombindung resultierenden Schwierigkeiten bei der thermischen Umsetzung umgehen. Es konnte dabei eine Steigerung der Festigkeit der Proben durch Infiltration in einer Vakuumgießkammer aufgezeigt werden. Weitere, vorwiegend in Zusammenarbeit mit dem projektbegleitenden Ausschuss untersuchte Füllstoffsysteme umfassten RSiC, silikatisch gebundenes SiC und Si₃N₄. Hier wurde die Basis für eine Weiterentwicklung dieser Materialsysteme erarbeitet.

Durch eine kostengünstige Herstellung korrosions-, abrassions- und hochtemperaturbeständiger keramischer Filtersysteme kann ein Wettbewerbsvorteil für die im projektbegleitenden Ausschuss beteiligten Filterhersteller geschaffen werden. In gewissem Maße könnten polymerbasierte Filtersysteme durch keramische Systeme mit längeren Standzeiten und günstigeren Preisen substituiert werden. Zudem könnte der Markt keramischer Filtersysteme für Rohstofflieferanten, Papierhersteller und Papierverarbeiter neu erschlossen werden. Aufgrund des spezialisierten Anwendungsbereiches der erforschten Filtersysteme ist dies von besonderer Bedeutung für kleine und mittlere Unternehmen, da besonders hier Potenzial zur Herstellung von Nischenprodukten gegeben ist.

Das Forschungsvorhaben IGF 272 ZN der kooperierenden AiF-Forschungs¬vereinigungen Papiertechnische Stiftung (PTS) und Deutsche Keramische Gesellschaft (DKG) wurde im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF finanziert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Ein herzliches Dankeschön sei auch allen Projektpartnern gesagt, die zu ständiger Diskussion und Unterstützung bereit waren und durch ihre tatkräftige Unterstützung den Fortschritt des Projektes ermöglicht haben.