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Neue makroporöse Keramiken und Glasfilter aus Kapillarsuspensionen

Kurzfassung

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurde ein neues Verfahren mit hohem Einsparpotential zur Herstellung makroporöser Keramiken entwickelt. Das Verfahren beruht auf der Ausnutzung von Kapillareffekten in einer dreiphasigen Suspension aus nano- bis mikropartikulären Feststoffpartikeln. Auf diese Weise können gezielt Keramiken im Makroporenbereich mit Porendurchmessern größer als 50 nm und auch enger Porengrößenverteilung erzeugt werden.

Hintergrund

Poröse Keramiken haben je nach Porengröße und Porosität eine Vielzahl unterschiedlicher Einsatzmöglichkeiten: Sie werden z. B. als Filter in der Lebensmittelindustrie, Abgas- und Abwasserindustrie eingesetzt, als Gasdiffusionsschicht in der Brennstoffzellentechnik und als Isolationswerkstoff sowie bei chemischen Prozessen als Katalysatorträger oder Elektrodenmaterial verwendet. In der Medizintechnik kommen sie als strukturelles Gerüst (Scaffold) zum Einsatz.
Die gängigen industriellen Herstellungsverfahren sind – je nach gewünschter Porengröße bzw. Porosität (offen oder geschlossen) – u. a. die aufwendige Replikatechnik, Platzhaltermethode oder das Schlickerschäumen.

Lösung

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurde ein neues Verfahren zur Herstellung makroporöser Keramiken entwickelt, wobei gezielt ein Porengrößenbereich von 0,5 - 20 µm bei einer Porosität von mindestens 60 % eingestellt werden kann.
Das Verfahren beruht auf der Ausnutzung von Kapillareffekten in einer dreiphasigen Suspension aus nano- bis mikropartikulären 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). Mittels Kapillarsuspensionen können daher auch generelle Stabilisierungsaufgaben in dispersen Systemen gelöst werden.

Keramische Kapillarsuspension aus Aluminiumoxid bei verschieden Anteilen an Zweitphase (Bilder: KIT).
Keramische Kapillarsuspension aus Aluminiumoxid bei verschieden Anteilen an Zweitphase (Bilder: KIT).
Das Schema des Herstellungsverfahrens.Prinzipdarstellung der Aufbereitung: A) Suspension, B) Kapillarsuspension, C) gesintertes, hochporöses Formteil.Die Porendichteverteilung einer gesinterten Aluminiumoxid-KeramikSchliffbild einer gesinterten Al2O3-Keramik (zur Verteilung).

Vorteile

  • Universelle Einsetzbarkeit (Metalloxide, Glas)
  • Gezielte Einstellung der Porengröße bzw. Porengrößenverteilung
  • Gezielte Einstellung der Porosität
  • In Kombination mit typischen Formgebungsverfahren (Siebdruck, Spritzguss, etc.) können Formteile einfach hergestellt werden
  • Auch Bauteile mit komplizierter Geometrie oder filigrane Formteile herstellbar
  • Einfaches, effizientes und kostengünstiges Herstellungsverfahren
  • Keine toxischen Pyrolysegase
  • Verfahren mit herkömmlichen Verfahren für hochporöse Werkstoffe kombinierbar
  • Organische Bulk-Phase rückführbar

Anwendungsbereiche

Herstellung makroporöser Keramiken für:

  • Filtermaterial
  • Katalysatorträger
  • Elektrodenmaterial
  • Scaffolds für medizinische Anwendungen
  • Träger für andere Materialien (Leichtbau)
Exposé
Kontakt
Dr. Frank Schlotter
TLB GmbH
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe | Germany
Telefon +49 721-79004-0
schlotter(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
Prototyp / TRL5
Patentsituation
EP 2729431 B1 und EP 2906508 B1 erteilt,
DE, FR, GB validiert für beide EP
Referenznummer
11/014TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Kooperation und Lizenznahme.