Keramikschäume mit hoher Stegporosität

Abstract

Seit etwa zwei Jahrzehnten werden offenzellige, nach dem Retikulatverfahren hergestellte Keramikschäume als Trägerstrukturen für mikroporöse Aktivmaterialien diskutiert; solche Schäume besitzen aufgrund ihres makrostrukturellen Aufbaus besondere spezifische Werkstoffeigenschaften. Hierbei spielen deren große spezifische Oberfläche und deren hohe Turtuosität eine besondere Rolle, wobei das Aufnahmepotential für Aktivkomponenten wie beispielsweise Zeolithe nicht ausgeschöpft ist. Ein Zugang zum Inneren der Hohlstege in Verbindung mit der Erhöhung der Stegporosität könnte für eine deutlich höhere Beladung mit Aktivkomponenten genutzt werden. Mittels orientierender Untersuchungen an Aluminiumoxid-Retikulatschäumen wurde gefunden, dass sich deren Stegporosität erhöhen und ein Zugang zum Hohlsteginneren unter Zusatz ausbrennbarer Opferwerkstoffe, unter Verwendung nanoskaliger Ausgangspulver oder mittels Kombination des Retikulat-Verfahrens mit Gefrieren und Gefriertrocknung generieren lässt. In weiteren Untersuchungen der Verfahrenskombination aus Replika-Verfahren mit Gefrieren und Gefriertrocknung wurde der Einfluss wesentlicher Prozessparameter, wie die Aluminiumoxid-Partikelgröße, der Feststoffgehalt im Ausgangssystem, die Konzentration des Verdickungsmittels Methylcellulose und die Gefriertemperatur auf die resultierende Mikrostruktur der Schaumstege quantifiziert. Mit Feststoffgehalten von 30Vol.-% bis 40Vol.- %, Gefriertemperaturen von -20 C und -80 C und Partikelgrößen von d50 =0,1 μm und d50 =0,5 μm konnte eine zusätzliche offene Porosität in den Schaumstegen von bis zu 30% bei Druckfestigkeiten der resultierenden Schäume von bis zu 1,1MPa erzielt werden. Dafür ist die Entstehung einer abwechselnd aus Aluminiumoxid und Poren aufgebauten, lamellaren Stegstruktur verantwortlich, deren Materiallamellendicken von 30 μm bis 60 μm und deren Porenlamellen zwischen 4 μm und 20 μm gesteuert werden können und diese bis in das Hohlsteginnere reichen. Erste Untersuchungen zur Nutzung dieser lamellar-stegporösen Retikulatschäume als Träger für Silicalite-I zeigten, dass sich mittels Zeolith-Direktkristallisation der Anteil dieser mikroporösen Phase im Vergleich zu Referenzschäumen ohne zusätzliche Stegporosität bis auf das Fünffache erhöhen lässt. Dabei wurde auch Silicalite-I in den durch den Gefrier-und Gefriertrocknungsprozess zusätzlich entstandenen Poren gefunden. Die mit Silicalite-I belegten Schäume waren aufgrund ihrer vergleichsweise hohen mechanischen Festigkeiten gut handhabbar.

For about two decades, open-cell ceramic foams produced by the reticulating process have been discussed as support structures for microporous active materials; such foams possess special specific material properties due to their composition of macrostructure. In this context, their large specific surface area and high turtuosity play a special role, whereby the absorption potential for active components such as zeolites is not exhausted. Access to the interior of the hollow struts in conjunction with an increase in the strut porosity could be used for a significantly higher loading with active components. By means of orienting investigations on alumina reticulate foams, it was found that their strut porosity can be increased and access to the hollow strut interior can be created by adding burn-out sacrificial materials, by using nanoscale starting powders or by means of a combination with freeze and freeze-drying steps. In further investigations of the combination of the reticulate process with freeze and freeze-drying steps, the influence of key process parameters, such as the alumina particle size, the solids content in the starting system, the concentration of the thickener methylcellulose and the freezing temperature on the resulting microstructure of the foam struts was quantified. With solids contents in the starting system of 30% and 40% by volume, freezing temperatures of -20 C and -80 C and particle sizes of d50 =0.1 μm and d50 =0.5 μm, an additional open porosity in the foam struts of up to 30% could be achieved with compressive strengths of the resulting foams of up to 1.1MPa. This is due to the formation of a lamellar strut structure composed alternately of aluminum oxide and pores, whose material lamella widths can be controlled from 30 μm to 60 μm and whose pore lamellae from 4 μm to 20 μm and extend into the hollow strut interior. Initial investigations for the use of these lamellar-strut-porous reticulate foams as carriers for Silicalite-I showed that, by means of zeolite direct crystallization, the proportion of this microporous phase can be increased up to fivefold compared with reference foams without additional strut porosity. Silicalite-I was also found in the additional pores created by the freezing process. The foams covered with Silicalite-I were easy to handle due to their comparatively high mechanical strength.