Projekt 12408/01

Neues stoffliches Konzept zur Realisierung eines produktintegrierten Umweltschutzes bei der Herstellung keramischer Bauteile im Foliengießverfahren

Projektdurchführung

KERAFOLKeramische Folien GmbH
Stegenthumbach 4 - 6
92676 Eschenbach

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel war die Substitution von organischen Lösemitteln durch Wasser, bei der Herstellung keramischer Folien. Die entwickelten Folien auf wässriger Basis sollten hinsichtlich ihrer charakteristischen Eigenschaften vergleichbar mit den konventionell hergestellten Folien auf organischer Basis sein. Der Einsatz organischer Lösemittel hat sich, in technischer Hinsicht, bei der Produktion von keramischen Folien jahrelang bewährt. Auf der anderen Seite belasten organische Lösemittel Mensch und Umwelt. Dies war die Motivation zur Durchführung unseres Vorhabens.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1) Auswahl der keramischen Pulver und deren Charakterisierung
2) Auswahl der chemischen Hilfsstoffe
3) Aufbau / Umbau der elektrischen Messtechnik
4) Dispergier und Verträglichkeitsuntersuchungen
5) Verfahrenstechnische Erprobung der einzelnen Ansätze
6) Bewertung der Teilergebnisse, Planung des weiteren Vorgehens
7) Optimierung der chemischen Hilfsstoffe
8) Optimierung der Trocknung und Anpassung der technischen Anlagen
9) Vorversuche Bildanalyse
10) Beurteilung der Grünfolien
11) Trocknung der Grünfolien
12) Sinterung der Grünfolien und Charakterisierung der Ausbrennstoffe
13) Optimierung der Sinterung
14) Bauteileigenschaften: elektrische und chemisch-physikalische Untersuchungen


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Projektes gelang die Herstellung rissfreier keramischer Folien auf wässriger Basis mit ansprechenden Oberflächenqualitäten.
Aus ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten war die Redispergierung der Grünfolien und die Wiedereinführung des Rezyklats in die Produktion eine Maxime des Projektes. Insbesondere bei der Realisierung komplexer Abmessungen fallen Stanzabfälle in großen Mengen an.
Aufgrund des hydrophilen Charakters der wasserlöslichen Binder, wurde eine gute Redispergierbarkeit erzielt. Allerdings reagierten diese Folien sensibel auf klimatische Veränderungen. Daraus ergaben sich Beeinträchtigungen der Folieneigenschaften hinsichtlich Flexibilität, Härte und Festigkeit. Das dadurch eingeschränkte Prozessfenster und Handling bedingt Schwierigkeiten bei der Umsetzung zur großtechnischen Fertigung.
Der Einsatz von Dispersionsbindern auf wässriger Basis führte zu Grünfolien, die relativ unempfindlich gegenüber klimatischen Veränderungen sind. Die charakteristischen Folieneigenschaften sind insgesamt positiv zu beurteilen. Allerdings war eine vollständige Redispergierung nicht möglich.
Somit ergibt sich eine Ambivalenz zwischen vollständiger Redispergierung und konstanten Folieneigenschaften. Eine effektive Aufbereitung des keramischen Schlickers ist aufgrund der Kompatibilität der Schlickerkomponenten und der daraus resultierenden niedrigen Viskosität unproblematisch.
Dem entgegen stehen Schwierigkeiten bei der Entlüftung des wässrigen Schlickers. Die hohe Oberflächenspannung des Wassers beeinträchtigte das Austreiben der Blasen.
Aufgrund des geringen Dampfdrucks gestaltet sich auch die Trocknung auf konventionelle Art (Strahlung, Konvektion) schwierig. Die Diffusion vom Folieninneren zur Oberfläche war sehr zeitintensiv. Ausgehend von der schnelleren Trocknung an der Oberfläche kommt es zu einer schichtweisen, inhomogenen Trocknung. Diese Inhomogenitäten erzeugen Spannungen in der Folie. Die bereits getrocknete Oberfläche gerät dadurch unter Zugspannungen, Trocknungsrisse sind die Folge.
Eine vielversprechende Alternative stellt die Mikrowellentrocknung dar. Durch sie besteht die Möglichkeit Trocknungszeiten zu realisieren, die im Bereich der organischen Systeme liegen können.
Voraussetzung dafür ist allerdings ein homogenes Mikrowellenfeld und eine Peripherie, die den Ansprüchen der Folientrocknung genügt. Durch eigene Versuche konnte die prinzipielle Eignung der Mikrowel-lentechnik zur Trocknung von Grünfolien auf wässriger Basis gezeigt werden. Allerdings sind auf dem Markt noch keine kommerziellen Anlagen speziell zur Folientrocknung verfügbar. Auch zur Adaption an bestehende Gießbänder muss noch Entwicklungsarbeit geleistet werden.
Bei der Sinterung haben sich eingesetzte Standardprogramme als geeignet erwiesen. Die abgeschlossenen Schwindungsvorgänge sprechen für eine ausreichende Temperatur und Haltezeit.
Mit den wasserlöslichen Bindern wurden teilweise theoretische Dichten um 99% erreicht. Mit den Dispersionsbindern lagen die Dichten im Bereich von 98%. Es besteht aber offensichtlich eine Diskrepanz zwi-schen, den mittels Auftriebsmethode, ermittelten Dichtewerten und den Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop. Die REM-Aufnahmen zeigen Porositäten, die theoretische Dichten von 98% und 99% unwahrscheinlich erscheinen lassen.
Ausreichende Sinterdichten >99,5% werden für entsprechende Applikationen im Bereich der Elektrotechnik, Brennstoffzellentechnik und Sensorik gefordert.Trotz der niedrigen Dichten wurden an den, auf wässriger Basis gefertigten, Substraten Leitfähigkeiten von 14 S/m gemessen. Allerdings besteht noch erheblicher Optimierungsbedarf gegenüber den Standardsubstraten an denen 16 S/m gemessen wurden (Messungen bei 1000°C).


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Vortrag im Rahmen der DKG-Tagung vom 08.-10.10.2001 in Bayreuth.


Fazit

Im Rahmen des Projektes konnten große Fortschritte hinsichtlich der Substitution organischer Lösemittel durch Wasser erreicht werden. Insbesondere gelang die Realisierung rissfreier Grünfolien mit anspre-chenden Oberflächeneigenschaften. Die niedrigeren erzielten Leitfähigkeits- und Dichtewerte der Substrate verglichen mit dem Standardmaterial wirken sich, aufgrund der Anwendungen, bei Folien aus Zirkonoxid nachteilig aus. Hier muss noch Entwicklungsarbeit geleistet werden bevor der großtechnische Einsatz realisiert werden kann. Allerdings besteht bei Massen mit anderen Anforderungsprofilen, wie Porzellan und porösen Keramiken, die Möglichkeit einer großtechnischen Produktion auf wässriger Basis. Die Umstellung auf wässrige Systeme wurde bereits teilweise realisiert und zukünftig, bei entsprechenden Produkten, weiter vorangetrieben.