DE3637690A1

DE3637690A1 - Verfahren zur herstellung von offenporigem sinterglas mit grossem offenen porenvolumen, das besonders geeignet ist als filter fuer fluessigkeiten und gase bei hohen durchflussgeschwindigkeiten

Info

Publication number: DE3637690A1
Application number: DE19863637690
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr Greulich; Werner Dr Kiefer; Veronika Rehm
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1986-11-05
Filing date: 1986-11-05
Publication date: 1988-08-11
Also published as: EP0266608A2; EP0266608A3; JPH0667776B2; CA1274856A; DE3637690C2; JPS63117930A; ATE74117T1; EP0266608B1; US4927442A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von offen porigem Sinterglas mit speziellen Eigenschaften für dessen An wendung als Filter für flüssige oder gasförmige Medien.

Formteile aus offenporigem Sinterglas werden nach herkömmlichen Verfahren mit Porenvolumina von 50-85% hergestellt. Bei Poren volumina von mehr als 60% ergeben sich jedoch Biegezugfestig keiten von nur ca. 2 N/mm², die für eine Anwendung als Filter medium zu niedrig sind, weil der maximal anwendbare Differenz druck wesentlich kleiner als 1 bar wäre. Eine mögliche Abhilfe könnte darin bestehen, die Filter dicker auszuführen, was aber auf Kosten der Durchflußgeschwindigkeit geschehen würde.

Die für die Filtration ungünstigen Eigenschaften der offenporigen Sintergläser mit Porenvolumina über 60% werden auf zwei Ursa chen zurückgeführt:

1) Die Verteilung der Porengrößen ist relativ breit um einen Mittelwert. Die Durchflußgeschwindigkeit für ein flüssiges oder gasförmiges Medium wird hauptsächlich von den größten Porendurchmessern bestimmt, während die kleinen Poren auf grund des Hagen-Poiseuille′schen Gesetzes nur wenig hierzu beitragen können. Andererseits vermindert das von kleinen Poren gebildete Porenvolumen die Biegezugfestigkeit. Bild 1 zeigt an einer herkömmlichen Sinterglasprobe mit der Queck silber-Penetrationsmethode gemessene Porengrößenverteilung.
2) Nach herkömmlichem Verfahren hergestelltes offenporiges Sinterglas hat Poren mit stark strukturierten inneren Ober flächen, wie die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme in Bild 2 zeigt. Diese starke Strukturierung behindert den freien Durchfluß strömender Medien. Dort haftende Filterrück stände sind nur schwer wieder entfernbar. Weiterhin können die gezeigten Strukturen zum Ausgangspunkt von Rissen werden, was die Biegezugfestigkeit herabsetzt.
Die handelsüblichen Laborfilter aus Borosilikatglas 3.3 haben ebenfalls stark strukturierte innere Oberflächen, wie die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme in Bild 3 zeigt. Derartige Strukturen erschweren den Durchfluß strömender Medien und die Reinigung nach Gebrauch der Filter. Solche Filter sind außerdem nur mit Porenvolumina bis maximal 50% herstellbar; ihre Porenradien weisen noch wesentlich breitere Verteilungen auf als das in Bild 1 dargestellte Sinterglas.

Aus der DE-PS 33 05 854 ist ein Verfahren zur Herstellung von porösem Sinterglas bekannt, bei welchem Glaspulver mit einer leicht löslichen Substanz gemischt und das Gemisch auf die Sin tertemperatur des Glases erhitzt und dort so lange gehalten wird, bis das Glaspulver versintert ist, worauf das Produkt abgekühlt und die leicht lösliche Substanz herausgelöst wird. Die hierbei auftretende Porengrößenverteilung ist ähnlich der in Bild 1 dargestellten.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von offenporigem Sinterglas mit großem offenem Porenvolumen, hohen Biegezugfestigkeiten und guten Durchflußgeschwindigkeiten, welches hervorragend geeignet ist als Filtermaterial.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß erreicht mit einem Verfahren gemäß den Patentansprüchen.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens treten die geschil derten Nachteile des herkömmlichen offenporigen Sinterglases nicht mehr auf. Bild 4 zeigt als Beispiel die Porenverteilung in einem Sinterglaskörper, der nach dem Verfahren von Anspruch 2 hergestellt wurde, Bild 5 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des gleichen Sinterglaskörpers.

Man erkennt deutlich, daß die in Bild 4 dargestellte Verteilung der Porenradien wesentlich schmaler um den gewünschten Mittel wert (hier 15 µm) gestreut ist als in Bild 1. Das in Bild 5 dargestellte Material weist deutlich höhere Festigkeitswerte (10 N/mm²) auf als das in Bild 2 dargestellte (1,8 N/mm²). Beim Vergleich von Bild 5 mit Bild 2 fällt die wesentlich glattere Struktur der Porenwände bei dem erfindungsgemäßen Sinterglas besonders auf.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be steht darin, daß jetzt auch Laborfilter aus Borosilikatglas nach DIN ISO 3585 nach dem Prinzip des offenporigen Sinterglases hergestellt werden können, die bei einem Porenvolumen von mehr als 60% und damit sehr hohen Durchflußgeschwindigkeiten für z.B. wässrige Medien auch eine für diese Anwendung ausreichen de Biegezugfestigkeit aufweisen.

Dank der in Abb. 4 gezeigten glatten, verrundeten und nicht durch Mikroporen von 0,5-5 µm Durchmesser durchbrochenen Poren wände ergeben sich als zusätzlicher Vorteil gegenüber anderen Laborfiltermaterialien aus Glas oder Keramik wesentlich erleich terte Reinigungsmöglichkeiten nach dem Gebrauch der Filter. Zu sätzlich beschleunigt sich der Auswaschvorgang des Salzes bei der Herstellung der Filter.

Die Erfindung wird durch die nachstehenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. In diesen Beispielen sind die Rezepturen ange geben, die für Porengrößenklassen der Laborfilter nach ISO 4793 angewendet werden können. Durch Wahl anderer Korngrößen für das Salz, das Glas oder die daraus hergestellten Granulate können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Filter mit anderen Poren größen als den genannten, bei gleichen Porenvolumina, hergestellt werden.

Beispiel 4 erläutert eine Variante des erfindungsgemäßen Ver fahrens, wobei zunächst das grobkörnige Salzpulver mit dem Bindemittel vermischt und sodann das feinkörnige Glaspulver zugesetzt wird, bis die für das Granulat erwünschte Zusammen setzung erreicht ist.

Beispiel 1 P 16 - Filter, Verfahren nach Anspruch 4

75 Gew.-% K₂SO₄ (Korngröße <40 µm), 25 Gew.-% Borosilikatpulver DURAN der Fa. SCHOTT Glaswerke (Typen-Nr. 8330, Korngröße <20 µm) und 100 ml einer 30%-igen wässrigen Polyäthylenglykollösung pro kg Mischung werden intensiv vermischt. Das resultierende Gemenge wird getrocknet und auf 200-300 µm Korngröße abgesiebt. Diesem Ausgangsgranulat werden 10 Gew.-%, bezogen auf das Ausgangsgranulat, reines Glaspulver des oben erwähnten Glastyps mit Korngrößen <40 µm in Form eines Granulats mit der Korngröße 200-300 µm untergemischt. Die resultierende Mischung wird mit einem Flächen druck von mindestens 1 t / cm² trocken verpreßt. Die Preßlinge werden bei 860°C versintert, und anschließend wird das K₂SO₄ vollständig ausgewaschen.

Man erhält so ein Filter der Porengrößenklasse P 16 aus Boro silikatglas 3.3 nach DIN ISO 3585 mit folgenden Eigenschaften:

- Maximaler Porendurchmesser:15 µm - Biegezugfestigkeit:11 N/mm² - Porenvolumen:65% - Dichte:0,79 g/cm³ - Durchflußrate für Wasser (1 bar Differenzdruck, 4 mm Filterdicke):6,5 ml/cm² · s - Durchflußrate für Luft bei 0,1 bar Differenzdruck und 4 mm Filterdicke:28 ml NTP/cm² · s

Beispiel 2 P 40 - Filter, Verfahren nach Anspruch 2

75 Gew.-% K₂SO₄ (Korngröße <40 µm), 25 Gew.-% Glaspulver mit Korngrößen <20 µm des in Beispiel 1 erwähnten Glastyps und 100 ml einer 30%-igen wässrigen Polyäthylenglykollösung pro kg Mischung werden intensiv vermischt. Dem noch feuchten Gemisch werden 10 Gew.-%, bezogen auf dieses Gemisch, Glaspulver mit Korngrößen <40 µm des gleichen Glastyps zugegeben. Die Weiter verarbeitung geschieht wie in Beispiel 1 angegeben.

Man erhält so ein Filter der Porengrößenklasse P 40 aus Borosi likatglas 3.3 nach DIN ISO 3585 mit folgenden Eigenschaften:

- Maximaler Porendurchmesser:31 µm - Biegezugfestigkeit:7 N/mm² - Porenvolumen:67% - Dichte:0,75 g/cm³ - Durchflußrate für Wasser (1 bar Differenzdruck, 4 mm Filterdicke):29 ml/cm² · s - Durchflußrate für Luft bei 0,1 bar Differenzdruck, 4 mm Filterdicke:183 ml/cm² · s

Beispiel 3 P 100 - Filter, Verfahren nach Anspruch 2

55 Gew.-% K₂SO₄ (Korngröße 100-200 µm), 45 Gew.-% Glaspulver mit Korngrößen 40-60 µm des im Beispiel 1 erwähnten Glastyps und 100 ml einer wässrigen 30%-igen Polyäthylenglykollösung pro kg Mischung werden intensiv vermischt. Dem noch feuchten Gemisch werden 10 Gew.-%, bezogen auf diese Mischung, Glaspulver mit Korngrößen <40 µm des gleichen Glastyps zugegeben. Die Weiterverarbeitung geschieht wie in Beispiel 1 angegeben.

Man erhält so ein Filter der Porengrößenklasse P 100 aus Boro silikatglas 3.3 nach DIN ISO 3585 mit folgenden Eigenschaften:

- Maximaler Porendurchmesser:97 µm - Biegezugfestigkeit:5 N/mm² - Porenvolumen:60% - Dichte:0,93 g/cm³ - Durchflußrate für Wasser (1 bar Differenzdruck, 4 mm Filterdicke):45 ml/cm² · s - Durchflußrate für Luft bei 0,1 bar Differenzdruck,4 mm Filterdicke:260 ml/cm² · s

Beispiel 4 P 160 - Filter, Verfahren nach Anspruch 1

Zu 50 Gew.-% K₂SO₄-Pulver mit Korngrößen 100-200 µm werden 100 ml einer 30%-igen wässrigen Polyäthylenglykollösung pro kg Mischung gegeben. Anschließend werden während eines Mischvorganges lang sam 50 Gew.-% Glaspulver mit Korngrößen 40-60 µm des im Bei spiel 1 erwähnten Glastyps zugegeben. Die Weiterverarbeitung geschieht wie in Beispiel 1 angegeben.

Man erhält so ein Filter der Porengrößenklasse P 160 aus Borosi likatglas 3.3 nach DIN ISO 3585 mit folgenden Eigenschaften:

- Maximaler Porendurchmesser:115 µm - Biegezugfestigkeit:4 N/mm² - Porenvolumen:63% - Dichte:0,84 g/cm³ - Durchflußrate für Wasser (1 bar Differenzdruck, 4 mm Filterdicke):85 ml/cm² · s - Durchflußrate für Luft bei 0,1 bar Differenzdruck, 4 mm Filterdicke:500 ml/cm² · s

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von offenporigen Sinterkörpern aus Glas mit großem offenen Porenvolumen, hohen Biegezug festigkeiten, definiert einstellbaren Porengrößen und hohen Durchflußgeschwindigkeiten für Flüssigkeiten und Gase, durch Versintern eines Glas-Salz-Gemisches und nachträgliches Aus waschen des Salzes, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aus gangsgranulat aus feinkörnigem Glaspulver, grobkörnigem Salzpulver und Bindemittel hergestellt wird, diesem Aus gangsgranulat 5 bis 20 Gew.-% feinkörniges Glaspulver zuge setzt werden, die Masse einer Formgebung unterzogen wird, die entstandenen Formkörper auf die Sintertemperatur des Glases erhitzt und versintert werden und danach das Salz aus dem Sinterglas herausgewaschen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Ausgangsgranulat zugesetzte feinkörnige Glaspulver Korngrößen zwischen 0 und 100 µm, vorzugsweise zwischen 0 und 40 µm aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das dem Ausgangsgranulat zugesetzte feinkörnige Glas pulver vor der Zugabe mit Hilfe eines Bindemittels zu einem Granulat verarbeitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Granulat aus feinkörnigem Glaspulver und Bindemittel Korngrößen zwischen 63 und 400 µm aufweist.

5. Offenporige Sinterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß sie Biegezugfestigkeiten von 7-12 N/mm², Porenvolumina von 60-75% und exakt einstellbare Porendurchmesser im Bereich von 10-15 µm, 30-40 µm, 80-100 µm oder 110- 150 µm aufweisen und nach dem Verfahren gemäß den An sprüchen 1 bis 4 hergestellt sind.