Neues metallisches poröses Papier und seine Anwendung als Filtermedium

Die Herstellung der porösen metallischen Papiere erfolgt durch eine Kombination von Papiertechnologie und Sintertechnologie. Als Ausgangsmaterialien werden Metallpulver oder Metallfasern sowie Holz und Zellstoffe in einer Flüssigkeit miteinander gemischt. Sie werden danach mit einem sogenannten Blattbildner bzw. mittels einer Papiermaschine zu einem flächigen Werkstoff verarbeitet. Die Verdichtungseigenschaften hängen besonders von Mischungsverhältnis, Partikelform, Partikelgrößenverteilung und interpartikuläre Reibung ab Typischerweise liegt der Metallpulvergehalt zwischen 75 % und 85 %. Es können auch Mischungen aus Metallpulver und Metallfasern eingesetzt werden, wodurch die Gesamtporosität, die Porengröße und das resultierende Flächengewicht variiert werden können. Grundsätzlich können Metallpulver mit Partikelgrößen im Durchmesserbereich zwischen ca. 2 µm und 50 µm zu Papieren verarbeitet werden. Auch ein gradierter Aufbau, d. h. ein Aufbau mit unterschiedlich großen Metallpulverpartikeln durch zusätzliche Beschichtungen ist möglich. Bisher wurden poröse metallische Papiere mit einer Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm hergestellt. Bei der Entbinderung zwischen 200 °C und 650 °C werden der Zellstoff und andere organische Bestandteile in einem thermischen Prozess entfernt. Bei der Sinterung, die bei Edelstahl zwischen 1050 °C und 1300 °C stattfindet, kommt es durch Diffusionsprozesse zur stofflichen Verbindung zwischen den Pulverteilchen bzw. den Metallfasern, welche der porösen Struktur eine hohe Festigkeit verleihen. Es wurden bisher Papiere mit einer mittleren Porengröße im Bereich von 2 µm bis 40 µm und mit einem Flächengewicht zwischen 450 g/m2 und 2000 g/m2 hergestellt. Das Papier kann vor der Wärmebehandlung mit konventionellen Papiertechnologien einfach weitererarbeitet werden kann. Es kann gerollt, gewickelt, gefaltet, gekreppt und geriffelt werden. Es zeigte sich, dass die feinere, offenporigere Struktur bei einer niedrigeren Herstellungstemperatur von Probe A bessere Filtrationseigenschaften aufweist, als die bei einer höheren Temperatur hergestellten Proben (Probe B und C). Das Porensystem ist bei der Probe A weiter verzweigt und weist dadurch eine bessere Partikelabscheidung und eine höhere Permeabilität auf. Im Gegensatz zu den anderen beiden Materialien werden beim Sintermaterial A deutlich mehr Partikeln bereits an der Oberfläche abgeschieden, besonders bei größeren Partikeln ab ca. 10 µm. Auch die Sinterpapiere B und C entfernen Partikeln ab dieser Größe nahezu vollständig. Insgesamt weisen alle Sinterpapiere eine gute Abscheidung gegenüber ISO-Medium-Test-Dust auf. Partikeln ab einer Größe von ca. 8 µm werden von allen Materialien nahezu vollständig abgeschieden, kleinere Partikeln nur teilweise. Die Sinterpapiere scheiden Partikeln sowohl an ihrer Oberfläche als auch im Inneren ab. Eine niedrige Sintertemperatur führt zu einer Struktur mit einem feinen, offenen Porensystem. Daraus resultieren ein geringer Durchströmungswiderstand und eine bessere Abscheidung. Eine Erhöhung der Sintertemperatur lässt diese feine Struktur zunehmend verschmelzen. Das Porensystem weist weniger aber dafür größere Poren auf. Daraus resultieren ein höherer Durchströmungswiderstand und eine schlechtere Abscheidung. Eine Erhöhung der Flächenmasse bzw. Materialdicke führt zu einer besseren Abscheidung und einem erhöhten Durchströmungswiderstand. Die hohe Porosität und die dünne und stabile Struktur der Sinterpapiere sind beste Voraussetzungen zum Einsatz als Filtermedium sowohl für Gase auch als für Flüssigkeiten. Ab ca. 250 °C wird die Auswahl an Filtermedien deutlich eingeschränkt, so dass sich ab diesem Temperaturbereich die spezifischen Vorteile der metallischen Filterpapiere zum Tragen kommen. Die gesinterten Vliese können prinzipiell aus unterschiedlichen Metallen hergestellt werden. So können poröse metallische Papiere aus Chrom-Nickel-Stahl, FeCrAl, Nickelbasis-Legierungen und auch aus Kupferwerkstoffen gefertigtwerden. Bisherige Ergebnisse haben gezeigt, dass sowohl bei schockartigen Druckbeanspruchungen als auch bei Thermowechselbeanspruchen eine gute Performance nachgewiesen werden konnte. Darüber hinaus lassen sie sich löten und schweißen.