DE10309009A1 - Zeolite coating of polymer-derived ceramics where e.g. aluminum is added to the coating solution and/or ceramic which acts as a carrier and also provides network-formers - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungTerritory of invention
Die vorliegende Erfindung betrifft eine innovative Herstellungstechnik (Chemisch und mechanisch trägergestützte Kristallisation) von Zeolithschichten auf keramischen Trägern, die eine partielle Auflösung und Transformation der Oberfläche des Trägermaterials in eine Schicht mit zeolithischer (porös, kristallin) Struktur beinhaltet. Dabei stellen die keramischen Trägermaterialien sowohl den mechanischen Träger als auch die stoffliche Quelle der für die Zeolithbildung erforderlichen Netzwerkbildner dar. Die Umwandlung erfolgt in einer hydrothermalen Reaktion.The present invention relates to an innovative manufacturing technique (chemically and mechanically supported crystallization) of zeolite layers on ceramic supports that require partial dissolution and transformation the surface of the carrier material in a layer with a zeolitic (porous, crystalline) structure. The ceramic carrier materials both the mechanical support as well as the material source required for zeolite formation Networking. The conversion takes place in a hydrothermal Reaction.
Hintergrund der Erfindungbackground the invention
Zeolithe sind mikroporöse kristalline Materialien mit 3-dimensionaler Netzwerkstruktur, die (vorzugsweise) aus [SiO4]- und [AlO4]-Tetraedern durch Verknüpfung über die Sauerstoffatome aufgebaut sind. Diese Materialien haben grosse Bedeutung für Katalyse, Stofftrennung und Adsorption.Zeolites are microporous crystalline materials with a 3-dimensional network structure, which (preferably) are made up of [SiO 4 ] and [AlO 4 ] tetrahedra by linking via the oxygen atoms. These materials are of great importance for catalysis, material separation and adsorption.
Zeolithe werden in technischen Synthesen als Pulver erhalten. Für die meisten technischen Anwendungszwecke ist eine Formgebung unter Verwendung von Bindern (Ton, Kieselsol, Aluminiumoxid, etc.) notwendig. So kann die erforderliche Partikelgrösse bei hinreichender mechanischer Stabilität erzielt werden. Dieses Formgebungsverfahren hat mehrere Nachteile: Neben der Notwendigkeit eines zusätzlichen Technologieschrittes, verringern die verwendeten Binder den Anteil an katalytisch aktivem Material, können zur Blockierung von Poren führen und gegebenenfalls sogar unerwünschte katalytische Effekte zeigen.Zeolites are used in technical syntheses received as a powder. For Most technical application is a shaping under Use of binders (clay, silica sol, aluminum oxide, etc.) is necessary. So the required particle size with sufficient mechanical stability be achieved. This molding process has several disadvantages: In addition to the need for an additional technology step, reduce the binder used the proportion of catalytically active material, can block pores and possibly even unwanted ones show catalytic effects.
In der Literatur wird über die Herstellung freitragender Zeolithmembranen berichtet (Advanced Materials 14, Issue 13-14 (2002) 994-997), dies repräsentiert jedoch eine andere Lösungsvariante. Für die Nutzbarmachung zeolithischer Eigenschaften für neue Anwendungen ist die Möglichkeit der Erzeugung mechanisch stabiler Zeolithformkörper unterschiedlicher Geometrie von essentieller Bedeutung.In the literature, the Manufacture of self-supporting zeolite membranes reported (Advanced Materials 14, Issue 13-14 (2002) 994-997), but this represents another Solution variant. For the Utilization of zeolitic properties for new applications is that possibility the production of mechanically stable zeolite moldings of different geometries of essential importance.
Aus diesem Grund ist eine der gegenwärtigen Forschungsrichtungen in der Zeolithforschung die trägergestützte Kristallisation von Zeolithen zur Herstellung von Membranen (sowohl inert als auch katalytisch aktiv) für Trennprozesse und Katalyse, Adsorptionsmodule, Wärmepumpen, chemische Sensoren, Mikroelektronikbauteile und katalytisch aktive Beschichtungen (Microporous and Mesoporous Materials 21 (1990 213-226).For this reason, is one of the current research directions in zeolite research, supported crystallization of zeolites for the production of membranes (both inert and catalytically active) for Separation processes and catalysis, adsorption modules, heat pumps, chemical sensors, Microelectronic components and catalytically active coatings (microporous and Mesoporous Materials 21 (1990 213-226).
Das Interesse an zeolitischen Kompositmaterialien steigt aufgrund der erzielbaren mechanischen Festigkeit, der neuen Möglichkeit der Formgebung von Katalysatoren und dem Synergieeffekt durch die Kombination von zwei Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften. Ausserdem lassen sich durch die Variation von Trägermaterial und Zeolith eine ganze Reihe von verschiedenen Kombinationen realisieren mit neuen Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten. Das wachsende Interesse an diesenn Materialien wird auch durch die anwachsende Zahl an Veröffentlichungen zu diesem Thema dokumentiert.The interest in zeolitic composite materials increases due to the achievable mechanical strength, the new one possibility the shaping of catalysts and the synergy effect through the Combination of two materials with different properties. In addition, by varying the carrier material and zeolite Realize a whole range of different combinations with new ones Properties and possible uses. The growing interest in these materials is also due to the growing number of publications documented on this topic.
Die Methode "Trägergestützte Kristallisation" wird durch zwei Hauptfaktoren bestimmt - die Art des Trägers und die Präparationstechnik.The "carrier-based crystallization" method is described by two Main factors determine - the type of carrier and the preparation technique.
Eine ganze Reihe von verschiedenen Materialien (strukturiert und geformt) wurden für die Beschichtung mit Zeolithen getestet (Edelstahl, Al-Legierungen, Keramiken, Glas, Platten, Formkörper, Mikrostrukturen, etc.). Eine umfassende Übersicht ist in Tab. 1 dargestellt.A whole bunch of different ones Materials (structured and shaped) were used for coating with zeolites tested (stainless steel, aluminum alloys, ceramics, glass, plates, moldings, microstructures, etc.). A comprehensive overview is shown in Tab. 1.
In vielen Fällen führt jedoch die Inkompatibilität von Film
und Träger
zu Problemen. Insbesondere im Fall der Membranen wurden eine Reihe
von Problemstellungen bezüglich
Haftung, Dichtheit, bevorzugte Orientierung der Kristalle untersucht
und teilweise gelöst.
Ein Grossteil der Publikationen und Patente bezieht sich deshalb
auch auf die Herstellung von Membranen durch die Kristallisation
von Zeolithen auf porösen
Stahl- oder Keramikträgern
(Patent
Nur wenige Veröffentlichungen beziehen sich auf die Herstellung von katalytisch aktiven Schichten auf porösen Keramiken (siehe Tab. 1). Diese sind jedoch immer auf Erzeugung einer Schicht auf inerten Trägermaterialien begrenzt.Only a few publications relate on the production of catalytically active layers on porous ceramics (see Tab. 1). However, these are always on creating a layer on inert carrier materials limited.
Keramische Materialien zeichnen sich dabei durch ihre hohe thermische und gute chemische Beständigkeit, mechanische Festigkeit und Bearbeitbarkeit aus. Das macht sie für viele Anwendungen sehr attraktiv.Ceramic materials stand out thanks to their high thermal and good chemical resistance, mechanical strength and machinability. That makes them for many Applications very attractive.
Eine weitere Anforderung an Zeolith-Träger-Komposite ist die möglichst gute Haftung zwischen Trägermaterial und Zeolithschicht. Erfindungsgemäss wird diese Haftung besonders gut realisiert, dadurch dass das Trägermaterial partiell in Zeolith umgewandelt wird und so eine Bindung auf molekularer Ebene erzeugt wird.Another requirement for zeolite carrier composites is that possible good adhesion between carrier material and zeolite layer. According to the invention, this liability is special well realized in that the carrier material is partially in zeolite is converted, creating a bond at the molecular level.
Darüber hinaus werden von uns spezielle keramische Materialien (polymerabgeleitete Keramiken) eingesetzt, deren Vorteil einerseits in der guten und formenreichen Verarbeitbarkeit liegen, andererseits aber auch eine breite Vielfalt hinsichtlich der präkeramischen Polymere (generell Si-haltige Polymere wie Poly(carbosilane), -(silazane), -(siloxane) oder -(borosilazane)) und der gegebenenfalls zum Einsatz kommenden Füller (metallisch, keramisch, inert oder reaktiv) erlauben (Peter Greil, Polymer Derived Engineering Ceramics, Advanced Engineering Materials 2 (2000) 339-348).In addition, we use special ceramic materials (polymer-derived ceramics), the advantage of which is, on the one hand, the good and shape-rich processability, but, on the other hand, a wide variety of preceramic polymers (generally Si-containing polymers such as poly (carbosilanes), - (silazanes ), - (siloxane) or - (borosilazane)) and the filler that may be used (metallic, ceramic, inert or reactive) (Peter Greil, Polymer Derived Engineering Ceramics, Advanced Engineering Materials 2 (2000) 339-348).
Die Trägermaterialien können als dichte oder poröse SiOC-(Füller)-Keramiken erhalten werden. Diese Keramiken allein besitzen noch keine nennenswerten katalytischen oder adsorptiven Eigenschaften, während es Zeolithen an den mechanischen Eigenschaften mangelt.The carrier materials can be used as dense or porous SiOC (filler) ceramics be preserved. These ceramics alone have no noteworthy catalytic or adsorptive properties, while it attaches to the mechanical zeolites Characteristics lack.
Das Kompositmaterial aus Keramik und Zeolithschicht hingegen überwindet die einzeln zu Tage tretenden Nachteile.The ceramic composite material and overcomes the zeolite layer the individual disadvantages.
Im Weiteren sollen die gegenwärtig verfügbaren Techniken zur Herstellung von Zeolith-Trägermaterialien diskutiert werden. Eine Übersicht mit Vor- und Nachteilen wird in Tabelle 2 gegeben.
- 1. Die Verwendung von Bindern kann Diffusionsprobleme durch teilweise Blockierung von Poren hervorrufen, verringert die Kristallinität der Schicht und führt oft nicht zu einer ausreichend kompatiblen Bindung zwischen Träger und Zeolith.
- 2. Die sogenannte Seed-Methode erlaubt zwar die Kristallisation von zeolithischem Material in relativ weitem Bereich ist aber als Mehrschritttechnik teuer und deshalb nur für die Präparation spezieller Membranen einsetzbar.
- 3. Eine weitere Methode ist die direkte hydrothermale Synthese auf inerten Substraten (einstufige Technik, reproduzierbar und kostengünstig). Beide Methoden (2, 3) führen zwar zu einer besseren Haftung zwischen Zeolithschicht und Substrat als die Verwendung von Binder, sind aber nicht mit den Ergebnissen der von uns vorgeschlagenen Methode vergleichbar.
- 1. The use of binders can cause diffusion problems by partially blocking pores, reduces the crystallinity of the layer and often does not lead to a sufficiently compatible bond between the support and the zeolite.
- 2. The so-called seed method allows the crystallization of zeolitic material in a relatively wide range, but is expensive as a multi-step technique and can therefore only be used for the preparation of special membranes.
- 3. Another method is the direct hydrothermal synthesis on inert substrates (single-stage technology, reproducible and inexpensive). Both methods (2, 3) lead to better adhesion between the zeolite layer and the substrate than the use of binder, but are not comparable with the results of the method proposed by us.
Die in der Erfindung beschriebene Alternative ist eine hydrothermale Direktsynthese. Dazu wird das Trägermaterial in einer Reaktionsmischung aus Wasser, Templat und einer Alkaliquelle (unter erhöhter Temperatur) umgesetzt. Die Besonderheit dieser Art der Zeolithsynthese liegt darin, dass sich nicht durch Kristallisation aus der Reaktionsmischung auf der Oberfläche des Trägers die Zeolithschicht bildet. Sondern der Träger selbst wandelt sich partiell oder vollständig in Zeolith um.The one described in the invention An alternative is a hydrothermal direct synthesis. To do this, the backing material in a reaction mixture of water, template and an alkali source (under increased Temperature) implemented. The peculiarity of this type of zeolite synthesis is that there is no crystallization from the reaction mixture on the surface of the carrier forms the zeolite layer. Rather, the wearer changes partially or completely in zeolite.
Diese Methode wurde von unserer Arbeitsgruppe bereits für eine ausgewählte Substratklasse (poröse Gläser) beschrieben (F. Scheffler, W. Schwieger, D. Freude, H. Liu, W. Heyer, F. Janowski, Transformation of porous glass beads into MFI-type containing beads, Microporous and Mesoporous Materials 55 (2002) 181-191; W. Schwieger, M. Rauscher, F. Scheffler, D. Freude, U. Pingel, Biphasic silicate materials based on porous glasses – preparation and properties, 12th International Zeolite Conference, 1999 Materials Research Society).This method has already been described by our group for a selected substrate class (porous glasses) (F. Scheffler, W. Schwieger, D. Joy, H. Liu, W. Heyer, F. Janowski, Transformation of porous glass beads into MFI-type containing beads, Microporous and Mesoporous Materials 55 (2002) 181-191; W. Schwieger, M. Rauscher, F. Scheffler, D. Joy, U. Pingel, Biphasic silicate materials based on porous glasses - preparation and properties, 12 th International Zeolite Conference, 1999 Materials Research Society).
Die so hergestellten Materialien zeigen eine sehr gute Haftung zwischen Träger (verbleibendes Glasgerüst) und Zeolithschicht und sind relativ einfach herzustellen.The materials so produced show a very good adhesion between the carrier (remaining glass structure) and Zeolite layer and are relatively easy to manufacture.
Alle hierzu verfügbare Literatur -Patente (
Als Herausforderung ist nun zu sehen, dass eine Klasse von Trägermaterialien gefunden werden sollte, die neben der Möglichkeit der Umwandlung nach dieser Methode über weitere interessante Eigenschaften (mechanische Stabilität, Form- und Verarbeitbarkeit, Variabilität der chemischen Zusammensetzung, weitere Funktionalität z.B. elektrische Leitfähigkeit) verfügt.The challenge now is that a class of substrates should be found alongside the possibility of converting to this method about other interesting properties (mechanical stability, shape and workability, variability the chemical composition, further functionality e.g. electrical Conductivity) features.
Die von uns verwendete Klasse von Materialien -Keramiken, die durch Pyrolyse von präkeramischen Polymer oder Polymer/Füller-Gemischen hergestellt werden, erfüllen diese Anforderungen in weiten und variablen Bereichen.The class of Materials -Ceramics by pyrolysis of preceramic polymer or polymer / filler mixtures manufactured, meet these requirements in wide and variable areas.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Die Erfindung stellt eine neue Herstellungsmethode für Zeolithschichten auf keramischen Materialien dar. Dabei werden als Trägermaterialien polymerabgeleitete (SiOC+Füller) Keramiken verwendet. Die so erzeugten Zeolith/Keramik-Komposite können in Katalyse, Adsorption, Separation und Sensorik eingesetzt werden.The invention provides a new manufacturing method for zeolite layers on ceramic materials. Thereby are used as carrier materials polymer-derived (SiOC + filler) Ceramics used. The zeolite / ceramic composites produced in this way can be used in catalysis, adsorption, separation and sensor technology.
Die keramischen Materialien (füllerhaltig oder füllerfrei) können in einem breiten Zusammensetzungsbereich hergestellt werden (Kombination aus verschiedenen Polymeren und Füllern, Variation von Pyrolysetemperatur und -atmosphäre). Ausserdem sind sowohl verschiedene geometrische Formen (Tapes, Rohre, Kugeln etc.) und dichte als auch poröse Strukturen (z.B. Schäume) zugänglich.The ceramic materials (containing filler or filler-free) can can be manufactured in a wide range of compositions (combination made of different polymers and fillers, variation of pyrolysis temperature and atmosphere). In addition, there are different geometric shapes (tapes, tubes, balls etc.) and dense as well as porous Structures (e.g. foams) accessible.
Das keramische Material erfüllt zwei Funktionen: (1) es ist mechanischer Träger für die Zeolithschicht und (2) es liefert den (oder die) für die Zeolithsynthese notwendigen Netzwerkbildner Silizium (B, Al, Ti, etc.). In Abwandlung dieser Methode können auch zusätzlich in der Lösung Netzwerkbildner enthalten sein.The ceramic material fulfills two Functions: (1) it is mechanical support for the zeolite layer and (2) it provides the (or) for the zeolite synthesis necessary network formers silicon (B, Al, Ti, etc.). As a variation of this method, you can also add in the solution Network formers may be included.
Eine Schlüsselrolle für die Möglichkeit, die beschriebenen Keramiken als Trägermaterial einzusetzen besteht in ihrer Reaktivität unter den gewählten Reaktionsbedingungen. D.h. die Keramik oder eine Komponente (Füller) der Keramik muss unter Synthesebedingungen (vorzugsweise stark alkalisch, erhöhte Temperatur) in der Lage sein, zu einer Zeolithstruktur zu kristallisieren.A key role for the possibility of using the ceramics described as a support material is their reactivity under the chosen reaction conditions. Ie the ceramic or a component (filler) of the ceramic must be under synthetic conditions (preferably strongly alkaline, increased temp rature) to be able to crystallize into a zeolite structure.
Die Methode ist eine hydrothermale in-situ Kristallisation, bei der der Träger in einer Reaktionsmischung (deren Herstellung siehe unten) unter erhöhter Temperatur (gegebenenfalls unter autogenem Druck) zur Reaktion gebracht wird.The method is hydrothermal in-situ crystallization, in which the carrier is in a reaction mixture (see below for their manufacture) at elevated temperature (if necessary under autogenous pressure) is reacted.
Herstellung der Reaktionsmischung:
- – Mischung von dest. Wasser und Templat in verschiedenen Verhältnissen (Template können sein: Tetrapropylammoniumhydroxid (TPAOH), Tetrapropylammoniumbromid (TPABr) oder verschiedene andere Ammoniumsalze und Amine, wie sie für die Zeolithsynthese gebräuchlich sind.
- – Gegebenenfalls Zusatz und Vermischung eines weiteren Netzwerkbildners (Al, Ti etc.).
- – Eventuell muss eine bestimmte Alterungszeit eingehalten werden.
- - Mix of dist. Water and template in various ratios (templates can be: tetrapropylammonium hydroxide (TPAOH), tetrapropylammonium bromide (TPABr) or various other ammonium salts and amines, as are used for zeolite synthesis.
- - If necessary, add and mix another network former (Al, Ti, etc.).
- - A certain aging period may have to be observed.
In bestimmten Fällen ist eine Reinigung des Trägermaterials (z.B. mit heissem Wasser) erforderlich, um oberflächliche Verunreinigungen zu entfernen.
- – Der polymerabgeleitete Keramikträger wird in einem Edelstahlautoklaven (vorzugsweise Teflonausgekleidet) platziert. Es wird Reaktionsmischung zugegeben, so dass der gesamte Träger bedeckt ist.
- – Bei porösen Trägern kann das kurzzeitige Anlegen eines Vakuums erforderlich sein, um auch die inneren Zell- oder Porenwände mit Reaktionsmischung zu benetzen.
- – Für die Reaktion wird der geschlossene Autoklav im Trockenschrank auf Reaktionstemperatur gebracht und für eine entsprechende Zeit (einige Stunden-mehrer Tage oder Wochen) bei dieser Temperatur gehalten. Der Autoklav kann für eine bessere Durchmischung während der Reaktionszeit bewegt werden (Rotation, Schütteln etc.)
- – Nach Ablauf der Reaktionszeit wird der Autoklav aus dem Trockenschrank entnommen und abgekühlt.
- – Kompositmaterial und Lösung werden getrennt und das Kompositmaterial wird mit dest. Wasser abgespült.
- – Das Kompositmaterial wird bei Raumtemperatur über Nacht getrocknet und anschliessend bei 400°C für 16-24 h calciniert. Dabei ist eine langsame Heizrampe zu wählen, das Calcinierungsgas kann Luft, Sauerstoff oder Argon sein.
- - The polymer-derived ceramic carrier is placed in a stainless steel autoclave (preferably lined with Teflon). Reaction mixture is added so that the entire support is covered.
- - In the case of porous supports, it may be necessary to briefly apply a vacuum in order to wet the inner cell or pore walls with the reaction mixture.
- - For the reaction, the closed autoclave is brought to the reaction temperature in the drying cabinet and kept at this temperature for a corresponding time (a few hours or several days or weeks). The autoclave can be moved during the reaction time (rotation, shaking etc.) for better mixing.
- - After the reaction time has elapsed, the autoclave is removed from the drying cabinet and cooled.
- - Composite material and solution are separated and the composite material is distilled. Rinsed off water.
- - The composite material is dried at room temperature overnight and then calcined at 400 ° C for 16-24 h. A slow heating ramp must be selected, the calcining gas can be air, oxygen or argon.
Die wichtigsten Vorteile des beschriebenen Verfahrens sind:
- – Eine einfache und schnelle Präparation;
- – Gute technische Reproduzierbarkeit;
- – Das Verfahren erzeugt eine vollständige und gleichmässige Beschichtung des Trägermaterials auch bei komplizierten oder unregelmässigen Geometrien (z.B. Schäume)
- Die Eigenschaften der Zeolithschicht lassen sich durch Variation der Syntheseparameter (Zusammensetzung, Temperatur, Zeit) beeinflussen.
- – Die Beeinflussung der Eigenschaften ist ebenfalls durch die Variation der Herstellungsparameter der Keramikmaterialien (Art des Polymers, Typ und Gehalt des Füllers, Pyrolysebedingungen etc.)
- – Die Schichtdicke ist durch die Reaktionsparameter einstellbar. Es sind auch sehr dünne Schichten (Filme) erzeugbar.
- - A simple and quick preparation;
- - Good technical reproducibility;
- - The process creates a complete and uniform coating of the carrier material even with complicated or irregular geometries (e.g. foams)
- The properties of the zeolite layer can be influenced by varying the synthesis parameters (composition, temperature, time).
- - The influencing of the properties is also due to the variation of the manufacturing parameters of the ceramic materials (type of polymer, type and content of the filler, pyrolysis conditions etc.)
- - The layer thickness can be adjusted using the reaction parameters. Very thin layers (films) can also be produced.
Keramische Schäume oder zellulare Keramiken sind poröse Materialien mit geschlossener oder offener Porenstruktur und einem freien Volumen von bis zu 90 %. Solche Schaummaterialien können ebenfalls durch die Pyrolyse von präkeramischen Polymeren hergestellt werden. Diese Schäume können durch den Zusatz verschiedener Füller funktionalisiert werden. Es wurde keine Patentliteratur zur Herstellung solcher Schäume gefunden. Die Herstellung solcher Schäume wird beschrieben in (M. Scheffler, T. Gambaryan-Roisman, J. Zeschky, F. Scheffler, P. Greif, Self-foamed cellular ceramics from silicone resins with a zeolite surface, Ceramic Engineering and Science Proceedings 23 (2002) 203-210), dabei wird auch die Möglichkeit erwähnt, dass die Oberfläche mit Zeolith belegt werden kann.Ceramic foams or cellular ceramics are porous Materials with closed or open pore structure and one free volume of up to 90%. Such foam materials can also by the pyrolysis of preceramic Polymers are made. These foams can be made by adding different ink pen be functionalized. There was no patent literature on the manufacture such foams found. The production of such foams is described in (M. Scheffler, T. Gambaryan-Roisman, J. Zeschky, F. Scheffler, P. Greif, Self-foamed cellular ceramics from silicone resins with a zeolite surface, Ceramic Engineering and Science Proceedings 23 (2002) 203-210), thereby also the possibility mentioned that the surface can be covered with zeolite.
Mittels dieser Technik ist es ebenfalls möglich, magnetische polymerabgeleitete Keramiken mit einer zeolithischen Schicht zu versehen, wobei die magnetischen Eigenschaften durch die Wahl des Füllers generiert werden können. Diese können dann z.B. mittels Induktion geheizt werden. It is also using this technique possible, magnetic polymer-derived ceramics with a zeolitic To provide layer, the magnetic properties by the choice of filler can be generated. these can then e.g. be heated by induction.
Beispiele Beispiel 1:Examples Example 1:
Produktklasse: Herstellung von zeolithbeschichteten H 44/Füller abgeleiteten Keramiken mit der CMSC (chemical mechanical supported crystallization).Product class: Manufacture of zeolite coated H 44 / fountain pen derived ceramics with the CMSC (chemical mechanical supported crystallization).
Spezifische Produktgruppe: Silicalite und ZSM-5 coating von elektrisch leitfähigen polymerabgeleiteten keramischen Materialien.Specific product group: Silicalite and ZSM-5 coating of electrically conductive polymer-derived ceramic Materials.
Einzelne Experimente, die in Bsp. 1 dargestellt sind: Individual experiments shown in Ex. 1:
Tragermaterial:support material:
Die Träger sind keramische Materialien mit einer offenen Porenstruktur, mit mittlerem Porendurchmesser von 1 mm. Die Herstellung erfolgt durch die Pyrolyse eines Gemisches aus präkeramischem Polymer und verschiedenen Füllern. Hier wurde als Polymer H44 Silikonharz (Wacker AG, Burghausen, Germany) mit der Summenformel [(C6H5)0,62(CH3)0,31(OR)0,07SiO] mit n≈20 und R = -OC2H5 und -OH eingesetzt. Die Molmasse beträgt 2100 g/mol und die Dichte 1,1 g/cm3.The supports are ceramic materials with an open pore structure, with an average pore diameter of 1 mm. It is produced by pyrolysis of a mixture of preceramic polymer and various fillers. Here, the polymer H44 silicone resin (Wacker AG, Burghausen, Germany) with the empirical formula [(C 6 H 5 ) 0.62 (CH 3 ) 0.31 (OR) 0.07 SiO] with n≈20 and R = - OC 2 H 5 and -OH used. The molar mass is 2100 g / mol and the density is 1.1 g / cm 3 .
In den hier aufgeführten Beispielen wurden die Reaktionsmischungen aus 50 Ma.-% Polymerharz und 50 Ma.-% Füller oder Füllergemisch hergestellt. Der Polymeranteil kann von 5-100% variieren, ohne den Herstellungsprozess zu verändern. Ein höherer Polymeranteil verändert jedoch die Eigenschaften des Trägers (grössere Schrumpfung oder höhere Porosität) Beispiele für die hergestellten Träger (Schäume):In the examples listed here the reaction mixtures of 50 mass% polymer resin and 50 mass% ink pen or filler mix manufactured. The polymer content can vary from 5-100% without the Change manufacturing process. A higher one Polymer content changed however the properties of the carrier (greater shrinkage or higher Porosity) examples for the carriers produced (Foams):
- – H44(50%wt)-Si(45%wt)-SiC(5%wt) polymerabgeleiteter keramischer Schaum pyrolysiert bei 1200°C in Argon;- H44 (50% wt) -Si (45% wt) -SiC (5% wt) polymer-derived ceramic foam pyrolyzes at 1200 ° C in argon;
- – H44(∼50%wt)-Si(45%wt)-SiC(5%wt)-Cu2O(0,15%) polymerabgeleiteter keramischer Schaum pyrolysiert bei 1200°C in Argon;- H44 (∼50% wt) -Si (45% wt) -SiC (5% wt) -Cu 2 O (0.15%) polymer-derived ceramic foam pyrolyzed at 1200 ° C in argon;
- – H44(∼50%wt)-Si(45%wt)-SiC(5%wt)-Cu2O(,15%) polymerabgeleiteter keramischer Schaum pyrolysiert bei 1000°C in Argon;- H44 (∼50% wt) -Si (45% wt) -SiC (5% wt) -Cu 2 O (, 15%) polymer-derived ceramic foam pyrolyzed at 1000 ° C in argon;
- – H44(∼50%wt)-Al2O3(50%wt)-Cu2O(1,5%) polymerabgeleiteter keramischer Schaum pyrolysiert bei 1000°C in Argon;- H44 (∼50% wt) -Al 2 O 3 (50% wt) -Cu 2 O (1.5%) polymer-derived ceramic foam pyrolyzed at 1000 ° C in argon;
METHODE UND PROZESS:METHOD AND PROCESS:
Die Zeolith-Keramik-Komposite wurden entsprechend der oben beschriebenen Prozedur hergestellt (gleiche Schritte, gleiche Reihenfolge).The zeolite ceramic composites were made manufactured according to the procedure described above (same Steps, same order).
Die Syntheseparameter (Zusammensetzung, Reaktionsbedingungen der hydrothermalen Reaktion) werden im Weiteren beschrieben.The synthesis parameters (composition, Reaction conditions of the hydrothermal reaction) are described below described.
Für die beschriebenen Beispiele wurden folgende Bedingungen gewählt: Zusammensetzung der Reaktionsmischung:
- A) Dest.Wasser:TPAOH = 675:1 für Silicalite coating, pH = 13,0
- B) Dest.Wasser:TPAOH = 450:1, pH = 13,2, Zusatz von 3·10–4 mol Al für ZSM-5 coating
- C) Dest.Wasser:TPAOH = 450:1 für ZSM-5 coating Zusatz von Al (0,03 g Al2(SO4)3· 18H2O entspricht der Konzentration 9· 10–5mol Al)
Gewichtsverhältnis Lösung/Träger = 20:1
Synthesezeit:72 h
Heizbedingungen: A)150°C, Rotation 5 rpm
B)175°C, Rotation 0 rpm
C)175°C, Rotation 0 rpmThe following conditions were chosen for the examples described: Composition of the reaction mixture:
- A) Dest. Water: TPAOH = 675: 1 for silicalite coating, pH = 13.0
- B) Dest. Water: TPAOH = 450: 1, pH = 13.2, addition of 3 · 10 -4 mol Al for ZSM-5 coating
- C) Dest. Water: TPAOH = 450: 1 for ZSM-5 coating addition of Al (0.03 g Al 2 (SO 4 ) 3 · 18H 2 O corresponds to the concentration 9 · 10 -5 mol Al)
Weight ratio solution / carrier = 20: 1
Synthesis time: 72 h
Heating conditions: A) 150 ° C, rotation 5 rpm
B) 175 ° C, rotation 0 rpm
C) 175 ° C, rotation 0 rpm
Nach dem Zusammenmischen von Wasser und TPAOH wird mit einem Magnetrührer 15 min gerührt. Gegebenenfalls wird eine zusätzliche Al-Quelle (z.B. Catapal B oder Al2(SO4)3· 18H2O) zugesetzt und weitere 15 min gerührt. Die Lösung wird mit dem Keramikschaum in einen Teflonausgekleideten Autoklaven gegeben. Für eine vollständige Benetzung der Poren und Entfernung von Gas aus den Poren kann die Schaum/Reaktionsmischung für einige Minuten evakuiert werden..After the water and TPAOH have been mixed together, the mixture is stirred for 15 minutes using a magnetic stirrer. If necessary, an additional Al source (eg Catapal B or Al 2 (SO 4 ) 3 .18H 2 O) is added and the mixture is stirred for a further 15 min. The solution is placed with the ceramic foam in a Teflon lined autoclave. For a complete wetting of the pores and removal of gas from the pores, the foam / reaction mixture can be evacuated for a few minutes.
Die verschlossenen Autoklaven werden in einem Ofen auf einer rotierenden Welle platziert und für eine hinreichende Zeit (z.B. 72. h) bei Reaktionstemperatur gehalten. Danach werden die Autoklaven in Luft oder Wasser abgekühlt. Der Schaum wird entnommen, mit Wasser gespült und für 24 h bei 100°C getrocknet. Zur Entfernung des Templates aus den Mikroporen der Zeolithschicht wird bei 400 – 600°C für 12-16 h in Luft oder Argon calciniert.The sealed autoclaves will placed in an oven on a rotating shaft and for a sufficient Time (e.g. 72 h) at reaction temperature. After that the autoclaves are cooled in air or water. The foam is removed rinsed with water and for 24 h at 100 ° C dried. To remove the template from the micropores of the Zeolite layer is at 400 - 600 ° C for 12-16 h calcined in air or argon.
Abbildungen:pictures:
Beispiel 2:Example 2:
Produktklasse: Herstellung von zeolithbeschichteten polymerabgeleiteten Keramiken mit der CMSC (chemical mechanical supported crystallization).Product class: Manufacture of zeolite coated polymer-derived ceramics with the CMSC (chemical mechanical supported crystallization).
Spezifische Produktgruppe: Silicalite coating von H44-abgeleiteten keramischen Materialien. Hier wird die Kristallisation von füllerfrei hergestellten Materialien beschrieben, bzw. die Kristallisation von Materialien, denen 2 % Cu2O zugesetzt wurde.Specific product group: Silicalite coating of H44-derived ceramic materials. Here the crystallization of filler-free materials is described, or the crystallization of materials to which 2% Cu 2 O has been added.
Einzelne Experimente, die in Bsp. 2 dargestellt sind: Individual experiments, which are shown in Ex. 2:
METHODE UND PROZESS:METHOD AND PROCESS:
Die Zeolith-Keramik-Komposite wurden entsprechend der oben beschriebenen Prozedur hergestellt (gleiche Schritte, gleiche Reihenfolge).The zeolite ceramic composites were made manufactured according to the procedure described above (same Steps, same order).
Die Syntheseparameter (Zusammensetzung, Reaktionsbedingungen der hydrothermalen Reaktion) werden im Weiteren beschrieben.The synthesis parameters (composition, Reaction conditions of the hydrothermal reaction) are described below described.
Für
die beschriebenen Beispiele wurden folgende Bedingungen gewählt:
Zusammensetzung
der Reaktionsmischung:
Dest.Wasser:TPAOH = 675:1 für Silicalite
coating
Masseverhältnis
Lösung
/ Träger
= 20:1
pH = 13,00
Synthesezeit:6-144 h
Kristallisationsbedingungen:
150°C, Rotation
5 rpmThe following conditions were selected for the examples described:
Composition of the reaction mixture:
Dest. Water: TPAOH = 675: 1 for silicalite coating
Mass ratio solution / carrier = 20: 1
pH = 13.00
Synthesis time: 6-144 h
Crystallization conditions: 150 ° C, rotation 5 rpm
Abbildungen:pictures:
Beispiel 3:Example 3:
Produkrklasse: Herstellung von zeolithbeschichteten polymerabgeleiteten Keramikschäumen mit der CMSC (chemical mechanical supported crystallization).Product class: Manufacture of zeolite coated polymer-derived ceramic foams with the CMSC (chemical mechanical supported crystallization).
Spezifische Produktgruppe: Silicalite coating von SR350-abgeleiteten mikrozellularen Keramikschäumen.Specific product group: Silicalite coating of SR350-derived microcellular ceramic foams.
Einzelne Experimente, die in Bsp. 3 dargestellt sind: Individual experiments, which are shown in Ex. 3:
Träger:Carrier:
Mikrozellularer polymerabgeleiteter Keramikschaum hergestellt aus SR350 (präkeramisches Polymer, Hydroxymethyl-silsesquioxane, General Electric Co).Microcellular polymer-derived Ceramic foam made from SR350 (preceramic polymer, hydroxymethyl-silsesquioxane, General Electric Co).
METHODE UND PROZESS:METHOD AND PROCESS:
Die Zeolith-Keramik-Komposite wurden entsprechend der oben beschriebenen Prozedur hergestellt (gleiche Schritte, gleiche Reihenfolge).The zeolite ceramic composites were made manufactured according to the procedure described above (same Steps, same order).
Die Syntheseparameter (Zusammensetzung,
Reaktionsbedingungen der hydrothermalen Reaktion) werden im Weiteren
beschrieben. Die einzelnen Präparationsschritte
sind in Bsp. 1 beschrieben
Für die beschriebenen Beispiele
wurden folgende Bedingungen gewählt:
Zusammensetzung
der Reaktionsmischung:Dest. Wasser:TPAOH =450:1 für Silicalite
coating
Masseverhältnis
Lösung
/ Träger
= 40:1
pH = 13,2
Synthesezeit: 48 und 72 h
Kristallisationsbedingungen:
150°C, Rotation
5 rpm and 0 rpmThe synthesis parameters (composition, reaction conditions of the hydrothermal reaction) are described below. The individual preparation steps are described in Example 1
The following conditions were selected for the examples described:
Composition of the reaction mixture: Dest. Water: TPAOH = 450: 1 for silicalite coating
Mass ratio solution / carrier = 40: 1
pH = 13.2
Synthesis time: 48 and 72 h
Crystallization conditions: 150 ° C, rotation 5 rpm and 0 rpm
Abbildung:Illustration:
Beispiel 4:Example 4:
Produktklasse: Herstellung von zeolithbeschichtetem metallischem Siliziumpulver oder vollständige Transformation desselben mit der CMSC (chemical mechanical supporied crystallization). Die Anwendung der beschriebenen Methode auf Si-Pulver stellt einen speziellen Grenzfall dar. Einerseits entspricht die Methode der Umwandlung der polymerabgeleiteten Keramiken. Andererseits eröffnet diese Methode die Möglichkeit Si-Abfallmaterialien (z.B. Wafersägeschlamm) zu verwerten. Die SEM-Bilder zeigen, dass auch hier die Zeolithkristalle direkt auf der Oberfläche der Si-Partikel wachsen und deren geometrische Form beibehalten wird.Product class: Manufacture of zeolite coated metallic silicon powder or complete transformation of the same with the CMSC (chemical mechanical supported crystallization). The Application of the described method to Si powder represents a special one Borderline case. On the one hand, the method corresponds to the conversion of polymer-derived ceramics. On the other hand, this opens up Method the possibility of Si waste materials (e.g. wafer sawing sludge) to recycle. The SEM images show that the zeolite crystals are also here directly on the surface of the Si particles grow and maintain their geometric shape becomes.
Spezifische Produktgruppe: Silicalite und ZSM-5 coating auf metallischem Si-Pulver durch teilweise oder vollständige Umwandlung.Specific product group: Silicalite and ZSM-5 coating on metallic Si powder by partial or full Conversion.
Einzelne Experimente, die in Bsp.
4 dargestellt sind:
Träger (Si-Quelle):
metallisches
Si -PulverIndividual experiments, which are shown in Ex. 4:
Carrier (Si source):
metallic Si powder
METHODE UND PROZESS:METHOD AND PROCESS:
Die Zeolith-Si-Metall-Komposite wurden entsprechend der oben beschriebenen Prozedur hergestellt (gleiche Schritte, gleiche Reihenfolge).The zeolite-Si metal composites were manufactured according to the procedure described above (same Steps, same order).
Die Syntheseparameter (Zusammensetzung, Reaktionsbedingungen der hydrothermalen Reaktion) werden im Weiteren beschrieben. Die einzelnen Präparationsschritte sind in Bsp. 1 beschrieben. In diesem speziellen (Grenz-)Fall werden keine geformten Produkte sondern Pulver erhalten.The synthesis parameters (composition, Reaction conditions of the hydrothermal reaction) are described below described. The individual preparation steps are described in Ex. 1. In this particular (borderline) case not powdered products but powder.
Für die beschriebenen Beispiele wurden folgende Bedingungen gewählt: Zusammensetzung der Reaktionsmischung:
- A)Dest.Wasser:TPAOH = 600:1 für Silicalite coating
- B)Dest.Water:TPAOH = 600:1 für ZSM-5 coating mit Zusatz von Al in der Reaktionsmischung (0,2g of CATAPAL B:A1-source) Masseverhältnis Lösung / Festoff = 20:1 A,B) pH = 13-13,05; Synthese Zeit: A)24-48-96 h; B)96 h; Reaktionsbedingungen: A)150°C, Rotation 5 rpm und 0 rpm; B)175°C, ohne Rotation;
- A) Dest. Water: TPAOH = 600: 1 for silicalite coating
- B) Dest.Water: TPAOH = 600: 1 for ZSM-5 coating with the addition of Al in the reaction mixture (0.2g of CATAPAL B: A1-source) mass ratio solution / solids = 20: 1 A, B) pH = 13 -13.05; Synthesis time: A) 24-48-96 h; B) 96 h; Reaction conditions: A) 150 ° C, rotation 5 rpm and 0 rpm; B) 175 ° C, without rotation;
Abbildungen:pictures:
Erfindungsansprücheinvention claims
- – Neue Methode zur Erzeugung von teilweise oder vollständig mit Zeolith beschichteten polymerabgeleiteten keramischen Kompositen mit einem einfachen Verfahren, gekennzeichnet dadurch, dass die Materialien eine starke Bindung zwischen Träger und Zeolithschicht aufweisen. Dabei kann der polymerabgeleitete Träger verschiedene Füller in beliebigem Anteil enthalten. Entsprechend der Erläuterungen oben gelten folgende Bedingungen: – für die Präparation der Lösung: – Verhältnis Wasser:Templat = 1-5000, vorzugsweise 150-700 – Art des Templates: TPAOH, TPABr, alle für die Zeolithsynthese gebräuchlichen SDA – Zugabe einer beliebigen Aluminiumquelle in einem Verhältnis Wasser:Al = 0,1-∞ – Weiteres Rühren vorzugsweise 1 h – für die Synthesedurchführung: – Verhältnis Lösung:Träger (Masse) = 1-1000, vorzugsweise 20-40 – Synthesezeit: 30min-1 Jahr, vorzugsweise 12-200 h – Temperatur:25-350°C vorzugsweise 120-200°C- New Method for producing partially or completely coated with zeolite polymer-derived ceramic composites with a simple process, characterized in that the materials have a strong bond between carriers and have a zeolite layer. The polymer-derived carrier can be different ink pen contained in any proportion. According to the explanations the following conditions apply: - for the preparation of the solution: - Water: template ratio = 1-5000, preferably 150-700 - Type of template: TPAOH, TPABr, all for the zeolite synthesis in use SDA - encore any aluminum source in a water: Al = 0.1-∞ ratio - Additional stir preferably 1 h - for the synthesis: - Ratio solution: carrier (mass) = 1-1000, preferably 20-40 - synthesis time: 30min-1 year, preferably 12-200 h - Temperature: 25-350 ° C preferably 120-200 ° C
- – Methode entsprechend Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass zusätzlich zum Si des Trägermaterials eine alternative Si-quelle in der Syntheselösung zugegeben wird;- method according to claim 1, characterized in that in addition to Si of the carrier material one alternative Si source is added to the synthesis solution;
- – Methode entsprechend Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass verschiedene polymerabgeleiten Keramikmaterialien (mit und ohne Füller) mit beliebiger geometrischer Form zur Erzeugung von Zeolith-Keramik-Kompositen verwendet werden.- Method according to claim 1, characterized in that different polymer-derived Ke ceramic materials (with and without filler) with any geometric shape can be used to produce zeolite-ceramic composites.
- – Methode entsprechend Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Trägermaterial sowohl als mechanischer Träger dient, als auch die chemische Quelle für den zur Zeolithsynthese erforderlichen Netzwerkbildner Silizium darstellt.- method according to claim 1, characterized in that the carrier material both as a mechanical support serves as well as the chemical source for the necessary for the zeolite synthesis Networking agent represents silicon.
- – Methode zur Nutzung verschiedener zeolithischer Netzwerkbildner (nicht nur Si) zur Erzeugung von zeolithischen Filmen auf polymerabgeleiteten Keramikträgern, durch partielle Lösung dieser Netzwerkbildner aus dem Träger.- method for the use of various zeolitic network builders (not only Si) for the production of zeolitic films on polymer-derived Ceramic substrates, by partial solution this network builder from the carrier.
- – Methode zur Beschleunigung der partiellen Transformation von keramischen Trägern in Zeolith-Keramik-Komposite durch die Zugabe von metallischem Si-Pulver mit einem Anteil von 0-100 % zum Ausgangsmaterial der Polymerherstellung.- method to accelerate the partial transformation of ceramic carriers in zeolite ceramic composites by adding metallic Si powder with a share of 0-100% of the starting material for polymer production.
- – Anwendung der Methode auf 100 % metallisches Si-Pulver. In diesem Fall fuhrt die Umwandlung nicht zu einer Keramik.- Application the method on 100% metallic Si powder. In this case leads not converting to a ceramic.
- – Anwendung dieser Methode auf metallisches Si-Pulver als ausschliesslicher Si-Quelle unter Zusatz eines weiteren Netzwerkbildners (z.B. Aluminium).- Application this method on metallic Si powder as exclusive Si source with the addition of another network former (e.g. aluminum).
- – Anwendung dieser Methode auf Trägermaterialien beliebiger Form und Grösse, die metallisches Silizium zu 1 bis 100% enthalten.- Application this method on substrates any shape and size, that contain 1 to 100% metallic silicon.
- – Zeolith-Keramik-Kompositmaterialien beliebiger Form und Grösse, die mit der beschriebenen Methode hergestellt wurden.- Zeolite ceramic composite materials any shape and size, which were produced with the described method.
- – Zeolith-Keramik-Kompositmaterialien, die elektrisch leitfähig sind und mit der beschriebenen Methode hergestellt wurden.- zeolite ceramic composite materials, the electrically conductive are and were produced with the method described.
- – Zeolith-Keramik-Kompositmaterialien, bei denen zellulare Strukturen (Schäume) als Trägermaterial verwendet wurden und die mit der beschriebenen Methode hergestellt wurden.- zeolite ceramic composite materials, in which cellular structures (foams) were used as carrier material and which were produced with the method described.
- – Zeolith-Keramik-Kompositmaterialien, die magnetische Eigenschaften zeigen und mit der beschriebenen Methode hergestellt wurden.- zeolite ceramic composite materials, show the magnetic properties and with the method described were manufactured.
Tabelle 1 Tabelle 2 Table 1 Table 2
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE10309009A DE10309009A1 (en) | 2003-03-01 | 2003-03-01 | Zeolite coating of polymer-derived ceramics where e.g. aluminum is added to the coating solution and/or ceramic which acts as a carrier and also provides network-formers |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE10309009A DE10309009A1 (en) | 2003-03-01 | 2003-03-01 | Zeolite coating of polymer-derived ceramics where e.g. aluminum is added to the coating solution and/or ceramic which acts as a carrier and also provides network-formers |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE10309009A1 true DE10309009A1 (en) | 2004-09-09 |
Family
ID=32842073
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE10309009A Withdrawn DE10309009A1 (en) | 2003-03-01 | 2003-03-01 | Zeolite coating of polymer-derived ceramics where e.g. aluminum is added to the coating solution and/or ceramic which acts as a carrier and also provides network-formers |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE10309009A1 (en) |
Cited By (5)
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| DE102004052976A1 (en) * | 2004-10-29 | 2006-05-04 | Sortech Ag | Process for the preparation of a substrate coated with a zeolite layer |
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| DE102008050926A1 (en) | 2008-10-10 | 2010-04-15 | Nanoscape Ag | Adsorber element and method for producing an adsorber element |
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-
2003
- 2003-03-01 DE DE10309009A patent/DE10309009A1/en not_active Withdrawn
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