DE19514254C1 - Verfahren zur Herstellung poröser Formkörper zum Aufdampfen von Siliziummonoxidschichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung porö­ ser Formkörper als Ausgangsmaterial zum Aufdampfen von Siliziummonoxidschichten auf Träger durch Vermischen äqui­ molarer Mengen von elementaren Silizium und Siliziumdioxid und Verarbeitung des Gemisches zu Formkörpern.

Siliziummonoxid wird wegen seiner guten chemischen und optischen Eigenschaften sowie seiner Härte und guten Haft­ festigkeit in vielen technischen Bereichen verwendet. Neben der Optik, der Oberflächenveredelung, der Schmuckwarenher­ stellung und der Elektronik spielt das Siliziummonoxid vor allem bei der Beschichtung von Verpackungsmaterial eine Rolle, das insbesondere bei Lebensmitteln verwendet wird.

So zeigen mit Siliziummonoxid beschichtete Kunststoffolien einen hinreichenden Schutz gegen eindringenden Sauerstoff bzw. Wasser. Zusätzlich ergibt sich der Vorteil, daß mit entsprechenden Beschichtungen versehene Lebensmittelver­ packungen geeignet sind, unmittelbar in Mikrowellenherden benutzt zu werden.

Die Beschichtung des Trägermaterials erfolgt durch Aufdamp­ fen im Vakuum, wobei man als Aufdampfmaterial vorzugsweise äquimolare Gemische aus elementarem Silizium und Silizi­ umdioxid verwendet, die zu entsprechenden Formkörpern verarbeitet sind. Beim Aufdampfen bildet sich aus diesem Gemisch Siliziummonoxid.

Die DE-OS 35 30 106 beschreibt die Aufdampfung von Silizi­ ummonoxid, ausgehend von porösen Formkörpern aus Silizium und Siliziumdioxid, wobei die Formkörper nach einer Formge­ bung durch übliche Verfahren einer thermischen Behandlung durch Erhitzen auf mindestens 500°C unterzogen werden. Durch diese thermische Behandlung und die dadurch bedingte Verfestigung und Entgasung wird ein unerwünschtes "Spucken" und Herumspringen von Feststoffteilchen während des Aufdampfvorganges verhindert.

Die DE-OS 34 44 157 beschreibt ein Aufdampfmaterial aus einem Gemisch von Silizium und Siliziumdioxid, das stark wasserstoffbrückengebundene Silanolgruppen enthält, wodurch hohe Aufdampfraten ermöglicht werden. Die Ausgangskomponenten werden hierbei gemischt und zu Formkörpern verpreßt.

Auch in der JP-OS 63-310961 (Pat. Abstr. Jap. C-585, Vol. 13/No. 156, 1989) wird ein Formkörper zum Herstellen von SiO-Schichten offenbart, der aus einem äquimolaren Gemisch von SiO₂ und Si besteht, kompaktiert und etwa 2 Stunden bei 1300°C gesintert wird. Einen ähnlichen Formkörper beschreibt die JP-OS 4-28858 (Pat. Abstr. Jap. C-938, Vol. 16/No. 194, 1992), der durch Sintern von SiO₂/Si-Ge­ mischen bei 1200 bis 1400°C hergestellt wird.

Zur Herstellung von Formkörpern ausreichender Festigkeit, welche die Nachteile des "Spratzens" vermeiden, ist also ein Kompaktieren und Verfestigen der Ausgangskomponenten durch eine thermische Nachbehandlung (Sintern) erforderlich. Bei der zur Kompaktierung erforderlichen Formgebung, z. B. durch Verpressen der Mischungen, ist im allgemeinen der Zusatz eines anorganischen oder organischen Bindemittels erforderlich. Um eine Zerstörung der Formkörper bei der thermischen Nachbehandlung zu verhindern, erfordern organische Bindemittel ein sehr langsames Erhitzen, während anorganische Bindemittel üblicherweise Kationen enthalten, die sich bei der Beschichtung störend auswirken können.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung poröser Formkörper als Ausgangsmaterial zum Aufdampfen von Siliziummonoxidschichten auf Träger zu entwickeln, durch Vermischen äquimolarer Mengen von elementaren Silizium und Siliziumdioxid und Verarbeiten des Gemisches zu Formkörpern, das einfach und ohne thermische Nachbehandlung durchführbar ist und Formkörper liefert, die ein feinporiges Gefüge mit großer Oberfläche aufweisen und dadurch hohe Aufdampfraten ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß 15 bis 40 Gew.-% des Siliziumdioxidanteils in Form eines ammoniakalischen Kieselsols zugegeben und der Formkörper durch Lagerung an der Luft ausgehärtet wird.

Vorzugsweise läßt man den Formkörper bei Raumtemperatur aushärten. Allerdings ist es möglich, die Aushärtung durch Auslagerung bei höheren Temperaturen zu beschleunigen.

Eine Beschleunigung der Aushärtung ereicht man auch, wenn dem Kieselsol eine bei Raumtemperatur flüchtige Säure zugesetzt und der pH-Wert des Sols auf 4 bis 9 eingestellt wird. Geeignet hierfür sind z. B. Ameisensäure und Essig­ säure.

Vorzugsweise benutzt man Kieselsäure mit 15 bis 50 Gew.-% Siliziumdioxidgehalt.

Kieselsole sind Lösungen von kolloidalem Siliziumdioxid in Wasser. Sie sind mit Gehalten von bis zu 50% SiO₂ im Handel erhältlich. Eine wichtige Eigenschaft der Kieselsole ist ihre Stabilität gegenüber irreversibler Gelierung zum Kieselgel. Eine Stabilisierung wird z. B. mit Alkali bei einem pH-Wert von 9 bis 11 erreicht. Durch eine Ände­ rung des pH-Wertes ist eine gezielte Überführung in Kiesel­ gel bei Ausbildung einer räumlichen Vernetzung möglich.

Durch Zusatz eines ammoniakalischen Kieselsols zu einer Mischung aus Silizium und Siliziumdioxid läßt sich eine leicht verarbeitbare, gießbare oder in Formen streichbare Masse herstellen. Bedingt durch den amphoteren Charakter des Siliziums reagiert dieses innerhalb eines weiten pH-Be­ reiches mit wäßrigen Medien unter Bildung von Silziumhy­ droxid bzw. Siliziumdioxid und Wasserstoff. Dieser bildet in der pastösen Masse zahlreiche feine Poren in homogener Verteilung. Der pH-Wert verschiebt sich hierbei gleichzei­ tig zunehmend in den neutralen Bereich. Durch die so be­ wirkte Destabilisierung des Kieselsols zum vernetzten Kie­ selgel findet eine allmähliche Aushärtung der Nasse statt. Die Geschwindigkeit der Aushärtung kann durch Herabsetzen des pH-Wertes beschleunigt werden. Während bei einem pH-Wert von 9 die Aushärtezeit mehrere Stunden beträgt, tritt Aushärtung bei einem pH-Wert von 6 schon nach ca. 30 min ein. Die Porosität der ausgehärteten Masse ist umso größer, je langsamer der Aushärtevorgang abläuft. Die Einstellung des pH-Wertes wird vorteilhafterweise mit Ameisensäure vorgenommen, da sich diese, falls erforderlich, durch Erwärmen auf Temperaturen von ca. 110°C leicht entfernen läßt.

Die so erhaltenen Formkörper sind von guter Festigkeit und weisen ein feinporiges Gefüge auf, das hohe Aufdampfraten ermöglicht. Das Aufdampfverhalten dieses Materials ist gut und mit dem eines Standardsiliziummonoxidmaterials ver­ gleichbar. Ein "Spratzen" wurde nicht beobachtet.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den großen Vorteil, daß keine Bindemittel benötigt werden, die nur durch hohe Temperaturen austreibbar sind oder Rückstände hinterlassen.

Folgendes Beispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern:
In einem Behälter werden 252 g Siliziumpulver und 398 g Siliziumdioxidpulver mit 350 g eines 40%igen Kieselsols verrührt, das vorher mit Ameisensäure auf einen pH-Wert von 6 gestellt wird. Die pastöse Masse wird in eine geeignete Form gegossen. Nach ca. 30 min ist die Masse ausgehärtet und kann aus der Form entfernt werden. Der ausgehärtete Körper besitzt eine gute Festigkeit, die Bruchfläche zeigt ein feinporiges Gefüge. Das Molverhältnis Si zu SiO₂ be­ trägt 1 : 1.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung poröser Formkörper als Aus­ gangsmaterial zum Aufdampfen von Siliziummonoxidschich­ ten auf Träger durch Vermischen äquimolarer Mengen von elementaren Silizium und Siliziumdioxid und Verarbeiten des Gemisches zu Formkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß 15 bis 40 Gew.-% des Siliziumdioxidanteils in Form eines ammoniakalischen Kieselsols zugegeben und der Formkörper durch Lagerung an der Luft ausgehärtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aushärtung bei Raumtemperatur erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kieselsol zur Einstellung eines pH-Werts zwi­ schen 4 und 9 eine bei Raumtemperatur flüchtige Säure zugesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kieselsol 15 bis 50 Gew.-% Siliziumdioxid ent­ hält.