Projekt 17417/01

Herstellung von Keramik-Fasern aus alternativen, umweltfreundlichen Rohstoffen

Projektträger

Rath GmbH
Krefelder Str. 680 - 682
41066 Mönchengladbach
Telefon: 02161 9692-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Projektziel war die Entwicklung chlorfreier Spinnmassen zur Herstellung von Stapelfasern im System Al2O3-SiO2 mit einem Aluminiumoxidgehalt größer 60%.
Im klassischen zweistufigen Herstellungsprozess von polykristallinen Aluminiumoxidfasern wird zunächst die Spinnmasse aus Aluminiumhydroxichloriden, saueren Kieselsolen und organischen Hilfsstoffen hergestellt. Die daraus gesponnene Grünfaser wird in einem Hochtemperaturprozess keramisiert. Im Keramisierungsschritt werden große Mengen an Chlorwasserstoff (HCl) freigesetzt. Dies führt zu Korrosion in der Anlage; trotz einer Abgaswäsche gibt es erhebliche Emissionsprobleme.
Wegen der gleichzeitigen Anwesenheit von Chlor und organischen Bestandteilen aus den im thermischen Prozess zersetzten Bindemitteln besteht die Gefahr der Bildung von Dioxinen. Deshalb sollte im Projekt der problematische Rezepturbestandteil Aluminiumhydroxichlorid vollständig durch eine chlor-freie Aluminiumoxidvorstufe, z. B. Aluminiumformiat, ersetzt werden. Damit sollte die Quelle der Chlor-freisetzung und die Ursache für die Dioxinbildung konsequent eliminiert werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZunächst wurde eine Machbarkeitsstudie zur Herstellung der neuen Spinnmasse auf Basis organischer Aluminiumverbindungen durch das Fraunhofer Institut für Silikatforschung in Würzburg durchgeführt. Es wurden im Labormaßstab und in kleintechnischen Batchgrößen von 3 l spinnfähige chloridfreie Vor-stufen hergestellt. Der Zusatz von Spinnhilfsmitteln und die Einstellung der Viskosität, des Feststoffgehaltes und der Verspinnbarkeit wurde optimiert. Die Fadenbildung wurde mit Handziehversuchen und einer Labor-Zentrifugalspinnanlage untersucht.
Anschließend erfolgte ein scale-up. Im Technikum wurde die neue Masse versponnen. Der Übergang der Grünfaser zur Keramikfaser wurde mittels eines Brennprozesses und den daraus resultierenden physikalischen Eigenschaften der Fasern untersucht. Die Fasern wurden, auch im Vergleich zum bisherigen Produkt, charakterisiert. Es erfolgten Thermoanalysen und röntgenographische Untersuchungen. Eine weitere Erhöhung der Mengen der Spinnlösungen ermöglichte die Überprüfung der Spinneigen-schaften in der Pilotanlage der Firma Rath. Die Übertragung des Prozesses auf die Produktionsanlage wurde vorbereitet. Hierzu erfolgte eine ökologische und ökonomische Bewertung.


Ergebnisse und Diskussion

Es konnte eine chlorfreie Alternative als Spinnmasse für Keramikfasern hergestellt werden, mit der auf den gleichen Produktionseinrichtungen Stapelfasern im System Al2O3-SiO2 mit einem Aluminiumoxidgehalt größer 60% produziert werden können. Mit Aluminiumformiat statt Aluminiumhydroxichlorid wurde dabei eine in großen Mengen verfügbare und nicht zu teure Ausgangsverbindung eingesetzt.
Die Eignung von mehrbasigen Carbonsäuren für die Modifizierung von Aluminiumtriformiat wurde bereits im Abschlussbericht zur 1. Projektphase geschildert. Die Säuren Oxalsäure und Citronensäure verdrängen wegen ihrer hohen Azidität die Ameisensäure aus dem Aluminiumformiat. Es entstehen nach Kie-selsol-Zugabe Sole, aus denen nach starkem Einengen auch ohne Spinnhilfsmittel Fäden gezogen werden konnten. Die so hergestellten Sole sind stabil und über mehrere Wochen verwendbar. Hinsichtlich das Fadenbildungsvermögens waren die Oxalsäure-Ansätze den Citronensäure-Ansätzen deutlich überlegen. Nachteilig war, dass eine vergleichsweise hohe Viskosität eingestellt werden musste. Durch Zugabe von Polyvinylalkohol (PVA) als Spinnhilfsmittel konnte dieses Problem gelöst werden. Mit solchen PVA-haltigen Spinnmassen wurden auf der Technikumanlage bei der Fa. Rath Fasern hergestellt.
Für Versuche auf der Produktionsanlage wird mindestens ein Spinnmassenvolumen von 80 Liter benötigt. Für die Herstellung dieser Menge wäre ein Reaktionsgefäß von 240 Liter notwendig. Da am Fraunhofer Institut für Silikatforschung nur ein Reaktionskessel von 100 Litern zur Verfügung stand, wurden die benötigten Mengen in Teilansätzen hergestellt.
Die viskosimetrischen Untersuchungen der neuen Spinnmasse zeigten bei einer Scherrate von 10 1/s kein Anzeichen von Thixotropie. Die auf der Produktionsanlage bei Rath hergestellten Grünfasern wur-den am ISC thermogravimetrisch untersucht. Sie weisen einen Oxidgehalt von 30% auf. Eine Massenkonstanz wird bei 400°C erreicht. Die Grünfasern wurden auf eine Temperatur von 1310°C erhitzt und anschließend röngenographisch auf ihren Phasenbestand hin untersucht. Das hierbei erzeugte Diffrak-togram weist Reflexe aus, die alle Mullit zugeordnet werden konnten.
Die Entwicklungen sollen fortgeführt werden. Für ein weiteres scale-up müssen größere Mengen Spinn-masse hergestellt werden. Für die Herstellung dieser Mengen wird die Kooperation mit einer chemischen Fabrik angestrebt. Dort wird die Herstellung von mehreren Ansätzen notwendig sein, bis das Verfahren sicher beherrscht wird und Spinnversuche die gewünschten Ergebnisse auf der Produktionsanla-ge bei Fa. Rath liefern.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Eine Fachveröffentlichung wird durch den Projektpartner, Fraunhofer Institut für Silikatforschung, Würzburg, vorbereitet.


Fazit

Das anspruchsvolle Projektziel, die chloridfreie Spinnmasse unter weitgehender Beibehaltung des bisherigen Produktionsablaufes durch eine neue chloridfreie Spinnmasse zu ersetzen, wurde erreicht.
Die neu entwickelten Spinnmassen sind auch in der Produktionsanlage zu Fasern verarbeitbar. Aufgrund der bisher verfügbaren geringen Mengen waren die Spinnzeiten zu kurz für eine gezielte Parametereinstellung, optimale Parameter müssen noch in weiteren Versuchen herausgearbeitet werden. Auch Emissionsmessungen für einen Vergleich von Schadstofffreisetzungen mit dem bisherigen Verfahren sind erst bei weiterem scale-up der Produktionsversuche möglich.