Benutzer:E.J.Thi
Keramiken auf Basis von Holz sind Materialien, die technisch hergestellt werden und auf dem Prinzip der Verkieselung beruhen. Als Ausgangsmaterial dient Holz, da es im Gegensatz zu künstlichen Ausgangsmaterialien eine einzigartige und komplexe mikrostruktur aufweist, in großer Menge vorhanden, erneuerbar, sowie umweltfreundlich ist. [1] Neben der Verwendung von Vollholz können auch Holzwerkstoffe und Verbundwerkstoffe als Ausgangsmaterial zum Einsatz kommen.
Herstellung
Der Herstellungsprozess einer auf Holz basierenden Keramik gliedert sich in mehrere Stufen.
- schonende Holztrocknung um Rissbildung im Holz zu verringern bzw. zu verhindern
- Pyrolyse bei bis zu 1000°C wobei die die Cellulose, die Hemicellulose und das Lignin abgebaut wird und ein Kohlenstofftemplat ensteht.
- Infiltration von flüssigem oder gasförmigem Silicium[2]
Holzpyrolyse
Holz besteht aus ca. 50% Kohlenstoff, der in lange Cellulose- und Hemicelluloseketten eingebunden ist. Diese Ketten werden durch das Lignin verbunden und zusammengehalten und bilden die Zellstruktur des Holzes. Das Separieren des Kohlenstoffs aus dem Holzgefüge erfolgt durch eine thermische Zersetzung des Holzes.[3]
Die thermische Zersetzung erfolgt unter Ausschluss von Sauerstoff in einer inerten Atmosphäre wie Stickstoffdioxid oder Argon. Je 1°C/min wird das Holz bis auf 400°C-500°C erhitzt. Bei 200-260°C wird zuerst die Hemicellulose thermisch zersetzt und abgebaut, gefolgt von der Cellulose bei 240-350°C. Zuletzt findet ein Abbau des Lignings bei Temperaturen zwischen 280-500°C statt. Diese langsame Erwärmung ist notwendig, damit die entstehende Gase der abgebauten chemischen Holzkomponenten langsam aus den Poren des Holzes entweichen können, andererseits würde der entstehende Druck das Holz aufbrechen und unbrauchbar machen. Bei Erreichung der 500°C Grenze wird in einer Geschwindigkeit von 10-20°C/min die Temperatur auf ca. 800°C erhöht. Dieser langsame Prozess der thermischen Zersetzung des Holzes ermöglicht hohe Kohlenstoffausbeuten von 25-30 Gewichtsprozent des Ausgangsgewichts. Das durch die Pyrolyse entstehende Kohlenstofftemplat, welches den meißten biomorphen Keramiken als Ausgangsmaterial dient, ist eine 1:1 Kopie des Holzkörpers, d.h. die Mikrostruktur, sowie jeder kleinste Riss im Holz spiegelt sich im Templat wieder.
Während der Pyrolyse findet eine starke Schwindung in tangentialer, radialer und longitudinaler Richtung statt, sodass das Endprodukt kleinere Maße aufweist als der Ausgangskörper.[2]
Flüssiginfiltrierung (solide SiC/Si-Keramik)
Die häufgste Methode ist die Infiltrierung des Siliciums in flüssiger Form, d. h. das Silicium wird in einem Vacuum bis zu seinem Schmelzpunkt ( >1450°C) erhitzt und in das Kohlenstofftemplat gebracht. Durch Kapillareffekte dringt das flüssige Silicium in das Templat ein, wo es spontan und exothermisch, also unter Freigabe von Energie, mit den Kohlenstoffatomen reagiert. Neben der Bindung des Siliciums mit dem Kohlenstoff des Kohlenstofftemplates, reichert sich das flüssige Silicium in den Poren, die <50µm im Durchmesser sind an, sodass eine solide SiC/Si-Keramik entsteht.
Der Gehalt an Silicium, Siliciumcarbid und Kohlenstoff im Templat, sowie die Verteilung des Siliciums in den Poren, hängt dabei von der Verarbeitung, der Menge des eingebrachten Siliciums und von der Form und Mikrostruktur des Holzkörpers ab.[2]
Um die Porenstruktur des Augangskörpers zu erhalten, wird das Silicium mittels Salpetersäure und Fluorwasserstoff aus den Porenräumen Entfernt.
Die Porösität des Körpers ist nach dieser Methode jedoch nur ähnlich der des Ausgangskörpers, da sich aufgrund der Volumenausdehnung während der Infiltration des flüssigen Siliciums die Poren mit einem Durchmesser <1µm geschlossen haben.
Gasinfiltrierung (poröse SiC-Keramik)
Bei der Gasinfiltrierung wird das Silicium gasförmig in das, zuvor durch Pyrolyse hergestellte Kohlenstofftemplat gebracht, wodurch eine poröse Keramik ensteht, d.h. das Silicium reichert sich nur an den freien Kohlenstoffatomen an und der Porenraum bleibt frei.[1][2]
Die chemische Umsetzung kann unter anderem durch den Einsatz von Siliciumdampf (a), Siliciummonoxid (b) oder durch Trichlormethylsilan (c) erfolgen.[2]
a)
b)
c)
Infiltrierung von Siliciumdioxid oder TEOS (poröse SiC-Keramik)
Die dritte Möglichkeit der Herstellung von biomorphen Keramiken beruht auf der Infiltration einer Siliciumdioxid-Sole oder eines Tetraethylorthosilicat-Gels (kurz TEOS). Anschließend findet unter hohen Temperaturen und in einer inerten Atmosphäre eine carbothermische Reduktion statt. Die entstehende SiC-Keramik ist porös, jedoch aufgrund der rauhen Oberfläche innerhalb der Porenstruktur von den anderen porösen SiC-Keramiken zu unterscheiden.[2]
Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften schwanken stark zwischen den eingesetzten Ausgangsmaterialien und sind abhängig von der Porösität und Mikrostruktur der Keramiken. So weist eine solide Keramik auf Buchenholzbasis ein deutlich höheres E-Modul auf als eine auf Roteichenholz basierende poröse Keramik. Auch die Druck- und Biegefestigkeiten stehen in Abhängigkeit der Porösität und der als Ausgangsmaterial eingesetzten Holzart.
Im allgemeinen weisen auf Holzbasierende Kermaiken folgende Eigenschaften auf:
- Hohe Abräsionsbeständigkeit
- Hohe Härte (Mohssche Härte von 9,6)
- Hohe chemische und thermische Beständigkeit (Temperaturwechselbeständigkeit >1000K/s)
Solide SiC/Si-Keramiken weisen bei Raumtemperatur die besten mechanischen Eigenschaften auf. In Abhängigkeit der Holzart, welche als Ausgangsmaterial gewählt wurde, liegt die Druckfestigkeit in axialer Richtung zwischen 1100-1400 MPa. Senkrecht zur Hauptachse sind die Druckfestigkeiten deutlich geringer und liegen zwischen 100-500 MPa.
Poröse Keramiken, welche mittels Dampfinfiltririerung auf Basis von Buchen- und Kiefernholzhergestellt wurden, haben in axialer Richtung Druckfestigkeiten von bis zu 80 MPa.[3]
Mögliche Verwendungsmöglichkeiten
Die verschiedenen Verwendungsmöglichkeiten beruhen auf den einzigartigen Eigenschaften der biomorphen Keramiken. Die einzigartige Mikrostruktur des Holzes spielt bei dabei eine wichtige Rolle.
Die porösen Keramiken eignen sich aufgrund ihrer Porösität und der großen inneren Oberfläche besonders als Katalysatorträger, vorallem für Hochtemperaturreaktionen wie der katalytischen Verbrennung von Wasserstoff. Diese vaskulären Eigenschaften spielen auch in der Medizin ein wichtige Rolle, wo poröse biomorphe Keramiken für Implantate eingesetzt werden könnten, da sie einerseits die notwendigen Festigkeiten aufweisen und andererseits nicht zytotoxisch und biokompatibel sind. Aufgrund der enormen Hitzebeständigkeit können sie auch im Bereich von Mikroreaktoren, Lufreinigungsanalagen für Hochtemperaturabgase oder Wärmetauschern eingesetzt werden.[2]
Literatur
- ↑ a b Yongsoon Shin, Chongmin Wang, Gregory J. Exarhos: Sythesis of SiC Ceramics by the Caarbothermal REduction of Mineralizes Wood with Silicia. In: Advanced Materials. Band 17, Nr. 1. WILEY-VCH GmbH & Co KGaA, Januar 2005, S. 73–77.
- ↑ a b c d e f g h J. Ramirez-Rico, J. Martinez-Fernandez, M. Singh: Biomorphic ceramics from wood-derived precursors. In: Internationial Materials Previwes. Band 62, Nr. 8, 2017, S. 465–485.
- ↑ a b A.R. de Arellano-López, J. Martínez-Fernández, P. González, C. Domínguez, V. Fernández-Quero, M. Singh: Biomorphic SiC: A New Engineering Ceramic Material. In: Internation Journal off applied ceramic technology. Nr. 1, 2004, S. 56–67.
