制造烧结金属纤维介质的方法

专利名称：制造烧结金属纤维介质的方法
技术领域：
本发明涉及制造烧结金属纤维介质的方法。
背景技术：
本领域众所周知烧结金属纤维介质可用于各种用途，如液体或气体过滤。
提供烧结金属纤维介质的第一种方法就是通过空气铺设提供金属纤维网，然后在合适的炉内烧结该空气铺设的网。
这一空气铺设网存在缺点，即，网通常相对不均匀，尤其在提供相对薄的烧结金属纤维介质时。这是因为空气铺设的网很难提供足够的均匀性，因此，为了使烧结金属纤维介质在其整个表面上具有均匀的性能，通常将多个空气铺设的网堆叠在一起(即，所谓的叠合)。
另一种在烧结操作前提供网的方法就是用所谓的湿法铺设法或造纸法，如WO 98/43756、EP 933984A、JP11-131105、JP61-225400和JP61-223105所述。使金属纤维处于浆料中，并把浆料倒在筛网上。水从浆料中吸出通过筛网。然后烧结残留的脱水浆料。可以用粘合剂暂时地把金属纤维彼此粘合在一起，使脱水浆料易于输送。然后，烧结这一脱水的浆料，当然也可能要先除去粘合剂。
湿法铺网存在缺点，即，当采用细而且相对短的纤维时，一些较短的纤维会和从浆料中除去的水一起被吸过筛网。在先制备细网、后进行烧结的情况下，脱水步骤可能在网上吸成小的或较大的洞，导致在此处几乎没有或没有纤维能截留住以用于烧结。而且用来在脱水期间支撑湿浆料的支撑网会留下痕迹。在脱水后的网上会注意到支撑网的图案，即重复的细点。
其结果就是即使在烧结之前已将多层新鲜脱水的网彼此叠合在一起的情况下，脱水浆料和由此产生的烧结金属纤维介质也可能包括存在着较少纤维的不均匀区域。
尤其是采用小当量直径如2μm～6μm的纤维时，会注意到脱水期间一并吸出纤维和水的现象。这是因为一般而言较小长度的纤维量越大，纤维就越细。其结果就是在纤维具有小当量直径的情况下，会有更多的短纤维和水一起在脱水期间被吸出。
发明概述本发明的一个目的是提供一种克服了现有技术缺陷的制造烧结金属纤维介质的方法。本发明的另一个目的是提供一种制造在其整个表面范围内具有均匀性能的烧结金属纤维介质的方法。本发明的再一个目的是提供一种制造含有相对短和/或细的金属纤维、而且在其整个表面范围内具有均匀性能的烧结金属纤维介质的方法。本发明还有一个目的是提供一种制造具有相对小的厚度、而且在其整个表面范围内具有均匀性能的烧结金属纤维介质的方法。
作为本发明主题的制造烧结金属纤维介质的方法包括如权利要求1所述的步骤。
优选地，用来用涂布器浇铸或所谓的带型浇铸的浆料中，金属纤维的量为浆料的2wt％～40wt％，更优选为浆料的5wt％～15wt％。显然地，这样的浓度与带型浇铸(tape casting)作用一起提供了基本上平的浆料层，使得金属纤维分布得更加均匀，从而就提供了在整个介质表面和深度范围内的性能更加均匀的烧结金属纤维介质。
浆料中过多的金属纤维可能导致纤维的聚集，反过来又导致在整个烧结金属纤维介质内不均匀的金属纤维分布。
浆料中过少的金属纤维可能在脱除粘合剂期间产生问题，过量地脱除粘合剂将妨碍金属纤维的烧结。此外，这样生产烧结金属纤维介质变得不经济，因为要消耗太多的能量来脱除粘合剂，并要除去大量的粘合材料。每层浇铸层中，表面上的金属纤维分布可能变得不规则。
在一个进一步的优选方法中，浆料含有用来溶解粘合剂的溶剂，而且在浆料的固化期间，所有的溶剂都通过蒸发除去。这对由该进一步工艺所引起的在烧结金属纤维介质整个表面和深度范围内的金属纤维分布均匀性有着进一步有利的影响。
现在更详细地考虑作为本发明主题的制造烧结金属纤维介质的方法。
第一步是提供金属纤维。任何类型的金属或金属合金都可用来提供金属纤维。
金属纤维例如由钢，如不锈钢制成。优选的不锈钢合金是AISI 300系列或AISI 400系列的合金，例如AISI 316L或AISI 347，或者使用含有Fe、Al和Cr的合金，含有铬、铝和/或镍以及0.05～0.3wt％的钇、铈、镧、铪或钛的不锈钢，例如DIN 1.4767合金或Fecralloy。还可以采用铜或铜合金，或者钛或钛合金。还可以用镍或镍合金制造金属纤维。
金属纤维可以通过任何已知的金属纤维制造方法制造，例如束拉制(bundle drawing)的操作，或者如JP3083144所述的卷切削的操作，金属丝的切削操作(如钢丝棉)，或者由熔融金属合金浴形成金属纤维的方法。
为了提供具有平均长度的金属纤维，可以用WO 02/057035所述的方法切断金属纤维，或者用例如US4664971所述的方法提供金属纤维粒。
用于提供烧结金属纤维介质的金属纤维的特征在于具有当量直径D和平均纤维长度L。
金属纤维的当量直径是指表面与纤维径向截面的表面相等的一个假想圆的直径。
优选地，金属纤维的当量直径D小于100μm例如小于65μm，更优选小于36μm例如是35μm、22μm或17μm。可能地，金属纤维的当量直径小于15μm例如是14μm、12μm或11μm，或者甚至更优选小于9μm例如8μm。最优选地，金属纤维的当量直径D小于7μm或者小于6μm，例如小于5μm，例如是1μm、1.5μm、2μm、3μm、3.5μm或4μm。
金属纤维都具有各自的纤维长度。由于制造金属纤维的方法，这些纤维长度可能产生某些分布，用来提供作为本发明主题的烧结金属纤维介质的金属纤维具有平均纤维长度L。这一长度是通过测量大量的纤维，根据合适的统计学标准确定的。金属纤维的平均纤维长度小于10mm，例如是小于6mm，优选小于1mm，例如是小于0.8mm，或者甚至小于0.6mm，例如是小于0.2mm。因为根据本发明，基本上在制造烧结金属纤维介质的方法中所用的所有纤维都会存在于烧结金属纤维介质中，因此可以用相类似的方法测量烧结金属纤维介质中的平均纤维长度L。
因此烧结金属纤维介质中的金属纤维的平均纤维长度与直径之比(L/D)优选小于110，更优选小于100，但通常大于30。在金属纤维是通过WO 02/057035(此文献包括在此处作为参考)所述方法得到的情况下，对于当量直径在高达6μm的范围的金属纤维而言，优选L/D为大约30～70。
在本发明方法的第二个步骤中，提供浆料。虽然不应理解成限制，但是含有金属纤维、溶剂和粘合剂的浆料中，优选其金属纤维浓度为浆料的2wt％～40wt％。优选浆料的5wt％～15wt％由金属纤维构成。已经发现金属纤维的当量直径越小，金属纤维的浓度就保持得越低。
可选地，浆料包括聚合物粘合剂和金属纤维，加热该聚合物粘合剂以降低其粘度。
基于本发明目的的粘合剂可以理解成用来使浆料增稠的产品。优选采用水溶性的粘合剂，例如聚乙烯醇，甲基纤维素醚，羟丙基甲基纤维素，源自环氧乙烷的聚醚，丙烯酸聚合物或者丙烯酸类共聚物。向溶剂中加入粘合剂，浓度优选为浆料的0.5wt％～30wt％。最优选地，选择这样一种粘合剂粘合剂提供理想粘度所需的浓度为基于浆料的小于20wt％，甚至小于15wt％，或者甚至小于10wt％。对于浆料而言，优选采用的粘度范围是1000cPs～20000cPs。浆料的多个组分通过合适的混合设备混合。当发生浆料起泡时，可加入少量的消泡组分。
在第三个步骤中，用涂布器例如刮板把浆料带型浇涛在优选为基本上平的表面上。涂布器的间隙可以保持得相对小，优选为0.2mm～6mm，更优选0.2mm～3mm。涂布器的移动速度根据浆料的粘度和浆料的组成选择。
根据浆料中的金属纤维量、烧结金属纤维介质每单位表面上的所需重量、以及烧结金属纤维介质所需的密度，来选择间隙和由此产生的浆料层厚度。
在下面的步骤中，使浇铸的浆料固化，从而形成包括粘合剂和金属纤维的箔。这优选通过蒸发溶剂而实现。可以采用容易在环境温度下蒸发的溶剂。可选地，当用水作溶剂时，实施蒸发可以按照干燥步骤进行。干燥或蒸发可以通过空气干燥，或者通过加热浇铸浆料例如使热空气通过浇铸浆料的表面，或者采用辐射例如IR-辐射或微波辐射来实现或辅助实现。
可以理解，只有没有和粘合剂化学结合的溶剂例如水被去除。
可以理解，在蒸发溶剂的情况下，浇铸浆料的厚度将一定程度地下降，因为提供箔体积的浇铸浆料体积减少了。
可选地，在加热粘合剂以减小其粘度的情况下，可以通过冷却浇铸浆料使粘合剂固化。
在优选情况下，当蒸发除去全部溶剂或者冷却使粘合剂固化时，没有因溶剂的机械去除而损失任何纤维。这对于由该进一步工艺引起的在烧结金属纤维介质的整个表面和深度范围内的金属纤维分布均匀性有着进一步的有利影响。因为没有除去纤维，因此烧结金属纤维介质中的纤维的L/D比例就等于用于制备浆料的金属纤维的L/D比例。
可能地，因为粘合剂已把金属纤维充分地相互连接起来，因此可以对箔进行处理，可以对箔进行加压操作以进一步降低箔的厚度。
在最后一步中，热处理含有金属纤维和粘合剂的箔，以脱除粘合剂，随后将金属纤维彼此烧结到一起。
脱除粘合剂和烧结可以在一个热操作中完成，也可以作为两个连续的操作完成，无需在一个步骤之后马上进行另一个步骤。
烧结之后，可以对烧结的金属纤维介质进行进一步的压轧处理例如辊压或压延，以进一步减小烧结金属纤维介质的厚度，或者使烧结金属纤维介质的表面光滑。
可能地，将多层箔堆叠形成多层介质。不要求不同的箔含有相同的金属纤维，也不要求它们每单位表面或体积具有相同的金属纤维含量。不同的箔可能在金属纤维、金属纤维含量、厚度、重量和其它性能方面彼此不同。
可能地，可以在一个或多个箔上堆叠其它多孔金属结构。举例而言，可以在包括金属纤维和粘合剂的多个箔上堆叠金属丝网、网形(expanded)金属板、一层或多层空气铺设的网、湿法铺设的网、或者金属粉末层。
可能地，在堆叠体上加上金属箔或金属板。
可选地，可以在作为本发明主题的烧结金属纤维介质上提供这类多孔金属结构或金属箔或金属板，例如在第二烧结操作中，将这类多孔金属结构或金属箔或金属板烧结到作为本发明主题的烧结金属纤维介质上。
我们令人吃惊地发现用本发明方法得到的金属纤维介质具有改善的物理性能均匀性，例如空气渗透性、过滤效率、孔尺寸、泡点压力和孔分布。
烧结金属纤维介质的厚度可以在很大的范围内变化，但是可以得到相对薄的烧结金属纤维介质，例如厚度小于或等于0.2mm，甚至小于或等于0.1mm的烧结金属纤维介质。甚至更令人吃惊的是，我们发现当烧结金属纤维介质的厚度小于0.2mm或小于0.1mm时，可以得到超过10000Pa的泡点压力。我们还注意到当采用厚度小于0.2mm或小于0.1mm的此类烧结金属纤维介质作为液体过滤器时，可以得到高的过滤效率。
泡点压力根据ISO 4003测试方法测量。
作为本发明主题的烧结金属纤维介质的重量优选小于500g/m2，更优选小于400g/m2，甚至小于300g/m2，例如小于100g/m2例如约30g/m2。
烧结金属纤维介质的孔隙率可以在很大的范围内变化，但是我们发现这类烧结金属纤维介质的孔隙率可以在40％～99％的范围内，更优选在55％～80％范围内，例如在55％～70％的范围内。在不对箔或烧结金属纤维介质进行辊压或加压操作的情况下，可以得到80～99％的孔隙率。通过对箔和/或烧结金属纤维介质进行辊压或加压处理，可以得到更低的孔隙率。
术语“孔隙率”P应当理解为P＝100×(1-d)其中，d＝(1立方米烧结金属纤维介质的重量)/(SF)，SF＝制成烧结金属纤维介质的金属纤维的合金每立方米的比重。
烧结金属纤维介质可以用于液-固分离中的表面过滤。
作为本发明主题的烧结金属纤维介质的平均流量孔尺寸(flowpore size)小于当量直径D的2倍。
我们发现优选地，烧结金属纤维介质的平均流量孔尺寸小于所述当量直径D的1.5倍。更优选地，烧结金属纤维介质的平均流量孔尺寸等于或小于烧结金属纤维介质的金属纤维的当量直径D，增加了1μm。
平均流量孔尺寸是用“Coulter Porometer II”测试设备，根据ASTM F-316-80的平均流量孔尺寸测量得到。
在优选情况下，当平均流量孔尺寸小于当量直径D的2倍，而且烧结金属纤维介质中的金属纤维的平均纤维长度与直径之比(L/D)优选小于110，更优选小于100，但通常大于30时，我们吃惊地发现这种烧结金属纤维介质例如可以通过反冲、反洗或反向脉冲的方法高效率地重复清洗，显然清洗之后只留下有限的颗粒物，或者没有存留颗粒物。特别是当采用其中通过蒸发去除所有溶剂的方法时。
在金属纤维是通过WO 02/057035(此文献包括在此处作为参考)所述方法得到的情况下，对于当量直径在高达6μm的范围的金属纤维而言，优选L/D为约30～70。
当烧结金属纤维介质的外表面用于固-液表面过滤时，烧结金属纤维介质的外表面用作介质的流入侧，该外表面有利地具有“基本上平的”表面。“基本上平的”是指在统计学意义上的相关长度上测得的Ra值小于该烧结金属纤维介质的金属纤维当量直径D的3倍。更优选地，烧结金属纤维介质的第一外表面的Ra值小于当量直径D，例如小于当量直径D的0.5倍。
Ra值定义为在被测量的长度内的被测量区域上，表面高度偏离平均线的算术平均偏差。平均线如此定义该线上方和下方的区域的面积相等。
由本发明的方法制备的烧结金属纤维介质可以有利地用作过滤介质，用来例如通过表面过滤从流体(气体或液体)中过滤颗粒物。举例而言，烧结金属纤维介质可以用于烟灰过滤，或饮料如啤酒、葡萄酒的过滤，或者油类或冷却剂的过滤。烧结金属纤维介质还可以用在燃料电池中。
附图概述下面参考附图更详细地说明本发明，附图中

图1、2、3、4和5示意性地示出作为本发明主题的方法的步骤。
发明优选实施方案的描述下面介绍本发明的一个实施方案。
图1所示方法中，本发明方法的第一个步骤110提供了金属纤维111。
在接下来的步骤120中，由金属纤维、粘合剂和溶剂(优选为水)制备浆料121。
用混合装置122混合浆料数分钟，形成基本上稳定的浆料。
在步骤130中，将浆料121提供给作为涂布器131的刮板，带型浇铸在基本上平的疏水性表面132上。提供浇铸浆料133。
在接下来的步骤140中，作为环境温度下的实例，干燥浇铸浆料133，使之转变成箔141。
在接下来的步骤150中，分两步进行热处理。第一步在环境大气下对箔141进行热处理，以脱除粘合剂。然后，用烧结工艺烧结已脱除粘合剂的材料。
如图2所示，在附加步骤210中，在脱除粘合剂之前将多个箔141彼此叠合。
如图3所示，可以进行压轧例如辊压烧结金属纤维介质311的附加步骤310。其它所有步骤和图1、2所示步骤相同。
如图4所示，在热处理步骤150烧结金属纤维之后的下一个步骤中，还可能在压轧步骤310之后，可以向烧结金属纤维介质311上添加多孔金属结构411例如网、金属箔或金属板，并在第二烧结操作中将其烧结到已烧结的金属纤维介质上。
如图5所示，可以在脱除粘合剂之前，在步骤510中进行压轧例如辊压箔的附加步骤。其它所有步骤和图1所示步骤相同。
可以理解该压轧步骤510也可以结合图1、2、3和4所示的全部其它步骤。
可能地，烧结金属纤维介质可以层叠金属丝网，并第二次烧结以将该网连接到烧结金属纤维介质上。
举例而言，用图4所示方法提供一种烧结金属纤维介质。
在第一个步骤中，提供了通过束拉制(bundle drawing)方法制得的当量直径为2μm的金属纤维。用WO 02/057035描述的方法将环状金属纤维切成平均长度为109μm的金属纤维。金属纤维由AISI 316L合金制成。
然后，用下列组成制造浆料浆料的9.09wt％是金属纤维，浆料的1.36wt％是甲基纤维素醚(作为粘合剂)，浆料的89.55wt％是水(作为溶剂)。
用间隙为1.5mm的刮板带型浇铸浆料。
通过在空气下干燥大约24小时，使浇铸的浆料固化。可选地，可以用IR辐射来加热浇铸浆料并辅助干燥操作。制得的箔含有与水化学结合的粘合剂和金属纤维。制得的未烧结金属纤维介质的厚度为251μm，重量为127g/m2。未烧结的金属纤维介质包括13wt％的粘合剂，和87wt％的金属纤维。
将多层箔堆叠在一起，形成约400g/m2的多层箔。
在环境大气、400℃下处理箔的堆叠体约30分钟，以脱除粘合剂。接下来，在1100℃和H2下烧结已脱除粘合剂的材料约30分钟。将箔的所有层的金属纤维都彼此烧结到一起。
辊压得到的烧结金属纤维介质，使之孔隙率为65％，重量为约369g/m2。该烧结金属纤维介质的泡点压力为9470Pa，平均流量孔尺寸为2.9μm。Ra为0.99μm。
在烧结金属纤维产品上加上金属丝网，再次在高真空氛围、约1050℃下进行烧结操作60分钟。可选地在烧结金属纤维介质上烧结金属箔或金属板。也可以在进行第一次烧结操作之前将网加在箔堆叠体上。
利用类似的步骤，可以采用1.5μm直径、具有基本类似L/D比例的金属纤维来得到烧结金属纤维产品。所得烧结金属纤维介质的重量为约333g/m2，孔隙率为65％。烧结金属纤维介质的泡点压力为13609Pa，平均流量孔尺寸为2.4μm。
权利要求
1.制造烧结金属纤维介质的方法，包括以下步骤-提供金属纤维；-通过混合所述金属纤维和粘合剂，制备含有所述金属纤维和所述粘合剂的浆料；-用涂布器在支撑体上浇铸所述浆料的层；-固化所述浆料，提供含有所述金属纤维和所述粘合剂的箔；-脱除所述箔中的所述粘合剂，和烧结所述金属纤维。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述浆料中的金属纤维浓度是所述浆料的2wt％～40wt％。
3.根据权利要求1～2任一项所述的方法，其中所述浆料包括溶解所述粘合剂的溶剂。
4.根据权利要求3所述的方法，其中对所述浆料的所述固化通过从所述浆料中蒸发除去所有所述溶剂实现。
5.根据权利要求3～4任一项所述的方法，其中所述溶剂是水。
6.根据权利要求1～2任一项所述的方法，其中通过加热所述粘合剂提供所述浆料。
7.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其中所述方法包括附加的步骤，即用加压操作降低所述箔的厚度。
8.根据权利要求1～7任一项所述的方法，其中所述方法包括附加的步骤，即降低所述烧结金属纤维介质的厚度。
9.根据权利要求1～8任一项所述的方法，其中所述方法包括附加的步骤，即在所述脱除所述粘合剂之前，将多个箔彼此堆叠在一起。
10.根据权利要求1～9任一项所述的方法，其中所述方法包括附加的步骤，即在脱除所述粘合剂之前，将多孔金属结构、金属箔或金属板加在所述箔上。
11.根据权利要求1～10所述的方法，其中所述方法包括附加的步骤，即将多孔金属结构、金属箔或金属板烧结到所述烧结金属纤维介质上。
12.根据权利要求1～11所述的方法，其中所述烧结金属纤维介质的厚度小于或等于0.2mm。
13.根据权利要求1～12任一项所述的方法，其中所述烧结金属纤维介质的孔隙率为40％～99％。
14.根据权利要求1～13任一项所述的方法，其中所述烧结金属纤维介质的泡点压力超过10000Pa。
15.根据权利要求1～14任一项所述的方法，其中所述烧结金属纤维介质的平均流量孔尺寸小于所述金属纤维的所述纤维当量直径D的1.5倍。
16.根据权利要求1～14任一项所述的方法，其中金属纤维的L/D比例小于110，所述L是平均纤维长度。
全文摘要
本发明涉及一种制造烧结金属纤维介质的方法，包括以下步骤提供金属纤维；混合金属纤维和粘合剂以及非必要的溶剂，制备含有金属纤维和粘合剂的浆料；用涂布器在支撑体上浇铸一层浆料；使浆料固化，提供含有金属纤维以及粘合剂的箔；脱除箔中的粘合剂，和烧结金属纤维。
文档编号B01D39/20GK1942270SQ200580011234
公开日2007年4月4日 申请日期2005年3月24日 优先权日2004年4月15日
发明者C·斯图纳拉斯, C·安德烈奥利, Z·塔陶迪, F·费斯哈伊夫, C·弗罗芒, G·范贝茨布吕格 申请人:贝卡尔特股份有限公司