Polymer-derived ceramic layer structures with multi-scale porosity

Abstract

Schichtstrukturen aus Si3N4/SiCN mit multiskalarer Porosität wurden mit dem Ziel, sie zukünftig als Membran verwenden zu können, hergestellt. Das Hauptaugenmerk wurde dabei darauf gelegt, eine Methode zu entwickeln, um eine dichte Schicht auf eine makroporöse Gerüststruktur aufzubringen. Dies sollte mittels Tauchbeschichtung mit präkeramischem Polymer geschehen. Die zur Methodenentwicklung beschichteten Gerüststrukturen sind planar und tablettenförmig und wurden auf zwei verschiedene Arten hergestellt: Zum einen über Schlickerguss (Si3N4), wobei die Feststoffbeladung des Schlickers und die Sintertemperatur variiert wurden, zum anderen über die polymerabgeleitete Route (SiCN) unter Verwendung von UHMW-PE als Opferfüllstoff. Es stellte sich heraus, dass eine Zwischenschicht auf die Gerüststruktur aufgebracht werden muss, die über Tauchbeschichtung/Schlickerguss mit einem Schlicker aus Si3N4-Pulver und dem präkeramischen Polymer hergestellt wird. Auf die so hergestellten zweischichtigen Strukturen wurden dann zuerst ohne weitere Behandlung und in folgenden Experimenten unter Verwendung einer Maskierungstechnik versucht, die dichte Schicht aufzubringen. Die Permeabilität wurde bestimmt. Außerdem wurde in Vorversuchen ein Modell aufgestellt, um den Zusammenhang zwischen Ziehgeschwindigkeit und Schichtdicke der Tauchbeschichtungslösungen, die für die dichte, oberste Schicht verwendet werden, darzustellen. Diese Versuche wurden auf dichten Substraten, nämlich Glasplatten, durchgeführt. Sowohl Viskosität als auch Oberflächenspannung dieser Lösungen wurden gemessen, um zu überprüfen, ob das bestehende Landau-Levich-Modell hier verwendet werden kann, oder angepasst werden muss. Sowohl auf die über Schlickerguss hergestellten als auch auf die PDC-Gerüststrukturen konnte erfolgreich eine Zwischenschicht (~30 µm dick) aufgebracht werden. Allerdings war die Silanisierung des Siliziumnitridpulvers und die Oberflächenbehandlung der PDC-Gerüste nötig. Außerdem gelang es mit Hilfe der Maskierung der Zwischenschicht (und darunterliegender Gerüststruktur) mit Polystyrol in beiden Fällen im vernetzten Zustand eine deckende selektive Schicht herzustellen und die Porosität der darunterliegenden Schichten (nach der Pyrolyse) zu erhalten. Die Ergebnisse der planaren Proben konnten erfolgreich auf tubulare Proben übertragen werden.

Layered Si3N4/SiCN structures with multi-scale porosity were prepared with the future aim of using them as a membrane. The focus was set on finding a method to produce a dense selective layer on a macroporous support via dipcoating with a solution of a preceramic polymer. The planar (disk-shaped) supports were prepared in two different ways, on the one hand via slipcasting (resulting in Si3N4) varying the slip loadings and sintering temperatures, on the other hand using the polymer derived route (resulting in SiCN) including the use of polyethylene as a sacrificial filler. It was necessary to put an intermediate layer on top of the support, which was prepared by dip coating/slip casting with a Si3N4/preceramic polymer solution. Producing a dense top layer was then tested on these two-layered structures without any further treatment and in following experiments with additionally using masking techniques. The permeation behaviour of the structures was measured. Additional experiments were conducted to set up a model for the relation between withdrawal speed and resulting layer thickness of the dipping solutions that were used to prepare the selective layer. These experiments were carried out on dense substrates. Properties like viscosity and surface tension of the dipping solutions were measured to see if the existing model by Landau-Levich fits the experimental data or has to be adapted. On both support structures, the slip cast type and the polymer derived ceramic (PDC) type, an intermediate layer (with a thickness of ~ 30 µm) could be successfully deposited. A surface modification (silanisation) of the silicon nitride powder of the intermediate layer slip was necessary. The PDC-supports had to be ground to yield a homogenous layer. Using polystyrene as sacrificial mask for the intermediate layer (and the support structure), a fully covering top layer was achieved in the crosslinked stage on both of the support types. The porosity of the underlying layers was preserved after pyrolysis. The results of the planar samples were successfully adapted to the tubular samples.