Die Erfindung betrifft nanoporöse Monolithe auf Basis von Silicaten mit einer hierarchischen Porenstruktur und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Stand der Technik

Die Präparation poröser Materialien und deren Formgebung ist in den letzten Jahren weit vorangetrieben worden. Handelsübliche poröse Gläser wie VYCOR, CPG, Biorari ^® , Trisopor ^® , Trisoperi ^® verfügen über Porensysteme und können in bestimmte Formen gebracht werden. Hierbei ist man bei der Formgebung jedoch auf Kugeln, Stäbe, Platten oder Granulate beschränkt.

Janowski et.al. gelang die Herstellung ultradünner Membrane auf Basis SiO ₂ -haltiger Natriumborosilicatgläser. In einem ersten Schritt werden die Gläser vor einer mechanischen Trennung zur Phasentrennung einer Thermobehandlung im Temperaturbereich zwischen 580 und 700 ^G C unterzogen. Die mechanisch getrennten Glasplättchen werden zur Erzeugung der Poren einer sauren und alkalischen Extraktion unterzogen. Mit diesem Verfahren können poröse Membranen mit homogener Porengröße und -Verteilung erzeugt werden, deren Porendurchmesser beliebig zwischen 2 und 100 nm eingestellt werden können (DE 198 48 377 A1).

Aufgabenstellung

Es ist Aufgabe der Erfindung, nanoporöse Monolithe mit einer hierarchischen Porenstruktur herzustellen. Nach Vorlage der Natur besteht das hierarchisch strukturierte System aus großen Nanoporen, die in kleinere Mikroporen verzweigen.

Hierbei kommt gegenüber dem Stand der Technik ein neuartiger Herstellungsprozess zum Einsatz. Dieser besteht aus eine Kombination aus einer Phasenseparation in einem Sol-Gel-Prozess mit einem neuartigen Druck-Lösemittel-Ausgleich (DLA).

Weiterhin wirkt sich gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft aus, dass dieses Verfahren die Herstellung nanoporöser Monolithe mit flexiblen Geometrien wie Membranen, Röhren und Kappen ermöglicht.

Ausführungsbeispiele

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den folgenden Beschreibungen erläutert und in den Zeichnungen dargestellt.

Im Folgenden wird ein Beispiel zur Herstellung eines nanoporösen Monoliths nach dem SoI-GeI- Verfahren beschrieben, mit einem Mikroporendurchmesser von 1,4 nm und einem Makroporendurchmesser von ca. 4400 nm.

Beispiel

Es werden 2,25 g Polyethylenoxid mit einer Molmasse von 100.000 g/mol in 18 mL Wasser gelöst. Zu dieser Lösung werden 25 mmol konzentrierte Salzsäure und 70 mmol Tetraethoxyorthosilikat

hinzugefügt. Das so erzeugte SoI wird in Druckbehälter umgefüllt und geliert bei einer Temperatur von 40° Celsius bei einem Druck von 2 bar. Nach 4 Stunden wird der Druckbehälter geöffnet und der Gel- Körper entnommen. Dieser Gel-Körper wird nun mit einer Diamantkreissäge in 2mm dicke Scheiben geschnitten. Diese Scheiben werden anschließend einem Lösungsmittelaustausch unterzogen. Dieser beinhaltet eine Behandlung mit absolutem Ethanol, bei dessen Siedetemperatur für 2 Stunden. Daran anschließend erfolgt der Austausch gegen Diethylether, bei dessen Siedetemperatur für 10 Stunden. Diese Scheiben werden bei einem Unterdruck von bis zu 1 bar getrocknet. Die Thermobehandlung der so erzeugten Membranen erfolgt mit einer Heizrate zwischen 1K und 100K pro Stunde von Raumtemperatur auf bis zu 800° Celsius. Diese Temperatur wird für 1 Minute gehalten. Abschließend erfolgte die Abkühlung im geschlossenen Ofen.

In folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele zur Herstellung der erfindungsgemäßen nanoporösen Monolithe aufgezeigt.

Die Geometrie der nanoporösen Monolithe kann in Größe und Form frei gestaltet werden. Die Formgebung des erfindungsgemäßen Monolithen aus einem SoI-GeI erfolgt direkt während des SoI- Gel-Prozesses. Hierbei kommen spezielle Formgebungswerkzeuge zum Einsatz, die formschlüssig von dem flüssigen SoI umgeben werden. Spezielle konstruktive Merkmale gewährleisten den Aufbau spannungsfreier Strukturen und eine zerstörungsfreie Entformung der Monolithe.

Die vielfältigen Möglichkeiten einer gezielten Formgebung wirken sich positiv auf die Vielfältigkeit der Anwendungsbereiche der nanoporösen Monolithe aus.

Durch die frei Formgebung wird die Möglichkeiten für eine einfache Integration mechanischer Funktionalitäten wie z.B. Halteelemente oder Gewinde gegeben.

FIG. 3 zeigt eine Ausführungsform des Substrates in Form eines porösen Hohlzylinders.

Eine weitere Ausbauform stellen nicht vollständig poröse Monolithe dar, die mindestens eine geschlossene Seitenfläche aufweisen.

Eine Möglichkeit zur Herstellung nicht durchgängig poröser Monolithe besteht gemäß des Anspruches 16 durch ein gezieltes nachträgliches Verschließen der Poren an einer Seitenfläche des Substrates (Fig. 4). Hierzu werden die Poren entweder mit einem SoI-GeI oder durch einen Sinterprozess mit SiO ₂ verschlossen.

Des Weiteren können nicht durchgängig poröse Strukturen dadurch hergestellt werden, das eine dünne Glasscheibe oder eine andersartige Abdeckung auf eine Seite des Monoliths aufgebracht wird (FIG. 5). Die Fügung der beiden Teile erfolgt vorzugsweise durch Verbinden mit Hilfe von SoI-GeI- Verfahren, Kleben mit Wasserglas, durch Löten, Sintern, Diffusionsschweißen oder einem Bond- Prozess.

Zur Anpassung an die verschiedensten Anwendungsbereiche kann die Oberfläche der hierarchischen Porenstruktur in vielfältiger Weise modifiziert werden. So kann die Oberflächenbeschaffenheit der Poren verändert werden, z.B. Veränderung der Oberflächenfunktionalität durch Silanisierung oder Calcinierung (FIG. 6).