Entbinderung

Die organischen Zusatzstoffe und weitere Presshilfsmittel, auch Binder genannt, müssen vor dem Sintern aus dem Grünkörper entfernt werden. Dieser Prozess der Binder-Entfernung bei Keramik-Grünlingen wird Entbinderung genannt. Idealerweise wird der Binder vollständig entfernt, ohne dabei die Ordnung der Teilchenpackung zu beeinträchtigen oder irgendwelche neuen Defekte im Grünkörper zu verursachen.

Restverschmutzungen wie Kohlenstoff und organische Ionen sowie Defekte wie Risse und große Poren können die Gefügeentwicklung während des Sinterns jedoch negativ beeinflussen. Darunter leiden die Eigenschaften des produzierten Bauteils. Die Entbinderung ist daher in der Verarbeitung der Keramiken ein kritischer Schritt, insbesondere wenn formgebende  Methoden eingesetzt werden, die einen hohen Anteil von Bindern im Grünkörper benötigen.

Methoden zur Entbinderung

Für die Entbinderung von Keramik-Grünlingen gibt es drei mögliche Methoden:

1. Extraktion durch Kapillarfluss in die Poren des umgebenden Mediums
2. Lösungsmittelextraktion
3. die thermische Zersetzung

Die thermische Entbinderung

Die bei weitem am häufigsten verwendete Methode ist die thermische Zersetzung, auch thermische Entbinderung genannt. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten, den Binder zu entfernen: Durch Heizen bei Umgebungsdruck in oxidativer oder nicht-oxidativer Atmosphäre oder unter Vakuum, in Form von Dampf. Der Prozess der thermischen Zersetzung wird sowohl von chemischen als auch von physikalischen Faktoren beeinflusst. Zu den chemischen Faktoren gehört die Zusammensetzung des Binders. Diese bestimmt die Zersetzungstemperatur, die normalerweise zwischen 100 und 400 °C liegt. Physikalisch gesehen wird die Entfernung des Binders durch die Wärmeübertragung in das Bauteil und den Massentransport der abgebauten Zersetzungsprodukte kontrolliert.

Darauf ist beim Entbindern zu achten

Die Wärmebehandlung muss beim thermischen Entbindern langsam erfolgen, da durch die Zersetzung des Binders und einhergehende Dampfentwicklung Druck im Bauteil erzeugt werden kann. Ebenfalls sollte eine ausreichende Menge Sauerstoff oder Luft zugeführt werden, um den Binderabtransport zu ermöglichen. Spezielle Vorsichtsmaßnahmen müssen bei der Entbinderung von großen Produkten oder Produkten mit hohen Binderanteilen (z.B. Produkte, die durch Spritzgießen, Strangpressen, Schlickerguss oder andere plastische Formgebungsmethoden hergestellt werden) getroffen werden. In manchen Fällen, wird die Entbinderung in einem separaten Niedrig-Temperatur-Ofen durchgeführt, gefolgt vom Brennen in einem Hoch-Temperatur-Ofen. Die maximale Heizrate wird bestimmt durch die Produktgröße und  Form. Hohe Heizraten können im Produkt ein Temperaturgefälle verursachen, das zu ungleicher Schrumpfung in den inneren Produktschichten führt. Das kann zur Rissbildung führen.

Auch die Temperaturhomogenität, genauso wie eine konstante und homogene  Luft- oder Sauerstoffströmung innerhalb des Ofens während jedem Entbinderungs-Prozess, ist zur Vermeidung von Temperaturgefällen im Produkt von großer Bedeutung. Temperatur und Luftströmung sollten daher sehr sorgfältig eingestellt, gemessen, und geregelt werden. Des Weiteren ist es sehr wichtig, nach der Entbinderung weiter zu heizen und die Produkte noch vor dem Transport zu sintern. Keramische Produkte sind in der Phase zwischen Entbinderung und Sintern sehr spröde und empfindlich gegen mechanische Spannungen. Der Transport der Güter vor dem Sintern kann daher zur Rissbildung oder zu größeren Schäden führen.

Die bei der Entbinderung entstehenden Abgase beinhalten gefährliche organische Materialien und müssen vorsichtig aus dem Ofen abgesaugt werden und in einer separaten Kammer gemäß der entsprechenden Sicherheits- und Umweltvorschriften behandelt werden. In der Praxis bestehen Bindersysteme aus einer Mischung mindestens zweier Komponenten, die sich in Flüchtigkeit und chemischer Zersetzung unterscheiden. Das macht es noch komplizierter, den Prozess der Entbinderung zu kontrollieren.

Referenzen:

Concise Encyclopedia of Advanced Ceramic Materials, edt. von R.J. Brook, Pergamon, 1991, Oxford
M.N. Rahaman, “Ceramic Processing and Sintering” 2nd edition, CRC Press, 2003, New York