Herstellung von NP-Dispersionen

Herstellung von Nanopartikel-Dispersionen

Die hohe spezifische Oberfläche von Nanopartikeln (großes Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis) bietet vielfältige Möglichkeiten, die Partikeleigenschaften durch Funktionalisierung zu verändern und dies für die Weiterverarbeitung von Nanopartikeln zu Funktionsmaterialien zu nutzen.

Nanomaterialien aus Flüssigphasensynthesen liegen bereits in Trägerflüssigkeiten vor, weisen aber auf Grund der verwendeten Herstellungsverfahren eine spezifische, stabilisierende Oberflächenbeschichtung/ -funktionalisierung auf. Demgegenüber sind Materialien aus der Gasphasensynthese zunächst hochrein, da diese meist – außer den gewünschten Elementen – keine weiteren Stoffe oder Stabilisatoren beinhalten. Im Zuge der Weiterverarbeitung erfolgt bei Nanomaterialien aus der Gasphasensynthese sowohl aus Sicherheits- als auch aus verfahrenstechnischen Gründen eine Überführung der Partikel in die Flüssigphase. Jedoch ist die Überführung des hochspezifischen Nanomaterials in Trägermaterialien unter Beibehaltung der partikulären Eigenschaften weitestgehend ungelöst. Das Redispergieren ist aufwändig und führt häufig nicht zur gewünschten Qualität der Dispersion.

Wesentliche Herausforderung ist daher die kontinuierliche Abscheidung der Materialien in Trägerflüssigkeiten. Dieser Transfer (Waschvorgang) wird am IUTA sowohl experimentell als auch numerisch betrachtet.

Das Anwendungspotenzial stabiler Nanomaterial-Dispersionen ist mannigfaltig und insbesondere auch für KMU attraktiv – beispielsweise spielt die Sprühbeschichtung im Bereich der Oberflächentechnik eine wichtige Rolle. Durch die Beschichtung mit Nanomaterialien werden Oberflächen in Hinblick auf Aktivität, Hafteigenschaften und Beständigkeit verändert. Im Bereich der heterogenen Katalyse tragen Nanobeschichtungen dazu bei, Energiebarrieren zu überwinden.

Der Einsatz partikelbeladener Trägerflüssigkeiten scheitert jedoch derzeit an der Verfügbarkeit hochspezifischer Materialien, aber auch an der Wissenslücke zur kostengünstigen Herstellung prozessierbarer Dispersionen. Im Bereich Nanomaterialsynthese ist die Erarbeitung eines Transferprozesses zur Überführung von anwendungsorientierten Nanomaterialien in Dispersionen ein wesentlicher Schwerpunkt, so dass diese wettbewerbsfähig herstellbar werden.

Abb. 1: Strahlwäscher mit austauschbarer Blende: Prinzipskizze

Abb. 2: Von links nach rechts: i) klare Waschflüssigkeit vor der Synthese, ii) trübe Waschflüssigkeit nach der Synthese, iii) Dispersion nach 72 h, iv) REM-Aufnahme der trocken abgeschiedenen TiO₂-Agglomerate

Danksagung:

Die IGF-Projekte 19900 BG (WARP) und 20305 N (ODIN) der Forschungsvereinigung Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V. (IUTA) werden über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.