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 Beibehalt 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 Energie- und Umwelttechnik 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.

Ansprechpartner

Dr. Andrea Hoyer
hoyer@iuta.de
Tel. +49 2065 / 418 – 301

Dipl.-Phys. Tim Hülser
huelser@iuta.de
Tel. +49 2065 / 418 – 302

Aktuelle Projekte

IGF-Forschungsprojekt 19900 BG:
WARP – Entwicklung einer modularen Wasch- und Aktivierungseinheit mit Reagenzeindüsung in AC/DC-Plasmen zur Inline-Funktionalisierung und direkten Nassabscheidung von Nanopartikeln aus der Gasphasensynthese für stabile, prozessierbare Suspensionen

IGF-Forschungsprojekt 20305 N:
ODIN – Mehrphasenströmungssimulation zur verfahrenstechnischen
Optimierung der Herstellung prozessierbarer Dispersionen aus
hochspezifischen gasgetragenen Nanopartikeln mittels direkter
Überführung in Trägerflüssigkeiten

IGF-Forschungsprojekt 19976 BG:
KatCe – Entwicklung katalytisch aktiver Materialien auf Ceroxid- und
Zirkoniumoxid-Basis für die Anwendung in Festoxid-Brennstoffzellen

IGF-Forschungsprojekt 19817 BG:
IT-PEM – Entwicklung von kostengünstigen und nachhaltigen Elektrodensystemen auf Basis von optimierten Iridium/Titanoxid-Schichten für den Einsatz in der PEM-Wasserelektrolyse

IGF-Forschungsprojekt 19403 N:
Entwicklung eines Messgerätes zur Bestimmung des Oxidativen Potentials von luftgetragenen Partikeln mit Hilfe eines Particle-into-Liquid-Samplers (PILS) und der Elektronen-Spin-Resonanz-Spektrometrie (ESR)
Laufzeit: 01.03.2017 - 31.08.2019

DFG Forschungsgruppe FOR2284:
Modellbasierte skalierbare Gasphasensynthese komplexer Nanopartikel
Teilprojekt “Synthese komplexer Nanomaterialien im Pilotmaßstab”

BMBF- Forschungsprojekt N3rvousSystem:
Eine 3R-Systembiologie-basierte Strategie zur Bewertung von Gefährdung, Risiko und Sicherheit neurotoxischer Substanzen im Menschen

EU-Forschungsprojekt NanoFase:
Nanomaterial Fate and Speciation in the Environment

EU-Forschungsprojekt BIORIMA:
Risk Management of Biomaterials

EU-Forschungsprojekt NanoToxClass:
Etablierung von Nanomaterial-Gruppierungs-/ Klassifizierungsstrategien auf Basis der Toxizität und zur Unterstützung der Risikobewertung

EFRE-Forschungsprojekt FunALD:
Funktionale ultradünne Werkstoffe durch Atomlagenabscheidung für die nächste-Generation-Nanosystematik