Scale up (Nanopartikelprozessskalierung)

Nanopartikel zeigen mechanische, optische, elektrische und magnetische Eigenschaften die sich oft grundlegend von denen des „grobkörnigen“ Ausgangsmaterials unterscheiden. Die Variation der Teilchengröße eröffnet eine neue Dimension zur Variation der Materialeigenschaften. Diese Vorteile von nanoskaligem Material aus der Gasphasen-Synthese gegenüber herkömmlichen Produkten (Bulk-Material) sind durch eine Vielzahl von Forschungsergebnissen belegt. Dabei beschränkt sich die Forschung je

doch bisher fast ausschließlich auf Nanomaterialien aus Reaktoren im Labormaßstab. Demgegenüber zeichnen sich Nanopartikel, die derzeit in industriellen Gasphasenprozessen hergestellt werden, weder durch eine hohe Spezifität und Homogenität der Partikel-Morphologie noch durch diversifizierbare Materialeigenschaften aus. Industrielle Prozesse sind im Wesentlichen auf Funktionalität und Stabilität ausgelegt, eine Veränderung des laufenden Prozesses mit ungewissem Verbesserungspotenzial wird dort als riskant bewertet.

Deutlich besser geeignet sind Pilotanlagen im Technikumsmaßstab. Hier besteht die Möglichkeit Prozessparameter gezielt zu verändern und damit Partikeleigenschaften zu modifizieren. Dabei ist eine direkte „proportionale“ Skalierung der Prozesse aus dem Labormaßstab im Allgemeinen jedoch nicht möglich, da prozessbestimmende Ähnlichkeitsparameter in aller Regel nicht eingehalten werden können. Die Faktoren, die einen Einfluss auf die Produktqualität haben ändern sich in unterschiedlicher Weise. Da weitere Materialverbesserungen oder Neuentwicklungen auf Basis evolutionärer und iterativer Prozessentwicklungen zusehends schwieriger werden, besteht ein wachsender Bedarf bei der Entwicklung, Optimierung und Skalierung von Anlagen bis in den Produktionsmaßstab.

Am IUTA wird seit 2008 eine europaweit einzigartige Technikums-Anlage zur Synthese hochspezifischer Nanopartikel betrieben. Mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet dienen die Anlagen nicht nur zur Erzeugung von Nanomaterialien sondern zur Verfahrensentwicklung, Prozessoptimierung und Skalierung sowie der Entwicklung von Simulationsmodellen zur Beschreibung der reaktiven Mehrphasenströmungen. Über die hier installierten Herstellungsverfahren, unterstützt durch die eingesetzten Analyse-Methoden ist eine gezielte Synthese von Nanopartikeln
(->  Nanopartikelsynthese) mit spezifischen, z.B. vom Auftraggeber geforderten, Eigenschaften möglich. Die Dimensionierung der Anlagen im Technikums-Maßstab ermöglicht eine kontinuierliche Produktion von Materialien hoher Reinheit.

Ansprechpartner

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

Dr.-Ing. Sophie Marie Schnurre
schnurre@iuta.de
Tel. +49 2065 / 418 – 302

Aktuelle Projekte

IGF-Forschungsprojekt 18298:
Verfahrenstechnische Optimierung der Sprayflammen-gestützten Partikelsynthese zur Herstellung von nanoskaligem Eisenoxid mittels in-situ Laserdiagnostik

DFG-Forschergruppe FOR 2284:
Modellbasierte skalierbare Gasphasensynthese komplexer Nanopartikel – Teilprojekt “Synthese komplexer Nanomaterialien im Pilotmaßstab”

ZIM-Forschungsprojekt ZF4005402MU5:
Steigerung der photokatalytischen Aktivität von dünnen Schichten durch mehrfach dotierte Nanomaterialien; Synthese von mehrfach dotierten Nanomaterialien

IGF-Forschungsprojekt 19900BG:
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 (WARP)

EU-FP7-Forschungsprojekt:
FutureNanoNeeds „Framework to respond to regulatory needs of future nanomaterials and markets”
Laufzeitende: 31.12.2017

Publikationen

O.M. Feroughi, S. Hardt, I. Wlokas, T. Hülser, H. Wiggers, T. Dreier, C. Schulz (2015):
Laser-based in situ measurement and simulation of gas-phase temperature and iron atom concentration in a pilot-plant nanoparticle synthesis reactor
Proceedings of the Combustion Institute 35 2299-2306

Y.H. Sehlleier, A. Abdali, S.M. Schnurre, H. Wiggers, C. Schulz (2014):
Surface functionalization of microwave plasma-synthesized silica nanoparticles for enhancing the stability of dispersions
Nanop.Res. 16 2557ff

Kessler, M. Dehnen, R. Chavez, M. Engenhorst, J. Stoetzel, N. Petermann, K. Hesse, T. Huelser, M. Spree, C. Stiewe, P. Ziolkowski, et al. (2014):
Fabrication of High-Temperature-Stable Thermoelectric Generator Modules Based on Nanocrystalline Silicon
Journal of Elec. Materi. 43 1389-1396

Meseth, K. Lamine,M. Dehnen, S. Kayser, W. Brock, D. Behrenberg, H. Orthner, A. Elsukova, N. Hartmann, H. Wiggers, T.P. Hülser, H. Nienhaus (2013):
Laser-doping of crystalline silicon substrates using doped silicon nanoparticles
Thin solid films 548 437-442

Schnurre, S.M.; Hülser, T.;  Wiggers, H.
Synthesemethoden für maßgeschneiderte Nanopartikel aus der Gasphase
GIT Labor-Fachzeitschrift , Wiley, 4/2013, p. 240

Huelser, T.; Schnurre, S. M.;Wiggers, H.; Schulz, C.
Gas-phase synthesis of highly-specific nanoparticles on the pilot-plant scale
Proceeding of the World Congress on Particle Technology 2010, Nürnberg 26.04-29-04.10

Huelser, T.; Schnurre, S. M.;Wiggers, H.; Schulz, C
Gas-phase synthesis of highly-specific nanoparticles on the pilot-plant scale
Nanotech 2010, Vol. 1, pp 330 – 333

Huelser, T.; Spree, M.; Schnurre, S. M.;Wiggers, H.; Schulz, C.
Gas phase synthesis of silicon nanoparticles in a hot wall reactor on the pilot-plant scale
Abstracts of the “International Aerosol Conference 2010”, Helsinki, Abstract P2G2
30.08.- 03.09.2010

Wang, J.; Asbach, C.; Huelser, T.; Fissan, H.; Kaminski, H.; Kuhlbusch, T. A.J.; Pui, D.Y.H.
Exposure Measurement during the Production of Silicon Nanoparticles in a Pilot Scale Facility
Abstracts of the “International Aerosol Conference 2010”, Helsinki, Abstract 5E4
30.08.- 03.09.2010

Huelser, T.; Spree, M.; Schnurre, S. M.;Wiggers, H.; Schulz, C.
Gasphasensynthese von Silicium-Nanopartikeln im Technikumsmaßstab
Chemie Ingenieur Technik 82 (2010) Nr.9 S.1453-54
Vorträge – 2016

Hülser, T.
Synthesis of Highly Specific Nanoparticles in the Gas-Phase – An Economic and Sustainable Production Route of Raw Materials for Battery Applications
EMN Meeting, Berlin, Deutschland,
23.08.2016-26.08.2016

Hülser, T.
Nanotechnologies and Advanced Materials, Biotechnologies, Advanced Manufacturing and Processing (NMBP)
Key Enabling Technologies – KETs
Mainz, Deutschland
12.05.2016

Hülser, T.
Highly specific nanoparticles: A chance for future energy applications
NRW NanoKonferenz
Münster, Deutschland
07.12.2016-08.12.2016

Hülser, T., Schnurre, S.M., Spree, M., Wiggers, H., Schulz, C.
Spray-Flame Synthesis of Highly Specific Iron Oxide Nano Particles on the Pilot-Plant Scale
MRS Fall Meeting
Boston, USA
27.11.2016-02.12.2016

Kunze, F., Spree, M., Hülser, T., Wiggers, H., Schnurre, S.M.
From Lab to Pilot Scale – The Synthesis of Silicon Nanoparticles with a Microwave Plasma Reactor
MRS Fall Meeting
Boston, USA
27.11.2016-02.12.2016
Poster – 2016

Kunze, F., Spree, M., Hülser, T., Wiggers, H., Schnurre, S.M.
Microwave plasma synthesis of silicon nanoparticles at pilot scale
Plasma Processing Science, Gordon Research Seminar/Conference
Andover, NH, USA
23.07.2016-29.07.2016

Kunze, F., Spree, M., Schnurre, S.M., Hülser, T., Wiggers, H.
Microwave plasma synthesis of silicon nanoparticles on a pilot scale
The Materials Chain: From Discovery to Production
Bochum, Deutschland
30.05.2016-01.06.2016

Schnurre, S.M., Hülser, T, Nickel, C.
Synthesis of future nano materials – Roadmapping of value chain materials platforms
The Materials Chain: From Discovery to Production
Bochum, Deutschland
30.05.2016-01.06.2016