Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

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

Hochspezifische partikuläre Nanomaterialien (NM) aus der Gasphase sind für zahlreiche ressourcenschonende und energieeffiziente Anwendungen hervorragend geeignet. Die hohe spezifische Oberfläche von NM bietet vielfältige Möglichkeiten, die Partikeleigenschaften durch Funktionalisierung für die Weiterverarbeitung von Nanopartikeln zu Funktionsmaterialien zu verändern. Die Erforschung der Prozessierbarkeit sowohl unbehandelter als auch funktionalisierter NM ist daher notwendige Grundlage für die Entwicklung innovativer Verfahren und Produkte auf Basis nanopartikulärer Funktionsmaterialien.

Für viele Anwendungen sind mittlere Materialmengen (im kg Maßstab) mit genau definierten Eigenschaften notwendig. Insbesondere bei der Herstellung im kg-Maßstab kann eine wirtschaftliche Umsetzung nur erreicht werden, wenn Zielmaterial, Art der Funktionalisierung und Dispersionsflüssigkeit je nach Anwendung beeinflussbar sind. Eine derartige flexible und maßgeschneiderte Produktion ist wirtschaftlich nur im mittleren Größenmaßstab durch KMU durchführbar.

Ziel des Vorhabens ist es daher, einen modular aufgebauten, flexiblen Prozess (Wasch- und Aktivierungseinheit mit Reagenzeindüsung im AC/DC-Plasma (WARP)) im Pilotmaßstab zu entwickeln, der die direkte Herstellung stabiler Dispersionen auf Basis von hochspezifischen, aus der Gasphasensynthese hergestellten Partikeln ermöglicht. Dabei soll zur Einstellung der Oberflächeneigenschaften insbesondere von der Inline-Funktionalisierung Gebrauch gemacht werden. Der geschlossenen Prozess bietet maximale Sicherheit, so dass insbesondere KMU für den Betrieb befähigt werden ohne weitreichende infrastrukturelle Maßnahmen ergreifen zu müssen.

Exemplarisch wird im Rahmen dieses Vorhabens TiO2 ausgewählt, da dies bereits heute großtechnisch für die verschiedensten Anwendungen mit hydrophoben Funktionalisierungen ausgestattet wird und sich daher als Modell- und Vergleichssubstanz besonders gut eignet.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht: ein modular aufgebauter Prozess im Pilotmaßstab, zur direkten Herstellung homogener, stabiler Dispersionen auf Basis hochspezifischer, mittels in line-funktionalisierter Partikel aus der Gasphasensynthese.

Es wurden Methoden entwickelt, die generell für die Herstellung von oberflächenmodifizierten Nanomaterialien und deren Abscheidung aus der Gasphase eingesetzt werden können. Die Entwicklung und Erprobung erfolgte im Pilotmaßstab, der eine Hochskalierung auf industrielle Anwendungen ohne grundsätzliche Änderungen der Konstruktion zulässt.

Für den Fallfilm-Nasselektroabscheider wurde eine prototypische Konstruktion entwickelt, die ohne weiteres für industrielle Anwendungen im kleineren und mittleren Maßstab genutzt werden kann.

Die Plasma-Ringdüse verkörpert ein neuartiges und innovatives Konzept, das als Ausgangspunkt für weitere Entwicklungen geeignet ist. Für einen Dauereinsatz in der industriellen Produktion müssen z.T. andere Konstruktionsmaterialien eingesetzt werden (Austausch von Polymer durch Keramik), und es sind noch Weiterentwicklungen im Bereich der Leistungselektronik erforderlich. Ein integrierendes Modul für Funktionalisierung und Abscheidung konnte aufgrund der umfangreichen baulichen und konstruktiven Herausforderungen der separat durchgeführten Prozessschritte nicht umgesetzt werden.

Durch das Vorhaben stehen KMU erstmalig Informationen zur Verfügung, maßgeschneiderte Nanomaterialien in der Gasphase herzustellen, diese in line zu funktionalisieren und direkt im Anschluss aus der Synthese in die Flüssigkeit zu überführen. Die Erzeugung prozessierbarer Flüssigkeiten spielt für KMU eine entscheidende Rolle. Zum einen müssen diese kostengünstig herstellbar sein und zum anderen einfach handhabbar sein. Beides erfüllt das Anlagenkonzept, da die Pulverbehandlung entfällt (kostengünstig) und eine bereits nutzbare Dispersion direkt im Abscheider herstellbar ist.