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Evonik Industries stellt Nanopartikel im Überschallreaktor her

Autor / Redakteur: Anke Geipel-Kern / Anke Geipel-Kern

Ein neuer Überschallreaktor soll die Herstellung von Nanopartikeln in der Gasphase verbessern. Clou der Gasdynamisch initiierten Partikelherstellung sind zwei Überschalldüsen, die eine schnelle Aufheizung und Abkühlung des Gasgemisches erlauben.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Der Hoffnungsträger sieht zurzeit noch etwas provisorisch aus: Der langgestreckte Metallleib des GiP-Reaktors ist auf Metallblöcke geschweißt und aus den Anschlüssen quellen bunte und metallene Kabel heraus. Doch GiP, das steht für Gasdynamisch initiierte Partikelherstellung, hat seine Feuertaufe bereits hinter sich, und das im wahrsten Sinne des Wortes. Denn im Innern des neuartigen Überschallreaktors erreichen die Temperaturen bis zu 1500° C. „Ein dreiviertel Jahr nach Inbetriebnahme konnten wir das erste Mal sphärische Siliziumdioxidpartikel erzeugen,“ freut sich der wissenschaftliche Projektleiter Professor Dr. Herbert Olivier von der RWTH Aachen.

Seit sich 2006 sechs Forschungsinstitute und die Verfahrenstechniker von Evonik Degussa in einem DFG-Projekt zusammengefunden haben, laufen die Arbeiten am Reaktor und dem Verfahren zur Herstellung von Nanoteilchen auf Hochtouren. Im Dezember 2007 starteten die ersten Tests im Industriepark Hanau-Wolfgang, und bereits Mitte 2010, verkündet Evonik Degussa Geschäftführer Dr. Thomas Haeberle, sollen die Nanopartikel die gewünschten Performance-Eigenschaften erreicht haben.

Mit der Überschall-Methode wollen die Forscher einzelne, sphärische Nanopartikel mit einer geringen Größenverteilung herstellen und damit die Limitierungen der bisher üblichen Gasphasen-Prozesse wie Flammen- und Heißwandsynthese überwinden. Die Größe der mit diesen Verfahren erzeugten Teilchen ist nur schwer einzustellen, es entstehen Partikel von zehn Nanometern aber auch Aggregate die 500 Nanometer groß sind. Das liegt an schwer steuerbaren und damit schwankenden Parametern wie etwa dem Strömungsverlauf und dem Temperaturprofil. Hinzu kommt, dass die Teilchen erst aufwändig prozesstechnisch aufbereitet werden müssen, ehe sie als Zuschlagsstoffe für Kunststoffe und Lacke oder zur Oberflächenveredelung eingesetzt werden können.

Geschwindigkeit ist der Schlüssel

Das soll bei dem neuen Verfahren anders werden. Die hier entstehenden Partikel sind sehr homogen und können direkt aus der Anlage heraus auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft werden. Strömungstechnische Grundlage des GiP-Verfahrens ist die Tatsache, dass die kinetische Energie einer Überschallströmung durch plötzliches Abbremsen in thermische Energie umgewandelt wird. Dieser gasdynamische Stoß startet die Partikelbildung schlagartig. Temperatur und Reaktionsdauer steuern schließlich das Partikelwachstum. Auf diese Weise erzielt der GiP-Reaktor extrem hohe Aufheiz- und Abkühlraten und eine außergewöhnlich gute Strömungshomogenität.

Und so sieht momentan der Aufbau der Pilotanlage aus: Ein unter Druck stehendes 1500° C heißes Methan/Luftgemisch dient als Energielieferant. Eine Lavaldüse beschleunigt das Gemisch auf Überschallgeschwindigkeit, währenddessen über einen Injektor Tetraethylorthosilikat als Precursor eingedüst wird. Im Reaktionsbereich wird das Gas stark gebremst, wodurch sich die Temperatur schlagartig erhöht und die Partikelbildung in Gang gesetzt wird. In der zweiten Düse wird das Gas erneut auf Überschallgeschwindigkeit gebracht und dabei durch Quenchen mit Wasserdampf abgekühlt. Dadurch wird der Prozess gestoppt und die Teilchen können herausgefiltert werden.

Zurzeit verpassen die Beteiligten dem Verfahren den Feinschliff, denn obwohl der Reaktor bereits Partikel ausspuckt, gibt es noch eine lange To-do-Liste. Auch wenn grundsätzlich klar sei, was im Innern des Reaktors passiere, sei momentan das Verständnis der Einzelprozesse wichtigstes Ziel, um diese gezielt beeinflussen zu können, erklärt Olivier. Da die hohen Temperaturen dem Einsatz messtechnischer Methoden Grenzen setzen, versuchen die Forscher über numerische Simulation und Experimente mit wechselnden Parametern den einzelnen Verfahrenschritten ihre Geheimnisse zu entlocken. Optimierungsbedarf besteht derzeit noch bei der Länge der Verdichtungsstöße, welche die Wissenschaftler reduzieren wollen, um die Verfahrenseffizienz zu verbessern. Auch beim Reaktorkonzept selbst sieht Olivier noch Verbesserungsmöglichkeit. Die Kunst ist nämlich, im Stoßgebiet die Reaktorwand so zu formen, dass ein Strömungsabriss verhindert wird. Das Ziel, so Olivier, sei homogene Bedingungen in jedem Strömungsquerschnitt und damit eine enge Partikelgrößenverteilung.

Industriepartner Degussa Evonik sichert sich mit der Teilnahme an dem mit neun Millionen Euro bezuschussten DFG-Projekt den Zugang zu einer neuen Technik und erweitert damit die eigene Technologieplattform zur Herstellung von Nano-partikeln. „Wir suchen kontinuierlich nach alternativen Synthese-Routen und Designmethoden“, sagt Haeberle und verweist auf den Bedarf an Partikeln mit speziellen optischen und elektrischen Eigenschaften. Im Visier hat er dabei z.B. Nanopartikel aus Halbleitermaterialien wie Zinkoxid, die zu transparenten, druckfähigen elektronischen Schichten verarbeitet werden können. Entscheidend für solche Anwendungen ist die Morphologie der Nanopartikel, denn nur wenn alle Teilchen annähernd gleich groß sind, lassen sich Schaltgeschwindigkeiten erreichen, wie sie für druckbare Elektronik nötig ist. Und genau solche morphologisch definierten Teilchen wollen die Forscher mit dem GiP-Reaktor herstellen.

Die Autorin ist Redakteurin bei PROCESS.

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