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Materialherstellung

Hochintensiver Ultraschall in der Nanotechnologie

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Wird Silica beispielsweise verwendet, um in Beschichtungen und Lacken die Kratzfestigkeit zu erhöhen, so ist eine gleichmäßige Dispersion besonders wichtig. Die Silica-Partikel müssen klein genug sein, um nicht mit dem sichtbaren Licht zu interferieren. Nur durch eine hohe Qualität der Partikeldispersion lassen sich Trübungen vermeide, so dass der Lack die gewünschte Transparenz aufweist. Daher wird für Beschichtungsformulierungen normalerweise nanoskaliertes Silica eingesetzt, dessen durchschnittliche Partikelgröße unter 40nm liegt, da es nur dann die optischen Anforderungen erfüllen kann.

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Die hohe Neigung der Silica-Partikel miteinander zu agglomerieren, erschwert es, dass die einzelnen Silica-Partikel mit dem Umgebungsmedium reagieren. Die Reaktion der einzelnen Partikel mit dem Medium ist jedoch wichtig, um die gewünschten Produkteigenschaften zu erzielen.

Im Vergleich mit anderen Hochschermischtechniken zeigt sich, dass die Beschallung mit HUS andere Dispergiermethoden an Effektivität übertrifft. Die unten stehende Grafik zeigt ein typisches Ergebnis, das beim Dispergieren von Silicastaub (Silicafume) in Wasser mit Ultraschall erreicht wird. Die grüne Kurve bildet die gemessene Partikelgröße vor der HUS-Behandlung ab, während die rote Kurve die Partikelgröße nach der HUS-Dispergierung zeigt. Vor der Partikelgrößenreduktion (grüne Kurve) weisen die agglomerierten Partikel eine durchschnittliche Größe von mehr als 200 µm (D50) auf. Mttels HUS wird die durchschnittliche Partikelgröße auf weniger als 200 nm reduziert (rote Kurve).

Das deutliche Auslaufen der Kurve nach rechts resultiert aus der Materialzusammensetzung (Agglomerate und größere Primärpartikel). Während sich die Agglomerate schnell und einfach reduzieren lassen, dauert das Zerkleinern der größeren Primary-Partikel länger. Die Prozesseffizienz von Ultraschall beim Dispergieren von Silica haben Pohl und Schubert mit anderen Hochschermischmethoden, wie etwa mit einem IKA Ultra-Turrax verglichen. Sie untersuchten [Pohl/ Schubert 2004] die Partikelgrößenreduktion von Aerosil 90 (2%wt) in Wasser mittels Rotor-Stator- und Ultraschall-System. Dabei verglichen sie einen Ultra-Turrax (S25-KV Rotor-Stator-System) bei verschiedenen Einstellungen mit denen eines UIP1000hd Ultraschallgerätes (1000W, 20kHz; Hielscher Ultrasonics) im Durchflussmodus.

Pohl und Schubert konnten in ihrer Studie zeigen, dass HUS für die Dispergierung und Desagglomerierung von Aerosil bei einer konstanten spezifischen Energie EV effektiver ist als das Rotor-Stator-System. Zudem lässt sich hinsichtlich der angewendeten Ultraschallfrequenz in der Größenordnung von 20kHz bis zu 30kHz kein größerer Effekt auf den Dispersionsprozess messen.

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