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Folie 4.1 Dr. W. Hintz/Prof. Dr. J. Tomas, Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik
Folien_GPVT_4 VO Grundlagen & Prozesse der Verfahrenstechnik Kap. 4 Nanopartikelsynthese Dr. W. Hintz 11.01.2012
4 Nanopartikelsynthese
4.1 Produkteigenschaften 4.2 Thermodynamik der Bildung der Nanopartikel 4.3 Stabilisierung der Nanopartikel 4.4 Chemisch-physikalische Prozesse der Erzeugung der Nanopartikel
4.4.1 Fällung 4.4.2 Sol-Gel-Synthese 4.4.3 Aerosolprozesse
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Definitionen
Gegenstand der Nanotechnologie ist die Erforschung und Steue-
rung kleinster Strukturen im Bereich der Atome und Moleküle. Sie
berührt die Biologie, Medizin, Pharmazie, Ingenieurwissenschaften,
wie Werkstoff-, Verfahrens- und Fertigungstechnik, und nicht zu-
letzt die Grenzflächenchemie.
Nanopartikel (griech. nanos – der Zwerg) sind organische oder an-
organische Feststoffpartikel. Die Größendimensionen der Nanopar-
tikel sind in der Literatur nicht einheitlich definiert. Manchmal wird
der submikrone Bereich (d < 1 µm) darunter verstanden.
Übliche Definitionen in den Materialwissenschaften beziehen sich
auf die Größe nanoskaliger Partikel d < 100 nm. Bei pharmazeuti-
schen Anwendungen werden manchmal die Grenzen bei 500 nm,
manchmal bei 1000 nm = 1 µm gelegt. Nanopartikel liegen in der
Regel dispers verteilt in einer kontinuierlichen fluiden Phase (Sole,
Gele, Aerosole) vor.
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2697 v. Ch. Tien-Lcheu: Lampenruß für Tinten in China eingesetzt
400 v. Ch. Lycurgus-Becher (mit Goldnanopartikeln beschichtetes Glasgefäß, British Museum
London)
1600 Herstellung von Kirchenfenstern, die im Licht durch kolloidales Gold rötlich leuchten
1857 Faraday Herstellung von kolloidalem Gold, Untersuchung der Farbeffekte
1915 Ostwald Kolloide - „Welt der vernachlässigten Dimension“
1942 Knöpfer Aerosil-Prozeß (Degussa) - pyrogene Kieselsäure, 1953 Aluminiumoxid, 1954 Titan(IV)-
oxid
1959 Feynman Rede über Aussichten der Miniaturisierung, „There’s plenty of room at the bottom“
1968 Stöber, Fink, Bohn Herstellung monodisperser Siliziumdioxid-Partikel, 1956 von Kolbe schon beschrieben
1974 Taniguchi Begriff “Nanotechnologie” für Herstellungsmethoden mit Strukturen kleiner als 1 μm
1985 Smalley, Curl, Kroto Buckminster-Fullerene, z.B.. C60 - Kohlenstoff
1991 Iijima Kohlenstoff-Nanoröhren
Historischer Überblick – Nanotechnologie und Nanopartikel
Nanotechnologie Der Gegenstand ist die Erforschung und Steuerung kleinster Strukturen im Bereich der Atome und
Moleküle.
Nanopartikel (aus dem Griechischen nanos - Zwerg) sind organische und anorganische Feststoffpartikel. Die
Größendimensionen sind in der Literatur nicht einheitlich definiert.
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4.1 Produkteigenschaften und Größenbereiche der Nanopartikel
Bioverfügbarkeit
Quantengrößen-effekte
Polymere
stark ausgeprägte Oberflächeneffekte
Atmosphärische Aerosole
Keramikpulver
Viren, DNS
Metallpulver
Tabakrauch
Proteine
0.01 0.1 1µm 0.001 10-9 m 10-6 m
10 1 100 1000 nm
Nanopartikel für Life Sciences
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Produkteigenschaften und Anwendungsbereiche
Die Anwendungsbereiche der Nanopartikel bzw. von nanostrukturierten Stoffsys-
temen sind auf folgende physikalische Effekte zurückzuführen:
1. Partikelgröße Bioverfügbarkeit: wasserunlösliche Stoffe können in Form von Nanopartikel von
Organismen aufgenommen werden → Anwendung in der Medizin (Life Science).
2. Sehr große spezifische Oberfläche Stark ausgeprägte Oberflächeneffekte (beispielsweise Reaktivität und besondere
Bindungsenergien der Oberfläche, verbesserte Adsorptionseigenschaften, Erhö-
hung der Löslichkeiten, Absenkung der Schmelzpunkte usw.)
3. Veränderung der elektronischen Eigenschaften Quanteneffekte bei Partikeln < 10 nm (stehende Wellen zwischen den Partikel-
grenzflächen), die insbesondere für elektronische und opto-elektronische Anwen-
dungen wichtig sind (Quantenelektronik).
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4.2 Thermodynamik der Bildung der Nanopartikel
Keimbildung • homogene Keimbildung (durch lokale Fluktuationen verursacht) • heterogene Keimbildung (durch Fremdpartikel hervorgerufen) Klassische Theorie der homogenen Keimbildung
ΔG = (µS - µl) n + 4 π r2 σ Differenz der freien Enthalpie in der Volumenphase Oberfläche des Keims
ΔG = (µS - µl) 34
Mπρ
r3 + 4 π r2 σ
wobei (µS - µl) = - RT ln S (Übersättigung S = C0(r) / CS(r ∞ ) ist,
(µS - µl) < 0, wenn die übersättigt ist, (S > 1)
(µS - µl) > 0, wenn die Lösung nicht gesättigt ist.
Prozesse der Nanopartikelbildung
Edukte
Agglomerate
Primärpartikel
Keime
Nan
opar
tikel
Keimbildung
Wachstum
Agglomeration
Deagglomeration
kritische Übersättigung Vermischung, Temperatur u.a.
Transportmechanismen diffusions- oder strömungskontrolliert Partikelwechselwirkungen van-der-Waals-Anziehung elektrostatische / sterische Abstoßung Agglomeratstruktur euklidische Geometrie, Fraktale
einbau- und diffusionslimitiertes Partikelwachstum
Stabilisierung der Nanopartikel gegen Agglomeration !
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Δg max = Δg oberfläche
freie Enthalpie Δg
Keimradius r kritischer Keimbildungsradius r*
Δg oberfläche = 4 π r2 σ
Δg = (µS - µl) r3
freie Keimbildungs-
enthalpie Δg
Konzentration der kritischen Keime:
−= 22
23*
)ln(316exp
SRTkTMNN O ρ
σπ
Kritischer Keimbildungsradius :
ρσ M
SlnRTr* 2=
1. r < r* Keime lösen sich wieder auf
2. r > r* Keime können durch Wachs-
tum ihre freie Enthalpie verringern
Thermodynamik der Nanopartikelbildung
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Ostwald - Reifung
kleine Partikel lösen sich zu Gunsten größerer Partikel wieder auf
flüssige Phase feste Phase
gesättigte Lösung: µl
0 + RT ln CS(r ∞ ) = µS0
Nanopartikel: µl0 + RT ln C0(r) = µS
0 + rσ2
ViS
Übersättigung S = C0(r) / CS(r ∞ ) mit S > 1
Gibbs - Thomson - Gleichung Folgerungen :
1. Keime mit kleineren Radien haben eine höhere Löslichkeit
2. Konzentrationsgradient des gelösten Stoffes in Richtung
größerer Keime, Stofftransport und Auflösung der kleine-
ren Keime
SiV
rSlnTR σ2=
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Nanopartikelbildung infolge kritischer Übersättigung, Keimbildung und Partikelwachstum*
*V.K. LaMer, R.H. Di-
negar, Theory, produc-
tion and mechanism of
formation of monodis-
persed hydrosols, J.
Amer. Chem.
Soc.72(1950) 4847-
4854
Sättigungskonzentration CS
CS
Modell von LaMer und Dinegar
Übersättigung
Wachstum
Keimbildung kritische Übersättigung C0
Konzentration der Komponenten einer schwerlöslichen Verbindung
Reaktionsfortschritt
C0
Keimbildung Wachstum
+
+
+
+
+ +
+
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4.3 Stabilisierung der Nanopartikel
a) Sterische Stabilisierung auf der Partikeloberfläche sind
Tenside mit hydrophilen funktio-
nellen Gruppen adsorbiert → Tensidketten bilden kurze „Här-
chen“, die in das Suspensions-
medium hineinragen und als „Ab-
standshalter“ dienen
Stabilisierung durch : 1. entropische Effekte → Anzahl der möglichen Konfigurationen würde durch
Koagulation verringert
2. energetische Effekte → Tenside haben im Suspensionsmittel einen günstige-
ren Energiezustand als bei Kontakt der Ketten
b) Elektrochemische (-statische) Stabilisierung
Beschreibung mit der DLVO – Modell (Theorie):
Derjaguin, Landau und Overbeek, Verwey unabhängig voneinander entwickelt
Kombiniert → van – der – Waals – Anziehung und
→ elektrostatische Abstoßung (Poisson - Boltzmann)
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DLVO-Modell der elektrochemischen Doppelschicht
Wechselwirkungspotential Ψ(a):
( )
−−⋅Ψ+
+⋅⋅
−=Ψ37
SS
0
2,1sls,H
aaaexp
aa6rC
)a( für 0 ≤ a ≤ ∞
mit 2372,1B
2kAS arTkcN128 ⋅⋅⋅⋅Γ⋅⋅⋅π⋅=Ψ ,
1
212,1 r
1r1r
−
+= ,
IeNTk1a 2
A
B0r37 ⋅⋅
⋅⋅ε⋅ε=
κ= , ∑ ⋅⋅=
kK
2k cz
21I ,
⋅⋅⋅⋅
=ΓTk4
ZeztanhB
Pk
Resultierende Potentialkraft F(a):
( )
−−⋅
Ψ+
+⋅⋅
−=Ψ
−=37
S
37
S2
0
2,1sls,H
aaaexp
aaa6rC
da)a(d)a(F
negativ geladenes
Partikel
Sternschicht
ΨS
Nernst - Potential
Stern - Potential
a37
Diffuse Schicht
Oberflächenabstand a
ZP Zeta - Potential
+
+
+ +
+
+
+ +
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
_ _
_
_ _
+ + +
+
+ +
+ + +
+ +
Gouy - Chapman - Schicht
+ + +
+
_ _ _
_
_
_ _
_
_ _
_
_
0
Ψ0
ΨS/e
aS
+
+ +
+
+
+
+
Scherebene
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Schematische Energie - Abstands - Funktionen der
Wechselwirkungen gemäß DLVO-Modell (-Theorie)
a) Oberfläche stoßen sich stark ab, kleine Kolloidpartikel bleiben stabil
b) Oberflächen kommen in ein stabiles Gleichgewicht beim zweiten Minimum,
wenn es tief genug ist. Kolloide verbleiben kinetisch stabil
c) Oberflächen kommen in ein zweites Minimum, Kolloide koagulieren langsam
d) Zustand der kritischen Koagulationskonzentration, Oberflächen verbleiben
im zweiten Minimum und haften, schnelle Agglomeration/Koagulation der
Kolloide
e) Oberflächen agglomerieren und Kolloide koaleszieren schnell
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Charakterisierung der Nanopartikel
Nanopartikel und Nanopulver sind gekennzeichnet durch:
Laserbeugung
Lichtstreuung
Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
Rasterelektronenmikroskopie (REM)
Gasadsorption (BET – Brunauer, Emmett, Teller)
(BJH – Barrett, Joyner, Halenda)
Zeta-Potential
Partikelgröße (1 nm – 100 nm)
große spezifische Oberfläche
Optische Spektroskopie
(elektrostatische) Stabilisierung
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4.4 Chemisch – physikalische Prozesse zur Erzeugung der Nanopartikel
Herstellungsprozesse
in flüssiger Phase in der Gas - Phase
(4.4.1) Fällungsprozesse
• in homogener Lösung
• in kompartimentierten Systemen
(4.4.2) Sol - Gel - Prozesse
Hydrothermal - Prozesse
(4.4.3) Aerosol - Prozesse
• Flammenhydrolyse
• Sprühpyrolyse
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4.4.1 Herstellungsmöglichkeiten von Nanopartikel in der flüssigen Phase
Organische Monomere Anorganische Salze Anorganische Monomere Metallorganische Verbindungen Hydrolyse Oligomerisierung Hydrolyse Polymerisation in einer Emulsion Suspension Kondensation Keimbildung Kondensation Wachstum Wachstum Partikel als Suspension Partikel als Suspension Partikel als Suspension Partikel als Suspension Latex Sol Sol Sol PS 0,1 - 1000 µm Al2O3 SiO2 Al2O3 PMMA 0,3 - 1000 µm TiO2 TiO2 MF 1,0 - 1000 µm ZrO2 ZrO2 Fe2O3 microparticles GmbH
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Chemisch – physikalische Prozesse zur Erzeugung von Nanopartikel Prozess: Fällung – in homogener Lösung
Synthese von Silberbromid
chemische Reaktionen :
Wirkprinzip: Fällung mit der Controlled double jet precipitation CDJP - Technik
Fällung in homogener Lösung - Controlled double jet precipitation CDJP
Keimbildung mit nachfolgender Aufwachsreaktion und Ostwald - Reifung
Partikelgröße: AgBr: 7 nm bis 60 nm, in Abhängigkeit vom Partikelsystem
eine Vielzahl von Synthesen im Labormaßstab T. Sugimoto : J. Colloid Interface Sci. 150 (1992) 208 - 225
Cluster - Bildung
Ag+ + Br - AgBr
Silberbromid
(Gelatine)
KBr AgNO3
Wachstum, Koagulation, ...
Wachstum
Komplex - und Cluster - Bildung
Ionen
Embryos
Keime
Primärpartikel
Kolloide
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Fällungsreaktion in homogener Lösung
AgBr – Nanopartikel, hergestellt mit der CDJ – Technik bei pBr 2,0 (a), 2,8(b), 4,0 (c)
Aufnahmen (Rasterelektronenmikroskopie) typischer monodisperser nanoskaliger Oxide durch
Umsetzung von Metallalkoxiden in alkoholischer Lösung
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Fällungsreaktion in homogener Lösung
Aluminium (III) - oxid, 100°C (Rasterelektronenmikroskopie REM) (links) und Chrom (III) - oxid,
75°C, (Transmissionselektronenmikroskopie TEM) (rechts) nach Fällung in homogener Lösung
Zinkoxid (Rasterelektronenmikroskopie REM), 90°C, pH 8,8 (links) und 150°C, pH 13,3 (rechts)
nach Fällung in homogener Lösung
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Tenside zur sterischen Stabilisierung der Nanopartikeldispersionen
Aerosol OT
Natrium(bis-2-thylhexyl)sulfosucci-
nat
(CMC = 2,5·10-3mol/l; 25°C, H2O)
SDS (Natrium-dodecyl-sulfat)
(CMC = 8,1·10-3mol/l; 25°C,H2O)
Dodecyl-trimethyl-ammonium-
chlorid
(CMC = 1,7·10-2mol/l; 25°C, H2O) Triton®X-100
tert.-Octylphenylpolyethylenglykol
(n= 9..10; CMC=3,16·10-4mol/l;
25°C,H2O)
Dodecylhexaethylenglykolether
(CMC = 8,7·10-5mol/l; 25°C, H2O)
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Strukturen von Mikroemulsionen
Öl - in - Wasser - Mikroemulsion
Wasser - in - Öl - Mikroemulsion
bikontinuierliche Mikroemulsion
Wasser Öl
Öl
Öl
Öl
Wasser
Wasser
Wasser
Wasser
Wasser
Wasser
Wasser Öl
Öl
Öl Öl
Wasser
Wasser
Wasser
Wasser Öl
Öl
Öl Öl
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4.4.2 Chemisch – physikalische Prozesse zur Erzeugung von Nanopartikel
Prozeß: Sol - Gel - Prozeß / Fällung
Synthese von Siliziumdioxid nach Stöber, Fink und Bohn (1968)
chemische Reaktionen:
Wirkprinzip : Keimbildung mit nachfolgender Aufwachsreaktion und Ostwald –
Reifung
Controlled double jet precipitation CDJP
Produkte: Titan (IV) – oxid , Aluminiumoxid, Zirkon (IV) – oxid Kernbrennstoffe ThO2, UO2, PuO2 Vorteile: oft monodisperse, sphärische Partikel kontrollierter Größe Nachteil: Reaktionen müssen bei geringen Partikelkonzentrationen geführt wer-
den, nur geringe Mengen herstellbar
Hydrolyse:
Si(OC2H5)4 + 4 H2O Si(OH)4 + 4 C2H5OH
Tetraethylorthosilicat Siliziumtetrahydroxid Ethanol
ethanolische Suspension
Polykondensation:
Si(OH)4 SiO2 + 2 H2O Siliziumtetrahydroxid Siliziumdioxid
ethanolische Suspension
0,2 M Tetraethylorthosilikat
Ethanol
Partikel 500 nm – 10 µm
Ammoniak / Wasser
Ethanol
Tetraethylorthosilicat / Ethanol
pH 11 – 12 (NH3)
pH 11 – 12 (NH3)
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Sol - Gel - Prozess / Fällung Aufnahme (Transmissions-Elektronenmikroskop TEM) von Stöber –
Partikel aus Siliziumdioxid:
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Kinetik der Polykondensationsreaktion zur Bildung von Siliziumdioxid
chemische Reaktionen:
- Reaction – limited cluster aggregation RLCA
Reaktionsgeschwindigkeit: Hydrolyse >> Polykondensation
pH – Bereich der Suspension: im sauren pH - Bereich
Bildung von Polymer – ähnlichen Netzwerken, poröse Partikel mit
kleinen Poren
- Reaction – limited monomer cluster growth RLMC (Eden –
Wachstum)
Reaktionsgeschwindigkeit: Hydrolyse << Polykondensation
pH – Bereich der Suspension: im basischen pH - Bereich
Bildung von großen, nicht porösen Partikeln, kolloidales Gel hat gro-ße Poren
Hydrolyse:
Si(OC2H5)4 + 4 H2O Si(OH)4 + 4 C2H5OH Tetraethylorthosilicat Siliziumtetrahydroxid Ethanol
ethanolische Suspension
Polykondensation:
Si(OH)4 SiO2 + 2 H2O Siliziumtetrahydroxid Siliziumdioxid
ethanolische Suspension
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Einfluss des pH – Wertes auf die Morphologie der Siliziumdioxid - Partikel
1 nm
5 nm
10 nm
30 nm
100 nm
pH 7 – 10 bei Abwesenheit von Salzen
Sol (Stöber – Partikel)
pH < 7 oder
pH 7 - 10 bei Anwesenheit von Salzen
dreidimensionales Gel - Netzwerk
Si(OH)4
Dimere
Polymere, Cluster
Partikel
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Chemisch – physikalische Prozesse zur Erzeugung von Nanopartikel Prozeß: Sol - Gel - Prozeß – Redispergierung (Peptisation)
Synthese von Titan (IV) - oxid chemische Reaktionen:
Wirkprinzip: Redispergierung
(Peptisation) des Gels
Vorteile: monodisperse, poröse Partikel kontrollierter Größe Nachteil: Reaktionen müssen bei geringen Partikelkonzentrationen geführt werden, nur geringe Mengen herstellbar
Hydrolyse:
Ti(OC3H7)4 + 4 H2O Ti(OH)4 + 4 C3H7OH Tetraisopropylorthotitanat Titan (IV) - hydroxid Isopropanol
wässrige Suspension, 50 °C
Polykondensation:
Ti(OH)4 TiO2 + 2 H2O Titan (IV) – hydroxid Titan (IV) - oxid
wässrige Suspension, 50 °C
0,23 M Tetraisopropylorthotitanat
0,1 M HNO3, 50 °C
Tetraisopropylorthotitanat
Redispergierung (Peptisation):
TiO2 (Gel) nano - TiO2 (Sol) Titan (IV) – oxid Titan (IV) - oxid
pH 1,3 (0,1 HNO3)
pH 1,3 (0,1 HNO3)
wässrige Suspension, 50 °C
pH 1,3 (0,1 M HNO3)
Folie 4.26 Dr. W. Hintz/Prof. Dr. J. Tomas, Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik
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Elektrostatische Stabilisierung oxidischer Nanopartikel in der Suspension Redispergierung (Peptisation) und Stabilisierung des Titan (IV) - oxides TiO2
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Zeta - Potential in mV
Zeta
- Po
tent
ial in
mV
pH - Wert
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Kinetik der Partikelagglomeration und – redispergierung
Ci, Cj, Ck Partikelkonzentration der i, j, k - mere kij Agglomerationskonstante der i - mere + j - mere bij Redispergierungskonstante k-mere zu i - mere + j - mere
Agglomeration
Redispergierun
Agglomerat
Kolloidpartikel
C4
C1
k14
k11
b13
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Redispergierung :
∑∑=
+
−
=−− +++−=
max
ikiikik
k
iik,iik,ik
k Cb)(b)(Ctd
Cd1
1
111
21 δδ
Kinetik der Partikelagglomeration und – redispergierung
klassische kinetische Theorie :
Smoluchowski - Prozess: Zunahme der Anzahl der k - mere durch Agglomeration der Partikel der Größe i und k – i mit i = 1, 2 ... k - 1 Abnahme der Anzahl der k - mere durch Agglomeration mit Partikel der Größe i = 1, 2 .... max inverser Smoluchowski - Prozess : Abnahme der Anzahl der k - mere durch Dispergierung in Partikel der Größe i und k – i mit i = 1, 2 ... k - 1 Zunahme der Anzahl der k - mere durch Dispergierung in Partikel der Größe k und i = 1, 2 .... max von Smoluchowski, M.: Versuch einer mathematischen Theorie der Koagulationskinetik kolloider Lösungen, Z. Phys. Chem. 92 (1918) 129 - 168
Agglomeration :
∑∑=
−
=−−− +−+=
max
iiikk,ik
k
iikiik,iik,i
k Ck)(CCCk)(td
Cd1
1
111
21 δδ
jifürundjifürmit j,ij,i ≠=δ==δ 01
i - mer + j - mer i + j - mer = k - mer, i, j ≥ 1 ….max
kij
bij
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Sol - Gel - Prozesse
Precursor Sol Gel Aerogel
kugelförmige Partikel in Gel-Struktur Xerogel
Dünnschicht-Struktur Pulver Keramik
Aerosil chemische Reaktion
Dehydratisierung
chemische Reaktion Trocknung
Trocknung
Kalzinierung Kalzinierung Kalzinierung
Beschichten
Eintauchen
organische Suspension
Tensid
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Folien_GPVT_4 VO Grundlagen & Prozesse der Verfahrenstechnik Kap. 4 Nanopartikelsynthese Dr. W. Hintz 11.01.2012
Prozesse zur Synthese von Siliziumdioxid – Partikel
Ausgangsstoff Halogenide
SiCl4, SiF4
lösliche Silikate Na2SiO3 Alkoxide Si(OR)4, R = Me, Et
Prozeß Flammenhydrolyse Hydrolyse
Kondensation
Aggregation
Wachstum
Hydrolyse
Kondensation
Polymerisation
Medium Plasmaflamme Wasser Alkohole
Hydrolysefaktor Wasser H+ Wasser
pH < 7 oder pH > 7 + Salze NH3
pH > 7 + NH3
Material Pulver Gel Niederschlag Gel Koazervat
Trocknungsprozeß T < TC T > TC T < TC T > TC
Produkt Aerosil Xerogel Aerogel Präzipitat Xerogel Aerogel Koazervat
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4.4.3 Chemisch – physikalische Prozesse zur Erzeugung von Nanopar-tikel
Prozeß : Aerosol - Prozeß - Flammenhydrolyse
Aerosil - Prozeß Degussa 1942 - Synthese von Siliziumdioxid
chemische Reaktionen :
Wirkprinzip:
Reaktor : Flammenreaktor
Partikelgrößenbereich:
Primärpartikelgröße 7 – 40 nm, sphärische, amorphe Partikel
Pulver als agglomerierte Partikel hoher Porosität
spezifische Oberfläche 50 – 400 m2 / g
Produkte: Titan (IV) – oxid , Aluminiumoxid, Zirkon (IV) – oxid, Zinkoxid
H2 + O2 2 H2O SiCl4 + 2 H2O SiO2 + 4 HCl SiCl4 + 2 H2 + O2 SiO2 + 4 HCl
Siliziumdioxid „fumed silica“ Siliziumtetrachlorid
Abscheidung :
Aerozyklone
Elektroabscheider
Filter
SiCl4
H2 O2
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Partikelbildung bei Aerosol – Prozessen
Partikelbildung durch Gas – Partikel – Umwandlung:
übersättigter Dampf : Reaktion Keimbildung Wachstum Koagulation Abscheidung A(g) B(g) °°°°
Partikelbildung durch Partikel - Partikel – Umwandlung: Ausgangsverbindungen in Lösung :
Abscheidung Tröpfchen –
bildung
Verdampfung des Lösungs-
mittels
Reaktion in den Parti-
keln
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Vorerhitzer
Chemisch – physikalische Prozesse zur Erzeugung von Nanopartikel Prozeß: Aerosol - Prozeß - Flammenhydrolyse
Synthese von Titan (IV) - oxid - „Chlorverfahren“
chemische Reaktionen :
Wirkprinzip:
Partikelgröße: 100 – 400 nm, amorphe Partikel, Produkt aus Anatas / Rutil, An-teil Rutil steigt mit Temperatur
Vorteil: minimale Aggregation und hohe Dispersität des Pulvers Produkte: Titan (IV) – oxid, Zirkon (IV) - oxid
TiCl4 + 2 H2O TiO2 + 4 HCl
4 HCl + O2 2 H2O + 2 Cl2
TiCl4 + O2 TiO2 + 2 Cl2
Chlorwasserstoff
Titan (IV) - oxid Titan (IV) - chlorid
Flammenhydrolyse im Elektroofen
1000 – 1300 °C
1000 – 1300 °C
Titan (IV) - oxid
Kühlung
Dampf
Elektroofen TiCl4 Verdampfer
Vorerhitzer