HANDOUT. Vorlesung: Hochleistungskeramik. Nanopartikelprozesstechnik

Transkript

1 Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Universität des Saarlandes HANDOUT Vorlesung: Hochleistungskeramik Nanopartikelprozesstechnik Leitsatz: "For nanometer-scaled devises, it is necessary to develop nanoparticle dispersion in suspension without aggregation, nanoparticles assemble on the circuit, drying and sintering technology to cause neither disconnection nor deformation. The aggregation/dispersion behavior control, which is the first process for the preparation of new functional materials using nanoparticles, is very difficult for nanoparticles with less than 100 nm in diameter. In this chapter, based on the introduction of the basic reason why the aggregation and dispersion behavior control of nanoparticles is very difficult, the basic concept and method for the aggregation and dispersion control will be reviewed." Quelle: HL-1d, S. 115

2 Hochleistungskeramik Nanopartikelprozesstechnik Ziele Die Verfahren und Prozesse der Aufbereitung und weitergehenden Charakterisierung keramischer Nanopartikeldispersionen mechanistisch herleiten und beschreiben können. ð Aggregations- und Dispersionsverhalten von Nanopartikeldispersionen phänomenologisch beschreiben und begründen können ð Geeignete Methoden zur Charakterisierung des dispersen Zustandes kolloidaler Systeme beschreiben und anwenden können ð Grundlagen der rheologischen Charakterisierung anwenden können ð Verfahren zur Aufbereitung von Nanopartikeldispersionen herleiten können ð Simulationsmethoden skalenabhängig einordnen können Inhalte Dispersions- und Aggregationsverhalten von Nanopartikeln Dispersion, Aggregation, Koagulation und deren Einflussgrößen Weitergehenden Charakterisierung des Dispersionsgrades Schalldämpfungsspektroskopie, AFM Rheologische Charakterisierung von Nanopartikeldispersionen Oszillationsuntersuchungen und Ergebnisgrößen Aufbereitung kolloidaler Dispersionen aus Gas- u. Flüssigphase Verfahrensprinzipien, Turbulenz, Strömung Simulation von Nanopartikeldispersionen Methoden der Mikro-, Meso- und Makroskala

3 Lerntafel 1 Dispersions- und Aggregationsverhalten von Nanopartikeln Einfluss der Dispergiermittelkonzentration auf das Aggregations- und Dispergierverhalten von Nanopartikeldispersionen [HL-1d, S. 128] aggregate inhomogeneous compact bimodal pore size distribution sintering dispersed particles homogeneous compact ρ ~ 100 % Einfluss des dispersen Zustand von Nanopartikeldispersionen auf die Fehlerdichte und Homogenität gesinterter Formkörper (schematisch)

4 Übersicht: Strukturen aus Nanopartikeln [HL-1d, S. 24] Beispiele der Wechselwirkungen zwischen Dispersionsmittel und kolloidalen Festkörperoberflächen [HL-1d, S. 115] Vergleich verschiedener ideal glatter Modellsysteme zur Bestimmung der van-der-waals-kraft

5 Van der Waals Energien berechnet für drei Al 2 O 3 -Partikelfraktionen in Wasser. Die Ordinate ist normiert mit dem Boltzmann-Faktor, um eine bessere Vergleichbarkeit zur Brownschen Energie (E Br = 2/3 k B T) herzustellen [GL-7, S. 275/277]. Elektrische Doppelschicht (EDL): In diesem Beispiel adsorbiert die Oberfläche selektiv negative Ionen und eine zweite Schicht aus Gegenionen bildet sich. [GL-7, S. 278] Zeta-Potenzial über dem ph-wert am Beispiel einer Al 2 O 3 -Dispersion [GL- 7, S. 280]

6 Anziehungs-, Abstoßungs- und Gesamtpotenzial zweier sich nähernder Partikel gemäß DLVO-Theorie Kolloidale Stabilität von Nanopartikeldispersionen: Berechnete Potenziale V T der Wechselwirkung von a-al 2 O 3 Partikeln als Funktion des Partikelabstandes S 0 [GL-7, 2nd. Ed., S. 175] Quantifizierung der Stabilität kolloidaler Dispersionen [GL-7, 2nd. Ed., S. 174]

7 Kolloidale Stabilität von Nanopartikeldispersionen gem. DLVO-Theorie: Einfluss der Partikelgröße Berechnetes Stabilitätsdiagramm für 10 nm Si 3 N 4 -Partikel (IEP = 4,4) unter der Annahme einer 90 %-igen Koagulationswahrscheinlichkeit. [GL-7, S. 284] Abhängigkeit der Koagulationsgeschwindigkeit KG von der Partikelgröße [HL-1d, S. 143]

8 Schematische Darstellung sterischer und elektrosterischer Wechselwirkungen: Effektiver Feststoffvolumenanteil als Funktion der Partikelgröße Verbrückung zwischen Nanopartikeln aufgrund sterischer und elektrosterischer Effekte (vereinfacht, schematisch) [GL-7, S. 285] Adhäsionskraft als Funktion der Kontaktzeit zwischen zwei Oberflächen und der Hydratationsenthalpie monovalenter Kationen. [HL-1d, S. 143]

9 Adsorption und Koagulation bei geringer Polymerkonzentration (a) und hoher Polymerkonzentration (b). Verarmungsstabilisierung ohne Adsorption bei hoher Polymerkonzentration (c) und Verarmungskoagulation ohne Adsorption bei geringer Polymerkonzentration (d) [GL-7, S. 287] Schematische Darstellung des Dispersions-/Aggregationsgrades als Funktion der Polymerkonzentration (schematisch) [HL-1d, S. 144]

10 Lerntafel 2 Weitergehende Charakterisierung des Dispersionsgrades Schematische Darstellung des Messprinzips eines AFM. Die Bewegung des Cantilever word über PC gesteuert, die Datenaufnahme erfolgt über z- Piezobewegung und Auswertung des Photodiodensignals. Kraftmessung zwischen der Oberfläche von SiO 2 -Nanopartikeln in wässriger Umgebung. [HL-1d, S. 149] Schematische Darstellung eines AFM [HL-1d, S. 150]

11 Einfluss des Molgewichtes von Polyethylenimin auf die Kraftwirkung zwischen Partikeloberflächen, gemessen mit AFM [HL-1d, S. 169] Schematische Darstellung des Messaufbaus zur Schalldämpfungsspektroskopie Messzelle und Betriebsfrequenzen zur Schalldämpfungsspektroskopie

12 Elektroakustische Auswertung der Schalldämpfungsspektroskopie z-potential 5 Vol.-%iger SiO 2 Dispersionen als Funktion des ph Wertes mit den Partikelgrößen 20, 50 und 100 nm ohne Zusatz von Polyethylenimin (PEI) z-potential 5 Vol.-%iger SiO 2 Dispersionen als Funktion des ph Wertes mit der Partikelgröße 100 nm mit Zusatz von Polyethylenimin (PEI)

13 z Potential verdünnter Dispersionen (5 Vol.-% CeO 2 ) mit verschiedenen PAA-Molgewichten PAA als Funktion von ph Lerntafel 3 Rheologische Charakterisierung von Nanopartikeldispersionen Grundlagen Rheologie

14 Charakterisierungsgrößen rheologischer Oszillationsmessungen Amplitudentest mit variabler Amplitude und konstanter Frequenz zur Bestimmung der Grenze des linear-viskoelastischen (LVE) Bereiches (Überschreitung des LVE für g>g L ) Effekt der Partikelkonzentration auf das Viskositätsverhalten von Nanopartikeldispersionen mit nicht wechselwirkenden Partikeln (links) und Einfluss der Flockungsmittelkonzentration auf das elastische Verhalten von Dispersionen [HL-1d, S. 165]

15 Kriechverhalten geflockter Suspensionen bei verschiedenen äußeren Spannungen (links) und Einfluss des Molekulargewichtes polymerer Dispergiermittel auf die scheinbare Viskosität [HL-1d, S. 167/168] Lerntafel 4 Aufbereitung kolloidaler Dispersionen aus der Gas- und Flüssigphase Berechnete Koagulationsgeschwindigkeitskonstante K 0 als Funktion der Partikelgröße und der Knudsen-Zahl [HL-1d, S. 157] Grundlegende Funktionsmechanismen von Verfahren zur Nanopartikeldispergierung in der Gasphase [HL-1d, S. 157]

16 Schematische Darstellung der Dispergierung in einem Dissolver (Quelle: M. Englert, Diss., TU Kaiserslautern, 2009) Schematische Darstellung des Mahlraumes der eingesetzten Rührwerkskugelmühle (Dispermat SL-C 12, VMA-Getzmann GmbH), (Quelle: M. Englert, Diss., TU Kaiserslautern, 2009) Schematische Darstellung des Fließbildes bei der Dispergierung von Nano- Partikeln in einer horizontalen Rührwerkskugelmühle (Quelle: M. Englert, Diss., TU Kaiserslautern, 2009)

17 Schematische Darstellung einer Korbmühle (Tauchmühle), (Quelle: M. Englert, Diss., TU Kaiserslautern, 2009) Einfluss der Mahlkörpergröße auf den Zerkleinerungsfortschritt (Quelle: Mende, S., Dissertation, TU Braunschweig, 2004) Zerkleinerungsergebnisse in Abhängigkeit von der Beanspruchungsenergie der Mahlkörper (Quelle: Mende, S., Dissertation, TU Braunschweig, 2004)

18 Röntgenstrukturanalyse dispergierter Produkte im Vergleich zum Rohmaterial (Quelle: Mende, S., Dissertation, TU Braunschweig, 2004) Durchsatzbereiche und Abmessungen von Mikromischern und statischen Mischern [PT-1b, S. 593] Schematische Darstellung ausgewählter Prinzipien passiver Mikromischer, rechts [PT-1b, S. 595] und typische Strömungsbedingungen für Mikromischer [PT-1b, S. 596]

19 Lerntafel 5 Simulation kolloidaler Dispersionen Raum-Zeit-Mapping und mögliche Verbindung der Mikro- und Makroskala zur Simulation kolloidaler Systeme [HL-1d, S. 170] Grundlegende Überlegungen und Kennzeichen von Simulationsmethoden auf der Mesoskala [HL-1d, S. 170] Verifikation von Modell und experimentellen Daten am Beispiel der Hochenergiemahldispergierung (Quelle: Diss. Reichardt, U Siegen, 2005, S. 115)