Entwicklung eines semikontinuierlichen Prozesses zur Klassierung kolloidaler Partikel im Zentrifugalfeld

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hermann Nirschl
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 222168573

In der Entwicklung von neuartigen partikulären Materialien im submikronen Bereich sind in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt worden. Bei den meisten Verfahren ist es jedoch sehr schwierig eine häufig geforderte, relativ enge Partikelgrößenverteilung zu erreichen. Besonders bei der Produktion im Pilot- und industriellen Maßstab sind die Partikelgrößenverteilungen der synthetisierten Kolloide oft zu breit, als dass sie direkt in hochtechnologischen Anwendungen eingesetzt werden könnten. Anwendungen finden sich unter anderem in der druckbaren Elektronik, bei Poliermitteln in der Halbleiterindustrie und bei funktionalisierten Partikeln zur Krebstherapie. Aus diesem Grund ist es in weiteren Prozessschritten notwendig, aus der Anfangs breiten Partikelgrößenverteilung enge Partikelfraktionen zu separieren. Das kann über eine Abtrennung von sog. „Überkorn“ oder eine Abtrennung der feinsten Partikeln geschehen.Eine Größenklassierung von Partikeln im kontinuierlichen und halbkontinuierlichen Betrieb ist mit konventionellen Methoden der Zentrifugation im Pilotmaßstab nur bis hinab zu einem Dichteunterschied zwischen Feststoff und Flüssigkeit von mindestens Faktor zwei und einem Partikeldurchmesser größer als 1µm möglich. Verfahren zur Klassierung kolloidaler Partikel sind bisher auf den Labormaßstab begrenzt. Im Pilot- und industriellen Maßstab werden Filter zur Abtrennung von Überkorn eingesetzt. Die Selektivität der filtrierenden Klassierung ist jedoch gering und lässt sich kaum beeinflussen. Ziel des beantragten Projektes ist es daher, mittels einer eigens entwickelten Röhrenzentrifuge das Verfahren der Zentrifugalklassierung bis in den Nanometermaßstab hinein zu erproben.Der angestrebte Trennschnitt für Produkte mit einer geringen Dichtedifferenz von maximal 100 kg/m³ zum umgebenden Medium beträgt 100nm, bei Partikeln mit einer höheren Dichtedifferenz sollen Trennschnitte bis zu 20nm möglich sein. Hierzu wird eine neuartige, aktiv magnetgelagerte Röhrenzentrifuge mit einem Rotor aus Kohlefaserverbundwerkstoff eingesetzt. In der Zentrifuge sollen kolloidale Partikel im Pilotmaßstab bei bis zu 160000G abgeschieden und klassiert werden. Die Zentrifuge ist eine Eigenentwicklung des Instituts. Als Ergebnis wird ein Kennfeld der Sedimentationseigenschaften von verschiedenen feinsten Partikeln in Abhängigkeit der Partikeleigenschaften und Betriebsparametern erwartet.In einem weiteren Arbeitspaket sollen die Strömungsbedingungen in einer Zentrifuge mittels Laser-Doppler-Anemometrie gemessen werden. Es wurden bereits erfolgreich Messungen mit dieser Technik in einer Röhrenzentrifuge durchgeführt, die bereits publiziert sind. Ziel der geplanten Grundlagenuntersuchungen ist die strömungsmechanische Optimierung der Zulaufgeometrie, um den angestrebten, scharfen Trennschnitt zu erreichen. Die im Rahmen des beantragten Projekts durchgeführten Modellrechnungen lassen sich durch die experimentelle Bestimmung des Strömungsprofils validieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen