DFG-Schwerpunktprogramm SPP 2045

Hochspezifische mehrdimensionale Fraktionierung von technischen Feinstpartikelsystemen
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Hochspezifische Partikelsysteme bilden die Basis für hochwertige Industrieprodukte. Partikelförmige Zwischenprodukte mit definierten mehrdimensionalen partikeltechnischen Spezifikationen sind essentiell und qualitätsbestimmend für die Herstellung von keramischen und pulvermetallurgischen Bauteilen, Beschichtungen, Druckerzeugnissen, porösen Funktions-strukturen (z.B. Membranen), partikelverstärken Kunststoffen, Elektroden in elektrochemischen Energiespeichern oder von elektronischen Baugruppen z.B. im Bereich gedruckter Elektronik. Die eingesetzten Partikelsysteme durchlaufen nach der Partikelherstellung über Synthese oder Zerkleinerung eine Vielzahl von Prozessschritten zur Qualitätseinstellung. Zu diesen Schritten zählt insbesondere die Fraktionierung, also die selektive Auftrennung des Partikelsystems nach Partikelmerkmalen. Vergleichbare Prozesse werden auch in der Aufbereitungstechnik eigensetzt, um aus natürlichen oder sekundären Rohstoffen spezielle wertstoffhaltige Partikel zu extrahieren.

Da die charakteristischen Längen sowohl der technischen Strukturen als auch in den primären und sekundären Rohstoffe kontinuierlich sinken, sind zukünftig immer feinere, hochspezifische Partikelsysteme zu verarbeiten, bzw. zu erzeugen. Die hierfür notwendige Technologie stößt an ihre Grenzen, wenn industriell relevante Mengenströme feiner (< 10 µm) und hochspezifischer Partikelsysteme bereitgestellt werden sollen, da in diesem Größenbereich die bisher eingesetzten physikalischen Trennprinzipien an Wirksamkeit und Selektivität verlieren. Im Nanopartikelbereich stehen heute im analytischen Maßstab zwar einige spezielle Konzepte zur selektiven Trennung nach einzelnen Partikelmerkmalen zur Verfügung. Sie sind aber noch nicht so weit entwickelt, um damit technisch relevante Mengen herzustellen. Gerade im Nanometerbereich, wo auch viele Partikeleigenschaften extrem größenabhängig werden, sind völlig neuartige Trennverfahren gefordert.

Die etablierten Fraktionierungsprozesse können nur bestimmte und teilweise gekoppelte Trennmerkmale adressieren. Das bedeutet, dass nach einem Merkmal getrennt wird, welches nur indirekt mit der gewünschten Partikeleigenschaft korreliert. Daher ist bspw. die Abtrennung plättchenförmiger Partikel (Graphen) einer bestimmten Dicke aus einer größen- und formverteilten Mischung (mit gebrochenem Graphit) mit einem sehr hohen Aufwand und einer geringen Ausbeute verbunden.

Ziel des SPP ist es, eine neue Klasse von Fraktionierungsverfahren für hochspezifische sowie mehrdimensionale Partikeleigenschaften im Größenbereich < 10 µm bis in einen TRL 4-5 zu entwickeln, indem Trennmerkmale in den Partikelsystemen gezielt von außen induziert werden, die Prozesse mit extremen Betriebsparametern umgesetzt werden, der Durchsatz analytischer Methoden um Größenordnungen gesteigert wird und neue physikalische, chemische, thermodynamische Trennprinzipien eingeführt werden.

Angaben zur Grafik:

Beispiele für Partikelsysteme mit besonderer Eigenschaftsfunktion, die nur durch mehrdimensionale Parikeleigenschaften ermöglicht werden ([a] REM: Wikipedia, Farbcodierte Raman-Messung zum Nachweis von mehrlagigen Graphenplättchen [1]; [b] FAU Erlangen; [c] aus [2]; [d, e] TU Freiberg; [f] aus [3]); [a, f] zeigen erste Möglichkeiten der Charakterisierung von mehrdimensionalen Partikeleigenschaften.

[1]   C. Damm, T.J. Nacken, W. Peukert, Carbon 81 (2015) 284-294.
[2]   F.J. Maile, P. Reynders, Lackiererblatt  (2010).
[3]   J. Walter, K. Löhr, E. Karabudak, W. Reis, J. Mikhael, W. Peukert, W. Wohlleben, H. Cölfen, ACS Nano 8 (2014) 8871-8886.

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