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Erzeugung stabiler Aerosole hohe Feststoffbeladung mittels trockener Dispergierung

IGF-Nr. 15385 BR

Im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens konnten die für das trockene Dispergieren nanoskaliger, kohäsiver Schüttgüter (z. B. AEROSIL® der Fa. Evonik) und die Bewertung des Dispergiererfolgs notwendigen Voraussetzungen geschaffen werden.

Zu Beginn war es vor allem wichtig, die Handhabung der Modellsubstanz AEROSIL® und die bei der Forschungsstelle vorhandene Strahlmahlanlage 100 AFG kennen zu lernen. Daraus folgend wurde abgeleitet, dass eine Anpassung der Anlage hinsichtlich der Verarbeitung der neuen Produktklasse Nanopartikelflocken notwendig ist. Die dabei entwickelte neue Dosiereinheit (modifiziertes Ejektorprinzip) lässt, nach einer empirisch ermittelten Kalibrierkurve, einen quasi konstanten Massestrom (stabiler Arbeitspunkt) auch kleiner Masseströme zu.
Das zur Dispersitätsbeurteilung entwickelte WIDE-RANGE-Partikelgrößenmesssytem in Zusammenhang mit der zu realisierenden Messstrecke wurde unter Berücksichtigung des Stands der Technik realisiert und stellt eine wissenschaftlich wertvolle Methode zum Nachweis von Partikelgrößen im Bereich zwischen 10 nm und ca. 40 µm dar.

Aus den Untersuchungen zur Dispergierung geht bezüglich eines möglichen Einflusses der Strahlmühle / Sichtermühle hervor, dass der eigentliche Dispergiereffekt und die damit verbundene Desagglomeration abweichend vom eigentlichen Mahlprinzip durch das schnell rotierende Abweiserad im Zusammenhang mit einem minimalen Luftvolumenstrom hervorgerufen wird. Für die Modellsubstanz Aerosil®200 trifft diese Erkenntnis vollständig zu. Mit der Substanz Aerosil®90 ist bezüglich der Herstellung technisch interessanter Aerosole ein partieller Zusammenhang in dieser Richtung zu verzeichnen. Bei der dritten Substanz Aerosil®OX50 stellt sich allein durch den Aufgabeejektor, also unabhängig vom Einsatz der Strahlmühle ein konstant feines Produktaerosol ein. Somit kann für Aerosil®OX50 auch zusammenfassend bestätigt werden, dass es sich bei dem kompaktesten der drei Aerosil®-Produkte auch um das am leichtesten zu dispergierende handelt, wobei aber die Dispergiererfolge mit Aerosil®90 kaum bis gar nicht übertroffen werden.

Die Versuche zeigten die technischen Grenzen der Strahlmahlung auf. Das heißt, dass das angewendete, klassische Prinzip der Strahlmahlung nicht den gewünschten Effekt für die bestehende Dispergieraufgabe zeigt. Als Ursachen werden die Unterschreitung der Mindestsubstanzmenge für den Mahleffekt, ein weiterer Optimierungsbedarf bei der Dosiergeometrie und für den Mahleffekt unzureichende Dichte des Mahlgutes angenommen. Aufgrund des in der Literatur nur unvollständigen Verständnisses des Mahlprinzips konnten hierzu im Rahmen des Projektes keine genaueren Aussagen erarbeitet werden.

Die Untersuchungen zur Produktaerosolstabilität erforderten Änderungen bezüglich des zunächst vorgesehenen Arbeitsplans. So hat sich herausgestellt, dass das im Antrag vorgesehene Stabilisierungskonzept aus verfahrenstechnischer Sicht zu spät im Prozess erfolgen würde. Daher wurden projektbegleitend neue, mögliche Konzepte der Aufladung ausgearbeitet, die eine Stabilisierung direkt im Bereich der Dispergierwirkung ermöglichen und nicht wie zunächst geplant in der Transportleitung hinter der Strahlmühle. Eine Umsetzung der identifizierten Konzepte war innerhalb des Projektumfangs nicht mehr möglich. Der Arbeitsschwerpunkt lag somit bei der Stabilitätsprüfung mittels einer verlängerten Transportleitung. Die Untersuchungen ergaben, dass eine Stabilisierung für einen längeren Transport der verschiedenen technisch interessanten Produktaerosole in einen Anschlussprozess notwendig ist. Bei direkter Weiterverarbeitung, d.h. Anschluss bspw. eines Coating-Apparats direkt (< 2 m) nach der Dispergiereinheit, der hergestellten technisch interessanten Produktaerosole spielen Stabilitätsprobleme keine Rolle, weshalb dann auf ein Stabilisierungskonzept verzichtet werden kann.
Das Verhalten der Produktklasse Nanopartikelflocken ist alles in allem deutlich komplexer als zunächst vermutet. Es wurden jedoch für die wissenschaftliche und praktische Verfahrenstechnikwelt wertvolle Erkenntnisse erarbeitet, die es unter bestimmten Voraussetzungen erlauben, entsprechend technisch interessante Aerosole herzustellen, die z.B. bei einem Beschichtungsprozess für instabile Materialien einsetzbar wären. Der in diesem Projekt realisierte Nachweis der Dispersität mit dem WIDE-RANGE-Partikelgrößenmesssystem stellt eine bisher in dieser Form neue Methode dar, die zum Erreichen des Projekterfolgs zu großen Teilen beigetragen hat.
Unter Berücksichtigung mit den projektbegleitenden Gremien getroffenen Änderungen im Arbeitsplan kann festgestellt werden:

Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 10/07 bis 06/10 an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg (09596 Freiberg, Tel.: 03731/393874) unter Leitung von Dipl.-Ing. S. Füchsel (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr.-Ing. habil. K. Husemann).

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BMWi-Logo Das IGF-Vorhaben Nr. 15385 BR der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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