DE10157556A1 - Herstellung von Festkörperteilchen mit vorgegebener Größe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Festkörperteilchen mit vorgegebener Größe, bei dem eine zweite Flüssigkeit einer ersten Flüssigkeit zugegeben wird. In einer exothermen Reaktion von zumindest einem Teil der ersten Flüssigkeit mit zumindest einem Teil der zweiten Flüssigkeit werden Festkörperteilchen gebildet. Das Wachstum der Festkörperteilchen schreitet bis zu einer vorgegebenen Größe fort und wird durch die Wahl der Reaktionsbedingungen festgelegt. Bei der Reaktion werden Turbulenzen, die eine Kontrolle des Teilchenwachstums behindern würden, weitgehend vermieden. Dies wird vorteilhaft dadurch realisiert, dass die zweite Flüssigkeit leichter ist als die erste Flüssigkeit und der ersten Flüssigkeit von unten zugegeben wird. Durch die geeignete Wahl der Zudosierung, insbesondere durch die Dosierung mittels eines Röhrchens mit einem Innendurchmesser von nur wenigen Millimetern, kann die Größe der gebildeten Festkörperteilchen vorbestimmt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Festkörperteilchen mit einer vorgegebenen Größe, insbesondere für die Herstellung von Festkörperteilchen im Nanometerbereich.
• Stand der Technik
• Viele Materialien, beispielsweise Keramiken, Komposite oder auch poröse Werkstoffe, werden aus pulverförmigen Ausgangsmaterialien zusammengesetzt, wobei die Zusammensetzung und die Morphologie des Pulvers eine entscheidende Rolle für die späteren Eigenschaften des Materials spielen.
• Zur Herstellung von Festkörperteilchen mit einer definierten Größe sind bislang Verfahren bekannt, bei denen bei niedrigen Temperaturen eine erste Flüssigkeit in eine zweite Flüssigkeit eingetropft oder eingesprüht wird. Durch Reaktion der ersten Flüssigkeit mit der zweiten Flüssigkeit werden Festkörper gebildet. Die Größe und die Größenverteilung der gebildeten Festkörper hängen dabei in hohem Maße von den eingestellten Rahmenbedingungen, insbesondere der Durchmischung und Verweilzeit ab.
Aufgabe und Lösung
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Festkörperteilchen mit einer vorgegeben Größe zur Verfügung zu stellen. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Festkörperteilchen mit einer Größe im Bereich einiger Nanometer zur Verfügung zu stellen.
• Die Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren mit der Gesamtheit der Merkmale des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens finden sich in den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
Gegenstand der Erfindung
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Festkörperteilchen mit vorgegebener Größe sieht vor, daß eine zweite Flüssigkeit einer ersten Flüssigkeit direkt durch eine Leitung zugegeben wird, wobei sich durch eine exotherme Reaktion zumindest eines Teiles der ersten Flüssigkeit mit zumindest einem Bestandteil der zweiten Flüssigkeit die Festkörperteilchen ausbilden. Das Wachstum der Festkörperteilchen schreitet bis zu einer vorgegebenen Größe fort, und wird durch die Wahl der Reaktionsbedingungen festgelegt. Bei der Reaktion werden Turbulenzen, die eine Kontrolle des Teilchenwachstums behindern würden, weitgehend vermieden.
• Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass bei der Reaktion zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Dichte eingesetzt werden. Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, bei denen eine Flüssigkeit mit einer größeren Dichte von oben in eine Flüssigkeit mit einer geringeren Dichte hineingegeben, bzw. -getropft wird. Nachteilig wird die Größe der gebildeten Festkörperteilchen durch die Größe des eintropfenden Flüssigkeitstropfen beeinflußt, der nicht beliebig klein gewählt werden kann.
• Demgegenüber wird in einer ersten Ausführungsform des Verfahrens eine erste Flüssigkeit mit einer geringeren Dichte von unten einer zweiten Flüssigkeit mit einer größeren Dichte zugegeben. Die Zugabe erfolgt beispielsweise über ein dünnes Röhrchen als Leitung, welches an seinem Auslaß eine geeignete Geometrie, beispielsweise einen Innendurchmesser von nur einigen mm aufweist. Der Dichteunterschied sollte vorteilhaft mindestens 10 kg/m³, besser noch mehr als 100 kg/m³ oder mehr betragen. Ein zu großer Dichteunterschied von insbesondere mehr als 1000 kg/m³ ist jedoch für das Verfahren nicht von Vorteil, da die Durchmischung der beiden Flüssigkeiten dadurch negativ beeinflußt wird.
• Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, die dichtere erste Flüssigkeit von oben in die zweite weniger dichte Flüssigkeit durch ein schmales Röhrchen als Leitung zu leiten, d. h. in direkten Kontakt zu bringen. Durch die geeignete Geometrie dieses Röhrchens, kann anders als beim Eintropfen in die Flüssigkeit eine vorgegebene Größe des herausgeleiteten Flüssigkeitstropfens bewirkt werden.
• Durch geeignete Rahmenbedingungen wie Temperaturkontrolle, Durchmischung und/oder Strömung der beteiligten Flüssigkeiten kann der Fachmann so vorteilhaft Festkörperteilchen mit einer vorgegebenen Größe, insbesondere im Nanometerbereich herstellen. Die vorgenannten Rahmenbedingungen des Herstellungsverfahrens haben auch einen Einfluß auf die Größenverteilung der hergestellten Festkörperteilchen.
• Durch eine geeignete Strömungsführung einer oder beider Flüssigkeiten kann eine kontinuierliche Herstellung der Festkörperteilchen erzielt werden. Ebenso lassen sich vorteilhaft sowohl sehr verdünnte Konzentrationen an gebildeten Festkörperteilchen im Bereich von 10^-6 Mol/l, bis hin zu sehr konzentrierten Konzentrationen im Bereich von einigen Mol/l einstellen.
• Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen unter anderem darin, daß
  
• - bei Einhaltung des kritischen Punktes d) ein kontinuierliches Dosieren der zweiten Flüssigkeit möglich wird, ohne daß die gebildeten Festkörperteilchen das Einleitungssystem verstopfen,
• - sehr kleine Teilchengrößen (z. B. nanoskalige Festkörperteilchen) hergestellt werden können, ohne daß wegen der exothermen Reaktion sehr tiefe Reaktionstemperaturen eingehalten werden müssen,
• - eine kontinuierliche Produktion von Festkörperteilchen z. B. in einem Strömungsreaktor erfolgen kann, und
• - Festkörperteilchenkonzentrationen erreichbar sind, die bei diskontinuierlichen Verfahren wie beim Eintropfen oder Einspritzen der Flüssigkeit größerer Dichte von oben in eine zweite Flüssigkeit nachteilig schon zum Koagulieren oder Zusammenwachsen der Teilchen führen würden.
• Spezieller Beschreibungsteil
• Die Erfindung wird anhand einiger Beispiele und zweier Figuren im Folgenden näher erläutert, ohne sie jedoch dadurch auf diese Beispiele einzuschränken.
• Die Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau zur Herstellung der erfindungsgemäßen Festkörperteilchen, bei dem die erste Flüssigkeit eine höhere Dichte (ρ₁) aufweist als die zweite Flüssigkeit (P₂). Durch ein Leitungssystem wird die zweite Flüssigkeit von unten in die erste Flüssigkeit geleitet (dosiert). Aufgrund ihrer geringeren Dichte steigt sie automatisch nach oben. Durch die Geometrie der Einleitung und die Randbedingungen des Verfahrens (Durchmischung, Temperatur etc.) werden Festkörperteilchen mit einer definierten Größe hergestellt. Diese liegen anschließend in der ersten Flüssigkeit vor.
• Die Fig. 2 beschreibt das Verfahren für den Fall, daß die erste Flüssigkeit eine geringere Dichte aufweist, als die zweite Flüssigkeit. Die schwerere Phase (Flüssigkeit 2) wird von oben direkt in die leichtere Flüssigkeit 1 geleitet. Die Dosierung der zweiten Flüssigkeit wird durch die Schwerkraft unterstützt.
Beispiel 1 Raumtemperatur-Herstellung von TiO₂
• In eine sorgfältig mit Stickstoff gespülte Losung von 7 ml konz. HNO₃ in 150 ml bidest. Wasser wird durch ein nach oben gebogenes Einleitungsrohr, das von einem Innendurchmesser von 5 mm auf etwa 2 mm verjüngt, am Ausgang aber wieder etwas aufgeweitet ist eine ebenfalls sorgfältig mit Stickstoff gespülte Lösung von 25 ml Titan-Isopropyloxid in 4 ml Isopropanol eingeleitet. Die wäßrige Lösung wird gerührt. Es wird bei Raumtemperatur eine klare stabile kolloidale Lösung von TiO₂ erhalten, die in einer Vakuum-Apparatur direkt bis zur Trockene abdestilliert werden kann. Das gebildete Pulver löst sich wieder zu einer klaren kolloidalen Lösung, die das Licht nicht zu streuen vermag.
Beispiel 2 Herstellung von nanokristallinem CdS (A)
• Einleiten von CdNO₃-Lösung in eine alkalische H₂S- Lösung. Die CdNO₃-Lösung hat eine größere Dichte als die H₂S-Lösung.
Beispiel 3 Herstellung von nanokristallinem CdS (B)
• Einleiten von H₂S-Lösung in CdNO₃-Lösung. Die H₂S-Lösung hat eine größere Dichte als die CdNO₃-Lösung.
• Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Festkörperteilchen weisen regelmäßig eine nur sehr geringe Größenverteilung auf und sind aufgrund ihrer geringen Größen insbesondere für folgende spezielle Anwendungsgebiete geeignet:
  
• - optische Elemente, linear oder nicht-linear,
• - elektronische Elemente,
• - Herstellung photovoltaischer Anordnungen, von Sensoren oder Detektoren,
• - chemische Katalyse,
• - als Pigmente in Farben oder Lacken.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von Festkörperteilchen mit vorgegebener Größe mit den Schritten

a) eine zweite Flüssigkeit wird durch eine Leitung in Kontakt mit einer ersten Flüssigkeit gebracht,

b) durch eine exotherme Reaktion zumindest eines Teiles der ersten Flüssigkeit mit zumindest einem Bestandteil der zweiten Flüssigkeit werden Festkörperteilchen gebildet,

c) das Wachstum der Festkörperteilchen schreitet bis zu einer vorgegebenen Größe fort, und wird durch die Wahl der Reaktionsbedingungen festgelegt,

d) bei der Reaktion werden Turbulenzen, die eine Kontrolle des Teilchenwachstums behindern würden, weitgehend vermieden.

2. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, bei dem die beiden Flüssigkeiten eine um wenigstens 10 kg/m³ unterschiedliche Dichte, insbesondere eine um 100 kg/m³ unterschiedliche Dichte aufweisen.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, bei dem die zweite Flüssigkeit die geringere Dichte aufweist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Dosierung der zweiten Flüssigkeit durch Zugabe von unten in die erste Flüssigkeit erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Dosierung der zweiten Flüssigkeit durch wenigstens eine Leitung mit einem Innendurchmesser im Bereich des Auslasses von 1 bis 5 mm erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine Suspensionen mit einer Festkörperteilchenkonzentration im Bereich von 10^-6 bis 10 Mol/L hergestellt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, bei dem die zweite Flüssigkeit mit einer definierten Geschwindigkeit zugegeben wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Festkörperteilchen kontinuierlich hergestellt werden.