DE102014011635A1 - Process for the preparation of nanostructurable microparticles from fluid media by spray-drying - Google Patents

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Dr. Lars Böttcher
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von nanostrukturierbaren Mikropartikeln aus fluiden Medien mittels Sprühtrocknung, wobei niedrigviskose Lösungen, Dispersionen oder Suspensionen von einer Hochdruckeinheit über mindestens eine Düse in eine niedrigdruckgeführte Trocknungseinheit überführt und die gebildeten Tropfenkollektive getrocknet und Partikel abgeschieden werden. Erfindungsgemäß werden hohe Versprühdrücke im Druckbereich P ≥ 3·106 Pa sowie ein hoher Mediendurchsatz bei einem geringen Masseverhältnis von fluiden Medien als Sprühmedium zum Gasstrom gewählt derart, dass sich ein Drucksprung von der Hochdruckeinheit zur niedrigdruckgeführten Trocknungseinheit nach der Düse um im Wesentlichen fünf Zehnerpotenzen einstellt, wobei durch die Wahl der Hoch- und Niedrigdruckbereiche die Partikelbildung beeinflussbar ist.The invention relates to a process for the preparation of nanostructurable microparticles from fluid media by spray drying, wherein low viscosity solutions, dispersions or suspensions of a high pressure unit via at least one nozzle transferred to a low pressure drying unit and the droplet collective formed dried and particles are deposited. According to the invention, high atomizing pressures in the pressure range P ≥ 3 × 10 6 Pa and a high media throughput with a low mass ratio of fluid media as the spraying medium to the gas stream are selected such that a pressure jump from the high-pressure unit to the low-pressure-controlled drying unit adjoins the nozzle by substantially five orders of magnitude, wherein the particle formation can be influenced by the choice of the high and low pressure ranges.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von nanostrukturierbaren Mikropartikeln aus fluiden Medien mittels Sprühtrocknung, wobei niedrigviskose Lösungen, Dispersionen oder Suspensionen von einer Hochdruckeinheit über mindestens eine Düse in eine niedrigdruckgeführte Trocknungseinheit überführt und die gebildeten Tropfenkollektive getrocknet und abgeschieden werden, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a process for producing nanostructurable microparticles from fluid media by spray drying, wherein low-viscosity solutions, dispersions or suspensions are transferred from a high-pressure unit via at least one nozzle into a low-pressure drying unit and the drop collectives formed are dried and deposited, according to the preamble of claim 1.

Weiterhin betrifft die Erfindung verschiedene Verwendungen verfahrensgemäß hergestellter Partikel.Furthermore, the invention relates to various uses according to the method produced particles.

Aus der DE 10 2008 006 607 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung feinteiliger Partikel in einem pulsierenden Heißgasstrom vorbekannt. Die Partikel werden durch Zuführung einer Rohstoffmischung in den pulsierenden Heißgasstrom gebildet und in einem einer Brennkammer nachgeordneten Filtersystem abgetrennt. Der Heißgasstrom wird mit variabel einstellbaren Druckamplituden und Schwingungsfrequenz durch eine Brennerflamme mit periodischer Druckschwingung eines Brenners erzeugt. Weiterhin ist der Ausbreitungsraum und/oder der Turbulenzgrad des Heißgasstroms durch die Anordnung der Position des Brenners in der Brennkammer veränderbar. Mit einem pulsierenden Heißgasstrom soll ein erhöhter Wärmeübergang aufgrund hoher Strömungsturbulenzen vorhanden sein, der entscheidend ist für den Phasenreaktionsablauf im Material. Nachteilig ist jedoch, dass der Heißgasstrom selbst einen unerwünschten Einfluss auf die Partikelbildung und damit die Partikeleigenschaften hat.From the DE 10 2008 006 607 B4 For example, a method for producing finely divided particles in a pulsating hot gas stream is previously known. The particles are formed by supplying a mixture of raw materials in the pulsating hot gas stream and separated in a downstream of a combustor filter system. The hot gas flow is generated with variably adjustable pressure amplitudes and oscillation frequency by a burner flame with periodic pressure oscillation of a burner. Furthermore, the propagation space and / or the degree of turbulence of the hot gas stream is variable by the arrangement of the position of the burner in the combustion chamber. With a pulsating hot gas flow an increased heat transfer due to high flow turbulence should be present, which is crucial for the phase reaction process in the material. The disadvantage, however, is that the hot gas flow itself has an undesirable influence on the particle formation and thus the particle properties.

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Nanopartikel-Polymer-Komposits nach DE 10 2005 044 529 A1 wird das Komposit als Produkt einer Sprühtrocknung erhalten. Hierfür wird zunächst ein optisch transparentes Polymer ausgewählt, welches in einem flüssigen Lösungsmittel löslich ist. Hiernach wird der nanoskalige Füllstoff in der Lösung dispergiert. Die erhaltene Dispersion wird sprühgetrocknet, wodurch der Dispersionsgrad des nanoskaligen Füllstoffs in dem Komposit quasi eingefroren ist.In the process for producing a nanoparticle-polymer composite according to DE 10 2005 044 529 A1 the composite is obtained as a product of spray drying. For this purpose, initially an optically transparent polymer is selected which is soluble in a liquid solvent. Thereafter, the nanoscale filler is dispersed in the solution. The dispersion obtained is spray-dried, as a result of which the degree of dispersion of the nanoscale filler in the composite is virtually frozen.

Bei dem Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln nach DE 602 25 242 T2 sollen die Nanopartikel für die Herstellung von therapeutisch aktiven Mitteln geeignet sein, insbesondere für die orale, pulmonale oder transdermale Verabreichung. Demnach sollen frei ungeladene, sphärische und kristalline Nanoteilchen von aktiven Mitteln mit einer engen aerodynamischen Teilchengrößenverteilung bei Verwendung einer Aerosol-Fließreaktormethode erhalten werden. Als aktive Mittel kommen vorzugsweise therapeutische, kosmetische oder diagnostische Mittel zum Einsatz. Verfahrensseitig wird demnach zunächst ein flüssiger Ausgangsvorrat erzeugt, der ein aktives Mittel oder die Kombination von zwei oder mehreren aktiven Mitteln umfasst. Das flüssige Ausgangsmaterial wird zur Erzeugung von Tröpfchen zerkleinert und es erfolgt eine Suspendierung der Tröpfchen in einem Trägergas. Anschließend werden das Trägergas und die suspendierten Tröpfchen durch einen erhitzten Rohrfließreaktor bei vorgegebener Verweilzeit und Temperatur behandelt, um die Nanoteilchen zu gewinnen.In the process for the production of nanoparticles according to DE 602 25 242 T2 the nanoparticles should be suitable for the preparation of therapeutically active agents, in particular for oral, pulmonary or transdermal administration. Accordingly, free uncharged, spherical, and crystalline nanoparticles should be obtained from active agents having a narrow aerodynamic particle size distribution using an aerosol flow reactor method. As active agents preferably therapeutic, cosmetic or diagnostic agents are used. In terms of the process, therefore, a liquid initial supply is initially produced which comprises an active agent or the combination of two or more active agents. The liquid starting material is comminuted to produce droplets and the droplets are suspended in a carrier gas. Subsequently, the carrier gas and the suspended droplets are treated by a heated tube flow reactor at a given residence time and temperature to recover the nanoparticles.

Unabhängig vom vorbekannten Stand der Technik besteht nach wie vor ein Bedarf nach hochreinen, redispergierbaren Partikeln auf Siliziumdioxidbasis, welche eine gezielte einstellbare Morphologie sowie texturelle Eigenschaften aufweisen.Regardless of the prior art, there is still a need for highly pure, redispersible silica-based particles which have a targeted, adjustable morphology and textural properties.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Herstellung von nanostrukturierbaren Mikropartikeln aus fluiden Medien mittels Sprühtrocknung anzugeben, wobei niedrigviskose Lösungen, Dispersionen oder Suspensionen von einer Hochdruckeinheit über mindestens eine Düse in eine niedrigdruckgeführte Trocknungseinheit überführt und die gebildeten Tropfenkollektive getrocknet und abgeschieden werden. Mit dem Verfahren soll es gelingen, aus fluiden Medien nanoskalierte Pulver und Partikelgrößenverteilungen zu erhalten, wobei eine direkte Einstellung von Produkteigenschaften mit Hilfe der Prozessparameter sicherzustellen ist. Konkret soll eine gezielte Herstellung von submikrometerskalaren Hohlkörpergeometrien unter Verwendung von konzentrierten Fluiden, beispielsweise Solen, aus anorganischen oder organischen Ausgangsmaterialien mit Hilfe der Sprühtrocknung ermöglicht werden. Dabei sollen die Nachteile bestehender Verfahren, wie geringe Einsatzkonzentrationen der Ausgangsmaterialien, breite Partikelgrößenverteilungen der generierten Produkte, eine hohe Anzahl an Partikeldefekten und unselektive Partikelformgebungen vermieden werden. Ein Schwerpunkt liegt erfindungsgemäß auf einer Bildung von Hohlkugeln, um die Formung von unwirksamem Bulkmaterial zu minimieren.It is therefore an object of the invention to provide a further developed method for the production of nanostructurable microparticles from fluid media by spray drying, wherein low viscosity solutions, dispersions or suspensions of a high pressure unit via at least one nozzle transferred to a low pressure drying unit and the droplet collective formed are dried and deposited. The process should make it possible to obtain nano-scaled powders and particle size distributions from fluid media, while ensuring direct adjustment of product properties using the process parameters. Specifically, targeted production of submicron-scale hollow body geometries using concentrated fluids, for example sols, from inorganic or organic starting materials by means of spray drying is to be made possible. The disadvantages of existing processes, such as low use concentrations of the starting materials, broad particle size distributions of the generated products, a high number of particle defects and unselective particle shapes should be avoided. One focus of the invention is the formation of hollow spheres to minimize the formation of ineffective bulk material.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Lehre gemäß Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.The object of the invention is achieved by the teaching according to claim 1, wherein the dependent claims represent at least expedient refinements and developments.

Darüber hinaus ist erfindungsgemäß die Verwendung der hergestellten Partikel gemäß Definition der Ansprüche 13 und 14, wobei die dargelegten Applikationen und angeregten Verwendungen nur beispielhaft und nicht abschließend zu verstehen sind. In addition, according to the invention, the use of the particles produced according to the definition of claims 13 and 14, wherein the stated applications and excited uses are only exemplary and not to be understood as exhaustive.

Es wird demnach von einem Verfahren zur Herstellung von nanostrukturierbaren Mikropartikeln aus fluiden Medien mittels Sprühtrocknung ausgegangen, wobei die Ausgangsstoffe niedrigviskose Lösungen, Dispersionen oder Suspensionen sind. Diese werden einer Hochdruckeinheit über mindestens eine Düse zugeführt und dann in eine niedrigdruckgeführte Trocknungseinheit überführt. Die gebildeten Tropfenkollektive werden getrocknet und die entstandenen Partikel abgeschieden sowie der weiteren Verwendung zugeführt.It is therefore assumed that a process for the preparation of nanostructurable microparticles from fluid media by spray drying, wherein the starting materials are low-viscosity solutions, dispersions or suspensions. These are fed to a high-pressure unit via at least one nozzle and then transferred to a low-pressure-controlled drying unit. The drop collectives formed are dried and the resulting particles are deposited and fed to further use.

Erfindungsgemäß werden hohe Versprühdrücke im Druckbereich P ≥ 3·106 sowie ein hoher Mediendurchsatz bei einem geringen Masseverhältnis von fluiden Medien als Sprühmedium zum Gasstrom gewählt, und zwar derart, dass sich ein Drucksprung von der Hochdruckeinheit zur niedrigdruckgeführten Trocknungseinheit nach der Düse um im Wesentlichen bzw. mindestens fünf Zehnerpotenzen einstellt, wobei durch die Wahl der Hoch- und Niedrigdruckbereiche die Partikelbildung aktiv beeinflussbar ist.According to the invention, high atomizing pressures in the pressure range P ≥ 3 × 10 6 and a high media throughput at a low mass ratio of fluid media as the spraying medium to the gas stream are selected such that a pressure jump from the high pressure unit to the low pressure controlled drying unit downstream of the nozzle substantially increases ., sets at least five orders of magnitude, whereby particle formation can be actively influenced by the choice of high and low pressure ranges.

Ausgestaltend kann die Größe der Partikel bzw. der Durchmesser sowie die Partikelgrößenverteilung über die druckbedingten definierten Tröpfchengrößenverteilungen am Düsenausgang eingestellt werden.Ausgestaltend the size of the particles or the diameter and the particle size distribution on the pressure-related defined droplet size distributions can be adjusted at the nozzle outlet.

Wiederum weiterbildend kann dem fluiden Medium ein unter Hochdruck stehendes inertes Gas zugegeben werden, um Druckdifferenzen in den gebildeten Sprühtropfen auszugleichen, so dass die gebildeten Partikel eine reduzierte Defektanzahl und/oder eine modifizierte Partikelgrößenverteilung aufweisen.In turn, the fluid medium, a high-pressure inert gas can be added to compensate for pressure differences in the spray droplets formed, so that the particles formed have a reduced number of defects and / or a modified particle size distribution.

Auch besteht die Möglichkeit, der Sprühlösung reaktive Gase zuzuführen, um die rheologischen Eigenschaften zu beeinflussen. Als beispielhaftes inertes Gas kann dem Ausgangsmaterial unter Druck Stickstoff zugemischt werden.It is also possible to supply reactive gases to the spray solution in order to influence the rheological properties. As an exemplary inert gas, nitrogen can be mixed with the starting material under pressure.

Zur Bildung von hohlkugelförmigen Partikeln findet eine schnelle Entspannung und Trocknung in der niedrigdruckgeführten Trocknungseinheit statt, wobei die erhaltenen Staubgranulate über eine Filteranordnung oder dergleichen Mittel abgeschieden werden.To form hollow spherical particles, rapid relaxation and drying takes place in the low-pressure-guided drying unit, the resulting dust granules being deposited via a filter arrangement or similar means.

Zur Gewährleistung einer gezielten Sprüheingangstemperatur kann das fluide Medium thermostatiert werden.To ensure a targeted spray inlet temperature, the fluid medium can be thermostated.

Beispielhaft ist der Querschnitt der mindestens einen Sprühdüse bei ≤ 10–3 m gewählt.By way of example, the cross section of the at least one spray nozzle is selected at ≦ 10 -3 m.

Als zu versprühendes Medium kann erfindungsgemäß der Einsatz von kolloidalen Kieselsäuren bzw. Kieselsolen erfolgen, um Nanopartikelpulver zu generieren, welche morphologische Eigenschaften des Ausgangsmaterials aufweisen bzw. übernehmen im Sinne einer später als Vererbung bezeichneten Aktion.According to the invention, the use of colloidal silicic acids or silica sols can be carried out as a medium to be sprayed, in order to generate nanoparticle powders which have morphological properties of the starting material or take over in the sense of an action which is referred to hereafter as inheritance.

Die eingesetzten Lösungen, Suspensionen oder Dispersionen besitzen vorteilhaft einen Feststoffgehalt ms > 5% (m:m, d. h. massebezogen). Grundsätzlich ist ein Feststoffgehalt von 0,0001 bis 80% (m:m) wählbar.The solutions, suspensions or dispersions used advantageously have a solids content m s > 5% (m: m, ie based on mass). Basically, a solids content of 0.0001 to 80% (m: m) is selectable.

Die Partikeltrocknung kann erfindungsgemäß durch gezielte Zuführung von Strahlung unterstützt werden, um eine Trocknung der Partikel, insbesondere der hohlkugelförmigen Partikel zu unterstützen.The particle drying can be supported according to the invention by targeted supply of radiation in order to promote drying of the particles, in particular the hollow spherical particles.

Die Partikeltrocknung kann auch durch ein vorab zugeführtes, bei der Trocknung sich entlösendes Gas unterstützt werden.Particle drying can also be assisted by a pre-fed gas which dissolves during drying.

Das Verfahren dient auch der Herstellung von redispergierbaren Agglomeraten.The process also serves to produce redispersible agglomerates.

Erfindungsgemäß ist die Verwendung der verfahrensseitig hergestellten Partikel z. B. als Additiv und/oder Füllstoff für Lacke und/oder Kunststoffe.According to the invention, the use of the particles produced by the process z. B. as an additive and / or filler for paints and / or plastics.

Ebenso erfindungsgemäß ist die Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten Partikel als Mittel zur Verkapselung von Wirkstoffen z. B. im medizinischen oder kosmetischen Bereich.Likewise according to the invention, the use of the particles according to the invention as a means for encapsulating agents z. B. in the medical or cosmetic field.

Optische Eigenschaften von Materialen sind im Wesentlichen durch deren Zusammensetzung, Ihrer Oberflächenmorphologie und der Schichtdicke gekennzeichnet. Insbesondere Hollow-Sphere-Pigmente finden in Folge gezielter Verknüpfung dieser Eigenschaften vermehrt Anwendung in dünnen Schichten bzw. aufwendigen Applikationen.Optical properties of materials are mainly characterized by their composition, surface morphology and layer thickness. In particular, find hollow sphere pigments as a result of targeted linking of these properties, increased use in thin layers or complex applications.

Der Vorteil dieser Strukturen ist eine Verknüpfung aus optischen und mechanischen Effekten in Kombination mit ökonomischen Vergünstigungen. Hohlkörper können durch eine gezielte Auswahl des Durchmessers in Kombination mit der Schichtdicke leicht in ihren optischen Eigenschaften angepasst werden, so dass spezielle, innovative Farbeffekte (bspw. Nano-Gold) herausgestellt werden können. Weiterhin spielt die Morphologie der Oberfläche, als wesentliche, farbbeschreibende Eigenschaft eine Rolle. Dies findet insbesondere in Coating-Systemen (bspw. Beschichtungslacke) Anwendung. Werden diese Strukturen im Nanometer-Maßstab verwirklicht, können zusätzliche mechanische Materialeigenschaften modifiziert werden. So wird bei derartigen Additiven nachweislich die Bindemittelmenge in Lacken lokal um das Pigment reduziert, in Folge diese „Cross-Linking-Space” genannte Modifikation eine Steigerung der Elastizität – die mechanische Belastbarkeit dieser Systeme – bewirkt. Ökonomische Vorteile gegenüber Bulk-Materialien ergeben sich durch die Verwendung von dünnschichtigen Hohlkörpern. In diesem Zusammenhang ist nur ein kleiner Teil der meist preisintensiven Materialen bei der Herstellung notwendig, was für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens spricht.The advantage of these structures is a combination of optical and mechanical effects in combination with economic benefits. Hollow bodies can be easily adapted in their optical properties by a specific selection of the diameter in combination with the layer thickness, so that special, innovative color effects (eg nano-gold) can be emphasized. Furthermore, the morphology of the surface, as an essential, color-describing property plays a role. This is used in particular in coating systems (for example coating lacquers). If these structures are realized on the nanometer scale, additional mechanical material properties can be modified. Thus, in such additives, the amount of binder in paints is demonstrably reduced locally around the pigment, as a result of which this modification called "cross-linking space" brings about an increase in the elasticity-the mechanical strength of these systems. Economical advantages over bulk materials result from the use of thin-layered hollow bodies. In this context, only a small part of the most expensive materials in the production is necessary, which speaks for the application of the method according to the invention.

Die erfindungsgemäße Druckwechseltechnologie ermöglicht den gezielten Zugang zu derartigen Formen. Mit Ihrer Hilfe ist es möglich, Hohlkörperstrukturen mit gezielten Schichtdicken in einem weiten Bereich von Durchmessern (5·10–9 m ≤ d ≤ 10–3 m) darzustellen. Durch Auswahl des Precursormateriales erlaubt diese Technologie weiterhin, Oberflächenstrukturen zweckgeführt darzustellen, um optische Effekte zu verstärken bzw. zu reduzieren. Besonderer Vorteil der Druckwechseltechnologie ist die direkte Darstellung derartiger Strukturen aus fluiden Medien, unabhängig deren phys.-chem. Aufbaus (Dispersionen, Lösungen, Suspensionen). Eine Verwendung von Templaten sowie ggf. deren nachträgliche Eliminierung ist als weiterer, oft kostenintensiver Prozessschritt nicht erforderlich. Aktive pharmazeutische Wirkstoffe (API) sind elementare Bestandteile aller Medikamente. Insbesondere bei inhalativen Produkten ist die Kenntnis von aerodynamischen Eigenschaften im Zuge der Applikation und während der Respiration (pulmonale Aufnahme) eigenschaftskennzeichnender Faktor. In diesem Zusammenhang stellt die definierte Mikronisierung der API-Partikel in Kombination mit einer gezielten chemischen Aktivierung/Chemie ein grundlegendes Anwendungskriterium dar.The pressure swing technology according to the invention allows targeted access to such forms. With your help it is possible to present hollow body structures with specific layer thicknesses in a wide range of diameters (5 · 10 -9 m ≤ d ≤ 10 -3 m). By selecting the precursor material, this technology also makes it possible to represent surface structures appropriately, in order to enhance or reduce optical effects. A particular advantage of the pressure swing technology is the direct representation of such structures from fluid media, regardless of their phys.-chem. Construction (dispersions, solutions, suspensions). The use of templates as well as their subsequent elimination is not required as a further, often cost-intensive process step. Active Pharmaceutical Ingredients (API) are elemental components of all medications. The knowledge of aerodynamic properties in the course of application and during respiration (pulmonary uptake) is a characteristic feature of particular in the case of inhaled products. In this context, the defined micronization of the API particles in combination with a targeted chemical activation / chemistry is a fundamental application criterion.

Oft charakterisieren sich APIs bzw. deren Gemische durch eine chemische Struktur (bspw. Chiralität) und Zusammensetzung, welche im Zuge phys.-chem. Einflüsse leicht modifizierbar sind. Demzufolge fällt der Auswahl der Mikronisierungsmethode, dem gezielten Einstellen eine Partikelgrößenverteilung (PSD), eine qualitätsrelevante Rolle zu. So führen mechanischen Verkleinerungsmethoden wie bspw. das Vermahlen oft zu hohen Energieeinträgen in das Produkt in dessen Folge sich der amorphe Anteil der Strukturen bzw. deren Kristallstruktur (bspw. Salbutamolsulfat) verändert kann. Des Weiteren werden hierbei größtenteils irreguläre Formen generiert, welche ungünstige aerodynamische Eigenschaften aufweisen. Nasschemische Verfahren zur kontrollierten Darstellung von PSD-Verteilungen von Wirkstoffen führen hingegen oft zu Unreinheiten (Racemat-Bildung; Co-Kristallisation; Anreicherung von Impurities), was deren Anwendbarkeit stark einschränkt. Sensitive Methoden wie Sprühtrocknungsverfahren zur Darstellung von Pulvern generieren vorzugsweise Partikel in regulärer – sphärischer – Form ohne deren chemische Eigenschaften zu modifizieren. Nachteil bekannter Verfahren sind jedoch die darstellbaren Durchmesser der Partikel. Pulmonale Partikel (d90(V) < 5·10–6 m) sind mit bekannten Verfahren nicht selektiv herstellbar. Ebenso stellen notwendige Trocknungstemperaturen zur Überführung der Wirkstoffe in die Pulverform für temperatursensible APIs oft ein unüberwindbares Hindernis dar.Often, APIs or their mixtures are characterized by a chemical structure (eg, chirality) and composition, which in the course of phys.-chem. Influences are easily modifiable. Consequently, the selection of the micronization method, the targeted adjustment of a particle size distribution (PSD), has a quality-relevant role. Thus mechanical reduction methods such as, for example, milling often lead to high energy inputs into the product as a result of which the amorphous portion of the structures or their crystal structure (eg salbutamol sulphate) can be changed. Furthermore, this mostly generates irregular shapes, which have unfavorable aerodynamic properties. In contrast, wet-chemical methods for the controlled presentation of PSD distributions of active ingredients often lead to impurities (racemate formation, co-crystallization, accumulation of impurities), which severely restricts their applicability. Sensitive methods such as spray-drying methods for the preparation of powders preferably generate particles in regular-spherical form without modifying their chemical properties. Disadvantage of known methods, however, are the representable diameters of the particles. Pulmonary particles (d 90 (V) <5 × 10 -6 m) can not be selectively produced by known methods. Likewise, necessary drying temperatures for transferring the active ingredients into the powder form for temperature-sensitive APIs are often an insurmountable obstacle.

Beispielsweise können bei aktuellen Asthmatika nur ca. 10 bis 20% des Wirkstoffs (delievered dose) in die Alveolen der Lunge überführt werden, in denen Sie Ihre volle Wirkung entfalten. Der verbliebene Anteil des APIs wird auf Grund seiner ungünstigen aerodynamischen Eigenschaften zum Einen sofort wieder ausgeatmet (d < 5·10–7 m) oder zum Zweiten setzt dieser sich bereits im Mund- und Rachenraum ab (d > 5·10–6 m). Die erfindungsgemäße Druckwechseltechnologie ermöglicht den schonenden Zugang zu Strukturen mit derartigen phys.-chem. Eigenschaften. Hierbei können durch gezielte Auswahl der Edukte und technischen Parameter aerodynamische Eigenschaften und Partikelgrößenverteilungen definiert werden. Dies würde die Sicherheit des Patienten als größtes pharmakologisches Kriterium signifikant erhöhen, da der Anteil des Wirkstoffes in fehlerhaften Regionen des menschlichen Zielmilieus deutlich reduziert werden könnte. Des Weiteren ist die Struktur als Release-Eigenschaft (Aggregat vs. Agglomerat) als Funktion der Trocknungseigenschaften variabel einstellbar. Durch die zusätzliche Beaufschlagung mit einem Gas ist ein Prozess bei niedrigeren Trocknungsbedingungen (bspw. Temperatur) realisierbar, so dass APIs denen bisher die Überführung mittels Sprühtrocknung auf Grund negativer Trocknungseinflüsse verwehrt geblieben war, zugänglich sind.For example, in current asthma only about 10 to 20% of the active ingredient (delievered dose) can be transferred to the alveoli of the lungs, in which you develop their full effect. The remaining portion of the API is due to its unfavorable aerodynamic properties on the one hand exhaled immediately (d <5 × 10 -7 m) or the second, this already sets in the mouth and throat (d> 5 · 10 -6 m) , The pressure swing technology according to the invention allows gentle access to structures with such phys.-chem. Properties. In this case, aerodynamic properties and particle size distributions can be defined by targeted selection of the educts and technical parameters. This would significantly increase the safety of the patient as the largest pharmacological criterion, since the proportion of active agent in defective regions of the human target milieu could be significantly reduced. Furthermore, the structure as a release property (aggregate vs. agglomerate) is variably adjustable as a function of the drying properties. By the additional admission with a gas a process with lower drying conditions (eg temperature) can be realized, so that APIs which had previously been refused the transfer by means of spray drying due to negative drying influences, are accessible.

Keramische Bausteine sind ein wesentlicher Bestandteil des heutigen Alltages. So finden diese in vielen Bereichen wie bspw. Katalysatorträger, Bautengrundlage und Hitzeschutzsysteme Anwendung. Ceramic building blocks are an integral part of today's everyday life. They are used in many areas, such as catalyst carriers, building bases and heat protection systems.

Im Zuge der steigenden Anforderungen an die Beschaffenheit und Eigenschaft dieser Systeme sind die Herausforderungen im Zuge der Materialauswahl deutlich gestiegen. Zur Optimierung von Keramiken im Hochleistungsbereich hat sich gezeigt, dass insbesondere Bestandteile im Nanometerbereich (10–8 ≤ d ≤ 10–6 m) innerhalb der Packung fehlen. Speziell Silica als notwendiger Silikatkeim als Grundlage vieler chemischer Reaktionen findet hierbei besondere Aufmerksamkeit.As the requirements for the nature and properties of these systems increase, the challenges associated with material selection have increased significantly. In order to optimize ceramics in the high-performance range, it has been found that especially components in the nanometer range (10 -8.ltoreq.d.ltoreq.10 -6 m) are missing within the packing. Especially silica as a necessary silicate germ as the basis of many chemical reactions finds special attention here.

Die erfindungsgemäße Druckwechseltechnologie bietet die Möglichkeit kleinstteilige Silica-Partikel zu generieren. Insbesondere die Kombination aus großteiligen Agglomeraten und deren Zerfall in Partikel im Nanometerbereich unter mechanischen Bedingungen bietet die Möglichkeit eines Zuganges zu hochreaktiven Silikatkeimen. Die aktive Steuerung der Reaktivität kann selektiv über die Wahl des Ausgangsmateriales definiert werden.The pressure swing technology according to the invention offers the possibility of generating extremely small particles of silica. In particular, the combination of large-scale agglomerates and their decomposition into particles in the nanometer range under mechanical conditions offers the possibility of access to highly reactive silicate nuclei. The active control of reactivity can be selectively defined by the choice of starting material.

Die Erfindung soll anhand des nachstehenden Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Abkürzungsverzeichnis Allgemein verwendete Abkürzungen Abkürzung Bezeichnung BET BRAUNAUER-EMMETT-TELLER BJH BARETT-JOYNER-HALENDA DIN Deutsche Industrienorm Glykol 1,2-Ethandiol KP Kompressor Methylorange Natrium-4-dimethylamino-azobenzol-4'-sulfonsäure MFC Massendurchflussregler m:m Die Mischung erfolgte massebezogen. N Norm NMR Kernspinresonanz (engl. Nuclear Magnetic Resonance) PA 6 Polyamid 6 (Markenname Perlon®) PdI Polydisperser Index PEG Polyethylenglykol PMMA Polymethylmethacrylat (Markenname Plexiglas®) rel. relativ REM Rasterelektronenmikroskopie sub unter TEM Transmissionselektronenmikroskopie TEOS Tetraethyl-ortho-silikat vdW VAN-DER-WAALS v:v Die Mischung erfolgte volumenbezogen bei 298 K. Verwendete Formelzeichen Lateinische Symbole

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Griechische Symbole
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Dimensionslose Kennzahlen Kennzahl Bezeichnung Bo Bond-Zahl BoR relative Bond-Zahl Lp Laplace-Zahl Ma Mach-Zahl Pe Péclet-Zahl Re Reynolds-Zahl ReP Druck-Reynolds-Zahl We Weber-Zahl The invention will be explained in more detail with reference to the following embodiment. List of abbreviations General abbreviations used abbreviation description BET BROWN AUER-EMMETT-TELLER BJH BERET-JOYNER-Halenda DIN German industrial standard glycol 1,2-ethanediol KP compressor methyl orange Sodium 4-dimethylamino-azobenzene-4'-sulfonic acid MFC Mass Flow Controller m: m The mixture was based on mass. N standard NMR Nuclear Magnetic Resonance PA 6 Polyamide 6 (brand name Perlon® ) PdI Polydisperse index PEG polyethylene glycol PMMA Polymethylmethacrylate (brand name Plexiglas ® ) rel. relative REM scanning electron Microscopy sub under TEM transmission electron Microscopy TEOS Tetraethyl-ortho-silicate van der Waals VAN DER WAALS v: v The mixture was volume-wise at 298 K. Symbols used Latin symbols
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Greek symbols
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Dimensionless metrics identification number description Bo Bond number Bo R relative bond number Lp Laplace number Ma Mach number Pe Peclet number re Reynolds number Re P Pressure Reynolds number We Weber number

1 Einleitung und Zielstellung1 Introduction and objective

Die Menschheit erkannte bereits früh in ihrer Evolution die Bedeutung von leicht zugänglichen Metalloxidverbindungen wie Quarzsand und Feldspat. So konnten durch Kombination von Werkzeugbau und architektonischem Fachwissen schon weit vor unserer Zeitrechnung wahre Meisterwerke erschaffen werden. Im Zuge der industriellen und digitalen Revolution stiegen die Anforderungen an diese Werkstoffe signifikant. Triebkraft dieser Entwicklungen war die notwendige Zugänglichkeit immer innovativerer, maßgeschneiderterer Eigenschaften, in deren Folge die Entwicklung zunehmend in den Bereich der Nanotechnologie (griech. nanos – Zwerg) vordrang. Nanoskalare Stoffe und Verbindungen kennzeichnen sich durch eine einzigartige Kombination aus Ober- und Grenzflächeneffekten. Hierdurch konnten den etablierten Bereichen Baustofftechnik und Keramik eine Vielzahl von Anwendungsgebieten ergänzt werden. Während nanoskalares Titandioxid Anwendung für die UV-Absorption in Sonnenschutzcremes findet, kolloidales Siliziumdioxid zum chemisch-mechanischen Planarisieren (CMP) verwendet wird, schützen Silbernanopartikel in Verpackungsmaterialien vor mikrobiologischer Kontamination. Das Verhältnis von Oberflächen- zu Bulkatomen unterscheidet nanoskalare Materialien signifikant von Substanzen im mikroskalaren Kosmos. Die Generierung derartiger Partikel kann mittels „bottom-up-„ oder „top-down”-Methode erfolgen. Bekannte Beispiele für den „bottom-up”-Modellierungsprozess, den Aufbau von Strukturen aus subnanometer-Verbindungen, ist die Synthese von kolloidalen Kieselsäuren aus Wassergläsern oder die Selbstanordnung (Selfassemblierung) von Dendrimeren. Verkleinerungsmechanismen unter Aufwendung mechanischer Kräfte verfolgt der „top-down”-Ansatz. Hierzu gehören Vermahlungs-, Stoß- und Reibungstechniken. Als Rohstoffe kommen hierfür meist Stoffe und Verbindungen auf mikroskalarer Ebene zum Einsatz. Gezieltes Produktengineering ist gleichfalls ein zentraler Schwerpunkt in der Medizintechnik. Hier erhalten die Themen Über-, Fehl- und Punktdosierung einen immer bedeutsameren Einfluss. Aus dieser Betrachtung heraus finden Untersuchungen statt, die Konzentration an Arzneistoffen zu minimieren und wesentliche Transport- und Freisetzungsaufgaben auf Trägersubstanzen auszulagern. Als ein biokompatibles Trägermaterial hat sich amorphes Siliziumdioxid, auch Silica genannt, etabliert. Vorteile einer erhöhten pH-Wert- und Temperaturstabilität werden gezielt mit einer einstellbaren Oberflächenmorphologie kombiniert. Schwerpunkte bisheriger Arbeiten liegen insbesondere auf dem gezielten Einschließen bzw. Einlagern von Wirkstoffen in labile Hohlkörpergeometrien. Physischen Grenzen, wie oraler Aufnahmefähigkeit (< 10–5 m; peroral) und Lungengängigkeit (< 10–6 m; pulmonal) stehen physikalische Limitierungen bei der Freisetzung des Wirkstoffes entgegen. Die erforderliche Kombination aus Partikeldurchmesser, Zerfallsrate und Fließfähigkeit körperlich verwertbarer Partikel (dG ~2 bis 4·10–6 m) ist aktuell Schwerpunkt vieler wissenschaftlicher Untersuchungen. Eine Herstellung von bioakkumulierbaren Metalloxid-Partikeln (Titandioxid (TiO2); Siliziumdioxid (SiO2); Aluminiumoxid (Al2O3)) im Submikrometerbereich (< 10–6 m) unterliegt meist Restriktionen physikalisch-chemischer Natur. Das Verfahren der Sprühtrocknung mit seinen vielfältigen Einflussmöglichkeiten findet in diesem Zusammenhang ein nachhaltiges, wissenschaftliches Interesse bei der Synthese von derartigen Partikeldurchmessern. Sprühgetrocknete amorphe Siliziumdioxid-Partikel im Nanometerbereich konnten bisher nur bei sehr geringen Edukt-Konzentrationen sowie hohen Masseverhältnissen Luftstrom zu Sprühmedium hergestellt werden. Bei auf diesem Wege gebildeten (sub-)mikrometergroßen Teilchen handelt es sich meist um Aggregate deren Durchmesser, nicht aber deren Oberflächenmorphologie steuerbar ist. Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Frage, inwiefern eine gezielte Auswahl der zu versprühenden, fluiden Medien neuartige Pulver generiert, deren grundlegenden makros- und mikroskopischen Eigenschaften vom Ausgangsmaterial ererbt werden. Zur Vereinfachung der Beschreibung von Strukturen und Eigenschaften wird das Wiederfinden von Strukturelementen sowie physikalisch-chemischen Charakteristika im weiteren Verlauf dieser Arbeit als Vererbung bezeichnet. Als Grundlage für die Herstellung dieser Pulver kommen Dispersionen von kolloidaler Kieselsäure in Wasser, die sogenannten Kieselsole, zum Einsatz. Der Durchmesser dieser dispergierten Feststoffteilchen liegt im Bereich von 5 bis 50·10–9 m. Da bei nanoskalaren Partikeln grundlegende Charakteristika von der Oberfläche abhängig sind, liegt der Fokus des wissenschaftlichen Interesses auf der Bildung von Hohlkugeln (dP < 10–5 m), um die Formung von unwirksamem Bulkmaterial zu reduzieren. Auswahlkriterien der gewählten Dispersionen sind hierbei der Partikeldurchmesser, die Stabilisierungsform sowie Additivierungen. Anschließend sollen die erhaltenen amorphen Pulver untereinander verglichen werden. Darüber hinaus soll untersucht werden, ob der Prozess der Trocknung steuerbar ist, so dass gezielt Agglomerate anstelle literaturbekannter Aggregate gebildet werden. Hierbei soll die nanoskalare, kolloidale Monomereinheit als Grundbaustein erkennbar und idealerweise bei Dispergierung wieder generierbar sein. Texturelle Untersuchungen stellen einen weiteren Bereich der Charakterisierung der gebildeten Partikel dar. Für diese Untersuchungen soll eine neue Art der Sprühtrocknung, die Druckwechseltechnologie, angewendet werden. Diese Technik ist gekennzeichnet durch markant hohe Versprühdrücke und Durchsätze sowie ein geringes Masseverhältnis Luftstrom zu Sprühmedium. Um diese Technik zu verwirklichen wird im Rahmen dieser Arbeit eine entsprechende Apparatur geplant und gebaut. Hierauf aufbauend sollen in dieser Arbeit technische Prozessparameter ebenso betrachtet werden wie die Untersuchung, ob der Vorgang der Partikelbildung bei dieser Prozesstechnologie unter Anwendung von außergewöhnlich hohen Feststoffgehalten (≥ 10% (m:m)) steuerbar ist. Anschließend sollen anhand der erhaltenen Pulver Rückschlüsse auf Prozessparametereinflüsse erfolgen. Die wässrige Chemie von kolloidalem Siliziumdioxid stellt immense Herausforderungen an einen Sprühprozess. Im zweiten Teil dieser Arbeit soll der Grundstoff Kieselsol mit einem Gas beaufschlagt werden. Nach Erreichen der Zielparameter wird das, idealerweise mit Gas gesättigte, Kieselsol sehr schnell in einer beheizten Kammer entspannt. Die hierbei zu erwartenden hohen Péclet-Zahlen (Pe) im Trocknungsprozess sollten die Bildung von Hohlkugeln fördern. Wissenschaftlicher Hintergrund einer Beladung des Kieselsoles mit Gas unter Hochdruck und anschließende Überführung zu niedrigen Drücken ist die theoretische Herleitung der folgenden, möglichen Effekte:

  • i. Sekundärer Tropfenzerfall: Die hydrodynamische Instabilität der gebildeten Lamelle an der Düse sowie die folgende Oszillation der Tropfen wird durch entlösendes Gas verstärkt. Als Folge steigt die Wahrscheinlichkeit kritischer Randbedingungen, endend in einem weiteren, sekundären Tropfenzerfall.
  • ii. Reduzierung von Partikeldefekten: Als Folge einer herabgesetzten Schallgeschwindigkeit bei Gemischen von Gasen in Flüssigkeiten können Druckausgleichsprozesse signifikant schneller ablaufen als in den reinen Medien. Dies kann grundlegenden Mechanismen der Bildung von Partikeldefekten entgegenwirken.
  • iii. Optimierung der Trocknung: Im gebildeten Tropfen wird durch zusätzlich gebildete Phasengrenzflächen des sich entlösenden Gases der Übergang von Flüssigkeitsmolekülen in die Gasphase optimiert.
Humanity recognized early on in its evolution the importance of readily available metal oxide compounds such as silica sand and feldspar. By combining toolmaking and architectural expertise, true masterpieces could be created long before our time. In the course of the industrial and digital revolution, the demands on these materials increased significantly. The driving force of these developments was the necessary accessibility of ever more innovative, tailor-made properties, as a result of which development increasingly penetrated into the field of nanotechnology (Greek nano-dwarf). Nanoscale materials and compounds are characterized by a unique combination of surface and interface effects. As a result, the established areas of building materials technology and ceramics were supplemented by a large number of application areas. While nanoscalar titanium dioxide is used for UV absorption in sunscreens, colloidal silica is used for chemical mechanical planarization (CMP), silver nanoparticles in packaging protect against microbiological contamination. The ratio of surface to bulk cathars significantly differentiates nanoscale materials from substances in the microscale cosmos. The generation of such particles can be carried out by means of a "bottom-up" or "top-down" method. Well-known examples of the "bottom-up" modeling process, the construction of subnanometer-based structures, is the synthesis of colloidal silicas from water glasses or the self-assembly (self-assembly) of dendrimers. Reduction mechanisms using mechanical forces pursue the "top-down" approach. These include grinding, impact and friction techniques. Raw materials and compounds on the microscale level are usually used as raw materials. Targeted product engineering is also a central focus in medical technology. Here, the topics over-, erroneous and point dosing get an increasingly significant influence. From this point of view, investigations are taking place to minimize the concentration of drugs and to outsource essential transport and release tasks to carrier substances. When a biocompatible carrier material has become established amorphous silica, also called silica. Advantages of increased pH and temperature stability are specifically combined with an adjustable surface morphology. Priorities of previous work are in particular on the targeted inclusion or storage of active ingredients in labile hollow body geometries. Physical limitations, such as oral uptake (<10 -5 m; peroral) and pulmonary (<10 -6 m; pulmonary), are precluded by physical limitations in releasing the drug. The required combination of particle diameter, decay rate and flowability of physically usable particles (d G ~ 2 to 4 · 10 -6 m) is currently the focus of many scientific studies. The production of bioaccumulative metal oxide particles (titanium dioxide (TiO 2 ), silicon dioxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 )) in the sub-micron range (<10 -6 m) is usually subject to restrictions of a physical-chemical nature. The spray-drying process, with its many possibilities of influence, finds in this connection a sustainable, scientific interest in the synthesis of such particle diameters. Spray-dried amorphous silicon dioxide particles in the nanometer range have so far only been produced at very low educt concentrations and high mass ratios of air flow to the spray medium. The (sub-) micrometer-sized particles formed in this way are usually aggregates whose diameter, but not their surface morphology, can be controlled. The focus of this work is the question to what extent a targeted selection of the fluid media to be sprayed generates novel powders whose basic macroscopic and microscopic properties are inherited from the starting material. To simplify the description of structures and properties, the retrieval of structural elements as well as physicochemical characteristics in the further course of this work is referred to as inheritance. The basis for the preparation of these powders are dispersions of colloidal silica in water, the so-called silica sols used. The diameter of these dispersed particulates ranges from 5 to 50 x 10 -9 m. As nanoscale particles rely on surface characteristics, the focus of scientific interest is on the formation of hollow spheres (d P <10 -5 m) to reduce the formation of ineffective bulk material. Selection criteria of the dispersions chosen here are the particle diameter, the stabilization form and additives. Subsequently, the obtained amorphous powders are compared with each other. In addition, it will be investigated whether the process of drying is controllable, so that agglomerates are formed instead of aggregates known from the literature. Here, the nanoscale, colloidal monomer unit should be recognizable as a basic building block and ideally be regenerated again during dispersion. Textural investigations represent a further area of characterization of the particles formed. For these investigations, a new type of spray drying, the pressure swing technology, is to be applied. This technique is characterized by markedly high spraying pressures and throughputs as well as a low mass ratio of air flow to spray medium. In order to realize this technique, a corresponding apparatus is planned and built in the context of this work. Based on this, technical process parameters should be considered in this work as well as the investigation of whether the process of particle formation in this process technology can be controlled using exceptionally high solids contents (≥ 10% (m: m)). Subsequently, conclusions about process parameter influences are to be made on the basis of the powders obtained. The aqueous chemistry of colloidal silica poses immense challenges to a spray process. In the second part of this work, the base material silica sol is to be charged with a gas. After reaching the target parameters, the silica gas, which is ideally saturated with gas, is released very quickly in a heated chamber. The anticipated high Péclet numbers (Pe) in the drying process should promote the formation of hollow spheres. The scientific background of the loading of the silica sol with gas under high pressure and subsequent transfer to low pressures is the theoretical derivation of the following possible effects:
  • i. Secondary droplet decay: The hydrodynamic instability of the formed lamella at the nozzle as well as the following oscillation of the droplets is amplified by dissolving gas. As a result, the likelihood of critical boundary conditions increases, ending in a further, secondary drop in decay.
  • ii. Reduction of Particle Defects: As a consequence of a reduced speed of sound in mixtures of gases in liquids, pressure equalization processes can proceed significantly faster than in pure media. This can counteract basic mechanisms of particle defect formation.
  • iii. Optimization of drying: The transition of liquid molecules into the gas phase is optimized in the formed droplets by additionally formed phase interfaces of the releasing gas.

Aufbauend auf den erhaltenen Ergebnissen der Sprühexperimente ist ein Modell der Partikelbildung vorzuschlagen und zu diskutieren. Notwendige Kenngrößen der kolloidalen Ausgangsmaterialien wie die Löslichkeit des verwendeten Gases sowie konzentrationsabhängige Diffusionskoeffizienten sollen ebenfalls erfasst werden. Hierfür wird eine Apparatur für die volumetrische Messungen aufgebaut.Based on the obtained results of the spray experiments a model of particle formation has to be proposed and discussed. Necessary parameters of the colloidal starting materials such as the solubility of the gas used as well as concentration-dependent diffusion coefficients should also be recorded. For this purpose, an apparatus for volumetric measurements is set up.

Literaturübersicht Literature Review

Gezieltes Produktengineering [1] nanoskalarer Technologien und Materialien [2–7] ist aktuell eine wesentliche Grundlage für die Erschließung von neuen Anwendungsbereichen in der Medizin [8–38], Baustofftechnik [39–41] oder Keramiksynthese/-formgebung [42, 43]. Aktuell dominieren drei wesentliche Methoden (Tabelle 2.1) die Herstellung der in diesen Gebieten angewendeten Metalloxid-Pulver im unteren Mikrometerbereich (< 5·10–5 m).Targeted product engineering [1] nanoscale technologies and materials [2-7] is currently an essential basis for the development of new application areas in medicine [8-38], building materials engineering [39-41] or ceramic synthesis / molding [42, 43] , Currently, three main methods (Table 2.1) are dominated by the production of metal oxide powders in the lower micrometer range (<5 · 10 -5 m) used in these fields.

Die Verfahren Spraypyrolyse [45] und Sprühtrocknung [46, 47] verfolgen den „bottom-up”-Ansatz, während verschiedene Verkleinerungstechniken (Mahlen, Stollen, Reiben) den „top-down”-Prozess implementieren. Vorteile der Spraypyrolyse sind sehr enge Partikelgrößenverteilungen sowie eine, in Grenzen steuerbare Partikelbildung. Durch gezielte Auswahl von Precursoren und Prozessparametern können Vollkörper (Volumenniederschlag) oder Hohlformen (Oberflächenniederschlag) erzeugt werden [45]. Negativ sind als Folge der anspruchsvollen (laminaren) Strömungstechnik die Anwendbarkeit von nur geringen Konzentrationen der meist aufwendigen Ausgangsmaterialien sowie die intensiven Pyrolysetemperaturen, welche oft Sinterungseffekte der generierten Pulver bewirken [48]. Für höhere Einsatzkonzentrationen werden je nach Ausgangsmaterial und Produktanforderung die Verfahren der Sprühtrocknung und Vermahlung verwendet. Nachteile dieser Prozesse sind breite Partikelgrößenverteilungen und ein erhöhter Anteil an irregulären Partikeln. Des Weiteren können bei der Vermahlung Sinterungs- und Bruchspannungseffekte sowie Kontaminationen auftreten, welche beim schonenderen Verfahren der Sprühtrocknung nicht beobachtet werden. Zusätzliche Vorteile der Sprühtrocknung sind hohe Reproduzierbarkeit, optimierte Produktion, leichte Automatisierung und der Entfall eines zusätzlichen Trocknungsschrittes. In dieser Arbeit steht das Verfahren der Sprühtrocknung in dessen modifizierter Form, der neu entwickelten Druckwechseltechnologie, thematisch im Vordergrund. Im Folgenden werden die grundlegenden Verfahren, Begriffe und Technologien beschrieben und die genutzten Apparaturen vorgestellt [49].Spraypyrolysis [45] and spray drying [46, 47] follow the "bottom-up" approach, while various reduction techniques (milling, cleats, rubbing) implement the "top-down" process. Advantages of spray pyrolysis are very narrow particle size distributions as well as controllable particle formation within limits. Through selective selection of precursors and process parameters, full bodies (volume precipitation) or hollow forms (surface precipitation) can be produced [45]. As a consequence of the demanding (laminar) flow technique, the applicability of only low concentrations of the usually expensive starting materials as well as the intensive pyrolysis temperatures, which often cause sintering effects of the generated powders, are negative [48]. For higher use concentrations, depending on the starting material and product requirement, the spray drying and grinding processes are used. Disadvantages of these processes are broad particle size distributions and an increased proportion of irregular particles. Furthermore, sintering and breakage stress effects as well as contamination, which are not observed during the more gentle spray-drying process, can occur during grinding. Additional advantages of spray drying are high reproducibility, optimized production, easy automation and the elimination of an additional drying step. In this work, the process of spray drying in its modified form, the newly developed pressure swing technology, is thematically in the foreground. The basic procedures, terms and technologies are described below and the equipment used is presented [49].

2.1 Verfahren der Sprühtrocknung2.1 Method of spray drying

Erste Veröffentlichungen zum Verfahren [50] und dem zugrundeliegenden Prinzip der Sprühtrocknung (PERCY: „... a process of atomizing and desiccating fluid and solid substances...” [51]) erfolgten im zweiten Teil des 19. Jahrhunderts. Während in den Anfängen Lebensmittel [50, 52–55] und Dinge des täglichen Bedarfes im Vordergrund standen [56, 57], wurden in der Neuzeit medizinische Produkte [36,37] sowie keramische Vor- und Zwischenstufen [49, 58–60] ergänzt. Industrielle Konvektionssprühtrockner überführen Flüssigkeiten, Schlämme, Breie und Pasten in pulvrige Stoffe. Diese kontinuierlichen Verfahren zerteilen und verbreiten das Medium in Tropfenkollektive mit Tropfendurchmessern von ~2 bis 500·10–6 m, in Sonderfällen bis 10–3 m, zu einem schwebenden Teilchenstrom, welcher anschließend mit einem Trocknungsgasstrom in Kontakt gebracht wird. Gezielte Wärmezufuhr und kontrollierte Strömungseigenschaften sorgen für die Trocknung und gezielte Abscheidung der Partikel. Im technischen Sprachgebrauch wird für das Zerteilen eines fluiden Mediums mit Überführung in einen Feststoffpartikel der Begriff der Zerstäubung verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit wird diese Formulierung zur Vereinheitlichung auf reine Flüssigkeiten erweitert, auch wenn diesbezüglich der Begriff der Vernebelung angebracht wäre. Obgleich zum Prozess der Sprühtrocknung viele Informationen zum Trocknungsmechanismus sowie zur Entstehung von Partikeln vorliegen [47, 61], fehlt in einigen Bereichen noch immer das Detailverständnis, um die Zusammenhänge bei Applikation, Verdampfung [62] und Partikelbildung [63] vollends zu verstehen. Wichtige Einflussfaktoren und physikalisch-chemische Grenzen bei der Sprühtrocknung werden in den folgenden Abschnitten diskutiert.First publications on the method [50] and the underlying principle of spray drying (PERCY: "... a process of atomizing and desiccating fluid and solid substances ..." [51]) were carried out in the second part of the 19th century. While in the beginning food [50, 52-55] and things of daily use were in the foreground [56, 57], in modern times medical products [36, 37] as well as ceramic precursors and intermediates [49, 58-60] added. Industrial convection spray dryers convert liquids, sludges, slurries and pastes into powdery substances. These continuous processes break up and spread the medium into droplets with droplet diameters of ~ 2 to 500 · 10 -6 m, in special cases up to 10 -3 m, to a suspended particle stream, which is then brought into contact with a drying gas stream. Targeted heat supply and controlled flow properties ensure the drying and targeted separation of the particles. In technical terminology, the term atomization is used for dividing a fluid medium with conversion into a solid particle. In the context of this thesis, this formulation will be extended to standardize to pure liquids, even if the term nebulization would be appropriate in this context. Although there is much information on the drying mechanism and on the formation of particles in the spray-drying process [47, 61], detailed understanding is still lacking in some areas in order to fully understand the relationships between application, evaporation [62] and particle formation [63]. Important influencing factors and physical-chemical limits in spray-drying are discussed in the following sections.

2.1.1 Zerstäubungstechniken und Tropfenbildungsprozesse2.1.1 Atomization techniques and drop formation processes

Die Zerstäubung verfolgt das Ziel, fluide Medien in Einzeltropfen (Sprüh) zu zerteilen. Diese Vielzahl von Tropfen, auch Tropfenkollektive genannt, sollen idealerweise aus Tropfen gleichem Durchmessers bestehen. Im Allgemeinen liegen diese Tropfen jedoch als Tröpfchengrößenverteilungen vor. Bei der Zerstäubung eines Mediums muss mechanische Energie (Arbeit) aufgebracht werden, um die im Folgenden aufgeführten, auftretenden Kräfte zu überwinden [64–66]:

  • i. Oberflächenspannung Das Bestreben des Fluids, seine Oberfläche zu minimieren. Sie sorgt für einen Zusammenhalt der Flüssigkeitsmoleküle.
  • ii. Trägheitskräfte Zwei kollidierende Strömungen differenzieller Geschwindigkeit sorgen für eine Beschleunigung, Abtrennung (Druckkräfte) oder Ablenkung (Schiebekräfte) der Medien.
  • iii. Viskositätskräfte Die Kraft, welche benötigt wird um angrenzende Gase und Flüssigkeiten gegeneinander zu verschieben.
The atomization pursues the goal of dividing fluid media into single drops (spray). This multitude of drops, also called drop collectives, should ideally consist of drops of the same diameter. In general, however, these drops are present as droplet size distributions. When atomizing a medium, mechanical energy (work) must be applied to overcome the forces listed below [64-66]:
  • i. Surface tension The tendency of the fluid to minimize its surface area. It ensures a cohesion of the liquid molecules.
  • ii. inertial forces Two colliding flows of differential speed provide for acceleration, separation (compressive forces) or deflection (pushing forces) of the media.
  • iii. Viscosity forces The force needed to move adjacent gases and liquids against each other.

Diese für die Zerstäubung bedeutsamen Kräfte sind wesentliche fluidspezifische Eigenschaften. Ein Beispiel für die Zerstäubung einer Flüssigkeit mit einem Volumen von 10–3 m3 und kugelförmiger Gestalt (A0 = 0,048 m2) zu einem Sprüh mit einem durchschnittlichen Tropfendurchmesser von 5·10–5 m soll diesen Sachverhalt verdeutlichen. A0 = πd2 (2.1)

Figure DE102014011635A1_0008
A0 = nπdTr 2 (2.3) These forces, which are important for atomization, are essential fluid-specific properties. An example of the atomization of a liquid with a volume of 10 -3 m 3 and spherical shape (A 0 = 0.048 m 2 ) to a spray with an average drop diameter of 5 × 10 -5 m is intended to illustrate this fact. A 0 = πd 2 (2.1)
Figure DE102014011635A1_0008
A 0 = nπd Tr 2 (2.3)

Die Kombination von Gleichung 2.1 bis 2.3 verdeutlicht die Auswirkungen der Zerstäubung dieses Fluids. Bei diesem Prozess wird ein Kollektiv von 1,5·1010 Tropfen generiert, welches eine summierte Oberfläche von 120 m2 aufweist. Folglich hat sich beim Zerstäubungsvorgang die Oberfläche um das 2500fache vergrößert. W = σ(ATropfen – A0) (2.4) The combination of Equations 2.1 to 2.3 illustrates the effects of atomization of this fluid. In this process, a collective of 1.5 × 10 10 drops is generated, which has a summed surface area of 120 m 2 . As a result, the surface area of the sputtering process has increased 2500 times. W = σ (A drop - A 0 ) (2.4)

Gemäß Gleichung 2.4 wird am Beispiel von Wasser (Ethanol) [67] bei 293 K eine mechanische Arbeit von 8,7 J (2,7 J) allein für die Zerstäubung verrichtet. Berechnungen von WOZNIAK [64] zeigen, dass ein derartiger Wassertropfen unter Normbedingungen (298 K; 101325 Pa) circa 4 s zur Verdampfung (im 373 K warmen Luftstrom ~0,15 s) [24] benötigt. Im Antagonismus zur Spraypyrolyse, bei welcher laminare Strömungen im Vordergrund stehen, werden bei der Sprühtrocknung zur Optimierung des Impulsaustausches (Stoff- und Wärmeübergang) turbulente Strömungen (Re > 2300) angewandt. Hierbei überlagern die turbulenten Querbewegungen die molekulare Diffusion [68]. Bei der folgenden Zerstäubung wird anschließend kinetische Energie aus Druckenergie gewonnen. Mit Hilfe eine Verjüngung des Querschnittes an der Düse kommt es zu der beabsichtigten Steigerung der mittleren Geschwindigkeit. Für einen applizierten kontinuierlichen Massestrom ṁ = dm / dt = ūAρ (2.5) gilt das Gesetz der Masseerhaltung, so dass unter Annahme einer inkompressiblen Strömung für verschiedene Bereiche des Systems folgende Bedingung erfüllt ist: ū1A1 = ū2A2 (2.6) According to Equation 2.4, using the example of water (ethanol) [67] at 293 K, a mechanical work of 8.7 J (2.7 J) is carried out solely for atomization. Calculations by WOZNIAK [64] show that such a water droplet requires about 4 s for evaporation under standard conditions (298 K, 101325 Pa) (in the 373 K warm air stream ~ 0.15 s) [24]. In the antagonism of spray pyrolysis, in which laminar flows are in the foreground, in spray drying, turbulent flows (Re> 2300) are used to optimize the momentum exchange (mass and heat transfer). The turbulent transverse motions are superimposed on molecular diffusion [68]. In the subsequent atomization, kinetic energy is subsequently obtained from pressure energy. By means of a tapering of the cross-section at the nozzle, the intended increase in the average speed occurs. For an applied continuous mass flow ṁ = dm / dt = ūAρ (2.5) the law of mass maintenance applies, so that assuming an incompressible flow for different areas of the system the following condition is fulfilled: ū 1 A 1 = ū 2 A 2 (2.6)

Die Stromfadentheorie liefert für verlustfreie, stationäre und inkompressible Strömungen die eindimensionale BERNOULLI-Gleichung [69]:

Figure DE102014011635A1_0009
The current thread theory provides the one-dimensional BERNOULLI equation for lossless, stationary, and incompressible flows [69]:
Figure DE102014011635A1_0009

Durch Kombination von Gleichung 2.6 und 2.7 kann die mittlere Düsenaustrittsgeschwindigkeit berechnet werden:

Figure DE102014011635A1_0010
By combining equation 2.6 and 2.7 the average nozzle exit velocity can be calculated:
Figure DE102014011635A1_0010

Wie Gleichung 2.8 zu entnehmen ist, existiert ein Zusammenhang zwischen der Druckdifferenz des Systems (ΔP) und der mittleren Geschwindigkeit ū des Fluids an der Düsenaustrittsöffnung. Vielfach verwendete Methoden für eine Überführung von Fluiden in Tropfenform sind Einstoffdüsen, pneumatische Zerstäuber (Zweistoffdüsen) [70, 71] sowie Rotations- [72] und Ultraschallzerstäuber [44, 72, 73]. Zusammenhängende Beschreibungen der Einflussgrößen von Düsengeometrie und Partikelmorphologie wurden bereits mehrfach in der Literatur beschrieben [74–76]. In dieser Arbeit wird eine Hohlkegeldüse für die Zerstäubung verwendet. Das Einsatzgebiet dieser Düsenform ist die Zerstäubung niedrigviskoser Medien in möglichst kleine Tropfen. Ein Augenmerk liegt in diesem Zusammenhang im Bereich der Schergeschwindigkeit als räumliche Funktion der Fluidgeschwindigkeit. Die Belastung des Fluids steigt vom Bereich vor der Düse bis zum Zeitpunkt nach der Düse um das 100 bis 1000fache, um sich dann im weiteren Bereich der Trocknungskammer zu minimieren (~0 s–1). NICHTNEWTONische Flüssigkeiten und Gemische können hier interessante Eigenschaften in Bezug auf die Scherspannung sowie die damit verbundene Viskosität aufweisen [46, 66, 77]. Dieser Punkt wird ausführlich in Abschnitt 2.1.2 (Seite 10) diskutiert. Tropfengrößenverteilungen sind wesentlicher Bestandteil vieler technischer und naturnaher Prozesse. Tropfenkollektive entstehen zum Beispiel bei Wasserfällen sowie bei der Bildung von Wolken. Einzelne Tropfen können im Idealfall als Flüssigkeitskugeln angesehen werden. Entsprechend der LAPLACE'schen Gleichung [78] (Gleichung 2.9) gilt darauf aufbauend der Zusammenhang zwischen Tropfeninnendruck p; und dem Druck an seiner Oberfläche pa:

Figure DE102014011635A1_0011
As can be seen from Equation 2.8, there is a relationship between the pressure difference of the system (ΔP) and the mean velocity ū of the fluid at the nozzle exit orifice. frequently Methods used for transferring fluids in droplet form are single-fluid nozzles, pneumatic atomizers (dual-fluid nozzles) [70, 71] as well as rotary [72] and ultrasonic atomizers [44, 72, 73]. Related descriptions of the influence of nozzle geometry and particle morphology have been described several times in the literature [74-76]. In this work, a hollow cone nozzle is used for the atomization. The field of application of this nozzle form is the atomization of low-viscosity media into the smallest possible drops. In this context, attention is focused on the shear rate as a spatial function of the fluid velocity. The load on the fluid increases from the area in front of the nozzle to the time after the nozzle by 100 to 1000 times, then to minimize in the wider area of the drying chamber (~ 0 s -1 ). NONNEWTONonic liquids and mixtures may have interesting shear stress properties and associated viscosity [46, 66, 77]. This point is discussed in detail in Section 2.1.2 (Page 10). Drop size distributions are an essential component of many technical and natural processes. Drop collectives arise, for example, in waterfalls and in the formation of clouds. Individual drops can ideally be considered as liquid spheres. According to Lappace's equation [78] (Equation 2.9), the relation between the internal pressure of the droplets p; and the pressure on its surface p a :
Figure DE102014011635A1_0011

Die Stabilität eines Tropfens ist demnach gewährleistet, solange der Tropfeninnendruck größer als der Druck an der Außenfläche ist. Als Folge dieses Druckanstieges auf der Innenseite einer gekrümmten Fläche kommt es gemäß der KELVIN'schen Gleichung [78] (Gleichung 2.10) zu einem Anstieg des Dampfdruckes pTr

Figure DE102014011635A1_0012
The stability of a drop is therefore ensured as long as the internal pressure of the drop is greater than the pressure on the outer surface. As a result of this pressure increase on the inside of a curved surface, according to KELVIN's equation [78] (equation 2.10) an increase in the vapor pressure p Tr occurs
Figure DE102014011635A1_0012

Ableitet hiervon ergibt sich, dass mit abnehmendem Tropfenradius rTR die Siedetemperatur der flüssigen Phase abnimmt und daher Tropfen einfacher verdampfen. Energiereiche Fluid-Moleküle können folglich bei geringeren Temperaturen in die Gasphase übergehen. Wie in diesem Kapitel aufgeführt, muss für die Generierung von Tropfenkollektiven mechanische Arbeit aufgewendet werden. Erste Arbeiten zum Thema Zerfallsmechanismen kommen von PLATEAU [79] und RAYLEIGH [80] Ende des 19. Jahrhunderts. Sie konnten zeigen, dass eine hydrodynamische Instabilität Ursache für den Zerfall eines Flüssigkeitsstrahles darstellt [64, 81]. Für die Sprühtrocknung wesentliche Zerfallsmechanismen bei der Sprühbildung sind der Flüssigkeitsstrahlenzerfall, der Lamellenzerfall und die Zerstäubung von Flüssigkeiten durch Gase. LEFEBVRE [82] unterteilte die Evolution eines Sprühs in den Bereich der primären Zerstäubung, bei welchem der Flüssigkeitsstrahl in Folge von Störungen und Schwingungen in Tropfen zerfällt sowie in einen sekundären Zerfall, in welchem Tropfen kritischer Größe (siehe Gleichung 2.9) einem weiteren Zerfall unterliegen.From this it follows that with decreasing drop radius r TR, the boiling temperature of the liquid phase decreases and therefore drops evaporate more easily. High-energy fluid molecules can thus pass into the gas phase at lower temperatures. As stated in this chapter, mechanical work must be used to generate drop collectives. First works on the subject of decay mechanisms come from PLATEAU [79] and RAYLEIGH [80] at the end of the 19th century. They were able to show that hydrodynamic instability is the cause of the decay of a liquid jet [64, 81]. For spray drying essential decay mechanisms in the spray formation are the liquid jet decay, the lamellar decay and the atomization of liquids by gases. LEFEBVRE [82] subdivided the evolution of a spray into the area of primary atomization, in which the liquid jet breaks up into droplets as a result of disturbances and vibrations, and into a secondary decay in which critical-sized droplets (see Equation 2.9) undergo further decay.

Die genauen Zerfallsmechanismen sind aktuell immer noch Schwerpunkt vieler Forschungsarbeiten [83]. LIN und REITZ [84] diskutieren in ihren Arbeiten einige Ansichten diesbezüglich. Eine wichtige Einflussgröße bei der Bildung von Tropfenkollektiven ist die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids an der Düse, in deren Abhängigkeit vier Bereiche diskutiert werden [84, 85]:

  • i. Rayleigh-Bereich
  • ii. erster windinduzierter Bereich
  • iii. zweiter windinduzierter Bereich
  • iv. (turbulenter) Zerstäubungsbereich
The exact mechanisms of disintegration are currently still the focus of much research [83]. LIN and REITZ [84] discuss some points of view in their work. An important factor influencing the formation of droplet collectives is the flow velocity of the fluid at the nozzle, in which four areas are discussed [84, 85]:
  • i. Rayleigh range
  • ii. first wind-induced area
  • iii. second wind-induced area
  • iv. (turbulent) sputtering area

Bei der in dieser Arbeit angewendeten Druckwechseltechnologie, welche hohe Reynolds-Zahlen für den Strömungszustand des Fluids beinhaltet, ist schwerpunktmäßig vom iv. Bereich der Tropfenbildung auszugehen. Hohlkegeldüsen nutzen in diesem Zusammenhang das lamellenbildende Zerfallsprinzip. Hierbei führen bereits geringe Drücke zum Zerwellen von aus der Düse austretenden Lamellen unter Bildung von sehr kleinen Tropfenradien. Im Zuge eines Lamellenabrisses (Welle) kommt es zur Bildung von irregulären Tropfenformen. Als deren Folge oszilliert das System bis zur Bildung einer energetisch stabilen, meist annähernd sphärischen Form [86]. Signifikante Veränderungen des Sprühbildes zeigten HOOPERs [87] Beobachtungen bei der Variation des Umgebungs- und Sprühdruckes. Je höher der jeweilige Druck gewählt wird, umso kürzer ist die gebildete Lamelle und intensiver der Zerfall der einzelnen Lamellen. In diesem Zusammenhang konnte WEBER [88] zeigen, dass die Länge der induzierten Welle abhängig von der dimensionslosen Reynolds-Zahl (Re) – dem Verhältnis von Impulskonvektion zu Impulsdiffusion im System – ist. Je höher der Wert dieser Kennzahl, desto kürzer ist die gebildete Welle und umso kleiner die kalkulierte Tropfengrößenverteilung. Eine charakterisierende Größe für diese Art von Düsen ist die Druck-Reynolds-Zahl

Figure DE102014011635A1_0013
The pressure swing technology used in this work, which includes high Reynolds numbers for the fluid flow state, is mainly focused on iv. Range of drop formation. Hollow cone nozzles use the lamella-forming decay principle in this context. In this case, even low pressures lead to the disintegration of lamellae emerging from the nozzle with the formation of very small droplet radii. In the course of a slat tear (wave) it comes to the formation of irregular drop forms. As a consequence, the system oscillates until the formation of an energetically stable, mostly approximately spherical form [86]. Significant changes in the spray pattern were shown by HOOPER [87] observations in the variation of ambient and spray pressures. The higher the respective pressure is selected, the shorter the lamella formed and more intense the disintegration of the individual lamellae. In this context, WEBER [88] was able to show that the length of the induced wave depends on the dimensionless Reynolds number (Re) - the ratio of momentum convection to momentum diffusion in the system. The higher the value of this index, the shorter the wave formed and the smaller the calculated droplet size distribution. A characterizing quantity for this type of nozzles is the pressure Reynolds number
Figure DE102014011635A1_0013

Sie kennzeichnet alle relevanten, für die Flüssigkeitszerstäubung bei Hohlkegeldüsen notwendigen Einflussgrößen. Mit ihrer Hilfe versuchten verschiedene Autoren Durchflusscharakteristiken und Fließschemata dieser Düsenbauform anhand von Gleichungssystemen zu erfassen [89–92]. Dieses Modell sowie weitere Theorien zum Strahlenzerfall nach RAYLEIGH [93] und STERLING [81] brachten jedoch keine verlässlichen Voraussagen zu Effekten bei der Tropfenbildung im Experiment sowie bestehenden Zusammenhängen. Insbesondere beim turbulenten Strahlenzerfall diskutiert die Wissenschaft divergierende Prinzipien im Zusammenspiel zwischen Zerfallsmechanismen und Strahlenzerfall, deren Ergebnisse signifikant voneinander abweichen [94, 95]. Prinzipielle Aussage aller Autoren ist, dass je weiter der mittlere Tropfendurchmesser abnimmt, die Breite der entsprechenden Verteilung des Tropfenkollektivs zunehmen muss. Eine Betrachtung der gebildeten Radien des Tropfenkollektivs ist ein wichtiger Ausgangspunkt für den darauf folgenden Trocknungsprozess. Kleinere Tropfen haben den größten Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten (Biot-Zahl) sowie den geringsten Diffusionsweg. Folglich sind geringere Feuchten und eine schnellere Trocknung erreichbar [47].It identifies all relevant influencing variables necessary for liquid atomization in hollow cone nozzles. With their help, various authors attempted to record flow characteristics and flow patterns of this nozzle design using systems of equations [89-92]. However, this model as well as other theories on radiation decay according to RAYLEIGH [93] and STERLING [81] did not provide any reliable predictions on effects in droplet formation in experiments and existing contexts. Particularly in the case of turbulent radiation decay, science discusses diverging principles in the interaction between decay mechanisms and radiation decay, the results of which differ significantly [94, 95]. The principal statement of all authors is that the further the mean droplet diameter decreases, the width of the corresponding distribution of the droplet collective must increase. A consideration of the formed radii of the drop collective is an important starting point for the subsequent drying process. Smaller drops have the highest heat and mass transfer coefficient (Biot number) and the lowest diffusion path. As a result, lower humidities and faster drying can be achieved [47].

2.1.2 Trocknungs- und Partikelbildungsmechanismen2.1.2 drying and particle formation mechanisms

Der Abschnitt der Trocknung eines Sprühs wird technologisch in zwei wesentliche Bereiche untergliedert – in Abhängigkeit der Verläufe von Feed- und Luftstrom [46]. Neben der häufig verwendeten Gleichstromtechnik findet die Gegenstromtechnik in der Praxis Verwendung. Neuartige Entwicklungen zu Mixed-Flow-Betrieb finden nur bei speziellen Fragestellungen Anwendung. Mittels Gegenstromprinzip dargestellte Partikel weisen immer höhere Packungsdichten auf, als unter analogen Bedingungen im Gleichstrom erzeugte Granulate. Grund hierfür ist, dass im Gleichstrom zu Beginn die Partikel Kontakt mit Trocknungsgas bei maximaler Temperatur ( ∂T / dz ) und minimaler Luftfeuchtigkeit ( ∂c / dz ) haben. Dieser Kontakt mit den maximalen Trocknungsbedingungen als Ausgangspunkt bewirkt eine zeitliche Fokussierung und Fixierung der Formgebung und findet beispielsweise Verwendung bei temperaturempfindlichen Materialien [47]. Im Antagonismus hierzu haben die Teilchen im Gegenstrom zuerst Kontakt mit Prozessgas der minimalsten Trocknungstemperatur und maximalsten Luftfeuchtigkeit und bewegen sich im Anschluss daran in wärmere und trockenere Regionen. Hierdurch haben die Teilchen mehr Zeit sich räumlich im System auszurichten [46]. Grundlegende Untersuchungen zu Grundlagen und Mechanismen der Sprühtrocknung wurden von MASTERS [86] zusammengetragen. Zum Beispiel erläutert er den Zusammenhang von dargestellten Pulvern mit steigenden Restfeuchten, wenn die Differenz zwischen Ein- und Ausgangstemperatur und/oder die Menge an Trocknungsluft zunimmt [96]. Dieser Effekt kann durch eine Anhebung des Durchsatzes verstärkt werden [97]. Ein weiterer, grundlegender wissenschaftlich-technischer Betrachtungspunkt einer Sprühapplikation ist die Lebensdauer der produzierten Tropfen – demnach die Zeit, welche der Tropfen bis zu seiner vollständigen Verdampfung benötigt [98]. Im Zuge einer Zerstäubung kommt es zur Vergrößerung der Grenzfläche Gas-Flüssig in deren Folge Stoff- und Wärmeübergangsprozesse optimiert und neue Betrachtungswinkel erforderlich werden. Hierbei bestimmen folgende Parameter die Lebenszeit eines Tropfens nach der Zerstäubung:

  • i. Stoffgrößen des zerstäubten Fluids,
  • ii. Stoffgrößen des umströmenden Gases,
  • iii. Relativgeschwindigkeit zwischen Tropfen und umströmenden Gas,
  • iv. Parameter des Tropfens zum Zeitpunkt seiner Bildung.
The drying section of a spray is technologically subdivided into two main areas - depending on the flow of the feed and air flow [46]. In addition to the frequently used DC technology, the countercurrent technology is used in practice. Novel developments in mixed-flow operation are only used for special issues. Particles shown by countercurrent principle always have higher packing densities than granules produced in co-current under analogous conditions. The reason for this is that in the direct current at the beginning of the particles contact with drying gas at maximum temperature ( ∂T / dz ) and minimum humidity ( ∂c / dz ) to have. This contact with the maximum drying conditions as a starting point causes a temporal focusing and fixation of the shaping and is used, for example, in temperature-sensitive materials [47]. In antagonism, the particles are in countercurrent contact first with process gas of the minimum drying temperature and maximum humidity and then move in warmer and drier regions. This gives the particles more time to align themselves spatially in the system [46]. Fundamental studies on the principles and mechanisms of spray drying have been compiled by MASTERS [86]. For example, he explains the relationship of illustrated powders with increasing residual moisture as the difference between inlet and outlet temperature and / or the amount of drying air increases [96]. This effect can be enhanced by increasing the throughput [97]. Another fundamental scientific-technical point of view of a spray application is the lifetime of the droplets produced - hence the time required for the droplet to evaporate completely [98]. In the course of an atomization, the interface gas-liquid is increased, as a result of which material and heat transfer processes are optimized and new viewing angles become necessary. The following parameters determine the lifetime of a drop after atomization:
  • i. Fabric sizes of the atomized fluid,
  • ii. Substance sizes of the flowing gas,
  • iii. Relative velocity between drops and flowing gas,
  • iv. Parameters of the drop at the time of its formation.

Die gewünschte Verdampfung von Tropfen ist das Ergebnis eines Zusammenspiels aus Masseverlust und Wärmeübertragung. Energiereiche Moleküle des Tropfens überwinden die Phasengrenze Flüssig-Gas und gehen in die Gasphase über. Als Folge verliert die flüssige Phase Masse und Energie, wodurch sie abkühlt. Der Wärmestrom durch Verdunstung kann wie folgt beschrieben werden:

Figure DE102014011635A1_0014
The desired evaporation of droplets is the result of a combination of mass loss and heat transfer. High-energy molecules of the droplet overcome the liquid-gas interface and enter the gas phase. As a result, the liquid phase loses mass and energy, causing it to cool. The heat flow through evaporation can be described as follows:
Figure DE102014011635A1_0014

Andererseits befindet sich der Körper im Kontakt mit dem umströmenden Gas, welches einen Teil seiner Wärme auf den kühleren Tropfen überträgt. Dieser Wärmeübergang erfolgt lediglich in einer dünnen Grenzschicht an der Tropfenoberfläche [99, 100] Q · = α(t)ATr(t)(TG – TTr(t)) (2.13) On the other hand, the body is in contact with the gas flowing around, which transfers part of its heat to the cooler drops. This heat transfer takes place only in a thin boundary layer at the drop surface [99, 100] Q · = α (t) A Tr (t) (T G - T Tr (t)) (2.13)

Der Energieübertrag erfolgt konvektiv in Abhängigkeit vom Wärmeübergangskoeffizienten sowie dem Temperaturgefälle an der Tropfenoberfläche. In besonderen Anwendungsfällen kann dem System Wärmestrahlung (Infrarot, Mikrowelle) zur materielosen Wärmeübertragung zugeführt werden. Die sich ergebende Absorption wird beschrieben durch folgende Gleichung: Q · = α(t)kBATr(t)(TTr(t))4 (2.14) The energy transfer is convective depending on the heat transfer coefficient and the temperature gradient at the drop surface. In special applications, the system heat radiation (infrared, microwave) for materialless heat transfer can be supplied. The resulting absorption is described by the following equation: Q · = α (t) k B A Tr (t) (T Tr (t)) 4 (2.14)

Gemäß dem ersten FICK'schen Diffusionsgesetz [78] werden die dargestellten Transportvorgänge (Gleichung 2.12 und 2.13) infolge ihres Konzentrations- ( ∂c / dz ) und Temperaturgradienten ( ∂T / dz ) beschleunigt. RANZ und MARSHALL [101] erstellten mittels verschiedener Versuchsreihen Gleichungen zur Berechnung des Wärme- sowie des Stoffübergangskoeffizienten in deren Folge sich, bei Annahme von Sättigungsdampfdruck an der Tropfenoberfläche sowie konstanter Feuchtigkeit des umströmenden Gases, die spezifische Molrate (NTr) bestimmen lässt. Sie kennzeichnet die Verlustrate an Fluidmolekülen durch die Oberflächenschicht in die Gasphase. Spätere Untersuchungen zeigten deren uneingeschränkte Anwendbarkeit nur auf Strömungen mit Reynolds-Zahlen kleiner 200.According to FICK's first law of diffusion [78], the transport processes described (Equations 2.12 and 2.13) are due to their concentration ( ∂c / dz ) and temperature gradients ( ∂T / dz ) speeds up. RANZ and MARSHALL [101] used different series of experiments to generate equations for the calculation of the heat and mass transfer coefficients, which, assuming saturation vapor pressure at the surface of the droplet and constant humidity of the gas flowing around, can be used to determine the specific molar rate (N Tr ). It indicates the rate of loss of fluid molecules through the surface layer into the gas phase. Later investigations showed their unlimited applicability only to flows with Reynolds numbers less than 200.

Figure DE102014011635A1_0015
Figure DE102014011635A1_0015

Um die strömungstechnischen Wechselwirkungen sphärischer Partikel/Volumen in Gasen zu beschreiben hat sich der aerodynamische Durchmesser dA als ein wesentlicher beschreibender Faktor der Partikeleigenschaften in der Strömungslehre etabliert.In order to describe the fluidic interactions of spherical particles / volumes in gases, the aerodynamic diameter d A has established itself as an essential descriptive factor of the particle properties in fluid mechanics.

Figure DE102014011635A1_0016
Figure DE102014011635A1_0016

Insbesondere in der Medizintechnik ist das Wissen dieser Eigenschaften von wesentlicher Bedeutung bei einer Betrachtung der Aufnahme von Partikeln in den menschlichen Organismus. Die Sprühtrocknung von Siliziumdioxid-Dispersionen (Kieselsol) kann hierbei einen Lösungsansatz darstellen, um ein erfolgreiches, notwendiges Zusammenwirken von mikrometergroßen Partikeln (dG > 5·10–6 m) mit geringen effektiven Dichten (ρeff, Hohlkörper) zu verwirklichen [23, 24]. Ein weiterer wichtiger Faktor für die Trocknung eines Sprühs ist die Beladung μ, welche das Verhältnis der Masseströme des Trocknungsgases und des versprühten Mediums aufführt.In particular, in medical technology, the knowledge of these properties is essential in considering the inclusion of particles in the human organism. The spray-drying of silica dispersions (silica sol) may represent a solution approach to realize a successful, necessary interaction of micrometer-sized particles (d G > 5 × 10 -6 m) with low effective densities (ρ eff , hollow body) [23, 23]. 24]. Another important factor for the drying of a spray is the loading μ, which lists the ratio of the mass flows of the drying gas and the sprayed medium.

Figure DE102014011635A1_0017
Figure DE102014011635A1_0017

Je kleiner der Wert der Beladung, desto höher ist die Differenz zwischen Ausgangs- und Endbedingungen des umströmenden Trocknungsgases. Als Folge wird der Impulsaustausch an der Tropfenoberfläche verlangsamt [99] und Partikel mit größeren Radien werden generiert [86]. Wird der Wert der Beladung erhöht, steht mehr Gas zur Aufnahme von Fluid aus der Tropfenoberfläche zur Verfügung. Folglich kennzeichnen sich die unter analogen Bedingungen dargestellten Produkte durch geringere Restfeuchten und kleinere Durchmesser. Weitere Untersuchungen zu geringen Massestromverhältnissen Flüssig-Gas in Kombination mit den Prozessparametern niedrige Viskosität und Oberflächenspannung führten zu deutlich kleineren Verteilungen der erhaltenen Tropfenkollektive [70, 102, 103]. Bei einer Betrachtung der Partikelbildung sind diverse Annahmen abzuleiten [104, 105]. Nach der Zerstäubung eines Fluids bewirken Wechselwirkungskräfte zwischen Tropfen und umströmendem Gas eine Abbremsung der Tropfen. Die mittlere Geschwindigkeit des Tropfenkollektivs nimmt ab. Des Weiteren bilden sich an den Phasengrenzflächen Gleichgewichte zwischen Dampf, Gas und Flüssigkeit aus. Darstellungen von MESSING et al. [45] zeigen, dass die charakteristische Zeit für die Diffusion des Fluiddampfes an der Tropfenoberfläche deutlich kleiner ist, als die Zeit für die Schrumpfung des dazugehörigen Tropfens. Folglich befindet sich die Tropfenoberfläche quasi zu jedem Zeitpunkt der Tropfengrößenänderung im Gleichgewicht mit dem Prozessgas. Das Analogon gilt für die Bulktemperatur des Tropfens. Nach Erreichen des Gleichgewichtes kann die Tropfentemperatur TTR dem des Trocknungsgases TG gleichgesetzt werden. TG = TTr (2.18) The smaller the value of the load, the higher the difference between the initial and final conditions of the circulating drying gas. As a consequence, impulse exchange at the droplet surface is slowed down [99] and particles with larger radii are generated [86]. As the loading value increases, more gas is available to receive fluid from the drop surface. Consequently, the products shown under analogous conditions are characterized by lower residual moisture and smaller diameters. Further studies on low mass flow ratios of liquid gas in combination with the process parameters of low viscosity and surface tension led to significantly smaller distributions of the droplet collective obtained [70, 102, 103]. When considering particle formation, various assumptions can be deduced [104, 105]. After the atomization of a fluid, interaction forces between droplets and gas flowing around cause a slowing down of the droplets. The mean velocity of the drop collective decreases. Furthermore, equilibria between vapor, gas and liquid are formed at the phase interfaces. Representations of MESSING et al. [45] show that the characteristic time for the diffusion of the fluid vapor at the surface of the droplet is significantly smaller than the time for the shrinkage of the associated droplet. As a result, the droplet surface is in equilibrium with the process gas at virtually any point in the droplet size change. The analog applies to the bulk temperature of the drop. After reaching equilibrium, the drop temperature T TR can be equated to that of the drying gas T G. T G = T Tr (2.18)

Auf der Einstellung dieser Gleichgewichte aufbauend erfolgt die Trocknung bei einer konstanten Geschwindigkeit solange die Oberflächenschicht der Tropfen mit Dampf gesättigt ist [86]. Zusammengefasst erfolgt die Trocknung in zwei wesentlichen Schritten [46]

  • i. Einstellung des Gleichgewichtes auf der Tropfenoberfläche,
  • ii. Trocknung bei einer konstanten Stoffübergangsgeschwindigkeit.
Based on the adjustment of these equilibria, the drying takes place at a constant rate as long as the surface layer of the droplets is saturated with steam [86]. In summary, drying takes place in two essential steps [46].
  • i. Adjustment of the balance on the surface of the drop,
  • ii. Drying at a constant mass transfer rate.

Beim Einsatz von Lösungen, Dispersionen und Suspensionen müssen jedoch zusätzliche (Feststoff-)Effekte betrachtet werden. Ab einer systemabhängigen Konzentration sinkt die Geschwindigkeit der Gassättigung als Folge der sich bildenden zusätzlichen Phasengrenzflächen Gas-Feststoff bzw. Flüssig-Feststoff. Dies wird als kritischer Punkt bezeichnet. Im Zuge der Bildung von porösen Systemen wird dies als feuchter Kern angegeben [106]. Für wässrige (keramische) Systeme wird dieser kritische Punkt meist bei der Bildung von Festkörperteilchen erreicht [86]. Während bei Lösungen diese Punkte ((Über-)Sättigungskonzentration) definiert sind, lassen sich derartige Konzentrationsgrenzen bei Suspensionen und Dispersionen deutlich schwieriger determinieren. Hier finden bereits Feststoffteilchenkontakte und -wechselwirkungen vor der eigentlichen Partikelbildung statt. Als Folge dieser Phasengrenzflächenbildung sinken Permeabilität und Stoffübergangsgeschwindigkeit signifikant. Resultierend aus diesem gehemmten Stofftransport kann im ersten Schritt verdampfte Flüssigkeit nicht mehr ungehindert die Phasengrenzfläche Flüssig-Gas überwinden. Es kommt zu einem Druckanstieg im Inneren der gebildeten Hülle, infolgedessen die Temperatur lokal steigt. Im Gegensatz zu reinen Flüssigkeiten (Gleichung 2.18) kann dementsprechend die Temperatur im Tropfeninneren TTR;Bulk größer als an dessen Oberfläche TTR sein. TTr < TTr;Bulk (2.19) When using solutions, dispersions and suspensions, however, additional (solid) effects must be considered. From a system-dependent concentration, the rate of gas saturation decreases as a result of the forming additional interface gas-solid or liquid-solid. This is called a critical point. In the course of the formation of porous systems, this is stated as a wet core [106]. For aqueous (ceramic) systems, this critical point is usually reached in the formation of solid particles [86]. While in solutions these points ((over) saturation concentration) are defined, such concentration limits for suspensions and dispersions can be determined much more difficult. Here already solid particle contacts and interactions take place before the actual particle formation. As a result of this interfacial formation, permeability and mass transfer rate decrease significantly. As a result of this inhibited mass transfer, vaporized liquid in the first step can no longer unhindered overcome the liquid-gas interface. There is an increase in pressure inside the shell formed, as a result of which the temperature rises locally. Accordingly, unlike pure liquids (Equation 2.18), the temperature inside the droplet T TR; Bulk may be greater than at the surface T TR thereof . T Tr <T Tr; Bulk (2.19)

Steigt diese innere Temperatur (TTr;Bulk) über den Siedepunkt der Flüssigkeit, kann es, in Abhängigkeit von der Natur der Oberfläche, zu einem Tropfenwachstum (Aufblähen) oder Bruch der gebildeten Hülle kommen [63, 86, 107, 108]. Auf derartige Defekte bei der Partikelbildung wird im zweiten Teil dieses Abschnittes eingegangen. Bei der Versprühung von Tropfen sind einheitliche, sphärische Partikel bevorzugt. Jedoch kann es zum Beispiel durch Verschmelzen von Tropfen (Koagulation) während des Sprüh- und Trocknungsvorganges zur Bildung von irregulären Partikeln oder Clustern kommen [109, 110]. Unter Annahme reiner BROWN'scher Bewegung [111, 112] als Ursache der Koagulation kann definiert werden:

Figure DE102014011635A1_0018
If this internal temperature (T Tr; bulk ) rises above the boiling point of the liquid, depending on the nature of the surface, the growth of the droplets (puffing) or breakage of the shell formed may occur [63, 86, 107, 108]. Such defects in particle formation will be discussed in the second part of this section. When spraying droplets, uniform, spherical particles are preferred. However, by fusing drops (coagulation) during the spraying and drying process, irregular particles or clusters may form [109, 110]. Assuming pure BROWN motion [111, 112] as the cause of the coagulation can be defined:
Figure DE102014011635A1_0018

Gleichung 2.20 kann entnommen werden, dass die Wahrscheinlichkeit wirksamer Zusammenstöße N(t) von Tropfen mit deren Anzahl und Durchmesser, als direkte Einflussgrößen auf τK, zunimmt. Technisch bedeutet dies, dass mit einer Reduzierung der Tropfengrößenverteilung, die Anzahl an Tropfen und damit einher, die Wahrscheinlichkeit von Partikeldefekten bei einer Zusammenlagerung (Koagulation) dieser Tropfen, steigt [45]. Eine zusätzliche Herausforderung des Trocknungsprozesses ist die Oszillation der neu gebildeten Tropfen. Wie in Kapitel 2.1.1 (Seite 5) aufgezeigt, benötigt das System eine bestimmte Zeit zur Energieminimierung mittels Bildung sphärischer Formen. Kommt es in diesem Zeitraum zur Ausbildung von festen Strukturen, werden als dessen Folge irreguläre Partikel (ringförmig, nadelartig [113], Plättchen) generiert [107, 108, 114]. Ansätze zur Findung von Zusammenhängen von Granulatform und Oberflächenspannung zeigen zwar Übereinstimmungen, jedoch ist deren thermodynamische Interpretation nichtzweifelsfrei verstanden [96, 113–117]. In der Literatur werden zwei wesentliche Mechanismen und deren Einflussgrößen auf die Partikelbildung im Sprühprozess diskutiert. Zum Einen, der erforderliche Zeitraum (t) um den entstehenden Tropfen zu trocknen sowie zum Zweiten, die Zeit

Figure DE102014011635A1_0019
welche ein Teilchen für die Diffusion vom Tropfenrand in das Tropfeninnere benötigt. Das Verhältnis dieser zwei charakteristischen Zeiten bestimmt die dimensionslose, stofftransportbeschreibende Péclet-Nummer [23, 118, 119]
Figure DE102014011635A1_0020
Equation 2.20 shows that the probability of effective collisions N (t) of droplets increases with their number and diameter, as direct influencing variables on τ K. Technically, this means that with a reduction in droplet size distribution, the number of droplets and, consequently, the probability of particle defects in the coagulation of these droplets increases [45]. An additional challenge of the drying process is the oscillation of the newly formed droplets. As shown in chapter 2.1.1 (page 5), the system requires a certain amount of energy minimization time by forming spherical shapes. If solid structures are formed during this period, irregular particles (circular, needle-like [113], platelets) are generated as a consequence [107, 108, 114]. Although attempts to find correlations between granule form and surface tension show similarities, their thermodynamic interpretation is not without doubt understood [96, 113-117]. Two major mechanisms and their influence on particle formation in the spraying process are discussed in the literature. On the one hand, the required period of time (t) to dry the resulting drop and, secondly, the time
Figure DE102014011635A1_0019
which requires a particle for the diffusion from the edge of the drop into the drop inside. The ratio of these two characteristic times determines the dimensionless, transport-describing Péclet number [23, 118, 119]
Figure DE102014011635A1_0020

Diese Kennzahl beschreibt das Verhältnis des Stofftransportes von Diffusion und Konvektion. Kleine Werte (Pe << 1) beschreiben eine sehr langsame Trocknung des Sprühtropfens in welcher die Partikel ausreichend Zeit haben, ins Innere des Tropfens zu diffundieren um Oberflächenenergie zu minimieren. Dieser Prozess verläuft so lange, wie die Gas-Feststoff-Oberflächenenergie größer als die Gas-Flüssig-Oberflächenenergie ist. Infolgedessen bilden sich dichte Partikel (Vollkörper). Mathematische Berechnungen von LENGGORO [120] zum Zusammenhang von Tropfengröße und der Bildung von Vollkugeln belegen diese Abhängigkeit der Partikelmorphologie zum Tropfenradius. Eine Bildung dieser Art von Partikeln (Granulaten) wird gemäß LUKASIEWICZ [121] mit geringen Stoffübergangsgeschwindigkeiten, hohen Feststoffgehalten und geringen Temperaturen erreicht. Durch den angehobenen Feststoffgehalt kann die konstante Stoffübergangsgeschwindigkeit der Trocknung verkürzt und mehr Wasser verdampft werden [63]. Vollkörper können poröse oder in sich geschlossene Eigenschaften aufweisen [47]. Fehlstellen durch Gaseinmischungen beim Zerstäubungsvorgang kennzeichnen die schwer zu reproduzierende Porosität dieser Art von Partikeln. Eine sehr hohe Geschwindigkeit des Trocknungsprozesses verdeutlichen hingegen hohe Péclet-Zahlen (Pe >> 1). Die Feststoffteilchen haben bei derartigen Bedingungen nicht hinreichend Zeit, ins Innere des Tropfens zu diffundieren. Auf Grund der zurückgehenden Grenzfläche Gas-Flüssig kommt es an der Tropfenoberfläche zu einer Energieminimierung durch Festphasenbildung – resultierend aus der verhältnismäßig großen Gas-Flüssig-Oberflächenenergie, welche den Anteil der Differenz von Gas-Feststoff- und Flüssig-Feststoff-Oberflächenenergie signifikant überwiegt [122]. Charakteristisch geformte Hohlkörper aus Hülle und hohlem Kern sind die Folge. Oft kennzeichnet eine geringe Porosität und Permeabilität die Eigenschaften dieser gebildeten Hülle, welche dann im weiteren Trocknungsprozess als Barriere für den Stoffübergang wirken kann. Unter gleichen Voraussetzungen generierte Hohlkörper weisen immer höhere Packungsdichten auf, als deren analoge Vollkörper [123, 124]. Gemäß Gleichung 2.21 ist ersichtlich, dass Parameter, welche die Bildung dieser Art von Körpern fördern, erhöhte Trocknungstemperaturen, geringe Feststoffanteile und hohe Binderkonzentrationen darstellen [45, 109]. Verschiedene Autoren berichten, dass die bevorzugte Formung von Hohl- und Vollkörpergranulaten ebenfalls Abhängigkeiten zum Dispersionslevel zeigen kann [123]. Anhand von Siliziumcarbid-Dispersion konnte LEE [123] zeigen, dass die Bildung von Hohlkörpern bei geringen Dispersionsleveln begünstigt wird. Partikelbildungsmechanismen werden oft idealisiert betrachtet. Durch variable Einflussfaktoren zeigt sich insbesondere bei der Bildung von (sphärischen) Hohlkörpern eine gesteigerte Anfälligkeit zu internen Defekten. Hierbei werden vier wesentliche Mechanismen diskutiert:

  • i. Ballooning/Aufblähung [47, 121]
  • ii. Fehlstellen bei der Hüllenbildung [60, 63, 121, 125]
  • iii. Luftfehlstellen [86, 107, 108]
  • iv. Luftvermischungen [86, 107, 108]
This figure describes the ratio of the mass transport of diffusion and convection. Small values (Pe << 1) describe a very slow drying of the spray drop in which the particles have sufficient time to diffuse into the interior of the drop in order to minimize surface energy. This process continues as long as the gas-solid surface energy is greater than the gas-liquid surface energy. As a result, dense particles (solid bodies) are formed. Mathematical calculations by LENGGORO [120] on the relationship between droplet size and the formation of solid spheres prove this dependence of the particle morphology on the droplet radius. According to LUKASIEWICZ [121], formation of these types of particles (granules) is achieved with low mass transfer rates, high solids contents and low temperatures. Due to the increased solids content, the constant mass transfer rate of the drying can be shortened and more water can be evaporated [63]. Solid bodies may show porous or self-contained properties [47]. Defects caused by gas mixtures in the atomization process characterize the difficult-to-reproduce porosity of this type of particle. A very high speed of the drying process, however, illustrate high Péclet numbers (Pe >> 1). The solid particles do not have sufficient time to diffuse into the interior of the droplet under such conditions. Due to the receding gas-liquid interface, energy is minimized at the droplet surface by solid phase formation - resulting from the relatively large gas-liquid surface energy, which significantly outweighs the fraction of the difference between gas-solid and liquid-solid surface energy [122 ]. Characteristic shaped hollow body of sheath and hollow core are the result. Often, a low porosity and permeability characterizes the properties of this formed shell, which can then act as a barrier to mass transfer in the further drying process. Hollow bodies generated under the same conditions always have higher packing densities than their analogous solid bodies [123, 124]. According to Equation 2.21, it can be seen that parameters that promote the formation of this type of bodies are increased drying temperatures, low solids content, and high binder concentrations [45, 109]. Several authors report that preferential shaping of hollow and solid granules also shows dependency on the dispersion level [123]. Using silicon carbide dispersion, LEE [123] demonstrated that the formation of hollow bodies is favored at low dispersion levels. Particle formation mechanisms are often considered idealized. Variable influencing factors show an increased susceptibility to internal defects, especially in the formation of (spherical) hollow bodies. Four major mechanisms are discussed here:
  • i. Ballooning / Inflation [47, 121]
  • ii. Defects in shell formation [60, 63, 121, 125]
  • iii. Airborne defects [86, 107, 108]
  • iv. Air blending [86, 107, 108]

Bei der Ballonbildung (engl. Ballooning) wird angenommen, dass gleich dem Aufblasen eines Ballons, der durch verdampfendes Fluid entstehende innere Druck durch den gehemmten Stofftransport zu der sich verfestigenden Oberfläche, den Tropfen vergrößert (aufbläst). Meist sind dünnwandige oder eierschalenähnliche Fragmente ein Ergebnis dieses Mechanismuses [121, 125]. Beim Ansatz von Fehlstellen bei der Hüllenbildung wird von einer lokalen Verfestigung der Tropfenoberfläche ausgegangen. Die verdampfende Flüssigkeit kann nur noch an bestimmten Stellen entweichen. Infolge der Ausbildung von Strömungen (Sog) kommt es zu einem irregulären Stofftransport im Tropfeninneren. Darauf aufbauend diskutieren verschiedene Autoren die Formung eines inneren, partiellen Vakuums als Zwischenstufe eines Defektes [63, 125]. Die hieraus abgeleitete verstärkte Konvektion im Tropfeninneren führt wiederum zu einem erhöhten Stofftransport an die Tropfenoberfläche. Im Zuge der entstehenden Akkumulationserscheinungen bilden sich Menisken zwischen den einzelnen Teilchen. Entstehende Kapillarkräfte bewirken daraufhin eine Verformung der Granulate wie zum Beispiel die sogenannte Ringbildung. Repulsive Kräfte wirken diesem Prinzip entgegen. Schließlich fixieren VAN-DER-WAALS-Kräfte (vdW) die gebildeten Partikel an ihrem „zugeteilten” Platz [126–129]. SHAW [125] empfiehlt zur Minimierung dieser Defekte eine Erhöhung des Feststoffgehaltes des Sprühs sowie geringere Trocknungstemperaturen [121]. Da die Konzentration einen wesentlichen Einflussfaktor auf den Partikeldurchmesser darstellt [47, 130], kombiniert der Vorteil einer Absenkung der Defektdichte den Nachteil der Bildung von Partikeln mit größerem Radius bzw. von Granulaten mit höherer Packungsdichte [86, 131]. (Seite 60) zeigt Beispiele für mögliche Partikeldefekte.In ballooning, it is believed that, like inflating a balloon, the internal pressure created by vaporising fluid increases (inflates) due to the inhibited mass transport to the solidifying surface. Most thin-walled or eggshell-like fragments are a result of this mechanism [121, 125]. In the approach of defects in the sheath formation is based on a local solidification of the drop surface. The evaporating liquid can only escape at certain points. As a result of the formation of currents (suction), an irregular mass transfer occurs inside the drop. Based on this, various authors discuss the formation of an internal, partial vacuum as an intermediate of a defect [63, 125]. The resulting increased convection inside the drop again leads to increased mass transport to the surface of the drop. In the course of the resulting accumulation phenomena, menisci form between the individual particles. Resulting capillary forces then cause a deformation of the granules such as the so-called ring formation. Repulsive forces counteract this principle. Finally, VAN DER WAALS forces (vdW) fix the formed particles in their "assigned" space [126-129]. SHAW [125] recommends an increase in the solids content of the spray and lower drying temperatures to minimize these defects [121]. Since the concentration is a significant factor influencing the particle diameter [47, 130], the advantage of a reduction in the defect density combines the disadvantage of the formation of larger-radius particles or granules with a higher packing density [86, 131]. (Page 60) shows examples of possible particle defects.

Steigt der Druck im Inneren einer sich verfestigenden Tropfenoberfläche (Hüllenbildung) auf Grund verdampfenden Fluids und gehemmten Stofftransportes über einen kritischen Wert, entstehen als Folge der nachgebenden Oberfläche tiefe Krater („Blowholes” [109]) [63, 121, 132]. Diese Verformung kann sich in Richtung des Partikelinneren [63, 121] oder Partikeläußeren [109, 132] ereignen – abhängig vom Zeitpunkt der Druckentweichung sowie der Möglichkeit der Bildung eines internen, partiellen Vakuums. Diskussionen, dass eine Entstehung von Kratern auch Folge eines inneren Kollapses (Mechanismus ii.) auf Grund fehlenden Feststoffes im Bulk darstellen kann, werden ebenfalls geführt. Wesentliches Element hierbei ist die Bildung einer strukturgeschwächten (dünneren) inneren Partikelhülle, welche dem überhitzten Gas im Inneren des Tropfens (Gleichung 2.19) im weiteren Trocknungsprozess ausgesetzt ist [125]. Ist die Geschwindigkeit der Diffusion der Feststoffteilchen ins Innere des Tropfens langsamer als das Verdampfen des Fluids im Bulk, entstehen im Tropfeninneren Dampfblasen (Luftfehlstellen), welche den weiteren Stofftransport im Tropfen zusätzlich hemmen und Fehlstellen erzeugen können. Oft werden Düsen mit zusätzlichen Luftströmen variabler Geschwindigkeiten zur besseren Zerstäubung eingesetzt. In diesem Zusammenhang diskutieren GREENWALD und KING [133] ein Vermischen von Luft und Fluid (Mechanismus iv.) in dessen Folge im Trocknungsprozess Fehlstellen an der Phasengrenzfläche Gas-Flüssig auf der Hülleninnenseite entstehen. Je nach Kollisionsgas können auch zusätzliche Effekte wie bspw. chemische Reaktionen oder Beeinflussung von Fluideigenschaften auftreten. Die Mobilität der Teilchen als Summe ihrer repulsiven und attraktiven Wechselwirkungskräfte ist ein entscheidender Faktor bei der Partikelbildung. WALKER [46] konnte zeigen, dass durch Zunahme repulsiver Kräfte die Packungsdichte der erhaltenen Granulate zunimmt. Die hieraus gesteigerte Mobilität der Partikel bewirkt eine höhere Wahrscheinlichkeit von Ausrichtungsvorgängen während des Trocknungsprozesses. Gegenteilige Effekte zeigen sich bei der Scherbeanspruchung der Systeme. Hier sinkt die Packungsdichte mit zunehmender Belastung (Spannung). WALKER [46, 77] beschrieb das Fließgrenzen bzw. scherverdünnende Effekte in Polymerdispersionen starken Einfluss auf die Bildung von Granulaten haben können. Korrelationen zwischen der Lage dieser Fließgrenzen und dem Stofftransport im Tropfeninneren werden hierbei diskutiert. Ein von WALKER [46] an Keramik-Suspensionen entwickeltes Modell ( ) zur Partikelbildung soll hier kurz erläutert werden, da wesentliche Eigenschaften auf die in dieser Arbeit verwendeten Siliziumdioxid-Dispersionen (Kieselsole) übertragen werden können. Schwerpunkt der Vorstellungen dieses Modells ist die Rheologie des Mediums. Bei der Zerstäubung einer Dispersion sinkt die Schergeschwindigkeit nach der Düse zeitnah auf nahe null. Die Elastizität des Mediums dominiert und nimmt mit steigender Temperatur zu. Ab einem systemabhängigen Feststoffgehalt kommt es zur lokalen Gelbildung. Mit verdampfendem Fluid nimmt diese Elastizität bis zu einem kritischen Punkt weiter zu. Ab diesem Moment ist die Tropfengröße konstant (fixiert) [63]. Aus Berechnungen von WALKER [46] hat sich gezeigt, dass alle vergleichbaren Systeme an diesem Punkt die analoge Dichte haben. Ist die Viskoelastizität unter einem bestimmten, vom jeweiligen System abhängigen Wert, kommt es zur Ausbildung und zum Aufwachsen einer Hülle an der äußeren Tropfenoberfläche (Hohlkörper). Entstehende Fehlstellen bei zu intensiver Trocknung (Aushärtung) führen zu einer hohen Druckdifferenz zwischen Tropfeninneren und -äußeren sowie zum (teilweisen) Zusammenbruch der Hülle oder zu der Bildung von Partikeldefekten. Übersteigt die Viskoelastizität am kritischen Punkt den systemabhängigen Wert, kommt es zur Ausbildung partieller fester Formen (Bulkgelierung – Vollkugeln). Anschließend entscheiden kohäsive Kräfte, ob sich Poren bilden (schwach) oder der Tropfen weiter schrumpft (stark).If the pressure in the interior of a solidifying droplet surface (shell formation) rises above a critical value due to evaporating fluid and inhibited mass transfer, deep craters ("blowholes" [109]) arise as a result of the yielding surface [63, 121, 132]. This deformation can occur in the direction of the interior of the particle [63, 121] or particle exterior [109, 132] - depending on the time of pressure release and the possibility of forming an internal, partial vacuum. Discussions that a formation of craters can also be the result of an internal collapse (mechanism ii.) Due to lack of bulk solids in bulk, are also conducted. An essential element here is the formation of a structurally weakened (thinner) inner particle shell, which is exposed to the superheated gas inside the droplet (Equation 2.19) in the further drying process [125]. If the rate of diffusion of the solid particles into the interior of the droplet is slower than the evaporation of the fluid in bulk, vapor bubbles (air imperfections) are formed in the droplet, which additionally inhibit the further transport of material in the droplet and can produce defects. Often nozzles are used with additional air streams of variable speeds for better atomization. In this context, GREENWALD and KING [133] discuss a mixing of air and fluid (mechanism iv.) As a result of which defects in the phase interface gas-liquid on the inside of the shell arise in the drying process. Depending on the collision gas, additional effects such as, for example, chemical reactions or influencing of fluid properties may also occur. The mobility of particles as the sum of their repulsive and attractive interaction forces is a crucial factor in particle formation. WALKER [46] was able to show that increasing the repulsive forces increases the packing density of the resulting granules. The increased mobility of the particles increases the likelihood of alignment during the drying process. Converse effects show up in the shear stress of the systems. Here, the packing density decreases with increasing load (voltage). WALKER [46, 77] described the yield strength or shear-thinning effects in polymer dispersions to have a strong influence on the formation of granules. Correlations between the position of these yield points and the mass transfer inside the drop are discussed here. A model developed by WALKER [46] on ceramic suspensions (46) ) for particle formation will be briefly explained here since essential properties can be transferred to the silica dispersions (silica sols) used in this work. Emphasis of the ideas of this model is the rheology of the medium. When atomizing a dispersion, the shear rate after the nozzle drops to near zero in a timely manner. The elasticity of the medium dominates and increases with increasing temperature. From a system-dependent solids content, local gel formation occurs. With evaporating fluid, this elasticity continues to increase to a critical point. From this moment the drop size is constant (fixed) [63]. Calculations by WALKER [46] have shown that all comparable systems have the same density at this point. If the viscoelasticity is below a certain value, which depends on the respective system, formation and growth of a shell on the outer surface of the drop (hollow body) occurs. Resulting imperfections due to excessive drying (hardening) lead to a high pressure difference between the inside and the outside of the drop as well as to the (partial) collapse of the shell or to the formation of particle defects. If the viscoelasticity exceeds the system-dependent value at the critical point, partial solid forms are formed (bulk gelation - solid spheres). Then, cohesive forces decide whether pores form (weak) or the droplet continues to shrink (strong).

2.1.3 Separation von Partikeln2.1.3 Separation of particles

Minimale Sinkgeschwindigkeiten in Zyklonen, Aggregationserscheinungen auf Filterflächen und ungünstige Fließeigenschaften der dargestellten Pulver stellen für die Abtrennung von Partikeln im (Sub-)Mikrometerbereich entscheidende technische Limitierungen dar. HUANG [134] und GIMBUN [74] konnten zeigen, dass bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten in Kombination mit hohen Reynold-Zahlen (Re) Partikel mit Durchmessern < 10–6 m in Zyklonen abgeschieden werden können. Praktisch ist diese Art der Abscheidung auf kleine Zyklonradien begrenzt. WALTON [47] kennzeichnet die Fließfähigkeit bei der Separierung von Pulvern als eine Charakterisierungsmöglichkeit für die Oberflächenchemie und -morphologie. Sie beschreibt Wechselwirkungskräfte der Partikel untereinander, die Struktur und Form der einzelnen Partikel sowie weitere physikalisch-chemische Pulvereigenschaften. Die Kenntnis dieser Eigenschaft kann eine wesentliche Entscheidungshilfe bei der Gewinnung dieser Materialien sein. In Bezug auf Agglomerationserscheinungen finden attraktive Wechselwirkungen (VAN-DER-WAALS-Kräfte; elektrostatische Kräfte) bei kleinen Partikeldurchmessern (< 5·10–6 m) hinsichtlich der Partikelmasse besondere Aufmerksamkeit. Eine Abtrennung mittels des geringen Gewichtes ist auf Grund der stark wirkenden attraktiven Kräfte meist nicht durchführbar. Als Folge wird bei diesen Partikelradien meist kohäsives Fließverhalten beobachtet.Minimal sinking velocities in cyclones, aggregation phenomena on filter surfaces and unfavorable flow properties of the powders represented represent decisive technical limitations for the separation of particles in the (sub-) micrometer range. HUANG [134] and GIMBUN [74] have shown that at high flow velocities in combination with high Reynold numbers (Re) particles with diameters <10 -6 m can be deposited in cyclones. In practice, this type of deposition is limited to small cyclonic radii. WALTON [47] characterizes flowability in the separation of powders as a characterization possibility for surface chemistry and morphology. It describes the interaction forces of the particles with each other, the structure and shape of the individual particles as well as further physical-chemical powder properties. Knowing this property can be a key decision aid in obtaining these materials. With respect to agglomeration phenomena, attractive interactions (VAN DER WAALS forces, electrostatic forces) with small particle diameters (<5 × 10 -6 m) attract particular attention with regard to particle mass. A separation by means of the low weight is usually not feasible due to the strong-acting attractive forces. As a result, cohesive flow behavior is usually observed at these particle radii.

2.2 Sprühtrocknungen zu mikroskalarem Siliziumdioxid2.2 Spray Drying to Microscale Silica

Die Darstellung von Nanokompositen auf Siliziumdioxid-Basis zur Optimierung mechanischer Parameter ist ein weit gefächertes Forschungsgebiet [135]. Schwerpunkt des Interesses liegt oftmals im Bereich der Optimierung von mechanischen Parametern vielfältiger Werkstoffe. Die Herstellung von Siliziumdioxid-Partikeln im (Sub-)Mikrometerbereich (d50(V) < 5·10–6 m) wurde bereits von diversen Autoren beschrieben [136–145]. NAMIKI [138] verwendete Suspensionen von pyrogenen Kieselsäuren zur Überführung dieser Art von Feststoffteilchen in Pulver. Die erhaltenen Granulate stellen komplizierte, agglomerierte Strukturen dar. Nanostrukturierte, sphärische Partikel mit Kieselsolen als Ausgangsmaterial („Sol Spraying” [146]) sind Inhalt der Arbeiten von KAMIYA [141], IWAMOTO [142] und ISKANDAR [140]. Die Herstellung dieser Art von Partikeln gelang jedoch nur mit geringen Durchsätzen und Feststoffgehalten der Edukte (< 2% (m:m)) sowie hohen Trocknungstemperaturen und hohen Beladungen (μ > 200). Während KAMIYA [141] und IWAMOTO [142] von hohen Anteilen an Partikeldefekten berichten, konnte ISKANDAR [140] durch eine Kombination von Sprühtrocknung und Sprühpyrolyse (Re < 300; laminar) Defekte reduzieren sowie die Auswirkungen der Konzentration, des Tropfendurchmessers und des Eduktes auf die Partikelmorphologie diskutieren [139, 147]. Kolloidale Edukte (Kieselsole) bilden, so der Inhalt seiner Arbeiten, poröse Vollkörper, deren Oberflächen eine Rauigkeit in Abhängigkeit zum kolloidalen Radius (Monomer) des Ausgangsmateriales aufweisen. Des Weiteren steigt ihre Porosität mit der Monomergröße. Eine exakte Deutung der Auswirkungen der Primärpartikel auf die Morphologie konnte ISKANDAR [139] jedoch nicht geben. Aus organischen Vorstufen (TEOS) hergestellte Partikel charakterisiert er hingegen durch überwiegend glatte Oberflächen sowie dem Hydrolysegrad der Alkoxyverbindung [45, 148]. Synthesen von großvolumigen, porösen Partikeln aus Nanomaterialien wurden unter anderem von TSAPIS [23] untersucht. Er fand heraus, dass die Bildung derartiger Teilchen bei geringen Konzentrationen vielmehr den Prozessparametern unterworfen und unabhängig von der chemischen Natur der Stoffe ist. CROSBY und MARSHALL [63] beschrieben, dass die Partikeldichte mittels Sprühtrocknung erhaltener Granulate selten bei über 50% der Reinstoffdichte ρtrue liegt (Packungsdichte ≤ 53%) [149]. Auf industriellem Wege generierte Produkte sind oft gekennzeichnet durch Dichten von ~5·102 g L–1. Versuche, die Packungsdichte mittels Partikelradius theoretisch vorauszusagen konnten von WALTONs [47] experimentellen Erfahrungen nicht belegt werden. Gründe hierfür werden in der Partikelform, deren Größenverteilung sowie in der Partikelstruktur der Pulver diskutiert. Für gering konzentrierte Suspensionen zeigte LUKASIEWICZ [121], dass alleine der kapillarerzeugte Flüssigkeitsstrom den Stofftransport zur Tropfenoberfläche übernimmt. Bei hoch konzentrierten Gemischen stellt eine Abgrenzung der Trocknungsschritte eine immense Herausforderung dar. Zur Vereinfachung von Modellbildungen wird allgemein die Annahme akzeptiert, dass mit dem Ende der gleichbleibenden Stoffübergangsgeschwindigkeit eines Tropfens der Partikeldurchmesser konstant (fixiert) ist [46, 121, 150]. Für kleine Tröpfchengrößenverteilungen einer Siliziumdioxid-Dispersion bestätigten LANG et al. [151] ein einheitliches Temperaturprofil im Tropfen (BIOT-Zahl < 1). Darauf aufbauend beschrieben sie, dass mit sinkendem Ausgangspartikelradius und steigendem Tropfendurchmesser die Tendenz zur Bildung von Hohlkugeln zunehmen muss. Gründe hierfür erläutert diese Gruppe anhand der Permeabilität (Gleichung 2.22), welche direkt vom Primärpartikeldurchmesser abhängig ist.The presentation of silica-based nanocomposites for the optimization of mechanical parameters is a widely diversified field of research [135]. The focus of interest is often in the field of optimization of mechanical parameters of a variety of materials. The production of silica particles in the (sub-) micrometer range (d 50 (V) <5 × 10 -6 m) has already been described by various authors [136-145]. NAMIKI [138] used suspensions of fumed silicas to convert this type of particulate matter into powder. The resulting granules represent complex, agglomerated structures. Nanostructured spherical particles with silica sols as starting material ("Sol Spraying" [146]) are the subject of work by KAMIYA [141], IWAMOTO, [142] and ISKANDAR [140]. The production of this type of particles However, it was only possible with low throughputs and solids contents of the reactants (<2% (m: m)) and high drying temperatures and high loadings (μ> 200). While KAMIYA [141] and IWAMOTO [142] reported high levels of particle defects, ISKANDAR [140] was able to reduce defects by a combination of spray drying and spray pyrolysis (Re <300; laminar) and the effects of concentration, droplet diameter, and educt discuss particle morphology [139, 147]. According to the content of his work, colloidal educts (silica sols) form porous solid bodies whose surfaces have a roughness depending on the colloidal radius (monomer) of the starting material. Furthermore, their porosity increases with monomer size. An exact interpretation of the effects of the primary particles on the morphology could not be given by ISKANDAR [139]. On the other hand, it characterizes particles produced from organic precursors (TEOS) by predominantly smooth surfaces as well as the degree of hydrolysis of the alkoxy compound [45, 148]. Syntheses of large-volume, porous nanomaterials have been studied by TSAPIS, [23] among others. He found that the formation of such particles at low concentrations is more subject to process parameters and independent of the chemical nature of the materials. CROSBY and MARSHALL [63] described that the particle density obtained by spray-drying granules seldom exceeds 50% of the pure substance density ρ true (packing density ≤ 53%) [149]. Industrially generated products are often characterized by densities of ~ 5 x 10 2 g L -1 . Attempts to theoretically predict the packing density by particle radius could not be substantiated by WALTON's [47] experimental experience. The reasons for this are the particle shape, the size distribution and the particle structure of the powders. For low-concentration suspensions LUKASIEWICZ [121] showed that only the capillary-generated liquid stream takes over the mass transfer to the droplet surface. In highly concentrated mixtures delineation of the drying steps presents an immense challenge. To simplify modeling, it is generally accepted that the particle diameter is constant (fixed) at the end of the constant mass transfer rate of a drop [46, 121, 150]. For small droplet size distributions of a silica dispersion, LANG et al. [151] a uniform temperature profile in the drop (BIOT number <1). Based on this, they described that with decreasing initial particle radius and increasing drop diameter, the tendency to form hollow spheres must increase. The reason for this is explained by the permeability (Equation 2.22), which depends directly on the primary particle diameter.

Figure DE102014011635A1_0021
Figure DE102014011635A1_0021

Der Konzentrationsgradient zwischen Tropfenoberfläche und Bulkphase ist durch den verlangsamten Stofftransport mit kleineren Teilchendurchmessern dp gegenüber größeren Kolloiddurchmessern signifikant erhöht. Als Folge dieser verminderten Diffusion kommt es bei derartigen Fluiden auf der Oberfläche des Tropfens zeitlich eher zu einer Krustenbildung. Die Generierung von Partikeln mit größeren Radien wird beobachtet [151]. Für Silicate und deren Analoga wird meist die Bildung von harten Strukturen während des Trocknungsprozesses beschrieben. Ihr Bruchverhalten bei Belastung ist gekennzeichnet durch ein Zerbrechen eines Partikels in wenige, große Teile. Zur Optimierung der mechanischen Belastbarkeit werden diesen Systemen häufig Bindemittel (z. B. Polyvinylalkohole, Glyzerin) als Strukturverstärker während der Sprühtrocknung hinzu gegeben. Darüber hinaus zeigen die in der Literatur beschriebenen Strukturen einen hohen Anteil an Partikeldefekten (Krater) [47]. Abhängigkeiten des Vermahlungsgrades wässriger, konzentrierter Suspensionen von pyrogenen Kieselsäuren auf deren „Hollowness” – den Anteil an innerem Hohlraum im Partikel – konnte ECKHARD [152] zeigen. Je intensiver vermahlen die Edukte versprüht wurden, desto höher ist der Anteil an freier Bulkphase. Die erhaltenen, sphärischen Partikel kennzeichnen sich jedoch durch Durchmesser jenseits von 5·10–5 m. Siliziumdioxid-Hohlkugeln-Darstellungen unter Verwendung einer Mischung von Ethanol und Kieselsolen zur Absenkung der Oberflächenspannung beschreibt HADINOTO [24]. Reproduzierbare Ergebnisse kleinteiliger Partikel (d < 10–5 m) konnten jedoch nur unter Verwendung mit Trizma (2-Amino-2-hydroxymethyl-1,3-propandiol) gepufferten Systemen bei sehr geringen Eduktfeststoffgehalten (< 1,8% (m:m)) sowie hohen Beladungen (μ > 500) verwirklicht werden. Dessen ungeachtet sind nur ein Bruchteil der gebildeten Partikel Hohlkörper ( ), deren Anteil zusätzlich mit Zunahme der Eduktkonzentration abnahm. Darüber hinaus kennzeichnen sich diese Art von Partikeln durch eine sehr hohe Defektwahrscheinlichkeit und ungleichmäßige Partikeloberflächen. Die Begründung wurde in der beim Trocknungsvorgang gebildeten, noch nicht verfestigten Hülle gesucht, welche sich in Folge der gewählten Trocknungsbedingungen und des entstehenden Kapillardrucks zwischen den Akkumulationspunkten verformt („Buckling”) [153, 154]. TSAPIS et al. [155] bestätigten anhand von Modellrechnungen für Polymer-Dispersionen die aufgestellten Hypothesen. Abhängigkeiten der Partikelmorphologie von der Trocknungstemperatur konnten nicht festgestellt werden, allerdings wurde eine Zunahme der errechneten Hüllenbreite mit Abnahme des Partikeldurchmessers beschrieben [24].The concentration gradient between the drop surface and the bulk phase is significantly increased by the slower mass transport with smaller particle diameters d p compared to larger colloid diameters. As a result of this reduced diffusion, such fluids on the surface of the drop are more likely to crust over time. The generation of particles with larger radii is observed [151]. For silicates and their analogues, the formation of hard structures during the drying process is usually described. Their breaking behavior under load is characterized by a breaking of a particle into a few large parts. To optimize the mechanical strength of these systems often binders (eg., Polyvinyl alcohols, glycerol) are added as a structural enhancer during spray drying. In addition, the structures described in the literature show a high proportion of particle defects (craters) [47]. Dependencies of the degree of milling of aqueous, concentrated suspensions of pyrogenic silicic acids on their "Hollowness" - the proportion of inner cavity in the particle - could be demonstrated by ECKHARD [152]. The more finely ground the educts were sprayed, the higher the proportion of free bulk phase. However, the resulting spherical particles are characterized by diameters beyond 5 × 10 -5 m. Silicon dioxide hollow spheres using a mixture of ethanol and silica sols to lower the surface tension are described by HADINOTO [24]. However, reproducible results of small particles (d <10 -5 m) could only be achieved with trizma (2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol) buffered systems at very low reactant solids (<1.8% (m: m )) and high loadings (μ> 500) can be realized. Nevertheless, only a fraction of the particles formed are hollow bodies ( ), the proportion of which additionally decreased with increasing educt concentration. In addition, these types of particles are characterized by a very high probability of defects and uneven particle surfaces. The reason was sought in the case of the drying process formed, not yet solidified shell, which deforms due to the selected drying conditions and the resulting capillary pressure between the accumulation points ("buckling") [153, 154]. TSAPIS et al. [155] confirmed the established hypotheses based on model calculations for polymer dispersions. Dependencies of the particle morphology on the drying temperature could not be determined, but an increase of the calculated shell width with a decrease of the particle diameter was described [24].

In einer darauf aufbauenden Arbeit auf Basis wässriger Dispersionen schlussfolgerte HADINOTO, dass Siliziumdioxid-Nanopartikel nur bei einem niedrigen pH-Wert (< 7) und geringen Feststoffgehalten (< 1% (m:m)) zugänglich sind [118]. Eine Beeinflussung der Partikelbildung bei der Sprühtrocknung verdünnter kolloidaler Siliziumdioxid-Dispersionen konnte BAHADUR [156] zeigen. Durch Beimischung von Polyethylenglykolen (PEG 400 bzw. PEG 1450) lies sich der Partikelbildungsmechanismus aktiv zur Formung von Hohlkörperstrukturen beeinflussen. Alle vorgestellten Ergebnisse beruhen auf einer Zerstäubung, der Überführung von fluiden Medien in pulvrige Stoffe, mittels pneumatischen Zerstäubern, Rotations- oder Ultraschallzerstäubern bei geringen Durchsätzen (<< 1 L h–1). Ziel dieser Zerstäubungsvarianten ist die Generierung von Tropfenkollektiven, bestehend aus kleinen Tropfen und engen Größenverteilungen. Es wurden in der Literatur keine Arbeiten zum Thema submikroskalare Siliziumdioxidpartikel unter Verwendung von Einstoffdüsen gefunden. In a subsequent work based on aqueous dispersions, HADINOTO concluded that silica nanoparticles are only accessible at a low pH (<7) and low solids contents (<1% (m: m)) [118]. BAHADUR [156] was able to show an influence on particle formation in the spray drying of diluted colloidal silica dispersions. By adding polyethylene glycols (PEG 400 or PEG 1450), the particle formation mechanism could be actively influenced to form hollow body structures. All the results presented are based on atomization, the transfer of fluid media into powdery materials, by means of pneumatic atomizers, rotary or ultrasonic atomizers at low throughputs (<< 1 L h -1 ). The aim of these atomization variants is the generation of drop collectives, consisting of small drops and narrow size distributions. No work has been found in the literature on sub-microscale silica particles using single-fluid nozzles.

2.3 Einfluss von Gasen bei der Sprühtrocknung2.3 Influence of gases in spray drying

Der vorgestellte BERNOULLI-Ansatz der Stromfadentheorie (Gleichung 2.7) gilt für kontinuierliche, inkompressible Strömungen. Gase hingegen zeigen signifikante Volumenänderungen bei Modifizierung von Druck und/oder Temperatur. Diese Auswirkungen beschreibt die Gasdynamik [157], deren vereinfachte Energiegleichung lautet:

Figure DE102014011635A1_0022
The proposed BERNOULLI approach of stream-thread theory (Equation 2.7) applies to continuous, incompressible flows. Gases, on the other hand, show significant volume changes upon modification of pressure and / or temperature. These effects are described by gas dynamics [157], whose simplified energy equation reads:
Figure DE102014011635A1_0022

Diese Gleichung besagt, dass eine Änderung der Geschwindigkeit eines Gasstromes zu einem gegensätzlichen Verhalten der Temperatur des Gases führt. Bei der Applikation eines Gases aus einer Düse wird Druckenergie in kinetische Energie umgewandelt. Das Gas wird beschleunigt, infolgedessen seine Temperatur abnimmt [64]. Dieser Vorgang unterliegt zeitlichen und örtlichen Veränderungen. Mit Hilfe der Schallgeschwindigkeit a kann die Fortpflanzungsgeschwindigkeit dieser Druckschwankungen unter Annahme idealen Gasverhaltens quantifiziert werden. a = √κRT (2.24) This equation states that a change in the velocity of a gas stream leads to a conflicting behavior of the temperature of the gas. When applying a gas from a nozzle, pressure energy is converted into kinetic energy. The gas is accelerated, as a result of which its temperature decreases [64]. This process is subject to temporal and local changes. With the help of the speed of sound a, the propagation speed of these pressure fluctuations can be quantified assuming ideal gas behavior. a = √ κRT (2.24)

Bei einer Mischung von Gasen in Flüssigkeiten kann eine Vielzahl von Phasenverteilungszuständen eintreten ( ), deren Übergänge fließend sind und von denen meist mehrere gleichzeitig vorliegen [158, 159]. Dies stellt immense Herausforderungen an den Sprühprozess. In Bezug auf Gleichung (2.24) weisen Gas-Flüssig-Gemische Werte für Schallgeschwindigkeiten weit unter denen der jeweiligen Einzelkomponenten auf. Hierdurch können Druckschwankungen in diesen Systemen zeitlich wesentlich schneller ausgeglichen und Reibungsverluste reduziert werden. Die Herleitung dieses Sachverhaltes kann unter Annahme einer Druckwelle in x-Richtung p(x,t) beschrieben werden, welche auf ein Fluidelement mit dem Volumen ΔV wirkt. p(x, t) = pmax·sin(2π(ft – x / λ) (2.25) In a mixture of gases in liquids, a plurality of phase distribution states may occur ( ), whose transitions are fluid, and most of which are simultaneous [158, 159]. This poses immense challenges to the spraying process. With regard to equation (2.24), gas-liquid mixtures have values for sound velocities far below those of the respective individual components. As a result, pressure fluctuations in these systems can be compensated for much faster in terms of time and friction losses reduced. The derivation of this situation can be described assuming a pressure wave in the x-direction p (x, t), which acts on a fluid element with the volume .DELTA.V. p (x, t) = p max · sin (2π (ft-x / λ) (2.25)

Durch Integration über die Zeit kann die Geschwindigkeit erfasst werden.Through integration over time, the speed can be detected.

Figure DE102014011635A1_0023
Figure DE102014011635A1_0023

Die Geschwindigkeit ergibt sich aus dem Integral der Geschwindigkeitsdifferenz vor v(x, t) und nach dem Fluidelement v(x + dx, t):

Figure DE102014011635A1_0024
The velocity results from the integral of the velocity difference before v (x, t) and after the fluid element v (x + dx, t):
Figure DE102014011635A1_0024

Die maximale Kompression beträgt demnach:

Figure DE102014011635A1_0025
The maximum compression is therefore:
Figure DE102014011635A1_0025

Die Schallgeschwindigkeit des Fluids ergibt sich demnach zu:

Figure DE102014011635A1_0026
The speed of sound of the fluid thus results in:
Figure DE102014011635A1_0026

Es zeigt sich, dass die hohe Kompressibilität des Gasanteiles eines Gas-Flüssig-Gemisches wesentlichen Einfluss auf die Erniedrigung der Schallgeschwindigkeit hat. Die exakte Herleitung der aufgeführten Gleichungen kann der Literatur entnommen werden [64]. Für eine Zerstäubung von fluiden Medien mit Hilfe von Gasen werden in der Praxis Zweistoffdüsen eingesetzt. Diese gewinnen die notwendige Energie zur Bildung von Tropfenkollektiven durch das zuströmende Gas und finden Verwendung bei Fluiden mit hoher Viskosität. Die Interaktionskräfte bei der Zerstäubung mit Unterstützung eines Gases stellen ein hydrodynamisches Problem dar. Unter Gleichgewichtsbedingungen gilt für einen gebildeten Tropfen: pw + pσ = konst. (2.30) It turns out that the high compressibility of the gas portion of a gas-liquid mixture has a significant influence on the reduction of the speed of sound. The exact derivation of the listed equations can be found in the literature [64]. For atomization of fluid media with the aid of gases in practice two-fluid nozzles are used. These gain the necessary energy to form droplet collectives by the incoming gas and find use in fluids with high viscosity. The interaction forces in the atomization with the assistance of a gas represent a hydrodynamic problem. Under equilibrium conditions, a formed droplet: p w + p σ = constant (2.30)

Dieser Tropfen erreicht seinen kritischen Zustand, wenn die aerodynamische Widerstandskraft Fw gleich der Kraft, bewirkt durch die Oberflächenspannung, ist (Gleichungen 2.31 und 2.32).

Figure DE102014011635A1_0027
Fσ = πrTrσ (2.32) This drop reaches its critical state when the aerodynamic drag F w equals the force caused by the surface tension (equations 2.31 and 2.32).
Figure DE102014011635A1_0027
F σ = πr Tr σ (2.32)

Zur Beschreibung der Vorgänge in pneumatischen Zerstäubern wurden verschiedene Kennzahlen vorgeschlagen. SHRAIBER [160] gibt in seinen Arbeiten hierzu eine Übersicht über die Vielzahl gängiger Einflussgrößen und Tropfenzerfallsmodi (Gleichung 2.33).For the description of the processes in pneumatic atomizers various indicators have been proposed. In this work SHRAIBER [160] gives an overview of the large number of common influencing variables and droplet decay modes (Equation 2.33).

Figure DE102014011635A1_0028
Figure DE102014011635A1_0028

WOZNIAK [64] konnte zeigen, dass im Antagonismus zu pneumatischen Zerstäubern (Zweistoffdüsen), die Gasdichte auf das Zerstäuben von Fluiden mit Hohlkegeldüsen (Einstoffdüsen) keinen wesentlichen Einfluss hat. Dementsprechend kann dieser Aspekt in Bezug auf die Bildung eines Tropfenkollektives in dieser Arbeit vernachlässigt werden.WOZNIAK [64] was able to show that in the antagonism to pneumatic atomizers (two-substance nozzles), the gas density on the atomization of fluids with hollow cone nozzles (single-fluid nozzles) has no significant influence. Accordingly, this aspect may be neglected with respect to the formation of a drop collective in this work.

2.4 Löslichkeiten von Gasen2.4 Solubilities of gases

Die Löslichkeit von Gasen unter einer Vielzahl von physikalisch-chemischen Bedingungen wurde bereits von verschiedenen Autoren diskutiert. Im Falle des binären Systems Wasser-Stickstoff sind zahlreiche experimentelle und theoretische Arbeiten zur Druckabhängigkeit durchgeführt worden [161–168]. Dies ist insbesondere ein bedeutender Faktor, da bei der Nutzung von fossilen Ressourcen (z. B. Erdgas) Stickstoff oft als eine Hauptkomponente vorliegt [169]. Darüber hinaus ist Stickstoff ein kommerziell gut verfügbares Produkt mit bekannter Reaktivität.The solubility of gases under a variety of physico-chemical conditions has already been discussed by several authors. In the case of the binary system water-nitrogen, numerous experimental and theoretical studies on pressure-dependence have been carried out [161-168]. In particular, this is a significant factor as nitrogen is often a major component in the use of fossil resources (eg natural gas) [169]. In addition, nitrogen is a commercially available product of known reactivity.

Die Angabe der Löslichkeit einer Gaskomponente in einem Fluid (mFl) wird in dem Volumen angegeben, welches die gleiche Menge unter Standardbedingungen (273,15 K; 101325 Pa) darstellen würde (VG).The indication of the solubility of a gas component in a fluid (m FL ) is given in the volume which would be the same amount under standard conditions (273.15 K; 101325 Pa) (V G ).

Figure DE102014011635A1_0029
Figure DE102014011635A1_0029

Weitergehende Untersuchungen zur Löslichkeit von Gasen in Salzlösungen zeigten direkte Abhängigkeiten zur Salzkonzentration sowie zum Aussalzungskoeffizienten [167, 170, 171]. Je höher die Konzentration einer wässrigen Salzlösung ist, umso geringer ist der Anteil gelösten Gases unter den gleichen Bedingungen. In dieser Arbeit soll Schwerpunkt auf das Gas Stickstoff gelegt werden. Untersuchungen zur Löslichkeit dieses Gases in wässrigen, kolloidalen Kieselsäure-Dispersionen sind bisher nicht bekannt.Further studies on the solubility of gases in saline solutions showed direct dependencies on the salt concentration and the salting-out coefficient [167, 170, 171]. The higher the concentration an aqueous saline solution, the lower the proportion of dissolved gas under the same conditions. In this work, emphasis will be placed on the gas nitrogen. Studies on the solubility of this gas in aqueous, colloidal silica dispersions are not yet known.

2.5 Eigenschaften von Kieselsolen2.5 Properties of silica sols

Kolloidale Systeme und deren Wechselwirkungen stoßen in der Wissenschaft auf breites Interesse [172, 173]. Vorteile derartiger Dispersionen sind die Zugänglichkeit von Kleinstpartikeln (10–9 m < r < 10–7 m) in einer kontrollierbaren Verteilung, steuerbare Reaktivitäten und hohe Konzentrationen meist, in anderen Größenordnungen, schwerlöslicher Komponenten. Durch gezielte Auswahl der Dispergierbedingungen können spezielle physikalisch-chemische Besonderheiten der Dispersionen eingestellt werden. Kolloidale Dispersionen von Siliziumdioxid, die sogenannten Kieselsole, kennzeichnen sich durch eine breite Vielfalt an Eigenschaften und Modifikationen. Neben einer großen Varianz an Monomergrößen (5 bis 200·10–9 m), hohen Reinheiten (bis zu 99,9% (m:m) Siliziumdioxid bezogen auf den Feststoffgehalt der Dispersion) und Feststoffgehalten (bis 60% (m:m)) sind auch Oberflächenmodifikationen der einzelnen Kolloide bekannt. Bei geringen Konzentrationen verhalten sich Kieselsole analog ihrem Dispergiermittel Wasser wie NEWTON'sche Flüssigkeiten [174–177]. Die Verformungsrate ist linear abhängig von der Schergeschwindigkeit. Außerhalb der feststoffbedingten, viskosen Grenzen weisen kolloidale Kieselsäuren dilatantes Verhalten auf. OKUBOs [178] Messungen zeigten, dass die Oberflächenspannung von Kieselsolen nur geringe Abweichungen zum Bezugssystem Wasser aufweist. Kolloidale Stabilitäten von Kieselsolen gegenüber einer Vielzahl von Parametern sind weitgehend untersucht worden [179]. Ergebnisse der Gruppe um BLUTE et al. zeigen, dass bei pH-Werten von 4 bis 5 in Folge der abgesenkten Oberflächenladung der kolloidalen Siliziumdioxidteilchen Aggregationen entstehen, welche eine geringer hydrophile, dafür deutliche aktivere Oberfläche ausbilden. Als Folge bilden sich im vorliegenden Sol-Gel-Prozess dichte und stabile Gelsysteme aus. Untersuchungen zur Diffusion der kolloidalen Siliziumdioxidpartikel sowie die Bestimmung der dazugehörigen Koeffizienten lieferten für großteilige Kieselsole Werte im Bereich von 10–12 m2 s–1 [24]. In Kombination von Druckwechseltechnologie und Gleichung 2.21 sind dementsprechend technisch hohe Péclet-Zahlen (Pe > 10), folglich die bevorzugte Formung von Hohlkörpern, zu erwarten.Colloidal systems and their interactions are receiving much interest in science [172, 173]. Advantages of such dispersions are the accessibility of very small particles (10 -9 m <r <10 -7 m) in a controllable distribution, controllable reactivities and high concentrations usually, in other orders of magnitude, sparingly soluble components. Through specific selection of the dispersing conditions, special physical-chemical characteristics of the dispersions can be adjusted. Colloidal dispersions of silica, called silica sols, are characterized by a wide variety of properties and modifications. In addition to a large variance in monomer sizes (5 to 200 × 10 -9 m), high purities (up to 99.9% (m: m) silicon dioxide based on the solids content of the dispersion) and solids contents (up to 60% (m: m) ) also surface modifications of the individual colloids are known. At low concentrations, silica sols behave analogously to their water dispersant like NEWTON's liquids [174-177]. The deformation rate is linearly dependent on the shear rate. Outside the solids-related, viscous boundaries, colloidal silicas have dilatant behavior. OKUBO's [178] measurements showed that the surface tension of silica sols shows only small deviations from the reference system water. Colloidal stabilities of silica sols to a variety of parameters have been widely studied [179]. Results of the group um BLUTE et al. show that at pH values of 4 to 5 as a result of the lowered surface charge of the colloidal silica particles aggregations arise, which form a less hydrophilic, but much more active surface. As a consequence, dense and stable gel systems are formed in the present sol-gel process. Studies on the diffusion of colloidal silica particles and the determination of the corresponding coefficients yielded values in the range of 10 -12 m 2 s -1 for large-scale silica sols [24]. Accordingly, technically high Péclet numbers (Pe> 10), hence the preferred shaping of hollow bodies, are to be expected in combination of pressure swing technology and Equation 2.21.

3 Experimenteller Teil3 Experimental part

Für eine Generierung der in dieser Arbeit hergestellten Xerogele ist die Kenntnis von physikalisch-chemischen Eigenschaften der gewählten oder modifizierten Edukte notwendig. Die hierfür verwendeten Chemikalien und Apparaturen werden in Abschnitt 3.1 bzw. 3.2 vorgestellt. Für die anschließende Überführung dieser Materialien in Pulver angewendete Druckwechseltechnologie wird in Abschnitt 3.3 erläutert. Die zur Charakterisierung der Dispersionen und Pulver verwendeten Methoden stellen die Abschnitte 3.4 (Dispersionen) und Abschnitte 3.5 (Xerogele) vor.Generation of the xerogels produced in this work requires the knowledge of physico-chemical properties of the selected or modified reactants. The chemicals and equipment used for this purpose are presented in sections 3.1 and 3.2. Pressure swing technology used for the subsequent transfer of these materials to powder is discussed in Section 3.3. The methods used to characterize the dispersions and powders are given in sections 3.4 (dispersions) and sections 3.5 (xerogels).

3.1 Verwendete Chemikalien3.1 Chemicals used

Eine Übersicht zu den in dieser Arbeit eingesetzten Chemikalien und Additiven enthält Tabelle 3.1. Anschließend erfolgt eine Auflistung (Tabelle 3.2) aller verwendeten kommerziellen Produkte auf Kieselsäurebasis, welche als Ausgangsmaterial, Zwischenprodukt oder Vergleichsmedium zum Einsatz kamen. In Tabelle 3.3 sind die unter den Punkten 3.2 bis 3.5 zum Einsatz gekommenen Gase und Gasgemische aufgeführt.An overview of the chemicals and additives used in this work is given in Table 3.1. This is followed by a list (Table 3.2) of all commercial silica-based commercial products used as starting material, intermediate or comparative medium. Table 3.3 shows the gases and gas mixtures used under points 3.2 to 3.5.

3.2 Darstellung und Analyse von Kieselsolen3.2 Preparation and analysis of silica sols

Die in dieser Arbeit verwendete Methode zur Herstellung von unstabilisierten Kieselsolen beruht auf einer Vielzahl von Ionenaustauschschritten der kolloidalen, alkalischen Ausgangsmaterialen. Als unstabilisierte oder vollentsalzte Kieselsole werden in dieser Arbeit kolloidale Kieselsäure-Dispersionen bezeichnet, denen auf physikalisch-chemischem Wege Ionen entzogen worden. Hierfür werden verschiedene Harze mit ihrem breiten Gebiet an Einsatzmöglichkeiten zur gezielten Abreicherung von Ionen angewendet. Kernpunkt sind Konzentrationen der Alkali-Ionen von < 50 ppm. Für die Bestimmung der Löslichkeit diverser Gase in den hergestellten Kieselsolen wurde das Verfahren der Manometrie angewendet. Hierfür kam eine neu aufgebaute, modulare Apparatur zum Einsatz. Die Löslichkeit L des Gases kann aus der Massenbilanz der Gasphasen vor und nach dem Expansionsexperiment als Funktion der Absorbatmasse berechnet werden. Im Folgenden werden die verwendeten Apparaturen hinsichtlich ihres Aufbaus, ihrer Eigenschaften und ihrer Leistungsfähigkeit vorgestellt. Zusätzlich wird ein Überblick über die verwendeten Bauteile und Peripheriegeräte gegeben.The method used in this work to produce unstabilized silica sols is based on a variety of ion exchange steps of the colloidal, alkaline starting materials. As unstabilized or demineralized silica sols in this work colloidal silica dispersions are referred to, which have been removed by physical and chemical means ions. For this purpose, various resins are used with their wide range of applications for targeted depletion of ions. The key point is concentrations of the alkali ions of <50 ppm. The method of manometry was used to determine the solubility of various gases in the prepared silica sols. For this purpose, a newly constructed, modular apparatus was used. The solubility L of the gas can be calculated from the mass balance of the gas phases before and after the expansion experiment as a function of the absorbance mass. In the following, the equipment used in terms of their structure, their properties and their performance will be presented. In addition, an overview of the components and peripherals used is given.

3.2.1 Apparatur zur Darstellung vollentsalzter Kieselsäuredispersionen 3.2.1 Apparatus for the preparation of demineralized silica dispersions

Die experimentellen Abreicherungsschritte wurden an Ionenaustauschersäulen vorgenommen. Als Ausgangsmaterial kam das alkalisch stabilisierte Köstrosol® 1530 der Chemiewerk Bad Köstritz GmbH zum Einsatz. Nach der gezielten Substitution der Ionen wurde mit deionisiertem Wasser auf die gewünschte Einsatzkonzentration verdünnt. Die Deionisierung der Dispersionen erfolgte in drei Stufen. Nach jedem Teilbereich dieser Prozedur wurde das Kieselsol bei Raumtemperatur 24 Stunden klimatisiert, um die Diffusion von Ionen innerhalb der kolloidalen Teilchen in das Dispergiermedium zu gewährleisten. Das Schema der angewendeten Apparatur ist in zu sehen. Die Volumina der eingesetzten Ionenaustauscher (Tabelle 3.4) wurden so gewählt, dass maximal 50% deren maximaler Kapazität erschöpft wurden. Charakteristikum der ersten Substitutionsstufe war die Reduzierung des Gehaltes an Kationen mittels eines starksauren Ionenaustauschers. Das resultierende, kationenausgetauschte Sol besitzt anschließend einen pH-Wert von circa 2. Im folgenden Anionenaustauschschritt werden im System schwerpunktmäßig die Konzentrationen der herstellungsbedingt zugesetzten Chlorid- und Sulfat-Ionen erniedrigt. Als dritte Prozessstufe kam die erneute Einleitung des deionisierten Kieselsoles über einen starksauren Ionenaustauscher zum Einsatz. Diese diente der Reduzierung von Schwermetall-Ionen sowie den, aus dem Bulk der kolloidalen Partikel diffundierten, Kationen. Auf einem derartigen Wege hergestellte unstabilisierte (vollentsalzte) Kieselsole charakterisieren sich anhand eines pH-Wertes von 3,3 ± 0,2. Ihre Lagerfähigkeit beträgt auf Grund fehlender, eine Gelbildung fördernder, Ionen mehrere Monate [179]. Aus Erfahrungen des Herstellers mit derartigen Austauschprozessen wurde eine Temperatur von 293 K sowie Normaldruck für die Ionenaustauschschritte angewendet.The experimental depletion steps were carried out on ion exchange columns. The starting material was the alkaline stabilized Köstrosol ® 1530 from Chemiewerk Bad Köstritz GmbH. After the targeted substitution of the ions was diluted with deionized water to the desired use concentration. The deionization of the dispersions was carried out in three stages. After each portion of this procedure, the silica sol was conditioned at room temperature for 24 hours to ensure diffusion of ions within the colloidal particles into the dispersing medium. The scheme of the applied apparatus is in to see. The volumes of the ion exchangers used (Table 3.4) were chosen so that a maximum of 50% of their maximum capacity was exhausted. Characteristic of the first substitution step was the reduction of the content of cations by means of a strongly acidic ion exchanger. The resulting, cation-exchanged sol then has a pH of about 2. In the following anion exchange step, the concentrations of the production-induced added chloride and sulfate ions are reduced in the system. The third stage of the process was the reintroduction of the deionized silica sol via a strongly acidic ion exchanger. This served to reduce heavy metal ions as well as the cations diffused from the bulk of the colloidal particles. Unstabilized (fully desalted) silica sols prepared in such a way are characterized by a pH of 3.3 ± 0.2. Their storability is due to missing, gelation promoting, ions several months [179]. From experiences of the manufacturer with such exchange processes a temperature of 293 K as well as normal pressure for the ion exchange steps was used.

3.2.2 Bestimmung der Löslichkeiten von Gasen3.2.2 Determination of solubilities of gases

Für die Messung der Gaslöslichkeit von ternären Gemischen wurde eine neue Apparatur auf volumetrischer Basis aufgebaut. Das Prinzip dieser Anlage ist die Expansion eines Gases aus einem definierten Vorlagevolumen in einen Probenraum, welcher mit absorbierender Komponente gefüllt ist. Nach dem Einbringen eines Fluids in den Proberaum und Einstellung von konstantem Druck sowie konstanter Temperatur im Vorlagegefäß wird das Ventil zum Probenraum geöffnet. Darauf aufbauend wird ein Druckabfall im Zuge isothermer Expansion sowie von Absorptionseffekten im gewählten Fluid beobachtet. Mit Hilfe einer Massenbilanz kann aus der Druckdifferenz und den Volumen der Gasphasen die absorbierte Masse bestimmt werden. Zum Aufbau der Apparatur wurde das in dargestellte Schema als Vorlage genommen. Durch die ausschließliche Verwendung von Edelstahlbauteilen sind Messungen mit korrosiven Gasen möglich. Die Anlage ist durch ihre Konzeption der Bauelemente für Drücke bis 1,4·107 Pa ausgelegt (Tabelle 3.5). Als unentbehrliche Grundlage zur Messung von isothermen Expansionen, wurde die Apparatur zur Thermostatierung in ein Wasserbad integriert. Eine zusätzliche Umwälzpumpe garantiert im abgeschlossenen Innenraum eine homogene Stoff- und Temperaturverteilung. Sensoren zur Temperatur- und Druckkontrolle dienten einer Erfassung der Messergebnisse und konnten unter Zuhilfenahme eines Computers ausgelesen werden. Für die Gewährleistung qualitativ hochwertiger Daten, wurden unterschiedliche Drucksensoren mit spezifischen Messbereichen für die verschiedenen Druckbereiche eingesetzt. Zur Validierung der neu konzipierten Apparatur wurden in einer ersten Phase deren erforderliche Anlagenvolumina ermittelt. Dies erfolgte durch Expansionsversuche mit Stickstoff bei einer Temperatur von 298 K bis zu Druckstufen von 1,2·107 Pa. Die ermittelten Anlagenvolumina sind in Tabelle 3.6 zusammengefasst. Eine abschließende Verifizierung der Anlage wurde mit dem binären System Stickstoff-Wasser durchgeführt und mit bekannten, experimentellen Daten aus der Literatur verglichen [162]. Die gute Korrelation der Daten zur Löslichkeit von Stickstoff in Wasser können Tabelle 7.1 (siehe Anhang) entnommen werden.For the measurement of the gas solubility of ternary mixtures, a new apparatus was built on a volumetric basis. The principle of this system is the expansion of a gas from a defined original volume into a sample chamber which is filled with absorbent component. After introducing a fluid into the test chamber and setting constant pressure and constant temperature in the reservoir, the valve is opened to the sample chamber. Based on this, a pressure drop in the course of isothermal expansion as well as absorption effects in the selected fluid is observed. With the help of a mass balance, the absorbed mass can be determined from the pressure difference and the volume of the gas phases. For the construction of the apparatus was in shown schema taken as a template. Due to the exclusive use of stainless steel components, measurements with corrosive gases are possible. The system is designed by its design of components for pressures up to 1.4 · 10 7 Pa (Table 3.5). As an indispensable basis for the measurement of isothermal expansions, the apparatus for thermostating was integrated into a water bath. An additional circulation pump guarantees a homogeneous material and temperature distribution in the closed interior. Sensors for temperature and pressure control were used to record the measurement results and could be read out with the help of a computer. To ensure high-quality data, different pressure sensors with specific measuring ranges were used for the different pressure ranges. To validate the newly designed apparatus, the required system volumes were determined in a first phase. This was done by expansion experiments with nitrogen at a temperature of 298 K to pressure levels of 1.2 · 10 7 Pa. The calculated investment volumes are summarized in Table 3.6. A final verification of the plant was carried out with the binary system nitrogen-water and compared with known, experimental data from the literature [162]. The good correlation of the solubility data for nitrogen in water can be found in Table 7.1 (see Appendix).

Die Untersuchungen zur Löslichkeit von Stickstoff wurden bei 298 K durchgeführt. Im ersten Schritt wurde hierfür das Kieselsol im Arbeitsraum vorgelegt, vakuuiert und temperiert. Daran anschließend erfolgte die Beladung des Vorratsgefäßes mit Stickstoff. Nach der Temperierung des vollständigen Systems erfolgte die Aufzeichnung der Datenpunkte jede fünf Sekunden. Als Gleichgewicht wurde definiert, wenn die erhaltenen Werte innerhalb von zehn Minuten weniger als 0,5% vom Endwert abwichen. Beim folgenden Expansionsexperiment erfolgte eine minimale Öffnung des Ventils zum Probenraum. Mit Hilfe der installierten Umwälzpumpe wurde anschließend das Gas vorsichtig für eine optimale Gas- und Temperaturverteilung zirkuliert. Es galten die bereits erwähnten Gleichgewichtsbedingungen. Aus der Massenbilanz der Gasphasen des Expansionsexperimentes kann die Löslichkeit des jeweiligen Gases als Funktion der absorbierenden kolloidalen Kieselsäuredispersion errechnet werden. Die für die Berechnung der adsorbierten Stoffmengen benötigten Gasdichten wurden mit Hilfe von Zustandsgleichungen berechnet. In dieser Arbeit fand das Programm Fluidcal der Ruhr-Universität Bochum Verwendung [181]. Bestandteil des Programmes sind Zustandsgleichungen reiner Gase mit deren Hilfe verschiedene Eigenschaften der Fluide berechnet werden können. Auf die Entwicklung und Herleitung dieser Gleichungen sei auf die bekannte Literatur verwiesen [182–186]. Der relative Fehler der Löslichkeit beträgt ~0,2%.Nitrogen solubility studies were conducted at 298K. In the first step, the silica sol was placed in the working room, vacuumed and tempered. Subsequently, the loading of the storage vessel was carried out with nitrogen. After tempering the complete system, the data points were recorded every five seconds. Balance was defined as the values obtained deviated less than 0.5% of the final value within ten minutes. In the following expansion experiment, a minimum opening of the valve to the sample space was carried out. With the aid of the installed circulation pump, the gas was then carefully circulated for optimum gas and temperature distribution. The previously mentioned equilibrium conditions applied. From the mass balance of the gas phases of the expansion experiment, the solubility of the respective gas as a function of the absorbing colloidal silica dispersion can be calculated. The gas densities required for the calculation of the adsorbed substance quantities were calculated by means of equations of state. In this work the Fluidcal program of the Ruhr-Universität Bochum was used [181]. Part of the program are equations of state of pure gases with the aid of which different properties of the fluids can be calculated. On the development and Derivation of these equations is referred to the known literature [182-186]. The relative error of solubility is ~ 0.2%.

3.2.3 Messgenauigkeit3.2.3 Measurement accuracy

Für eine Bestimmung von Absorptionsgleichgewichten aus volumetrischen Experimenten ist die Kenntnis der absorbierten Masse notwendig. Als Messdaten können aber nur Druck, Temperatur und Absorbensmasse direkt erfasst werden. Die absorbierte Masse ist lediglich indirekt mittels einer Massenbilanz zugänglich. Erforderliche Grundlagen derartiger Berechnungen sind die verwendeten Anlagenvolumina sowie das Absorbatvolumen. Eine Abschätzung eines maximalen Fehlers für alle aufgeführten Messgrößen ist in Tabelle 3.7 unter Berücksichtigung der in den Tabelle 3.5 vorgestellten Geräteübersicht gegeben.For a determination of absorption equilibria from volumetric experiments the knowledge of the absorbed mass is necessary. As measured data, however, only pressure, temperature and mass of the absorbent can be detected directly. The absorbed mass is only indirectly accessible by means of a mass balance. Required bases of such calculations are the plant volumes used and the volume of absorbate. An estimation of a maximum error for all measured variables listed is given in Table 3.7 taking into account the device overview presented in Table 3.5.

3.3 Überführung von Kieselsolen in Xerogele3.3 Transfer of silica sols into xerogels

Die in dieser Arbeit verwendete Methode zur Überführung der wässrigen Kieselsole in Xerogele baut auf einer modifizierten Prozessführung der Sprühtrocknung, der Druckwechseltechnologie ( ), auf. Ungewöhnlich hohe Versprühdrücke (> 107 Pa) und Durchsätze sowie ein geringes Masseverhältnis Luftstrom zu Sprühmedium kennzeichnen diese Technik. Hauptmerkmal dieser Prozessführung ist ein Drucksprung aus dem Hochdruckteil vor zum Niedrigdruckpart nach der Düse um mindestens fünf Zehnerpotenzen. Aufgebaut ist diese Art der Sprühtrocknung durch einen flexiblen Hochdruckteil, eine beheizte Versprühkammer sowie ein modulares Filtersystem. Diese werden in den folgenden Abschnitten detailliert vorgestellt. Im zweiten Teil dieser Arbeit erfolgte die Beaufschlagung des kolloidalen Ausgangsmateriales mit einem Gas. Nach dem Erreichen der Zielparameter wurde das, idealerweise mit Gas gesättigte, Kieselsol sehr schnell in einem beheizten Volumen entspannt. Die zu erwartenden hohen Péclet-Zahlen (Pe > 10) im Trocknungsprozess sollten die Bildung von Hohlkugeln fördern. Anschließend werden die Staubgranulate an einem Filtersystem abgeschieden und regelmäßig abgetragen.The method used in this work to convert the aqueous silica sols into xerogels is based on a modified process control of spray drying, pressure swing technology ( ), on. Unusually high spraying pressures (> 10 7 Pa) and throughputs as well as a low mass ratio of air flow to spray medium characterize this technique. The main feature of this process is a pressure jump from the high pressure part before the low pressure part after the nozzle by at least five orders of magnitude. This kind of spray drying is built up by a flexible high-pressure part, a heated spraying chamber and a modular filter system. These are presented in detail in the following sections. In the second part of this work, the loading of the colloidal starting material with a gas took place. After reaching the target parameters, the silica gas, which was ideally saturated with gas, was released very rapidly in a heated volume. The expected high Péclet numbers (Pe> 10) in the drying process should promote the formation of hollow spheres. Subsequently, the dust granules are deposited on a filter system and removed regularly.

3.3.1 Hochdruckeinheit3.3.1 High pressure unit

Dieser Bestandteil der Druckwechseltechnologie beinhaltet den Aufbau von Drücken bis zu 4·107 Pa und Temperaturen bis 423 K. Da es sich bei Kieselsolen um sehr abrasive Medien handelt, sind alle Komponenten in Edelstahl, Keramik oder Kompositmaterialien gehalten. Kernstück der Anlage ist eine modifizierbare Hochdruckpumpe, welche durch variable Hubvolumina und Frequenzen eine Regelung sowie eine Reduzierung von Druckschwankungen gestattet. Die Einspeisung der Edukte wird aus zwei Vorlagebehältern ermöglicht. verdeutlicht den generellen Aufbau der Apparatur. In einem weiteren Prozessschritt kann die unter Hochdruck stehende kolloidale Kieselsäure-Dispersion mit einem Gas gezielt vermischt werden. Mit Hilfe eines Kompressors (KP) wird das gewählte Gas komprimiert und mit Druckreglern ein konstanter Druck voreingestellt. Anschließend wird anhand eines Massendurchflussreglers (MFC) unter kontinuierlichem Fluss dem Sol in der Mischkammer Gas zudosiert. Zur Gewährleistung der gewünschten Sprüheingangstemperatur strömt das Fluid anschließend durch ein thermostatiertes Rohrleitungssystem. Um Druckflussschwankungen zu reduzieren, wurde als Querschnitt der Düsenaustrittsöffnung maximal 2·10–4 m verwendet. Bei größeren Durchmessern am Düsenausgang kam es zu starken Pulsierungen, Unterbrechungen der fluiden Strömung durch Gasphasen, des Sprühs.This component of the pressure swing technology includes the construction of pressures up to 4 · 10 7 Pa and temperatures up to 423 K. Since silica sols are very abrasive media, all components are held in stainless steel, ceramic or composite materials. The core of the system is a modifiable high-pressure pump, which allows variable volume and frequency control and a reduction of pressure fluctuations. The feed of the educts is made possible from two storage containers. clarifies the general structure of the apparatus. In a further process step, the high-pressure colloidal silica dispersion can be mixed with a gas in a targeted manner. With the help of a compressor (KP), the selected gas is compressed and pre-set with pressure regulators a constant pressure. Subsequently, gas is added to the sol in the mixing chamber by means of a mass flow controller (MFC) under continuous flow. To ensure the desired spray inlet temperature, the fluid then flows through a thermostatically controlled piping system. In order to reduce pressure flow fluctuations, a maximum of 2 × 10 -4 m was used as the cross section of the nozzle outlet opening. With larger diameters at the nozzle exit there were strong pulsations, interruptions of the fluid flow by gas phases, the spray.

Eine Beaufschlagung der Kieselsole mit Gas erfolgte in Abhängigkeit der Trocknungstemperatur in der Versprühkammer bei 0,5 (363 K) sowie 0,7 NL min–1 (398 K). Die sich hieraus ergebende temperaturbedingte Diskussion zur Stoffübergangsgeschwindigkeit (Trocknungsrate) kann Abschnitt 4.2.2.2 entnommen werden. Die Durchsätze lagen druckabhängig bei 5,5 bis 8,5 L h–1. Wie in Abschnitt 4.2 (Seite 50) diskutiert, ist die Sättigung des Kieselsoles mit Stickstoff bei 298 K unter Verwendung derartiger Flussraten unterschiedlich ausgeprägt. Bei Drücken unter 1,5·107 Pa ist eine Bildung von Gasphasen zu beobachten.A loading of the silica sol with gas took place in dependence of the drying temperature in the spray chamber at 0.5 (363 K) and 0.7 NL min -1 (398 K). The resulting temperature-related discussion of the mass transfer rate (drying rate) can be found in Section 4.2.2.2. The throughputs were pressure dependent at 5.5 to 8.5 L h -1 . As discussed in Section 4.2 (page 50), the saturation of the silica sol with nitrogen at 298 K using such flow rates is different. At pressures below 1.5 · 10 7 Pa, a formation of gas phases can be observed.

3.3.2 Trocknungssystem3.3.2 Drying system

Zur Verwirklichung der gewünschten, erhöhten Péclet-Zahlen (Pe > 10) musste der Trocknungsprozessschritt so effektiv wie möglich gestaltet werden. In diesem Zusammenhang wurde das tangential in die Versprühkammer einströmende, anhand eines Massendurchflussreglers (MFC) steuerbare, Trocknungsgas durch zusätzliche Wärmestrahlung unterstützt. Die verwendeten Infrarotstrahler als Wärmestrahlungsquelle sind für eine einheitliche sowie zielgerichtete Wärmeabgabe variabel verstellbar. Für die in dieser Arbeit verwendeten Parameter der Druckwechseltechnologie werden Hohlkegeldüsen (Einstoffdüsen) zur Bildung eines Sprühs eingesetzt. Sie ermöglichen die Zerstäubung des Mediums unter sehr hohem Druck bei entsprechenden Durchsätzen in Kombination mit der Realisierung kleiner Tröpfchengrößenverteilungen (d50(V) < 5·10–5 m). Bei Verwendung von Vollkegeldüsen sind die Wahrscheinlichkeiten von Koagulationsphänomenen der gebildeten Tropfenkollektive infolge kollabierender Lamellen signifikant höher. Auf Grund der entstehende Länge des Düsenausgangsstrahles (> 2 m; νTr > 60 m s–1) konnte nur eine Trocknung im Gleichstrom für eine Abführung des Produktes realisiert werden. Wie in dargestellt, erfolgte die Bestimmung der Temperatur am Ein- und Ausgang zur Versprühkammer. Um den Einfluss von physisorbiertem Wasser an der Silica-Oberfläche diskutieren zu können, wurden in diesem Zusammenhang zwei Trocknungsprofile angewendet. Tabelle 3.7 kennzeichnet hierzu die gewählten physikalisch-chemischen Parameter. Für eine zeitnahe Abführung der Feuchtigkeit sowie zur Optimierung der Trocknungsbedingungen wurde im Reaktor der Volumenstrom des Trocknungsgases mittels eines Massendurchflussreglers (MFC) auf 330 m3 h–1 festgesetzt. Anhand eines weiteren Gebläses am Filter, konnte in der Versprühkammer ein Unterdruck von < 2·102 Pa realisiert werden.To achieve the desired, elevated Péclet numbers (Pe> 10), the drying process step needed to be made as effective as possible. In this context, the drying gas flowing tangentially into the spraying chamber and controllable by means of a mass flow controller (MFC) was supported by additional heat radiation. The infrared radiators used as heat radiation source are variably adjustable for uniform and targeted heat dissipation. For the parameters of pressure swing technology used in this work, hollow cone nozzles (single-fluid nozzles) are used to form a spray. They allow the atomization of the medium under very high pressure at corresponding throughputs in combination with the realization of small droplet size distributions (d 50 (V) <5 x 10 -5 m). When using full cone nozzles, the probabilities of coagulation phenomena of the formed drop collective due to collapsing lamellae are significantly higher. Due to the resulting length of the nozzle exit jet (> 2 m, ν Tr > 60 ms -1 ), only one drying process was carried out in direct current for discharging the product. As in shown, the determination of the temperature at the inlet and outlet to the spraying chamber. In order to discuss the influence of physisorbed water on the silica surface, two drying profiles were used in this context. Table 3.7 indicates the selected physical-chemical parameters. For a timely removal of moisture and for optimizing the drying conditions, the volume flow of the drying gas was set to 330 m 3 h -1 in the reactor by means of a mass flow controller (MFC). By means of a further blower on the filter, a vacuum of <2 · 10 2 Pa could be realized in the spraying chamber.

3.3.3 Filtration3.3.3 Filtration

Für die Verwirklichung der Filtration und Gewährleistung des Unterdruckes in der Versprühkammer wurden zur Gewinnung der gebildeten Partikel sogenannte Filterstrümpfe eingesetzt. zeigt am Beispiel von Entstaubungsgeräten der SFK-Serie der Firma MAHLE Filtersysteme GmbH die Beschaffenheit des im Rahmen dieser Arbeit aufgebauten Filtersystems [187]. Vorteile dieses Filteraufbaus sind die Bereitstellung großer Filterflächen sowie der Betrieb derartiger Systeme unter Volumenströmen von > 100 m3 h–1. Der partikelbeladene Rohgasstrom tritt, zur gleichmäßigen Strömungsverteilung und Vorabscheidung gröberer Staubpartikel (dP > 10–3 m), tangential in den Filter ein. Beim anschließenden Durchströmen der Filterelemente wird der beinhaltete Feinstaub auf der Elementoberfläche abgeschieden. In bestimmten, von der Staubbeladung und der Filterflächenbelastung abhängigen, Zeitabständen wird der Filterkuchen mittels Druckluft abgereinigt. Die Ansteuerung der Membranventile erfolgt über eine seitlich am Filtergehäuse angebrachte elektronische Steuerung [187]. Der abgelöste Staub fällt in ein, im unteren Bereich angebrachtes, Probenahmegefäß. Zur Reduzierung der Feinstaubbelastung und zum Schutz der erhaltenen Xerogele vor Luftfeuchtigkeit wurden zwischen diesem Behältnis und dem Filter zwei schaltbare Steuerklappen eingesetzt. Das gereinigte Gas strömt anschließend in den oberen Filterbereich und wird mittels eines Gebläses abgesaugt. Ein Auskondensieren von Luftfeuchtigkeit auf dem Filtersystem konnte infolge dieser Anordnung durch einen Druck im Abluftsystem von < 102 Pa umgangen werden.For the realization of the filtration and ensuring the negative pressure in the spraying chamber so-called filter stockings were used to obtain the particles formed. shows on the example of dedusting devices of the SFK series of the company MAHLE Filtersysteme GmbH the nature of the filter system built up in the context of this work [187]. Advantages of this filter design are the provision of large filter surfaces and the operation of such systems under volume flows of> 100 m 3 h -1 . The particle-laden crude gas stream enters the filter tangentially for uniform flow distribution and pre-separation of coarser dust particles (d P > 10 -3 m). During the subsequent passage of the filter elements, the particulate matter contained is deposited on the element surface. In certain, depending on the dust load and the filter surface load, time intervals, the filter cake is cleaned by means of compressed air. The control of the diaphragm valves via an electronic control attached laterally on the filter housing [187]. The detached dust falls into a, located in the lower area, sampling vessel. To reduce the particulate matter pollution and to protect the obtained xerogels against humidity, two switchable control flaps were inserted between this container and the filter. The cleaned gas then flows into the upper filter area and is sucked off by means of a blower. A condense of humidity on the filter system could be avoided as a result of this arrangement by a pressure in the exhaust air system of <10 2 Pa.

3.3.4 Verwendete Geräte3.3.4 Used devices

In Tabelle 3.8 sind alle verwendeten Geräte und Messmittel aufgeführt, welche für die Durchführung der Experimente, basierend auf den in den Abschnitten 3.3.1 bis 3.3.3 vorgestellten Apparaturen, erforderlich waren.Table 3.8 lists all equipment and measuring equipment used to perform the experiments, based on the equipment presented in Sections 3.3.1 to 3.3.3.

Die Volumenströme der zu versprühten Proben wurden anhand von Auslitern der verwendeten Behältnisse ermittelt. Hierfür wurden spezielle Volumina gekennzeichnet und eine Regression der erhaltenen Werte durchgeführt. Jede Volumenstromermittlung der eingesetzten Proben wurde an mindestens fünf variablen Kennzeichnungen und Zeiten durchgeführt.The volume flows of the samples to be sprayed were determined on the basis of samples of the containers used. For this special volumes were marked and a regression of the obtained values was carried out. Each volume flow determination of the samples used was carried out on at least five variable markings and times.

3.3.5 Messgenauigkeit3.3.5 Measurement accuracy

Grundlegende Betrachtungspunkte der Sprühtrocknung zur Überführung der wässrigen Systeme in Pulver sind die Ein- und Ausgangsbedingungen der Trocknungsstufe. Eine exakte Temperatur und Druckerfassung sind dementsprechend ebenso die Basis derartiger Analysen, wie die indirekte Erfassung des Volumenstromes. Die Abschätzung eines maximalen Fehlers für alle aufgeführten Messgrößen ist in Tabelle 3.10 unter Berücksichtigung der in den Tabellen 3.9 vorgestellten Geräteübersicht gegeben.Basic considerations of spray drying to convert the aqueous systems into powders are the input and output conditions of the drying step. An exact temperature and pressure detection are accordingly also the basis of such analyzes, as the indirect detection of the volume flow. The estimation of a maximum error for all measured variables listed is given in Table 3.10 taking into account the device overview presented in Tables 3.9.

3.4 Charakterisierung3.4 Characterization

3.4.1 Charakterisierung der Dispersionen3.4.1 Characterization of the dispersions

Bestimmungen der Oberflächen der kolloidalen Systeme erfolgten mittels einer Titration mit Kaliumhydroxid-Lösung von pH-Wert 4 auf pH-Wert 9. Diese Charakterisierung ist angelehnt an die von SEARS [188] 1956 publizierte Arbeitsweise zur Korrelation der Oberfläche von kolloidalen Kieselsäure-Dispersionen mit der BET-Methode. Modifikationen betreffen die verwendeten Reagenzien sowie die Überführung der Kieselsole auf ihren Ausgangswert (pH-Wert) der Titration. Hierzu wurden die kolloidalen Kieselsäuren unter Verwendung eines starksauren Ionenaustauschers (Lewatit® S100; Tabelle 3.4) in einer Vorstufe sauer eingestellt. Anschließend erfolgte die Titration in zwei, voneinander unabhängigen, Schritten. Als Titrator wurde ein TitroLine® alpha plus TA 20 der Firma Schott Instruments Analytics verwendet. Die Titration erfolgte mit Kaliumhydroxid-Lösung (0,1 N) unter Einsatz der Einstabmesskette Schott Instruments H61 bei 298 K. Analysen des pH-Wertes erfolgten bei 298 K durch eine EGC 151-Elektrode der Firma Sensortechnik Meinsberg GmbH. Alle angewendeten Elektroden wurden täglich kalibriert. Viskositätsbestimmungen erfolgten mittels eines Kugelfallviskosimeters Höppler® KF 3.2 der Firma RHEOTEST Messgeräte Medingen GmbH. Dessen Thermostatierung bei 293 K wurde mittels eines Julabo ED der Firma Julabo Labortechnik GmbH durchgeführt. Bestimmungen der Diffussionsgeschwindigkeiten als Grundlage des hydrodynamischen Durchmessers erfolgten mit dem Gerät Zetasizer® Nano ZS der Firma Malvern Instruments GmbH. Dieses Gerät arbeitet auf Basis der dynamischen Lichtstreuung nach dem Rückstreuungsprinzip bei einem Winkel von 173°. Wenn nicht anders angegeben, erfolgten die Referenzmessungen der Proben in einer Verdünnung von 1:2500 (v:v) bei einem pH-Wert von 9,2 mit Hilfe von ammoniakalisch eingestelltem Reinstwasser. Als Grundlage für eine Auswertung der Analyseergebnisse diente die MIE-Theorie [189, 190]. Die Untersuchung der Diffusionsgeschwindigkeiten von konzentrierten Solen erfolgte direkt in der jeweiligen kolloidalen Dispersion. Hierbei wurden keine Viskositätskorrekturen des monomodalen Auswertealgorithmus der teilweise metastabilen Proben durchgeführt. Redispergierte Proben wurden zur erforderlichen Reduzierung von Suspendierungseffekten unter Zuhilfenahme eines Spritzenfilters (8·10–7 m; PE) in die Messzellen überführt. Analysen der Tropfengrößenverteilungen wurden mit Hilfe des Gerätes Spraytec® der Firma Malvern Instruments GmbH durchgeführt. Diese Methode nutzt ein statisches Laserbeugungsprinzip unter zeitlicher Fokussierung sowie örtlicher Fixierung. Verantwortlich für die Bereitstellung des Sprühbildes war der, unter Punkt 3.3.1 konstruierte, Hochdruckteil. Die Analyse der Tropfenkollektive wurde auf Grund der Länge des Düsenaustrittsstrahles bei 298 K und Normaldruck durchgeführt. Dazugehörige Messpunkte waren 5·10–2 m sowie 0,24 m hinter der Düsenaustrittsöffnung angeordnet.Determinations of the surfaces of the colloidal systems were carried out by means of a titration with potassium hydroxide solution of pH 4 to pH 9. This characterization is based on the published by SEARS [188] 1956 operation for the correlation of the surface of colloidal silica dispersions with the BET method. Modifications concern the reagents used as well as the conversion of the silica sols to their initial value (pH value) of the titration. For this purpose, the colloidal silicic acids using a strongly acidic ion exchanger (Lewatit ® S100, Table 3.4) was acidified in a preliminary stage. Subsequently, the titration was carried out in two independent steps. As a titrator TitroLine ® alpha plus TA 20 Schott Instruments Analytics was used. The titration was carried out with potassium hydroxide solution (0.1 N) using the Einstabmesskette Schott Instruments H61 at 298 K. Analyzes of the pH were carried out at 298 K by an EGC 151 electrode from Sensortechnik Meinsberg GmbH. All applied electrodes were calibrated daily. Viscosity measurements were made using a falling ball viscometer Hoppler ® KF 3.2 Company RHEOTEST instruments Medingen GmbH. Its thermostatization at 293 K was carried out using a Julabo ED from Julabo Labortechnik GmbH. Provisions of the diffusion speeds as the basis of the hydrodynamic diameter were made with the Zetasizer ® Nano ZS from Malvern Instruments GmbH. This device works on the basis of the dynamic light scattering according to the backscatter principle at an angle of 173 °. Unless otherwise stated, the reference measurements of the samples were made at a dilution of 1: 2500 (v: v) at a pH of 9.2 using ammonia-adjusted ultrapure water. The MIE theory [189, 190] served as the basis for an evaluation of the analysis results. The examination of the diffusion rates of concentrated sols was carried out directly in the respective colloidal dispersion. In this case, no viscosity corrections of the monomodal evaluation algorithm of the partially metastable samples were carried out. Redispersed samples were transferred to the measuring cells for the required reduction of suspension effects with the aid of a syringe filter (8 × 10 -7 m, PE). Analyzes of droplet size distributions were carried out using the device Spraytec ® from Malvern Instruments GmbH. This method uses a static laser diffraction principle with temporal focusing and local fixation. Responsible for the provision of the spray pattern was the high-pressure section constructed under point 3.3.1. The analysis of the droplet collective was carried out at 298 K and normal pressure due to the length of the nozzle exit jet. Associated measuring points were arranged 5 × 10 -2 m and 0.24 m behind the nozzle outlet opening.

Zur Aufkonzentrierung der verwendeten kolloidalen Ausgangsmaterialien wurde der Laborotta 4011-Rotationsverdampfer der Firma Heidolph Instruments GmbH & Co. KG verwendet. Die Verdampfung des Fluids erfolgte routinemäßig bei 333 K unter Anwendung der Vakuumpumpe 113043 der Ilmvac GmbH. Mittels Titration der Kieselsol-Proben mit Salzsäure gegen Methylorange bei 298 K wurde die Alkalität der Ausgangsmaterialien bestimmt. Die Angabe des Analysewertes erfolgt als Masseprozent Natriumoxid. Unter Verwendung des Gerätes DMA 4500 der Firma Anton Paar GmbH erfolgte die Bestimmung der Dichte flüssiger Proben. Hierfür wurden die Proben anhand einer Spritze in das Instrument appliziert, temperiert und mittels Biegeschwinger vermessen. Die Analyse des Feststoffgehaltes von Kieselsäuredispersionen erfolgte in einem Ofen L 24/11 M P320 der Firma Nabertherm GmbH. Hierbei wurde das Ausgangsmaterial zwei Stunden bei 1223 K getrocknet. Anschließend errechnete sich aus der Differenz der Massen der Probe vor und nach der Temperierung der Trockensubstanzgehalt.To concentrate the colloidal starting materials used, the Laborotta 4011 rotary evaporator from Heidolph Instruments GmbH & Co. KG was used. The evaporation of the fluid was routinely carried out at 333 K using the vacuum pump 113043 Ilmvac GmbH. By titration of the silica sol samples with hydrochloric acid against methyl orange at 298 K, the alkalinity of the starting materials was determined. The indication of the analysis value takes place as mass percent sodium oxide. The density of liquid samples was determined using the DMA 4500 instrument from Anton Paar GmbH. For this purpose, the samples were applied by means of a syringe into the instrument, tempered and measured by means of bending oscillator. The solids content of silica dispersions was analyzed in an oven L 24/11 M P320 from Nabertherm GmbH. Here, the starting material was dried at 1223 K for two hours. The dry matter content was then calculated from the difference between the masses of the sample before and after the temperature control.

3.4.2 Charakterisierung der Xerogele3.4.2 Characterization of the xerogels

Die in dieser Arbeit durchgeführten Laserbeugungsexperimente wurden am Mastersizer® 2000 der Firma Malvern Instruments GmbH durchgeführt. Für die Analysen unter Zuhilfenahme von Pressluft als Dispergiermedium kam der gerätespezifische Aufsatz Scirocco® 2000 zum Einsatz. Schwingrinnen dienten hierbei der Probenzuführung zur Messzelle. In diesem Zusammenhang wurde der Dispergierdruck für mechanische Stabilitätsuntersuchungen stufenweise in 105 Pa-Schritten von 105 Pa auf 4·105 Pa gesteigert. Nach einer Analysezeit von jeweils einer Minute erfolgten die Auswertungen auf Basis der MIE-Theorie [189, 190]. Als Vergleichsprobe kam ein ebenfalls via Sol-Gel-Chemie hergestelltes Xerogel (Köstrosolid® 0403) der Chemiewerk Bad Köstritz GmbH zum Einsatz. Die Messungen der Partikelverteilungen im wässrigen Untergrund erfolgten anhand des Aufsatzes Hydra® 2000S. In dieser Hinsicht wurden die Proben in Reinstwasser suspendiert, zwei Minuten unter Ultraschall behandelt und anschließend per Pumpe in die dazugehörige Messzelle gefördert. Die Auswertung der Ergebnisse erfolgte unter den Grundsätzen der FRAUNHOFER-Beugung. Berechnungen des Span-Wertes (relativ) der Partikelgrößenverteilungen wurden nach der Gleichung

Figure DE102014011635A1_0030
durchgeführt. Untersuchungen zur Oberflächenmorphologie der Xerogele erfolgten anhand der Geräte Nova® 3000e (Stickstoff-Sorption) und Poremaster® 60 GT (Quecksilberporosimetrie) der Firma Quantachrome GmbH & Co. KG. Vor den jeweiligen Analysen wurden die ausgewählten Xerogele eineinhalb (Quecksilberporosimetrie) bzw. drei Stunden (Stickstoff-Sorption) bei 573 K unter Hochvakuum getrocknet. Die Messung und Auswertung der Daten der Stickstoff-Sorption erfolgten mittels der Software NovaWin® (Version 1.12). Eine mechanische Instabilität der Partikel bei den Quecksilberintrusionsversuchen konnte nicht beobachtet werden. Die Bestimmung der Schüttdichte erfolgte anhand der Auswaage eines Gefäßes mit genormtem Volumen. Hierfür wurde die Probe möglichst luftfrei in den Behälter eingefüllt und ausgewogen. Aus der Massendifferenz zwischen gefülltem und leerem Gefäß ist das Verhältnis Masse zu Volumen, die Schüttdichte, zugänglich. Angegebene Werte in dieser Arbeit sind das arithmetische Mittel aus mindestens drei Analysen. Eine Analyse des Siliziumdioxid-Gehaltes wurde nach dem vollständigen Trocknen der Proben bei 1223 K durch Zugabe von Fluorwasserstoffsäure (40% (m:m)) bei analoger Temperatur durchgeführt. Aus der Differenz der beiden Massen, bezogen auf das Ausgangsgewicht, ergibt sich der Gehalt an Siliziumdioxid. Feuchtigkeitsgehaltsuntersuchungen erhaltener Xerogele erfolgten am Gerät MA 35M der Firma Sartorius AG. In diesem Zusammenhang wurden die Proben bei 298 K eingewogen und bei 433 K bis zur Massekonstanz getrocknet. Mit Hilfe einer Massenbilanz ist die Feuchtigkeit zugänglich. Zur Messung des pH-Wertes der Xerogele wurden 10%ige (m:m) Suspensionen der erhaltenen Pulver in Reinstwasser hergestellt. Anschließend wurden diese unter Rühren bei 298 K mit einer Elektrode EGC-151 der Firma Sensortechnik Meinsberg GmbH vermessen. Eine Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes der modifizierten Xerogele erfolgte am Gerät multi EA 2000-CS von Analytik Jena AG. In diesem Zusammenhang wurde die Probe auf ein Schiffchen aufgebracht und im Sauerstoffstrom bei 1473 K verbrannt. Angewendete Zerkleinerungstechniken an den erhaltenen Pulvern waren das Mörsern der Proben mit Hilfe eines Achat-Mörsers sowie die Vermahlung mittels einer Labormühle A 11 B von IKA Labortechnik GmbH. Die Betriebszeit betrug hierbei 5 × 30 s. Röntgendiffraktogramme wurden mit einem Gerät des Typs D4 „ENDEAVOR” der Firma Bruker AXS GmbH mit einer Röntgenröhre für CuKα-Strahlung aufgenommen. Die Messungen erfolgten mit einer Schrittweite von 0,02° 2 Theta (1 s pro Schritt) in einem Winkelbereich zwischen 5 und 85° 2 Theta.The tests carried out in this work laser diffraction experiments were carried out at the Mastersizer ® 2000 from Malvern Instruments GmbH. The instrument-specific attachment Scirocco ® 2000 was used for the analyzes with the aid of compressed air as the dispersing medium. Vibrating troughs were used to supply the sample to the measuring cell. In this connection, the dispersion pressure for mechanical stability tests was gradually increased in 10 5 Pa steps from 10 5 Pa to 4 × 10 5 Pa. After an analysis time of one minute each, the evaluations were based on the MIE theory [189, 190]. As a control an also produced via sol-gel chemistry xerogel (Köstrosolid ® 0403) was the chemical Bad Köstritz GmbH used. The measurements of the particle distributions in the aqueous subsoil were carried out by means of the article Hydra ® 2000S. In this regard, the samples were suspended in ultrapure water, treated under ultrasound for two minutes and then pumped to the appropriate measuring cell. The evaluation of the results was carried out under the principles of FRAUNHOFER diffraction. Calculations of the span value (relative) of the particle size distributions were made according to the equation
Figure DE102014011635A1_0030
carried out. Studies on the surface morphology of the xerogels made using the device Nova ® 3000e (nitrogen sorption) and Poremaster ® 60 GT (mercury) from Quantachrome GmbH & Co. KG. Prior to the respective analyzes, the selected xerogels were dried one and a half (mercury porosimetry) or three hours (nitrogen sorption) at 573 K under high vacuum. The measurement and evaluation of the nitrogen sorption data were carried out using the NovaWin ® software (version 1.12). Mechanical instability of the particles in the mercury intrusion experiments could not be observed. The determination of the bulk density was carried out on the basis of the weight of a vessel with a standardized volume. For this purpose, the sample was filled into the container as free of air as possible and balanced. From the mass difference between filled and empty vessel, the mass to volume ratio, the bulk density, is accessible. Stated values in this work are the arithmetic mean of at least three analyzes. An analysis of the silica content was carried out after complete drying of the samples at 1223 K by adding hydrofluoric acid (40% (m: m)) at an analogue temperature. From the difference between the two masses, based on the initial weight, the content of silicon dioxide results. Moisture content studies of preserved xerogels were carried out on the MA 35M device from Sartorius AG. In this context, the samples were weighed at 298 K and dried at 433 K to constant mass. With the help of a mass balance, the moisture is accessible. To measure the pH of the xerogels, 10% (m: m) suspensions of the resulting powders were prepared in ultrapure water. These were then measured with stirring at 298 K with an electrode EGC-151 from Sensortechnik Meinsberg GmbH. The carbon content of the modified xerogels was determined on the Multi EA 2000-CS device from Analytik Jena AG. In this context, the sample was applied to a boat and burned in an oxygen stream at 1473 K. Applied crushing techniques on the obtained powders were the mortars of the samples using an agate mortar and the grinding by means of a laboratory mill A 11 B IKA Laboratory GmbH. The operating time was 5 × 30 s. X-ray diffractograms were recorded using a device of the type D4 "Endeavor" Bruker AXS GmbH with an X-ray tube for CuK α radiation. The measurements were taken with a step size of 0.02 ° 2 theta (1 s per step) in an angle range between 5 and 85 ° 2 theta.

3.4.3 Elektronenmikroskopische Aufnahmen3.4.3 Electron micrographs

Charakteristika der Methode der Laserbeugung sind die Einschränkungen im Zuge ihrer physikalischen Grenzen sowie der verwendeten Auswertealgorithmen. In diesem Kontext lieferten einige Datensätze Aussagen über Partikel mit Durchmessern von > 10–4 m. Oft sind derartige Ergebnisse eine Folge von Fragmentierungserscheinungen während einer Messung. Lösungsalgorithmen der Software versuchen anschließend diese in eine auswertbare, sphärische Form zu überführen. Als Folge der ermittelten Tröpfchengrößenverteilungen können derartige Partikeldurchmesser aber als äußerst unwahrscheinlich angesehen werden. Auch eine Koagulation von diversen Tropfen sollten keine derartigen Partikeldimensionen generieren. Eine weitere Herausforderung ist die nur geringe Auflösung der statischen Laserbeugung bei Partikelradien im Bereich von < 2,5·10–7 m. Mathematische Auswertungen der erhaltenen Datenpakete berücksichtigen dementsprechend nur einen Bruchteil der Partikel im nanoskalaren Größenbereich. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen belegen hingegen die Anwesenheit eines signifikanten Anteiles von Partikeln im Bereich < 5·10–7 m. Des Weiteren widerlegen sie Partikeldurchmesser von > 3·10–5 m. In diesem Zusammenhang möchte sich der Autor bei Herrn Dr. Melzer (TU Freiberg), Frau Gerlinde Habler (TU WIEN), Frau Andrea Prager (IOM Leipzig) sowie der Wacker Chemie AG (Burghausen) für die elektronenmikroskopischen Vermessungen bedanken. In den folgenden Kapiteln werden die Quellen der jeweiligen Bilder durch ihren Analyseort gekennzeichnet.Characteristics of the method of laser diffraction are the limitations in the course of their physical limits and the evaluation algorithms used. In this context, some datasets provided information about particles with diameters of> 10 -4 m. Often such results are a consequence of fragmentation phenomena during a measurement. Solution algorithms of the software then try to convert them into an evaluable, spherical form. However, as a result of the determined droplet size distributions, such particle diameters can be considered extremely unlikely. Even coagulation of various drops should not generate such particle dimensions. Another challenge is the low resolution of the static laser diffraction at particle radii in the range of <2.5 · 10 -7 m. Mathematical evaluations of the received data packets accordingly take into account only a fraction of the particles in the nanoscale size range. By contrast, scanning electron micrographs show the presence of a significant proportion of particles in the range <5 × 10 -7 m. Furthermore, they refute particle diameters of> 3 · 10 -5 m. In this context, the author would like to thank Dr. Ing. Melzer (TU Freiberg), Ms. Gerlinde Habler (TU WIEN), Ms. Andrea Prager (IOM Leipzig) as well as Wacker Chemie AG (Burghausen) for the electron microscopic measurements. In the following chapters, the sources of the respective images are identified by their analysis location.

3.5 Anwendungstest3.5 Application test

Als Anwendungstest für Redispergierbarkeitsuntersuchungen wurde die Einarbeitung in verschiedene Polymermatrices (PMMA; Polyamid 6) sowie Referenzlacksysteme gewählt. In einem vorgelagerten Schritt wurde die Deagglomerierung in deionisiertem Wasser und 2-Propanol experimentell betrachtet. Um Beeinflussungen von zur Stabilisierung verwendeter Komponenten sowie Verunreinigungen zu vermeiden, wurden für die Untersuchungen zur Redispergierung Xerogele mit einem hohen Anteil an Siliziumdioxid verwendet. Alle untersuchten Xerogele entstanden aus Edukten mit Stickstoffbeladung zur Reduzierung der Auswirkungen von defektbedingten Phänomenen. Für die Dispergierung in Wasser kam der Dispergierer T 25 der Firma IKA Labortechnik GmbH zum Einsatz. Hierbei wurde das Dispergiermedium (100 g) vorgelegt und das Xerogel (2 g) eingemischt. Anschließend wurde bei 100% Leistung 0,5 h gerührt. Gegebenenfalls nachfolgende Ultraschallbehandlungen wurden mit dem Sonifier 450 von Branson Ultrasonics Co. durchgeführt. Hierfür wurde die Probe unter Rühren viermal 15 min unter 80% Leistung im 80%igen Wirkungszyklus behandelt. Die Einarbeitung der hergestellten Pulver in unterschiedliche Polymermatrices erfolgte durch die Firma Grafe Color Batch GmbH. Unter Einsatz eines Doppelschneckenextruders der Firma Leistritz AG wurden die dargestellten Xerogele mit einem Zielgehalt von 10% (m:m) in die verschiedenen Matrices eingearbeitet und anschließend mittels eines Allrounder 221 K der Firma Arburg GmbH in Spritzgussplättchen überführt. Die Einarbeitung der erhaltenen Partikel in Lacksysteme erfolgte seitens der Worlée Chemie GmbH. Hierfür wurden Referenzlackrezepturen verwendet und deren Eigenschaften vor sowie nach vollständiger oder teilweiser Substitution aktuell verwendeter Füllstoffe bestimmt.As an application test for redispersibility studies, the incorporation into various polymer matrices (PMMA, polyamide 6) and reference coating systems was selected. In an upstream step, deagglomeration in deionized water and 2-propanol was experimentally considered. In order to avoid influences of components used for the stabilization as well as impurities, xerogels with a high content of silicon dioxide were used for the investigations for the redispersion. All investigated xerogels were generated from educts with nitrogen loading to reduce the effects of defect-related phenomena. For dispersing in water, the disperser T 25 from IKA Labortechnik GmbH was used. In this case, the dispersing medium (100 g) was introduced and the xerogel (2 g) was mixed. The mixture was then stirred for 0.5 h at 100% power. Optional subsequent ultrasound treatments were performed with the Sonifier 450 from Branson Ultrasonics Co. For this purpose, the sample was treated with stirring four times 15 min under 80% power in the 80% cycle of action. The incorporation of the powders produced into different polymer matrices was carried out by Grafe Color Batch GmbH. Using a twin-screw extruder from Leistritz AG, the displayed xerogels with a target content of 10% (m: m) were incorporated into the various matrices and then transferred into injection molds using an Allrounder 221 K from Arburg GmbH. The incorporation of the particles obtained in paint systems was carried out by Worlée Chemie GmbH. For this purpose reference paint formulations were used and their properties determined before and after complete or partial substitution of currently used fillers.

4 Ergebnisse und Diskussion 4 results and discussion

Das Verfahren der Sprühtrocknung mit seinen vielfältigen Einflussmöglichkeiten findet nachhaltiges wissenschaftliches Interesse bei der Synthese von Partikeln. In diesem Zusammenhang ist die Kenntnis technologisch wichtiger physikalisch-chemischer Eigenschaften der Ausgangsmaterialien (Abschnitt 4.1) Grundlage für wissenschaftliche Betrachtungen. Ergebnisse der darauf aufbauenden Sprühversuche und die Diskussion eines Modellvorschlages der Partikelbildung werden in Abschnitt 4.2 diskutiert. Im folgenden Abschnitt werden Resultate der Redispergierexperimente in unterschiedlichen Matrices aufgeführt. Abschnitt 4.4 stellt bezugnehmend auf die Ergebnisse der vorausgehenden Abschnitte anhand von Praxisbeispielen die Folgen einer Einarbeitung der erhaltenen Pulver (Xerogele) auf die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Produkte dar.The spray-drying process, with its wide range of influence, has a sustained scientific interest in the synthesis of particles. In this context, the knowledge of technologically important physico-chemical properties of the starting materials (Section 4.1) is the basis for scientific considerations. Results of the spraying experiments and the discussion of a model suggestion of particle formation are discussed in Section 4.2. In the following section results of the redispersing experiments are listed in different matrices. With reference to the results of the previous sections, Section 4.4 illustrates the consequences of incorporating the obtained powders (xerogels) on the physicochemical properties of the products by means of practical examples.

4.1 Eigenschaften kolloidaler Kieselsäuren4.1 Properties of colloidal silicas

Ein Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Frage, inwiefern eine gezielte Auswahl der zu versprühenden, kolloidalen Kieselsäuren (Kieselsole) neuartige Pulver generiert, deren wesentliche morphologische Eigenschaften vom Ausgangsmaterial ererbt werden. Randbedingungen dieses Verfahrens sind die Verwendung von Suspensionen mit hohen Feststoffgehalten (ms > 5% (m:m)) sowie die Ausbildung von Hohlkörperformen. Hierfür sind die Charakteristika im Aufkonzentrierungsprozess von Kieselsolen zu ermitteln. Abschnitt 4.1.1 beinhaltete die Bestimmung des Diffusionskoeffizienten, als direkte Einflussgröße auf die Péclet-Zahl (Gleichung 2.21). Im zweiten Teil dieser Arbeit soll die Beaufschlagung des kolloidalen Ausgangsmateriales mit einem Gas erfolgen. Für das in diesem Zusammenhang zu diskutierenden Modell eines gelöstgasinduzierten sekundären Tropfenzerfalls, als Folge einer hydrodynamischen Instabilität der gebildeten Lamelle an der Düse [64, 81, 93] sowie die folgende Oszillation der Tropfen [86], sind Kenntnisse über die Löslichkeiten der in dieser Arbeit ausgewählten Gase in den verwendeten Kieselsolen notwendig. Die Diskussion der Ergebnisse der Löslichkeiten kann Abschnitt 4.1.2 und 4.1.3 entnommen werden.One focus of this work is the question to what extent a targeted selection of the colloidal silicas (silica sols) to be sprayed generates novel powders whose essential morphological properties are inherited from the starting material. The boundary conditions of this process are the use of suspensions with high solids contents (m s > 5% (m: m)) and the formation of hollow body forms. For this purpose, the characteristics in the concentration process of silica sols are to be determined. Section 4.1.1 included the determination of the diffusion coefficient as a direct influence on the Péclet number (Equation 2.21). In the second part of this work, the loading of the colloidal starting material should be carried out with a gas. For the model to be discussed in this context of a dissolved gas-induced secondary dripping, as a result of a hydrodynamic instability of the lamella formed at the nozzle [64, 81, 93] and the subsequent oscillation of the droplets [86], knowledge of the solubilities in this work selected gases in the silica sols needed. The discussion of solubility results can be found in sections 4.1.2 and 4.1.3.

4.1.1 Diffusionsgeschwindigkeit kolloidaler Siliziumdioxidpartikel4.1.1 Diffusion rate of colloidal silica particles

Die Werte für die Diffusionskoeffizienten kolloidaler Siliziumdioxidfeststoffteilchen in den ausgewählten Dispersionen liegen im Bereich von 1 bis 4,5·10–11 m2 s–1. Diese Ergebnisse liegen in guter Übereinstimmung mit den Literaturwerten von TAN et al. [24]. (Seite 46) verdeutlicht das differenzielle Verhalten von unterschiedlich stabilisierten Köstrosolen® bei identischem Partikeldurchmesser (1,5·10–8 m). In stark verdünnten Dispersionen dominiert die BROWN'sche Bewegung die Geschwindigkeit der Diffusion durch ungerichtete Stöße der Lösungsmittelmoleküle auf die Solteilchen. Die Verschiebung zu höheren Werten des Diffusionskoeffzienten bei der alkalisch stabilisierten Variante (D = 2,9·10–11 m2 s–1 bei 1% (m:m); +60%) in derartigen Konzentrationsbereichen ist Folge der pH-Wert-bedingten höheren Oberflächenladung (Coulomb-Abstoßung) der Siliziumdioxid-Partikel. Höhere Feststoffgehalte (> 5% (m:m)) bewirken eine zusätzliche Beschleunigung der kolloidalen Teilchen durch vermehrte elektrostatische Wechselwirkungen (anionische Oberflächenladung). Die umgebende Hydrathülle des Solteilchens wird dabei deformiert oder abgeschert. Bei sehr hohen Konzentrationen ist die Geschwindigkeit der Teilchen noch weiter erhöht, ihre mittlere freie Weglänge allerdings auf Grund des geringen Teilchen-Teilchen-Abstandes stark eingeschränkt. Die Diffusionskoeffizienten der Kieselsäureteilchen unterschiedlich stabilisierter Kieselsole sind in einem weiten Konzentrationsbereich nahezu identisch ( ; Nr. I). Beide Varianten werden durch einen rheologischen Übergang, einen viskoelastischen Bereich, geprägt, bei welchem die kolloidalen Solteilchen kleinere Agglomerat-Formen (< 5·10–9 m) bilden. Hierbei sinkt der Diffusionskoeffizient der Kolloide rapide (> –50%; D < 1,6·10–11 m2 s–1) ab. Dieser Punkt ist charakterisiert durch einen rasanten Viskositätsanstieg und stellt den Beginn der Gelbildung dar. Deutliche Differenzen sind jedoch in der Konzentration und Art dieses Überganges vom viskosen zum elastisch geprägten Teil eines Kieselsoles zu beobachten. Bei einer fehlenden Stabilisierung ist dieser Übergang zu geringeren Feststoffgehalten (~25% (m:m)) verschoben, bleibt jedoch auf einer Zwischenstufe ( ; Nr. II) bei hydrodynamischen Durchmessern von rH = 1,6·10–8 m stehen. Eine fortführende Untersuchung des betrachteten Systems war auf Grund der rapide steigenden Viskosität bei derartig hohen Feststoffgehalten unstabilisierter Kieselsole (> 40% (m:m)) nicht möglich. Für eine Interpretation der Ergebnisse kann für sphärische Partikel ( ; rechte Seite) in guter Näherung die Stokes-Einstein-Relation (Gleichung 4.1) verwendet werden:

Figure DE102014011635A1_0031
The values for the diffusion coefficients of colloidal silica solid particles in the selected dispersions are in the range of 1 to 4.5 x 10 -11 m 2 s -1 . These results are in good agreement with the literature values of TAN et al. [24]. (Page 46) illustrates the differential behavior of differently stabilized Krosrosols ® with an identical particle diameter (1.5 · 10 -8 m). In highly dilute dispersions, the BROWN motion dominates the rate of diffusion due to non-directional collisions of the solvent molecules with the sol particles. The shift to higher values of the diffusion coefficient in the alkaline stabilized variant (D = 2.9 × 10 -11 m 2 s -1 at 1% (m: m); + 60%) in such concentration ranges is a consequence of the pH value. conditional higher surface charge (Coulomb repulsion) of the silica particles. Higher solids contents (> 5% (m: m)) cause an additional acceleration of the colloidal particles by increased electrostatic interactions (anionic surface charge). The surrounding hydrate shell of the sol particle is thereby deformed or sheared off. At very high concentrations, the velocity of the particles is further increased, but their mean free path is severely limited due to the small particle-to-particle distance. The diffusion coefficients of the silica particles of differently stabilized silica sols are virtually identical over a wide concentration range ( ; No. I). Both variants are characterized by a rheological transition, a viscoelastic region, in which the colloidal sol particles form smaller agglomerate forms (<5 x 10 -9 m). The diffusion coefficient of the colloids decreases rapidly (> -50%, D <1.6 · 10 -11 m 2 s -1 ). This point is characterized by a rapid increase in viscosity and represents the beginning of gelation. Significant differences, however, can be observed in the concentration and nature of this transition from the viscous to the elastic embossed part of a silica sol. In the absence of stabilization, this transition is shifted to lower solids levels (~25% (m: m)), but remains at an intermediate level ( ; No. II) at hydrodynamic diameters of r H = 1.6 × 10 -8 m. A continuing investigation of the considered system was not possible due to the rapidly increasing viscosity at such high solids contents of unstabilized silica sols (> 40% (m: m)). For an interpretation of the results, for spherical particles ( ; right side) the Stokes-Einstein relation (Equation 4.1) can be used to a good approximation:
Figure DE102014011635A1_0031

Sie stellt den Zusammenhang zwischen dem Diffusionskoeffizienten D und dem hydrodynamischen Radius rH von Solpartikeln her. Unstabilisierte Kieselsole durchlaufen in ihrem viskoelastischen Bereich eine Zwischenstufe unter Bildung von kleineren, lokalen Agglomeraten. Diese Formen hemmen auf Grund ihrer reduzierten Beweglichkeit (–50%) im weiteren Aufkonzentrierungsprozess (ms = 25–50% (m:m)) die Gelbildung. Erst bei Feststoffgehalten > 50% (m:m) kann eine endgültigen Ausbildung eines Gels optisch beobachtet werden. Alkalische Kieselsole hingegen weisen in ihrem, zu höheren Feststoffgehalten verschobenen (25 zu 48% (m:m)), viskoelastischen Bereich eine Abnahme des Diffusionskoeffizienten bis nahe 0 m2 s–1 ( ; Nr. III) auf. Hierbei kommt es zu einer abrupten Bildung von größeren Agglomeraten (rH > 1·10–7 m bei 52% (m:m)) welche durch die, vorher stabilisierend wirkenden, Alkali-Ionen (100fach höhere Diffusionskoeffizienten) [78] auf elektrostatischer Basis gefördert wird. Diese Gelformung erfolgt im gesamten Bulk. Auf Grund dieser Erkenntnisse, ist bei alkalisch stabilisierten Kieselsolen in Folge des höheren Feststoffgehaltes am Gelpunkt mit dichteren Partikeln zu rechnen, als bei den analogen unstabilisierten Varianten. Deformationen hingegen sollten im Zuge der verlangsamten Geliergeschwindigkeit und damit verbundenen höheren Selektivität einen geringeren Anteil in Pulvern aus unstabilisierten Kieselsolen haben. Der Stofftransport in einem Tropfen ist wie in Kapitel 2 erläutert, ein wesentliches beschreibendes Merkmal für die Ausbildung von Störungen und Defekten während des Trocknungsprozesses. Untersuchungen zur Abhängigkeit der Diffusion im wasserrelvanten Temperaturbereich von 278 bis 363 K in 10%igen Dispersionen (m:m) zeigten nur eine geringe Zunahme des Diffusionskoeffizienten um Faktor 2,5 auf D < 5,9·10–11 m2 s–1 (363 K). Da eine kinetische Hemmung der Gelbildung beobachtet wird (Tabelle 7.9), werden ergänzende Faktoren wie bspw. eine zunehmende Phasengrenzfläche Fest-Flüssig in dieser Arbeit nicht gesondert betrachtet. Des Weiteren wird in einem weiten pH-Wert-Bereich (2 bis 11) eine Konstanz des Diffusionskoeffizienten als Funktion des Stofftransportes unabhängig vom gewählten Partikeldurchmesser festgestellt [191]. Dementsprechend kann der, mit einer Aufkonzentrierung von Alkali-Ionen einhergehenden, pH-Wert-Shift bei alkalischen Kieselsolen keinen direkten Einfluss auf die Partikelbildung im Trocknungsprozess darstellen.It establishes the relationship between the diffusion coefficient D and the hydrodynamic radius r H of sol particles. Unstabilized silica sols pass through in their viscoelastic region Intermediate to form smaller, local agglomerates. These forms inhibit gel formation due to their reduced mobility (-50%) in the further concentration process (m s = 25-50% (m: m)). Only at solids contents> 50% (m: m) can a final formation of a gel be visually observed. In contrast, alkaline silica sols show a decrease in the diffusion coefficient to near 0 m 2 s -1 in their (25 to 48% (m: m)) viscoelastic range shifted to higher solids contents ( ; No. III). This leads to an abrupt formation of larger agglomerates (r H > 1 · 10 -7 m at 52% (m: m)) which by the previously stabilizing effect, alkali ions (100 times higher diffusion coefficient) [78] on electrostatic Base is promoted. This gel formation takes place throughout the bulk. On the basis of these findings, denser particles are expected to be present in alkaline-stabilized silica sols as a consequence of the higher solids content at the gel point than in the case of the analogously unstabilized variants. Deformations, on the other hand, should have a lower share in powders of unstabilized silica sols due to the slower gelling speed and the associated higher selectivity. The transport of substances in a drop, as explained in Chapter 2, is an essential descriptive feature for the formation of faults and defects during the drying process. Investigations on the dependence of the diffusion in the water-relevant temperature range from 278 to 363 K in 10% dispersions (m: m) showed only a slight increase in the diffusion coefficient by a factor of 2.5 to D <5.9 × 10 -11 m 2 s -1 (363K). Since a kinetic inhibition of gel formation is observed (Table 7.9), supplementary factors such as, for example, an increasing solid-liquid phase interface are not considered separately in this work. Furthermore, in a wide range of pH values (2 to 11), a constant diffusion coefficient as a function of the mass transport is determined independently of the selected particle diameter [191]. Accordingly, the pH shift associated with a concentration of alkali ions in alkaline silica sols can not have any direct influence on the particle formation in the drying process.

4.1.2 Löslichkeit von Stickstoff4.1.2 Solubility of nitrogen

Für eine Validierung der neu aufgebauten Apparatur für die volumetrischen Bestimmungen wurde ein in der Literatur umfangreich beschriebenes System gewählt. Anhand des binären Gemisches Stickstoff-Wasser ist eine Vergleichbarkeit der erhaltenen Messdaten mit Literaturwerten gewährleistet. WIEBEs [162] publizierte Werte zur Löslichkeit von Stickstoff in Wasser zeigen eine direkte Abhängigkeit zum Systemdruck sowie einen indirekten Bezug zur Temperatur. Die Gelöstgasmenge nimmt stetig mit steigender Temperatur ab. Unter Annahme idealen Verhaltens verhält sich das Volumen von Gasen VG proportional zum Verhältnis der Drücke und Temperaturen:

Figure DE102014011635A1_0032
For a validation of the newly constructed apparatus for the volumetric determinations, a system extensively described in the literature was chosen. Based on the binary mixture nitrogen-water a comparability of the obtained measured data with literature values is guaranteed. HIEBE's [162] published data on the solubility of nitrogen in water show a direct dependence on system pressure and an indirect relation to temperature. The amount of dissolved gas decreases steadily with increasing temperature. Assuming ideal behavior, the volume of gases V G is proportional to the ratio of pressures and temperatures:
Figure DE102014011635A1_0032

In diesem Zusammenhang wurde eine Temperatur von 298 K als Ausgangspunkt der Betrachtungen gewählt, um eine ausreichende Menge an Gas im Fluid zu lösen. Weiterer Vorteil einer niedrigen Eingangstemperatur des Sprühs (TDüse) ist gemäß LUKASIEWICZ [121] eine Reduzierung der Wahrscheinlichkeit von Partikeldefekten. Der mittels Druckwechseltechnologie durchgeführte Temperatur

Figure DE102014011635A1_0033
und Drucksprung
Figure DE102014011635A1_0034
nach der Düse bewirkt eine signifikante Volumenänderung des gelösten Gases. In sind die Messwerte für die Löslichkeit von Stickstoff (LN2) für das binäre Gemisch Stickstoff-Wasser sowie das ternäre System kolloidale Kieselsäure-Stickstoff-Wasser gegen den Gasdruck graphisch aufgetragen. Im gerätetechnischen Bereich der Versuchsanlage ist eine gute Übereinstimmung der Messwerte mit den publizierten Werten [162] erkennbar. Der relative Fehler im Bereich von 2 bis 11·106 Pa liegt bei < 5%. Folgerichtig kann von einer erfolgreichen Validierung der Ergebnisse ausgegangen werden. Für Kieselsäure-Dispersionen werden in weiten Druckbereichen ähnliche Werte für die Löslichkeit von Stickstoff gefunden, wie im binären Vergleichssystem. In höheren Druckbereichen (PN2 > 3·106 Pa) zeigen kolloidale Kieselsäuren, analog SUNs [167] Erfahrungen mit Natriumchlorid-Lösungen, eine Erniedrigung der Löslichkeit von Stickstoff. Tendenziell werden im betrachten ternären Gemisch ca. 15% geringere Löslichkeiten als im binären Vergleichssystem Wasser-Stickstoff gemessen. Ursachen hierfür sind der geringere Lösungsmittelanteil pro Gramm fluiden Mediums (9:10 (m:m)) sowie das teilweise gebundene Lösungsmittel in der Hydrathülle der Ionen bzw. Kolloide. Die Diskrepanz der Daten ist bei Gasdrücken PN2 < 2·106 Pa geringer ausgeprägt (< –8%; ~2·10–6 NL g–1). Die Begründung liegt in den aktiven Oberflächen der kolloidalen Teilchen. Hier dominieren Grenzflächeneffekte. Stickstoffmoleküle werden hierbei in den Ebenen über und unter den Silanolgruppen stabilisiert [192]. Lösungsmittelbezogene Interpretationen der Löslichkeitswerte von Stickstoff in Köstrosol® 1510 im Vergleich zum bekannten binären System Stickstoff-Wasser offenbaren in höheren Druckbereichen (PN2 > 107 Pa) vergleichbare Steigungen. Der relative Fehler dieser Methode liegt im Bereich von maximal 7,5%. Dementsprechend kann das Gemisch Stickstoff-Wasser in guter Näherung als Modell für die Löslichkeit von Stickstoff in Kieselsolen betrachtet werden. Aus der Synthese von Brandschutzgelen, einer Mischung von Kieselsolen mit Kaliumhydroxid, ist bekannt, dass die Freigabe von Gasen an der Oberfläche von nanoskalaren Kieselsäurepartikeln kinetisch gehemmt abläuft [193]. Ursachen für diese verlangsamte Entlösung sind zusätzliche Phasengrenzflächen Feststoff-Gas bzw. Feststoff-Flüssig, Wechselwirkungen mit den oberflächenaktiven Silanolgruppen sowie die reduzierte Diffusionsgeschwindigkeit in der Hydrathülle der dispergierten Teilchen.In this context, a temperature of 298 K was chosen as the starting point of the considerations to dissolve a sufficient amount of gas in the fluid. Another advantage of a low inlet temperature of the spray (T nozzle ), according to LUKASIEWICZ [121], is a reduction in the probability of particle defects. The temperature carried out by pressure swing technology
Figure DE102014011635A1_0033
and pressure jump
Figure DE102014011635A1_0034
after the nozzle causes a significant volume change of the dissolved gas. In For example, the solubility values of nitrogen (L N2 ) for the binary mixture nitrogen-water and the ternary system colloidal silica-nitrogen-water plotted against the gas pressure. In the instrumentation area of the test facility, a good agreement of the measured values with the published values [162] can be seen. The relative error in the range of 2 to 11 · 10 6 Pa is <5%. Consequently, a successful validation of the results can be assumed. For silica dispersions similar values for the solubility of nitrogen are found in wide pressure ranges, as in the binary comparison system. In higher pressure ranges (P N2 > 3 · 10 6 Pa), colloidal silicas, analogously to Sun's [167] experience with sodium chloride solutions, show a reduction in the solubility of nitrogen. In the ternary mixture the solubility is about 15% lower than in the binary comparison system water-nitrogen measured. The reasons for this are the lower solvent content per gram of fluid medium (9:10 (m: m)) and the partially bound solvent in the hydrate shell of the ions or colloids. The discrepancy of the data is less pronounced for gas pressures P N2 <2 · 10 6 Pa (<-8%, ~ 2 · 10 -6 NL g -1 ). The reason lies in the active surfaces of the colloidal particles. Here interface effects dominate. Nitrogen molecules are stabilized in the planes above and below the silanol groups [192]. Solvent-related interpretations of the solubility values of nitrogen in Köstrosol ® 1510 compared to the known binary system nitrogen-water reveal comparable slopes in higher pressure ranges (P N2 > 10 7 Pa). The relative error of this method is in the range of a maximum of 7.5%. Accordingly, the nitrogen-water mixture can be approximated as a model of the solubility of nitrogen in silica sols. From the synthesis of fire protection gels, a mixture of silica sols with potassium hydroxide, it is known that the release of gases on the surface of nanoscalar silica particles is kinetically inhibited [193]. The reasons for this slowed-down separation are additional solid-gas or solid-liquid interfaces, interactions with the surface-active silanol groups and the reduced diffusion rate in the hydrated shell of the dispersed particles.

Eine Auswertung der hydrodynamischen Durchmesser von Köstrosol® 1510 vor und nach Beaufschlagung mit Stickstoff bei variierendem Druck (0,1 ≤ PN2 ≤ 107 Pa)) zeigte keine strukturellen Veränderungen der Solteilchen. Die Daten für diesen Wert lagen im Bereich von (43,6 ± 0,81)·10–9 m (Tabelle 7.6; Anhang). Demzufolge kann von einer Inertheit des kolloidalen Systems gegenüber diesem Gas ausgegangen werden. Eine geförderte Bildung von Agglomeraten in den Dispersionen ist nicht beobachtbar. Langzeittests (> 180 d) bestätigen diese Aussagen.An analysis of the hydrodynamic diameter of Köstrosol ® 1510 before and after contact with nitrogen at varying pressure (0.1 ≤ P ≤ N2 10 7 Pa)) showed no structural changes in the sol particles. The data for this value ranged from (43.6 ± 0.81) x 10 -9 m (Table 7.6, Appendix). Consequently, it can be assumed that the colloidal system is inert to this gas. Promoted formation of agglomerates in the dispersions is not observable. Long-term tests (> 180 d) confirm these statements.

4.1.3 Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid4.1.3 Solubility of carbon dioxide

Hintergrund der Untersuchung zur Löslichkeit von Kohlendioxid in Kieselsolen war dessen Einsatz als (in-situ) Agglomerierungsmittel. Die Dosierung dieses Gases sollte zu einer gezielten punktuellen Agglomeratbildung in Folge eines lokalen pH-Wert-Shiftes im Tropfen durch das Gleichgewicht CO2 + H2O ⇄ HCO3 + H+ (pKs = 6,1) [78] führen. Anschließend sollten diese lokalen Agglomerate als Keime für eine gezielte Partikelbildung im Trocknungsprozess fungieren. Eine Analyse der Versuche zur Beladung von Köstrosol® 1510 mit Kohlendioxid in der gewählten Gelöstgasmenge (LCO2 > 10–3 NL g–1) war in Betrachtung einer Sprühapplikation nicht zielführend. Unabhängig von der Stabilisierung der kolloidalen Medien führte eine Gelbildung zu keinem reproduzierbaren Ergebnis der Zerstäubung. Ursache ist Bildung von Hydrogencarbonat-Ionen im Kieselsol durch Einlösung von Kohlendioxid. In diesem Zusammenhang erfolgt nicht nur eine pH-Wert-Verschiebung in für Kieselsole ungünstige Stabilitätsbereiche ( ), sondern auch eine zusätzliche Ionenanreicherung. Diese gebildeten Hydrogencarbonat-Ionen Wechselwirken mit den Silanolgruppen an der Partikeloberfläche sowie der Helmholtz-Schicht (elektrochemische Doppelschicht) um das kolloidale Partikel. Geförderte Destabilisierung und Agglomerierung des Systems sind die Folgen einer solchen Anreicherung an der Grenzfläche.The background to the investigation of the solubility of carbon dioxide in silica sols was its use as an (in situ) agglomerating agent. The metering of this gas should lead to a targeted punctual agglomeration as a result of a local pH shift in the drop through the equilibrium CO 2 + H 2 O ⇄HCO 3 - + H + (pK s = 6.1) [78] to lead. Subsequently, these local agglomerates should act as nuclei for targeted particle formation in the drying process. An analysis of the experiments on loading Köstrosol ® 1510 with carbon dioxide in the selected amount of dissolved gas (L CO2 > 10 -3 NL g -1 ) was not effective when considering a spray application. Regardless of the stabilization of the colloidal media, gel formation did not produce a reproducible result of atomization. The cause is the formation of bicarbonate ions in the silica sol by redissolution of carbon dioxide. In this context, not only a pH shift in unfavorable stability for silica sols ( ), but also an additional ion enrichment. These formed bicarbonate ions interact with the silanol groups on the particle surface and the Helmholtz (electrochemical double layer) layer around the colloidal particle. Promoted destabilization and agglomeration of the system are the consequences of such enrichment at the interface.

4.2 Sprühtrocknung von Kieselsolen4.2 Spray drying of silica sols

In den folgenden Abschnitten dieser Arbeit werden die Ergebnisse der Sprühtrocknungsversuche vorgestellt und diskutiert. In einem ersten Schritt werden die Gründe für die Auswahl der Wärmestrahlungsquelle sowie die ermittelten Tropfengrößenverteilungen, als Diskussionsansatz für den sekundären Tropfenzerfall, beschrieben. In den folgenden Abschnitten werden die Unterschiede einer Sprühapplikation ohne (Abschnitt 4.2.1) und mit Beaufschlagung von Stickstoff (Abschnitt 4.2.2) vorgestellt. Darauf aufbauend werden in Unterpunkten physikalisch-chemische Parameter als Einflussgrößen diskutiert. Die Ergebnisse der Oberflächenmorphologie der gebildeten Partikel beschreibt Abschnitt 4.2.3. Abschnitt 4.2.4 beinhaltet den Nachweis des amorphen Charakters. Auf den Ergebnissen der vorgehenden Punkte aufbauend wird unter Punkt 4.2.5 ein Modell der Partikelbildung vorgeschlagen. Die Sprühtrocknung ist eine weitverbreitete Methode zur Generierung von Partikeln. Eine technologische Herausforderung diesbezüglich ist die Kombination von hohen Durchsätzen und geringen Feuchtigkeitsgehalten. Um diese Randbedingungen zu erfüllen, wurde in dieser Arbeit der Einsatz einer Wärmestrahlungsquelle zur Optimierung der Trocknung eruiert. Diese sollte der Unterstützung des Warmgasstromes sowie einer Reduzierung der Abkühlung des Trocknungsgases dienen. In einem Vorversuch wurde die Fragestellung betrachtet, ob Mikrowellenstrahlung diese Voraussetzung erfüllen kann [194]. Der Vorteil dieser Energieform, eine Trocknung des Tropfens von innen nach außen unter Reduzierung des Temperaturgradienten im Bulk, konnte nicht realisiert werden. Eine Analyse der Ergebnisse ergab, dass die Größe der Tropfen nicht genügend Volumen bereitstellt, um ausreichend Energie zur Verdampfung einzukoppeln. Strömungsbedingt konnte die Herausforderung einer gezielten Platzierung des Wellenmaximas unter Minimierung der Reflexion nicht realisiert werden. Gemäß diesem Ergebnis wurde der Infrarotbereich als Wärmequelle zur Zuführung der notwendigen Energie verwendet. Hierbei erfolgte die Erwärmung vom Tropfenäußeren zum Kern.In the following sections of this thesis the results of the spray drying experiments are presented and discussed. In a first step, the reasons for the selection of the heat radiation source and the determined droplet size distributions, as a discussion approach for the secondary drip decay, are described. In the following sections the differences of a spray application without (Section 4.2.1) and with the application of nitrogen (Section 4.2.2) are presented. Based on this, physicochemical parameters are discussed as influencing factors in subitems. The results of the surface morphology of the particles formed are described in Section 4.2.3. Section 4.2.4 contains proof of the amorphous character. Based on the results of the preceding points, a model of particle formation is proposed under point 4.2.5. Spray drying is a widely used method of generating particles. A technological challenge in this regard is the combination of high throughputs and low moisture contents. In order to fulfill these boundary conditions, the use of a heat radiation source to optimize the drying was determined in this work. This should serve the support of the warm gas flow as well as a reduction of the cooling of the drying gas. In a preliminary experiment, the question was asked whether microwave radiation can fulfill this requirement [194]. The advantage of this form of energy, a drying of the drop from the inside to the outside while reducing the temperature gradient in the bulk, could not be realized. An analysis of the results revealed that the size of the drops does not provide enough volume to provide enough energy for evaporation couple. Due to flow conditions, the challenge of a targeted placement of the shaft maximum while minimizing the reflection could not be realized. According to this result, the infrared region was used as a heat source for supplying the necessary energy. In this case, the heating was carried out from the drop exterior to the core.

Kennzeichnend für die Druckwechseltechnologie, als Unterart der Sprühtrocknung ist die Überführung von fluiden Medien unter hohem Druck (PDüse > 107 Pa) in den Trocknungsprozess (PVK ≤ 102 Pa). Der entstehende Drucksprung beträgt meist mindestens fünf Zehnerpotenzen. In diesem Zusammenhang ist die Einmischung von Gelöstgasmengen L > 10–3 NL g–1 von großem wissenschaftlichen Interesse. In Folge der hydrodynamischen Instabilität der gebildeten Lamelle an der Düsenaustrittsöffnung [64, 81, 93] kommt es zu einer Oszillation der Tropfen, bis sie ihre energetisch günstigste Form erreicht haben [86]. Diese Effekte könnten durch sich entlösendes Gas verstärkt werden. Infolgedessen würde die Wahrscheinlichkeit kritischer Randbedingungen steigen, endend in einem weiteren, sekundären Tropfenzerfall [82]. Die Tröpfchengrößenverteilung würde sich zu geringen Werten verschieben. Eine Analyse der dazugehörigen experimentellen Ergebnisse ( sowie Anhang Tabellen 7.10 bis 7.12) widerlegt diesen postulierten Mechanismus eines gelöstgasinduzierten, sekundären Tropfenzerfalles. Es kann im Rahmen der Messungenauigkeit keine Veränderung der Tröpfchengrößenverteilung bei Beaufschlagung mit Stickstoff festgestellt werden. Die Ursache hierfür liegt in der verhältnismäßig geringen Verweilzeit der gebildeten Tropfen in der Versprühkammer (τTr < 0,15 s) im Vergleich zu der Entlösegeschwindigkeit des Stickstoffes (> 1 s) aus dem Fluidtropfen. Gas-Flüssig-Gemische charakterisieren sich durch eine Vielzahl von Phasenverteilungszuständen ( ; Seite 24). Eine Untersuchung der Tröpfchengrößenverteilungen unter Gasbeaufschlagung zeigte, dass ein Versprühdruck von mindestens 1,5·107 Pa eingebracht werden muss, um einen konstanten Mediumfluss ohne Phasenwechsel aufrecht zu erhalten. Bei geringeren Sprühdrücken kommt es auf Grund von Entmischungserscheinungen als Folge einer Übersättigung des Lösungsmittels zum Abriss der fluiden Strömungen an der Düse durch Gasphasen.Characteristic of the pressure swing technology, as a sub-type of spray drying is the transfer of fluid media under high pressure (P nozzle > 10 7 Pa) in the drying process (P VK ≤ 10 2 Pa). The resulting pressure jump is usually at least five orders of magnitude. In this context, the admixture of dissolved gas quantities L> 10 -3 NL g -1 is of great scientific interest. As a result of the hydrodynamic instability of the lamella formed at the nozzle outlet opening [64, 81, 93], the droplets oscillate until they reach their most energetically favorable shape [86]. These effects could be amplified by releasing gas. As a result, the likelihood of critical boundary conditions would increase, ending in a further, secondary drop in precipitation [82]. The droplet size distribution would shift to low values. An analysis of the associated experimental results ( and Appendix Tables 7.10 to 7.12) refutes this postulated mechanism of dissolved gas-induced secondary dropping. It can be determined in the context of the measurement inaccuracy no change in the droplet size distribution when exposed to nitrogen. The reason for this lies in the relatively short residence time of the droplets formed in the spray chamber (τ Tr <0.15 s) in comparison to the rate of removal of the nitrogen (> 1 s) from the fluid droplet. Gas-liquid mixtures are characterized by a multiplicity of phase distribution states ( ; Page 24). Examination of the droplet size distributions under gas injection showed that a spray pressure of at least 1.5 × 10 7 Pa must be introduced in order to maintain a constant medium flow without phase change. At lower spray pressures, due to segregation phenomena as a result of supersaturation of the solvent, the fluid flows at the nozzle are disrupted by gas phases.

Die vom System eingebrachte potenzielle Energie bestimmt die Größenverteilung des gebildeten Tropfenkollektives [195]. zeigt das Vorhandensein eines lokalen Minimums der Tröpfchengrößenverteilung zwischen 2,2 und 2,4·107 Pa bei den aufgeführten Versuchbedingungen. Ursache für den Anstieg des d90(V)-Wertes bei höheren Düsenausgangsdrücken (PDüse > 2,4·107 Pa) ist die Koagulation von Tropfen als Folge des gesteigerten Durchsatzes. Das umgebende Trocknungsgas bremst die gebildeten Tropfen ab, wodurch die Wahrscheinlichkeit dieser Ereignisse signifikant steigt. Innerhalb der folgenden 0,2 m im Sprüh nehmen die gemessenen Tropfendurchmesser um den Faktor 2,5 (d90(V)) zu. Gründe hierfür sind die Verdampfung kleinerer Tropfen sowie die, im Falle einer fehlenden Feinverteilung durch den Trocknungsgasstrom bewirkte, Abbremsung der Tropfen in deren Folge Koagulation auftritt.The potential energy introduced by the system determines the size distribution of the droplet collective formed [195]. shows the presence of a local minimum of the droplet size distribution between 2.2 and 2.4 x 10 7 Pa at the experimental conditions listed. The reason for the increase in the d 90 (V) value at higher nozzle exit pressures (P nozzle > 2.4 x 10 7 Pa) is the coagulation of droplets as a result of the increased throughput. The surrounding drying gas slows down the drops formed, which significantly increases the likelihood of these events. Within the following 0.2 m in the spray, the measured droplet diameters increase by a factor of 2.5 (d 90 (V)). Reasons for this are the evaporation of smaller drops and, in the event of a lack of fine distribution caused by the drying gas flow, deceleration of the drops in the sequence coagulation occurs.

Durch die Versuchsanordnung sind Tropfendurchmesser von d90(V) < 2,5·10–5 m zugänglich. In diesem Zusammenhang muss dementsprechend nur ein Achtel des Volumens von HADINOTOs [24] berechneten Tropfen (5·10–5 m; Seite 7) unter zusätzlichem Einsatz von Wärmestrahlung verdampft werden. Dementsprechend ist von einer zeitverkürzten Verdampfung des Fluidtropfens auszugehen. Wenn die erhaltenen Ergebnisse der Tropfendurchmesser (d90(V) < 2,5·10–5 m), der Diffusionskoeffizienten (D = 4·10–11 m2 s–1) und der Zeit, welche für eine vollständige Verdampfung der gebildeten Tropfen (τTr ~ 0,1 s) notwendig ist (Modell nach HIND [35]; siehe Anhang), unter Anwendung von Gleichung 2.21 kombiniert werden, liegen Péclet-Zahlen von Pe > 40 vor. Folglich kann von einer Bildung von Partikeln mit Hohlkörpergeometrie ausgegangen werden (Abschnitt 2.1.2; Seite 10).The test arrangement makes it possible to obtain droplet diameters of d 90 (V) <2.5 × 10 -5 m. Accordingly, only one-eighth of the volume of HADINOTO's [24] calculated drops (5 · 10 -5 m, page 7) must be evaporated with the additional use of thermal radiation. Accordingly, a time-reduced evaporation of the fluid drop can be assumed. When the results obtained are the droplet diameter (d 90 (V) <2.5 × 10 -5 m), the diffusion coefficient (D = 4 × 10 -11 m 2 s -1 ) and the time required for complete evaporation of the formed Drop (τ Tr ~ 0.1 s) is necessary (model according to HIND [35], see appendix), combined using Equation 2.21, Péclet numbers of Pe> 40 are present. Consequently, the formation of particles with hollow body geometry can be assumed (Section 2.1.2, page 10).

4.2.1 Sprühtrocknung ohne Beladung mit Stickstoff4.2.1 Spray drying without loading with nitrogen

Mittels Druckwechseltechnologie sprühgetrocknete, nicht stabilisierte Kieselsole charakterisieren sich in Folge der im vorhergehenden Abschnitt ermittelten, sehr hohen Péclet-Zahlen als Hohlkörper mit überwiegend sphärischer Gestalt. Darüber hinaus sind in der Struktur der gebildeten Hülle sowie auf der Oberfläche der Partikel die monomeren, nanoskalaren kolloidalen Grundbausteine gut erkennbar ( ). Eine Ausbildung von Poren bzw. Kanälen kann mittels REM-Aufnahmen nicht beobachtet werden. Die über Stickstoff-Sorption (BET; N2; 77 K) gemessenen Oberflächen entsprechen in etwa den durch die SEARS-Methode [188] bestimmten Oberflächen der kolloidalen Edukte (Tabelle 4.1). Demzufolge kann durch eine gezielte Wahl des Ausgangsmateriales die BET(N2; 77 K)-Oberfläche der erhaltenen Pulver definiert werden. Eine erfolgreiche Überführung der wässrigen Kieselsole zu Xerogelen charakterisiert sich durch die geringen Feuchtigkeiten der hergestellten sprühgetrockneten Pulver. Diese weisen Feuchtigkeitsgehalte von < 2,5% (m:m) auf. Der Durchmesser der erhaltenen Partikel in den generierten Pulvern liegt im Bereich von 0,2 bis 20·10–6 m. zeigt den Vergleich der Partikeldurchmesser zwischen den Daten der Laserbeugung und den elektronenmikroskopischen Aufnahmen. Varianzen liegen besonders im Bereich dp < 5·10–7 m. Während in rasterelektronenmikroskopischen Analysen derartige Partikel nachweisbar sind, verhindern die physikalischen und gerätetechnischen Limitierungen der Laserbeugung hierzu analytisch verwertbare Aussagen. Darüber hinaus kennzeichnen sich die erhaltenen Xerogele, im Widerspruch zu den beschriebenen Beobachtungen von WALTON [47], durch ein im Vergleich zu Referenzmaterialien (Köstrosolid® 0403) gutes Gieß- und Fließverhalten. Köstrosolid® 0403 ist ein ebenfalls via Sol-Gel-Prozess hergestelltes, kommerziell verfügbares Produkt aus amorphem Siliziumdioxid. Die Ursache des verbesserten Gieß- und Fließverhaltens liegt in der Oberflächenmorphologie, welche in Abschnitt 4.2.3 ausführlich diskutiert wird, sowie in der Sphärizität der erhaltenen Partikel.As a result of the very high Péclet numbers determined in the preceding section, spray-dried, unstabilized silica sols characterize as a hollow body of predominantly spherical shape. In addition, in the structure of the shell formed and on the surface of the particles, the monomeric, nanoscale colloidal basic building blocks are easily recognizable ( ). A formation of pores or channels can not be observed by means of SEM images. The surfaces measured by nitrogen sorption (BET, N 2 , 77 K) correspond approximately to the surfaces of the colloidal starting materials determined by the SEARS method [188] (Table 4.1). Consequently, by a specific choice of the starting material, the BET (N 2 , 77 K) surface of the powders obtained can be defined. A successful conversion of the aqueous silica sols to xerogels is characterized by the low moisture content of the spray-dried powders produced. These have moisture contents of <2.5% (m: m). The diameter of the particles obtained in the generated powders is in the range of 0.2 to 20 × 10 -6 m. shows the comparison of the particle diameter between the data of the laser diffraction and the electron micrographs. Variances are especially in the range d p <5 · 10 -7 m. While in Scanning electron microscopic analyzes of such particles are detectable, prevent the physical and device technical limitations of the laser diffraction analytically usable statements. Moreover, contrary to the observations of WALTON [47], the resulting xerogels are characterized by good pouring and flow behavior compared to reference materials (Köstrosolid ® 0403). Köstrosolid ® 0403 is also via sol-gel produced, commercially available product of amorphous silica. The cause of the improved casting and flow behavior lies in the surface morphology, which is discussed in detail in Section 4.2.3, as well as in the sphericity of the particles obtained.

Charakteristisch für die mittels Druckwechseltechnologie hergestellten Pulver sind die für amorphe Kieselsäuren ungewöhnlich hohen Schüttdichten (ρs > 4.102 g L–1). Aus HADINOTOs [118] Überlegungen zum Verhältnis der Hüllenbreite S zum Partikelradius R (Gleichung 4.3) ergibt sich ein Anteil der Hüllenbreite am Hohlkörperradius von maximal 10%.Characteristic of the powders produced by pressure swing technology are the unusually high bulk densities (ρ s > 4.10 2 g L -1 ) for amorphous silicas. From HADINOTO's [118] considerations on the ratio of the shell width S to the particle radius R (equation 4.3) results in a proportion of the shell width at the hollow body radius of a maximum of 10%.

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Beide erwähnten Faktoren ( S / R ; ρs) steigen mit zunehmendem Versprühdruck (Tabelle 7.14 und 7.17; Anhang) und Feststoffgehalt der Edukte an. Im Zuge einer Druckbetrachtung kann dies als Folge aus einer Abnahme des durchschnittlichen Tropfendurchmessers sowie der hierdurch induzierten schnelleren Verdampfung (siehe Abschnitt 2.1.1; Seite 5) interpretiert werden [86]. Analoges Verhalten wird ebenfalls für das Dichteverhältnis der effektiven zur Reinstoffdichte

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beobachtet.Both mentioned factors ( S / R ; ρ s ) increase with increasing atomizing pressure (Table 7.14 and 7.17, Appendix) and solids content of the educts. In the course of a print review, this can be interpreted as a consequence of a decrease in the average droplet diameter and the resulting faster evaporation (see Section 2.1.1, page 5) [86]. Analogous behavior also applies to the density ratio of the effective to the pure substance density
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observed.

Vom Versprühdruck unabhängige Werte liefern die Ergebnisse für den aerodynamischen Durchmesser (dA; Gleichung 2.16), welcher mit circa 4,5·10–6 m im Zielbereich dieser Arbeit liegt. Tendenziell höhere Werte der physikalisch-chemischen Parameter werden beim Einsatz von alkalisch stabilisierten Kieselsolen als Ausgangsmaterialien gefunden. Tabelle 4.1 gibt hierfür eine Übersicht. Dieser Auflistung (Tabelle 4.1) kann darüber hinaus entnommen werden, dass sich im Rahmen einer gezielten Wahl des Ausgangsmateriales auch eine Vererbung des pH-Wertes des sprühgetrockneten Pulvers ergibt. Im Zuge der Aufkonzentrierung der Alkali-Ionen im Trocknungsprozess ist dieser in der analysierten Suspension (10% (m:m)) leicht erhöht (~0,2 pH-Wert-Einheiten). Laserbeugungsexperimente an den erhaltenen Xerogelen bei variierendem Dispergierdruck geben einen Ausblick auf die mechanische Stabilität der Hohlkörper. Eine Erhöhung des Dispergierdruckes um das Vierfache auf 4·105 Pa bewirkt eine signifikante Verschiebung der statistischen Verteilungswerte zu kleineren Werten (–30% für den d90(V)-Wert). Für Vergleichsmessungen wurde das bereits in dieser Arbeit vorgestellte Köstrosolid® 0403 verwendet. Produktionstechnisch wird bei diesem Produkt nach der Gelierung aus einem Kieselsol das erhaltene Hydrogel mit Hilfe von Trocknungs- und Vermahlungstechniken auf seine Partikelgrößenverteilung eingestellt. Dementsprechend handelt es sich bei diesem industriellen Produkt um irreguläre poröse Vollkörper, welche unter dem geringen mechanischen Stress (Dispergierdruck PDisp max. 4·105 Pa) im Experiment keinem messbaren Zerfall unterliegen. zeigt einen Vergleich der beiden mikroskalaren Produkte.Values independent of spray pressure are given by the results for the aerodynamic diameter (d A , Equation 2.16), which is approximately 4.5 · 10 -6 m in the target range of this work. Higher values of the physicochemical parameters tend to be found when using alkaline stabilized silica sols as starting materials. Table 4.1 gives an overview. In addition, this listing (Table 4.1) can be seen that inheritance of the pH of the spray-dried powder also results from a specific choice of the starting material. In the course of the concentration of the alkali ions in the drying process, this is slightly increased in the analyzed suspension (10% (m: m)) (~ 0.2 pH units). Laser diffraction experiments on the obtained xerogels with varying dispersing pressure give an outlook on the mechanical stability of the hollow bodies. Increasing the dispersion pressure four times to 4 × 10 5 Pa causes a significant shift of the statistical distribution values to smaller values (-30% for the d 90 (V) value). For comparative measurements the Köstrosolid ® 0403 already presented in this work was used. In terms of production, after gelation from a silica sol in this product, the resulting hydrogel is adjusted to its particle size distribution by means of drying and milling techniques. Accordingly, this industrial product is an irregular porous solid which, under the low mechanical stress (dispersion pressure P Disp max 4 · 10 5 Pa), is subject to no measurable decomposition in the experiment. shows a comparison of the two microscale products.

Pulver aus unstabilisierten Edukten zerfallen mit steigender mechanischer Belastung einheitlich – mit konstantem Span (Köstrosol® 1510: 1,8 bei PDüse = 2,3·107 Pa). Diesen Solen fehlen die zur Beschleunigung der Agglomeration notwendigen Alkali-Ionen. Alkalisch stabilisierte Varianten hingegen weisen einen stetigen Anstieg des Span-Wertes in Folge des geringer absinkenden d90(V)-Wertes mit steigendem Dispergierdruck auf. Bspw. nimmt der Span von alkalischem Gel aus Köstrosol® 1510 von 1,83 (PDisp = 105 Pa) auf 2,21 (4·105 Pa) zu. Ursache dieses Effektes ist die Konzentration an Material im Tropfen. Tropfen des Sprühs mit größeren Durchmessern beinhalten reichlich kolloidales Material und haben mehr Zeit bis sie die kritische Konzentration durch verdampfendes Fluid an der, im Vergleich zu geringeren Tropfendurchmessern prozentual kleineren, Oberfläche erreicht haben. Demzufolge kommt es zu einer dichteren Packung der Hülle, woraus sich ein Stabilitätsgewinn ableitet. Kleinere Tropfenradien dagegen beinhalten deutlich weniger Material und erreichen abrupt ihre kritische Konzentration. Durch diese schnelle Ereignisfolge kommt es zu einem schnellen Viskositätsanstieg in Kombination mit einem gehemmten Stofftransport im Tropfen. Das Resultat ist eine unselektive Anordnung der monomeren Teilchen. Labile Verbindungen der Kolloide und Agglomerate untereinander – Fehlstellen – sind die Folge. Dementsprechend weisen alkalisch gebildete Partikel mit größeren Durchmessern eine höhere Beständigkeit gegenüber mechanischer Belastung auf, als deren kleinere Vertreter.Powder of unstabilized starting materials disintegrate uniformly with increasing mechanical load - constant chip (Köstrosol ® 1510 1.8 at nozzle P = 2.3 x 10 7 Pa). These sols lack the alkali ions necessary to accelerate the agglomeration. Alkali-stabilized variants, on the other hand, exhibit a steady increase in the span value as a consequence of the lower decreasing d 90 (V) value with increasing dispersion pressure. For example. increases the tension to alkaline gel Köstrosol ® 1510 1.83 (Disp P = 10 5 Pa) to 2.21 (4 x 10 5 Pa). The cause of this effect is the concentration of material in the drop. Drops of the larger diameter spray contain abundant colloidal material and have more time to reach the critical concentration by evaporating fluid at the surface, which is smaller in percentage compared to smaller drop diameters. As a result, there is a denser packing of the shell, resulting in a gain in stability derived. By contrast, smaller droplet radii contain significantly less material and abruptly reach their critical concentration. This rapid sequence of events leads to a rapid increase in viscosity in combination with an inhibited mass transport in drops. The result is an unselective arrangement of the monomeric particles. Labile compounds of colloids and agglomerates with each other - Defects - are the result. Accordingly, larger diameter alkaline particles have higher resistance to mechanical stress than their smaller counterparts.

4.2.2 Sprühtrocknung unter Beladung mit Stickstoff4.2.2 Spray drying under nitrogen loading

Eine Beladung der kolloidalen Ausgangsmaterialien mit Stickstoff gestattet den Zugang zu kleineren Partikeldurchmessern bei analogen (unstabilisierte Edukte; Span = 1,7) oder engeren (alkalische stabilisierte Edukte; Span = 1,7; –6,6%) Breiten der Partikelgrößenverteilungen. Ausnahmslos weisen beide Stabilisierungsvarianten eine Verschiebung zu geringeren Verteilungskennzahlen (Tabelle 4.2 bzw. Tabelle 7.18 im Anhang) auf. Bei einer Lösung von Stickstoff in den Solen bestätigt sich die, aus Abschnitt 4.2.1 beobachtete, Tendenz, dass aus unstabilisierten Kieselsolen hergestellte Xerogele kleinere Partikelgrößenverteilungswerte aufweisen, als unter analogen Bedingungen hergestellte alkalische Geltypen. Insbesondere die d90(V)-Daten verschieben sich, verglichen mit ohne Gelöstgas applizierten Solen, signifikant in den unteren Mikrometerbereich (d90(V) < 10–5 m bzw. Tabelle 7.18; Anhang). zeigt die Abhängigkeit der Partikelgrößenverteilung vom Düsenausgangsdruck bei einem Dispergierdruck von 105 Pa. Je höher der verwendete Druck an der Düsenaustrittsöffnung ist, desto signifikanter verschiebt sich die Verteilung in den Submikrometerbereich. Dieser Effekt kann durch eine Zumischung von Stickstoff verstärkt werden. Analoges Verhalten zwischen alkalischen und aus unstabilisierten Kieselsolen hergestellten Pulvern in Bezug auf ihre geometrischen Größen wird bei der mechanischen Belastung anhand einer Dispergierdruckerhöhung festgestellt (Tabelle 7.18; Anhang). Hier fördern ebenfalls die vorliegenden Alkali-Ionen die Ausbildung erster starrer Strukturen der Partikel durch eine optimierte Vernetzung monomerer Grundbausteine, infolgedessen der berechnete Span steigt. Für aus alkalischem Köstrosol® 1510 generierte Pulver sinkt der Span bzw. der d50(V)-Wert (PDisp = 4·105) bei stickstoffbeladenen Edukten um 10% (Span = 2,0) bzw. 13% (d50(V) = 8,6·10–6 m) gegenüber der unbeladenen Variante. Anhand von Stickstoff-Sorption gemessene BET(N2; 77 K)-Oberflächen entsprechen für beide Varianten nahezu den, mittels SEARS-Methode [188] bestimmten, Oberflächen der kolloidalen Ausgangsprodukte.Nitrogen loading of the starting colloidal materials allows access to smaller particle diameters for analog (unstabilized starting materials, Span = 1.7) or narrower (alkaline stabilized starting materials; Span = 1.7, -6.6%) particle size distribution widths. Without exception, both stabilization variants show a shift towards lower distribution ratios (Table 4.2 or Table 7.18 in the appendix). In a solution of nitrogen in the sols, the tendency observed from Section 4.2.1 to confirm that xerogels made from unstabilized silica sols have smaller particle size distribution values than alkaline gel types prepared under analogous conditions. In particular, the d 90 (V) data shift significantly to the lower micrometer range (d 90 (V) <10 -5 m and Table 7.18, respectively, compared with sols applied without dissolved gas). shows the dependence of the particle size distribution on the nozzle outlet pressure at a dispersion pressure of 10 5 Pa. The higher the pressure used at the nozzle outlet opening, the more significantly shifts the distribution in the Submikrometerbereich. This effect can be enhanced by adding nitrogen. Analogous behavior between alkaline powders and unstabilized silica sols with respect to their geometrical parameters is determined by mechanical stress on the basis of a dispersion pressure increase (Table 7.18, Appendix). Here, too, the present alkali ions promote the formation of the first rigid structures of the particles through an optimized crosslinking of monomeric building blocks, as a result of which the calculated span increases. For powders generated from Alkaline Köstrosol ® 1510, the span or d 50 (V) value (P Disp = 4 · 10 5 ) for nitrogen-loaded starting materials drops by 10% (Span = 2.0) and 13% (d 50 (V) = 8.6 × 10 -6 m) compared to the unloaded variant. BET (N 2 ; 77 K) surfaces, measured by nitrogen sorption, are nearly equivalent in both variants to surfaces of the colloidal starting products determined by SEARS method [188].

In diesem Teil der Arbeit wurde der Grundstoff Kieselsol mit einem Gas beaufschlagt. Wissenschaftlicher Hintergrund dieser Beladung des Kieselsoles mit Gas unter Hochdruck und anschließende Überführung zu niedrigen Drücken war ergänzend zu der Diskussion eines sekundären Tropfenzerfalls (Mechanismus i; siehe Abschnitt 4.2) die theoretische Herleitung der folgenden zwei weiteren möglichen Effekte:

  • ii. Minimierung von Partikeldefekten: Bei Gemischen von Gasen in Flüssigkeiten ist die Schallgeschwindigkeit herabgesetzt. Dementsprechend sollten Druckausgleichsprozesse signifikant schneller als in den reinen Medien ablaufen. Hierfür gibt es zwei prinzipielle Möglichkeiten im Partikelbildungsprozess. Wie in Abschnitt 2.3 (Seite 22) vorgestellt, resultiert aus der Gasdynamik beim Entspannen von Gasen eine Abkühlung des Systems. Bei einer sich während des ersten Trocknungsschrittes verfestigenden Tropfenoberfläche könnte dieser Effekt einer Überhitzung des Tropfeninneren (Abschnitt 2.1.2; Seite 10) entgegenwirken. Darüber hinaus sind Gase kompressibel, was den, mit der Überhitzung assoziierenden Druckanstieg im Tropfeninneren, reduzieren wür de. Resultierend daraus sollte der Partikeldefekt eines Aufblähens („Ballooning”) [47, 121] bei der Synthese unwahrscheinlicher werden. Im zweiten Teil der Partikelbildung könnte das sich aus dem Fluid entlösende Gas der Formung eines partiellen inneren Vakuums als Gegendruck entgegenwirken. Fehlerbehaftete Stofftransportvorgänge an der noch nicht verfestigten Hülle könnten hierdurch reduziert werden.
  • iii. Optimierung der Trocknung: Der gebildeten Tropfen wird zusätzlich zum angelegten Trocknungsgasstrom vom sich entlösenden Gas getrocknet. Zusätzliche Phasengrenzflächen durch Gasbläschen optimieren den Übergang der Flüssigkeitsmoleküle in die Gasphase.
In this part of the work, the raw material silica sol was charged with a gas. In addition to the discussion of a secondary drip decay (mechanism i, see Section 4.2), the theoretical background of this loading of the silica sol with gas under high pressure and subsequent transfer to low pressures was the theoretical derivation of the following two other possible effects:
  • ii. Minimization of Particle Defects: For mixtures of gases in liquids, the speed of sound is reduced. Accordingly, pressure equalization processes should proceed significantly faster than in the pure media. There are two principal possibilities in the particle formation process for this. As described in Section 2.3 (page 22), gas dynamics result in a cooling of the system when gases are released. In the case of a drop surface solidifying during the first drying step, this effect could counteract overheating of the drop inside (Section 2.1.2, page 10). In addition, gases are compressible, which would reduce the pressure increase inside the drop associated with the overheating. As a result, the particle defect of "ballooning" [47, 121] in synthesis should become less likely. In the second part of the particle formation, the gas releasing from the fluid could counteract the formation of a partial internal vacuum as backpressure. Faulty mass transfer operations on the not yet solidified shell could be reduced thereby.
  • iii. Optimization of the drying: The formed drop is dried in addition to the applied drying gas stream of the releasing gas. Additional phase interfaces through gas bubbles optimize the transition of the liquid molecules into the gas phase.

Mit Hilfe von kann der signifikant höhere Anteil an sphärischen, ohne Defekte vorliegenden, Hohlkörpern bei der Applikation von mit Stickstoff beladenen Kieselsolen verdeutlicht werden. Die Quote an Partikeln mit Defekten beträgt ~50% bei Gelen aus unbeaufschlagten Kieselsolen bzw. ~21% in den Gelen unter Beaufschlagung mit Stickstoff. Schwerpunktmäßig ist der Beitrag der Ringbildungs- [126–129] und „Blowhole”-Defekte [63, 109, 121, 132] reduziert ( ). In diesem Zusammenhang können die postulierten Mechanismen II und III – die Reduzierung der Partikeldefekte durch einen modifizierten Trocknungsprozess sowie einen verbesserten Ausgleich von Druckschwankungen – als Erklärungen der aufgeführten Beobachtungen angesehen werden. Widersprüchliches Verhalten wird bei der Schüttdichte ρs beobachtet. Entgegen der Möglichkeit, die Packungsdichte durch eine kleinere Partikelgrößenverteilung zu optimieren, liegen die Werte für das Schüttgewicht der mit Stickstoff versprühten, unstabilisierten Kieselsole unter ihrem Pendant ohne Beaufschlagung mit Gas. Für beide Stabilisierungsvarianten erhöht sich die Schüttdichte mit steigendem Düsenausgangsdruck ( ). Diese Zunahme ist jedoch bei stickstoffbeaufschlagtem, unstabilisierten Kieselsol wesentlich geringer ausgeprägt. Während bei unbeaufschlagt versprühtem Kostrosol® 1510 die Schüttdichte des erhaltenen Geles im Bereich von PDüse = 5 bis 23,5·106 Pa um 149 g L–1 (+35%) zunimmt, verändert sich die Schüttdichte für die Gele aus der beaufschlagten Variante lediglich um 44 g L–1 (+10%). Eine Begründung dieses gegenläufigen Effektes liegt in der Partikelgeometrie selbst. Infolge einer Absenkung der effektiven Dichte ρeff des Pulvers (Tabelle 4.2) muss die „Hollowness” – der Anteil des inneren Hohlvolumens im Partikel – einzelner Partikel zunehmen. Demzufolge nimmt durch eine Beladung mit Stickstoff der Anteil der Hüllenbreite am Teilchenradius im direkten Vergleich der mit und ohne Stickstoff hergestellten Pulver ab. Dieser Effekt mindert wesentlich jene, durch die deutlich kleinere Partikelgrößenverteilung hervorgerufene, theoretische Erhöhung der Schüttdichte. Eine Absenkung des aerodynamischen Durchmessers da als Kombination dieser Sachverhalte (Gleichung 2.16) ist ebenfalls beobachtbar (Tabelle 4.2).With the help of the significantly higher proportion of spherical, without defects present, hollow bodies in the application of nitrogen-loaded silica sols can be illustrated. The proportion of particles with defects is ~ 50% for gels of unbeaten silica sols and ~ 21% in the gels under exposure to nitrogen. The main focus is on the contribution of ring-forming [126-129] and blowhole defects [63, 109, 121, 132] ( ). In this context, the postulated mechanisms II and III - the reduction of particle defects by a modified drying process and an improved balance of pressure fluctuations - can be regarded as explanations of the listed observations. Contradictory behavior is observed at the bulk density ρ s . Contrary to the possibility of optimizing the packing density by means of a smaller particle size distribution, the bulk density values of the nitrogen-sprayed, unstabilized silica sols are below their counterparts without being exposed to gas. For both stabilization variants, the bulk density increases with increasing nozzle outlet pressure ( ). However, this increase is much less pronounced with nitrogen-loaded, unstabilized silica sol. While in unstressed sprayed Kostrosol ® 1510, the bulk density of the resulting gel in the range of P nozzle = 5 to 23.5 x 10 6 Pa to 149 g L -1 (+ 35%) increases, changes the bulk density for the gels from the applied variant only by 44 g L -1 (+ 10%). One reason for this opposite effect lies in the particle geometry itself. As a result of a lowering of the effective density ρ eff of the powder (Table 4.2), the "Hollowness" - the proportion of the internal hollow volume in the particle - of individual particles must increase. Consequently, by loading with nitrogen, the proportion of the shell width at the particle radius decreases in the direct comparison of the powders produced with and without nitrogen. This effect significantly reduces the theoretical increase in bulk density caused by the much smaller particle size distribution. A reduction of the aerodynamic diameter as a combination of these facts (Equation 2.16) is also observable (Table 4.2).

Vergleiche der mittels des Laserbeugungsgerätes Spraytec erhaltenen Werte für die Tropfendurchmesser mit den für die Xerogele erhaltenen Größenverteilungswerten (d90(V)) lassen auf einen direkten Einfluss der Gasbeaufschlagung schließen. Bei unstabilisierten Edukten nimmt das Verhältnis des Partikeldurchmessers zu dem ermittelten Tropfendurchmesser (d90(V)) bei einem Düsenausgangsdruck von 2,3·107 Pa von 54% durch Beaufschlagung mit Stickstoff auf unter 39% ab. Des Weiteren wird der Wert

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als beschreibender Faktor der „Hollowness”, signifikant von 0,26 auf 0,22 erniedrigt. Diese Varianz in den physikalischchemischen Eigenschaften, der aus unstabilisierten Kieselsolen gewonnenen Xerogele kann nur mit einem stickstoffmanipulierten Partikelbildungs- und Trocknungsmechanismus erklärt werden. Derartige Kieselsole charakterisieren sich durch eine Hemmung der Gelbildung (Geliergeschwindigkeit) im viskoelastischen Bereich (Abschnitt 4.1.1). Des Weiteren ist dieser Bereich deutlich unschärfer gezeichnet (Feststoffgehalt von 25 bis 50% (m:m)) als ihre alkalisch stabilisierten Analoga. Als Folge sind hier die Einflüsse des sich entlösenden Stickstoffes wesentlich prägnanter. Vorstellbar ist in diesem Zusammenhang ein Modell mit kleinen lokalen Erstarrungspunkten zu Beginn des viskoelastischen Bereiches. Diese liegen im weiteren Trocknungsprozess vorerst isoliert vor. Ab einem kritischen Punkt können diese verfestigten Stellen anschließend koagulieren oder voneinander abgegrenzt kleine, einzelne Partikel bilden. Dies bestätigt ebenfalls den postulierten Mechanismus iii (Seite 58) in Bezug auf die Steuerung von Defektwahrscheinlichkeiten durch einen veränderten Trocknungsprozess.Comparisons of the droplet diameter values obtained with the X-ray diffraction device Spraytec with the size distribution values obtained for the xerogels (d 90 (V)) indicate a direct influence of the gas loading. In the case of unstabilized educts, the ratio of the particle diameter to the determined drop diameter (d 90 (V)) at a nozzle outlet pressure of 2.3 · 10 7 Pa decreases from 54% by application of nitrogen to below 39%. Furthermore, the value
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as a descriptive factor of "Hollowness", decreased significantly from 0.26 to 0.22. This variance in the physicochemical properties of xerogels obtained from unstabilized silica sols can only be explained by a nitrogen manipulated particle formation and drying mechanism. Such silica sols are characterized by an inhibition of gelation (gelation rate) in the viscoelastic region (Section 4.1.1). Furthermore, this area is markedly blurred (solids content of 25 to 50% (m: m)) as their alkaline-stabilized analogues. As a result, the influences of the releasing nitrogen are much more prominent here. In this context, a model with small local solidification points at the beginning of the viscoelastic region is conceivable. These are initially isolated in the further drying process. From a critical point, these solidified sites can then coagulate or, separated from one another, form small, single particles. This also confirms the postulated mechanism iii (page 58) for controlling defect probabilities by changing the drying process.

Bei den hergestellten alkalischen Xerogelen bleiben unter Beladung mit Stickstoff im Vergleich zur Versprühung ohne Gas wesentliche Eigenschaften, wie geometrischer Durchmesser dg, Anteil der Hüllenbreite am Partikelradius S / R sowie das Verhältnis der effektiven zur Reinstoffdichte

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erhalten (Tabelle 4.2). Auf Grund der kleineren Partikelgrößenverteilung durch die zusätzlichen Gaseffekte ist eine optimalere Packung der Festkörperteilchen alkalischer Gele möglich, wodurch die Schüttdichte ρs von 580 auf 593 g L–1 (+2,2%) steigt. Tabelle 4.2 zeigt eine Übersicht der erhaltenen physikalisch-chemischen Daten von hergestellten Pulvern. Im Zusammenhang mit alkalischen Gelen kann dem beaufschlagten Gas nur eine sehr geringe Modifikation des Agglomerationsverhaltens im Tropfen zugrunde gelegt werden. Da dies im Widerspruch zu dem Verhalten von Pulvern aus unstabilisierten (vollentsalzten) Solen steht, muss bei derartigen Gelen der erhöhte Alkaligehalt der wesentliche Einflussfaktor auf die Bildung von Partikeln darstellen.In the case of the produced alkaline xerogels, when loaded with nitrogen, essential properties remain, such as geometric diameter d g , proportion of the shell width at the particle radius in comparison to atomization without gas S / R and the ratio of effective to pure substance density
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obtained (Table 4.2). Owing to the smaller particle size distribution due to the additional gas effects, a more optimal packing of the solid particles of alkaline gels is possible, whereby the bulk density ρ s increases from 580 to 593 g L -1 (+ 2.2%). Table 4.2 shows an overview of the obtained physicochemical data of prepared powders. In connection with alkaline gels, the acted upon gas can only be based on a very slight modification of the agglomeration behavior in the droplet. Since this is in contradiction to the behavior of powders of unstabilized (demineralized) sols, in such gels the increased alkali content must be the main factor influencing the formation of particles.

Die analogen Vergleiche der durch das Spraytec erhaltenen Werte für die Tröpfchengrößenverteilung mit den für die alkalischen Pulver erhaltenen Werten (d90(V)) verdeutlichen diesen Effekt. Bei alkalisch stabilisierten Edukten wird der Partikeldurchmesser bereits bei rund 62% des Ausgangstropfendurchmessers (53% mit Stickstoff) fixiert. Daraus schlussfolgernd werden die alkalischen Sole mit Erreichen ihres kritischen Konzentrationspunktes zeitlich kürzer in Gele überführt. Ursache hierfür ist eine erhöhte Geliergeschwindigkeit infolge der vermehrten elektrostatischen Wechselwirkungen mit den Alkali-Ionen. Beim Durchlaufen dieses, im Vergleich zu den unstabilisierten Solen auf die Konzentration bezogenen kleineren viskoelastischen Bereiches, sind nur wenige Möglichkeiten einer räumlichen und zeitlichen Modifikation der Partikelstruktur realisierbar.The analogous comparisons of the droplet size distribution values obtained by the Spraytec with the values obtained for the alkaline powders (d 90 (V)) illustrate this effect. In the case of alkaline-stabilized educts, the particle diameter is already fixed at about 62% of the initial droplet diameter (53% with nitrogen). As a result, the alkaline sols are converted into gels with shorter time to reach their critical concentration point. The reason for this is an increased gelling speed as a result of the increased electrostatic interactions with the alkali ions. When passing through this, compared to the unstabilized sols on the concentration related smaller viscoelastic range, only a few possibilities of a spatial and temporal modification of the particle structure can be realized.

Der Zerfall alkalisch hergestellter Xerogele mit steigendem Dispergierdruck im Laserbeugungsexperiment nimmt im Vergleich zur unbeaufschlagten Variante (+7%) leicht zu. Eine Erklärung dieser reproduzierbaren Varianz ist, dass der sich entlösende Stickstoff im Tropfen die Vernetzung monomerer Grundeinheiten bei der Ausbildung der Partikelhülle beeinträchtigt. Zusätzliche Phasengrenzflächen in Kombination mit einem damit verbundenen verstärkten Trocknungseffekt bewirken einen zeitlich verzögerten Stofftransport im Tropfen (Mechanismus iii). Die Partikelverteilung wird als dessen Folge bei gleichen makroskopischen Partikeleigenschaften zu geringeren Werten verschoben. Analog den Beobachtungen zum Fließ- und Gießverhalten der erhalten Xerogele Abschnitt 4.2.1 weisen die in diesem Abschnitt hergestellten Pulver analoge Eigenschaften auf. Kohäsive Effekte werden in rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen nur bei sehr kleinen Partikeldurchmessern (< 5·10–7 m) als Folge ihrer Oberflächenchemie beobachtet. Zugleich ist eine Vererbung des pH-Wertes vom Ausgangsmaterial nachweisbar.The decomposition of alkaline-produced xerogels with increasing dispersion pressure in the laser diffraction experiment increases slightly compared to the unbounded version (+ 7%). One explanation for this reproducible variance is that the releasing nitrogen in the droplet impairs the crosslinking of monomeric repeat units during the formation of the particle shell. Additional phase interfaces in combination with an associated increased drying effect cause a time-delayed mass transfer in the drop (Mechanism iii). As a result, the particle distribution is shifted to lower values with the same macroscopic particle properties. Analogous to the observations on the flow and casting behavior of the obtained xerogels Section 4.2.1, the powders produced in this section have analogous properties. Cohesive effects are observed in scanning electron micrographs only at very small particle diameters (<5 × 10 -7 m) as a consequence of their surface chemistry. At the same time an inheritance of the pH of the starting material is detectable.

4.2.2.1 Einflussfaktor Feststoffgehalt4.2.2.1 Influence factor solids content

Für eine Gewährleistung der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse mit dem Ziel einer Reduzierung von Partikeldefekten wurden für die weiteren Betrachtungen dieses Abschnittes nur Kieselsole unter Beaufschlagung mit Stickstoff (V ·N2 = 0,7 NL min–1) verwendet. Als Trocknungsprofil (siehe Abschnitt 3.3.2) wurde Betriebsart 2 (TE = 398 K; TA = 393 K) gewählt. Der Parameter Feststoffgehalt des Ausgangsmateriales hat einen wesentlichen Einfluss auf die Partikelform und -größenverteilung. MAAs et al. [131] sowie MASTERs [86] Betrachtungen zu einer direkten Abhängigkeit von Eduktkonzentration und Partikelradius können mittels Laserbeugungsexperimenten an den erhaltenen Pulvern in dieser Arbeit bestätigt werden ( ). Mit zunehmendem Feststoffgehalt der Kieselsole steigen der mittlere Partikeldurchmesser sowie die Packungsdichte der hergestellten Pulver an. beschreibt eine Zunahme des d90(V)-Wertes der Partikelgrößenverteilung (PDisp = 105 Pa) von 8,5·10–6 m (ms = 0,65% (m:m)) auf 11,4·106 m (ms = 11,89% (m:m); +33,8%). Des Weiteren sinkt, entsprechend SHAWs [125] Erläuterungen, mit zunehmendem Feststoffgehalt die Defektwahrscheinlichkeit der erhaltenen Festkörper. REM-Aufnahmen von Xerogelen mit unterschiedlichen Feststoffgehalten der Ausgangsmaterialien stützen diese Aussagen ( ).In order to ensure the reproducibility of the results with the aim of reducing particle defects, only silica sols subjected to nitrogen (V × N 2 = 0.7 NL min -1 ) were used for the further considerations of this section. The drying profile (see section 3.3.2) was selected as operating mode 2 (T E = 398 K, T A = 393 K). The parameter solids content of the starting material has a significant influence on the particle shape and size distribution. MAAs et al. [131] as well as MASTER's [86] considerations on a direct dependence of educt concentration and particle radius can be confirmed by laser diffraction experiments on the obtained powders in this work ( ). As the solids content of the silica sol increases, the average particle diameter and the packing density of the powders produced increase. describes an increase of the d 90 (V) value of the particle size distribution (P Disp = 10 5 Pa) from 8.5 × 10 -6 m (m s = 0.65% (m: m)) to 11.4 × 10 10 6 m (m s = 11.89% (m: m), + 33.8%). Furthermore, according to SHAWs [125] explanations, the probability of defects of the resulting solids decreases with increasing solids content. SEM images of xerogels with different solids contents of the starting materials support these statements ( ).

LUKASIEWICZ [121] beobachtete, dass mit steigendem Feststoffgehalt der Anteil des Hohlkörpers („Hollowness”) ab- und die der festen Strukturen (Vollkörper) zunehmen. Als Ursache kennzeichnete er die Verkürzung der konstanten Stoffübergangsgeschwindigkeit des Tropfens [63]. HADINOTO [118] nutzte für diese Art der Beschreibung das Verhältnis der effektiven (ρeff) zur Reinstoffdichte (ρtrue) als darstellenden Faktor. Grundlage der Reinstoffdichte für amorphes Siliziumdioxid (2,2·103 kg m–3) in dieser Arbeit war der Literaturwert gemäß ILER [179]. Für die Druckwechseltechnologie trifft die Aussage einer Zunahme des Vollkörperanteiles mit zunehmender Ausgangsmaterialkonzentration jedoch nur auf Xerogele aus alkalisch stabilisierten Edukten zu. Hierbei kommt es als Folge der Tröpfchengrößenverteilung in Kombination mit der Aufkonzentrierung der Alkali-Ionen, welche nachweislich die Gelbildung fördern [179], zu der angeführten Reduzierung des Hohlkörperanteiles. Das Verhältnis der Hüllenbreite zum Partikelradius S / R steigt stetig an. Verdeutlicht wird dies am Beispiel von Kostrosol® 1510, bei welchem das Verhältnis S / R von 9,2% (ms = 5,1% (m:m)) auf 10,6% (ms = 19,9% (m:m)) zunimmt. Eine Bulkgelierung kann in den betrachteten Bereichen des Feststoffgehaltes (bis ms = 30,3% (m:m)) nicht festgestellt werden.LUKASIEWICZ [121] observed that with increasing solids content, the proportion of the hollow body decreases ("Hollowness") and that of the solid structures (solid body) increase. As a cause he characterized the shortening of the constant mass transfer rate of the droplet [63]. HADINOTO [118] used for this type of description the ratio of the effective (ρ eff ) to the pure substance density (ρ true ) as a representative factor. The basis of the pure substance density for amorphous silicon dioxide (2.2 · 10 3 kg m -3 ) in this work was the literature value according to ILER [179]. For the pressure swing technology, however, the statement of an increase in the full body content with increasing starting material concentration applies only to xerogels of alkaline-stabilized educts. As a result of the droplet size distribution in combination with the concentration of the alkali ions, which demonstrably promote gel formation [179], the stated reduction of the hollow body fraction occurs. The ratio of the shell width to the particle radius S / R rising steadily. This is illustrated by the example of Kostrosol ® 1510, in which the ratio S / R from 9.2% (m s = 5.1% (m: m)) to 10.6% (m s = 19.9% (m: m)). Bulk gelation can not be detected in the considered ranges of the solids content (up to m s = 30.3% (m: m)).

Unstabilisierten Ausgangsmaterialien (Kieselsolen) fehlt diese Art von „Beschleunigung”, so dass diese dem Zusammenspiel von schneller Trocknung und langsamer Gelbildung unterliegen. Beim Versprühen von derartigen Solen bestätigt sich, dass die Neigung zur Generierung von Partikeln seitens der Art der Aufkonzentration sowie der Lage des viskoelastischen Bereichs bestimmt wird. Ein besonderes Merkmal dieser Geltypen ist die Konstanz der Hüllenbreite am Partikelradius ( S / R ~ 8%) zwischen Feststoffgehalten von 0,65% und 11,89% (m:m). Folglich kommt es bei einer Erhöhung des Feststoffgehaltes der Ausgangsmaterialen zu einer Anpassung der Partikelradien der jeweiligen Gele anstelle einer, literaturbekannten Erniedrigung der „Hollowness” (Tabellen 7.22 und 7.23; Anhang) [121]. Diese charakteristische Eigenart der Druckwechseltechnologie wurde in diesem hohen Konzentrationsbereichen ohne Templateinsatz für Sprühtrocknungen noch nicht beschrieben. zeigt die bisherigen literaturbekannten Entwicklungen siliziumdioxidbasierter Sprühapplikationen in Abhängigkeit vom Feststoffgehalt des Eduktes [24, 118]. Der beobachtete leichte Anstieg der Geraden für das Verhältnis

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in Abhängigkeit zum Feststoffgehalt bei den Ergebnissen in dieser Arbeit ist eine Folge der Tröpfchengrößenlimitierung. Diese beschreibt den maximal erreichbaren Durchmesser der herstellbaren Granulate. Aus unstabilisierten Kieselsolen generierte Partikel können nur bis zu jener vorgegebenen Größe, dem prozessbedingten Tropfendurchmesser, in Abhängigkeit zu ihrem Feststoffgehalt aufwachsen (Abbildung 4.12; Bereich I). Anschließend muss analog zu den alkalischen Varianten der Hohlkörperanteil („Hollowness”) abnehmen (Bereich II). Bei einem Feststoffgehalt der kolloidalen Ausgangsdispersion von 0,65% (m:m) liegt der d90(V)-Wert der Verteilung bei 37% (v:v) des Tropfendurchmessers (d90(V); PDisp = 2,3·107 Pa). Wird dieser Feststoffgehalt um das Achtzehnfache (11,98% (m:m)) bei analogen Sprühparametern erhöht, sind bereits 64% des maximalen Tropfendurchmessers (Tabelle 7.10 bis 7.12) erreicht. Im direkten Vergleich sind die Radien (d90(V)) der hergestellten Partikel um 34% von 4,2·10–6 m (ms = 0,65% (m:m)) auf 5,7·10–6 m (ms = 11,89% (m:m) angewachsen. ist zu entnehmen, dass im Widerspruch zu HADINOTOs [118] Ergebnissen, keine signifikante Zunahme des Verhältnisses
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bei geringen Erhöhungen des Feststoffgehaltes festgestellt werden kann (Tabelle 7.22). Die erhaltenen Daten bestätigen, als Folge des geringen Anstieges der Regressionsgeraden im betrachteten Feststoffgehaltsbereich, das aufgeführte Prinzip der Tröpfchengrößenlimitierung der vorausgehenden Absätze. HADINOTO [118] nutzte für seine Untersuchungen Ultraschallzerstäuber zur Generierung geringer Tropfendurchmesser (~4·10–6 m), hohe Beladungen (μ > 500) und mehrstufige Trocknungstechnik. Eine Tröpfchengrößenbeeinflussung wurde, obgleich der Darstellung kleinerer Kollektive, für die verwendeten Feststoffgehalte (ms < 2% (m:m)) nicht beschrieben. Lineare Abhängigkeiten vom Feststoffgehalt zeigen ebenfalls die Daten für den geometrischen und aerodynamischen Durchmesser ( ; rechtes Diagramm). Diese Ergebnisse bestätigen die allgemeinen Aussagen von MASTER [86] und MAA et al. [131] zum Einfluss der Konzentration auf die mittleren Partikeldurchmesser, stehen aber wiederum im Widerspruch zu HADINOTOs [118] Ergebnissen zu Sprühtrocknungsversuchen mit kolloidalen Kieselsäuren als Ausgangsmaterialien. Generell liegen die ermittelten Partikeldurchmesser mit d50(V) < 5,7·10–6 m im Zielbereich dieser Arbeit. Tabelle 4.3 kann entnommen werden, dass erwartungsgemäß der Anteil von Partikeln mit Durchmessern im Submikrometerbereich (dP < 10–6 m) mit steigendem Feststoffgehalt der Edukte abnimmt.Unstabilized starting materials (silica sols) lack this kind of "acceleration", so that they are subject to the interaction of fast drying and slow gelation. When spraying such sols it is confirmed that the tendency to generate particles is determined by the type of concentration and the position of the viscoelastic region. A special feature of these gel types is the constancy of the shell width at the particle radius ( S / R ~ 8%) between solids contents of 0.65% and 11.89% (m: m). Consequently, an increase in the solids content of the starting materials leads to an adaptation of the particle radii of the respective gels instead of a lowering of the "hollowness" known from the literature (Tables 7.22 and 7.23, Appendix) [121]. This characteristic peculiarity of pressure swing technology has not yet been described in this high concentration range without template use for spray drying. shows the previous literature developments of silica-based spray applications as a function of the solids content of the educt [24, 118]. The observed slight increase in the straight line for the ratio
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depending on the solids content in the results in this work is a consequence of droplet size limitation. This describes the maximum achievable diameter of the producible granules. Particles generated from unstabilized silica sols can only grow up to the specified size, the process-related droplet diameter, depending on their solids content (Figure 4.12, Area I). Subsequently, similar to the alkaline variants, the hollow body portion ("Hollowness") must decrease (range II). At a solids content of the starting colloidal dispersion of 0.65% (m: m), the d 90 (V) value of the distribution is 37% (v: v) of the droplet diameter (d 90 (V); P Disp = 2.3 · 10 7 Pa). Will this Increased solids content by 18 times (11.98% (m: m)) with analog spray parameters, already 64% of the maximum drop diameter (Table 7.10 to 7.12) are reached. In direct comparison, the radii (d 90 (V)) of the produced particles are 34% of 4.2 × 10 -6 m (m s = 0.65% (m: m)) to 5.7 × 10 -6 m (m s = 11.89% (m: m) grown. it can be seen that, in contradiction to HADINOTO's [118] results, no significant increase in the ratio
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can be detected at low increases in the solids content (Table 7.22). The data obtained confirm, as a result of the small increase in the regression line in the considered solids content range, the principle of droplet size limitation of the preceding paragraphs. HADINOTO [118] used ultrasonic atomizers for the generation of small droplet diameters (~ 4 · 10 -6 m), high loadings (μ> 500) and multi-stage drying technology. Droplet size control, although representing smaller collectives, has not been reported for the solids used (m s <2% (m: m)). Linear dependencies of the solids content also show the data for the geometric and aerodynamic diameter ( ; right diagram). These results confirm the general statements of MASTER [86] and MAA et al. [131] on the influence of the concentration on the average particle diameter, in turn, contradict HADINOTO's [118] results on spray-drying experiments with colloidal silicas as starting materials. In general, the determined particle diameters d 50 (V) <5.7 · 10 -6 m are within the target range of this work. Table 4.3 shows that, as expected, the proportion of particles with diameters in the submicrometer range (d P <10 -6 m) decreases with increasing solids content of the educts.

Pulver aus alkalisch stabilisierten Kieselsolen zeigen ebenfalls eine Tröpfchengrößenlimitierung. Wird der Feststoffgehalt einer Dispersion (ms ~ 5% (m:m); dK = 1,5·10–8 m) um den Faktor Zwei verdoppelt, erhöht sich das Verhältnis der Hüllenbreite zum Partikelradius S / R im hergestellten Pulver um 8,4% von 9,17 auf 9,94%. Bei einer Vervierfachung der Konzentration steigt der d90(V)-Wert der Verteilung um rund 33% von 11,3·10–6 m auf 15,1·10–6 m an, während das Verhältnis S / R um 15% auf 10,56% zunimmt. Das Verhältnis

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für alkalische Xerogele nimmt in diesem Zusammenhang ebenfalls um 14% von 0,25 auf 0,28 zu (Tabelle 7.24; Anhang). Eine, die Gelbildung fördernde, Wirkung von Alkali-Ionen als Ursache dieser kolloidalen Zusammenlagerungen wurde in dieser Arbeit bereits ausführlich diskutiert.Powders of alkaline stabilized silica sols also exhibit droplet size limitation. If the solids content of a dispersion (m s ~ 5% (m: m); d K = 1.5 x 10 -8 m) is doubled by a factor of two, the ratio of the shell width to the particle radius increases S / R in the produced powder by 8.4% from 9.17 to 9.94%. In a quadrupling of the concentration of the d 90 (V) value increases the distribution of around 33% from 11.3 · 10 -6 m to 15.1 x 10 -6 m, whereas the ratio S / R increases by 15% to 10.56%. The relationship
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for alkaline xerogels in this context also increases by 14% from 0.25 to 0.28 (Table 7.24, Appendix). An effect of alkali ions, which promotes the formation of gel, as the cause of these colloidal assemblages has already been discussed in detail in this work.

Geometrische Durchmesser von dg < 7·10–6 m sind für vergleichbare Produkte in Kombination mit derartigen Konzentrationen sowie kurzen Trocknungszeiten (τTr ~ 0,1 s; Pe > 40) in der Literatur noch nicht beschrieben worden. Ebenfalls unbekannt ist die Reduzierung der Wahrscheinlichkeit von Partikeldefekten als Kombination der Faktoren Konzentration, Versprühdruck und Stickstoffbeaufschlagung. Eine Bestätigung der Zunahme größerer und Abnahme kleinerer Partikeldurchmesser mit steigendem Feststoffgehalt des Ausgangsmateriales liefert die Übersicht in Tabelle 4.4.Geometric diameters of d g <7 x 10 -6 m have not been described in the literature for comparable products in combination with such concentrations and short drying times (τ Tr ~ 0.1 s; Pe> 40). Also unknown is the reduction in the likelihood of particle defects as a combination of the factors concentration, atomizing pressure and nitrogen loading. Confirmation of the increase in larger and smaller particle diameter decreases with increasing solids content of the starting material is provided in the overview in Table 4.4.

Beide Stabilisierungstypen kennzeichnen sich durch eine Zunahme der Schüttdichte in ihren hergestellten Pulvern mit steigender Eduktkonzentration, wobei die alkalischen Ausgangsmaterialien tendenziell höhere Werte (Tabelle 7.22 und 7.24; Anhang) aufweisen. Entgegen WALTONs [47] Aussage können bei alkalischen Xerogelen bereits bei Feststoffgehalten von > 15% (m:m) Schüttdichten über 6·102 g L–1 erzielt werden. Mit steigendem Partikeldurchmesser nimmt jedoch die Schüttdichte als Folge der sinkenden Packungsdichte (Abschnitt 4.2.2.3) ab. Während Pulver aus Ausgangskolloidgrößen von dK = 1,5·10–8 m (ms = 10% (m:m); PDüse = 2,3·10 Pa) Schüttdichten von ρs = 593 g L–1 aufweisen, liegen die Werte von Pulvern mit größeren Solteilchen (dK = 4,5·10–8 m) im Bereich von ρs = 550 g L–1. Ursache dieses Effektes ist die, als Folge der Produktionsbedingungen unumgängliche, Verschiebung zu einer bimodalen Verteilung der Edukte. Dementsprechend konkurrieren verschiedene Teilchendurchmesser bei der Ausbildung der Partikelhüllen. Ein modifizierter viskoelastischer Bereich sowie eine veränderte Gelbildung sind die Folge. Die ermittelten BET(N2; 77 K)-Oberflächen entsprechen denen der kolloidalen Ausgangsmaterialen (Sears-Oberfläche [188]) und sind unabhängig vom pH-Wert des Startmateriales. Es wird keine auswertbare Porenbildung beobachtet. Analog den Beobachtungen der vorherigen Kapitel ist im Laserbeugungsexperiment ein Zerfall der Partikel mit Erhöhung des Dispergierdruckes zu verzeichnen. Da bei den aus unstabilisierten Kieselsolen gewonnenen Xerogelen das Verhältnis von Hüllenbreite zu Partikelradius S / R im betrachteten Konzentrationsbereich konstant ist, verwundert es nicht, dass die Zerfallsquoten (Span, d90(V)) dieser Gele vergleichbare Werte für alle eingesetzten Feststoffgehalte der Ausgangsmaterialien zeigen. Alkalische Kieselsole hingegen zeigen einen Anstieg des Verhältnisses S / R mit Erhöhung der Konzentration. Dies führt entgegen den theoretischen Erwartungen zu einer Schwächung der Partikelhülle. Ursache für diesen Effekt kann der Konzentrationsgradient im Sprühtropfen sein. Je höher die Ausgangskonzentration desto geringer ist der Konzentrationsgradient ( ∂c / dz ) zwischen Tropfenkern und dessen Oberfläche im viskoelastischen Bereich sowie am kritischen Punkt. Dies führt zu einem rasanten Viskositätsanstieg im gesamten Bulk, welcher den erforderlichen Stofftransport zu den Verfestigungspunkten grundlegend hemmt. Bei der folgenden Ausbildung der Hülle haben die kolloidalen Teilchen dementsprechend weniger Zeit und Bewegungsmöglichkeiten sich räumlich auszurichten. Fehlstellen in der Struktur (Defekte) sind die Folge. Insgesamt zerfallen die so hergestellten Partikel bezogen auf ihren Ausgangswert (d90(V)) mit steigender Konzentration besser (> 70% bei Erhöhung des Dispergierdruckes von 1 auf 4·105 Pa), als aus unstabilisierten Solen gewonnene Gele (~60%). Des Weiteren nimmt der mechanische Zerfall, bezogen auf den d90(V)-Wert, ebenfalls mit steigendem Ausgangskolloiddurchmesser zu (Tabelle 7.25). Die produktionstechnisch unumgängliche, polymodale Partikelgrößenverteilung der Kieselsole als Ursache des Aufbaues von Sollbruchstellen (Strukturdefekten) in der Partikelhülle ist diesbezüglich ein diskutierbares Motiv. Eine Auswertung der Ergebnisse des Laserbeugungsexperiments in Bezug auf die Nassvermessung der erhaltenen Xerogele war nicht zielführend. Hierbei sind auf Grund der vielfältigen Effekte der wässrigen Siliziumdioxid-Chemie keine allgemeingültigen Aussagen zu treffen. Offensichtlich scheint es im Kontakt mit wässrigen Medien eine Aktivierung der Oberfläche zu geben, in denen Agglomerierung, Deagglomerierung und Aggregierung untereinander konkurrieren [179]. Gleiches Ergebnis liefern die Messungen in 2-Propanol als Dispergiermedium. Diskussionen zu Redispergierbarkeitsuntersuchungen werden in Abschnitt 4.3 dieser Arbeit geführt.Both types of stabilization are characterized by an increase in bulk density in their prepared powders with increasing educt concentration, with alkaline starting materials tending to have higher values (Tables 7.22 and 7.24, Appendix). Contrary to Walton's [47] statement, bulk densities of more than 6 × 10 2 g L -1 can be achieved with alkaline xerogels even at solids contents of> 15% (m: m). However, as the particle diameter increases, the bulk density decreases as a result of the decreasing packing density (Section 4.2.2.3). While powders of starting colloid sizes of d K = 1.5 × 10 -8 m (m s = 10% (m: m); P nozzle = 2.3 × 10 Pa) have bulk densities of ρ s = 593 g L -1 , are the values of powders with larger sol particles (d K = 4.5 · 10 -8 m) in the range of ρ s = 550 g L -1 . The cause of this effect is the shift to a bimodal distribution of the educts, which is unavoidable as a consequence of the production conditions. Accordingly, different particle diameters compete in the formation of the particle shells. A modified viscoelastic region and altered gel formation are the result. The determined BET (N 2 ; 77 K) surfaces correspond to those of the colloidal starting materials (Sears surface [188]) and are independent of the pH of the starting material. No evaluable pore formation is observed. Analogous to the observations of the previous chapter, the particle scattering of the particles with increasing dispersion pressure can be observed in the laser diffraction experiment. Since the xerogels obtained from unstabilized silica sols have the ratio of shell width to particle radius S / R is constant in the considered concentration range, it is surprising not that the decomposition rates (Span, d 90 (V)) of these gels show comparable values for all used solids contents of the starting materials. Alkaline silica sols, on the other hand, show an increase in the ratio S / R with increasing concentration. This leads contrary to the theoretical expectations to a weakening of the particle shell. The cause of this effect may be the concentration gradient in the spray drop. The higher the initial concentration, the lower the concentration gradient ( ∂c / dz ) between the droplet core and its surface in the viscoelastic region and at the critical point. This leads to a rapid increase in viscosity in the entire bulk, which fundamentally inhibits the required mass transport to the solidification points. Accordingly, in the ensuing formation of the shell, the colloidal particles have less time and movement to spatially align. Defects in the structure (defects) are the result. Overall, the particles produced in this way disintegrate better with increasing concentration (> 70% when the dispersing pressure is increased from 1 to 4 × 10 5 Pa), compared to their initial value (d 90 (V)) than gels obtained from unstabilized sols (~ 60%). , Furthermore, the mechanical decay, based on the d 90 (V) value, also increases with increasing initial colloid diameter (Table 7.25). The industrially indispensable, polymodal particle size distribution of the silica sols as the cause of the structure of predetermined breaking points (structural defects) in the particle shell is in this respect an arguable motive. An evaluation of the results of the laser diffraction experiment with respect to the wet measurement of the obtained xerogels was not expedient. Due to the manifold effects of aqueous silica chemistry, no general statements are to be made. Obviously, contact with aqueous media appears to activate the surface in which agglomeration, deagglomeration, and aggregation compete [179]. The same result is provided by measurements in 2-propanol as dispersing medium. Discussions on redispersibility studies are presented in Section 4.3 of this paper.

4.2.2.2 Einflussfaktor Temperatur4.2.2.2 Influence factor temperature

Amorphes Siliziumdioxid (Silica) kennzeichnet sich durch eine komplexe Oberflächenmorphologie aus, deren Zusammensetzung aus einer Vielzahl verschiedenster Silanolgruppenarten ( ) sowie deren Wechselwirkung mit differenzierbaren Wasserstufen bestehen kann. Einen weitreichenden Überblick gibt der Übersichtsartikel von ZHURAVLEV [192].Amorphous silicon dioxide (silica) is characterized by a complex surface morphology whose composition consists of a large number of different silanol group types ( ) as well as their interaction with differentiable water levels can exist. For a comprehensive overview, see the review article by ZHURAVLEV [192].

Während Bulkwasser bereits bei geringen Temperaturen und Druckdifferenzen in die Gasphase überführt werden kann, lassen sich die, durch attraktive Wechselwirkungen mit den Silanolgruppen gebundenen, Wassermoleküle an der Feststoffoberfläche erst bei rund 393 K und geringen Drücken entfernen [197–203]. Die Vernetzung der internen Silanolgruppen unter Wasserabspaltung sowie die Überführung des Restwassers im Inneren der Silicaphase in die Gasphase erfolgen je nach Vernetzungsgrad bei Temperaturen zwischen 420 bis 500 K [204–206]. Eine Überführung der letzten Silanolgruppen im Siliziumdioxid-System unter Abspaltung von Wasser erfolgt jedoch erst bei rund 720 K [207–209].While bulk water can be vaporized even at low temperatures and pressure differences, the water molecules bound to the surface of the solid surface by attractive interactions with the silanol groups can only be removed at about 393 K and low pressures [197-203]. The crosslinking of the internal silanol groups with elimination of water and the transfer of the residual water in the interior of the silica phase in the gas phase take place depending on the degree of crosslinking at temperatures between 420 to 500 K [204-206]. However, a transfer of the last silanol groups in the silica system with elimination of water takes place only at about 720 K [207-209].

In diesem Abschnitt des Kapitels wird der Einflussfaktor Temperatur auf die Pulvereigenschaften diskutiert [86]. Im ersten Teil werden die Ergebnisse der Sprühkammer- bzw. der Trocknungsgastemperaturen (TA und TE) vorgestellt. Anschließend werden die Folgen einer modifizierten Sprüheingangstemperatur (TDüse) auf die Bildung von Partikeln diskutiert. Im Zusammenhang mit der Temperatur des Trocknungsgases konnte LUKASIEWICZs [121] Aussage bestätigt werden, dass mit steigender Trocknungstemperatur der Hohlkörperanteil der erhaltenen Partikel zunimmt. Bei geringen Temperaturen kommt es zu einer kontrollierten (langsameren) Trocknung, in deren Folge sich charakteristisch kompaktere Körper

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mit anteilsmäßig breiteren Hüllen ( S / R ) der hohlen Partikel formen. In diesem Zusammenhang nimmt die Schüttdichte, als makroskopische Beschreibung der aufgeführten Faktoren, ebenfalls zu. Tabelle 4.5 verdeutlicht am Beispiel von aus unstabilen Kieselsolen gewonnenen Pulvern, dass die Verhältnisse ρefftrue und S / R als Indikatoren des Hohlkörperanteils direkt mit der Temperatur verknüpft sind.In this section of the chapter the influence factor temperature on the powder properties is discussed [86]. The first part presents the results of the spray chamber temperatures and the drying gas temperatures (T A and T E ). Subsequently, the consequences of a modified spray inlet temperature (T nozzle ) on the formation of particles are discussed. In connection with the temperature of the drying gas, LUKASIEWICZ's [121] statement could be confirmed that with increasing drying temperature the proportion of hollow particles in the obtained particles increases. At low temperatures, a controlled (slower) drying, resulting in characteristically more compact body
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with proportionally wider envelopes ( S / R ) of the hollow particles. In this context, the bulk density, as a macroscopic description of the listed factors, also increases. Using the example of powders obtained from unstable silica sols, Table 4.5 illustrates that the ratios ρ eff / ρ true and S / R are linked as indicators of the hollow body portion directly to the temperature.

Es zeigt sich, dass Trocknungstemperaturen, welche die an der Oberfläche gebundenen Wassermoleküle entfernen (T > 393 K), in Kombination mit geringen Drücken in der Trocknungskammer die Bildung von sphärischen Partikeln fördern. Entgegen SHAWs [125] Empfehlungen zur Wahrscheinlichkeit von Partikeldefekten (Defektdichte) nimmt der Anteil an regulären Partikeln mit sinkender Trocknungstemperatur von anzahlbezogenen ~90% (Betriebsart 2; 398 K) auf ~70% (Betriebsart 1; 363 K) ab ( ). Eine Ursache hierfür kann in der Zwischenstufe der Agglomeratbildung im viskoelastischen Bereich bei der Aufkonzentrierung unstabilisierter Ausgangsmaterialien gesucht werden. Im Zuge einer langsameren Trocknung kommt es zu einem größeren Anteil an lokalen Verfestigungen, höheren Bulkkonzentrationen und damit einhergehend, gesteigerter Viskosität. Infolgedessen kommt es zu einer Erniedrigung der Diffusion (Diffusionsgeschwindigkeit) in dessen Zusammenhang der Stofftransport im Tropfen gehemmt wird. Die weiter ansteigende Viskosität im laufenden Trocknungsprozess verlangsamt diesen Stofftransport fortgehend. Fehlstellen (Partikeldefekte) sind die logische Folge. Die bei niedrigen Trocknungstemperaturen (363 K; Betriebsart 1) entstehenden Partikelagglomerate zeigen im Zuge ihres kleineren Temperaturgradienten von Tropfenoberfläche zu Kern und der somit verbundenen längeren Zeit der konstanten Stoffübergangsgeschwindigkeit kleinere Größenverteilungswerte (Tabelle 7.26; Anhang). Das System hat mehr Zeit, seine kolloidalen Bestandteile bei höherer Materialdichte selektiv anzuordnen. Infolge dieser optimierten Strukturbildung sowie ausgeprägteren Partikelhülle ist ein mechanischer Stabilitätsgewinn nachweisbar. Im Dispergierversuch des Laserbeugungsexperimentes bei unterschiedlichen Luftdrücken zeigt sich, dass der Zerfall der Agglomerate wesentlich geringer, als bei unter höheren Temperaturen hergestellten Pulvern, ausfällt. So reduziert sich der d90(V)-Wert der aus unstabilisiertem Köstrosol® 1510 hergestellten Pulver bei einer Steigerung des Dispergierdruckes von 1 auf 4·105 Pa bei einer Trocknung bei 363 K um 40,6% auf 7,2·10–6 m, während bei einer Trocknung bei 398 K eine Reduzierung von 50,1% (6,9·106 m) beobachtbar ist. Hohe Betriebstemperaturen im Trocknungsprozess führen zu einer schnellen Abführung des physisorbierten Wassers auf der Kolloidoberfläche. Dementsprechend steht dasselbe als Zwischenstufe für eine Bildung von kovalenten Bindungen zwischen den Solpartikeln (interpartikulär) nicht mehr zur Verfügung. Dies verhindert eine ausreichende Vernetzung der kolloidalen Teilchen mit Hilfe der Silanolgruppen. Es bilden sich Zusammenlagerungen einzelner Partikel und nur wenige, vereinzelte, stabilisierend wirkende Siloxanbrücken zwischen den Monomeren und Agglomeraten.It turns out that drying temperatures, which remove water molecules bound to the surface (T> 393 K), in combination with low pressures in the drying chamber, promote the formation of spherical particles. Contrary to SHAW's [125] Recommendations on the probability of particle defects (defect density), the proportion of regular particles decreases with the drying temperature from number-related ~ 90% (mode 2, 398 K) to ~ 70% (mode 1, 363 K) ( ). One cause of this may be sought in the intermediate stage of viscoelastic agglomeration in the concentration of unstabilized starting materials. In the course of a slower drying it comes to a greater proportion of localized solidification, higher bulk concentrations and concomitant increased viscosity. As a result, there is a decrease in the diffusion (diffusion rate) in the context of mass transport is inhibited in the drop. The further increasing viscosity in the ongoing drying process slows down this mass transport progressively. Defects (particle defects) are the logical consequence. The particle agglomerates formed at low drying temperatures (363 K, mode 1) show smaller size distribution values due to their smaller temperature gradient from drop surface to core and the associated longer time of constant mass transfer rate (Table 7.26, Appendix). The system has more time to selectively dispose its colloidal constituents at higher material densities. As a result of this optimized structure formation and more pronounced particle shell, a mechanical stability gain is detectable. In the dispersion experiment of the laser diffraction experiment at different air pressures, it is found that the disintegration of the agglomerates is much lower than that of powders produced at higher temperatures. Thus, the reduced d 90 (V) value of the powder produced from unstabilized Köstrosol ® 1510 with an increase in Dispergierdruckes of 1 to 4 x 10 5 Pa at a drying at 363 K of 40.6% to 7.2 x 10 - 6 m, while when dried at 398 K a reduction of 50.1% (6.9 x 10 6 m) is observable. High operating temperatures in the drying process lead to a rapid removal of the physisorbed water on the colloid surface. Accordingly, the same is no longer available as an intermediate for the formation of covalent bonds between the sol particles (interparticle). This prevents sufficient crosslinking of the colloidal particles by means of the silanol groups. There are accumulations of individual particles and only a few, isolated, stabilizing siloxane bridges between the monomers and agglomerates.

Während der geometrische Durchmesser als Folge dieser Beobachtungen mit steigender Trocknungstemperatur von 5,6·10–6 m auf 6,2·10–6 m zunimmt, ist der aerodynamische Durchmesser der Partikel (dA = 4,3·10–6 m) bei den betrachteten Bedingungen konstant (Tabelle 4.5). Dies ist medizin-wissenschaftlich ein bedeutender Effekt. Können so bei gleichem „Flugverhalten” differenzierte Eigenschaften wie beispielsweise Partikelradius, Schüttdichte und Zerfallsverhalten des verkapselten Wirkstoffes auf die Eigenschaften des Zielmilieus angepasst werden. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der hergestellten Kieselgele in Bezug auf die Temperatur des Ausgangsmateriales (TDisp = 298 K sowie 323 K)) zeigen ein eindeutiges Bild. Die Temperatur der Dispersion stellt einen wesentlichen Einflussfaktor auf die Bildung von Partikeln dar [86]. Bei einer Erhöhung der Eingangstemperatur der Dispersion um 25 K auf 323 K werden aus mehrheitlich sphärischen Partikeln ausnahmslos irreguläre Partikel gebildet. veranschaulicht diese Aussagen. Die Löslichkeit von Stickstoff in den Kieselsolen ist im Vergleich der Dispersionstemperaturen bei 323 K geringer [162]. Als Folge der reduzierten Temperaturdifferenz zwischen Trocknungsgas und Tropfenoberfläche verläuft die Entlösung des Stickstoffes kinetisch begünstigt ab (Gasdynamik). In diesem Zusammenhang scheint der sich entlösende Stickstoff für einen ungünstigeren, Kapillarkräfte fördernden, Stofftransport zu sorgen. In Kombination mit der erhöhten Bulktemperatur des Tropfens, können zeitlich fixiert mehr Fluidmoleküle in die Gasphase überführt werden. Dementsprechend liegen andere Phasenverteilungs- und Strömungszustände im Tropfen vor, so dass die Ausbildung von Menisken zwischen den Erstarrungspunkten auf der Tropfenoberfläche zusätzlich begünstigt wird. Der Defekt der Ringbildung [126–129] als Partikelform nimmt signifikant zu.While the geometric diameter as a result of these observations increases with increasing drying temperature from 5.6 × 10 -6 m to 6.2 × 10 -6 m, the aerodynamic diameter of the particles (d A = 4.3 × 10 -6 m) constant under the considered conditions (Table 4.5). This is a significant medical science effect. Thus, with the same "flight behavior", differentiated properties such as, for example, particle radius, bulk density and decay behavior of the encapsulated active substance can be adapted to the properties of the target milieu. Scanning electron micrographs of the prepared silica gels with respect to the temperature of the starting material (T Disp = 298 K and 323 K) show a clear picture. The temperature of the dispersion is a significant factor influencing the formation of particles [86]. With an increase in the input temperature of the dispersion by 25 K to 323 K, irregular particles are invariably formed from predominantly spherical particles. illustrates these statements. The solubility of nitrogen in the silica sols is lower at 323 K compared to the dispersion temperatures [162]. As a result of the reduced temperature difference between the drying gas and the surface of the droplet, the removal of the nitrogen proceeds kinetically favored (gas dynamics). In this context, the releasing nitrogen seems to provide a less favorable, capillary-promoting, mass transport. In combination with the increased bulb temperature of the droplet, more fluid molecules can be transferred into the gas phase at fixed times. Accordingly, other phase distribution and flow conditions are present in the droplet, so that the formation of menisci between the solidification points on the droplet surface is additionally favored. The defect of ring formation [126-129] as a particle form increases significantly.

Wie Tabelle 4.6 zu entnehmen ist, dominieren mit Erhöhung der Sprüheingangstemperatur weitere negative Effekte der Partikelbildung. Signifikante Zuwächse zeigen die Werte für den Partikeldurchmesser (+10,9%), dessen Größenverteilungsbreite (+4,7%), die Schüttdichte (+15,1%) sowie die Verhältnisse von Hüllenbreite zu Partikelradius (+16,6%) bzw. effektiver zu Reinstoffdichte (+15,1%). Im Zuge dieses Anstieges der geometrischen Daten steigt auch der aerodynamische Durchmesser von 3,3·10–6 m (TDisp = 298 K) auf 4,1·10–6 m (TDisp = 323 K). Die Redispergierung im Laserbeugungsexperiment dieser Granulate ist ebenfalls ungünstiger, als das gewählte Referenzmaterial (Köstrosol® 1510 bei TDisp = 298 K).As can be seen from Table 4.6, with increasing the spray inlet temperature, further negative effects of particle formation dominate. The particle diameter (+ 10.9%), the size distribution width (+ 4.7%), the bulk density (+ 15.1%) and the ratio of shell width to particle radius (+ 16.6%) resp more effective to pure substance density (+ 15.1%). In the course of this increase in the geometric data, the aerodynamic diameter of 3.3 × 10 -6 m (T Disp = 298 K) also increases to 4.1 × 10 -6 m (T Disp = 323 K). Redispersion in laser diffraction experiment of these granules is also less favorable than the selected reference material (Köstrosol ® 1510 T Disp = 298 K).

4.2.2.3 Variation des Ausgangsmateriales4.2.2.3 Variation of the starting material

Kolloidale Kieselsäuren sind in variablen Partikeldurchmessern herstellbar. Je nach ausgewählter Syntheseroute und technischen Parametern können monomodale oder polymodale Verteilungen generiert werden. Ausgehend vom Rohstoff Natriumwasserglas sind für die erhaltenen nanoskalaren Partikel ab einem Durchmesser von circa 25·10–9 m bimodale Verteilungen meist unumgänglich. In dieser Arbeit wurden alkalisch stabilisierte Ausgangsmaterialen (Kieselsole) mit Teilchendurchmessern von 7, 15 und 45·10–9 m untersucht und verglichen. Mit dem Ziel einer Reduzierung von Partikeldefekten wurden alle Sprühtrocknungsexperimente unter Beaufschlagung mit Stickstoff (V ·N2 = 0,7 NL min–1) durchgeführt. Eine Auswertung der physikalisch-chemischen Parameter der Kieselgele untereinander sowie mit den Edukten zeigte, dass durch die Wahl des Ausgangsmateriales wesentliche Oberflächenparameter vorgegeben (vererbt) werden konnten. ist zu entnehmen, dass Kieselsole mit kleinen Kolloiddurchmessern hohe BET(N2; 77 K)-Oberflächen generieren, der entgegengesetzte Befund gilt für große Kolloiddurchmesser. Ein analoges Verhalten wird bei den SEARS-Oberflächen [188] der Kieselsole in Bezug auf die BET(N2; 77 K)-Oberflächen der Xerogele beobachtet. Eine Vererbung von Eigenschaften des Ausgangsmateriales auf die geometrischen (da; dg, d50(V)) und weitere physikalisch-chemischen Charakteristika (R) der Pulver wird ebenfalls beobachtet. Eine Übersicht hierzu gibt Tabelle 4.7. Hintergrund der steigenden, geometrischen Werte mit sinkendem Kolloiddurchmesser ist die kolloidale Stabilität und Aktivität der Edukte im Aufkonzentrierungsprozess. Beim Trocknungsprozess kommt es zu einer stetigen Erhöhung des Feststoffgehaltes der Kieselsole, wobei kleinteilige Kieselsole bei geringeren Konzentrationen ihren viskoelastischen Bereich durchlaufen, als vergleichbare Dispersionen mit im Vergleich größeren Kolloiddurchmessern [179]. Bspw. durchlaufen alkalische Kiesel-sole mit Kolloiddurchmessern von dK = 7·10–9 m ihren viskoelastischen Bereich bei Feststoffgehalten von ms ~33% (m:m). Größere Kolloide (dK = 45·10–9 m) dagegen erreichen diesen Kulminationspunkt erst bei Feststoffgehalten von ms > 55% (m:m). Dementsprechend wird der Erstarrungspunkt auf der Tropfenoberfläche, welche den Partikeldurchmesser fixiert, bei größeren Tropfenradien erreicht. Folglich nimmt der Anteil von Partikel dP 10–6 m ab.Colloidal silicas can be produced in variable particle diameters. Depending on the selected synthesis route and technical parameters, monomodal or polymodal distributions can be generated. Starting from the raw material sodium water glass, bimodal distributions are usually unavoidable for the nanoscalar particles obtained from a diameter of about 25 × 10 -9 m. In this work, alkaline stabilized starting materials (silica sols) with particle diameters of 7, 15 and 45 · 10 -9 m were investigated and compared. With the aim of reducing particle defects, all spray drying experiments were carried out under nitrogen (V × N 2 = 0.7 NL min -1 ). An evaluation of the physico-chemical parameters of the silica gels with each other and with the educts showed that the choice of the starting material could give (inherited) essential surface parameters. it can be seen that silica sols with small colloid diameters generate high BET (N 2 ; 77 K) surfaces, the opposite finding applies to large colloid diameters. An analogous behavior is observed for the SEARS surfaces [188] of the silica sol relative to the BET (N 2 ; 77 K) surfaces of the xerogels. Inheritance of properties of the starting material to the geometric (d a ; d g , d 50 (V)) and other physico-chemical characteristics (R) of the powders is also observed. An overview is given in Table 4.7. Background of the rising, geometric values with decreasing colloid diameter is the colloidal stability and activity of the educts in the concentration process. In the drying process, there is a steady increase in the solids content of the silica sol, with small-particle silica sols passing through their viscoelastic region at lower concentrations than comparable dispersions with comparatively larger colloid diameters [179]. For example. Alkaline silica sols with colloid diameters of d K = 7 · 10 -9 m undergo their viscoelastic range at solids contents of m s ~ 33% (m: m). Larger colloids (d K = 45 · 10 -9 m), however, reach this culmination point only at solids contents of m s > 55% (m: m). Accordingly, the solidification point on the drop surface, which fixes the particle diameter, is achieved at larger drop radii. Consequently, the proportion of particles d P decreases 10 -6 m.

Eine zeitlich längere, gleichmäßigere Überführung des Dispergiermediums in die Gasphase (Stoffübergangsgeschwindigkeit) stellt einen grundlegenden Einflussfaktor auf die Partikelgrößenverteilung eines Pulvers dar. Infolgedessen besitzen die aus kleinteiligen Kolloiden hergestellten Xerogele eine breitere Partikelgrößenverteilung als deren Analoga mit größeren Kolloiddurchmessern. Dieser Sachverhalt erlaubt eine Reduzierung des Zwischenkornvolumens im Pulver, in dessen Folge Packungsdichte und Schüttdichte ansteigen. Dieser Effekt ist unabhängig von der Ausgangskonzentration der kolloidalen Teilchen. Die hergestellten Xerogele weisen keinen auswertbaren Unterschied im Anteil irregulärer Partikelformen bzw. Defekthäufigkeiten auf. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen in unterstreichen diese Aussagen. Klar erkennbar ist die abnehmende Partikelgrößenverteilung mit zunehmendem Ausgangsradius der Kolloide.A more prolonged, more uniform transfer of the dispersion medium into the gas phase (mass transfer rate) is a fundamental influencing factor on the particle size distribution of a powder. As a result, the xerogels prepared from small-particle colloids have a broader particle size distribution than their analogs with larger colloid diameters. This situation allows a reduction of the intermediate grain volume in the powder, as a result of which the packing density and bulk density increase. This effect is independent of the initial concentration of the colloidal particles. The xerogels produced have no evaluable difference in the proportion of irregular particle shapes or defect frequencies. Scanning electron micrographs in emphasize these statements. Clearly recognizable is the decreasing particle size distribution with increasing initial radius of the colloids.

In Kombination mit den Erkenntnissen der vorhergehenden Abschnitte kann die Aussage getroffen werden, dass die Partikelbildung direkten Bezug zur Stabilisierung, der Konzentration an Alkali-Ionen und dem damit verbundenen pH-Wert, der Dispersionen aufweist. Der Kolloiddurchmesser der Ausgangsmaterialien spielt in diesem Prozess nur eine untergeordnete Rolle. Er beeinflusst hauptsächlich die Eigenschaften der Partikelgrößenverteilung. Durch gezielte Auswahl des Eduktes kann mit Hilfe der Druckwechseltechnologie direkt Einfluss auf gewünschte Produkteigenschaften wie Defektdichte, Partikelverteilung sowie die Oberfläche bei variablen Randbedingungen genommen werden. Durch Variation der Konzentration können die geometrischen Kenngrößen dieser Xerogele definiert werden. Eine zusätzliche Beaufschlagung mit Stickstoff senkt die Maxima der Partikelgrößenverteilungen, die Wahrscheinlichkeit von Defekten sowie die mechanische Belastbarkeit der erhaltenen Granulate. Variationen der Trocknungs- und Sprüheingangstemperatur beeinflussen direkt die Partikelform. So können durch gezielte Modifikation dieser Parameter Partikelformen bevorzugt oder Partikeldefekte reduziert werden.In combination with the findings of the previous sections, it can be said that the particle formation has a direct relation to the stabilization, the concentration of alkali ions and the associated pH value of the dispersions. The colloid diameter of the starting materials plays only a minor role in this process. It mainly influences the properties of the particle size distribution. Through targeted selection of the reactant, the pressure swing technology can directly influence desired product properties such as defect density, particle distribution and the surface under variable boundary conditions. By varying the concentration, the geometric characteristics of these xerogels can be defined. An additional application of nitrogen reduces the maxima of the particle size distributions, the probability of defects and the mechanical strength of the granules obtained. Variations of the drying and spray inlet temperature directly affect the particle shape. Thus, specific modifications of these parameters may favor particle shapes or reduce particle defects.

4.2.2.4 Einfluss von Additiven4.2.2.4 Influence of additives

Bei allen durchgeführten Untersuchungen diente ein unstabilisiertes Köstrosol® 1510 als Ausgangsmaterial. Mit diesem hieraus hergestellten reinen Referenzgel wurden alle Modifizierungsmaßnahmen verglichen. Alle Proben wurden bei gleichem Düsenausgangsdruck PDüse = 2,3·107 Pa, analogen Trocknungstemperaturen (Betriebsart 2; TA = 398 K; TE = 393 K) und unter Beaufschlagung mit Stickstoff (V ·N2 = 0,7 NL min–1) appliziert. Um Eigenschaften der Ausgangsmaterialien sowie Verdampfungsprozesse bei der Sprühtrocknung zu optimieren, können Modifizierungen an den Kolloiden selbst eingebracht oder Additive zur Beeinflussung der Oberflächen- und Grenzflächenchemie zugesetzt werden. Diese Zusätze können neben reinen Lösungsmitteln ebenso Netzmittel und Tenside sein. Im folgenden Abschnitt wurde der Einfluss einer Zumischung von Monoethylenglykol (σ = 47,7·10–3 N m–1; pFl = 5,3·103 Pa bei 293 K) [210] untersucht. Hierdurch sollte die Polarität des Dispergiermediums modifiziert und die Oberflächenspannung gezielt variiert werden. Durch die Zugabe von Monoethylenglykol (Glykol) konnte aktiv Einfluss auf die Partikelbildung der erhaltenen Xerogele genommen werden. Mit zunehmendem organischem Lösungsmittelanteil sinken die Kennzahlen der Partikelgrößenverteilung signifikant (Tabelle 4.8). So kann durch eine 10%ige Zumischung (m:m) von Monoethylenglykol zu einen Köstrosol® 1510 der d90(V)-Wert der Verteilung der hergestellten Pulver um ~36% auf 6,9·10–6 m reduziert werden. Analog zu CHUs [96] Ergebnissen kann dennoch kein Zusammenhang zwischen organischem Lösungsmittelzusatz und Bulkdichte gefunden werden. Ursache hierfür ist neben den variierenden Partikelgrößenverteilungen der Produkte auch eine Zunahme von Fehlstellen und Defekten. Charakteristische Unterschiede gibt es in der Struktur der Partikelhülle der hergestellten Xerogele. Wie verdeutlicht, sind auf deren Außenseite kaum Defekte erkennbar, während die Innenseite von Gasblasen gezeichnet ist. Ursache hierfür ist die erniedrigte Oberflächenspannung der fluiden Mischung. Diese führt auf der Tropfenoberfläche zu einer schnelleren Verdampfung des Lösungsmittelgemisches (höheren Stoffübergangsgeschwindigkeit), infolgedessen der Konzentrationsgradient Tropfenoberfläche zu Bulk ( ∂c / dz ) zu höheren Werte verschoben ist. Aufbauend auf den Grundlagen des Modells nach WALKER [46] (Seite 17), bei dem vergleichbare Systeme am kritischen Punkt die analoge Dichte haben, ist eben dieser kritische Wert als Folge der Dichteerhöhung der Mischung durch Monoethylenglykol (ρ = 1,11·103 kg m–3) [211] zu geringeren Feststoffkonzentrationen verschoben. Es steht weniger Material für eine Festphasenbildung im gleichen Volumen zur Verfügung. Bei Erreichen des viskoelastischen Bereiches im Trocknungsprozess steigt die Viskosität im Grenzbereich Flüssig-Gas rasant an. Auf Grund der optimierten Verdampfung infolge der Erniedrigung der Oberflächenspannung sowie der Erhöhung des Konzentrationsgradienten wird die (lokale) Festphasenbildung (Erstarrung der Hülle) auf der Tropfenoberfläche beschleunigt, woraufhin die Permeabilität ortsbezogen (Tropfenoberfläche) stark abnimmt. Im viskosen Bulk des können nun als Folge der gehinderten Stoffströmungen sich entlösendes Gas und verdampfendes Fluid nicht mehr störungsfrei aus der gebildeten Grenzschicht, einer Vorstufe der späteren Partikelhülle, penetrieren. Auf Grund dieser gehinderten Diffusion der Gasphasen während der Erstarrung der Hülle entstehen Gasblasen auf der noch weichen Innenseite der Partikelhülle. Beim weiter fortschreitenden Trocknungsprozess kommt es zur Verfestigung dieser Grenzschicht und zum Einbau dieser Phasen in die Hüllenstruktur. Darüber hinaus konzentriert sich aus Gründen des höheren Siedepunktes die organische Komponente im Tropfen auf. Eine Bildung von lokalen Zentren mit einem hohen Anteil am organischen Lösungsmittel (Inseln) ist die Folge. Durch diese Inselbildung im Trocknungsprozess entstehen isolierte Bereiche, welche die Penetration entstehenden Dampfes sowie sich entlösenden Gases zusätzlich behindern. Tabelle 4.8 ist zu entnehmen, dass bei Zumischung von 5% (m:m) Monoethylenglykol (Glykol) zum Referenzsol Partikel mit einem hohen Verhältnis von Hüllenbreite zu Partikelradius ( S / R = 9,1%) herstellbar sind. Die vorgestellten Ergebnisse dieser Arbeit zum Einfluss eines gesteigerten Verhältnisses S / R (Abschnitt 4.2.2.1) bestätigen sich ebenso bei der Einbringung von Additiven. Diese Partikel weisen, analog den aus alkalischen Solen hergestellten Gelen, eine reduzierte mechanische Belastbarkeit im Vergleich zu dem gewählten Referenzmaterial im Laserbeugungsexperiment auf (Tabelle 7.29; Anhang).In all investigations carried out an unstabilized Köstrosol ® 1510 served as starting material. With this pure reference gel prepared therefrom, all modification measures were compared. All samples were at the same nozzle exit pressure P nozzle = 2.3 x 10 7 Pa, analogous drying temperatures (mode 2, T A = 398 K, T E = 393 K) and nitrogen (V x N 2 = 0.7 NL min -1 ) applied. In order to optimize properties of the starting materials and spray-drying evaporation processes, it is possible to introduce modifications to the colloids themselves or to add additives for influencing the surface and interfacial chemistry. In addition to pure solvents, these additives can also be wetting agents and surfactants. In the following section, the influence of an admixture of monoethylene glycol (σ = 47.7 · 10 -3 N m -1 , p Fl = 5.3 · 10 3 Pa at 293 K) [210] was investigated. This was intended to modify the polarity of the dispersing medium and to vary the surface tension in a targeted manner. The addition of monoethylene glycol (glycol) actively influenced the particle formation of the resulting xerogels. As the organic solvent content increases, the particle size distribution numbers decrease significantly (Table 4.8). Thus, by a 10% admixture of (m: m) 1510 d 90 (V) value of the distribution of the powders produced are reduced by ~ 36% to 6.9 x 10 -6 m of mono ethylene glycol to a Köstrosol ®. However, similar to CHU's [96] results, no correlation between organic solvent addition and bulk density can be found. This is due to the varying particle size distributions of the products as well as an increase in defects and defects. Characteristic differences exist in the structure of the particle shell of the produced xerogels. As clarified, are on the outside hardly detectable defects, while the inside is drawn by gas bubbles. The reason for this is the reduced surface tension of the fluid mixture. This leads to a faster evaporation of the solvent mixture (higher mass transfer rate) on the surface of the drop, as a result, the concentration gradient drops surface to bulk ( ∂c / dz ) is shifted to higher values. Building on the basis of the model of WALKER [46] (page 17), in which comparable systems have the analog density at the critical point, this critical value is due to the increased density of the mixture by monoethylene glycol (ρ = 1,11 · 10 3 kg m -3 ) [211] shifted to lower solids concentrations. There is less material available for solid phase formation in the same volume. Upon reaching the viscoelastic range in the drying process, the viscosity increases rapidly in the boundary region of liquid gas. Due to the optimized evaporation due to the lowering of the surface tension and the increase in the concentration gradient, the (local) solid phase formation (solidification of the shell) is accelerated on the surface of the drop, whereupon the permeability decreases strongly depending on location (drop surface). In the viscous bulk of the dissolving gas and evaporating fluid can now no longer trouble-free from the boundary layer formed, a precursor of the subsequent particle shell, penetrate as a result of hindered material flows. Due to this hindered diffusion of the gas phases during the solidification of the shell, gas bubbles are formed on the still soft inside of the particle shell. As the drying process continues, solidification of this boundary layer and incorporation of these phases into the shell structure occurs. In addition, due to the higher boiling point, the organic component concentrates in the drop. Formation of local centers with a high proportion of organic solvent (islands) is the result. This island formation in the drying process creates isolated areas, which additionally hinder the penetration of vapor and dissolving gas. Table 4.8 shows that when admixing 5% (m: m) of monoethylene glycol (glycol) to the reference sol, particles having a high ratio of shell width to particle radius (US Pat. S / R = 9.1%) can be produced. The presented results of this work on the influence of an increased ratio S / R (Section 4.2.2.1) are also confirmed in the introduction of additives. These particles have, analogously to the gels prepared from alkaline sols, a reduced mechanical load-bearing capacity compared to the selected reference material in the laser diffraction experiment (Table 7.29, Appendix).

Stickstoff-Sorptions-Messungen an den erhaltenen, glykolmodifizierten Xerogelen liefern die analogen Ergebnisse wie das unstabilisierte Referenzmaterial. Die Auswertung der texturellen Daten zeigen weiterhin, dass bei geringen Konzentrationen des Additivs Monoethylenglykol (≤ 5% (m:m)), keine Veränderungen erfolgen. Dementsprechend kann auch bei diesen Materialien die Vererbung von Oberflächenmerkmalen (ABET vs. ASEARS; Porendurchmesser) von den kolloidalen Ausgangsmaterialien bestätigt werden. Auf dieser Basis aufbauend sind Auswirkungen einer geringen Additivkonzentration einzig auf die Verdampfung des Fluids und einhergehend die Partikelgrößenverteilung zu beobachten [96]. Werden diese Additivkonzentrationen erhöht (> 5% (m:m)), ist eine Vergleich und eine Auswertung der Stickstoff-Sorptions-Isothermen nicht mehr durchführbar. Die erhaltenen texturellen Daten des Porenaufbaus sind nicht im Übereinklang mit den morphologischen Daten der rasterelektronischen Untersuchungen. Eine Ursache in diesem Zusammenhang können die beschriebenen Defekte in der Hüllenstruktur darstellen. Als weiteres Additiv in dieser Arbeit wurde das Netzmittel Dynol TM 607 (2,5,8,11-Tetramethyl-6-dodecyn-5,8-diolethoxylat) verwendet. Schwerpunkt der Untersuchung in Kombination mit diesem Additiv lag in der Modifizierung der Grenzflächeneffekte an den Silanolgruppen. Die entstehenden Wechselwirkungen sollten den Vorgang der Trocknung grundlegend beeinflussen. Derartige grenzflächenaktive Substanzen fördern durch eine Erniedrigung der Phasenübergangsenergien den Übergang von Wassermolekülen an der Grenzschicht Fest-Flüssig (Silanolgruppen) in die Bulkphase. Infolgedessen wird die Differenz in den Geschwindigkeiten zwischen Diffusion der Teilchen im Bulk sowie Zuführung von Fluidmolekülen aus dem Bulk und Abführung dieser von der Oberfläche (Péclet-Zahl) wesentlich erhöht. Hieraus ergibt sich, dass der Gradient der Konzentration ( ∂c / dz ) zwischen Tropfenkern und Tropfenoberfläche zunimmt, infolgedessen bereits bei größeren Tropfenradien lokal die Konzentrationsschwellen zur Bildung des viskoelastischen Bereiches auf der Tropfenoberfläche erreicht werden. Eine Analyse des sprühgetrockneten, Dynol TM 607-modifizierten (0,1% (m:m)) Kieselgeles zeigte, dass im Vergleich zum aufgeführten Referenzgel wesentlich größere Partikelradien (d90(V) + 7,9%; 11,6·10–6 m bei PDisp = 105 Pa) gebildet werden. Die mit Dynol TM 607-Zusatz hergestellten Pulver kennzeichnen sich durch ein sehr geringes Verhältnis von Hüllenbreite zu Partikelradius ( S / R ~ 4,5%) sowie starken Abweichungen von einer sphärischen Partikelform („Buckling” [153–155]; ). Dementsprechend ist eine optimale, makroskopische Packung der Pulver unmöglich. Eine geringe Schüttdichte (–38%; ρs = 284 g L–1) im Vergleich zum Referenzgel sowie die Abnahme des Verhältnisses der effektiven zur Reinstoffdichte

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von 0,22 auf 0,13 verdeutlichen dies. Analog dem Zusatz von Monoethylenglykol werden im inneren Aufbau der Partikelhülle Fehlstellen – Gasblasen – beobachtet ( rechts). Diese Tatsache bestätigt den beim Zusatz von Monoethylenglykol aufgeführten Mechanismus der sinkenden Permeabilität durch einen begünstigten Stoffübergang auf der Tropfenoberfläche in Kombination mit einer teilverfestigten Partikelhülle. Diese Schwächung der Hüllenstruktur bewirkt eine messbare mechanische Destabilisierung. Die auf diese Art entstehenden Partikel kennzeichnen sich durch geringe Wandstärken aus. Unter den angewendeten Trocknungsparametern neigen diese anfangs noch labilen Hüllen in Folge von Energie- und Stofftransportprozessen zur Deformation. Insbesondere der Einfluss von Kapillarkräften im Trocknungsprozess ist diesbezüglich zu diskutieren („Buckling”) [153,154]. Der Mechanismus dieses morphologischen Phänomens bei Zuführung von Wärme ist noch nicht eindeutig geklärt [47]. TSAPIS et al. [155] begründet diese Gestalt eines Partikels mit einem starken Einfluss von Kapillarkräften im viskoelastischen Bereich eines Fluids. Typische derartige Erscheinungen beim Sprühtrocknen wurden von MARSHALL et al. [108] für filmbildende Mittel wie zum Beispiel Natriumwasserglas beobachtet. Weitere mögliche Ursachen dieser in Kernrichtung fokussierten Abweichungen von der sphärischen Form können Sogwirkungen auf Grund der Formung eines lokalen internen Vakuums sein. Aber auch Störungen der Wechselwirkungen an den Phasengrenzflächen werden in der Literatur diskutiert. Die so entstehenden plastischen Verformungen destabilisieren die anteilig dünneren Hüllen zusätzlich [45]. Folglich sind diese äußerst labil und werden bereits bei geringen Scherbelastungen gebrochen. Der d90(V)-Wert der Verteilung fällt bei Erhöhung des Dispergierdruckes im Laserbeugungsexperiment von 1 auf 4·105 Pa um 54% auf 5,3·106 m (Referenzgel: 37%; 6,8·106m) ab. Die Sorption-Isotherme (N2; 77 K) zeigt keine texturellen Modifikationen der Oberfläche. Lediglich ein geringer Anstieg des adsorbierten Volumens (+6·10–5 L g–1) in Folge der beobachteten Fehlstellen in den Partikelhüllen ist zu verzeichnen. In diesem Zusammenhang wirken die durch Gasblasen gebildeten „Hohlkammern” als eine Art Pore.Nitrogen sorption measurements on the resulting glycol-modified xerogels provide the analogous results as the unstabilized reference material. The evaluation of the textural data further show that at low concentrations of the additive monoethylene glycol (≤ 5% (m: m)), no changes take place. Accordingly, the inheritance of surface features (A BET vs. A SEARS ) from the colloidal starting materials can also be confirmed for these materials. On this basis, the effects of a low additive concentration can only be observed on the evaporation of the fluid and the associated particle size distribution [96]. If these additive concentrations are increased (> 5% (m: m)), a comparison and an evaluation of the nitrogen sorption isotherms is no longer feasible. The obtained pore structure textural data are not in agreement with the morphological data of the scanning electron studies. One cause in this context may be the described defects in the sheath structure. As a further additive in this work, the wetting agent Dynol ™ 607 (2,5,8,11-tetramethyl-6-dodecyne-5,8-diol ethoxylate) was used. The focus of the investigation in combination with this additive was the modification of the interface effects on the silanol groups. The resulting interactions should fundamentally influence the process of drying. Such surface-active substances promote the transition of water molecules at the boundary layer solid-liquid (silanol groups) into the bulk phase by lowering the phase transition energies. As a result, the difference in the velocities between diffusion of the particles in the bulk and supply of fluid molecules from the bulk and removal of these from the surface (Péclet number) is substantially increased. It follows that the gradient of concentration ( ∂c / dz ) increases between the droplet core and the surface of the droplets, as a result of which, even at larger droplet radii, the concentration thresholds for forming the viscoelastic region on the droplet surface are locally reached. Analysis of the spray-dried, Dynol ™ 607-modified (0.1% (m: m)) silica gel showed that, compared to the reference gel listed, much larger particle radii (d 90 (V) + 7.9%; 11.6 x 10) -6 m at P Disp = 10 5 Pa). The powders produced with Dynol TM 607 additive are characterized by a very low ratio of shell width to particle radius ( S / R ~ 4.5%) as well as strong deviations from a spherical particle shape ("buckling"[153-155]; ). Accordingly, optimal, macroscopic packing of the powders is impossible. A low bulk density (-38%, ρ s = 284 g L -1 ) compared to the reference gel and a decrease in the ratio of the effective to the pure substance density
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from 0.22 to 0.13 illustrate this. Similar to the addition of monoethylene glycol, voids - gas bubbles - are observed in the internal structure of the particle shell ( right). This fact confirms the decreasing permeability mechanism of monoethylene glycol addition favored mass transfer on the drop surface in combination with a partially solidified particle shell. This weakening of the shell structure causes a measurable mechanical destabilization. The resulting particles in this way are characterized by low wall thicknesses. Among the drying parameters used, these initially unstable sheaths tend to deform as a result of energy and mass transfer processes. In particular, the influence of capillary forces in the drying process is to be discussed in this regard ("Buckling") [153,154]. The mechanism of this morphological phenomenon when heat is applied has not yet been clearly established [47]. TSAPIS et al. [155] explains this shape of a particle with a strong influence of capillary forces in the viscoelastic region of a fluid. Typical such spray drying phenomena have been described by MARSHALL et al. [108] observed for film-forming agents such as sodium water glass. Other possible causes of these deviations from the spherical shape focused in the core direction may be suction effects due to the formation of a local internal vacuum. But also disturbances of the interactions at the phase interfaces are discussed in the literature. The resulting plastic deformations additionally destabilize the proportionally thinner sheaths [45]. Consequently, these are extremely unstable and are already broken at low shear loads. The d 90 (V) value of the distribution drops by 54% to 5.3 × 10 6 m when the dispersing pressure in the laser diffraction experiment is increased from 1 to 4 × 10 5 Pa (reference gel: 37%, 6.8 × 10 6 m). from. The sorption isotherm (N 2 , 77 K) shows no textural modifications of the surface. Only a small increase in the adsorbed volume (+ 6 · 10 -5 L g -1 ) due to the observed defects in the particle shells can be observed. In this context, the "hollow chambers" formed by gas bubbles act as a kind of pore.

Eine weitere Möglichkeit der Beeinflussung der Kolloidchemie ist eine Modifikation der Oberfläche der Solpartikel. Durch ein gezieltes Beschichten (Coaten) mit Natriumaluminatlauge kann die Anzahl der Silanolgruppen auf der Oberfläche der kolloidalen Teilchen wesentlich reduziert werden ( ). Als Folge sind deutlich weniger Verknüpfungsstellen zwischen den Solpartikeln zur Ausbildung von Siloxanbrücken wären der Gelbildung vorhanden, wodurch Wechselwirkungen reduziert und die Stabilität der Dispersion gesteigert wird [179]. Die Sprühtrocknung von Dispersionen mit derartig modifizierten Partikeln liefert kleinere Partikelgrößenverteilungswerte (d90(V) – 23%; 8,2·106 m bei Pdisp = 105 Pa) im Vergleich zum Referenzgel. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen keine veränderte Form der gebildeten Partikel gegenüber dem Referenzmaterial. Weitere charakteristische physikalisch-chemische Parameter wie S / R ,

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sowie die Schüttdichte ρs bleiben auf dem Niveau des Referenzpulvers. Folglich muss der Partikelbildungsmechanismus analog dem des Referenzsoles ablaufen. Modifikationen gibt es jedoch im viskoelastischen Bereich. Dieser ist auf Grund der verringerten Reaktivität (Anzahl der Silanolgruppen auf der Oberfläche) der Solteilchen zu höheren Feststoffgehalten verschoben. Es kann mehr Fluid verdampft werden in dessen Folge sich die Daten der Partikelgrößenverteilung zu kleineren Werten verschieben. Die BET(N2; 77 K)-Oberfläche steigt leicht (+13%) an.Another possibility of influencing the colloid chemistry is a modification of the surface of the sol particles. By means of a targeted coating with sodium aluminate liquor, the number of silanol groups on the surface of the colloidal particles can be substantially reduced ( ). As a result, there are significantly fewer sites of linkage between the sol particles to form siloxane bridges, which would cause gelation, reducing interactions and increasing the stability of the dispersion [179]. Spray drying of dispersions with such modified particles provides smaller particle size distribution values (d 90 (V) - 23%; 8.2 x 10 6 m at P disp = 10 5 Pa) compared to the reference gel . Scanning electron micrographs show no altered shape of the particles formed compared to the reference material. Other characteristic physico-chemical parameters such as S / R .
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and the bulk density ρ s remain at the level of the reference powder. Consequently, the particle formation mechanism must proceed analogously to that of the reference salt. However, modifications exist in the viscoelastic field. This is shifted to higher solids contents due to the reduced reactivity (number of silanol groups on the surface) of the sol particles. More fluid can be vaporized, as a result of which the particle size distribution data shifts to smaller values. The BET (N 2 ; 77 K) surface increases slightly (+ 13%).

Wie zu entnehmen ist, führen alle Modifikationen der kolloidalen Ausgangsprodukte zu einer Veränderung der geometrischen und aerodynamischen Eigenschaften. Je nachdem welche Art der Reaktivitätsbeeinflussung des kolloidalen Ausgangsmateriales angewendet wird, werden spezifische mikroskopische sowie makroskopische Eigenschaften beeinflusst. Eine Veränderung der Polarität des Lösungsmittels in Kombination mit einer Reduzierung der Reaktivität der Teilchen führen zu dem positiven Effekt kleinerer Partikelgrößenverteilungswerte der erhaltenen Xerogele. Die d90(V)-Werte sinken um bis zu 36% auf 6,9·10–6 m (PDisp = 105 Pa). Vergleichbare Beobachtungen lassen sich auch für oberflächenmodifizierte Kieselsole treffen. Diese beeinflussen aktiv die Reaktivität der einzelnen Solteilchen (Kolloide). Eine Variation der Grenzflächeneffekte Fest-Flüssig hingegen beeinflusst den Aufbau der Partikel maßgeblich. Neben sphärisch abweichenden Partikelformen ist der Hüllenaufbau der Hohlkörper signifikant gestört. Dies hat positive Auswirkungen auf die gewünschte Zerfallsrate unter mechanischer Belastung im Laserbeugungsexperiment. Gemeinsamkeit aller vorgestellten Modifikationen ist eine Verringerung des aerodynamischen Durchmessers. Während die oberflächenmodifizierten Typen sowie die partiell lösungsmittelsubstituierten Varianten dies durch eine Reduzierung des Partikeldurchmessers realisieren, nutzt die Dynol TM 607-addivierte Variante den Einfluss des verringerten Schüttgewichtes auf diesen Parameter. Demzufolge kann durch gezielten Zusatz von Additiven bei der Druckwechseltechnologie die Partikelgrößenverteilung, der Zerfall als Funktion der mechanischen Belastung sowie das Schüttgewicht aktiv gesteuert werden.As As can be seen, all modifications of the starting colloidal products lead to a change in the geometric and aerodynamic properties. Depending on the type of reactivity influencing the colloidal starting material, specific microscopic and macroscopic properties are influenced. A change in the polarity of the solvent in combination with a reduction in the reactivity of the particles leads to the positive effect of smaller particle size distribution values of the resulting xerogels. The d 90 (V) values decrease by up to 36% to 6.9 · 10 -6 m (P Disp = 10 5 Pa). Comparable observations can also be made for surface-modified silica sols. These actively influence the reactivity of the individual sol particles (colloids). A variation of the solid-liquid interface effects, on the other hand, significantly influences the structure of the particles. In addition to spherically divergent particle shapes of the shell structure of the hollow body is significantly disturbed. This has positive effects on the desired decay rate under mechanical stress in the laser diffraction experiment. Common feature of all presented modifications is a reduction of the aerodynamic diameter. While the surface-modified types and the partially solvent-substituted variants realize this by reducing the particle diameter, the Dynol TM 607-added variant uses the influence of the reduced bulk density on this parameter. Consequently, by selective addition of additives in the pressure swing technology, the particle size distribution, the decay as a function of the mechanical load and the bulk density can be actively controlled.

4.2.3 Oberflächenmorphologie 4.2.3 Surface morphology

Wie in den vorhergehenden Abschnitten beschrieben, offenbaren die, mittels Stickstoff-Sorption gemessenen BET(N2; 77 K)-Oberflächen Abhängigkeiten zum Ausgangsmaterial. Diese Daten sind unabhängig von der eingesetzten Konzentration oder den gewählten technischen Sprühparametern (PDüse; TVK; TE; TA; TDisp). Des Weiteren zeigen rasterelektronische Aufnahmen ( ) keine Hinweise auf Kanäle bzw. eine Porenstruktur. Die gemessenen Stickstoffisothermen liefern hinsichtlich der Porosität (BJH-Modell) keine eindeutigen Aussagen. Während die Auswertung der Sorptions-Isotherme für das Xerogel aus Köstrosol® 4510 Zwischenkornvolumen erwarten lässt, deuten die entsprechenden Isothermen für unter analogen Bedingungen aus Köstrosol® 1510 erhaltene Pulver das Vorliegen von Mesoporen an. Alle adsorbierten Volumina liegen zwischen 1,8 und 2,7·10–4 L g–4. Darüber hinaus ist eine Beaufschlagung mit Stickstoff für die makroskopische Partikelform maßschlaggebend, sie hat jedoch keinen Einfluss auf die Feinstruktur der Partikeloberfläche. Wie zu entnehmen ist, sind die monomeren, nanoskalaren Grundbausteine als strukturgebendes Merkmal der Partikelhülle charakteristisch. Die sich hierdurch ergebende, definierte Oberflächenrauigkeit ist ein wesentliches beschreibendes Merkmal des jeweiligen Partikels und Pulvers. Dies ist die Grundlage und Erklärung des Zusammenhanges zwischen der SEARS-Oberfläche [188] der Kieselsole und der BET(N2; 77 K)-Oberfläche der aus diesen Dispersionen hergestellten Pulver.As described in the previous sections, the BET (N 2 ; 77 K) surfaces measured by nitrogen sorption reveal dependencies on the starting material. These data are independent of the concentration used or the technical spraying parameters selected (P nozzle , T VK , T E , T A , T Disp ). Furthermore, scanning electronical images ( ) no evidence of channels or a pore structure. The measured nitrogen isotherms do not provide any definite statements regarding the porosity (BJH model). During the evaluation of the sorption isotherm for the xerogel from Köstrosol ® can expect 4510 void volume, the corresponding isotherms suggest for under analogous conditions from Köstrosol ® 1510 powder obtained in the presence of mesopores. All adsorbed volumes are between 1.8 and 2.7 · 10 -4 L g -4 . In addition, loading with nitrogen is crucial for the macroscopic particle shape, but has no influence on the fine structure of the particle surface. As can be seen, the monomeric, nanoscale building blocks characteristic as a structural feature of the particle shell. The resulting, defined surface roughness is an essential descriptive feature of the respective particle and powder. This is the basis and explanation of the relationship between the SEARS surface [188] of the silica sol and the BET (N 2 ; 77 K) surface of the powders made from these dispersions.

Der Nachweis einer Abhängigkeit der partikelmorpholgischen Eigenschaften der sprühgetrockneten Xerogele vom Ausgangsteilchendurchmesser der kolloidalen Systeme kann mit Hilfe einer Porengrößenanalyse erfolgen. Ausgehend von einer dichtesten Packung dieser Monomere auf der Oberfläche der gebildeten Partikel ist das entstehende Volumen zwischen den einzelnen kolloidalen Teilchen (Monomer) des Ausgangsmateriales (Zwischenpartikelraum VZPR) ein strukturgebendes Merkmal. Entstehende Oktaeder- (VO) sowie Tetraederlücken (VT) in diesem Aufbau sind dementsprechend direkt abhängig vom Durchmesser der packungsbildenden Bausteine [42]. VZPR = n(2VT + VO) (4.4) The proof of a dependence of the particle morphological properties of the spray-dried xerogels on the starting particle diameter of the colloidal systems can be carried out by means of a pore size analysis. Starting from a densest packing of these monomers on the surface of the formed particles, the resulting volume between the individual colloidal particles (monomer) of the starting material ( interparticle space V ZPR ) is a structuring feature. Resulting octahedral (V O ) and tetrahedral (V T ) in this structure are therefore directly dependent on the diameter of the pack-forming building blocks [42]. V ZPR = n (2V T + V O ) (4.4)

Gemäß Gleichung 4.4 ist dieser Zwischenpartikelraum linear abhängig von der Anzahl (n) und dem Radius der kolloidalen Monomere (VO, VT). Mit Hilfe der Stickstoff-Sorption (BJH-Modell) und der Quecksilberporosimetrie wurde die erhaltende Porenweite (Porenradius) gegen den Kolloiddurchmesser der Ausgangsmaterialien aufgetragen ( ). Klar erkennbar ist der lineare Zusammenhang zwischen den ermittelten Porenradien und dem Durchmesser der kolloidalen Solteilchen. Für unendlich kleine Ausgangskolloiddurchmesser geht die Gerade beider Bestimmungsmethoden im Rahmen der Messungenauigkeit durch den Koordinatenursprung. Dies ist die notwendige Bestätigung der aufgeführten Thesen. Mittels Quecksilberporosimetrie ist die Differenzierung von Zwischenpartikelraum ( ; Nr. I) und Zwischenkornvolumen (Nr. II) einfach möglich. Die Ursache der beobachteten Diskrepanz zu den rechnerischen Daten ist begründet in der Partikelgrößenverteilung der betrachteten Kieselsole. Es liegt nicht nur genau ein definierter Partikeldurchmesser vor. Darüber hinaus ist das BJH-Modell in Bezug auf die Stickstoff-Sorption schwerpunktmäßig auf den Mesoporenbereich (2 bis 50·10–9 m) anwendbar. Der relative Fehler im Bereich < 2·10–9 m ist dementsprechend erhöht.According to Equation 4.4, this interparticle space is linearly dependent on the number (n) and the radius of the colloidal monomers (V O , V T ). With the aid of nitrogen sorption (BJH model) and mercury porosimetry, the pore size obtained (pore radius) was plotted against the colloid diameter of the starting materials ( ). Clearly recognizable is the linear relationship between the determined pore radii and the diameter of the colloidal sol particles. For infinitely small initial colloid diameters, the straight line of both methods of determination goes through the origin of the coordinates within the scope of the measurement inaccuracy. This is the necessary confirmation of the theses listed. By means of mercury porosimetry, the differentiation of interparticle space ( ; No. I) and intergrain volume (No. II) are easily possible. The cause of the observed discrepancy to the computational data is due to the particle size distribution of the considered silica sols. Not only is there exactly one defined particle diameter. In addition, with regard to nitrogen sorption, the BJH model is mainly applicable to the mesopore range (2 to 50 x 10 -9 m). The relative error in the range <2 · 10 -9 m is increased accordingly.

verdeutlicht einen weiteren Bezug vom ermittelten Porenradius und der Formung von Zwischenpartikelvolumen. Sie zeigt die erforderliche Unabhängigkeit der texturellen Eigenschaften der erhaltenen Xerogele vom Feststoffgehalt der kolloidalen Ausgangsmaterialien sowie vom mechanischen Verkleinerungszustand (Tabelle 4.9). Wie in diesem Kapitel bereits aufgeführt, ist es durch gezielte Auswahl des Eduktes möglich, einen definierten Zwischenpartikelraum (VZPR) zu erzeugen. Dieser ist auf Grund der relativ einheitlichen Monomerdurchmesser in einem sehr engen Bereich gezeichnet. In diesem Zusammenhang besteht auch die Möglichkeit durch Mischung verschiedener Xerogele, Zwischenpartikelvolumenprofile zu justieren sowie BET(N2; 77 K)-Oberflächen zu kombinieren (Tabelle 4.10). verdeutlicht dies am Beispiel einer Mischung von aus Kostrosol® 1510 und Köstrosol® 4510 hergestellten Xerogelen. illustrates a further relation of the determined pore radius and the formation of interparticle volume. It shows the required independence of the textural properties of the obtained xerogels from the solids content of the colloidal starting materials as well as from the mechanical reduction state (Table 4.9). As already mentioned in this chapter, it is possible to generate a defined interparticle space (V ZPR ) by carefully selecting the starting material. This is drawn due to the relatively uniform monomer diameter in a very narrow range. In this context, it is also possible by mixing different xerogels to adjust interparticle volume profiles and to combine BET (N 2 ; 77 K) surfaces (Table 4.10). This is illustrated in the example of a mixture of from Kostrosol ® 1510 and Köstrosol ® 4510 produced xerogels.

Die Tatsache, dass es sich um Zwischenpartikelvolumen handelt, verdeutlicht auch, dass die erhaltenen Pulvermorphologien unabhängig von den Trocknungsbedingungen sind. Analoge Aussagen können auch für die Sprühtemperatur des Ausgangsmateriales gegeben werden. Bei beiden Parametern bleiben BET(N2; 77 K)-Oberfläche und adsorbiertes Volumen nahezu identisch (Tabelle 7.31).The fact that they are interparticle volumes also illustrates that the resulting powder morphologies are independent of the drying conditions. Analogous statements can also be given for the spray temperature of the starting material. For both parameters, BET (N 2 , 77 K) surface and adsorbed volume remain nearly identical (Table 7.31).

Alkalische Xerogele weisen in ihren adsorbierten Volumina bei der Stickstoff-Sorption tendenziell geringere Werte auf, als die unter analogen Bedingungen hergestellten, unstabilisierten Kieselgele. Das Volumen im Zwischenpartikelraum der erhaltenen Pulver unterschiedlicher Stabilisierungsformen ist eine Funktion des kolloidalen Durchmessers der Ausgangsmaterialien. Da die unstabilisierten Sole aus den alkalischen Solen hergestellt werden, der Durchmesser der Teilchen also äquivalent ist, kann das hieraus gebildete Volumen gleichgesetzt werden. Folglich kann nur eine Modifikation des Zwischenkornvolumens diese Tendenz erklären. In diesem Zusammenhang stellt also die variierende Partikelgrößenverteilung der Gele zwischen den Stabilisierungsformen die Erklärung dieses Befundes dar. Unterschiedliche Zwischenpartikelraummaxima (Porenradienmaxima; BJH-Modell) sind jedoch für die aus aluminatmodifizierten Kieselsolen hergestellten Xerogele beobachtbar. Hier kommt es auf Grund der verringerten Reaktivität und unterschiedlichem Kolloiddurchmesser der modifizierten Partikel zu einer Abnahme des Zwischenpartikelraumvolumens ( ). Kieselsole mit Monoethylenglykolzusatz charakterisieren sich durch eine Verbreiterung ihrer „Porenradien”-Verteilungen (BJH-Modell). Diese Erweiterung ist abhängig von der Menge an zugesetztem Additiv ( ). Ursache hierfür sind die beobachteten Gaseinschlüsse in der Hülleninnenseite (Abschnitt 4.2.2.4). Diese erzeugen ein zusätzliches Streuen der Porenverteilung.Alkaline xerogels tend to have lower values in their adsorbed volumes during nitrogen sorption than the unstabilized silica gels prepared under analogous conditions. The volume in the interparticle space of the obtained powders of different stabilization forms is a function of the colloidal diameter of the starting materials. As the unstabilized brine from the alkaline brines can be prepared, the diameter of the particles is thus equivalent, the volume formed from this can be equated. Consequently, only a modification of the inter-grain volume can explain this tendency. In this context, the varying particle size distribution of the gels between the stabilization forms is the explanation of this finding. However, different interparticle maximum maxima (pore radius maxima, BJH model) are observable for the xerogels prepared from aluminate-modified silica sols. Here, due to the reduced reactivity and different colloid diameter of the modified particles, a decrease in the interparticle volume ( ). Silica sols with addition of monoethylene glycol are characterized by a widening of their "pore radii" distributions (BJH model). This extension depends on the amount of added additive ( ). This is due to the observed gas pockets inside the shell (Section 4.2.2.4). These generate additional scattering of the pore distribution.

4.2.4 Nachweis des amorphen Charakters4.2.4 Proof of the amorphous character

Im Zuge einer medizinischen und arbeitsschutzrechtlichen Betrachtung ist kristallines Siliziumdioxid in nanoskalarer Form ein nicht zu unterschätzendes Gesundheitsrisiko. Bekanntermaßen ist diese Form des Siliziumdioxids als kanzerogen eingestuft [196]. Dementsprechend ist der Nachweis einer amorphen Struktur für Pulver, welche eine Lungengängigkeit (pulmonal; dp < 10–6 m) aufweisen, von wesentlichem wissenschaftlich-technischem Interesse. zeigt anhand von Röntgenpulverdiffraktogrammen den amorphen Charakter der hergestellten Pulver. Kristalline Bestandteile können nicht detektiert werden.In the context of a medical and occupational health and safety law, crystalline silica in nanoscalar form is a health risk that should not be underestimated. It is known that this form of silica is classified as carcinogenic [196]. Accordingly, the detection of an amorphous structure for powders having pulmonary (pulmonary; d p <10 -6 m) is of significant scientific and technical interest. shows by X-ray powder diffractograms the amorphous character of the powder produced. Crystalline components can not be detected.

4.2.5 Modell der Partikelbildung4.2.5 Model of particle formation

Das in dieser Arbeit vorgestellte Modell der Partikelbildung ( ; Seite 90) baut auf den Grundlagen von WALKER [46] auf, der die rheologischen Eigenschaften als wesentlichen Betrachtungspunkt bei der Partikelbildung sieht. Des Weiteren spielen MESSINGs [45] Beobachtungen beim sprühpyrolytischen Teilchenbildungsprozess eine wichtige Rolle. Modifizierungen fließen im Bereich der Kolloidchemie ebenso mit ein, wie die Eigenschaften von kolloidalem Siliziumdioxid. Nach der Entstehung des Sprühs an der Düsenaustrittsöffnung kommt das gebildete Tropfenkollektiv mit den Strömungen des Trocknungsgases in Kontakt. Hierbei sind zum Zeitpunkt null die kolloidalen Partikel statistisch über das Tropfenvolumen verteilt ( ; Nummer: I). Mit zunehmender Verdampfung des Fluids nimmt der Konzentrations- und Temperaturgradient von der Tropfenoberfläche zum Tropfeninneren immer weiter zu. Des Weiteren steigt die Viskosität im Tropfenvolumen stetig an. Ab einem kritischen Punkt der Konzentration, dem viskoelastischen Bereich, kommt es zur Bildung von lokalen Agglomerationen (dH < 10–7 m) auf der Tropfenoberfläche (Nummer II). Ab diesem Zeitpunkt hängt der weitere Trocknungsprozess von der Art der Stabilisierung des Kieselsoles ab. Bei alkalischen kolloidalen Kieselsäuren (Weg A) wird zu diesem beschriebenen Moment der Partikeldurchmesser fixiert und es beginnt die Ausbildung einer Partikelhülle. Die in hohen Konzentrationen vorliegenden Alkali-Ionen fördern in diesem Zusammenhang den weiteren Agglomerationsprozess der kolloidalen Partikel zu einem Gel. Mit fortschreitendem Trocknungsprozess wird diese Hülle gefestigt und verstärkt. Kieselsolen ohne Stabilisierungsmitteln fehlen derartige Ionen (Alkali-Ionen). Die Agglomeration der Solpartikel am viskoelastischen Punkt sorgt für einen rasanten Anstieg der Viskosität. Dies hemmt den Stofftransport, wodurch nicht ausreichend kolloidale Teilchen die Tropfenoberfläche erreichen um diese zu verfestigen. An diesem Punkt kann der Sprühtropfen den Schrumpfungsprozess als Folge des fluiden Stoffüberganges in das Trocknungsgas weiter durchlaufen (Weg B) oder sich im Zusammenspiel von Kapillar- und Scherkräften mit dem Trocknungsgas zu kleineren Tropfen aufspalten (Weg C). Ursache für diese Aufspaltung sind die sich ausbildenden Menisken der Flüssig-Gas- und Flüssig-Fest-Grenzflächen zwischen den Agglomeraten. Die durch diesen Aufspaltungsprozess gebildeten Tropfen sind infolgedessen kleiner als ihr Ausgangstropfen. Dementsprechend ist die für den Stoffübergang im Trocknungsprozess zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert. Folgerichtig wird die Trocknung beschleunigt und der Konzentrationsgradient Tropfenoberfläche zu Tropfeninnerem nimmt stetig zu. Die Zeit bis zur Fixierung des Partikeldurchmessers durch Ausbildung einer Partikelhülle wird verkürzt. Durch die aufgeführte frühere Ausbildung der Hülle sinkt das Verhältnis der Hüllenbreite zum Partikelradius signifikant. Eine Erhöhung der Anzahl von Tropfen sowie die erforderliche Deformierung von Tropfen bei einer Auf- und Abspaltung fördern die Wahrscheinlichkeit von Defekten. Hierbei sei insbesondere auf Abschnitt 2.1.2 (Seite 10) dieser Arbeit verwiesen. Weg B stellt insbesondere für sehr geringe Tropfendurchmesser einen vorstellbaren Weg der Hohlkugelbildung dar. Auf Grund der Schrumpfung dieser Tropfen in Kombination mit einer zeitlich verlängerten konstanten Stoffübergangsgeschwindigkeit kommt es zu einer stetigen Erhöhung der Konzentration der kolloidalen Materialen mit anschließender Ausbildung und Verfestigung einer Partikelhülle. Größere Tropfen können beide Varianten durchlaufen. Die tendenziell kleineren Partikeldurchmesser aus der Sprühtrocknung von unstabilisierten Solen können dementsprechend durch geschrumpfte Tropfen oder durch eine Vielzahl von Tropfenaufspaltungen verstanden werden. Die Druckwechseltechnologie ist gekennzeichnet durch die Möglichkeit der Beaufschlagung der Sole mit Gasen. In dieser Arbeit wurde hierfür Stickstoff verwendet. In Abwesenheit einer Gasbeladung liegt ein hoher Anteil an irregulären Partikeln vor ( ; Seite 60). In diesem Zusammenhang wird ein Mechanismus diskutiert, welcher von ersten Erstarrungspunkten auf der Tropfenoberfläche ausgeht. Als Folge der sich im Vergleich zur Verdampfung langsam verfestigenden Strukturen wird im weiteren Trocknungsschritt mehr Wasser im Inneren des Tropfens durch die noch weichen bzw. freien Stellen an der Tropfenoberfläche in die Gasphase abgeführt. In dessen Folge bildet sich ein lokales Vakuum. Kapillarkräfte zwingen das Fortschreiten der Verfestigung ins Innere des Partikels. Es kommt zur Verformung. Des Weiteren können bereits gebildete Festphasen eine sehr geringe Permeabilität aufweisen. Der Stofftransport durch diese Phasen in die Gasphase ist gehemmt und es kommt zur Druck- und Temperaturerhöhung im Hülleninneren. Erfahrungen zur Entlösegeschwindigkeit von Stickstoff haben gezeigt, dass dessen Entweichen unmittelbar nach der Düse nicht schlagartig abläuft. Folgerichtig kommt es zu einer stetigen Entlösung durch das im Zuge der Trocknung und Aufkonzentrierung verdampfende Lösungsmittel. Diese Löslichkeit sowie die Geschwindigkeit des Entlöseprozesses von Stickstoff in Kieselsolen sind druck- und temperaturabhängig.The particle formation model presented in this work ( ; Page 90) builds on the foundations of WALKER [46], who sees the rheological properties as a key consideration in particle formation. Furthermore, MESSING's [45] observations in the spray pyrolytic particle formation process play an important role. Modifications are included in the field of colloidal chemistry as well as the properties of colloidal silica. After the formation of the spray at the nozzle outlet opening, the droplet collective formed comes into contact with the flows of the drying gas. At time zero, the colloidal particles are statistically distributed over the drop volume ( ; Number: I). With increasing evaporation of the fluid, the concentration and temperature gradient from the surface of the drop to the inside of the drop continues to increase. Furthermore, the viscosity in the drop volume increases steadily. From a critical point of concentration, the viscoelastic region, local agglomeration (d H <10 -7 m) occurs on the surface of the droplet (number II). From this point on the further drying process depends on the type of stabilization of the silica sol. In the case of alkaline colloidal silicic acids (route A), the particle diameter is fixed at this moment and the formation of a particle shell begins. In this context, the alkali ions present in high concentrations promote the further agglomeration process of the colloidal particles into a gel. As the drying process progresses, this shell is strengthened and reinforced. Silica sols without stabilizers lack such ions (alkali ions). Agglomeration of the sol particles at the viscoelastic point causes a rapid increase in viscosity. This inhibits the mass transport, whereby insufficient colloidal particles reach the surface of the drop to solidify them. At this point, the spray droplet can continue through the shrinkage process as a result of the fluid mass transfer into the drying gas (path B) or split into smaller droplets in the interaction of capillary and shear forces with the drying gas (path C). The reason for this splitting are the forming menisci of the liquid-gas and liquid-solid interfaces between the agglomerates. As a result, the drops formed by this decomposition process are smaller than their starting drop. Accordingly, the surface available for the mass transfer in the drying process is increased. Consequently, the drying is accelerated and the concentration gradient drop surface to drop inside increases steadily. The time until fixation of the particle diameter by forming a particle shell is shortened. Due to the earlier embodiment of the shell, the ratio of the shell width to the particle radius decreases significantly. An increase in the number of drops as well as the required deformation of drops in a split and split promote the probability of defects. Please refer in particular to section 2.1.2 (page 10) of this thesis. Path B represents an imaginable way of hollow sphere formation, in particular for very small droplet diameters. Due to the shrinkage of these droplets in combination with a temporally prolonged constant mass transfer rate, the concentration of the colloidal materials increases continuously with subsequent formation and solidification of a particle shell. Larger drops can go through both variants. The tendency to smaller particle diameter from the spray drying of unstabilized brines can be understood accordingly by shrunken drops or by a plurality of droplet splits. The pressure swing technology is characterized by the possibility of loading the brine with gases. Nitrogen was used in this work. In the absence of gas loading, there is a high level of irregular particles ( ; Page 60). In this context, a mechanism is discussed, which starts from first solidification points on the drop surface. As a result of the slowly solidifying compared to the evaporation structures in the further drying step more water is discharged inside the droplet through the still soft or vacant points on the surface of the drop into the gas phase. As a result, a local vacuum is formed. Capillary forces force the progress of solidification into the interior of the particle. It comes to deformation. Furthermore, already formed solid phases can have a very low permeability. The mass transport through these phases into the gas phase is inhibited and there is an increase in pressure and temperature inside the envelope. Experiments on the rate of release of nitrogen have shown that its escape immediately after the nozzle does not abruptly. Consequently, there is a constant release by the evaporating in the course of drying and concentration solvent. This solubility and the speed of the removal process of nitrogen in silica sols are pressure and temperature dependent.

Ursache der prozesstechnisch möglichen Defektmechanismen – Formung eines partiellen Vakuums sowie Überdruck im Tropfeninneren durch verminderte Permeabilität – im Trocknungsvorgang sind Druckschwankungen im Tropfen durch Stofftransportvorgänge. Die Kombination von Gelöstgas und Fluid sorgt für eine Absenkung der Schallgeschwindigkeit gegenüber den reinen Medien. So können Druckschwankungen im System schneller ausgeglichen werden. Die Trocknung verläuft „gleichmäßiger”. Bei der Formung eines partiellen Vakuums wird druckbedingt mehr gelöstes Gas aus dem Fluid in die Gasphase entlöst. Der so bewirkte Druckaufbau wirkt dem entstehenden Druckverlust entgegen. Im Zusammenhang mit der Überhitzung des Tropfeninneren bewirkt der resultierende Abkühlungseffekt beim Entlösen des Gases in Folge der Gasdynamik eine zeitliche Verzögerung bzw. Abschwächung eines Druckaufbaus. Diese kontrollierbaren Bedingungen im Tropfen bei der Trocknung führen zur Ausbildung von Partikeln mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit an Defekten. Als eine weitere Folge der stetigen Entlösung von Gas aus dem Fluid kommt es zu einem reduzierten Verhältnis von Hüllenbreite zu Partikelradius (Hüllendicke). Die Überführung der Fluidmoleküle in die Gasphase erfolgt an Stellen, wo noch kein starres Material vorliegt. Dieser Stofftransport im Tropfeninneren wird durch die Entlösung und Strömungsbildung des Stickstoffes gefördert. Als Folge kommt es zu einer schnelleren Verdampfung sowie einer zielgerichteten Verfestigung von Stellen mit hoher Permeabilität – Orten mit weniger Feststoff und höherer Defektwahrscheinlichkeit.Cause of the process-technically possible defect mechanisms - formation of a partial vacuum as well as overpressure in the drop inside by reduced permeability - in the drying process are pressure fluctuations in the drop by mass transfer processes. The combination of dissolved gas and fluid reduces the speed of sound compared to pure media. This allows pressure fluctuations in the system to be compensated faster. The drying process is "smoother". During the formation of a partial vacuum, more dissolved gas is released from the fluid into the gas phase due to pressure. The resulting pressure build-up counteracts the resulting pressure loss. In connection with the overheating of the drop interior, the resulting cooling effect on release of the gas as a result of the gas dynamics causes a time delay or weakening of a pressure build-up. These controllable drying conditions during drying lead to the formation of particles with a lower probability of defects. As a further consequence of the steady release of gas from the fluid, there is a reduced ratio of shell width to particle radius (shell thickness). The transfer of the fluid molecules into the gas phase occurs at locations where no rigid material is present. This mass transfer inside the drop is promoted by the release and flow of the nitrogen. As a result, faster evaporation and targeted solidification of high permeability sites occur - sites with less solids and higher probability of defects.

4.3 Dispersionsversuche4.3 Dispersion experiments

Die Dispergierung von Pulver ist in vielen Bereichen eine wesentliche Grundlage, um die Ein- und Verarbeitung von Produkten und Produktgruppen zu optimieren. Besonders staubige Pulver werden aus Anwendbarkeitsgründen meist in weniger belastende, großvolumige Formen überführt. Oft ist jedoch die Rücküberführung derartiger Systeme in Dispersionen schwierig zu realisieren. In den vorangegangen Kapiteln konnte gezeigt werden, dass bei den hergestellten amorphen Pulvern die nanoskalare, kolloidale Monomereinheit als Grundbaustein der Partikel erkennbar ist. Dieser Bereich der Arbeit soll untersuchen, ob mit Hilfe der Druckwechseltechnologie gezielt Agglomerate anstelle literaturbekannter Aggregate gebildet wurden. Hierfür soll die Redispergierbarkeit dieser Pulver untersucht werden. Abschnitt 4.3.1 umfasst die Ergebnisse der Redispergierbarkeitsversuche auf Basis wässriger Medien. Neben reinen wässrigen Systemen werden auch die Untersuchungen mit Basen sowie den Xerogelen aus additivierten Ausgangsmaterialien erläutert. Im darauf folgenden Abschnitt werden die Redispergierbarkeitsuntersuchungen in 2-Propanol vorgestellt.The dispersion of powder is an essential basis in many areas in order to optimize the processing and processing of products and product groups. For reasons of applicability, especially dusty powders are usually converted into less burdensome, bulky forms. Often, however, the reconversion of such systems into dispersions is difficult to achieve. In the previous chapters it could be shown that the nanoscalar, colloidal monomer unit of the prepared amorphous powders is recognizable as the basic building block of the particles. This field of work will investigate, if with the help of the pressure swing technology agglomerates were formed instead of known aggregates. For this purpose, the redispersibility of these powders should be investigated. Section 4.3.1 covers the results of redispersibility tests based on aqueous media. In addition to pure aqueous systems, investigations with bases and xerogels from additized starting materials are also explained. In the following section the redispersibility studies in 2-propanol are presented.

4.3.1 Dispergierung im wässrigen Medium4.3.1 Dispersion in an aqueous medium

Unter Verwendung von ausgewählten Xerogelen ist bereits bei geringen Scherkräften eine Redispergierung möglich. Bereits ein schwacher mechanischer Energieeintrag wie bspw. das Einrühren der Xerogele mit einem Magnetrührer in Wasser führt zu einer Zerkleinerung der mittels Sprühtrocknung hergestellten Pulver. verdeutlicht, dass diese Deagglomerierung mittels einer Ultraschallbehandlung zusätzlich beschleunigt werden kann. Die hierbei entstehenden Kolloide stimmen in ihrer Größe und Form mit den monomeren, sphärischen Grundbausteinen der Ausgangsmaterialien (Kieselsolteilchen) überein. Dies kann als ein Nachweis der Zusammensetzung aus Agglomeraten verstanden werden. Eine derartige Überführung technisch bekannter Siliziumdioxid-Produkte mit diesen gewählten Energien in ein wässriges System ist aktuell nicht in der Literatur bekannt. Aktuell finden Kolloidmühlen bzw. hochfrequente Rührwerke Verwendung zur Verkleinerung von Siliziumdioxid-Produkten. Die hierbei gebildeten Teilchen haben meist eine irreguläre Form. Des Weiteren sind diese Dispersionen bzw. Suspensionen meist nicht stabil. Als Referenzmaterial wird ein aus unstabilisiertem Kieselsol (dK = 1,5·10–8 m; ms = 1,35% (m:m)) erzeugtes Xerogel verwendet. Mit diesem hieraus hergestellten Referenzgel werden alle Versuche bzw. Vergleiche durchgeführt. Der beobachtete Verkleinerungs- bzw. Zerfallsprozess verläuft in zwei Stufen ( und ). Im ersten Schritt werden die kleineren Partikel mit ihrem verhältnismäßig hohen Anteil an Oberflächenbausteinen deagglomeriert. In einer zweiten Stufe erfolgt die schrittweise Zerkleinerung der größeren Partikeldurchmesser ( ; rechte Seite).Using selected xerogels, redispersion is possible even at low shear forces. Already a weak mechanical energy input, such as, for example, stirring the xerogels with a magnetic stirrer in water leads to a comminution of the powders produced by spray-drying. illustrates that this deagglomeration can be additionally accelerated by means of an ultrasonic treatment. The resulting colloids are identical in size and shape to the monomeric, spherical basic building blocks of the starting materials (silica sol particles). This can be understood as a proof of the composition of agglomerates. Such a transfer of technically known silicon dioxide products with these selected energies into an aqueous system is currently not known in the literature. Currently, colloid mills or high-frequency agitators are used to reduce the size of silicon dioxide products. The particles formed in this case usually have an irregular shape. Furthermore, these dispersions or suspensions are usually not stable. The reference material used is a xerogel produced from unstabilized silica sol (d K = 1.5 × 10 -8 m, m s = 1.35% (m: m)). With this From this reference gel produced all experiments or comparisons are performed. The observed reduction or decay process takes place in two stages ( and ). In the first step, the smaller particles are deagglomerated with their relatively high content of surface building blocks. In a second stage, the gradual size reduction of the larger particle diameter ( ; right side).

Die in deionisiertem Wasser durchgeführte Dispergierung additivierter Xerogele mittels Magnetrührer führte zu einem ungleichmäßigeren Zerfall der Agglomerate. zeigt den Vergleich der Dispergierung eines Referenzgels aus einem unstabilisiertes Köstrosol® 1510 mit einem, unter analogen Bedingungen hergestellten, mit Dynol TM 607 (0,1% (m:m)) behandeltem Pulver. Nach der Dispergierung mit Ultraschall zerfallen kleinere Agglomerate ( ; Nr. II) zu den Ausgangsmonomeren (Nr. I), währenddessen größere Partikeldurchmesser zur Suspendierung neigen. Bei den aus Kieselsolen mit dem Additiv Dynol TM 607 erhaltenen Gelen zeigt sich eine weitere Besonderheit. Die in Abschnitt 4.2.2.4 (Seite 76) beschriebenen Defekte der Hülle sorgen analog den Daten aus dem Laserbeugungsexperiment der hergestellten Pulver unter mechanischem Stress für eine bessere Redispergierung der Agglomerate zu ihren kolloidalen Monomeren.The dispersion of additized xerogels by means of magnetic stirrer in deionized water led to a more irregular disintegration of the agglomerates. shows the comparison of dispersing a Referenzgels of an unstabilized Köstrosol ® 1510 a, produced under analogous conditions with Dynol TM 607 (0.1% (m: m)) treated powder. After dispersion with ultrasound, smaller agglomerates ( ; No. II) to the starting monomers (# I), while larger particle diameters tend to suspend. The gels obtained from silica sols with the additive Dynol ™ 607 show another special feature. The defects of the shell described in Section 4.2.2.4 (Page 76) provide better redispersion of the agglomerates to their colloidal monomers analogously to the data from the laser diffraction experiment of the powders produced under mechanical stress.

Untersuchungen zur Redispergierung von Xerogelen in Abhängigkeit vom Feststoffgehalt der Edukte zeigen einen weiteren Einflussfaktor. Je höher die Konzentration des unstabilisierten Ausgangsmateriales im Sprühprozess ist, desto weniger Energieeintrag ist für die Überführung der erhaltenen Gele in eine Dispersion erforderlich. zeigt dies am Beispiel von Xerogelen aus 1,4% sowie 12% (m:m) sprühgetrockneten Edukten. Ursachen sind die, mit steigendem Feststoffgehalt zunehmende, Sphärizität und Partikeldurchmesser sowie die Reduzierung der Defektdichte. Es ist nicht die Überwindung von, für Defekte üblichen, energetischen Barrieren im Redispergierungsprozess notwendig.Studies on the redispersion of xerogels as a function of the solids content of the educts show a further influencing factor. The higher the concentration of the unstabilized starting material in the spraying process, the less energy input is required for the conversion of the resulting gels into a dispersion. shows this with the example of xerogels from 1.4% and 12% (m: m) spray-dried educts. Causes are the, with increasing solids content increasing, sphericity and particle diameter as well as the reduction of the defect density. It is not necessary to overcome the usual, for defects, energetic barriers in the redispersion process.

Ein Zusatz von Basen fördert zusätzlich die Redispergierbarkeit der generierten Pulver. Laugen begünstigen die Spaltung der vernetzenden Siloxanbrücken analog dem Auflösen von Silicaten [179]. Des Weiteren wird in der Literatur die pH-Wert-abhängige Löslichkeit von Siliziumdioxid aufgeführt. Mit steigendem pH-Wert nimmt diese signifikant zu [179]. Parallel zur Einbringung in Wasser erfolgt ein schrittweiser Zerfall der gebildeten Agglomerate. Dabei ist ebenfalls ein Zerfall der Agglomerate bis in ihre monomeren Bestandteile beobachtbar. Die Stabilität der erhaltenen Sole ist abhängig von der Konzentration der eingesetzten Laugen (Kaliumhydroxid-Lösung; ). Geringe Konzentrationen der eingesetzten Base sowie die Behandlung mit Ultraschall führen zu stabilen, kolloidalen Dispersionen. Bei höheren Konzentrationen kommt es in einem ersten Schritt durch Auflöseprozesse zu einer wasserglasähnlichen Zwischenstufe. Anschließend wird in einem nachgelagerten Schritt durch den gesteigerten Elektrolytgehalt im Fluid die Bildung von höheren Agglomeraten und Aggregaten beobachtet ( ; Seite 49).An addition of bases additionally promotes the redispersibility of the generated powders. Leaches favor the cleavage of the crosslinking siloxane bridges analogously to the dissolution of silicates [179]. Furthermore, the literature mentions the pH-dependent solubility of silicon dioxide. As the pH increases, this increases significantly [179]. Parallel to the introduction into water, a gradual disintegration of the agglomerates formed takes place. In this case, a disintegration of the agglomerates is also observed in their monomeric components. The stability of the resulting sols depends on the concentration of the alkalis used (potassium hydroxide solution; ). Low concentrations of the base used and the treatment with ultrasound lead to stable, colloidal dispersions. At higher concentrations, in a first step, dissolution processes lead to a water glass-like intermediate. Subsequently, in a subsequent step, the formation of higher agglomerates and aggregates is observed by the increased electrolyte content in the fluid ( ; Page 49).

Aufbauend auf diesen Erfahrungen bieten sich diese Pulver als Silicat-Keime zur Hydratisierung von Betonen an. Nachweislich fehlen in deren Gefüge Korngrößen im Bereich von 2 bis 6·10–7 m, um ideale Packungsdichten zu erreichen [39]. Als mikroskalarer Bestandteil hinzugegeben, können diese Pulver zudem unter den mechanischen Belastungen einer Mischung in nanoskalare reaktive Bausteine – Silicat-Keime – zerfallen. Der hoch alkalische pH-Wert dieser Rezepturen fördert den Prozess der Bindungsspaltung (Siloxan-Brücken) zusätzlich. Als Folge ist eine Optimierung der Packungs- und Vernetzungsdichte der Schüttung denkbar. Weiterer Vorteil dieser spezialisierten Silicat-Keime ist eine, mit Mikrosilica bereits praktizierte, Steigerung der Unempfindlichkeit der Systeme gegenüber sauren und abrasiven Medien [39]. Nachteil von Mikrosilica ist die ungünstige Partikelgrößenverteilung der Siliziumdioxid-Bestandteile (2·106 m ≤ dP ≤ 2,5·10–4 m) für ultrahochfeste Beton-Systeme.Based on these experiences, these powders offer themselves as silicate nuclei for the hydration of concretes. It has been shown that grain sizes ranging from 2 to 6 · 10 -7 m are missing in their microstructure in order to achieve ideal packing densities [39]. Added as a microscale component, these powders can also decompose under the mechanical stress of a mixture into nanoscale reactive building blocks - silicate nuclei. The highly alkaline pH of these formulations further promotes the process of bond cleavage (siloxane bridges). As a result, an optimization of the packing and cross-linking density of the bed is conceivable. An additional advantage of these specialized silicate seeds is that they are already increasing their insensitivity to acidic and abrasive media already practiced with microsilica [39]. A disadvantage of microsilica is the unfavorable particle size distribution of the silicon dioxide constituents (2 × 10 6 m ≤ d P ≤ 2.5 × 10 -4 m) for ultrahigh-strength concrete systems.

4.3.2 Dispergierung in 2-Propanol4.3.2 Dispersion in 2-propanol

Versuche zur Einbringung der erhaltenen Xerogele in organische Lösungsmittel (2-Propanol) führten gleichfalls zu einer Redispergierung der hergestellten Agglomerate. Beobachtbar ist in diesem Zusammenhang ein Zerfall bis zu den monomeren Grundbestandteilen. Wie in gezeigt, kommt es analog einer Dispergierung in Wasser (Abschnitt 4.3.1), in organischen Fluiden zum schrittweisen Zerfall der gebildeten Partikel. Versuche zur energetischen Unterstützung der Deagglomeration mittels Ultraschall brachten im Widerspruch zu den Beobachtungen in wässrigen Systemen keine Verbesserung der Überführung in die Kolloide (Kieselsole). Vergleichende Studien zum Zerfall der Agglomerate in Wasser und Isopropanol wiesen auf eine geringere Zerfallsquote im organischen Medium hin. Ursache hierfür kann die geringere Reaktivität der 2-Propanol-Moleküle darstellen, Siloxanbrücken aufzuspalten. Ein weiterer Grund liegt in der Chemie dieser Verbindungen. Diese Wechselwirken mittels Wasserstoffbrückenbindungen mit den Silanol-Gruppen der Silica-Oberfläche und legen sich wie eine Art inerter Film auf diese (kolloidalen) Teilchen. Das Ziel dieser Arbeit, die Erzeugung redispergierbarer Pulver, welche Eigenschaften der kolloidalen Ausgangsmaterialien vererbt bekommen haben, kann folglich als erreicht betrachtet werden. Im Gegensatz zu kommerziell erhältlichen, konventionell getrockneten Produkten (bspw. Köstrosolid® 0403), bestehen die im Rahmen dieser Arbeit hergestellten Pulver aus Agglomeraten, deren Redispergierbarkeit bis zu den Monomeren, dem Ausgangskolloiddurchmesser, möglich ist. Köstrosolid® 0403 weist bei den, in dieser Arbeit angewendeten, Bedingungen keinen Zerfall im Rahmen der Messungenauigkeit auf. Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen sowie die Laserbeugungsdaten bestätigen diesen Befund. Pyrogene Kieselsäuren können unter ähnlichen mechanischen Belastungen in kleinere Aggregate zerfallen [152], jedoch ist deren Durchmesser, Form und Stabilität nicht regelmäßig. Meist werden bei Redispergierbarkeitsuntersuchungen derartiger Pulver breite Partikelgrößenverteilungen, starke Abweichungen von der sphärischen Form sowie starke Agglomerationserscheinungen beobachtet. Eine Redispergierbarkeit reiner pyrogener Kieselsäuren bis zu der monomeren Grundeinheit wurde von verschieden Autoren postuliert, jedoch ist diese Möglichkeit noch nicht zweifelsfrei bewiesen.Attempts to incorporate the obtained xerogels in organic solvents (2-propanol) also led to a redispersion of the agglomerates produced. In this context, a decay up to the monomeric constituents is observable. As in In analogy to a dispersion in water (Section 4.3.1), in organic fluids the gradual decomposition of the formed particles occurs. Attempts to energetically support deagglomeration by ultrasound did not improve the conversion to the colloids (silica sols), contrary to observations in aqueous systems. Comparative studies on the decomposition of the agglomerates in water and isopropanol indicated a lower rate of decomposition in the organic medium. The reason for this may be the lower reactivity of the 2-propanol molecules to split siloxane bridges. Another reason lies in the chemistry of these compounds. These interact by means of hydrogen bonds with the silanol groups of the silica surface and settle on these (colloidal) particles like a kind of inert film. The goal of this work, the generation of redispersible powders which have inherited properties of the starting colloidal materials can thus be considered to have been achieved. In contrast to commercially available, conventionally dried products (eg. Köstrosolid ® 0403), the powder produced in this work of agglomerates whose redispersibility to the monomers, the starting colloid diameter is possible exist. Köstrosolid ® 0403 has no decay within the measurement inaccuracy in, applied in this work conditions. Transmission electron micrographs and the laser diffraction data confirm this finding. Pyrogenic silicas can break down into smaller aggregates under similar mechanical loads [152], but their diameter, shape and stability are not regular. In the case of redispersibility studies of such powders, broad particle size distributions, pronounced deviations from the spherical shape and strong agglomeration phenomena are usually observed. A redispersibility of pure fumed silicic acids up to the monomeric basic unit has been postulated by various authors, but this possibility has not yet been proven beyond doubt.

4.4 Bewertung der Gele im Anwendungstest4.4 Evaluation of gels in the application test

In diesem Kapitel werden die Resultate der Anwendungstests vorgestellt. Grundlage dieser Versuche sind die Ergebnisse der Untersuchungen der vorgehenden Kapitel. Wie bereits in dieser Arbeit beschrieben wurde, konnten in den hergestellten Pulvern keine signifikanten kohäsiven Wechselwirkungen beobachtet werden. Sie weisen im Vergleich mit Referenzmaterialien (Köstrosolid® 0403) ein gutes Fließ- und Gießverhalten auf. Des Weiteren können durch geeignete Auswahl des Eduktes sowie der Sprühparameter geometrische, mechanische und texturelle Eigenschaften gezielt eingestellt werden. Ferner ist eine Redispergierung bis zu den kolloidalen Grundbausteinen unter trivialen Bedingungen erreichbar, so dass bspw. optische Einflüsse von größeren Partikeldurchmessern eliminiert werden können. Idealerweise erfolgt ein Zerfall bis zum kolloidalen Monomer, um einen vollständigen Erhalt der Transparenz zu gewährleisten. Studien haben gezeigt, dass bei Partikeldurchmessern bis dP < 4·10–8 m diese Eigenschaft, in Unabhängigkeit vom Feststoffgehalt des Systems, erhalten bleibt [212, 213]. Füllstoffe auf Siliziumdioxid-Basis bestehen meist aus irregulären Partikelformen im mikroskalaren Größenbereich. In diesem Zusammenhang können die, in dieser Arbeit hergestellten Pulver, mit ihrem hohen Anteil an sphärischen Partikeln im Submikrometerbereich (dP < 5·10–6 m) neue Eigenschaften in Anwendungstests zeigen. In den folgenden Abschnitten werden die Ergebnisse der Einarbeitung in verschiedene Anwendungsfelder (Matrices) diskutiert. Abschnitt 4.4.1 stellt in diesem Zusammenhang den Einfluss der erhaltenen Pulver auf die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Referenzlacksystemen vor. Anschließend werden die Ergebnisse der Einarbeitung in, für Siliziumdioxid als Füllmaterial, ungewöhnliche Polymere betrachtet (Abschnitt 4.4.2).This chapter presents the results of the application tests. The basis of these experiments are the results of the investigations in the preceding chapters. As already described in this work, no significant cohesive interactions could be observed in the prepared powders. In comparison with reference materials (Köstrosolid ® 0403), they have good flow and casting behavior. Furthermore, geometrical, mechanical and textural properties can be adjusted in a targeted manner by suitably selecting the educt and the spray parameters. Furthermore, a redispersion up to the colloidal basic building blocks can be achieved under trivial conditions, so that, for example, optical influences of larger particle diameters can be eliminated. Ideally, disintegration occurs up to the colloidal monomer to ensure complete retention of transparency. Studies have shown that with particle diameters up to d P <4 · 10 -8 m, this property is maintained, independent of the solids content of the system [212, 213]. Silica-based fillers usually consist of irregular particle shapes in the microscale size range. In this context, the powders produced in this work, with their high proportion of spherical particles in the sub-micron range (d P <5 x 10 -6 m), can show new properties in application tests. The following sections discuss the results of incorporation into various fields of application (matrices). Section 4.4.1 introduces in this connection the influence of the obtained powders on the physicochemical properties of reference coating systems. Next, the results of the incorporation into, for silica as filler, unusual polymers are considered (Section 4.4.2).

4.4.1 Einbringung in Referenzlacksysteme4.4.1 Introduction into reference coating systems

Die in dieser Arbeit hergestellten Xerogele ermöglichen in Referenzlackformulierungen das Einstellen spezifischer Produktparameter [214–216]. Je nach Auswahl der Eigenschaft des hergestellten Pulvers, zum Beispiel der BET(N2; 77 K)-Oberfläche, kann eine Reihe von makroskopischen Parametern variiert und eingestellt werden. Die sphärische Form der Granulate sowie deren Verteilung erlauben es, direkten Einfluss auf die Viskosität sowie die Härte eines Lackes auszuüben. Eine optimierte Kratzfestigkeit und ein gesteigerter Flammschutz sind die Folge [217]. Des Weiteren sind hierdurch Glanz- und Mattierungseigenschaften variabel einstellbar [214–216]. Als Beispiel kann durch Substitution eines mittels Vermahlung hergestellten Mikrosilicas die Viskosität, bei identischer oder idealerweise gesteigerter Einsatzmenge, charakteristisch gesenkt (–15%) werden (Tabelle 4.11).The xerogels produced in this work allow the setting of specific product parameters in reference varnish formulations [214-216]. Depending on the selection of the property of the powder produced, for example the BET (N 2 ; 77 K) surface, a number of macroscopic parameters can be varied and adjusted. The spherical shape of the granules and their distribution make it possible to exert direct influence on the viscosity and hardness of a coating. An optimized scratch resistance and increased flame retardance are the consequence [217]. Furthermore, gloss and matting properties can be variably adjusted [214-216]. As an example, by substituting a microsilica made by milling, the viscosity may be typically (-15%) lowered at the same or, ideally, increased feed level (Table 4.11).

Hohlkörperkomponenten bringen durch ihre geringe effektive Dichte einen weiteren, essentiellen Vorteil in einer Lackrezeptur. Anhand eines gezielten (partiellen) Austauschs von bisher verwendeten Füllstoffen können Eigenschaften wie zum Beispiel die Dichte des verwendeten Systems gezielt definiert werden (Tabelle 4.12). Durch eine Anpassung dieser Systemdichte kann ein Vermischen bzw. Penetrieren mehrstufig aufgetragener Lacksysteme untereinander vermieden werden. Des Weiteren kann eine Sedimentierung bzw. ein Aufschwimmen von Füllstoffen vermieden oder verzögert werden. Darüber hinaus können diese Arten von Partikeln auf die Oberfläche eines Lackfilmes diffundieren. Dies bewirkt einen verstärkten Mattierungseffekt (Anti-Fingerprint). Folglich kann die notwendige Menge anderer Mattierungsmittel ggf. verringert werden. Weitere mechanische Eigenschaften wie bspw. die Elastizität sind ebenfalls aktiv beeinflussbar [214, 215]. Meist werden Füllstoffe wie Siliziumdioxid zur Erhöhung der Härte eines Lackes eingesetzt. Dies hat aber negative Folgen für die Elastizität dieser Systeme. Durch Einsatz der hergestellten Pulver in diesen Matrices ist es möglich, infolge einer Steigerung der Härte und Elastizität sonst für Lacke ungewöhnliche Anwendungsgebiete zu erschließen. Die Erklärung beider Effekte liegt im Zerfall der eingesetzten Partikel (Agglomerate) sowie der Einbettung der entstehenden Nanopartikel im Lacksystem. Die idealerweise statistisch verteilten Partikel haben in ihrer unmittelbaren Umgebung einen Raum mit verminderter Binderkonzentration und hoher Elastizität. Dieser Raum wird als „Cross-Linking-Space” [212] bezeichnet. Beim Einwirken einer Kraft kommt es zu einer elastischen Verformung dieses Raumes. Nach Beendigung der Krafteinwirkung kann dieser Raum sich idealerweise, unter Beibehaltung der makroskopischen Eigenschaften des Lackes, zurückbilden. Bei mikroskalaren Füllstoffen ist das Verhältnis von „Cross-Linking-Space” [212] zu Partikelanzahl und -durchmesser deutlich ungünstiger. Folglich sind diese Effekte hier nicht beobachtbar.Due to their low effective density, hollow body components bring a further, essential advantage in a paint formulation. By means of a targeted (partial) exchange of previously used fillers, properties such as the density of the system used can be specifically defined (Table 4.12). By adapting this system density, it is possible to avoid intermixing or penetrating multi-level coating systems. Furthermore, sedimentation or floating of fillers can be avoided or delayed. In addition, these types of particles can diffuse to the surface of a paint film. This causes a reinforced matting effect (anti-fingerprint). As a result, the necessary amount of other matting agents may possibly be reduced. Other mechanical properties such as elasticity can also be actively influenced [214, 215]. Most fillers such as silica are used to increase the hardness of a paint. But this has negative consequences for the elasticity of these systems. By using the powders produced in these matrices, it is possible, due to an increase in hardness and elasticity, otherwise to develop unusual applications for paints. The explanation for both effects lies in the decay of the particles used (agglomerates) as well as the embedding of the resulting nanoparticles in the paint system. The ideally randomized particles have in their immediate environment a space with reduced binder concentration and high elasticity. This space is called "Cross-Linking Space" [212]. When a force is applied, an elastic deformation of this space occurs. After termination of the force, this space can ideally regress, while retaining the macroscopic properties of the paint. For microscale fillers, the ratio of cross-linking space [212] to particle number and diameter is much less favorable. Consequently, these effects are not observable here.

Eine weitere Voraussetzung für die Verwendung der generierten Pulver als Füllstoffe sind oft geringe spezifische Oberflächen, um zu vermeiden, dass nicht unnötig Lackmaterial adsorbiert wird. Infolgedessen erweisen sich großteilige Kieselsole mit ihren geringen spezifischen Oberflächen (ABET; ASears) als ideale Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Pulvern zum Einsatz in Grundierungen und Lacken.Another requirement for the use of the generated powders as fillers are often low specific surface areas in order to avoid that unnecessary paint material is not adsorbed. As a result, large silica sols with their low specific surface areas (A BET , A Sears ) prove to be ideal starting materials for the production of powders for use in primers and paints.

4.4.2 Einbringung in ausgewählte Polymere4.4.2 incorporation into selected polymers

Füllstoffe finden eine breite Anwendung in einer Vielzahl von Kunststoff-Applikationen. Sie dienen der Erhöhung der Bruchfestigkeit und Elastizität, Schutz vor Abrasion sowie der Reduzierung von Wechselwirkungen. Die Anwendung dieser Füllstoffe ist jedoch für transparente Polymere wie Polymethylmethacrylat (PMMA; Markenname Plexiglas®) oder Polyamid 6 (PA 6; Markenname Perlon®) limitiert. Im Zuge aktueller Füllstoffe auf Siliziumdioxidbasis werden auf Grund der verfügbaren Partikeldurchmesser (dP ≥ 2·10–6 m) die optischen Eigenschaften der erhaltenen Kunststoffe stark beeinträchtigt. Eine chemische Einbindung von amorphen Siliziumdioxid-Partikeln in diese Systeme erfolgt durch Reaktion der oberflächenaktiven Silanolgruppen mit Methacrylsäuremethylester (PMMA) bzw. ε-Caprolactam (Polyamid 6). Bei allen durchgeführten Untersuchungen diente ein unstabilisiertes Köstrosol® 1510 als Ausgangsmaterial. Mit diesem unter Beaufschlagung mit Stickstoff (V ·N2 = 0,7 NL min–1) hergestellten reinen Referenzgel (Betriebsart 2; TA = 398 K; TE = 393 K) wurden alle Einarbeitungen durchgeführt. Um einen Erhalt der Transparenz der in dieser Arbeit betrachteten Polymere zu gewährleisten, muss eine Deagglomerierung der erhaltenen Xerogele zu Konglomeraten von unter 3·10–7 m erfolgen. Im Bereich von Siliziumdioxid gibt es noch kein derartiges Material. Die Ergebnisse der Scherbelastungen beim Extrudieren (einfache Extrusion) der Kunststoffschmelzen führen zu einem Zerfall der hergestellten Pulverteilchen. Hierbei sind bereits bei diesen geringen mechanischen Belastungen nur noch Siliziumdioxid-Partikel im nanoskalaren Bereich (dK < 3·10–7 m) in der Polymermatrix rasterelektronenmikroskopisch nachweisbar. verdeutlich, dass in PMMA schwerpunktmäßig lokale Polymere von kolloidalen Teilchen (Fragmente) vorliegen. Ebenso sind einzelne Monomere beobachtbar. Eine Optimierung der Einarbeitung in Bezug auf eine gleichmäßigere (statistische) Verteilung der Kolloide kann der Inhalt weiterer Forschungsarbeiten sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurden nur Versuche zur Redispergierbarkeit unternommen. Beachtenswerterweise findet kein signifikanter Verlust der Transmission der füllstoffbeladenen Kunststoffe statt. Eine Einarbeitung in Polyamid 6 konnte durch die geringen Restfeuchten der hergestellten Xerogele unter Druckerniedrigung realisiert werden ( ). In diesem Polymer ist der Zerfall der sprühgetrockneten Partikel durch Scherkräfte ebenfalls darstellbar. Die Fragmente liegen als lose Aneinanderreihung kleiner Kugeln vor. Diese „lockeren” Agglomerationen weisen Durchmesser im Bereich von < 2·10–7 m auf. In diesem Zusammenhang wird, parallel zu den Ergebnissen aus PMMA, eine Optimierung der Einarbeitung in Bezug auf eine gleichmäßigere (statistische) Verteilung der Kolloide vorgeschlagen.Fillers are widely used in a variety of plastic applications. They serve to increase the breaking strength and elasticity, protection against abrasion and the reduction of interactions. However, the application of these fillers is for transparent polymers such as polymethyl methacrylate (PMMA; Plexiglas ® brand name) or polyamide 6 (PA 6; Brand Name Perlon ®) limited. In the course of current silica-based fillers, the optical properties of the plastics obtained are greatly impaired due to the available particle diameters (d P ≥ 2 × 10 -6 m). A chemical integration of amorphous silica particles in these systems is carried out by reaction of the surface-active silanol groups with methyl methacrylate (PMMA) or ε-caprolactam (polyamide 6). In all investigations carried out an unstabilized Köstrosol ® 1510 served as starting material. All incorporations were carried out with this pure reference gel (mode 2, T A = 398 K, T E = 393 K) prepared under nitrogen (V · N 2 = 0.7 NL min -1 ). In order to ensure the preservation of the transparency of the polymers considered in this work, a deagglomeration of the resulting xerogels to conglomerates of less than 3 · 10 -7 m must take place. In the area of silicon dioxide there is no such material. The results of the shear stresses during extrusion (simple extrusion) of the plastic melts lead to a disintegration of the powder particles produced. Even at these low mechanical stresses, only silicon dioxide particles in the nanoscale range (d K < 3.times.10.sup.-7 m) can be detected in the polymer matrix by scanning electron microscopy. makes it clear that PMMA focuses on local polymers of colloidal particles (fragments). Likewise, individual monomers are observable. An optimization of the incorporation in terms of a more even (statistical) distribution of the colloids may be the content of further research. In the context of this work, only attempts to redispersibility were made. Notably, there is no significant loss of transmission of the filler-loaded plastics. An incorporation in polyamide 6 could be realized by the low residual moisture of the produced xerogels under pressure reduction ( ). In this polymer, the disintegration of the spray-dried particles by shear forces is also displayed. The fragments are present as a loose juxtaposition of small balls. These "loose" agglomerations have diameters in the range of < 2x10 -7 m. In this context, in addition to the results from PMMA, an optimization of the incorporation in terms of a more uniform (statistical) distribution of the colloids is proposed.

Zusammenfassend kann erläutert werden, dass mit Hilfe der Druckwechseltechnologie neuartige Pulver regenerierbar sind, die derzeitig noch für den Einsatz von Silica unbrauchbare Kunststoffe (PMMA; PA 6) erschließen. Durch eine Einarbeitung dieser Xerogele kommt es zum Zerfall der Partikel zu nanoskalaren Agglomeraten (dK < 3·10–7 m). Analog den Erfahrungen zur Einarbeitung von Siliziumdioxid-Partikeln (dK > 2·10–6 m) in Polyethylen bzw. Polypropylen sind Eigenschaftsverbesserungen wie gesteigerte mechanische Belastbarkeit und eine Erweiterung der Elastizitätsgrenzen („Cross-Linking-Space” [212]; siehe Abschnitt 4.4.1) im Rahmen der Möglichkeiten. Der geförderte Flammschutz [217] unter Erhalt der Transparenz ist ebenfalls ein hochinteressantes Kriterium für weitere Forschungsarbeiten. Bei beiden Kunststoffen ist Optimierungspotential in Form und Art der Einarbeitung für eine zielgerichtete Dispergierung vorhanden. Ein vergleichbarer Zerfall von derartigen Partikeln bis zu den monomeren Bausteinen wurde in der Literatur für die verwendeten Kunststoffe bisher noch nicht beschrieben.In summary, it can be explained that with the help of the pressure swing technology novel powders can be regenerated, which currently still open up for the use of silica unusable plastics (PMMA, PA 6). Incorporation of these xerogels causes the particles to decay into nanoscale agglomerates (d K <3 × 10 -7 m). Similar to the experience of incorporating silica particles (d K > 2 · 10 -6 m) in polyethylene or polypropylene, property improvements such as increased mechanical strength and an extension of the elastic limits ("cross-linking space" [212], see section) 4.4.1) within the possibilities. Promoted flame retardance [217] while maintaining transparency is also a highly interesting criterion for further research. In both plastics optimization potential in form and type of incorporation for a targeted dispersion is present. A comparable disintegration of such particles to the monomeric building blocks has not yet been described in the literature for the plastics used.

5 Schlussfolgerung und Ausblick5 conclusion and outlook

Das Verfahren der Sprühtrocknung findet Verwendung um ein breites Spektrum von fluiden Medien in Pulver zu überführen. Eine direkte Einstellung von Produkteigenschaften kann mit Hilfe einer Vielzahl von Prozessparameter erfolgen. In der vorliegenden Arbeit konnten neuartige, deagglomerierbare, submikrometerskalare Partikel (dK < 5·10–6 m) auf Siliziumdioxidbasis mittels einer erstmalig praktizierten, modifizierten Prozessführung der Sprühtrocknung, der Druckwechseltechnologie, hergestellt werden. Die auf diesem Wege erhaltenen Pulver kennzeichnen sich durch eine gezielte Formgebung der Partikel, ihrem strukturellen und texturellen Aufbau sowie physikalisch-chemischen Eigenschaften. Durch Gliederung dieser Technologie in zwei Druckbereiche kann direkt Einfluss auf den Prozess der Partikelbildung genommen werden. Im ersten Teil, einer Hochdruckeinheit, werden die niedrigviskosen Lösungen, Dispersionen oder Suspensionen unter hohem Druck (P ≥ 107 Pa) in einen zweiten Teil, eine niedrigdruckgeführte Trocknungseinheit (P ≤ 102 Pa), überführt. Der Übergang zwischen beiden Bestandteilen erfolgt mittels einer Düse. Die Größenverteilung des hierbei gebildeten Tropfenkollektivs (Sprüh) ist eine Funktion von Düsenausgangsdruck und -bauart. Diese definierten Tröpfchengrößenverteilungen sind die Grundlage der Limitierung des Partikeldurchmessers. Unabhängig vom versprühten Fluid können die gebildeten Partikel nur diese maximale Größe aufweisen. Nach der Bildung des Tropfenkollektivs bestimmen die rheologischen Eigenschaften des Systems den weiteren Partikelbildungsprozess. Vom System definierte Trocknungszeiten (τTr ≤ 0,1 s) und Tropfenradien (rTr < 5·10–5 m) legen im Rahmen der sogenannten Péclet-Zahl (Pe) die Schwerpunkte des Partikelbildungsprozesses auf die Diffusionsgeschwindigkeit der für die Festphasenbildung verantwortlichen Teilchen sowie die Viskositätsentwicklung des betrachteten Tropfens im Aufkonzentrierungsprozess. Diese systemspezifischen Eigenschaften bestimmen, ob Vollkörper oder Hohlkörper gebildet werden. Insbesondere die Randbedingungen des viskoelastischen Bereiches, als Punkt mit dem signifikanten Wechsel zwischen viskosen und elastischen rheologischen Eigenschaften eines Fluids, stellen einen wesentlichen Einflussfaktor auf den Partikelbildungsprozess dar.The process of spray drying is used to convert a wide range of fluid media into powder. A direct adjustment of product properties can be made using a variety of process parameters. In the present work, novel, deagglomerable submicrometer particles (d K <5 · 10 -6 m) based on silicon dioxide were synthesized by means of a first - time modified Process control of spray drying, the pressure swing technology to be produced. The powders obtained in this way are characterized by a specific shaping of the particles, their structural and textural structure as well as physicochemical properties. By dividing this technology into two pressure ranges, it is possible to directly influence the process of particle formation. In the first part, a high-pressure unit, the low-viscosity solutions, dispersions or suspensions under high pressure (P ≥ 10 7 Pa) in a second part, a low-pressure-controlled drying unit (P ≤ 10 2 Pa) transferred. The transition between the two components takes place by means of a nozzle. The size distribution of the droplet collective (spray) formed in this case is a function of the nozzle outlet pressure and type. These defined droplet size distributions are the basis of limiting the particle diameter. Regardless of the sprayed fluid, the particles formed can only have this maximum size. After the formation of the drop collective, the rheological properties of the system determine the further particle formation process. Drying times (τ Tr ≤ 0.1 s) and droplet radii (r Tr <5 · 10 -5 m) defined by the system set the focus of the particle formation process on the diffusion rate of the particles responsible for solid phase formation within the so-called Péclet number (Pe) as well as the viscosity development of the considered drop in the concentration process. These system-specific properties determine whether solid bodies or hollow bodies are formed. In particular, the boundary conditions of the viscoelastic region, as a point with the significant change between viscous and elastic rheological properties of a fluid, are a significant factor influencing the particle formation process.

Im Rahmen dieser Arbeit konnte am Beispiel von kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersionen (Kieselsolen) gezeigt werden, dass Modifikationen im Bereich der Stabilisierung direkten Einfluss auf die Charakteristika der Festphasenbildung (Gelbildung) im Sprühtrocknungsprozess haben. Abhängig von der Art der Stabilisierung konnte der viskoelastische Bereich des Systems mit einer Zwischenstufe der Agglomeratbildung (unstabilisiert) ergänzt oder zu größeren Konzentration (alkalisch) verschoben werden. Anschließend erfolgte bei der alkalischen Variante eine abrupte Festphasenbildung. Diese Modifikation der Rheologie eines Systems hat direkten Einfluss auf die Partikelform, die physikalisch-chemischen Pulvereigenschaften sowie die Wahrscheinlichkeit von Partikeldefekten. In diesem Zusammenhang können mittels einer gezielten Abwandlung der Viskositätseigenschaften eines Systems beabsichtigte Partikeleigenschaften im Trocknungsprozess durch Eingriff in den Partikelbildungsprozess voreingestellt werden. Ein zusätzlicher Vorteil der angewandten Sprühtrocknungstechnologie ist die alternative Einlösung von Gasen unter Hochdruck in das zu versprühende Medium. Hierbei ist zwischen inerten und mit dem System in Wechselwirkung tretenden Gasen zu unterscheiden. Mit der Einlösung von inerten Gasen unter Hochdruck in das Fluid treten in der folgenden Sprühbildung gasdynamische Effekte auf, welche den Prozess der Partikelbildung wesentlich beeinflussen. Am Beispiel von Siliziumdioxid-Dispersion beinhalteten die makroskopischen Folgen einer Beaufschlagung mit Stickstoff eine Reduzierung von Partikeldefekten sowie eine Veränderung der Partikelgrößenverteilung der erhaltenen Pulver. Auf Basis einer herabgesetzten Schallgeschwindigkeit in Gas-Flüssig-Gemischen (in Bezug auf die reinen Medien) in Folge der Gasdynamik, können defektverursachende Druckdifferenzen im Tropfen schneller ausgeglichen werden. Dies wirkt den grundlegenden Mechanismen der Defektbildung von Partikeln entgegen. Verschiebungen der Partikelgrößenverteilungen zu kleineren Werten können durch einen optimierten Trocknungsprozess des Tropfenkollektivs verstanden werden. Zusätzliche gebildete Phasengrenzflächen des sich entlösenden Gases fördern den Übergang von Flüssigkeitsmolekülen in die Gasphase. Beide Effekte, Reduzierung von Partikeldefekten sowie eine Veränderung der Partikelgrößenverteilung der erhaltenen Pulver, können bei inerten Gasen als unabhängig vom versprühten Fluid diskutiert werden. Einzig die Löslichkeit dieser Gase in diesen Medien charakterisiert sich als ein prozesstechnischer Einflussfaktor. Eine Einlösung von reaktiven Gasen stellt jedoch einen stoffspezifischen Parameter dar, da hierbei aktiv die rheologischen Eigenschaften des Mediums verändert werden. Dementsprechend müssen diese für jedes Fluid einzeln betrachtet werden. Ein gelöstgasinduzierter, sekundärer Tropfenzerfall konnte nicht beobachtet werden. Aufbauend auf den in dieser Arbeit angewendeten Péclet-Zahlen (Pe > 40) bestehen die hergestellten Xerogele (Kieselgele) aus sphärischen Partikeln mit Hohlkörpergeometrie. Beschreibende Eigenschaften der erhaltenen Xerogele sind ihre geringen Feuchtigkeiten (< 2,5% (m:m)) als Bestätigung der erfolgreichen Trocknung, ungewöhnlich hohe Schüttdichten (> 5·102 g L–1) sowie gutes Fließ- und Gießverhalten im Vergleich mit Referenzmaterialien auf Siliziumdioxid-Basis. Die Partikelgrößenverteilungen dieser Pulver stellen eine Funktion von Feststoffgehalt und Kolloiddurchmesser der Ausgangsmaterialien, dem Versprühdruck als Beschreibung des Tropfendurchmessers sowie der Trocknungstemperatur dar. Diese Parameter können höchstwahrscheinlich für ähnliche fluide Systeme als stoffunabhängig in Bezug auf die Druckwechseltechnologie betrachtet werden. Eine Besonderheit der in dieser Arbeit hergestellten Kieselgele ist die Übertragung von Strukturmerkmalen durch die verwendeten Ausgangsmaterialien. Jene eingesetzten Edukte ermöglichen das gezielte Einstellen von texturellen (Zwischenpartikelraum; BET(N2; 77K)-Oberfläche) und physikalisch-chemischen Eigenschaften (pH-Wert, Partikelgrößenverteilung). Oberflächenmorphologische Analysen zeigen, dass die nanoskalaren kolloidalen Grundbausteine (Solteilchen) als strukturgebendes Merkmal der Partikelhülle charakteristisch sind und deren Eigenschaften definieren. Die Oberflächenrauigkeit kann folglich als Funktion des Kolloiddurchmessers betrachtet werden. Dieser Parameter ist unabhängig von den im Rahmen dieser Arbeit berücksichtigten technischen Einflussfaktoren. Für zukünftig hergestellte Pulver, mit vergleichbarer Partikelgeometrie aus sprühgetrockneten kolloidalen Solen in Kombination mit der Druckwechseltechnologie, sind analoge Ergebnisse in Bezug auf texturelle und physikalisch-chemische Eigenschaften zu erwarten. Mit Hilfe des Einsatzes von Additiven, ist eine direkte Manipulation des Trocknungs- und Partikelbildungsprozesses möglich. Diese können geometrische und aerodynamische Eigenschaften der Pulver ebenso betreffen, wie starke Abweichungen von der sphärischen Partikelform. Modifikationen der Oberflächenspannung und der Grenzflächeneffekte bewirken eine Veränderung des Phasenüberganges von Fluidmolekülen in die Gasphase. Dies führte in den Produkten dieser Arbeit zu Partikeln mit Hohlkörpergeometrie deren Hüllenaufbau signifikant gestört ist (z. B. Gaseinschlüsse). Eine Reduzierung der mechanischen Stabilität ist in diesem Zusammenhang beobachtbar. Die Druckwechseltechnologie kennzeichnet sich durch geringe Trocknungszeiten in denen die Teilchen im versprühte Fluid nur wenig Zeit zur räumlichen Ausrichtung sowie Ausbildungen von (kovalenten bzw. interpartikulären) Bindungen haben. Dieser unselektive Aufbau der Partikelstruktur aus den Monomeren konnte mit Hilfe von Redispergierbarkeitsuntersuchungen aufgezeigt werden. Ein Zerfall der Partikel infolge mechanischer Belastung ist bereits mit geringen Drücken erreichbar. Die vollständige Deagglomerierung bis zu den nanoskalaren kolloidalen Grundbausteinen ist mit Hilfe von Ultraschall in verschiedenen fluiden Matrices möglich. Anwendungstests bestätigen die Tendenzen der Partikel zur Deagglomeration sowie die aus den Pulvern folgenden makroskopischen Effekte auf die physikalischchemischen Eigenschaften.Within the scope of this work it could be shown with the example of colloidal silica dispersions (silica sols) that modifications in the area of stabilization have a direct influence on the characteristics of solid phase formation (gel formation) in the spray drying process. Depending on the type of stabilization, the viscoelastic region of the system could be supplemented with an intermediate stage of agglomeration formation (unstabilized) or shifted to greater concentration (alkaline). This was followed by an abrupt solid phase formation in the alkaline variant. This modification of the rheology of a system has a direct influence on the particle shape, the physical-chemical powder properties and the probability of particle defects. In this context, by means of a targeted modification of the viscosity properties of a system, intended particle properties in the drying process can be preset by intervention in the particle formation process. An additional advantage of the applied spray-drying technology is the alternative solution of gases under high pressure into the medium to be sprayed. Here, a distinction is made between inert and interacting with the system gases. With the release of inert gases under high pressure into the fluid gas-dynamic effects occur in the following spray formation, which significantly influence the process of particle formation. Using the example of silica dispersion, the macroscopic consequences of exposure to nitrogen include a reduction in particle defects and a change in the particle size distribution of the resulting powders. On the basis of a reduced speed of sound in gas-liquid mixtures (with respect to the pure media) as a result of the gas dynamics, defect-causing pressure differences in the droplet can be compensated faster. This counteracts the basic mechanisms of particle defect formation. Shifts of the particle size distributions to smaller values can be understood by an optimized drying process of the drop collective. Additional formed phase interfaces of the releasing gas promote the transition of liquid molecules into the gas phase. Both effects, reduction of particle defects and a change in the particle size distribution of the powders obtained, can be discussed in inert gases as independent of the sprayed fluid. Only the solubility of these gases in these media is characterized as a process engineering factor. A redemption of reactive gases, however, represents a substance-specific parameter, since this actively changes the rheological properties of the medium. Accordingly, they must be considered individually for each fluid. Solvent-induced, secondary dropper decay could not be observed. Based on the Péclet numbers (Pe> 40) used in this work, the produced xerogels (silica gels) consist of spherical particles with hollow body geometry. Descriptive properties of the obtained xerogels are their low humidities (<2.5% (m: m)) as confirmation of successful drying, unusually high bulk densities (> 5 · 10 2 g L -1 ) and good flow and casting behavior in comparison with Reference materials based on silica. The particle size distributions of these powders are a function of solids content and colloid diameter of the starting materials, spray pressure as a description of droplet diameter and drying temperature. These parameters are most likely to be considered to be material independent for similar fluid systems in terms of pressure swing technology. A peculiarity of the silica gels produced in this work is the transfer of structural features by the starting materials used. Those used educts allow the targeted adjustment of textural (interparticle space, BET (N 2 , 77K) surface) and physico-chemical properties (pH, particle size distribution). Surface morphological analyzes show that the nanoscale colloidal building blocks (sol particles) are characteristic as a structural feature of the particle shell and define their properties. The surface roughness can thus be considered as a function of colloid diameter. This parameter is independent of the technical influencing factors considered in this work. For future manufactured powders, with comparable particle geometry of spray dried colloidal sols in combination with pressure swing technology, analogous results in terms of textural and physicochemical properties are expected. With the help of the use of additives, a direct manipulation of the drying and particle formation process is possible. These may relate to geometric and aerodynamic properties of the powders as well as strong deviations from the spherical particle shape. Modifications of surface tension and interfacial effects cause a change in the phase transition of fluid molecules into the gas phase. This led in the products of this work to particles with hollow body geometry whose shell structure is significantly disturbed (eg gas inclusions). A reduction in mechanical stability is observable in this context. The pressure swing technology is characterized by low drying times in which the particles in the sprayed fluid have little time for spatial alignment and formations of (covalent or interparticular) bonds. This unselective structure of the particle structure from the monomers was demonstrated by redispersibility studies. A decay of the particles due to mechanical stress can be achieved even at low pressures. Complete deagglomeration up to the nanoscalar colloidal building blocks is possible with ultrasound in different fluid matrices. Application tests confirm the tendencies of the particles to deagglomerate as well as the macroscopic effects on the physico-chemical properties resulting from the powders.

Wie die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, ist eine Übertragung von Attributen der kolloidalen Ausgangsmaterialien auf die zu generierenden Xerogele erreichbar. Anhand einer geeigneten Auswahl des Eduktes kann mit Hilfe der Druckwechseltechnologie direkt Einfluss auf gewünschte Produkteigenschaften wie Schüttdichte, Partikelbildung sowie die Oberflächenmorphologie bei variablen Randbedingungen genommen werden. Über eine Variation der Konzentration können die geometrischen Kenngrößen dieser Xerogele gezielt definiert werden. Eine zusätzliche Beaufschlagung mit Stickstoff senkt die Wahrscheinlichkeit von Partikeldefekten sowie die Partikelgrößenverteilung. In nachfolgende Untersuchungen kann die Übertragung der Ergebnisse dieser Arbeit auf einen weiten Bereich von fluiden Systemen im Zentrum wissenschaftlicher Betrachtungen stehen. Insbesondere in Bereichen wo die Zugänglichkeit an submikroskalaren Partikeln (dP < 5·10–5 m) noch nicht realisiert werden konnte bzw. bei denen nur Pulver aus aggregierten Formen bekannt sind. Da bei nanoskalaren Partikeln wesentliche Eigenschaften von der Oberfläche abhängig sind, liegt der Fokus des wissenschaftlichen Interesses auf einer Bildung von Hohlkugeln, um die Formung von unwirksamem Bulkmaterial zu minimieren. Im medizinischen Sektor können Untersuchungen stattfinden, diesen Hohlraum des bioakkumulierbaren Trägersystems zu nutzen, um empfindliche Substanzen (Wirkstoffe) zu verkapseln. Im Zusammenspiel mit der Wahl der Trocknungstemperatur können Kenngrößen wie der geometrische Durchmesser und das Dichteverhältnis unter Beibehaltung des aerodynamischen Durchmessers variiert werden. Dies ist medizin-wissenschaftlich ein bedeutender Effekt. Können so bei gleichem aerodynamischem Verhalten differenzierte Eigenschaften, wie beispielsweise Partikeldurchmesser und Zerfallsverhalten des verkapselten Wirkstoffes auf die Eigenschaften des humanen Zielmilieus angepasst werden. Ebenfalls von Interesse für derartige Hohlkörpergeometrien sind Materialen, deren wesentliche Effekte von den Oberflächeneigenschaften geprägt werden, diese aber noch nicht im submikrometer-Bereich zugänglich sind. Als Beispiel sollen hier die Synthesen von Hollow-Sphere-Pigmenten und Core-Shell-Partikeln erwähnt werden. Aufbauend auf den Erfahrungen aus den Dispergierversuchen, bieten sich die hergestellten Pulver als funktionale Füllstoffe zur Hydratisierung (Calcium-Silicat-Hydrat-Phasen) von hochfesten Betonen an. Als mikroskalarer Bestandteil hinzugegeben, können wissenschaftliche Untersuchungen dieser Pulver diskutieren, ob unter den mechanischen Belastungen der Mischung nanoskalare reaktive Bausteine – Silicat-Keime – entstehen und wirken. Ein weiteres Anwendungsgebiet kann mit dem Bereich Lack- und Kunststoffapplikationen erschlossen werden. Die in dieser Arbeit nachgewiesene Einstellbarkeit der mikros- und makroskopischen Eigenschaften sowie die Zugänglichkeit der nanoskalaren Bausteine bietet eine hervorragende wissenschaftliche Herausforderung zur Optimierung dieser Werkstoffe.As the results of this work show, a transfer of attributes of the colloidal starting materials to the xerogels to be generated is achievable. By means of a suitable selection of the educt, the pressure swing technology can directly influence desired product properties such as bulk density, particle formation and surface morphology under variable boundary conditions. By varying the concentration, the geometric parameters of these xerogels can be specifically defined. Additional nitrogen loading reduces the likelihood of particle defects and particle size distribution. In subsequent investigations, the transfer of the results of this work to a wide range of fluid systems may be the focus of scientific considerations. Especially in areas where accessibility to submicroscale particles (d P <5 · 10 -5 m) could not be achieved or where only powders from aggregated forms are known. Because nanoscale particle-dependent properties are surface-dependent, the focus of scientific interest is on the formation of hollow spheres to minimize the formation of ineffective bulk material. In the medical sector, studies can be made to use this cavity of the bioaccumulative carrier system to encapsulate sensitive substances (drugs). In conjunction with the choice of the drying temperature parameters such as the geometric diameter and the density ratio can be varied while maintaining the aerodynamic diameter. This is a significant medical science effect. Thus, with the same aerodynamic behavior, differentiated properties, such as, for example, particle diameter and decay behavior of the encapsulated active substance, can be adapted to the properties of the human target milieu. Also of interest for such hollow body geometries are materials whose essential effects are characterized by the surface properties, but these are not yet accessible in the submicrometer range. As an example, the syntheses of hollow sphere pigments and core shell particles are mentioned here. Based on the experience gained from the dispersing experiments, the powders produced are suitable as functional fillers for hydration (calcium silicate hydrate phases) of high-strength concretes. Added as a microscale component, scientific investigations of these powders can discuss whether nanoscalar reactive building blocks - silicate nuclei - are formed and act under the mechanical stresses of the mixture. Another field of application can be developed with the area of paint and plastic applications. The demonstrated adjustability of the micro- and macroscopic properties as well as the accessibility of the nanoscale building blocks offers an outstanding scientific challenge for the optimization of these materials.

Jene in dieser Arbeit vorgestellten innovativen Pulver sind die Grundlage zur Erschließung neuer wissenschaftlicher Aufgabenfelder und Fragestellungen. Sie bieten Ansatzpunkte zur Kombination des Nanokosmos mit dem mikro- und makroskalaren Raum.Those innovative powders presented in this work are the basis for the development of new scientific fields of work and questions. They provide starting points for combining the nanocosm with the micro- and macroscale space.

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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • BLUTE et al. [0084] BLUTE et al. [0084]

Claims (15)

Verfahren zur Herstellung von nanostrukturierbaren Mikropartikeln aus fluiden Medien mittels Sprühtrocknung, wobei niedrigviskose Lösungen, Dispersionen oder Suspensionen von einer Hochdruckeinheit über mindestens eine Düse in eine niedrigdruckgeführte Trocknungseinheit überführt und die gebildeten Tropfenkollektive getrocknet und abgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, dass hohe Versprühdrücke im Druckbereich P ≥ 3·106 Pa sowie ein hoher Mediendurchsatz bei einem geringen Masseverhältnis von fluidem Medium als Sprühmedium zum Gasstrom gewählt werden derart, dass sich ein Drucksprung von der Hochdruckeinheit zur niedrigdruckgeführten Trocknungseinheit nach der Düse um ≥ fünf Zehnerpotenzen einstellt, wobei durch die Wahl der Hoch- und Niedrigdruckbereiche die Partikelbildung beeinflussbar ist.Process for the preparation of nanostructurable microparticles from fluid media by spray drying, wherein low viscosity solutions, dispersions or suspensions transferred from a high pressure unit via at least one nozzle in a low pressure drying unit and the droplet collective formed are dried and deposited, characterized in that high spraying pressures in the pressure range P ≥ 3 × 10 6 Pa and a high medium throughput with a low mass ratio of fluid medium as the spray medium to the gas flow are selected such that a pressure jump from the high pressure unit to the low pressure controlled drying unit adjusts to the nozzle by ≥ five orders of magnitude, whereby the choice of high and low pressure areas the particle formation can be influenced. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Partikel bzw. deren Durchmesser über die druckbedingten definierten Tröpfchengrößenverteilungen am Düsenausgang einstellbar ist.A method according to claim 1, characterized in that the size of the particles or their diameter on the pressure-related defined droplet size distributions at the nozzle outlet is adjustable. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Medium unter Hochdruck stehende inerte Gase zugegeben werden, um Druckdifferenzen in den gebildeten Sprühtropfen auszugleichen, so dass die gebildeten Partikel eine reduzierte Defektanzahl aufweisen.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the medium under high pressure inert gases are added to compensate for pressure differences in the spray droplets formed, so that the particles formed have a reduced number of defects. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Medium reaktive Gase zugeführt werden, um die rheologischen Eigenschaften zu beeinflussen.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the medium reactive gases are supplied to influence the rheological properties. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ausgangsmaterial unter Druck Stickstoff zugeführt wird.A method according to claim 3, characterized in that the starting material under pressure nitrogen is supplied. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung von hohlkugelförmigen Partikeln eine schnelle Entspannung und Trocknung in der niedrigdruckgeführten Trocknungseinheit erfolgt, wobei die erhaltenen Teilchen über eine Filteranordnung abgeschieden werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that for the formation of hollow spherical particles a rapid relaxation and drying in the low-pressure-controlled drying unit takes place, wherein the particles obtained are deposited via a filter arrangement. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewährleistung einer gezielten Sprüheingangstemperatur das fluide Medium thermostatiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that to ensure a targeted spray inlet temperature, the fluid medium is thermostated. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der mindestens einen Sprühdüse mit ≤ 2·10–3 m gewählt ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the cross section of the at least one spray nozzle with ≤ 2 x 10 -3 m is selected. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zu versprühendes fluides Medium kolloidale Kieselsäure bzw. Kieselsol eingesetzt wird, um Nanopartikelpulver zu generieren, welche morphologische, texturelle und physikalisch-chemische Eigenschaften des Ausgangsmaterials aufweisen bzw. übernehmen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that colloidal silica or silica sol is used as the fluid to be sprayed to generate nanoparticle powder, which have morphological, texturelle and physico-chemical properties of the starting material or take over. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Lösungen Suspensionen oder Dispersionen einen Feststoffgehalt ms im Bereich von 0,0001 bis 80% (m:m, d. h. massebezogen) aufweisen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the solutions used suspensions or dispersions have a solids content m s in the range of 0.0001 to 80% (m: m, ie, based on mass). Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikeltrocknung durch gezielte Zuführung von beispielsweise Strahlung unterstützt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the particle drying is supported by targeted supply of, for example, radiation. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikeltrocknung durch ein vorab zugeführtes, bei der Trocknung sich entlösendes Gas unterstützt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the particle drying is assisted by a pre-supplied, during the drying entlösendes gas. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche zur Herstellung von redispergierbaren Agglomeraten.Method according to one of the preceding claims for the preparation of redispersible agglomerates. Verwendung von Partikeln, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche als Additiv und/oder Füllstoff für Lacke und/oder Kunststoffe.Use of particles produced by a process according to one of the preceding claims as an additive and / or filler for paints and / or plastics. Verwendung von Partikeln in Hohlkugelform, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 als Mittel zur Verkapselung von Wirkstoffen, insbesondere im medizinischen, therapeutischen und/oder kosmetischen Bereich.Use of particles in a hollow sphere, produced by a process according to any one of claims 1 to 13 as an agent for the encapsulation of active ingredients, in particular in the medical, therapeutic and / or cosmetic field.
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