DE102016219056A1 - Process for the surface modification of particles - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenmodifizierung von Partikeln, wobei die Partikel in einen Reaktor eingebracht werden, wobei bei Atmosphärendruck mittels mindestens einer Plasmaquelle (1) im Reaktor eine Plasmazone gebildet wird, wobei die Partikel mittels eines Umwälzsystems im Reaktor in einem Schüttbett durch die Plasmazone bewegt werden.The invention relates to a method for surface modification of particles, wherein the particles are introduced into a reactor, wherein at atmospheric pressure by means of at least one plasma source (1) in the reactor, a plasma zone is formed, wherein the particles by means of a circulation system in the reactor in a packed bed through the plasma zone to be moved.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenmodifizierung von Partikeln, insbesondere Mikro- oder Nanopartikeln. The invention relates to a method for surface modification of particles, in particular micro- or nanoparticles.
Es ist bekannt, Pulver aus Mikro- und Nanopartikeln mittels Plasma zu behandeln, um derartige Pulver an ihrer Oberfläche zu modifizieren und beispielsweise für nachfolgende Verarbeitungsschritte vorzubereiten. Durch die Plasmabehandlung werden an den Oberflächen und in Abhängigkeit des verwendeten Arbeitsgases diverse funktionelle (polare) Gruppen geschaffen. It is known to treat powders of microparticles and nanoparticles by means of plasma in order to modify such powders on their surface and to prepare them, for example, for subsequent processing steps. The plasma treatment creates various functional (polar) groups on the surfaces and depending on the working gas used.
Es ist weiter bekannt, Pulver im Batch-Betrieb mittels Niederdruckplasma zu behandeln. Zu diesem Zweck werden Pulver in Vakuumanlagen verbracht, wo sie beispielsweise in Trommelreaktoren quasikontinuierlich durch eine Glimmentladungszone bewegt werden. Alternativ zu Trommelreaktoren können Verwirbelungssysteme zum Einsatz kommen. It is also known to treat powders in batch operation by means of low-pressure plasma. For this purpose, powders are placed in vacuum plants, where they are moved quasi-continuously, for example in drum reactors, through a glow discharge zone. As an alternative to drum reactors, turbulence systems can be used.
Aus der
Bekannt ist zudem ein Verfahren (
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Oberflächenmodifizierung von Partikeln anzugeben. The invention is based on the object to provide an improved method for surface modification of particles.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. The object is achieved by a method having the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Partikel, insbesondere Mikropartikel und/oder Nanopartikel, umfassendes Pulver unter Atmosphärendruckbedingungen in einen Reaktor eingebracht. Anders als im Stand der Technik wird dabei vorzugsweise auf einen Pulverkreislauf in einem geschlossenen Gassystem und eine entsprechende Verwirbelung im Gasstrom verzichtet. Der Reaktor umfasst stattdessen ein Umwälzsystem zur Bewegung der Partikel in einem Schüttbett. Im Reaktor, beispielsweise in oder auf einem Boden des Reaktors, ist mindestens eine Plasmaquelle, beispielsweise umfassend zwei oder mehr Elektroden, angeordnet. Mittels des Umwälzsystems wird das Pulver kontinuierlich in einer sich über den Elektroden ausbildenden Plasmazone bewegt, wodurch die Partikel im Plasma aktiviert werden. In a method according to the invention, a particle, in particular microparticles and / or nanoparticles, comprehensive powder is introduced under atmospheric pressure conditions in a reactor. Unlike in the prior art, a powder circulation in a closed gas system and a corresponding turbulence in the gas flow are preferably dispensed with. The reactor instead includes a recirculation system for moving the particles in a packed bed. In the reactor, for example in or on a bottom of the reactor, at least one plasma source, for example comprising two or more electrodes, is arranged. By means of the circulation system, the powder is continuously moved in a plasma zone that forms over the electrodes, whereby the particles are activated in the plasma.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Oberflächenmodifizierung jeder Art von pulverförmigem, insbesondere dielektrischem Material, beispielsweise Kunststoffpulver, Formensand oder keramische Pulver. Weitere Einsatzmöglichkeiten ergeben sich insbesondere im Lebensmittelbereich bei der Behandlung zum Beispiel von Saatgut (Mohn, Getreide, Saatgut etc.). The inventive method allows the surface modification of any type of powdered, in particular dielectric material, for example plastic powder, molding sand or ceramic powder. Further applications arise especially in the food sector in the treatment of, for example, seed (poppy, cereals, seeds, etc.).
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Niederdrucksysteme überwunden werden. Insbesondere entfallen deren hohe Anforderungen an Filter für die Vakuumpumpe. Zudem weisen in Niederdrucksystemen Glimmentladungen lediglich relativ geringe Ionisationsgrade auf. By means of the method according to the invention, the disadvantages of the known from the prior art low-pressure systems can be overcome. In particular, their high requirements for filters for the vacuum pump omitted. In addition, in low-pressure systems, glow discharges have only relatively low degrees of ionization.
Durch das Arbeiten unter Normaldruckbedingung entfällt generell der in Niederdrucksystemen erforderliche erhebliche Aufwand für die Evakuierung des Reaktors. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine hohe Leistungsdichte von beispielsweise bis zu 100 W/cm3 bei einer homogenen Ausbildung der Plasmazone erzielbar. By working under normal pressure condition generally eliminates the required in low pressure systems considerable effort for the evacuation of the reactor. By means of the method according to the invention, a high power density of, for example, up to 100 W / cm 3 in a homogeneous formation of the plasma zone can be achieved.
Der Reaktor kann in einfacher Weise aufskaliert werden. Die geometrischen Abmessungen der Elektrode können an die Geometrie des Reaktorraums angepasst werden. The reactor can be scaled up in a simple manner. The geometric dimensions of the electrode can be adapted to the geometry of the reactor space.
In einer Ausführungsform wird im Reaktor als Umgebungsgas Luft, Sauerstoff, Stickstoff und/oder mindestens ein Edelgas verwendet. In one embodiment, air, oxygen, nitrogen and / or at least one inert gas is used as ambient gas in the reactor.
In einer Ausführungsform wird die Plasmazone mittels dielektrisch behinderter Entladung gebildet. In one embodiment, the plasma zone is formed by dielectrically impeded discharge.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Plasmazone mittels diffuser koplanarer Oberflächenentladung gebildet, beispielsweise mittels mindestens einer, insbesondere zweier DCSBD-Plasmaquellen (diffuse coplanar surface barrier discharge), die im Reaktorboden eingebettet sein können. DCSBD-Plasmaquellen sind beispielsweise in
Durch die Verwendung der DCSBD-Quellen wird die Ausbildung einer sehr intensiven, dünnen Plasmazone mit einer sehr hohen Leistungsdichte von ca. 2,5 Watt/cm2 bis zu 100 Watt/cm3 erreicht. Im Vergleich zur filamentartigen Plasmaausbildung bei DBD-Plasmaquellen wird durch die Verwendung der DCSBD-Plasmaquellen ein hoher Anteil diffusen Plasmas erzielt, wobei die Homogenität des Plasmas mit Ansteigen der Leistung noch steigt. Ein makroskopisch homogenes Plasma mit hoher Leistungsdichte kann in jeglichen Reaktivgasgemischen generiert werden. Als Reaktivgasgemisch wird ein Arbeitsgas verstanden, welchem reaktive Komponenten zugemischt werden. Beispiele sind Arbeitsgase wie Luft, Stickstoff, Sauerstoff und Edelgase und Mischungen der vorgenannten Gase in Kombination mit reaktiven Zusätzen. Die Elektroden der DCSBD-Plasmaquellen sind insbesondere komplett in Keramik eingebettet. Dadurch ergibt sich eine sehr hohe, insbesondere praktisch unbegrenzte Lebensdauer der Elektroden. In einer Ausführungsform der Erfindung werden keramische Elektroden verwendet. Auf diese Weise werden Verunreinigungen, beispielsweise durch Sputtereffekte, vermieden. Das Pulver wird kontinuierlich durch die Plasmazone bewegt, wodurch sich eine intensive Interaktion zwischen Plasma und Partikeln ergibt. By using the DCSBD sources, the formation of a very intense, thin plasma zone with a very high power density of about 2.5 watts / cm 2 to 100 watts / cm 3 is achieved. Compared to filamentous plasma formation in DBD plasma sources, the use of DCSBD plasma sources achieves a high level of diffuse plasma, with plasma homogeneity still increasing as the power increases. A macroscopically homogeneous plasma with high power density can be generated in any reactive gas mixtures. A reactive gas mixture is understood to be a working gas to which reactive components are added. Examples are working gases such as air, nitrogen, oxygen and noble gases and mixtures of the aforementioned gases in combination with reactive additives. The electrodes of the DCSBD plasma sources are in particular completely embedded in ceramic. This results in a very high, in particular practically unlimited lifetime of the electrodes. In one embodiment of the invention, ceramic electrodes are used. In this way impurities, for example by sputtering effects, are avoided. The powder is continuously moved through the plasma zone, resulting in an intense interaction between plasma and particles.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann dem Plasma mindestens ein Precursor, beispielsweise Hexamethyldisiloxan, Titantetraisopropanol und/oder weitere funktionalisierende Zusätze, insbesondere Nanopartikel, vernebelte Lösungen oder Dispersionen, beispielsweise Silbernitrat, zugeführt werden, der im Plasma reagiert, wobei dabei entstehende Reaktionsprodukte auf den Partikeln abgeschieden werden. In one embodiment of the invention, at least one precursor, for example hexamethyldisiloxane, titanium tetraisopropanol and / or further functionalizing additives, in particular nanoparticles, atomized solutions or dispersions, for example silver nitrate, can be fed to the plasma, which reacts in the plasma, the resulting reaction products being deposited on the particles become.
In einer Ausführungsform umfasst das Umwälzsystem einen beweglichen Rührarm. In one embodiment, the circulation system comprises a movable stirring arm.
Alternativ zur Bewegung des Pulvers mittels Rührer kann der Reaktor auf einem Rütteltisch montiert oder selbst als Vibrator ausgeführt werden, so dass die Partikel wie in einem Schüttbettreaktor durch die Plasmazone bewegt werden. As an alternative to the movement of the powder by means of a stirrer, the reactor can be mounted on a vibrating table or even be carried out as a vibrator, so that the particles are moved through the plasma zone as in a packed bed reactor.
Ebenso kann zur Bewegung des Pulvers in der Plasmazone auch ein rotierendes Gaseinlasssystem verwendet werden, welches wenige Millimeter oberhalb des Schüttbetts einen regelbaren Gasstrom durch Düsen in das Schüttbett hinein appliziert. Der Gasstrom wird dabei vorzugsweise so gesteuert und/oder geregelt, dass das Pulver zwar bewegt, nicht jedoch aufgewirbelt wird. Der Gasstrom kann aus verschiedenen Gasen oder Gasgemischen bestehen, bevorzugt oxidierende. Likewise, a rotating gas inlet system can also be used to move the powder in the plasma zone, which applies a controllable gas flow through nozzles into the packed bed a few millimeters above the packed bed. The gas stream is preferably controlled and / or regulated so that the powder is indeed moving, but not stirred up. The gas stream may consist of various gases or gas mixtures, preferably oxidizing.
In einer Ausführungsform weist das Umwälzsystem einen Rotor auf, in dem mindestens eine Austrittsöffnung vorgesehen sein kann, durch die ein auf das Schüttbett gerichtetes Gas strömt. Dies ermöglicht eine praktisch berührungslose Form der Pulverumbettung in der Plasmazone, so dass Wechselwirkungen der aktivierten Partikel mit der Oberfläche des Rotors vermieden werden. Ebenso ist es auf diese Weise möglich, Precursorgase und weitere funktionalisierende Zusätze für Beschichtungszwecke zuzuführen. In one embodiment, the circulation system has a rotor, in which at least one outlet opening can be provided, through which a gas directed onto the packed bed flows. This allows a virtually non-contact form of Pulverumettung in the plasma zone, so that interactions of the activated particles are avoided with the surface of the rotor. Likewise, it is possible in this way to supply Precursorgase and other functionalizing additives for coating purposes.
In einer Ausführungsform ist das aus der Austrittsöffnung strömende Gas ein Reaktivgas, umfassend den mindestens einen Precursor. In one embodiment, the gas flowing out of the outlet opening is a reactive gas comprising the at least one precursor.
Mittels des Verfahrens können beispielsweise Partikel aus mindestens einem polymeren Material und/oder aus mindestens einem anorganischen Material modifiziert werden. For example, particles of at least one polymeric material and / or of at least one inorganic material can be modified by means of the method.
In einer Ausführungsform werden Partikel mit einer Partikelgröße in einem Bereich von 10 nm bis 200 µm, bevorzugt in einem Bereich von 0,1 µm bis 100 µm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,5 µm bis 50 µm, modifiziert. In one embodiment, particles having a particle size in a range from 10 nm to 200 μm, preferably in a range from 0.1 μm to 100 μm, particularly preferably in a range from 0.5 μm to 50 μm, are modified.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens plasmamodifizierte Partikel sind geeignet zur Herstellung von homogenen Dispersionen, insbesondere zur Herstellung von Dispersionen für nachfolgende Prozesse der chemischen und elektrochemischen Erzeugung von Dispersionsschichten. By means of the method according to the invention plasma-modified particles are suitable for the preparation of homogeneous dispersions, in particular for the preparation of dispersions for subsequent processes of chemical and electrochemical production of dispersion layers.
Das Verfahren bietet eine zu nasschemischen Varianten alternative Möglichkeit, sogenannte Core-Shell-Partikel herzustellen. Core-Shell-Partikel umfassen einen Kern aus einem ersten Material und eine Hülle aus einem zweiten Material. Die Plasmabehandlung mit reaktiven Gasen und Precursoren bietet die Möglichkeit, die Precursoren im Plasma schichtbildend umzusetzen. Somit können eingebrachte Partikel mit einer funktionellen Oberflächenbeschichtung versehen werden. The process offers an alternative option to wet-chemical variants, so-called core-shell particles. Core-shell particles comprise a core of a first material and a shell of a second material. The plasma treatment with reactive gases and precursors offers the possibility to convert the precursors in the plasma into layers. Thus, introduced particles can be provided with a functional surface coating.
Es ist bekannt, dass atmosphärische Plasmabehandlungen keimabtötende Wirkungen zeigen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Plasmabehandlungen von pulverförmigen und rieselfähigen Lebensmittelprodukten wie zum Beispiel von Saatgut (Mohn, Getreide, Saatgut etc.) zur Verminderung von schädlichen Keimen möglich. It is known that atmospheric plasma treatments have germicidal effects. By means of the method according to the invention plasma treatments of powdery and Free-flowing food products such as seeds (poppy seeds, cereals, seeds, etc.) to reduce harmful germs possible.
Das Verfahren kann beispielsweise eingesetzt werden zur Hydrophilierung von Mikropartikeln und/oder Nanopartikeln für eine gleichmäßige Verteilung in Trägermaterialien, in der Kosmetikindustrie, Medizintechnik, Pharmaindustrie, zur Material- und Oberflächenfunktionalisierung, Produktkennzeichnung, für Beschichtungen in der Oberflächentechnik oder in der Kunststoffverarbeitung. The method can be used, for example, for the hydrophilization of microparticles and / or nanoparticles for an even distribution in carrier materials, in the cosmetics industry, medical technology, pharmaceutical industry, for material and surface functionalization, product labeling, for coatings in surface engineering or in plastics processing.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden von Zeichnungen näher erläutert. Embodiments of the invention are explained in more detail below by drawings.
Darin zeigen: Show:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Mit dem beschriebenen Verfahren behandeltes Pulver weist ein von unbehandeltem Pulver verschiedenes Dispergierverhalten in einem wässrigen Medium auf. In einem Versuch wurde ein Polyetheretherketonpulver (PEEK) in einem offenen Reaktorraum direkt auf die Oberfläche der Plasmaquelle
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Plasmaquelle plasma source
- 2 2
- Elektrode electrode
- 3 3
- Dielektrikum dielectric
- 4 4
- Rotor rotor
- 5 5
- Rotorarm rotor arm
- 6 6
- Austrittsöffnung outlet opening
- HV HV
- Hochspannung high voltage
- P P
- Plasma plasma
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 2366730 B1 [0004] EP 2366730 B1 [0004]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- S. Put et al. „Atmospheric pressure plasma treatment of polymeric powders“ Surface Coatings Technology 234 (2013) pp76–81, VITO – Flemish Institute for Technological Research [0005] Put et al. "Atmospheric pressure plasma treatment of polymeric powders" Surface Coatings Technology 234 (2013) pp76-81, VITO - Flemish Institute for Technological Research [0005]
- M. Simor et al. „Atmospheric-pressure diffuse coplanar surface discharge for surface treatments“ Appl Phys Lett 81(15) 2002 p. 2716 [0016] M. Simor et al. "Atmospheric-pressure diffuse coplanar surface discharge for surface treatments" Appl Phys Lett 81 (15) 2002 p. 2716 [0016]
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