DE10223567A1

DE10223567A1 - Mikro- und Nanopartikel

Info

Publication number: DE10223567A1
Application number: DE10223567A
Authority: DE
Inventors: Bernd Penth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-05-27
Filing date: 2002-05-27
Publication date: 2003-12-11

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Mikro- und Nanopartikeln von Metalloxiden und Mischmetalloxiden, insbesondere elektrokeramischen Produkten, beschrieben, bestehend aus einer Fällung von Metallsalzen durch Kollision mit Laugen bei erhöhten Temperaturen im MicroJetReactor. Oberflächenmodifikationen der gefällten Teilchen und der Hochdruckstabilisierung der gefällten oder oberflächenmodifizierten Teilchen.

Description

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Mikro-, und Nanopartikel von Metalloxiden und Mischmetalloxiden durch chemische und physikalische Stoffumwandlungen beschrieben. Wasserlösliche saure Metallsalze und Laugen treffen als separate, heiße Flüssigkeitsstrahlen im Kollisionspunkt in einem MicroJetReactor aufeinander. Dabei tritt während oder nach der Fällung der Hydroxide die unmittelbar anschließende Umwandlung zu den Oxiden auf.
Hintergrund zur Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, daß bei chemischen Fällungen die ausfallenden Teilchen nach einem spezifischen zeitlichen Muster entstehen und daß diese Teilchen ebenfalls zeitabhängig zu einem Größenwachstum durch Zusammenschluß mehrerer einzelner Teilchen neigen. Der Zusammenschluß solcher Teilchen kann zunächst zu Agglomeraten, dann zu fester gebundenen Aggregaten oder schließlich zu größeren, einheitlichen Teilchen führen.
Zielsetzung der vorliegenden Erfindung war es, auf die Struktur von bei chemischen Reaktionen ausfallenden Hydroxiden derart Einfluß zu nehmen, daß die ausfallenden Hydroxide bereits in statu nascendi in die entsprechenden Oxide umgewandelt werden und dadurch Oxide mit optimierten Eigenschaften, insbesondere Mischmetalloxide mit guter Homogenität entstehen.
Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß zur Fällung ein MicroJetReactor verwendet wird, der zu einer extrem schnellen Mischung und zur reaktiven Fällung der Inhaltsstoffe der kollidierenden Strahlen führt und dadurch, daß die Fällung bei erhöhter Fälltemperatur durchgeführt wird, wobei die erhöhte Fälltemperatur die Präzipitate als Oxide anstatt als Hydroxide ausfallen läßt. Durch die Gleichzeitigkeit der Fällung und der Temperatureinwirkung auf die ausfallenden Teilchen entstehen die Oxide direkt unter vergleichsweise milden Bedingungen, wobei vermutlich das Stadium der Hydroxidbildung durchlaufen wird, ohne dass die Hydroxide als solche in Erscheinung treten. Die entstehenden Mischoxide weisen eine gute Homogenität und verbesserte elektrische Eigenschaften auf.
Zur Durchführung kann ein T-Mischer oder ein Y-Mischer oder ein Mikroreaktor verwendet werden, wie er beispielsweise vom Institut für Mikrotechnik in Mainz, Deutschland oder vom Forschungszentrum Karlsruhe, Deutschland angeboten wird.
Vorteilhafterweise verwendet man aber einen verstopfungsfreien Mikroreaktor, wie er von Synthesechemie. Deutschland angeboten wird und unter anderem in PCT/DE 00/01 061 beschrieben ist. In diesem Reaktor erfolgt die Kollision der Strahlen in einem umgebenden Gasraum, aus dem das Produkt mit Hilfe eines Gasstromes als Gas-Flüssigkeitsnebel ausgetragen wird.
Das Erhitzen der Reaktionspartner kann dadurch erfolgen, daß zumindest einer der beiden Flüssigkeitsstrahlen mit erhöhter Temperatur injiziert wird. Das Erhitzen der Reaktionspartner kann auch dadurch erfolgen, daß es sich bei dem Gasstrom um ein erhitztes Gas oder eine Flüssigkeit im Gaszustand, bevorzugt um Wasserdampf handelt. Das Erhitzen der Reaktionspartner kann dadurch erfolgen, daß die Wärme in einem dem Reaktor nachgeschalteten Wärmetauscher erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung verschiedenster Mikro-, und Nanopartikel von Metalloxiden und Mischmetalloxiden. Auf diese Weise gelingt beispielsweise die Herstellung von undotiertem oder dotiertem Lithiumtitanat, Bariumtitanat, Strontiumtitanat, Bleizirkonat, Bleizirkonattitanat oder Aluminiumtitanat. Eine weitere Reihe von Perowskiten oder Spinellen läßt sich auf diese Weise mit einer Teilchengröße meist von unter 1 µm herstellen. Die so hergestellten Teilchen lassen sich vorteilhaft für die Herstellung elektrokeramischer Komponenten verwenden.

Beispiel

Man Läßt einen mit einem Pumpendruck von 60 bar mittels einer Düse erzeugten 200 µm- feinen und 90 Grad Celsius heißen Flüssigkeitsstrahl mit etwa äquimolaren Mengen (1- molar) von den in Wasser gelösten Chloriden von Barium und Titan mit einem 200 µm feinen und 90 Grad Celsius heißen Flüssigkeitsstrahl aus Natronlauge (3-molar), der ebenfalls mit einem Druck von 60 bar erzeugt wurde, bei einer Temperatur von etwa 90°C im MicroJetReactor kollidieren, um zu gefälltem Bariumtitanat mit gesuchten Eigenschaften zu gelangen.
Auch einfache Oxide. z. B. von Aluminium, Titan, Zirkon, Cer u. a. lassen sich nach diesem Verfahren, auch mit dotierenden Zusätzen direkt aus den Metallsalzen fällen. Die erforderlichen Temperaturen bei der Fällung liegen meist deutlich unterhalb denen, die bei der Bildung von Oxiden aus den Hydroxiden erforderlich sind.
Weitere Beispiele sind die Herstellung von Ferrofluiden aus den entsprechenden Metallsalzen, Eisen(II) und Eisen(III)-chlorid oder -nitrat oder Cobaltchlorid oder -nitrat und Lauge.
Bei zusätzlicher Verwendung von oberflächenaktiven Hilfsstoffen, wie Tensiden, kann die Partikelgröße der entstehenden Teilchen begrenzt werden. Optional erfolgt der Zusatz eines Dispergiermediums zu einer der Flüssigkeitsstrahlen, oder durch Zugabe in den Reaktionsraum oder in definiertem zeitlichem Abstand nach der Fällung.
Optional erfolgt im direkten zeitlichen und räumlichen Anschluß an den Ausgang des MicroJetReactors eine Homogenisierung

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Mikro-, und Nanopartikeln, gekennzeichnet dadurch, daß chemische Fällungen von in wäßrigen Medien gelösten Metallsalzen derart durchgeführt werden, daß in einem MicroJetReactor zumindest ein Flüssigkeitsstrahl in dem zumindest ein Metallsalz gelöst ist, mit dem Flüssigkeitsstrahl einer Lauge bei erhöhter Temperatur kollidiert und sich dabei ein oxidisches Fällungsprodukt bildet.

2. Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Mikro-, und Nanopartikeln nach dem voranstehenden Anspruch, gekennzeichnet dadurch, daß unter erhöhter Temperatur ein Bereich von 50-200°C, bevorzugt zwischen 70 und 120°C verstanden wird.

3. Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Mikro-, und Nanopartikel nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, daß zur Oberflächenmodifikation Reaktanden eingesetzt werden, die ein weiteres Größenwachstum verhindern, oder eine Hydrophobierung oder Hydrophilisierung oder eine Verbesserung der Dispergierbarkeit bewirken.

4. Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Mikro-, und Nanopartikel nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, daß zur Stoffzerkleinerung und -stabilisierung der gefällten Teilchen ein Homogenisator, bevorzugt eine Hochdruckausführung des MicroJetReactors, verwendet wird.

5. Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Mikro-, und Nanopartikel nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, daß elektrokeramische Produkte, bevorzugt Titanate hergestellt werden.

6. Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Mikro-, und Nanopartikel nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, daß metalloxidische Produkte hergestellt werden.

7. Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Mikro-, und Nanopartikel nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, daß statt des MicroJetReactors ein anderer Mikroreaktor verwendet wird.