Über den Entstehungsprozess poröser Strukturen am Beispiel der Partikelbildung von kolloidalem Silika und der Haufwerksbildung von gefällter Kieselsäure
Creators: name: Meier, Manuel
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021

description: Seit fast einhundert Jahren stellt nanoskaliges Silika einen wichtigen Zusatzstoff für eine Vielzahl an Produkten und Anwendungen dar. Die Einsatzmöglichkeiten erstrecken sich dabei von Füllstoffen, Stabilisatoren und Bindemitteln im industriellen Maßstab bis hin zu Spezialprodukten mit definierter Größe, Form und Reinheit. Gängige Verfahren für die Herstellung von fraktalen Strukturen sind die Flammenpyrolyse und die Fällung, wohingegen sich das Sol-Gel-Verfahren hervorragend für die Synthese kugelförmiger, kolloidaler Silika-Nanopartikel mit definierter Partikelgrößenverteilung eignet. Der Porosität von nanoskaligem Silika kommt in vielen Anwendungsfällen eine besondere Rolle zu, da diese maßgeblich zur Leistungsfähigkeit der Produkte beiträgt. Die Grundlage der Arbeit bilden Messtechniken mit unterschiedlichen Prinzipien, um charakteristische Größen von Partikeln und Haufwerken in verschiedenen Strukturdimensionen aufzulösen. Die Entstehung von porösen Strukturen in Silika- Nanopartikeln ist eng mit dem Partikelbildungsprozess verbunden. Das Augenmerk liegt auf der Erarbeitung geeigneter Synthesebedingungen für die Auflösung der relevanten Vorgänge bei der Ausbildung poröser Strukturen. Höhere Wachstumsgeschwindigkeiten führen zu kleineren Partikelgrößen bei gleichzeitig größeren inneren Oberflächen. Wohingegen SAXS-Messungen Porenstrukturen auch bei niedrigeren Reaktionstemperaturen detektieren, hängt deren Zugänglichkeit für die Stickstoffadsorption maßgeblich von der Reaktionstemperatur ab. Bei niedrigeren Reaktionstemperaturen steigt der Einfluss einer inneren Nachverdichtung auf die Partikelstruktur, wodurch die für eine Stickstoffadsorption zugängliche Oberfläche abnimmt. Zeitaufgelöste TEM-Aufnahmen und eine Nachverfolgung der Änderung der charakteristischen Wellenlänge mit Hilfe der UV-Vis Spektroskopie bestätigen die Existenz einer sprunghaften Abnahme in der Partikelgröße innerhalb der ersten Minuten der Reaktion. Eine Korrelation der Messdaten aus der UV-Vis Spektroskopie und der SAXS-Messungen verdeutlichen einen zeitlichen Zusammenhang zwischen der Änderung der Partikelgröße und der Partikeldichte. Gegenüber der Ausbildung poröser Strukturen in Partikeln während der Partikelbildung liegt der Fokus in der Entstehung poröser Haufwerke in der Ausbildung des Schüttgutes selbst. Die Charakterisierung und Modellierung der Aggregatstruktur bilden dabei die Grundlage für eine realitätsnahe Beschreibung der Haufwerksstruktur von gefällter Kieselsäure. Die untersuchten Aggregate aus Kieselsäure besitzen bei einer Größe von etwa 120nm und einer fraktalen Dimension von annähernd zwei eine scheiben- bis kugelförmige Struktur. Aggregate bestehend aus wenigen dutzend Primärpartikeln neigen zur Ausbildung von scheibenförmigen Aggregaten. Demgegenüber bilden Aggregate aus mehr als 100 Primärpartikeln trotz ähnlicher Werte für die fraktale Dimension tendenziell kugelförmige Aggregatstrukturen aus. Eine bessere Annäherung der berechneten an die gemessenen Verläufe der Wärmeleitfähigkeit über dem Restdruck im Haufwerk durch eine Kombination aus Mess- und Simulationsdaten zeigt, dass durch die Verwendung eines numerischen Ansatzes zur Bestimmung der Haufwerksstruktur Aussagen über ein reales Haufwerk möglich sind, die messtechnisch nicht zur Verfügung stehen. Im Hinblick auf die Porengrößenverteilung innerhalb des Haufwerkes betrifft dies insbesondere nanoskalige Poren kleiner 100nm. Den Verlauf der Wärmeleitfähigkeit beeinflussen sie jedoch über den gesamten Druckbereich. Um die Wärmeleitfähigkeit bei Normaldruck zu senken, müsste der Anteil an großen Poren im Haufwerk reduziert werden. In diesem Größenbereich unterscheiden sich die hier untersuchten Proben trotz ihrer sehr unterschiedlichen Aggregatstruktur nur geringfügig.