Mechanische Stabilität von Nanopartikel-Agglomeraten bei mechanischen Belastungen (2018)

Die Dispergierung von Nanopartikel-Agglomeraten in der Gasphase bietet gegenüber der Dispergierung in Flüssigkeiten einige Vorteile, z.B. höhere Reinheiten. Bisherige Dispergierungsmethoden in der Gasphase desagglomerieren Nanopartikel-Agglomerate lediglich bis zu einer Größe von 300nm. Für eine Dispergierung müssen die wirkenden Belastungen die mechanische Stabilität der Agglomerate, die eine Funktion der Struktur ist, übersteigen. Hierbei weisen kompaktere Agglomerate höhere mechanische Stabilitäten aufgrund einer erhöhten Anzahl an interpartikulären Bindungen auf. Diese Arbeit befasst sich mit der mechanischen Stabilität von Nanopartikel-Agglomeraten unterschiedlicher Strukturen und Größen kleiner 400nm. Dafür wurde das Fragmentierungsverhalten der Agglomerate bei verschiedenen Beanspruchungen untersucht. Die Agglomerate wurden in turbulenten und laminaren Scherströmungen sowie durch schräge Impaktion beansprucht. Bei den Beanspruchungen in Strömungen ist keine Fragmentierung im experimentell untersuchten Beanspruchungsbereich aufgetreten. Ein Vergleich mit der theoretischen mechanischen Stabilität unter Annahme von van-der-Waals Haftenergien zwischen den Primärpartikeln zeigt, dass die wirkenden Strömungskräfte zu gering für eine Fragmentierung sind. Die geringen Belastungen in der Gasphase sind eine Folge der geringen Dichten und Viskositäten von Gasen. Dagegen wirken bei der Impaktion Belastungen, die ein Vielfaches größer als die mechanische Stabilität sind. Bei den hier untersuchten Impaktionsbedingungen konnten die Agglomerate abhängig von ihrer Struktur nahezu bis auf die Primärpartikel desagglomeriert werden. Hierbei zeigt sich, dass die schräge Impaktion zu einer effektiveren Fragmentierung gegenüber der senkrechten Impaktion führt. Die Einsatzenergien sind reduziert und es kommt zu einer erhöhten Zunahme des Fragmentierungsgrades mit steigender Impaktionsenergie. Die durchgeführten Experimente ergaben zudem einen Einfluss der Agglomeratstruktur auf die Fragmentierung. Bei offenen Agglomeraten mit niedrigeren fraktalen Dimensionen (Df_2,3) tritt eine Umstrukturierung bei der Impaktion auf. Dies führt zu einer Erhöhung der Einsatzenergie für die Fragmentierung. Außerdem wird die Zunahme des Fragmentierungsgrades mit steigender Impaktionsenergie durch die Umstrukturierung reduziert. Die Fragmentierung wird bei allen untersuchten Agglomeratstrukturen maßgeblich von der tangentialen Geschwindigkeitskomponente bestimmt. Um dies zu berücksichtigen, wurde für die Beschreibung des Fragmentierungsgrades eine modifizierteWeibull-Statistik entwickelt. Neben der Fragmentierung müssen die Agglomerate/Fragmente für eine kontinuierliche Gasphasendispergierung nach der Impaktion wieder abspringen. Aus den Untersuchungen zum Abspringen geht hervor, dass das Abspringverhalten von offen-strukturierten Agglomeraten (Df<2) allein von den Primärpartikeleigenschaften bestimmt wird, solange keine Fragmentierung auftritt. Die Impaktionsgeschwindigkeit, ab der Abspringen einsetzt, ist für diese Agglomerate unabhängig von ihrer Größe. Mit steigender fraktaler Dimension nähert sich das Abspringverhalten dem von sphärischen Partikeln an.