Nanover

Problemstellung
Eine hohe Leistungsfähigkeit vieler Nanokomposite wird nur durch den Einsatz qualitativ hochwertiger Nanopartikel erreicht. Zu den Anforderungen gehören neben einer gleichbleibenden Qualität ihre agglomeratfreie Bereitstellung und eine bedarfsgerechte Funktionalisierung. Die Freiheit von Agglomeraten, oft einhergehend mit einer engen Partikelgrößenverteilung, kann in den meisten Fällen nur durch Synthesen in relativ großer Verdünnung sichergestellt werden, was sich negativ auf die Raum-Zeit-Ausbeute und damit die Kosten auswirkt.
Ein kontinuierliches Herstellverfahren bringt gegenüber den in der Partikelsynthese weit verbreiteten Rührkesselprozessen in mehrerlei Hinsicht Vorteile: So kann leichter eine konstante Qualität sichergestellt werden, da Chargenunterschiede von vornherein ausgeschlossen sind. Weiterhin entfallen bei einer kontinuierlichen Anlage Beschickungs- und Reinigungszeiten und der Personalaufwand zu deren Betrieb ist geringer.
Je kostengünstiger qualitativ hochwertige Nanopartikel bereitgestellt werden können, desto breiter wird ihr Anwendungsfeld. Damit ist eine ökonomische kontinuierliche Synthese ein wichtiger Schritt zur Kommerzialisierung von Nanomaterialien mit einer mittelbaren Auswirkung auf weite Felder der Wirtschaft.

Vorgehensweise
1. Entwicklung und Formulierung anwendungsoptimierter, nanoverstärkter Gleitlacke
Basis für den Einsatz der Nanopartikel ist ein in Vorversuchen positiv getesteter Hochleistungsgleitlack. Hierzu werden zum Projektbeginn kleine Partikelmengen (etwa 10g) im etablierten diskontinuierlichen Verfahren hergestellt. Ein besonderer Fokus liegt auf der intensiven Betrachtung der verschiedenen Funktionalisierungen und Konzentrationen der Nanopartikel in ihrer Auswirkung auf die Adhäsion des Gleitlacks zum Grundmaterial und die Kohäsion innerhalb der Gleitlackschicht. Die Optimierung erfolgt sowohl in anwendungsnahen Verschleißtests als auch mikroskopischen, spektroskopischen und mechanischen Untersuchungen der Lackschichten.
Weiteres Optimierungspotential besteht bei der Lackformulierung; sowohl hinsichtlich der Menge der eingesetzten Partikel, als auch im Einsatz zusätzlicher Additive.
Die beschichteten Bauteile sind tribologisch anwendungsnah in industriellen Musteranwendungen zu testen und zu bewerten. Daher werden diese Tests bei den Anwendern der Gleitlacke durchgeführt.
2. Entwicklung einer universell einsetzbaren, kontinuierlichen Anlage zur wirtschaftlichen Produktion funktionalisierter Nanopartikel
Die Hauptschritte dabei sind der Aufbau kontinuierlicher Modellanlagen im Labormaßstab für die Partikelherstellung und -funktionalisierung. Hierbei werden die relevanten Reaktionsparameter wie Flußgeschwindigkeit, Konzentrationen, Reaktionstemperatur und Reaktionszeit sowie geeignete Systeme für Förderung, Dosierung, Mischung und Reaktion bestimmt. Hierbei ist es effizienter, die beiden Prozeßstufen Partikelherstellung und Partikelfunktionalisierung parallel zu entwickeln. In dieser Entwicklungsstufe dienen Partikel aus dem etablierten diskontinuierlichen Verfahren in entsprechend gesicherter Qualität als Ausgangsmaterial für die kontinuierliche Funktionalisierung.
Bei der Auslegung und Entwicklung der Anlage soll eine Online-Analytik integriert werden, um eine konstante Qualität der hergestellten Partikel zu gewährleisten.
Die aus den Laboranlagen gewonnenen Erkenntnisse werden auf Planung und Bau einer entsprechenden Technikumsanlage übertragen. Hierbei wird die Möglichk
eit einer Lösungsmittelrückgewinnung technisch, wirtschaftlich und ökologisch überprüft. Bei einer späteren Produktion wird, wie bei kontinuierlichen Anlagen üblich, keine Vergrößerung, sondern eine Vervielfachung der Technikumsanlage durchgeführt (numbering up anstelle von scaling up).
3. Integration der Gleitlacke in die Fertigung
Eine Fertigungsintegration der Beschichtungs- und Aushärtetechnik ist nur mit neuen schnellen Verfahren möglich, die im Takt der Fertigungslinien der Einzelteile, zum Beispiel der Lagerbauteile, arbeiten. Ziel ist die präzise partielle Beschichtung auch miniaturisierter Bauteile und die Aushärtung der Beschichtung im Minuten- oder Sekundentakt direkt vor dem Zusammenbau zur gesamten Baugruppe. Dazu ist es erforderlich, die derzeit bei Spritzapplikationen möglichen Schichtdickentoleranzen zu reduzieren. Die dazu notwendige Applikationstechnik muß entwickelt werden. Eine Reduzierung der Aushärtezeiten ist nur durch die Anwendung neuer Methoden, wie zum Beispiel strahlungsinduzierter Aushärtung möglich. Die Auswirkungen dieser Methoden auf die Gleitlacksysteme hinsichtlich ihrer tribologischen Eigenschaften sind nicht bekannt. Von Beginn an wird die spätere Wirtschaftlichkeit dieser Verfahrens- und Anlagentechnik an einem modellhaften Beispiel berücksichtigt.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Die kontinuierliche Produktionsanlage wird so ausgelegt, daß sich damit unterschiedliche Partikel für verschiedene Anwendungen herstellen lassen. Neben Siliziumdioxid seien hier beispielhaft Zinkoxid, Ceroxid, Titandioxid und Zinnoxid genannt. Im Rahmen des Vorhabens sollen Silica- und Zinkoxidpartikel hergestellt werden. Die Silicamaterialen können mit geringfügigen Modifikationen für in einer ersten Stufe für verschiedene Lacksysteme eingesetzt werden. Darüber hinaus ist ihre Verwendung in Kompositmaterialien möglich. Das nanoskalige Zinkoxid ist als UV-beständiger Lichtschutz in hochtransparenten Anwendungen eine interessante Alternative zu organischen Absorbern.