Beschichtung fragiler Granulate im grossen Masstab

Materialien in Form von Granulaten, Fasern oder Pulvern spielen eine große Rolle in vielen wissenschaftlichen und technologischen Disziplinen. Beispiele sind Grundlagenuntersuchungen über Gasadsorption, die Anwendung kolloider Systeme in der Katalyse und die Verwendung von Pulvern in Kompaktierungsprozessen. Die Möglichkeit, Fasern und Partikel in Matrizen als Füller oder Verstärkung einzubringen ist ein wesentlicher Aspekt in der Herstellung hochwertiger Komposite. Aufgrund ihrer geometrischen Dimensionen oder ihrer Zusammensetzung sind kleine Partikel oftmals fragil und müssen daher sehr vorsichtig behandelt werden. Der Partikeloberfläche kommt eine hohe Bedeutung zu. Oft muss diese in Bezug auf Benetzbarkeit und Oberflächenenergie modifiziert werden, um gute Mischbarkeit mit Lösungsmitteln oder Trägersubstanzen zu garantieren. Katalysatoren erreichen ihre volle Funktionsfähigkeit oftmals nur an der Oberfläche eines Trägermateriales. Daher ist Oberflächenmodifikation wesentlich für die Aktivierung diverser physikalisch- chemischer Prozesse. Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) ermöglicht die Darstellung nahezu aller Materialien in form von Einzelschichten oder Mehrlagensystemen. Leider steht die geradlinige Ausbreitung der Beschichtungsteilchen einer Beschichtung von Partikeln oftmals entgegen, wenn diese nicht gleichmäßig dem Dampfstrahl exponiert sind. Das Ziel des gegenständlichen Projektes ist die Konstruktion und Optimierung eines Behälters, in welchem fragile Granulate mittels PVD Methoden beschichtet werden. Metallische, oxidische und nitridische Filme mit Dicken zwischen 1 und 100 nm sollen auf großen Mengen von hohlen Glas-Mikrokugeln mit Durchmessern von 5 - 70 m und Wandstärken von 1 m abgeschieden werden. Die wesentliche Eigenschaft des Behälters soll die optimale Exposition der Teilchen zum Dampfstrahl sein, ohne die fragilen Partikel durch die Bewegung, die zur Durchmischung nötig ist, zu zerstören. Es soll bis zu einem Liter Granulat in einem Beschichtungsvorgang befilmt werden können. Anwendungen für beschichtete Mikrokugeln liegen in der Gasspeicherung, der Katalyse sowie in der Herstellung fälschungssicherer Produkte. All diesen Anwendungen ist gemeinsam, dass große Mengen beschichteter Partikel benötigt werden, um z. B. genügend große Speichertanks zu entwerfen oder infrarotreflektierende Mikrokugeln zur Markierung in Massenprodukte einzubringen. Diese großen Mengen sollen mit Hilfe des vorgeschlagenen PVD- Prozesses zur Verfügung gestellt werden.

Materialien in Form von Granulaten, Fasern oder Pulvern spielen eine große Rolle in vielen wissenschaftlichenundtechnologischenDisziplinen. Beispielesind Grundlagenuntersuchungen über Gasadsorption, die Anwendung kolloider Systeme in der Katalyse und die Verwendung von Pulvern in Kompaktierungsprozessen. Aufgrund ihrer geometrischen Dimensionen oder ihrer Zusammensetzung sind kleine Partikel oftmals fragil und müssen daher sehr vorsichtig behandelt werden. Die Partikeloberfläche muss oft in Bezug auf Benetzbarkeit und Oberflächenenergie modifiziert werden, um gute Mischbarkeit mit Lösungsmitteln oder Trägersubstanzen zu garantieren. Katalysatoren erreichen ihre volle Funktionsfähigkeit oftmals nur an der Oberfläche eines Trägermateriales. Daher ist Oberflächenmodifikation wesentlich für die Aktivierung diverser physikalisch-chemischer Prozesse. Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) ermöglicht die Darstellung nahezu aller Materialien in form von Einzelschichten oder Mehrlagensystemen. Leider steht die geradlinige Ausbreitung der Beschichtungsteilchen einer Beschichtung von Partikeln oftmals entgegen, wenn diese nicht gleichmäßig dem Dampfstrahl exponiert sind.Im gegenständlichen Projekt wurde ein Behälter, in welchem fragile Granulate mittels PVD Methoden beschichtet werden, entwickelt und optimiert. Metallische, oxidische und nitridische Filme mit Dicken zwischen 1 und 100 nm können auf großen Mengen von hohlen Glas-Mikrokugeln und anderen Partikeln mit Durchmessern von 10 100 m abgeschieden werden. Mit ihrer Wandstärke von 1 m sind die hohlen Mikroglaskugeln sehr fragil, können aber ohne wahrnehmbare Zerstörung beschichtet werden. Die wesentliche Eigenschaft des Behälters ist die optimale Exposition der Teilchen zum Dampfstrahl, ohne die fragilen Partikel durch die Bewegung, die zur Durchmischung nötig ist, zu zerstören. Das Projektziel war es, bis zu einen Liter Granulat in einem Beschichtungsvorgang zu beschichten. Es konnte dies vollständig erreicht, und in einigen Sonderfällen auch überschritten werden. Kurz zusammengefasst konnte im Projekt ein PVD-Prozess mit hohem Durchsatz entwickelt werden, welcher es erlaubt, signifikante Mengen beliebig geformter Partikel mit einem Durchmesser von 10 bis 100 m zu beschichten. Zusätzlich zur Möglichkeit, Batch-Mengen bis zu etwa 1 Liter (manchmal auch mehr) zu handhaben, wurden auch Methoden entwickelt, um Schichtdicken auf einzelnen Teilchen und auch auf Teilchenensembles zu bestimmen. Diese basieren auf Gravimetrie, optischen Verfahren oder auf der Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit wohldefinierter Pulversäulen. Somit wurde also im Projekt nicht nur ein robuster Beschichtungsprozess etabliert, sondern es konnte auch die nichttriviale Aufgabe, Schichtdicken auf kleinen Partikeln zu bestimmen, teilweise gelöst werden.