Vorstoß in neue Welten

Dipl.-Chem. Wieland Hopfe

Die Herstellung von Pulvern, deren Partikel zu 100 % kleiner als 1 µm sind, ist heutzutage durch Mahlen bereits für eine größere Stoffgruppe gängige Praxis. Die neue Herausforderung besteht daher in der Herstellung von Partikel kleiner 100 nm.

Orientierende Versuche wurden mit einer Siebfraktion aus Quarzsand von 0,5 bis 1 mm durchgeführt. Ziel war es, unter Einbringung der Erfahrungen klassischer Aufgabenstellungen, eine Modellsubstanz für die Zerkleinerung auf Analysenfeinheit zu erzeugen. Gearbeitet wurde mit einer Planetenmikromühle Pulverisette 7 unter Verwendung einer Zirkonoxid-Mahlgarnitur und 10-mm-Kugeln aus Zirkonoxid (Nassmahlung mit Wasser). Allgemein ist bekannt, dass bei Mahlungen mit Planetenkugelmühlen nach sehr kurzer Zeit ein deutlicher Effekt der Reduzierung der Korngröße zu sehen ist und dass für die weitere Erhöhung der Feinheit die Bearbeitungszeit exponentiell gesteigert werden muss. Deshalb wurde nach 5, 15, 30, 60, 120 und 240 Minuten der Mahlprozess unterbrochen und eine Probe mit dem Laser Particle Sizer Analysette 22 Compact mit einem Messbereich von 0,3 bis 300 µm auf die Korngröße analysiert. Bild 3 zeigt den Fortschritt der Zerkleinerung. Bereits nach 5 Minuten ist das Material auf Analysenfeinheit zerkleinert. Des Weiteren zeigt der grafische Vergleich der nach den entsprechenden Bearbeitungszeiten erreichten Korngrößenverteilung recht deutlich, dass nach 60 min die erreichbare Endfeinheit nahezu vorliegt, und dass die Weiterführung des Mahlvorgangs unter den gewählten Bedingungen kaum eine weitere Erhöhung der Feinheit bringt.

Werden nun aus der Suspension die Kugeln entnommen und durch kleinere Kugeln ersetzt, wird nach relativ kurzer Bearbeitungszeit wieder ein deutlicher Sprung zu feineren Partikelverteilungen beobachtet (Bild 4). Bereits nach einer Viertelstunde ist ein deutlicher Mahlfortschritt sichtbar. Aber auch hier zeigt sich, dass nach einer Stunde kaum noch eine weitere Zerkleinerung stattfindet. Mit 80 % kleiner 1 µm ist allerdings bereits ein wesentlicher Schritt zur Herstellung von Nanopartikeln geschafft. Aus den bisherigen Versuchen lassen sich einige Schlüsse ziehen: So muss der Kugeldurchmesser mindestens eine Zehnerpotenz größer sein als der Durchmesser der größten zu zerkleinernden Partikel. Dem Kugelvolumen (24 Stück mit 10 mm Durchmesser) von 12 cm3 steht ein geschätztes Probenvolumen von 15 cm3 gegenüber. Rechnet man mit 600 µm als durchschnittlichen Partikeldurchmesser, stehen am Anfang 24 Kugeln 133 000 Partikel von der Probe gegenüber. Rechnet man mit 2 µm als durchschnittlichen Partikeldurchmesser am Ende des Mahlvorganges mit den 10-mm-Kugeln, so stehen den 24 Kugeln jetzt 3600 x 109 Partikel gegenüber. Schon rein statistisch gesehen kann kaum noch eine weitere Zerkleinerung erwartet werden.

Darüber hinaus gilt: Bei Bearbeitungszeiten von max. 60 min ist nahezu die erreichbare Endfeinheit zu erwarten. Feinere Partikelverteilungen sind nur durch Kugeltausch erzielbar. Bei einem Kugeltausch wird dabei die Masse der Kugeln konstant gehalten. Dies führt dazu, dass 24 Kugeln mit 10 mm Durchmesser durch 2950 Kugeln mit 2 mm Durchmesser ersetzt werden.

Anfragen aus dem Bereich der alternativen Heilmethoden zur Erzeugung von Nano-partikeln führten zu Versuchen mit Amethyst als zu zerkleinerndes Material. Amethyst und der in den ersten Versuchen verwendete Quarzsand sind chemisch und mineralogisch sehr eng verwandt. Entgegengesetzt dazu zeigten sich deutliche Unterschiede im Verhalten beim Trockenmahlvorgang (Bild 5). Nach 15 Minuten musste hier abgebrochen werden, da das Material bereits an der Becherwandung verfestigt war und somit das Ende der Trockenmahlung anzeigte. Gearbeitet wurde diesmal mit der Planetenmonomühle Pulverisette 6 mit einer 80-ml-Zirkonoxid-Mahlgarnitur. Für die Trockenmahlung wurden 20-mm-Kugeln eingesetzt. Durch zwei Kugelaustausche wurde eine Endfeinheit von x10 = 80 nm, x50 = 320 nm, x90 = 1µm erzielt. Die Kornverteilungen wurden mit dem Laser Particle Sizer Analysette 22 NanoTec mit einem Messbereich von 10 nm bis 1 mm ermittelt. Mit 15 % <100 nm, 33 % <200 nm und 66 % <500 nm liegen hier schon echte Nanopartikel vor. Auch die Versuche zur Feinstmahlung von Quarzsand ergaben ähnliche Ergebnisse. Die gesammelten Erfahrungen lassen sich auf andere Stoffsysteme übertragen. Die Tabelle zeigt in komprimierter Form die Endergebnisse.

<10% <50 % <90 %

Amethyst 0,08 µm 0,32 µm 1,0 µm

Sand 0,4 µm 0,7 µm 1,2 µm

Katalysator 0,2 µm 0,6 µm 1,4 µm

Zirkonoxid 0,4 µm 0,8 µm 1,7 µm

Das nächstes Ziel ist nun die Herstellung von Partikeln, die zu 100 % kleiner 100 nm sind. Dazu sind aber weitere Voraussetzungen notwendig, da bei bisherigen Planetenmühlen der Energieeintrag nicht mehr ausreicht, um eine weitere Zerkleinerung zu erreichen. Mit den Planetenmühlen der Premium line stehen jetzt die technischen Voraussetzungen hierfür zur Verfügung. Der andere Einflussfaktor, die Kugelgröße, bedarf gleichfalls einer Änderung. Hier bietet der Markt heute schon Mahlkugeln von 100 µm Durchmesser an. Diese sehr kleinen Mahlkörper benötigen logischerweise extreme Beschleunigungen, wie sie die Premium-line-Planetenkugelmühlen liefern.

cav 461

Auf der Achema 2006 stellte Fritsch erstmals die Planetenkugelmühlen der Premium line. vor. Die Geräte besitzen einen um 250 % höheren Energieeintrag als herkömmliche Planetenmühlen und beschleunigen bis zum 95-fachen der Erdbeschleunigung. Die Bedienung ist komfortabel, ein Mahlbecherwechsel in Sekunden möglich. Die Mahlkammer öffnet und schließt automatisch. Darüber hinaus sind die Geräte mit einer Mahlbecherpositionierung ausgerüstet. Die Mahlbecheraufnahme SelfLock erlaubt die Einhandbedienung ohne weitere Zusatz-Spannsysteme . Die Mahlbecher lassen sich versenken und arretieren. Zusätzlich sind die Mühlen mit einer Mahlbechererkennung und einer Sicherheitsabschaltung bei Unwucht ausgestattet.

Die einfache und schnelle Programmierung der Mühle erfolgt über einen Touchscreen, das Betriebssystem-Update über eine USB-Schnittstelle. Die Planetenkugelmühlen verfügen über einen wartungsfreien 0,8-kW-Antrieb.

Als erstes wird die Planetenmikromühle Pulverisette 7 premium line mit Mahlbechervolumen zwischen 20 und 80 ml zur Verfügung stehen. Für größere Volumina kommt dann die mit einer Mahlstation bestückte Pulverisette 6 premium line mit Mahlbechern bis 500 ml hinzu. Die mit vier Mahlstationen ausgerüstete Pulverisette 5 premium line mit Mahlbechern bis 500 ml wird das Programm komplettieren.

Pulverisette im Überblick

Powtech 2007