Homogene Beschichtung von Aerosol-Nanopartikeln in einem kalten Plasma bei Atmosphärendruck
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts konnten die gewünschten Nanopartikel über einen Funkenentladungsaufbau generiert werden. Dabei ist es möglich metallische und metalloxidische Nanopartikel frei von Nebenprodukten zu generieren. Für die Beschichtung der Nanopartikel mittels eines DBD’s wurde ein für den Prozess optimierter Reaktor entwickelt. Es konnten optimale Abscheideparameter für die Abscheidung von SiOx aus Monosilan auf ausgedehnten Substraten herausgearbeitet werden. Dabei ergab sich Sauerstoff als optimal bei 500 mbar, 18 kV und 5 kHz im direkten Plasma. Jedoch zeigte sich dieser Prozess zur Abscheidung der gewünschten Schicht auf Nanopartikeln als problematisch. Zum einen zeigt die Primerschicht eine hohe Affinität zu Sauerstoff, weshalb der Prozess sehr schnell und weitestgehend unkontrolliert verläuft. In diesem Prozess ist es zusätzlich möglich geringe Schichtdicken von einigen Nanometern abzuscheiden. Bei höheren Konzentrationen kommt es vermehrt zur Partikelbildung. Diese Partikel sind im weiteren Prozess auf Grund ihrer Größe nicht von den anderen gewünschten Partikeln nicht abtrennbar. Der Beschichtungsprozess wurde im Verlauf optimiert, in dem nicht mehr im direkten Plasma abscheiden wurde, sondern im Post-Plasma, was erhebliche Vorteile und Kostenersparnis nach sich zieht. Weiterhin wurden Organosilane wie TEOS und HMDSO zur Abscheidung verwendet. Diese zeigten unterschiedliche Schichten. TEOS bildet hydrophile SiOx-Schichten und HMDSO hydrophobe Schichten mit einem größeren organischen Anteil. Dieses erweitert den Anwendungsbereich der beschichteten Nanopartikel deutlich. Für geringe SiOx-Schichtdicken konnte sogar eine signifikante Erhöhung der photokatalytischen Aktivität erzielt werden. Der entwickelte Beschichtungsprozess zeichnet sich durch einen vergleichsweise geringen apparativen Aufwand aus und ist mit verschiedenen Partikelquellen kombinierbar. Diese Flexibilität wird unterstützt durch die Verwendung von einfacher Umgebungsluft für die Beschichtung, was eine kostengünstige Alternative zu speziellen Träger- und Plasmagasanforderungen anderer Prozesse darstellt. Für die Beschichtung bei Umgebungstemperatur mit TEOS ist dabei auf den Wassergehalt im Reaktionsgas zu achten, der einen Einfluss auf die Schichtbildungsgeschwindigkeit haben kann. Dies spielt bei den Wasser-Konzentrationen in Druckluft aber nur eine geringe Rolle und kann vollständig durch die Nutzung von trockener Luft umgangen werden. Bei der Beschichtungsvariante bei erhöhten Temperaturen zeigte sich kein Einfluss von Wasser. Die Beschichtung mit anorganischen SiOx-Schichten funktioniert bei erhöhten Temperaturen auch mit Gemischen aus Edelgas und Sauerstoff, führt dann aber auch mit HMDSO zu rein anorganischen Schichten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Anwendung von DBD-Reaktoren in der Partikeltechnologie: Beschichtung im Flugstromreaktor, in: Produktgestaltung in der Partikeltechnologie, Hrsg.: U. Teipel, Fraunhofer Verlag, Stuttgart, 978-3-8396-0877-7, 435 – 444 (2015)
P. Post, S. Dahle, W. Maus-Friedrichs, A.P. Weber
- Erzeugung dünner Funktionsschichten mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung, Forschungsberichts der Materialforschung und Wertstofftechnik / Bulletin of Materials Research and Engineering, 978-3-8440-3403-5, 143-151,2015
S. Dahle, C. Kunz, M. Sonnenberg, W. Maus-Friedrichs
(Siehe online unter https://doi.org/10.13140/2.1.3754.5283) - Homogene Beschichtung von Aerosol-Nanopartikeln in einem kalten Plasma bei Atmosphärendruck, in: Tagungsband 1. Niedersächsisches Symposium Materialtechnik, Hrsg.: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik, Shaker Verlag, Aachen, 978-3-8440-3403-5 (2015)
P. Post, A.P. Weber, S. Dahle, W. Maus-Friedrichs
- (2016). Post-Plasma SiOx Coatings of Metal and Metal Oxide Nanoparticles for Enhanced Thermal Stability and Tunable Photoactivity Applications. Nanomaterials, 6(5), 91
Post, P., Jidenko, N., Weber, A. P., & Borra, J.-P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/nano6050091) - Homogeneous coating of aerosol nanoparticles in a cold plasma at atmospheric pressure, in: PARTEC 2016 Book of Abstracts, Hrsg.: VDI Wissensforum GmbH, VDI Verlag, Düsseldorf, 978-3-18-092283-6, 102 (2016)
P. Post, S. Dahle, W. Maus-Friedrichs, A.P. Weber
- Beschichtung von gasgetragenen Nanopartikeln mit Siliziumoxid mit Hilfe eines DBD Plasmas bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck, in: Produktgestaltung in der Partikeltechnologie, Hrsg.: U. Teipel, M. Türk, Fraunhofer Verlag, Stuttgart, 978-3-8396-1194-4, 119 – 129 (2017)
P. Post, J.-P. Borra, A.P. Weber
- Beschichtung von gasgetragenen Nanopartikeln mit Siliziumoxid mithilfe eines DBD Plasmas, in: Tagungsband 2. Niedersächsisches Symposium Materialtechnik, Hrsg.: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik, Shaker Verlag, Aachen, 978-3-8440-5069-1, 183 – 192 (2017)
P. Post, W. Maus-Friedrichs, J.-P. Borra, A.P. Weber
- (2018). Beschichtung von gasgetragenen Nanopartikeln mit SiO2 mithilfe eines plasmaunterstützten CVD-Prozesses bei Umgebungsbedingungen. Chemie Ingenieur Technik, 90(4), 443–450
Post, P., & Weber, A. P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/cite.201700109) - (2018). Characterization and applications of nanoparticles modified in-flight with silica or silica-organic coatings. Nanomaterials, 8(7), 530
Post, P., Wurlitzer, L., Maus-Friedrichs, W., & Weber, A. P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/nano8070530) - (2018). Mechanical stability measurements of surface modified nanoparticle agglomerates. Journal of Aerosol Science, 126, 33–46
Post, P., Bierwirth, M., & Weber, A. P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2018.08.007)
