In situ Time-resolved Characterization of Particle Systems in the Continuous Synthesis Process by Means of a Newly-developed USAXS/WAXS Laboratory Camera
Final Report Abstract
Die Detektion der Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) bietet die Möglichkeit mit nur einer Messung umfassende Partikelinformationen zerstörungsfrei zu erhalten. Die gewonnenen Erkenntnisse erlauben eine Aussage über den Primärpartikeldurchmesser, den Agglomeratdurchmesser, die fraktale Dimension, die spezifische Oberfläche oder den Durchmesser von Mikroporen. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine bestehende Laborkamera hin zu einer simultanen Erfassung der Ultrakleinwinkel- (USAXS) und Weitwinkelstreuung (WAXS) erweitert. Zur Auflösung ultrakleiner Streuwinkel (q < 0,01 nm -1) wurde die bestehende fokussierende Röntgenoptik ersetzt. Dadurch gelang es, den Probe-Detektor-Abstand um den Faktor 2 zu erhöhen und den kleinsten auflösbaren Streuvektor um den Faktor 10 zu senken. Die simultane Detektion der Weitwinkelstreuung (0,1 < q ≤ 10 nm -1) ermöglicht Aussagen über Kristalleigenschaften der entstandenen Partikeln. Der Anschluss eines kontinuierlichen Reaktorsystems für eine nass-chemische Synthese in Kombination mit dem Einsatz eines zeitauflösenden Detektors erlaubt eine on-line Charakterisierung des Partikelbildungsprozesses sowie des Partikelwachstums in frühen Reaktionsstadien. Die Synthese von Silika-Nanopartikeln in einem wässrigen Sol-Gel-Prozess (Stöber-Prozess) diente als Modellsystem. Für eine optische Beschreibung der Partikelform, Größe und Oberflächenbeschaffenheit wurden TEM-Aufnahmen in die Bewertung mit einbezogen. Die Partikelgröße in Suspension wurde durch Messungen mit der dynamischen Lichtstreuung (DLS) bestimmt. Zum Vergleich mit den on-line Messungen mittels SAXS wurde das kontinuierliche Reaktorsystem zusätzlich an ein UV-Vis Spektroskop angeschlossen. Die Auswertung der UV-Vis Spektren sowie der TEM-Aufnahmen zeigen, dass es in den ersten Minuten der Reaktion zu einem Partikelwachstum kommt. Aufgrund eines nur sehr schwach ausgeprägten Streuverhaltens legen die SAXS-Messungen legen jedoch nahe, dass die Dichte der Partikel noch immer ähnlich der des umgebenden Fluids ist. Erst nach einem Kollaps der Partikel, welcher durch UV-Vis Spektren sowie der TEM-Aufnahmen beobachtet werden konnte, erhöht sich schlagartig die Partikeldichte. Der Zeitpunkt und die Ausprägung dieses Kollaps hängt dabei maßgeblich von der vorliegenden Reaktionstemperatur ab. Im Rahmen des Projekts konnte so gezeigt werden, dass mittels einer Kombination verschiedener Messtechniken ein strukutrelle Veränderungen der Partikel während der Synthese sowohl in-situ als auch on-line nachvollzogen werden kann.
Publications
- Continuous synthesis and in situ SAXS analysis of nanoscale microporous Stöber silica; 10th World Congress of Chemical Engineering, 01.-05. Oktober 2017, Barcelona, Spain
M. Meier, J. Ungerer, H. Nirschl
- Modification of a SAXS camera to study structures on multiple scales; Journal of Nanoparticle Research, 19 (2017) 321
A. Gutsche, M. Meier, X. Guo, J. Ungerer, H. Nirschl
(See online at https://doi.org/10.1007/s11051-017-4017-1) - Strukturuntersuchung hochporöser nanoskaliger Silica-Partikel mit Hilfe der Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS); Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen, 14.-17. März 2017, Dresden, Germany
M. Meier, J. Ungerer, A. Gutsche, H. Nirschl
- Continuous synthesis and in situ SAXS analysis of silica nanoparticles in liquid phase; 8th World Congress on Particle Technology 2018, 22.-26. April 2018, Orlando, Florida
M. Meier, J. Ungerer, M. Klinge, H. Nirschl
- Formation of porous silica nanoparticles at higher reaction kinetics; Powder Technology, 339 (2018) 801-808
M. Meier, J. Ungerer, M. Klinge, H. Nirschl
(See online at https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.08.069) - Synthesis of nanometric silica particles via a modified Stöber synthesis route; Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 538 (2018) 559-564
M. Meier, J. Ungerer, M. Klinge, H. Nirschl
(See online at https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2017.11.047)
