SPP 2289:  Gestaltung von Synergien in maßgeschneiderten Mischungen heterogener Pulver: Hetero-Aggregationen partikulärer Systeme und deren Eigenschaften

• Fachliche Zuordnung: Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441399220

Das Mischen von dispersen Systemen (Partikeln und Pulvern) ist eine traditionelle Unitoperation der Verfahrenstechnik. Die Anwendungen von gemischten partikulären Systemen reichen von der Verarbeitung von Lebensmitteln, pharmazeutischen und chemischen Substanzen bis hin zur Materialverarbeitung und Werkstofftechnik. Das funktionelle Mischen verschiedener Partikeltypen (Heteroaggregation) hat das Potenzial, herausragende neue Eigenschaften von dispersen Produkten zu erzeugen, die von der Mischungszusammensetzung und von verschiedenen sekundären Prozessbedingungen abhängen. Dabei kann eine neue Produkteigenschaft durch den direkten Kontakt verschiedener Partikel (Heterokontakt) und damit durch die entstehende Grenzfläche zwischen den jeweiligen Teilkomponenten entstehen. Viele Anwendungen haben gezeigt, dass diese Heterokontakte von grundlegender Bedeutung für bestimmte funktionelle Eigenschaften sind. In den meisten Fällen resultieren die neuen Eigenschaften aus der Übertragung von Ladungen, Masse, Wärme, Kräften oder Momenten, ohne dass es einer chemischen Reaktion der Komponenten bedarf. Die Qualität eines solchen Partikelgemisches hängt also direkt mit den Kontaktstellen und Grenzflächen der verschiedenen Partikel und den Details der Wechselwirkung zwischen ihren Spezies im Kontakt zusammen. Die neue Eigenschaft aus der Kontaktzone steuert die Material- und Produkteigenschaften des gesamten Systems, das im Kontext des SPP als Heterokontakt bezeichnet wird. Direkte Informationen über die Qualität des Heterokontakts (z. B. Anzahl der Kontakte, Transporteigenschaften zwischen verschiedenen Partikelsorten) könnten daher die Basis für eine grundlegende Beschreibung der neuen Eigenschaften des Partikelgemischs. Gleichzeitig muss der Heteroaggregationsprozess zur Erzeugung solcher Heterokontakte untersucht und kontrolliert werden. In den verbleibenden drei Jahren des SPP konzentriert sich die Forschung verstärkt auf spezifische Materialfunktionen der heteroaggregierten partikulären Systeme, die nachgewiesen und mit den Prozessparametern verknüpft werden. Dieser Schwerpunkt stellt wiederum besondere Anforderungen an angepasste Prozessmess- und -regeltechniken sowie an die Material- und Partikelcharakterisierung. Im Einzelnen ergeben sich die folgenden Ziele: - Nutzung der bisherigen Erkenntnisse für mehrstufige Prozesse zur Erzeugung von Hetero-Aggregaten mit integrierter Prozessführung. Dazu gehören Aerosolprozesse zur definierten Erzeugung von Heteroaggregaten, mit einer adäquaten Prozessdiagnostik zur Detektion von Mischungsvorgängen. - Nutzung und Kopplung verschiedener CFD-, Partikel- und Reaktionsmodelle und Aufbau einer ganzheitlichen Simulationsumgebung zur Auslegung von Materialfunktionen. - Etablierung von Standardverfahren zur Charakterisierung von Heteroaggregaten im Submikrometerbereich unter Nutzung von Probenzügen aus schnellen Aggregationsprozessen und tomographischen Methoden zur Charakterisierung von Heteroaggregaten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Internationaler Bezug: USA

Projekte

• Bildungsdynamik von Heteroaggregaten in der dispersen Phase – Modellierung, Simulation und Experimente (Antragsteller Kaiser, Sebastian ;  Wlokas, Irenäus )
• Bipolarer Elektrospray für die Synthese von definierten Hetero-Aggregaten: Prozessdesign und in situ Diagnostik (Antragsteller Weber, Alfred ;  Will, Stefan )
• DeepMixing II – Anpassung der Eigenschaften von Halbleiter-Metalloxid-Nanopartikel-Heteroaggregat-Sensoren aus einer Aerosol-Mischungszone (Antragsteller Barsan, Nicolae ;  Mädler, Lutz ;  Rosenauer, Andreas )
• Formulierung von Hetero-Aggregaten in kontinuierlich betriebenen Fließbett-Gegenstrahlmühlen (Antragsteller Bück, Andreas ;  Schmidt, Jochen )
• Hetero-Agglomeration durch hochenergetische Mischprozesse (Mechano-Fusion) - Ein integrierter Ansatz zur Synthese maßgeschneiderter Hetero-Agglomerate durch die Kombination von Experimenten mit 2D- und 3D-Strukturaufklärung mittels Bildanalyse und stochastischer Modellierung. (Antragsteller Peuker, Urs ;  Schmidt, Volker )
• Hetero-Aggregation von kolloidalem Silika und Carbon Black in einer Flamme (Antragsteller Rhein, Frank )
• Heteroaggregation feiner Partikel in der Überschallströmung für die maßgeschneiderte Oberflächenbeschichtung (Antragsteller Antonyuk, Sergiy )
• Heteroaggregation fluidisierter Nanopartikel und feststoffhaltiger Aerosoltropfen (Antragsteller Tsotsas, Evangelos )
• Heteroaggregation von Nanopartikeln in konvektiven Strömungen (Antragsteller Kronenburg, Andreas )
• Heterokontakte in funktionellen Oxidaggregaten: Deskriptoren für Heterogenität, Aggregatdesign und Prozesssimulation für nanostrukturierte optische Preformmaterialien (Antragstellerinnen / Antragsteller Wondraczek, Lothar ;  Wondraczek, Katrin )
• Hybride Modellierung der Heteroagglomeration in gasgetragenen Strömungen mittels CFD-DEM-Simulation und Methoden des maschinellen Lernens (Antragsteller Schilde, Carsten )
• Ionen- und Elektronen-leitfähige Hetero-Aggregate für elektrochemische Anwendungen (Antragsteller Janek, Jürgen ;  Kwade, Arno )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Mädler, Lutz )
• Ladungsinduzierte Mischung von Partikeln für die Herstellung von strukturierten Materialien und ihre umfassende Charakterisierung (Antragsteller Peukert, Wolfgang )
• Laser-optische In-situ-Detektion und Abbildung der Heteroaggregation in der Gasphase (Antragsteller Endres, Torsten )
• Maßgeschneiderte Heteroaggregate aus der Gasphasensynthese für heterogen katalysierte transiente Reaktionen (Antragsteller Güttel, Robert ;  Mädler, Lutz )
• Numerische Vorhersage der Zusammensetzung von Hetero-Aggregaten aus Elektrospray-Prozessen und deren produktorientierte Optimierung (Antragsteller Sommerfeld, Martin )
• Quantifizierung der Mischungszone und Intensivierung des Mischungsprozesses von zwei Nanopartikel erzeugenden Flamen zum Design von Heterokontakten (Antragsteller Fritsching, Udo ;  Mädler, Lutz )
• Realisierung und Analyse der strahlbasierten direkten Mischagglomeration in der Gasphase zur Bildung von Heteroagglomeraten mit neuen Eigenschaften (Antragsteller Kruggel-Emden, Harald ;  Schmidt, Eberhard )
• Strahlschichtprozessierung zur Strukturierung von leitfähigen Hetero-Batterieaggregaten (Antragsteller Heinrich, Stefan )
• Verbesserung der Gasphasensynthese von elektrokatalytischen Hetero-Aggregaten durch hochentwickelte Diagnostik und Leistungsbewertung (Antragsteller Endres, Torsten ;  Wiggers, Hartmut )

• Sprecher: Professor Dr.-Ing. Lutz Mädler