Das von der IGF geförderte Projekt Kontinuierliche Plasmabehandlung von Pulvern für den optimierten Einsatz in flüssigen Matrices – KoPla optiMa läuft seit Mai 2024. Dabei ergänzen sich die beiden Forschungseinrichtungen Innovent e. V. und SKZ-KFE gGmbH mit dem Europäischen Zentrum für Dispersionstechnologien (EZD) mit ihren Kompetenzen auf dem Gebiet der Oberflächenfunktionalisierung und Charakterisierung.
Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Methode zur kontinuierlichen Oberflächenbehandlung von Pulvern unter Verwendung von atmosphärischen Plasmen sowie einer prozessbegleitenden Methode zur Bestimmung der Pulverbenetzbarkeit. Dadurch soll die Benetzung und Dispergierbarkeit von Pulver in Flüssigkeiten ohne die Zuhilfenahme von Prozessadditiven deutlich verbessert werden. Basis für das gemeinsame Projekt sind die erfolgreichen Arbeiten zur diskontinuierlichen Aktivierung diverser Pulver und der Nachweis einer erfolgreichen Abscheidung von chemisch Nickel-Dispersionsschichten mit eingebetteten Partikeln [1]. Die Erkenntnisse aus dem aktuellen Projekt sollen die Grundlage für die Entwicklung von kompakten und flexiblen Anlagen zur kontinuierlichen Plasmabehandlung von Pulvern im industriellen Maßstab bilden.
Als wirtschaftliches Fallbeispiel dient die nachhaltige Herstellung galvanischer Elektrolyten mit Pulverzusätzen zur Abscheidung von Dispersionsschichten, speziell für die Herstellung reibungsminimierender Oberflächen.
Produktionszweige wie die Oberflächenbehandlung / Galvanik arbeiten aktuell mit Tensiden als Additiv, deren Verwendung laut REACh-Verordnung der EU in den nächsten Jahren zum Teil stark eingeschränkt beziehungsweise verboten wird. Aktuell werden perfluorierte Kohlenwasserstoffe bei der Dispersionsstabilisierung verwendet. Alternative Additive oder Stabilisatoren haben häufig negativen Einfluss auf die Prozessperformance, wie beispielsweise eine nur temporäre Stabilität der Dispersionen. Hier stellt die Plasmabehandlung von Pulvern eine alternative Möglichkeit, zum Beispiel für die Herstellung homogener Dispersionselektrolyten für galvanische Schichten, dar.
Neben der Herstellung der Dispersionselektrolyte gibt es vielfältige weitere Anwendungen für den Einsatz von funktionalisierten Pulvern im Bereich der Oberflächentechnik und der Herstellung von Dispersionen (z. B. Slurries für chemisch-mechanisches Polieren, Pigment- und Lackdispersionen, Kunststoffpulver im 3D-Druck). In diesen und weiteren Bereichen werden für Funktionalisierungen und Materialoptimierungen verschiedenste Pulver benötigt, bei denen der Trend immer weiter in Richtung Verzicht auf Additive beziehungsweise hin zum Einsatz von bio-kompatiblen / umweltverträglichen Netz- und Dispergieradditiven geht.
Dispersionen von 10 g/l PEEK (l.), 10 g/l PI (mittig) und 30 g/l hBN (r.) in Wasser, Bilder aufgenommen zwei Minuten nach der Zugabe der Pulver (Bild: Innovent)
Eine besondere Herausforderung im Projekt ist die Behandlung von Partikeln im niedrigen µm- beziehungsweise submikronen-Bereich. Die Gewährleistung einer homogenen und reproduzierbaren Plasmafunktionalisierung solcher Partikel bei kontinuierlichem Pulvertransport erfordert eine neuartige, innovative Prozessgestaltung.
Skizze vom geplanten Pulvertransportsystem (Bild: Innovent)
Zweiter Schwerpunkt der Projektarbeit ist die Entwicklung einer prozessbegleitenden Methode zur Bestimmung der Pulverbenetzbarkeit. Mit Hilfe einer kompakten Methode für den At-line-Betrieb sollen schnelle und reproduzierbare Messungen in einem produzierenden Umfeld ermöglicht werden. Bei der Methode wird die zeitliche Änderung einer definierten Pulverschüttung oberhalb einer Flüssigkeit mit Hilfe eines Laser-Triangulations-Wegsensors bewertet. Vor allem im Bereich Prozessüberwachung sowie Qualitätssicherung soll diese Methode etablierte, jedoch aufwendigere Labormethoden ersetzen. Erste vielversprechende Messungen mit plasmabehandeltem Pulver und der neuartigen Messmethode wurden bereits innerhalb des Projekts durchgeführt.Susanne Frank
Literatur:
[1] S. Gerullis, A. Gerschütz, O. Beier, B.S.M. Kretzschmar, A. Pfuch, J. Schmidt, B. Grünler: Modification of powders by atmospheric pressure plasma and embedding into nickel Coatings; Surface Innovations 8 (2020) 304-314, https://doi.org/10.1680/jsuin.20.00016
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