Über den Entstehungsprozess poröser Strukturen am Beispiel der Partikelbildung von kolloidalem Silika und der Haufwerksbildung von gefällter Kieselsäure

Seit fast einhundert Jahren stellt nanoskaliges Silika einen wichtigen Zusatzstoff fur eine Vielzahl an Produkten und Anwendungen dar. Die Einsatzmoglichkeiten erstrecken sich dabei von Fullstoffen, Stabilisatoren und Bindemitteln im industriellen Masstab bis hin zu Spezialprodukten mit definierter Grose, Form und Reinheit. Gangige Verfahren fur die Herstellung von fraktalen Strukturen sind die Flammenpyrolyse und die Fallung, wohingegen sich das Sol-Gel-Verfahren hervorragend fur die Synthese kugelformiger, kolloidaler Silika-Nanopartikel mit definierter Partikelgrosenverteilung eignet. Der Porositat von nanoskaligem Silika kommt in vielen Anwendungsfallen eine besondere Rolle zu, da diese masgeblich zur Leistungsfahigkeit der Produkte beitragt. Die Grundlage der Arbeit bilden Messtechniken mit unterschiedlichen Prinzipien, um charakteristische Grosen von Partikeln und Haufwerken in verschiedenen Strukturdimensionen aufzulosen. Die Entstehung von porosen Strukturen in Silika- Nanopartikeln ist eng mit dem Partikelbildungsprozess verbunden. Das Augenmerk liegt auf der Erarbeitung geeigneter Synthesebedingungen fur die Auflosung der relevanten Vorgange bei der Ausbildung poroser Strukturen. Hohere Wachstumsgeschwindigkeiten fuhren zu kleineren Partikelgrosen bei gleichzeitig groseren inneren Oberflachen. Wohingegen SAXS-Messungen Porenstrukturen auch bei niedrigeren Reaktionstemperaturen detektieren, hangt deren Zuganglichkeit fur die Stickstoffadsorption masgeblich von der Reaktionstemperatur ab. Bei niedrigeren Reaktionstemperaturen steigt der Einfluss einer inneren Nachverdichtung auf die Partikelstruktur, wodurch die fur eine Stickstoffadsorption zugangliche Oberflache abnimmt. Zeitaufgeloste TEM-Aufnahmen und eine Nachverfolgung der Anderung der charakteristischen Wellenlange mit Hilfe der UV-Vis Spektroskopie bestatigen die Existenz einer sprunghaften Abnahme in der Partikelgrose innerhalb der ersten Minuten der Reaktion. Eine Korrelation der Messdaten aus der UV-Vis Spektroskopie und der SAXS-Messungen verdeutlichen einen zeitlichen Zusammenhang zwischen der Anderung der Partikelgrose und der Partikeldichte. Gegenuber der Ausbildung poroser Strukturen in Partikeln wahrend der Partikelbildung liegt der Fokus in der Entstehung poroser Haufwerke in der Ausbildung des Schuttgutes selbst. Die Charakterisierung und Modellierung der Aggregatstruktur bilden dabei die Grundlage fur eine realitatsnahe Beschreibung der Haufwerksstruktur von gefallter Kieselsaure. Die untersuchten Aggregate aus Kieselsaure besitzen bei einer Grose von etwa 120nm und einer fraktalen Dimension von annahernd zwei eine scheiben- bis kugelformige Struktur. Aggregate bestehend aus wenigen dutzend Primarpartikeln neigen zur Ausbildung von scheibenformigen Aggregaten. Demgegenuber bilden Aggregate aus mehr als 100 Primarpartikeln trotz ahnlicher Werte fur die fraktale Dimension tendenziell kugelformige Aggregatstrukturen aus. Eine bessere Annaherung der berechneten an die gemessenen Verlaufe der Warmeleitfahigkeit uber dem Restdruck im Haufwerk durch eine Kombination aus Mess- und Simulationsdaten zeigt, dass durch die Verwendung eines numerischen Ansatzes zur Bestimmung der Haufwerksstruktur Aussagen uber ein reales Haufwerk moglich sind, die messtechnisch nicht zur Verfugung stehen. Im Hinblick auf die Porengrosenverteilung innerhalb des Haufwerkes betrifft dies insbesondere nanoskalige Poren kleiner 100nm. Den Verlauf der Warmeleitfahigkeit beeinflussen sie jedoch uber den gesamten Druckbereich. Um die Warmeleitfahigkeit bei Normaldruck zu senken, musste der Anteil an grosen Poren im Haufwerk reduziert werden. In diesem Grosenbereich unterscheiden sich die hier untersuchten Proben trotz ihrer sehr unterschiedlichen Aggregatstruktur nur geringfugig.