Ultradünne Beschichtung von fluidisierten Partikeln mit Hilfe von Aerosol

Beschichtete Partikel für verschiedene Anwendungen werden in der Regel durch Aufsprühen einer feststoffhaltigen Flüssigkeit auf mechanisch bewegte oder fluidisierte Kerne hergestellt. Jeder Sprühtropfen, der sich auf der Oberfläche eines Kernpartikels ablagert, hinterlässt nach dem Verdampfen des Lösungsmittels oder der Suspensionsflüssigkeit (vorzugsweise Wasser) einen festen Restbestandteil. Jede dieser Ablagerungen ist ein Baustein (BB) der Beschichtungsschicht. Allerdings sind die Sprühtröpfchen bei der derzeitigen Technologie recht groß (typischerweise 40 µm bei Zweistoffdüsen), so dass auch die BBs groß sind, was zu einer groben und dicken Beschichtung führt. Radikal dünnere und feiner aufgelöste Beschichtungen (bis in den Nanobereich) könnten auf fluidisierten Partikeln durch die Verwendung von Aerosol (mit Tröpfchendurchmessern um 1 µm oder weniger) anstelle des herkömmlichen Sprays erzeugt werden. Die Machbarkeit des entsprechenden Aerosol-Wirbelschicht-Beschichtungsverfahrens (AFB) wurde kürzlich in einem Proof-of-Principle-Experiment nachgewiesen. Auf dieser Grundlage zielt das vorliegende Projekt auf eine gründliche wissenschaftliche Untersuchung des neuartigen AFB-Verfahrens ab. Dazu gehören Batch-Beschichtungsexperimente mit Variation der Betriebsparameter, der Materialien sowie der Aerosolerzeugung und der Eintrittsbedingungen. Die Qualität der beschichteten Partikel wird mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie und verschiedener Bildanalysetechniken hinsichtlich der Schichtdickenverteilung innerhalb der Partikel, der Schichtdickenverteilung zwischen den Partikeln, der durchschnittlichen Porosität, der Porositätsverteilung und der Porengrößenverteilung eingehend charakterisiert. Gestützt auf diese einzigartigen Daten wird ein stochastisches (Monte-Carlo-)Modell entwickelt und parametrisiert, um den Aufbau von Beschichtungen auf einzelnen Partikeln und in der Partikelpopulation genau zu simulieren; außerdem in der Phase der Oberflächenbedeckung (möglicherweise mit Inselwachstum) und später (in der Phase des Schichtwachstums). Schließlich werden Messungen durchgeführt und ein Modell entwickelt, um die Feststoffausbeute des Prozesses vorherzusagen, was der Effizienz des Wirbelbetts beim Herausfiltern von Aerosoltröpfchen aus dem Gasstrom entspricht.

Ultrathin coating of fluidized particles by means of aerosol

Coated particles for various applications are usually produced by spraying solid-containing liquid on mechanically agitated or fluidized cores. Every spray droplet which is deposited on the surface of a core particle leaves behind a solid remnant after evaporation of the solvent or suspension liquid (preferably water). Each such deposit is a building block (BB) of the coating layer. However, spray droplets are quite large (typically 40 µm with two-fluid nozzles) in present technology, so that BBs are also large, resulting in coarse and thick coating. Radically thinner and finer resolved coating layers (down to the nanoscale) could be produced on fluidized particles by using aerosol (with droplet diameters around 1 µm or less) instead of common spray. Feasibility of the respective aerosol fluidized bed (AFB) coating process has recently been shown by a proof-of-principle experiment. On this basis, the present project aims at a thorough scientific investigation of the novel AFB process. This includes batch coating experiments with variation of operating parameters, materials, as well as aerosol generation and entrance conditions. The quality of coated particles is characterized thoroughly by scanning electron microscopy and various image analysis techniques in regard of intra-particle coating thickness distribution, inter-particle coating thickness distribution, average porosity, porosity distribution, and pore size distribution. Supported by such unique data, a stochastic (Monte Carlo) model is developed and parameterized to accurately simulate the buildup of coating layers on single particles and in the population of particles; Moreover, in the surface coverage period (possibly with island growth) and later on (in the coating layer growth period). Finally, measurements are conducted and a model is developed to predict solids yield of the process, which is equivalent to the efficiency of the fluidized bed in filtering aerosol droplets out of the gas flow.