Partikeldesign der Zukunft

Hybridization-System zur Verarbeitung von Nanopartikeln

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16.02.2009 Nano-Marker für die Verfolgung von Stoffwechselvorgängen, nanobeaufschlagte Bifidusbakterien, Nanoteilchen, die das Verhalten von Mikrometerpartikeln in Lebensmitteln beeinflussen und dadurch den Geschmack verändern – es vergeht kaum ein Tag, an dem nicht derartige Meldungen aus dem Nanokosmos in wissenschaftlichen Fachblättern veröffentlicht oder der breiten Öffentlichkeit präsentiert werden. Neue Technologien machen es möglich. Neben chemischen können auch rein physikalische Verfahren in diesen Größenbereichen eingesetzt werden.

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Nanopartikel versprechen zwar ungeahnte Anwendungen und Möglichkeiten, setzen andererseits aber auch im Umgang mit ihnen große Fertigkeiten voraus, zum Beispiel dann, wenn die Partikel trocken verarbeitet werden müssen. Ein einfaches und dennoch effektives Verfahren zur Verarbeitung solch kleiner Partikel bietet das Hybridization-System (NHS). Insbesondere in der Forschung und Entwicklung, aber auch für die Produktion in den Bereichen Pharma, Food oder Chemie bietet die Kombination von Pulvern ungeahnte Möglichkeiten. Das NHS arbeitet als rein trockener und mechanischer Prozess, so dass es problemlos zu handhaben ist. Mithilfe dieses Systems lassen sich außergewöhnliche Materialeigenschaften und Funktionalitäten erzielen, die Potenziale für Produktinnovationen in fast allen Technikfeldern und Wirtschaftsbranchen eröffnen.

Wie lassen sich Nanopartikelverarbeiten?

Direkt als disperse Teilchen vorliegend werden Nanopartikel im Allgemeinen nicht verarbeitet, da sie aufgrund der hohen Oberflächenkräfte agglomerieren, also aneinander „anbacken“. Aber auch wenn Nanopartikel frei vorliegen, sind diese schwer zu beherrschen, da sie durch sehr viele Filtermaterialien und Oberflächen durchtreten können. Deswegen werden Nanopartikel meist gebunden verarbeitet. Hier bieten sich vor allem zwei Methoden an. Zum einen können Nanopartikel in der zweiten Dimension, an ebenen oder unebenen ausgedehnten Flächen oder an Pulveroberflächen gebunden zum Einsatz kommen. Innerhalb von Partikeln können Nano-partikel jedoch auch in der dritten Dimension, das heißt fein über das Volumen verteilt, vorliegen.

Allein dieser Unterschied des dimensionalen Einsatzes führt zu ganz verschiedenen Einsatzgebieten. Welche Eigenschaften sollen die neuen und innovativen Nanoprodukte besitzen? Auf Pulver und Partikel bezogen können dies zum Beispiel sein:

  • gute oder bessere Fließfähigkeit,
  • schnellere Dispergierbarkeit,
  • bessere Benetzbarkeit,
  • verringerte Benetzbarkeit oder Hydrophobisierung sowie
  • Geschmacksmaskierung.

Hierfür ist das Hybridization-System geeignet. Es stellt ein besonders schnelles und effektives Verfahren dar, um neuartige Kombinationen feinster Partikel im Mikrometer- und Nanometerbereich mit exakt definierten Eigenschaften herzustellen. Beim Hybridizer werden die Pulver – in der Regel sind es zwei –, zunächst miteinander vermischt. Das Pulvergemisch wird anschließend in den Prozessraum des Hybridizers, das Kernstück des Systems, gefüllt. Große Prallkräfte verbinden die Partikel mit Hilfe eines umlaufenden Rotors und eines Stators. Eine diskontinuierliche Verfahrensweise und ständige Rückführung der Pulvermischung gewährleistet das Bearbeiten aller Partikel in gleicher Weise. Somit entsteht ein in seinen Eigenschaften sehr homogenes Produkt. Die Kapazitäten dieses Prozesses variieren von 10g/Batch bis zu 250kg/h. Sehr vorteilhaft für die Forschung sind die kurzen Behandlungszeiten – ein Batch ist in wenigen Minuten fertiggestellt.

Welche Verfahren sind möglich?

Bessere Fließfähigkeit durch diskrete Beschichtung (Einbettung): Kleine Partikel (10nm) werden in die Oberfläche eines Kernmaterials (1 bis 500?m) eingebettet. Die Fließfähigkeit wird erhöht, da die feine Komponente auf der Oberfläche der größeren Körner wie eine Gleitebene wirkt. Die Kohäsion (Bindekraft) der Mikrometer-Partikel untereinander und die Adhäsion (Anhaften) der größeren Partikel an den Maschinenoberflächen wird reduziert oder gar eliminiert.
Bessere Fließfähigkeit bzw. Dispergierbarkeit durch Abrundung: Durch die Verminderung der Kanten und Ecken wird das Haften und Verhaken der Partikel aneinander verringert und damit das Fließverhalten verbessert. Dieses Abrunden ist für duktile (plastisch verformbare) Materialien möglich. Dazu zählen unter anderem Metalle, ihre Legierungen und viele Polymere. Partikel, die in einer Richtung kleiner als 100nm sind, lassen sich aufgrund der geringen molekularen Kräfte in dieser Ebene deformieren. Beispiele hierfür sind Talk und Graphit.
Änderung der Benetzbarkeit durch kontinuierliche Beschichtung (Filmbeschichtung): Im Falle der Benetzung mit Wasser sollten die Feinstpartikel hydrophil, also wasserliebend sein. Umgekehrt sollten die Feinstpartikel hydrophob, also wasserabweisend sein, wenn der Kern nicht mit Wasser in Berührung kommen soll. In Abhängigkeit von seiner Oberflächenbeschichtung ist das Kernpartikel nach der Beschichtung mit entsprechenden Feinstpartikeln hydrophil oder hydrophob. Bei den bis jetzt beschriebenen Fällen handelt es sich um Oberflächenbeschichtungen. Die Pulver werden im Herstellungszustand verwendet. Der gewünschte Effekt ist ein Oberflächeneffekt. Dieser Effekt kann durch Knetprozesse vermindert werden, da Teile der beschichteten Oberfläche ins Innere des Kerns verlagert werden. Wird ein Prozess im Volumen durchgeführt, ist es möglich, das Pulver anschließend durch Umformprozesse ohne jegliche Einschränkungen weiterzuverarbeiten. Im Hybridizationsverfahren werden dabei Nanopartikel in die Mikrometerpartikel einschlagen. Auf diese Weise lassen sich Eigenschaften von Nanopartikeln verbergen. Das Produkt verhält sich wie die Mikrometerpartikel.
Geschmacksmaskierung: Durch Penetration eines bitteren Arzneiwirkstoffes in einen Träger ist es möglich, ein geschmacksneutrales Medikament zu erzeugen.

Gezielt die Oberfläche verändern

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das Hybridization-System insbesondere für die Veränderung von Oberflächeneigenschaften und -strukturen von Pulvern geeignet ist. Es können also gezielt unterschiedliche Strukturen auf einer Oberfläche erzeugt werden. Die Applikation von sehr feinen Partikeln, die deformierbar sind, kann zur Erzeugung einer vollständigen Filmbeschichtung der größeren Partikel eingesetzt werden. Auch für harte Beschichtungsmaterialien lässt sich wie für weiche Beschichtungsstoffe durch die Menge des eingesetzten Materials die Beschichtungsdichte der Oberfläche variieren und damit gezielt eine Nanooberflächenstruktur auf Mikrometerpartikeln herstellen.

Heftausgabe: Februar-März 2009
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Über den Autor

Wilfried Pieper, Niederlassungsleiter Nara Machinery Europe
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