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Labormühle Planeten-Kugelmühlen erlauben die Herstellung von Nanopartikeln

| Autor / Redakteur: Gerhard Beckers / Dr. Ilka Ottleben

Die Anwendungsmöglichkeiten von Nanopartikeln sind so vielfältig wie ihre Form und Eigenschaften. Technisch lassen sich die „Zwerge“ beispielsweise durch Vermahlung größerer Partikel erzeugen. Planeten-Kugelmühlen erreichen die für diese Nanovermahlung nötigen Energieeinträge.

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Abb. 1: In der Planeten-Kugelmühle ermöglichen Zentrifugal- und Corioliskräfte die Nanovermahlung.
Abb. 1: In der Planeten-Kugelmühle ermöglichen Zentrifugal- und Corioliskräfte die Nanovermahlung.
(Bild: Retsch)

Nanopartikel sind sehr feine Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 100 nm. Sie werden seit vielen Jahren intensiv erforscht, eröffnen sie doch in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten, beispielsweise bei der Entwicklung von Halbleiter- oder Oberflächeneigenschaften, vollkommen neue Möglichkeiten: Der so genannte Lotuseffekt, das heißt die geringe Benetzbarkeit einer Oberfläche, die dadurch selbstreinigende Eigenschaften erhält, wird beispielsweise wesentlich durch eine spezielle nanoskopische Architektur vermittelt. Eigenschaften wie der Lotuseffekt gewinnen zunehmend technische und wirtschaftliche Bedeutung. Halbleiter-Nanopartikel hingegen sind dadurch gekennzeichnet, dass bei ihnen die Emission nicht allein von den Materialeigenschaften sondern auch von der Größe der Partikel abhängt. Auf diese Weise lässt sich die Emissionsfarbe hier auch über die Partikelgröße variieren. Solche Halbleiter-Nanopartikel sind in unterschiedlichen Anwendungsgebieten gefragt. Mit ihrer Hilfe lassen sich so beispielsweise fluoreszenzmarkierte Biopolymere oder medizinische Präparate mittels Vielfarbenanalyse detektieren und darstellen.

Für die Herstellung von Nanopartikeln gibt es verschiedene Techniken: Im so genannten Bottom-Up-Verfahren werden die Partikel aus Atomen und Molekülen synthetisiert, während bei der so genannten Top-Down-Methode größere Partikel durch Vermahlung auf Nanometergröße zerkleinert werden. Dieses Top-Down-Verfahren kann in einer Planeten-Kugelmühle erfolgen, wie der PM 100, der PM 200 oder der PM 400 von Retsch. Durch spezielle Krafteinwirkungen erreichen diese Mühlen den für eine Nanovermahlung notwendigen Energieeintrag und ermöglichen auf diese Weise die schnelle Zerkleinerung von Partikeln bis in den Submikron-Bereich.

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Das „planetarische“ Prinzip

Zur Vermahlung in einer Kugelmühle füllt man einen Mahlbecher mit dem Probengut und Mahlkugeln, die aus dem gleichen Werkstoff bestehen wie der Becher. Die Zerkleinerung wird durch die Interaktion von Mahlkugeln, Probengut und Becherwand bewirkt und funktioniert sowohl für weiche, harte, spröde als auch für faserige Materialien. Bei der Planeten-Kugelmühle können je nach Modell ein oder mehrere Mahlbecher benutzt werden, wobei jeder einen „Planeten“, d.h. eine Mahlstelle, belegt. Sie befindet sich auf einer runden Plattform, dem so genannten Sonnenrad. Wenn sich das Sonnenrad dreht, rotiert jeder „Planet“ (Mahlbecher) auch um seine eigene Achse, aber in die entgegengesetzte Richtung. So werden Zentrifugal- und Corioliskräfte wirksam, die zu einer erheblichen Beschleunigung der Mahlkugeln führen (s. Abb. 1). Dadurch wird die Zerkleinerungsenergie sehr groß, was die Herstellung feinster Partikel ermöglicht, wie sie in anderen Kugelmühlen nicht machbar ist. Die enorme Beschleunigung der Mahlkugeln von einer Becherwand zur anderen erzeugt eine starke Prallwirkung auf das Probengut und bewirkt zusätzliche Zerkleinerungseffekte durch Reibung. Für Kolloidvermahlungen und die meisten anderen Anwendungen ist das Übersetzungsverhältnis zwischen Drehzahl des Sonnenrades und Drehzahl der Mahlbecher 1:-2. Für Anwendungen, bei denen eine höhere Prallwirkung erzielt werden muss, können Planetenmühlen mit anderen Übersetzungsverhältnissen eingesetzt werden, was einen großen Vorteil dieser Technik gegenüber anderen Mahltechniken darstellt.

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