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aktualisiert am 15. April 2024

ISBN 9783843933131

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978-3-8439-3313-1, Reihe Verfahrenstechnik

Franziska Toni
Herstellung von maßgeschneiderten Kohlenstoffnanoröhrchen in einem Flugstromreaktor mittels des "floating catalyst"-Verfahrens

315 Seiten, Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg (2017), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) haben aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit (elektrische und thermische), der hohen Zugfestigkeit und ihrer geringen Dichte viele potentielle Anwendungsgebiete. Bis zu dem heutigen Zeitpunkt sind bis auf wenige kleinere Anwendungen noch keine Produkte in denen CNTs verarbeitet wurden in Großserie auf dem Markt, da die meisten kommerziell erhältlichen CNTs in stark verschlauften Strukturen (Agglomeraten) vorliegen und nicht als einzelne Einheit. Um die Eigenschaften der CNTs auf eine Matrix, z. B. eine Polymermatrix, übertragen zu können, müssen die CNTs vereinzelt vorliegen. Sie müssen innerhalb der Polymermatrix ein Netzwerk bilden, d. h. sie müssen sich kontaktieren. Die Dispergierung kompakter CNT-Agglomerate ist nur in geringem Umfang möglich.

Ein Hauptziel dieser Arbeit war es, einen Reaktorkonzept zu entwickeln, in dem leicht dispergierbare CNTs hergestellt werden können. Dazu wurde das "floating catalyst"-Verfahren ausgewählt. Die CNT-Synthese mittels dieses Verfahrens kann als Katalysatorpartikelbildungsprozess mit überlagerter chemischer Reaktion (CNT-Wachstum) angesehen werden. Dabei gibt das Katalysatorpartikel u. a. den Durchmesser des CNTs vor. Das "floating catalyst"-Verfahren ermöglicht es über die Prozess-Parameter die Eigenschaften der Katalysatorpartikeln und somit der CNTs einzustellen.

Wichtige ausgewählte Prozessparameter, wie der Metall- und der Kohlenstoff-Präkursor-Partialdruck, die Strömungsgeschwindigkeit, die Verweilzeit, der verwendete Kohlenstoff-Präkursor und der Einfluss von Additiven wurde untersucht. Es zeigte sich, dass über das Einstellen der Prozessbedingungen entweder MWNTs, Kohlenstoffnanofasern ( CNFs), Kern/Hülle-Nanopartikel oder SWNTs erhalten werden.

Für den Prozess ist eine geringen Katalysatorpartikelanzahl in der Gasphase notwendig. Dennoch kann die Aufskalierung des Prozesses über ein "numbering up" erfolgen. Das "numbering up" kann über mehrere parallel geführte Reaktoren oder über einen großen Reaktor mit mehreren Zuführstellen realisiert werden. Durch die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen ist das Verhalten einer "Zuführstelle" bekannt und somit ist auch das Verhalten des gesamten Reaktors, bestehend aus mehreren Zuführstellen bekannt. Auf Basis dieser Arbeit und des entwickelten Modells kann nicht nur ein "numbering up" realisiert, sondern auch die Produktart (MWNTs, SWNTs oder Kern/Hülle-Nanopartikel) gezielt eingestellt werden.