Degussa-Hüls AG

Ansprechpartner: Dr. Andreas Gutsch International tätiges Unternehmen der Spezialchemie, das in der Produktion von hochdisperser Partikeln (Metalle, Metalloxide, Kohlenstoff) weltweit führend ist. Pigmente, Lackrohstoffe, Oberflächen, modifizierte Füllstoffe und Chemiekatalysatoren gehören ebenso zur Anwendungspalette von Degussa-Hüls wie Dentalwerkstoffe. Pyrogene Metalloxide (Aerosil) dienen als Füllstoffe für Silikonkautschuk, Kunststoffe sowie Farben und Lacke. Das Anwendungsspektrum der Lackrohstoffe reicht von der Lack- und Farbenindustrie über technische Kunststoffe für die Wachstumsbranchen Automobilindustrie, Elektroindustrie und Telekommunikation bis zu Farbpigmentdispersionen für Industriefarben und dekorativen Gebäudeanstrich. Bei den Füllstoffsystemen und Pigmenten bietet Degussa-Hüls mit Gummirußen, Gummisilanen und gefällten Kieselsäuren als einziges Unternehmen alle drei Komponenten für den rollwiderstandsreduzierten "Grünen Reifen" an.

Was steckt dahinter?  Projekthaus Nano-Materialien

Leiter Dr. Andreas Gutsch, Degussa-Hüls AG Das DFG-Projekt "Maßgeschneiderte Partikeln - Synthese, Konditionierung, Anwendung"- unter Federführung der Degussa-Hüls AG und Fraunhofer IKTS mit Beteiligung von 7 Universitäten (als NanoMat-Partner dabei die Degussa-Hüls AG, das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe sowie die Universitäten Darmstadt und Karlsruhe) hat bereits jetzt deutliche Akzente gesetzt. Es unterstützt maßgeblich den Transfer von Forschungsergebnissen aus den Hochschulen für die wirtschaftliche Verwertung, indem es die Technika der Degussa-Hüls AG für interdisziplinäre Forschergruppen öffnet, um so - durch effektive Nutzung der vorhandenen Ressourcen an apparativer Ausstatttung und vorhandenem Know-how - neue Systemlösungen und die Entstehung innovativer Technologien zu begünstigen. Das Ziel sind maßgeschneiderte Werkstoffe, die in einer Kreislaufwirtschaft verwendet werden. Existierende Normvorschriften werden in der gesamten Wertschöpfungskette berücksichtigt. Die Kosten des Projekts betragen rund 24 Mio DM. Von der Industrie erwarten die Kunden Produkte, die Ihren Anforderungen und Bedürfnissen möglichst genau entsprechen. Einige Beispiele verdeutlichen dies: Einen tiefschwarzen und zugleich matten Lack bringt eine Kombination aus schwarzen Rußpartickeln und Partickeln weißer Kieselsäure. Eine Oberfläche, die gleichzeitig kratzfest und transparent ist, ermöglicht einen Lack, der wenig verzweigte, kugelförmige Nanopartikel enthält. Der bei Sonnenschutzmitteln erwartete hohe Lichtschutzfaktor wird durch feinteiliges Titanoxid realisiert. Handy oder Computer sollen immer leistungsfähiger und zugleich kleiner werden. Voraussetzung: die Bauteile müssen immer kleiner werden. In möglichst kleinen Kondensatoren dienen Nanopartikeln dabei heute schon als Isolatoren. Hochmoderne Anwendungen von Aerosil sind das Polieren von Wafern, aus denen die Computerchips entstehen, sowie die Herstellung von Lichtwellenleitern. Bei allen diesen Anwendungen kommt es neben der chemischen Zusammensetzung vor allem auf Größe und Form der Partikeln an. Folgendes Beispiel macht dies sehr deutlich: Mit kugelförmigen Nanopartikeln erhält man einen Lack, der kratz- und stoßfest ist. Auf die geeignete Lackkonsistenz haben die kugelförmigen Nanopartikeln wenig Einfluß - auch keinen negativen. Die Viskosität von Lacken kann man jedoch mit eher kettenförmig verzweigten Nanopartikeln einstellen. Keramische Pulver sintern um so schneller zusammen, je kleiner die Partikeln sind. Durch die Steuerung der Partikelgröße können unterschiedliche Keramikpulver gleichzeitig zu neuen Bauteilen, zum Beispiel Sensoren, verarbeitet werden. Ziel ist es, Nanopartikeln in möglichst genau definierter Größe und Form zu erzeugen und damit nun Produkte für einen innovativen Markt und neue Anwendungen maßzuschneidern. Wenn verstanden wird, wie sich die Partikeln bilden, unter welchen Bedingungen sie wie größer werden und wann sie eher kugelförmig und wann eher verzweigt sind, dann kann der Herstellungsprozess gezielt beeinflusst werden. Genau das ist Ziel des Projekthauses. Und genau hier treffen die Interessen der Hochschulen und der Degussa-Hüls aufeinander.

Die millionenfache Vergrößerung eines Rußpartikels

Nanopartikel-Synthese

Der Erzeugung von Nanopartikeln und feinteiligen Stoffen ist eines gemeinsam: Die Teilchen werden aus einzelnen Molekülen aufgebaut. Diese Moleküle entstehen zum Beispiel bei der Verbrennung von Naphthalin für die Erzeugung von Ruß. Die Ausgangsmaterialien werden in Gasphasenreaktoren bei Temperaturen von bis zu 2.400 Grad Celsius verbrannt. In diesen Gasphasenreaktoren kondensieren die einzelnen Moleküle zu Partikeln. Wieviele das tun und wie sie das tun, bestimmt dann die Form der Teilchen. Gasphasenprozesse sind in der Regel reiner als naßchemische Routen. Aerosolprozesse haben das Potential, komplexe chemische Strukturen auszubilden. Prozeß und Produktkontrolle basieren in Aerosolprozessen auf einem hohen Niveau. Partikelgröße, Kristallbildung, Agglomerationsgrad, Porösität, chemische Homogenität, Stöchiometrie können in der Regel eingestellt und kontrolliert werden. Ein Aerosoltröpfchen ähnelt einem sehr kleinen Reaktor, so daß gebildete Phasen im Partikel eingeschlossen sind. Gasphasenprozesse sind in der Regel kontinuierliche Prozesse, so daß eine gleichbleibende Pulverqualität gewährleistet werden kann. Lit.: F. Eimar Kruis, Heinz Fissan, Aaron Peled, Journal Aerosol Sci. Vol.29, No 5/6: 511-535, 1998 Im Entstehungsprozeß sind zwei konkurrierende Mechanismen, die Koagulation und die Koalleszenz, von entscheidender Bedeutung. Dominiert die Koagulation, entstehen feinstrukturierte Aggregate, während bei koalleszenz-dominierten Prozessen unter Einwirkung hoher Temperaturen kompakte Partikeln produziert werden. Die Partikelbildung in einer "cooling flame", d.h. die Temperatur sinkt während der Partikelverweilzeit im Reaktor, kann in drei Phasen untergliedert werden. Erstens coagulationskontrolliertes Regime, zweitens coaleszenz-controlliertes Regime und drittens eine kurze Übergangszeit, in der Koagulation und Koaleszenz gleichzeitig auftreten (Abbildung a).

Nanopartikelsynthese (a) "cooling flame"; (b) "heating flame".

Bei einer "heating flame" Umgebung, d.h. die Temperatur steigt mit der Partikelverweilzeit (Abbildung b) kann das Partikelwachstum eine oder alle Phasen der "cooling flame" durchlaufen, je nach den Heizraten und der Umgebungstemperatur. Wenn die Verweilzeit ausreichend lang ist, können kugelförmige Partikeln entstehen, da die Temperatur die Schmelztemperatur erreicht und dadurch alle Aggregate kollabieren. In beiden Fällen sind die Partikeln in der Anfangsphase isoliert und kugelförmig, Dieser Zustand ist charakterisiert durch Koagulation mit unmittelbarer Koaleszenz, das heißt koagulationskontrolliert. Lit.: Yangchuan Xing, Daniel E. Rosner, Journal of Nanoparticle Research 1:277-291, 1999 In den Gasphasenreaktoren erfolgt die Partikelbildung innerhalb weniger Millisekunden. Diese kurze Zeit und die hohen Temperaturen machen es so schwierig, die Wachstumsmechanismen der Partikeln zu untersuchen. Die Mechanismen, die zu unterschiedlichen Teilchenformen und -größen führen, sollen hinreichend verstanden werden. Darauf aufbauend sollen Konzepte zur gezielten Beeinflussung der Partikelform und -größe entwickeln werden. Degussa-Hüls wird gemeinsam mit den Hochschulen mehrere völlig neue Gasphasenreaktoren für die Bildung von Nanopartikeln aufbauen und testen. Zugleich werden für die Forschungsarbeiten die bereits in Hanau-Wolfgang vorhandene Pilotanlage der Degussa-HüIs genutzt. Mit Hilfe modernster Messtechnik der Hochschulen sollen grundlegende Untersuchungen durchgeführt werden. Diese Erkenntnisse fließen in die Gestaltung der neuen Gasphasenreaktoren ein. Mit Hilfe der neuen Erkenntnisse und Techniken werden bei Degussa-Hüls neue Produkte für neue Anwendungen in hochinnovativen Märkten maßgeschneidert, gemeinsam mit den Kunden dicht an deren Bedürfnissen orientiert.

win-win Situation

Die intensive Art der Zusammenarbeit ist für Degussa-Hüls ebenso wie für die Hochschulprofessoren und die DFG neu. Die Hochschulen gehen mit ihrer Grundlagenforschung in die Industrie und Degussa-Hüls öffnet ihre Technika für die Wissenschaftler von den Universitäten. Profitieren werden wir alle davon. Die Hochschulwissenschaftler können ihre wissenschaftlichen Ergebisse direkt in einer Pilotanlage testen. Sie gewinnen zum einen neue Erkenntnisse für die Grundlagenforschung und zum anderen erleben sie die Anwendungsnähe ihrer Arbeiten. Degussa-Hüls profitiert von dem direkten Zugang zu den Ergebnissen der Grundlagenforschung. Das Unternehmen will damit Entwicklungszeiten zu innovativen Produkten, die auf die Bedürfnisse des Kunden zugeschnitten sind, deutlich verkürzen. Am Standort in Hanau-Wolfgang werden in den kommenden drei Jahren regelmäßig Wissenschaftler der Hochschulen ihre Experimente durchführen. "Wir haben das nötige Know-how, wir haben durch die Kooperation mit unseren Hochschulpartnern Zugang zur Grundlagenforschung, wir haben die nötige Markterfahrung, und wir haben einen hochinnovativen Markt mit attraktiven Wachstumsraten. Ich finde, die Bedingungen könnten nicht besser sein", kommentiert Dr. Alfred Oberholz, Vorstand der Degussa-Hüls AG. "Wenn ich sage, wir haben das nötige Know-how, so meine ich, dass der Umgang mit kleinen Teilchen für Degussa-Hüls seit vielen Jahren zum Alltag gehört. Aerosil und Ruß, keramische Farben, Chemie- und Autoabgaskatalysatoren sind nur einige Beispiele aus unserem Konzern für solch kleine Teilchen. In nahezu allen diesen Gebieten sind wir weltweit der führende Anbieter und blicken auf jahrzehntelange Erfahrung bei der Produktion und Vermarktung dieser Produkte zurück. Es lag daher nahe, diese Erfahrung im Projekthaus Nanomaterialien zu bündeln und den Blick auf die Gemeinsamkeit dieser zum Teil sehr unterschiedlichen Produkte zu richten: auf die Größe der Partikeln und die Herstellverfahren", so Oberholz weiter. Das Ergebnis: Chemiker, Materialwissenschaftler, Verfahrensingenieure und Betriebswirte aus unterschiedlichen Geschäftsfeldern und Konzernbereichen mit unterschiedlichen Erfahrungen und Blickwinkeln werden im Projekthaus interdisziplinär zusammenarbeiten. Anders ausgedrückt: Im Projekthaus werden die Experten zu einem Team zusammengeführt. Dies ist die Grundlage, auf der neue Produkte entwickelt und bestehende Produkte weiterentwickelt werden. Die enge Kooperation mit den beteiligten Universitäten garantiert exzellente Grundlagenforschung, die eine wichtige Voraussetzung für die anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung ist. Innovative Forschungsergebnisse werden schnell ausgetauscht und beschleunigen so Entwicklungsprozess und Markteintritt. Profitieren werden davon beide Seiten: Die Hochschulen, weil sie Ihre Ergebnisse aus der Grundlagenforschung im Pilotmaßstab erproben können. Der Degussa-Hüls-Konzern, weil er unmittelbaren Zugang zu den neuesten Ergebnissen der Hochschulforschung hat und zugleich die Produktionstauglichkeit der Entwicklungen prüfen kann. Es gibt Ihnen zugleich einen kleinen Einblick, wie bei Degussa-Hüls geforscht und entwickelt wird und wie ein effizientes Projektmanagement zum Ziel führt. Mit der Markterfahrung der Degussa-Hüls wird sicher gestellt, dass die Forschungsarbeiten im Projekthaus sich am Markt und am Bedürfnis der Kunden orientieren, denn zum Wesen der Innovation gehört der Erfolg am Markt. Allein für das Jahr 2001 wird das Marktpotenzial für Produkte, deren Gebrauchseigenschaften auf den speziellen Eigenschaften von feinen Teilchen beruhen, bereits auf rund 25 Milliarden DM geschätzt. Für Nanomaterialien werden stark wachsende Märkte erwartet. Die Liste reicht vom Polieren von Wafern, Metallen, Glas und Schmuck über Kondensatoren für die Elektrotechnik und Katalysatoren für die Chemie und für Automobile bis hin zur Herstellung von Lacken, Kunststoffen, Klebstoffen und Pigmenten.

Dr. Heike Mühlenweg, Verfahrenstechnikerin und Stipan Katusic, Techniker, forschn im Projekthaus Nanomaterialien.		Nanoskalige Partikel werden großtechnisch bei der ultrapräzisen Oberflächenbearbeitung von Wafern eingesetzt.