PORTFOLIO

Pulver ist die vorherrschende Produktform in der chemischen und pharmazeutischen Industrie. Auf Grund der Kohäsionskräfte zwischen den einzelnen Pulverkörnern verstopfen bei der Verarbeitung von feinem Pulver oft Leitungen und Maschinen, was zu einem erhöhten Wartungsaufwand führt. Zusätzlich ist die Dosierung von kleinen Pulvermengen deutlich erschwert. Eine Herausforderung bei der Verarbeitung von Polymerpulvern ist deren schlechte Benetzbarkeit mit polaren Flüssigkeiten wie Wasser. Dadurch wird die Produktion von stabilen Pulveremulsionen oder Pasten ohne den Einsatz von umweltschädlichen Substanzen praktisch verhindert.

Im Rahmen dieses Projekts werden Plasmaprozesse zur Oberflächenbehandlung von Pulvern eingesetzt, um deren Benetzbarkeit und Fliessfähigkeit zu verbessern. Plasma ist ein ionisiertes Gas, welches sowohl neutrale Teilchen, wie auch Ionen und freie Elektronen enthält.

Sogenannte «nicht-thermische Plasmen» bieten aufgrund ihrer speziellen Zusammensetzung die Möglichkeit die Partikeloberfläche bei annähernd Raumtemperatur zu verändern. So werden mittels eines Sauerstoff enthaltenden Plasmas hydrophile Gruppen auf der Oberfläche abgelagert, was zu einer besseren Benetzbarkeit führt. Zur Verbesserung der Fliessfähigkeit werden im Plasma produzierte Nanopartikel auf die Pulveroberfläche aufgebracht, diese vergrössern die Distanz zwischen den Pulverkörnern. Dadurch verringern sich die anziehenden Kräfte zwischen den einzelnen Partikeln und die Fliessfähigkeit des Pulvers erhöht sich.

Beide Eigenschaften können in einem Niederdruckplasma (~1 mbar) bereits erfolgreich verbessert werden. Da sich für die industrielle Anwendung dieser tiefe Druck aus Kosten- und Prozessgründen nicht eignet, wird in diesem Projekt die Verbesserung der genannten Eigenschaften bei atmosphärischen Druck realisiert und eine im industriellen Massstab funktionierende Anlage entwickelt.

Um die Fliessbarkeit von Pulvern zu verändern werden bis jetzt Nanopartikel zum Pulver hinzugegeben und in langen Mixverfahren gemischt. Diese sowohl zeit- und energieintensive Methode ist meist aber nicht wirtschaftlich. Weiter ist die Homogenität zwischen einzelnen Batches und innerhalb eines Batches (Totvolumen) schwierig zu kontrollieren und zu steuern. Die Verbesserung der Benetzbarkeit von Polymerpulvern wird in der Industrie mit umweltschädlichen Substanzen erreicht.

Die in diesem Projekt angewandte Methode stellt eine schnellere, kostengünstigere und homogenere Alternative zu den umweltschädlichen beziehungsweise energieintensiven Methoden dar.

Die Tests zur Verbesserung der Benetzbarkeit wurden durchgeführt und zeigen, dass eine positive Veränderung möglich ist. Ein neues Reaktorkonzept mit einer erhöhten Anzahl reaktiver Spezies im Kontakt mit dem Pulver ist jedoch nötig, um die Behandlungszeit reduzieren zu können.
Für die Fliessbarkeitsverbesserung wurde ein Reaktorkonzept entwickelt und getestet. Eine Laboranlage wurde aufgebaut, welche bei Atmosphärendruck Pulver in genügend grosser Menge behandeln kann, um danach die Fliessfähigkeit messen zu können. Die Fliessfähigkeit von ursprünglich kohäsivem Laktosepulver konnte in den von der Industrie geforderten leicht fliessfähigen Bereich verbessert werden.
Dank einer Kooperation mit der ETH Lausanne wird das Projekt nun dort weitergeführt. Während eines KTI Projekts zur Entwicklung einer neuen Plasmaquelle im Niederdruck, konnte die Gruppe um Prof. Ivo Furno am Swiss Plasma Center der ETH bereits erste Erfahrungen in der Behandlung von Pulvern sammeln. Die Pilotanlagen werden an die Gruppe übergeben.

G. Oberbossel, et al., Plasma Processes and Polymers. 13 (9), 2016
R. Wallimann, et al., HAKONE XV High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry Symposium,
Brno CZ, 11.-16.September 2016
G. Oberbossel, et al., Plasma Processes and Polymers. 14 (3), 2017
R. Wallimann, et al., The European Physical Journal Applied Physics. 79 (2), 2017
R. Wallimann, et al., 10th International Conference on Plasma Science and Application,
Nakhon Si Thammarat, Thailand, 10.-12. Oktober 2017
R. Wallimann, et al., 70th Annual Gaseous Electronics Conference
Pittsburgh, PA, USA, 6.-10. November 2017
R. Wallimann, et al., Plasma Processes and Polymers. 15 (5), 2018
R. Wallimann, et al., Plasma Processes and Polymers. 15, 2018