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Modellierung der Dispergierbarkeit nanokristalliner Al2O3- und ZrO2-Pulver

Möller, Andreas :
Modellierung der Dispergierbarkeit nanokristalliner Al2O3- und ZrO2-Pulver.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2000)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Modellierung der Dispergierbarkeit nanokristalliner Al2O3- und ZrO2-Pulver
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit wird ein quantitatives Modell zur Beschreibung der Dispergierbarkeit von nanokristallinen ZrO2- und Al2O3-Keramikpulvern in wässrigen Flüssigkeiten ohne äußere Krafteinwirkung entwickelt. Hierzu werden die elektrostatischen, die van-der-Waals- und die Born-Kräfte bei pH-Werten von 2-4 und Elektrolytkonzentrationen von 0.1 bis 0.001 Mol/l berechnet und mit der Adhäsionskraft verglichen. Eine Dispergierbarkeit bis zur Primärteilchengröße von ca. 5 nm wird vorhergesagt, falls die berechnete Gesamtkraft zwischen den Kolloidpartikeln in Kontakt miteinander repulsiv ist und die entsprechende Adhäsionskraft übersteigt. Zur Berechnung der elektrostatischen Kraft wird die nichtlineare Poisson-Boltzmann-Gleichung unter der Bedingung der Dissoziation von Oberflächenhydroxidgruppen durch Finite-Elemente-Methoden gelöst. Die hierzu benötigten Parameter Oberflächenladungsdichte und Sternpotential werden durch experimentelle Bestimmung der Oberflächenladungsdichte und des Zetapotentials an den realen Suspensionen bestimmt . Es zeigte sich dabei, dass in Berechnungen bei pH-Werten weit entfernt vom isoelektrischen Punkt und bei hohen Elektrolytkonzentrationen Sättigungseffekte der Oberflächenladung und in der elektrolytischen Doppelschicht beachtet werden müssen. Die Berücksichtigung dieser Effekte ermöglicht Simulationen bei extremen pH-Werten und hohe Salzkonzentrationen. Al2O3 weist in der experimentellen Bestimmung eine weit höhere Oberflächenladungsdichte als ZrO2 auf. Dementsprechend werden für Al2O3 viel höhere elektrostatische Abstossungskräfte als für ZrO2 berechnet. Für Aluminiumoxid wird dabei eine repulsive Gesamtkraft berechnet, die unter bestimmten Elektrolytbedingungen die Adhäsionskraft übersteigt. Diese Al2O3-Suspensionen weisen in Einklang mit den theoretischen Modellvorstellungen in der Flüssigkeit eine Partikelgrößenverteilung analog der Primärteilchenverteilung im Pulver auf. Die Berechnungen für Zirkoniumoxid zeigen unabhängig von den Elektrolytbedingungen immer eine anziehende Wechselwirkung zwischen den Partikeln in Kontakt. Die Partikelgrössenverteilung der hergestellten Suspensionen ist breit mit einem Maximum bei 100 nm. Die Modellvorstellung ist somit in Einklang mit den experimentellen Beobachtungen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
A theoretical model is presented which describes the deagglomertion behavior of alumina and zirconia powders in aqueous suspensions at low pH (2-4) and high electrolyte concentrations (0.1 - 0.001 mol/l). Based on the assumption of two spherical particles the total interaction force consisting of van der Waals, Born and electrostatic forces is calculated and compared to the adhesion force. A repulsive net force exceeding the adhesion force leads to very small nanoparticles in the colloidal suspension comparable to the primary particle size of the powder (5 nm). In order to calculate the electrostatic forces between the particles the nonlinear Poisson-Boltzmann equation is solved using a finite element method. Dissociation of surface hydroxyl groups is used as the boundary condition on the particle surface (charge regulation). The surface charge density and the surface potential used in the calculations are compared with experimental values of the zetapotential and the surface charge. It was shown, that charge density saturation effects have to be considered at extreme pH values and high electrolyte concentrations. Integration of these saturation effects enables the calculation at conditions far away from the isoelectric point of the powder. Due to the higher surface charge densities of alumina higher repulsive electrostatic forces are calculated as compared to zirconia. In the case of alumina electrolyte conditions can be found for which the net force is repulsive for two particles in contact and exceeds the adhesion force. Suspensions prepared under these conditions show very narrow particle size distributions comparable to the primary particle size of the ceramic powder. This is in accordance with the theoretical predictions. In contrast zirconia particles always exhibit attractive total forces. Consequently, the medium particle size determined experimentally is more than one order of magnitude larger than the primary particle size of the powder.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:20
Last Modified: 07 Dec 2012 11:46
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000067
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-675
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Rödel, Prof. Dr. Jürgen
Advisors: Hahn, Prof. Dr. Horst
Refereed: 18 April 2000
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/67
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