Kolloidprozesstechnik
Colloid Process Technology

Kolloide sind Systeme, bei denen Teilchen mit charakteristischen Größen von 1nm bis 1µm in einem anderen Stoff - meistens einer Flüssigkeit - feinverteilt (dispergiert) sind. Die Teilchen sind also größer als Moleküle, aber kleiner als makroskopische Körper. Sie besitzen eine sehr große Grenzfläche zu ihrer Umgebung, d.h. dem Dispersionsmittel.

Die Veranstaltung führt zunächst in die Kolloidchemie und Kolloidphysik ein, die die Grundlagen für die Kolloidprozesstechnik darstellen. Kolloidprozesstechnik beschäftigt sich mit der Verfahrenstechnik von Kolloiden und ihrer Verarbeitung zu Materialien. Ihre Beherrschung bildet die Voraussetzung für die Herstellung vieler Systeme, in denen Nanopartikel eingesetzt werden, wie z.B. Pasten, Papier, Farben und Lacken, keramischen Festkörpern und spielen bei wichtigen Prozessen zur Herstellung von Nanopartikeln eine wesentliche Rolle.

Themen der Vorlesung sind:
01. Einführung
02. Grenzflächenthermodynamik
03. Oberflächenchemie
04. Van der Waals-Wechselwirkung
05. Debye-Hückel-Modell
06. DLVO Theorie
06. Stabilisierung
07. Deagglomeration
08. Formgebung
09. Trocknung kolloidaler Schichten
10. Beschichtungsverfahren
11. Druckverfahren
12. Messmethoden

Im Seminar führen die Studenten unter Anleitung eine wissenschaftliche Literatur-Recherche zum Thema ‘Kolloidale Kristalle’ durch und tragen zu unterschiedlichen Aspekten dieses Themas vor, z.B.

• Opale und inverse Opale
• Kolloidale Kristalle
• Photonische Kristalle
• Kleinwinkelstreuung

Lernziel ist das Verständnis der physikalisch-chemischen Grundlagen von Kolloiden (Partikelwechselwirkung und Grenzflächenchemie) und ihre Anwendung in der Prozesstechnik. Die Studierenden sind in der Lage Verfahren zur Funktionalisierung, Dispergierung und Stabilisierung von Nanopartikeln in Fluiden vorzuschlagen und physikalische und chemische Prozesse in Kolloiden quantitativ zu erklären.

Zur Einführung
• G. Brezesinski und H.-J. Mögel, Grenzflächen und Kolloide, Spektrum Akad. Vlg. 1993
• R. J. Hunter, Introduction to Modern Colloid Science, Oxford Science Publisher 1994

Zur Vertiefung
• R. J. Hunter, Foundations of Colloid Science, Oxford University Press, 2000
• D. F. Evans and H. Wennerström, The Colloidal Domain - Where Physics, Chemistry,
Biology and Technology meet, Wiley-VCH 1999
• P. C. Hiemenz and R. Rajagopalan, Principles of Colloid and Surface Chemistry, CRC
1997
• C. J. Brinker and G. W. Scherer, Sol-Gel-Science, Academic Press 1990
• H.-D. Dörfler, Grenzflächen und kolloid-disperse Systeme, Springer 2002
• J. Israelachvili, Intermolecular & Surface Forces, Elsevier 2005
• J. H. Fendler (ed.), Nanoparticles and Nanostructured Films, Wiley-VCH 1998
• M. N. Rahaman, Ceramic Processing and Sintering, Marcel Dekker 2003
• J. S. Rheed, Principles of Ceramics Processing, Wiley 1995

Original-Literatur, z.B. aus den Zeitschriften
• Advanced Materials
• Langmuir
• Journal of Colloids and Interfaces
• Journal of the American Ceramic Society

Colloids are systems, in which particles with characteristic sizes of 1 nm up to 1 µm are finely distributed (dispersed) in another material - mostly a liquid. The particles are larger than the molecules but smaller than a macroscopic body. They exhibit are large interfacial area to their environment, i.e. the dispersion medium.

The lecture first introduces fundamental concepts of colloidal chemistry and physics which are the basis for colloidal process technology which is the chemical engineering of colloids and their processing into materials. Mastering colloidal process technology enables us to produce many systems in which nanoparticles are employed such as pastes, paper, paints, varnishes, ceramic bodies and play and important role in the production of nanparticles itself.

Topics of the lecture are:
01. Introduction
02. Thermodynamics of Interfaces
03. Surface Chemistry
04. Van der Waals-Interaction
05. Debye-Hückel-Model
06. DLVO Theory
06. Stabilisation
07. Deagglomeration
08. Forming processes
09. Drying of colloidal films
10. Coating processes
11. Printing processes
12. Measurement methodology

In the seminar students perform a scientific literature search on the topic ‘colloidal crystals’ under guidance and give a lecture on different aspects such as

• Opals and inverse oppals
• Colloidal crystals
• Photonic crystals
• Small angle scattering

The students should understand the physico-chemical fundamentals of colloids (particle interaction and interfacial chemistry) and their application in processing. The students are able to suggest processes for functionalization, dispersion and stabilization of nanoparticles and can explain physical and chemical processes in colloids quantitatively.

Zur Einführung
• G. Brezesinski und H.-J. Mögel, Grenzflächen und Kolloide, Spektrum Akad. Vlg. 1993
• R. J. Hunter, Introduction to Modern Colloid Science, Oxford Science Publisher 1994

Zur Vertiefung
• R. J. Hunter, Foundations of Colloid Science, Oxford University Press, 2000
• D. F. Evans and H. Wennerström, The Colloidal Domain - Where Physics, Chemistry,
Biology and Technology meet, Wiley-VCH 1999
• P. C. Hiemenz and R. Rajagopalan, Principles of Colloid and Surface Chemistry, CRC
1997
• C. J. Brinker and G. W. Scherer, Sol-Gel-Science, Academic Press 1990
• H.-D. Dörfler, Grenzflächen und kolloid-disperse Systeme, Springer 2002
• J. Israelachvili, Intermolecular & Surface Forces, Elsevier 2005
• J. H. Fendler (ed.), Nanoparticles and Nanostructured Films, Wiley-VCH 1998
• M. N. Rahaman, Ceramic Processing and Sintering, Marcel Dekker 2003
• J. S. Rheed, Principles of Ceramics Processing, Wiley 1995

Original-Literatur, z.B. aus den Zeitschriften
• Advanced Materials
• Langmuir
• Journal of Colloids and Interfaces
• Journal of the American Ceramic Society