Keramische Filtrationsmembranen haben sich beispielsweise aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften gegenüber Membranen aus polymeren, organischen Materialien in vielen Anwendungsbereichen durchgesetzt. Sie sind diesen vor allem in Prozessen überlegen, in denen eine hohe Temperatur-und Chemikalienbeständigkeit erforderlich ist. Die Möglichkeit, sie mit Hilfe von Dampf zu sterilisieren prädestiniert sie für Anwendungen im Lebensmittel-und Medizinbereich. Die Durchflussleistung keramischer Membranen liegt bis zu 1000 mal höher als die organischer Membranen und wird aufgrund der anorganischen Natur des Membranmaterials nur wenig durch Foulingprozesse beeinflusst. Oftmals eröffnen die Eigenschaften der keramischen Membranen erst neue Anwendungsgebiete unter den extremen Bedingungen, die in vielen industriellen Bereichen vorzufinden sind.

Filtrationsvorgänge werden in die drei Bereiche Mikro-, Ultra-und Nanofiltration unterteilt. Mikrofiltrationsmembranen weisen hierbei Porengrößen in einem Bereich größer 500 nm auf. Die Ultrafiltration nutzt Membranen mit Porengrößen von ca. 2 nm bis 500 nm. Unterhalb dieser Porengröße liegt der Bereich der Nanofiltration, die somit den Übergang zwischen Ultrafiltration und umgekehrter Osmose darstellt. Der Cut-off-Wert, der das Molekulargewicht neutraler Moleküle angibt, die zu 90% von der Membran zurückgehalten werden, liegt für Nanofiltrationsmembranen bei Werten kleiner 1000 D. Sie eignen sich somit für die Anreicherung oder die Separation von Ionen oder organischer Substanzen und sind bei der Gastrennung einsetzbar.

Die bei der Nanofiltration benötigen Drücke sind aufgrund der geringen Porengrößen sehr hoch und liegen in einem Bereich zwischen 1 und 4 MPa.

Keramische Membranen verfügen aufgrund ihrer höheren Festigkeit über eine weitaus höhere Druckbeständigkeit als Polymermembranen, so dass es nicht zu einer Verdichtung der Membran und nur zu einem weit geringeren Abrieb durch abrasive Bestandteile im Filtrat kommt. Sie bieten somit entscheidende Vorteile für den Einsatz im Bereich der Nanofiltration.

Zur Herstellung keramischer Nanofiltrationsmembranen werden in den meisten Fällen kolloide Sole eingesetzt, die über einen Sol-Gel-Prozess gewonnen werden können. Ausgangsmaterialien für die Synthese der Kolloide können hierbei sowohl Salze als auch Metallalkoxide sein. Da über die Hydrolyse-und Kondensationsbedingungen die Struktur der Sole in einem breiten Rahmen beeinflusst werden kann, ist auf diesem Wege eine sehr gute Kontrolle der späteren Porengrößen und Porengrößenverteilungen möglich. Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung der kolloidalen. Ausgangssysteme für die Herstellung der Membranschicht ist die kontrollierte Fällung von Nanopartikel aus ihren Salzen.

Sehr oft dient eine Ultrafiltrationsmembran als Trägerschicht für die eigentliche nanoporöse Trennschicht und wird mittels eines Gieß-oder Tauchprozesses mit dem kolloidalen System beschichtet. Durch die feine Verteilung der Precursorsubstanzen und somit der die keramische Schicht aufbauenden Metallionen ist die Herstellung einer nanoporösen Gefügestruktur möglich. Die Trägerschicht verleiht der Membran die nötige mechanische Festigkeit und Druckstabilität. Durch Trocknung und/oder Kalzinierung der Beschichtung wird diese in eine nanoporöse, keramische Schicht überführt.

Dispersionen aus kristallinen Nanopartikel erweisen sich gegenüber solchen aus amorphen Verbindungen als wesentlich besser geeignet für die Herstellung der keramischen Membranen für den Nanofiltrationsbereich. Werden amorphe Ausgangssystme eingesetzt, so kommt es beim Sintern der grünen Membran- schicht aufgrund des Kristallisationsprozesses sehr oft zu Spannungsrissen, die sich in den feinen Gefügestrukturen einer Nanofiltrationsmembran besonders bemerkbar machen. Schichten aus bereits kristallinen Partikeln kristallisieren nicht nach und zeigen somit auch deutlich weniger Neigung zu reißen. Des Weiteren können Schichten aus bereits kristallisierten Partikel üblicherweise bei tieferen Temperaturen verfestigt werden, womit wiederum, die Kräfte, die im Innern der Keramik auftreten, minimiert werden.

Die Trennleistung einer selektiven Membranschicht wird im Wesentlichen von der Größe ihrer Poren und der Homogenität der Porengrößenverteilung bestimmt.

Diese hängen direkt von der Größe der keramischen Partikel, die zur Herstellung der Membran eingesetzt wurden, ab, da die Porosität der Keramik durch die Größe der Lücken zwischen den einzelnen Körner bestimmt wird. Die größten Poren bestimmen jeweils den Cut-off-Wert einer Membran. Fehler im Gefüge in keramischen Membranen führen zu Inhomogenitäten in der Porengrößenvertei- lung und bewirken somit eine Verschlechterung der Trennleistung. Derartige Fehler können verschiedenste Ursachen haben. Sie entstehen beispielsweise durch Einschlüsse, gröbere Partikel in den keramischen Dispersionen, die für die

Membranproduktion eingesetzt werden, oder durch Agglomerate der die Membranschicht aufbauenden keramischen Nanopartikel.

Derartige Fehler können nach Herstellung der Membran nicht wieder beseitigt werden.

Versuche zur Herstellung von Dispersionen mit stabil verteilten Nanopartikel < 40 nm scheiterten bisher an der hohen Agglomerationsneigung der nanoskaligen Partikel. Die Synthese von Nanopartikel, mit Größen unter 40 nm ist oftmals nicht das Problem, eher, dass die Systeme der Nanopartikel instabil sind und sich die Partikel unvermeidlich zu größeren Agglomeraten zusammenlagern, deren Teilchengröße dann bis zu mehreren Mikrometern reicht. Derartige Agglomerationen sind irreversibel. Die Partikel lassen sich auch durch Einbringen hoher Scherkräfte in das System nicht wieder trennen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer agglomeratfreien, keramischen Nanopartikeldispersion, die homogene und gleichmäßige Verteilun- gen der Nanopartikel in zu erstellenden oder zu ergänzenden Stoffsystemen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass 90 % oder mehr als 90 % der im Dispersionsmedium verteilten Nanopartikel eine übereinstimmende Teilchengröße aufweisen, wobei die Teilchengröße-Streubreite von 50 %, bezogen auf Nanopartikel von 1 nm, auf 10 % bei Nanopartikel von 100 nm abnimmt, und dass die in der Oberfläche der Nanopartikel befindlichen Atome und/oder Ionen in Abhängigkeit von der Konzentration der Nanopartikel im Dispersionsmedium valenzmäßig so weit mittels eines Oberflächenmodifikators abgesättigt sind, dass ein energetisches Gleichgewicht der Nanopartikel im Dispersionsmedium vorliegt.

Das erfindungsgemäße kolloidale System hat damit den besonderen Vorteil, dass nicht nur im Wesentlichen Nanopartikel im Dispersionsmedium auf Primärteilchengröße dispergiert sind, die die gleiche Teilchengröße aufweisen, sondern sie sind auch derart ausgelegt, dass sie ein stabiles kolloidales System bilden, in dem die Nanopartikel über einen längeren Zeitraum homogen verteilt sind. Mit einem derartigen erfindungsgemäßen kolloidalen System, in dem die Nanopartikel unimodal/monomodal verteilt sind, lassen sich Stoffsysteme erstellen und/oder ergänzen, die in einem sehr hohen Maße gleichförmig sind und keine Störstellen einer Art aufweisen, die das mit den erfindungsgemäßen Nanopartikel erstellte oder ergänzte System schwächen bzw. in einem einengen- den Bereich frühzeitig limitieren. Die Nanopartikel werden im Dispersionsmedium soweit mittels eines Oberflächenmodifikators abgesättigt, dass sie sich gegen- seitig im Dispersionsmedium dauerhaft in Schwebe halten (energetisches Gleich- gewicht) und dass ein Anwachsen (Agglomeration) der Nanopartikel im Dispersionsmedium verhindert wird. Darüber hinaus werden lokale Konzentra- tionsverdichtungen unterbunden. Die Partikeloberfläche der erfindungsgemäß dispergierten Nanopartikel erhält einen gezielten Schutz, der die Herstellung vieler neuartiger kolloidaler Systeme ermöglicht, die zum Beispiel bei der Membranproduktion für Filter gleichmäßig verteilte sehr homogene unimodale/- monomodale Porengrößen unter 2 nm ergeben. Membranfehler durch unkontrol- lierte Agglomerationen oder zu grobe Partikelanteile werden vermieden.

Die Abnahme der Teilchengröße-Streubreite von 50 % bei Nanopartikel von 1 nm auf 10 % bei Nanopartikel von 100 nm kann nichtlinear oder linear erfolgen.

Die Synthese von Nanopartikel kann ausgehend von festen, flüssigen oder gasförmigen Systemen durchgeführt werden. Die vorliegende Erfindung nutzt für die Partikelsynthese ein nasschemisches Verfahren.

Um nun eine anschließende Agglomeration der Teilchen zu verhindern, werden Oberflächenmodifikatoren verschiedenster Art eingesetzt. Diese Substanzen lagern sich an der Oberfläche der Partikel über Adsorptionsvorgänge oder durch eine chemische Reaktion an. Je nach Art des Oberflächenmodifikators kommt es hierdurch zu einer elektrostatischen, sterischen oder elektrosterischen Stabilisierung der nanodispersen Systeme. Die Oberflächenenergie der uni- modalen Nanopartikel wird in der Regel so stark wie notwendig über einen oder mehrere Oberflächenmodifikatoren kontrolliert erniedrigt, dass die Nanopartikel auf Primärteilchengröße im Dispersionsmedium homogen verteilt dauerhaft erhalten bleiben.

Zur Stabilisierung des erfindungsgemäßen Systems aus anorganischen, oxidischen Partikeln werden bevorzugt nachfolgende Oberflächenmodifikatoren eingesetzt : Anorganische Säuren (z. B. HCI), ß-Diketon, Isocyanat, Organische Säuren (z. B.

C2H402), Säurechloride, Säureester, Silane, Polyoxycarbonsäuren.

Die genannten Oberflächenmodifikatoren können jeweils allein in unter- schiedlichsten Konzentrationen oder gemeinsam mit anderen Oberflächen- modifikatoren in unterschiedlichsten Anteilen eingesetzt werden.

Aufgrund dieser Oberflächenmodifikatoren ist sogar eine Trocknung der Nano- partikel agglomeratfrei möglich. Die nanoskaligen Oxide können anschließend in einem geeigneten Dispersionsmedium bis auf ihre Primärteilchengröße redispergiert werden. Je nach Art der Nanopartikel sind hierbei bereits ohne Einsatz weiterer Verfahren Gehalte von bis zu 70 Gew. -% erreichbar.

Die Stabilisierung anderer Nanopartikel oder die Herstellung von Dispersionen mit einem höheren Gehalt an nanoskaligen Teilchen kann durch Einsatz

verschiedener Apparaturen, die eine hohe Scherenergie in die Systeme einbringen, erreicht werden. Eine solche Scherkraft reicht zwar nicht aus, um bereits agglomerierte Teilchen wieder zu trennen, sie kann aber bei Partikeln, die auf Primärteilchengröße dispergiert vorliegen, eine Agglomeration während der Aufarbeitung vermeiden.

Geeignete Apparaturen zum Einbringen einer derartigen Scherenergie sind : Neben dem Dreiwalzenstuhl, Kneter, Mörsermühlen und/oder Doppelschnecken- extruder.

In Weiterbildung des kolloidalen Systems werden als Dispersionsmedium H20, Alkohol, Tetrahydrofuran und/oder halogenierte Kohlenwasserstoffe und/oder verdünnte Laugen und/oder verdünnte Säuren und/oder Kohlenwasserstoffe und/oder aromatische Kohlenwasserstoffe eingesetzt. Das Dispersionsmedium kann auch aus Mischungen unterschiedlichster Mischungsverhältnisse der genannten Dispersionsmedien bestehen. Die genannten Dispersionsmedien können die unimodalen Nanopartikel stabil und homogen im Dispersionsmedium halten, so dass hochwertigste Weiterverarbeitungen zu Stoffsystemen höchster Güte möglich sind.

Die anorganischen oxidischen Nanopartikel, wie Titandioxid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid, Eisenoxid, Bariumtitanat oder (ITO, zinndotiertes Indiumoxid) werden beispielsweise durch Fällung erhalten und sind in Volumenprozenten von 1-60 % im Dispersionsmedium dauerhaft homogen verteilt angereichert.

Unterschiedlichste Volumenprozente sind für unterschiedlichste Verarbeitungsschritte besonders vorteilhaft. So wird zur Herstellung einer Filtermembran ein höherer Volumenprozentsatz von z. B. 35-55 % benötigt und zur Veredelung von Lacken ein Volumenprozentsatz zwischen 1% und 30 %.

Unabhängig von den genannten Volumenprozentzahlen kann der hier angesprochene Fachmann den für seinen Anwendungsfall optimierten Volumenprozentsatz bestimmen, damit beispielsweise Füllstoffe in einem zu

ergänzenden Kunststoff zu den gewünschten neuen Eigenschaften des veredel- ten Kunststoffes führen.

Mit dem erfindungsgemäßen kolloidalen System können keramische Bauteile, Kunststoffe usw. veredelt werden, das kolloidale System kann als Füllstoff zur Wärmedämmung oder Schallisolierung eingesetzt werden oder es können Nano- filtrationsmembranen hergestellt werden. Ferner lassen sich Gassensoren oder Hohlfasern aus dem erfindungsgemäßen System herstellen oder bestehende Gassensoren, Hohlfasern lassen sich ergänzen.

Ein kolloidales System keramischer Nanopartikel in einem Dispersionsmedium zeichnet sich dadurch aus, dass die im Dispersionsmedium dispergierten Nanopartikel mit 90 % und mehr Anteilen im Dispersionsmedium als unimodale Nanopartikel gleicher Teilchengröße verteilt sind, wobei sich die Teilchengrößen- Streubreite von 50 %, bezogen auf Nanopartikel von 1 nm, auf 10 % bei Nano- partikel von 100 nm abnimmt und wobei die in der Oberfläche der Nanopartikel befindlichen Atome und/oder Ionen in Abhängigkeit von der Konzentration der Nanopartikel im Dispersionsmedium valenzmäßig so weit mittels eines Oberflächenmodifikators abgesättigt sind, dass ein energetisches Gleichgewicht der Nanopartikel im Dispersionsmedium vorliegt. Das vorgestellte kolloidale System zeichnet sich durch eine große Stabilität aus und hält die unimodalen/- monomodalen Nanopartikel homogen verteilt im Dispersionsmedium in der Schwebe.