Material specific on-line surface characterization of gas-borne particles
Final Report Abstract
Für die Probennahme aus Hochtemperatursynthesen, wie sie in den anderen Teilprojekten des Paketantrages bereitgestellt werden, müssen die Aerosole stark verdünnt werden um weitere Agglomeration oder Kondensation zu verhindern und das Aerosol für die anderen Messgeräte zu konditionieren. Dabei kann es zu Beanspruchungen durch Agglomerat-Wandstöße oder durch turbulente und Scherströmungen der Aerosole kommen. In dieser Projektphase wurden in diesem Teilprojekt die einzelnen Beanspruchungen untersucht um dafür Vorgaben für die Entwicklung einer Probennahmesonde abzuleiten. Die Untersuchungen zu den Agglomerat-Wandstößen wurden in einem Niederdruckimpaktor durchgeführt, wobei speziell der Einfluss des Impaktionswinkels untersucht wurde. Dabei hat sich gezeigt, dass mit zunehmender Schräger bei der Impaktion die Agglomerate stärker fragmentieren und die Einsatzenergie für die Fragmentierung herabgesetzt wird. Die Beschreibung des Fragmentierungsgrades, die den Anteil der gebrochenen Bindungen im Agglomerat beschreibt, kann einer modifizierten Weibull-Statistik, auch für die schräge Impaktion, beschrieben werden. Bei der Beanspruchung in einer Scherströmung wurde in einer Ejektordüse untersucht in der das Aerosol außen zugegeben wurde um eine homogenere Beanspruchung zu gewährleisten. Für die verwendeten Modellagglomerate konnte keine Fragmentierung oder Umstrukturierung im untersuchten Scherratenbereich festgestellt werden. Die hydrodynamische Beanspruchung in einer turbulenten Strömung wurde in einem turbulenten Rohr mit anschließendem turbulentem Freistrahl durchgeführt, wobei die höchsten turbulenten Scherraten im Freistrahl entstehen. Um die turbulenten Scherraten zu erzeugen werden hohe Strömungsgeschwindigkeiten benötigt, die zu einem erheblichen Druckabfall über dem turbulenten Rohr führen. Aus diesem Grund wurden die klassierten Agglomerate zunächst in einem Druckbehälter gesammelt, der dann auf den entsprechenden Vordruck gebracht wurde. Über eine kritische Düse wurden die Agglomerate der turbulenten Beanspruchung zu geführt. Es wurden zwei verschiedene Ausgangsgrößen untersucht. Es hat sich gezeigt, dass bei gleichen Scherraten die größeren Agglomerate stärker fragmentieren. Bei der höchsten Scherrate ist die Größe der Fragmente für die unterschiedlichen Ausgangsdurchmesser jedoch gleich, was auf eine Abhängigkeit der Fragmentierung vom Verhältnis Agglomeratgröße zur Größe der turbulenten Wirbel hindeutet. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus den einzelnen Beanspruchungsexperimenten wurden eine Probennahmesonde für das Teilprojekt 4 (TP4) entwickelt in der keine Fragmentierung, der in TP4 in einer Flamme erzeugten Rußagglomerate, stattfinden sollte. Der Test der Sonde wird in der Restlaufzeit des TP4 mit der WALS-Methode durchgeführt. Weiterhin konnte eine Methode entwickelt werden, die es ermöglicht aus TEM-Aufnahmen die Struktur von Nanopartikel-Agglomeraten bis zu einer fraktalen von Df = 3 zu charakterisieren. Dabei wird die TEM-Tomografiemethode verwendet. Hierbei werden Bilder unter verschiedenen Winkel aufgenommen, die dann in die Höheneben rückprojiziert werden, woraus das Agglomerat rekonstruiert wird.
Publications
- Messung des mechanischen Verhaltens nano-skalifer Pulver: Agglomerate, in Produktgestaltung in der Partikeltechnologie Band 6, ISBN: 978-3-8396-0537-0, Fraunhofer-Verlag, 2013
M. Gensch, A.P. Weber
- Characterization of Metallic Nanoparticle Agglomerates, in Metal Nanopowders, 107- 131, ISBN: 978-3-527-33361-5, Wiley-VCH, 2014
A.P. Weber
(See online at https://doi.org/10.1002/9783527680696.ch5) - Fragmentierung von gasgetragenen Nanopartikel-Agglomeraten bei schräger Impaktion. Chem. Ing. Tech., 83 (3): 270-279, 2014
M. Gensch, A.P. Weber
(See online at https://doi.org/10.1002/cite.201300134) - Einfluss des Impaktionswinkels bei der Trockendispergierung von Nanopartikel-Agglomeraten, in Produktgestaltung in der Partikeltechnologie Band 7, ISBN: 978-3- 8396-0877-7, Fraunhofer-Verlag, 2015
M. Gensch, A.P. Weber
