Experimentelle und computerbasierte Analyse der auftretenden Kräfte innerhalb hochporöser Nanopartikelschichten während kapillargetriebenen Flüssigkeitseintritts

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Hartwig; Professor Dr.-Ing. Lutz Mädler
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279565096

In unseren vorrangegangenen Arbeiten entwickelten wir ein neues Verfahren zur Herstellung von hochporösen Nanopartikelschichten auf unterschiedlichen Substraten. Dabei werden die Nanopartikel mittels Flammen-Sprüh-Pyrolyse synthetisiert und als Filterkuchen abgeschieden. Dieser wird in einem zweiten Schritt mittels Lamination auf ein Sekundärsubstrat übertragen. Die resultierende Porenstruktur der Schicht lässt sich dabei über den Laminierdruck einstellen. Eintauchversuche in verschiedene Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Eintauchgeschwindigkeiten haben ergeben, dass der Partikelabtrag aus der Schicht in der flüssigen Umgebung neben der Eintauchgeschwindigkeit sowohl von den Eigenschaften der Flüssigkeit, wie der Oberflächenspannung, als auch von denen der Schicht, wie der Porosität und der Porenstruktur, abhängt. Durch Anpassen der Porenstruktur über den Laminierdruck konnten wir mit dem neuen Verfahren Schichten erzeugen, die in den flüssigen Umgebungen stabil sind. Der bisherige Stand der Forschung konzentriert sich im Wesentlichen auf die Eindringgeschwindigkeit in und die Permeabilität von porösen Schichten, wohingegen die beim Flüssigkeitseintritt auftretenden Kräfte auf die Struktur noch nicht detailliert untersucht wurden. Innerhalb des Projekts sollen die fundamentalen Mechanismen des Eindringens von Flüssigkeiten in hochporöse partikuläre Schichten untersucht werden, um die auf die Struktur wirkenden Kräfte quantifizieren zu können. Dies ermöglicht eine Vorhersage der Bedingungen, unter denen eine Restrukturierung oder ein Partikelabtrag durch das Eindringen der Flüssigkeit verhindert werden kann. Dazu werden zum einen experimentelle Studien zum Eindringverhalten unterschiedlicher Flüssigkeiten in hochporöse Nanopartikelschichten durchgeführt. Zum anderen wird ein Modell der Schichten erarbeitet und die auftretenden Kräfte auf die einzelnen Nanopartikel innerhalb der Schicht simuliert. Die Verbindung von experimentellen und theoretischen Untersuchungen soll ein tiefgreifendes Verständnis der auftretenden Mechanismen ermöglichen. Im dritten Teil des Projekts wird dieses Wissen genutzt, um Verbundwerkstoffe aus einer perkolierenden Nanopartikelstruktur in einer Polymermatrix zu erzeugen. Dazu werden die Eigenschaften der Nanopartikelschichten so eingestellt, dass sie beim Eindringen des Monomers nicht beschädigt werden. Darüber hinaus wird der Schrumpf beim Aushärten innerhalb der Nanopartikelschichten und dessen Einfluss auf die Partikel-Partikel Kontakte untersucht. Mit diesen Studien wird die Herstellung von Polymer-Nanopartikel Kompositmaterialien mit signifikant höheren Füllgraden als bei konventionellen Kompositen ermöglicht, die vielfältige Anwendungsgebiete, wie leitfähige oder magnetische Materialien mit Polymereigenschaften, haben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen