Verbesserte Kondensation an hierarchisch strukturierten Oberflächen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans-Jörg Bart; Professor Dr. Egbert Oesterschulze
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441180250

Mit mikrostrukturierten Oberflächen soll die kontrollierte Kondensation von Tropfen für einen effizienteren Wärmeaustauschprozess genutzt werden. Oberflächenstrukturen mit geringer Kontaktwinkelhysterese, wie z.B. streifenförmige Strukturen, sorgen für den effizienten Abtransport von Tropfen, die ihrerseits durch Kondensation in integrierten mikrostrukturierten Vertiefungen entstehen und sich bei ausreichender Tropfengröße über die Streifenleiter durch einen Entnetzungsvorgang entleeren. Durch die Integration dieser separaten Vertiefungen seitlich der Streifenleiter wird die Tropfenbildung durch Kondensation darin gezielt unterstützt und die Bildung eines nicht erwünschten Flüssigkeitsfilms vermieden.Um die günstigen Wärmeaustauscheigenschaften kleiner Tropfen nutzen zu können, muss die Größe bzw. 3D-Geometrie und Entnetzungseigenschaften der als Kondensationskammern wirkenden Vertiefungen optimiert werden. Durch optische Beobachtung der Tropfenkondensation und ihre Entleerung über die Streifenleiter soll die Größenverteilungsfunktion der Tropfen und die Dynamik des Tropfentransports untersucht werden. Diese ist erforderlich, um Transportmodelle inkl. der Populationsmodelle zu entwickeln und diese zur Optimierung der Strukturen zu nutzen. Bei der Dynamik des Abtransports soll im Detail studiert werden, inwiefern die Koaleszenz von Tropfen auf den Streifenleitern den Gesamtfluss unterstützt, indem bereits in Bewegung befindliche Tropfen weitere Tropfen mitreißen. Die Gesamtwirkung des Systems wird mit einem 2. Messstand überprüft, der unter für Wärmetauscher realistischen Bedingungen arbeiten soll.Ein wichtiger Aspekt in diesem Projekt ist, dass die Untersuchungen zunächst auf mikrostrukturierten Siliziumsubstraten, für die etablierte Strukturierungsprozesse vorliegen, durchgeführt werden sollen, um sie dann gemeinsam auf industriell relevantere temperaturbeständige Polymermaterialien zu übertragen. Hierzu sollen Prägeprozesse benutzt werden, bei denen der Prägemaster aus Silizium die negative Mikrostruktur trägt. Diese Prozesse müssen insbesondere hinsichtlich der chemischen Oberflächenbehandlung optimiert werden und an die Hochleistungskunststoffe angepasst werden.Zur Optimierung des Kondensationsverhaltens als auch der Dynamik auf den Streifenleitern soll überprüft werden, ob eine hierarchische Oberflächenstruktur bestehend aus den beschriebenen Mikrostrukturen ergänzt durch superhydrophile und-oder superhydrophobe Nanostrukturen einen positiven Einfluss einerseits auf die Stabilität der Kondensationsprozesse in den Vertiefungen und andererseits auf die Güte des Transportprozesses auf den Streifen besitzen. Für die Basismaterialien müssen die Prozesse zur Erzeugung geeigneter Nanostrukturen (wie z.B. durch Plasmaätzen, Laserdirektschreiben usw.) getrennt untersucht werden. Die so neu gefunden Oberflächenmorphologien haben das Potential einer weiten technischen Applikation (verbessertes Ausfließen aus Tuben, Dosen, etc.).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen