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„Nanostrukturierung und Plastik-Elektronik Printplattform (NanoPEP) – Teilvorhaben Nanostrukturierung“

„Nanostrukturierung und Plastik-Elektronik Printplattform (NanoPEP) – Teilvorhaben Nanostrukturierung“
Ansprechpartner:

Dr.-Ing. Lena Hecht

Förderung:

BMBF-Projekt

Starttermin:

2009

Endtermin:

2014

 

Die Nanostrukturierung komplexer partikulärer Hybridmaterialien soll anhand einer integrierten Prozesskette erfolgen. Gegenüber der bisherigen Erzeugung strukturierter Materialien in separaten Unit Operations bietet gerade die Nanostrukturierung in einer integrierten Prozesskette zahlreiche Vorteile. Da beispielsweise die Zwischenstabilisierung, der Transport oder die Redispergierung von partikulären Systemen entfällt, werden reinere Produkte mit besserer Performance erzielt. Gleichzeitig werden der Anfall von Nebenprodukten oder Abfall deutlich reduziert, dadurch aufwändige Aufarbeitungsschritte im Downstream eingespart, Ressourcen geschont und Energie eingespart.
Die Prozesskette, die hier zur Erzeugung komplexer, nanostrukturierter Hybridmaterialien vorgesehen ist, umfasst als Kernbestandteil die kontinuierliche Miniemulsionstechnologie, wobei die Nutzung von Emulsionstropfen als Nanoreaktoren, sowie die Emulsionspolymerisation im Fokus stehen.

Zur Einstellung von Produkteigenschaften sowie Mikro- und Submikrostrukturen der hybriden nanostrukturierten Partikel ist die Kontrolle der Tropfengrößen- und Partikelgrößenverteilungen  bei den Emulgier- und Dispergiervorgängen in Hochdruckblenden von immenser Wichtigkeit.
Obwohl das Hochdruckemulgieren im Lebensmittelbereich z. B. beim Homogenisieren von Milch schon seit über 100 Jahren angewendet wird, sind die beim Tropfenaufbruch ablaufenden Mechanismen bis heute im Detail immer noch nicht umfassend verstanden. Ein gezieltes Einstellen von Tropfengrößenverteilungen ist daher bislang nicht möglich. Dies liegt daran, dass Tropfen in der Größenordnung weniger 100 nm werden in Mikrosekunden deformiert und aufgebrochen, während sie komplexe Strömungsgebiete im laminar-turbulenten Umschlagsbereich mit Kavitationsanteilen durchqueren. 
Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, mit Hilfe neuester Messtechniken die Strömungszustände in Hochdruckblenden mit höchstmöglicher Orts- und Zeitauflösung zu visualisieren. Dazu soll u. a. eine Versuchsanlage auf Basis eines „Microscopic Particle Image Velocimetry“ (µPIV)-Systems  unter Einsatz von fluoreszierenden Farbstoffen zur Auflösung von Geschwindigkeitsfeldern und Tropfendeformationen bzw. deren Aufbruch genutzt werden.
Die experimentellen Ergebnisse dienen der Modellentwicklung für eine Simulation der Vorgänge. Diese Simulationsergebnisse werden wiederum zur gezielten Gestaltung von Experimenten zur Identifikation der relevanten Mechanismen der Tropfendeformation im Freistrahlgebiet hinter Hochdruckblenden herangezogen. Kooperationspartner bei den Arbeiten zur Simulation der Strömungsverhältnisse und der Tropfendeformation bzw. des -aufbruchs  ist Dr.-Ing. Steffen Schütz, Universität Stuttgart, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik.