Forschung
Unsere Ziele
Die wissenschaftliche Zielsetzung und Entwicklungsbereiche des Schwerpunktprogramms sind
- Schaffung und Etablierung von Methoden zur Charakterisierung von Hetero-Aggregaten in dispersen Systemen
- die Entwicklung einer Prozessdiagnostik mit komponentenspezifischer Detektion
- die Ableitung geeigneter Prozessbeschreibungen und Simulationen mit validierten Modellen (partikel-, kontinuums- und/oder populationsbasiert) für Mischungen von < 1 µm großen Partikelsystemen sowie
- die Etablierung von effizienten Modellkopplungen (zum BeispielCFD-DEM) für die ab-initio-Gasphasenprozessauslegung.
Mit diesen Zielen streben wir nach einem grundlegenden Verständnis der relevanten Mischungsphänomene auf Längenskalen im Submikrometerbereich und deren Modellierung sowie dem Transfer in Anwendungen von maßgeschneiderten heteroaggregierten Partikelsystemen und Aggregationsprozessen.
Die Prozesse zur Einstellung von Heteroaggregaten lassen sich in die Formulierung (aus bestehenden Partikelsystemen) und die Herstellung (aus Molekülen und deren Reaktionsprodukten) der Heteroaggregate einteilen. Das Schwerpunktprogramm konzentriert sich dabei auf die Prozesse in der Gasphase, da sowohl Adhäsionskräfte, als auch spezifische Ladungsverteilungen von Partikeln besonders in der Gasphase eine wesentliche Rolle spielen. Gasphasen-Aggregationsprozesse können hierbei mit unterschiedlichen Methoden und Reaktorkonzepten umgesetzt werden.
Unser Forschungsansatz im Detail
Das Mischen von dispersen Systemen (Partikeln und Pulvern) ist eine traditionelle Unitoperation der Verfahrenstechnik, die in verschiedenen Technologiebereichen von zentraler Bedeutung ist. Die Anwendungen von gemischten partikulären Systemen reichen von der Verarbeitung von Lebensmitteln, pharmazeutischen und chemischen Substanzen bis hin zur Materialverarbeitung und Werkstofftechnik. Das funktionelle Mischen verschiedener Partikeltypen (Heteroaggregation) hat das Potenzial, herausragende neue Eigenschaften von dispersen Produkten zu erzeugen, die von der Mischungszusammensetzung und von verschiedenen sekundären Prozessbedingungen (zum Beispiel Agglomeration, Beschichtung) abhängen.
Dabei kann eine neue Produkteigenschaft durch den direkten Kontakt verschiedener Partikel (Heterokontakt) und damit durch die entstehende Grenzfläche zwischen den jeweiligen Teilkomponenten entstehen. Viele Anwendungen haben gezeigt, dass diese Heterokontakte von grundlegender Bedeutung für bestimmte funktionelle Eigenschaften sind. In den meisten Fällen resultieren die neuen Eigenschaften aus der Übertragung von Ladungen, Masse, Wärme, Kräften oder Momenten, ohne dass es einer chemischen Reaktion der Komponenten bedarf. Die Qualität eines solchen Partikelgemisches hängt also direkt mit den Kontaktstellen und Grenzflächen der verschiedenen Partikel und den Details der Wechselwirkung zwischen ihren Spezies im Kontakt zusammen.
Die neue Eigenschaft aus der Kontaktzone steuert die Material- und Produkteigenschaften des gesamten Systems, das im Kontext des Schwerpunktprogramm(SPP) 2289 als Heterokontakt bezeichnet wird. Direkte Informationen über die Qualität des Heterokontakts (zum Beispiel Anzahl der Kontakte, Transporteigenschaften zwischen verschiedenen Partikelsorten) könnten daher die Basis für eine grundlegende Beschreibung der neuen Eigenschaften des Partikelgemischs sein (Qualität der Mischung und Materialfunktion). Gleichzeitig muss der Heteroaggregationsprozess zur Erzeugung solcher Heterokontakte untersucht und kontrolliert werden.
In den ersten drei Jahren des Schwerpunktprogramm 2289 dominiert der rekursive Ansatz, bei dem das Materialsystem der Heteroaggregate an die Prozessmesstechnik und die Charakterisierungsverfahren von Heteroaggregaten und deren Populationen angepasst wird. Besondere Schwerpunkte sind:
- auf der Etablierung von Aerosolprozessen zur definierten Erzeugung von Heteroaggregaten, die auch an die Prozessdiagnostik zum Nachweis von Mischungsprozessen < 1 μm angepasst werden können,
- die Ableitung von partikulären Probenzügen aus schnellen Aggregationsprozessen,
- die Etablierung von tomographischen Methoden zur Charakterisierung von Heteroaggregaten mit Größen < 1 μm und
- deren mathematische Grundlagen für die Beschreibung von Heteroaggregaten sowie
- die Etablierung von Prozessmodellen und Simulationen, die Mischungslängen < 1 μm abdecken.