Abtragen und Umlagern deponierter Feststoffpartikeln an der Phasengrenze fest-flüssig-gasförmig

1  Einleitung  1

2  Theoretische Grundlagen  3

2.1  Erläuterung wesentlicher Begriffe  3

2.2  Beschreibung grundlegender Phänomene  4

3  Versuchsbeschreibungen  7

3.1  Allgemeines  7

3.2  Abspülversuche  7

3.2.1  Versuchsbeschreibung  7

3.2.2  Modellannahme  8

3.2.3  Versuchsergebnisse  8

3.3  Betauungsversuche  9

3.3.1  Versuchsbeschreibung  9

3.3.2  Modellannahmen  9

3.3.3  Versuchsergebnisse  10

3.4  Diskussion der Versuchsergebnisse  11

4  Überlegungen zur Übertragbarkeit auf den Bereich  

  der Verpackungstechnik  12

4.1  Allgemeine Überlegungen  12

4.2  Zwei und Dreiphasensysteme  12

4.3  Strömungsverhalten  12

4.4  Verschmutzungsarten  13

5  Übertragung der Forschungsergebnisse auf die  

  Verpackungstechnik  14

5.1  Relevante Bereiche der Verpackungstechnik  14

5.2  Wirtschaftliche Betrachtungen der Reinigungsfähigkeit von Oberflächen  

  in der Verpackungstechnik  15

5.3  Relevante Forschungsrichtungen  16

5.3.1  Bionik  16

5.3.2  Nanotechnologie  17

5.4  Übertragung auf den verpackungsmaterial bzw werkstoffbezogenen  

  Anwendungsbereich  18

6 Schlussbetrachtung ................................................... 23

Anhang
A
–
Übersichten
zur
Nanotechnologie............................................................II


Anhang
B
–
Patentrecherche.............................................................................................VI


Literaturverzeichnis............................................................................................................IX

1 Einleitung

Grenzflächenphänomene bestimmen in hohem Maße eine große Anzahl physikalischer, aber auch chemischer Abläufe in Alltag und Technik, so auch in der Verpackungstechnik. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich im Wesentlichen mit der Übertragung der Forschungsergebnisse aus der Dissertation von Christian Budde aus dem Jahr 2001 mit dem Titel „Abtragen und Umlagern deponierter Feststoffpartikeln an der Phasengrenze fest-flüssig-gasförmig“. Ziel dieser Arbeit ist, „das Problem der Partikelbewegung im Wasserkreislauf aus verfahrenstechnischer Sicht zu betrachten und die wirkenden Einflußfaktoren aufzuklären.“ [1] Dabei wird die besondere Wirksamkeit von Grenzflächeneffekten auf Ablöse- und Umlagerungsprozesse mittels Filmströmung experimentell untersucht und innerhalb einer weitestgehend qualitativen Analyse versucht, die Basis für eine rechnerische Beschreibbarkeit zu legen.

Die Betrachtung von Grenzflächeneffekten berührt den Bereich der Verpackungstechnik in mehrerlei Hinsicht. Zum einen können im Bereich der Maschinentechnik die Reinigungsprozesse der für die Verpackungstechnik relevanten produktführenden Maschinenteile betrachtet werden. Hierbei sind insbesondere sogenannte CIP (Clean-in-Place)-Systeme relevant, d.h. die Reinigung von Maschinenbestandteilen vor Ort, ohne diese für den Reinigungsvorgang auszubauen. Es ist wichtig, den Reinigungsprozess im Sinne eines Ablöseprozesses von Schmutzpartikeln von der Maschinenoberfläche genau zu kennen, da eine Kontrolle – sei es durch die menschliche Sensorik, sei es durch technische Hilfsmittel - durch eine schlechte Zugänglichkeit vieler Maschinenteile nur schwer realisierbar ist.

Eine weitere Betrachtungsweise bietet sich im Hinblick auf Verpackungsmaterialien an. Zum Erreichen einer erhöhten Umweltfreundlichkeit von Verpackungen rücken die Themen Wiederverwendbarkeit sowie Restentleerbarkeit vermehrt in den Fokus. Um die Mehrwegfähigkeit einer Verpackung zu erlangen, muss gewährleistet sein, dass diese nach ihrem Einsatz im – für den jeweiligen Einsatzzweck - ausreichenden Maße und möglichst kostengünstig und effektiv in einen sauberen Zustand zurückversetzt werden kann. Aber auch die Vorbereitung von Einwegverpackungen, wie Einwegglasflaschen im Le-

bensmittelbereich oder Ampullen im pharmazeutischen Bereich durch sogenannte Rinser werden unter dem Gesichtspunkt der Grenzflächenphänomene besser beschreib- und analysierbar.

Im Folgenden wird zunächst auf wichtige theoretische Grundlagen eingegangen, um auf deren Basis diese dann unter Einbezug aktueller Methodiken zur Oberflächengestaltung und -modifizierung auf die genannten Bereiche der Verpackungstechnik zu übertragen. Der Fokus liegt dabei auf der Betrachtung physikalischer Phänomene; der Einfluss chemischer Vorgänge wird nur ergänzend betrachtet.

2 Theoretische Grundlagen

2.1 Erläuterung wesentlicher Begriffe

Für die nachfolgenden Betrachtungen ist es sinnvoll, zunächst einige für diese Arbeit grundlegende Begriffe zu erläutern.

Phasengrenze/Grenzfläche

„Als Phasen werden durch Flächen abgegrenzte makroskopische Bereiche mit konstanter Dichte und Zusammensetzung bezeichnet. Dabei kann jede Phase aus mehreren Komponenten bestehen. Ein stofflicher Kontakt zwischen verschiedenen, nebeneinander existierenden Phasen kommt allein an den Phasengrenzen, den sogenannten Grenzflächen zustande.“ [2] Phasengrenzen können zwischen zwei oder auch zwischen drei Phasen auftreten (z.B. s/l- und s/l/g-Phasengrenze).

Oberflächenspannung/-dichte und Oberflächenenergie

Oberflächenspannung als Folge der Kohäsion entsteht dadurch, dass – während sich bei den in einer Flüssigkeit befindlichen Molekülen die Kohäsions-oder auch Zusammenhangskräfte nach allen Richtungen hin gegenseitig aufheben - ein an der Oberfläche befindliches Molekül eine nach ins Innere der Flüssigkeit gerichtete Restkraft besitzt. Ein solches Molekül besitzt eine als Oberflächenenergie bezeichnete potenzielle Energie. Die Oberflächenspannung wird auch als Oberflächendichte bezeichnet. Die zugehörige SI-Einheit ist [σ] = J/m ² = N/m = kg/s ² [3]. Werkstoffabhängig wird unterschieden in hochenergetische Oberflächen (z.B. Email) und niedrigenergetische Oberflächen (z.B. Teflon).

Partikel

Als Partikel (oder auch Teilchen, Korpuskel) werden kleine Körper (z. B. Staub-oder Schwebeteilchen in Gasen, Kolloide), kleinste Teile chemischer Verbindungen und Elemente (Moleküle, Ionen, Atome), Bestandteile des Atoms (Elektronen) und Atomkerns (Nukleonen) sowie alle Elementarteilchen [4]. Eine Übersicht über Möglichkeiten der Partikelcharakterisierung findet sich bei [5].

Schmutz „Schmutz ist Sammelbegriff für – auf Oberflächen haftende – Substanzen, die Gebrauch, Hygiene oder Ästhetik des betroffenen Gegenstandes beeinträchtigen. Im Begriff „Verschmutzung“ wird der enge Bezug „Schmutz – verschmutzter Gegenstand“ betont, während die Benennung „Verunreinigung“ darauf hinweist, dass der Zustand „verschmutzt“ konsequenter Weise in Bezug zur „reinen“ oder „sauberen“ Oberfläche beschrieben wird.“ [6]

2.2 Beschreibung grundlegender Phänomene

Bei der Beschreibung von Abtragungs- und Umlagerungsvorgängen an der Phasengrenze fest-flüssig-gasförmig (s/l/g-Phasengrenze) treten einige wesentliche Phänomene auf, welche im Folgenden kurz beschrieben werden.

Filmströmung

„Unter Filmströmung versteht man den Grenzfall einer offenen Gerinneströmung über eine lotrecht stehende ebene Fläche.“ [1] Grundsätzlich lassen sich jedoch auch geneigte sowie gekrümmte Flächen einer Berechnung zugänglich machen. Für eine nach [7] berechnete Filmströmungsreynoldzahl ist Re Film,kr = 400 als kritisch zu betrachten. Da es jedoch auch bei laminarer Strömung zu einer Ausbildung von Wellen kommt, sind bei der Betrachtung der Filmdicke Mittelwerte heranzuziehen. In den meisten technischen Apparaten liegen meist Filmdicken von etwa 1 mm vor [7]. Aufgrund der Unvorhersagbarkeit des Einflusses von Unregelmäßigkeiten wird aufgrund von Erfahrungswerten eine Mindestdicke von 0,2 mm angenommen, bei der ein Aufbrechen der Rieselfilmströmung nicht zu erwarten ist [1].

Benetzbarkeit und Randwinkel

Unter Benetzung versteht man die Fähigkeit einer Flüssigkeit an einer festen Oberfläche mehr oder weniger stark zu haften. Sie ist eine Folge der Adhäsion zwischen den Molekülen der Oberfläche und denen der Flüssigkeit. Diese muss größer sein als die Kohäsion der Moleküle der Flüssigkeit, damit ein Benetzungseffekt entsteht [8]. Bei der Aufbringung eines Flüssigkeitstropfens auf eine feste Oberfläche bildet sich ein Randwinkel θ aus. Als Materialeigenschaft