Technische Fachhochschule Berlin

Oberflächeneigenschaften sowie Grenzflächeneffekte von Packstof-

fen und Packmitteln (Modul M 3.1)

Ines Muñoz Zuñiga

,,Abtragen und Umlagern deponierter Feststoffpartikeln

an der Phasengrenze fest-flüssig-gasförmig"

­

Übertragung theoretischer Erkenntnisse der Oberflä-

chentechnik auf verpackungspraktische Anwendungen

Belegarbeit

Abgabetermin: 2.2.2009

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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

5.4.1

Übertragung auf den werkstoffbezogenen Anwendungsbereich 18

---

5.4.2

Übertragung auf den maschinentechnischen Bereich (CIP-Systeme) 21

6

Schlussbetrachtung 23

AnhangA­ÜbersichtenzurNanotechnologie II

AnhangB­Patentrecherche VI

Literaturverzeichnis IX

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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 Wesentli-

chen 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 Grenzflächeneffek-

ten 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 Verpac-

kungstechnik in mehrerlei Hinsicht. Zum einen können im Bereich der Maschi-

nentechnik 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 Ablösepro-

zesses von Schmutzpartikeln von der Maschinenoberfläche genau zu kennen,

da eine Kontrolle ­ sei es durch die menschliche Sensorik, sei es durch techni-

sche Hilfsmittel - durch eine schlechte Zugänglichkeit vieler Maschinenteile nur

schwer realisierbar ist.

Eine weitere Betrachtungsweise bietet sich im Hinblick auf Verpackungsmate-

rialien an. Zum Erreichen einer erhöhten Umweltfreundlichkeit von Verpackun-

gen rücken die Themen Wiederverwendbarkeit sowie Restentleerbarkeit

vermehrt in den Fokus. Um die Mehrwegfähigkeit einer Verpackung zu erlan-

gen, 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-

1

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bensmittelbereich oder Ampullen im pharmazeutischen Bereich durch soge-

nannte Rinser werden unter dem Gesichtspunkt der Grenzflächenphänomene

besser beschreib- und analysierbar.

Im Folgenden wird zunächst auf wichtige theoretische Grundlagen eingegan-

gen, 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 ergän-

zend betrachtet.

2

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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 ­ wäh-

rend 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 [] =

J/m2 = N/m = kg/s2 [3]. Werkstoffabhängig wird unterschieden in hochenergeti-

sche 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 Verbin-

dungen 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].

3

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Schmutz

,,Schmutz ist Sammelbegriff für ­ auf Oberflächen haftende ­ Substanzen, die

Gebrauch, Hygiene oder Ästhetik des betroffenen Gegenstandes beeinträchti-

gen. Im Begriff ,,Verschmutzung" wird der enge Bezug ,,Schmutz ­ verschmutz-

ter 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 wesent-

liche Phänomene auf, welche im Folgenden kurz beschrieben werden.

Filmströmung

,,Unter Filmströmung versteht man den Grenzfall einer offenen Gerinneströ-

mung 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 ReFilm,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 Rieselfilm-

strömung 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 Benet-

zungseffekt entsteht [8]. Bei der Aufbringung eines Flüssigkeitstropfens auf

eine feste Oberfläche bildet sich ein Randwinkel aus. Als Materialeigenschaft

4

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