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

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Theoretische Grundlagen
2.1 Erläuterung wesentlicher Begriffe
2.2 Beschreibung grundlegender Phänomene

3 Versuchsbeschreibungen
3.1 Allgemeines
3.2 Abspülversuche
3.2.1 Versuchsbeschreibung
3.2.2 Modellannahme
3.2.3 Versuchsergebnisse
3.3 Betauungsversuche
3.3.1 Versuchsbeschreibung
3.3.2 Modellannahmen
3.3.3 Versuchsergebnisse
3.4 Diskussion der Versuchsergebnisse

4 Überlegungen zur Übertragbarkeit auf den Bereich der Verpackungstechnik
4.1 Allgemeine Überlegungen
4.2 Zwei- und Dreiphasensysteme
4.3 Strömungsverhalten
4.4 Verschmutzungsarten

5 Übertragung der Forschungsergebnisse auf die Verpackungstechnik
5.1 Relevante Bereiche der Verpackungstechnik
5.2 Wirtschaftliche Betrachtungen der Reinigungsfähigkeit von Oberflächen in der Verpackungstechnik
5.3 Relevante Forschungsrichtungen
5.3.1 Bionik
5.3.2 Nanotechnologie
5.4 Übertragung auf den verpackungsmaterial- bzw. werkstoffbezogenen Anwendungsbereich
5.4.1 Übertragung auf den werkstoffbezogenen Anwendungsbereich
5.4.2 Übertragung auf den maschinentechnischen Bereich (CIP-Systeme)

6 Schlussbetrachtung

Anhang A – Übersichten zur Nanotechnologie

Anhang B – Patentrecherche

Literaturverzeichnis

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- 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 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 [s] = 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].

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 q aus. Als Materialeigenschaft resultiert er aus den Grenzflächenenergien des Feststoffs, der Flüssigkeit und des umgebenden Mediums [1].

Partikelhaftung

Die Haftung von Partikeln auf festen Oberflächen hängt von vielen Einflussfak- toren ab. [1] sieht als wesentliche Haftkräfte die Van der Waals-Kräfte sowie elektrostatische Kräfte, welche Bindemechanismen ohne Materialbrücken darstellen (vgl. u.a. [9]). Van der Waals-Kräfte entstehen durch statistische Schwankungen von Ladungsverteilungen durch Kopplung eines Dipols mit einem weiteren Dipol durch Induktion eines weiteren Dipols [10]. [1] beschreibt die Haftkraft durch die mikroskopische Theorie nach Hamaker, aus der sich eine starke Abstandsabhängigkeit der Haftkraft ergibt. Da ein direkter Kontakt aufgrund der Berechnungsformel sowie von Betrachtungen auf molekularer Ebene nicht berücksichtigt werden kann, wird von einem Abstand von 0,4 nm als realistischem Wert ausgegangen.

Vergleich der Kräfte auf Partikeln

Auf die deponierte Partikel wirken Strömung, Grenzflächenspannung, Haftung und Gewichtskraft. Durch eine Kräftebilanz kann das Bewegungsverhalten einer Partikel ermittelt werden. [1] trägt die wirkenden Kräfte entsprechend seiner Versuchsbedingungen in einem Diagramm zum Vergleich auf (vgl. Bild 2.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.1 Vergleich an einer Partikel angreifender Kräfte [1]

Der Vergleich zeigt übereinstimmend mit den von [1] gefundenen Versuchser- gebnissen, dass die l/g-Grenzflächen die größte Krafteinwirkung besitzen, während die Van der Waals-Kräfte nur auf kurze Distanzen wirken und in Flüssigkeiten entsprechend der Hamaker-Theorie noch kleiner werden. „Die anderen Kräfte sind aber nicht vernachlässigbar klein und müssen in einer quantitativen Betrachtung berücksichtigt werden, da sie zu den l/g- Grenzflächenkräften in Konkurrenz stehen.“ [1]

Betauung und Trocknung

Schlägt sich Feuchtigkeit auf einer festen Oberfläche nieder, so bilden sich an Kondensationskeimen kleine Tautröpfchen, die mit zunehmender Taumenge anwachsen und sich bei Zusammenstoß zu größeren Tröpfchen zusammen- schließen. Die Tröpfchenform besitzt in guter Näherung die Form eines Kugel- abschnittes; dessen Berührungswinkel entspricht dem Randwinkel q.

Beim Trocknungsvorgang zieht sich der Tropfenrand auf idealer Fläche zurück, um die Randwinkelbedingungen einzuhalten. Auf der Oberfläche befindliche Partikel verändern den Vorgang durch Kapillarwirkung, da zwischen den Partikeln bis zur vollständigen Verdunstung noch Feuchtigkeit verbleibt. Zum Ende der Trocknung werden an den Partikeln Wasserbrücken ausgebildet, welche zu einer Verstärkung der Haftkraft bei den benetzenden Partikeloberflä- chen führen [1].

3 Versuchsbeschreibungen

3.1 Allgemeines

[1] hat versucht, den Einfluss von 3-Phasengrenzphänomen als wesentlichen Faktor bei der Abtragung und Umlagerung natürlich deponierter Partikel durch Regenereignisse zu identifizieren. Seine Untersuchungen gliedern sich im Wesentlichen in vier Teile: Zum einen wurden natürliche Staubproben gesam- melt, deren Größenverteilung spektrometrisch gemessen und deren Morpholo- gie rasterelektronenmikroskopisch erfasst wurde. Die anschließenden Labor- versuche bestanden aus Abspülversuchen sowie Betauungs- und Trocknungs- versuchen. Diese wurden mit Hilfe eines geeigneten Bildauswertungsverfahrens ausgewertet. Dabei wurden nicht nur die erwähnten Staubproben untersucht, sondern ebenfalls Glaskugeln verschiedener Durchmesser sowie Quarzsand- partikeln als Modellsubstanzen, die im Labor auf zum Teil mit Teflon präparierte Objektträger bzw. Objektdeckgläschen aufgebracht wurden. Diese unterschie- den sich in den Unterlagenrandwinkeln, welche sich bei Fortschreiten bzw. Rückschreiten der Tropfen ausbildeten. Die Versuche lieferten vorwiegend qualitative Ergebnisse. Für die Betauungsversuche erlaubte die Bildauswertung auch eine Quantifizierung; diese war Grundlage für eine rechnerische Simulati- on, durch die geprüft wurde, ob die getroffenen qualitativen Modellannahmen die auftretenden Phänomene ausreichend beschreiben. Im Folgenden werden die Versuchsdurchführungen und –ergebnisse sowie die damit zusammenhän- genden Modelle kurz beschrieben.

3.2 Abspülversuche

3.2.1 Versuchsbeschreibung

Für die Abspülversuche wurden Luftstaubproben sowie Glaskugeln von 30 mm, 50 mm und 100 mm Durchmesser verwendet. Diese sollten durch eine laminare Rieselfilmströmung von einem Glas-Objektträger abgespült werden. Die Versuchszeit betrug 30 Minuten, sofern nicht alle Partikeln vorher abgetragen wurden. Da bei allen Substanzen eine vollständige Abtragung direkt nach Versuchsbeginn erfolgte, wurden diese zunächst einem Betauungs- und Trocknungsvorgang unterzogen.

3.2.2 Modellannahme

Abbildung 3.1 illustriert die Kräfte, die an einer deponierten Partikel auf einer schrägen Unterlage wirken. Zu ihnen zählen neben der Gewichtskraft Haft- sowie Strömungskräfte, eine der Strömung gleichgerichtete Widerstandskraft sowie eine aus Wandeffekten resultierende Auftriebskraft. Dabei ergeben sich weitere mögliche Beanspruchungen durch Tropfenprall, Aufprall anderer Feststoffteilchen sowie der Grenzflächenkräfte an den l/g-Phasengrenzen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.1 Kräfte an einer deponierten Partikel auf schräger Unterlage [1]

3.2.3 Versuchsergebnisse

Von den Glaskugeln wurden diejenigen mit einem Durchmesser von 100 mm direkt nach Versuchsbeginn abgespült. Bei den Glaskugeln mit einem Durch- messer von 30 mm und 50 mm stellte sich eine Zeitabhängigkeit heraus. Einzelne Partikeln oder auch Partikelgruppen wurden dabei in unregelmäßigen Abständen abgespült. Die meisten Abspülereignisse zeigten sich dabei in den ersten Minuten. Bei den Glaskugeln mit 50 mm Durchmesser waren die Ergeb- nisse schlecht reproduzierbar. Ein ähnliches Verhalten zeigte sich bei den Staubproben, bei denen alle Abspülereignisse in den ersten Minuten stattfan- den. Hauptsächlich wurden dabei größere Partikeln entfernt. Durch die beim Wachsen und auch Trocknen entstehende s-/l-/g-Grenzflächenbewegung bildeten sich zudem Aggregate aus, welche sich durch die Ausbildung von Stützkräften und Feststoffbrücken in der Folge schwerer abspülen ließen als einzelne Partikel.

Bei den Abspülversuchen konnte eine Abhängigkeit der Partikelgröße auf die im Vergleich zu den Haftkräften relative Zunahme der Strömungskräfte bei größe- ren Partikeln festgestellt werden. Größere Partikeln konnten leichter abgespült werden als kleine, da die Filmströmung eine größere Widerstandskraft auf sie ausübt. Aufgrund der geringen Zeitabhängigkeit der Versuche kann darauf geschlossen werden, „dass die Grenzflächenkräfte an der Flüssigkeitsfront wesentlich stärker am Abspülvorgang beteiligt sind, als die Strömungskräfte. Offensichtlich verändern sich die Haftkräfte im Verlauf der Abspülversuche nicht mehr weiter, so dass die Partikeln, deren Haftkräfte gegenüber en Grenzflä- chenkräften an der Flüssigkeitsfront groß genug waren, um eine Abspülen zu vermeiden, nicht mehr von den noch kleineren Strömungskräften in der Film- strömung abgespült werden.“ [1] Die wandernden l/g-Phasengrenzen waren somit entscheidender für den Abspülvorgang als die nachfolgende Filmströ- mung. Die an diesen auftretenden Kräfte haben sich somit bei den Abspülver- suchen als dominierend erwiesen.

3.3 Betauungsversuche

3.3.1 Versuchsbeschreibung

Die auf Objektträger bzw. Objektträgergläschen befindlichen Proben wurden in einer Betauungskammer betaut und anschließend zur Trocknung in einen Aufbewahrungsbehälter mit Laborluftkontakt gelegt. Es wurden Quarzsandpar- tikeln mit einer geringen Korngrößenverteilung sowie einer durchschnittlichen Korngröße von etwa 30 mm sowie Glaskugeln von 30 und 50 mm Durchmesser eingesetzt. Die Aggregatbildung wurde durch Vergleich der Partikelverteilung vor und nach Versuchsdurchführung beobachtet.

3.3.2 Modellannahmen

Zur Beschreibung der Vorgänge wurden folgende vereinfachende Modellan- nahmen getroffen:

- Die Partikeln sind kugelförmig.

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