Techn. Hochsch., Diss., 2004--Aachen.

For the development of smart surfaces high attention is focused on stimuli-responsive polymers. Since type and rate of response to environmental stimuli can be regulated by chain length, composition, architecture and topology, polymer films offer a variety of opportunities to develop such stimuli-responsive surfaces. Here polymer brush surfaces designed for a controlled adsorption of proteins and a switchable activity of immobilized enzymes are presented. The work is focused on temperature as well as pH-sensitive binary brushes, consisting of poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) and poly(acrylic acid) (PAA), and their swelling behavior as well as their protein adsorption affinity is compared to the corresponding homopolymer brushes. All polymer brushes are covalently grafted by ester bonds to an anchoring layer of poly(glycidyl methacrylate), that itself is grafted via ether bonds to a silicon surface. Methodical investigations of layer thickness and refractive index of the brushes in the swollen state and after protein adsorption are carried out with in-situ spectroscopic ellipsometry, varying the brush composition and the solution parameters pH, salt concentration and temperature. The ellipsometric findings are correlated to results of contact angle, atomic force microscopy and zeta-potential measurements as well as colorimetric assays of enzyme activities at the brush surface. Furthermore the swelling of PNIPAAm brushes and protein adsorption at PAA Guiselin brushes are investigated in more detail with attenuated total reflexion Fourier-transform infrared spectroscopy and quartz crystal microbalance with dissipation, respectively.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss.

Im Fokus dieser Arbeit steht die Charakterisierung und Berechnung von Polyamid 6 (PA 6) mit Wasserkonzentrationsverteilungen. Hierfür wird das Material in stationären wie instationären Zuständen bei definierten Konzentrationsverteilungen charakterisiert, um daraus eine Methode zur numerischen Berechnung der Konzentrationsverteilungen auf Basis der Fick’schen Diffusion mittels Finite-Elemente Methode (FEM) zu entwickeln. Diese Berechnungsmethode verwendet experimentell ermittelte, konzentrations-abhängige Diffusionskoeffizienten und wird anhand von Sorptionsversuchen und computertomographischen Messungen der Konzentrationsverteilung validiert. An die berechnete Konzentration werden weitere konzentrationsabhängige Materialeigenschaften gekoppelt, um in einem nachgeschalteten Berechnungsschritt die wasserinduzierte Quellung bzw. das feuchteabhängige Deformationsverhalten vorherzusagen. Es wird zudem die Datengrundlage geschaffen, mit der die vorliegende Konzentration in eine lokale Glasübergangstemperatur umgerechnet werden kann, sodass sie in weiterführenden Arbeiten als interne Variable eines Materialmodells genutzt werden kann. Durch Korrelation der numerischen mit den experimentellen Ergebnissen kann eine Aussage über die Genauigkeit der FE-Berechnung gegeben und die Grenzen sowie Möglichkeiten der Berechnungsmethode aufgezeigt werden.

For the development of smart surfaces high attention is focused on stimuli-responsive polymers. Since type and rate of response to environmental stimuli can be regulated by chain length, composition, architecture and topology, polymer films offer a variety of opportunities to develop such stimuli-responsive surfaces. Here polymer brush surfaces designed for a controlled adsorption of proteins and a switchable activity of immobilized enzymes are presented. The work is focused on temperature as well as pH-sensitive binary brushes, consisting of poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) and poly(acrylic acid) (PAA), and their swelling behavior as well as their protein adsorption affinity is compared to the corresponding homopolymer brushes. All polymer brushes are covalently grafted by ester bonds to an anchoring layer of poly(glycidyl methacrylate), that itself is grafted via ether bonds to a silicon surface. Methodical investigations of layer thickness and refractive index of the brushes in the swollen state and after protein adsorption are carried out with in-situ spectroscopic ellipsometry, varying the brush composition and the solution parameters pH, salt concentration and temperature. The ellipsometric findings are correlated to results of contact angle, atomic force microscopy and zeta-potential measurements as well as colorimetric assays of enzyme activities at the brush surface. Furthermore the swelling of PNIPAAm brushes and protein adsorption at PAA Guiselin brushes are investigated in more detail with attenuated total reflexion Fourier-transform infrared spectroscopy and quartz crystal microbalance with dissipation, respectively.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden für die Herstellung neuartiger funktioneller Oberflächenbeschichtungen Polymerbürstensysteme basierend auf linearen, thermoresponsiven Poly-2-oxazolinen (POX) entwickelt und ausführlich charakterisiert. Als Grundbaustein für die Herstellung von POX-Bürsten wurden drei endfunktionalisierte thermoresponsive POX mittels kationisch ringöffnender Polymerisation synthetisiert, wobei jeweils 2-Cyclopropyl-2-oxazolin (cPrOX) als thermoresponsive Wiederholungseinheit und 2-Methyl-2-oxazolin (MeOX) als hydrophiles Comonomer zu verschiedenen Anteilen verwendet wurden. Mittels VIS-spektroskopischen Trübungsmessungen wurde für alle POX in Wasser ein LCST-Entmischungsverhalten mit einem reversiblen und scharfen Phasenübergang nachgewiesen, wobei die Trübungstemperaturen stark von der Polymerhydrophilie sowie der Molmasse und der Polymerkonzentration in Lösung abhingen. Die Herstellung der POX-Polymerbürsten auf der Basis der synthetisierten POX erfolgte über einen „grafting to“-Ansatz, bei welchem die Polymere in einem thermisch initiierten Prozess über ein funktionalisiertes Kettenende kovalent an ein Substrat angebunden wurden. Als Hauptmethode zur Charakterisierung der physikochemischen Eigenschaften der hergestellten Schichten, insbesondere deren temperaturabhängiges Schaltverhalten in Wasser, wurde spektroskopische Ellipsometrie verwendet. Zusätzlich kamen Rasterkraftmikroskopie, Kontaktwinkel und Quarzkristallmikrowaage mit Dissipationsaufzeichnung zum Einsatz. Im Gegensatz zum sehr scharfen, diskontinuierlichen Phasenübergang der POX in Lösung konnte für alle POX-Bürsten ein kontinuierlicher Übergang von einem gestreckten Bürstenzustand bei niedrigen Temperaturen in einen kollabierten Zustand bei hohen Temperaturen bestimmt werden, wobei das Quellvermögen und die temperaturabhängigen Quellkurvenverläufe durch die Polymereigenschaften und die Bürstenparameter beeinflussbar waren. Durch die Kombination eines POX mit Polyacrylsäure (PAA) als zweite Komponente konnten zudem neuartige binäre Polymerbürstensysteme hergestellt werden, welche ein komplexes pH- und temperaturabhängiges Schaltverhalten sowie ein steuerbares Proteinadsorptionsvermögen in Abhängigkeit von der Bürstenpräparationsmethodik, der POX-PAA-Zusammensetzung sowie der Temperatur und dem pH-Wert der umgebenden Pufferlösung aufwiesen. Zur ausführlichen Charakterisierung der Schichteigenschaften wurde neben den bereits benannten Methoden der spektroskopischen Ellipsometrie, Rasterkraftmikroskopie und der Kontaktwinkelmessung auch Röntgenphotoelektronenspektroskopie genutzt. Abschließende Zelladhäsionsexperimente mit humanen mesenchymalen Stammzellen auf den bürstenmodifizierte Oberflächen unter physiologischen Bedingungen offenbarten deutliche Unterschiede in der Affinität der Zellen zur Adhäsion auf POX-Homopolymerbürsten in Abhängigkeit der Bürstenhydrophilie. Darüber hinaus konnte die Zelladhäsion auch auf POX-PAA-Mischbürstensystemen gesteuert werden.

In this work, a design platform for the modeling, simulation and optimization of fluidic components and their interactions in larger systems is developed. A hydrogel-based stimulus-sensitive microvalve is the core element of the microfluidic toolbox. Essential material properties as swelling-stimuli functions and the cooperative diffusion are extracted from measurements. The results provide necessary input data for finite element simulations in order to extract characteristic properties of the mechanical and fluid domains. Finally, the behavior of the microvalve and other fluidic library elements is implemented in Matlab Simscape for component and system simulations. Case studies and design optimization can be realized in a very short time with high accuracy. The toolbox is suitable for research and development and as software for academic education. The library elements are evaluated for a chemofluidic NAND gate, a chemofluidic decoder and a chemofluidic oscillator.:1 Introduction to Microfluidic Systems 1.1 Chemofluidic Enables Scalable and Logical Microfluidics 1.2 Focus of this Work 2 Fundamentals for Hydrogel-based Lab-on-Chip Systems 2.1 Basic Hydrogel Material Behavior 2.1.1 Basic Swelling Behavior 2.1.2 General Properties of Hydrogels 2.2 Overview of the used Microtechnology 2.2.1 Synthesis of P(NIPAAm-co-SA) 2.2.2 Microfabrication of a Microfluidic Chip 2.3 Introduction to Modeling and Simulation Techniques 2.3.1 Computer-aided Design Methodologies 2.3.2 Model Abstraction Levels for Computer-Aided Design 2.3.3 Modeling Techniques for Microvalves in a Fluidic System 3 Analytical Descriptions of Swelling 3.1 Quasi-Static Description 3.1.1 Physical Static Chemo-Thermal Description 3.1.2 Finite Element Routine for Static Thermo-Elastic Expansion 3.1.3 Static System Level Design for Hydrogel Swelling 3.2 Transient Description 3.2.1 Physical Dynamic Chemo-Thermal Description 3.2.2 Finite Element Routine for Dynamic Thermo-Elastic Expansion 3.2.3 Transient System Level Design for Hydrogel Swelling 3.3 Swelling Hysteresis Effect 3.3.1 Quasi-static Hysteresis 3.3.2 Transient Hysteresis 4 Characterization of Hydrogel 4.1 Data Acquisition through Automated Measurements 4.1.1 Measuring the Swelling of Hydrogels 4.1.2 Contactless Measurement Concept to Determine the Core Stiffness of Hydrogels 4.2 Data Evaluation with Image Recognition 4.3 Data Fitting and Model Adaption 4.3.1 Quasi-static Response 4.3.2 Transient Response 4.3.3 Hysteresis Response 5 Modeling Swelling in Finite Elements 5.1 Validity of the Model and Simulation Approach 5.2 Thermo-Mechanical Model of the Hydrogel Expansion Behavior 5.2.1 Change of the Length by Thermal Expansion 5.2.2 Stress-Strain Relationship for Hydrogels 5.2.3 Thermal Volume Expansion and Parameter Adaptation 5.2.4 Heat Transfer Coefficient 5.3 Volume Phase-Transition of a Hydrogel implemented in ANSYS 5.4 Computational Fluid Dynamics 5.4.1 Analytic Mesh Morphing 5.4.2 One-way Fluid Structure Interaction Modeling 5.4.3 Towards a Two-way Fluid Structure Interaction Model in CFX 6 Lumped Modeling 6.1 The Chemical Volume Phase-transition Transistor Model 6.1.1 Static Hysteresis 6.1.2 Equilibrium Swelling Length – Quasi-static Behavior 6.1.3 Kinematic Swelling Length - Transient Behavior 6.1.4 Stiffness and Maximum Closing Pressure 6.1.5 Calculation of the Fluidic Conductance 6.1.6 Modeling of the Fluid Flow through the Valve 6.2 Circuit Descriptions Analogy for Microfluidic Applications 6.2.1 Advantages and Limitations of Combined Simulink-Simscape Models 6.2.2 Requirements for Microfluidic Circuits 6.2.3 Graphical User Interfaces and Library Element Management 6.3 Modeling Techniques for the Chemical Volume Phase-transition Transistor (CVPT) 6.3.1 Network Description of CVPT 6.3.2 Signal Flow Description of CVPT 6.3.3 Mixed Signal Flow and Network Model for CVPT 7 Micro-Fluidic Toolbox 7.1 Microfluidic Components 7.1.1 Fluid Sources and Stimuli Sources 7.1.2 Fluidic Resistor with Bidirectional Stimulus Transport 7.1.3 Junctions 7.1.4 Chemical Volume Phase-transition Transistor 7.2 Microfluidic Matlab Toolbox 7.3 Modeling Chemofluidic Logic Circuits 7.3.1 Chemofluidic NAND Gate 7.3.2 Chemofluidic Decoder Application 7.3.3 Chemo-Fluidic Oscillator 7.4 Layout Synthesis 8 Summary and Outlook Appendix A 2D Thermo-Mechanical Solid Element for the Finite Element Method B Thermal Expansion Equation for ANSYS C Linear Regression of the Thermal Expansion Equation for ANSYS D Comparing different Mechanical Strain Definitions E Supporting Documents E.1 Analytic Static Swelling E.2 FEM - Matrix Method E.3 8 Node Finite Element Routine E.4 FEM - Script to create the CTEX table data E.5 Comparison of Solid Mechanics / In dieser Arbeit wird eine Entwurfsplattform für die Modellierung, Simulation und Optimierung von fluidischen Komponenten und deren Wechselwirkungen in größeren Systemen entwickelt. Ein Mikroventil auf der Basis von stimuli-sensitiven Hydrogelen ist das Kernelement des Entwurfstools. Wesentliche Materialeigenschaften wie das Quellverhalten und der kooperative Diffusionskoeffizient werden zu Beginn mit Messungen ermittelt. Mit Finite-Elemente-Simulationen werden aus diesen Daten charakteristische Kennwerte für das mechanische und fluidische Verhalten bestimmt. Sie bilden die Basis für komplexe Systemmodelle in Matlab Simscape, welche das Mikroventil und weitere fluidische Grundelemente in ihrem Zusammenwirken beschreiben. Verschiedene Konzepte können in kurzer Zeit und mit hoher Genauigkeit analysiert, optimiert und verglichen werden. Die Toolbox eignet sich für die Forschung und Entwicklung sowie als Software für die akademische Ausbildung. Sie wurde für den Entwurf eines chemofluidischen NAND-Gatters, für einen chemofluidischen Decoder und für einen chemofluidischen Oszillator eingesetzt.:1 Introduction to Microfluidic Systems 1.1 Chemofluidic Enables Scalable and Logical Microfluidics 1.2 Focus of this Work 2 Fundamentals for Hydrogel-based Lab-on-Chip Systems 2.1 Basic Hydrogel Material Behavior 2.1.1 Basic Swelling Behavior 2.1.2 General Properties of Hydrogels 2.2 Overview of the used Microtechnology 2.2.1 Synthesis of P(NIPAAm-co-SA) 2.2.2 Microfabrication of a Microfluidic Chip 2.3 Introduction to Modeling and Simulation Techniques 2.3.1 Computer-aided Design Methodologies 2.3.2 Model Abstraction Levels for Computer-Aided Design 2.3.3 Modeling Techniques for Microvalves in a Fluidic System 3 Analytical Descriptions of Swelling 3.1 Quasi-Static Description 3.1.1 Physical Static Chemo-Thermal Description 3.1.2 Finite Element Routine for Static Thermo-Elastic Expansion 3.1.3 Static System Level Design for Hydrogel Swelling 3.2 Transient Description 3.2.1 Physical Dynamic Chemo-Thermal Description 3.2.2 Finite Element Routine for Dynamic Thermo-Elastic Expansion 3.2.3 Transient System Level Design for Hydrogel Swelling 3.3 Swelling Hysteresis Effect 3.3.1 Quasi-static Hysteresis 3.3.2 Transient Hysteresis 4 Characterization of Hydrogel 4.1 Data Acquisition through Automated Measurements 4.1.1 Measuring the Swelling of Hydrogels 4.1.2 Contactless Measurement Concept to Determine the Core Stiffness of Hydrogels 4.2 Data Evaluation with Image Recognition 4.3 Data Fitting and Model Adaption 4.3.1 Quasi-static Response 4.3.2 Transient Response 4.3.3 Hysteresis Response 5 Modeling Swelling in Finite Elements 5.1 Validity of the Model and Simulation Approach 5.2 Thermo-Mechanical Model of the Hydrogel Expansion Behavior 5.2.1 Change of the Length by Thermal Expansion 5.2.2 Stress-Strain Relationship for Hydrogels 5.2.3 Thermal Volume Expansion and Parameter Adaptation 5.2.4 Heat Transfer Coefficient 5.3 Volume Phase-Transition of a Hydrogel implemented in ANSYS 5.4 Computational Fluid Dynamics 5.4.1 Analytic Mesh Morphing 5.4.2 One-way Fluid Structure Interaction Modeling 5.4.3 Towards a Two-way Fluid Structure Interaction Model in CFX 6 Lumped Modeling 6.1 The Chemical Volume Phase-transition Transistor Model 6.1.1 Static Hysteresis 6.1.2 Equilibrium Swelling Length – Quasi-static Behavior 6.1.3 Kinematic Swelling Length - Transient Behavior 6.1.4 Stiffness and Maximum Closing Pressure 6.1.5 Calculation of the Fluidic Conductance 6.1.6 Modeling of the Fluid Flow through the Valve 6.2 Circuit Descriptions Analogy for Microfluidic Applications 6.2.1 Advantages and Limitations of Combined Simulink-Simscape Models 6.2.2 Requirements for Microfluidic Circuits 6.2.3 Graphical User Interfaces and Library Element Management 6.3 Modeling Techniques for the Chemical Volume Phase-transition Transistor (CVPT) 6.3.1 Network Description of CVPT 6.3.2 Signal Flow Description of CVPT 6.3.3 Mixed Signal Flow and Network Model for CVPT 7 Micro-Fluidic Toolbox 7.1 Microfluidic Components 7.1.1 Fluid Sources and Stimuli Sources 7.1.2 Fluidic Resistor with Bidirectional Stimulus Transport 7.1.3 Junctions 7.1.4 Chemical Volume Phase-transition Transistor 7.2 Microfluidic Matlab Toolbox 7.3 Modeling Chemofluidic Logic Circuits 7.3.1 Chemofluidic NAND Gate 7.3.2 Chemofluidic Decoder Application 7.3.3 Chemo-Fluidic Oscillator 7.4 Layout Synthesis 8 Summary and Outlook Appendix A 2D Thermo-Mechanical Solid Element for the Finite Element Method B Thermal Expansion Equation for ANSYS C Linear Regression of the Thermal Expansion Equation for ANSYS D Comparing different Mechanical Strain Definitions E Supporting Documents E.1 Analytic Static Swelling E.2 FEM - Matrix Method E.3 8 Node Finite Element Routine E.4 FEM - Script to create the CTEX table data E.5 Comparison of Solid Mechanics

Ohne zuverlässige Chemo- und Biosensoren wären beispielsweise die Überwachung von Prozessparametern in der chemischen und biotechnologischen Industrie, die Detektion von geringsten Analytkonzentrationen in der biomedizinischen Analytik oder die Spurenanalyse von Schadstoffen undenkbar. Neue Sensormaterialien wie stimuliresponsive Hydrogele spielen bei der Entwicklung neuer chemischer und biochemischer Sensoren eine immer größere Rolle. Hydrogele sind „intelligente“ hydrophile Polymernetzwerke, die in Abhängigkeit von spezifischen Stimuli quellen und entquellen können. In Kombination mit piezoresistiven Drucksensoren wird dann der resultierende Quelldruck in eine messbare Ausgangsspannung umgewandelt. In dieser Arbeit werden sowohl neuartige stimuliresponsive Hydrogele für die Detektion von Ethanol in alkoholischen Getränken als auch zum Nachweis von gelöstem Ammoniak und Harnstoff für biotechnologische Prozesse vorgestellt. Nach der gezielten Synthese und Funktionalisierung der Gele werden zunächst die Quelleigenschaften in freier Quellung untersucht. Im Mittelpunkt der Charakterisierung stehen dabei sensorisch relevante Eigenschaften wie beispielsweise das Quellverhalten in Abhängigkeit vom jeweiligen Stimulus. Im nächsten Schritt werden piezoresistive Hydrogelsensoren aufgebaut und vermessen. Dabei werden wichtige Sensoreigenschaften wie der sensitive Messbereich, Nachweisgrenzen oder Querempfindlichkeiten detailliert untersucht und die Sensorkonzepte hinsichtlich ihres Anwendungspotenzials bewertet.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden für die Herstellung neuartiger funktioneller Oberflächenbeschichtungen Polymerbürstensysteme basierend auf linearen, thermoresponsiven Poly-2-oxazolinen (POX) entwickelt und ausführlich charakterisiert. Als Grundbaustein für die Herstellung von POX-Bürsten wurden drei endfunktionalisierte thermoresponsive POX mittels kationisch ringöffnender Polymerisation synthetisiert, wobei jeweils 2-Cyclopropyl-2-oxazolin (cPrOX) als thermoresponsive Wiederholungseinheit und 2-Methyl-2-oxazolin (MeOX) als hydrophiles Comonomer zu verschiedenen Anteilen verwendet wurden. Mittels VIS-spektroskopischen Trübungsmessungen wurde für alle POX in Wasser ein LCST-Entmischungsverhalten mit einem reversiblen und scharfen Phasenübergang nachgewiesen, wobei die Trübungstemperaturen stark von der Polymerhydrophilie sowie der Molmasse und der Polymerkonzentration in Lösung abhingen. Die Herstellung der POX-Polymerbürsten auf der Basis der synthetisierten POX erfolgte über einen „grafting to“-Ansatz, bei welchem die Polymere in einem thermisch initiierten Prozess über ein funktionalisiertes Kettenende kovalent an ein Substrat angebunden wurden. Als Hauptmethode zur Charakterisierung der physikochemischen Eigenschaften der hergestellten Schichten, insbesondere deren temperaturabhängiges Schaltverhalten in Wasser, wurde spektroskopische Ellipsometrie verwendet. Zusätzlich kamen Rasterkraftmikroskopie, Kontaktwinkel und Quarzkristallmikrowaage mit Dissipationsaufzeichnung zum Einsatz. Im Gegensatz zum sehr scharfen, diskontinuierlichen Phasenübergang der POX in Lösung konnte für alle POX-Bürsten ein kontinuierlicher Übergang von einem gestreckten Bürstenzustand bei niedrigen Temperaturen in einen kollabierten Zustand bei hohen Temperaturen bestimmt werden, wobei das Quellvermögen und die temperaturabhängigen Quellkurvenverläufe durch die Polymereigenschaften und die Bürstenparameter beeinflussbar waren. Durch die Kombination eines POX mit Polyacrylsäure (PAA) als zweite Komponente konnten zudem neuartige binäre Polymerbürstensysteme hergestellt werden, welche ein komplexes pH- und temperaturabhängiges Schaltverhalten sowie ein steuerbares Proteinadsorptionsvermögen in Abhängigkeit von der Bürstenpräparationsmethodik, der POX-PAA-Zusammensetzung sowie der Temperatur und dem pH-Wert der umgebenden Pufferlösung aufwiesen. Zur ausführlichen Charakterisierung der Schichteigenschaften wurde neben den bereits benannten Methoden der spektroskopischen Ellipsometrie, Rasterkraftmikroskopie und der Kontaktwinkelmessung auch Röntgenphotoelektronenspektroskopie genutzt. Abschließende Zelladhäsionsexperimente mit humanen mesenchymalen Stammzellen auf den bürstenmodifizierte Oberflächen unter physiologischen Bedingungen offenbarten deutliche Unterschiede in der Affinität der Zellen zur Adhäsion auf POX-Homopolymerbürsten in Abhängigkeit der Bürstenhydrophilie. Darüber hinaus konnte die Zelladhäsion auch auf POX-PAA-Mischbürstensystemen gesteuert werden.

Die Herstellung hochqualitativer Produkte in der Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie erfordert den Einsatz reproduzierbarer Reinigungsprozesse. Häufig wird die nasschemische Reinigung als Cleaning in Place Verfahren angewandt. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Optimierung von Reinigungsprozessen im nicht immergierten System insbesondere bei der Anwendung gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme. Inhalte sind Untersuchungen zum Benetzungs- und Strömungsverhalten im Vergleich zur Reinigungswirkung von Flüssigkeitsfilmen. Als Modellverschmutzungen wurden zwei lebensmitteltypische Bestandteile in Kombination mit partikulären Anteilen eingesetzt. Im Ergebnis konnte nachgewiesen werden, dass sich das Reinigungsverhalten der gewählten Verschmutzungen mit der Hydrodynamik am Beispiel von Flüssigkeitsfilmen beschreiben lässt. Zusätzlich wurde ein neuartiger Ansatz zur Optimierung der Reinigungseffizienz durch die Anwendung diskontinuierlicher Flüssigkeitsfilme untersucht. Dadurch konnte gezeigt werden, dass der Ressourceneinsatz gegenüber einer kontinuierlichen Flüssigkeitsfilmströmung signifikant verringert werden kann, wobei die Reinigungszeit nur geringfügig steigt.:Danksagung ... II Inhaltsverzeichnis ... III Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen ... VI Abkürzungsverzeichnis ... XVI 1 Einleitung, Motivation und Gegenstand der Arbeit ... 1 2 Grundlagen der Reinigung ... 3 2.1 Begriffserklärung ... 3 2.2 Industrielle Reinigungsprozesse ... 3 2.2.1 Einordnung ... 3 2.2.2 Reinigungsgeräte für die Nassreinigung im nicht immergierten System ... 8 2.3 Reinigungsvorgänge im nicht immergierten System ... 10 2.3.1 Komponenten des Reinigungssystems ... 10 2.3.2 Schmutzhaftmechanismen ... 20 2.3.3 Reinigungsmechanismen und Wirkzusammenhänge ... 23 2.3.4 Reinigungskinetik ... 28 3 Methoden für Reinigungsuntersuchungen ... 32 3.1 Einordnung ... 32 3.2 Industrielle Methoden ... 33 3.3 Wissenschaftliche Methoden ... 35 4 Gravitationsgetriebene Flüssigkeitsfilmströmungen ... 37 4.1 Einteilung von Filmströmungen und Filmkennzahlen ... 37 4.2 Kennzahlen zur Oberflächenbenetzung ... 40 4.3 Filmdicke und Filmoberflächenwelligkeit ... 47 4.3.1 Modellvorstellungen und Kennzahlen ... 47 4.3.2 Experimentelle Methoden ... 50 4.4 Strömungsgeschwindigkeit ... 54 4.4.1 Modellvorstellungen und Kennzahlen ... 54 4.4.2 Experimentelle Methoden ... 58 5 Zielsetzung und Lösungsweg ... 61 5.1 Problemstellung ... 61 5.2 Arbeitshypothese ... 62 5.3 Vorgehen ... 62 5.4 Zusammenhang mit anderen Arbeiten ... 63 6 Material und Methoden ... 64 6.1 Auswahl Substrate ... 64 6.2 Topografiebestimmung ... 64 6.3 Kontaktwinkelmessung ... 66 6.4 Untersuchungsobjekt ... 68 6.5 Grundaufbau der Versuchsanlage ... 68 6.6 Auswahl der Flüssigkeit ... 70 6.7 Festlegung der Einstellparameter für die Strömungs- und Reinigungsmessungen ... 71 6.8 Charakterisierung des Stoffsystems ... 71 6.8.1 Quellverhalten ... 71 6.8.2 Bindungskräfte ... 77 6.9 Hydrodynamik ... 79 6.9.1 Oberflächenbenetzung ... 79 6.9.2 Filmdicke ... 85 6.9.3 Strömungsgeschwindigkeit ... 102 6.10 Reinigungsuntersuchungen ... 115 6.10.1 Auswahl der Modellverschmutzungen ... 115 6.10.2 Auswahl und Konzeption der Messdatenerfassung ... 117 6.10.3 Versuchsaufbau ... 119 6.10.4 Aufnahmeparameter ... 121 6.10.5 Benetzungseinfluss auf die Phosphoreszenzintensität ... 123 6.10.6 Methode zur reproduzierbaren Verschmutzung ebener Substrate ... 125 6.10.7 Überprüfung der Reproduzierbarkeit und Gleichmäßigkeit der Verschmutzungsmethode ... 128 6.10.8 Versuchsablauf ... 130 6.10.9 Messdatenaufbereitung und -auswertung ... 130 7 Versuchsauswertung und Ergebnisse ... 140 7.1 Charakterisierung der Verschmutzung ... 140 7.1.1 Quellverhalten ... 140 7.1.2 Bindungskräfte ... 144 7.1.3 Zusammenfassung der Verschmutzungscharakterisierung ... 150 7.2 Hydrodynamik gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme ... 151 7.2.1 Oberflächenbenetzung ... 151 7.2.2 Filmdicke und Filmdickenverteilung ... 163 7.2.3 Strömungsgeschwindigkeit ... 171 7.2.4 Zusammenfassung der Hydrodynamik gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme ... 180 7.3 Reinigungsverhalten gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme ... 182 7.3.1 Reinigungskinetik ... 182 7.3.2 Gereinigte Zonen ... 185 7.3.3 Einfluss des Flächenverschmutzungsgewichtes ... 187 7.3.4 Einfluss der Betriebsparameter ... 188 7.3.5 Reinigungseffizienz ... 191 7.3.6 Einfluss der Oberfläche ... 193 7.3.7 Fehlerdiskussion ... 195 7.3.8 Zusammenfassung des Reinigungsverhaltens ... 197 8 Vergleich Reinigungsverhalten und Hydrodynamik gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme ... 198 8.1 Vorbemerkungen zum Vergleich ... 198 8.2 Einfluss Strömungsparameter auf das Reinigungsverhalten ... 198 8.2.1 Einfluss der Filmdicke und Filmdickenverteilung ... 198 8.2.2 Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit ... 199 8.3 Einfluss abgeleiteter Größen auf das Reinigungsverhalten ... 201 8.3.1 Einfluss der Wandschubspannung ... 201 8.3.2 Einfluss der Grenzschichtdicke ... 202 8.4 Zusammenfassung des Vergleiches zwischen Reinigungsverhalten und Hydrodynamik ... 205 9 Optimierungsansatz: diskontinuierliche Flüssigkeitsfilme ... 207 10 Zusammenfassung und Ausblick ... 211 Literaturverzeichnis ... 214 Anhangverzeichnis ... 229