Microsieves are permeable membranes with excellent properties for filtration applications. In this thesis the inkjet-technology is applied (1) to manufacture micro-porous microsieves, and (2) to reinforce the mechanical stability of float-cast, nano-porous microsieves: (1) The current process for inkjet-printed microsieves includes a manual step which is substituted by inkjet printing in order to increase the level of automation. The obtained microsieves are characterized regarding the pore size distribution. Effects which occur during the manufacture and broaden the pore size distribution are identified. Based on the results, the process is improved to obtain fully inkjet-printed microsieves with a narrowed pore size distribution. (2) The mechanical stability of fragile, float-cast microsieves is improved by the application of inkjet-printed reinforcement patterns on top of the microsieves. A machine is built to combine both technologies of float-casting and inkjet printing. The printing process is improved to manufacture reinforcement patterns of well-defined geometry. / Mikrosiebe sind permeable Membranen mit herausragenden Eigenschaften für die Anwendung in der Filtration. In der vorliegenden Dissertation wird die Inkjet-Drucktechnologie angewandt, um (1) mikroporöse Mikrosiebe herzustellen und (2) nanoporöse Mikrosiebe mechanisch zu stabilisieren: (1) Die Herstellung von Mikrosieben mittels Inkjet-Druck beinhaltet momentan einen manuellen Schritt, der durch einen Inkjet-Druckschritt ersetzt wird, um den Automatisierungsgrad des Verfahrens zu erhöhen. Die Mikrosiebe werden bezüglich der Porengrößenverteilung untersucht. Auftretende Effekte, die die Porengrößenverteilung verbreitern, werden identifiziert. Aus den Resultaten dieser Analyse wird der Prozess optimiert, um Mikrosiebe mit einer engen Porengrößenverteilung herzustellen. (2) Die mechanische Stabilität von fragilen Mikrosieben, die mittels Float-Casting hergestellt werden, wird durch das Aufbringen einer Stützstruktur mittels Inkjet-Druck verstärkt. Ein Maschinensetup wird aufgebaut um beide Technologien des Float-Castings und des Inkjet-Drucks zu kombinieren. Weiterhin wird der Prozess dahingehend optimiert, Stützstrukturen mit wohl-definierten Parametern zu erzielen.

Microsieves are permeable membranes with excellent properties for filtration applications. In this thesis the inkjet-technology is applied (1) to manufacture micro-porous microsieves, and (2) to reinforce the mechanical stability of float-cast, nano-porous microsieves: (1) The current process for inkjet-printed microsieves includes a manual step which is substituted by inkjet printing in order to increase the level of automation. The obtained microsieves are characterized regarding the pore size distribution. Effects which occur during the manufacture and broaden the pore size distribution are identified. Based on the results, the process is improved to obtain fully inkjet-printed microsieves with a narrowed pore size distribution. (2) The mechanical stability of fragile, float-cast microsieves is improved by the application of inkjet-printed reinforcement patterns on top of the microsieves. A machine is built to combine both technologies of float-casting and inkjet printing. The printing process is improved to manufacture reinforcement patterns of well-defined geometry. / Mikrosiebe sind permeable Membranen mit herausragenden Eigenschaften für die Anwendung in der Filtration. In der vorliegenden Dissertation wird die Inkjet-Drucktechnologie angewandt, um (1) mikroporöse Mikrosiebe herzustellen und (2) nanoporöse Mikrosiebe mechanisch zu stabilisieren: (1) Die Herstellung von Mikrosieben mittels Inkjet-Druck beinhaltet momentan einen manuellen Schritt, der durch einen Inkjet-Druckschritt ersetzt wird, um den Automatisierungsgrad des Verfahrens zu erhöhen. Die Mikrosiebe werden bezüglich der Porengrößenverteilung untersucht. Auftretende Effekte, die die Porengrößenverteilung verbreitern, werden identifiziert. Aus den Resultaten dieser Analyse wird der Prozess optimiert, um Mikrosiebe mit einer engen Porengrößenverteilung herzustellen. (2) Die mechanische Stabilität von fragilen Mikrosieben, die mittels Float-Casting hergestellt werden, wird durch das Aufbringen einer Stützstruktur mittels Inkjet-Druck verstärkt. Ein Maschinensetup wird aufgebaut um beide Technologien des Float-Castings und des Inkjet-Drucks zu kombinieren. Weiterhin wird der Prozess dahingehend optimiert, Stützstrukturen mit wohl-definierten Parametern zu erzielen.

Gegenstand dieser Arbeit ist es, die Temperaturbeständigkeit von bikontinuierlichen Kompositmembranen bestehend aus Zeolith 4A und Visiomer HEMATMDI zu überprüfen und das Verhalten ihrer Permeanz im Verlauf der Temperaturerhöhung zu untersuchen. Weiterhin wird ihre Verwendbarkeit für technisch und industriell relevante Prozesse der Gastrocknung nachgewiesen. Zunächst wird thermogravimetrisch untersucht, bei welcher Temperatur Zersetzungserscheinungen an der polymeren Komponente auftreten. Anschließend wird thermogravimetrisch der Wassergehalt von Zeolith 4A im Bereich dieser Temperatur bestimmt. Hierauf folgen Permeationsmessungen mit Sauerstoff und Stickstoff an der bikontinuierlichen Kompositmembran. Die Temperatur wird hierbei schrittweise bis knapp unter die Zersetzungstemperatur des Polymers erhöht. Die Eignung der Membranen zur Gastrocknung wird exemplarisch an der Trocknung von Erdgas gezeigt. Es werden die Permeanzen für Wasserdampf und Methan als Hauptbestandteil von Erdgas mittels Einzelgasmessungen experimentell bestimmt. Aus diesen Permeanzen errechnet sich die ideale Selektivität der bikontinuierlichen Kompositmembran von Wasserdampf gegenüber Methan. Mit ihrer Hilfe lässt sich die Eignung der Membran zur Trocknung von Erdgas abschätzen. / The aim of this work is to study the temperature resistance of bicontinuous composite membranes, composed zeolite 4A and Visiomer HEMATMDI, and their permeances with rising temperatures. Furthermore their suitability for gas drying is investigated.

In dieser Arbeit werden verschiedene Verfahren vorgestellt, um Saturnpartikel herzustellen. Es wird die Selbstanordnung von erfolgreich hergestellten Saturnpartikeln untersucht. Im ersten Teil werden durch ein äquatoriales Ätzverfahren Saturnpartikel mit hydrophoben Kappen sowie einem hydrophilen Gürtel aus hydrophob beschichteten sphärischen Partikeln hergestellt. Mit einer Monolage dieser Saturnpartikel können Membranen aus Wasser (sogenannte Pickering-Membranen) stabilisiert werden. Die Pickering-Membranen sind über einen Zeitraum von mehreren Tagen stabil und lassen Permeabilitätsuntersuchungen zu. Diese Pickering-Membranen können als ein Spezialfall einer Supported Liquid Membrane angesehen werden. Es werden die Permeabilitätsunterschiede von Kohlenstoffdioxid gegen Luft sowie Luft gegen Schwefelhexafluorid betrachtet. Die resultierenden Werte stimmen in zufriedenstellender Weise mit theoretisch – nach dem für Supported Liquid Membranes gängigen Löslichkeits-Diffusionsmodell – berechneten Werten überein. Im zweiten Teil werden Partikel über Float-casting in Membranen eingebettet und dadurch rundherum – nicht jedoch an den Polkappen – äquatorial maskiert. Anschließend wird Gold aufgedampft und die maskierende Membran entfernt, sodass Saturnpartikel zurück bleiben. Die Saturnpartikel weisen hydrophile Kappen sowie einen hydrophoben Gürtel auf. An einer Öl-Wasser-Grenzfläche kommt es zu einer Selbstanordnung dieser Saturnpartikel durch Verknüpfung ihrer Gürtel in Form von zweidimensionalen Netzwerken. In diesen Netzwerken können einfache geometrische Formen gefunden werden. Es ist dabei nicht möglich, die Partikel durch einen Krafteintrag in einem flächendeckenden Muster zu organisieren. Die Untersuchung erfolgt durch konfokale Fluoreszenzspektroskopie. Die Goldkappen der Saturnpartikel zeigen ein Fluoreszenzsignal.:Bibliographische Beschreibung und Referat Danksagung Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Theoretischer Teil 2.1 Januspartikel 2.1.1 Herstellungsmöglichkeiten 2.1.1.1 Herstellung durch Oberflächenmodifizierung 2.1.1.2 Phasenseparation zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten 2.1.1.3 Herstellung aus Bausteinen über Selbstanordnung 2.1.2 Anwendung 2.2 Saturnpartikel 2.2.1 Herstellung durch Oberflächenmodifizierung 2.2.2 Herstellung durch Phasenseparation von nicht mischbaren Flüssigkeiten 2.2.3 Herstellung aus Bausteinen über Selbstanordnung 2.3 Partikelstabilisierte Membranen 2.4 Aktuelle Fortschritte in der Gastrennung Mittels Gestützter Flüssigmembranen 2.4.1 Gestützte Flüssigmembranen (Supported Liquid Membranes) 2.4.2 Flüssigkeiten 2.4.2.1 Nicht-Ionische Flüssigkeiten 2.4.2.2 Ionische Flüssigkeiten 2.4.2.3 Stark Eutektische Lösemittel 2.4.3 Matrixmaterialien 2.4.4 Träger 2.4.5 Trennaufgaben 2.4.5.1 CO2/N2 2.4.5.2 CO2/CH4 2.4.5.3 Alken/Alkan 2.4.5.4 Andere Trennaufgaben 2.4.6 Einfluss von Temperatur und Druck 2.4.7 Stabilität 2.4.8 Simulationen 2.4.9 Zusammenfassung und Ausblick des Kapitels 2.5 Grenzflächen 2.5.1 Grenzflächenspannung 2.5.2 Kontaktwinkel und Benetzung 2.5.3 Partikelassistierte Benetzung 2.5.3.1 Float-casting 2.6 Modifizierung von Oberflächen durch Selbstorganisierende Monoschichten 2.6.1 Silanisierung von Oberflächen 2.6.2 Thiolisierung von Oberflächen 2.7 Fluoreszenz 2.8 Netzwerkanalyse 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Herstellung von Saturnpartikeln durch schrittweises Einsinken in ein Polymer 3.2 Herstellung von Saturnpartikeln mit geätztem Ring mit Ätzzelle 3.2.1 Beschreibung der Ätzzelle 3.2.2 Optimierung des Verfahrens 3.2.2.1 Einlegen der Thermoplastischen Folien in Ethanol 3.2.2.2 Einführung eines Luer-Lock-Systems 3.2.2.3 Erhöhung der Pumpgeschwindigkeit bei der Reinigung 3.2.3 Beschreibung der erhaltenen Saturnpartikel 3.3 Pickering-Membranen stabilisiert durch Saturnpartikel mit geätztem Ring 3.3.1 Permeabilitätsuntersuchungen von Pickering-Membranen 3.3.1.1 Theoretische Permeanzen 3.3.1.2 Experimentelle Permeanzen 3.4 Herstellung von Saturnpartikeln durch Beschichtung mit Gold und graduelles Ätzen 3.5 Herstellung von Saturnpartikeln über Float-casting 3.5.1 Herstellung von Saturnpartikeln über Float-casting: Glaspartikel 3.5.2 Herstellung von Saturnpartikeln über Float-casting: Siliziumdioxidpartikel 3.5.3 Herstellung von Saturnpartikeln über Float-casting: Silsesquioxanpartikel 3.5.3.1 Bestimmung der Schichtdicke des Goldes 3.5.3.2 Membranherstellung mit Silsesquioxanpartikel über Floatcasting 3.5.3.3 Oberflächenmodifizierung der Goldkappen 3.6 Selbstanordnung von Saturnpartikeln unter dem Konfokalmikroskop 3.6.1 Erste Anordnungen 3.6.2 Einsatz von Zinkbromidlösungen 3.6.3 Fluoreszenz von Saturnpartikeln bei verschiedenen Flüssigkeitsgemischen 3.6.4 Fluoreszenz der Goldkappen 3.6.5 Flüssigkeitsmeniskus in den Probengefäßen 3.6.6 Messung an der Flüssig-Flüssig-Grenzfläche 3.6.7 Schallunterstützte Anordnung 3.6.8 Mathematische Beschreibung der Saturnpartikelnetzwerke 4 Zusammenfassung und Ausblick 5 Experimenteller Teil 5.1 Eingesetzte Chemikalien 5.2 Verwendete Geräte 5.3 Partikelsynthese und -oberflächenmodifikation 5.3.1 Herstellung von Siliziumdioxidpartikeln im Submikrometermaßstab 5.3.2 Herstellung von Polystyrolpartikeln im Mikrometermaßstab 5.3.3 Oberflächenmodifizierung von Glaspartikeln mit Silanen 5.4 Saturnpartikel durch schrittweises Einsinken in ein Polymer 5.5 Saturnpartikel durch Beschichtung mit Gold und graduelles Ätzen 5.6 Saturnpartikel mit geätztem Ring mit Ätzzelle 5.6.1 Pickering-Membranen in einem Rollrandgläschen 5.6.2 Pickering-Membranen in der Permeationsapparatur und Permeationsuntersuchungen 5.7 Saturnpartikeln über Float-Casting 5.7.1 Glaspartikel, Supelco Glass Beads 5.7.2 Siliziumdioxidpartikel, Stöberpartikel 5.7.3 Silsesquioxanpartikel, Tospearls 5.8 Kontaktwinkelmessungen 5.8.1 Kontaktwinkel von Partikeln 5.8.2 Kontaktwinkel von planaren Substraten 5.9 Konfokalmikroskopieaufnahmen 5.9.1 Fluoreszenzlösungen 5.9.2 Konfokalmikroskopieprobengefäße 5.9.3 Subwoofer 5.9.4 Messungen am Konfokalmikroskop 5.10 Rasterelektronenmikroskopieaufnahmen 5.11 Plasmaätzen Literaturverzeichnis Selbstständigkeitserklärung Lebenslauf Veröffentlichungen und Tagungsbeiträge

In dieser Arbeit werden Mikrosiebe mit unterschiedlichen Porendurchmessern im Mikrometer- und Submikrometerbereich mithilfe des float-casting-Verfahrens hergestellt. Im ersten Teil der Arbeit werden die Mikrosiebe mit vier unterschiedlichen Porendurchmessern mithilfe des klassischen float-casting-Verfahrens hergestellt und zu unterschiedlichen hierarchisch strukturierten Mikrosiebverbunden kombiniert. Die Permeanz der hergestellten Mikrosiebe und Mikrosiebverbunde wird theoretisch, experimentell sowie numerisch untersucht. Dabei zeigt sich, dass alle Methoden vergleichbare Werte liefern. Die Untersuchung der Filtrationseigenschaften der Mikrosiebverbunde zeigt, dass Mikrosiebe mit Porendurchmessern im Mikrometerbereich durch ihre defektfreie Struktur hervorragende Filtrationseigenschaften besitzen. Mikrosiebe mit Porendurchmessern im Submikrometerbereich weisen hingegen wenige Fehlstellen auf, die jedoch durch eine Grenzflächenpolymerisation behoben werden können. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein Verfahren entwickelt, mit der es möglich ist, Mikrosiebe durch das Sprühen auf eine mit Partikeln besetzte Wasseroberfläche herzustellen. Dafür wird eine Apparatur für den Sprühvorgang entworfen und gebaut. Als Sprühdüse findet eine Zweistoffdüse mit äußerer Mischung Verwendung. Die verschiedenen Parameter der Sprühapparatur werden näher untersucht und im Anschluss Versuche zur Herstellung von Mikrosieben mit Porendurchmessern im Mikrometerbereich durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die selbst gebaute Apparatur mit der verwendeten Zweistoffdüse zur Herstellung von Mikrosieben eignet.

In dieser Arbeit wird gezeigt, wie Mikrosiebe über das Float Casting Verfahren hergestellt und durch Ink Jet Druck stabilisiert werden. Dazu wurde ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt Mikrosiebe großflächig auf einem Langmuirtrog herzustellen und noch schwimmend auf der Wasseroberfläche zu bedrucken, so dass stabilisierte Mikrosiebe von der Wasseroberfläche abgehoben werden können. Zur Herstellung der Mikrosiebe wird das Prinzip der Partikel-assistierten Benetzung verwendet, bei dem eine Dispersion aus Silikapartikeln, Monomer und Initiator auf einer Wasseroberfläche gespreitet wird. Die Partikel ordnen sich dabei von selbst in einer hexagonal dichtesten Packung an und dienen sowohl als Spreithilfe als auch als Porenbildner. Nach dem Entfernen der Partikel entsteht ein poröses Mikrosieb mit einheitlichen, dicht gepackten Poren. Durch das Aufdrucken einer Wabenstruktur als Stützstruktur wird eine ausreichende Stabilisierung erreicht, so dass die Siebe in Filtrationsversuchen eingesetzt werden können. Das entstehende Gefüge, bestehend aus einem Mikrosieb mit einer Dicke im Nanometerbereich wird von einer Stützstruktur, welche eine Dicke im Mikrometerbereich besitzt, stabilisiert. Außerdem wird gezeigt, wie eine Wasseroberfläche Schritt für Schritt modifiziert wird, so dass es möglich ist grazile Strukturen auf eine Wasseroberfläche zu drucken. Diese Strukturen können anschließend von der Wasseroberfläche abgehoben werden und stehen nach dem Trocknen als freistehende Strukturen zur Verfügung.

In dieser Arbeit wird gezeigt, wie Mikrosiebe über das Float Casting Verfahren hergestellt und durch Ink Jet Druck stabilisiert werden. Dazu wurde ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt Mikrosiebe großflächig auf einem Langmuirtrog herzustellen und noch schwimmend auf der Wasseroberfläche zu bedrucken, so dass stabilisierte Mikrosiebe von der Wasseroberfläche abgehoben werden können. Zur Herstellung der Mikrosiebe wird das Prinzip der Partikel-assistierten Benetzung verwendet, bei dem eine Dispersion aus Silikapartikeln, Monomer und Initiator auf einer Wasseroberfläche gespreitet wird. Die Partikel ordnen sich dabei von selbst in einer hexagonal dichtesten Packung an und dienen sowohl als Spreithilfe als auch als Porenbildner. Nach dem Entfernen der Partikel entsteht ein poröses Mikrosieb mit einheitlichen, dicht gepackten Poren. Durch das Aufdrucken einer Wabenstruktur als Stützstruktur wird eine ausreichende Stabilisierung erreicht, so dass die Siebe in Filtrationsversuchen eingesetzt werden können. Das entstehende Gefüge, bestehend aus einem Mikrosieb mit einer Dicke im Nanometerbereich wird von einer Stützstruktur, welche eine Dicke im Mikrometerbereich besitzt, stabilisiert. Außerdem wird gezeigt, wie eine Wasseroberfläche Schritt für Schritt modifiziert wird, so dass es möglich ist grazile Strukturen auf eine Wasseroberfläche zu drucken. Diese Strukturen können anschließend von der Wasseroberfläche abgehoben werden und stehen nach dem Trocknen als freistehende Strukturen zur Verfügung.