Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Chemnitz.

Techn. Hochsch., Diss., 2000--Aachen.

Die Arbeit befasst sich mit der Optimierung einer kapazitiv gekoppelten Hochfrequenzentladung zur Vorbehandlung von Kunststoff-Folien für Vakuum-Beschichtungsverfahren sowie zur Auswirkung der Vorbehandlung auf die applikativen Eigenschaften Al-beschichteter Polypropylen-Folie. Die Ausführung der Entladung in einer Hohlelektroden-Geometrie erlaubt die Vorbehandlung bei hohen Bandgeschwindigkeiten (>3 m/s) (wie sie für industrielle Bedampfungsprozesse üblich ist) aufgrund des unmittelbaren Kontaktes von Substratoberfläche und Plasma. Darüber hinaus erfolgt durch die kapazitive Kopplung der Entladung ein zusätzlicher Ionenbeschuss des Substrates. Die dabei inhärent hohen Ionenenergien (>1 keV) führen zu einer starken Schädigung des Substrates wie anhand von TRIM-Rechnungen gezeigt wird. Mit Hilfe von Plasma-Simulationsrechnungen werden Wege zur Reduzierung der Ionenenergie gezeigt. Insbesondere wird der Einfluss von Magnetfeldern auf Ionenenergieverteilung und Ladungsträgerdichte in HF-Entladungen untersucht. Aufbauend auf den Ergebnissen von Plasma-Simulationsrechnungen wurde eine Plasmaquelle basierend auf einer magnetisch verstärkten HF-Entladung für Substratbreiten von 400 mm entwickelt und in einer Pilotanlage für die industrielle Folienbeschichtung eingebaut. Mit Hilfe dieser Plasmaquelle wurde die in-line Vorbehandlung von Polypropylen-Folie für die Bedampfung mit Aluminium bei Bandgeschwindigkeiten von bis zu 6 m/s durchgeführt. In Abhängigkeit von der Vorbehandlungsdosis ist eine deutliche Verringerung der Permeationrate (Wasserdampf und Sauerstoff) sowie eine Zunahme der Schichthaftung zu beobachten. TEM-Untersuchungen zeigen unterschiedliches Kristallitwachstum, je nachdem ob die Al-Schicht auf einer vorbehandelten oder unvorbehandelten Oberfläche aufgewachsen ist. Das zitierte Modell zum veränderten Nukleationsverhalten der Al-Schicht liefert eine plausible Erklärung sowohl zur Veränderung der Permeationseigenschaften als auch zur beobachteten Reduktion des Schichtwiderstandes.

Die Arbeit befasst sich mit der Optimierung einer kapazitiv gekoppelten Hochfrequenzentladung zur Vorbehandlung von Kunststoff-Folien für Vakuum-Beschichtungsverfahren sowie zur Auswirkung der Vorbehandlung auf die applikativen Eigenschaften Al-beschichteter Polypropylen-Folie. Die Ausführung der Entladung in einer Hohlelektroden-Geometrie erlaubt die Vorbehandlung bei hohen Bandgeschwindigkeiten (>3 m/s) (wie sie für industrielle Bedampfungsprozesse üblich ist) aufgrund des unmittelbaren Kontaktes von Substratoberfläche und Plasma. Darüber hinaus erfolgt durch die kapazitive Kopplung der Entladung ein zusätzlicher Ionenbeschuss des Substrates. Die dabei inhärent hohen Ionenenergien (>1 keV) führen zu einer starken Schädigung des Substrates wie anhand von TRIM-Rechnungen gezeigt wird. Mit Hilfe von Plasma-Simulationsrechnungen werden Wege zur Reduzierung der Ionenenergie gezeigt. Insbesondere wird der Einfluss von Magnetfeldern auf Ionenenergieverteilung und Ladungsträgerdichte in HF-Entladungen untersucht. Aufbauend auf den Ergebnissen von Plasma-Simulationsrechnungen wurde eine Plasmaquelle basierend auf einer magnetisch verstärkten HF-Entladung für Substratbreiten von 400 mm entwickelt und in einer Pilotanlage für die industrielle Folienbeschichtung eingebaut. Mit Hilfe dieser Plasmaquelle wurde die in-line Vorbehandlung von Polypropylen-Folie für die Bedampfung mit Aluminium bei Bandgeschwindigkeiten von bis zu 6 m/s durchgeführt. In Abhängigkeit von der Vorbehandlungsdosis ist eine deutliche Verringerung der Permeationrate (Wasserdampf und Sauerstoff) sowie eine Zunahme der Schichthaftung zu beobachten. TEM-Untersuchungen zeigen unterschiedliches Kristallitwachstum, je nachdem ob die Al-Schicht auf einer vorbehandelten oder unvorbehandelten Oberfläche aufgewachsen ist. Das zitierte Modell zum veränderten Nukleationsverhalten der Al-Schicht liefert eine plausible Erklärung sowohl zur Veränderung der Permeationseigenschaften als auch zur beobachteten Reduktion des Schichtwiderstandes.

Porous materials (e.g. zeolites, activated carbon, etc.) have found various applications in industry, such as the use as sorbents, catalyst supports and membranes for separation processes. Recently, much attention has been focused on synthesizing porous polymer materials. A vast amount of tailor-made polymeric systems with tunable properties has been investigated. Very often, however, the starting substances for these polymers are of petrochemical origin, and the processes are all in all not sustainable. Moreover, the new polymers have challenged existing characterizing methodologies. These have to be further developed to address the upcoming demands of the novel materials. Some standard techniques for the analysis of porous substances like nitrogen sorption at 77 K do not seem to be sufficient to answer all arising questions about the microstructure of such materials. In this thesis, microporous polymers from an abundant natural resource, betulin, will be presented. Betulin is a large-scale byproduct of the wood industry, and its content in birch bark can reach 30 wt.%. Based on its rigid structure, polymer networks with intrinsic microporosity could be synthesized and characterized. Apart from standard nitrogen and carbon dioxide sorption at 77 K and 273 K, respectively, gas sorption has been examined not only with various gases (hydrogen and argon) but also at various temperatures. Additional techniques such as X-ray scattering and xenon NMR have been utilized to enable insight into the microporous structure of the material. Starting from insoluble polymer networks with promising gas selectivities, soluble polyesters have been synthesized and processed to a cast film. Such materials are feasible for membrane applications in gas separation. Betulin as a starting compound for polyester synthesis has aided to prepare, and for the first time to thoroughly analyse a microporous polyester with respect to its pores and microstructure. It was established that nitrogen adsorption at 87 K can be a better method to solve the microstructure of the material. In addition to that, other betulin-based polymers such as polyurethanes and polyethylene glycol bioconjugates are presented. Altogether, it has been shown that as an abundant natural resource betulin is a suitable and cheap starting compound for some polymers with various potential applications. / Das Bestreben, ölbasierte Produkte durch nachwachsende Rohstoffe zu ersetzen, hat dazu geführt, dass in immer größerer Zahl günstige, reichlich vorhandene Naturstoffe als Ausgangsstoffe für chemische Synthesen untersucht werden. In dieser Arbeit werden Polymere auf Basis von Betulin, einem aus Birkenrinde extrahierten Naturstoff, vorgestellt. Betulin ist zu 30 Gewichtsprozent in Birkenrinde enthalten. Da Betulin ein Nebenprodukt der Holzindustrie ist, ist es kostengünstig und sein Einsatz als Ausgangsstoff äußerst lukrativ. Die ersten Berichte über Betulin-basierte Polymere sind in den 1980er Jahren in Russland und Finnland erschienen, in den Ländern mit großen natürlichen Vorkommen an Birken. Betulin wurde in dieser Arbeit verwendet, um sogenannte mikroporöse Polymere herzustellen. Dies sind Stoffe mit Poren von molekularer Dimension. Mikroporöse Materialien sind wegen ihrer potentiellen Anwendung als Katalysatorträger und Gasseparationsmembranen hochinteressant. Die Klasse mikroporöser Polymere wurde durch die Synthese von unlöslichen Betulin-basierten Polyesternetzwerken erweitert. Außerdem gelang es, lösliche Polyester in Form dünner Filme herzustellen. Diese zeigten vielversprechende Ergebnisse in der Trennung von Stickstoff und Kohlendioxid und weisen somit Potential für die Nutzung als Membran auf. Dies könnte z. B. für Kohlendioxid-Reduzierung in Postcombustion-Verfahren interessant sein. Überdies wurde gezeigt, dass Stickstoffadsorption bei 77 K nicht ohne weiteres als Standardmethode für die Analyse von mikroporösen Materialien geeignet ist und dass die mikroporösen Materialien ferner durch Stickstoffadsorption bei 87 K und andere Gassorptionsmethoden bei verschiedenen Temperaturen zu charakterisieren sind. Diese Arbeit trägt zum besseren Verständnis mikroporöser Polymere bei.

Für die hochselektive technische Trennung von Stoffen hält die Natur eine optimale Lösung namens Zeolithe bereit. In dieser Arbeit wurden Zeolith 4A in Form von Partikeln und wenig permeables Polymer in einer Membran kombiniert. Die Partikel lagen dabei in einer Monolage vor und wurden lediglich seitlich vom Polymer eingefasst, sodass sie beide Oberflächen der Polymerschicht durchbrachen. Diese Einbettung zu so genannten Zeolithkompositmembranen erlaubt einen Stofftransport ausschließlich durch die hochselektiven Zeolithpartikel. Die Herstellung und Charakterisierung der Zeolithkompositmembranen stehen im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Für die Membranherstellung kam das Prinzip der partikelassistierten Benetzung einer Wasseroberfläche zum Einsatz. Hierfür wurden die Zeolithpartikel beschichtet und anschließend das unverändert zugängliche Porensystem mittels Thermogravimetrie in Wasseradsorptions-Desorptionsmessungen nachgewiesen. Aus beschichteten Partikeln und passendem Monomer konnten schichtdickenoptimierte Zeolithkompositmembranen hergestellt werden. Es wurde eine Permeabilität P für Wasserdampf von 49 barrer festgestellt, während die Gase Stickstoff und Sauerstoff keinen Transportnachweis zuließen (P < 0,03 barrer). Daraus ergeben sich Selektivitäten von über 1600. Die Durchlässigkeit für Wasser beweist ein offenes Porensystem, die Impermeabilität für Stickstoff und Sauerstoff deutet auf eine sehr geringe Defektdichte hin, was beste Voraussetzungen für Trennmembranen darstellt. Das Herstellungsprinzip soll als Vorlage für die Präparation maßgeschneiderter Kompositmembranen mit wählbarer Porengröße dienen. Vergleiche zu konventionellen Zeolithmembranen belegen, dass die partikelassistierte Benetzung die Methode der Wahl ist, partikelförmiges hochselektives Material optimal einzubetten, ohne die begehrten Permeationseigenschaften zu beeinträchtigen. / An optimal material for highly selective separation processes can be found in zeolites. We prepared composite membranes composed of zeolite 4A particles and a polymer of low permeability. The particles formed a dense monolayer which were embedded into the polymer sheet in such a way that each particle prenetrates both the top and the bottom surface of the sheet. Only this embedding offffers a transport through the highly selective particles exclusively. This work focusses on these so called zeolite composite membranes, on their preparation and characterization. The preparation of the membranes was done via particle assisted wetting on a water surface. Therefore the zeolite particles were coated by a suitable silane agent and a blocking of the pore openings by the coating process was disproved by water adsorption-desorption measurements via TGA. Using the coated particles and a suitable monomer composite membranes could be formed and the optimum thickness was found. The membranes were permeable for water vapor (permeability P = 49 barrer), but impermeable for nitrogen and oxygene (P < 0,03 barrer (detection limit)). This results in a selectivity of above 1600. The permeability for water indicates that the molecules are transported through the zeolite channels. The impermeability for nitrogene and oxygene indicates a very low amount of defects. Furthermore the composite nature of the membrane reduces brittleness thus rendering it a promising candidate for separation technology with tailoring the pore size.

Für die hochselektive technische Trennung von Stoffen hält die Natur eine optimale Lösung namens Zeolithe bereit. In dieser Arbeit wurden Zeolith 4A in Form von Partikeln und wenig permeables Polymer in einer Membran kombiniert. Die Partikel lagen dabei in einer Monolage vor und wurden lediglich seitlich vom Polymer eingefasst, sodass sie beide Oberflächen der Polymerschicht durchbrachen. Diese Einbettung zu so genannten Zeolithkompositmembranen erlaubt einen Stofftransport ausschließlich durch die hochselektiven Zeolithpartikel. Die Herstellung und Charakterisierung der Zeolithkompositmembranen stehen im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Für die Membranherstellung kam das Prinzip der partikelassistierten Benetzung einer Wasseroberfläche zum Einsatz. Hierfür wurden die Zeolithpartikel beschichtet und anschließend das unverändert zugängliche Porensystem mittels Thermogravimetrie in Wasseradsorptions-Desorptionsmessungen nachgewiesen. Aus beschichteten Partikeln und passendem Monomer konnten schichtdickenoptimierte Zeolithkompositmembranen hergestellt werden. Es wurde eine Permeabilität P für Wasserdampf von 49 barrer festgestellt, während die Gase Stickstoff und Sauerstoff keinen Transportnachweis zuließen (P < 0,03 barrer). Daraus ergeben sich Selektivitäten von über 1600. Die Durchlässigkeit für Wasser beweist ein offenes Porensystem, die Impermeabilität für Stickstoff und Sauerstoff deutet auf eine sehr geringe Defektdichte hin, was beste Voraussetzungen für Trennmembranen darstellt. Das Herstellungsprinzip soll als Vorlage für die Präparation maßgeschneiderter Kompositmembranen mit wählbarer Porengröße dienen. Vergleiche zu konventionellen Zeolithmembranen belegen, dass die partikelassistierte Benetzung die Methode der Wahl ist, partikelförmiges hochselektives Material optimal einzubetten, ohne die begehrten Permeationseigenschaften zu beeinträchtigen. / An optimal material for highly selective separation processes can be found in zeolites. We prepared composite membranes composed of zeolite 4A particles and a polymer of low permeability. The particles formed a dense monolayer which were embedded into the polymer sheet in such a way that each particle prenetrates both the top and the bottom surface of the sheet. Only this embedding offffers a transport through the highly selective particles exclusively. This work focusses on these so called zeolite composite membranes, on their preparation and characterization. The preparation of the membranes was done via particle assisted wetting on a water surface. Therefore the zeolite particles were coated by a suitable silane agent and a blocking of the pore openings by the coating process was disproved by water adsorption-desorption measurements via TGA. Using the coated particles and a suitable monomer composite membranes could be formed and the optimum thickness was found. The membranes were permeable for water vapor (permeability P = 49 barrer), but impermeable for nitrogen and oxygene (P < 0,03 barrer (detection limit)). This results in a selectivity of above 1600. The permeability for water indicates that the molecules are transported through the zeolite channels. The impermeability for nitrogene and oxygene indicates a very low amount of defects. Furthermore the composite nature of the membrane reduces brittleness thus rendering it a promising candidate for separation technology with tailoring the pore size.

In dieser Arbeit wird ein Simulationsprogramm für das Gas-Verhalten in Heizungssystemen entwickelt. Der Gaseintrag durch das Membranausdehnungsgefäß und Dichtungsstellen, die Entstehung und Ansammlung von Gasblasen und die Funktionen der Heizungsanlage werden in einem Programm dynamisch simuliert. Mit diesem Programm wird eine Parameter-Studie durchgeführt. Die Einflüsse verschiedener Faktoren auf das Vorhandensein des Gases und die Leistung der Heizungsanlage werden ausgewertet, wie zum Beispiel der Druck und Temperatur im Heizungssystem, die Gasgehalten im Füllwasser, die Auswirkung eines atmosphärischen Entgasungsgeräts. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss der Gaspermeation auf das Auftreten von Gasblasen im Heizungssystem im Vergleich zum Anfangsgasgehalt im Füllwasser sehr gering ist. Bei höherer Temperatur dringt viel mehr Sauerstoff in das System ein. Die meisten Gasblasen sammeln sich in dem Heizkörper in der höchsten Etage mit dem kürzesten Kreislauf an. Das atmosphärische Entgasungsgerät wirkt besser als das MAG bei der Druckhaltung. Jedoch wird mehr Rost in der Heizungsanlage durch den von dem Behälter des Entgasungsgeräts eingetragenen Sauerstoff erzeugt. / The purpose of this paper is to find out how and how much gas get into the heating system through permeation, when and where the gas bubbles get accumulated in the heating system and how well an atmospheric degassing device works. For this propose a dynamic timestep simulation was made with C# program to simulate heating system and the gas behaviors in the system. Sensibility tests were made for different factors such as sealing material, temperature and gas concentration in water. In addition, the speed of the gas permeation in the dynamic simulation gets compared with the values of static calculation in the literature. The results showed, that different sealing material and different temperature could make a big difference for the amount of gas that permeate in to the system. But compare to the initial gas concentration in the filling water is gas permeation alone is not a decisive factor for the presence of gas bubbles in the heating system and does not have a major impact on the performance of the heating system. More oxygen enters the system and get consumed by corrosion at higher operation temperatures. The results also showed, that the atmospheric degassing device works better than MAG at the pressure maintenance and getting rid of gas bubbles. However, oxygen gets constantly introduced in to the heating system through the container of the atmospheric degassing device. More rust is therefore generated.

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.

Bei einem thermischen Energieversorgungssystem, insbesondere einer Warmwasserheizungsanlage, spielen die in Wärmeträgermedium (Wasser) gelösten Gase (Sauerstoff und Stickstoff) für einen einwandfreien Betreib eine große Rolle, weil einerseits der im Wasser gelöste Sauerstoff zu einer Korrosionsreaktion an metallischen Anlagenbauteilen führt, was wiederum eine Reihe von negativen Konsequenzen, wie Verschleiß der Bauteile, Verstopfung der Rohrleitungen oder Durchrostung, hat. Andererseits kann der im Wasser gelöste Stickstoff aufgrund seiner reaktionsträgen Eigenschaft zu einer Gasblasenbildung führen, die wiederum eine Zirkulationsstörung im Wasserkreislauf bzw. eine Beeinträchtigung der Wärmeversorgung der Heizkörper bewirkt. Die Folgen dieser Systemstörungen sind hohe Wartungs- und Reparaturkosten sowie Reklamationen bei Planern, Anlagenherstellern und Kunden. Erkennt man die Ursachen für das Vorhandensein der Gase in der Heizungsanlage, so können Gegenmaßnahmen rechtzeitig ergriffen werden. Dadurch kann das Problem zum Teil behoben oder zumindest das Schadensausmaß begrenzt werden. Ziel dieser Arbeit ist es, das Gasproblem aufgrund der Gaspermeation in Heizungsanlagen quantitativ zu beurteilen und anschließend anhand der daraus gewonnenen Erkenntnisse mögliche Lösungsansätze zur Reduzierung bzw. Beseitigung des Gasproblems vorzuschlagen.