In Offsetdruckanlagen wird neben der Druckfarbe eine im wesentlichen aus Wasser bestehende Flüssigkeit, sog. Feuchtmittel, auf das Papier übertragen. Diese Feuchtigkeit verbleibt nicht an der Oberfläche des Bedruckstoffes, sondern dringt unter der Wirkung von Kapillarkräften in den Kernbereich der porösen Struktur ein. Der zeitliche Verlauf dieses kapillaren Transportvorganges übt insofern einen entscheidenden Einfluß auf die Druckqualität aus, als eine schnelle Entfeuchtung der Oberflächenzone die Voraussetzung für eine vollständige Farbannahme beim sukzessiven mehrfarbigen Bedrucken darstellt. Darüber hinaus hängen feuchtigkeitsbedingte Änderungen des für die Gesamtstruktur maßgeblichen Deformationsverhaltens von der Geschwindigkeit ab, mit welcher sich die Flüssigkeit über den Querschnitt verteilt. In dieser Arbeit wird auf der Grundlage einer mischungstheoretischen Axiomatik ein Modell zur Beschreibung des kapillaren Flüssigkeitstransportes in Papier vorgeschlagen, dessen Homogenisierungsgrad einerseits den wesentlichen Einflüssen des Porenraumes auf das Transportverhalten Rechnung trägt, andererseits Einzelheiten nur soweit einbezieht, als sie sich einer Identifikation erschließen. Ein wesentliches Merkmal des strukturübergreifend formulierten Ansatzes besteht in der Einführung von Volumenanteilen für die Konstituierenden des als Mehrphasenkörper betrachteten teilgesättigten porösen Mediums. In Bezug auf die Formulierung eines makroskopischen Bewegungsgesetzes für den teilgesättigten Flüssigkeitstransport sowie hinsichtlich der Annahmen, welche die konstitutiven Beziehungen betreffen, wird auf den MUSKATschen Ansatz zurückgegriffen, wie er sich auf den Gebieten der Hydrologie bzw. der Bodenphysik bewährt hat. Mit der Vernachlässigbarkeit des Schwerkrafteinflusses sowie der Annahme einer kompressionsfreien Verdrängung der im Porenraum enthaltenen Luft ergeben sich gegenüber einem allgemeinen Zweiphasentransportproblem Vereinfachungen in der mathematischen Beschreibung: Die von der Luftströmung entkoppelte Betrachtung der Flüssigkeitsbewegung mündet in eine Transportgleichung vom Typ einer nichtlinearen Wärmeleitungsgleichung. Zur Lösung dieser parabolischen Differentialgleichung für das Anfangs-Randwert-Problem, wie es den obengenannten Ausbreitungsvorgang beschreibt, wurde das Heat-Transfer-Tool des kommerziellen Finite-Element-Programms MARC eingesetzt. Auf der Grundlage experimentell ermittelter Porengrößenverteilungsdichten gelang eine näherungsweise Bestimmung der Transportkoeffizienten sowie der konstitutiven Beziehungen.

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In Offsetdruckanlagen wird neben der Druckfarbe eine im wesentlichen aus Wasser bestehende Flüssigkeit, sog. Feuchtmittel, auf das Papier übertragen. Diese Feuchtigkeit verbleibt nicht an der Oberfläche des Bedruckstoffes, sondern dringt unter der Wirkung von Kapillarkräften in den Kernbereich der porösen Struktur ein. Der zeitliche Verlauf dieses kapillaren Transportvorganges übt insofern einen entscheidenden Einfluß auf die Druckqualität aus, als eine schnelle Entfeuchtung der Oberflächenzone die Voraussetzung für eine vollständige Farbannahme beim sukzessiven mehrfarbigen Bedrucken darstellt. Darüber hinaus hängen feuchtigkeitsbedingte Änderungen des für die Gesamtstruktur maßgeblichen Deformationsverhaltens von der Geschwindigkeit ab, mit welcher sich die Flüssigkeit über den Querschnitt verteilt. In dieser Arbeit wird auf der Grundlage einer mischungstheoretischen Axiomatik ein Modell zur Beschreibung des kapillaren Flüssigkeitstransportes in Papier vorgeschlagen, dessen Homogenisierungsgrad einerseits den wesentlichen Einflüssen des Porenraumes auf das Transportverhalten Rechnung trägt, andererseits Einzelheiten nur soweit einbezieht, als sie sich einer Identifikation erschließen. Ein wesentliches Merkmal des strukturübergreifend formulierten Ansatzes besteht in der Einführung von Volumenanteilen für die Konstituierenden des als Mehrphasenkörper betrachteten teilgesättigten porösen Mediums. In Bezug auf die Formulierung eines makroskopischen Bewegungsgesetzes für den teilgesättigten Flüssigkeitstransport sowie hinsichtlich der Annahmen, welche die konstitutiven Beziehungen betreffen, wird auf den MUSKATschen Ansatz zurückgegriffen, wie er sich auf den Gebieten der Hydrologie bzw. der Bodenphysik bewährt hat. Mit der Vernachlässigbarkeit des Schwerkrafteinflusses sowie der Annahme einer kompressionsfreien Verdrängung der im Porenraum enthaltenen Luft ergeben sich gegenüber einem allgemeinen Zweiphasentransportproblem Vereinfachungen in der mathematischen Beschreibung: Die von der Luftströmung entkoppelte Betrachtung der Flüssigkeitsbewegung mündet in eine Transportgleichung vom Typ einer nichtlinearen Wärmeleitungsgleichung. Zur Lösung dieser parabolischen Differentialgleichung für das Anfangs-Randwert-Problem, wie es den obengenannten Ausbreitungsvorgang beschreibt, wurde das Heat-Transfer-Tool des kommerziellen Finite-Element-Programms MARC eingesetzt. Auf der Grundlage experimentell ermittelter Porengrößenverteilungsdichten gelang eine näherungsweise Bestimmung der Transportkoeffizienten sowie der konstitutiven Beziehungen.

In der vorliegenden Arbeit wurde das Verhalten dünner Flüssigkeitsfilme an gekrümmten Substratoberflächen durch experimentelle Beschichtungsversuche basierend auf der non-invasiven laserinduzierten Fluoreszenzmesstechnik und durch numerische Filmsimulationen mit Hilfe des Volume-of-Fluid Mehrphasenmodells untersucht. Besonderes Interesse galt dabei dem Finden optimaler Einflussgrößenkombinationen zur Reduzierung des Fettkanten-Effekts. In der hierfür durchgeführten Parameterstudie wurden sowohl Applikationsparameter wie der Kantenrundungsradius und die Applikationsschichtdicke als auch Stoffparameter der untersuchten Flüssigkeit wie die Viskosität und die Oberflächenspannung variiert. Neben qualitativen Beschreibungen der entstandenen Fettkantengestalten sind als Resultate auch Größen zur Quantifizierung der Fettkanten festgelegt worden und systematisch dargestellt. Es konnte nachgewiesen werden, dass ungünstige und geeignete Parameterkonfigurationen existieren, welche prägnante bzw. kaum auffällige Fettkanten erzeugen, insbesondere im Experiment. Über die dabei eingreifenden Mechanismen der zugrundeliegenden Strömungen wurden konkrete Hypothesen aufgestellt, auch um die resultierenden Proportionalitäten der Fettkantengrößen bezüglich der Einflussgrößen zu plausibilisieren. Weiterhin konnte eine Aussage über die Signifikanz der untersuchten Einflussgrößen getroffen werden. Abschließend wurde eine geeignete dimensionslose Kenngröße generiert, um den Fettkanten-Effekt parameterübergreifend beschreiben zu können, wodurch mittels der Ähnlichkeitstheorie auch eine gewisse Abschätzung des Fettkanten-Effekts ermöglicht wird. / In this study the behaviour of a thin liquid layer at a curved solid edge was examined by experimental coating investigations based on the laser-induced fluorescence technique and by numerical film simulations based on the Volume-of-Fluid multiphase flow model, respectively. The main motivation was to find optimal combinations of influencing quantities to reduce the fat-edge effect. Therefore a study of these quantities was performed, in which application parameters like edge radii of curvature and application layer thicknesses as well as determining liquid properties like viscosity and surface tension have been varied. Results are described qualitatively at corresponding fat-edge shapes and quantified by suitable fat-edge parameters, which had to be identified and selected. It could be shown that adverse and appropriate influencing parameter combinations exist, which generate conspicuous and less distinctive fat-edges, respectively - especially in laboratory experiments. The experimental findings and proportionalities regarding fat-edge shapes and dimensions are found to be physically plausible. Furthermore an order of significance of the influencing quantities established. Eventually, a dimensionless quantity was derived by dimensional analysis, which describes the fat-edge effect. Thus, the fat-edge effect has also been described by the application of similarity theory and the corresponding dimenionless number, respectively.

In der vorliegenden Arbeit wurde das Verhalten dünner Flüssigkeitsfilme an gekrümmten Substratoberflächen durch experimentelle Beschichtungsversuche basierend auf der non-invasiven laserinduzierten Fluoreszenzmesstechnik und durch numerische Filmsimulationen mit Hilfe des Volume-of-Fluid Mehrphasenmodells untersucht. Besonderes Interesse galt dabei dem Finden optimaler Einflussgrößenkombinationen zur Reduzierung des Fettkanten-Effekts. In der hierfür durchgeführten Parameterstudie wurden sowohl Applikationsparameter wie der Kantenrundungsradius und die Applikationsschichtdicke als auch Stoffparameter der untersuchten Flüssigkeit wie die Viskosität und die Oberflächenspannung variiert. Neben qualitativen Beschreibungen der entstandenen Fettkantengestalten sind als Resultate auch Größen zur Quantifizierung der Fettkanten festgelegt worden und systematisch dargestellt. Es konnte nachgewiesen werden, dass ungünstige und geeignete Parameterkonfigurationen existieren, welche prägnante bzw. kaum auffällige Fettkanten erzeugen, insbesondere im Experiment. Über die dabei eingreifenden Mechanismen der zugrundeliegenden Strömungen wurden konkrete Hypothesen aufgestellt, auch um die resultierenden Proportionalitäten der Fettkantengrößen bezüglich der Einflussgrößen zu plausibilisieren. Weiterhin konnte eine Aussage über die Signifikanz der untersuchten Einflussgrößen getroffen werden. Abschließend wurde eine geeignete dimensionslose Kenngröße generiert, um den Fettkanten-Effekt parameterübergreifend beschreiben zu können, wodurch mittels der Ähnlichkeitstheorie auch eine gewisse Abschätzung des Fettkanten-Effekts ermöglicht wird. / In this study the behaviour of a thin liquid layer at a curved solid edge was examined by experimental coating investigations based on the laser-induced fluorescence technique and by numerical film simulations based on the Volume-of-Fluid multiphase flow model, respectively. The main motivation was to find optimal combinations of influencing quantities to reduce the fat-edge effect. Therefore a study of these quantities was performed, in which application parameters like edge radii of curvature and application layer thicknesses as well as determining liquid properties like viscosity and surface tension have been varied. Results are described qualitatively at corresponding fat-edge shapes and quantified by suitable fat-edge parameters, which had to be identified and selected. It could be shown that adverse and appropriate influencing parameter combinations exist, which generate conspicuous and less distinctive fat-edges, respectively - especially in laboratory experiments. The experimental findings and proportionalities regarding fat-edge shapes and dimensions are found to be physically plausible. Furthermore an order of significance of the influencing quantities established. Eventually, a dimensionless quantity was derived by dimensional analysis, which describes the fat-edge effect. Thus, the fat-edge effect has also been described by the application of similarity theory and the corresponding dimenionless number, respectively.

Diese Arbeit setzt sich mit der Messung und Modellierung von Haftkräften auf rauen Oberflächen auseinander, wobei Filtermaterialien aus dem Sonderforschungsbereich 920 mittels Rasterkraftmikroskopie-Methoden untersucht wurden. Durch eine Vielzahl an Haftkraftmessungen konnte gezeigt werden, dass für schlecht benetzende Oberflächen die Rauheit zur Erhöhung der attraktiven Kräfte führt, da vermehrt mit Kapillarwechselwirkungen zu rechnen ist. Aus diesem Grund erfolgte eine Charakterisierung der Oberflächenmorphologien der Filtermaterialproben und eine kritische Bewertung von Modellen, welche aus Kontaktwinkeldaten die Oberflächenenergien ermitteln. Im Modellierungsteil der Arbeit wurden gängige van der Waals-Kraftmodelle mit Berücksichtigung von Retardationseffekten untersucht. Weiterhin wurden AFM-Scans mit dem Schichtmodell von Dagastine verbunden sowie für die Bewertung von Kapillarkraftmodellen verwendet.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Stand der Technik 2.1 Reinigung von Metallschmelzen 2.1.1 Stellung des Sonderforschungsbereichs 920 innerhalb der Thematik der Metallschmelzereinigung 2.1.2 Inklusionen in Metallschmelzen - Schmelzprozess, relevante Einschlusstypen und Problematik verunreinigter Gussprodukte 2.1.3 Möglichkeiten der Metallschmelzereinigung 2.1.4 Metallschmelzefiltration 2.2 Rasterkraftmikroskopie 2.2.1 Funktionsweise, Kraftspektroskopie und Imaging 2.2.2 Colloidal Probe Technik 2.3 Benetzung und deren Phänomene 2.3.1 Ansätze zur Quantifizierung von Benetzungsgrößen 2.3.2 Diskussion bezüglich der Oberflächenenergiemodelle 2.3.3 Realsystem: Benetzungsphänomene bei Metallschmelzen auf Keramiken am Beispiel Aluminium 2.4 Haftkräfte und deren Berechnung 2.4.1 DLVO-Kräfte: van der Waals-Wechselwirkungen 2.4.2 nonDLVO-Kräfte 2.4.3 Nanoblasen und Kapillarkräfte 2.4.4 Haftkräfte unter erhöhten Temperaturen, Sinterung 2.4.5 Haftkräfte auf rauen Oberflächen 2.4.6 Kontaktmechanik 2.5 Genutztes Modellsystem, Abgrenzung der Arbeit 3 Material und Methoden 3.1 Material 3.1.1 Substrate 3.1.2 Partikel 3.1.3 Modellschmelze Wasser, Flüssigkeiten für die Kontaktwinkelmessung 3.2 Methoden 3.2.1 Kontaktwinkelmessgerät G10 3.2.2 Rasterkraftmikroskope XE-100 und UHV750 3.2.3 MatLAB-Skripte 3.2.4 Silanisierung 3.3 Vorbetrachtungen 3.3.1 Berechnung der Hamaker-Konstanten der untersuchten Stoffsysteme 3.3.2 Bedeutung eines einheitlichen Protokolls bei AFM- und KWMessungen 4 Auswertung 4.1 Charakterisierung der untersuchten Oberflächen bezüglich ihrer Rauheit mithilfe von AFM-Scans 4.1.1 Kontaktmechanik und sinnvolle Wahl der Scan-Größen sowie Lateral-Auflösung 4.1.2 Höhenprofile (z-Werte) der Filtermaterialien 4.1.3 Rauheitskenngrößen der AFM-Scans 4.1.4 Zusammenfassung 4.2 Kontaktwinkelmessungen und Oberflächenenergieverteilungen 4.2.1 Kontaktwinkelmessungen auf den Filtermaterialien 4.2.2 Oberflächenenergie - Komponentenansätze 4.2.3 Oberflächenenergie - Equation of State 4.2.4 Abschätzen der Hamaker-Konstanten aus der Oberflächenenergie des Feststoffs 4.2.5 Zusammenfassung 4.3 Ergebnisse Kraftspektroskopie 4.3.1 Experimentelle Ergebnisse - Einflussfaktoren Benetzbarkeit, Rauheit und Gasübersättigung 4.3.2 Sondergeometrien 4.3.3 Nachbetrachtung zu den Ergebnissen des Modellsystems 4.3.4 HT-Messungen mit dem Rasterkraftmikroskop 4.3.5 Zusammenfassung 5 Modellierung 5.1 Berücksichtigung von Retardation bei gängigen van der Waals- Kraftmodellen auf rauen Oberflächen in der Mechanischen Verfahrenstechnik 5.2 Van der Waals-Kraft-Modelle für raue Oberflächen zur Beschreibung der experimentellen Daten 5.3 Dagastines Modell in Kombination mit dem Cooper-Ansatz 5.4 Kapillarkräfte durch Nanoblasen auf rauen Oberflächen 5.4.1 Zusammenfassung 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick 7 Anhang 7.1 Ergänzungen zum Kapitel Stand der Technik 7.2 Ergänzungen zum Kapitel Material und Methoden 7.3 Ergänzungen zum Kapitel Auswertung: Rauheit 7.4 Ergänzungen zum Kapitel Auswertung: Kontaktwinkelmessungen und Oberflächenenergien 7.5 Ergänzungen zum Kapitel Auswertung: Literatur- und Messdaten 7.6 Ergänzungen zum Kapitel Auswertung: Modellierung Literaturverzeichnis