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Modellierung der Deformation von kolloidalen Aggregaten in Scherströmungen

Kolloidale Aggregate entstehen durch die Destabilisierung einer Suspension, ein kohäsiver Kontakt zwischen Partikeln kann jedoch eine offene Struktur aufrechterhalten. Rührprozesse beeinflussen diese Struktur und die Größe der Aggregate. Modellierung und die quantitative Schätzung solcher Phänomene bilden eine wichtige Basis für die Kontrolle verschiedener industrieller Prozesse im Zusammenhang mit Aggregaten.

Der hydrodynamische Stress der auf kolloidalen Aggregaten in Scherströmungen wirkt ist relativ klein. Dadurch ist eine experimentelle Bestimmungen dieser Größe schwierig für größere Aggregate. Falls der hydrodynamische Stress kritische Werte übersteigt können diese Aggregate in kleinere Teile aufgebrochen werden. Unser Ziel ist eine Simulation für die Restrukturierung und Deformation von aus Partikeln bestehenden Aggregaten in Scherströmungen (siehe Grafik).

Das erste Challenge für diese Simulation ist die Bestimmung der hydrodynamischen Kräften. Für kolloidale Partikel-Systeme ist die Reynolds-Zahl sehr klein sodass die Relaxation- oder die Response-Zeit des Fluid als sehr kurz betrachtet werden kann. Mit dieser Annäherung, im Stokesschen Regime, sind Effekte der Viskosität stärker als die der Trägheit. Für isolierte sphärische Partikel gilt dann das Stokessche Gesetz für den Strömungswiderstand. Jene Regeln können jedoch nicht für Mehrpartikelnsysteme angewandt werden da der Einfluss der Partikeln auf die Strömung in Betracht gezogen werden muss. Diese Problemstellung wird seit dem 20. Jahrhundert von Wissenschaftlern der Fluid Dynamik angegangen. Unser Projekt geht dieses an durch die Finite-Elemente-Methode (FEM, in Kollaboration in Aachen) und "Stokesian Dynamics", oder eine ähnliche Annäherung realistischer als die so genannte Free-Draining Approximation. Die Widerstandskraft für jedes Partikeln wird in Abbildung 1 dargestellt (links: Finite Elemente, rechts: Stokesian Dynamics).

Das zweite Challenge ist die Modellierung der kohäsiven Kontakte zwischen kolloidaler Partikel. Über partikulare Wechselwirkungen gibt es bereits eine breite, langjährige Grundlagenforschung (z.B. Hertz Kontaktmechanik). In den meisten wissenschaftlichen Studien wurden bereits die Wechselwirkungen zwischen auseinander gezogenen Partikeln untersucht, mit dem Ansatz der Aggregatstabilisation in Suspensionen: das Konzept des Double-Layer-Potentials war ein bedeutender Schritt zur Bestimmung der Suspensionseigenschaften. Leider besteht eine Wissenslücke, experimentell und theoretisch, der Berechnung von kohäsiven Kontakten welche die offene Struktur von kolloidalen Aggregaten unter thermischen und hydrodynamischen Stress berücksichtigt. Das JKR und DMT Modell geben zwar theoretische Annäherungen für die Abziehkraft mittels elastischer Deformierung, jedoch ist ein Kontaktmodell meist komplizierter (vier Moden welche Kräfte aufnehmen können: Normal, Verrutschen, Biegung, Drehung). Das Aggregate z.B. Biegemomente aufnehmen können wurde von mehreren Experimenten bestätigt. Unser Projekt bezieht sich auf die Fortschritte in diesem Gebiet gekoppelt mit der Berechnung von hydrodynamischen Kräften.

 

Publications

[1] V. Becker and H. Briesen. Tangential-force model for interactions between bonded colloidal particles. Phys. Rev. E, 78:061404, 2008.

[2] V. Becker and H. Briesen. A master curve for the onset of shear induced restructuring of fractal colloidal aggregates. J. Colloid Interface Sci., 346:32–36, 2010.

[3] V. Becker, E. Schlauch, M. Behr, and H. Briesen. Restructuring of colloidal aggregates in shear flows and limitations of the free-draining approximation. J. Colloid Interface Sci., 339:362, 2009.

For more information please contact: Research funded by:

M. Sc. Vincent Bürger
Lehrstuhl für Systemverfahrenstechnik
Gregor-Mendel-Straße 4
85354 Freising
Tel: 08161/71-5172
Fax: 08161/71-4510


SPP 1273 Kolloidverfahrenstechnik