Search

This thesis focuses on the combination of bioinspired designs with opposite interfacial properties for the fabrication of self-cleaning liquid-infused surfaces via mussel-inspired chemistry. On the one side, the adhesive chemistry inspired by the mussel-foot protein serves as a toolbox for surface anchoring. This mussel-inspired chemistry is based on the adhesive and anchoring capability of catechol and catecholamine groups, which can be incorporated either as end-groups in molecules, as side chains, or in the backbone in polymers. These molecular or polymeric thin film layers can be modified by pre-functionalization, co-deposition, or post-modification of functional groups to impart self-cleaning, mechanical stability, and liquid and solid repellency. On the other hand, the self-cleaning liquid-infused surfaces inspired by the pitcher plant’s peristome impart the liquid and solid repellent properties. The aim of this thesis is twofold. On the one side, the versatility and universality of the adhesive properties of the catechol-based chemistry serve as surface anchoring and functionalizing of various material types, like polymer, ceramic, metal, and glass. On the other hand, the fabrication process of liquid-infused surface (LIS) was meant to be optimized to achieve an experimentally facile, scalable coating process without specialized equipment. An additional aspect achieved in the present thesis was matching the LIS fabrication to the required and desired application. This matching was achieved by the versatility of the reactive sites on catecholamines. These reactive sites provide another toolbox to tailor the liquid-infused surfaces' fabrication by using various oils. The three-step method was investigated in reference to the surface wetting and chemistry in order to understand the influence of the individual process steps. Here, a thin film of crosslinked PDA polymer was applied by oxidative polymerization of dopamine, leading to polydopamine (PDA). The thin-film polymer coating was then functionalized with monoaminopropyl-poly(dimethyldisiloxane) (MAP-PDMS). Both the polymer coating and functionalization were investigated by wetting and elemental analysis. Eventually, the functionalized PDA surface was infused with silicone oil as a lubricant. The slippery nature of the surface was proofed by contact angle hysteresis (CAH) of water. The know-how collected in the three-step process was then applied to design one-step processes. The challenge was to dissolve a polar molecule like dopamine, which is soluble only in water, methanol, ethanol, and aprotic polar solvents, and the nonpolar macromolecules like PDMS and MAP-PDMS. This challenge was overcome by using a mixture of methanol and tetrahydrofuran. As a paint base, we used a solution of dopamine, triethylamine (TEA), MAP-PDMS, and silicone oil. The solution could be applied directly or left to react for 96 h until a dark pre-reacted dispersion is formed and then applied for LIS fabrication. We fabricated LIS both with the unreacted solution and the pre-reacted dispersion via both dip and spray coating. The presence and its physical and chemical nature of a thin polymer film were confirmed by scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and wetting measurements. These LISs were then applied to repel complex and non-Newtonian substances like honey and ketchup. Furthermore, we showed the possibility to coat complex geometries like cotton textiles and a wooden honey spoon with a high specific surface area. With the design of one-step processes, we fulfill one of the two aims of the present thesis. The LIS fabrication process was further optimized by removing the organic solvents, which are potentially harmful to health and the environment. We achieved the organic solvent removal by developing an in-situ self-functionalizing lubricant. Briefly, the lubricant contains a reactive moiety, which is able to adjust and tailor both the surface chemistry and energy of the underlying substrate layer to the applied lubricant. We investigated the temporal progression of the surface functionalization both in-situ with quartz crystal microbalance and ex-situ by ellipsometry measurements after each surface modification step. We showed the versatility and universality of the substrate material types as well as the lubricant types. This versatility would allow adjusting the LIS fabrication to the desired substrate and to the lubricant system like silicone oil, hydrocarbons, natural fatty acids, and ionic liquids. The LIS fabrication, both by one-step and two-step process, was applied to an actual product, protective shoe soles, in order to repel cement after one day of drying in air at room temperature. The one-step spray coating processes and the two-step dip-coating process showed promising results by decreasing the cement adhesion to both glass and actual shoes soles. Another concept based on pre-functionalized catechol-containing molecules was applied to fabricate LIS. Here, one side of the molecule presents the catechol surface anchoring group and the other side, the surface functional group. We showed by nuclear magnetic resonance (NMR), and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) the successful synthesis of the catechol-containing and dodecaneamine molecule. By applying a mixture of the catechol-containing molecule with dodecane as a lubricant, we fabricated a LIS. Eventually, we applied active ester chemistry with poly(pentafluorophenolacrylate) (pPFPA) to have maximum flexibility to functionalize the side chains with either the catecholamine anchoring groups or an alkyl- or alkoxysiloxaneamines for lubricant affinity. Firstly, we showed the successful synthesis of the PFPA monomer and the pPFPA polymer by NMR. The functionalization with dodecaneamine, MAP-PDMS, or dopamine was confirmed both by NMR and FTIR. The surface functionalization with the side-chain catechol-containing polymer was confirmed on glass substrates by XPS.

Mikroporöse, kristalline zeolithische Imidazolat-Gerüstverbindungen (ZIFs) besitzen Poren mit Durchmessern im Größenbereich von Gasmolekülen und bieten daher großes Potential für die membranbasierte Gastrennung. Um dieses Potential voll auszuschöpfen ist es notwendig, ZIFs als dünne, defektfreie Schichten auf porösen Trägern abzuscheiden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Abscheidung am Beispiel von ZIF-8 und ZIF-11 untersucht. Beide Materialien gehören zu den thermisch stabilsten ZIFs und besitzen optimale Porenöffnungen für die Gastrennung. Für die bis dato nicht in Schichtform hergestellte Struktur ZIF-11 sollte zunächst eine robuste, reproduzierbare Pulversynthese entwickelt werden, welche anschließend auf die Synthese von schichtförmigem ZIF-11 übertragen werden konnte. Im Gegensatz dazu wurde für die bereits gut untersuchte Struktur ZIF-8 die Entwicklung einer neuartigen Synthesestrategie angestrebt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde durch systematische Variation der Temperatur, der Synthesedauer und der Zusammensetzung der Syntheselösung phasenreines, pulverförmiges ZIF-11 im Lösungsmittel N,N-Diethylformamid synthetisiert. Dabei wurde insbesondere der Einfluss genannter Parameter auf die Bildung der unporösen Fremdphase ZIF-7-III untersucht, welche sich unter gewissen Bedingungen im Verlauf der ZIF-11 Synthese bildet. Durch gezieltes Einstellen der Synthesebedingungen gelang es die Bildung von ZIF-7 III zu unterdrücken und die notwendigen Parameter für eine stabile Synthese von phasenreinem ZIF-11 wurden identifiziert. Die ermittelten Synthesebedingungen wurden im zweiten Teil dieser Arbeit auf die Herstellung von schichtförmigem ZIF-11 übertragen. Durch multiple in situ Kristallisation und seeding and secondary growth wurde ZIF-11 erstmals schichtförmig auf porösen Edelstahl- und α-Al2O3 Trägern abgeschieden. Verglichen mit den unbeschichteten Trägern wiesen die hergestellten Schichten signifikant höhere Massentransportwiderstände und Gasselektivitäten auf. Aufgrund noch vorhandener Defekte in den Schichten lagen die Selektivitäten im Bereich der Knudsen Selektivität. Diese ersten Ergebnisse bestätigen damit das Potential von ZIF-11 Membranen. Zur Steigerung der Qualität der Membranen sind jedoch weitere Untersuchungen notwendig. Im dritten Teil der Arbeit wurde eine zweistufige Methode zur Herstellung von ZIF-8 Membranen entwickelt. Durch Sprühbeschichtung wurden dünne, gleichmäßige ZnO Schichten auf Stahl-, Edelstahl- und α-Al2O3-Trägern abgeschieden. Die Textur und die Dicke der ZnO Schicht waren über die Partikelgröße des eingesetzten ZnO sowie Anzahl und Dauer der Sprühbeschichtungsschritte steuerbar. In einer nachfolgenden, lösungsmittelfreien Dampf-Feststoff-Synthese wurde das ZnO erfolgreich zu dicht verwachsenen ZIF-8 Schichten umgesetzt. Durch die Abwesenheit eines Lösungsmittels bei der Synthese konnte auf eine thermische Nachbehandlung verzichtet und das Risiko der thermisch induzierten Rissbildung ausgeschlossen werden. Die Morphologie und die Kristallgröße des ZIF-8 konnten über die Temperatur und die Reaktionsdauer bei der Synthese eingestellt werden. Die Membranen wurden durch umfangreiche Permeanzmessungen charakterisiert und lieferten erste Anhaltspunkte zum Stofftransport. Die geringen Permeanzen bestätigten die Dichtheit der Membranen, wohingegen die moderaten Selektivitäten auf unselektive Stofftransportwege in den Schichten hinwiesen. Die Ergebnisse legen einerseits das Optimierungspotential offen, bestätigen jedoch andererseits das Potential von ZIF-8 Membranen für die Gastrennung und der Anwendbarkeit der entwickelten Methode. Es wird davon ausgegangen, dass die Selektivität der Membranen durch Optimierung der einzelnen Syntheseschritte noch gesteigert werden kann. Microporous, crystalline Zeolitic Imidazolate Frameworks (ZIFs) exhibit small pores in the size range of gas molecules and thus offer a great potential for membrane based gas separation. To fully exploit the potential of ZIFs as a membrane material, it is essential to deposit them as a thin and defect-free films onto porous support materials. In this work, the deposition of two promising materials of the ZIF group – ZIF-8 and ZIF-11 – was studied. Both materials belong to the group of thermally most stable ZIFs and offer appropriate pore-openings for gas separation. In the case of ZIF-11, a stable and reproducible powder synthesis was to be developed at first. Subsequently, the procedure was intended to be used for the crystallization of thin ZIF-11 layers on porous supports. For the well-studied material ZIF-8, a novel strategy for the synthesis of thin layers was to be investigated. In the first part of this study, it was possible to synthesize powderous, pure-phased ZIF-11 in the solvent N,N Diethylformamide by systematically varying temperature, synthesis time, and composition of the synthesis solution. Special focus was set on the impact of the synthesis parameters on the formation of the phase impurity ZIF-7-III, which forms under certain conditions during the ZIF-11 synthesis. The formation of ZIF-7-III was successfully inhibited by deliberately adjusting the synthesis conditions, hence parameters for a stable and reproducible synthesis of ZIF-11 were identified. In the second part of this study and for the first time, ZIF-11 layers were fabricated under the determined synthesis conditions on porous stainless steel and α-Al2O3 supports by applying multiple in situ crystallization and seeding and secondary growth. Compared to uncoated supports, the ZIF-11 coated supports exhibited significantly higher mass transport resistances and gas selectivities. However, defects in the ZIF-11 layers reduced the selectivity of the membranes to the range of Knudsen selectivity. These first results already show the general potential of ZIF-11 membranes for gas separation, even though further investigations are needed for enhancing the membrane quality. A novel two-step method for the synthesis of ZIF-8 membranes was developed in the third part of this study. In the first step, thin and uniform ZnO layers were spray coated on crude steel, stainless steel, and α-Al2O3 supports. The texture and thickness of the ZnO layers was tunable via the ZnO particle size as well as the time and number of spray coating steps. In the second step, the ZnO was converted to well intergrown ZIF-8 layers by solvent-free vapor-solid synthesis. Since no solvent was utilized during the conversion of ZnO to ZIF-8, thermal post treatment of the membranes and thus the risk of thermally induced crack formation were avoided. The morphology and the crystallite size of ZIF-8 could be adjusted by temperature and reaction time during the vapor solid reaction. Comprehensive gas permeance measurements provided initial insights into the mass transfer through the membranes. The relatively low permeance proved a high degree of intergrowth of the ZIF-8 crystals, whereas the moderate gas selectivities suggested that non-selective pathways were still present in the membranes. On the one hand, the results reveal the optimization potential regarding the membrane quality. On the other hand, the potential of ZIF-8 membranes for gas separation as well as the developed fabrication method were confirmed. It is considered that the selectivity of the membranes can be increased by specifically adapting the parameters of the individual synthesis steps.

Nanophotonic and chiral plasmonics are among nanotechnology’s most intriguing and interdisciplinary fields and on the leap towards commercialisation. Chiral molecules are abundant in nature, our body and can even be found in the universe. The molecular handedness plays a significant role for their functions in many biological systems. Encoding chirality into plasmonics is promising as it can manipulate electromagnetic fields and enhance the sensitivity of chiral molecule detection. Simultaneously, the fields attract scientists from diverse backgrounds, with multiple interests such as physicists studying light-matter interaction, chemists catalysing enantiomer-selective reactions and biologists studying living objects and their mechanisms. However, the current state-of-the-art fabrication of such structures is often complex and requires sophisticated infrastructure. Robust and scalable platforms are therefore needed to provide users with suitable structures to work with in their environment. This doctoral thesis further expands the tool set of colloidal lithography and colloidal templating, as they allow to fabricate plasmonic nanostructures and sensors over large-areas. Plasmonic resonators focus electromagnetic waves into tiny volumes known as hot-spots, similarly to lenses, but beyond the diffraction limit. These regions govern plasmonic applications since they strongly enhance properties and signals from light-matter interaction. Hence, guiding molecules and particles towards to regions is a key for resilient and sensitive applications. A robust, minimalistic colloidal lithography concept was developed to specifically address these regions of high near-field enhancement on crescent-shaped and other nanoantennas. By employing a material contrast, it was possible to place molecules and nanoparticles in the hot-spot areas with an efficiency of 90%. Crescents are anisotropic and symmetric nanoantennas that also allow the achiral polarization-depended excitation of dipolar and quadrupolar resonances. However, their mirror symmetry prevents an intrinsic chiroptical response. Thus, their mirror symmetry was broken by introducing an intermediate dielectric step within the crescent. Making crescents 3D objects leads to an overlap of induced magnetic and electric dipoles, causing the physical origin of the circular dichroism and making them true chiral objects. The chiral optical activity can be tuned by adjusting the size and position of this edge, which controls the partial overlapping of the dipoles. Placing such chiral metaatoms in specific arrays provides surface lattice resonances (SLRs) with a chiral signature. A sufficient larger separation allows coupling of diffraction modes and localised surface plasmon resonances to surface lattice resonances, showing a reduced linewidth and fewer losses. Using true intrinsic chiral crescents as building blocks leads to chiral lattice modes, i.e. making them selective to the handedness of circularly polarised light at normal incidence. Chiral molecules can also transfer their chirality into localised surface plasmon resonances in achiral nanoantenna, revealing their handedness outside the UV region, where the molecular CD signal typically occurs. This was observed for the first time also in lattice modes of arrays of isotropic and otherwise achiral gold nanoparticles. Zu den faszinierendsten und interdisziplinärsten Feldern im Bereich der Nanotechnologien gehören Nanooptik und chirale Plasmonik, welche vor dem Sprung zur Kommerzialisierung stehen. Chirale Moleküle sind Grundbausteine der Natur und kommen daher im Überfluss in unserem Körper, aber auch in den Unendlichkeiten des Universums vor. Für die Funktion in biologischen Systemen spielt die molekulare Händigkeit eine entscheidende Rolle. Das Einbetten von Chiralität in plasmonische Strukturen ist vielversprechend, denn es kann lokale elektromagnetische Felder beeinflussen, und die Empfindlichkeit für die Detektion chiraler Moleküle erhöhen. Gleichzeitig zieht das Feld Forscher:Innen verschiedenster wissenschaftlicher Hintergründe mit deren ganz verschiedenen Interessen an. Physiker:Innen studieren die Licht-Materie-Interaktion, Chemiker:Innen nutzen es für die katalytische Bevorzugung eines Enantiomers und Biolog:Innen untersuchen lebende Organismen und deren komplexen Mechanismen. Heutige moderne Nanofabrikation solcher chiralen Strukturen ist häufig kompliziert und bedarf einer aufwendigen, teuren und spezialisierten Infrastruktur. Robuste und skalierbare Produktionsplattformen sind daher nötig, um es diesen Anwender:Innen zu ermöglichen Strukturen für ihre spezifischen Zwecke zu fertigen, die gleichzeitig deren Laboranforderungen gerecht werden. Diese Doktorarbeit verfolgt das Ziel, den Instrumentenkoffer von Kolloidlithographie und kolloidaler Oberflächenstrukturierung zu erweitern, da diese die großflächige Herstellung solcher plasmonischer Nanostrukturen und Sensoren ermöglichen. Plasmonische Resonatoren fokussieren elektromagnetische Wellen in kleinste Bereiche, sogenannten Hotspots. Diese Regionen sind entscheidend für plasmonische Anwendungen, da hier Signale und andere Eigenschaften verstärkt werden die aus der Licht-Materie-Interaktion resultieren. Daher ist es für möglichst wenig anfällige und sensible Anwendungen entscheidend Moleküle und Nanopartikel in genau diese Schlüsselregionen zu bringen. Eine einfache und robuste Erweiterung der Kolloidlithografie wurde entwickelt um diese interessanten Bereiche an plasmonischen Crescents (dt.: Halbmondsicheln) und anderen plasmonischen Nanostrukturen spezifisch zu adressieren. Mit Hilfe eines erzeugten Materialkontrasts war es möglich, Moleküle und Nanopartikel mit einer Effizienz von 90% in diese Hotspot-Bereiche zu platzieren. Crescents sind anisotrope, dabei aber symmetrische Nanoantennen, die die Anregung achiraler polarisationsabhängiger Resonanzen mit dipolarem und quadrupolarem Charakter erlauben. Genau diese Spiegelsymmetrie verbietet jedoch eine intrinsisch chirale optische Antwort. Der Bruch der Spiegelsymmetrie wurde durch das Einziehen einer dielektrischen Stufe innerhalb der Crescents erreicht. Die dadurch erreichte Dreidimensionalität erzielt das partielle Überlappen von induzierten magnetischen und elektrischen Dipolen, welche die physikalische Ursache für den hervorgerufenen Zirkulardichroismus ist, und damit Crescents zu echten chiralen Objekten macht. Position und Dicke der dielektrischen Stufe kontrollieren genau dieses dipolare Überschneiden, und damit die optische Aktivität. Werden solche chiralen Metaatome gezielt in spezifische zweidimensionale Gitterkristalle platziert, erreicht man plasmonische Gitterresonanzen mit chiralen XI optischen Eigenschaften. Sind Crescents ausreichend voneinander entfernt, können Bragg-Moden und lokalisierte Partikelplasmonen miteinander koppeln, was zu plasmonischen Gitterresonanzen mit reduzierter Linienbreite und weniger Verlusten führt. Benutzt man hingegen die tatsachlich intrinsischen chiralen Crescents als Bausteine, erreicht man chirale plasmonische Gitterresonanzen. Das bedeutet, man erzielt ihre Selektivität zur Händigkeit des zirkular polarisierten Lichts bei normalem Einfallswinkel. Chirale Moleküle sind ebenfalls in der Lage ihre Chiralität in lokalisierten Partikelplasmonen achiraler Nanopartikel zu übertragen, wodurch diese die Händigkeit der Moleküle offenbaren, welche typischerweise Zirkulardichroismus im UV Bereich aufzeigen. Erstmalig wurde nachgewiesen, dass es ebenfalls möglich ist diese molekulare Chiralität in plasmonischen Gitterresonanzen von achiralen, isotropen Goldnanopartikeln zu übertragen.

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

Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-2990-4 (ISSN 0174-4003)., In der pulverlackverarbeitenden Industrie fallen erfahrungsgemäß, je nach Beschichtungsanlage, zwischen 0,5 % und 55 % Overspray und überlagerte Gebinde an. Die Entsorgung dieser Pulverlackreste auf Deponien oder durch Verbrennung sind sehr kostenintensiv und belasten die Umwelt. Das Ziel dieser Arbeit beinhaltet, das Recycling von Pulverlackresten als Füllstoffe für Thermoplaste. Die wesentliche Herausforderung bestand darin, die Metallhaftung durch thermische Aushärtung, der noch chemisch aktiven Pulverlackreste an den Extrusion- oder Spritzgussanlagen, zu verhindern. Als Lösungsweg wurde die chemische Deaktivierung mittels Reaktanden verfolgt. Eine Enthaftung konnte mit Stearinsäure in einer Konzentration von 2 Gew.-% erzielt werden. Für eine erste Eigenschafts- und Materialprüfung wurden Pulverlackreste mit Stearinsäure vermischt und als Recycling-Füllstoff im Verhältnis 50:50 mit LLDPE zu Prüfkörpern verarbeitet. Die mechanischen Werte der Proben waren geringer als die Resultate mit reinem LLDPE. Das Ziel dieser Arbeit wurde erreicht. Für unausgehärtete Pulverlackreste wurde mit 2 Gew.-% Stearinsäure ein Reaktand gefunden, welcher die Metallhaftung nach thermischer Aushärtung vollständig aufhebt., Reports from the powder-coating industry indicate that 0.5 to 55 % of the powder-coating resins, depending on the coating system, ends up as overspray or becomes unusable due to degradation. The disposal of these powder coating residues at landfills or by waste incineration is very expensive and pollutes the environment. The goal of this work was the recycling of powder coating residues as fillers for thermoplastic polymers. The biggest challenge was to prevent the metal adhesion of the still chemically active powder coating residues in extrusion or injection molding Machines caused by its thermal curing. The main approach was the chemical deactivation through a reactant. A deactivation was realized with stearic acid in a concentration of two percent by weight. For a first test of material properties, powder-coating residue was mixed with stearic acid and used as recyclate filler in a ratio of 50:50 with LLDPE to be processed to standard test bars. The mechanical values were lower than those of the neat LLDPE. The goal of this work has been achieved. The addition of two percent of stearic acid to powder-coating wastes prevents completely adhesion to metal after cure.

Die Partikelabscheidung aus Gasen findet bei einer Vielzahl industrieller Prozesse Anwendung. Die im Bereich der Emissionsminderung für die Abscheidung fester Partikel zumeist herkömmlich eingesetzten Anlagen gleichen einander stark und werden häufig auch als Entstaubungsanlagen oder -einrichtungen bezeichnet. Diese bestehen vorwiegend aus eckigen Gehäusen mit intern positionierten Filterelementen. Zum Schutz und zur Entlastung der Filterelemente finden häufig interne Prallbleche bzw. externe Fliehkraftabscheider Verwendung. Kaum bekannt und untersucht hingegen ist die Kombination von filternder Technologie mit Fliehkraftabscheidern innerhalb eines Gehäuses. Die vorliegende Arbeit untersucht das technologische Konzept kombinierter Bauformen und entwickelt zwei weitere Varianten. Die wissenschaftliche Untersuchung von deren Funktion erfolgt am eigens entwickelten Versuchsstand. Die zusätzliche experimentelle Analyse einer herkömmlichen Entstaubungseinrichtung ermöglicht die Gegenüberstellung der unterschiedlichen technologischen Konzepte. Überdies erfolgt die Entwicklung und Validierung eines numerischen Berechnungsmodells sowie der Vergleich mit verfügbaren Standard-Berechnungsmodellen. Ferner findet das validierte numerische Berechnungsmodell bei der strömungstechnischen Analyse der experimentell untersuchten kombinierten Bauformen Anwendung. Letztendlich erfolgt auf Grundlage der Untersuchungsergebnisse die Definition von Vor- und Nachteilen sowie potentieller Anwendungsgebiete. Darüber hinaus werden für die zukünftige Dimensionierung allgemeingültige Regeln und eine Berechnungsvorschrift abgeleitet. Particle separation of gases has been applied to a variety of industrial processes. Conventional concepts for the separation of solid particles resemble each other and are often referred to as dust collectors. They mainly consist of square housings with internal filter elements. For the protection and relief of the filter elements one often uses internal baffles and external cyclones. However, very little is known and studied regarding the combination of filtering technology and centrifugal separators within the same housing. This dissertation examines the state of the art of combined designs and presents the development of two further variants. Their scientific investigation took place on an especially designed test rig. An additional experimental analysis of a conventional dust collector allows the comparison of the developed different technological concepts. Moreover, experiments were carried out in order to develop and validate a numerical simulation model and to allow a comparison with available standard computational models. Furthermore, the validated numerical model has been applied to the aerodynamic analysis of the experimentally investigated combined designs. Moreover, based on the derived results, advantages and disadvantages as well as potential areas of application were identified. Eventually, some universal rules and a calculation rule have been derived for future designs and lay outs.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung des Foulardierprozesses zur chemischen Nassausrüstung von Vliesstoffen bei Warengeschwindigkeiten bis zu 250 m/min. Hintergrund ist die abweisende Ausrüstung von Polypropylen-Spinnvliesstoffen für die Anwendung als Operationskittel. Wo bislang nach dem Stand der Technik eine Veredlung bei Lohnausrüstern bei geringen Warengeschwindigkeiten durchgeführt wurde, zeigt die Tendenz in der Vliesstoffindustrie in Richtung der eigenen Prozessbeherrschung. Eine grundlegende Voraussetzung, um den Foulardierprozess für diese Anwendung nutzbar zu machen, ist die Kenntnis über die Prozesseigenschaften bei den geforderten hohen Warengeschwindigkeiten. Für den abzudeckenden Versuchsraum mit sechs Einflussgrößen bei jeweils drei Faktorstufen wurde mittels der Methodik der statistischen Versuchsplanung ein D-optimaler Versuchsplan erstellt. Die Versuchsdurchführung erfolgte auf einem in eine Technikumsanlage eingebundenen Foulard mit horizontaler Walzenanordnung. Für jede der sieben Zielgrößen wurde auf Grundlage der erhaltenen Messwerte eine lineare Regressionsanalyse erstellt und ausgewertet. Eine detaillierte Analyse und Diskussion der Regressionsmodelle liefert Informationen zu Wirkungsrichtung und Intensität der einzelnen Einflussgrößen sowie zu Faktor-Faktor-Wechselwirkungen.:1 Einleitung 8 1.1 Ausgangspunkt 8 1.2 Produktionsmengen 8 1.3 Vliesstoffe in der medizinischen Anwendung 11 1.4 Vliesstoffauswahl 13 2 Wissenschaftlich-technische Problemstellung 16 2.1 Stand der Technik 16 2.2 Zielstellung und Vorgehensweise 21 3 Foulardierprozess: Prozessbeschreibung und Einflussgrößen 22 3.1 Foulardieren: Prozessbeschreibung 22 3.2 Foulardieren: Einflussgrößen 25 3.2.1 Einflussfaktoren Maschinendesign 25 3.2.2 Einflussfaktoren Verfahrensparameter 29 3.2.3 Einflussfaktoren Vliesstoffmaterial 30 3.2.4 Einflussfaktoren Imprägnierflotte 31 3.3 Einflussgrößen und Zielgrößen 33 4 Versuchsanordnung und Versuchsfoulard 34 4.1 Technikumsanlage am STFI 34 4.2 Versuchsfoulard 35 4.2.1 Horizontale Walzenanordnung 37 4.2.2 Hilfstrieb auf der S-Walze 38 4.2.3 Druckgebung und Quetschfugenbreite 38 4.2.4 Flottenführung 38 4.2.5 Niveauregelung, Flottenvolumen 39 4.2.6 Flottenverbrauch 40 4.2.7 Tauchstrecke, Verweilstrecke und Verweilzeit 42 4.2.8 Flottentemperatur 43 5 Material und Methoden 45 5.1 Vliesstoffmaterial 45 5.2 Ausrüstungsflotte 46 5.3 Mess- und Prüfmethoden 48 5.3.1 Feuchteaufnahme 48 5.3.2 Dicke 49 5.3.3 Luftdurchlässigkeit 50 5.3.4 Zugfestigkeit und Höchstzugkraftdehnung 50 6 Statistische Versuchsplanung und Regressionsanalyse 51 6.1 Vorbemerkung 51 6.2 D-optimale Versuchspläne 51 6.3 Versuchsplan 54 6.4 Darstellung des Versuchsraums 57 6.4.1 Faktor-Faktor-Kombinationen 57 6.4.2 Flottentemperatur TSoll versus TIst 58 6.5 Regressionsanalyse 59 6.5.1 Allgemeine Regressionsgleichung 59 6.5.2 Generelle Vorgehensweise 61 7 Regressionsanalyse für Zielgröße Feuchteaufnahme 62 7.1 Datenplausibilität der Zielgröße 62 7.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 64 7.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 64 7.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 69 7.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 75 7.3 Auswerten der Regressionsgleichung 76 7.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 76 7.3.2 Wechselwirkungen 85 7.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 90 8 Regressionsanalyse für Zielgröße Dicke 95 8.1 Datenplausibilität der Zielgröße 95 8.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 96 8.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 96 8.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 96 8.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 97 8.3 Auswerten der Regressionsgleichung 98 8.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 98 8.3.2 Wechselwirkungen 103 8.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 105 9 Regressionsanalyse für Zielgröße Luftdurchlässigkeit 107 9.1 Datenplausibilität der Zielgröße 107 9.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 107 9.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 107 9.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 108 9.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 109 9.3 Auswerten der Regressionsgleichung 110 9.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 110 9.3.2 Wechselwirkungen 115 9.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 118 10 Regressionsanalyse für Zielgröße Zugfestigkeit MD 120 10.1 Datenplausibilität der Zielgröße 120 10.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 120 10.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 120 10.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 121 10.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 122 10.3 Auswerten der Regressionsgleichung 123 10.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 123 10.3.2 Wechselwirkungen 128 10.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 131 11 Regressionsanalyse für Zielgröße Zugfestigkeit CD 133 11.1 Datenplausibilität der Zielgröße 133 11.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 133 11.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 133 11.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 134 11.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 135 11.3 Auswerten der Regressionsgleichung 136 11.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 136 11.3.2 Wechselwirkungen 140 11.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 141 12 Regressionsanalyse für Zielgröße Höchstzugkraftdehnung MD 143 12.1 Datenplausibilität der Zielgröße 143 12.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 144 12.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 144 12.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 144 12.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 145 12.3 Auswerten der Regressionsgleichung 146 12.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 146 12.3.2 Wechselwirkungen 151 12.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 153 13 Regressionsanalyse für Zielgröße Höchstzugkraftdehnung CD 155 13.1 Datenplausibilität der Zielgröße 155 13.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 155 13.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 155 13.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 156 13.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 157 13.3 Auswerten der Regressionsgleichung 158 13.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 158 13.3.2 Wechselwirkungen 160 13.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 161 14 Zusammenfassung 163 15 Ausblick 167 Literaturverzeichnis 169 Verzeichnis der Abbildungen 173 Verzeichnis der Tabellen 176 Verzeichnis der Anhänge 180 The subject of the work presented here is the study of the padding process for the chemical wet finishing of nonwovens at web speeds up to 250 m/min. Background to the topic is the repellent treatment of polypropylene spunbond nonwovens applied for surgical gowns. Finishing carried out at subcontractors corresponding to best practice technology up to now, the trend in the nonwovens industry is turning towards an in-house process mastery. Essential requirement to make the padding process technologically exploitable for this kind of application is the knowledge of the process characteristics at the high web speeds claimed. For the experimental scenario to be covered comprising six determining factors at three level steps each, a D-optimal trial plan was defined using the statistic method of the design of experiments (DOE). The realization of the trials carried out on a padder with horizontal roll arrangement installed in a pilot line. For each of the seven responses a linear regression analyses was compiled and evaluated. A detailed analysis and discussion of the regression models provides information on direction of influence as well as intensity of each of the determining factors and factor-factor-interactions.:1 Einleitung 8 1.1 Ausgangspunkt 8 1.2 Produktionsmengen 8 1.3 Vliesstoffe in der medizinischen Anwendung 11 1.4 Vliesstoffauswahl 13 2 Wissenschaftlich-technische Problemstellung 16 2.1 Stand der Technik 16 2.2 Zielstellung und Vorgehensweise 21 3 Foulardierprozess: Prozessbeschreibung und Einflussgrößen 22 3.1 Foulardieren: Prozessbeschreibung 22 3.2 Foulardieren: Einflussgrößen 25 3.2.1 Einflussfaktoren Maschinendesign 25 3.2.2 Einflussfaktoren Verfahrensparameter 29 3.2.3 Einflussfaktoren Vliesstoffmaterial 30 3.2.4 Einflussfaktoren Imprägnierflotte 31 3.3 Einflussgrößen und Zielgrößen 33 4 Versuchsanordnung und Versuchsfoulard 34 4.1 Technikumsanlage am STFI 34 4.2 Versuchsfoulard 35 4.2.1 Horizontale Walzenanordnung 37 4.2.2 Hilfstrieb auf der S-Walze 38 4.2.3 Druckgebung und Quetschfugenbreite 38 4.2.4 Flottenführung 38 4.2.5 Niveauregelung, Flottenvolumen 39 4.2.6 Flottenverbrauch 40 4.2.7 Tauchstrecke, Verweilstrecke und Verweilzeit 42 4.2.8 Flottentemperatur 43 5 Material und Methoden 45 5.1 Vliesstoffmaterial 45 5.2 Ausrüstungsflotte 46 5.3 Mess- und Prüfmethoden 48 5.3.1 Feuchteaufnahme 48 5.3.2 Dicke 49 5.3.3 Luftdurchlässigkeit 50 5.3.4 Zugfestigkeit und Höchstzugkraftdehnung 50 6 Statistische Versuchsplanung und Regressionsanalyse 51 6.1 Vorbemerkung 51 6.2 D-optimale Versuchspläne 51 6.3 Versuchsplan 54 6.4 Darstellung des Versuchsraums 57 6.4.1 Faktor-Faktor-Kombinationen 57 6.4.2 Flottentemperatur TSoll versus TIst 58 6.5 Regressionsanalyse 59 6.5.1 Allgemeine Regressionsgleichung 59 6.5.2 Generelle Vorgehensweise 61 7 Regressionsanalyse für Zielgröße Feuchteaufnahme 62 7.1 Datenplausibilität der Zielgröße 62 7.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 64 7.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 64 7.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 69 7.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 75 7.3 Auswerten der Regressionsgleichung 76 7.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 76 7.3.2 Wechselwirkungen 85 7.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 90 8 Regressionsanalyse für Zielgröße Dicke 95 8.1 Datenplausibilität der Zielgröße 95 8.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 96 8.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 96 8.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 96 8.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 97 8.3 Auswerten der Regressionsgleichung 98 8.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 98 8.3.2 Wechselwirkungen 103 8.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 105 9 Regressionsanalyse für Zielgröße Luftdurchlässigkeit 107 9.1 Datenplausibilität der Zielgröße 107 9.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 107 9.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 107 9.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 108 9.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 109 9.3 Auswerten der Regressionsgleichung 110 9.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 110 9.3.2 Wechselwirkungen 115 9.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 118 10 Regressionsanalyse für Zielgröße Zugfestigkeit MD 120 10.1 Datenplausibilität der Zielgröße 120 10.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 120 10.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 120 10.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 121 10.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 122 10.3 Auswerten der Regressionsgleichung 123 10.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 123 10.3.2 Wechselwirkungen 128 10.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 131 11 Regressionsanalyse für Zielgröße Zugfestigkeit CD 133 11.1 Datenplausibilität der Zielgröße 133 11.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 133 11.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 133 11.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 134 11.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 135 11.3 Auswerten der Regressionsgleichung 136 11.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 136 11.3.2 Wechselwirkungen 140 11.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 141 12 Regressionsanalyse für Zielgröße Höchstzugkraftdehnung MD 143 12.1 Datenplausibilität der Zielgröße 143 12.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 144 12.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 144 12.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 144 12.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 145 12.3 Auswerten der Regressionsgleichung 146 12.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 146 12.3.2 Wechselwirkungen 151 12.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 153 13 Regressionsanalyse für Zielgröße Höchstzugkraftdehnung CD 155 13.1 Datenplausibilität der Zielgröße 155 13.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 155 13.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 155 13.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 156 13.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 157 13.3 Auswerten der Regressionsgleichung 158 13.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 158 13.3.2 Wechselwirkungen 160 13.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 161 14 Zusammenfassung 163 15 Ausblick 167 Literaturverzeichnis 169 Verzeichnis der Abbildungen 173 Verzeichnis der Tabellen 176 Verzeichnis der Anhänge 180

In this work, an approach for copper atomic layer deposition (ALD) via reduction of CuxO films was investigated regarding applications in ULSI interconnects, like Cu seed layers directly grown on diffusion barriers (e. g. TaN) or possible liner materials (e. g. Ru or Ni) as well as non-ferromagnetic spacer layers between ferromagnetic films in GMR sensor elements, like Ni or Co. The thermal CuxO ALD process is based on the Cu (I) β-diketonate precursor [(nBu3P)2Cu(acac)] and a mixture of water vapor and oxygen ("wet O2") as co-reactant at temperatures between 100 and 130 °C. Highly efficient conversions of the CuxO to metallic Cu films are realized by a vapor phase treatment with formic acid (HCOOH), especially on Ru substrates. Electrochemical deposition (ECD) experiments on Cu ALD seed / Ru liner stacks in typical interconnect patterns are showing nearly perfectly filling behavior. For improving the HCOOH reduction on arbitrary substrates, a catalytic amount of Ru was successful introduced into the CuxO films during the ALD with a precursor mixture of the Cu (I) β-diketonate and an organometallic Ru precursor. Furthermore, molecular and atomic hydrogen were studied as promising alternative reducing agents.