SPP 1486:  Partikel im Kontakt - Mikromechanik, Mikroprozessdynamik und Partikelkollektive

• Fachliche Zuordnung: Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 130482265

Die gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen Partikeln in granularer Materie bestimmen maßgeblich die Eigenschaften vieler disperser Feststoffprodukte (Füllstoffe, Pigmente, Pulverwerkstoffe oder Wirkstoffe) und natürlicher Stoffe (Aerosole, Böden, Schlämme oder Stäube). Die Prozesse zur Erzeugung, Wandlung und Verarbeitung der Feststoffprodukte werden ebenfalls entscheidend durch die interpartikulären Wechselwirkungen beeinflusst.
Die zentrale Aufgabe des Schwerpunktprogramms ist es, die physikalisch-chemischen Grundvorgänge und Mikroprozesse bei Annäherung, im Kontakt und bei Ablösung haftender Partikel zu verstehen und dieses Wissen für die Produktentwicklung in der Feststoffverfahrenstechnik nutzbringend anzuwenden. Verstehen heißt, die Mikromechanik in Ursache-Wirkung-Antwort-Beziehungen zu fassen. Das bedeutet konkret, die Spannungs-Deformations-, Kraft-Weg-, Drehmoment-Winkel- und Potenzial-Abstands-Funktionen der sechs mechanischen Freiheitsgrade der Translation und Rotation der Partikel zu modellieren und zu kombinieren.
Damit wird sich das kollektive Verhalten vieler eigenschaftsverteilter Partikel nicht nur qualitativ, sondern quantitativ vorhersagen lassen. Die interdisziplinäre Lösung eines derartig skalenübergreifenden Ziels war bis vor Kurzem noch nicht denkbar. Durch neue Entwicklungen sowohl im Bereich der Simulationen als auch der Messtechnik rückt das Ziel, Partikel im Kontakt zu verstehen, jedoch in erreichbare Nähe. Kennt man die Kontaktmechanik, dann kann man die räumlichen Positionen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und Energien aller Partikel im System numerisch berechnen. Damit lässt sich insbesondere die Prozessdynamik eigenschaftsverteilter Partikelkollektive viel realistischer über große Zeit- und Längenskalen hinweg simulieren.
Die besondere Qualität des Vorhabens besteht in einer neuen, kontaktmodellgestützten quantitativen Vorhersage des makroskopischen Produktverhaltens und der Prozessdynamik von realistischen und industriell relevanten, eigenschaftsverteilten Partikelkollektiven. Diese anspruchsvolle Zielsetzung lässt sich nur mit einem multiskaligen und multidisziplinären Forschungsansatz erreichen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Bereichen Physik, Chemie, Mechanik und Verfahrenstechnik aus Deutschland, der Niederlande, Österreich und der Schweiz werden in 25 Projekten zusammenarbeiten, um diese anspruchsvollen Aufgaben in den nächsten Jahren nachhaltig zu lösen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Internationaler Bezug: Niederlande, Österreich, Schweiz

Projekte

• Adhäsionskräfte zwischen feuchten rauen Silikapartikeln (Antragsteller Peterlik, Herwig ;  Wendland, Martin )
• Adhäsionsmechanismen und Nanomechanik der Kontaktgrenzflächen zwischen TiO2 Nanopartikeln in Filmen und Aggregaten - Phase 3 (Antragsteller Colombi Ciacchi, Lucio ;  Mädler, Lutz )
• Deformation, Rollen und Gleiten von Partikeln und Partikelagglomeraten (Antragstellerinnen / Antragsteller Auernhammer, Günter K. ;  Vollmer, Doris )
• Die Bedeutung interpartikulärer Wechselwirkungen für die Anwendung von Pulvern zur Inhalation (Antragstellerinnen / Antragsteller Scherließ, Regina ;  Sommerfeld, Martin )
• Die Radiowellen- und Lichtemission während der Kontaktdeformation und beim Partikelbruch (Antragsteller Aman, Sergej )
• Die stochastische Natur der Wechselwirkung granularer Teilchen und ihr Einfluss auf die Systemdynamik (Antragsteller Pöschel, Thorsten )
• Dynamische Simulation hochelastischer, hochfeiner, nicht-konvexer und polyedrischer disperser Feststoffe unter Einbeziehung von Adhäsion und Teilchenbruch (Antragsteller Eberhard, Peter )
• Einfluss von Oberflächeneigenschaften auf Haftung und Reibung von Partikelsystemen (Antragsteller Peukert, Wolfgang )
• Elektrische Leitung, Haftkräfte und Entladungsvorgänge am Partikelkontakt - hochohmige Materialien (Antragsteller Riebel, Ulrich )
• Entwicklung eines konstitutiven Stoffgesetzes zur Beschreibung des Versagens gepresster Grünkörper in der Pulvermetallurgie (Antragsteller Schmidt, Ingo )
• Entwicklung und Charakterisierung der Struktur gescherter kohäsiver Schüttgüter (Antragsteller Kwade, Arno ;  Wolf, Dietrich )
• Experimentelle Untersuchung des Redispergierverhaltens von Partikeln in elektrostatischen Feldern (Antragsteller Walzel, Peter )
• Kontaktmechanismen in Ultraschall-angeregten Partikelsystemen (Antragsteller Fritsching, Udo )
• Kontaktphänomene bei Hochgeschwindigkeitskollisionen von Nanopartikeln mit Oberflächen (Antragsteller Pöschel, Thorsten ;  Weber, Alfred )
• Koordinatorfonds (Antragsteller Hintz, Werner )
• Mechanische Eigenschaften dichter granularer Schüttungen in Gegenwart benetzender Flüssigkeiten (Antragsteller Herminghaus, Stephan ;  Herrmann, Hans J. )
• Mechanische Wechselwirkungen feindisperser Feststoffpartikel auf Basis von experimentell kalibrierten Kontaktmodellen (Antragsteller Bröckel, Ulrich ;  Heinrich, Stefan )
• Modellierung des Kontaktverhaltens feiner adhäsiver Partikel (Antragstellerin Scheffler, Franziska )
• Molekulare UHV-AFM and FTIR Untersuchungen von Adsorbat belegten TiO2-Mikropartikel-Oberflächen (Antragsteller Grundmeier, Guido )
• Rastersondenbasierte Erfassung der Kontaktmechanik von partikulären Systemen unter besonderer Berücksichtigung der Wechselwirkung mit ausgewählten anwendungsnahen Oberflächen (Antragsteller Staedler, Thorsten )
• Serviceprojekt zur Herstellung oberflächenmodifizierter Referenzpartikelkollektive zur Änderung der Kontakteigenschaften (Antragsteller Hintz, Werner )
• Simulation der auf van der Waals Wechselwirkungen beruhenden Haftmomente zwischen rauen Partikeln und glatten Wänden in gasförmiger Umgebung (Antragsteller Schmidt, Eberhard )
• Sintering - Modellierung druck-, temperatur- und zeitabhängiger Kontakte (Antragsteller Luding, Stefan )
• Sinterkinetik von Polymerpartikeln (Antragsteller Kappl, Michael )
• Stochastische Raum-Zeit-Analyse von 3D-Partikelstrukturen bei Scherung und statistische Validierung numerischer DEM-Simulationen (Antragsteller Schmidt, Volker )
• Untersuchung der Haftmechanismen magnetischer Kompositpartikel mit Hilfe der Zentrifugenmethode (Antragsteller Nirschl, Hermann )
• Untersuchungen zum Aufbau nanostrukturierter Partikelagglomerate als Wirkstoff-Trägersysteme durch gezielte Reagglomeration von Nanopartikel in Strömungen (Antragstellerin Karbstein, Heike )
• Untersuchungen zum Verständnis und der Beeinflussung von Partikel-Partikel Wechselwirkungen sowie entsprechender Fließeigenschaften von Nanopartikeln unter kontrollierter Flüssigkeitsbrückenbildung (Antragsteller Grundmeier, Guido ;  Schmid, Hans-Joachim )

• Sprecher: Professor Dr.-Ing. Sergiy Antonyuk, seit 11/2015