Modellierung des Zusammenhanges zwischen Struktur und Eigenschaften von Agglomeraten
Final Report Abstract
Das Forschungsprojekt beschäftigte sich mit den optischen und mobilitätsbezogenen Eigenschaften von Agglomeraten aus stäbchenförmigen Nanopartikeln. Es war eingebunden in das AiF/DFG-Gemeinschaftsvorhaben „Mehrparametrige Charakterisierung von partikelbasierten Funktionsmaterialien mittels innovativer online Messsysteme“, in dessen Rahmen neue Messtechniken zur Ermittlung der Morphologie gasgetragener Partikel aber auch stabil arbeitende Partikelgeneratoren entwickelt wurden. Die Projektergebnisse lassen sich drei thematischen Schwerpunkten zuordnen. Zunächst war es notwendig, sich mit der Struktur von solchen Agglomeraten und deren numerischer Nachbildung zu befassen. Das führte zu einer Bildungsvorschrift, mit der numerische Agglomerate auf Basis einer DLCA bzw. RLCA-Grundstruktur und optional mit einer nematischen Substruktur (nematischer Stapel) erzeugt werden kann. Anders als ursprünglich vorgesehen, konnte ein Abgleich mit experimentell erzeugten Stäbchenagglomeraten nicht erfolgen, so dass in den weiteren Etappen des Projektes mit vorgegebenen numerischen Agglomeraten gerechnet wurde. Ein zweiter Schwerpunkt beschäftigte sich mit den Streulichtverhalten von Stäbchenagglomeraten, da zwei der im Gemeinschaftsvorhaben entwickelten Messtechniken räumliche Verteilung des Streulichtes zur Morphologiebestimmung nutzen. Ziel war es, einen hinreichend genauen Berechnungsansatz mit möglichst geringem numerischem Aufwand zu entwickeln. Das gelang in Form des modifizierten Rayleigh-Debye-Gans-Ansatzes (mRDG), der ein Modell für die Lichtstreuung an anisometrischen Dipolen mit dem Interferenz-Ansatz für die Streuung am Partikelagglomerat verbindet. Es konnte gezeigt werde, dass der mRDG-Ansatz für Agglomerate aus feinen Primärpartikeln (volumenäquivalenter Durchmesser < 100 nm) eine ausreichend gute Näherung des tatsächlichen Streuverhaltens ermöglicht. Im dritten Teil des Forschungsprojektes wurde die Mobilität von Stäbchenagglomeraten berechnet. Es wurde ein Berechnungsansatz entwickelt und validiert, der die einzelnen Stäbchen als Ketten aus überlappenden Kugeln approximiert. Die Stärke dieses Ansatzes ist seine Einfachheit und der damit einhergehende niedrige Berechnungsaufwandes. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die numerischen Anforderungen zur Bestimmung einer „exakten“ Lösung. Die Abweichungen zu jenen bleiben im akzeptablen Rahmen. Über die eigentlichen Schwerpunktthemen hinaus, die nanoskalige Stäbchen und deren Agglomerate behandelten, befasste sich das Forschungsprojekt mit weiteren Fragestellungen, die aus der Eigendynamik des Gemeinschaftsvorhabens und den Kooperationen mit den anderen Projektpartnern resultierten. So standen letztlich in der experimentellen Arbeit des Gemeinschaftsvorhabens Agglomerate aus kugelförmigen Partikeln im Mittelpunkt, so dass sich das Forschungsprojekt auch diesen Stoffsystemen zuwendete. Eine mit Kugeln verbundene Fragestellung betraf den Einfluss (kleiner) Abweichungen von der Idealgestalt auf die optischen Eigenschaften, was nicht nur die Messtechniken des Gemeinschaftsvorhabens, sondern z. B. auch für die Laserbeugungsspektroskopie oder die optische Partikelzählung relevant ist. Es konnten gezeigt werden, dass das das entscheidende Kriterium das Verhältnis von Deformationslänge bzw. Rauigkeitshöhe zu Wellenlänge ist, aber auch dass eine differenzierte Betrachtung im Hinblick auf Größenbereich und Materialeigenschaften notwendig wird.
Publications
- Dynamic light scattering of dispersed pyrogenic powders. PARTEC 2013, International Congress for Particle Technology, Nuremberg, 23.-25.04.2013; ISBN: 978-3-00- 040578-5. CD-ROM
F. Babick, S. Gropp, M. Stintz
- Berechnung der Lichtstreuung an stäbchenförmigen Partikeln und deren Agglomeraten. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe “Partikelmesstechnik”, Würzburg, 01.-02.04.2014
F. Babick, E. Willmes
- Sizing of particle aggregates with optical techniques. WCPT 7, 7th World Congress on Particle Technology, Beijing, 19.-22.05.2014
F. Babick, R. R. Retamal Marín
- Measurement of the dynamic shape factor using APM and SMPS in parallel. Procedia Eng., 102:1177-1182, 2015
L. Hillemann, F. Babick, M. Stintz
(See online at https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.01.243) - Mengenarttransformation von Partikelgrößenverteilungen. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe “Partikelmesstechnik”, Magdeburg, 18.-20.03.2015
F. Babick
