Mit Kapillarkräften Suspensionsrheologie steuern: Netzwerk-Struktur, Bildung und Altern von Kapillar-Suspensionen

• Antragsteller: Professor Dr. Norbert Willenbacher
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 251516681

Fügt man zu einer Suspension geringe Mengen einer zweiten Flüssigkeit hinzu (weniger als 1%), die mit der Hauptphase der Suspension nicht mischbar ist, verändern sich die rheologischen Eigenschaften drastisch von flüssig zu gelartigem Verhalten. Unsere Forschung auf diesem Gebiet wurde durch ein DFG Forschungsvorhaben gefördert. Wir haben herausgefunden, dass sich die Viskosität und die Fließgrenze mit zunehmendem Volumenanteil an Zweitphase um mehrere Zehnerpotenzen erhöhen. Zudem haben wir gezeigt, dass dieser Übergang auf die Kapillarkräfte der beiden Fluide zwischen den Partikeln zurückzuführen ist. In Analogie zu feuchten Schüttgütern werden zwei verschiedene Zustände definiert: Der "pendular state", bei welchem die Zweitphase die Partikel besser benetzt und der "capillary state", bei welchem die Zweitphase schlechter benetzend ist als die kontinuierlich Phase. Wir haben herausgefunden, dass beide Zustände mit einem Übergang von einem flüssigen zu einem gelartigen Zustand oder von einem schwachen Gel zu einem starken Gel einhergehen. Unsere Untersuchungen haben ergeben, dass Kapillarsuspensionen eine neue Klasse Materialien darstellen, welche genutzt werden können, um z.B. modifizierbare Fluide zu erzeugen, stabile Mischungen, welche eigentlich Phasenseparation aufweisen würde, herzustellen, oder neue Produkte, wie fettreduzierte Nahrungsmittel oder mikroporöse Schäume zu entwickeln. Kürzlich haben wir gezeigt, dass Kapillarsuspensionen einen neuen, kosteneffizienten und vielseitigen Prozessweg darstellen, um poröse Keramiken mit einer beispiellos hohen Porosität bei kleinen Porengrößen herzustellen. Mit Hilfe dieses Forschungsantrags sollen grundlegende Fragestellungen bezüglich der Kapillarsuspensionen untersucht werden, insbesondere die Netzwerkeigenschaften sowohl im "pendular state" als auch im "capillary state". Dieser Antrag soll die Untersuchung von Alterungseffekten in Kapillarsuspensionen und die Veränderung in der Netzwerkstruktur sowohl auf mikroskopischer, als auch auf makroskopischer Skala unterstützen. Die Mikrostruktur dieser Netzwerke, einschließlich Partikel-Tropfen-Anordnungen, Flocken- (oder Cluster-) größe, Paarverteilungsfunktion und die Dimension des erwarteten fraktalen Netzwerkes, werden mit Hilfe von bildgebenden Verfahren charakterisiert. Die Festigkeit der makroskopischen Probe wird über rheologische Messungen bestimmt. Die Kombination dieser beiden Verfahren erlaubt eine direkte Korrelation von Veränderungen in der Netzwerkmorphologie mit Änderungen in der Netzwerkstärke und im Fließverhalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen