Quantitative Untersuchung von Konvektionsströmungen in trocknenden Polymerfilmen mittels 3D Micro-Particle-Tracking-Velocimetry

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wilhelm Schabel
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 444945948

Dünne, flüssigprozessierte Polymerbeschichtungen sind eine wichtige Komponente vieler innovativer Produkte. Prominente Beispiele sind Lacke, optische Folien, organische Leuchtdioden oder gedruckte Biosensoren. Bei der Trocknung solcher Schichten kommt es häufig zu unerwünschter Schichtdickeninhomogenität und einer Deformation der freien Oberfläche, die die Qualität der Produkte erheblich beeinflussen. Zurückzuführen sind diese Effekte unter anderem auf oberflächenspannungsgetriebene Konvektionsströmungen, sogenannte Marangoni-Konvektion, die durch eine lokal inhomogene Lösemittelverdunstung induziert wird. Zur Steigerung der Oberflächenqualität ist es notwendig, diese Strömungen zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Zur Untersuchung dieses Phänomens ist nicht nur eine Analyse der Deformationen der freien Oberfläche, sondern auch die Kenntnis der Strömungen im Film während des Prozesses unerlässlich. In einigen sehr guten Forschungsarbeiten sind bereits analytische Lösungsmethoden und numerische Simulationen zur Beschreibung thermisch induzierter Marangoni-Konvektion entwickelt worden. Im Kontext der Filmtrocknung treten jedoch weitere Phänomene auf, welche bisher nicht Gegenstand von Forschungsvorhaben waren. Neben Temperatureffekten nimmt der Lösemittelanteil während der Trocknung kontinuierlich ab, was sowohl die Ausbildung von Oberflächenspannungsgradienten und Konvektionsströmungen zusätzlich beeinflusst, als auch zu einer Verfestigung der bereits deformierten Filmoberfläche führt. Diese gekoppelten Phänomene müssen bei Trocknungsvorgängen stets gemeinsam betrachtet werden. Hierzu findet man nach unserem Kenntnisstand noch keine einschlägigen Arbeiten in der Literatur.Im Rahmen des vorgeschlagenen Projektes streben wir an diese Lücke durch experimentelle, quantitative Untersuchungen solutaler, also durch Konzentrationsgradienten induzierter, Marangoni-Strömungen mittels 3D Micro-Particle-Tracking-Velocimetry zu schließen, sowie durch die Bestimmung entsprechender Stabilitätsgrenzen zu einem entscheidenden Erkenntnisgewinn in diesem Forschungsfeld beizutragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Philip Scharfer