Die Modellierung verfahrenstechnischer Prozesse hat zum Ziel, diese mathematisch
beschreibbar zu machen und dadurch den experimentellen Aufwand bei der Etablierung
von Prozessen zu verringern und höhere Prozesskontrolle zu erreichen. Eine
zentrale Voraussetzung hierfür ist ein tiefgreifendes Prozessverständnis. Im Falle
der Dispergierung von Nanopartikeln in laminarer Scherströmung ist bekannt, dass
eine wechselseitige Abhängigkeit von Partikeleigenschaften (z.B. Größe und Festigkeit),
Beanspruchungsbedingungen und Formulierungseigenschaften besteht. Während
diese grundlegenden Zusammenhänge für einzelne Aspekte bereits beschrieben
sind, ist eine umfassende modellhafte Beschreibung des Herstellungsprozesses hochviskoser
nanopartikulärer Suspensionen in laminarer Scherströmung bisher nicht erfolgt.
Die Ursache hierfür liegt vor allem in der bis dato unzureichenden Modellierbarkeit
der Viskosität nanopartikulärer Suspensionen. Sie ist von hoher Wichtigkeit bei
der Beanspruchung von Partikeln in laminarer Scherströmung, ist aber aufgrund der
Änderung der Partikelgrößenverteilung und der damit einhergehenden Veränderung
der Partikelwechselwirkungen während der Dispergierung ihrerseits einer fortwährenden
Änderung unterworfen.
In dieser Arbeit wurde daher zunächst ein weitgehend mechanistisches Viskositätsmodell
für nanopartikuläre Suspensionen entwickelt, um das rheologische Verhalten
während des Prozesses beschreiben zu können. Zur Modellentwicklung und
Parametrisierung wurde ein genetischer Algorithmus entwickelt und angewendet.
Das Modell erlaubt die Beschreibung der Viskosität in Abhängigkeit von Partikelanteil,
Partikelgröße, Temperatur und Scherrate. Auch eine Extrapolation über den
kalibrierten Bereich hinaus ist möglich.
Auf Basis bekannter Zusammenhänge zur Beanspruchung von Partikeln in zäher
Scherströmung wurde in dieser Arbeit ein Beanspruchungsmodell für die Dispergierung
in laminarer Scherströmung entwickelt. Schlüsselelement ist die Differenzierung
zwischen effektiver und nicht effektiver Beanspruchung, abhängig davon, ob die auf
das Partikel wirkende Schubspannung ausreicht, einen Partikelbruch herbeizuführen.
Zur Parametrisierung des Beanspruchungsmodells wurde ein Prozessmodell entwickelt
und in Form einer Populationsbilanz angewendet.
Die kombinierte Nutzung des Beanspruchungsmodells und des Prozessmodells
hat das Potential, für die Entwicklung und die Maßstabsübertragung von Knetprozessen
herangezogen zu werden. Auch eine Übertragung des Modells auf weitere
Dispergiergeräte erscheint möglich.
Aktualisiert: 2022-08-02
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