Autor: Paul Benedikt Finke

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.