Adhäsionskräfte zwischen feuchten rauhen Silikapartikeln
Abstract
Adhäsionskräfte zwischen granularen Partikeln hängen sehr stark von der Menge des aus der Luft adsorbierten Wasserdampfes ab. Aus der Atmosphere auskondisiertes Wasser bildet Wasserbrücken in den Hohlräumen zwischen den Partikeln. Die dabei auftretenden Kapillarkräfte übersteigen in den meisten Fällen die zwischen trockenen Partikeln herrschenden Van-der-Waals- und Coulombkräfte. Die Kapillarkräfte fördern die ungewollte Agglomeration von Partikeln zu großen Clustern und beeinträchtigen auf diese Weise die Fließeigenschaften von Pulvern in den Prozessbehältern. Üblicherweise finden in der Verfahrenstechnik makroskopische Theorien basierend auf der Laplace-Gleichung Anwendung, um die auftretenden Kapillarkräfte zu berechnen. Wenn allerdings ultrafeine Pulver in der Größenordnung d < 10μm behandelt werden, die entweder selbst oder deren Oberflächenrauhigkeit im Nanometerbereich liegen, versagen diese Theorien häufig. Molekuladynamische Simulationen können genauere Aussagen über die Kräfte in der Kontaktzone zwischen Partikeln machen. Außerdem können sie selbst für sehr kleine Partikelabstände, die für Experimente, wie AFM-Messungen, nicht zugänglich sind, noch Kraftwerte liefern. Kleine, atomistisch glatte Nanopartikel wurden bereits im ersten Projektabschnitt untersucht, um die angewandten Kraftfelder zu validieren (ClayFF). Kraft-Weg-Kurven und Adhäsionsenergien zwischen feuchten Silikaplatten und -partikeln für verschiedene relative Luftfeuchtigkeit haben sehr gute Übereinstimmung mit AFM-Messungen ergeben. Das legt den Grundstein dafür, nun zu größeren Partikeln überzugehen, die Rauhigkeiten im Bereich von einigen Nanometern aufweisen und Kapillarkräfte in Abhängigkeit von der relativen Feuchtigkeit zu berechnen. Um größere Partikel zu betrachten, ist die Einführung von sogenannten Coarse-Graining-Methoden erforderlich. Zusätzlich werden die Berechnungen mit Hilfe von AFM-Messungen, die innerhalb des SPP durchführen werden, validiert.
Schlagworte Silikapartikel Adhesionskräfte Wasserbrücken Molekulare Simulation
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