Abriebsverhalten von Feststoffpartikeln in Wirbelschichten

Fluidized bed, attrition behaivior, solid particles, particle surface, bed mass, attrition coefficient, modeling, bubble fluidized bed

Controlled wetting on silica-based nano- and microstructured surfaces

Der Fokus dieser Doktorarbeit liegt auf der kontrollierten Benetzung von festen Oberflächen, die in vielen Bereichen, wie zum Beispiel in der Mikrofluidik, für Beschichtungen und in biologischen Studien von Zellen oder Bakterien, von großer Bedeutung ist.rnDer erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Frage, wie Nanorauigkeit das Benetzungsverhalten, d.h. die Kontaktwinkel und die Pinningstärke, von hydrophoben und superhydrophoben Beschichtungen beeinflusst. Hierfür wird eine neue Methode entwickelt, um eine nanoraue Silika-Beschichtung über die Gasphase auf eine superhydrophobe Oberfläche, die aus rauen Polystyrol-Silika-Kern-Schale-Partikeln besteht, aufzubringen. Es wird gezeigt, dass die Topographie und Dichte der Nanorauigkeiten bestimmt, ob sich die Superhydrophobizität verringert oder erhöht, d.h. ob sich ein Flüssigkeitstropfen im Nano-Wenzel- oder Nano-Cassie-Zustand befindet. Das verstärkte Pinning im Nano-Wenzel-Zustand beruht auf dem Eindringen von Flüssigkeitsmolekülen in die Nanoporen der Beschichtung. Im Nano-Cassie-Zustand dagegen sitzt der Tropfen auf den Nanorauigkeiten, was das Pinning vermindert. Die experimentellen Ergebnisse werden mit molekulardynamischen Simulationen in Bezug gesetzt, die den Einfluss der Oberflächenbeschichtungsdichte und der Länge von fluorinierten Silanen auf die Hydrophobizität einer Oberfläche untersuchen. rnEs wurden bereits verschiedenste Techniken zur Herstellung von transparenten superhydrophoben, d.h. extrem flüssigkeitsabweisenden, Oberflächen entwickelt. Eine aktuelle Herausforderung liegt darin, Funktionalitäten einzuführen, ohne die superhydrophoben Eigenschaften einer Oberfläche zu verändern. Dies ist extrem anspruchsvoll, da funktionelle Gruppen in der Regel hydrophil sind. In dieser Arbeit wird eine innovative Methode zur Herstellung von transparenten superhydrophoben Oberflächen aus Janus-Mikrosäulen mit variierenden Dimensionen und Topographien entwickelt. Die Janus-Säulen haben hydrophobe Seitenwände und hydrophile Silika-Oberseiten, die anschließend selektiv und ohne Verlust der superhydrophoben Eigenschaften der Oberfläche funktionalisiert werden können. Diese selektive Oberflächenfunktionalisierung wird mittels konfokaler Mikroskopie und durch das chemische Anbinden von fluoreszenten Molekülen an die Säulenoberseiten sichtbar gemacht. Außerdem wird gezeigt, dass das Benetzungsverhalten durch Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Festkörper in der Nähe der Benetzungslinie bestimmt wird. Diese Beobachtung widerlegt das allgemein akzeptierte Modell von Cassie und Baxter und beinhaltet, dass hydrophile Flächen, die durch mechanischen Abrieb freigelegt werden, nicht zu einem Verlust der Superhydrophobizität führen müssen, wie allgemein angenommen.rnBenetzung kann auch durch eine räumliche Beschränkung von Flüssigkeiten kontrolliert werden, z.B. in mikrofluidischen Systemen. Hier wird eine modifizierte Stöber-Synthese verwendet, um künstliche und natürliche Faser-Template mit einer Silika-Schicht zu ummanteln. Nach der thermischen Zersetzung des organischen Templat-Materials entstehen wohldefinierte Silika-Kanäle und Kanalkreuzungen mit gleichmäßigen Durchmessern im Nano- und Mikrometerbereich. Auf Grund ihrer Transparenz, mechanischen Stabilität und des großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnisses sind die Kanäle sehr gut geeignet, um die Füllgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten mit variierenden Oberflächenspannungen und Viskositäten zu untersuchen. Konfokale Mikroskopie ermöglicht es hierbei, die Füllgeschwindigkeiten über eine Länge von mehreren Millimetern, sowie direkt am Kanaleingang zu messen. Das späte Füllstadium kann sehr gut mit der Lucas-Washburn-Gleichung beschrieben werden. Die anfänglichen Füllgeschwindigkeiten sind jedoch niedriger als theoretisch vorhergesagt. Wohingegen die vorhergehenden Abschnitte dieser Arbeit sich mit der quasistatischen Benetzung beschäftigen, spielt hier die Dynamik der Benetzung eine wichtige Rolle. Tatsächlich lassen sich die beobachteten Abweichungen durch einen geschwindigkeitsabhängigen Fortschreitkontaktwinkel erklären und durch dynamische Benetzungstheorien modellieren. Somit löst diese Arbeit das seit langem diskutierte Problem der Abweichungen von der Lucas-Washburn-Gleichung bei kleinen Füllgeschwindigkeiten.

Effiziente Spurensicherung im Waffenlauf

Schüsse mit aufgesetzter Waffenmündung können biologische Antragungen im Waffenlauf hinterlassen, die durch Endoskopie optisch und durch PCR analytisch detektiert werden können. Im Rahmen des vom SNF geförderten Projektes wurden verschiedene Verfahren der Spurensicherung überprüft. Mit Vlies abgedeckte Farbpads (2 ml Acrylfarbe, 2 ml Humanblut, 1 ml Bariumsulfat) wurden in 12 cm grosse Gelatinewürfel integriert. Diese wurden mit aufgesetzter Waffenmündung mit verschiedenen Pistolen im Kaliber 7.65 mm Browning beschossen und die Waffenläufe endoskopiert. Die Spurensicherung erfolgte getrennt für den vorderen und den hinteren Laufabschnitt und wurde in mehreren Testreihen mit folgenden Mitteln durchgeführt: Wattetupfer (Holzstäbchen, Applimed), Forensic Swab (Sarstedt), COPAN FLOQSwab™, DNA-freie VFG-Filz-Stopfen. Anschliessend erfolgte eine endoskopische Kontrolle. Der DNA-Gehalt wurde mittels qPCR ermittelt. Grundsätzlich waren alle Verfahren für die Spurensicherung geeignet und erzielten eine gute Spurenausbeute. Wesentliche Unterschiede ergaben sich in der Handhabung. Holzstäbchen waren lang genug, jedoch rigide, was bisweilen zu ihrem Abbruch führte, andererseits aber guten Abrieb ergab. Der Forensic Swab war mit seinem flexiblen Kunststoffstiel leichter von hinten im Waffenlauf anzuwenden, was ihn auch für schwer zugängliche Stellen empfiehlt. Am einfachsten war eine gründliche Spurensicherung mit den FLOQs zu erreichen. Durch deren Nylonbürste wurde eine gute Abriebleistung bei flexiblem Stiel erzielt. FLOQs mit verschiedener Länge ermöglichten eine kontrollierte Spurennahme insbesondere im hinteren Teil des Waffenlaufes. FLOQs waren auch im molekular-biologischen Labor leicht zu verarbeiten. Mit den DNA-frei gemachten, kalibrierten VFG-Stopfen liessen sich restliche Spuren in teils erheblicher Konzentration mobilisieren. Allerdings sind Handhabung und Weiterverarbeitung im DNA-Labor wesentlich aufwändiger.