Fluidization of highly concentrated colloidal dispersions by tailoring of attractive interactions

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Übertragung und Umsetzung neuester Erkenntnisse aus Physik und Chemie in die Verfahrenstechnik ist ein wesentliches Merkmal des beantragten Forschungsvorhabens. Das von der theoretischen Physik vorhergesagte Phänomen des sog. wiederkehrenden Glasübergangs soll genutzt werden, um hochkonzentrierte, kolloidale Dispersionen mit niedriger Viskosität herzustellen. In Systemen mit geringfügig bimodaler Partikelgrößenverteilung und schwachen attraktiven Wechselwirkungen können fluide Phasen bis zu Volumenbrüchen Φ ≈ 0.7 existieren. Die attraktive Partikel-Wechselwirkung kann durch Zugabe geringer Mengen nicht-adsorbierender Polymere gezielt eingestellt werden. In der ersten Förderperiode wurde gezeigt, dass dieses Konzept tatsächlich eine neue Route zur Herstellung hochkonzentrierter fließfähiger Dispersionen darstellt, die enorme technische und ökonomische Vorteile aber auch neue Freiheitsgrade bei der Formulierung dispersionsbasierter komplexer Fluide verspricht. Die aus dynamischer Lichtstreuung (DLS) und Rheologie ermittelten Phasendiagramme für das untersuche Mikrogel- Modellsystem stimmen sehr gut überein. Die schwache attraktive Wechselwirkung führt zu einer drastischen, bisher nicht beobachteten Absenkung der Viskosität im Bereich niedriger Scherraten. Es konnte eine fließfähige Dispersion mit einem Volumenbruch Φ ≈ 0.69 hergestellt werden, deren Scherviskositätsfunktion, der kommerzieller Dispersionen mit extrem breiter Partikelgrößenverteilung entspricht. In der nächsten Projektphase soll dieses Wissen auf die technisch-wirtschaftlich wichtige Klasse der wässrigen Dispersionen übertragen werden. Dabei sollen die Reichweite der zur Verhinderung irreversibler Agglomeration notwendigen sterischen Abstoßung sowie Stärke und Reichweite der attraktiven Wechselwirkung systematisch variiert werden, um den maximalen Volumenbruch bei dem fließfähige Dispersionen existieren, sowie das erreichbare Viskositätsminimum zu ermitteln. Im Hinblick auf die technische Nutzung soll nicht nur die Scherrheologie sondern auch dehnrheologische Eigenschaften und die Stabilität solcher Systeme unter praxisrelevanten Strömungsbedingungen untersucht werden. Streuexperimente unter Scherung sollen Aufschluss über die Dispersions-Strukturen geben, die das Fließen im Bereich des wiederkehrenden Glasübergangs ermöglichen.