Modellierung der Kapillarkräfte bei der Konvektionstrocknung von Gelen: Einfluss von Produkt- und Prozessparametern auf Strukturerhaltung und Strukturänderung

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Ein Ziel der Kolloidverfahrenstechnik ist die Herstellung hochporöser trockener Gele aus kolloidalen Suspensionen fester Partikel. Dabei soll die Konvektionstrocknung als kostengünstige und sichere Alternative zur überkritischen Trocknung zum Einsatz kommen. In der ersten Förderperiode dieses Projekts wird derzeit ein Simulationswerkzeug entwickelt, mit dem sich die Änderung der Gelstruktur – als Schrumpfung oder Rissbildung – durch die bei der Konvektionstrocknung wirkenden Kapillarkräfte beschreiben lässt. Die Flüssigkeitsverteilung wird dabei mit der Volume-of-Fluid-Methode unter der Annahme kapillaren Gleichgewichts berechnet, und die Wirkung der Kapillarkräfte auf die Primärpartikel mit der Diskrete-Elemente-Methode. In der beantragten Förderperiode soll das Simulationswerkzeug um Reibungseffekte aufgrund der Flüssigkeitsströmung erweitert werden, um auch den Einfluss der Trocknungsgeschwindigkeit beschreiben zu können. Zudem sollen Experimente an ausgewählten Partikelsystemen durchgeführt werden, damit die Simulationsergebnisse durch Vergleich mit Messungen bewertet werden können. Für ein praxisrelevantes Gel (Resorcinol-Formaldehyd) sollen Synthese- und Trocknungsparameter experimentell variiert werden, um für die Strukturerhaltung geeignete Bedingungen zu identifizieren. Mittels einer Parameterstudie an simulierten Gelstrukturen, für unterschiedliche Stoffsysteme und Trocknungsbedingungen, sollen Empfehlungen formuliert werden, welche Bedingungen für die Erhaltung der Struktur bzw. ihre kontrollierte Änderung günstig sind.