3383 research outputs found
Sort by
Novel porous membranes with enhanced stability as lithium ion battery separator
No full textDurch die Verbreitung von Smartphones, Tablets, Laptops und Elektrowerkzeugen sowie dem erwarteten Wachstum der Elektromobilität in naher Zukunft ist Energiespeicherung von wachsender globaler Bedeutung. Die Li-Ionen Technologie weist dabei die größten Potentiale auf. Aktuelle Forschungen sind zumeist auf der Entwicklung neuer Materialien für Elektroden fokussiert mit dem Ziel einer gesteigerten Energiedichte. Weitaus weniger Beachtung findet die Separator Membran, die einen wichtigen Beitrag zur Funktion einer typischen Li-Ionen Batterie beiträgt, indem diese den Kontakt zwischen den Elektroden und damit einen Kurzschluss der Batterie verhindert und zeitgleich Li-Ionen Diffusion ermöglicht. Die Durchsetzung der Elektromobilität ist im großen Maße von der Sicherheit dieser Technologie abhängig und erfordert Separatoren, die sowohl hohe Leistung als auch hohe mechanische und thermische Stabilität aufweisen.
In der vorliegenden Arbeit werden die etablierten Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik als auch der von der Firma Brückner neu entwickelte EVAPORE® Prozess vorgestellt. Die Grundlage für die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse bildet der EVAPORE® Prozess. Da dieser Prozess bisher nur auf der Pilotanlage der Firma Brückner möglich war, wurde eine schnelle und kosteneffiziente Labormethode entwickelt, die für tiefgehende Analysen der Separator Morphologie und des Porenformierungsprozesses verwendet wurde.
Zur Verbesserung der thermischen Eigenschaften wurden typische kommerzielle temperaturbeständige Polymere hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit in den EVAPORE® Prozess evaluiert. Um eine ausreichende Stabilität in modernen Li-Ionen Batterien zu gewährleisten wurden ausgewählte Polymere zunächst auf ihre Stabilität in Batterieelektrolyt LP71 geprüft. Die chemisch stabilen Polymere wurden dann mittels der Labormethode mit verschiedenen Lösemitteln verarbeitet mit dem Ziel eine geeignete Materialkombination zu identifizieren, die eine Verarbeitung nach dem EVAPORE® Prozess ermöglicht und gleichzeitig eine poröse Struktur ausbildet. Im letzten Schritt wurde die potentiell beste Materialkombination auf Brückners Laboranlage extrudiert und verstreckt. Die erhaltenen Filme und Separator Membranen wurden auf ihre Morphologie und typische Separator Eigenschaften untersucht.
Neben der Erhöhung der thermischen Eigenschaften wurde eine Verbesserung der mechanischen Integrität angestrebt durch Einsatz von „ultrahigh molecular polyethylene“ (UHMWPE) statt dem standardmäßig verwendetem „high-density polyethylene“ (HDPE). Durch Übertragung des EVAPORE® Prozesses auf UHMWPE auf Brückners Laboranlage konnte nachgewiesen werden, dass eine Erhöhung der mechanischen Eigenschaften vergleichbar mit dem etablierten Nass-Prozess möglich ist. Es sind jedoch weitgehende Optimierungen der komplexen Anlageneinstellungen nötig um sowohl eine hohe Leistung als auch alle anwendungsbezogenen Anforderungen an den Separator zu erfüllen.With the recent advance in consumer devices such a smartphones, tablets, laptops and power tools, and the future potential growth of the electric vehicle market, energy storage is of global interest, with the Li-ion technology showing the highest potential. Many research groups are working on the development of new materials for electrode materials in hopes of increasing energy density. Less research is committed to separators which are a crucial part in state of the art Li-ion batteries as they prevent contact between anode and cathode and therefore avoid short-circuiting of the battery while at the same time allowing sufficient flow of Li-ions. Especially for electric vehicles, safety is an integral part of the viability of this technology, requiring separators that combine high performance and high mechanical and thermal stability.
This work outlines the current state of the art manufacturing process of battery separator membranes as well as the new EVAPORE® process developed by Brückner. The EVAPORE® process is used as a basis for the research presented herein. As this process was previously only possible in large scale on Brückners pilot line, a laboratory method was developed as a quick and cost-effective alternative. Using this method, an in-depth analysis of the morphology of separator membranes and pore formation mechanisms was carried out and is presented herein, deepening the general understanding of the EVAPORE® process.
On the basis of the EVAPORE® process, a range of commercial temperature stable polymers were screened for their applicability in the process with the ultimate goal of increasing thermal stability of the separator. To that end, polymers were first evaluated based on their stability in typical battery electrolyte LP71, a requirement for use in modern Li-ion batteries. The most promising candidates were then used in the laboratory method to identify a suitable polymer-solvent combination which was then extruded and processed on a laboratory line and analyzed in terms of their crystalline morphology and typical separator membrane properties.
In addition, to increase mechanical strength of a separator, high density polyethylene (HDPE) was in part replaced by different ultrahigh molecular weight polyethylene grades (UHMWPE). By processing UHMWPE on the laboratory as well as the pilot line it could be proven that mechanical strength could potentially be improved, similar to the well-established wet process. However, optimization of all line parameters is necessary, to achieve a high performance film fitting all application related requirements
Antifouling modification of silicone catheter surfaces via trailed copolymer
No full textFür viele biomedizinische Anwendungen wie beispielsweise Prothesen, Implantate, Kontaktlinsen oder Katheter impliziert Fouling auf Oberflächen eine große Gefahr einer Infektion, was häufig zu Komplikationen der Behandlung in den Krankenhäusern führt. Zu den häufigsten nosokomialen Infektionen gehören die mit Kathetern assoziierten Harnwegsinfektionen.
Ziel dieser Arbeit war die Funktionalisierung von Silikon-Kathetermaterial mit maßgeschneiderten Copolymeren, um der Katheteroberfläche antibiofouling Eigenschaften zu verleihen. In erster Linie sollte die unspezifische Adhäsion von organischen Verbindungen und Mikroorganismen durch eine elektrostatisch induzierte Hydratations-Schicht basierend auf zwitterionischen Sulfobetain-Polymeren verhindert werden. Zusätzlich sollte die Hydratations-Schicht mit der antimikrobiellen Wirkung des Enzymes Cellobiose Dehydrogenase und der kontaktbioziden Wirkung von quarternären Ammoniumverbindungen kombiniert werden.
Die Funktionalisierung erfolgt zum einen über den direkten Beschichtungsansatz des Adsorption/Entrapment-Verfahrens. Hierzu wurde zunächst ein amphiphiles Diblock-Copolymer synthetisiert; bestehend aus einem hydrophoben Ankerblock, der kompatibel mit dem Silikon-Material ist, und einem funktionellen Block, dem zwitterionischen Sulfobetain. Mit Hilfe der Atom Transfer Radikalpolymerisation (ATRP) wurde an einen Makroinitiator aus Polydimethylsiloxan (PDMS) das Poly(2(Dimethylamino)ethylmethacrylat) (PDMAEMA) gekoppelt und mit Hilfe von 1,3Propansulton zum Sulfobetain umgewandelt. Durch diese Synthese konnten maßgeschneiderte Block-Copolymere PDMS-b-PSPE mit molaren Massen von 7 kDa bis 12 kDa und mit einem Massengehalt an 82 % bis 90 % des Zwitterionenblocks hergestellt werden. Mit Hilfe der Funktionalisierung via Adsorption/Entrapment-Prozess konnte eine stabile hydrophile Oberflächenbeschichtung erreicht werden. Jedoch konnte keine vollständige Benetzung des PDMS mit Wasser erreicht werden, wie die Beobachtung der Zeta-Potential-Messung und des Kristallviolett-Tests zur Messung der Biofilm-Bildungen nahlegten. Dennoch konnte durch die Messung der spezifischen Proteinadsorptionen eine deutliche Reduzierung der Adhärenz des Proteins BSA festgestellt werden. Hierbei zeigte sich eine Abhängigkeit von der Kettenlänge des funktionellen Anteils, sodass mit dem größten zwitterionischen Anteil bis zu 90 % weniger BSA-Adsorption im Vergleich zur Referenzprobe erreicht werden konnte.
Zum anderen erfolgte die Funktionalisierung des PDMS-Kathetermaterials via Layer-by-Layer-Technik. Hierzu wurde im ersten Schritt ein Polykation entworfen, welches zum einen als Polymerbaustein für das Layer-by-Layer-Verfahren dient und zum anderen antibiofouling Eigenschaften durch Zwitterionen und hydrophobe Alkylammonium-Seitenketten aufweist. Mit Hilfe der ATRP konnte erfolgreich ein reproduzierbares Polymer PDMAEMA synthetisiert werden, mit welchem durch unterschiedliche Quarternierungsreagenzien gut einstellbare Copolymere hergestellt werden konnten. Hierzu wurden vier unterschiedliche Copolymere synthetisiert, welche in dem zwitterionischen Anteil von 0 %, 25 % und 50 % variieren. Durch das Kombinieren des Polymers mit 25 % Zwitterion mit 25 % Oktyl-Gruppen wurde eine zusätzliche kontaktbiozide Komponente erfolgreich in das Polykation eingebracht.
Mit dem stark geladenen Polyanion Poly(styrolsulfonat) (PSS) und den neu synthetisierten Polykationen lassen sich gut definierte Mehrschichtensysteme via Layer-by-Layer-Technik sowohl auf dem Modellsystem SiWafer als auch auf dem Kathetermaterial PDMS herstellen. Zusätzlich diente das Mehrschichtensystem als Reservoir für das Enzym Cellobiose Dehydrogenase, welches aufgrund seiner speziellen Reaktion mit Biofilm-Polysacchariden antimikrobielles Wasserstoffperoxid erzeugt. Trotz der unterschiedlichen Ladungsdichten des Polykations und der Verwendung von dem Enzym als Polyanion konnte die Substratoberfläche vollständig bedeckt werden und zeigte eine Stabilität von mindestens 10 Tagen in Wasser und synthetischem Urin. Durch die Erhöhung des zwitterionischen Anteils wurden neutralere und hydrophilere Oberflächen erreicht. Jedoch weist die Verwendung des Polykations mit einem zwitterionischen Anteil von 50 % aufgrund der geringen Ladungsdichte ein gedämpftes Schichten-Wachstum in der Ellipsometrie und fehlende Systematik während der Auftragung im Kontaktwinkel auf. Ebenfalls hat die Ladungsdichte Auswirkung auf den Trocknungsvorgang. Aufgrund der schwächeren Wechselwirkungen zwischen den Schichten kam es zu vermehrter Segregation innerhalb des Schichtsystems, was eine Erhöhung der Oberflächenrauheit zur Folge hatte. Trotz der Einbettung des Enzyms in das Schichtsystem konnte es seine Aktivität beibehalten. Jedoch konnte hierbei gezeigt werden, dass die Position des Enzymes in dem Schichtsystem eine wichtige Rolle spielt, da jede weitere Schicht die Diffusion des Substrates erschwert. Eine zusätzliche antibakterielle Wirkung konnte durch die Einführung von langen hydrophoben Seitenketten in die letzte Schicht erzielt werden. Basierend auf den mikrobiologischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass nicht nur die bakterielle Adhäsion im Vergleich zur Referenzprobe um 60 % reduziert werden konnte, sondern auch eine Tötung der adhärierten Bakterien auf der Oberfläche stattfand.
Zusammenfassend konnten zwei einfach durchzuführende Methoden zur Neugestaltung von PDMS-Kathetermaterial etabliert werden. Die antifouling und antimikrobielle Beschichtung des Materials führt zu einer deutlichen Reduzierung der Biofilmbildung, wodurch das Risiko einer nosokomialen Infektion durch die Verwendung von Blasenkathetern verringert werden könnte.For numerous biomedical materials such as prosthetic devices, implants, contact lenses and catheter, fouling on surfaces is a serious risk of infections. One of the most abundant complications in hospitals is caused by catheter-associated urinary tract infections. The aim of the thesis was to develop a strategy to achieve innovative coatings for silicone catheter using novel tailored copolymers. In this thesis primarily a low fouling surface was created using an electrostatically induced hydration layer based on zwitterionic sulfobetaine polymers. Furthermore the low fouling surface was combined with the enzyme Cellobiose dehydrogenase to achieve an antimicrobial effect and with quaternary ammonium compounds to achieve a contact biocide effect.
One functionalization strategy is to integrate copolymers into the catheter surface with help of the adsorption/entrapment mechanism. For this a well-defined amphiphilic diblock copolymer was synthesized; consisting of a hydrophobic anchor block, which is compatible with the silicone material, and a functional block of zwitterionic sulfobetaine. Therefore a macroinitiator of polydimethylsiloxane (PDMS) was reacted with 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA) by atom transfer radical polymerization (ATRP). The resulting precursor polymers were converted into sulfobetaines by a reaction with 1,3propanesultone, to yield PDMS-block-PDMAEMA with molar masses of 7 kDa to copolymers with molar masses of 12 kDa and with a mass content of 82% to 90% of zwitterion blocks. With these block copolymers the silicone catheter material was successfully modified via the non-covalent adsorption/entrapment mechanisms, it became significantly more hydrophilic and remained unchanged for longer than 10 days. The observation of the zeta-potential measurement and the crystal violet test for measuring the biofilm formation indicated no complete wetting of the silicone material by water. Nevertheless, in comparison to the reference sample a significant reduction was detected in the adherence of the protein BSA. There was a dependency of the chain length of the functional component; the modification with the largest polymer achieved up to 90 % less BSA adsorption in comparison to the reference sample.
Another functionalization strategy was done via a layer-by-layer technique. Hence a novel polycation was designed which served as a polymer component for the layer-by-layer technique and provided at the same time antibiofouling zwitterions and antimicrobial hydrophobic side chains. First poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate) (PDMAEMA) was synthesized by atomic transfer radical polymerization (ATRP) to obtain an adjustable molecular weight and a low polydispersity. Throughout the process two different quaternizing reagents yielded four different copolymers which varied in the zwitterionic fraction between 0 %, 25 % and 50 %. Alternatively the polycation with 25 % zwitterionic fragment was successfully combined with a contact biocidal component of 25 % octyl-ammonium side chains.
With the strongly charged polyanion poly(styrenesulfonate) (PSS) and the novel synthesized polycations it is possible to prepare well-defined multilayer systems via layer-by-layer technique on the model system Si-wafer as well as on the catheter materials. Furthermore the multilayer systems were successfully used as reservoir for the enzyme Cellobiose dehydrogenase (CDH) which produces antimicrobial hydrogen peroxide by the reaction with biofilm polysaccharides. The observation of absence of systematic changes in the contact angle and the attenuated growth in ellipsometry when using the polycation with 50% zwitterions indicated deviations from strictly regular growth due to reduced charge density. However, the combination of all data provides strong evidence that with up to 50% zwitterion fraction in the polycation the critical charge density limit which is needed to obtain significant layer growth has not yet been reached. All surfaces remained stable for up to 10 days in water and in synthetic urine. By increasing the zwitterionic fraction, surfaces became more neutral and hydrophilic. The charge density had a pronounced effect on the drying process as well. Lower charge density caused less interaction between the layers in the multilayer system, which resulted in more segregation within the layer system during the drying process, especially by simple air drying. This resulting roughness of the surface can be reduced by freeze drying. This multilayer system was also successfully used as reservoir for enzyme immobilization. CDH which is able to produce H2O2 in the presence of polysaccharides was effectively embedded in the multilayer system and could preserve its enzyme activity. For that it was shown that the layer architecture, i.e. the location of the enzyme in the layer, has an influence on the activity of enzymes; this could be linked to substrate diffusion hindrance. The CDH functionalized catheter material exhibited more antimicrobial activity after freeze drying. An additional antibacterial effect could be obtained by introducing QAC groups. Based on the biological results presented that the multilayer films can not only reduce the bacterial adhesion down to 40% relative to uncoated PDMS but also kill the bacteria adhered onto the surface.
In summary, two easy to perform modifications for rearrangement of silicone catheter material were established. The antifouling and antimicrobial coating of the material leads to a significant decrease of biofilm formation. In this way the risk of a nosocomial infection through the application of urinary catheters could be reduced
Stabilisotopenanalytik von Kohlenstoff und Stickstoff in wässrigen Lösungen – Methodenentwicklung, -validierung und -anwendung
No full textBulk-Stabilisotopenanalytik (BSIA) und substanzspezifische Stabilisotopenanalyse (CSIA) von wässrig gelösten Stoffen ist in vielen wissenschaftlichen Bereichen von großem Interesse.
Traditionelle BSIA-Methoden für Kohlenstoff in wässrigen Lösungen sind zeitaufwendig, mühsam oder beinhalten das Risiko der Isotopenfraktionierung. Ein System, welches die Stabile-Stickstoff-Isotopenzusammensetzung mit natürlicher Häufigkeit von gelösten Stickstoffverbindungen direkt (ohne Offline-Probenvorbereitung) analysieren kann, ist bisher in der Literatur nicht erwähnt.
CSIA-Methoden für gelöste Kohlen- und Stickstoffverbindungen benötigen entweder eine zeitraubende Extraktion und Aufreinigung, gefolgt von Elementaranalyse/Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (EA/IRMS) oder eine Derivatisierung, gefolgt von Gaschromatographie/IRMS (GC/IRMS). Die einzige weit verbreitete direkte Methode für Hochleistungsflüssigkeitschromatographie/IRMS (HPLC/IRMS) eignet sich nur für die Kohlenstoff CSIA.
Aufgrund dieser Defizite fokussiert sich diese Arbeit auf die Entwicklung und Validierung von Verfahren zur genauen und empfindlichen BSIA und CSIA des Kohlenstoffs und Stickstoffs in wässrigen Proben.
Ein Hochtemperaturverbrennungs-System (HTC-System) stellt eine Verbesserung gegenüber etablierten Methoden dar. Ein neuartiger und speziell für die BSIA entwickelter gesamter organischer Kohlenstoff-Analysator (TOC-Analysator), wurde mit einem Isotopenverhältnis-Massenspektrometer gekoppelt. Eine weitere Modifizierung des Systems ermöglicht die BSIA von Stickstoff. Schließlich erfolgte, unter Verwendung der zuvor gewonnenen Erkenntnisse, die Entwicklung eines Interfaces für Kohlenstoff- und Stickstoff-CSIA mittels HPLC/IRMS.
Schwer abbaubare Verbindungen, wie Barbitursäure, Melamin und Huminsäure, wurden mit den Kohlenstoff Wiederfindungsraten von 100 ± 1% analysiert um die Vollständigkeit der Oxidation zu belegen. Die vollständige Reduktion von NOx zu N2 wurde durch die erfolgreich durchgeführten Messungen (ohne systematischen Fehler) verschiedener stickstoffhaltiger Spezies, wie Nitraten, Ammonium und Koffein belegt. Richtigkeit und Präzision lagen in der Regel bei ≤0,5 ‰ für δ13C and δ15N für die CSIA, ebenso wie für die BSIA. Für δ13C BSIA wurde eine integrierte Purge and Trap Technik, sowie ein großvolumiges Einspritz-System verwendet um LOQSIA Instr von 0,2 mgC/L zu erzielen (eine Genauigkeit von ±0,5 ‰ wurde hierfür als akzeptabel definiert). Außerdem wurde die Methode erfolgreich auf verschiedene reale Proben, wie Flusswasserproben und Bodenextrakte angewandt. Es wurde ein unterer Arbeitsbereich von 3,5 μgC für δ13C CSIA und 20 μgN für δ 15N CSIA ermittelt (eine Genauigkeit von ±0,5 ‰ wurde hierfür als akzeptabel definiert). Es wurde ein unterer Arbeitsbereich von 1,5 μgN wurde für δ15N BSIA erreicht (eine Genauigkeit von ±1,0 ‰ wurde hierfür als akzeptabel definiert).
Der neue, an einen IRMS-Detektor gekoppelte HTC TOC-Analysator, stellt einen bedeutenden Fortschritt für δ13C und δ 15N BSIA von gelöster Materie dar. Die Entwicklung eines neuartigen HPLC/IRMS Interfaces führte zum ersten System, welches sich sowohl für direkte δ13C als auch δ15N CSIA von nichtflüchtigen Verbindungen als geeignet erwies. Beides könnte neue Möglichkeiten in SIA-basierten Forschungsfeldern erschließen.Bulk and compound specific stable isotope analysis (BSIA and CSIA, respectively) of dissolved matter is of high interest in many scientific fields.
Traditional BSIA methods for carbon from aqueous solutions are time-consuming, laborious or involve the risk of isotope fractionation. No system able to analyze natural abundance stable nitrogen isotope composition of dissolved nitrogen directly (without offline sample preparation) has been reported so far. CSIA methods of dissolved carbon and nitrogen containing matter require either time consuming extraction and purification followed by elemental analysis isotope ratio mass spectrometry (EA/IRMS) or derivatization followed by gas chromatography IRMS (GC/IRMS). The only widely adopted direct method using high performance liquid chromatography IRMS (HPLC/IRMS) is suited for carbon only.
Based on these shortcomings the development and validation of analytical methods for accurate and sensitive carbon and nitrogen SIA from aqueous samples are the aims of this work.
A high-temperature combustion (HTC) system improves upon established methods. A novel total organic carbon (TOC) system, specially designed for SIA, was coupled to an isotope ratio mass spectrometer. The system was further modified to enable nitrogen BSIA. Finally, an interface for carbon and nitrogen CSIA via HPLC/IRMS was developed based on the previously developed concepts for BSIA.
Compounds resistant to oxidation, such as barbituric acid, melamine and humic acid, were analyzed with carbon recoveries of 100 ± 1% proving complete oxidation. Complete reduction of NOx to N2 was proven measuring different nitrogen containing species, such as nitrates, ammonium and caffeine without systematical errors. Trueness and precision of usually ≤0.5‰ were achieved for δ13C and δ15N CSIA, as well as BSIA. For δ13C BSIA an integrated purge and trap technique and large volume injection system were used to achieve LOQSIA instr of 0.2 mgC/L, considering an accuracy of ±0.5‰ as acceptable. In addition, the method was successfully applied to various real samples, such as river water samples and soil extracts. Further tests with caffeine solutions resulted in lower working limit values of 3.5 μgC for δ13C CSIA and 20 μgN for δ15N CSIA, considering an accuracy of ±0.5‰ as acceptable. Lower working limit of 1.5 μgN for δ15N BSIA was achieved, considering an accuracy of ±1.0‰ as acceptable.
The novel HTC TOC analyzer coupled to an isotope ratio mass spectrometer represents a significant progress for δ13C and δ15N BSIA of dissolved matter. The development of a novel HPLC/IRMS interface resulted in the first system reported to be suitable for both δ13C and δ15N in direct CSIA of non-volatile compounds. Both may open up new possibilities in SIA-based research fields
Application of Optical Diagnostics to Support the Development of Industrial Gas Turbine Combustors
No full textDie vorliegende Dissertationsschrift behandelt die Anwendung moderner optischer Messverfahren zum Zwecke der detaillierten Untersuchung von Verbrennungssystemen stationärer Gasturbinen.
Mittels laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) von Aceton als Tracer wurden bildgebende Messungen des Brennstoff-/Luftgemisches verschiedener Brennertypen bei atmosphärischem Druck im nichtreagierenden System durchgeführt. Hierzu wurden spezielle optisch zugängliche Prüfstände sowie eine Versorgungseinrichtung zur Bereitstellung der erforderlichen Tracer-Massenströme entwickelt und in Betrieb genommen. Die Ergebnisse der Tracer-LIF-Messungen wurden mit Ergebnissen klassischer Saugsonden-Messungen verglichen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Tracer-LIF-Messungen deutliche Vorteile hinsichtlich der räumlichen Auflösung sowie der benötigten Zeit zur Durchführung einer Messung bieten. Im Gegensatz zu den Saugsonden-Messungen ermöglichen die Tracer-LIF-Messungen nun auch erstmalig die Untersuchung instationärer Phänomene. Die aufgenommenen Mischungsdaten dienen darüber hinaus als neue Referenz zur Validierung numerischer Simulationen. So konnten bei einem im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Vergleich mit RANS CFD-Simulationen bereits optimierte Parameter für die Durchführung der Simulationen gefunden werden.
Zur Untersuchung des Verhaltens der Flamme in Hochdruck-Verbrennungstests wurde eine wassergekühlte Sonde entwickelt, welche optischen Zugang zur Brennkammer bei minimaler Beeinflussung des untersuchten Systems bietet. Mithilfe der Sonde wurden sowohl spektroskopische wie auch bildgebende Messungen des Flammeneigenleuchtens unter verschiedenen realistischen thermodynamischen Randbedingungen durchgeführt. Für die bildgebenden Messungen wurden verschiedene Kombinationen von optischen Filtern vor der Kamera eingesetzt, um selektiv OH*, CH* oder CO2* aufnehmen zu können. Simultan zu den Kamerabildern wurden Wechseldruck-Schwankungen innerhalb der Brennkammer aufgezeichnet. Eine nachträgliche Korrelation der aufgenommenen Flammenbilder mit den Wechseldruck-Schwankungen mittels eines Phasensortier-Algorithmus gab dabei neue Einblicke in die Vorgänge innerhalb der Brennkammer während des Auftretens von Verbrennungsinstabilitäten.
Insgesamt ermöglichten die im Rahmen dieser Arbeit angewandten optischen Messtechniken neue Einblicke in die komplexen Vorgänge bei der Gemischbildung von Brennstoff in Luft sowie bei der Verbrennung unter realistischen Randbedingungen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse leisten einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung von Gasturbinen-Verbrennungssystemen.The present study is concerned with the application of state-of-the-art optical measurement techniques for the detailed investigation of combustion systems of stationary gas turbines.
By using laser-induced fluorescence (LIF) with acetone as tracer imaging measurements of the fuel/air mixture at atmospheric pressure and at non-reacting conditions were accomplished with different burner types. For this purpose optically accessible test rigs as well as a special facility for the supply with necessary tracer mass flows were developed and taken into operation. The results of the tracer-LIF measurements were compared to results of classical suction-probe measurements. It could be shown that the tracer LIF measurements offer clear advantages regarding the spatial resolution as well as the necessary time for the execution of a measurement. Moreover, contrary to the suction-probe measurements, the tracer-LIF measurements for the first time allow the investigation of unsteady phenomena. Additionally, the recorded mixture data serve as a new reference for the validation of numerical simulations. A first comparison with steady RANS CFD results within the context of this study could already lead to optimized parameters for these simulations.
For the investigation of the flame behavior in high pressure combustion tests a water-cooled probe was developed which provides optical access to the combustion chamber with minimum impact on the examined system. The probe was applied for both spectroscopic as well as imaging measurements of the flame luminescence at gas turbine relevant thermodynamic boundary conditions. For the imaging measurements different combinations of optical filters were installed in front of the camera system in order to selectively record OH*, CH* or CO2*. Pressure fluctuations inside the combustion chamber were recorded simultaneously to the camera images. A correlation of the recorded images with the pressure fluctuations by using a phase-sorting algorithm gave new inside of the processes within the combustion chamber during the occurrence of combustion instabilities.
Altogether the optical measurement techniques applied in the frame of this study enabled new insights into the complex processes during fuel/air mixing as well as during combustion at gas turbine relevant boundary conditions. The new knowledge won thereby will make an important contribution for the further development of gas turbine combustion systems
Identifizierung und Quantifizierung von Korkfehlaromen in Naturkorken mittels multidimensionaler gaschromatographischer Methoden
No full textThe typical cork taint primarily caused by 2,4,6-trichloroanisole (TCA) in cork stoppers is considered today to be less important since its major origin, the utilization of hypochlorite as bleaching agent, during the manufacturing process is avoided and rigorous quality management is applied. Still, TCA and other haloanisoles in wine can originate from a contamination in cellars due to the usage of wood preservatives or flame retardants. Therefore, it is still important to monitor these compounds in the cork and wine industry. Particularly, the trace level analysis of such potent aroma compounds in the complex wine matrix is often hindered due to co-elutions using one-dimensional gas chromatographic (GC) analysis. Thus, a robust analytical method based on headspace solid phase microextraction (HS-SPME), heart-cut multidimensional gas chromatography (H/C MDGC) and halogen-sensitive electron capture detection (ECD) was established for routine application in wine and cork soaks that allowed a reliable quantification in the complex wine matrix below the compounds’ odor thresholds at sub-ng/l level that may be crucial in customer conflict situations.
With regard to the atypical cork taint, a clear correlation of tainted wines with this off-flavor was hitherto difficult as this sensory alteration lacked any substantial information. In a study comprising H/C MDGC-olfactometry the responsible off-flavor compounds were identified by analyzing natural cork stoppers with off-odors deviant from the typical cork taint. Here, the identification of trace level aroma compounds benefitted from the additional application of heart-cut and comprehensive multidimensional GC in combination with mass spectrometric detection (H/C MDGC-MS-MS, GC×GC-MS). Basically, well-known off-flavor substances like geosmin, 2-methylisoborneol, and 3-isopropyl-2-methoxypyrazine were detected as well as chlorinated substances. Besides TCA, another potent aroma compound, 3,5-dimethyl-2-methoxypyrazine (MDMP), was present in each sub-group of the off-odorous cork stoppers, obviously playing an important role concerning the atypical cork taint. The unequivocal identification of MDMP was critical since a constitutional isomer, originally associated with another off-flavor in wine, showed similar mass spectrometric data and gas chromatographic behavior on common stationary phases. The GC separation of the isomers that was essential for the unambiguous assignment could be finally achieved on a cyclodextrin-based stationary phase. Targeted trace level analyses of the most important cork off-flavor compounds was achieved in cork soaks and wines below their odor thresholds using an analytical approach based on HS-SPME-H/C MDGC with tandem mass spectrometric detection (MS-MS). Analysis of individual off-odorous cork stoppers revealed elevated concentrations of the targeted compounds correlating with the corresponding sensory description of the stopper. The migration of off-flavor compounds (especially alkyl methoxypyrazines) from cork stoppers into wine and an associated sensory alteration of the wine could be observed in wines sealed with affected cork stoppers after an appropriate storage period. In particular, MDMP became apparent to be important for the atypical cork taint and should thus be monitored in routine quality control. However, the contribution of MDMP to the characteristic sensory alteration of wine related with the atypical cork taint e.g. reduced fruitiness has to be investigated in more detail. Furthermore, its origin has to be fully elucidated to be able to apply preventive procedures in the cork production process.Der typische Korkgeschmack, der hauptsächlich durch die Verbindung 2,4,6-Trichloranisol (TCA) in Korken verursacht wird, spielt heute nur noch eine untergeordnete Rolle, da die Hauptursache - die Bleichung der Korken mit Hypochlorit - bei deren Herstellung nicht mehr angewendet wird und strenge Qualitätskontrollen durchgeführt werden. Allerdings können TCA und andere Haloanisole aufgrund der Verwendung von Holzschutzmitteln oder Flammschutzmitteln auch im Kellerumfeld gebildet werden, so dass diese Verbindungen regelmäßig in der Kork- und Weinindustrie kontrolliert werden müssen. Die Spurenanalytik solcher potenter Aromastoffe erweist sich in der komplexen Weinmatrix oft als schwierig, da bei der Anwendung von nur eindimensionaler Gaschromatographie (GC) oft Co-elutionen beobachtet werden. Zur Routineanalytik von Wein- und Korkproben wurde daher eine robuste Methode etabliert, in der die Dampfraum-Festphasenmikroextraktion (HS-SPME), heart-cutting multidimensionale GC (H/C MDGC) und der halogenempfindliche Elektroneneinfangdetektor (ECD) eingesetzt wurden. Dadurch konnte in der komplexen Weinmatrix eine verlässliche Quantifizierung im Konzentrationsbereich unter den Geruchsschwellenwerten (sub-ng/l) erreicht werden, das gerade in kritischen Fällen von Verbraucherbeschwerden entscheidend sein kann.
Beim Auftreten des untypischen Korkgeschmacks war es bisher schwierig die sensorische Veränderung eines Weines diesem Fehlaroma zuzuordnen, da das Wissen über die verantwortlichen Substanzen fehlte. Diese Verbindungen wurden mittels H/C MDGC in Kombination mit olfaktometrischer Detektion identifiziert, indem Naturkorken mit einem Fehlaroma, das sich vom typischen Korkgeschmack unterscheidet, untersucht wurden. Hierbei wurde die Identifizierung von Aromastoffen im Spurenbereich durch die Anwendung von multidimensionalen GC Methoden mit massenspektrometrischer Detektion (H/C MDGC-MS-MS, GC×GC-MS) begünstigt. Prinzipiell wurden bereits bekannte Fehlaromen wie Geosmin, 2-Methylisoborneol und 3-Isopropyl-2-methoxypyrazin sowie chlorierte Verbindungen nachgewiesen. Jedoch wurde neben TCA ein anderer potenter Aromastoff, das 3,5-Dimethyl-2-methoxypyrazin (MDMP), in allen Untergruppen der sensorisch beeinträchtigten Korken nachgewiesen und scheint daher eine wichtige Rolle im Zusammenhang mit dem untypischen Korkgeschmack zu spielen. Die eindeutige Identifizierung von MDMP war zunächst kritisch, da ein Konstitutionsisomer, das ursprünglich mit einem anderen Weinfehlaroma in Verbindung gebracht wurde, ein ähnliches Massenspektrum und ähnliches gaschromatographisches Verhalten auf üblichen stationären Phasen aufwies. Die eindeutige Zuordnung war nur möglich aufgrund der gaschromatographischen Trennung der beiden Isomere, welche schließlich mittels einer stationären Phase auf Basis eines Cylclodextrin-Derivats erreicht wurde. Die Quantifizierung der wichtigsten Korkfehlaromen in Korkextrakten und Weinen unter deren Geruchsschwelle im unteren ng/l-Bereich wurde erreicht durch den Einsatz von HS-SPME-H/C MDGC mit Tandemmassenspektrometrie (MS-MS) zur Detektion. Bei der Untersuchung von einzelnen sensorisch auffälligen Korken wurden erhöhte Konzentrationen der untersuchten Verbindungen beobachtet, die mit den entsprechenden sensorischen Beschreibungen der Korken korrelierten. Durch das Verschließen von Weinen mit sensorisch auffälligen Korken wurde nach einer entsprechenden Lagerungszeit die Migration von Fehlaromen, vor allem von Alkylmethoxypyrazinen, aus den Korken in den Wein sowie eine sensorische Beeinflussung des Weines beobachtet. Besonders MDMP ist offensichtlich von großer Bedeutung für den untypischen Korkgeschmack und sollte deshalb in die routinemäßige Qualitätskontrolle mit aufgenommen werden. Allerdings ist die Bedeutung von MDMP in der charakteristischen Wahrnehmung des untypischen Korkgeschmacks (z.B. die reduzierte Frucht des Weines) in ergänzenden sensorischen Studien zu untersuchen. Weiterhin sollten die Ursachen von MDMP auf bzw. in Korken geklärt werden, um präventive Maßnahmen im Produktionsprozess einleiten zu können
Multivariate data analysis for the classification of coking coals via pyrolysis gas chromatography mass spectrometry
No full textAuf Grund der sinkenden Verfügbarkeit von qualitativ hochwertigen Kokskohlen mit gleichzeitig schwankenden Preisen für eben diesen Rohstoff, müssen stahlerzeugende Unternehmen wie die ThyssenKrupp Steel Europe AG Untersuchungen zur Qualitätssicherung intensivieren. Hierzu gehört neben der Qualitätskontrolle auch die Identifizierung von Kokskohlen direkt bei ihrer Anlieferung, um etwaige Fehllieferungen und Fremdbeimischungen frühzeitig zu erkennen. Die übliche Routineanalytik, wie beispielsweise die Bestimmung der Fluidität, der Flüchtigen Bestandteile und des Heizwertes, ist für diese Fragestellungen nicht mehr zielführend. Eine in der Literatur für komplexe Substanzen häufig herangezogene Analysenmethode ist die Pyrolyse-Gaschromatographie/Massenspektrometrie (Py-GC/MS). Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Py-GC/MS verwendet, um Kokskohlen zu charakterisieren, sie eindeutig auf Grund ihres chromatographischen Verhaltens zu identifizieren und aufbauend auf diesen Ergebnissen zu klassifizieren.
Zunächst wurde eine Methode zur Charakterisierung von Kokskohlen (MeKKDo) entwickelt, welche im Anschluss für die Fragestellungen verwendet wurde. Nach eingehender Untersuchung des pyrolytischen Verhaltens von Kokskohlen, konnte mit Hilfe von euklidischen Distanzen bewiesen werden, dass es berechenbare Unterschiede zwischen den Chromatogrammen der verschiedenen Kokskohlen gibt. Mit Hilfe von zwei unterschiedlichen Verfahren aus der multivariaten Datenanalyse konnten zwei Methoden zur Identifizierung von Kokskohlen auf Grund ihrer Chromatogramme aufgebaut werden. Sowohl die logistische Regression als auch die Entscheidungsbäume konnten jedoch der Nachstellung des Routinebetriebs des Analysengerätes nicht standhalten. Chromatographische Einflüsse, wie Verschiebungen in den Retentionszeiten, führten zu nicht akzeptablen Abweichungen bei der Identifizierung. In Kooperation mit der Firma Lablictae UG wurden daher die massenspektrometrischen Daten herangezogen. Da diese unabhängig von chromatographischen Schwankungen sind, führte diese Herangehensweise zu einem validen Identifizierungssystem von Kokskohlen.
Erste Grundsteine für die Klassifizierung von Kokskohlen wurden gelegt. So war es möglich, die untersuchten Kohlen nach ihrer Herkunft zu trennen. Eine feinere und technologisch sinnvolle Trennung der Kohlen konnte bisher nicht vorgenommen werden. Hierfür sind weiterführende Untersuchungen der Kokskohlen notwendig. Es konnte außerdem eine Methode zur Vorhersage von Flüchtigen Bestandteilen auf Grund ihrer in der Summe detektierten Massensignale entwickelt und validiert werden.Due to the decreasing availability of high-grade coking coals with simultaneously rising prices for these raw materials, steel-producing companies such as ThyssenKrupp Steel Europe AG have to intensify studies on quality assurance. In addition to the quality control, the identification of coking coals has to be included for the early detection of any incorrect deliveries and foreign admixtures directly at their delivery. Actually, current routine analysis is no longer purposeful for these issues. In different studies the pyrolysis gas chromatography mass spectrometry (Py-GC/MS) was applied for the investigation of complex substances such as coals. In this thesis, the Py-GC/MS was used to characterize coking coals, identify them clearly due to their chromatographic behavior and, based on these results, classify them.
Firstly, a method for the characterization of coking coals (MeKKDo) was developed, which then was used for the defined issues. After detailed investigation of the pyrolytic behavior of the coals, it was possible to prove by means of Euclidean distances that there are calculable differences between the chromatograms of different coking coals. Using two different methods of the multivariate data analysis, it was possible to develop two models for the identification of coking coals on the basis of their chromatograms. However, both the logistic regression and decision trees were not able to withstand a replication of the routine operation of the analyzer. Chromatographic effects such as shifts in retention times, led to unacceptable deviations in the identification.
Therefore, in cooperation with the company Lablicate UG, the mass spectrometric data were used. Since the data are independent of chromatographic variations with this database a valid system for the identification of coking coals have been established.
In context of this thesis, a method for the prediction of the volatile matter of coking coals due to their detected total mass signals could be developed and validated. In addition it was possible to place first cornerstones for the classification of coking coals, such as the separation of the studied coals according to their origin. A finer and technological meaningful separation of coals was not possible yet. Therefore, further investigations of the coals are necessary
Stroke knowledge among diabetics: a cross-sectional study on the influence of age, gender, education, and migration status
No full textUntersuchungen haben gezeigt, dass Diabetiker und Migranten ein erhöhtes Schlaganfallrisiko aufweisen. Beim Auftreten von Schlaganfallsymptomen ist die rasche Alarmierung der Rettungskette notwendig, damit die Dauer der Ischämie des Hirngewebes möglichst gering ist und Therapieverfahren wie z.B. die Lysetherapie eingesetzt werden können. Bevölkerungsbasierte Studien haben Defizite im Schlaganfallwissen gezeigt, doch ist wenig zum Kenntnisstand von Diabetikern mit und ohne Migrationshintergrund bekannt. Gegenstand dieses Dissertationsprojekts war die Durchführung einer Querschnittsstudie zum Schlaganfallwissen unter Diabetikern (Typ 2 und Typ 1) aus einer Hausarztpraxis mit diabetologischem Schwerpunkt, die auch viele Patienten betreut, die aus der Türkei nach Deutschland migriert sind. Die Datenerhebung erfolgte mit einem standardisierten Fragebogen, den Patienten wahlweise in deutscher oder türkischer Sprache ausfüllten. Für jeden Teilnehmer wurde analysiert, welche Schlaganfallrisikofaktoren, Schlaganfallsymptome und welche Handlungsoptionen genannt wurden. „Gutes Symptomwissen“ war als Kenntnis von mindestens zwei Schlaganfallsymptomen definiert. „Gutes Handlungswissen“ war bei Alarmierung des Notarztes oder Vorstellung in einer Notaufnahme gegeben. Wenn sowohl gutes Symptom- als auch Handlungswissen vorlagen, war dies als „gutes Schlaganfallwissen“ definiert. Von 250 Teilnehmern nahmen 231 an der Studie teil (Teil-nehmerrate: 92,4%). Die Analysepopulation von 218 Patienten umfasste 134 Diabetiker deutscher Herkunft (53,6%) und 84 Diabetiker, die aus der Türkei nach Deutschland migriert waren (33,6%). Gemäß den Einschlusskriterien wurden 13 Patienten (5,2%) mit anderem Migrationshintergrund ausgeschlossen. Von den 218 Teilnehmern wiesen 39,4% ein gutes Schlaganfallwissen auf, während 24,3% kein Symptom benennen konnten. Min-destens zwei Symptome kannten 61,2% der Diabetiker mit deutscher Herkunft, aber nur 39,3% der Migranten. Gutes Handlungswissen und gutes Schlaganfallwissen war unter Diabetikern deutscher Herkunft häufiger als unter Migranten (56.7 % versus 26.2%; 50% versus 22,6%). Lebensalter unter 61 Jahren, gute Kenntnisse der deutschen Sprache und Leben in einem Ein-Generationenhaushalt waren signifikant mit gutem Schlaganfallwissen assoziiert, während Geschlecht, die Jahre seit Einwanderung und die Qualität der Diabeteseinstellung dies nicht waren. Bei guten Sprachkenntnissen spielte die Herkunft keine Rolle. Übereinstimmend mit früheren Studien war ein niedriger Bildungsstand mit geringerem Schlaganfallwissen assoziiert. Die neue Beobachtung unserer Studie, dass Leben in einem Mehrgenerationenhaushalt mit einem niedrigeren Kenntnisstand verbunden war, ist von Bedeutung für die Konzeption von adaptierten Informationsstrategien mit einem familienzentriertem Aufklärungsansatz.Background: Stroke campaigns are educating about the need to immediately contact the emergency medical system if symptoms occur. Despite higher stroke rates among patients with diabetics and some migrant populations, there are few data about stroke knowledge in these groups.
Methods: We performed a cross-sectional questionnaire survey among 250 diabetes patients from Germany and Turkey in a primary care and diabetes practice center. The two-page questionnaire asked for stroke knowledge and socio-demographic data. Also, medical and communication data were obtained. Stroke knowledge was defined as
good if a participant knew (1) at least two stroke symptoms (good symptom knowledge) and (2) that immediate hospital admission or an emergency call is necessary in case of stroke symptoms (good action knowledge).
Results: A total of 231 of 250 patients took part in the survey (participation rate 92.4%) with 134 natives (53.6%),
84 migrants from Turkey (33.6%) and 13 migrants (5.2%) from other countries. Comparing natives and migrants from Turkey good symptom knowledge was documented in 52.8% of the participants, good action knowledge in 67.9%, and good stroke knowledge in nearly forty percent (39.4%) of patients (n = 218). A logistic regression analysis showed better stroke knowledge if patients were younger than 61 years, had good language abilities and were living in an one-generation household (p < 0.05), while gender, years since migration and diabetes control did not play a role.
Conclusions: We documented stroke knowledge deficits among patients with diabetes, both natives and migrants.
Additional information strategies for these high risk populations are needed
Tutorielle Textfeedbackgespräche zwischen studentischen Schreibtutor/innen und fremdsprachigen Studienbewerber/innen – eine handlungstheoretische Analyse
No full textDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz der aus der US-amerikanischen Hochschulschreibdidaktik entlehnten Methode des Peer Tutoring im Rahmen der institutionalisierten Vorbereitung internationaler Studierender auf die DSH. Es wird ein Korpus von 33 Textfeedbackgesprächen zwischen fremdsprachigen Studierenden und deutschsprachigen Schreibtutoren untersucht. Die Phasierung der Textfeedbackgespräche soll rekonstruiert werden, wobei die Phase der Anliegenbearbeitung fokussiert wird. Zwar liegen zahlreiche Empfehlungen für die Gestaltung sogenannter Schreibberatungsgespräche im universitären Kontext vor, die Untersuchung konkreter authentischer Gespräche ist jedoch ein Forschungsdesi-derat. Auch fehlt ein Peer Tutoring Konzept, das auf die spezielle Zielgruppe internationaler Studierender ausgerichtet ist.
Zentrale Forschungsfragen sind:
1. Was ist kennzeichnend für die Phasierung der vorliegenden Textfeedbackgespräche?
2. Welche Anliegen lassen sich aus den von den DaF-Schreibern verfassten Texten ableiten? Und welche Anliegen werden in den Textfeedbackgesprächen tatsächlich thematisiert?
3. Wie wird die Anliegenbearbeitung gestaltet, d.h. wer thematisiert die Anliegen, wie lange dauert die Bearbeitung und wird eine Lösung gefunden?
4. Welche Gesprächsstrategien setzen die Schreibtutoren in der Anliegenbearbeitung ein? Welche Fragestrategien werden verwendet?
5. Lassen sich Unterschiede zwischen Textfeedbackgesprächen verschiedener Schreibtutorengruppen und verschiedener Schreibergruppen feststellen?
6. Inwiefern ent- oder widersprechen die Ergebnisse der Untersuchung den Empfehlungen für Peer Tutoring in den gängigen Handbüchern?
7. Welche didaktischen Konsequenzen lassen sich für das Peer Tutoring in der Studienpropädeutik mit DaF-Schreibern ableiten
Use of innovative simulation techniques to develop a high-speed extrusion concept based on solid-melt-separation
No full textDie Extrusion ist eines der bedeutendsten Verfahren zur Verarbeitung von Kunststoffen. Entsprechend stark ist das Interesse der Verarbeiter sowie der Maschinenhersteller an der Sicherstellung effizienter und wirtschaftlicher Prozesse. Die mit einem Extruder erzielbaren Durchsätze stellen hierbei eine primäre Richtgröße dar. Zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit eines Extruders ist somit eine Anhebung der verarbeitbaren Durchsätze bei gleichbleibender stofflicher wie auch thermischer Homogenität und hoher Qualität der erzeugten Schmelze bei unveränderter Baugröße anzustreben.
Das größte Potenzial zur Realisierung dieses Ziels wird vielfach im Einsatz schnelldrehender Schnecken gesehen. Die High-Speed-Extrusion scheint zunächst eine sehr einfache Methode zur Durchsatzsteigerung zu sein. Aber tatsächlich ist sie lediglich in der Doppelschneckenextrusion etabliert. In der Einschneckenextrusion sind jedoch noch entscheidende Probleme, insbesondere bzgl. der Einhaltung zulässiger Schmelzetemperaturen und der Gewährleistung einer ansprechenden Extrudatqualität, zu lösen. Dies liegt u. a. an den auftretenden hohen Schergeschwindigkeiten, die zu starker Schererwärmung des Materials führen. Zudem wird oftmals ein signifikanter Abfall des spezifischen Durchsatzes mit steigender Schneckendrehzahl beobachtet. Dies wirkt sich ebenfalls negativ auf die Temperaturentwicklung der Schmelze aus. Weiterhin ist das Auftreten von nicht aufgeschmolzenem Granulat im Extrudat ein nicht zu vernachlässigendes Problem, denn vor allem die einwandfreie Schmelzequalität stellt eine wesentliche Anforderung an die Extrusion dar.
Im Rahmen dieser Dissertation wird daher die Entwicklung des High-Speed-S-Truder-Konzeptes, ausgehend von den Ergebnissen von Großmann unter Einsatz innovativer Simulationstechniken weiter vorangetrieben. Hierzu wird zunächst das bestehende Konzept mittels umfangreicher experimenteller sowie theoretischer Arbeiten untersucht. Der Fokus liegt dabei auf der Generierung von Prozesswissen bzgl. der Aufschmelzabläufe und Strömungsvorgänge im High-Speed-S-Truder. Vor allem dem Einsatz von computergestützten Simulationsmethoden wird dabei eine besondere Bedeutung zuteil, da diese es ermöglichen, einen detaillierten virtuellen Einblick in das Innere der Maschine zu erhalten.
Grundlegende Ansätze zur Simulation von Förder- und Plastifiziervorgängen in Kunststoffextrudern existieren zwar, jedoch sind diese oft eindimensional und i.d.R. auf den klassischen Extruder zugeschnitten und daher nicht für den High-Speed-S-Truder anwendbar. Andere universell nutzbare Modelle befinden sich noch im Entwicklungsstatus und sind nicht weit genug ausgereift, um sie verwenden zu können. Einen Schwerpunkt dieser Arbeit stellt daher die Ausarbeitung eines eigenen, innovativen und universell einsetzbaren Materialmodells sowie dessen Implementierung in eine kommerzielle CFD-Umgebung dar. Das Materialmodell basiert auf dem in der Forschung bekannten Ansatz eines sehr hochviskosen Fluids zur Abbildung von Feststoffen bzw. Schüttgütern. Mithilfe des etablierten Carreau-Viskositätsmodells, kombiniert mit einem modifizierten WLF-Temperaturverschiebungsfaktor, gelingt es, das rheologische Verhalten eines erweichenden Granulats mit dem einer Kunststoffschmelze in einem mathematischen Modell zusammenzufassen. Feststoff und Schmelze können so gemeinsam als ein strömendes Kontinuum abgebildet werden. Dadurch wird der Einsatz eines CFD-Solvers zur Simulation der Plastifizierprozesse in einem beliebig gestalteten Extruder ermöglicht.
Auch die thermodynamischen Materialeigenschaften werden durch das Materialmodell über einem breiten Temperaturbereich, von Raum- bis über die Verarbeitungstemperatur hinaus, berücksichtigt. Dazu werden die Eigenschaften des Feststoffs und der Schmelze separat betrachtet und mittels einer stetigen Gewichtungsfunktion, der Meltfraction-Funktion, überlagert. Die Konsistenz und numerische Robustheit der einzelnen eigenschaftsbeschreibenden Funktionen werden so gewährleistet. Weiterhin lassen sich durch Kalibrierung der Meltfraction-Funktion heizratenabhängige Verschiebungseffekte bzgl. der Lage und der Breite des Aufschmelztemperaturbereichs einbinden. Dies ist gerade für die Simulation von High-Speed-Extrusionsprozessen zwingend erforderlich, da mittels Flash-DSC-Untersuchungen nachgewiesen werden kann, dass die dynamischen Abläufe des Schmelzens in der High-Speed-Extrusion deutlich von den mit gängigen Analyseprozessen ermittelten Abläufen abweichen. Kalibriert wird das Modell durch den Abgleich von Simulationsergebnissen mit Schnittbildern von eingefärbtem Material aus einem Schneckenzugversuch, der Teil umfangreicher Plastifizierversuche ist. Mittels des kalibrierten Materialmodells wird die Extrusion mit dem High-Speed-S-Truder simuliert und Optimierungspotenziale werden aufgedeckt.
Ein überarbeiteter Prototyp des High-Speed-S-Truders wird auf Grundlage dieser Untersuchungen entwickelt und in Laborversuchen getestet. Das Konzept ersetzt die ursprünglich statische Plastifizierhülse durch eine frei rotierbare Hülse mit einem an der Außenseite verlaufenden Schneckensteg, der sogenannten Schneckenhülse. Diese besitzt mehrere hundert feine, radiale Bohrungen am Grund, sodass das Prinzip der Feststoff-Schmelze-Trennung unverändert beibehalten wird. Die Schneckenhülse umschließt die eigentliche Plastifizierschnecke im Bereich der Plastifizierzone und wird durch Schleppkräfte in Rotation versetzt. Während der Extrusion entstehende Schmelze wird durch die Bohrungen der Schneckenhülse aus dem Gang der schnelldrehenden Schnecke in den Gang der langsam rotierenden Schneckenhülse abgeführt und dort aktiv, aber schonend weitergefördert. Das ohnehin bereits plastifizierte Material wird keiner weiteren, unnötig hohen Scherbelastung ausgesetzt. Ein weiterer Vorteil, der sich durch die Abfuhr der Schmelze aus dem Schneckengang ergibt, ist die Unterdrückung einer Schmelzewirbelbildung innerhalb der Schneckenhülse. Hierdurch verbleibt die Plastifizierleistung stets auf einem hohen Niveau. Die abgeführte Schmelze wird zu einem speziell für die High-Speed Extrusion ausgelegten dynamischen Mischer, der als Waben-DMR bezeichnet wird und die ausreichende Homogenität des Extrudats sicherstellt, weitergefördert und anschließend durch ein Werkzeug gepresst.
Durch den unkonventionellen, aber dennoch simplen Aufbau des High-Speed-S-Truders unterscheiden sich die im Inneren ablaufenden Plastifiziervorgänge teils deutlich von den bekannten Mechanismen. Daher werden auch die Vorgänge im neuen Prototypen mittels des o. g. Materialmodells im Rahmen von weiteren CFD-Simulationen sichtbar gemacht und die getroffenen konstruktiven Änderungen überprüft und optimiert. Die Leistungsfähigkeit des neuen High-Speed-S-Truders wird durch reale Plastifizierversuche mit gängigen Standard-Kunststoffen (PE-LD, PE-LLD, PS) nachgewiesen.
Sowohl die Simulationen als auch die Plastifizierversuche belegen das große Potenzial des entwickelten 35 mm Extruders, dessen Länge sich auf 21D beläuft. Die o. g. Kunststoffe werden bei Schneckendrehzahl von bis zu 1.000 1/min und Durchsätzen zwischen 100-200 kg/h verarbeitet. Dabei werden die Verarbeitungsleistungen des Vorgängermodells in eigenen Vergleichsexperimenten übertroffen. Auch der beim Vorgängermodell auftretende Ausstoß von Feststoffresten im Extrudat wird durch den nun genutzten dynamischen Mischer unterbunden.Extrusion is one of the most important processes for the processing of plastics. Accordingly strong is the interest of material processors and machine manufacturers to ensure efficient and economic processes. In this case the throughputs reached by the extruder are a primary benchmark. Thus, raising the processable throughputs at a constant thermal and material homogeneity and a high quality of the produced melt at unchanged machine size is desirable to increase the efficiency of an extruder.
The greatest potential for the realization of this goal is often seen in the use of fast-rotating screws. The high-speed extrusion initially seems to be a very easy way to increase throughput. But in fact it is only established in twin screw extrusion. But in single screw extrusion still decisive problems dealing with permissible melt temperatures and an appealing extrudate are to solve. This is partly due to the resulting high shear rates, which lead to strong shear heating of the material. In addition, often a significant decrease in the specific throughput is observed with increasing screw speed. This also has a negative effect on the temperature development of the melt. Furthermore, the occurrence of not molten granules in the extrudate is a non-negligible problem, because especially a proper melt quality is an essential requirement to an extruder.
In this thesis, the development of the S-Truder concept based on the results of Grossmann is therefore continued by use of innovative simulation techniques. For this purpose, first the existing concept is examined by means of extensive experimental and theoretical work. The focus is set on the generation of process knowledge regarding melting processes and melt flow in the High-Speed-S-Truder. Especially the use of computer simulation methods is thereby of special importance, as these make it possible to get a detailed virtual view into the interior of the machine. Basic approaches to simulate the conveying and plastification processes in an extruders exist, but these are often one-dimensional and usually tailored to the classic extruder and therefore not applicable to the High-Speed-S-Truder. Other universally usable models are still under development and are not sufficiently developed to be used. A main focus of this work is therefore the development of an own innovative and universally applicable material model and its implementation in a commercial CFD software. The material model is based on the in the scientific well-known approach of a very high viscosity fluid to represent solids or bulk materials. With the aid of the established Carreau viscosity model, combined with a modified WLF-temperature shift factor, it succeeds to combine the rheological behaviours of softening granules and plastic melt in just one mathematical model. Solid and melt can be depicted together as a flowing continuum. Thus, the use of a CFD solver for simulating plastification processes in an arbitrarily designed extruder becomes possible.
Also the thermodynamic material properties are taken into account by the material model over a wide temperature range, from room temperature up to the processing temperature. For this, the properties of the solid and the melt are considered separately and are then superimposed by means of a continuous weighting function, the meltfraction function. Thus, the consistency and numerical robustness of the individual characteristics describing functions are ensured. Furthermore, heating rate dependent shift effects which influence the position and the width of the melting temperature range can be included by calibrating the meltfraction function. This is absolutely necessary, especially for the simulation of high-speed extrusion processes, as can be demonstrated by Flash-DSC studies that the dynamic processes of melting in the high-speed extrusion differ materially from those determined using standard analysis processes. The calibration of the model is performed by comparing simulation results with cut views of colored material from a screw freezing experiment which is part of extensive plastification experiments. By use of the calibrated material model the extrusion with the High-Speed-S-Truder is simulated and optimization potentials are revealed.
A revised prototype of the High-Speed-S-Truder is developed on the basis of these studies and is then tested in laboratory experiments. The concept replaces the originally static plasticizing sleeve by a freely rotatable sleeve with a screw flight running on the outside, the so-called screw sleeve. This has several hundred fine, radial bores on its ground, so that the principle of solid-melt-separation maintains unchanged. The screw sleeve encloses the plasticizing screw in the plastification zone and is accelerated by drag forces. During extrusion arising melt is discharged through the bores of the screw sleeve out of the screw channel of the fast rotating screw into the screw channel of the slowly rotating screw sleeve, where it is actively, but gently conveyed. The already plasticized material is not subjected to further, unnecessary high shear stress. Another advantage, which results from the discharge of the melt from the screw channel, is the suppression of a melt pool formation within the screw sleeve. Thereby, the plasticizing always remains on a high level. The discharged melt is conveyed to a specifically for high-speed extrusion processes designed dynamic mixer - which is referred to as the honeycomb-DMR and ensures the adequate homogeneity of the extrudate - and is then pressed through the extrusion tool.
Because of the unconventional, but yet simple design of the High-Speed-S-Truder, the plastification processes differ in part highly from the known mechanisms. Therefore, also the processes in the new prototype will be made visible in the context of some more CFD simulations using the before developed material model. The constructive changes are proved and optimized. The performance of the new High-Speed-S-Truder is demonstrated by real plastification experiments with current standard plastics (LD-PE, LLD-PE, PS). Both, the simulations as well as the plastification experiments demonstrate the great potential of the 35 mm extruder, whose length amounts to 21D. The materials are processed at screw speeds of up to 1000 rpm and throughputs between 100-200 kg/h. Thereby the processing performance of the previous S-Truder model of own comparative experiments are exceeded. Also the occurrence of solids in the extrudate is prevented by the now used dynamic mixer
Reliability of Microbolometer Thermal Imager Sensors
No full textDie Lebensdauer, Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit von mikroelektronischen Produkten sind Themen, die immer wichtiger werden, gerade dann, wenn Produkte immer kleiner und komplexer werden.
Diese Arbeit bietet erstmalig eine umfassende und wissenschaftlich fundierte Analyse der Zuverlässigkeit für Infrarotsensoren basierend auf Mikrobolometern. Die Untersuchungen fokussieren sich auf die für Infrarotsensoren spezifische Themen, wie die mechanische Stabilität des hermetischen Chip-Scale-Package, die Zuverlässigkeit der Bolometerpixel und die Langzeitstabilität der Sensorperformance.
Die Zuverlässigkeit wurde zunächst theoretisch untersucht, um potentielle Fehlermechanismen und deren physikalischen Hintergründe zu analysieren. Auf dieser Grundlage wurden Zuverlässigkeitsprüfungen zur beschleunigten Alterung konzipiert und durchgeführt. Damit konnten die real wirkenden Fehlermechanismen analysiert und bewertet werden. Mit den gewonnen Erkenntnissen wurden Optimierungspotentiale definiert und Zuverlässigkeitsmodelle entwickelt.
Auf Grundlage der in dieser Arbeit untersuchten Fehlermechanismen wurde ein Zuverlässigkeitsprüfsystem entwickelt. Dieses nutzt innovativerweise die Bolometer selbst, um den Innendruck des Package zu bestimmen. Dadurch können Performanceverluste, Package-Schäden, elektrische Defekte oder defekte Pixel und damit alle relevanten Fehlermechanismen überwacht werden. Die Messung erfolgt mit einem schnell durchführbaren Selbsttest ohne zusätzlich benötigte Peripherie und ermöglicht einen automatischen Zuverlässigkeitsprüfaufbau. Weiterhin sind auf Grund der entwickelten Temperaturkompensation hohe Genauigkeiten erreichbar und ein Einsatz in der Infrarotkamera möglich.
Mit dieser entwickelten Prüfmethode können Defekte, Performancedegradationen oder Pixeldefekte im Betrieb der Kamera detektiert und damit ggf. kompensiert werden. Dadurch kann die Bildqualität und Langzeitstabilität nicht nur überwacht, sondern auch wesentlich verbessern werden