Eigenschaften feuchter und hydrophober Granulate, Thomas Kipf

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1 Ferienakademie 2011 Kurs 3 Eigenschaften feuchter und hydrophober Granulate Stabilität von Sandburgen über und unter Wasser Thomas Kipf 1

2 Weshalb kann man Sandburgen bauen? Was macht eine Sandburg stabil und wieso benötigt man kein Rezept für das richtige Verhältnis von Sand und Wasser? [N. Mitarai & F. Nori, Adv. Phys., 2006] Kann man Sandburgen auch unter Wasser bauen? 2

3 Inhaltsübersicht physikalische Grundlagen Kontaktwinkel zw. Flüssigkeit u. Festkörper feuchte Granulate (hydrophil) Kapillarbrücken Flüssigkeitsgehalt mechanische Eigenschaften Anwendungsgebiete hydrophobe Granulate Grundlagen Anwendungsgebiete 3

4 Kontaktwinkel zw. Flüssigkeit und Festkörper [de.wikipedia.org] cos = σ S σ LS σ L Gleichung nach YOUNG σ S (σ L ): Oberflächenspannung Festkörper (Flüssigkeit) σ LS : Grenzflächenspannung 4

5 Wasser auf hydrophiler/hydrophober Oberfläche kleiner Winkel (<90 ): hydrophile Oberfläche [Michael Moskopp et al., Universität des Saarlandes] großer Winkel (>90 ): hydrophobe bzw. superhydrophobe Oberfläche [Michael Moskopp et al., Universität des Saarlandes] [en.wikipedia.org] 5

6 Inhaltsübersicht physikalische Grundlagen Kontaktwinkel zw. Flüssigkeit u. Festkörper feuchte Granulate (hydrophil) Kapillarbrücken Flüssigkeitsgehalt mechanische Eigenschaften Anwendungsgebiete hydrophobe Granulate Grundlagen Anwendungsgebiete 6

7 Sand: trocken und feucht [N. Mitarai & F. Nori, Adv. Phys., 2006] Im trockenen Zustand: fast wie Flüssigkeit: rinnt durch Sanduhr im Wind wandernde Oberflächenwellen bildet wohldefinierten Schüttwinkel Im feuchten Zustand: [N. Mitarai & F. Nori, Adv. Phys., 2006] lässt sich beliebig Formen bleibt auch bei Winkeln >90 stabil Ursache: Kapillarbrücken 7

8 Bildung von Kapillarbrücken im Modell zweier idealer Kugeln Flüssigkeit benetzt (hydrophiles) Kornmaterial starke Krümmung (r 1 ) des Films an Kontaktstelle Unterdruck (Laplace-Druck) zieht Flüssigkeit zur Kontaktstelle: p = σ ( 1 r r 2 ) (σ: Oberflächenspannung) L [S. Herminghaus, Adv. Phys., 2005] eventuelles Auseinanderschieben der Kugeln, bis sich Gleichgewicht einstellt 8

9 Kapillarbrücken im Detail Kontaktwinkel bestimmt in guter Näherung Kapillarkraft: F K = σ 2πR cos(θ) in Näherung unabhängig vom Flüssigkeitsvolumen! [R. Seemann et al., Physik Journal, 2009] Aufnahmen mit Hilfe von Fluoreszenzmikroskopie: [S. Herminghaus, Adv. Phys., 2005] [S. Herminghaus, Adv. Phys., 2005] 9

10 Fluoreszenzmikroskopie der Kapillarbrücken Verwendung von Glaskugeln (r 190μm, Größenordnung von Sand) benetzende Flüssigkeit mit Fluoreszenzfarbstoff Auffüllen mit Flüssigkeit mit glasähnlichem Brechungsindex Beobachtung: [R. Seemann et al., Physik Journal, 2009] pro Glasperle im Durchschnitt 6 Kapillarbrücken 10

11 Inhaltsübersicht physikalische Grundlagen Kontaktwinkel zw. Flüssigkeit u. Festkörper feuchte Granulate (hydrophil) Kapillarbrücken Flüssigkeitsgehalt mechanische Eigenschaften Anwendungsgebiete hydrophobe Granulate Grundlagen Anwendungsgebiete 11

12 Flüssigkeitsgehalt Mit steigendem Flüssigkeitsgehalt: Cluster-Bildung bis hin zur vollständigen Sättigung des Granulats Dennoch: weitgehend unveränderte mechanische Eigenschaften (sofern nicht vollständig gesättigt) [M. Scheel, Nature Materials, 2008] 12

13 Fl.-Gehalt Skizze Phys. Beschreibung keiner Kohäsion (gegenseitige Anziehung) vernachlässigbar gering Kohäsion aufgrund von Kapillarbrücken an Kontaktstellen mittel sowohl Kapillarbrücken, als auch komplett ausgefüllte Zwischenräume (Cluster-Bildung) bestimmen Kohäsion fast gesättigt fast alle Zwischenräume gefüllt, dennoch Kohäsion aufgrund von Unterdruck im gesamten System gesättigt Flüssigkeitsdruck ist größer/gleich dem Luftdruck, keine kohäsiven Kräfte zw. Partikeln 13 [N. Mitarai & F. Nori, Adv. Phys., 2006]

14 Brückenwinkel und Cluster-Bildung Berührung benachbarter Brücken ab β = π 6 = 30 Verbindung zu Trimer- Cluster (s. Grafik) erneut ab β max = 30 Verbindung zu größerem Cluster [M. Scheel, Nature Materials, 2008] 14

15 Flüssigkeitsmorphologie Röntgentomographie liefert 3D- Abbildung der Flüssigkeitsverteilung typische Verbindungstypen: Kapillarbrücke (cb) Trimer (tr) Pentamer (pt) gefüllter Tetraeder (th) Heptamer (hp) [M. Scheel, Nature Materials, 2008] [M. Scheel, Nature Materials, 2008] 15

16 Verbindungstypen bei mittlerem Fl.-Gehalt Diagramm zeigt Verhältnis von Fl.-Oberfläche (S) zu Fl.-Volumen (V) [M. Scheel, Nature Materials, 2008] 16

17 Verbindungstypen quantitative Betrachtung Offene Symbole: Kapillarbrücken je Kugel Geschlossene Symbole: Cluster je Kugel Halboffene Symbole: Volumen d. größten Clusters Ab 10% Wassergehalt etwa 90% aller Kugeln in einem Cluster! [M. Scheel, Nature Materials, 2008] 17

18 Inhaltsübersicht physikalische Grundlagen Kontaktwinkel zw. Flüssigkeit u. Festkörper feuchte Granulate (hydrophil) Kapillarbrücken Flüssigkeitsgehalt mechanische Eigenschaften Anwendungsgebiete hydrophobe Granulate Grundlagen Anwendungsgebiete 18

19 Mechanische Eigenschaften Experimentelle Bestimmung von: Zerreißspannung Schersteifigkeit Fluidisierungsschwelle Daten ermöglichen Rückschluss auf: Kapillarkräfte verschiedener Bindungstypen Übertragbarkeit auf natürliche Granulate (z.b. Sand) 19

20 Zerreißspannung Rotierender Zylinder: Rotation mit variabler Frequenz Zerreißspannung aus kritischer Frequenz ω und Füllhöhe r z [R. Seemann et al., Physik Journal, 2009] 20

21 Schersteifigkeit Zylinder mit Gummimembran, umgeben von Flüssigkeit: gleichmäßige Druckausübung Schersteifigkeit aus Volumenänderung dv [R. Seemann et al., Physik Journal, 2009] 21

22 Fluidisierungsschwelle Zylinder auf Shaker : Anregung mit konstanter Frequenz (200Hz) Variable Amplitude (~Kugeldurchmesser) [R. Seemann et al., Physik Journal, 2009] Fluidisierungsschwelle: Verhalten wie Flüssigkeit (kann mit Auge bestimmt werden) 22

23 Auswertung Geschlossene Symbole: Zerreißspannung Offene Symbole: Fluidisierungsschwelle Inset: Schersteifigkeit Über weiten Bereich gleichbleibende mechanische Eigenschaften [M. Scheel, Nature Materials, 2008] 23

24 Übertragbarkeit auf Sand Experimentelle Bestimmung der mechanischen Eigenschaften sehr ähnliche Ergebnisse Übertragbarkeit der Theorie vom Modell auf reale Granulate Allerdings: etwas höhere Belastbarkeit einer Sandschüttung, aufgrund: [M. Scheel et al., J. Phys., 2008] höherer Rauigkeit höherer Packungsdichte 24

25 Inhaltsübersicht physikalische Grundlagen Kontaktwinkel zw. Flüssigkeit u. Festkörper feuchte Granulate (hydrophil) Kapillarbrücken Flüssigkeitsgehalt mechanische Eigenschaften Anwendungsgebiete hydrophobe Granulate Grundlagen Anwendungsgebiete 25

26 Anwendungsgebiete Geophysikalische Massenbewegungen (Lawinen, Erdrutsche) Fertigungsprozesse CO 2 -Speicherung [C. Meier, MaxPlanckForschung, 2009] 26

27 Inhaltsübersicht physikalische Grundlagen Kontaktwinkel zw. Flüssigkeit u. Festkörper feuchte Granulate (hydrophil) Kapillarbrücken Flüssigkeitsgehalt mechanische Eigenschaften Anwendungsgebiete hydrophobe Granulate Grundlagen Anwendungsgebiete 27

28 Hydrophobe Granulate Herstellung: Bedampfung mit hydrophober Schicht Besonderheiten: unter Wasser aufgrund von Lufteinschlüssen formbar, bleibt völlig trocken [Michael Moskopp et al., Universität des Saarlandes] 28

29 Hydrophobe Anziehungskräfte hydrophobe Platten von dünner Gasschicht umgeben (Wasserdampf, ggf. Lufteinschlüsse) Verbindung der Gasschichten ab kritischem Abstand D C 100nm D C 2 n 1 μ l μ g energetisch günstigerer Zustand Anziehungskräfte [K. Lum et al., J. Phys. Chem. B, 1999] : Oberflächenspannung n l : Moleküldichte μ l μ g : Unterschied chem. Energie flüssig/gasförmig 29

30 Inhaltsübersicht physikalische Grundlagen Kontaktwinkel zw. Flüssigkeit u. Festkörper feuchte Granulate (hydrophil) Kapillarbrücken Flüssigkeitsgehalt mechanische Eigenschaften Anwendungsgebiete hydrophobe Granulate Grundlagen Anwendungsgebiete 30

31 (Mögliche) Anwendungsgebiete Abdichtung von Kabeln: Schutz vor Wasser und Eis Bindung von Ölteppichen Nachteil: Sand sinkt ab Gebäude- / Straßenbau Frostunempfindlichkeit Überschwemmungen hydrophober Sand bleibt trocken, kann wiederverwendet werden [de.wikipedia.org] 31

32 Zusammenfassung Stabilität durch Kapillarbrücken in großen Bereichen unabhängig von der Flüssigkeitsmenge Sandburg unter Wasser: hydrophober Sand [R. Seemann et al., Physik Journal, 2009] stabil durch Lufteinschlüsse, äußerer Wasserdruck, hydrophobe Anziehungskräfte 32 [Michael Moskopp et al., Universität des Saarlandes]

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 33