Table Of ContentDiss. ETH Nr. 11068
Untersuchungen zum Formverhalten
mikroskopisch kleiner Fluidtropfen in stationären
und instationären Scherströmungen
Abhandlung zur Erlangung des Titels
Doktorin der Technischen Wissenschaften der
Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich
vorgelegt von
Bettina Wolf
Dipl.-Ing., Universität Karlsruhe (T. H.)
geboren am 10. Oktober 1965 in Duisburg, Deutschland
Angenommen auf Antrag von
Prof. Dr.-Ing. E. J. Windhab, Referent
Prof. Dr.-Ing. V. Denk, Koreferent
Zürich 1995
DANK
Diese Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als Mitarbeiterin im wissen-
schaftlichen Team von Prof. Dr.-Ing. Erich Windhab. Durchgeführt wurde diese
Arbeit in den Jahren von 1989 bis 1992 am Deutschen Institut für Lebensmittel-
technik e. V. (DIL, D-Quakenbrück) und von 1992 bis 1995 am Lehrstuhl für
Lebensmittelverfahrenstechnik am Institut für Lebensmittelwissenschaften der
Eidgenössisch Technischen Hochschule Zürich (LMVT). Zu allererst möchte ich
an dieser Stelle Herrn Prof. Dr.-Ing. Erich Windhab für die Möglichkeit, ihm
nach Zürich folgen zu können, ganz herzlich danken. Dieser Wechsel hat die
wissenschaflichen Inhalte dieser Arbeit im positiven Sinne wesentlich beein-
flusst.
Desweiteren möchte ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Erich Windhab für die Übernahme
des Referats sowie die stete Unterstützung und die zahlreichen Anregungen im
Laufe meiner Arbeit herzlichst danken. Neben seiner wissenschaftlichen Unter-
stützung hat insbesondere sein persönliches Engagement zum Gelingen dieser
Arbeit beigetragen.
Ganz besonders danken möchte ich Prof. Dr.-Ing. Viktor Denk vom Lehrstuhl
für Fluidmechanik und Prozessautomation von der Technischen Universität
München für die ständige Begleitung meiner Arbeit und die Übernahme des
Koreferats.
Ohne das Engagement von Prof. Dr.-Ing. Erich Windhab und Prof. Dr.-Ing. Vik-
tor Denk bei der Begründung des Forschungsbereiches der "Mikrofluid-
mechanik" und dessen Belebung mit wissenschafltichen Inhalten, zu welchem
die "Quakenbrücker Makrobioaerosole" eines wesentlichen Beitrag geleistet
haben, hätte ich diese Doktorarbeit nicht beginnen und durchführen können.
Desweiteren gilt mein besonderer Dank Dr.-Ing. Hermann Nirschl vom Lehr-
stuhl für Fluidmechanik und Prozessautomation von der Technischen Univer-
sität München für die Durchführung numerischer Berechnungen sowie die
Kooperation im Projekt "Mikrofluidmechanik".
Den Mitarbeitern des DIL sowie des LMVT, welche zum Gelingen dieser Arbeit
beigetragen haben, sei herzlich gedankt. Mein spezieller Dank gilt den
mechanischen und elektrotechnischen Werkstätten beider Institute für Kon-
struktion, Aufbau und Steuerung der in dieser Arbeit eingesetzten Versuchs-
apparate. Speziell erwähnen möchte ich Herrn Daniel Kiechl und Herrn Albert
Wahl vom LMVT. Ohne den Einsatz der im EDV Bereich engagierten Kollegen
hätte die (bildanalytische) Auswertung meiner Versuchsdaten nicht so gut
durchgeführt werden können, wie das der Fall war. Daneben möchte ich auch
allen Studenten und Hilfsassistenten, welche zum Gelingen dieser Arbeit beige-
tragen haben, danken.
Für die Finanzierung sei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und
dem Schweizerischen Nationalfonds (NF) an dieser Stelle gedankt.
Ohne die Begleitung und stete Ermutigung seitens meiner Eltern wäre diese
Arbeit nicht entstanden. Ihnen gilt mein besonderer Dank.
Darüberhinaus möchte ich Michael Stranzinger für die moralische Unterstüt-
zung in der Phase des Zusammenschreibens dieser Arbeit meinen Dank aus-
sprechen.
1 Einführun g - 1 -
INHALTSVERZEICHNIS
ZUSAMMENFASSUNG/SUMMARY..................................................................4
1 EINFÜHRUNG........................................................................................7
2 ALLGEMEINE GRUNDLAGEN............................................................10
2.1 Emulsionen
10
2.1.1 Einleitung 10
2.1.2 Struktur
10
2.1.3 Emulgierprozess 11
2.2 Grenzflächen fluider Stoffsysteme 13
2.2.1 Grundlagen
13
2.2.2 Grenzflächenspannung und Kapillardruck
14
2.2.3 Beeinflussung der Grenzflächenspannung an Fluid/Fluid-
Grenzflächen
17
2.2.4 Spreitungsvermögen von Grenzflächenfilmen
19
2.3 Strömungsmechanische/rheologische Grundlagen
19
2.3.1 Uniaxiale stationäre Scherströmung 19
2.3.2 Scherversuch
21
2.3.3 Rheologische Grundkörper und Ersatzmodelle
21
2.4 Rheologische Eigenschaften von Phasengrenzflächen 23
2.5 Fliess- und Strukturverhalten disperser Stoffsysteme 25
1 Einführun g - 2 -
2.5.1 Viskositätsfunktion
25
2.5.2 Darstellung von Partikelgrössenverteilungen
(Strukturbeschreibung) 27
1 Einführun g - 3 -
3 LITERATURÜBERBLICK....................................................................29
3.1 Grundlegende Arbeiten von TAYLOR zum Defor-
mations und Zerteilungsverhalten kleiner defor-
mierbarer Körper in der laminaren Scherströmung
29
3.2 Stationäre und instationäre Deformation und Zer-
teilung in der laminaren Scherströmung 36
3.2.1 Einleitung 36
3.2.2 Stationäre Deformation 37
3.2.3 Instationäre Deformation
39
3.2.4 Tropfenaufbruch 41
3.3 Einfluss von Grenzflächeneigenschaften auf
Tropfendeformation und Tropfenaufbruch in der
laminaren Scherströmung (Ermittlung von Grenz-
flächenviskosität/-elastizität)
48
4 MATERIAL UND METHODEN.............................................................55
4.1 Analytische Methoden 55
4.1.1 Ermittlung des stationären Scherfliessverhaltens
57
4.1.2 Grenzflächenspannungsmessung
59
4.1.3 Messen von Partikelstrukturen und Partikelgrössen-
verteilungen
61
4.2 Untersuchungen zum Deformations- und
Zerteilungsverhalten von Einzeltropfen
64
4.2.1 Strömungsapparate
64
4.2.2 Fluidsysteme
67
4.2.3 Grenzflächenspannungsverhalten der Fluidpaarungen
dispers/kontinuierlich (Stoffsysteme) 71
1 Einführun g - 4 -
4.3 Fixierung deformierter Teilchenstrukturen
73
4.3.1 Fluidmaterial
73
4.3.2 Prozessapparatur
74
4.3.3 Prozessführung zur Herstellung "formfixierter
Emulsionen"
75
1 Einführun g - 5 -
5 VERSUCHSERGEBNISSE, APPROXIMATIONEN UND
MODELLIERUNGEN............................................................................76
5.1 Deformations- und Zerteilungsverhalten kleiner
Tropfen (Einzeltropfen) in der Scherströmung
76
5.1.1 Tropfenformbeschreibung/Deformationsmass
76
5.1.2 Stationäre Deformation 78
5.1.3 Instationäres Deformations-/Relaxationsverhalten 100
5.1.4 Nicht-ellipsoidale Tropfendeformation und Tropfen-
zerteilung 115
5.2 Untersuchung des Einflusses von Grenzflächen-
eigenschaften auf das instationäre Deformations-
verhalten kleiner Tropfen in der Scherströmung
129
5.2.1 Einführung neuartiger grenzflächenrheologischer
Parameter 129
5.2.2 Modellierung des instationären Deformations- und
Relaxationsverhaltens 130
5.2.3 Grenzflächenviskositäten und Grenzflächenelastizi-
täten der untersuchten Stoffsysteme dispers/konti-
nuierlich
135
5.3 Emulsionen formfixierter Teilchen 149
6 SCHLUSSDISKUSSION....................................................................153
7 LITERATURVERZEICHNIS...............................................................157
ANHANG..........................................................................................................A1
A1 Kapillardruck am ellipsoidalen Körper
A1
A2 Gleichungen zum instationären Deformationsverhalten [4] A10
A3 NIH Image Makro
A11
A4 Berechnung der Oberfläche eines Ellipsoids
A15
1 Einführun g - 6 -
A5 Modellierung des Deformationsverhaltens
A16
1 Einführun g - 7 -
ZUSAMMENFASSUNG/SUMMAR Y
Untersuchungen zum Formverhalten mikroskopisch kleiner Fluidtropfen
in stationären und instationären Scherströmungen
In Emulsionssystemen besteht zwischen den dispergierten Tropfen und der
kontinuierlichen Phase eine deformierbare Grenzfläche. Als Funktion der
physikalischen Stoffeigenschaften des Tropfens sowie der Grenzfläche und des
umgebenden Fluids resultiert aus den an der Tropfenoberfläche angreifenden
Spannungen eine Deformation. Bei Überschreiten stoffsystemspezifischer
kritischer Deformationen erfolgt eine Zerteilung des Tropfens.
Neben den rheologischen Materialfunktionen der dispersen und kontinuier-
lichen Phase bestimmen die dynamischen Eigenschaften der Fluidgrenzflächen
Ausmass und Kinetik von Deformation und Zerteilung. Die gezielte Zerstörung
einer Fluidgrenzfläche ist beispielsweise das Ziel beim Emulgierprozess. In
Kolloidmühlen oder Zahnkranzdispergierapparaten werden Emulsionen durch
Übertragen von "Zerteilungsspannungen" aus der strömenden kontinuierlichen
Phase auf die Tropfengrenzfläche erzeugt. Dem Emulgierprozess nachgeschal-
tete Verarbeitungsschritte sollen meist keine weitere dispergierende Wirkung
auf die dispersen Emulsionstropfen aufweisen.
In dieser Arbeit wurde der Zusammenhang zwischen zeitabhängiger Deforma-
tion des Einzeltropfens und der diese verursachende umgebende Fluid-
strömung experimentell untersucht und modellhaft beschrieben. Als Strömungs-
formen wurden stationäre und instationäre ("Anlaufströmung", "Relaxations-
strömung") Scherströmungen ausgewählt (häufigste Strömungsform in Emul-
gierprozessen).
Zur experimentellen Detektion erfolgte der Aufbau "opto-rheometrischer" Ver-
suchseinrichtungen, in welchen das zeitabhängige Deformationsverhalten von
Tropfengrenzflächen am Einzeltropfen (bildanalytisch unterstützt) erfasst wird.
Mit diesen Untersuchungswerkzeugen wurde das Deformations- und Zertei-
lungsverhalten von Tropfen mit NEWTONschem oder strukturviskosem
Fliessverhalten in stationären und instationären ("Anlaufströmung", "Relaxa-
tionsströmung") Scherströmungen mit ebenfalls NEWTONschen Strömungs-
fluiden experimentell ermittelt. Der Aufbau der Fluidgrenzfläche zwischen
Tropfen und umgebendem Strömungsfluid wurde durch Zugabe von grenz-
flächenaktiven Stoffen (Emulgatoren) beeinflusst. Aus dem veränderten mole-
kularen Grenzflächenaufbau resultiert ein verändertes Grenzflächenspannungs-
verhalten. Folglich wird das Deformations- und Zerteilungsverhalten der Tropfen
beeinflusst. In Experimenten konnten Hinweise gefunden werden, dass neben
der Grenzflächenspannung weitere Grenzflächeneigenschaften Einfluss auf das
Deformations- und Zerteilungsverhalten von Fluidtropfen nehmen.
Experimentelle Untersuchungen zum Tropfendeformationsverhalten zeigten
eine massgebliche Beeinflussung des Deformationsausmasses durch lokal an
der Grenzfläche übertragene Normalspannungen. Dieses experimentelle
Ergebnis konnte numerisch unterstützt werden.
