Eigenschaften feuchter und hydrophober Granulate
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Ferienakademie 2011 – Kurs 3<br />
<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong><br />
<strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong><br />
Stabilität von Sandburgen über <strong>und</strong><br />
unter Wasser<br />
Thomas Kipf<br />
1<br />
Ferienakademie 2011 - Kurs 3<br />
<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Weshalb kann man Sandburgen bauen?<br />
Was macht eine Sandburg<br />
stabil <strong>und</strong> wieso<br />
benötigt man kein<br />
Rezept für das richtige<br />
Verhältnis von Sand<br />
<strong>und</strong> Wasser?<br />
[N. Mitarai & F. Nori,<br />
Adv. Phys., 2006]<br />
Kann man Sandburgen<br />
auch unter Wasser<br />
bauen?<br />
2<br />
Ferienakademie 2011 - Kurs 3<br />
<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Inhaltsübersicht<br />
physikalische Gr<strong>und</strong>lagen<br />
• Kontaktwinkel zw. Flüssigkeit u. Festkörper<br />
feuchte <strong>Granulate</strong> (hydrophil)<br />
• Kapillarbrücken<br />
• Flüssigkeitsgehalt<br />
• mechanische <strong>Eigenschaften</strong><br />
• Anwendungsgebiete<br />
hydrophobe <strong>Granulate</strong><br />
• Gr<strong>und</strong>lagen<br />
• Anwendungsgebiete<br />
3<br />
Ferienakademie 2011 - Kurs 3<br />
<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Kontaktwinkel zw. Flüssigkeit <strong>und</strong> Festkörper<br />
[de.wikipedia.org]<br />
cos = σ S − σ LS<br />
σ L<br />
Gleichung nach YOUNG<br />
σ S (σ L ): Oberflächenspannung<br />
Festkörper (Flüssigkeit)<br />
σ LS : Grenzflächenspannung<br />
4<br />
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<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Wasser auf hydrophiler/<strong>hydrophober</strong> Oberfläche<br />
kleiner Winkel (90°): hydrophobe bzw. superhydrophobe<br />
Oberfläche<br />
[Michael Moskopp et al., Universität des<br />
Saarlandes]<br />
[en.wikipedia.org]<br />
5<br />
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<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Inhaltsübersicht<br />
physikalische Gr<strong>und</strong>lagen<br />
• Kontaktwinkel zw. Flüssigkeit u. Festkörper<br />
feuchte <strong>Granulate</strong> (hydrophil)<br />
• Kapillarbrücken<br />
• Flüssigkeitsgehalt<br />
• mechanische <strong>Eigenschaften</strong><br />
• Anwendungsgebiete<br />
hydrophobe <strong>Granulate</strong><br />
• Gr<strong>und</strong>lagen<br />
• Anwendungsgebiete<br />
6<br />
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<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Sand: trocken <strong>und</strong> feucht<br />
[N. Mitarai & F. Nori, Adv. Phys., 2006]<br />
Im trockenen Zustand:<br />
• fast wie Flüssigkeit:<br />
rinnt durch Sanduhr<br />
im Wind wandernde Oberflächenwellen<br />
• bildet wohldefinierten Schüttwinkel<br />
Im feuchten Zustand:<br />
[N. Mitarai & F. Nori, Adv. Phys., 2006]<br />
• lässt sich beliebig Formen<br />
• bleibt auch bei Winkeln >90° stabil<br />
Ursache: Kapillarbrücken<br />
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<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Bildung von Kapillarbrücken<br />
im Modell zweier idealer Kugeln<br />
• Flüssigkeit benetzt (hydrophiles)<br />
Kornmaterial<br />
• starke Krümmung (r 1 ) des Films an<br />
Kontaktstelle<br />
• Unterdruck (Laplace-Druck) zieht<br />
Flüssigkeit zur Kontaktstelle:<br />
p = σ ∙ ( 1 r 1<br />
+ 1 r 2<br />
) (σ: Oberflächenspannung)<br />
L<br />
[S. Herminghaus, Adv. Phys., 2005]<br />
• eventuelles „Auseinanderschieben“<br />
der Kugeln, bis sich Gleichgewicht<br />
einstellt<br />
8<br />
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<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Kapillarbrücken im Detail<br />
• Kontaktwinkel bestimmt in<br />
guter Näherung Kapillarkraft:<br />
F K = σ ∙ 2πR ∙ cos(θ)<br />
• in Näherung unabhängig vom<br />
Flüssigkeitsvolumen!<br />
[R. Seemann et al., Physik Journal, 2009]<br />
Aufnahmen mit<br />
Hilfe von Fluoreszenzmikroskopie:<br />
[S. Herminghaus, Adv. Phys., 2005] [S. Herminghaus, Adv. Phys., 2005]<br />
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Fluoreszenzmikroskopie der Kapillarbrücken<br />
• Verwendung von<br />
Glaskugeln (r ≈ 190μm,<br />
Größenordnung von Sand)<br />
• benetzende Flüssigkeit<br />
mit Fluoreszenzfarbstoff<br />
• Auffüllen mit Flüssigkeit<br />
mit glasähnlichem<br />
Brechungsindex<br />
Beobachtung:<br />
[R. Seemann et al., Physik Journal, 2009]<br />
pro Glasperle im Durchschnitt 6 Kapillarbrücken<br />
10<br />
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<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Inhaltsübersicht<br />
physikalische Gr<strong>und</strong>lagen<br />
• Kontaktwinkel zw. Flüssigkeit u. Festkörper<br />
feuchte <strong>Granulate</strong> (hydrophil)<br />
• Kapillarbrücken<br />
• Flüssigkeitsgehalt<br />
• mechanische <strong>Eigenschaften</strong><br />
• Anwendungsgebiete<br />
hydrophobe <strong>Granulate</strong><br />
• Gr<strong>und</strong>lagen<br />
• Anwendungsgebiete<br />
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Flüssigkeitsgehalt<br />
Mit steigendem Flüssigkeitsgehalt:<br />
• Cluster-Bildung bis hin zur<br />
• vollständigen Sättigung des<br />
Granulats<br />
Dennoch:<br />
weitgehend unveränderte<br />
mechanische <strong>Eigenschaften</strong><br />
(sofern nicht vollständig gesättigt)<br />
[M. Scheel, Nature Materials, 2008]<br />
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<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Fl.-Gehalt Skizze Phys. Beschreibung<br />
keiner<br />
Kohäsion (gegenseitige Anziehung)<br />
vernachlässigbar<br />
gering<br />
Kohäsion aufgr<strong>und</strong> von Kapillarbrücken an<br />
Kontaktstellen<br />
mittel<br />
sowohl Kapillarbrücken, als auch komplett<br />
ausgefüllte Zwischenräume (Cluster-Bildung)<br />
bestimmen Kohäsion<br />
fast<br />
gesättigt<br />
fast alle Zwischenräume gefüllt, dennoch<br />
Kohäsion aufgr<strong>und</strong> von Unterdruck im<br />
gesamten System<br />
gesättigt<br />
Flüssigkeitsdruck ist größer/gleich dem<br />
Luftdruck, keine kohäsiven Kräfte zw. Partikeln<br />
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[N. Mitarai & F. Nori, Adv. Phys., 2006]<br />
<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Brückenwinkel <strong>und</strong> Cluster-Bildung<br />
• Berührung benachbarter<br />
Brücken ab β = π 6 = 30°<br />
• Verbindung zu Trimer-<br />
Cluster (s. Grafik)<br />
• erneut ab β max = 30°<br />
Verbindung zu größerem<br />
Cluster<br />
[M. Scheel, Nature Materials, 2008]<br />
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Flüssigkeitsmorphologie<br />
Röntgentomographie liefert 3D-<br />
Abbildung der Flüssigkeitsverteilung<br />
typische Verbindungstypen:<br />
• Kapillarbrücke (cb)<br />
• Trimer (tr)<br />
• Pentamer (pt)<br />
• gefüllter Tetraeder (th)<br />
• Heptamer (hp)<br />
[M. Scheel, Nature Materials, 2008]<br />
[M. Scheel, Nature Materials, 2008]<br />
15<br />
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<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Verbindungstypen bei mittlerem Fl.-Gehalt<br />
Diagramm zeigt Verhältnis von Fl.-Oberfläche (S)<br />
zu Fl.-Volumen (V)<br />
[M. Scheel, Nature Materials, 2008]<br />
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<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Verbindungstypen – quantitative Betrachtung<br />
• Offene Symbole:<br />
Kapillarbrücken je<br />
Kugel<br />
• Geschlossene Symbole:<br />
Cluster je Kugel<br />
• Halboffene Symbole:<br />
Volumen d. größten<br />
Clusters<br />
Ab 10% Wassergehalt<br />
etwa 90% aller Kugeln<br />
in einem Cluster!<br />
[M. Scheel, Nature Materials, 2008]<br />
17<br />
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<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Inhaltsübersicht<br />
physikalische Gr<strong>und</strong>lagen<br />
• Kontaktwinkel zw. Flüssigkeit u. Festkörper<br />
feuchte <strong>Granulate</strong> (hydrophil)<br />
• Kapillarbrücken<br />
• Flüssigkeitsgehalt<br />
• mechanische <strong>Eigenschaften</strong><br />
• Anwendungsgebiete<br />
hydrophobe <strong>Granulate</strong><br />
• Gr<strong>und</strong>lagen<br />
• Anwendungsgebiete<br />
18<br />
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<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Mechanische <strong>Eigenschaften</strong><br />
Experimentelle Bestimmung von:<br />
• Zerreißspannung<br />
• Schersteifigkeit<br />
• Fluidisierungsschwelle<br />
Daten ermöglichen Rückschluss auf:<br />
• Kapillarkräfte verschiedener Bindungstypen<br />
• Übertragbarkeit auf natürliche <strong>Granulate</strong> (z.B. Sand)<br />
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Zerreißspannung<br />
Rotierender Zylinder:<br />
• Rotation mit variabler<br />
Frequenz<br />
• Zerreißspannung aus<br />
kritischer Frequenz ω<br />
<strong>und</strong> Füllhöhe r z<br />
[R. Seemann et al., Physik Journal, 2009]<br />
20<br />
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Schersteifigkeit<br />
Zylinder mit Gummimembran,<br />
umgeben von Flüssigkeit:<br />
• gleichmäßige Druckausübung<br />
• Schersteifigkeit aus<br />
Volumenänderung dV<br />
[R. Seemann et al., Physik Journal, 2009]<br />
21<br />
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<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Fluidisierungsschwelle<br />
Zylinder auf „Shaker“:<br />
• Anregung mit konstanter<br />
Frequenz (200Hz)<br />
• Variable Amplitude<br />
(~Kugeldurchmesser)<br />
[R. Seemann et al., Physik Journal, 2009]<br />
• Fluidisierungsschwelle:<br />
Verhalten wie Flüssigkeit<br />
(kann mit Auge bestimmt werden)<br />
22<br />
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<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Auswertung<br />
• Geschlossene Symbole:<br />
Zerreißspannung<br />
• Offene Symbole:<br />
Fluidisierungsschwelle<br />
• Inset: Schersteifigkeit<br />
Über weiten Bereich<br />
gleichbleibende<br />
mechanische<br />
<strong>Eigenschaften</strong><br />
[M. Scheel, Nature Materials, 2008]<br />
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<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Übertragbarkeit auf Sand<br />
Experimentelle Bestimmung der<br />
mechanischen <strong>Eigenschaften</strong><br />
sehr ähnliche Ergebnisse<br />
Übertragbarkeit der Theorie vom<br />
Modell auf reale <strong>Granulate</strong><br />
Allerdings:<br />
etwas höhere Belastbarkeit einer<br />
Sandschüttung, aufgr<strong>und</strong>:<br />
[M. Scheel et al., J. Phys., 2008]<br />
• höherer Rauigkeit<br />
• höherer Packungsdichte<br />
24<br />
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<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Inhaltsübersicht<br />
physikalische Gr<strong>und</strong>lagen<br />
• Kontaktwinkel zw. Flüssigkeit u. Festkörper<br />
feuchte <strong>Granulate</strong> (hydrophil)<br />
• Kapillarbrücken<br />
• Flüssigkeitsgehalt<br />
• mechanische <strong>Eigenschaften</strong><br />
• Anwendungsgebiete<br />
hydrophobe <strong>Granulate</strong><br />
• Gr<strong>und</strong>lagen<br />
• Anwendungsgebiete<br />
25<br />
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<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Anwendungsgebiete<br />
• Geophysikalische<br />
Massenbewegungen<br />
(Lawinen, Erdrutsche)<br />
• Fertigungsprozesse<br />
• CO 2 -Speicherung<br />
[C. Meier, MaxPlanckForschung, 2009]<br />
26<br />
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<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Inhaltsübersicht<br />
physikalische Gr<strong>und</strong>lagen<br />
• Kontaktwinkel zw. Flüssigkeit u. Festkörper<br />
feuchte <strong>Granulate</strong> (hydrophil)<br />
• Kapillarbrücken<br />
• Flüssigkeitsgehalt<br />
• mechanische <strong>Eigenschaften</strong><br />
• Anwendungsgebiete<br />
hydrophobe <strong>Granulate</strong><br />
• Gr<strong>und</strong>lagen<br />
• Anwendungsgebiete<br />
27<br />
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Hydrophobe <strong>Granulate</strong><br />
• Herstellung:<br />
Bedampfung mit <strong>hydrophober</strong> Schicht<br />
• Besonderheiten:<br />
unter Wasser aufgr<strong>und</strong> von Lufteinschlüssen formbar,<br />
bleibt völlig trocken<br />
[Michael Moskopp et al., Universität des Saarlandes]<br />
28<br />
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<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Hydrophobe Anziehungskräfte<br />
hydrophobe Platten von dünner<br />
Gasschicht umgeben<br />
(Wasserdampf, ggf. Lufteinschlüsse)<br />
Verbindung der Gasschichten ab<br />
kritischem Abstand D C 100nm<br />
D C <br />
2<br />
n 1 |μ l − μ g |<br />
energetisch günstigerer Zustand<br />
Anziehungskräfte<br />
[K. Lum et al., J. Phys. Chem. B, 1999]<br />
: Oberflächenspannung<br />
n l : Moleküldichte<br />
μ l − μ g : Unterschied chem.<br />
Energie flüssig/gasförmig<br />
29<br />
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Inhaltsübersicht<br />
physikalische Gr<strong>und</strong>lagen<br />
• Kontaktwinkel zw. Flüssigkeit u. Festkörper<br />
feuchte <strong>Granulate</strong> (hydrophil)<br />
• Kapillarbrücken<br />
• Flüssigkeitsgehalt<br />
• mechanische <strong>Eigenschaften</strong><br />
• Anwendungsgebiete<br />
hydrophobe <strong>Granulate</strong><br />
• Gr<strong>und</strong>lagen<br />
• Anwendungsgebiete<br />
30<br />
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(Mögliche) Anwendungsgebiete<br />
• Abdichtung von Kabeln:<br />
Schutz vor Wasser <strong>und</strong> Eis<br />
• Bindung von Ölteppichen<br />
Nachteil: Sand sinkt ab<br />
• Gebäude- / Straßenbau<br />
Frostunempfindlichkeit<br />
• Überschwemmungen<br />
<strong>hydrophober</strong> Sand bleibt trocken,<br />
kann wiederverwendet werden<br />
[de.wikipedia.org]<br />
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Zusammenfassung<br />
• Stabilität durch Kapillarbrücken<br />
• in großen Bereichen unabhängig<br />
von der Flüssigkeitsmenge<br />
• Sandburg unter Wasser:<br />
<strong>hydrophober</strong> Sand<br />
[R. Seemann et al., Physik Journal, 2009]<br />
• stabil durch Lufteinschlüsse,<br />
äußerer Wasserdruck,<br />
hydrophobe Anziehungskräfte<br />
32<br />
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[Michael Moskopp et al., Universität des Saarlandes]<br />
<strong>Eigenschaften</strong> <strong>feuchter</strong> <strong>und</strong> <strong>hydrophober</strong> <strong>Granulate</strong>, Thomas Kipf
Vielen Dank für Ihre<br />
Aufmerksamkeit!<br />
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