Arbeitsgruppe Thermophysikalische Eigenschaften
Leitung: Dr. rer. nat. Bernd Rathke

Die zuverlässige Kenntnis der thermophysikalischen Eigenschaften von Stoffen ist eine wesentliche Grundlage für die Auslegung technischer Prozesse. Aus diesem Grund stellen die eingehende experimentelle Charakterisierung komplexer, meist Mikrostrukturen ausbildende fluider Systeme sowie die Stoffdatenbestimmung technisch relevanter Gase, Flüssigkeiten, Salz- oder Metallschmelzen bzw. von Dispersionen einen Schwerpunkt der Forschungsarbeiten dar.

Neben klassischen Standardmethoden zur Bestimmung thermodynamischer Eigenschaften werden dabei auch spezielle Hochtemperatur- und Hochdrucktechniken teilweise in Kombination mit schnellen Sprungmethoden verwendet, um sowohl statische als auch dynamische Eigenschaften der Systeme in einem weiten Zustandsbereich charakterisieren zu können. Als Ergänzung zu „klassischen“ Messverfahren werden berührungslose laseroptische, auf statischen bzw. dynamischen Lichtstreutechniken basierende Methoden in einem weiten Zustandsbereich angewendet. Die ermittelten Daten dienen neben der Beantwortung grundlagenorientierter Fragestellungen auch der Optimierung verfahrenstechnischer Prozesse.

Vor diesem Hintergrund werden u.a. optische Messverfahren so weiterentwickelt, um sie für On-line- und In-line-Überwachungsaufgaben zuverlässig einsetzen zu können.

Aktuelle Fragestellungen / Projekte

Partikeldiffusion in porösen Strukturen

Es ist das Ziel des Projektes, den Partikeltransport in flüssigkeitsgefüllten porösen Gläsern mit Hilfe der dynamischen Lichtstreuung zu untersuchen. Aufgrund der Struktur der Glasmatrix und des Brechungsindexunterschiedes zur Porenflüssigkeit treten in mit reinen Lösungsmitteln gefüllten Gläsern im Allgemeinen eine starke Streuung des sichtbaren Lichtes sowie Mehrfachstreuung auf. Die Dynamik des Streuverhaltens von Tracerpartikeln im Innern einer solchen Matrix wird dadurch überdeckt. Durch die Verwendung brechungsindexangepasster Flüssigkeiten als Lösungsmittel in Kombination mit einer guten Temperaturkontrolle lassen sich diese Störeinflüsse vermeiden, so dass mit Hilfe dynamischer Lichtstreuung (DLS) die Dynamik der Partikeldiffusion innerhalb der porösen Matrix verfolgt werden kann. Mit diesem methodischen Ansatz wird die Partikeldiffusion unter systematischer Variation des Größenverhältnisses von Poren und Tracerpartikeln untersucht. Während kleine Tracerpartikel eine quasi ungehinderte Beweglichkeit innerhalb der Glasmatrix zeigen, wird bei großen Partikeln eine stark verlangsamte Diffusion beobachtet. Die Ergebnisse tragen zum Verständnis des Partikeltransportes in porösen Matrices auf unterschiedlicher Längenskala bei und erlauben Rückschlüsse auf die Wechselwirkungen innerhalb des Systems. Sie können so auch eine Basis für weiterführende Simulationsrechnungen bilden.

Das Phasenverhalten Ionischer Flüssigkeiten in Mischung mit polaren und unpolaren Komponenten

Ionische Flüssigkeiten (Ionic Liquids - ILs) sind organische Salze, die niedrige Schmelzpunkte (unter 373 K) und sehr niedrige Dampfdrücke aufweisen. Diese speziellen, insbesondere durch Auswahl von Anionen und Kationen variierbaren Eigenschaften ermöglichen einen vielfältigen Einsatz beispielsweise als Katalysator, Reaktions- oder Extraktionsmedium. Die Kenntnis des Phasenverhaltens Ionischer Flüssigkeiten in Mischung mit polaren und unpolaren Substanzen bildet dabei die Grundlage für die jeweilige Verfahrensauslegung. Im Rahmen der aktuellen Untersuchungen wird das flüssig-flüssig Phasenverhalten (LLE) sowohl bei Umgebungsdruck als auch in einem Druckbereich bis zu 700 bar und Temperaturen bis zu etwa 480 K unter Verwendung einer synthetischen Methode bestimmt. Die Phasenübergänge werden dabei visuell, nach der sogenannten „Cloud-Point“-Methode bestimmt. Durch systematische Variation bspw. der Kettenlänge der verwendeten Substanzen bzw. Anwendung gezielt substituierter Substanzen soll aus den Eigenschaften der Mischungen auf die Struktur – Eigenschaftsbeziehungen der verwendeten Stoffsysteme geschlossen werden. Die Daten dienen als Grundlage für Simulationen bzw. zur Beschreibung der binären Mischungen durch empirische Zusammenhänge und Zustandsgleichungen.

Hochdruckeigenschaften Ionischer Flüssigkeiten

In einem weiteren Projekt, das grundlegende Untersuchungen Ionischer Flüssigkeiten zum Ziel hat, werden zum einen die thermophysikalischen Eigenschaften reiner ionischer Flüssigkeiten und komplementär dazu ihre Mikrostruktur mittels laserspektroskopischer Untersuchungen (dynamische (DLS) und statische Lichtstreuung (SLS)) im Druckbereich von 1 – 700 bar charakterisiert. Dabei werden speziell Gleichgewichts- und Ungleichgewichtseigenschaften der Systeme untersucht. Durch Einsatz von Störungsmethoden bzw. schnellen Sprungmethoden werden kinetische Untersuchen durchgeführt, die zur Aufklärung metastabiler Strukturen in Ionischen Flüssigkeiten verwendet werden sollen.

Wärmeleitfähigkeit homogener und inhomogener Materialien

Im Rahmen der Untersuchungen wird das vor kurzem durch die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) entwickelte Transient- Hot-Bridge- (THB-) Verfahren für die effiziente Bestimmung der Wärme- sowie der Temperaturleitfähigkeit von Feststoffen und Feststoffschüttungen eingesetzt. Durch systematische Messungen werden dabei die Eigenschaften sowohl von homogenen polymeren oder keramischen Materialien als auch von Kompositen bestimmt. Es ist das Ziel des Vorhabens, den Einfluss der Mikrostruktur der Materialien auf die Wärmeleitung zu beschreiben. Ergänzend dazu werden die Wärmedämmeigenschaften von Naturstoffen und porösen Strukturen bzw. Schaumstrukturen eingehend untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt liegt dabei auf der Charakterisierung von Baustoffen.

Darüber hinausgehend wird derzeit die Anwendbarkeit der THB Methode für kalorische Messungen sowie für die Charakterisierung von Stoffen in anderen Aggregatzuständen geprüft.

Charakterisierung der Bildung von Gashydraten

Das Projekt befasst sich mit experimentellen Untersuchungen zu Stabilität und Bildungskinetik von Gashydraten. Gashydrate sind Einlagerungsverbindungen von Wasser mit ausreichend kleinen Molekülen, die sich bevorzugt unter niedrigen Temperaturen und hohen Drücken aufgrund der Existenz käfigartiger Strukturen in der wässrigen Volumenphase ausbilden. Durch Einlagerung verschiedenster Moleküle (z. B. Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Kohlendioxid, Methan und anderen organischer Substanzen) werden diese Strukturen stabilisiert, ohne dass eine chemische Bindung aufgebaut wird. Die Arbeiten fokussieren auf Hydrate aus Kohlendioxid und kurzkettigen Alkanen, wie bspw. Methan oder Ethan, die in einem weiten Zustandsbereich (Drücke bis zu 600 bar und Temperaturen im Bereich von -50-40 °C) untersucht werden. Darüber hinaus wird sowohl der stabilisierende als auch inhibierende Einfluss der Zugabe von organischen und anorganischen Substanzen auf die Hydratbildung systematisch untersucht. Die Resultate tragen zum grundlegenden Verständnis der Bildungsmechanismen bei und sollen insbesondere für die Modellvalidierung zur Beschreibung der komplexen Bildungsvorgänge beitragen.

Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften von Hochtemperaturschmelzen (Metalle, Salze)

Schmelzen anorganischer Salze oder Glasschmelzen sowie Metallschmelzen zeigen eine Fülle von Charakteristika, die sowohl für die Grundlagenforschung als für die Anwendung in Gießprozessen von großer Wichtigkeit sind. So finden sich sowohl hohe Viskositäten bei gleichzeitig niedrigen Grenzflächenspannungen bzw. im Falle von Metallen niedrige Viskositäten mit gleichzeitig sehr hohen Grenzflächenspannung. Die Zustandsbedingungen zur Erzeugung der Schmelzen überspannen bei diesem Projekt einen Bereich von ca. 300 K bis zu 1800 K. Experimentelle Herausforderungen liegen insbesondere in der stark erhöhten Reaktivität der Schmelzen bei hohen Temperaturen. Im Rahmen der Arbeiten wird die Kapillarwellenspektroskopie als nicht- invasive optische Methode zur Bestimmung von Viskosität und Oberflächenspannung von Schmelzen genutzt und für die Anwendung zur Charakterisierung von Schmelzen in einem Ofen bei Temperaturen bis zu 1550 K weiterentwickelt.

Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften von Hochtemperaturschmelzen (Metalle, Salze)

Schmelzen anorganischer Salze oder Glasschmelzen sowie Metallschmelzen zeigen eine Fülle von Charakteristika, die sowohl für die Grundlagenforschung als für die Anwendung in Gießprozessen von großer Wichtigkeit sind. So finden sich sowohl hohe Viskositäten bei gleichzeitig niedrigen Grenzflächenspannungen bzw. im Falle von Metallen niedrige Viskositäten mit gleichzeitig sehr hohen Grenzflächenspannung. Die Zustandsbedingungen zur Erzeugung der Schmelzen überspannen bei diesem Projekt einen Bereich von ca. 300 K bis zu 1800 K. Experimentelle Herausforderungen liegen insbesondere in der stark erhöhten Reaktivität der Schmelzen bei hohen Temperaturen. Im Rahmen der Arbeiten wird die Kapillarwellenspektroskopie als nicht- invasive optische Methode zur Bestimmung von Viskosität und Oberflächenspannung von Schmelzen genutzt und für die Anwendung zur Charakterisierung von Schmelzen in einem Ofen bei Temperaturen bis zu 1550 K weiterentwickelt.