FWF - Drop-Jet Collisions - Tropfen-Strahl-Kollisionen zur Faserherstellung

Das vorliegende Projekt mit dem Titel Tropfen-Strahl-Kollisionen zur Faserherstellung steht am Übergang zwischen der Grundlagenforschung an einem physikalischen Prozess, insbesondere der Kollisionen eines Tropfenstroms mit einem Strahl aus einer nicht mischbaren Flüssigkeit, und seiner Nutzung zur Entwicklung einer neuen Produktionstechnik für Mikrokapseln kontrollierter Größe und Form und für Fasern mit besonderen Eigenschaften. Wegen ihrer Bedeutung für natürliche und industrielle Vorgänge wurden Kollisionen von Tropfen und der Zerfall flüssiger Strahlen in der Vergangenheit umfassend untersucht. Die Wechselwirkung eines Tropfenstroms mit einem Flüssigkeitsstrahl wurde dagegen nicht betrachtet. Vorläufige Experimente haben gezeigt, dass diese Konfiguration neue grundlegende Aspekte der Wechselwirkung mit sich bringt. Dadurch, dass z.B. aufeinander folgende Tropfen durch den Strahl miteinander wechselwirken können, werden mögliche Interaktionen verändert. Die vorgeschlagenen experimentellen und analytischen Untersuchungen zielen auf eine Beschreibung der Ergebnisse der Wechselwirkung und der dabei vorliegenden Stoßbedingungen. Die auftretenden Zerfallsmechanismen werden analysiert, und Grenzen zwischen verschiedenen Stoßergebnissen werden modelliert. Auf diese Weise wird das Projekt das bestehende Wissen über Kollisionen flüssiger Systeme, Strahl- und Filamentstabilität, sowie den Einfluss viskoelastischer Flüssigkeiten auf die Dynamik dieser Vorgänge festigen und erweitern. Die Bedeutung dieses Wissens ist sehr groß, da zerfallende flüssige Filamente und Tropfenkollisionen in praktisch allen industriellen Prozessen mit Flüssigkeiten im Millimeter- und Sub-Millimeter-Bereich vorkommen. Konkret bieten Kollisionen die Möglichkeit, komplexe flüssige Strukturen zu erzeugen, die mit anderen Techniken nicht gewonnen werden können und für eine neuartige Produktion von Kapseln viel versprechend sind. Frei strömende flüssige Strahlen mit periodischen, nicht mischbaren Einschlüssen werden erzeugt, die durch Aushärtung der Strahlflüssigkeit zu Fasern umgewandelt werden können. Solche Strukturen erhalten die wesentlichen Eigenschaften von Kapseln mit Hülle und Kern, ebenso wie den kontrollierten Kontakt mit der Umgebung, der Austauschprozesse bestimmt und gleichzeitig leicht beeinflussbar und dosierbar ist. Die Kombination dieser beiden Aspekte, die in dem immer wichtigeren Feld des Tissue Engineering und des Wirkstofftransports in der Pharmazie wichtig sind, bleibt noch eine Herausforderung. In Testexperimenten wurden Flüssigkeitsstrahlen durch Ausfällung, Lösemittelaus- tausch und Schmelzekühlung erfolgreich ausgehärtet. In der zweiten Phase des Projektes werden wir den Kollisionsprozess, z.B. zur Erzeugung von Tropfen in einem Strahl, mit den bewährten Aushärtemethoden kombinieren, um die eingebetteten Elemente zu verfestigen und „Tropfen in einer Faser“ zu erzeugen.