VEDKOF - Verbesserung des Drainageverhaltens von Koaleszenzfiltermedien durch gemusterte Funktionalisierung

Tropfenbewegungen und Benetzungsphänomene spielen für das Betriebsverhalten von Koaleszenzfiltern eine entscheidende Rolle. Nur durch effektive Drainage des z.B. bei Druckluftfiltern abgeschiedenen Öls kann eine stetige Erhöhung des Druckabfalls und damit der Energieaufnahme des Systems vermieden werden.

Aus Kostengründen werden Koaleszenzfilter konventionell aus Vliesstoffen konfektioniert. Die unspezifische Konstruktion ohne Vorzugsrichtungen und definierte Kapillarsysteme des Materials ist aber für einen effektiven Flüssigkeitstransport wenig vorteilhaft.

Konzepte der Natur wie auch aktuelle wissenschaftliche Arbeiten lehren, dass auch Oberflächen mit rein lateralen Benetzungsgradienten hochinteressante Benetzungseigenschaften aufweisen. Im Sinne einer funktionellen Musterung liegen hier Benetzungsunterschieden in lokal eingegrenzten Bereichen (Domänen) vor. Mikroskopische lyophile Kanäle mit einem „Formgradienten“, d.h. über die Kanallänge stetig abnehmende Breite, auf lyophober Oberfläche bewirken z.B. eine selbstgetriebene unidirektionale Tropfenbewegung (Mikrofluidik).

In Vorversuchen haben die beteiligten Forschungsstellen Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. (IUTA) und Deutsches Textilforschungszentrum Nord-West gGmbH (DTNW) versucht, dieses Prinzip lateraler Benetzungsgradienten unter Ausnutzung der Möglichkeiten moderner Verfahren der Oberflächenfunktionalisierung auf Vliesstoffe zu übertragen, um so auch ohne Kapillarphänomene auf den kostengünstigen Standarddrainagemedien eine verbesserte Öldrainage zu erzielen.

 

Abbildung 1: Kontrollierte Öldeposition auf einem Vliesstoff infolge gemusterter photochemischer Oleophobausrüstung. (A) PTFE-Maske zur sägezahnförmigen (wedge-shaped) Eingrenzung der photochemischen  Modifizierung; (B) aus der Modifizierung resultierende kontrollierte Benetzung des modifizierten Vliesstoffs mit Pumpenöl.

Hierzu wurde eine rein photochemische, aber gemusterte Oleophobierung eines Vliesstoffs vorgenommen. Das Substrat wurde zur Modifizierung mit fluoriertem Monomer getränkt, abgequetscht und durch eine sägezahnförmige Maske (Abb. 1A) UV bestrahlt. Infolge der Maskierung erfolgt die UV-induzierte Pfropf-Copolymerisation und Deposition einer dünnen, ölabweisenden Schicht ausschließlich in den bestrahlten Zonen. Aufgrund der so erzeugten Benetzungsunterschiede wird auftreffendes Öl von den bestrahlten Zonen in die unbehandelten getrieben, wie es die Photographie in Abbildung 1B verdeutlicht. Erste Versuche zur Ölabscheidung und –drainage deuten in der Tat auf einen positiven Effekt der Modifizierung des Vliesstoffes hin.

Aus den bislang vorliegenden Ergebnissen  ist aber abzuleiten, dass die Konturenschärfe – und damit Wirkung – des funktionellen Musters noch schlecht ist und Optimierungsbedarf besteht. Hier ist insbesondere auf im Vergleich zu einem Gewebe schlecht definierte Textur und Porengrößenverteilung des Vliesstoffs einzugehen, die u.a. auch die Benetzung mit der Monomerlösung beim Behandlungsprozess beeinflusst. Dennoch ist das grundsätzliche Potential des Ansatzes ersichtlich.

Hiervon ausgehend ist es Forschungsziel des aktuellen Projektes, die Ölbenetzungseigenschaften von Drainagemedien so zu modifizieren, dass sowohl (makroskopische) Oberfläche der Medien als auch Porensystem Benetzungsmuster mit möglichst großen Unterschieden und scharfen Übergängen zwischen oleophilen und oleophoben Bereichen entstehen. Auf diese Weise werden Transport und Deposition von Öltröpfchen kontrolliert und ölfreie Bereiche geschaffen, die auch nach längerer Betriebsdauer gut durchströmbar bleiben.

Die Modifizierung der Faseroberflächen soll vornehmlich mit photonisch induzierte Prozessen erfolgen, da aus grundlegenden Arbeiten des DTNW abzuleiten ist, dass photochemische Verfahren zum einen prädestiniert sind, die Benetzungseigenschaften großflächiger Substrate einzustellen. Gleichzeitig erlauben derartige Prozesse durch Rastern, Maskieren oder Aufdrucken (von Monomerlösungen) die hier angestrebte strenge lokale Eingrenzung der Behandlung und des Effektes.

Angaben zum Forschungsvorhaben
Forschungsthema: „Verbesserung des Drainageverhaltens von Koaleszenzfiltermedien durch gemusterte Funktionalisierung
IGF-Forschungsvorhaben Nr. 19918 N
Laufzeit 01.01.2018  bis 31.12.2019
Gemeinschaftsprojekt des Instituts für Energie- und Umwelttechnik e.V. (IUTA) und der Deutsches Textilforschungszentrum Nord-West gGmbH (DTNW)

Ansprechpartner im DTNW:
Dr. Thomas Bahners, Tel. +49 2151 843-2016, e-Mail: bahners@dtnw.de