540 Chemie
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Die Ionenmobilitätsspektrometrie ist eine gasanalytische Methode, die analytisch zwischen Sensoren auf der einen Seite und Spektrometern auf der anderen angesiedelt ist. Ihre Vorteile liegen darin, auch komplexere Gasgemische als Sensoren erfolgreich vor Ort und online sowie bettseitig im Krankenhaus analysieren zu können. Beispiele als dem Bereich Bio- und Prozessanalytik sollen die jeweiligen Ansätze und das Potential von der Fragestellung über die jeweils spezifische Lösung bis hin zum Ergebnis am Prozess exemplarisch zusammenstellen. Hierbei werden sowohl die analytische Sicht als auch die Marktsicht thematisiert.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Darstellung und Charakterisierung einheitlicher, mesoporöser Silica-Partikel (MPSM) im Mikrometerbereich mit maßgeschneiderten Partikel- und Porendesign für die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie. Die Synthese umfasst die Einlagerung von Silica-Nanopartikeln (SNP) in poröse organische Template, welche anschließend bei 600°C zersetzt werden. Die Impfsuspensionspolymerisation von Polystyrol-Partikeln, unter Verwendung von Glycidylmethacrylat, Ethylenglycoldimethacrylat und Porogenen, ermöglicht die Herstellung hochgradig einheitlicher, poröser p(GMA-co-EDMA)-Template. Der Einfluss wesentlicher Faktoren, einschließlich des Monomer-Porogen-Verhältnisses, des Monomerverhältnisses und der Porogenzusammensetzung, werden systematisch untersucht sowie ihre Auswirkungen auf die Porengröße, das Porenvolumen und die spezifische Oberfläche erläutert. Die Anbindung aminofunktionalisierter Substanzen erfolgt durch die Ringöffnung der Epoxidgruppe. Im anschließenden basischen Sol-Gel-Prozess werden die Silica-Nanopartikel aufgrund der Ladungsunterschiede in die funktionalisierten p(GMA-co-EDMA)-Template eingebaut. Die Partikelgröße der SNP beeinflusst wesentlich die Poreneigenschaften der MPSM und hängt von drei Faktoren ab: (i) der Wachstumsgeschwindigkeit in der kontinuierlichen Phase, die durch die Einstellungen des Sol-Gel-Prozesses gesteuert wird, (ii) der Diffusionsrate, die durch elektrostatische Anziehung reguliert wird und vom Grad der Funktionalisierung abhängt und (iii) der Porosität des Polymer-Templats. Die gezielte Anpassung der Poreneigenschaften durch die Prozesseinstellungen erlaubt die präzise Herstellung von MPSM, die auf spezifische Trennherausforderungen zugeschnitten werden und somit die Qualität der HPLC verbessern. Die vorgestellte Synthesestrategie ermöglicht, aufgrund des stufenweisen molekularen Aufbaus, eine bessere Adaption der stationären Phase an spezifische Trennherausforderungen.
Der ultraschnelle Mechanismus der Alken-Hydrosylilierung lässt sich von den Flüssigsiliconen (LSRs) auf VNB-EPDM-Mischungen übertragen. In der Verarbeitung würde diese für VNB-EPDM die Wettbewerbsfähigkeit hinsichtlich realisierbarer kürzester Zykluszeiten und neue Marktsegmente alternativ zu den LSR-Materialien eröffnen, u.a. in speziellen Dichtungsanwendungen. Peroxidisch vernetzte EPDM-Mischungen können in wässrig-sauren und wässrig-alkalischen Medien eine bessere chemische Beständigkeit als LSR-Materialien bieten. Sie sind duch die radikalische Vernetzung in der Kinetik aber im Vergleich zu additionsvernetzbaren Elastomeren als deutlich träger einzustufen. Ein weiterer Aspekt ist die Permeationsbeständigkeit gegenüber Gasen und Lösemitteldämpfen, die in dieser Arbeit näher untersucht worden ist. In dieser Eigenschaft unterscheiden sich VNB-EPDM und LSR deutlich voneinander. Mit der Bestimmung von zeit- und temperaturabhängigen Permeationsraten von n-Hexan-Lösemitteldämpfen erfolgt ein Vergleich beider Elastomerklassen. Auf die Theorie der Gaspermeation und der sogenannten Pervaporation wird grundlegend eingegangen und zusätzlich der weitere Einfluss von Rezepturbestandteilen beleuchtet. Des Weiteren werden stationäre Permeationskoeffizienten für die Lösemittel-Dampf-Evaporation berechnet, indem die Ausprägung des Quelldrucks im Inneren der Elastomerwerkstoffe durch signifikante Volumenquellungen als eigentliche Triebkraft herangeszogen wird.
Kostenkalkulation im Anlagenbau: Modell zur Bewertung der Konkurrenzfähigkeit im Entwicklungsstadium
(2020)
Während Grundchemikalien größtenteils im industriellen Maßstab mittels verfahrenstechnisch optimierter Großanlagen hergestellt werden, entwickeln Forschungsinstitute biobasierte Prozesse zur Herstellung von Plattformchemikalien im Labor- und Pilotmaßstab. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Kostenkalkulationsmodell zur Abschätzung der Investitions- und Betriebskosten verfahrenstechnischer Anlagen vorgestellt, auf dessen Basis die ökonomische Konkurrenzfähigkeit in der Entwicklung befindlicher Verfahren ermittelt werden kann. Das Modell ist fur Anwendungen im industriellen Maßstab
geeignet.
Sol-Gel basierte Flammschutzmittel stellen einen vielversprechenden Ansatz für Textilien dar, gerade im Bereich des Ersatzes von derzeit etablierten halogenhaltigen Flammschutzmitteln. Letztere sind aufgrund ihrer toxikologisch Bedenklichkeit sowie ihrer mitunter bioakkumulierenden Eigenschaften in die Kritik geraten. In diesem Forschungsvorhaben wurde daher untersucht auf welche Weise ein Flammschutz per Sol-Gel-Ansatz auf Stickstoff- und/oder Phosphorbasis als halogenfreie Alternative verwirklicht werden kann. Die Sol-Gel-Schicht fungierte dabei zum einen als nicht brennbarer Binder, zum anderen konnten über das Einführen entsprechender funktioneller Seitenketten für den Flammschutz aktive Gruppen direkt mit eingebunden werden. Verschiedene Ansätze wurden dabei verfolgt. Vor allem durch die Nutzung von additivierten Systemen, d.h. durch Sol-Gel-Schichten mit Zusätzen von stickstoff- und/oder phosphorhaltigen Verbindungen konnte ein Flammschutz nach DIN EN ISO 15025 (Schutzkleidung – Schutz gegen Hitze und Flammen) erhalten werden. Anhand eines Modellsystems, bei dem in zwei aufeinanderfolgenden Schritten zuerst eine funktionalisierte Sol-Gel-Schicht und anschließend eine Phosphorverbindung in einem zweiten Schritt aufgebracht wurde, konnten die Vorteile des Flammschutzes auf Sol-Gel-Basis nachgewiesen werden. Dabei wurde unter anderem auch gezeigt, dass ein Mechanismus auf Basis der Bildung einer Schutzschicht hauptsächlich verantwortlich für den Flammschutz ist. Dieses Ergebnis ist für eine zukünftige, weitere Optimierung entsprechender Ausrüstungen nicht zu unterschätzen. Durch Ausrüstungsversuche im semi-industriellen Maßstab konnte weiterhin gezeigt werden, dass einer großtechnischen Umsetzung der angewandten Ausrüstungen prinzipiell nichts im Wege steht. Abstriche müssen bis dato lediglich bezüglich der Waschstabilität gemacht werden. Die Sol-Gel-Schichten überstanden zwar im allgemeinen typische Waschprozesse, eine Permanenz der Flammfestigkeit von additivierten Systemen ergab sich aber nur in einzelnen Fällen. Ausgehend von den Ergebnissen wurde ein neuer Ansatz vorgestellt, der über den hier zugrundeliegenden Ansatz hinausgeht. Dieser sieht vor, durch den Einsatz von neu-synthetisierten Silanen mit Stickstoff- und Phosphorgruppen Sol-Gel-Schichten herzustellen, die ein vielversprechendes Verhalten zeigen. Hier konnte auch nach ersten Waschtests eine Aufrechterhaltung der verbesserten Flammfestigkeit nachgewiesen werden. Insgesamt konnte innerhalb des Forschungsvorhabens gezeigt werden, dass ein Flammschutz auf Sol-Gel-Basis für Textilien erhalten werden kann. Darüberhinaus konnte auch erklärt werden auf welchem Mechanismus dieser Flammschutz begründet ist und wie die derzeit noch ungenügende Waschpermanenz verbessert werden kann.
Hauptziel des Projektes war zum einen die Entwicklung einer validen Testmethode auf Grundlage vorliegender Normen, welche die in der betrieblichen Praxis auftretende Degradation abreinigbarer Filtermedien (hohe Temperaturen, aggressive chemische Atmosphären) praxisnah abbilden kann. Die Methode sollte auch die mechanische Alterung der Medien durch Staubbeaufschlagung sowie Abreinigungs Druckstöße berücksichtigen (DIN ISO 11057). Innerhalb des Projektes konnten umfangreiche Praxiserfahrungen mit der Inbetriebnahme und dem Betrieb einer schadgasbeaufschlagten, temperierbaren Testkammer zur chemischen Alterung von Filtermedien auf Grundlage der Vorgaben der DIN EN ISO 16891 gewonnen werden. Sollen vergleichbare Prüfdaten für mehrere Proben verlässlich ermittelt werden, sind bei den Untersuchungen demnach umfangreiche Randbedingungen zu beachten. Insbesondere zeigten die Untersuchungen den hohen technischen Aufwand zur Durchführung der Filtertests auf, welche nicht zuletzt auch aufgrund der erforderlichen Sicherheitstechnik und langen Untersuchungsdauer eine Umsetzung insbesondere bei KMU aus wirtschaftlichen Gründen erschwert ist. Es konnte weiter dargestellt werden, dass die Kombination von chemisch-thermischer und mechanisch(-thermischer) Alterung durch den Einsatz verschiedener Prüfeinrichtungen grundsätzlich umsetzbar ist. Die im Rahmen des Vorhabens entwickelte Testmethode einer chemischen Alterung der Filtermatrices durch Gasphasenexposition in einer Druckkammer ermöglicht kürzere Beanspruchungszeiträume bei reduziertem zu behandelnden Schadgasanfall und kann damit den wirtschaftlichen Betrieb eines entsprechenden Prüfstandes ermöglichen. Kombiniert mit der externen mechanischen Alterung durch Staubbeaufschlagung und Möglichkeit der parallelen Temperaturaufprägung gem. EN ISO 16891 auf mehrere Filtermedien-Proben lässt sich das thermisch, chemisch und mechanisch induzierte Degradationsverhalten von Filtermedien ggf. realitätsnah und mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand in eine Prüfvorschrift überführen. Entsprechende Validierungsarbeiten sind Bestandteil eines aktuell gestarteten Folgeprojektes. Das zweite Hauptziel des Projektes war es Ausrüstungen zu entwickeln, die zu einer verbesserten Beständigkeit gegenüber aggressiven Komponenten führen. Die Ergebnisse zeigten, dass mit dem Sol-Gelverfahren mechanisch stabile Beschichtungen auf Faservlies dauerhaft aufgetragen werden konnten, welche insbesondere die chemisch induzierte Degradation von Aramiden reduzieren können. Bei Aramiden handelt es sich um relativ teure Hochleistungsmaterialien, von welchen bekannt ist, dass ihre Beständigkeit sowohl gegen über UV-Strahlung als auch unterschiedlichen Schadgasen gering ist. Daher stellen die Beständigkeit der Materialien verbessernde Ausrüstungen eine wichtige Entwicklung für Unternehmen dar, um auf diese Weise beständigere Aramid-basierte Produkte zu erhalten. Als besonders geeignet stellten sich dabei Fluorcarbonausrüstungen, organisch-anorganische Hybride auf Basis von GPTMS und Zirkonium-haltige Ausrüstungen heraus.