Charakterisierung von benetzbaren Systemen mittels Beschreibung des Kapillarverhaltens unter Rotationsbedingungen

Der Einsatz poröser Materialien wie bspw. für Verpackungen sind sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch insbesondere die Interaktion mit Fluiden, besonders Wasser, von größter Bedeutung. Die Optimierung der mechanischen Papiereigenschaften für den vorgesehenen Einsatz erfolgt meist durch eine Vorbehandlung der Fasern vor der Herstellung. So wird z.B. durch die Erhöhung der Fibrillierung des ausgewählten Zellstoffs durch Mahlen die Zugfestigkeit des Papiers deutlich erhöht. Wird das Fasernetzwerk jedoch in einer wässrigen Umgebung eingesetzt, wie z. B. in mikrofluidischen Experimenten, wirkt sich die erhöhte Aufrauhung der Fasern auch erheblich auf das Flüssigkeitsverhalten aus, was sowohl auf die Porenstruktur als auch auf Reibungseffekten zurückgeführt werden kann. Trotz zahlreicher mathematischer Modelle, die in den letzten Jahren entwickelt wurden, ist die Zahl der verschiedenen intrinsischen und extrinsischen Parameter, die die Flüssigkeitsströmung in Papier beeinflussen können, zu groß, um eine angemessene Beschreibung zu liefern. Insbesondere die Reibungskräfte, die als Gegenkraft zur kapillargetriebenen Flüssigkeitsströmung wirken, sind in diesen komplexen Systemen schwer zu quantifizieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Reibungskraft durch die wohldefinierte Zentrifugalkraft als Gegenkraft ersetzt, welches ermöglichte, sowohl den mittleren Porenradius des Fasernetzes als auch einen quantitativen Wert, welcher mit dem Druckabfall korreliert, zu bestimmen. Auf diese Weise können die Einflüsse der Fasermorphologie, wie z.B. die Wahl des Zellstoffs, des Mahlgrads, des Fraktionierungsgrads, sowie die Auswirkungen der Fluidströmung durch verschiedene komprimierte Papiere und die Einflüsse der hydrophilen Kanalbreite bestimmt werden. Neben der Anwendung an verschiedenen Substraten wird ebenso die Konstruktion solche eines Rotationsgerätes beschrieben.

When using porous materials, e.g. for packaging, both the mechanical properties and, in particular, the interaction with liquids, especially water, are of utmost importance. Optimization of the mechanical paper properties for the intended use is usually achieved by pretreating the fibers before production. For example, increasing the fibrillation of the selected pulp by refining significantly increases the tensile strength of the paper. However, when the fiber network is used in an aqueous environment, such as in microfluidic experiments, the increased roughening of the fibers also significantly affects the fluid behavior, due to both pore structure and frictional effects. Despite numerous mathematical models developed in recent years, the number of different intrinsic and extrinsic parameters that can affect fluid flow in paper is too large to provide an adequate description. In particular, the frictional forces that act as a counterforce to capillary-driven fluid flow are difficult to quantify in these complex systems. In this work, the frictional force was replaced by the well-defined centrifugal force as a counterforce, which allowed to determine both the mean pore radius of the fiber network and a quantitative value correlating with the pressure drop. In this way, the influences of fiber morphology, such as pulp choice, freeness, fractionation level, as well as the effects of fluid flow through different compressed papers and the influences of hydrophilic channel width can be determined. In addition to the application on different substrates, the construction of such a rotary device is also described.