Forschungsstipendium der Max-Buchner-Stiftung

Detaillierte Modellierung der Porenbildung bei der Herstellung von porösen Polymermembranen

Bearbeitung: Dr.-Ing. Manuel Hopp-Hirschler

Motivation

Für die Stofftrennung mittels Polymermembranen ist die Morphologie der Membran entscheidend. Poröse Polymermembranen können durch den Phaseninversionsprozess hergestellt werden. Dabei wird eine stabile Polymerlösung auf einem Träger in ein wässriges Fällungsbad eingetaucht. Bei Kontakt von Polymerlösung und Fällungsbad diffundiert Lösungsmittel aus der Polymerlösung ins Fällungsbad und Wasser aus dem Fällungsbad in die Polymerlösung. Bei Erreichen der Mischungslücke zerfällt die Polymerlösung in eine polymerreiche, feste und eine polymerarme, flüssige Phase.

Eine gewünschte Morphologie wird bislang ausschließlich experimentell und auf Basis eines umfangreichen Erfahrungswissens entwickelt, weil bisher keine Simulationsmethoden verfügbar waren, mit denen sich der komplexe Prozess der Strukturbildung im Fällungsprozess hinreichend zuverlässig auf einer dem Experiment vergleichbaren Zeitskala simulieren lässt.

Im Rahmen einer Promotion wurde daher ein auf „first principles“ basierender Ansatz entwickelt, mit dem sich die Entstehung unterschiedlicher Porenstrukturen im Phaseninversionsprozess simulieren lassen. Der Ansatz beruht auf dem Cahn-Hilliard Modell zur Modellierung des Phasenzerfalls und beschreibt die Ausbreitung von Fronten zwischen stabiler und zerfallender Polymerlösung, die für die Entstehung bestimmter Porenstrukturen entscheidend ist. Mit dem bisherigen Modell konnten unter sehr weitgehenden Annahmen unterschiedliche Morphologie simuliert werden.

 (c)
Bildung von Schaumporen hinter ein Fällungsfront bei der Herstellung poröser Polymermembranen im Phaseninversionsprozess.

Projektbeschreibung

In diesem Projekt soll der bisherige Ansatz zur Modellierung der Porenbildung auf Mehrkomponentensysteme erweitert werden. Anstelle eines vereinfachten Systems soll ein vollständiges, ternäres Polymersystem verwendet werden um relevante Morphologien zu untersuchen. Das Ziel ist es, ein vollständigeres Modell zur Vorhersage der Porenentstehung bei der Herstellung poröser Polymermembranen zu entwickeln.

Ansprechpartner

Manuel Hopp-Hirschler
Dr.-Ing.

Manuel Hopp-Hirschler

Gastdozent

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