Tropfen-Flüssigkeitsstrahl-Kollisionen für Faserproduktion

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.

Die kontrollierten Kollisionen zwischen Tropfen, die einen regelmäßigen Tropfenstrom bilden und einen kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahl, wurden untersucht. Diese Art von Kollisionen, auch In-Air-Mikrofluidik genannt, ermöglicht die Bildung von Flüssigkeitsstrukturen, die anders nicht hergestellt werden können. Die Regelmäßigkeit dieser Strukturen macht sie zu idealen Kandidaten für Kapseln- und Faser-vorläufer. In diesem Projekt haben wir die Eigenschaften der durch Tropfen-Strahl-Kollisionen erzeugten Flüssigkeitsstrukturen über eine breite Palette von Parametern untersucht, wie z. B. relative Geschwindigkeit, Durchmesser von Tropfen und Strahl, Abstand der Tropfen im Tropfenstrom in vier Regime eingeteilt. Das Klassifizierungskriterium ist die Fragmentierung (oder nicht) der Tropfen, des Strahls, sowohl Tropfen als auch Strahl oder keines von beiden. Es wurden zwei unterschiedliche Fragmentierungsmechanismen identifiziert, die entweder auf die Tropfen oder den Strahl zutreffen. Die Auswirkungen der Flüssigkeitseigenschaften und Kollisionsparameter auf diese Fragmentierungsgrenzen wurden untersucht. Dies umfasst den Einfluss der Viskosität von Tropfen und Strahl; die Viskoelastizität des Strahls; die Mischbarkeit und Benetzbarkeit der Flüssigkeitspaare; sowie alle geometrischen und kinetischen Parameter. In einem zweiten Schritt wurden Modelle entwickelt, die das Auftreten jedes Regimes nur basierend auf den Kollisionsparametern und Flüssigkeitseigenschaften vorhersagen. Diese Errungenschaft ermöglichte die rationelle und effiziente Nutzung von Drop-Jet-Kollisionen zur Herstellung von regulären Fasern mit vordefinierten Eigenschaften. Solche Fasern wurden im letzten Teil dieses Projekts erfolgreich hergestellt. Wir verwendeten hauptsächlich Alginsäure, von der bekannt ist, dass sie bei Kontakt mit Kationen zu Alginat, einem natürlichen und biokompatiblen Hydrogel, geliert. Es wurden verschiedene Zusammensetzungen gescreent und mehrere Arten von Fasern erhalten. Unter anderem mit Calcium oder Strontium gelierte Alginatfasern, die reguläre Glycerineinschlüsse enthalten (oder nicht), mit oder ohne Anwesenheit eines Weichmachers zur Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften. Die erhaltenen Fasern wurden im Hinblick auf Regelmäßigkeit und mechanische Eigenschaften charakterisiert. Die Ergebnisse ermöglichen es uns, die besten Kandidaten für fortschrittliche biomedizinische Anwendungen wie Tissue Engineering zu identifizieren.