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In der vorliegenden Arbeit werden einige Probleme der dynamischen Boden-
Bauwerk-Wechselwirkung behandelt. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in
der Untersuchung des Einflusses einer mit der Tiefe zunehmenden
Steifigkeit für den Boden.
In dem ersten Teil der Arbeit werden elastische Bodenplatten unter
vertikaler harmonischer Belastung untersucht. Die Platte wird mit Hilfe der
Finite-Elemente-Methode modelliert. Die Baugrundantwort wird mit Hilfe
von Einflussfunktionen für vertikale Einzel- bzw. Flächenlasten erfasst. Im
Kontaktbereich wird die Kompatibilität an den Mittelpunkten der
Bodenelemente und den darüber liegenden Punkten der Platte hergestellt.
Die Lösung für den homogenen Boden wird mit Ergebnissen aus der
Literatur verglichen. Für den inhomogenen Boden wird die Antwort der
Platte an verschiedenen Punkten über die Frequenz ermittelt und graphisch
dargestellt. In einem weiteren Bearbeitungspunkt wird die dynamische
Wechselwirkung zwischen mehreren starren Fundamenten auf der
Baugrundoberfläche untersucht. Der Einfluss der Inhomogenität des
Baugrundes wird in den Ergebnissen mit Hilfe von dimensionslosen
Parametern erfasst.
In dem zweiten Teil der Arbeit werden dynamische Steifigkeitsfunktionen,
sogenannte Impedanzfunktionen, für Einzelfundamente unter Zuhilfenahme
der Finite-Elemente-Methode im Zeitbereich ermittelt. Ziel ist es dabei, ein
Verfahren zu entwickeln, mit dem später auch nicht-lineare dynamische
Probleme numerisch gelöst werden können. Mit dem vorgestellten
Fensterverfahren wird aus der komplexen Antwort des Fundaments,
berechnet mit der Finite-Elemente-Methode im Zeitbereich, die Lösung im
Frequenzbereich für das in der Anregung enthaltene Frequenzspektrum
bestimmt. Hierzu wird eine eindeutige Vorgehensweise vorgeschlagen, und
die erforderlichen Angaben zur Wahl der Diskretisierungsfeinheit und des
Zeitschrittes gemacht. Schließlich wird das Fensterverfahren für
inhomogene Böden eingesetzt. Vorhandene halb-analytische Lösungen für
starre Fundamente werden mit ausreichender Genauigkeit reproduziert.
Abstract
Im Rahmen dieser Arbeit sollten verschiedene Möglichkeiten untersucht werden, Salene in metallorganischen Gerüstverbindungen zu immobilisieren. Dazu wurde auf bekannte Methoden der Immobilisierung in Zeolithen und mesoporösen Materialien zurückgegriffen und gegebenenfalls modifiziert. Zu den ausgewählten metallorganischen Gerüstverbindungen gehörten MOF-5, Cu\(_3\)(BTC)\(_2\) bzw. HKUST-1 und (Cr)MIL-101. Durch verschiedene Charakterisierungsmethoden, wie z. B. Röntgen-Pulverdiffraktometrie, IR-Spektroskopie, UV/VIS-Spektroskopie, Rasterelektronen-Mikroskopie, Bestimmung der spezifischen Oberfläche nach der BET-Methode und chemischer Analyse sollte die Immobilisierung der Salene innerhalb der MOFs überprüft werden.
Nach der “build-the-bottle-around-the-ship“-Methode konnte Mn-RR-Salen in MOF-5 eingebracht werden. Da MOF-5 allerdings keine Möglichkeit bietet das Salen zu fixieren, war es nicht möglich, das Salen in der Struktur zu halten. Bereits nach 24-stündiger Extraktion mit Aceton in einer Soxhlet-Apparatur waren keinerlei Signale des Salens im IR-Spektrum mehr erkennbar. Das Mn-en-Salen verhinderte die Kristallisation von MOF-5 und konnte auch mithilfe anderer Methoden nicht in MOF-5 eingebracht werden.
In Cu\(_3\)(BTC)\(_2\) sollten ebenfalls nach der “ build-the-bottle-around-the-ship“-Methode die beiden Schiffschen Basen Mn-RR-Salen und Mn-en-Salen immobilisiert werden. Dieser Versuch schlug fehl. In keiner der untersuchten Synthesemethoden konnte ein Hinweis auf eine erfolgreiche Immobilisierung der Salene innerhalb des Gerüst erbracht werden.
Die Versuche, Mn-en-Salen und Mn-RR-Salen innerhalb des Gerüsts von (Cr)MIL-101 zu immobilisieren, schlugen fehl. Dabei wurden in flüssiger Phase sowohl die “ build-the-bottle-around-the-ship“-Methode, die “ship-in-a-bottle“-Methode als auch das Einbringen des Salens als Ganzes erprobt. Der Versuch, das Salen durch Erhitzen im Vakuum in die Poren und Hohlräume (Cr)MIL-101 hinein diffundieren zu lassen, scheiterte an der Instabilität des Wirts.
Letztendlich gelang es, verschiedene Salene über eine schrittweise “ship-in-a-bottle“-Methode in (Cr)MIL-101-ED (ED = Ethylendiamin) zu immobilisieren und Palladium darin zu komplexieren.
Die katalytischen Eigenschaften der immobilisierten Pd-Salene wurden anhand der hydrierenden Umsetzung von sechs Modellsubstanzen untersucht, jeweils bei Raumtemperatur. Als Modellsubstanzen dienten 1-Hexen, Cyclohexen, Cycloocten, Cyclohexenon, Zimtaldehyd und Citral. Zum Vergleich wurden die gleichen Hydrierungen mit Pd/γ-Al2O3 (5 Gew.-% Pd) und Pd/C (10 Gew.-% Pd) und den reinen Salenen Pd-en-Salen und Pd-RR-Salen durchgeführt.
Des Weiteren wurden in Kooperation mit dem Arbeitskreis Thiel (FB Chemie, TU Kaiserslautern) neuartige Linker auf Basis der Biphenyldicarbonsäure synthetisiert, aus denen wiederum zink- und zirkoniumhaltige metallorganische Gerüstverbindungen synthetisiert werden sollten. Die Linker sollten so modifiziert werden, dass eine eventuelle Interpenetration der entstehenden MOFs nahezu vollständig verhindert wird.
Im Fall der zinkhaltigen MOFs konnte die Interpenetration nicht verhindert werden. Die Materialien besaßen jedoch allesamt große spezifische Oberflächen, sodass Adsorptionsisothermen von C1- bis C4-Kohlenwasserstoffen sowie von Kohlendioxid aufgenommen wurden.
Im Fall der zirkoniumhaltigen MOFs gestaltete sich die Synthese der phasenreinen Substanzen schwierig; auch über einen Modulationsansatz wurde immer ein mit amorphem Material verunreinigtes Pulver erhalten. Trotzdem wurden die gleichen Adsorptions-experimente wie mit den zinkhaltigen MOFs durchgeführt.
Die Auswertung der Isothermen erfolgte mithilfe verschiedener Modelle (Langmuir, Freundlich, Sips). Dabei zeigte sich, dass die Sips-Gleichung die gemessenen Werte am besten beschreiben kann. Außerdem konnte über den Wert t Aussagen über den Grad der “Heterogenität“ der Oberfläche getroffen werden.
Im Bereich der Immobilisierung der Salene in metallorganischen Gerüstverbindungen böte sich noch die Möglichkeit, die Salene über einen Seitenarm postsynthetisch an eine bereits im Gitter vorhandene funktionelle Gruppe zu kondensieren / verbinden. Dadurch wäre das Salen fixiert und das Zentralmetall trotzdem zugänglich. Dazu ist es jedoch erforderlich, eine metallorganische Gerüstverbindung zu wählen, das dem Salen ausreichend Platz bietet und zudem eine ausreichend hohe Stabilität aufweist.
Im Bereich der neuartigen metallorganischen Gerüstverbindungen wäre es von Interesse, ob die zinkhaltigen MOFs in einer nicht-interpenetrierten Struktur synthetisierbar wären und ob die Adsorptionskapazität dadurch steigen würde. Im Fall der zirkoniumhaltigen MOFs müssten die Synthesebedingungen verbessert werden, um ein phasenreines Material zu erhalten. Dadurch würde man ein Material mit großer spezifischer Oberfläche, hoher thermischer Stabilität und ohne Interpenetration gewinnen und es bestünde die Möglichkeit, die funktionellen Gruppen am Linker postsynthetisch zu modifizieren.
Erste weiterführende Arbeiten mit den neuartigen Linkern und anderen Metallen als anorganische Knoten wurden bereits erprobt, daher wäre eine fortführende Untersuchung der Eignung als Träger Katalysatoren oder als Gasspeicher ebenfalls von Interesse.
Lokal lastgerecht verstärkte Multimaterialsysteme auf Basis von Polypropylen-Polypropylen-Hybriden
(2014)
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Prozess entwickelt, zur Realisierung lokal, lastgerecht
verstärkter Thermoplast-Hybridbauteile im Einsatzgebiet struktureller Anwendungen
im Automobilbereich. Hierzu wurde effektiv ein formgebender Schritt für
gewebeverstärkte Halbzeuge mit dem in-situ Tapelegeverfahren zur Aufbringung unidirektional
endlos faserverstärkter Bändchenmaterialien kombiniert.
Die durch die symbiotische Ausnutzung der Vorzüge der beiden Verfahren in Kombination
mit Sandwichbauweise realisierten Bauteile, zeichnen sich einerseits durch
eine Reduktion des Gesamtgewichts aus und weisen andererseits ein weit höheres
mechanisches Eigenschaftsprofil auf, als mit rein singulären Prozessschritten möglich
ist.
Im Rahmen des ganzheitlichen Prozessansatz wurden, ausgehend von einer experimentellen
und theoretischen Ermittlung, optimale Prozessparameter für das in-situ
Tapelegeverfahren in Bezug auf die interlaminare Risszähigkeit zwischen den Materialpartnern,
die Grenzschichtgüte beeinflussende Vorgänge ermittelt und diskutiert.
Es konnte gezeigt werden, dass durch die gewählte Prozesskombination deutlich erhöhte
Energiefreisetzungsraten realisiert werden können, verglichen mit Proben,
welche im Autoklav hergestellt wurden. Im Rahmen umfangreicher mechanischen
Charakterisierungsreihen konnte direkter Einfluss der unidirektionalen Verstärkungslagen
auf das mechanische Eigenschaftsprofil der Multimaterialsysteme nachgewiesen
werden. Darüberhinaus wurde das Hybridsystem erfolgreich in einer FESimulation
abgebildet und validiert. Durch eine prozessbasierte, ökonomische Betrachtung
konnte der Prozessansatz gegenüber Konkurrenzverfahren abgegrenzt
und als kosteneffektiv bewertet werden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen einen, sowohl unter mechanischen als auch
ökonomischen Gesichtspunkten, sinnvollen und geeigneten Prozess zur Realisierung
lokal verstärkter struktureller Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mit inhomogener
Lastverteilung auf.
Methyleugenol (ME), (\(\it E \))-Methylisoeugenol (MIE), alpha-Asaron (aA), beta-Asaron (bA) und gamma-Asaron (gA) sind natürlich vorkommende Pflanzeninhaltsstoffe aus der Klasse der Phenylpropene (PP) und Bestandteil der menschlichen Ernährung. ME, aA und bA erwiesen sich im Tierversuch als hepatokanzerogen. MIE und gA wurden bislang nicht untersucht. Die allylischen Hepatokanzerogene Estragol und Safrol werden im Verlauf des Fremdstoff-metabolismus durch Cytochrom P450-Enzyme (CYP) in 1‘-Position hydroxyliert und anschließend durch Sulfotransferasen sulfoniert. Der reaktive Schwefelsäureester kann DNA-Addukte bilden, wodurch in der Folge Mutationen und Tumoren ausgelöst werden können. Für ME wurde der gleiche Mechanismus der Aktivierung postuliert, obgleich definitive Beweise bislang fehlten. Im Gegensatz dazu war die Mehrheit der bislang untersuchten propenylischen PP nicht kanzerogen. aA und bA stellen insofern eine Ausnahme dar. Tierexperimentelle Untersuchungen legen einen alternativen Mechanismus für die Aktivierung von aA und bA nahe. Untersuchungen zum Metabolismus der Asarone liegen bisher nicht vor. Ziel der Arbeit war es daher, den hepatischen Metabolismus dieser fünf PP zu untersuchen, um Einblicke in die potentiellen gentoxischen Mechanismen zu erhalten. Die Metabolitenbildung der fünf Substanzen wurde zeit- und konzentrationsabhängig in humanen und tierischen Lebermikrosomen (LM) sowie verschiedenen humanen CYP-Enzymen (Supersomes\(^{TM}\)) untersucht. Die Metaboliten wurden charakterisiert, identifiziert und synthetisiert, um als Referenzverbindungen für die Quantifizierung sowie für weitere mechanistische in vitro Untersuchungen zu dienen. Ferner wurden enzymkinetische Parameter bestimmt, um eine Extrapolation der Metabolitenbildung hin zu kleinen Substratkonzentrationen sowie die Beteiligung humaner CYPs an der Metabolitenbildung in humanen LM zu ermöglichen. Außerdem wurde die Bildung von DNA-Addukten in primären Rattenhepatozyten nach Inkubation mit ME, MIE sowie deren Metaboliten untersucht. Für alle Verbindungen konnten die folgenden fünf enzymatischen Reaktionen identifiziert werden: Hydroxylierung der Seitenkette, Oxidation dieser Alkohole, Epoxidierung der Seitenkette und Hydrolyse zu Diolen sowie \(\it O \)-Demethylierung. Als Hauptmetaboliten von ME, MIE, aA und gA wurden die jeweiligen Seitenkettenalkohole identifiziert, während bA hauptsächlich über Epoxide zu Diolen metabolisiert wurde. Die Ergebnisse belegen, dass ME, im Gegensatz zu MIE, über den gleichen Mechanismus wie Safrol und Estragol, auch in geringen, humanrelevanten Konzentrationen aktiviert werden kann. Für aA und vor allem bA scheint eine Aktivierung über Epoxide wahrscheinlicher, während es für gA keine Hinweise auf potentiell gentoxische Metaboliten gibt.
Polychlorierte Dibenzo-p-dioxine wie 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin (TCDD), die zur Stoffgruppe der polyhalogenierten Kohlenwasserstoffe gehören, sind lipophile und persistente Umweltkontaminanten. Sie entstehen als unerwünschte Verunreinigungen bzw. Begleitstoffe vor allem während Verbrennungsprozessen organischer Materialien wie Holz oder Müll, im Tabakrauch sowie als Nebenprodukt chlororganischer Synthesen. Aufgrund ihrer hohen Lipophile reichern sie sich in der Nahrungskette an. Dioxine wie TCDD verursachen eine Vielzahl von biochemischen und toxischen Effekten wie z.B. Enzym-Induktion, Lebertoxizität, dermale Toxizität, Immuntoxizität und Kanzerogenität. Im Tiermodell konnte eine Beeinträchtigung des Fortpflanzungssystems und des Hormonhaushaltes beobachtet werden. In der Literatur herrscht Einigkeit, dass die meisten wenn nicht sogar alle toxischen Wirkungen der Dioxine über den Aryl-Hydrocarbon-Rezeptor (AhR) vermittelt werden. Im letzten Jahrzehnt konnten jedoch in mehreren Studien AhR-unabhängige TCDD-Wirkungen beobachtet werden. Nur wenige Studien befassen sich mit der Niere als Zielorgan, wobei belegt werden konnte, dass der AhR auch für die Entwicklung der Niere eine wichtige Rolle zu spielen scheint. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde eine Tierstudie mit Wildtyp- und AhR-defizienten-Mäusen durchgeführt und dabei auch die Niere als Zielorgan betrachtet. Zunächst wurden weibliche und männliche Wildtyp- und AhR-defiziente-Mäuse einmalig mit TCDD (25 µg/kg KG) oral behandelt. Anschließend wurden Genexpressionsmuster in den Nieren mittels Microarray analysiert. In den Nieren behandelter Wildtyp-Mäuse wiesen 172 Gene, und in den Nieren behandelter AhR-defizienter-Mäuse wiesen 325 Gene eine veränderte Expression auf. In den Nieren behandelter AhR-defizienter-Mäuse wurden Gene hochreguliert, die in Prozesse des blutbildenden Systems, der Blutgerinnung sowie der Biosynthese von Sterolen und des Katabolismus von organischen Säuren involviert sind. Herrunterreguliert wurden Gene, die in Prozesse des Lipidmetabolismus, der Biosynthese sowie des Metabolismus kleinerer Moleküle und des Metabolismus von Hormonen involviert sind. Mittels RT-PCR wurde die im Microarray beobachtete erhöhte Expression einiger ausgewählter Gene des blutbildenden Systems (z. B. Hba-a1, Hbb-b1 und Rps14) und der Blutgerinnung (z. B. Fgg und F10) sowie einiger hepatischer Gene wie Lpl, Anxa1, c-Myc, Igfbp1, Esm1 und Cdh1 (Microarray-Analyse der Lebern wurde in einer früheren Studie gemessen) bestätigt. Des Weiteren wurde eine leichte, teilweise signifikant erhöhte Expression einiger pro-bzw. antiinflammatorischer Zytokine (IL-1α, IL-1ß, Il-6, IL-10 und TNF-α) in den Lebern und Milzen behandelter AhR-defizienter-Mäuse beobachtet. Die Induktion fremdstoffemtabolisiernder Enzyme wie Cyp1a1, Cyp1a2 und Cyp1b1 in den Organen Leber, Niere, Lunge und Milz behandelter Wildtyp-Mäuse konnte mittels Western-Blot und RT-PCR bestätigt werden, jedoch mit einer Ausnahme. In den Milzen behandelter Wildtyp-Mäuse konnte keine Induktion dieser Enzyme auf mRNA-Ebene beobachtet werden. In den Lebern behandelter AhR-defizienter-Mäuse war die Cyp1b1-Expression signifikant erhöht sowie die AhR-Expression vermindert. Die Induktion der Vitmain D-Rezeptor (VDR)-regulierten Gene Cyp24a1, Cyp27b1 und VDR in den Nieren behandelter AhR-defizienter-Mäuse weist auf die Aktivierung des VDR hin. Des Weiteren stellt die verminderte Expression von c-Myc in den Nieren TCDD-behandelter Knockout-Mäuse ein Hinweis für die Aktivierung des VDR dar. Durch HPLC/MS-MS-gestützte Untersuchung des Vollblutes von AhR-Wildtyp- und AhR-Knockout-Mäusen konnten Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen den Genotypen bestimmt werden. So war es möglich Unterschiede im Aminosäuremetabolismus sowie im Tryptophan-Metabolismus zu identifizieren. Außerdem konnte gezeigt werden, dass sowohl im unbehandelten wie auch im TCDD-behandelten Zustand, Unterschiede zwischen den Genotypen bestanden.
Feine Feststoffe mit einer Korngröße zwischen > 45 µm und ≤ 63 µm (PM63) können als Maß für eine Belastung von Niederschlagsabflüssen dienen, da sie abhängig von der Herkunftsfläche überproportional mit Schadstoffen, wie z.B. Schwermetalle, belastet sein können. Neben den Aktivitäten auf der Herkunftsfläche (Staubniederschlag, Verkehr) beeinflussen jahreszeitliche Randbedingungen und bauliche Gegebenheiten das Feststoffaufkommen sowie den Feststofftransport in die Niederschlagsabflüsse maßgeblich.
Das Ziel der Arbeit war, den Kenntnisstand bezüglich Herkunft, Verhalten und Verbleib, aber auch Zusammensetzung und Korngrößenverteilung von Feststoffen auf Verkehrs- und Dachflächen darzustellen. Anhand der Kenntnisse und der Auswertung von Ergebnissen aus Messkampagnen wurden Gleichungen für unterschiedliche Herkunftsflächen (Verkehrsflächen, Dachflächen, Mischflächen) entwickelt, mit denen das flächenspezifische jährliche Aufkommen abfiltrierbarer Stoffe (AFS) und feiner Feststoffe (PM63) in [kg/(ha∙a)] bzw. jeweils eine mittlere Jahreskonzentration in [mg/l] abgeschätzt werden können.
Die Gleichungen wurden schließlich jeweils einer Sensitivitätsanalyse unterzogen und anhand von gut beschriebenen Messprogrammen zur Gesamtfeststoffkonzentration (AFS) verifiziert.
Da es derzeit noch wenige Studien bezüglich des Aufkommens und -transportes feiner Feststoffe in Niederschlagsabflüssen gibt, blieben einige Fragestellungen offen. Sind in Zukunft weitere Studien über PM63-Anteile, -Aufkommen und -Transport verfügbar, lassen sich die hier zunächst vorgeschlagenen PM63-Anteile und -Faktoren problemlos anpassen.
Carbonsäuren sind in einer breiten strukturellen Vielfalt aus natürlichen Quellen oder über präparative Wege zugänglich und stellen daher attraktive Ausgangsverbindungen für die Erforschung neuer Reaktionen dar. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Entwicklung nachhaltiger katalytischer Verfahren zur Erschließung neuer Einsatzmöglichkeiten von Carbonsäuren und deren Derivaten. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ein rhodiumkatalysiertes Verfahren zur ortho-Acylierung von Carbonsäuren mit Carbonsäureanhydriden entwickelt werden, wodurch ein neuer Zugang zu 2-Acylbenzoesäuren geschaffen wurde. Durch die Kombination mit einem nachfolgenden Protodecarboxylierungsschritt ließen sich dadurch auch Arylketone mit einem definierten Substitutionsmuster synthetisieren. Mit der Weiterentwicklung dieses Verfahrens zu einer Eintopfmethode basierend auf einer C-H-Acylierung / Acylalisierung / Eliminierungskaskade wurde zusätzlich ein neuer Zugang zu 3-Alkylidenphthaliden eröffnet.
Eine alternative Darstellungsmöglichkeit von Arylketonen wurde durch die Entwicklung einer eisenkatalysierten decarboxylierenden Kreuzketonisierung von aromatischen mit aliphatischen Carbonsäuren erreicht. TEM- und STEM-Untersuchungen des Eisenkatalysators nach der Reaktion zeigten, dass dieses Verfahren auch zur Synthese von magnetischen Nanopartikeln genutzt werden kann. Die Weiterentwicklung dieses Verfahrens führte schließlich zu einer effizienten Synthesemethode für monodisperse Maghemit- und Ferrit-Nanokristalle ausgehend von elementaren Metallen.
Zuletzt wurde ein Verfahren zur Aktivierung von Carbonsäuren mittels Isomerisierung von Allylestern zu Enolestern entwickelt. Der dimere Palladium(I)komplex [Pd(μ-Br)P(tBu)3]2 wurde dabei erstmals als geeigneter Katalysator für Doppelbindungsmigrationen identifiziert. Katalysatorbeladungen von bis zu 0.25 mol% reichten bereits aus, um eine vollständige Umsetzung der Allylester zu Enolestern bei sehr milden Temperaturen von bis zu 25 °C zu ermöglichen. Als ein Beispiel für die breite Einsetzbarkeit von Enolestern wurden verzweigte Enolester über eine rhodiumkatalysierte asymmetrische Hydrierung in gesättigte chirale Ester mit hohem Enantiomerenüberschuss überführt. Zusätzlich wurden erste NMR-spektroskopische Untersuchungen und DFT-Berechnungen zur mechanistischen Aufklärung der katalytisch aktiven Spezies aus dem Pd(I)-Dimer angefertigt.
Bei der Herstellung hochbelasteter Strukturbauteile aus Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) wird verbreitet auf textile Halbzeuge wie Gewebe oder vernähte Biaxial-Gelege zurückgegrif-fen. Diese Halbzeuge zeigen im Verbund mit Kunststoffen periodische out-of-plane Roving-welligkeiten. Die Größe der Welligkeiten hängt unter anderem von den Fertigungsparametern der trockenen Halbzeuge ab. Durch das Verständnis der effektiven Kausalitäten zwischen Rovingwelligkeiten und mechanischem Verhalten soll eine bessere rechnerische Abschätzung der Materialkennwerte erzielt werden.
In dieser Arbeit wurde unter anderem der Einfluss der Welligkeitsparameter Amplitude und Wellenlänge auf die faserparallelen Kennwerte an unidirektional verstärkten Proben unter-sucht. Dafür wurden gezielt unterschiedliche Amplituden und Wellenlängen mit Hilfe von unidirektionalen Geweben in die Probekörper eingebracht. Der Einfluss der Rovingwelligkei-ten auf die Steifigkeiten war kleiner als auf die Festigkeiten. Bei Letzten war zu beobachten, dass die Druckfestigkeiten mehr von den Ondulationen beeinflusst wurden als die Zugfestig-keiten. Außerdem wurden die Welligkeiten und die mechanischen Kennwerte von textilen FKV-Geweben und -Gelegen bestimmt. Bei der Auswahl der untersuchten Halbzeuge war ein wichtiges Kriterium, dass diese auch in der Praxis Anwendung finden.
Im nächsten Schritt wurde ein vereinfachtes Finite-Elemente-Welligkeitsmodell entwickelt, welches es ermöglicht, die faserparallelen Kennwerte ohne zeit- und kostenintensive Materi-alversuche zu bestimmen. Speziell für Gewebe-Materialien mit großen Rovingwelligkeiten ist dieses Modell in der Lage, deutlich bessere Abschätzungen als vorhandene Methoden zu ge-ben. Weiterhin wurde auf dieser Basis ein Regressionsmodell für unidirektional verstärkte Materialien abgeleitet, welches auch dem Konstrukteur ohne Erfahrungen im Umgang mit Finiten-Elemente-Programmen die Anwendung des Welligkeitsmodells ermöglicht.
Der Vorteil des entwickelten Welligkeitsmodells wurde in einem dreistufigen Validierungs-programm nachgewiesen. Dieses beinhaltet den Übergang auf multidirektionale Laminate sowie komplexere Bauteilgeometrien. Die verbesserte Prognose mit Hilfe des Welligkeitsmo-dells zeigte sich vor allem bei Materialien mit großen Rovingwelligkeiten und bei Bauteilen die aufgrund eines Faserbruchs durch eine Druckbelastung versagten.
Tandembeschaufelungen werden in Axialverdichtern dort eingesetzt, wo große Strömungsumlenkungen
realisiert werden müssen. Beschaufelungen, bei denen die gesamte Umlenkung
mit nur einem Schaufelprofil realisiert wird, stoßen dabei schnell an ihre aerodynamischen
Grenzen, da es bei hohen Umlenkungen zu Grenzschichtablösung kommen kann.
In Tandembeschaufelungen wird die Umlenkaufgabe auf zwei Schaufelprole aufgeteilt.
An der Vorderkante des in Strömungsrichtung liegenden hinteren Schaufelprofils existiert
eine frische, dünne und ungestörte Grenzschicht für die restliche Umlenkung.
Die Auslegung einer Verdichterbeschaufelung erfolgt gewöhnlich in mehreren koaxialen
Schnitten. Wickelt man einen solchen koaxialen Schnitt in eine Ebene ab, so erhält man ein
sogenanntes Schaufelgitter. Die Überlegenheit von Tandemgittern bezüglich Einzelgittern
bei großen Umlenkungen wurde für zweidimensionale Strömungen bereits häufig in der
Literatur gezeigt. Ebenso sind für zweidimensionale Strömungen durch Tandemgitter die
idealen Parameter für die relative Position der einzelnen Schaufelreihen zueinander und
die Aufteilung der aerodynamischen Last auf die einzelnen Schaufelreihen bekannt. Da
hohe Umlenkungen meist in den letzten Stufen von mehrstufigen Axialverdichtern gefordert
sind, wo die Schaufelhöhenverhältnisse klein sind, wird der Einfluss der Seitenwände
(Nabe und Gehäuse) groß und kann deshalb nicht mehr vernachlässigt werden. Bisher
gibt es allerdings wenig Informationen über die Strömungsstruktur in Tandemgittern an
der Seitenwand und das dreidimensionale Strömungsverhalten. Es ist daher nicht klar, ob
Tandemgitterkonfigurationen, die für zweidimensionale Strömungen die geringsten Verluste
erzeugen, auch in dreidimensionalen Strömungen minimale Verluste verursachen.
In dieser Arbeit werden die experimentellen und numerischen Ergebnisse von vier Tandemgitterkonfigurationen und einem Referenz-Einzelgitter vorgestellt. Die Gitter bestehen
aus NACA 65 Profilen mit kleinem Schaufelhöhenverhältnis. Die Auslegung der Gitter
erfolgte unter Berücksichtigung empirischer Korrelationen von Lieblein und Lei. Die Tandemgitter
unterscheiden sich im Teilungsverhältnis der einzelnen Schaufelreihen und im
Percent Pitch (PP). Alle Gitter bewirken eine Strömungsumlenkung von annähernd 50 Grad
bei einer Reynoldszahl von 8x10^5.
In dieser Arbeit wird gezeigt, wie die Strömung in Tandemgittern strukturiert ist und
insbesondere wie die Sekundärströmung in Tandemgittern entsteht. Anhand der Strömungsstruktur, die mit Hilfe von numerischen und experimentellen Ölanstrichbildern der
Seitenwand und der Profiloberflächen sichtbar gemacht wurde, wird die Verlustentstehung
identifiziert und diskutiert. Corner Stall wird als zentrales Strömungsphänomen in
Tandemgittern ausführlich auf dessen Entstehung und Ausprägung hin untersucht. Strömungsmechanische Kenngrößen, die numerisch und anhand von Messungen ermittelt wurden,
werden miteinander verglichen und der Einfluss der Tandemkonfigurationen auf das
Strömungsfeld im Nachlauf der Gitter wird aufgezeigt. Schließlich werden Empfehlungen gegeben, wie das Teilungsverhältnis der einzelnen Schaufelreihen und der Percent Pitch
(PP) in einem Tandemgitter zu wählen ist, um minimale Strömungsverluste zu realisieren.
Gegenwärtig stellen die hohen Stückkosten das wesentliche Hemmnis für die Marktdurchdringung
endlosfaserverstärkter Bauteile dar. Das umfassende Ziel dieser
Arbeit war daher die Senkung der Prozesskosten durch die Steigerung der Prozessgeschwindigkeit.
Ansatzpunkt bildete der zeitintensive Imprägnierungsvorgang, welcher
durch die Verwendung einer in orthogonaler und planarer Richtung ablaufenden
2D-Imprägnierung optimiert wurde.
In der Analysephase wurden grundlegende Untersuchungen mit einer semi-kontinuierlich
arbeitenden Intervallheißpresse durchgeführt. Dabei zeigten sich komplexe
Wechselwirkungen zwischen inhomogenen Temperatureinstellungen, vorliegender
Druckverteilung, planarem Fließverhalten des Polymers und der resultierenden Imprägnierungsqualität.
Als vorteilhafte Prozessbedingung wurden Polymerfließvorgänge
in Richtung der offenen seitlichen und vorderen Werkzeugkante identifiziert,
welche durch die bei höheren Randtemperaturen vorliegende Druckverteilung begünstigt
werden. Mit einem eigens dafür entwickelten Presswerkzeug ist die prinzipielle
Vorteilhaftigkeit einer Kombination aus orthogonalem und planarem Polymerfließen
auf die Imprägnierungsgeschwindigkeit nachgewiesen worden. Die durchgeführte
Parameterstudie verdeutlicht das Potential durch die Verkürzung der Imprägnierungsdauer
um 33 %. Bei der Analyse der Druckprofile ist für den Übergangsbereich
von der Heiz- zur Kühlzone ein signifikanter Druckabfall festgestellt worden. Um
die dadurch bedingte Dekonsolidierung während der Solidifikation zu verhindern,
wurde ein an das Schwindungsverhalten des Laminats angepasstes Werkzeugdesign
für den Übergangsbereich entwickelt. Dadurch konnte die Reduktion des applizierten
Prozessdrucks verhindert und die Verschlechterung der Organoblechqualität
während der Abkühlung ausgeschlossen werden. Für die Modellierung des
Imprägnierungsvorgangs wurde das B-Faktor-Modell von Mayer durch die Integration
der vom Verarbeitungsdruck abhängigen Sättigungspermeabilität erweitert. Dadurch
wird die Abbildung von Prozessen mit nicht konstantem Prozessdruck ermöglicht.
Die Ergebnisse der Arbeit bilden die Grundlage für die effektive Prozessgestaltung
durch ein materialspezifisches Anlagendesign und die Wahl vorteilhafter Prozessparameter
von der Einzel- bis zur Serienproduktion.