Externe elektrische Gleichspannungsfelder können sowohl den physikalischen, als auch den reaktiven Stoffaustausch bei der Flüssig-Flüssig Extraktion signifikant beeinflussen, wodurch eine Steigerung des Stoffüberganges im elektrischen Feld erzielt werden kann. Die Gründe hierfür sind im elektrischen Feld gesteigerte Grenzflächenturbulenzen und feldinduzierte Konzentrationspolarisationen im Phasengrenzflächenbereich, welche durch Migrationswechselwirkungen verursacht werden. Das elektrische Feld hat bezüglich des reaktiven Stoffübergangs sowohl in Einzel- als auch im Mehrkomponentensystem keinen Einfluss auf das chemische Gleichgewicht. Jedoch wird durch das Feld die Kinetik beschleunigt und das Gleichgewicht schneller erreicht. Auch die maximale Trennselektivität im Mehrkomponentensystem, welche im Gleichgewicht erreicht wird, wird nicht durch das Feld verändert. Diese ist primär von der Konzentration und der Säurestärke abhängig. Lediglich im Falle sehr schwacher Säuren ist das Gleichgewicht über das natürliche hinaus verschiebbar. Diese Stoffaustauscherhöhung ist durch die im elektrischen Feld erhöhte Dissoziation der Übergangskomponente gemäß dem 2. Wien’schen Effekt erklärbar. Zudem ist die feldinduzierte Stoffaustauscherhöhung stark von der Feldwirkrichtung abhängig. Der Feldeinfluss ist dann maximal, wenn das Feld direkt in Stoffübergangs-richtung wirkt. Dies ist bei unbewegten (z. B. planaren) Grenzflächen erreichbar. So konnte in planaren Stoffübergangszellen und am hängenden Tropfen eine starke Stoffaus-tauschbeschleunigung in der Größenordnung von ca. 1000 % erzielt werden. Am bewegten Tropfen konnte zwar eine Stoffaustauscherhöhung durch die im Feld geänderten hydrodynamischen Betriebsgrößen (wie Tropfengröße und Verweilzeit) erzielt werden, jedoch konnte darüber hinaus keine weitere Stoffaustauschbeschleunigung erzielt werden. Dies kann damit erklärt werden, dass bei bewegter sphärischer Grenzflächengeometrie das Feld nicht nur in Stoffübergangsrichtung wirkt und feldinduzierte Polarisations-erscheinungen sich weitgehend kompensieren. Daher gelingt in klassischen Extraktionsapparaten, welche mit Dispergierung und Tropfen-bildung arbeiten, die Verfahrensumsetzung der kontinuierlich betriebenen Extraktion im Hochspannungsfeld nicht effizient. Diese gelingt in einem speziellen Zentrifugalextraktor, dem Taylor-Couette Elektroextraktor, in wessen Ringsspalt zwischen zwei als Elektroden fungierenden, konzentrischen Zylindern auf Grund der Rotationsbewegung sich eine planaranaloge, zylindrische Phasengrenzfläche ausbildet und das Feld somit direkt in Stoffübergangsrichtung wirken kann. Auch wird der stationäre Betriebszustand binnen weniger Minuten erreicht. Zudem entstehen im Phasengrenzbereich Taylorverwirblungen, welche ebenfalls den Stoffaustausch erhöhen. Zur theoretischen Beschreibung konnten Stoffübergangsmodelle entwickelt werden, welche die feldinduzierten Polarisationseffekte berücksichtigen. So gelingt die Berechnung des reaktiven Stoffaustauschs über ein elektrostatisch erweitertes Kinetikmodell, welches neben der chemischen Reaktion, der Grenzflächenadsorption des Ionenaustauschers und dem Reaktionsgleichgewicht, auch die Migration über die Nernst Planck Gleichung, sowie auch die Elektrodissoziation über einen Ansatz nach Onsager berücksichtigt. Die Berücksichtigung der im elektrischen gesteigerten Grenzflächenturbulenz gelingt über einen elektrostatisch erweiterten Ansatz nach Maroudas und Sawistowski. Auch wurde ein Modell zur Berechnung des Stoffübergangs im Taylor-Couette Extraktors vorgestellt. Die Berechnung der anliegenden elektrischen Felder gelingt über die Finite Elemente Methode basierend auf den Maxwell’schen Gleichungen oder vereinfacht über die Laplace Gleichung. Wesentlich ist, dass nicht die Elektrodenpotentialdifferenz, sondern das berechnete Potential an der Phasengrenzfläche den Stofftransfer im elektrischen Feld bestimmt, was durch die Simulationsrechnungen bestätigt wurde.

The use of polymers subjected to various tribological situations has become state of the art. Owing to the advantages of self-lubrication and superior cleanliness, more and more polymer composites are now being used as sliding elements, which were formerly composed of metallic materials only. The feature that makes polymer composites so promising in industrial applications is the opportunity to tailor their properties with special fillers. The main aim of this study was to strength the importance of integrating various functional fillers in the design of wear-resistant polymer composites and to understand the role of fillers in modifying the wear behaviour of the materials. Special emphasis was focused on enhancement of the wear resistance of thermosetting and thermoplastic matrix composites by nano-TiO2 particles (with a diameter of 300nm). In order to optimize the content of various fillers, the tribological performance of a series of epoxy-based composites, filled with short carbon fibre (SCF), graphite, PTFE and nano-TiO2 in different proportions and combinations, was investigated. The patterns of frictional coefficient, wear resistance and contact temperature were examined by a pin-on-disc apparatus in a dry sliding condition under different contact pressures and sliding velocities. The experimental results indicated that the addition of nano-TiO2 effectively reduced the frictional coefficient, and consequently the contact temperature, of short-fibre reinforced epoxy composites. Based on scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) observations of the worn surfaces, a positive rolling effect of the nanoparticles between the material pairs was proposed, which led to remarkable reduction of the frictional coefficient. In particular, this rolling effect protected the SCF from more severe wear mechanisms, especially in high sliding pressure and speed situations. As a result, the load carrying capacity of materials was significantly improved. In addition, the different contributions of two solid lubricants, PTFE powders and graphite flakes, on the tribologicalperformance of epoxy nanocomposites were compared. It seems that graphite contributes to the improved wear resistance in general, whereas PTFE can easily form a transfer film and reduce the wear rate, especially in the running-in period. A combination of SCF and solid lubricants (PTFE and graphite) together with TiO2 nanoparticles can achieve a synergistic effect on the wear behaviour of materials. The favourable effect of nanoparticles detected in epoxy composites was also found in the investigations of thermoplastic, e.g. polyamide (PA) 6,6 matrix. It was found that nanoparticles could reduce the friction coefficient and wear rate of the PA6,6 composite remarkably, when additionally incorporated with short carbon fibres and graphite flakes. In particular, the addition of nanoparticles contributed to an obvious enhancement of the tribological performances of the short-fibre reinforced, hightemperature resistant polymers, e.g. polyetherimide (PEI), especially under extreme sliding conditions. A procedure was proposed in order to correlate the contact temperature and the wear rate with the frictional dissipated energy. Based on this energy consideration, a better interpretation of the different performance of distinct tribo-systems is possible. The validity of the model was illustrated for various sliding tests under different conditions. Although simple quantitative formulations could not be expected at present, the study may lead to a fundamental understanding of the mechanisms controlling friction and wear from a general system point of view. Moreover, using the energybased models, the artificial neural network (ANN) approach was applied to the experimental data. The well-trained ANN has the potential to be further used for online monitoring and prediction of wear progress in practical applications.Die Verwendung von Polymeren im Hinblick auf verschiedene tribologische Anwendungen entspricht mittlerweile dem Stand der Technik. Aufgrund der Vorteile von Selbstschmierung und ausgezeichneter Sauberkeit werden polymere Verbundwerkstoffe immer mehr als Gleitelemente genutzt, welche früher ausschließlich aus metallischen Werkstoffen bestanden. Die Besonderheit, die polymere Verbundwerkstoffe so vielversprechend für industrielle Anwendungen macht, ist die Möglichkeit ihre Eigenschaften durch Zugabe von speziellen Füllstoffen maßzuschneidern. Das Hauptziel dieser Arbeit bestand darin, die Wichtigkeit der Integration verschiedener funktionalisierter Füllstoffe in den Aufbau polymerer Verbundwerkstoffe mit hohem Verschleißwiderstand aufzuzeigen und die Rolle der Füllstoffe hinsichtlich des Verschleißverhaltens zu verstehen. Hierbei lag besonderes Augenmerk auf der Verbesserung des Verschleißwiderstandes bei Verbunden mit duromerer und thermoplastischer Matrix durch die Präsenz von TiO2-Partikeln (Durchmesser 300nm). Das tribologische Verhalten epoxidharzbasierter Verbunde, gefüllt mit kurzen Kohlenstofffasern (SCF), Graphite, PTFE und nano-TiO2 in unterschiedlichen Proportionen und Kombinationen wurde untersucht, um den jeweiligen Füllstoffgehalt zu optimieren. Das Verhalten von Reibungskoeffizient, Verschleißwiderstand und Kontakttemperatur wurde unter Verwendung einer Stift-Scheibe Apparatur bei trockenem Gleitzustand, verschiedenen Kontaktdrücken und Gleitgeschwindigkeiten erforscht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von nano-TiO2 in kohlenstofffaserverstärkte Epoxide den Reibungskoeffizienten und die Kontakttemperatur herabsetzen können. Basierend auf Aufnahmen der verschlissenen Oberflächen durch Rasterelektronen- (REM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) trat ein positiver Rolleffekt der Nanopartikel zwischen den Materialpaaren zum Vorschein, welcher zu einer beachtlichen Reduktion des Reibungskoeffizienten führte. Dieser Rolleffekt schützte insbesondere die SCF vor schwerwiegenderen Verschleißmechanismen, speziell bei hohem Gleitdruck und hohen Geschwindigkeiten. Als Ergebnis konnte die Tragfähigkeit dieser Materialien wesentlich verbessert werden. Zusätzlich wurde die Wirkung zweier fester Schmierstoffe (PTFE-Pulver und Graphit-Flocken) auf die tribologische Leistungsfähigkeit verglichen. Es scheint, daß Graphit generell zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes beiträgt, wobei PTFE einen Transferfilm bilden kann und die Verschleißrate insbesondere in der Einlaufphase reduziert. Die Kombination von SCF und festen Schmierstoffen zusammen mit TiO2-Nanopartikeln kann einen Synergieeffekt bei dem Verschleißverhalten der Materialien hervorrufen. Der positive Effekt der Nanopartikel in Duromeren wurde ebenfalls bei den Untersuchungen von Thermoplasten (PA 66) gefunden. Die Nanopartikel konnten den Reibungskoeffizienten und die Verschleißrate der PA 66-Verbunde herabsetzen, wobei zusätzlich Kohlenstofffasern und Graphit-Flocken enthalten waren. Die Zugabe von Nanopartikeln trug offensichtlich auch zur Verbesserung der tribologischen Leistungsfähigkeit von SCF-verstärkten, hochtemperaturbeständigen Polymeren (PEI) insbesondere unter extremen Gleitzuständen, bei. Es wurde eine Methode vorgestellt, um die Kontakttemperatur und die Verschleißrate mit der durch Reibung dissipierten Energie zu korrelieren. Diese Energiebetrachtung ermöglicht eine bessere Interpretation der verschiedenen Eigenschaften von ausgewählten Tribo-Systemen. Die Gültigkeit dieses Models wurde für mehrere Gleittests unter verschiedenen Bedingungen erklärt. Vom generellen Blickpunkt eines tribologischen Systems aus mag diese Arbeit zu einem fundamentalen Verständnis der Mechanismen führen, welche das Reibungsund Verschleißverhalten kontrollieren, obwohl hier einfache quantitative (mathematische) Zusammenhänge bisher nicht zu erwarten sind. Der auf energiebasierenden Modellen fußende Lösungsansatz der neuronalen Netzwerke (ANN) wurde darüber hinaus auf die experimentellen Datensätze angewendet. Die gut trainierten ANN's besitzen das Potenzial sie in der praktischen Anwendungen zur Online- Datenauswertung und zur Vorhersage des Verschleißfortschritts einzusetzen.

This thesis deals with the development of thermoplastic polyolefin elastomers using recycled polyolefins and ground tyre rubber (GTR). The disposal of worn tyres and their economic recycling mean a great challenge nowadays. Material recycling is a preferred way in Europa owing to legislative actions and ecological arguments. This first step with worn tyres is already done in this direc-tion as GTR is available in different fractions in guaranteed quality. As the traditional applications of GTR are saturated, there is a great demand for new, value-added products containing GTR. So, the objective of this work was to convert GTR by reac-tive blending with polyolefins into thermoplastic elastomers (TPE) of suitable me-chanical and rheological properties. It has been established that bituminous reclamation of GTR prior to extrusion melt compounding with polyolefins is a promising way of TPE production. By this way the sol-content (acetone soluble fraction) of the GTR increases and the GTR particles can be better incorporated in the corresponding polyolefin matrix. The adhesion be-tween GTR and matrix is given by molecular intermingling in the resulting interphase. GTR particles of various production and mean particle size were involved in this study. As polyolefins recycled low-density polyethylene (LDPE), recycled high-density polyethylene (HDPE) and polypropylene (PP) were selected. First, the opti-mum conditions for the GTR reclamation in bitumen were established (160 °C < T < 180 °C; time ca. 4 hours). Polyolefin based TPEs were produced after GTR reclamation in extrusion compounding. Their mechanical (tensile behaviour, set properties), thermal (dynamic-mechanical thermal analysis, differential scanning calorimetry) and rheological properties (both in low- and high-shear rates ) were determined. The PE-based blends contained an ethylene/propylene/diene (EPDM) rubber as compatibilizer and their composition was as follows: PE/EPDM/GTR:bitumen = 50/25/25:25. The selected TPEs met the most important criterion, i.e. elongation at break > 100 %; compression set < 50%. The LDPE-based TPE (TPE(LDPE)) showed better me-chanical performance compared to the TPE(HDPE). This was assigned to the higher crystallinity of the HDPE. The PP-based blends of the compositions PP/(GTR-bitumen) 50/50 and 25/75, whereby the ratio of GTR/bitumen was 60/40, outperformed those containing non-reclaimed GTR. The related blends showed also a better compatibility with a PP-based commercial thermoplastic dynamic vulcanizate (TDV). Surprisingly, the mean particle size of the GTR, varied between < 0.2 and 0.4-0.7 mm, had a small effect on the mechanical properties, however somewhat larger for the rheological behaviour of the TPEs produced.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Tropfen-Tropfen Koaleszenzphänomenen in Flüssig-Flüssig Dispersionen. Ziel der Arbeit war es mit Hilfe einfacher Laborapparaturen die kennzeichnenden Koaleszenzparameter zu identifizieren und zu quantifizieren. Im Fokus der Untersuchungen lagen die von der EFCE (European Federation of Chemical Engineers) empfohlenen Teststoffsysteme Toluol/Aceton/Wasser und n-Butylacetat/Aceton/Wasser. Messungen in einem Rührbehälter bzw. in einer Venturizelle haben gezeigt, dass die Tropfen-Tropfen-Koaleszenz von einer Vielzahl von Parametern abhängig ist. Neben den Betriebs- und Stoffdaten bestimmt auch die chemische Zusammensetzung des Systems das Koaleszenzverhalten. Ionische Verunreinigungen und auch Basen haben eine koaleszenz-hemmende Wirkung, wohingegen Säuren und auch bestimmte Elektrolyte die Tropfen-Tropfen-Koaleszenz begünstigen. Beide Phänomene sind auf die Ladungsverteilung im Bereich der Phasengrenzfläche und die damit verbundene Ausdehnung der elektrochemischen Doppelschicht zurückzuführen. Im Falle von Stoffaustauschuntersuchungen bestimmt darüber hinaus auch die Anwesenheit einer Transferkomponente das Koaleszenzgeschehen. Beobachtungen aus der Literatur konnten bestätigt werden, dass die Koaleszenz verstärkt wird, wenn der Stoffaustausch von der dispersen in die kontinuierliche Phase realisiert wird. Tropfengröße und Hold-up sind dann, im Vergleich zu den Untersuchungen ohne Stoffaustausch, für die Koaleszenz nicht mehr relevant. Mit Kenntnis der grundsätzlichen Einflussfaktoren wurden die unbekannten Koaleszenz-parmeter im Segment eines technischen Extraktionsapparates vom Typ RDC (Rotating Disc Contactor) bestimmt. Dazu wurden die Tropfengrößenverteilungen am Ein- und Austritt des Segments in Abhängigkeit von Energieeintrag und Belastung vermessen. Auf Basis eines diskreten Tropfen-Populations-Bilanz-Modells wurde ein Optimierungsalgorithmus entwickelt, der unter Variation der modellspezifischen Anpassungsparameter die simulierte Tropfen-größenverteilung am Austritt an die experimentell bestimmte Verteilung anpassen kann. Modellansätze von Sovova und von Coulaloglou und Tavlarides waren Gegenstand der Optimierung. Die Berechnung der Tropfenaufstiegsgeschwindigkeit und der Zerfallsfrequenz erfolgte auf Basis von Korrelationen, die aus Einzeltropfenuntersuchungen entwickelt wurden. Auf Basis der zur Verfügung stehenden Modellparameter wurden Simulationsrechnungen für eine Technikumskolonne vom Typ RDC durchgeführt und mit experimentellen Messergebnissen verglichen und bewertet. Insbesondere die Simulationsergebnisse mit dem Stoffsystem n-Butylacetat/Wasser zeigten die Bedeutung der Koaleszenz für eine korrekte Kolonnenberechnung auf. Aufgrund der geringen Grenzflächenspannung des Systems sind die tropfengrößenspezifischen Zerfallswahrscheinlichkeiten bereits bei geringen Rotordrehzahlen verhältnismäßig hoch. Dies führt bei einer Vernachlässigung der Koaleszenz zu einer Tropfengrößenverteilung, die zu kleine Tropfendurchmesser voraus berechnet und signifi-kant von den experimentellen Ergebnissen abweicht. Insbesondere das Modell von Coulaloglou und Tavlarides vermag die Gegebenheiten für die untersuchten Betriebs- und Stoffdaten korrekt wiederzugeben. Das Modell von Sovova kann aufgrund seiner Modellcharakteristik die Tropfen-Tropfen-Koaleszenz in gerührten Flüssig-Flüssig-Dispersionen nicht exakt beschreiben.

The use of polymers subjected to various tribological situations has become state of the art. Owing to the advantages of self-lubrication and superior cleanliness, more and more polymer composites are now being used as sliding elements, which were formerly composed of metallic materials only. The feature that makes polymer composites so promising in industrial applications is the opportunity to tailor their properties with special fillers. The main aim of this study was to strength the importance of integrating various functional fillers in the design of wear-resistant polymer composites and to understand the role of fillers in modifying the wear behaviour of the materials. Special emphasis was focused on enhancement of the wear resistance of thermosetting and thermoplastic matrix composites by nano-TiO2 particles (with a diameter of 300nm). In order to optimize the content of various fillers, the tribological performance of a series of epoxy-based composites, filled with short carbon fibre (SCF), graphite, PTFE and nano-TiO2 in different proportions and combinations, was investigated. The patterns of frictional coefficient, wear resistance and contact temperature were examined by a pin-on-disc apparatus in a dry sliding condition under different contact pressures and sliding velocities. The experimental results indicated that the addition of nano-TiO2 effectively reduced the frictional coefficient, and consequently the contact temperature, of short-fibre reinforced epoxy composites. Based on scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) observations of the worn surfaces, a positive rolling effect of the nanoparticles between the material pairs was proposed, which led to remarkable reduction of the frictional coefficient. In particular, this rolling effect protected the SCF from more severe wear mechanisms, especially in high sliding pressure and speed situations. As a result, the load carrying capacity of materials was significantly improved. In addition, the different contributions of two solid lubricants, PTFE powders and graphite flakes, on the tribological performance of epoxy nanocomposites were compared. It seems that graphite contributes to the improved wear resistance in general, whereas PTFE can easily form a transfer film and reduce the wear rate, especially in the running-in period. A combination of SCF and solid lubricants (PTFE and graphite) together with TiO2 nanoparticles can achieve a synergistic effect on the wear behaviour of materials. The favourable effect of nanoparticles detected in epoxy composites was also found in the investigations of thermoplastic, e.g. polyamide (PA) 6,6 matrix. It was found that nanoparticles could reduce the friction coefficient and wear rate of the PA6,6 composite remarkably, when additionally incorporated with short carbon fibres and graphite flakes. In particular, the addition of nanoparticles contributed to an obvious enhancement of the tribological performances of the short-fibre reinforced, hightemperature resistant polymers, e.g. polyetherimide (PEI), especially under extreme sliding conditions. A procedure was proposed in order to correlate the contact temperature and the wear rate with the frictional dissipated energy. Based on this energy consideration, a better interpretation of the different performance of distinct tribo-systems is possible. The validity of the model was illustrated for various sliding tests under different conditions. Although simple quantitative formulations could not be expected at present, the study may lead to a fundamental understanding of the mechanisms controlling friction and wear from a general system point of view. Moreover, using the energybased models, the artificial neural network (ANN) approach was applied to the experimental data. The well-trained ANN has the potential to be further used for online monitoring and prediction of wear progress in practical applications. Die Verwendung von Polymeren im Hinblick auf verschiedene tribologische Anwendungen entspricht mittlerweile dem Stand der Technik. Aufgrund der Vorteile von Selbstschmierung und ausgezeichneter Sauberkeit werden polymere Verbundwerkstoffe immer mehr als Gleitelemente genutzt, welche früher ausschließlich aus metallischen Werkstoffen bestanden. Die Besonderheit, die polymere Verbundwerkstoffe so vielversprechend für industrielle Anwendungen macht, ist die Möglichkeit ihre Eigenschaften durch Zugabe von speziellen Füllstoffen maßzuschneidern. Das Hauptziel dieser Arbeit bestand darin, die Wichtigkeit der Integration verschiedener funktionalisierter Füllstoffe in den Aufbau polymerer Verbundwerkstoffe mit hohem Verschleißwiderstand aufzuzeigen und die Rolle der Füllstoffe hinsichtlich des Verschleißverhaltens zu verstehen. Hierbei lag besonderes Augenmerk auf der Verbesserung des Verschleißwiderstandes bei Verbunden mit duromerer und thermoplastischer Matrix durch die Präsenz von TiO2-Partikeln (Durchmesser 300nm). Das tribologische Verhalten epoxidharzbasierter Verbunde, gefüllt mit kurzen Kohlenstofffasern (SCF), Graphite, PTFE und nano-TiO2 in unterschiedlichen Proportionen und Kombinationen wurde untersucht, um den jeweiligen Füllstoffgehalt zu optimieren. Das Verhalten von Reibungskoeffizient, Verschleißwiderstand und Kontakttemperatur wurde unter Verwendung einer Stift-Scheibe Apparatur bei trockenem Gleitzustand, verschiedenen Kontaktdrücken und Gleitgeschwindigkeiten erforscht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von nano-TiO2 in kohlenstofffaserverstärkte Epoxide den Reibungskoeffizienten und die Kontakttemperatur herabsetzen können. Basierend auf Aufnahmen der verschlissenen Oberflächen durch Rasterelektronen- (REM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) trat ein positiver Rolleffekt der Nanopartikel zwischen den Materialpaaren zum Vorschein, welcher zu einer beachtlichen Reduktion des Reibungskoeffizienten führte. Dieser Rolleffekt schützte insbesondere die SCF vor schwerwiegenderen Verschleißmechanismen, speziell bei hohem Gleitdruck und hohen Geschwindigkeiten. Als Ergebnis konnte die Tragfähigkeit dieser Materialien wesentlich verbessert werden. Zusätzlich wurde die Wirkung zweier fester Schmierstoffe (PTFE-Pulver und Graphit-Flocken) auf die tribologische Leistungsfähigkeit verglichen. Es scheint, daß Graphit generell zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes beiträgt, wobei PTFE einen Transferfilm bilden kann und die Verschleißrate insbesondere in der Einlaufphase reduziert. Die Kombination von SCF und festen Schmierstoffen zusammen mit TiO2-Nanopartikeln kann einen Synergieeffekt bei dem Verschleißverhalten der Materialien hervorrufen. Der positive Effekt der Nanopartikel in Duromeren wurde ebenfalls bei den Untersuchungen von Thermoplasten (PA 66) gefunden. Die Nanopartikel konnten den Reibungskoeffizienten und die Verschleißrate der PA 66-Verbunde herabsetzen, wobei zusätzlich Kohlenstofffasern und Graphit-Flocken enthalten waren. Die Zugabe von Nanopartikeln trug offensichtlich auch zur Verbesserung der tribologischen Leistungsfähigkeit von SCF-verstärkten, hochtemperaturbeständigen Polymeren (PEI) insbesondere unter extremen Gleitzuständen, bei. Es wurde eine Methode vorgestellt, um die Kontakttemperatur und die Verschleißrate mit der durch Reibung dissipierten Energie zu korrelieren. Diese Energiebetrachtung ermöglicht eine bessere Interpretation der verschiedenen Eigenschaften von ausgewählten Tribo-Systemen. Die Gültigkeit dieses Models wurde für mehrere Gleittests unter verschiedenen Bedingungen erklärt. Vom generellen Blickpunkt eines tribologischen Systems aus mag diese Arbeit zu einem fundamentalen Verständnis der Mechanismen führen, welche das Reibungs und Verschleißverhalten kontrollieren, obwohl hier einfache quantitative (mathematische) Zusammenhänge bisher nicht zu erwarten sind. Der auf energiebasierenden Modellen fußende Lösungsansatz der neuronalen Netzwerke (ANN) wurde darüber hinaus auf die experimentellen Datensätze angewendet. Die gut trainierten ANN's besitzen das Potenzial sie in der praktischen Anwendungen zur Online- Datenauswertung und zur Vorhersage des Verschleißfortschritts einzusetzen.

In der vorliegenden Arbeit wurde das Potenzial neuer Faser-Kunststoff-Verbunde auf Basis von Duromeren mit hybrider und interpenetrierender Struktur und Kohlenstofffasern analysiert. Die Motivation bestand darin, neue, innovative Harze im Hinblick auf ihren Einsatz als Matrixsysteme für Flüssigimprägnierverfahren zum Herstellen kontinuierlich kohlenstofffaserverstärkter Verbundwerkstoffe zu untersuchen. Besonderes Augenmerk lag hierbei auf der Ausbildung der Faser/Matrix-Grenzschicht und deren Einfluss auf das gesamte Eigenschaftsprofil der Verbunde. Als Matrixsysteme wurden ein Vinylester-Urethan-Hybridharz (VEUH), eine mit Flüssigkautschuk (ETBN) modifizierte Variante dieses Harzsystems und eine Verbindung zwischen Epoxid (EP) und Vinylester (VE) verwendet. Nach Charakterisierung der Reinharzsysteme und der Auswahl einer geeigneten Kohlenstofffaser wurden Laminate im Harzinjektionsverfahren sowie im Nasswickelverfahren gefertigt. Es hat sich gezeigt, dass konventionelle, mikromechanische Testmethoden zur Charakterisierung der Faser/Matrix-Grenzschicht unter Verwendung dieser Materialien nur bedingt anwendbar sind und die damit erzielten Ergebnisse nicht ausreichen, um Korrelationen mit den makromechanischen Kennwerten aufzustellen. Vielmehr erwiesen sich Faserbündeltests als eine gute Alternative, um wichtige Informationen in Bezug auf die Bildung und Charakterisierung der Grenzschicht zu erlangen. Beispielsweise reagierte der Querzugfaserbündeltest (QFT) äußerst sensibel auf Änderungen in der Grenzschicht und ist nicht zuletzt aufgrund der Berücksichtigung mesomechanischer Aspekte besser geeignet, um makromechanische Tendenzen widerzuspiegeln. Aus diesem Grund und weiterhin mit dem Verdacht auf erheblich hohe Eigenspannungen in den VEUH-Verbunden wurde ein Makro/Mikro-Modell erstellt und mit Hilfe der Finiten Elemente Methode analysiert. Die Ergebnisse gaben sowohl Aufschluss über die Entwicklung der thermischen Eigenspannungen, als auch über Ort und Höhe der wirkenden Spannungskomponenten. Ein wichtiges Resultat war, dass über 75% der relevanten Spannungskomponenten bereits bei der Abkühlung durch die induzierten thermischen Eigenspannungen entstehen. Weiterhin standen die Ergebnisse im Einklang mit experimentell ermittelten Daten und mikroskopisch beobachteten Ereignissen. So konnte gezeigt werden, dass die herrschenden Spannungszustände in guter Annäherung die auftretenden Versagensmechanismen beschreiben. Des Weiteren wurden mehrere neue Ansätze zur Ergebnisinterpretation verschienener Testmethoden verfolgt. Diese Vorgehensweisen lieferten ebenfalls Informationen über den Status der Faser/Matrix-Grenzschicht. Es wurde insbesondere bei den in dieser Arbeit untersuchten neuartigen Harzsystemen deutlich, dass bisher gewonnenes Fachwissen auf dem Gebiet der Faser/Matrix- Grenzfläche nicht zwingend auf neue Materialkombinationen übertragbar ist. Ferner verweisen die Ergebnisse auf die Ernsthaftigkeit der Grenzschichtproblematik in FKV, da deutlich herausgearbeitet wird, wie breit das Spektrum sein kann, über das sich der Einfluss der Faser/Matrix-Grenzschicht erstreckt.

This thesis aims at an overall improvement of the diffusion coefficient predictions. For this reason the theoretical determination of diffusion, viscosity, and thermodynamics in liquid systems is discussed. Furthermore, the experimental determination of diffusion coefficients is also part of this work. All investigations presented are carried out for organic binary liquid mixtures. Diffusion coefficient data of 9 highly nonideal binary mixtures are reported over the whole concentration range at various temperatures, (25, 30, and 35) °C. All mixtures investigated in a Taylor dispersion apparatus consist of an alcohol (ethanol, 1-propanol, or 1-butanol) dissolved in hexane, cyclohexane, carbon tetrachloride, or toluene. The uncertainty of the reported data is estimated to be within 3&#61655;10-11 m2&#61655;s-1. To compute the thermodynamic correction factor an excess Gibbs energy model is required. Therefore, the applicability of COSMOSPACE to binary VLE predictions is thoroughly investigated. For this purpose a new method is developed to determine the required molecular parameters such as segment types, areas, volumes, and interaction parameters. So-called sigma profiles form the basis of this approach which describe the screening charge densities appearing on a molecule’s surface. To improve the prediction results a constrained two-parameter fitting strategy is also developed. These approaches are crucial to guarantee the physical significance of the segment parameters. Finally, the prediction quality of this approach is compared to the findings of the Wilson model, UNIQUAC, and the a priori predictive method COSMO-RS for a broad range of thermodynamic situations. The results show that COSMOSPACE yields results of similar quality compared to the Wilson model, while both perform much better than UNIQUAC and COSMO-RS. Since viscosity influences also the diffusion process, a new mixture viscosity model has been developed on the basis of Eyring’s absolute reaction rate theory. The nonidealities of the mixture are accounted for with the thermodynamically consistent COSMOSPACE approach. The required model and component parameters are derived from sigma-profiles, which form the basis of the a priori predictive method COSMO-RS. To improve the model performance two segment parameters are determined from a least-squares analysis to experimental viscosity data, whereas a constraint optimisation procedure is applied. In this way the parameters retain their physical meaning. Finally, the viscosity calculations of this approach are compared to the findings of the Eyring-UNIQUAC model for a broad range of chemical mixtures. These results show that the new Eyring-COSMOSPACE approach is superior to the frequently employed Eyring-UNIQUAC method. Finally, on the basis of Eyring’s absolute reaction rate theory a new model for the Maxwell-Stefan diffusivity has been developed. This model, an extension of the Vignes equation, describes the concentration dependence of the diffusion coefficient in terms of the diffusivities at infinite dilution and an additional excess Gibbs energy contribution. This energy part allows the explicit consideration of thermodynamic nonidealities within the modelling of this transport property. If the same set of interaction parameters, which has been derived from VLE data, is applied for this part and for the thermodynamic correction, a theoretically sound modelling of VLE and diffusion can be achieved. The influence of viscosity and thermodynamics on the model accuracy is thoroughly investigated. For this purpose diffusivities of 85 binary mixtures consisting of alkanes, cycloalkanes, halogenated alkanes, aromatics, ketones, and alcohols are computed. The average relative deviation between experimental data and computed values is approximately 8 % depending on the choice of the gE-model. These results indicate that this model is superior to some widely used methods. In summary, it can be said that the new approach facilitates the prediction of diffusion coefficients. The final equation is mathematically simple, universally applicable, and the prediction quality is as good as other models recently developed without having to worry about additional parameters, like pure component physical property data, self diffusion coefficients, or mixture viscosities. In contrast to many other models, the influence of the mixture viscosity can be omitted. Though a viscosity model is not required in the prediction of diffusion coefficients with the new equation, the models presented in this work allow a consistent modelling approach of diffusion, viscosity, and thermodynamics in liquid systems.

Im Rahmen dieser wurden neuartige Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen aus kontinuierlich faserverstärkten Thermoplasten untersucht. Prozesskombinationen aus Faserbündelimprägnierung und Wickeltechnik wurden in der Vergangenheit weitestgehend vernachlässigt, aufgrund der technisch schon sehr anspruchsvollen Imprägnierung einer großen Anzahl von Fasern mit einer hochviskosen Thermoplastschmelze. In jüngerer Vergangenheit wurde jedoch eine neue Technologie entwickelt, die sogenannte Imprägnierrad-Technologie, die eine hochwertige Schmelzeimprägnierung von Faserrovings ermöglicht. Aufgrund der beachtlichen Imprägniergeschwindigkeit und der spezifischen Charakteristika des Prozesses, bot sich die Technologie für eine Prozesskombination mit der Wickeltechnik an. Nach Auslegung und Umsetzung des Entwurfs der Anlagentechnik, wurden umfassende Parameterstudien durchgeführt. Glasfaserverstärkte Polypropylen- und Polyamid 12-Rohrabschnitte wurden mit Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 15 m/min hergestellt. Die gegenwärtige Begrenzung der Prozessgeschwindigkeit ist nicht durch die Imprägniergüte bedingt, sondern durch den übermäßigen Anstieg der Kräfte, die benötigt werden, um das Faserbündel von den Imprägnierwerkzeugen abzuziehen. Anlagentechnische Maßnahmen zur Entschärfung dieser Problematik und zur allgemeinen Verbesserung, sowie der damit verbundenen Steigerung der Produktivität wurden vorgeschlagen. Die Wirtschaftlichkeit der Prozesskombination wurde auf Basis einer Kostenvergleichsrechnung bewertet. Die einzigartige Möglichkeit mit einer Prozesskombination den Faservolumengehalt in radialer Richtung in einem Bauteil zu variieren wurde gezeigt. Rollformen als Verfahren zur Herstellung von Profilen mit einer großen Vielfalt von Querschnittsgeometrien aus Metallblechen hat aufgrund seiner hohen Produktivität weite Verbreitung in einer Vielzahl von Industriezweigen gefunden. Durch die Adaption dieses Verfahrens zur Verarbeitung von kontinuierlich verstärkten, thermoplastischen Faserkunststoffverbunden können lange Komponenten, die all die Vorteile dieser Materialien besitzen, auf eine effiziente Art und Weise gefertigt werden. Gewebeverstärkte GF/PP- und GF/PA66-Plattenhalbzeuge wurden erfolgreich zu Hutprofilen umgeformt, mit Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/min. Die Fähigkeit teilkristalline Thermoplaste im Zustand einer unterkühlten Schmelze bei Tem-peraturen unter der Schmelztemperatur umzuformen wurde im Prozess gezielt ausgenutzt. Besondere Aufmerksamkeit wurde dem Werkzeugdesign gewidmet, um dem Umformverhalten kontinuierlich verstärkter Thermoplaste Rechnung zu tragen. Die Qualität der Profile wurde maßgeblich von der Zustelltemperatur der Halbzeuge in den ersten Rollenstand sowie der Austrittstemperatur aus dem Prozess beeinflusst. Das Temperaturprofil des Materials während der Verarbeitung und das Prozesslayout müssen als Funktion von Verarbeitungsgeschwindigkeit und Materialeigenschaften aufeinander abgestimmt werden, um Profile hoher Qualität herzustellen. Die Komplexität und die Schwierigkeiten eines theoretischen Ansatzes zur Beschreibung des Prozesses wurden angesprochen, aber auch auf die Notwendigkeit eines solchen zur Weiterentwicklung des Verfahrens wurde hingewiesen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein einfaches FE-Modell zur Simulation des Stempelumformens eines Organoblechs zu einem Hutprofil entwickelt. Trotz des unterschiedlichen Formgebungsprozesses konnten einige allgemeine Erkenntnisse gewonnen werden, die auch für den Rollformprozess von Bedeutung sind. Einige anlagentechnische Maßnahmen zur Steigerung der Produktqualität im Rah-men zukünftiger Arbeiten wurden vorgeschlagen.