Energetic Surface Properties in Crystallization Fouling on Modified Surfaces

Ein Ansatz um Kristallisationsfouling dauerhaft zu mindern, besteht in der oberflächenenergetischen Modifikation von wärmeübertragenden Flächen. So genannte DLC (diamond-like carbon) Beschichtungen sind hierfür besonders günstig, da ihre oberflächenenergetischen Parameter eingestellt werden können. Allerdings ist der Wirkmechanismus, den die Oberflächenenergie (OFE) auf den Ablagerungsprozess ausübt, bis heute noch nicht vollends aufgeklärt. In der Literatur werden für die Minderung des Foulingaufkommens insbesondere eine geringe Gesamt-OFE und ein relativ großer polarer Lewis-Base-Anteil als vorteilhaft diskutiert. Wenn die Beschichtungen zyklischen Reinigungsintervallen ausgesetzt sind, können sich ihre OFE-Parameter über die Zeit verändern. Es wurde untersucht, wie sich aufeinander folgende thermische und chemische Reinigungsintervalle auf die Entwicklung von OFE-Parametern auswirken. Vor allem thermische und basische Reinigungen erzeugten eine signifikante Zunahme der gesamten OFE und des polaren Lewis-Base-Anteils. In den meisten Fällen waren drei Reinigungs-behandlungen ausreichend, um einen konstanten Zustand der OFE Parameter zu erzeugen, welcher durch weitere Behandlungen unwesentlich verändert wurde. Hieraus konnten zwei geeignete Konditionierungsprozeduren entwickelt werden, um diesen OFE-Zustand zu reproduzieren. Eine neue Versuchsabfolge wird vorgestellt, welche die Foulinguntersuchung im Neuzustand und nach der Konditionierung implementiert. Dabei werden die zeitlichen Veränderungen von Oberflächenparametern wie Rauheit, OFE und elementarer Zusammensetzung aufgenommen. Ein Beschichtungstyp konnte identifiziert werden, welcher nach der Konditionierung das Kristallwachstum dauerhaft unterdrücken konnte. Es zeigte sich, dass hierfür die Maximierung der absoluten OFE, insbesondere durch Zunahme des polaren Anteils, besonders vorteilhaft ist. Jedoch zeigte sich auch, dass sich Veränderungen der OFE in Folge von Fouling¬experimenten ergaben. Aus diesem Grund konnte keine direkte Korrelation zwischen OFE und Fouling-Parametern geschlussfolgert werden. Mit Hilfe geeigneter Modelle konnte der Einfluss molekularer Wechselwirkungen auf die Adhäsionsneigung untersucht werden. Die Größenordnung des kritischen Keimbildungsradius wurde mittels der klassischen Keimbildungstheorie im Nanobereich identifiziert. Ein Modell zur Betrachtung der molekularen Wechselwirkungen zwischen Wand und einem sich annähernden kugeligen Partikel zeigte für den gegebenen Fall, dass polare Wechselwirkungen den entscheidenden Einfluss auf die Adhäsionsneigung ausüben. Dieser kann begünstigt sein, wenn das Substrat ebenfalls einen großen polaren Anteil in seiner OFE besitzt. Nur mit ihm konnte eine repulsive Partikel-Wand-Interaktion im vorliegenden Fall erzielt werden. Lifshitz-van der Waals Wechselwirkung ergaben stets attraktive Adhäsionsbeiträge. Die Wechselwirkung erzeugt durch elektrostatische Doppelschichten wurde anhand von Literaturdaten abgeschätzt und wies, insbesondere bei mittleren Abständen, eine bedeutende Rolle bei der gesamt energetischen Betrachtung auf.