Untersuchung der radikalischen Polymerisation von N-Vinyl-2-pyrrolidon in akustisch levitierten Einzeltropfen

Die Entwicklung von modernen, funktionellen Materialien wie z. B. Polymeren erfordert zunehmend auch die Etablierung einer gezielten Formgebung im Rahmen des Herstellungsprozesses. Bei pulverförmigen Polymeren muss dabei vornehmlich die Struktur bzw. Morphologie der einzelnen Partikel betrachtet und zur Hervorhebung spezifischer Materialeigenschaften gezielt eingestellt werden. Die Herstellung solcher funktionaler Polymerpartikel kann besonders effizient durch reaktive Sprühprozesse erfolgen, da diese Trocknung, Polymerisation und Formgebung in einem Schritt vereinen und so zur Prozessintensivierung beitragen. Gleichzeitig zeichnen sich Sprühprozesse durch eine sehr hohe Komplexität aus, da sie verschiedenartige Teilprozesse auf unterschiedlichen Skalengrößen zu einem Gesamtprozess vereinen. Als Folge ist das Prozessverständnis von Sprühverfahren größtenteils empirisch geprägt und grundlegende Mechanismen bei der Partikel- und Morphologiebildung sind noch immer unverstanden. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Partikelbildung bei der radikalischen Polymerisation von N-Vinyl-2-Pyrrolidon in einzelnen Tropfen und den hierfür relevanten Prozessen. Die Untersuchung von Trocknung, Polymerisation und Morphologiebildung erfolgte an berührungslos positionierten Einzeltropfen in einem akustischen Levitator. Die systematische Untersuchung dieser Einzeltropfen eröffnet dabei einen bisher kaum beschrittenen Weg, um den Einfluss von Sprühprozessparametern auf die Partikeleigenschaften zu ermitteln. Die Entwicklung eines für die Durchführung der Einzeltropfenexperimente geeigneten, akustischen Levitators stellt dabei ein zentrales Thema dieser Arbeit dar. Der Levitator sollte eine berührungslose Positionierung der Tropfen und Partikel auch bei stark wechselnden Prozessparametern in einem für Sprühpolymerisationen relevanten Bereich (Gastemperatur bis 250 ºC, relative Gasfeuchte bis 50 %) ermöglichen. Das Design einzelner Komponenten wurde, in Hinblick auf das Strömungsverhalten des eingesetzten Prozessgases, mit Hilfe von CFD-Simulationen optimiert. Insgesamt konnte so ein Konzept verwirklicht werden, dass hervorragende Levitationseigenschaften bei verschiedensten Prozessbedingungen mit einer effizienten Versuchsdurchführung und einem hohen Maß an Erweiterbarkeit und Flexibilität vereint.