29,99 €
Mehr erfahren.
- Herausgeber: GRIN Verlag
- Sprache: Deutsch
Diplomarbeit aus dem Jahr 2007 im Fachbereich Lebensmitteltechnologie, Note: 1,3, Fachhochschule Weihenstephan; Abteilung Freising, Sprache: Deutsch, Abstract: Schaumblasen begeistern die Menschen, seit es Tenside gibt. Aber ihre mathematische Erforschung begann erst in den dreißiger Jahren des vorletzten Jahrhunderts, als der belgische Physiker Joseph A. Plateau (1801 bis 1883) Drahtgestelle in Seifenwasser tauchte und über die Ergebnisse staunte. Selbst heute, 170 Jahre später, haben wir noch keine vollständige mathematische Erklärung - oder auch nur Beschreibung - einiger interessanter Phänomene, die Plateau beobachtet hat. In der Sommerzeit ist es den Gästen von Biergärten sicherlich aufgefallen, dass der Schaum leider nicht so schön bleibt, wie man ihn bekommt, und mit diesem Problem beschäftigen sich Wissenschaftler (und auch die Brauereien) schon seit Plateaus- Zeiten, wie man dieses Gebilde langlebiger macht. Außerdem wird es in dieser Arbeit versucht, anhand von Daten aus der Fachhochschule in Kiel, durch mathematisch- statistische Untersuchungen den exponentiellen Verlauf von dem Schaumzerfall zu bestätigen. Ferner werden die Einflussparameter von Schäumen mit statistischen Methoden auf Signifikanz untersucht.
Das E-Book können Sie in Legimi-Apps oder einer beliebigen App lesen, die das folgende Format unterstützen:
Veröffentlichungsjahr: 2008
Ähnliche
Page 1
Page 2
Danksagung
Ich danke Herrn Prof. Dr. Anton Georg Buchmeier für seine unbeschränkte Unterstützung und Zeit bei der Realisierung dieser Abschlussarbeit, mit der ich mein Wissen über die Möglichkeiten der Wissenschaft weiter aufbauen durfte, und Herrn Prof. Dr. Franz Werner für seine Hilfe in der physikalischen Grundlagen dieser Arbeit.
Page 4
1. Einleitung
Eine Dispersion von Gas in Flüssigkeit bezeichnet man als Schaum, falls der Gasanteil überwiegt. Im Bereich der Kosmetik oder der Lebensmitteltechnik sind stabile Schäume erwünscht. Beispielhaft erwähnt seien Rasierschaum, Bierschaum oder der Schokokuss. Es ist sehr leicht Schäume herzustellen, doch überraschend schwierig, sie mathematisch zu beschreiben.
Schaumblasen begeistern die Menschen, seit es Tenside gibt. Aber ihre mathematische Erforschung begann erst in den dreißiger Jahren des vorletzten Jahrhunderts, als der belgische Physiker Joseph A. Plateau (1801 bis 1883) Drahtgestelle in Seifenwasser tauchte und über die Ergebnisse staunte. Selbst heute, 170 Jahre später, haben wir noch keine vollständige mathematische Erklärung - oder auch nur Beschreibung - einiger interessanter Phänomene, die Plateau beobachtet hat.
In der Sommerzeit ist es den Gästen von Biergärten sicherlich aufgefallen, dass der Schaum leider nicht so schön bleibt, wie man ihn bekommt, und mit diesem Problem beschäftigen sich Wissenschaftler (und auch die Brauereien) schon seit Plateaus- Zeiten, wie man dieses Gebilde langlebiger macht. Außerdem wird es in dieser Arbeit versucht, anhand von Daten aus der Fachhochschule in Kiel, durch mathematisch- statistische Untersuchungen den exponentiellen Verlauf von dem Schaumzerfall zu bestätigen. Ferner werden die Einflussparameter von Schäumen mit statistischen Methoden auf Signifikanz untersucht.
Page 5
2. Beschreibung von Schäumen
Schäume gehören wie Emulsionen zur Gruppe der dispersen Mehrphasensysteme. In Schäumen sind Blasen (disperse Phase) in einer sie umgebenden Flüssigkeit (kontinuierliche Phase) verteilt.
Schäume können durch chemische Reaktionen, durch das Einleiten eines Gases in eine Flüssigkeit oder durch heftige Bewegungen an der Flüssigkeitsoberfläche erzeugt werden. Sie können aber auch in der freien Natur erzeugt werden zum Beispiel bei Gasemissionen in Moorgebiete oder bei der Zersetzung von organischem Material in einem Wasserbecken, bei grober See, bei Wasserfällen, usw.
Schäume durchlaufen zwei Phasentypen während der Entstehung, einmal den Kugelschaum, und nach der Drainage der Flüssigkeit den Polyederschaum. Ein Beispiel für einen Polyederschaum zeigt Abbildung 1. Wenn der Gasanteil niedrig und die Dicke der flüssigen Phase im Bezug auf die Blasengröße groß ist, nennt man den Schaum „Kugelschaum“, weil die Gasblasen einen runden Erscheinungsbild erweisen, und es keinen direkten Kontakt zwischen den Blasen gibt (siehe Abbildung 8).
1999)
Gas Emulsionen, dessen flüssige Phase eine niedrige Viskosität hat, sind gekennzeichnet als „kurzlebige disperse Systeme“. Wegen der großen Dichtedifferenz zwischen Gas und Flüssigkeit, trennen sie sich rasch zu einem reinen Dispersionsmedium und Schaum. Letzteres zersetzt sich schnell oder verwandelt sich zu einem Polyederschaum, in Abhängigkeit zu der Konzentration an gelösten oberflächenaktiven Stoffen. Langlebige Kugelschäume können durch hochviskösen Flüssigkeiten hergestellt werden, zum Beispiel in dem man durch geschmolzenes Glas Luft einbläst bei gleichzeitiger Kühlung der Schmelze, so dass sich die Viskosität sehr schnell ändert, was zu einer Behinderung der Wechselwirkung zwischen den Glasblasen führt. Der Kugelschaum wird praktisch im Glas „eingefroren“. Die Verwandlung der Gasemulsion zu einem Polyederschaum beginnt wenn der Gasanteil über 50-75% steigt. Es ist nicht möglich stabile (langlebige) Schäume aus reinen Flüssigkeiten zu bekommen. Stabile Schäume sind nur möglich bei Anwesenheit von geeigneten oberflächenaktiven Stoffen oder Tensidmischungen.
Die Einführung von oberflächenaktiven Stoffen in einer Flüssigkeit verändern signifikant die Eigenschaften von Gasdispersion und Flüssigkeitsfilmen. Sie erniedrigen die Oberflächenspannung an der flüssig- gasförmigen Grenzfläche, und erleichtern somit die Dispersion von Gas, reduzieren die Gasblasengröße, und verändern den Anstieg und die Geschwindigkeit von Gasblasen in der Flüssigkeit. Im Kapitel 3“Tenside und ihre Eigenschaften“ werden die Tenside und ihre Eigenschaften ausführlicher erklärt.
Page 6
Die Hauptphasen der Schaumentstehung können festgestellt werden durch beobachten des Verhaltens von einer bestimmen Anzahl an ansteigenden Gasblasen. Wenn Blasen in einer Tensidlösung gemacht werden, beginnt schon an deren Grenzfläche eine Adsorption an Tenside. Nach Erreichen der Oberfläche der Flüssigkeit, jede Blase bildet eine Halbkugel bestehend aus zwei mit Tensid belegten Lagen mit einem flüssigen Kern in der Mitte. Abbildung 2 gibt eine Vorstellung wie so einen Prozess abläuft.
Die mit Tensid belegten Schichten garantieren die lange Lebensdauer des gebildeten Schaumes. Mit steigender Anzahl an Gasblasen an der Oberfläche, beginnen sie näher zu rücken. Außerdem fördert die Kapillaranziehung zwischen Blasen den Prozess von Gasblasenkontakt und Deformation, was daraus sich eine Flüssigkeitsdünnschicht aus benachbarten Blasen ergibt. Sobald eine eindimensionale Schicht aus Gasblasen entstanden ist, folgt dann die zweite, die dritte und noch weitere Schicht, die sich alle dann zu einem dreidimensionalen Komplex anordnen, was zu einem Schaum kurz gefasst wird. Wenn andere Methoden zur Schaumerzeugung angewandt werden, zum Beispiel Injektion von mit Tensidlösung befeuchtetem Gas durch einen Gitter, bekommen die Gasblasen eine polygonale Form bei der Entstehung. Folgende Abbildung zeigt die unterschiedlichen Schaumformen bei entsprechender Schäumungsmethode.
Of Foams, 1999)
Page 7
Abbildung 3 zeigt die Schaumgeometrie bei (von links nach rechts):
•Homogenes Lüften
•Turbulentes Lüften
•Durchblasen
•Mischen
•Schütteln
•Gas Entbindung (zum Beispiel Bierschaum)
Gleichzeitig zur Schaumentstehung setzt auch der Schaumzerfall an. Der Schaumzerfall wird beeinflusst durch verschiedene Parameter, die wichtigsten sind: Filmverdünnung, Flüssigkeitsdrainage durch Gravitationskräfte, Gasdiffusion von kleineren zu größeren Blasen und Filmbruch verursacht durch das Zusammenwachsen von benachbarten Blasen. Diese Veränderungen bestehend aus Blasengrößenänderung und Blasenschwund gehören zu Anordnungsprozessen, die in dem Schaum stattfinden. Abbildung 4 zeigt, wie kleinere Blasen zu größeren zusammenwachsen. Man erkennt anhand der gekrümmten Wände, dass die kleineren Blasen einen größeren innendruck als größeren haben. Dieser Druckunterschied ist das treibende Gefälle für eine Gasdiffusion von kleinen zu großen Blasen.
Magnetfeld(HUTZLER & WEAIRE, The Physics Of Foams, 1999)
Ferner sind die Verdampfung der Flüssigkeit und die Zerstörung der Schaumsäule Zersetzungsprozesse, die der Schaum erfährt, wenn er der Umwelt ausgesetzt wird(EXEROWA & KRUGLYAKOV, 1998).
Die rheologischen Eigenschaften von Kugelschäumen mit geringem Volumenbruch sind qualitativ die gleichen wie die des Dispersionsmittels. Bei Scherbeanspruchung tritt eine Deformation der Kugelform ein, so dass anisometrische Eigenschaften
entstehen(TSCHEUSCHNER H.-D. , Schäume, 2004). Als Scherbeanspruchung (oder Scherung) wird eine bestimmte Art der Verformung eines Körpers unter Einwirkung einer Kraft bezeichnet. Bei der Scherung wirkt die Kraft parallel zu einer Seitenfläche des Körpers. Kann sich seine Grundfläche nicht bewegen, so wird die Seitenfläche relativ zu dieser verschoben([1] WIKIPEDIA, 2007). Abbildung 5 gibt eine Vorstellung was Scherung ist. Anisometrisch ist diejenige Darstellung, bei welcher die drei Achsen verschieden lang sind([2] MEYERS KONVESATIONSLEXIKON, 2007). Bei Polyederschaum liegt eine geordnete Koagulationsstruktur vor. Plastizität, Thixotropie treten auf(TSCHEUSCHNER H.-D. , Schäume, 2004). Der Begriff der Thixotropie bezeichnet die Eigenschaft eines nichtnewtonschen Fluids([3] WIKIPEDIA, 2007). Als nicht-newtonsches Fluid bezeichnet man im Gegensatz zum newtonschen Fluid ein Fluid, dessen Viskosität nicht konstant bleibt, wenn sich die auf dasselbe einwirkenden Scherkräfte verändern. Damit entspricht dieses Fluid nicht dem newtonschen Elementargesetz der Zähigkeitsreibung([4] WIKIPEDIA, 2007).
