Mechanical properties and degradation of starch-based biopolymers as a result of processing. - 89 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die Entwicklung von Kunststoffen auf Basis erneuerbarer Ressourcen ist ein wachsender Markt. Jedoch werden Biopolymere bei der Verarbeitung einem Molekülkettenabbau ausgesetzt, der ihre Eigenschaften beeinflusst. Um diese Eigenschaften zu verbessern und die Lebensdauer von mit Biopolymeren hergestellten Produkten zu erhöhen, muss das Abbauverhalten während der Verarbeitung identifiziert werden. In der vorliegenden Arbeit werden Abbaumechanismen von stärkebasierenden Kunststoffen beschrieben. Basierend auf der Beziehung von mittlerer Molmasse und newtonscher Viskosität wurde das Abbauverhalten von PHBV untersucht. Es wurde herausgefunden, dass PHBV anfällig ist für thermische Belastung. Mechanische Scherbelastung zeigt jedoch nur geringe Auswirkung auf eine Änderung in der newtonschen Viskosität. Hydrolyse und (thermo-)oxidative Effekte zeigten keinen signifikanten Einfluss auf den Molekülkettenabbau von PHBV. In Versuchen mit einem Doppelschneckenextruder zeigte sich, dass die Parameter Temperatur, Schneckengeschwindigkeit und Durchsatz den Abbau von PHBV beeinflussen. Eine Beziehung von Einflussfaktoren und Molekülkettenabbau wurde formuliert. Die Auswirkungen des Abbaus auf die mechanische Eigenschaften E-Modul, Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Schlagzähigkeit wurden untersucht.
Entwurf eines mikrooptischen Scanners. - 130 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
In dieser Arbeit wurde die Untersuchung und Entwicklung möglicher Konzepte, die eine mikrooptische Realisierung eines 3-D-Scanners zulassen, dokumentiert. Für die Erstellung der Konzepte erfolgte eine detaillierte Evaluation des Stands der Technik bezogen auf Time-of-Flight-Messysteme. Diese Erkenntnisse werden für eine differenzierte und kategorisierte Aufstellung der Anforderungen, die an eine mikrotechnische Umsetzung eines 3-D-Scanners gestellt sind, genutzt. Aus dieser Aufstellung wurden anschließend Festlegungen und Berechnungen für die Messtechnik, die Lasersicherheit, die Optik und die Aktuierung des Gesamtsystems durchgeführt. Im nächsten Schritt wurde aus dem favorisierten Systemkonzept ein Design entworfen, dass die zuvor aufgestellt Anforderungen berücksichtigt. Der rotatorische-Kammaktor auf SOI-Basis wurde anhand von numerischen und analytischen Modellen auf eine hohe Abtastrate und großer Winkelauslenkungen optimiert und erlaubt eine gezielte Regelbarkeit der Auslenkung. In Machbarkeitsstudien wurden erste Varianten der Mikroaktoren umgesetzt und an einem angepassten Versuchsstand ausgewertet. Ein Vergleich mit dem theoretischen Modell zeigt die Funktionsfähigkeit dieses Aktors für die Anwendung als Mikroscanner für Time-of-Flight-Messsysteme. Der Herstellungsprozess wurde weiterhin hinsichtlich der Rauheit der Ätzflanken optimiert, um diese als Spiegelfläche zu verwenden und somit den Grad der Integration zu erhöhen.
Technische Anforderungen an Reitböden in Hinblick auf die Anwendung rezyklierter Bau- und Abbruchabfälle. - 130 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Das Recycling von Bauschutt und die Verwendung jener rezyklierten Bau- und Abbruchabfälle stellen Herausforderungen an Industrie und Forschung. Eine bisher unbetrachtete Einsatzmöglichkeit von rezyklierten Bau- und Abbruchabfällen bietet die Tretschicht auf Reitplätzen. Im Rahmen dieser Arbeit werden zehn verschiedene Außenreitplätze aus der Umgebung Ilmenau in Bezug auf ihre Tretschichtsande analysiert. Die Reitplatzbetreiber geben Auskunft über die Reiteigenschaften des jeweiligen Reitplatzes, wie z. B. Staubbildung und Trittfestigkeit. Analysemethoden sind unter anderem Lasergranulometrie, dynamische Bildanalyse, Gaspyknometrie, Messung der Eindringtiefe und Charakterisierung des Fließverhaltens mittels Ringschergerät. Aus dem Verhältnis von Nutzerbewertung und den ermittelten Kennwerten der untersuchten Tretschichtsande werden Eigenschaften für ein möglichst optimales Tretschichtmaterial bestimmt. Fünf rezyklierte Baustoffe werden analog zu den Tretschichtsanden untersucht und mit den Kennwerten der möglichst optimalen Tretschichteigenschaften verglichen. Rezyklierte Dachziegel, Hintermauerziegel, Kalksandstein und Vormauerziegel gehen als etwaige Tretschichtmaterialien aus den Analysen hervor. Deren partikeltechnologische Charakterisierung erfüllt die Anforderungen an eine möglichst optimale Tretschicht in vergleichbaren Maße wie die eingesetzten Tretschichtsande. Eine Optimierung der rezyklierten Bau- und Abbruchabfälle als Tretschichtmaterial ist durch Zuschlagstoffe, wie sie bereits für sandige Tretschichten verwendet werden, denkbar. Der Einsatz von den theoretisch geeigneten Recycling-Baustoffen als Reitböden sollte auf Test-Reitplätzen in der Praxis verifiziert werden.
Herstellung photonischer Strukturen mittels Nanoimprint-Lithographie. - 85 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Seitdem im Jahre 1991 die ersten photonischen Strukturen künstlich hergestellt wurden, hat sich die Forschung in diesem Bereich stark entwickelt. Mittlerweile existieren zahlreiche Methoden, um derartige Strukturen herzustellen, allerdings sind der ökologische und finanzielle Aspekt immer noch nicht zufriedenstellend gelöst. Aus diesem Grund ist die Suche nach preisgünstigeren, schnelleren und umweltschonenden Methoden zur Herstellung photonischer Strukturen von großem Interesse. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Nanoimprint-Lithographie als eine Herstellungsvariante für photonische Strukturen herangezogen. Dazu wurden insgesamt 15 Proben unterschiedlicher Materialien und Geometrien gefertigt. Si und Quarzglassubstrate wurden mit diesem lithographischen Verfahren und verschiedenen Ätzverfahren mit Säulen, Löchern und Pyramiden strukturiert. Nach jedem Prozessschritt wurden die Strukturen mit dem Rasterelektronenmikroskop überprüft. Schließlich wurden bei den gefertigten Proben mittels UV-Vis-Spektroskopie und winkelaufgelöster Streulichtmessung Transmissions-, Reflexions- und Streulichtmessungen zur Untersuchung ihrer optischen Eigenschaften durchgeführt. Der Einfluss der Ätzzeit auf die Geometrie der Strukturen konnte durch REM-Untersuchungen gezeigt werden. Je länger die Proben geätzt wurden, desto tiefer und breiter waren die Strukturen. Mit Hilfe der UV- und Vis-Spektroskopie konnten verschiedene Zusammenhänge zwischen Ätzzeit und optischen Eigenschaften festgestellt werden. Zum einen hat sich die UV-Absorptionskante der Quarzglas-Proben mit zunehmender Tiefe der Strukturen zu längeren Wellenlängen verschoben. Zum anderen konnte durch die verlängerte Ätzzeit der gesamte Reflexionsanteil der Silizium-Proben verringert werden. Hinzu kommt, dass die Silizium-Proben durch die verschiedenen Ätzzeiten unterschiedliche Wellenlängen absorbiert bzw. reflektiert haben. Die Nanostrukturierung der Proben wurde schließlich mit Hilfe der winkelaufgelösten Streulichtmessung nachgewiesen und ihre Periode bestimmt werden. Die durch Streulichtmessung berechneten Perioden unterschieden sich wenig von den durch REM bestimmten Perioden. Trotz der aufgetretenen Schwierigkeiten bei der Herstellung der photonischen Strukturen kann nach der Analyse der Ergebnisse behaupten werden, dass das Verfahren aus vielerlei Hinsicht vorteilhaft ist. Die Ergebnisse der Untersuchungen ergaben, dass die Nanoimprint-Lithographie sowohl aus finanzieller als auch aus ökologischer Sicht eine gute Alternative zu anderen herkömmlichen Methoden bietet. Durch die in der Arbeit analysierten Verfahren könnten photonische Strukturen schneller und einfacher hergestellt werden, was in der Industrie künftig einen großen Vorteil bedeuten würde.
Untersuchung der Stabilität von MAX Phasen Partikeln in verschiedenen Lösungen für die elektrochemische Herstellung von Kupfer-MAX-Kompositschichten. - 99 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die meist genutzten Kontaktwerkstoffe für Hochleistungsschalter sind derzeit Silber/Zinn-Oxid. Silber ist teuer und die Nutzung von Zinnoxid, die notwendig ist um die mechanische Stabilität der Schicht zu gewährleisten, senkt die elektrische Leitfähigkeit des Komposit. MAX-Phasen sind potentielle Verstärkungsmaterialien für Kontaktschichten, da sie eine hohe Härte und eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Das System Kupfer-MAX als Kompositschicht würde einen geeigneten Kandidaten für Kontaktwerkstoffe darstellen. Die elektrochemische Kompositabscheidung zur Herstellung von Verbundschichten ist ein einfaches Verfahren, um Partikel in ein Matrixmaterial einzubringen. Für die Abscheidung von Verbundwerkstoffen müssen die Partikel in den Elektrolytmedien durch verschiedene Stabilisierungsmöglichkeiten dispergiert werden. Dabei ist es grundlegend zu wissen, ob MAX Partikel im Elektrolyten chemisch stabil sind. Daher wurde in dieser Arbeit die chemische Stabilität von zwei kommerziellen MAX Phasen Partikeln (Ti3SiC2 und Ti2AlC) in 0,5 M Schwefelsäure, 0,8 M Kupfersulfat- und 0,01 M Natriumhydroxid-Lösung durch elektrochemische und nicht-elektrochemische Methoden (Immersionstest) untersucht. Die elektrochemischen Untersuchungen beinhalteten anodische Polarisationskurven und Tafel-Plots. Unter Verwendung von optischer Emissionsspektroskopie wurde die Partikelauflösung analysiert und zusätzlich eine Partikelcharakterisierung vor und nach dem Immersionstest mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie, Röntgendiffraktometrie und Zeta-Potential-Messungen durchgeführt. Beim Vergleich der Partikelsorten entsprechend der Ergebnisse aus optischer Emissions-spektroskopie weisen die MAX 312 Pulver eine gute chemische Stabilität im Sauren und Alkalischen auf, wohingegen die MAX 211 Pulver sich signifikant bis zu 36,1 Gew.-% im Kupferelektrolyt auflösen. Im Hinblick auf den Auflösungsmechanismus kann gemäß der M/A Verhältnisse eine verstärkte Auflösung der A Elemente festgehalten werden, wobei die Geschwindigkeit der Auflösung anfangs höher ist. Anhand der elektrochemischen Polarisationsversuche wurden für beide Pulver in 0,01 M Natriumhydroxid-Lösung Korrosionsstromdichten im [my]A/cm^2 Bereich festgestellt, wohingegen sie in 0,5 M Schwefelsäure für MAX 312 Pulver mit 10-5 A/cm^2 und MAX 211 mit 10-4 A/cm^2 höher sind. Die Korrosionspotentiale von MAX 312 sind im Vergleich zu MAX 211 um etwa 0,4 V positiver, weshalb von größerer elektrochemischer Stabilität auszugehen ist. Daher ist schlussfolgern, dass die Ti3SiC2 Partikel eine bessere chemische Stabilität im sauren Medium zeigen, aber beide Partikel am stabilsten in alkalischer Lösung sind.
Auflösungsgrenzen in der Nano-Computertomographie. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
An der TU Ilmenau werden Röntgenaufnahmen mit einer Mikro-CT-Anlage zur Materialprüfung durchgeführt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen Prüfkörper zur Ermittlung der Auflösungsgrenze dieser Anlage zu entwickeln. In der Norm DIN EN 16016-3 wird die Ermittlung der räumlichen Auflösung von CT-Systemen mit Hilfe der Modulationsübertragungsfunktion beschrieben. Bei dieser Methode handelt es sich um eine indirekte und relativ aufwendige Bestimmung der Auflösung. Dahingegen bietet ein Prüfkörper die Möglichkeit, die Auflösung direkt und visuell zu bestimmen. Die Grundlage für die Entwicklung des Prüfkörpers bilden die beiden in der Norm DIN EN ISO 19232 beschriebenen Draht-Bildgüteprüfkörper. Diese Prüfkörper werden verwendet, um die Ortsauflösung und die Kontrastauflösung von Durchstrahlungsaufnahmen zu bestimmen. Die Ortsauflösung beschreibt die Fähigkeit, zwei nahe beieinander liegende Details getrennt voneinander darzustellen. Bei der Kontrastauflösung handelt es sich um den Grauwertunterschied zwischen einem Detail und dessen Hintergrund. Um mit dem entwickelten Prüfkörper die Auflösung der CT-Anlage dreidimensional zu bestimmen, werden zwei Chips entworfen, die senkrecht zueinander angeordnet sind. Dadurch können sowohl die Flächenauflösung als auch die axiale Auflösung ermittelt werden. Die beiden Chips weisen Linienstrukturen auf, die T-förmig angeordnet sind. Dies ermöglicht die Bestimmung der vertikalen und der horizontalen Auflösung. Die Größe der Linienbreiten und der Linienabstände liegt zwischen 1 m und 20 (my)m. Erste Tests ergeben eine Auflösungsgrenze von etwa 10 (my)m. In dieser Arbeit werden des Weiteren die Parameter beschrieben, welche die Bildqualität einer CT-Aufnahme beeinflussen. Eine wichtige Rolle für die zu erreichende Auflösung spielt die Anode der Röntgenröhre. Daher gibt es beispielsweise mit der Flüssigmetallanode vielversprechende Entwicklungen zur Modifizierung der Anode. In dieser Arbeit werden die Grundlagen für die Entwicklung einer Mehrelementanode beschrieben, die durch die Anregung verschiedener charakteristischer Linien zu einer Kontrastverbesserung beitragen soll.
Erarbeitung eines passiven Stoßsensors für Beschleunigungen bis 500 g. - 120 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
In dieser Arbeit wird ein Stoßbeschleunigungssensor vorgestellt, der Stoßbeschleunigun-gen mit Amplituden von 100 g bis 500 g mittels eines mechanischen Mikrogesperres detektieren und speichern kann. Dazu wird ein Modell zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens des Bewegungssystems während des Rastvorgangs erarbeitet. Durch Anwendung des Modells wird ein Systemdesign umgesetzt, mit welchem externe Stoßbeschleunigungen in fünf Stufen detektiert werden können. Das Systemdesign wird mit einer Variation kritischer Systemparameter in Form eines Maskendesigns ausgestaltet und mit den Fertigungsmöglichkeiten des Zentrums für Mikro- Nanotechnologien realisiert. Der mechanische Zustand soll in Form einer elektrischen Zustandserfassung abrufbar sein, was durch eine differentielle kapazitive Messung nachgewiesen werden kann. Die eindeutige Zuordnung zwischen Raststufe und wirkender Beschleunigungsamplitude kann nachweislich durch einen Designparameter Masse eines beweglichen Teils des Sensors erfolgen. Somit kann ein wichtiges Element der Dimensionierung nachgewiesen werden. Dieser Designparameter führt jedoch zu Anfälligkeiten von Querbeschleunigungen. Durch Hafteffekte der bewegten Komponenten des Systems an Anschlägen kann kein zuverlässiges Speichern der gemessenen Beschleunigungen gesichert werden. Dieser Effekt führt ebenso dazu, dass bei mehreren Rastungen innerhalb eines Stoßes niedrigere Beschleunigungsschwellen erreicht werden, als beim direkten Modellvergleich. Durch einen Reibeffekt der bewegten Komponenten kommt es bei nur einer Weiterrastung dazu, dass die Beschleunigungsschwellen höher sind, als im Modell. Insgesamt sind die Beschleunigungsschwellen jedoch deutlich höher als die Entworfenen, da der angenommene sinusförmige Beschleunigungsverlauf mit fester Dauer zu einem höheren Energieeintrag in das System führt als in der Realität.
Synthesis of silver nanoparticles in hydrogels. - 113 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die vorliegende Arbeit behandelt die Herstellung eines neuartigen Hydrogel-Silber-Verbundwerkstoffs, seine Charakterisierung hinsichtlich der strukturellen und antibakteriellen Eigenschaften sowie die Untersuchung seiner Wechselwirkung mit Glasoberflächen. Die Hydrogele basieren auf N-isopropylacrylamid, einem funktionalisierten Macromonomer aus 2-Oxazolinen sowie N,N'-methylenbisacrylamid als Vernetzer. Die Synthese erfolgte durch radikalische Polymerisation mithilfe des Initiatorsystems Ammoniumpersulfat und N,N,N,N'-tetramethylendiamine. Die Silbernanopartikel im Polymernetzwerk wurden durch eine Komplexierung mit Silberkationen aus einer Silbernitratlösung und eine darauffolgende Reduktion mit Natriumborhydrid gebildet. Die Hydrogele verschiedener Zusammensetzung wurden bezüglich ihrer Struktur und ihrem Wasseraufnahmevermögen untersucht. Die Bildung von Silbernanopartikeln sowie die Faktoren, die diese beeinflussen, wurden analysiert und konnten veranschaulicht werden. Die antibakterielle Wirkung des entwickelten Verbundmaterials in Pulverform wurde in Zählexperimenten auf Staphylococcus aureus erprobt. Verglichen mit der Referenzprobe ohne Silbernanopartikel, konnte die Bakterienzahl auf ca. 0,1 % reduziert werden. Der Verbundwerkstoff wäre demnach von Interesse für biomedizinische Anwendungen. Schließlich wurden unterschiedliche Schichten auf fotosensiblem Glas FS21 abgeschieden und bezüglich des Einsatzes in der Mikrosystemtechnik evaluiert.
Fabrication of hierarchical titanium dioxide nanostructures for the storage and conversion of energy. - 69 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Titandioxid (TiO2) ist bekannt für seine geringen Kosten und ausgezeichneten Fähigkeiten in der Energieumwandlung sowie -speicherung. Es findet Anwendung in der Photokatalyse, unter anderem zur Reduktion von Carbondioxid (CO2) und dessen Umwandlung in alternative Brennstoffe, als auch in der Abwasserbehandlung, in der photo- und elektrokatalytischen Wasserspaltung und als Anode in der Lithium-Ionen Batterie. Weiterhin führt die photoinduzierte Wärmeentwicklung in TiO2 zu dessen Einsatz in der photothermischen Krebstherapy. Für eine erhöhte Lichtabsorption wurden Siliziumnadeln mit einem maximalen Aspektverhältnis von 22 an der Oberfläche eines Siliziumwafers erzeugt. Anschließend kam es zur Beschichtung mittels zwei veschiedener Haupttypen von hierarchischen Titandioxid Nano-strukturen. Aus der Aufdampfung von Titan mittels Elektronenstrahlverdampfer und einer darauf folgenden Oxidation der Schicht resultiert Typ A1. Typ B1 besteht aus bei 600˚C gesputterten TiO2 Schichten und wurde teils in einer Wasserstoffgas-Atmsophäre zu Typ B2 hydriert. Mittels Röntgendiffraktometrie konnte Rutil als bevorzugt ausgebildete Kristallphase detektiert werden, sowohl für Typ A1 bei einer Oxidationstemperatur zwischen 400-500˚C als auch für Typ B1. Der Anteil von Anatas in B1 ist bereits höher und kann mit einer zusätzlichen Bias-Spannung von 100-200V am Substrat nochmals vergrößert werden. Im UV-Vis-NIR Bereich des Lichtspektrums ergab Typ A1 mit 400 nm Dicke auf langen Nadeln die beste Strahlenabsorption, gefolgt von einer 1000 nm dicken Schicht des Typs B2 auf mittellangen Nadeln (Aspektverhältnis von 9). Photoinduzierte Wärmeentwicklung konnte unter ähnlichen Lichtwellenlängen detektiert werden mit dem höchsten Temperaturanstieg pro Zeiteinheit für den Typ B2 im Vergleich zu B1. Somit scheint die Lichtabsorption von der Schichtdicke in Kombination mit der Hydrierung von TiO2 Beschichtungen abhängig zu sein. Elektrochemische Untersuchungen wurden anhand 1000 nm dicker Schichten des Typs B1 und B2 auf langen Nadeln (Aspektverhältnis 22) durchgeführt. Für die Anwendung in der Elektrokatalyse zur Entwicklung von Wasserstoffgas lieferte H-TiO2 die besten Ergebnisse. Jedoch als Anode in der Lithium-Ionen Batterie scheint reines TiO2 besser geeignet zu sein, da es höhere spezifische Kapazitäten bei Lade- und Entladeprozessen sowie eine bessere Aufrechterhaltung der Kapazität über mehrere Zyklen zeigte.
Korrelation von Verfahrensparametern und Formteileigenschaften bei der Druckbeladung in der Verarbeitung von EPP-Beads. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die Herstellung von Bauteilen aus geschlossenzelligen Polyolefin-Partikelschäumen gliedert sich in vier Teilprozesse: Partikel-Herstellung, Druckbeladung, Formteilherstellung und Wärmebehandlung. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Korrelation von Verfahrensparameter und Formteileigenschaften bei der Druckbeladung untersucht. Fehlende Kenntnisse über Effekte und Zusammenhänge der Einflussgrößen führen in der Praxis zu Qualitätsschwankungen in der Herstellung von EPP-Partikelschäumen. Zu diesem Zweck wird zunächst ein theoretischer Überblick über die Charakteristika von EPP sowie den Formteilprozess gegeben. Anschließend wird ein Modell zur Veranschaulichung des Diffusionsvorgangs entwickelt. Der praktische Teil der Arbeit gliedert sich in zwei Teile. Zuerst wird der Einfluss der Prozessparameter auf den Partikelinnendruck untersucht, anhand der gewonnen Erkenntnisse wird die Linearität der Zusammenhänge geklärt. Im Anschluss werden mittels eines teilfaktoriellen Versuchsplans Effekte und Wechselwirkungen der Prozessparameter auf die Zielgrößen der Formteilherstellung analysiert. Abschließend wird der Druckbeladungsprozess in der Wirtschaftlichkeitsrechnung auf die Kostenentstehung hin untersucht und eine Kostenvergleichsrechnung durchgeführt.