@phdthesis{Schaefer2021,
  author    = {Sch{\"a}fer, Markus Manfred},
  title     = {Lokale elektrophoretische Abscheidung keramischer Partikel in station{\"a}ren inhomogenen elektrischen Feldern in polaren und unpolaren L{\"o}semitteln und deren Mischungen},
  doi       = {10.25972/OPUS-22080},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-220803},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Die Elektrophoretische Abscheidung (EPD) ist ein zweistufiger Prozess, bei dem geladene Partikel zun{\"a}chst aufgrund eines elektrischen Feldes in einer Suspension bewegt und anschließend auf einer Oberfl{\"a}che abgeschieden werden. Aufgrund der M{\"o}glichkeit zur kosteng{\"u}nstigen Massenproduktion von Filmen auf Oberfl{\"a}chen sowie darauf basierenden dreidimensionalen Mehrschichtsystemen, ist die EPD f{\"u}r die Industrie und die Medizin von großem Interesse. Der 3D-Druck ist dagegen weniger zur Massenproduktion, sondern vielmehr zur Herstellung von Prototypen in niedriger St{\"u}ckzahl geeignet, was ihn jedoch nicht weniger interessant f{\"u}r Industrie und Medizin macht. Beim 3D-Druck wird das Material zum Aufbau einer dreidimensionalen Struktur lokal zur Verf{\"u}gung gestellt, weshalb er den additiven Herstellungsverfahren zugeordnet werden kann. Eine Kombination beider Verfahren er{\"o}ffnet neue M{\"o}glichkeiten zum Aufbau dreidimensionaler Strukturen. Da EPD theoretisch mit jedem geladenen Objekt, Material oder Molek{\"u}l m{\"o}glich ist, ließe sich das Potenzial des 3D-Drucks durch eine Kombination mit EPD signifikant steigern. Prototypen k{\"o}nnten aus einer Vielzahl an Materialien in einem schnellen und kosteng{\"u}nstigen additiven Herstellungsverfahren entstehen, wodurch die M{\"o}glichkeit zum Einsatz als Massenproduktionsverfahren gegeben ist. Eine Nutzung der EPD als 3D-Druck-Verfahren ist jedoch nur m{\"o}glich, wenn es gelingt, die Abscheidung der Partikel lokal zu fokussieren und somit den Aufbau der dreidimensionalen Struktur zu steuern und zu kontrollieren. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, ob lokale Abscheidung von keramischen Partikeln durch EPD realisierbar ist und welche Bedingungen dazu vorliegen m{\"u}ssen. Insbesondere werden die Bewegungen der geladenen Partikel im inhomogenen elektrischen Feld analysiert und der Einfluss der Polarit{\"a}t des Suspensionsmediums auf die Partikelbewegung und die Partikelablagerung in einer selbstentwickelten Mikro-Flusskammer untersucht. Im unpolaren Medium Cyclohexan steigt die Bewegungsgeschwindigkeit der Partikel linear mit der angelegten Spannung, respektive der elektrischen Feldst{\"a}rke. Die Bewegungsrichtung der Partikel erfolgt entsprechend ihrer positiven Ladung in Richtung der Kathode. Die Partikel scheiden sich als st{\"a}bchenf{\"o}rmige Deposition verteilt auf der Kathodenoberfl{\"a}che ab. Die H{\"a}ufigkeit der Ablagerung ist dabei an der Elektrodenspitze, also im Bereich der h{\"o}chsten Feldst{\"a}rke am gr{\"o}ßten. Die Stabilisierung der Partikel in einem unpolaren L{\"o}semittel wird durch eine Oberfl{\"a}chenbeschichtung mit verschiedenen, struktur{\"a}hnlichen Dispergatoren realisiert. Alle verwendeten Dispergator-Partikel-Systeme zeigen n{\"a}herungsweise gleiches elektrophoretisches Verhalten. In Wasser bewegen sich die positiv geladenen Partikel bei einer angelegten Spannung von unter 3 V entgegen der elektrostatischen Kr{\"a}fte in Richtung Anode, deren Oberfl{\"a}che sie jedoch nicht erreichen, da sie vorher abgelenkt werden. Somit erfolgt keine Abscheidung der Partikel auf keiner der beiden Elektroden. Ab einer Spannung von 3 V beginnen sich Partikel im polaren Medium in Form einer dendritischen Struktur an der Kathodenspitze abzuscheiden. Bei Spannungen von mehr als 17 V beginnt in Wasser eine sichtbare Bildung von Gasblasen an der Anodenoberfl{\"a}che. Beim Abriss der Blasen von der Oberfl{\"a}che wird die vorhandene dendritische Struktur zerst{\"o}rt. In Mischungen aus Ethanol und Cyclohexan wird die Spannung von 5 V konstant gehalten und das Mischungsverh{\"a}ltnis der beiden L{\"o}semittel, und somit die Polarit{\"a}t der Suspension, variiert. Bereits bei 0,1 Vol.-\% Ethanol-Anteil, sowie ab 30 Vol.-\% Ethanol findet eine Partikelbewegung in Richtung der Anode, also entgegen der elektrostatischen Kr{\"a}fte, statt. Da die Partikel die Anodenoberfl{\"a}che aufgrund der repulsiven Wechselwirkungen nicht erreichen, findet keine Abscheidung statt. Nur bei einem Ethanol-Anteil von 7,5 Vol.-\% bis etwa 30 Vol.-\% bewegen sich die Partikel in Richtung Kathode, wo sie sich auch abscheiden. Die merkw{\"u}rdigen Bewegungsph{\"a}nomene der Partikel in der Mikro-Flusskammer konnten nicht mit Sicherheit aufgekl{\"a}rt werden. Induced-charge electroosmotic flow oder andere elektrokinetische Effekte k{\"o}nnten wirken und so die elektrophoretische Partikelbewegung {\"u}berlagern oder beeinflussen. Gezeigt werden konnte jedoch, dass eine lokale Abscheidung von Partikeln mittels EPD m{\"o}glich ist. Dazu ist unter den beschriebenen experimentellen Bedingungen in Wasser eine Spannung im Bereich zwischen 3 V und 17 V n{\"o}tig, um lokal eine dendritische Struktur abzuscheiden. In reinem Cyclohexan und f{\"u}r bestimmte Mischungsverh{\"a}ltnisse von Ethanol und Cyclohexan erfolgt die Abscheidung bei jedem untersuchten Spannungswert. Anders als in Wasser ist die st{\"a}bchenf{\"o}rmige Abscheidung jedoch an mehreren Stellen auf der Elektrodenoberfl{\"a}che zu beobachten. Dennoch kann auch hier von einer lokalen Abscheidung gesprochen werden, da die Wahrscheinlichkeit f{\"u}r die Abscheidung an der Elektrodenspitze am gr{\"o}ßten ist, was nach einiger Zeit zu einer lokal erh{\"o}hten Schichtdicke f{\"u}hrt.},
  subject      = {Elektrophorese},
  language  = {de}
}