Auszeichnung für Master-Projekt zu ultrafeinen Partikeln aus Klettverschlüssen

Ultrafeine Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 100 Nanometern werden häufig mit Verbrennungsprozessen in Verbindung gebracht – etwa mit Fahrzeugmotoren, Flugzeugtriebwerken oder industriellen Anlagen.

Die Untersuchungen am Institut für Sensorik und Elektronik zeigen jedoch, dass solche Partikel auch bei einem rein mechanischen Vorgang entstehen können: dem Öffnen eines handelsüblichen Klettverschlusses.

Im Rahmen seiner Master-Projektarbeit untersuchte Julian Wehrle gemeinsam mit Tobias Rüggeberg und Prof. Dr. Ernest Weingartner, unter welchen Bedingungen die Partikel entstehen und welche Prozesse dabei eine Rolle spielen.

Bei den Messungen wurden grosse Mengen ultrafeiner Partikel festgestellt. Besonders häufig traten Partikel mit einer Grösse von rund zehn Nanometern auf.

Der genaue Entstehungsmechanismus ist noch nicht abschliessend geklärt. Die bisherigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass beim Öffnen des Klettverschlusses an sehr kleinen Kontaktstellen hohe mechanische Belastungen entstehen. Diese könnten chemische Veränderungen im Kunststoff auslösen, durch die sich anschliessend ultrafeine Partikel bilden.

Für die Untersuchungen wurde am Institut der Versuchsaufbau «Velcrotex 10» entwickelt. Das System öffnet Klettverschlüsse wiederholt unter kontrollierten Bedingungen.

Dabei können unter anderem die Geschwindigkeit, der Anpressdruck, der Abnutzungszustand, die Atmosphäre und verschiedene flüssige Zusatzstoffe verändert werden. So lässt sich untersuchen, welche Faktoren die Partikelbildung verstärken oder verringern.

Die Experimente zeigen, dass die verwendeten Zusatzstoffe einen deutlichen Einfluss haben. Jet-A1-Treibstoff und Butanol führten zu hohen Emissionen ultrafeiner Partikel. Öl und Wasser unterdrückten die Partikelbildung dagegen nahezu vollständig.  

Die Ergebnisse sind insbesondere für die Luftqualitäts-, Umwelt- und Emissionsforschung relevant. Die dort eingesetzten Messgeräte müssen regelmässig geprüft und kalibriert werden. Dafür werden Quellen benötigt, die ultrafeine Partikel möglichst kontrolliert und reproduzierbar erzeugen.

Der untersuchte Mechanismus könnte langfristig die Grundlage für einen einfachen, flexiblen und kostengünstigen Partikelgenerator bilden. Ein solches Gerät könnte beispielsweise für die Kalibrierung von Messinstrumenten eingesetzt werden, mit denen Flugzeugemissionen, Fahrzeugabgase oder die Luftqualität untersucht werden.

Gleichzeitig erweitert das Projekt das Verständnis dafür, wie ultrafeine Partikel entstehen. Die Ergebnisse zeigen, dass neben Verbrennung und hohen Temperaturen auch mechanische Prozesse in Kunststoffen zur Partikelbildung beitragen können.

Julian Wehrle, Tobias Rüggeberg und Prof. Dr. Ernest Weingartner präsentierten die Ergebnisse an der internationalen Nanopartikelkonferenz an der ETH Zürich. Das Poster stiess beim Fachpublikum aus Wissenschaft und Industrie auf grosses Interesse und wurde mit dem dritten Posterpreis ausgezeichnet.

Die Arbeit bildet die Grundlage für weitere Untersuchungen. Geplant sind unter anderem Analysen der chemischen Zusammensetzung, der Struktur und der Flüchtigkeit der erzeugten Partikel. Zudem sollen weitere Materialien und gasförmige Ausgangsstoffe untersucht werden.