Funktionaler Einsatz poröser Sinterwerkstoffe

Poröse Sinterwerkstoffe übernehmen beim Kapillartransport zwei zentrale Aufgaben:

• Aufnahme und Speicherung von Flüssigkeiten innerhalb der Porenstruktur

• Gezielte Abgabe der gespeicherten Flüssigkeit an eine definierte Kontaktstelle

Diese Funktionen lassen sich in einem Bauteil kombinieren. Dadurch können zusätzliche Komponenten wie Pumpen, Ventile oder Dosiersysteme entfallen. Die Bauteile arbeiten geräuschlos, wartungsarm und unabhängig von externer Energiezufuhr.

SIPERM®-Werkstoffe werden für Kapillartransport und Speichern insbesondere dort eingesetzt, wo gleichbleibende Flüssigkeitsmengen über lange Zeiträume bereitgestellt werden müssen oder wo eine kompakte Integration in Baugruppen erforderlich ist.

Kapillarwirkung und Flüssigkeitstransport in porösen Strukturen

Der Kapillartransport in porösen Sinterwerkstoffen basiert auf physikalischen Kapillarkräften, die in den feinen, miteinander verbundenen Porenkanälen wirken. Diese Kräfte ermöglichen es, Flüssigkeiten ohne äußere Energiezufuhr in den Werkstoff einzuziehen, dort zu halten und bei Bedarf wieder abzugeben. Entscheidend sind dabei Porengröße, Porenverteilung und die Oberflächeneigenschaften des Werkstoffs.

In porösen Strukturen entsteht Kapillarwirkung, wenn die Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit und Porenoberfläche stärker ist als die Schwerkraft oder andere entgegenwirkende Kräfte. Je feiner und gleichmäßiger die Poren, desto stabiler und reproduzierbarer ist der Flüssigkeitstransport.

Aufnahme von Flüssigkeiten

Die Aufnahme einer Flüssigkeit erfolgt durch Benetzung der inneren Porenoberflächen. Sobald eine geeignete Flüssigkeit mit dem porösen Bauteil in Kontakt kommt, wird sie in die Porenkanäle eingezogen. Dieser Vorgang ist abhängig von:

• der Oberflächenspannung der Flüssigkeit

• dem Kontaktwinkel zwischen Flüssigkeit und Porenoberfläche

• der Porengeometrie und -verteilung

Poröse SIPERM®-Sinterwerkstoffe werden so ausgelegt, dass die Aufnahme gezielt und gleichmäßig erfolgt, ohne lokale Überfüllung oder unkontrolliertes Auslaufen.

Speicherung innerhalb der Porenstruktur

Nach der Aufnahme wird die Flüssigkeit innerhalb der Porenstruktur gespeichert. Die Kapillarkräfte halten die Flüssigkeit im Werkstoff zurück und verhindern ein selbstständiges Auslaufen. Die speicherbare Flüssigkeitsmenge wird im Wesentlichen durch das Porenvolumen bestimmt.

Diese Speicherfunktion ist stabil über lange Zeiträume, solange keine äußeren Einflüsse wie Temperaturänderungen, mechanische Belastungen oder Flüssigkeitsverbrauch an der Abgabestelle auftreten.

Abgabe der gespeicherten Flüssigkeit

Die Abgabe erfolgt passiv, wenn an einer definierten Stelle ein Bedarf entsteht, beispielsweise durch Kontakt mit einem Bauteil, durch Bewegung oder durch kontinuierlichen Verbrauch. Die Flüssigkeit wird aus dem Porensystem nachgeführt, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist.

SIPERM®-Bauteile ermöglichen dadurch eine kontinuierliche, gleichmäßige Flüssigkeitsbereitstellung ohne aktive Dosiermechanismen.

Oberflächeneigenschaften von Polyethylen

Für den Kapillartransport und das Speichern von Flüssigkeiten spielen die Oberflächeneigenschaften des Werkstoffs eine zentrale Rolle. Bei porösem Polyethylen bestimmen sie, welche Flüssigkeiten aufgenommen werden können und wie stabil der Kapillartransport abläuft. SIPERM®-Polyethylen weist hierbei klar definierte, anwendungsrelevante Eigenschaften auf.

Hydrophobe Grundeigenschaft von Polyethylen

Polyethylen ist aufgrund seiner chemischen Struktur ein unpolarer Werkstoff. Die Oberfläche enthält keine polaren funktionellen Gruppen, wodurch Wasser und wässrige Medien die Oberfläche nur schlecht benetzen. Unbehandeltes poröses Polyethylen ist daher hydrophob.

Für den Kapillartransport bedeutet dies:

• wässrige Flüssigkeiten dringen nicht oder nur sehr begrenzt in die Poren ein

• Kapillarwirkung für Wasser findet ohne zusätzliche Maßnahmen nicht statt

• die Flüssigkeitsaufnahme ist auf geeignete, unpolare Medien beschränkt

Unbehandeltes poröses Polyethylen eignet sich daher nicht für Anwendungen, bei denen Feuchtigkeit oder wasserbasierte Flüssigkeiten gespeichert oder transportiert werden sollen.

Hydrophile Einstellung porösen Polyethylens

Durch eine gezielte Oberflächenbehandlung kann poröses Polyethylen hydrophil eingestellt werden. Dabei werden die obersten Molekülschichten der Porenoberfläche so verändert, dass polare Eigenschaften entstehen. Die Porenstruktur selbst bleibt dabei unverändert.

Die hydrophile Einstellung bewirkt:

• verbesserte Benetzung der Porenoberflächen durch Wasser

• Verringerung des Kontaktwinkels

• Ermöglichung des Kapillartransports wässriger Medien

• Aufnahme und Speicherung von Feuchtigkeit oder wasserbasierten Flüssigkeiten

Hydrophil eingestelltes SIPERM®-Polyethylen wird eingesetzt, wenn Flüssigkeiten gezielt aufgenommen, gespeichert und kontrolliert wieder abgegeben werden müssen.

Lipophile Eigenschaften von Polyethylen

Unabhängig von einer hydrophilen Einstellung besitzt Polyethylen von Natur aus eine hohe Affinität zu lipophilen Medien. Öle, Fette und viele Schmierstoffe benetzen die Oberfläche sehr gut und werden zuverlässig in die Porenstruktur eingezogen.

Für poröses Polyethylen bedeutet dies:

• stabiler Kapillartransport für Öle und Schmierstoffe

• hohe Speicherfähigkeit für lipophile Flüssigkeiten

• gleichmäßige Abgabe über die Porenstruktur

Diese lipophilen Eigenschaften sind intrinsisch und erfordern keine zusätzliche Oberflächenbehandlung. SIPERM®-Polyethylen wird daher häufig als Schmierstoffdepot oder Flüssigkeitsspeicher für ölbasierte Medien eingesetzt.

Medienbezogene Auswahl der Oberflächeneigenschaften

Die Auswahl zwischen hydrophobem, hydrophil eingestelltem oder lipophil genutztem porösem Polyethylen erfolgt stets medienbezogen. Entscheidend ist die Flüssigkeit, die gespeichert oder transportiert werden soll. Durch die gezielte Einstellung der Oberflächeneigenschaften lässt sich derselbe Grundwerkstoff für unterschiedliche Anwendungen nutzen.

Zentrale Anwendungen für Kapillartransport und Speichern

Kapillartransport und das Speichern von Flüssigkeiten mit porösen Sinterwerkstoffen werden in Anwendungen eingesetzt, in denen Flüssigkeiten passiv, gleichmäßig und über definierte Zeiträume bereitgestellt werden müssen. Der poröse Werkstoff übernimmt dabei die Funktion eines integrierten Depots und Transportelements zugleich. SIPERM®-Bauteile werden anwendungsbezogen ausgelegt und in bestehende Baugruppen integriert.

Werkstoffe für Kapillartransport und Speichern

Für Kapillartransport und das Speichern von Flüssigkeiten werden poröse Sinterwerkstoffe so ausgewählt, dass Porenstruktur, Oberflächeneigenschaften und chemische Beständigkeit zur jeweiligen Flüssigkeit und Anwendung passen. Der Werkstoff bestimmt dabei nicht nur die Speicherfähigkeit, sondern auch die Stabilität der Kapillarwirkung über die Einsatzdauer.

Poröses Polyethylen – SIPERM® HP

Poröses Polyethylen ist der zentrale Werkstoff für kapillare Speicher- und Transportanwendungen. Seine mechanische Stabilität, chemische Beständigkeit und die Möglichkeit zur gezielten Einstellung der Oberflächeneigenschaften machen ihn vielseitig einsetzbar.

Anwendungsrelevante Eigenschaften:

• definierte Porenstruktur für reproduzierbaren Kapillartransport

• hydrophobe Grundeigenschaft für lipophile Medien

• hydrophile Einstellung für wässrige Flüssigkeiten möglich

• hohe Beständigkeit gegenüber vielen Ölen, Fetten und Wirkstoffen

• geringes Gewicht und gute Integrationsfähigkeit

SIPERM® HP wird eingesetzt, wenn Flüssigkeiten über längere Zeiträume gespeichert und kontrolliert abgegeben werden müssen, ohne aktive Dosiermechanismen.

Metallische poröse Sinterwerkstoffe SIPERM®-R und SIPERM®-B

In speziellen Anwendungen können auch metallische poröse Sinterwerkstoffe eingesetzt werden, etwa wenn höhere Temperaturen, mechanische Belastungen oder besondere Umgebungsbedingungen vorliegen. Im Bereich Kapillartransport stehen dabei nicht Filtration oder strukturelle Funktionen im Vordergrund, sondern die Speicher- und Abgabefunktion für geeignete Medien.

Der Einsatz metallischer Werkstoffe erfolgt anwendungsbezogen und unter Berücksichtigung der jeweiligen Flüssigkeit und Betriebsbedingungen.

Werkstoffauswahl im Anwendungskontext

Die Auswahl des geeigneten Werkstoffs erfolgt stets medien- und funktionsbezogen. Entscheidend sind:

• Art der Flüssigkeit (wässrig, ölhaltig, wirkstoffhaltig)

• gewünschte Speicher- und Abgabemenge

• Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Bewegung

• Einbausituation und mechanische Anforderungen

Werkstoff, Porosität und Oberflächenzustand werden gemeinsam betrachtet, um eine stabile Kapillarwirkung und eine zuverlässige Funktion über die gesamte Einsatzdauer sicherzustellen.

Anwendungsbezogene Auslegung

Die Auslegung von Kapillartransport- und Speicherelementen erfolgt stets anwendungsbezogen. Maßgeblich sind dabei:

• Art und Eigenschaften der Flüssigkeit

• gewünschte Speichermenge

• Abgabeverhalten und Kontaktbedingungen

• Porosität und Geometrie des Bauteils

• Oberflächeneigenschaften des Werkstoffs

Poröse SIPERM®-Sinterwerkstoffe werden so ausgelegt, dass Kapillartransport und Speicherung zuverlässig erfolgen, ohne zusätzliche Komponenten oder aktive Systeme zu benötigen.

Technische Zusammenfassung

Kapillartransport und das Speichern von Flüssigkeiten mit porösen Sinterwerkstoffen basieren auf physikalischen Kapillarkräften innerhalb einer definierten Porenstruktur. Flüssigkeiten werden passiv aufgenommen, im Werkstoff gespeichert und bei Bedarf kontrolliert wieder abgegeben. Die Funktion erfolgt ohne aktive Fördersysteme, Druckerzeugung oder bewegliche Komponenten.

Poröse SIPERM®-Sinterwerkstoffe werden für diese Aufgaben anwendungsbezogen ausgelegt. Entscheidend sind Porosität, Geometrie und die Oberflächeneigenschaften des Werkstoffs. Insbesondere poröses Polyethylen eignet sich aufgrund seiner chemischen Beständigkeit und der Möglichkeit zur hydrophilen Einstellung für ein breites Spektrum an Flüssigkeiten. Unbehandeltes Polyethylen ist hydrophob und lipophil und damit prädestiniert für ölbasierte Medien und Schmierstoffe. Durch gezielte Oberflächenbehandlung kann es hydrophil eingestellt werden, um wässrige Flüssigkeiten aufzunehmen und zu speichern.

Typische Anwendungen finden sich in Schreib- und Markiersystemen, in der Schmierstoffspeicherung und Permanentschmierung, in der Speicherung von Duft- und Wirkstoffen sowie in textiltechnischen Prozessen. In allen Fällen übernehmen poröse SIPERM®-Bauteile die Funktion eines integrierten Depots mit reproduzierbarer Abgabe über lange Einsatzzeiten.

Kapillartransport und Speichern mit porösen Sinterwerkstoffen stellen damit eine robuste, wartungsarme und konstruktiv integrierbare Lösung für industrielle Anwendungen dar, bei denen Flüssigkeiten gezielt und passiv geführt werden müssen.