ISBN 978-3-8439-2133-6

978-3-8439-2133-6, Reihe Thermodynamik

Peter Marek
Messung und Modellierung der Sauerstoffdiffusion in einer als Frischesensor verwendeten Polymermatrix (Band 15)

181 Seiten, Dissertation Technische Universität Dortmund (2015), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Ein Sauerstoff-Indikatorsystem, basierend auf der Oxidation von Leuko-Methylenblau (LMB) zu Methylenblau (MB), wurde in eine wasserbeladene Polyvinylalkohol(PVA)-Matrix integriert. Durch die Integration in die PVA-Matrix kann das Sauerstoff-Indikatorsystem als Frischesensor verwendet werden. Das System verändert seine Farbe von gelb auf grün in Anwesenheit von Sauerstoff. Die Oxidation von LMB in der PVA-Matrix wird durch Sauerstoffdiffusion und die LMB-Konzentration kontrolliert.

Weiterhin wurde ein physikalisches Modell zur Beschreibung der Sauerstoffdiffusion mit einer simultan ablaufenden Reaktion entwickelt. Zu diesem Zweck wurde die Reaktionskinetik der LMB-Oxidation experimentell vermessen. Mit Hilfe des Modells wurden die Diffusionskoeffizienten von Sauerstoff in der PVA-Matrix aus experimentellen MB-Konzentrationsprofilen für eine bestimmte Temperatur und eine relativen Feuchte bestimmt. Die Diffusionskoeffizienten von Sauerstoff in der PVA-Matrix hängen von der Temperatur und vom Wassergehalt in der PVA-Matrix ab, der wiederum von der relativen Feuchte der Umgebungsatmosphäre abhängig ist.

Für einen Einsatz des Frischesensors in der Verpackungsindustrie soll der Frischesensor das Haltbarkeitsdatum bzw. die Nutzungsdauer, unabhängig von der Temperatur und der Feuchte der Umgebung, anzeigen. Zur Kompensation dieser Faktoren wurden zwei verschiedene Ansätze entwickelt. Um die schnellere Sauerstoffdiffusion bei höherer Temperatur zu kompensieren, wurden der PVA-Matrix Eisenpartikel hinzugefügt, resultierend in einer neuen PVA/Eisen-Matrix. Zur Kompensation der Feuchteabhängigkeit der Diffusion wurde ein Teil von PVA in der PVA-Matrix durch Silikonpartikel ersetzt. Durch Zugabe von Silikonpartikeln zu der PVA-Matrix ist eine neue PVA/Silikon-Matrix entstanden, die eine deutlich geringere Feuchteabhängigkeit aufweist.

Sowohl Temperatur- als auch Feuchtekompensation wurden mit Hilfe eines erweiterten Modells zur Beschreibung des Diffusions-Reaktions-Systems des Frischesensors in sehr guter Übereinstimmung mit den experimentellen Werten modelliert.

Mit Hilfe des Modells und der in dieser Arbeit bestimmten Diffusionskoeffizienten von Sauerstoff in PVA-Matrix kann der Frischesensor kalibriert werden. Der in Verpackungen integrierte Frischesensor kann z. B. die Nutzungsdauer von Verbrauchsgütern nach dem ersten Öffnen oder die Zerstörung einer Verpackung anzeigen.