Physik
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Modular production involving benchtop NMR Current Application Examples Driven by Digitalization
(2022)
The demand for increasing product diversity in the chemical and pharmaceutical industry calls for new production processes that enable greater flexibility. Therefore, plants are needed which can be adapted to new processes in a fast manner and be scaled up and down easily to volatile market demands. Modular production techniques in combination with advanced process analytical technology (PAT) are considered as a promising solution able to fulfil these requirements.
The success and acceptance of modular concepts in both new and existing plants is dependent of its reliability, easy applicability, and standardization. In recent past, enormous efforts were made to overcome existing barriers in a superordinate level, e.g. DEXPI, ENPRO, or MTP naming just a few. Here, we’d like to present a few, more hands-on, application examples which are shown in Figure 1 aiming to increase process flexibility and applicability.
The dispersive properties of Lamb waves can be utilised for material characterisation because the frequency-wavenumber-relationship, as well as the group velocity, depend on material parameters. These dependencies make a non-destructive estimation of an elastic constant possible. This preliminary study investigates the sensitivity of dispersion curves caused by a change in elastic constants. The Scaled Boundary Finite Element Method is used to compute special dispersion curves, which show the sensitivity value of the frequency and group velocity as a colour value. This representation allows for easy identification of patterns and local effects. Two sets of dispersion curves are presented, one set for a steel plate and the other set for a plate made of a carbon fibre reinforced polymer. In general, we notice that the sensitivity often increases with the frequency and that higher-order modes seem to be more suitable for material characterisation. Moreover, specific modes respond to material changes while others are relatively unaffected, which must be taken into consideration for material characterisation.
Auf dem Weg zum gläsernen Beton neues Analyseverfahren mit laserinduzierter Plasmaspektroskopie
(2018)
Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) oder englisch: Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) ist eine Kombination aus Laserablation mittels energiereichem Laser-Puls, der Erzeugung eines Plasmas auf der zu untersuchenden Oberfläche und dem quantitativen Nachweis der Elementzusammensetzung durch die spektroskopische Untersuchung der vom Plasma emittierten Strahlung. Das Verfahren wird z. B. in der Prozessanalytik, der Sortierung von Rest- und Rohstoffen oder zur Qualitätssicherung in der pharmazeutischen Industrie angewendet.
Das LIPS arbeitet scannend und liefert die zweidimensionale Verteilung der Konzentrationen ausgewählter Elemente – und das auch auf rauen Oberflächen. Alle Elemente können auch gleichzeitig erfasst werden. Damit lassen sich beispielsweise Unterschiede im Eindringverhalten von Chlor und Natrium dokumentieren. Nach einer Kalibrierung stehen quantitative Werte zur Verfügung.
Zurzeit sind Geräte für automatisierte Messungen im Labor und vor Ort verfügbar. Die scannende Messung, mit einer Ortsauflösung von bis zu 80 µm, erfasst die Heterogenität des Betons. Damit kann die ermittelte Konzentration direkt auf den Bindemittelgehalt bezogen werden. Die Messfrequenz beträgt aktuell 100 Hz. Beispielsweise dauert die Erfassung des Chlorgehaltes in einem Bohrkern mit 50 mm Durchmesser und einer Länge von 80 mm, bei drei Mittelungen pro Messpunkt und einer Auflösung von 0,5 mm, nur 8 Minuten. Das Ergebnis steht direkt nach der Messung als „Elementlandkarte“ zur Verfügung. Durch die hohe Ortsauflösung des Verfahrens können z. B. fundiertere Eingangsparameter für Modellrechnungen erzeugt oder der Transport durch Risse visualisiert werden.
Ein LIPS-Gerät liefert Daten für die Bewertung des Istzustandes von Infrastrukturbauwerken. Typische Anwendungen sind die Erfassung von Chlor, Schwefel, Kohlenstoff, Natrium, Kalium und Lithium im Beton oder der Nachweis, der mit einem Marker versehenen Tiefenhydrophobierung, welcher zur Qualitätssicherung herangezogen wird.
Die Messungen sind schnell und automatisiert, so dass eine große Anzahl von Betonkernen in kurzer Zeit ausgewertet werden kann. Die Nachweisgrenze für die Bestimmung der Chlorid-Konzentration liegt mit 0,04 % deutlich unterhalb der allgemein akzeptierten Grenze für die Initiierung der Bewehrungskorrosion von 0,5 % (bezogen auf den Bindemittelgehalt). Dies bestätigten auch Vor-Ort-Messungen, wo Staub und Erschütterungen wenig Einfluss auf die Ergebnisse hatten und das Messsystem sich als stabil und robust erwiesen hat.
Eine technische Spezifikation und Regeln für die Anwendung des Verfahrens erarbeitet der neu gegründete Unterausschuss LIBS im Fachausschuss Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen der Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung e.V..
Berlin Main Station is the largest multi-level station in Europe. Its daily passenger number amounts to over 300.000. Structures built for such a large number of people require a high-level safety standard. The station was built on the inner city site of the historic Lehrter Bahnhof. The conditions for building and start of operation were challenging by several reasons. The typical sandy ground with a high level of groundwater makes the permanent static stability of such a complex structure difficult. Several completed, ongoing, and planned construction activities in the immediate vicinity of the station influence the ground settlement of the whole area. On basis of the structural design an impact prediction was calculated, which expected certain vertical displacements particularly between the single columns of the outer concrete bridges of the building. These columns support the glass roof construction, which only allows a defined limit of displacement. In order to avoid damage, a concept for monitoring and adjusting potentially occurring displacements was developed for installation at the outer bridges of the station.
Despite the many controversial discussions about the nanometric confinement effect on the properties of ultra-thin films, much remain not understood and/or experimentally unproven. Here, a combination of Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) and Specific Heat Spectroscopy (SHS) employing AC nanochip calorimetry were utilized to investigate the glassy dynamics of ultra-thin films of a low MW Poly (vinyl methyl ether) (PVME) (thicknesses: 7 nm – 160 nm). For BDS measurements, a recently developed nano-structured electrode sample arrangement is employed; where ultra-thin films are spin-coated on an ultra-flat highly conductive silicon wafer, sandwiched between a wafer with nanostructured SiO2 nano-spacers with heights between 35 nm and 70 nm. For films with thicknesses up to 50 nm, BDS measurements showed two relaxation processes, which can be analyzed for these film thicknesses in details. The process located at higher frequencies coincidence in both, its position and temperature dependence, with the -relaxation of bulk PVME and is therefore assigned to the -relaxation of a bulk-like layer. The temperature dependence of the relaxation rate of this process in independent of film thickness. This is further confirmed by the SHS investigations, which superimpose in its temperature dependence with the BDS results; independent of film thickness. The second process is located at lower frequencies, where it shows a different temperature dependence and ascribed to the relaxation of polymer segments adsorbed at the substrate. The interaction of PVME with SiO2 was further confirmed by contact angle investigations. This adsorbed layer further undergoes a confinement effect that results in a lower Vogel temperature than that of the bulk-like layer. A detailed analysis of the dielectric strengths of both processes reveals that the thickness of the adsorbed layer decreases with increasing temperature, while that of the bulk-like layer increases. As a main conclusion, BDS showed that the glassy dynamics of the bulk-like and the adsorbed layer are thickness independent, which is in agreement with the SHS results. To our knowledge, this is the first probing of the segmental dynamics of an adsorbed layer in ultrathin films.