Die Welt der Poren: von Kapillarität und Trocknung

Was sind poröse Materialien?

Viele Produkte unseres täglichen Lebens sind porös, d. h. der Feststoff, aus dem sie bestehen, ist nicht kompakt, sondern enthält viele kleine Zwischenräume. Als Beispiele seien Baustoffe wie Ziegel, Beton und Holz, Gebrauchsgegenstände aus Keramik, Textilfasern oder Papier, aber auch Medikamente in Tablettenform oder Lebensmittel wie Obst, Instantgetränke und Brot genannt. Dabei ist die Porenstruktur stets wesentlich für die Eigenschaften dieser Materialien, und in allen genannten Fällen spielt auch die Flüssigkeit in den Poren eine wichtige Rolle: meist muss sie im Herstellungsprozess durch Trocknung entfernt werden, in anderen Fällen ist aber gerade die Flüssigkeitsaufnahme von entscheidender Bedeutung.

Was ist Kapillarität?

Flüssigkeit in kleinen Zwischenräumen oder Poren verhält sich anders als in einem großen Gefäß. Das liegt an der Wechselwirkung der Flüssigkeit mit den umgebenden Wänden. Ist die Porenflüssigkeit Wasser, dann unterscheidet man zwischen hydrophoben („wasserabweisenden“) und hydrophilen („wasserliebenden“) Feststoffen; im ersten Fall perlt das Wasser vom Feststoff ab, im zweiten benetzt es die festen Wände. Sind die Poren klein genug, wird durch eine solche Benetzung die gesamte Phasengrenze zwischen Wasser und Luft gekrümmt. Wegen der Oberflächenspannung des Wassers wird dadurch der Druck in der Flüssigkeit abgesenkt. Die Abbildung zeigt ein Beispiel, das wir aus dem Alltag kennen: in einem dünnem Strohhalm kann Wasser aus dem Glas aufsteigen. Je kleiner der Radius der Poren, desto größer ist dieser Kapillardruck. In den Zellzwischenräumen von Pflanzen kann er ein Mehrfaches des Atmosphärendrucks betragen, so dass Wasser bis in die Wipfel der höchsten Bäume gesaugt werden kann. Umgekehrt müssen die Porenwände solchen Druckunterschieden standhalten, sonst schrumpft die poröse Struktur, wie bei der Trocknung von Obst, oder sie bekommt Risse, wie bei schneller Trocknung von Keramik.

Warum braucht man Porennetzwerke?

Der Strohhalm kann als einzelne Pore (mit festem Radius) aufgefasst werden, aber in porösen Materialien gibt es eine Vielzahl miteinander verbundener Poren unterschiedlicher Größe. Sind nicht alle Poren vollständig mit Wasser gefüllt, z.B. wenn die Trocknung voranschreitet, dann ist die Porenflüssigkeit wegen des Kapillardruckunterschieds bestrebt von größeren in kleinere Poren zu fließen, wie dies in der Abbildung schematisch dargestellt ist.

Diese Kapillarströmung entscheidet, wie ein poröses Material Wasser aufnimmt oder wie es trocknet. Natürlich spielt dabei die Geometrie der Poren eine Rolle, und außerdem wie die unterschiedlich großen Poren genau untereinander vernetzt sind. In Porennetzwerkmodellen wird die reale Porenstruktur durch ein vereinfachtes Netzwerk aus z.B. zylindrischen Poren dargestellt, und die Kapillarströmung in diesem Netzwerk beschrieben.

Welche Effekte treten bei der Trocknung auf?

Die Abbildung zeigt ein kleines Porennetzwerk, das nach oben hin offen ist und trocknet. Die Poren entleeren sich in einer Reihenfolge, die durch ihre zufällige Größenverteilung vorgegeben ist. Verdunstung kann zwar an allen Flüssigkeitsmenisken stattfinden, aber die kleinen Poren können Wasser aus den großen Poren absaugen, so dass sich diese bevorzugt entleeren. So kann es dazu kommen, dass das Netzwerk überall Flüssigkeit verliert, dass sich die Flüssigkeit in getrennte Bereiche (Cluster) aufteilt, und dass Poren an der Oberfläche flüssigkeitsgefüllt bleiben, obwohl die Verdunstung gerade dort am stärksten ist.
Mit Hilfe von Porennetzwerkmodellen kann wissenschaftlich untersucht werden, welche Porenstrukturen besonders gut trocknen -- oder auch welche gut Flüssigkeit aufnehmen -- und durch welche Effekte die Kapillarströmung beeinflusst wird (z.B. Reibungseffekte, Gravitation, Wärme-Effekte). Des Weiteren kann man untersuchen, welche Kapillarkräfte sich aus der Flüssigkeitsverteilung in den Poren ergeben und wie sich diese auf den porösen Feststoff auswirken.
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