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Liebe Forumexperten,
als noch immer neugieriger Berufsfremder (Chemiker, 104. Semester) wende ich mich an Sie, weil ich ein physikalisch-chemisches Problem habe, der Weg zur Lösung dieses Problems anscheinend aber ein Wissen erfordert, dass diese Forumgemeinde sicherlich besitzt, aber keineswegs ich.
In den Schraubverschluss einer Flasche ist eine mehrlagige Dichtscheibe eingelegt. Als Diffusionsbarriere gegen O2 enthält die Scheibe eine Metallfolie. Letztere ist gegen den Flascheninhalt durch eine dünne Lage eines Polymers (z. B. LDPE) abgedeckt.
Wenn der Schraubverschluss fest aufgeschraubt ist, kann Luftsauerstoff ersichtlich nur über die runde Stanzkante der vorerwähnten Polymerlage eindiffundieren.
Die Diffusion von Gasen (hier: Sauerstoff) in Polymeren werden durch die Fick'schen Diffusionsgesetze beschrieben. Die spezifische Durchlässigkeit des Polymers für Sauerstoff (unter Standardbedingungen) ist Tabellenwerken bzw. dem Datenblatt des verwendeten Polymers zu entnehmen. Die Geometrie des Problems ist gegeben.

Soweit zur Beschreibung der Situation. Es gibt natürlich analytische Verfahren, um die Eindiffusion von Sauerstoff zu messen.

Basierend auf Webrecherchen sowie nach Befragung einiger Materialwissenschaftler ist mein Eindruck, dass man das dargestellte Problem durch Anwendung einer FEM-Methode lösen können sollte. Es geht dabei auch darum, ein handhabbares "Modell" zu bekommen, welches es gestattet, durch Variation von Parametern oder/und Materialien verschiedene Mengen eindringenden Sauerstoffs darstellen zu können.
Nur: Ich selber bin völlig außerstande, das selber zu tun. Folglich wende ich mich (mit eingezogenem Kopf, weil ich in einigen Foren die Schelte sah, die Fragestellern mit "Schmarotzerabsichten" zuteil wurde) an dieses Forum in der verwegenen Hoffnung, einen Experten zu finden, der mir dabei hilft, diese Sache (wie auch immer) einer Lösung zuzuführen.
Dankeschön schon Vorab & freundliche Grüße
Schmittchen

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Hallo Schmittchen, willkomen bei CAD.de.

Wieso betrachtest Du nur den Verschluss und nur O2 ?

Ist die Flasche aus Glas oder Kunststoff ?

Meinst Du mit Diffusion in den Kunststoff eindringen oder durchgehen.

Eine Permeabilität für Gase haben alle Polymere. Metalle sind ziemlich dicht.

Die Fick'schen Diffusionsgesetze kenne ich zwar nicht, dachte aber, daß die Diffusion nur von der Dicke und Temperatur abhängt.

Verstehe auch nicht ganz wie da eine FEM Rechnung Sinn machen soll.

Kannst Du ein Bild vom Querschnitt des Flaschenkopfes einstellen ?

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Klaus

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Hi Klaus,
Dankeschön für die Antwort, sie gibt mir Gelegenheit zur Konkretisierung.
Die Flasche ist aus Glas, der Inhalt ist in gewissem Sinne oxidationsempfindlich. Aus diesen Gründen muss m. E. nur der Verschluss und nur Sauerstoff betrachtet werden, letzterer insoweit, als er in den Headspace der Flasche eindringt. Die Temperatur wäre hier kaum eine Variable - wir hätten Normalbedingungen zu berücksichtigen.
Die Fickschen Diffusionsgesetze sind Differentialgleichungen, die den Stofftransport via Diffusion beschreiben. Sieh mal z. B. hier: http://de.wikipedia.org/wiki/Diffusion Sie sollen auch für Polymere gelten, aber nicht uneingeschränkt. Und - ja - natürlich ist die Diffusion von Gasen (hier: Sauerstoff) durch ein Polymer (auch) eine Funktion der Diffusionsstrecke. Letzteres macht (wenigstens für mich) die Sache so schwierig. I. a. W.: Treibende Kraft der Diffusion ist der Konzentrationsgradient, und der ist auf der betrachteten Diffusionsstrecke nicht konstant. Vielleicht ist das der Grund, weshalb man mir eine FEM-Rechnung empfohlen hat ...?

Ein Bild vom Flaschenkopf habe ich leider nicht in einer geeigneten Form. Die Geometrie aber kann ich hinreichend genau beschreiben.

Was Deine Frage nach der Sinnhaftigkeit einer FEM-Modellierung anbelangt, so bringt mich dieser Punkt in Verlegenheit. Ich habe bereits allerlei Leute befragt, und aus den Antworten (soweit ich eine bekam) ging für mich hervor, dass FEM ein offensichtlich geeigneter Weg zur Problemlösung sein muss. So bin ich in diesem Forum gelandet ...:-)

Meine (sehr primitive) Vorstellung ist diese: Es sind Daten verfügbar, welche unter Standardbedingunen den Durchtritt von Sauerstoff durch eine Membran eines betrachteten Polymers beschreiben. Standardbedingungen bedeutet im Kontext eine Messkammer mit zwei Kompartimenten, bei der eine Polymerfolie mit definierter Dicke und definiertem Flächenareal auf einer Seite mit reinem Sauerstoff beaufschlagt wird und der Durchtritt auf der anderen Seite gemessen wird. Es sit auch klar, dass man auf der anderen Seite nur die halbe Menge hindurchdiffundierenden Sauerstoff messen würde, wenn die Folie doppelt so dick gewählt würde.
Diese Daten sind verfügbar. Sie bestehen aus der Angabe mg Sauerstoff je Flächenareal je Zeiteinheit. Nur helfen sie mir nicht bei der Lösung des oben dargestellten Problems. I. a. W.: Ich stelle mir vor, dass FEM ein geeignetes Verfahren ist, die Standardwerte auf die betrachtete Geometrie zu übertragen. Aber selbstverständlich ist mir jeder andere Weg ebenso lieb - mir kommt es nur darauf an, ob ein handhabbares Modell verfügbar wäre.
Ein letzter Punkt: Ich mache mir Gedanken darüber, ob diese Thematik nicht als Missbrauch der Forums-Gastfreundschaft gesehen werden könnte, da diese Problematik ja sicherlich kaum für andere Foristen von Interesse ist. Deshalb bin ich auch gerne bereit, die Sache bilateral und außerhalb des Forums zu besprechen ....

Nochmals: Vielen herzlichen Dank & beste Grüße
Schmittchen

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Hallo Schmittchen, wir helfen hier jedem.

Oben schreibst Du von einer Metallfolie, liegt die direkt auf dem Rand der Glasflasche auf oder ist da die Kunststofffolie dazwischen.

Frage deswegen, weil ich meine, daß Glas wesentlich dichter ist als die Polymere. 
Metall ist es.

Weil der ganze Flaschenkopf rund ist, ist es in der FEM ein 2-dimensionales Problem ( rotationssymmetrisch ).

Mit FEM kann man da sicher viel rechnen. Habe aber keine Lust jetzt mit Differentialgleichungen anzufangen.

Ich stelle mir das ähnlich vor wie thermische Berechnungen. Innerhalb von Festkörpern ist das einfach.

Aber wenn da eine Luftschicht dazwischen ist, muß man erst mal aufwendig die Übergangswerte ermitteln.

Suche mal unter OpenFoam, das ist ein kostenloses FE Programm. 

Habe es aber unter Windows nicht zum laufen bekommen.

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Klaus

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Hallo Schmittchen,
ich habe Dir auch eine Private Message geschrieben, vielleicht kommen wir ja zusammen  .

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