Oberflächenschubspannung. Lexikon Pharmatechnologie - prozesstechnik online

Lexikon Pharmatechnologie

Oberflächenschubspannung

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Siehe auch: Schubspannung.

An einer Oberfläche wirkende mechanische Spannungen oder Kräfte, die parallel zur Oberfläche angreifen.

Die Belastung von Bauteilen mit Kräften und / oder Momenten führt als Reaktion zu entsprechenden mechanischen Spannungen im Bauteil, welche etwa im Rahmen der Festigkeitslehre der klassischen Mechanik eine mathematische Berechnung der Spannungszustände erlauben. Die Darstellung von mechanischen Spannungsverhältnissen im dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem kennt prinzipiell zwei Arten von mechanischen Spannungen:

  • Normalspannungen σ, welche stets senkrecht zur Normalebene bzw. Schnittebene und in Richtung der Koordinatenachsen wirken: σx, σy, σz

  • Schubspannungen τ, die parallel zur jeweiligen Normalebene bzw. in der Schnittebene wirken.

Jede mechanische Spannung kann nach dem Satz vom Kräfteparallelogramm in eine Normal- und eine Schubspannung zerlegt werden:

σ → σx + τyz. (Die Zusammenfassung von Spannungen, speziell in 3-dimensionalen Spannungssystemen erfolgt meist durch die Bildung von Vergleichsspannungen, wie z. B. durch eine Gestaltänderungshypothese. Diese Spannungsdarstellungen sind auch mittels Zylinderkoordinaten möglich.)

Speziell in der Reinigungstechnik (Reinigung) von Bauteiloberflächen, welche stets in einen chemischen (Reinigungschemie) und einen physikalischen (Spannungs- bzw. Kraftunterstützung) Aspekt zu unterteilen ist, sind aus der Sicht der physikalischen Reinigungsunterstützung Schubspannungen (= Scherspannungen) von fundamentaler Bedeutung.

Sollen etwa vom Produktionsprozess verunreinigte Edelstahloberflächen gezielt gereinigt werden, so gilt es, die Verunreinigungen (z. B. Partikel) durch chemische Lösungsmittel (z. B. Wasser oder waschaktive Substanzen) anzulösen und danach durch Überwindung der Adsorptionskräfte (z. B. Van-der-Waals-Kräfte) zu entfernen. Exakt dieser Entfernungsprozess bedingt eine entsprechende Scherkraftwirkung, welche i. Allg. z. B. durch den Spritzdruck über das CIP-System (Cleaning in Place) oder durch einen Stopfen, der durch ein zu reinigendes Rohr gedrückt wird, aufgebracht wird.

Die kontrollierte Einbringung von Reinigungsschubspannungen ist insofern ein wesentlicher Aspekt der Reinigungstechnik.

Die aufzubringenden Reinigungskräfte (Schub- / Scherspannungen) bzw. Reinigungsenergien sind dabei umso geringer, je günstiger die Werte von Topographie, Morphologie und Energieniveau der Edelstahloberfläche sind; also besonders gering bei fachgerecht elektrochemisch polierten Oberflächen.

Abb. O 2: Darstellung der mechanischen Spannungen in einem kartesischen Koordinatensystem. (Quelle: G. Henkel)

© 2013 – ECV – Lexikon der Pharmatechnologie

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