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Rotationsrheometrie

Rotationsrheometrie
Ansprechpartner:Bernhard Hochstein

Ziel

Bei Herstellung, Verarbeitung oder Anwendung sind Flüssigkeiten sehr unterschiedlichen Schergeschwindigkeiten ausgesetzt. Das Spektrum reicht dabei von ca. 10-4 s-1 (Sedimentation) bis über 106 s-1 (Rakeln). Nicht nur Kunststoffschmelzen, sondern auch viele andere Fluide, wie konzentrierte Polymerlösungen, Dispersionen, Gele oder Emulsionen, zeigen hierbei nicht-lineares und nicht-Newtonsches Fließverhalten einschließlich Strukturviskosität, Dilatanz, Fließgrenze, Thixotropie und Viskoelastizität. Dieses komplexe rheologische Verhalten muss mit Blick auf den betrachteten Prozess praxisrelevant und präzise charakterisiert werden. Rotationsrheometer (mit Kegel-Platte-, Platte-Platte- oder koaxialen Zylinder-Messsystemen) können dafür herangezogen werden. Der Scherratenbereich erstreckt sich dabei bis ca. 103 s-1. Die Charakterisierung der Fließeigenschaften bei höheren Scherraten geschieht mit Hilfe von Kapillarrheometern. Darüber hinaus werden Rotationsrheometer häufig in Oszillation zur Charakterisierung  des linear viskoelastischen Fließverhaltens (Speicher- G´ und Verlustmodul G´´) eingesetzt. Kegel-Platte- und Platte-Platte-Rheometer erlauben ausserdem die Bestimmung weiterer viskoelastischer Materialfunktionen wie der 1. und 2. Normalspannungsdifferenz. Diese Fülle an Information erlaubt Einblicke in morphologische Strukturen und Wechselwirkungen in mehrphasigen Systemen.

 

Messprinzip

Die Flüssigkeit wird in einem engen Messspalt geschert. Die Schubspannung ergibt sich dabei aus dem Drehmoment und der Messgeometrie, die Scherrate aus der Winkelgeschwindigkeit und der Geometrie, die Viskosität als Quotient aus Schubspannung und Scherrate. Die breite Palette zur Verfügung stehender Messgeometrien erlaubt die Abdeckung eines großen Scherraten- und Viskositätsbereiches. Elastische Materialfunktionen erhält man aus den Axialkräften die beim Kegel-Platte- und Platte-Platte-Rheometer senkrecht zur Scherebene wirken. Rotationsrheometer ermöglichen die Kombination eine Vielzahl unterschiedlicher Versuchsführungen bei denen entweder Schubspannung, Scherdeformation oder Schergeschwindigkeit vorgegeben werden können.

  

Abb. 1  Kommerzielles Rotationsrheometer Rheoscope (Fa. Thermo Fisher Scientific) mit integriertem Mikroskop sowie schematische Darstellung verschiedener Messgeometrien (Kegel-Platte, Platte-Platte, koaxiale Zylinder)

Spezifikationen

Scherratenbereich:

10-5 s-1 – 103 s-1

Frequenzbereich:

10-3 Hz – 102 Hz

Temperaturbereich:

-190 °C – 600 °C  

Probenvolumen:

1 ml – 50 ml  


Anwendungen

  • Auslegung von Pumpen und Rohrleitungen
  • Mischen und Rühren von Dispersionen und Lösungen
  • Verarbeitung von Farben, Lacken und Klebstoffen
  • Applikation von Kosmetik- und Pharmaprodukten 
  • Kunststofftechnik
  • Lebensmittelverarbeitung 

 


Abb. 2   Viskositätsfunktionen von Polystyrolen verschiedener Molmassenverteilungen bei 180°C

 

Literatur

W. Gleissle, B. Hochstein; J. Rheol. 47(4) (2003) 897-910

B. Dames, B. Morrisson, N. Willenbacher, Rheol. Acta 40 (2001) 434-440

Kramer, R. Brummer, B. Hochstein, H. Buggisch

Proceedings of the XIIIth International Congress on Rheology, Cambridge, UK, 2000, 4-336 – 4-338

B. Hochstein; Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, Dissertation Universität Karlsruhe (TH); 1997

N. Willenbacher, T. Frechen, H. Schuch, B. Lettmann, European Coatigs Journal 9(1997), 810-814

M. Baumgärtel, N. Willenbacher, Rheol. Acta 35 (1996) 168-185

N. Willenbacher, J. Colloid. Interf. Sci. 182 (1996), 501-510