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Hochfrequenzrheometrie

Hochfrequenzrheometrie
Ansprechpartner:Claude Oelschlaeger

Ziel

Die Bestimmung der linear viskoelastischen Eigenschaften bei hohen Frequenzen liefert wichtige Information über Struktur und Dynamik komplexer Fluide. In konzentrierten Dispersionen können kolloidale und hydrodynamische Wechselwirkungen charakterisiert und mit der Stabilität solcher Systeme korreliert werden. In Polymerschmelzen und -lösungen oder in selbst ordnenden Systemen sind die Moduln bei hohen Frequenzen verknüpft mit der Molekülstruktur und den entsprechenden lokalen Relaxationsmechanismen. Für Dispersionen, Suspensionen, verdünnte oder mäßig konzentrierte Lösungen oder Gele können diese Daten nicht über das Zeit-Superpositions-Prinzip aus Messungen mit konventionellen Rheometern abgeleitet werden. In diesen Fällen bieten die oszillatorische Quetschströmung und die Torsions-Resonanzoszillation die Möglichkeit G’ und G’’ im Frequenzbereich zwischen 0,1 Hz–100 kHz direkt zu messen.

Messprinzip

Oszillatorische Quetschströmung

Im Piezo-Axial-Vibrator (PAV) wird die dynamische Quetschströmung durch zwei über einen Lock-In-Verstärker angeregte Piezopaare erzeugt. An zwei weiteren Piezopaare wird das Messsignal abgenommen. Die Moduln G’ und G’’ werden aus dem Verhältnis der Spannungssignale mit und ohne Probe und der korrespondierenden Phasenverschiebung berechnet.

             

Abb. 1 Piezo-Axial-Vibrator – Foto und Schematischer Aufbau

Spezifikationen

Probenvolumen:

ab 10 µl hermetisch abgeschlossen

Frequenzbereich:

1 - 7000 Hz

Spalte:

0,01 - 1 mm

Temperaturbereich:

5 – 95 °C

Oszillationsamplitude

max. 5 nm (Deformation γ < 0,001)

Messprinzip

Torsions-Resonanzoszillation

In der Arbeitsgruppe stehen zwei piezoelektrisch angetriebene Titanresonatoren zur Verfügung. Mit Hilfe eines Lock-In-Verstärkers werden die Resonanzkurven dieser Resonatoren vermessen. Vier verschiedene Frequenzen zwischen 8 kHz und 60 kHz können angeregt werden. Beim Eintauchen in eine Flüssigkeit erniedrigt sich die Resonanzfrequenz und die Resonanzkurve verbreitert sich. Aus der Frequenzverschiebung und der Erhöhung der Dämpfung durch das umgebende Fluid im Vergleich zu Luft werden die Module G’ und G’’ berechnet.

              

Abb. 2 Zylinder- und Hantelresonator sowie Frequenzabhängigkeit der Schwingungsamplitude mit / ohne Probe

Spezifikationen

Probenvolumen:

10 – 40 ml

Frequenzen:

8, 19, 31, 59 kHz

Oszillationsamplitude:

ca. 50 nm (Deformation γ < 0,01)

Viskositätsbereich:

0,001 – 10 Pa s

Temperaturbereich:

5 – 95 °C

Anwendungen

Für konzentrierte Suspensionen ist der Verlustmodul G’ direkt mit den kolloidalen Wechselwirkungen der suspendierten Partikeln verknüpft, während η′ nur vom hydrodynamischen Volumen abhängt. Damit kann die Methode genutzt werden für:

  • In-situ Charakterisierung des Wechselwirkungspotentials – keine Artefakte der Probenpräparation, empfindlich gegenüber jeder Art von Wechselwirkung mit einer Reichweite in der Größenordnung des mittleren Partikelabstandes
  • Bestimmung des hydrodynamischen Partikelvolumens, insbesondere empfindlich auf Permeabilität/Porosität von Partikeln oder deren Quellung durch das Dispergiermedium,
  • Die Frequenzabhängigkeit des Speichermoduls konzentrierter Dispersionen kann ohne weitere Kenntnisse über das System als „Fingerabdruck“ (Abb. 4) zur Identifizierung des Stabilisierungsmechanismus herangezogen werden.

Das Relaxationsverhalten von Polymerlösungen ist durch verschiedene Skalengesetze im Hochfrequenzbereich gekennzeichnet. Bei semiflexiblen Polymeren wie z.B. Biopolymeren (DNA, Myosin, F-Aktin) oder bei selbst organisierenden Systemen wie z.B. zylindrischen Tensidmizellen kann die Persistenzlänge aus der charakteristischen Frequenz der kürzesten Rouse-Mode bestimmt werden.

 
 
Abb. 3 „Fingerabdruck“ für kolloidale Suspensionen      Abb.4  Relaxationsspektrum einer viskoelastischen Tensidlösung (CePyCl/NaCl)
     Maxwellbereich (f <1 Hz), Plateaubereich (1 Hz< f <100 Hz),
     kurzreichweitige Relaxationsprozesse ( f >10 3 Hz )

Literatur

J. Crassous, R. Régisser, M. Ballauff, N. Willenbacher, J. Rheol. 49(4), 851-864 (2005)
G. Fritz, N. Willenbacher, and N.J. Wagner, J. Rheol. 47(2), 303-319 (2003)
G. Fritz, V. Schädler, N. Willenbacher, and N.J. Wagner, Langmuir 18, 6381-6390 (2002)
F.M. Horn, W. Richtering, J. Bergenholtz, N. Willenbacher, N.J. Wagner, J. Colloid Interface Sci. 225, 166-178 (2000)
J. Bergenholtz, F. M. Horn, W. Richtering, N. Willenbacher, N. J. Wagner, Physical Review E, Rapid Communications, 58 (4) (1998), 4088-4091