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Rheologie

Viskosität und Rheologie

In der Praxis gebräuchliche Kolloiddispersionen weisen in der Regel einen Feststoffgehalt von 40-60% auf. Bei solch hohen Feststoffkonzentrationen können sich die Polymerkügelchen nicht mehr ungestört aneinander vorbei bewegen. Es kommt zu Reibungen und Stößen zwischen den Teilchen, wodurch die Viskosität der Dispersion stark erhöht wird. Von praktischem Interesse ist es jedoch, Kolloiddispersionen mit hohen Feststoffgehalten bei gleichzeitig geringer Viskosität zu erhalten (z.B. bessere Verarbeitbarkeit). Die Viskosität einer solchen Dispersion ist jedoch nicht  nur vom Feststoffgehalt abhängig, sondern auch von der Teilchengrößenverteilung sowie von den effektiven Wechselwirkungspotentialen der Kolloide. Generell gilt: Je niedriger der Feststoffgehalt, je größer die Teilchen und je breiter die Teilchengrößenverteilung, um so dünnflüssiger ist die Kolloiddispersion. Heutzutage ist es möglich niedrigviskose Dispersionen mit Feststoffgehalten von bis zu 70% zu erhalten, indem man die Verteilung der Teilchengrößen so wählt, daß die kleinen Partikel in die Hohlräume zwischen den großen Partikeln passen.
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Abbildung1: Abhängigkeit der Viskosität vom Feststoffgehalt und von der Teilchen-größenverteilung

Die Frage, ob sich durch komplexere Teilchengrößenverteilungen noch höhere Feststoffgehalte erreichen lassen, ist noch ungeklärt. Daher ist der Einfluß der Teilchengrößenverteilung bzw. Polydispersität auf die Dispersionseigenschaften (z.B. Viskosität) ein aktueller Forschungsgegenstand. Noch wenig verstanden ist der Einfluß der Polydispersität auf das rheologische Verhalten von Kolloiddispersionen. Der Begriff Rheologie leitet sich aus dem griechischen Wort rheos = fließen ab. Rheologie bezeichnet die Lehre vom Fließen. Unter Fließen versteht man eine kontinuierliche Deformation einen Materials unter Einwirkung einer äußeren Kraft. Die Rheologie beschäftigt sich mit der Frage, wie man diese Deformation messen und erklären kann. Bei Viskösitätsmessungen können drei verschiedene Fälle auftreten.

1. Die Viskosität bleibt mit zunehmender Scherrate konstant (newtonsche Flüssigkeit).
2. Die Viskosität nimmt mit zunehmender Scherrate zu (Scherverdickung).
3. Die Viskosität nimmt mit zunehmender Scherrate ab (Scherverdünnung).


Abbildung 2: Zusammenfassung der drei möglichen Fälle bei Viskositätsmessungen.

Die wichtigsten Eigenschaften von Stoffen, die mit rheologischen Methoden bestimmt werden sind das viskose und elastische Verhalten. Unter rein viskosen Stoffen versteht man reine Flüssigkeiten (z. B.: Wasser), rein elastische Stoffe sind Festkörper (z. B.: Stahl). Viele andere Materialien besitzen sowohl viskose als auch elastische Eigenschaften (z. B.: Gummi). Man bezeichnet Stoffe mit diesen beiden Eigenschaften als visko-elastisch. Zu dieser Stoffklasse zählen auch die von uns untersuchten Kolloiddispersionen. Zur Beschreibung dieser beiden Eigenschaften wird der Elastizitätsmodul (G*) eingeführt. Dieser setzt sich aus einem Real- und einem Imaginärteil zusammen. Der Realteil, auch Speichermodul (G`) genannt, ist ein Maß für die bei einer Scherung vom Material gespeicherte mechanische Energie. Der Imaginärteil, Verlustmodul (G"), gibt Auskunft über die bei dem Scherexperiment vom Material dissipierte Energie. Flüssigkeiten können bei einem Scherexperiment keine mechanische Energie speichern. Ihr Speichermodul ist demnach nahezu null. Bei visko-elastischen Stoffen wird ein Teil der Energie gespeichert ein anderer dissipiert. Das Verhältnis von Verlustmodul (G") zu Speichermodul (G`) (auch Verlusttangens genannt) ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials mechanische Energie zu speichern. Bei Festkörpern ist in der Regel der Speichermodul (G`) wesentlich größer als der Verlustmodul (G"). 
 
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Abbildung 3: Zusammenhang zwischen Speichermodul (G`) und Verlustmodul (G")

Die von uns untersuchten (nahezu monodispersen) Kolloiddispersionen verändern mit zunehmender Konzentration ihre elastischen Eigenschaften. Im Konzentrationsbereich bis zu einem Volumenbruch von ca. 0,48 kann man sie als Flüssigkeiten bezeichnen (G`>G" ). Mit steigender Konzentration zeigen sie dann ein viskoelastisches Verhalten. Dies ist besonders im Volumenbruchbereich ab ca. 0,53 zu erkennen (G`<G"). Der Einfluß der Polydispersität auf dieses Verhalten ist Gegenstand unserer aktuellen Forschung.

 

 

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