Das Rheologie Handbuch

Transkript

1 Das Rheologie Handbuch Thomas G. Mezger 1 Einleitung 1.1 Rheologie, Rheometrie, und Viskoelastizität 1.2 Deformation und Fließverhalten 2 Fließverhalten und Viskosität 2.1 Einleitung 2.2 Begriffsdefinitionen Schubspannung Scherrate Viskosität 2.3 Scherbelastungsabhängiges Fließverhalten Idealviskoses Fließverhalten nach Newton 2.4 Strömungsformen im Zwei-Platten-Modell 3 Rotationsversuche 3.1 Einleitung 3.2 Grundlagen Versuchsarten Scherraten- und Schubspannungsvorgabe, Rohdaten und rheologische Messgrößen 3.3 Fließkurven und Viskositätsfunktionen Versuchsbeschreibung Scherverdünnendes Fließverhalten Strukturen von Polymeren mit scherverdünnendem Verhalten Strukturen von Dispersionen mit scherverdünnendem Verhalten Scherverdickendes Fließverhalten Strukturen von Polymeren mit scherverdickendem Verhalten Strukturen von Dispersionen mit scherverdickendem Verhalten Fließgrenze Auswertung der Fließgrenze über Fließkurven Fließgrenzenbestimmung über Anpassungsgeraden im Schubspannungs-/Deformations-Diagramm Weitere Informationen zur Fließgrenze Überblick: Fließkurven und Viskositätsfunktionen Anpassungsfunktionen für Fließ- und Viskositätskurven Modellfunktion für idealviskoses Fließverhalten nach Newton Modellfunktionen für scherverdünnendes und scherverdickendes Fließverhalten Modellfunktionen für Fließverhalten mit Null-Viskosität und Unendlich-Viskosität Modellfunktionen für Fließkurven mit Fließgrenze Wirkung rheologischer Additive in wässrigen Dispersionen 3.4 Zeitabhängiges Fließverhalten und Viskositätsfunktion Versuchsbeschreibung Zeitabhängiges Fließverhalten ohne Aushärtung der Messprobe Strukturabbau und -wiederaufbau (Thixotropie und Rheopexie) Testmethoden zur Untersuchung thixotropen Verhaltens Zeitabhängiges Fließverhalten mit Aushärtung der Messprobe 3.5 Temperaturabhängiges Fließverhalten und Viskositätsfunktion Versuchsbeschreibung

2 3.5.2 Temperaturabhängiges Fließverhalten ohne Aushärtung der Messprobe Temperaturabhängiges Fließverhalten mit Aushärtung der Messprobe Anpassungsfunktionen für Kurven der temperaturabhängigen Viskosität 3.6 Druckabhängiges Fließverhalten und Viskositätsfunktion 4 Elastisches Verhalten und Schubmodul 4.1 Einleitung 4.2 Begriffsdefinitionen Deformation Schubmodul 4.3 Scherbelastungsabhängiges Deformationsverhalten Idealelastisches Deformationsverhalten nach Hooke 5 Viskoelastisches Verhalten 5.1 Einleitung 5.2 Grundlagen Viskoelastische Flüssigkeiten nach Maxwell Das Maxwell-Modell Anwendungsbeispiele für das Verhalten von VE-Flüssigkeiten in der Praxis Viskoelastische Feststoffe nach Kelvin/Voigt Das Kelvin/Voigt-Modell Anwendungsbeispiele für das Verhalten von VE-Festkörpern in der Praxis 5.3 Normalspannungen 6 Kriechversuch 6.1 Einleitung 6.2 Grundlagen Versuchsbeschreibung Idealelastisches Verhalten Idealviskoses Verhalten Viskoelastisches Verhalten 6.3 Auswertung Verhalten der Moleküle Das Burgers-Modell Kurvendiskussion Begriffsdefinitionen Null-Viskosität Kriechkomplianz und Kriecherholungs-Komplianz Retardationszeit Retardationszeit-Spektrum Datenkonversion Bestimmung der Molmassenverteilung 7 Relaxationsversuch 7.1 Einleitung 7.2 Grundlagen Versuchsbeschreibung Idealelastisches Verhalten Idealviskoses Verhalten Viskoelastisches Verhalten 7.3 Auswertung

3 7.3.1 Verhalten der Moleküle Kurvendiskussion Begriffsdefinitionen Relaxationsmodul Relaxationszeit Relaxationszeit-Spektrum Datenkonversion Bestimmung der Molmassenverteilung 8 Oszillationsversuche 8.1 Einleitung 8.2 Grundlagen Idealelastisches Verhalten Idealviskoses Verhalten Viskoelastisches Verhalten Begriffsdefinitionen Versuchsarten Deformations- und Schubspannungsvorgabe, Rohdaten und rheologische Parameter 8.3 Amplitudentest Versuchsbeschreibung Stukturcharakter einer Messprobe Grenze des LVE-Bereichs LVE-Bereich und Grenzwert der Deformation LVE-Bereich und Grenzwert der Schubspannung Bestimmung der Nachgebgrenze und Fließgrenze mit dem Amplitudentest Nachgebgrenze y (yield point) Fließgrenze f (flow point) Nachgiebigkeitsbereich zwischen Nachgebgrenze und Fließgrenze Bewertung der beiden Begriffe Nachgebgrenze und Fließgrenze Messprogramme in Kombination mit Amplitudentests Frequenzabhängigkeit beim Amplitudentest SAOS- und LAOS-Tests, und Lissajous-Diagramme 8.4 Frequenztest Versuchsbeschreibung Verhalten von unvernetzten Polymeren (Lösungen und Schmelzen) Einfaches Maxwell-Modell für Polymere mit enger Molmassenverteilung (MMV) Verallgemeinertes Maxwell-Modell für Polymere mit breiter MMV Verhalten von vernetzten Polymeren Verhalten von Dispersionen und Gelen Vergleich von Überstrukturen mit Hilfe von Frequenzkurven Mehrfrequenz-Versuch (Multiwave-Test) Datenkonversion 8.5 Zeitabhängiges Verhalten bei konstanten dynamisch-mechanischen und isothermen Bedingungen Versuchsbeschreibung Zeitabhängiges Verhalten ohne Aushärtung der Messprobe Strukturabbau und -wiederaufbau (Thixotropie und Rheopexie) Testmethoden zur Untersuchung thixotropen Verhaltens Zeitabhängiges Verhalten mit Aushärtung der Messprobe 8.6 Temperatur-abhängiges Verhalten bei konstanten dynamisch-mechanischen Bedingungen Versuchsbeschreibung Temperatur-abhängiges Verhalten ohne Aushärtung der

4 Messprobe Temperaturkurven und Strukturen von Polymeren Temperaturkurven von Dispersionen und Gelen Temperatur-abhängiges Verhalten mit Aushärtung der Messprobe Thermoanalyse (TA) 8.7 Zeit-/Temperatur-Verschiebung Temperatur-Verschiebungsfaktor nach der WLF-Methode 8.8 Die Cox/Merz-Regel 8.9 Kombinierte Rotations- und Oszillationsversuche Vorgabe von Rotation und Oszillation in Serie Überlagerung von Rotation und Oszillation 9 Komplexes Verhalten von Tensidsystemen 9.1 Tensidsysteme Tensidstrukturen und Mizellen Emulsionen Mischungen von Tensiden und Polymeren, tensid-ähnliche Polymere Anwendungen von Tensidsystemen 9.2 Rheologisches Verhalten von Tensidsystemen Gewöhnliches Scherverhalten Scherinduzierte Effekte, Scherschichtung und Rheo-Chaos 10 Messsysteme 10.1 Einleitung 10.2 Konzentrische Zylinder-Messsysteme Zylinder-Messsysteme im Allgemeinen Geometrie von Zylindersystemen mit weitem Scherspalt Betriebsarten Berechnungen Konzentrische Zylinder-Messsysteme mit engem Spalt nach ISO Geometrie Berechnungen Umrechnung zwischen Rohdaten und rheologischen Parametern Fließinstabilität und Sekundärströmungen im Zylinder-MS Vor- und Nachteile von Zylinder-Messsystemen Doppelspalt-Messsysteme Zylinder-Messsysteme für hohe Scherraten (High-Shear) 10.3 Kegel/Platte-Messsysteme Geometrie Berechnungen Umrechnung zwischen Rohdaten und rheologischen Parametern Fließinstabilität und Sekundärströmungen Kegelspitzenabnahme und Spalteinstellung Maximal zulässige Partikelgröße Befüllung des Kegel/Platte-Messsystems Vorteile und Nachteile von Kegel/Platte-Messsystemen 10.4 Platte/Platte-Messsysteme Geometrie Berechnungen Umrechnung zwischen Rohdaten und rheologischen Parametern Fließinstabilität und Sekundärströmungen Empfehlungen für den Plattenabstand

5 Automatische Spalt-Einstellung und automatische Spalt-Nachregelung mit Hilfe der Normalkraft-Steuerung Bestimmung des Temperaturgradienten in der Messprobe Vorteile und Nachteile von Platte/Platte-Messsystemen 10.5 Mooney/Ewart-Messsystem 10.6 Relativ-Messsysteme Messsysteme mit sandgestrahlter oder profilierter Oberfläche Scheiben-, stift- und kugelförmige Spindeln Krebs-Spindeln Pasten-Spindeln, Stift- und Flügel-Drehkörper Kugel-Messsystem (Rotation auf einer Kreisbahn) Weitere Relativ-Messsysteme 10.7 Messsysteme für feste Torsionsstäbe Probenstäbe mit rechteckigem Querschnitt Probenstäbe mit kreisförmigem Querschnitt Verbundwerkstoffe 10.8 Spezielle Messeinrichtungen Besondere Messbedingungen mit Beeinflussung der Rheologie Magnetische Felder für magneto-rheologische Flüssigkeiten Elektrische Felder für elektro-rheologische Flüssigkeiten Immobilisierung von Suspensionen durch Flüssigkeitsentzug Ultraviolettes Licht für UV-härtende Materialien Rheo-optische Messeinrichtungen Begriffe aus der Optik Mikroskopie Messzellen für Anisotropie mit optischer Drehung und Doppelbrechung SALS für gebeugte Lichtquanten SAXS für gebeugte Röntgenstrahlquanten SANS für gestreute Neutronen Geschwindigkeitsprofil in Scherströmungen Andere spezielle Messeinrichtungen Grenzflächen-Rheologie mit zweidimensionalen Flüssigkeitsfilmen Dielektrische Analyse mit elektrischen Dipolen NMR mit Resonanz von magnetisch aktiven Atomkernen Andere Prüfungen als Scherversuche Dehnversuche, Dehnviskosität und Dehnrheologie Tack-Test, Klebrigkeit und Zügigkeit Tribologie 11 Messgeräte 11.1 Einleitung 11.2 Kurzer Überblick: Methoden zur Prüfung von Viskosität und Elastizität Sehr einfache Bestimmungen Fließen auf horizontaler Ebene Ausbreitmaß auf horizontaler Ebene nach Heben eines Behälters Fließen auf schiefer Ebene Fließen auf vertikaler Ebene oder über eine Hilfseinrichtung Fließen in Kanal, Trog, Schale Auslaufbecher und andere drucklose Kapillar-Viskosimeter Geräte mit steigenden, sinkenden, fallenden, rollenden Elementen Penetrometer, Konsistometer, Texture Analyzer Druckbetriebene Zylinder- und Kapillargeräte

6 Einfache Versuche mit Rotationsviskosimetern Geräte mit vibrierenden oder oszillierenden Elementen Rotations- und Oszillations-Vulkameter für Gummi-Prüfungen Zug-Prüfgeräte Kompressions- oder Druck-Prüfgeräte Linear-Schubgerät, Scherpresse, Ziehprüfer Biege-Prüfgeräte Torsions-Prüfgeräte 11.3 Auslaufbecher Der ISO-Becher Kapillarlänge Berechnungen Fließinstabilität, Sekundärströmungen und turbulente Fließbedingungen in Auslaufbechern Andere Bauarten von Auslaufbechern 11.4 Kapillar-Viskosimeter Glaskapillar-Viskosimeter Berechnungen Bestimmung der Molmasse von Polymeren über verdünnte Polymerlösungen Bestimmung des Viskositäts-Index VI von Petrochemikalien Druckbetriebene Kapillar-Viskosimeter MFR- und MVR-Tester mit Gewichtsantrieb ( Niederdruck-Kapillarviskosimeter ) Hochdruck-Kapillarviskosimeter mit elektrischem Antrieb zur Prüfung von hochviskosen und pastenartigen Materialien Hochdruck-Kapillarviskosimeter mit Gasdruck zur Prüfung von Flüssigkeiten 11.5 Kugelfall-Viskosimeter 11.6 Rotations- und Oszillations-Rheometer Bauarten von Rheometern Regelkreise Drehmoment-Messeinrichtungen Winkel- oder Drehzahl-Messeinrichtungen Lagerung Temperiersysteme 12 Leitfaden für rheologische Versuche 12.1 Messsystem-Auswahl 12.2 Rotationsversuche Fließ- und Viskositätskurven Zeitabhängiges Fließverhalten (Rotation) Sprungversuch (Rotation): Strukturabbau und -wiederaufbau ( Thixotropie ) Temperatur-abhängiges Fließverhalten (Rotation) 12.3 Oszillationsversuche Amplitudentest Frequenztest Zeitabhängiges viskoelastisches Verhalten (Oszillation) Sprungversuch (Oszillation): Strukturabbau und -wiederaufbau ( Thixotropie ) Temperatur-abhängiges viskoelastisches Verhalten (Oszillation) 12.4 Wahl der Versuchsart Ruheverhalten Fließverhalten

7 Abbau und Wiederaufbau der Struktur ( thixotropes Verhalten, z.b. von Beschichtungen) 13 Rheologen und die historische Entwicklung der Rheologie 13.1 Entwicklung bis zum 19. Jahrhundert 13.2 Entwicklung zwischen 1800 und Entwicklung zwischen 1900 und Entwicklung zwischen 1950 und Entwicklung ab Anhang 14.1 Verwendete Zeichen, Symbole und Abkürzungen 14.2 Griechisches Alphabet 14.3 Umrechnung von Einheiten 15 Literatur 15.1 Publikationen und Bücher 15.2 ISO-Normen (International Standards Organisation) 15.3 ASTM-Normen (American Society for Testing and Materials) 15.4 DIN-, DIN EN-, DIN EN ISO- und EN-Normen (Deutsche Industrie Norm, Europäische Normen) 15.5 Wichtige Normen für Anwender von Rotationsrheometern Lebenslauf Index