Wie mißt man die Scherviskosität korrekt?
Wie mißt man die Scherviskosität korrekt?
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testXpo Fachmesse für Prüftechnik, 14.–17.10.2013<br />
<strong>Wie</strong> <strong>mißt</strong> <strong>man</strong> <strong>die</strong> <strong>Scherviskosität</strong> <strong>korrekt</strong>?<br />
<br />
M<br />
p<br />
v<br />
Rotation<br />
Hochdruck-<br />
Kapillar<br />
Torsten Remmler, Malvern Instruments
Überblick<br />
• Grundbegriffe der Rheometrie: <strong>Wie</strong> ist <strong>die</strong> <strong>Scherviskosität</strong> definiert?<br />
• Messprinzip Rotationsrheometer / Hochdruck-Kapillarrheometer<br />
• Auswahl der optimalen Messgeometrie<br />
• Parametrierung: Stationäre und Instationäre <strong>Scherviskosität</strong>skurven<br />
• Zusatz-Informationen: Elastische Normalspannungen<br />
• Interpretation von <strong>Scherviskosität</strong>skurven
1. Grundbegriffe der Rheometrie: Uniaxiale Scherung<br />
Tangentialkraft F tan<br />
Auslenkung u<br />
d<br />
Fläche A = a · b<br />
Geometriefaktor (Höhe) = d<br />
<br />
.<br />
<br />
<br />
u<br />
d<br />
d<br />
dt<br />
Ftan<br />
A<br />
a<br />
b<br />
Deformation []<br />
Scherrate [1/s]<br />
Schubspannung [Pa]
Definition der dynamischen <strong>Scherviskosität</strong><br />
<br />
.<br />
p, t, ) = .<br />
<br />
Einheit: Pas<br />
Parameter:<br />
• physikalisch-chemischer Aufbau der Substanz<br />
• Temperatur<br />
• Druck<br />
• Zeit<br />
• Scherrate
Beanspruchungen in der Praxis und zugehörige<br />
Scherratenbereiche<br />
10 -3 Verlaufen,<br />
Sedimentieren<br />
10 -1<br />
Extrusion, Spritzguß<br />
Auftragen, Mischen<br />
Roll Coating, Versprühen<br />
10 0 10 1 10 2 10 3 10 4<br />
10 6<br />
s -1<br />
Rotationsrheometer<br />
Proben: wasserdünn bis festkörperartig<br />
Meßgrößen: <strong>Scherviskosität</strong>, Viskoelastizität, Fließgrenzen, Relaxationsverhalten u.a.<br />
Hochdruckkapillarrheometer<br />
Proben: wasserdünn bis hochviskos<br />
Meßgrößen: <strong>Scherviskosität</strong>, Dehnviskosität, Wandgleiten u.a.
Überblick über stationäres Fließverhalten<br />
log η<br />
newtonsch<br />
log γ .<br />
• Newtonsche Substanzen: Wasser, niedermolekulare Öle ...<br />
• Strukturviskose Substanzen: Polymerschmelzen, Emulsionen,<br />
Suspensionen...<br />
• Dilatante Substanzen: Stärke-Lösungen, PVC-Plastisole...
Messprinzip Rotationsrheometer<br />
Schubspannungsvorgabe (CS)<br />
Deformationsvorgabe (CR)<br />
M<br />
<br />
Anregung /<br />
Detektion<br />
Motor<br />
Kinexus Rheometer<br />
Vorteile<br />
Antwort /<br />
Vorgabe<br />
sehr kurze Ansprechzeiten durch<br />
geringe Trägheit der Antriebseinheit<br />
Sehr weiter Drehmomentbereich<br />
Obere Messplatte<br />
Luftlager<br />
Positions-<br />
Sensor<br />
Probe<br />
Untere Messplatte
Messprinzip Hochdruck-Kapillarrheometer<br />
Vorgabe: Stempelgeschwindigkeit Wandscherrate<br />
Meßgröße: Gesamtdruckabfall Wandschubspannung<br />
ZYLINDER<br />
v<br />
Gemessener<br />
Gesamtdruckverlust<br />
RH2000<br />
L<br />
P<br />
=<br />
Einlaufdruckverlust<br />
P 1<br />
P w<br />
0<br />
vollständig ausgeprägtes<br />
Strömungsprofil<br />
2R<br />
+<br />
Scherdruckverlust<br />
Einlauf<br />
länge<br />
RH10-D<br />
0 L<br />
Z<br />
kleiner Kolbenextruder
Auswahl der Messgeometrie am Rotationsrheometer<br />
M<br />
<br />
<br />
Kinexus Rheometer<br />
Parallele Platten<br />
R<br />
Koaxiale Zylinder<br />
• Je hochviskoser <strong>die</strong> Probe,<br />
desto kleiner sollte <strong>die</strong> Fläche<br />
sein!<br />
• Je größer <strong>die</strong> Scherrate, desto<br />
kleiner sollte der Spaltabstand<br />
(Öffnungswinkel) sein!
Auswahl der Messgeometrie am Kapillarrheometer<br />
Wahl des Durchmessers und der Länge<br />
. 2<br />
<br />
app<br />
app<br />
<br />
<br />
4 Q<br />
3<br />
R<br />
R<br />
P<br />
L<br />
Scherratenbereiche für<br />
ausgewählte Düsendurchmesser:<br />
2.0mm = ca. 0.1 bis 100 /s<br />
1.5mm = ca. 1 bis 1000 /s<br />
1.0mm = ca. 10 bis 10000 /s<br />
0.5mm = ca. 100 bis 100.000 /s<br />
0.25mm = ca. 1000 bis 1.000.000 /s<br />
<br />
Pro Düse ca. 2 – 3 Dekaden Scherrate optimaler Messbereich<br />
auf Grund des Druckaufnehmer-Messbereichs<br />
Q = Volumenstrom, R= Düsenradius, L= Düsenlänge, P=Druckabfall
Messtechnische Aufnahme einer <strong>Scherviskosität</strong>skurve<br />
CS-oder CR-Mode: Stationäre und instationäre Messroutine<br />
Stationär :<br />
<br />
Rampe in Stufen<br />
.<br />
.<br />
Keine Zeitabhängigkeit: = ()<br />
Instationär :<br />
<br />
Lineare Rampe, Profil etc.<br />
t<br />
<br />
t<br />
.<br />
Zeitabhängigkeit: = (t)<br />
t<br />
t
Scherraten- oder Schubspannungsvorgabe?<br />
Äquivalenz-Prinzip der stationären Rotationsrheometrie<br />
Newton:<br />
<br />
= .<br />
<br />
. Äquivalenz . .<br />
Fließkurve: = () = ()<br />
CR-Mode<br />
CS-Mode<br />
.<br />
Äquivalenz<br />
<strong>Scherviskosität</strong>skurve:<br />
= () = ()<br />
Bei stationären <strong>Scherviskosität</strong>skurven ist Scherraten- oder<br />
Schubspannungsvorgabe gleichwertig! Messbereich praxisorientiert wählen!
Rotationsrheometrie:<br />
Ermittlung der maximalen Scherrate<br />
Duschgel:<br />
Vergleich CS □ und CR ∆ <strong>Scherviskosität</strong>skurve<br />
Schubspannung darf nach Newton mit steigender Scherrate nicht abfallen!<br />
Bei Schubspannungsvorgabe ist max Scherrate nicht genau detektierbar!
Einfluß elastischer Effekte in Scherung: N1<br />
F t<br />
F n<br />
Quelle: MIT, 1999<br />
1. Normalspannungsdifferenz bei Kegel-Platte-Messungen immer auftragen<br />
Korrelation mit Elastizität der Probe unter Scherung, Ursache für Edge Failure
<strong>Scherviskosität</strong>sbestimmung am Kapillarrheometer<br />
Druckgleichgewicht ist Voraussetzung für <strong>korrekt</strong>e <strong>Scherviskosität</strong><br />
v<br />
2R<br />
Gleichgewichtsniveau<br />
Bedingung:<br />
Gleichgewichtseinstellung nach Vorgabe diskreter<br />
Scherraten (Stempelgeschwindigkeiten) abwarten
Anwendungsbeispiel Handcreme<br />
Lagerung<br />
Probenlagerung<br />
Sehr niedrige Scherraten: ~ 0.001s -1<br />
<strong>Wie</strong> langzeitstabil ist <strong>die</strong> Formulierung?<br />
Probendosierung<br />
Mittlere Scherraten: ~10s -1<br />
Ist <strong>die</strong> Crème pumpbar?<br />
Crème-Auftrag I<br />
Niedrige Scherraten: ~1s -1<br />
Fließt <strong>die</strong> Crème ab direkt nach Auftrag?<br />
Endanwendung<br />
Crème-Auftrag II<br />
Höhere Scherraten: ~100s -1<br />
Verreiben angenehm? Zu hochviskos?
Stationäre <strong>Scherviskosität</strong> Hand-Creme<br />
Zwei verschiedene Cremes im Vergleich<br />
Lagerung<br />
Auftrag I<br />
Dosierung<br />
Auftrag II<br />
Eine Formulierung besser in der Lagerung, aber schlechter im Auftrag<br />
(ca. Faktor 4 in der <strong>Scherviskosität</strong>)
Stationäre <strong>Scherviskosität</strong>skurven von Dispersionen<br />
<strong>Scherviskosität</strong>skurven bei 40°C<br />
<strong>Scherviskosität</strong>skurven (Pas)<br />
1.0E+04<br />
1.0E+03<br />
1.0E+02<br />
1.0E+01<br />
1.0E+00<br />
1.0E-01<br />
Rotationsrheometer<br />
Bohlin Gemini<br />
Besseres Standvermögen<br />
Bessere Verarbeitbarkeit<br />
1.0E-02<br />
1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06<br />
Scherrate (1/s)<br />
Kapillarrheometer<br />
Rosand RH10<br />
Düsenverstopfung durch<br />
Agglomeration bei Probe 3<br />
2. Newtonsches<br />
Plateau Probe 2<br />
(ca. 170 mPas)<br />
2. Newtonsches<br />
Plateau Probe 1<br />
(ca. 96 mPas)<br />
Probe 1 Kapillar Test 1<br />
Probe 1 Kapillar Test 2<br />
Probe 2 Kapillar Test 1<br />
Probe 3 Kapillar Test 1<br />
Probe 1 Rotation Test 1<br />
Probe 1 Rotation Test 2<br />
Probe 2 Rotation Test 1<br />
Probe 2 Rotation Test 2<br />
Probe 3 Rotation Test 1<br />
Probe 3 Rotation Test 2<br />
Rotational:<br />
Bohlin Gemini, Peltier Option,<br />
Cone Plate CP 4°/40<br />
Capillary:<br />
Rosand RH10-D, capillary <strong>die</strong><br />
0.4mm diameter / 32mm length,<br />
pressure sensors 500psi,<br />
Rabinowitsch corrected<br />
unterschiedliche Scherratenbereiche beachten
Stationäre <strong>Scherviskosität</strong>skurven an Polymerlösungen<br />
Xanthan Solution - measured with Cone Plate and Double Gap<br />
Shear viscosity[Pas].<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
1<br />
0,1<br />
Mw= 2.400.000 g/mol<br />
1%<br />
A<br />
0.5% 3 <br />
<br />
0.3%<br />
0.1%<br />
<br />
M<br />
c<br />
<br />
<br />
<br />
c<br />
sp k<br />
2<br />
h<br />
3<br />
10 R<br />
h<br />
N <br />
1%<br />
0.5%<br />
0.3%<br />
0.1% CP<br />
0.1% DG<br />
0,01<br />
0,001<br />
1,0E-04 1,0E-03 1,0E-02 1,0E-01 1,0E+00 1,0E+01 1,0E+02 1,0E+03<br />
Shear Rate [1/s]
Nachstellen der realen Anwendung: Sprungversuche<br />
Scherrate (CR) oder Schubspannung (CS)<br />
Schlagartige Beanspruchungswechsel simulieren <strong>die</strong><br />
Prozeßbedingungen<br />
Aber: Es werden instationäre <strong>Scherviskosität</strong>en gemessen<br />
Zeit<br />
Schlechte Farbe – zeigt<br />
Pinselmarken. Zu schneller<br />
Strukturaufbau<br />
<strong>Scherviskosität</strong><br />
Zeit<br />
Gute Farbe mit glatter<br />
Oberfläche.<br />
Vorgabe-Modus ist abhängig von<br />
der Applikation, z.B. CR in Phase 2<br />
für Walzenauftrag und danach<br />
CS in Phase 3 für Verlauf
Zusammenfassung<br />
Was Sie beachten sollten<br />
• Richtige Messystemauswahl für den benötigten Beanspruchungsbereich<br />
• Äquivalenz zwischen Schubspannungs- und Scherratenvorgabe für<br />
stationäre <strong>Scherviskosität</strong>skurven<br />
• Rotationsrheometrie: Elastische Normalspannungen liefern Zusatz-Informationen<br />
• Kapillarrheometrie: Druckgleichgewicht abwarten!<br />
• Instationäre <strong>Scherviskosität</strong>en stellen <strong>die</strong> realen Bedingungen oftmals<br />
besser nach (Sprungversuch)
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.<br />
Weitere Informationen zu rheologischen Fragestellungen finden Sie auf<br />
www.malvern.de<br />
Email: torsten.remmler@malvern.com
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