Rheologie-Viskosität

Rheologie

Die Rheologie ist die Wissenschaft des Fließverhaltens und der Deformation von Flüssigkeiten und elastischer Körper.


Geschichte der Rheologie

Der Begriff Rheologie wurde durch  Professor Eugene Cook Bingham (* 8. Dezember 1878 in Cornwall, Vermont, USA; † 6. November 1945)´zum Anfang des zwanzigsten Jahrhundert geprägt [2]. Abgeleitet wurde dieser aus dem griechischen „rheos“ = fließen.


Rheologische Größen

Scherspannung (Schubspannung) τ

Die Scherspannung / Schubspannung ist eine Kraft welche auf eine gedachte Schnittfläche eines Körpers in tangentialer Richtung wirkt. Die Einheit der Scherspannung ist Pascal (Pa) = N ⋅ m-2

Scherung γ

Festkörperscherung Rheologie
Zwei an einem Körper angreifende, parallel zueinander in entgegengesetzter Richtung wirkende Kräfte bewirken eine Scherung des Körpers und heißen daher Scherkräfte
Von Alva2004 – Eigenes Werk, CC-BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=50180544

Im Gegensatz dazu sind bei der Torsion die wirkenden Kräfte nicht parallel sondern verdreht. Die Scherung ist bei linearer Elastizität proprtional zur Scherspannung:

τ = G  ⋅ γ   (HOOK´sche Gesetz)

G = Proprtionalkonstante
τ  = Schubspannung
γ  = Scherung

Schergeschwindigkeit Schergeschwindigkeit

In der Rheologie dient die Schergeschwindigkeit Schergeschwindigkeit  zur Definition der Viskosität η, da die Viskosität der Proportionalitätfaktor zwischen Schergeschwindigkeit  und Schubspannung τ darstellt:

τ = η ⋅ γ

Schergeschwindigkeit ist ein Maß für die mechanische Belastung, der eine Probe bei einer rheologischen Messung unterworfen wird.

Tangentialkraft FT

 

dynamische Viskosität

Scherviskositäten η

Schwingungsfrequenz ω

Plateau-Speichermodul G’P

Schwingungsviskosität |η*|

Verlustfaktor tan δ


Formeln & Gesetze

Viskosität für newtonsche Flüssigkeiten

Newtonsche Flüssigkeiten sind der einfachste Fließtyp

Regel von Cox und Merz

Cox und Merz stellten 1958 die empirische Regel auf, daß η und η∗ (=komplexe Viskosität) bei Darstellung im selben Diagramm für Polymerlösungen den gleichen Kurvenverlauf haben können. Als Voraussetzung fur die Übereinstimmung der beiden Viskositäten, müssen die Polymere eine einfache Struktur aufweisen. Dies bedingt dass nur mechanische Wechselwirkungen, sogenannte Verschlaufungen, zwischen den Makromolekülen auftreten und die die rheologischen Eigenschaften beeinflussen können [3].

Hookesches Gesetz (Gesetz zur Elastizität)

Das Hooksche Gesetz besagt, dass bei ideal elastischen Material die Schubspannung proprotional zur Scherung ist:

τ = G  ⋅ γ   (HOOK´sche Gesetz)

G = Proprtionalkonstante (Schubmodul)
τ  = Schubspannung
γ  = Scherung


Analysemethoden

Stationäre Schermessung

Bei der Stationären Schermessung wird über eine

Dynamische Oszillationsmessung

Die Dynamische Oszillationsmessung (Schwingungsmessung) dient der Bestimmung der viskosen und elastischen Anteile eines Stoffes.  Dazu wird das zu untersuchende Material meist einer sinusförmigen Deformation mit kleiner Amplitude ausgesetzt. Die kleine Amplitude garantiert dabei die Messung im linearen viskoelastischen Bereich

Messungen mit dem Kapillarviskosimeter

Rotationsviskosimeter

Kugelfallviskosimeter


Begriffe

viskoelastisch

Zubereitungen oder Stoffe welche sowohl elastischen, als auch plastischen Charakter besitzen werden als viskoelastisch bezeichnet.

pseudoplastisches Fließverhalten

Pseudoplastizität


Literatur & Quellen

  1. Claudia Jacobs „Nanosuspensionsformulierungen für verschiedene Applikationsformen“ (2003) Inaugural-Dissertation zur Erlangung der Doktorwürde im Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie der Freien Universität Berlin LINK
  2. Roger I. Tanner, Kenneth Walters: Rheology: An historical perspective (= Rheology Series. Nr. 7). Elsevier, Amsterdam 1998, ISBN 978-0-444-82946-7
  3. Kettler, E. (2007) „Rheologie komplexer Flussigkeiten“ Von der Fakultät fur Mathematik, Informatik und Naturwissenschaft der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades einer Doktorin der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation LINK

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