M6 Nicht-Newtonsche Strömung: Schmelzrheologie

Thema

Dieses geschmolzene Polymer, das einer Scherströmung ausgesetzt ist, ermöglicht es dieser Scherströmung, die im Ruhezustand in dem durch ein anderes Modell dieser Anordnung beschriebenen Rohr verknäuelten Molekülketten schrittweise zu entwirren: Je schneller die Scherströmung, desto weniger Zeit haben diese Molekülketten, sich erneut zu verknäueln, bevor die Scherströmung sie wieder entwirrt, und desto entwirrter bleiben sie im Durchschnitt während der Dauer der Scherströmung. Diese Entwirrung der Molekülketten durch die Scherströmung führt zu einer Strukturviskosität des geschmolzenen Polymers: Die Viskosität dieses geschmolzenen Polymers, die im Ruhezustand hoch ist, wenn diese Molekülketten verknäuelt bleiben, sinkt mit zunehmender Entwirrung durch die Scherströmung.

Dieses gesamte Verhalten dieses geschmolzenen Polymers, vom Plateau konstanter Viskosität bei sehr niedrigen Scherraten, wo die Scherströmung diese Molekülketten noch nicht merklich entwirrt hat, bis zur ausgeprägten Strukturviskosität bei hohen Scherraten, wird durch das Carreau-Yasuda-Modell beschrieben. Dies ist dasselbe Modell, das bereits zur Beschreibung der Viskositätsänderung dieses Polymers in Abhängigkeit von der Scherrate verwendet wurde. Es basiert auf der Masterkurve, die mittels oszillatorischer Rheometrie – einem weiteren Modell dieser Reihe – erstellt wurde. Das Carreau-Yasuda-Modell erfasst in einem einzigen kontinuierlichen Ausdruck sowohl das Plateau bei niedrigen Scherraten als auch die Strukturviskosität bei hohen Scherraten sowie den allmählichen Übergang zwischen den beiden Bereichen. Da sich dieses Plateau konstanter Viskosität des geschmolzenen Polymers bis zu höheren Scherraten erstreckt, bevor die Strukturviskosität einsetzt, verschiebt das an dieses vollständige Verhalten angepasste Carreau-Yasuda-Modell diesen Übergang folglich zu einer höheren Scherrate.

Dieses Modell, mit dem die Scherverdünnung und die Carreau-Yasuda-Anpassung entwickelt wurden, ermöglicht es daher, über die Cox-Merz-Beziehung die Viskosität des geschmolzenen Polymers unter kontinuierlicher Scherung mit der bereits mittels dynamischer Rheometrie gemessenen komplexen oszillatorischen Viskosität mithilfe eines anderen Modells dieser Reihe in Beziehung zu setzen: Die Cox-Merz-Beziehung setzt bei gleicher Scherrate und gleicher Winkelfrequenz beide Viskositäten gleich, sodass dasselbe Carreau-Yasuda-Modell anhand der dynamischen Rheometrie verifiziert werden kann, ohne dass das geschmolzene Polymer einem separaten kontinuierlichen Scherversuch unterzogen werden muss. Die Tatsache, dass diese Ausdünnung durch Schneiden, mit einem für dieses geschmolzene Polymer spezifischen mikroskopischen Mechanismus der Entwirrung von Molekülketten, eine ähnliche mathematische Form aufweist wie die bereits für eine Suspension von Partikeln aus einer anderen Materialgruppe beschriebene, jedoch durch ein anderes Modell, dessen zugrunde liegender mikroskopischer Mechanismus, an den ich mich nicht mehr erinnern kann, notwendigerweise anders ist als diese Entwirrung von Molekülketten, bedeutet, dass beide Modelle die gleiche mathematische Form aufweisen, ohne jedoch im Wesentlichen die gleiche physikalische Ursache zu teilen.

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