Was ist ein Kapillarrheometer?
Ein Kapillarrheometer ist ein Messgerät zur Bestimmung der Schubspannung und der Viskosität von fließenden Materialien.
Es kann auch Proben messen, die auf hohe Temperaturen erhitzt wurden und wird zur Bewertung der physikalischen Eigenschaften von Kunststoffen und anderen Materialien verwendet, die bei Raumtemperatur fest sind.
Mit Kapillarrheometern lassen sich rheologische Eigenschaften ermitteln, die mit der Viskosität eines Materials und seiner Fließfähigkeit unter Druck- und Temperatureinwirkung zusammenhängen. Rheologische Eigenschaften beziehen sich auf die Reaktion einer Probe auf eine äußere Kraft.
Feste Proben wie z. B. Kunststoffe, werden in einem Gerät erhitzt, bis sie flüssig werden. Die erhitzte Probe wird in ein dünnes Rohr, eine so genannte Kapillare, geleitet und mit verschiedenen Geschwindigkeiten extrudiert. Das Kapillarrheometer misst die Viskosität der Schmelze in Abhängigkeit von der Extrusionsgeschwindigkeit. Kapillar bedeutet Kapillarrohr und wird Kapillarrheometer genannt, weil es die physikalischen Eigenschaften durch Extrusion durch einen engen Durchgang bewertet.
Anwendungen von Kapillarrheometern
Kapillarrheometer werden bei der Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe und bei der Einstellung der Auslaufbedingungen beim Spritzgießen eingesetzt. Im Allgemeinen erfordert die Verarbeitung von Kunststoffen die Anwendung von hohem Druck bei hohen Temperaturen.
Einige Materialien zeigen eine nichtlineare Änderung der Viskosität (plötzliche Abnahme oder plötzlicher Anstieg der Viskosität) in Abhängigkeit von der angewendeten äußeren Kraft, eine Eigenschaft, die als nicht-newtonsche Flüssigkeiten bekannt ist, so dass die Viskosität der Probe in Abhängigkeit von Druck und Temperatur untersucht werden muss, um die optimalen Verarbeitungs- und Dosierbedingungen zu gestalten. Kapillarrheometer werden eingesetzt, um optimale Bedingungen für Herstellungsprozesse von Polymer- und Verbundwerkstoffen wie Kunststoffen festzulegen.
Funktionsweise eines Kapillarrheometers
Die Funktionsweise eines Kapillarrheometers ist vergleichbar mit der Messung der Kraft und Geschwindigkeit, mit der eine Flüssigkeit aus einer Spritze gedrückt wird. Ein thermoplastisches Material wird erhitzt, um es fließfähig zu machen und dann aus einem Zylinder in einen engen Durchgang, die so genannte Kapillardüse, extrudiert.
Die Scherspannung und die Viskosität des Materials bei der Prüftemperatur werden aus dem Druck, mit dem die Probe extrudiert wird, und der Geschwindigkeit, mit der sie extrudiert wird, bestimmt. Je nach Gerät können auch Messungen der Düsenquellung, der Schmelzespannung und der Dehnungsviskosität durchgeführt werden.
Aufbau von Kapillarrheometern
Kapillarrheometer haben einen engen Durchgang, die so genannte Kapillardüse, an einem Ende des Zylinders und einen Kolben am anderen Ende des Zylinders, der die erhitzte Probe herausdrückt. Der Aufbau ist so konzipiert, dass ein Druckmesser den Druck im Zylinder misst, während die Probe herausgeschoben wird und ein Kolben die Geschwindigkeit misst, mit der sich der Kolben bewegt, während er die Probe herausschiebt.
Merkmale von Kapillarrheometern
1. Eignung für die rheologische Bewertung von Kunststoffen
Kapillarrheometer zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, bei hohen Temperaturen und hohen Kräften (hohe Scherung) zu messen. Die Höchsttemperatur liegt je nach Gerät bei 400 °C oder höher, wodurch die Viskosität von geschmolzenen Kunststoffen bewertet werden kann. Auch die Scherkräfte sind mit bis zu 1 000 000 pro Sekunde extrem hoch, so dass die Fließfähigkeit von Proben bei großen Kräften untersucht werden kann. Da bei der Kunststoffverarbeitung häufig extrem hohe Kräfte beim Entleeren auftreten, ist es wichtig, das Verhalten der Probe unter solch hohen Scherkräften zu untersuchen.
2. Eignung für die Bewertung von Produkten, die hohen Scherkräften ausgesetzt sind
Neben Kunststoffen werden Kapillarrheometer auch zur Untersuchung von Produkten eingesetzt, die beim Auspressen aus ihren Behältern hohen Scherkräften ausgesetzt sind wie z. B. Ketchup, Mayonnaise und andere Lebensmittel, aber auch Gel-Kosmetika. Kapillarrheometer können bei Raumtemperatur eingesetzt werden und der große Bereich der auf die Proben einwirkenden Scherkräfte sowie die hohe Genauigkeit der Rheometer ermöglichen es, das Ausstoßverhalten von fließenden Lebensmitteln und kosmetischen Produkten aus ihren Behältern zu untersuchen.
Kapillarrheometer können auch die Viskosität bei unterschiedlichen Schergeschwindigkeiten messen, so dass in der Praxis die Probe durch Aufzeichnen einer Kurve der Schmelzviskosität über der Schergeschwindigkeit bewertet wird.