Was ist ein Rheometer?
Rheologie ist die Lehre vom Fließen und von der Verformung von Materialien. Die Rheometrie ist eine Methode zur Bewertung der rheologischen Eigenschaften von Materialien, und ein Rheometer ist ein Messgerät.
Indem man eine Probe im Rheometer in Rotations- oder Oszillationsbewegungen versetzt und die dabei entstehenden Spannungen misst, lassen sich verschiedene Eigenschaften quantifizieren.
Durch den Wechsel des Spannzeugs im Probeneinstellbereich kann je nach Art der Probe ein breites Spektrum von Flüssigkeiten bis hin zu Feststoffen gemessen werden.
Einsatzmöglichkeiten des Rheometers
Im Folgenden sind einige Anwendungsbeispiele aufgeführt.
- Quantifizierung der Haptik, z. B. der Textur von Lebensmitteln, der Haptik von Kosmetika usw.
- Dispergierbarkeit von Lacken und anderen Materialien, Bewertung der Sedimentations- und Beschichtungseigenschaften
- Bewertung des Schmelzverhaltens und der Formbarkeit von Polymeren
- Bewertung des Aushärteverhaltens von duroplastischen Klebstoffen und UV-härtenden Harzen
- Bewertung der Fließfähigkeit im Herstellungsprozess
- Temperaturabhängige Änderungen der physikalischen Eigenschaften
Rheometer werden daher in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt. Die aus den Messungen gewonnenen Viskositäts- und viskoelastischen Eigenschaften werden nicht nur als Indikatoren für Forschung und Entwicklung, sondern auch für die Qualitätskontrolle verwendet.
In der Grundlagenforschung, z. B. in der Polymerchemie, werden die mit Rheometern gewonnenen Messergebnisse zur Untersuchung der molekularen Struktur von Materialien verwendet, was zur Suche nach hochfunktionellen Materialien und zur Entwicklung sicherer und wirksamer Materialien und Produkte führt.
Prinzip der Rheometrie
Ein Rheometer ist ein Gerät zur Messung der Viskosität und der viskoelastischen Eigenschaften eines Materials.
Die Vorrichtung im Probeneinstellbereich gibt es in verschiedenen Größen und Formen. Hier stellen wir eine Vorrichtung namens Kegelplatte vor. Die Kegelplatte ist eine Kombination aus einem Kegel und einer Scheibe und wird eingestellt, indem die Probe zwischen die obere und die untere Platte gelegt wird, wie in der Abbildung unten dargestellt. Die obere Vorrichtung wird gedreht oder geschüttelt, um die viskoelastischen Eigenschaften der Probe zu messen. In vielen Fällen kann auch die Temperatur der Probe geregelt werden.
Die Viskosität wird aus dem Rotationswiderstand (Drehmoment) berechnet, wenn die obere Vorrichtung mit einer bestimmten Geschwindigkeit gedreht wird.
Die viskoelastischen Eigenschaften können anhand der Spannung bestimmt werden, die entsteht, wenn die obere Spannvorrichtung rechtsdrehend, linksdrehend, rechtsdrehend, … in Schwingung versetzt wird. Wird die Spannvorrichtung sinusförmig in Schwingung versetzt und verformt, erhält man eine sinusförmige Spannungswelle als Antwort der Probe. Die Tatsache, dass die Phase dieser Spannungswelle bei Flüssigkeiten und Festkörpern unterschiedlich ist, wird genutzt. Anhand der Phasendifferenz zwischen der Sinuswelle und der Spannungswelle bei der Schwingungsverformung der Probe lässt sich feststellen, inwieweit die Probe flüssig ist? Wie fest ist sie? Die Größe der Amplitude der Spannungswelle kann zur Quantifizierung der Festigkeit verwendet werden.
Die Kegelplatte ist für die Messung von flüssigen Proben ausgelegt, die zwischen die obere und untere Platte gelegt werden können, aber eine Spannvorrichtung kann für die Messung von festen, in Streifen geformten Proben verwendet werden. Darüber hinaus ist eine breite Palette weiterer probenspezifischer Vorrichtungen erhältlich, mit denen eine Vielzahl von Proben gemessen werden kann, von Feststoffen bis zu Flüssigkeiten. Andere Messungen wie Relaxationsmodul, Kriechnachgiebigkeit und Fließspannung können ebenfalls durchgeführt werden.
Rheometer Anwendungsmessungen
Das Rheometer bietet eine Vielzahl von Optionen. Diese können genutzt werden, um (i) die Probenumgebung, wie z. B. Feuchtigkeit oder UV-Bestrahlung, bei der Bewertung von Viskosität und viskoelastischen Eigenschaften wie oben beschrieben zu kontrollieren, (ii) Raman-Spektroskopie, Kleinwinkel-Lichtstreuung, Mikroskopie und Impedanzmessgeräte zu kombinieren, um gleichzeitig Viskosität und viskoelastische Eigenschaften zu messen, und (iii) die Funktionen des Rheometers auf Pulverfluss und Oberflächenreibung anzuwenden. Auch Widerstände können gemessen werden.
Insbesondere die Option (2) der gleichzeitigen Messung ermöglicht die Messung von Änderungen der Impedanz- und Raman-Spektren sowie von Änderungen der physikalischen Eigenschaften, die mit Änderungen der Probentemperatur und der Verformungsgeschwindigkeit einhergehen, so dass nicht nur makro-physikalische Eigenschaften wie Viskosität und viskoelastische Eigenschaften, sondern auch interne Informationen über die Probe gleichzeitig erfasst werden können.