Was ist ein Viskoelastizitätsmessgerät?
Ein Viskoelastizitätsmessgerät ist ein Messgerät, das die Viskoelastizität einer Probe bewertet. Es gibt zwei Hauptarten der Viskoelastizitätsmessung. Bei der ersten handelt es sich um die Bewertung der dynamisch-mechanischen Analyse (DMA) einzelner Objekte, wie z. B. metallischer Werkstoffe, bei der zweiten um ein Gerät, das als Rheometer bezeichnet wird und die Viskoelastizität pastöser Materialien, ähnlich einer Flüssigkeit, bewertet.
Anwendungen von Viskoelastizitätsmessgeräten
Die als DMA bezeichnete Viskoelastizitätsmessung wird hauptsächlich für Kunststoffprodukte verwendet. Abgesehen von Kunststoffprodukten werden Rheometer auch bei Lebensmitteln eingesetzt, um die Textur und die Haptik zu bestimmen.
Ein weiteres rheologisches Messgerät ist das Rheometer. Rheometer werden zur Charakterisierung von Farben und Beschichtungen, zur Bewertung von Produkten wie Schokolade, Ketchup und Joghurt in Lebensmitteln und zur Bewertung von Polymeren, Petrochemikalien, Klebstoffen, medizinischen und kosmetischen Produkten eingesetzt. Die Auswahl von Geräten für die Herstellung dieser Produkte erfordert ebenfalls eine Bewertung durch Viskoelastizitätsmessgeräte.
Funktionsweise der Viskoelastizitätsmessgeräte
Die Funktionsweise der Viskoelastizitätsmessung besteht darin, eine äußere Kraft auf das zu bewertende Objekt auszuüben und das Phänomen aufzuzeichnen. Die Viskoelastizität ist keine isolierte physikalische Eigenschaft, sondern eine Mischung aus Viskosität und Elastizität. Daher werden hier Viskosität und Elastizität eingeführt.
1. Viskosität
Viskoelastizität ist eine Eigenschaft, bei der eine Dehnung erzeugt wird, wenn eine äußere Kraft auf ein Objekt einwirkt, und die Dehnung nicht verschwindet, wenn die äußere Kraft entfernt wird. Die aufgebrachte Energie verbleibt nicht im Objekt, sondern wird in Wärmeenergie umgewandelt und freigesetzt. Die Dehnung bleibt also bestehen und die Form kehrt nicht in die Form zurück, die sie vor der Einwirkung der äußeren Kraft hatte.
2. Elastizität
Hierbei handelt es sich um die Eigenschaft, dass die Dehnung, die beim Aufbringen einer äußeren Kraft auf ein Objekt entsteht, verschwindet, wenn die äußere Kraft entfernt wird. Die hinzugefügte Energie wird im Objekt gespeichert und kehrt daher in seinen ursprünglichen Zustand zurück, wenn die äußere Kraft entfernt wird.
Ein elastischer Körper kehrt sofort in seinen ursprünglichen Zustand zurück, wenn eine äußere Kraft von einem angelegten Zustand weggenommen wird, ein viskoser Körper kehrt nicht in seinen ursprünglichen Zustand zurück, und ein viskoelastischer Körper kehrt nicht vollständig in seinen ursprünglichen Zustand zurück, sondern zeigt einen allmählichen Versuch, dies zu tun.
In Bezug auf die Energie bei Einwirkung einer äußeren Kraft ist ein elastischer Körper ein Körper, bei dem die gesamte Energie innerhalb des Objekts gespeichert wird, ein viskoser Körper ist ein Körper, bei dem die Energie in Form von Wärme usw. dissipiert und freigesetzt wird, und ein viskoelastischer Körper ist ein Körper, bei dem die Energie sowohl für die Speicherung als auch für die Dissipation/Freisetzung verwendet wird.
Arten von Viskoelastizitätsmessgeräten
Es gibt zwei Haupttypen von Geräten zur Messung der Viskoelastizität:
DMA
Die DMA ist ein Gerät zur Messung der dynamischen mechanischen Eigenschaften. Viskosität und Elastizität sind wichtige Indikatoren, zum Beispiel für das Verständnis der physikalischen Eigenschaften von Polymermaterialien. Beim Spritzgießen von Polymeren schrumpft und dehnt sich das geformte Produkt während des Einspritzens aus. Dieses Phänomen ist ebenfalls auf die Viskoelastizität zurückzuführen und die Viskoelastizität muss bei der Gestaltung des Formgebungsprozesses berücksichtigt werden. Hauptsächlich werden Geräte verwendet, die DMA messen können. Die von außen einwirkenden Kräfte können in den Modi Zug, Druck, freitragende Biegung, frei gelagerte Dreipunktbiegung und Scherung auftreten.
Rheometer
Rheometer werden zur Messung der Viskositätseigenschaften in der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie eingesetzt. Bei Lebensmitteln ist es wichtig, die sensorischen Eigenschaften wie Zungengefühl, Textur, Biss, Schmelzgefühl im Mund und Rachengefühl quantitativ zu bewerten. Da diese sensorischen Bewertungen von Person zu Person variieren, ist eine numerische Bewertung unerlässlich, um eine gleichbleibende Qualität zu gewährleisten.
Viskosimeter sind den Rheometern ähnlich. Viskosimeter bewerten physikalische Eigenschaften, indem sie eine äußere Kraft, hauptsächlich eine Rotation, in nur eine Richtung ausüben. Der Unterschied besteht darin, dass ein Rheometer, wie ein DMA, durch Oszillation (Sinuswelle) misst.
Weitere Informationen zu rheologischen Messgeräten
Bei dynamischen Viskoelastizitätsmessungen, auch Rheometrie oder DMA genannt, wird eine zyklisch oszillierende Belastung aufgebracht, und die Spannungen und Phasendifferenzen in der Probe werden zur Bewertung von Eigenschaften wie Speichermodul, Verlustmodul und Verlustsinus verwendet. Der Speichermodul ist die Stärke der elastischen Eigenschaften der Probe, während der Verlustmodul die Stärke der viskosen Komponente der Probe angibt.
Der Verlustsinus ist das Verhältnis zwischen dem Verlustmodul und dem Speichermodul und ist ein wichtiger Parameter, der als tan δ bewertet wird. tan δ steht für den viskosen Anteil, je höher tan δ ist, desto näher ist das Material an einer Flüssigkeit.