Grundlagen der Kapillarrheologie

Welche Daten können mit einem Kapillarrheometer gewonnen werden?

• Schmelzviskosität

Viskosität kann man sich als die Fließfähigkeit einer Flüssigkeit vorstellen, oder wie sehr die Flüssigkeit sich dem Fließen widersetzt. Die Viskosität, η, wird als das Verhältnis der Scherspannung, τ, (Kraft pro Flächeneinheit) zur Schergeschwindigkeit, y, (Geschwindigkeitsänderung der Scherdehnung) ausgedrückt. [2]

• Verhalten bei hohen Scherraten

Die Scherrate ist die Geschwindigkeit, mit der eine Flüssigkeit während des Fließens geschert oder verformt wird. Technisch ausgedrückt, ist sie die Geschwindigkeit, mit der sich Flüssigkeitsschichten aneinander vorbei bewegen. Wenn jemand z.B. schnell eine sehr dünne Schicht Salbe, Creme oder Lotion auf die Haut aufträgt, dann ist die Scherrate viel höher, als wenn dieses Material langsam aus der Tube gedrückt wird. [3]

• Eigenschaften bei Dehnung

Dehnungsfluss tritt auf, wenn das Material nicht in Kontakt mit festen Grenzen steht, wie es beim Ziehen von Filamenten, Fasern, Folien, Platten oder beim Formblasen der Fall ist. Konvergierende Strömungen an den Einlässen von Düsen sind ebenfalls dehnungsbedingt [4]. Zu den Dehnungseigenschaften gehören die Dehnungsrate und die Dehnungsviskosität.

• Schmelzebruch (Fließinstabilität)

Schmelzebruch entsteht durch übermäßige Scherbeanspruchung des geschmolzenen Materials und führt zu Rauheit im Extrudat. [5] Es handelt sich um einen unerwünschten Oberflächeneffekt, der auch die Bauteileigenschaften beeinflussen kann. Da er bei hohen Scherspannungen auftritt, kann er durch Verringerung des Durchsatzes reduziert oder beseitigt werden.

• Spannungsrelaxation (relativ)

Spannungsrelaxation ist eine zeitabhängige Abnahme der SpannungSpannung ist definiert als Kraftniveau, das auf eine Probe mit definiertem Querschnitt aufgebracht wird (Spannung = Kraft/Fläche). Proben mit runden oder rechteckigen Querschnitten können komprimiert oder gestreckt werden. Elastische Materialien, wie Elastomere, können bis um das 5- oder 10-fache ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden.Spannung unter einer konstanten Belastung. Dieses charakteristische Verhalten eines Polymers wird untersucht, indem eine definierte äußere Kraft auf eine Probe aufgebracht wird, um eine konstante Dehnung zu erhalten und der Abfall der Spannung als Funktion der Zeit gemessen wird. [6]

• Schmelzefestigkeit

Die Schmelzefestigkeit kann als der Widerstand der Polymerschmelze gegen Dehnung beschrieben werden. Die Schmelzefestigkeit eines Materials steht im Zusammenhang mit den Molekülkettenverschlaufungen des Polymers und seinem Widerstand gegen Entknäulen unter Belastung. Die Polymereigenschaften, die diesen Widerstand beeinflussen, sind Molekulargewicht, Molekulargewichtsverteilung und Kettenverzweigungen. Wenn jede dieser Eigenschaften zunimmt, wird die Schmelzefestigkeit bei niedrigen Schergeschwindigkeiten verbessert. [7] Dies ist eine wichtige Eigenschaft für die erfolgreiche Extrusion von Kunststoffmaterialien.

• Extrudatschwellen

Extrudatschwellen ist der Begriff für das Anschwellen des Extrudats am Düsenausgang. Eine Möglichkeit, dies zu erklären, besteht im „Erinnerungsvermögen“ einer Polymerschmelze. Die Idee besteht darin, dass eine Polymerschmelze, die von einem größeren zu einem kleineren Kanalquerschnitt (z.B. in eine Düse) fließt, sich verformen muss, um der Veränderung zu folgen. Wenn die Verweilzeit dieser Flüssigkeit in der Düse mit kleinerem Querschnitt kürzer ist als die Zeit, in der sich die Flüssigkeit an ihre Fließgeschichte erinnert (Relaxationszeit), wird sie versuchen, in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren und dadurch den Schwell-Effekt erzeugen. [8]

• pvT-Verhalten und Kompressibilität

Das pvT-Verhalten (pressure-volume-Temperature) stellt die Beziehung zwischen Druck, Volumen und Temperatur in einem Material her. Es gibt daher auch einen Hinweis darauf, wie komprimierbar eine Polymerschmelze ist. Da Polymere bei hohen Temperaturen und Drücken verarbeitet werden, ist diese Beziehung zwischen Druck, Volumen und Temperatur von großer Bedeutung.