08.01.2024 von Dr. Shona Marsh
Rheologie für eine schnellere und intelligentere Materialformulierung
Die Rheologie wird oft als theoretisches, rein mathematisches Fachgebiet wahrgenommen, zeigt sich jedoch tatsächlich ganz praxisnah bei der Bestimmung des rheologischen Verhaltens einer Vielzahl an Materialien, darunter Polymere, Asphalt, Kosmetika, Lebensmittel, Farben, Tinten, Blut und viele mehr.
Die Rheologie ist ein ständiger Begleiter in unserem täglichen Leben; wir führen praktisch jeden Tag unbewusst rheologische Tests durch, indem wir beispielsweise Kraft auf diese Materialien ausüben, um sie zu verformen oder mit der gewünschten Geschwindigkeit fließen zu lassen – sei es beim Herausdrücken von Zahnpasta aus der Tube, beim Auftragen von Zement oder beim Kauen von Lebensmitteln. Das Verhältnis zwischen der aufgebrachten Kraft (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) und der gemessenen Verformung (DehnungDehnung beschreibt die Deformation eines Materials, das durch eine von außen einwirkende Kraft oder Spannung mechanisch belastet wird. Gummimischungen zeigen Kriech-Eigenschaften, wenn eine statische Last aufgebracht wird.Dehnung) oder Fließgeschwindigkeit (Dehngeschwindigkeit) bestimmt dieses Verhalten und hängt mit den rheologischen Materialeigenschaften wie Modul (Spannung/Dehnung) oder Viskosität (Spannung/Dehngeschwindigkeit) zusammen, deren Kenntnis dazu beiträgt, wie sich das Volumen eines Materials unter einer bestimmten Kraft oder Verformung verhält.
Die quantitative Beurteilung von Modul, Elastizität oder Viskosität eines Materials erfolgt durch unsere Sinne, sobald wir mit einem Material in Berührung kommen.
Wir nehmen jedoch auch qualitative rheologische Beurteilungen durch unsere Sicht wahr; so können wir beispielsweise Unterschiede in den rheologischen Eigenschaften von zwei verschiedenen Ketchup-Proben daran erkennen, wie sie sich auf dem Teller präsentieren. Solche Beurteilungen sind subjektiv und können in den meisten Fällen nur durch eine vergleichende Werteskala der verschiedenen Produkte nach Dicke, Fadenzugneigung (die Fähigkeit, Fäden zu ziehen), Klebrigkeit / TackinessKlebrigkeit beschreibt die Wechselwirkung zwischen 2 Schichten identischer (Autohäsion) oder unterschiedlicher (Kohäsion) Materialien in Bezug auf die Oberflächenklebrigkeit.Klebrigkeit usw. bewertet werden. Ein solches Feedback ist vor allem für die Lebensmittel- und Körperpflegeindustrie wichtig, jedoch ist es in den frühen Phasen der Produktentwicklung, in denen es oft eine große Anzahl an Formulierungskandidaten gibt, eher unpraktisch.
Daher sind objektive Messwerte, die zuverlässig mit den wichtigen Aspekten der Produktperformance übereinstimmen, eine wertvolle Hilfe.
Diese objektiven Messwerte können mit Hilfe der Rheometrie und insbesondere der Rotationsrheometrie ermittelt werden, bei der sowohl Viskosität als auch viskoelastische Eigenschaften unter den für die entsprechende Anwendung oder des Vorgangs relevanten Bedingungen gemessen werden können. Der Schlüssel zu einem erfolgreichen Einsatz der Rheologie ist die Identifizierung der entsprechenden Parameter, die direkt mit dem Leistungsaspekt übereinstimmen. Eine Sicherstellung der Relevanz erfordert eine sorgfältige Erörterung folgender Fragestellungen:
- Welcher Test ist für meine Aufgabenstellung am besten geeignet?
- Welche rheologischen Parameter sollen gemessen werden?
- Welche Messbedingungen sollen angewendet werden?
- Wie werden die erhaltenen Ergebnisse interpretiert?
- Was bedeuten die Daten?
Diese Fragen lassen sich nicht immer einfach beantworten. Deshalb wurde bei der Entwicklung der Kinexus Prime-Rheometerplattform großer Wert darauf gelegt, auch Anfängern rheologische Untersuchungen leicht zugänglich zu machen und gleichzeitig erfahrenen Anwendern erweitere Funktionen und Flexibilität zu bieten. Dies wurde mit der rSpace-Software umgesetzt, die auf dem Ansatz von Standardarbeitsanweisungen (engl. Standard Operating Procedure, SOP) und einer eingebauten Intelligenz basiert, um jeden Aspekt des Messprozesses zu unterstützen: Von der Probenbeladung über die Messung und Analyse bis hin zur Interpretation der Ergebnisse. Zusätzlich zu allen rheologischen Standardtests gibt es eine Sammlung spezieller rSolution-Messungen zur Bewertung von Performance und Materialeigenschaften in Bezug auf Textur, Ausbreitungsverhalten, FließSpannungSpannung 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, Produktfreisetzungseigenschaften, Formulierungsstabilität und sogar Klebrigkeitstests.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Rheologie sowohl ein praktisches als auch wichtiges Formulierungswerkzeug ist, das tiefe Einblicke in die Mikrostruktur und Performance des Produktes erlaubt. Die Kenntnis der am besten geeigneten Prüfmethode und die Art und Weise der Durchführung der Messungen sind der Schlüssel zum Erfolg – und dazu tragen die Rheologie-Spezialisten von NETZSCH bei.
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