Zur Rheometrie viskoelastischer Fluide mit der Kegel-Platte-Anordnung

Zusammenfassung

Es wird das Schub- und Normalspannungsverhalten verschiedener konzentrierter Polymerlösungen bei stationärer Scherung mit einer offenen Kegel-Platte-Anordnung in einem „Mechanischen Spektrometer“ der Firma Rheometrics Inc. untersucht. Dabei wird festgestellt, daß an der freien Oberfläche des Meßfluids im Randbereich Einschnürungen auftreten, wenn das Geschwindigkeitsgefälle einen charakteristischen Wert überschreitet. Durch Bestimmung der Temperatur an der freien Oberfläche mit einem Strahlungsthermometer wird eine Beanspruchungsgrenze ermittelt, ab welcher mit merklichen Temperaturerhöhungen gerechnet werden muß.

Es wird gefunden, daß beim Anlaufvorgang bei Anwendung hinreichend hoher Geschwindigkeitsgefälle nach dem „Überschwingen“ (overshoot) der Spannungen noch ein „Unterschwingen“ (undershoot) erfolgt, das auf das Wirksamwerden von Verfestigungsmechanismen in dem strömenden Fluid zurückzuführen ist. Diese „Strömungsverfestigung“ wird in den untersuchten Polymerlösungen immer dann beobachtet, wenn das Verhältnis von erster Normalspannungsdifferenz zu Schubspannung einen Wert von ca. 10 überschreitet. Dieser Effekt läßt sich besonders eindrucksvoll an Lösungen von hochmolekularem Polyisobutylen („Oppanol B 200“) nachweisen. Unter Heranziehung von Ergebnissen anderer Autoren wird erläutert, wieso bei Dehn- und Scherströmungen zwar ein sehr unterschiedliches Fließverhalten vorliegt, trotzdem aber ganz ähnliche Verfestigungsphänomene — Aggregation, Kristallisation, Entmischung — auftreten können. Weiterhin wird der Einfluß des gewählten Lösungsmittels sowie der Temperatur auf den Spannungsverlauf untersucht.

In einem Anhang wird aus der Schubspannung und der ersten Normalspannungsdifferenz eine signifikante Vergleichsspannung sowie der Orientierungswinkel berechnet. Bei Zugrundelegung dieser Größen wird die bekannte Tatsache, daß die erste Normalspannungsdifferenz erst dann dominierenden Einfluß auf das Fließverhalten gewinnt, wenn sie die Schubspannung wesentlich übersteigt, ohne weiteres verständlich.

Summary

The shear and normal stress behavior of several concentrated polymer solutions in steady shear flow is investigated by means of an open cone and plate arrangement of the “Mechanical Spectrometer” (Rheometrics Inc.) type. Deformations of the free gap surface are found if the shear rate is raised above a critical value. Sensitive temperature measurements of the liquid surface, carried out by means of a radiative pyrometer, yield a shear rate above which dissipation effects become appreciable.

Start-up experiments in regions of sufficiently high shear rate show an additional “undershoot” after the initial “overshoot”. This “undershot” has to be attributed to mechanisms leading to a stiffening of the flowing liquid. Such a “flow hardening” can be observed in the investigated polymer solutions if the ratio of normal and shear stresses is of the order of 10 or more. It may be observed particularly impressively with concentrated solutions of a high molecular mass polyisobutylene („Oppanol B 200“). From the results of other authors it is shown that elongational and shear flows despite their different kinematics, may produce similar hardening phenomena — aggregation, cristallisation, demixing. Furthermore, the influence of different solvents and temperature on the stress curves is discussed.

In an appendix two quantities, a “significant stress” and an “orientation angle” are calculated from the shear and normal stresses. These quantities give an insight into the well known fact that the first normal stress difference has a dominating influence on the flow only when the normal stress difference is much greater than the shear stress.