Die Rheometrie beschäftigt sich mit Messverfahren zur Bestimmung der rheologischen Eigenschaften von Materialien. Die Rheologie hingegen ist definitionsgemäß die Wissenschaft des Fließ- und Verformungsverhaltens von Materie. Diese Wissenschaft stellt die Zusammenhänge zwischen Kraft, Verformung und Zeit dar.  Der Begriff „Rheologie“ leitet sich von den griechischen Wörtern „rheo“ (fließen) und „logia“ (die Lehre von) ab. Nach obiger Definition beschreibt die Rheologie jedoch ebenso das Verformungsverhalten festkörperähnlicher Materialien wie das Fließverhalten flüssigkeitsähnlicher Materialien. Insbesondere befasst sie sich mit dem Verhalten komplexer viskoelastischer Materialien, die sowohl Eigenschaften von Festkörpern als auch von Fluiden als Funktion von Kraft, Verformung und Zeit aufweisen.

Es gibt eine Reihe von verschiedenen rheometrischen Prüfverfahren zum Ermitteln von Fließeigenschaften und viskoelastischen Eigenschaften eines Materials. Welches Prüfverfahren zur Anwendung kommt, ist stark vom verwendeten Rheometer und seinen Fähigkeiten abhängig. Eine dieser Eigenschaften ist die Fließgrenze.

Malvern Panalytical bietet Geräte für zwei rheometrische Verfahren an:

  • Rotationsrheometrie
  • Kapillarrheometrie

Rotationsrheometrie 

Wie funktioniert das?

Die Probe wird zwischen zwei Platten oder eine andere, ähnliche Geometrie wie Kegel und Platte platziert oder, bei einem anderen Verfahren, in ein System aus Messbecher und Messkörper gegeben. Durch Aufbringen eines Drehmoments auf die obere Platte entsteht im Material eine Scherspannung. Daraufhin wird die sich daraus ergebene Deformation oder Deformationsgeschwindigkeit (Scherrate) gemessen. Rotationsrheometer und Viskosimeter basieren auf demselben Funktionsprinzip, ein Rheometer kann jedoch viel mehr als ein Viskosimeter. Die deutlichsten Unterschiede bestehen in der Genauigkeit und dem Bereich der Einprägung einer Scherspannung, in der Möglichkeit von Oszillationsversuchen und in der viel größeren Kontrolle über die beim Rotationsversuch eingeprägte Normalkraft.

Wozu ist ein solches Gerät nützlich?

Rotationsrheometer sind wohl die vielseitigsten rheologischen Werkzeuge, die verfügbar sind. Diese Rheometer können für eine Reihe verschiedener rheologischer Verfahren zur Ermittlung der Struktur und des Verhaltens von Suspensionen konfiguriert werden. Die Arten der Versuche reichen von der Erstellung von einfachen Viskositätskurven (Darstellung der Viskosität in Abhängigkeit von der Scherung) über Jahrzehnte der Einprägung von Drehmomenten hinweg, über die Messung des Fließverhaltens bis hin zu präzisen Sequenzen, welche das Kauen von Lebensmitteln simulieren. Moderne, ausgereifte Geräte ermöglichen ein genaues Abstimmen des Prüfverfahrens auf die Verarbeitungs- oder Nutzungsbedingungen des Produkts. Mithilfe innovativer Software können auch Rheologie-Einsteiger relevante Daten gewinnen und interpretieren.

Rotationsrheometer werden für ein breites Spektrum von Probentypen genutzt, für Pasten und Gele bis hin zu äußerst schwach strukturierten Fluiden. Da die eingeprägte Scherkraft präzise in den Bereich sehr niedriger Scherspannungen gefahren werden kann, eignen sich diese Geräte besonders für Festigkeitsstudien und die Messung des Fließverhaltens. Rotationsrheometer sind jedoch eher auf Messungen bei Einbringung von Drehmomenten über viele Dekaden hinweg optimiert, weniger für die präzise Unterscheidung der Viskositäten von schwach strukturierten, dünnflüssigen Fluiden. Darüber hinaus weisen Rotationsrheometer mechanische Grenzen in Bereichen hoher Scherraten über 1.000 s-1 auf.

Kapillarrheometrie 

Wie funktioniert das?

Eine Probe wird unter hohem Druck durch einen Zylinder oder eine Düse mit genau bekannten Abmessungen gezwungen. Der Druckabfall über den Zylinder bzw. die Düse wird gemessen. Aus diesem Druckabfall ergibt sich das Verhältnis zwischen Druck und Durchflussmenge, und aus diesem Verhältnis wiederum kann die Viskosität des Fluids berechnet werden. Temperatur und Scherrate können genau gesteuert werden, um das interessierende Prozessumfeld nachzubilden.

Wozu ist ein solches Gerät nützlich?

Die aus der Polymerindustrie kommende Kapillarrheometrie dient zur Messung der Viskositätsprofile von Suspensionen und Aufschlämmungen mit relativ großen Partikeln bei hohem Partikelgehalt. Beispiele aus der Industrie sind Polymerschmelzen, Keramikschlämme, Lebensmittel, Farben und Beschichtungen. Bei Kapillarrheometern können sehr hohe Kräfte eingeprägt werden. Dadurch kann das Verhalten der Materialien bei wesentlich höheren Scherraten untersucht werden, als dies mit Rotationsrheometern möglich wäre. Das Verhalten bei hohen Scherraten ist für viele Industrieprozesse wie Extrudieren und Sprühlackieren von größter Bedeutung. In bestimmten Fällen stellt die für eine Kapillarrheometrie benötigte Menge an Probenmaterial von ca. einem Liter für die Erstellung einer Fließkurve eine Einschränkung dar.