Rheologische Eigenschaften konzentrierter Polyisobutylenlösungen in Lösungsmitteln verschiedener thermodynamischer Güte

Zusammenfassung Die Konzentrationsabhängigkeit der viskoelastischen Eigenschaften von Polyisobutylenlösungen in Lösungsmitteln mit verschiedener thermodynamischer Güte wurde mit einem Weissenberg-Rheogoniometer untersucht. Es wurde festgestellt, daß die Spriggssche 4-Parameter-Theorie den Übergang von niedrigen zu hohen Schergeschwindigkeiten nicht zufriedenstellend beschreibt. Die Schergeschwindigkeitsabhängigkeit des Schermoduls zeigt in den verschiedenen Lösungsmitteln ein Maximum. Die Konzentrationsabhängigkeit des Maximums wird durch das Molekulargewicht des Polymeren und die Lösungsmittelgüte wenig beeinflußt. Die Schergeschwindigkeiten, die dem Maximum entsprechen, zeigen dagegen eine Konzentrationsabhängigkeit, die von der Lösungsmittelgüte abhängt. Die Konzentrationsabhängigkeit und der Einfluß der Lösungsmittelgüte bei niedriger Scherrate entsprechen nur qualitativ den Voraussagen der strukturrheologischen Theorien.

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Summary Concentration dependence of viscoelastic properties of polyisobutylene solutions in thermodynamically different solvents was investigated in the Weissenberg-Rheogoniometer. It was found, that the 4-Parameter Spriggs theory does not exactly describe the changes of rheological properties of these solutions by changing the shear rate from low to high.The shear modulus as a function of the shear rate has a maximum for the investigated solutions. The concentration dependence of this maximum shows a low sensitivity for the molecular weight of the polymer as well as for the thermodynamical properties of the solvent. The shear rate corresponding to the maximum value of the shear modulus is dependent on the concentration and the thermodynamical properties of the solvent. The existing structural rheological theories describe only qualitatively the concentration dependence and the influence of the solvent on the structural parameters even at low shear rates.

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Mit 11 Abbildungen und 4 Tabellen     

Rheologische Messungen an Kunststoff-Schmelzen mit einem neuen Rotationsrheometer

Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Rotationsrheometer vorgestellt und über Messungen an zwei Polymethylmethacrylat-Formmassen berichtet. Bei dem Rheometer handelt es sich um ein Couette-Rheometer mit feststehendem Innenzylinder als Meßkörper. Der Meßkörper ist beidseitig eingespannt. In dem geschlossenen Meßraum können die Schmelzen bis zu einem Druck von 500 bar belastet werden.Der zeitliche Verlauf der Schubspannung in den Schmelzen wird in Abhängigkeit von Temperatur und Druck aufgezeichnet.

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Summary A new type of rotational rheometer is described, and results for two samples of polymethylmethacrylate are reported. The rheometer consists of a Couette system with fixed inner cylinder, supported at both ends for torque measurements. Pressure may be varied up to 500 bar. Shear stresses have been recorded as a function of time, temperature and pressure.

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Nomenklatur C [kp cm^–2 s^–1] Steigung der Anlaufkurve im Nullpunkt - D [kp cm rad^–1] Direktionsmoment - E ₀ [kcal mol^–1] Aktivierungsenergie der Newtonschen Viskosität - G [kp cm^–2] Schubmodul - G [—] Griffith-Zahl - l [mm] Länge des Meßkörpers - p [kp cm^–2] Druck - R _i [mm] Radius des Innenzylinders - R _a [mm] Radius des Außenzylinders - t _max [s] Zeit, bei der das Maximum in der Anlaufkurve auftritt - T [°C] Temperatur - ₀ [cm² kp^–1] Druckkoeffizient der Newtonschen Viskosität - [s^–1] Schergeschwindigkeit - ₀ [kp s cm^–2] Newtonsche Viskosität - (g cm²] Trägheitsmoment des Meßkörpers - v ₀ [s^–1] Eigenfrequenz des Meßsystems - _max [kp cm^–2] maximale Schubspannung - _st [kp cm^–2] stationäre Schubspannung Mit 7 Abbildungen und 1 Tabelle     

Flow birefringence of polymer melts: Application to the investigation of time dependent rheological properties

Summary Transient stresses including normal stresses, which are developed in a polymer melt by a suddenly imposed constant rate of shear, are investigated by mechanical measurement and, indirectly, with the aid of the flow birefringence technique. For the latter purpose use is made of the so-called stress-optical law, which is carefully checked.It appears that the essentially linear model of the rubberlike liquid, as proposed byLodge, is capable of describing the behaviour of polymer melts rather well, if the applied total shear does not exceed unity. In order to describe also steady state values of the stresses successfully, one should extend measurements to extremely low shear rates.These statements are verified with the aid of a method which was originally designed bySchwarzl andStruik for the practical calculation of interrelations between linear viscoelastic functions. In the present paper dynamic shear moduli are used as reference functions.

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Zusammenfassung Mit der Zeit anwachsende Spannungen, darunter auch Normalspannungen, wie sie sich nach dem plötzlichen Anlegen einer konstanten Schergeschwindigkeit in einer Polymerschmelze entwickeln, werden mit Hilfe mechanischer Messungen und indirekt mit Hilfe der Strömungsdoppelbrechung untersucht. Für den letzteren Zweck wird das sogenannte spannungsoptische Gesetz herangezogen, dessen Gültigkeit sorgfältig überprüft wird.Es ergibt sich, daß das im Wesen lineare Modell der gummiartigen Flüssigkeit, wie es vonLodge vorgeschlagen wurde, sich recht gut zur Beschreibung des Verhaltens von Polymerschmelzen eignet, solange der im ganzen angelegte Schub den Wert Eins nicht überschreitet. Um auch stationäre Werte der Spannungen in die Beschreibung erfolgreich einzubeziehen, sollte man die Messungen bis zu extrem niedrigen Schergeschwindigkeiten ausdehnen.Die gemachten Feststellungen werden mit Hilfe einer Methode verifiziert, die vonSchwarzl undStruik ursprünglich für die praktische Berechnung von Beziehungen zwischen Zustandsfunktionen entwickelt wurde, die dem linear viskoelastischen Verhalten entsprechen. In der vorliegenden Veröffentlichung dienen die dynamischen Schubmoduln als Bezugsfunktionen.

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a _T shift factor - B _ij Finger deformation tensor - C stress-optical coefficient, (m²/N) - f (p _jl ) undetermined scalar function - G shear modulus, (N/m²) - G(t) time dependent shear modulus, (N/m²) - G() shear storage modulus, (N/m²) - G() shear loss modulus, (N/m²) - G _r reduced shear storage modulus, (N/m²) - G _r reduced shear loss modulus, (N/m²) - H() shear relaxation time spectrum, (N/m²) - k Boltzmann constant, (Nm/°K) - n _ik refractive index tensor - p undetermined hydrostatic pressure, (N/m²) - p _ij ,p _ik stress tensor, (N/m²) - p ₂₁ shear stress, (N/m²) - p ₁₁ –p ₂₂ first normal stress difference, (N/m²) - p ₂₂ –p ₃₃ second normal stress difference, (N/m²) - q shear rate, (s^–1) - t, t time, (s) - T absolute temperature, (°K) - T ₀ reference temperature, (°K) - x the ratiot/ - x position vector of a material point after deformation, (m) - x position vector of a material point before deformation, (m) - ₀, ₁ constants in eq. [37] - ₀, ₁ constants in eq. [37] - shear deformation - (t, t) time dependent shear deformation - _ij unity tensor - n flow birefringence in the 1–2 plane - (q) non-Newtonian shear viscosity, (N s/m²) - ^* () complex dynamic viscosity, (N s/m²) - | ^* ()| absolute value of complex dynamic viscosity, (N s/m²) - () real part of complex dynamic viscosity, (N s/m²) - () imaginary part of complex dynamic viscosity, (N s/m²) - (t — t) memory function, (N/m² · s) - v number of effective chains per unit of volume, (m^–3) - temperature dependent density, (kg/m³) - ₀ density at reference temperatureT ₀, (kg/m³) - relaxation time, (s) - integration variable, (s) - (x) approximate intensity function - ₁ (x) error function - extinction angle - _m orientation angle of the stress ellipsoid - circular frequency, (s^–1) - 1 direction of flow - 2 direction of the velocity gradient - 3 indifferent direction - t time dependence The present investigation has been carried out under the auspices of the Netherlands Organization for the Advancement of Pure Research (Z. W. O.).North Atlantic Treaty Organization Science Post Doctoral Fellow.Research Fellow, Delft University of Technology.With 11 figures and 2 tables     

Fließverhalten plastisch kompressibler Werkstoffe

Zusammenfassung In dieser Arbeit wird über isotropes und anisotropes, plastisches Fließen kompressibler Werkstoffe allgemein und im Vergleich mit Meßergebnissen an Plastomeren berichtet. Ausgehend von einem plastischen Potential für Isotropie wird eine Fließbedingung formuliert, die einen isotropen Bauschinger-Effekt berücksichtigt und in Sonderfällen allein die Fließgrenzen aus Grundversuchen (Zug-, Druck- und/oder Schubversuch) zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens benötigt. In Anwendungsbeispielen und im Vergleich mit Meßergebnissen werden Grundversuche mit überlagertem hydrostatischem Druck und der ebene Spannungszustand untersucht.Ein allgemeines plastisches Potential für Anisotropie führt nach Reduktion der Anisotropieparameter auf den Sonderfall einer orthotropen Fließbedingung mit Berücksichtigung des Bauschinger-Effekts in Normal-und Schubspannungen. Davon ausgehend wird die Orientierungsabhängigkeit von Zug- und Schubfließgrenzen berechnet und mit Meßwerten aus Kurzzeitzeitversuchen an Proben aus einachsig vorgereckten dünnen Scheiben aus PETP verglichen.Entsprechend der Theorie des plastischen Potentials wird die Kinetik bei Isotropie und Anisotropie behandelt. Dabei ergibt sich, daß Werkstoffe, die den angegebenen Potentialen entsprechen, außer plastischer Volumendilatation auch Dilatanz zeigen können. Neben der Herleitung der Vergleichsformänderungsgeschwindigkeit und der Anwendung auf den ebenen Spannungszustand wird die Orientierungsabhängigkeit von Verformungsbändern behandelt und mit den Meßwerten aus den Zugversuchen an PETP-Proben verglichen. Die gute Übereinstimmung zwischen Meßwerten und Rechenergebnissen zeigt, daß die in der Theorie des plastischen Potentials geforderte Verknüpfung von Fließbedingung und Stoffgleichungen für die untersuchte Werkstoffgruppe zutrifft und damit auch für Plastomere die Existenz eines plastischen Potentials angenommen werden kann.

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Summary This paper deals with the generalized plastomechanics and the flow behaviour of materials whose volume does not remain constant during plastic deformation. The usual assumption of plastic incompressibility is treated as a special case. In order to investigate the significance of an isotropic Bauschinger effect, a yield criterion is developed on the base of the plastic potential. The relations deduced are applied to polymers in the glassy state and compared with experimental data from tests in different stress fields. It is shown that the yield stress for this group of plastics is strongly dependent on the hydrostatic pressure.A restricted form of a general anisotropic yield criterion may be obtained by postulating the existence of three mutually orthogonal principal axes of anisotropy. This criterion implies that the uniaxial and shear yield stresses are not invariant with respect to sign (Bauschinger effect). The orientation dependence of tensile and shear yield stress for oriented polyethylene terephthalate sheet is calculated and compared with experimental data.The corresponding flow rule is commonly derived from the plastic potential, to give the plastic strain increments. Therefore the flow behaviour and, for example, the orientation dependence of plastic deformation bands in tension, can be deduced using only experimental stress data. The agreement between calculated and experimental results for polymers show that a plastic potential exists in which the yield criterion and strain rates are combined.

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Mit 14 Abbildungen und 1 Tabelle     

Einfache temperatur- und spannungsabhängige Bestimmungsgleichungen für das Kriechen von Polymeren

Zusammenfassung Unterhalb der Glastemperatur kann man das Kriechverhalten von Plastomeren mit Hilfe von Kriechfunktionen in Form von Prony-Dirichlet-Reihen sehr gut beschreiben. Zahlreiche einachsige Kriechversuche zeigen, daß zusammen mit dem erwarteten Temperatureinfluß auch ein Einfluß der anliegenden Spannung auftritt, welcher nicht vernachlässigt werden kann.Mit einer einfachen und praktischen Methode kann die tatsächliche Deformation vorausberechnet werden. Diese Approximation ist für Dehnungen unterhalb der Schädigungsgrenze anwendbar.

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Summary Below the glass-transition temperature, the creep behaviour of polymers can be described with a very good accuracy using the creep compliance in the form of a Prony-Dirichlet series. Uniaxial creep experiments show besides the expected influence of temperature a non-negligible influence of the applied stress.Using a simple and practical method, the actual creep deformation can be calculated. This approximation is proposed for strains below the crazing limit.

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Mit 2 Abbildungen     

Rheological behaviour of mixtures of rubber and crumb from scrap pneumatic tyres

Summary In continuation of earlier studies the flow behaviour of mixtures of rubber (SBR, EPDM) and crumb from scrap tyre treads was estimated at 120°C with the aid of a high-pressure capillary rheometer. The influence of the capillary dimension on the flow curves was studied. With narrow and short capillaries the flow behaviour proved to be independent of the filler concentration. At low shear rates a discrimination of the flow characteristics according to the filler loading was observed only with capillaries above a certain width and length. At high shear rates with such a capillary an inversion of the rating of the flow curves was found.

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Zusammenfassung In Fortsetzung früherer Arbeiten wurde das Fließverhalten von Mischungen aus Kautschuk (SBR, EPDM) und Gummimehl von Altreifenlaufflächen mit Hilfe eines Hochdruckkapillarviskosimeters bei 120°C ermittelt, wobei der Einfluß der Kapillardimensionen auf die Fließkurve untersucht wurde. Bei der Verwendung von engen und kurzen Kapillaren erwies sich das Fließverhalten als unabhängig von der Füllstoffkonzentration. Im Bereich niedriger Schergefälle wurde eine Abstufung der Fließkurven nach dem Füllstoffgehalt nur mit Kapillaren von ausreichender Länge und ausreichendem Durchmesser gefunden; mit einer solchen Kapillare wurden im Bereich hoher Schergefälle Anzeichen für eine Inversion der Fließkurven beobachtet.

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With 10 figures     

The Documentation Rheology

Summary As the number of rheological and other scientific publications increases considerably year by year, documentation services should be used more extensively. The Deutsche Rheologische Gesellschaft (German Society of Rheology), 1 Berlin 45, Unter den Eichen 87, jointly with the Federal Institute for Materials Testing publishes at regular intervals an internationally useable and applicable Documentation Rheology, which contains a fairly complete collection of relevant literature subdivided into subject groups. The papers listed cover fundamentals of rheology, rheometry, rheological behaviour of polymer melts and solutions, plastics and rubber, metals, pastes, colloids and suspensions, solids, ceramics, concrete, pharmaceutical products and cosmetics, food stuffs, chemical engineering, forming processes, flow processes, mixing processes and so on.The documentation is available at a small charge. It has been published to make better use of the possibilities that lie in a systematic collection, arrangement, exploitation and application of findings achieved and published so far. Methodical and intensified research and development, as well as further rationalization and cost-saving measures in the field of practical application depend on a better utilization of existing findings. The above-mentioned documentation service covers basic research as well as technical application. With the aid of it literature search on general or more specific problems of research and practice can be done quicker and carried out much more easily. Literature search done this way guarantees that a research project will start from the current state of knowledge and that sufficient hints to solutions of practical problems are at hand. Moreover, the preparation and publication of literature reports will initiate a systematic evaluation of the numerous existing publications.

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Zusammenfassung Die Zahl der Veröffentlichungen pro Jahr nimmt auf dem Gebiet der Rheologie ebenso wie auf anderen Gebieten stetig zu. Es erscheint daher an der Zeit, auf eine stärkere Nutzung vorhandener Dokumentationsdienste hinzuwirken. Die Deutsche Rheologische Gesellschaft, 1 Berlin 45, Unter den Eichen 87, gibt gemeinsam mit der Bundesanstalt für Materialprüfung in regelmäßiger Folge einen international verwendbaren Dokumentationsdienst Rheologie heraus, der einen weitgehend vollständigen und nach Sachgebieten geordneten Nachweis der einschlägigen Weltliteratur enthält. Die erfaßten Arbeiten betreffen die allgemeinen Grundlagen der Rheologie, die Rheometrie, das rheologische Verhalten von Polymerschmelzen und -lösungen, Kunststoffe und Kautschuk, Metalle, Pasten, Kolloide und Suspensionen, Böden, Keramik, Beton, pharmazeutische Präparate und Kosmetika, Lebensmittel, Verfahrenstechnik, Formungsvorgänge, Strömungs- und Fließvorgänge, Mischvorgänge usw.Der Dokumentationsdienst steht allen Interessenten gegen einen Unkostenbeitrag zur Verfügung. Seine Herausgabe wurde dadurch veranlaßt, daß die in der systematischen Erfassung, Ordnung, Auswertung und Anwendung der bereits erzielten und veröffentlichten Forschungs- und Untersuchungsergebnisse noch liegenden Möglichkeiten längst nicht ausreichend genutzt werden. Sowohl eine gezieltere und intensivierte Forschung und Entwicklung einerseits als auch eine weitere Rationalisierung und Kostensenkung im Bereich der Praxis andererseits setzen eine bessere Anwendung bisher erzielter Ergebnisse voraus. Die Dokumentation Rheologie bezieht sich daher sowohl auf die Grundlagenforschung als auch auf die Belange der betrieblichen Praxis. Mit Hilfe dieser Dokumentation werden Recherchen zu allgemeinen und speziellen Fragestellungen aus Forschung und Praxis der Rheologie wesentlich erleichtert. Solche Recherchen bieten die Gewähr, daß zu beginnende Forschungsvorhaben vom Stand des Wissens ausgehen und Hinweise für die Lösung praktischer Probleme gefunden werden. Darüber hinaus wird eine planmäßige und systematische Auswertung der vorhandenen umfangreichen Literatur durch Erstellung und Veröffentlichung von Literaturberichten angeregt.

     

Rheological properties of liver actin solutions

G-actin prepared from pork liver and purified to give a product of 95–98% purity was polymerized to F-actin in a rotational dynamic viscometer. The rheological properties were investigated during the course of polymerisation and after polymerisation. G andG measured at frequencies around 0.1 Hz increased strongly during the first 3 hours of the reaction and then slowly approached a constant value in the range of 10–50 mPa. The rise during polymerisation was more than two orders of magnitude. When a solution of F-actin was subjected to steady shear at a high shear rate for a short period of time and subsequently dynamic measurements were performed, then a considerably smallerG (about 70% smaller) was observed immediately after cessation of the steady shear.G then increased with time and approached its initial value.When measuring the viscosity of F-actin solutions as a function of shear rate, a strong shear thinning effect was seen which did not vanish even at shear rates as low as 0.001 s^–1. Even at this low shear rates, a pronounced yield maximum was observed before reaching the steady state. Oscillatory experiments showed a remarkably weak frequency dependence ofG. The results imply that F-actin solutions are largely structured forming a weak temporary network which can be easily destroyed by application of high shear rates. It seems most likely that the destruction occurs by a reversible, shear induced depolymerisation process.     

Elongational properties and molecular structure of polyethylene melts

Summary The viscosity and the recoverable strain in the steady state of elongation have been measured on several polyethylenes of different molecular structures. The elongational viscosity as a function of tensile stress runs through a more or less pronounced maximum in the nonlinear range whereas in the linear range the Trouton viscosity is reached. For low density polyethylenes it could be demonstrated that the maximum of the steady-state elongational viscosity and the elasticity expressed by the steady-state compliances in shear and tension sensitively increase if the molecular weight distribution is broadened by the addition of high molecular weight components. A variation of the weight average molecular weight does only shift the elongational viscosity curve but leaves its shape unchanged. Two of the four high density polyethylenes investigated do not show a maximum of the steady-state elongational viscosity, for the others it is less pronounced than in the case of low density polyethylenes. The influence of branching on the elongational behaviour of polyethylene melts in the steady-state and the transient region is qualitatively discussed.With 11 figures and 4 tables     

Sinkviskosimeter zur Bestimmung der Viskosität von Kunststoffschmelzen unter hydrostatischem Druck

Zusammenfassung Es wird ein Sinkviskosimeter zur Messung der Viskosität von Polymerschmelzen unter hydrostatischem Druck beschrieben. Von zwei angefügten Meßbeispielen behandelt das eine die Druckabhängigkeit der Viskosität von Polystyrol- und Polyäthylenschmelzen, das andere die Viskosität von Polystyrolschmelzen mit niedermolek ularen Zusätzen.

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Summary A viscometer of the falling cylinder type for measuring the viscosity of polymer melts under pressure is described. The applicability of this viscometer is shown by measuring the influence of hydrostatic pressure and of blowing agents on the viscosity of polymer melts.

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Mit 8 Abbildungen und 2 Tabellen