Rheology of molten polymers

Summary TheCross equation describes the flow of pseudoplastic liquids in terms of an upper and a lower Newtonian viscosity corresponding to infinite and zero shear, and ₀, and of a third material constant related to the mechanism of rupture of linkages between particles in the intermediate, non-Newtonian flow regime, Calculation of of bulk polymers is important, since it cannot be determined experimentally. The equation was applied to the melt flow data of two low density polyethylenes at three temperatures.Using data in the non-Newtonian region covering 3 decades of shear rate to extrapolate to the zero-shear viscosity resulted in errors amounting to about onethird of the measured ₀ values. The extrapolated upper Newtonian viscosity was found to be independent of temperature within the precision of the data, indicating that it has a small activation energy.The ₀ values were from 100 to 1,400 times larger than the values at the corresponding temperatures.The values of were large compared to the values found for colloidal dispersions and polymer solutions, but decreased with increasing temperature. This shows that shear is the main factor in reducing chain entanglements, but that the contribution of Brownian motion becomes greater at higher temperatures.

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Zusammenfassung Die Gleichung vonCross beschreibt das Fließverhalten von pseudoplastischen Flüssigkeiten durch drei Konstante: Die obereNewtonsche Viskosität (bei sehr hohen Schergeschwindigkeiten), die untereNewtonsche Viskosität ₀ (bei Scherspannung Null), und eine Materialkonstante, die vom Brechen der Bindungen zwischen Partikeln im nicht-Newtonschen Fließbereich abhängt. Die Berechnung von ist wichtig für unverdünnte Polymere, wo man sie nicht messen kann.Die Gleichung wurde auf das Fließverhalten der Schmelzen von zwei handelsüblichen Hochdruckpolyäthylenen bei drei Temperaturen angewandt. Die Werte von ₀, durch Extrapolation von gemessenen scheinbaren Viskositäten im Schergeschwindigkeitsbereich von 10 bis 4000 sec^–1 errechnet, wichen bis 30% von den gemessenen ₀-Werten ab. Die Aktivierungsenergie der war so klein, daß die-Werte bei den drei Temperaturen innerhalb der Genauigkeit der Extrapolation anscheinend gleich waren. Die ₀-Werte waren 100 bis 1400 mal größer als die-Werte.Im Verhältnis zu kolloidalen Dispersionen und verdünnten Polymerlösungen war das der Schmelzen groß, nahm aber mit steigender Temperatur ab. Deshalb wird die Verhakung der Molekülketten hauptsächlich durch Scherbeanspruchung vermindert, aber der Beitrag derBrownschen Bewegung nimmt mit steigender Temperatur zu.

     

Deformation to breaking of deep water gravity waves

The results of laboratory observations of the deformation of deep water gravity waves leading to wave breaking are reported. The specially developed visualization technique which was used is described. A preliminary analysis of the results has led to similar conclusions than recently developed theories. As a main fact, the observed wave breaking appears as the result of, first, a modulational instability which causes the local wave steepness to approach a maximum and, second, a rapidly growing instability leading directly to the breaking.List of symbols L total wave length - H total wave height - crest elevation above still water level - trough depression below still water level - wave steepness =H/L - crest steepness =/L - trough steepness =/L - F ₁ forward horizontal length from zero-upcross point (A) to wave crest - F ₂ backward horizontal length from wave crest to zero-downcross point (B) - crest front steepness =/F ₁ - crest rear steepness =/F ₂ - vertical asymmetry factor=F ₂/F ₁ (describing the wave asymmetry with respect to a vertical axis through the wave crest) - µ horizontal asymmetry factor=/H (describing the wave asymmetry with respect to a horizontal axis: SWL) - T ₀ wavemaker period - L ₀ theoretical wave length of a small amplitude sinusoïdal wave generated at T _inf0 ^sup–1 frequency - ₀ average wave height     

Über die Stabilität viskometrischer Strömungen

Zusammenfassung Die Stabilität der ebenen Couette- und der ebenen Poiseuille-Strömung nicht-newtonscher Fluide wird für kleine Störungen in der viskometrischen Ebene untersucht. Der Einfluß der Relaxationszeit der Störungen wird vernachlässigt. Es wird gezeigt, daß die ebene Couette-Strömung unabhängig von der ReZahl instabil wird, fallsd(N)/d > 4 _>d gilt. Hier bedeuten die Schergeschwindigkeit,N den ersten Normalspannungskoeffizienten, die Viskosität und _d die differentielle Viskosität ( _d =d/d). Das gleiche Kriterium gilt mit den Daten an der Kanalwand auch für die Poiseuille-Strömung. In diesem Fall oszillieren die Eigenfunktionen in einer sehr dünnen, wandnahen Schicht und klingen im Flüssigkeitsinnern sehr rasch ab.

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Summary The stability of plane Couette and plane Poiseuille flow of a non-Newtonian fluid is investigated for small perturbations in the viscometric plane. The influence of the relaxation time of the perturbations is neglected. It is shown that plane Couette flow will become unstable independently of Reynolds number ifd(N)/d > 4 _d holds. Here are the rate of shear velocity,N the first normal stress coefficient, the viscosity and _d the differential viscosity ( _d =d/d). The same criterion holds also for plane Poiseuille flow with the data taken at the wall. In this case the eigenfunctions are oscillating in a very thin layer near the wall and decaying very rapidly in the inner region of the flow field.

Mit 11 Abbildungen     

Anlaufkorrektur und Elastizität bei der Kapillarströmung von Lösungen

Zusammenfassung Aus der Anlaufkorrektur kann man nach einer Rechnung vonFromm, die auf dem Maxwellschen Modell basiert, eine Relaxationszeit und eine korrigierte Viskosität _c ermitteln. Der Quotient _c/ stellt einen Schermodul dar. Diese Größe wird für Lösungen von Cellulosetrinitrat in Butylacetat, Polyvinylacetat in Dioxan, Polystyrol in Toluol, Polyacrylamid in Wasser, und Viskose, in Abhängigkeit von der Konzentrationc und dem SchergefälleD ermittelt. Es zeigt sich, daß _c/ etwa im Wendepunkt der Fließkurven eine Art Plateau oder ein flaches Maximum zeigt und in diesem Plateaubereich eine lineare Abhängigkeit von der Konzentration. Die absolute Größe von _c/ ist jedoch um Größenordnungen geringer, als sie nach der Formel vonRouse bzw.Bueche für die erste Relaxationszeit eines Verhängungsnetzwerkes zu erwarten wäre. Das wird so gedeutet, daß bei dem hohen Schergefälle, das bei den Messungen herrschte (D etwa 10⁴ sec^–1), ein Teil der Verhängungen zerstört ist, wodurch die Relaxationszeit vergrößert und der Schermodul verkleinert wird.

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Summary From the end-correction, according to a calculation byFromm based upon theMaxwell-model, a relaxation time and a corrected viscosity _c can be obtained. The quotient _c/ represents a shear modulus. Its value is determined for solutions of cellulosetrinitrate in butylacetate, polyvinylacetate in dioxane, polystyrene in toluene, polyacryloamide in water, and viscose, in dependence of concentrationc and shear rateD. It is found, that _c/ shows a plateau or a flat maximum at the inflection point of the flow curves. In this range, a linear dependence on concentration is found too. The absolute value of _c/, however, is smaller by orders of magnitude than that to be expected for the first relaxation time of an entanglement network according to the formulas byRouse resp.Bueche. This is explained by a partial disruption of entanglements in the high shear rate prevailing at the experiments (D about 10⁴ sec^–1), which effects an increase of the relaxation time and a decrease of the shear modulus.

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Vorgetragen auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologen in Bad Ems vom 18.–19. Mai 1967.     

Rheologische Messungen an Polypropylenschmelzen

Zusammenfassung An einer Anzahl von Polypropylenproben wurden die Grenzviskositäten [] und dieNewtonschen Schmelzviskositäten ₀ bei 190 °C gemessen; die meisten Proben wurden fraktioniert und die Molekulargewichtsverteilung festgestellt. Die Messung der Schmelzviskosität erfolgte in einem Extrusionsrheometer mit drei Düsen verschiedener Länge. Es wurden Endkorrekturen bestimmt und die Schubspannung entsprechend korrigiert. Für die-M-Beziehung ergibt sich: log ₀=3,69 log¯M _w –11,90.Proben mit sehrenger bzw. weiter Molekulargewichtsverteilung weichen von dieser Beziehung deutlich ab. Eine für die Molekulargewichtsverteilungsbreite besonders empfindliche Größe ist die Steigungskonstante (1/ vs.), die gleichzeitig ein Maß für den Grad des Nicht-Newtonschen Verhaltens der Schmelze darstellt, bzw. ₀ ; diese letzte Größe eignet sich ganz besonders zur Kennzeichnung der Verteilung sowohl für Proben mit besonders enger Verteilung (Fraktionen, Abbauprodukte, Luparen) als auch für den anderen Extremfall (Mischungen).Vorgetragen auf der Arbeitstagung der Sektion Rheologie des Vereins Österreichischer Chemiker am 28. September 1965 in Graz.Die Messungen und experimentellen Arbeiten wurden von FräuleinHeather Furley und HerrnHelmuth Lehner durchgeführt.     

A three-parameter model describing the experimental relation between shear stress and shear rate for laminar flow of aqueous polymer solutions

Summary A three-parameter model is introduced to describe the shear rate — shear stress relation for dilute aqueous solutions of polyacrylamide (Separan AP-30) or polyethylenoxide (Polyox WSR-301) in the concentration range 50 wppm – 10,000 wppm. Solutions of both polymers show for a similar rheological behaviour. This behaviour can be described by an equation having three parameters i.e. zero-shear viscosity ₀, infinite-shear viscosity , and yield stress ₀, each depending on the polymer concentration. A good agreement is found between the values calculated with this three-parameter model and the experimental results obtained with a cone-and-plate rheogoniometer and those determined with a capillary-tube rheometer.

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Zusammenfassung Der Zusammenhang zwischen Schubspannung und Schergeschwindigkeit von strukturviskosen Flüssigkeiten wird durch ein Modell mit drei Parametern beschrieben. Mit verdünnten wäßrigen Polyacrylamid-(Separan AP-30) sowie Polyäthylenoxidlösungen (Polyox WSR-301) wird das Modell experimentell geprüft. Beide Polymerlösungen zeigen im untersuchten Schergeschwindigkeitsbereich von ein ähnliches rheologisches Verhalten. Dieses Verhalten kann mit drei konzentrationsabhängigen Größen, nämlich einer Null-Viskosität ₀, einer Grenz-Viskosität und einer Fließgrenze ₀ beschrieben werden. Die Ergebnisse von Experimenten mit einem Kegel-Platte-Rheogoniometer sowie einem Kapillarviskosimeter sind in guter Übereinstimmung mit den Werten, die mit dem Drei-Parameter-Modell berechnet worden sind.

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a Pa^–1 physical quantity defined by:a = {1 – ( / ₀)}/ ₀ - c l concentration (wppm) - D m capillary diameter - L m length of capillary tube - P Pa pressure drop - R m radius of capillary tube - u m s^–1 average velocity - v _r m s^–1 local axial velocity at a distancer from the axis of the tube - shear rate (–dv _r /dr) - local shear rate in capillary flow - s^–1 wall shear rate in capillary flow - Pa s dynamic viscosity - _a Pa s apparent viscosity defined by eq. [2] - ( _a ) Pa s apparent viscosity in capillary tube at a distanceR from the axis - ₀ Pa s zero-shear viscosity defined by eq. [4] - Pa s infinite-shear viscosity defined by eq. [5] - l ratior/R - kg m^– density - Pa shear stress - ₀ Pa yield stress - _r Pa local shear stress in capillary flow - _R Pa wall shear stress in capillary flow _R = (PR/2L) - _v m³ s^–1 volume rate of flow With 8 figures and 1 table     

Molecular weight distribution from rheological measurements

Summary A simple and reliable relative method to derive the molecular weight distribution of linear polymers is proposed.It is shown that both the zero-shear viscosity, ₀, and the intrinsic viscosity, [], have a logarithmic dependence on the weight average molecular weight, , and the polydispersity, . The coefficients of these relationships can be determined by applying a multiple regression analysis to a series of samples for which andQ are known.By making use of the two established relationships, the determination of andQ for a given polymer sample reduces to the experimental measurement of its ₀ and [].An analysis has been performed to estimate to what extent experimental errors on ₀ and [] affect the calculated molecular weight distribution.It has been found that only the experimental error on [] contributes heavily to the final error on the polydispersity.

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Zusammenfassung Es wird eine einfache und zuverlässige Relativmethode vorgeschlagen, um die Uneinheitlichkeit linearer Polymere abzuleiten.Es wird gezeigt, daß alle beide, Nullschergradient-viskosität ₀, und Grenzviskositätszahl [], einfach logarithmisch vom Gewichtsmittel des Molekulargewichts , und vom Polymolekularitätsindex , abhängig sind.Die Koeffizienten dieser Beziehungen können mit statistischer Analyse festgesetzt werden, wenn undQ einer Probenreihe bekannt sind.Mit den zwei vorher festgesetzten Beziehungen besteht die Bestimmung von undQ einer gegebenen Polymersprobe nur aus den experimentellen Massen seiner ₀- und []-Werte.Eine Analyse wurde ausgeführt, um die Bedeutung des experimentellen Irrtums über die berechnete Uneinheitlichkeit zu wissen.Es wurde gefunden, daß ein experimenteller Irrtum betreffs [] schwer an endlichem Irrtum der Uneinheitlichkeit teilnimmt.

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With 2 figures and 2 tables     

Nonlinear rheological behavior of a concentrated spherical silica suspension

Linear and nonlinear viscoelastic properties were examined for a 50 wt% suspension of spherical silica particles (with radius of 40 nm) in a viscous medium, 2.27/1 (wt/wt) ethylene glycol/glycerol mixture. The effective volume fraction of the particles evaluated from zero-shear viscosities of the suspension and medium was 0.53. At a quiescent state the particles had a liquid-like, isotropic spatial distribution in the medium. Dynamic moduli G^* obtained for small oscillatory strain (in the linear viscoelastic regime) exhibited a relaxation process that reflected the equilibrium Brownian motion of those particles. In the stress relaxation experiments, the linear relaxation modulus G(t) was obtained for small step strain (0.2) while the nonlinear relaxation modulus G(t, ) characterizing strong stress damping behavior was obtained for large (>0.2). G(t, ) obeyed the time-strain separability at long time scales, and the damping function h() (–G(t, )/G(t)) was determined. Steady flow measurements revealed shear-thinning of the steady state viscosity () for small shear rates (< ^–1; = linear viscoelastic relaxation time) and shear-thickening for larger (>^–1). Corresponding changes were observed also for the viscosity growth and decay functions on start up and cessation of flow, + (t, ) and _– (t, ). In the shear-thinning regime, the and dependence of ₊(t,) and _–(t,) as well as the dependence of () were well described by a BKZ-type constitutive equation using the G(t) and h() data. On the other hand, this equation completely failed in describing the behavior in the shear-thickening regime. These applicabilities of the BKZ equation were utilized to discuss the shearthinning and shear-thickening mechanisms in relation to shear effects on the structure (spatial distribution) and motion of the suspended particles.Dedicated to the memory of Prof. Dale S. Parson     

Relative viscosities of polymer melts filled with inorganic fillers

Summary Viscosities of polyethylene melts filled with natural calcium carbonate (NC), glass fiber (GF), and carbon fiber and polypropylene melts filled with NC, talc, and GF were examined. Constant relative viscosities _r were obtained on these filled systems if use was made of the definition of _r suggested in an earlier paper. The relationships between _r and the volume fraction of the filler were discussed qualitatively in conjunction with earlier data. The magnitude of _r for the material filled with fiber increases with the increase of the average aspect ratio of the fiber.

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Zusammenfassung Es werden die Viskositäten von Polyäthylenschmelzen untersucht, die mit natürlichem Kalziumkarbonat (NC), Glasfasern (GF) und Karbonfasern, sowie von Propylenschmelzen, die mit Kalziumkarbonat, Kreide und Glasfasern gefüllt sind. Man findet bei diesen gefüllten Systemen konstante relative Viskositäten _r , wenn man dafür die in einer früheren Untersuchung eingeführte Definition zugrundelegt. Die Beziehungen zwischen _r und dem Volumenanteil des Füllstoffs werden unter Bezugnahme auf frühere Ergebnisse qualitativ diskutiert. Die Größe von _r wächst bei den mit Fasern gefüllten Systemen mit zunehmendem Verhältnis von Länge zu Dicke der Fasern.

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With 6 figures and 3 tables     

Rheologie pathologischer Gelenkflüssigkeiten

Zusammenfassung Die eingehende Analyse des viskoelastischen Verhaltens von 193 Kniegelenkspunktaten verschiedenster entzündlicher und nichtentzündlicher Gelenkerkrankungen ließ keine wesentlichen diagnostischen Hilfen für klinische Problemfälle erkennen. Untersucht wurden im einzelnen Fließkurven einschließlich der Anfangsviskosität ₀ und durch eine Normierungsmethode ermittelte master-curves, sowie Normalspannungen und in 3 Fällen gleichzeitig auch der SpeichermodulG und der VerlustmodulG mit Hilfe von dynamischen Messungen.Durch Vergleich der pathologischen Gelenkpunktate mit normaler, post mortal gewonnener gepoolter Synovia ließ sich ein Eindruck vom Grad der gestörten Viskoelastizität gewinnen. Dabei lassen die erniedrigten Hyaluronsäure-Konzentrationen, die Veränderungen der konzentrationsunabhängigen Knickzeitt _k> und die master-curve erkennen, daß hierfür sowohl eine verringerte Konzentration als auch ein geringeres Molekulargewicht der Hyaluronsäure verantwortlich ist. Konzentrierungsversuche pathologischer Synovia ergaben den Hinweis auf die Entstehung von Mikrogelen und ließen in Fällen zuvor fehlender Normalspannungen auch nach der Eindickung keine Normalspannungen erkennen. Es wird deshalb auch die Möglichkeit gestörter intermolekularer Interaktionen in der pathologischen Synovia diskutiert.

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Summary A thorough analysis of the viscoelastic behaviour of 193 synovial fluid samples of knee joints concerning different joint diseases (inflammatory and non-inflammatory) gives no essential diagnostic help in case of clinical problems.Investigations were done particularly on flow curves including the Newtonian viscosity ₀ and normal forces, and with the help of a standardization-method we got master curves. In three cases we also got dynamic properties i.e. the elastic modulusG and the loss modulusG. By comparison of the pathological synovial fluid samples with normal, post-mortem pooled synovial fluid one gets an idea of the degree of disturbance on viscoelasticity. It was found that the reduced concentration and the lower molecular weight of the hyaluronic acid are responsible for the pathological variation of the concentration independent bending timet _k as well as the shape of the master curves.Tests on concentrated pathological synovial fluids indicate the beginning formation of micro-gels. In cases of absence of normal forces even after concentration no normal forces could be detected. Therefore the possibility of disturbed intermolecular interactions in pathological synovial fluids will be discussed, too.

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D Schergeschwindigkeit - D _K D-Koordinate des Tangentenschnittpunktes - t _k Knickzeit - s Steigung des geradlinigen Anteils der Fließkurve - scheinbare Viskosität - _m mittlere Viskosität beiD = 10² s^–1 - ₀ Anfangsviskosität, Nullviskosität - Endviskosität - _{N 11} – ₂₂ 1. Normalspannungsdifferenz - G ₀ Ruheschermodul - G ^* komplexer (dynamischer) Schermodul - G Speichermodul - G Verlustmodul - Winkelgeschwindigkeit - Winkel der Phasendifferenz - Kegelwinkel - d Durchmesser von Kegel und Platte des Meßsystems - f Frequenz der vorgegebenen Oszillation - f _n Eigenfrequenz des Torsionskopfes - _IA Amplitude der Eingangsschwingung - _TA Amplitude der Ausgangsschwingung - _I axiale Bewegung der Schneckenwelle - _T Bewegung des Torsionskopfverminderers - [] Grenzviskositätszahl (Staudinger-Index) - v Verhängungszahl - r Korrelationskoeffizient - m Mittelwert - s Standardabweichung - p Signifikanzniveau - n.s. nicht signifikant p > 0,05 Auszugsweise vorgetragen auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologischen Gesellschaft in Berlin vom 8.–10. Mai 1978.Mit 9 Abbildungen und 8 Tabellen     

Die Viskosität reiner Flüssigkeiten in der Nähe der kritischen Temperatur

Zusammenfassung In einem Druck-Temperatur-Diagramm mit der Viskosität als Parameter sind die Isoviskosen reiner Flüssigkeiten in der Nähe der kritischen Temperatur in guter Näherung Geraden. Unter Berücksichtigung dieses phänomenologischen Sachverhaltes sowie einiger Gesetzmäßigkeiten am kritischen Punkt gelingt es, eine Gleichung für dieses Zustandsgebiet aufzustellen, in der nur zwei Konstanten den Meßwerten angepaßt werden müssen. Diese Gleichung wird auf Wasser und Para-Wasserstoff angewandt. Bei Wasser gibt die Gleichung im Bereich von 300 °C bis 374 °C, in dem bisher keine international anerkannte Interpolationsgleichung existiert, die Werte der internationalen Rahmentafel [1] innerhalb deren Toleranz wieder. Sie ist daher als Interpolationsgleichung für diesen Bereich geeignet.

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The viscosity of pure liquids near the critical temperature

In a pressure-temperature-viscosity-diagram, the lines of constant viscosity of pure liquids near the critical temperature are straight to a good approximation. This phenomenological fact as well as some laws at the critical point lead to an equation for the viscosity in which only two constants have to be adjusted to the experimental values. The equation is evaluated for water and parahydrogen. The results for water are within the limits of the International Seeleton Tables in the region between 300 °C and 374 °C where no international equation for interpolation exists.

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Formelzeichen T Temperatur - T^* Grenztemperatur für Bereich I - T' Grenztemperatur für die Restviskosität - T_kr kritische Temperatur - T_N normierte Temperatur; T_N=T/T_kr - A₀(T) Viskosität auf der Siedelinie - A₁(T) Steigung der Isothermen im ,p, T-Bild - p Druck - P_kr kritischer Druck - P_N normierter Druck: p_N = p/p_kr - Psätt Druck auf der Siedelinie bei der TemperaturT - Dichte - _kr kritische Dichte - _N normierte Dichte; _N=/kr - Viskosität - _kr kritische Viskosität - _kr normierte Viskosität; _N=/_kr - Restviskosität - (_N) Funktion in Gl. (3) - (_N) Punktion in Gl. (3) - Ri Riedel-Zahl nach Gl. (4) - spezifisches Volum     

On laminar flow through a uniformly porous pipe

Numerous investigations ([1] and [4–9]) have been made of laminar flow in a uniformly porous circular pipe with constant suction or injection applied at the wall. The object of this paper is to give a complete analysis of the numerical and theoretical solutions of this problem. It is shown that two solutions exist for all values of injection as well as the dual solutions for suction which had been noted by previous investigators. Analytical solutions are derived for large suction and injection; for large suction a viscous layer occurs at the wall while for large injection one solution has a viscous layer at the centre of the channel and the other has no viscous layer anywhere. Approximate analytic solutions are also given for small values of suction and injection.

Nomenclature

General r distance measured radially - z distance measured along axis of pipe - u velocity component in direction of z increasing - v velocity component in direction of r increasing - p pressure - density - coefficient of kinematic viscosity - a radius of pipe - V velocity of suction at the wall - r ²/a ² - R wall or suction Reynolds number, Va/ - f() similarity function defined in (6) - u ₀() eigensolution - U(0) a velocity at z=0 - K an arbitrary constant - B _K Bernoulli numbers Particular Section 5 perturbation parameter, –2/R - ² a constant, –K - x / - g(x) f()/ Section 6 perturbation parameter, –R/2 - ² a constant, –K - g() f() - g _c ()=g() near centre of pipe - * point where g()=0 Section 7 2/R - ² K - t (1–)/ - w(t, ) [1–f(t)]/ - ₀, ₁ constants - g() f()– ₀ - ₀/ - ₀ a constant - * point where f()=0     

Rheological properties of polyethylene oxide solutions

Summary Measurements were made on solutions of Polyethylene oxide (WSR-301) varying in concentration from .0511 g/dl to 4.014 g/dl, prepared from two samples of dry material of different ages (I, II), using aWeissenberg Rheogoniometer with cone-and-plate and parallel-plate geometries, and also using capillary viscometers. Steady shear data were obtained for eight decades of strain-rates (10^–3 <k < 10⁵ sec^–1), and oscillatory data for over four decades of frequency (10^–3 <f < 10¹ Hz). Results are presented for the shear-dependent viscosity,(k), normal stress differences, ₁(k), ₂(k), and the complex viscosity, ^*(f). It was found that characteristic fluid times obtained from continuum arguments correlated the experimental(k), (f) andG(f) data.Using the ^*(f) data, the stress relaxation function,(), was calculated, from which the second-order fluid coefficients and ₀ were obtained, and compared to the directly measured values.Evidence is given to show that the sign of ₁(k) varies both with concentration and strainrate.Using solutions prepared from sample II, correlations with the material properties of solutions of sample I were found which indicated the effect of aging on stored dry samples.

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Zusammenfassung Es wurden Viskositätsmessungen an Polyäthylenoxid-(WSR-301)-Lösungen mit Konzentrationen zwischen 0,0511 g/dl und 4,014 g/dl ausgeführt, die aus zwei Proben von Trockenmaterial verschiedenen Alters (I, II) genommen waren. Verwendet wurde einWeissenberg-Rheogoniometer mit Kegel-Platte- und Parallel-Platten-Geometrie sowie verschiedene Kapillarviskosimeter. Werte für die stationäre Scherung wurden über acht Dekaden der Schergeschwindigkeit (10^–3 <k < 10⁵ s^–1) erhalten, solche für periodische Beanspruchung über mehr als vier Dekaden der Frequenz (10^–3 <f < 10 Hz). Es werden die Werte der Scherviskosität(k), der Normalspannungsdifferenzen ₁(k) und ₂(k) sowie der komplexen Viskosität ^*(f) mitgeteilt. Man findet, daß die experimentell ermittelten Werte von(k), (f) undG(f) mit Hilfe charakteristischer Zeitkonstanten, die man aus kontinuumsmechanischen Überlegungen gewinnt, korreliert werden können.Aus dem Verlauf von ^*(f) wurde die Spannungsrelaxationsfunktion() berechnet, woraus sich die Koeffizienten zweiter Ordnung und ₀ bestimmen lassen. Diese wurden mit den auf direkte Weise gewonnenen Werten verglichen. Es wird nachgewiesen, daß das Vorzeichen von ₁(k) sowohl bei der Veränderung der Konzentration als auch der Deformationsgeschwindigkeit wechselt.Durch Vergleich der an den Proben I und II erhaltenen Ergebnisse wird auf Alterungserscheinungen bei der trocken gelagerten Probe geschlossen.

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With 19 figures and 1 table     

The dynamic and steady shear properties of synovial fluid and of the components making up synovial fluid

Steady-shear and dynamic properties of a pooled sample of cattle synovial fluid have been measured using techniques developed for low viscosity fluids. The rheological properties of synovial fluid were found to exhibit typical viscoelastic behaviour and can be described by the Carreau type A rheological model. Typical model parameters for the fluid are given; these may be useful for the analysis of the complex flow problems of joint lubrication.The two major constituents, hyaluronic acid and proteins, have been successfully separated from the pooled sample of synovial fluid. The rheological properties of the hyaluronic acid and the recombined hyaluronic acid-protein solutions of both equal and half the concentration of the constituents found in the original synovial fluid have been measured. These properties, when compared to those of the original synovial fluid, show an undeniable contribution of proteins to the flow behaviour of synovial fluid in joints. The effect of protein was found to be more prominent in hyaluronic acid of half the normal concentration found in synovial fluid, thus providing a possible explanation for the differences in flow behaviour observed between synovial fluid from certain diseased joints compared to normal joint fluid.Nomenclature A Ratio of angular amplitude of torsion head to oscillation input signal - G Storage modulus - G Loss modulus - I Moment of inertia of upper platen — torsion head assembly - K Restoring constant of torsion bar - N ₁ First normal-stress difference - R Platen radius - S ⁽ⁱ⁾ Geometric factor in the dynamic property analysis - t ₁ Characteristic time parameter of the Carreau model - X, Y Carreau model parameters - Z () Reimann Zeta function of - Carreau model parameter - Shear rate - Apparent steady-shear viscosity - ^* Complex dynamic viscosity - Dynamic viscosity - Imaginary part of the complex dynamic viscosity - ₀ Zero-shear viscosity - ₀ Cone angle - Carreau model characteristic time - Density of fluid - Shear stress - Phase difference between torsion head and oscillation input signals - ₀ Zero-shear rate first normal-stress coefficient - Oscillatory frequency     

Free convection heat transfer from an isothermal plate with arbitrary inclination

This paper presents a new formulation for the laminar free convection from an arbitrarily inclined isothermal plate to fluids of any Prandtl number between 0.001 and infinity. A novel inclination parameter is proposed such that all cases of the horizontal, inclined and vertical plates can be described by a single set of transformed equations. Moreover, the self-similar equations for the limiting cases of the horizontal and vertical plates are recovered from the transformed equations by setting=0 and=1, respectively. Heated upward-facing plates with positive and negative inclination angles are investigated. A very accurate correlation equation of the local Nusselt number is developed for arbitrary inclination angle and for 0.001 Pr .

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Wärmeübertragung bei freier Konvektion an einer isothermen Platte mit beliebiger Neigung

Zusammenfasssung Diese Untersuchung stellt eine neue Formulierung der laminaren freien Konvektion von Flüssigkeiten mit einer Prandtl-Zahl zwischen 0,001 und unendlich an einer beliebig schräggestellten isothermen Platte dar. Ein neuer Neigungsparameter wird eingeführt, so daß alle Fälle der horizontalen, geneigten oder vertikalen Platte von einem einzigen Satz transformierter Gleichungen beschrieben werden können. Die unabhängigen Gleichungen für die beiden Fälle der horizontalen and vertikalen Platte wurden für=0 und=1 aus den transformierten Gleichungen wieder abgeleitet. Es wurden erwärmte aufwärtsgerichtete Platten mit positiven und negativen Neigungswinkeln untersucht. Eine sehr genaue Gleichung wurde für die lokale Nusselt-Zahl bei beliebigen Neigungswinkeln und für 0,001 Pr entwickelt.

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Nomenclature C _p specific heat - f reduced stream function - g gravitational acceleration - Gr local Grashof number,g(T _w –T _w ) x³/v² - h local heat transfer coefficient - k thermal conductivity - n constant exponent - Nu local Nusselt number,hx/k - p pressure - Pr Prandtl number, v/ - Ra local Rayleigh number,g(T _w –T )J x³/v - T fluid temperature - T _w wall temperature - T temperature of ambient fluid - u velocity component in x-direction - v velocity component in y-direction - x coordinate parallel to the plate - y coordinate normal to the plate Greek symbols thermal diffusivity - thermal expansion coefficient - (Ra¦sin¦)^1/4/( Ra cos()^1/5 - pseudo-similarity variable, (y/) - dimensionless temperature, (T–T )/(T _w–T ) - ( Ra cos)^1/5+(Rasin)^1/4 - v kinematic viscosity - 1/[1 +(Ra cos)^1/5/( Ra¦sin)^1/4] - density of fluid - Pr/(1+Pr) - _w wall shear stress - angle of plate inclination measured from the horizontal - stream function - dimensionless dynamic pressure     

Reibungs- und Verschleiß-Messungen im EHD-Kontakt bei allseitig hohem Druck

Zusammenfassung Um bei einem Punktkontakt den Einfluß der EHD-Parameter, _a ,u, F undT einzeln an stets demselben Öl untersuchen zu können, wurde eine unter allseitighohem Druck betriebene VKA-Apparatur konstruiert. Die Anpreßkraft wird durch eine im Autoklaven befindliche hydraulische Presse erzeugt, die Kraft und das Drehmoment innerhalb des Autoklaven gemessen. Der Antrieb erfolgt mit einem 5 kW-Motor über eine selbstabdichtende Wellendurchführung.Die Last, bei der die Vollschmierung zusammenbricht, wird bei linearem Verlauf der log – p-Isothermen in Abhängigkeit von _a undu befriedigend durch die Formel vonArchard undKirk wiedergegeben, wenn für die kritische Filmdicke das 2,09fache der Oberflächenrauhigkeit einer Kugel eingesetzt wird.Bei nichtlinearem (degressivem) Verlauf der log–p-Kurven treten dagegen erhebliche Differenzen auf. Um das Viskositäts-Druckverhalten besser zu berücksichtigen, wird eine Formel aufgestellt, die anstelle von und _a die effektive Viskosität _W bei 2/3 des Hertzschen Maximalwertes enthält. _W wird dabei aus gemessenen – p-Isothermen über eine Formel vonRodermund berechnet.

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Summary To prove separately the influence of the EHD-parameters, _a ,u, F andT on the critical load of a point contact, a VKA tester for use inside a high pressure chamber has been constructed. The hydraulic press, which produces the load, is installed within the autoclave. The uniaxial force and the friction torque is measured inside, too. The drive produced by a 5 KW motor is introduced by a self-sealing shaft bushing.If the pressure behaviour log–p of the oil is a straight line, the load at which the hydrodynamic lubrication breaks down is represented correctly as a function of _a andu by an equation ofArchard andKirk. Thereby the critical film thickness is supposed as 2.09 times greater than the surface roughness.Considerable deviations are found for log – p pressure curves with decreasing incline. To take into account this type of behaviour of the oil a new formula is proposed using the effective viscosity _W at 2/3 of the Hertzian pressureP _max instead of and _{a W} is calculated from the measured – p isotherms by an equation ofRodermund.

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Mit 6 Abbildungen     

Oscillatory measurements of silicone oils —Loss and storage modulus master curves

The work describes a way to obtain loss modulus and storage modulus master curves from oscillatory measurements of silicone oils.The loss modulus master curve represents the dependence of the viscous flow behavior on · ₀ ^* and the storage modulus master curve — the dependence of the elastic flow behavior on · ₀ ^* .The relation between the values of the loss modulus and storage modulus master curves (at a certain frequency) is a measurement of the viscoelastic behavior of a system. The G/G-ratio depends on · ₀ ^* which leads to a viscoelastic master curve. The viscoelastic master curve represents the relation between the elastic and viscous oscillatory flow behavior.     

Creeping motion of spheres through shear-thinning elastic fluids described by the Carreau viscosity equation

Summary Previous work on the creeping flow of viscoelastic fluids past a sphere is reviewed. Theoretical analyses available in the literature were obtained for weakly elastic fluids and therefore they predict only a small influence of fluid elasticity on the drag. In this paper, an approximate theoretical analysis is given for the creeping flow past a rigid sphere in an unbounded medium. The analysis uses a variational principle to solve the equations of motion and continuity in conjunction with the Carreau constitutive equation. The theoretical results are presented in terms of a correction factor to the Newtonian drag coefficient. The correction factor is a function of the power law flow behaviour indexn, the ratio of limiting viscosities ( ₀ – )/₀ and a dimensionless time which reflects the elastic nature of the fluids. The results are presented in graphical form covering a realistic range of these dimensionless groups.In order to verify the theoretical predictions, the drag coefficient of a number of spheres was measured in a series of shear thinning elastic test fluids. The flow properties of the test fluids were independently measured with a Weissenberg Rheogoniometer. The power law index of the test fluids varied between 1.0 and 0.4. Particle Reynolds number based on ₀ was in the range of 410^–6 to 410^–2. The difference between theoretically predicted values of drag coefficient and the experimentally measured values is less than ±7.5%. In addition, it is found that the Carreau viscosity equation can be used to predict the elastic parameter of primary normal stress difference with moderate to good accuracy for all the polymer solutions used in this work.

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Zusammenfassung Einleitend wird ein Überblick über die früheren Untersuchungen betreffend die schleichende Strömung um eine Kugel gegeben. Die in der Literatur vorliegenden theoretischen Analysen sind auf schwach viskoelastische Flüssigkeiten beschränkt und sagen deshalb nur einen geringen Einfluß der Elastizität auf den Widerstand voraus. In dieser Veröffentlichung wird dagegen eine genäherte theoretische Analyse für die schleichende Strömung um eine starre Kugel in einem unendlich ausgedehnten Medium gegeben, bei welcher zur Lösung der Bewegungsgleichungen und der Kontinuitätsgleichung in Verbindung mit den rheologischen Stoffgleichungen vonCarreau ein Variationsprinzip verwendet wird. Die theoretischen Ergebnisse werden mittels eines Korrekturfaktors zum newtonschen Widerstandskoeffizienten beschrieben. Dieser Korrekturfaktor ist eine Funktion des Potenz-Gesetz-Exponentenn, des Verhältnisses der Grenzviskositäten ( ₀ – )/₀ und einer dimensionslosen Zeit, welche das elastische Verhalten kennzeichnet. Die Ergebnisse werden in graphischer Form unter Zugrundelegung eines realistischen Wertebereichs dieser dimensionslosen Gruppen dargestellt.Um diese theoretischen Voraussagen zu verifizieren, wurde der Widerstandskoeffizient für eine Anzahl von Kugeln in einer Reihe von Scherentzähung aufweisenden elastischen Probeflüssigkeiten gemessen. Die Fließeigenschaften dieser Flüssigkeiten wurden zusätzlich mit dem Weissenberg-Rheogoniometer bestimmt. Der Potenz-Gesetz-Exponent variierte dabei zwischen 1,0 und 0,4. Die auf den Kugeldurchmesser und die Nullviskosität bezogenen Reynolds-Zahlen lagen zwischen 410^–6 und 410^–2. Der Unterschied zwischen theoretisch vorausgesagten und experimentell bestimmten Widerstandskoeffizienten war kleiner als ±7,5%. Außerdem wurde noch gefunden, daß die Viskositätsgleichung vonCarreau dazu verwendet werden kann, den elastischen Parameter erste Normalspannungs-Differenz für alle in dieser Untersuchung verwendeten Polymerlösungen mit mäßiger bis guter Genauigkeit vorauszusagen.

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Notation C _d drag coefficient - d diameter of sphere - f external body forces in equation of motion [2] - F _d drag force - g acceleration due to gravity - J integral defined in eq. [3] - n a parameter in the Carreau viscosity eq. [6] - p isotropic pressure term in equation of motion [2] - r,, spherical coordinates - R radius of sphere - Re ₀, Re₁ Reynolds numbers defined in eq. [16] - t time - u ⁱ ,u ^j velocities in equation of motion [2] - u _r ,u r and components of velocity - V terminal velocity of sphere in unbounded medium - V volume, in eq. [3] - X correction factor to the drag force, eq. [14] - y,z dimensionless spherical coordinates, eq. [9] - ratio of two Reynolds numbers given by eq. [16] - shear rate - apparent viscosity - ₀, zero shear rate and infinite shear rate viscosities respectively - a parameter in the Carreau viscosity eq. [6] - the dimensionless time, defined in eq. [11] - second invariant of the rate of deformation tensor - a parameter in the stream function, eq. [8] - stream function - _p,_f densities of sphere and fluid respectively With 7 figures and 1 table     

Determination of the steady-state shear viscosity from measurements of the apparent viscosity for some common types of viscometers

Considering a number of model fluids, the relation between the (measurable) apparent viscosity _a and the (true) shear viscosity is studied for some commonly used viscometers, like capillary, slit, plate-plate and concentric cylinders (including the influence of the bottom of the cylinder), as well as for one laboratory type of viscometer. As long as is a purely monotonic function, a shift factor < 1 allows one to deduce from _a . Though in general variable, it frequently suffices for practical purposes to use a constant shift factor (the constant being characteristic of the type of viscometer used). This does not apply to dilute solutions or any fluids with two plateau values for . For plastic fluids, it is shown that Casson or Bingham behavior can — if valid at all — only describe the high shear stress limit of _a .     

Rheologie pathologischer Gelenkflüssigkeiten

Zusammenfassung Zur Charakterisierung der Lösungsstruktur pathologischer Synovialflüssigkeiten wurden parallel rheologische Untersuchungen sowohl im Bereich konzentrierter als auch verdünnter Lösungen durchgeführt. Durch die Berücksichtigung der Scherabhängigkeit der Grenzviskositätszahl [] und Messung bei niedrigen Schergeschwindigkeiten (D 2,9 10^–3 – 4,6 s^–1) errechneten sich höhere Molekulargewichte der Hyaluronsäure (HA) als bisher angegeben. Für entzündliche Gelenkergüsse betragen sie (2,4–12,0) 10⁶, für nicht entzündliche (3,1–11,4) 10⁶ und sind damit gegenüber der normalen Synovia mit 16,2 10⁶ erniedrigt. Unterschiedlichek _SB-Werte sprechen zusätzlich für eine stärkere Verknäuelung der HA-Makromoleküle in der pathologischen Synovia.Durch Ermittlung der kritischen Polymerkonzentration der HA sowie der Verhängungszahlenv aus Anlaufmessungen konnten quantitative Aussagen zum makromolekularen Netzwerk getroffen werden. Die normale Synovia entspricht einem sehr engmaschigen und dichten Netz, aber auch in den pathologischen Gelenkflüssigkeiten ist die HA nicht im Sinne einer Partikellösung isoliert, sondern bildet ein, wenn auch lockeres Netzwerk mit wesentlich niedrigerer Verhängungszahl. Eine Erniedrigung der Viskosität und Elastizität isolierter HA weist darauf hin, daß molekulare Wechselwirkungen zwischen HA und anderen Makromolekülen in der Synovialflüssigkeit für das rheologische Verhalten von wesentlicher Bedeutung sind. Relaxationszeitmessungen in Ruhe und unter Scherung zeigten eine vermehrte Segmentbeweglichkeit des Netzwerkes der pathologischen Synovia als Folge der HA-Konzentrationsabnahme und/oder Molekulargewichtsverminderung.

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Summary Rheological investigations were done in concentrated as well as diluted solutions to characterize the solution structure of pathological synovial fluids. By looking at the shear rate dependence of [] at low shear rates (D 2,9 10^–3 – 4,6 s^–1) higher molecular weights were determined than reported before. The so determined molecular weights of hyaluronic acid (HA) are in the range ofM = 2,4 10⁶–12 10⁶ g/mol in inflammatory joint diseases and in non-inflammatory in a range ofM = 3,1 10⁶–11,4 10⁶ g/mol and therefore both are lower than in normal synovial fluids,M = 16,2 10⁶ g/mol. Additional distinctk _SB-values indicate a compacter coil of HA macromolecules in the pathological synovial fluid.Quantitative statements can be made to the macromolecular network structure by determination of the critical HA polymer concentration and the number of entanglements resulting from prestationary measurements. The normal synovial fluid is comparable with a very narrow-meshed and dense network, but also in the pathological synovial fluid the HA is not isolated like in a particle solution but forms a much looser entanglement network structure. The reduction of viscosity and elasticity of isolated HA indicate that molecular interactions between HA and other macromolecules in synovial fluid are of essential significance for the rheological behaviour. Measurements of relaxation time at rest as well as shear conditions show a higher segment-flexibility of macromolecular network structure resulting from a reduction of HA-concentration and/or molecular weight in the pathological synovial fluid.

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D Schergeschwindigkeit - D _K D-Koordinate des Tangentenschnittpunktes der Fließkurve - t _k Knickzeit (Relaxationszeit) - scheinbare Viskosität (Scherviskosität) - ₀ Anfangs-, Nullviskosität - _rel relative Viskosität - _sp spezifische Viskosität - _red = _sp/c reduzierte Viskosität - [] Grenzviskositätszahl (Staudinger-Index) - A Flächenmaß der master-curve - G ₀ Ruheschermodul - G _s Schermodul der strömenden Lösung - _N = ₁₁ – ₂₂ erste Normalspannungsdifferenz - ₁₂ Schubspannung - ₀ scheinbare Relaxationszeit der ruhenden Lösung - scheinbare Relaxationszeit der strömenden Lösung - v Verhängungszahl - M Molekulargewiht - s ₂₀ Sedimentationskoeffizient bezogen auf 20°C - s ₂₀ ⁰ Sedimentationskoeffizient bezogen auf 20°C bei unendlicher Verdünnung (c 0) - c Hyaluronsäure-Konzentration - c _krit kritische Hyaluronsäure-Konzentration - c _p Protein-Konzentration - _äqu Dichte äquivalenter Kugeln - Dichte des Mediums im Kegel/Platte-Spalt - Winkelgeschwindigkeit - R Radius von Kegel und Platte des Meßsystems - r Korrelationskoeffizient - p Signifikanzniveau Herrn Prof. Dr. med.Fritz Hartmann zu seinem 60. Geburtstag gewidmet.Mit 14 Abbildungen und 5 Tabellen