Zum Einfluß von Füllstoffen auf das rheologische Verhalten von hochmolekularen Polyethylenschmelzen I. Das Fließverhalten in Scher- und Dehnströmungen

Zusammenfassung Das Fließverhalten von Polymersuspensionen in verschiedenen Strömungsformen wird anhand von mit isotropen und anisotropen Partikeln (Glaskugeln bzw. Glasfasern) gefüllten hochmolekularen Schmelzen untersucht. Zur Anwendung kommen dabei sowohl lineare als auch verzweigte Polymere, nämlich Polyethylene mit hoher Dichte (HDPE) und mit niedriger Dichte (LDPE).Alle untersuchten Systeme zeigen in der Scherströmung im Rotationsrheometer bei Zugabe von Füllstoff eine Verringerung der elastischen Eigenschaften. Solches Verhalten ist für Suspensionen isotroper Teilchen zu erwarten, bei Fasersuspensionen wird jedoch gewöhnlich ein verstärktes Anwachsen der ersten Normalspannungsdifferenz mit zunehmender Füllung gefunden. Bei höheren Schergeschwindigkeiten (Messungen im Kapillarviskosimeter) wird die durch die Füllstoffe bewirkte Viskositätserhöhung zunehmend geringer, die Suspensionen verhalten sich also mit zunehmendem Füllgrad stärker scherentzähend. Das Einsetzen der für das lineare HDPE typischen Instabilitäten (stick-slip, Wandgleiten) läßt sich durch den Ersatz von (elastischem) Polymer durch (starre) Kugeln nicht beeinflussen, diese Form des Schmelzenbruchs setzt bei gleichen Schubspannungen ein und ist so wegen der höheren Viskosität der Suspension sogar zu niedrigeren Durchsätzen hin verschoben.Um die Lücke zwischen den Messungen im Rotations- und im Kapillarviskosimeter (niedrige bzw. hohe Schergeschwindigkeiten) zu schließen, wurden Experimente bei oszillatorischer Scherbeanspruchung durchgeführt. Die bekannte Cox-Merz-Beziehung vermag das Verhalten der ungefüllten Schmelzen zwar recht gut zu beschreiben, versagt jedoch bei den Suspensionen gerade im Bereich niedriger Schergeschwindigkeiten, ebenso wie andere vorgeschlagene Korrelationen zwischen dynamischen und stationären Kenngrößen.Zur Bestimmung des Materialverhaltens bei uniaxialer Dehnbeanspruchung wurde ein Rotationsrheometer in geeigneter Weise modifiziert, so daß für die verwendeten sehr hochviskosen Stoffsysteme eine Messung möglich wurde. Die verschiedenen reinen Schmelzen zeigen ein wenig unterschiedliches Dehnverhalten mit ausgeprägten Verfestigungserscheinungen. Eine stationäre Dehnviskosität konnte in keinem Fall gemessen werden. Die Zugabe von Glaskugeln ändert die Dehnviskosität nicht wesentlich, der Zusatz von Glasfasern jedoch bewirkt eine merkliche Erhöhung der instationären Dehnviskosität im Anlaufbereich.

---

The flow behaviour of suspensions is examined in different flow geometries using linear and branched high-molecular-weight polyethylene melts as suspension media containing isotropic (glass beads) and anisotropic (glass fibre) particles.In shear flow in a rotational rheometer, all suspensions show a decrease of the elastic properties with increasing filler content. While this behaviour has to be expected with suspensions of isotropic particles, fibre-filled polymer fluids usually show increasing normal stress differences with increasing fibre content. At higher shear rates (in a capillary viscometer) the particle-induced viscosity increase deminishes, hence the suspensions tend to be more shear thinning with increased filler content.The onset point of instabilities typically found with the linear HDPE is not shifted towards higher volumetric flow rates by replacement of elastic polymer by inelastic fillers as might be expected; on the contrary, the so-called stick-slip behaviour is initiated at constant values of shear stress and hence — because of the higher viscosity of the suspensions — at lower flow rates.Additionally, experiments were carried out with oscillating shear strain. Neither the well-known Cox-Merz relation nor similar relations, discussed in the literature, could properly correlate oscillatory and steady-state fluid behaviour of the suspensions, especially in the low shear rate range, whereas the former worked rather well for the unfilled melts.To allow for measurements of extensional properties, a rotational rheometer was slightly modified, thus being capable of determining the extensional viscosity of highly viscous polymeric materials. The pure melts showed only a slightly different behaviour with pronounced strain hardening. No stationary values of the Trouton viscosity could be obtained. While addition of glass beads was of little influence on material behaviour, addition of glass fibres showed remarkable increase of the extensional viscosity in the start-up region.

Erster Teil einer vom Fachbereich Chemietechnik der Universität Dortmund genehmigten Dissertation     

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.

---

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.

---

---

With 10 figures     

Zur Rheologie von Biosuspensionen

Zusammenfassung Das Fließverhalten suspendierter Mikroorganismen, hier kurz Biosuspensionen genannt, ist unter anderem stark abhängig von der Konzentration und der Morphologie der Mikroorganismen. Hier wird über Untersuchungen zu diesen Abhängigkeiten berichtet. Als Biosuspension wurde Streptomyces tendae, ein pelletbildendes Bakterium verwendet. Die rheometrischen Untersuchungen wurden in einem Couette-System (3 mm Spaltweite) mit einem konventionellen Rotationsrheometer durchgeführt. Zur Kennzeichnung der Morphologie wurden Pelettgrößenverteilungen und zur Beschreibung des Fließverhaltens die stationäre Fließkurve und die Parameter der linearen Viskoelastizität bestimmt. Es zeigt sich, daß bei kleinen Scherbelastungen die Pellets zu unter Umständen den gesamten Meßspalt überbrückenden Netzwerken agglomerieren, die bei höheren Schergeschwindigkeiten schließlich bis zu Einzelpellets abgebaut werden. Noch weitere Steigerung der Schergeschwindigkeit führt zur Verformung der Pellets, was sich als sehr langsam ablaufender Vorgang darstellt. Abschließend werden Betrachtungen zur Modellierung des Fließverhaltens angestellt.

---

The flow behavior of microbial suspensions, otherwise referred to as fermentation broths, is strongly influenced by both the concentration and morphology of the suspended microorganisms. This work investigates the relationship between these parameters. The microorganism used was Streptomyces tendae, which is a pellet-building, filamentous organism. Rheological measurements of these broths were carried out in a Couette geometry. The morphology of the suspensions was characterized by the microbial pellet size distribution. The suspensions showed themselves to be both shear thinning (steady flow curve) and very elastic (dynamic flow curve).

     

Comparison of the elongational behaviour of a polyethylene melt at constant stress and constant strain rate

Summary Two different apparatuses for measuring the elongational behaviour of polymer melts at constant tensile stress and constant elongational strain rate are described. Measurements on a low density polyethylene were carried out up to stretching ratios of 400. The homogeneity of sample deformation in both test methods was sufficient to reach a steady-state of elongational flow where the tensile stress and the strain rate as functions of time are constant. By unloading the molten rod the recoverable strain can be determined at any state of deformation. The recoverable strain increases with growing deformation and reaches a constant value in the steady-state. The elongational viscosity calculated from the rate of viscous flow agrees with the Trouton viscosity in the case of very small deformations only. With growing deformation the elongational viscosity increases up to a constant value in the steady-state which is greater than the Trouton viscosity by about a factor of six at measured strain rates of 0.03 s^–1 and 0.1 s^–1, respectively. The elongational viscosity and the recoverable strain in the steady-state measured with the two different test methods under the same experimental conditions are in good agreement.

---

Zusammenfassung Zwei verschiedene Apparaturen zur Untersuchung des Dehnverhaltens von Polymerschmelzen unter konstanter Zugspannung und konstanter Dehngeschwindigkeit werden beschrieben. An einem Polyäthylen niedriger Dichte wurden Messungen bis zu Verstreckgraden von 400 durchgeführt. Die ausreichend homogene Probenverformung erlaubt in beiden Versuchsführungen das Erreichen eines stationären Dehnfließens mit zeitlich konstanter Zugspannung und Dehngeschwindigkeit. Durch Entlasten des Schmelzestranges ist der reversible Dehnungsanteil für jeden Verformungszustand direkt zu messen. Die reversible Dehnung steigt mit wachsender Dehnverformung an, bis sich im stationären Bereich ein konstanter Wert einstellt. Die aus der Geschwindigkeit des viskosen Dehnfließens berechnete Dehnviskosität stimmt nur für den Grenzfall kleiner Deformationen mit der Trouton-Viskosität überein. Mit wachsender Dehndeformation steigt die Dehnviskosität bis zu einem Gleichgewichtswert an, der bei den gemessenen Dehngeschwindigkeiten von 0,03 s^–1 und 0,1 s^–1 um etwa einen Faktor 6 über dem Wert der Trouton-Viskosität liegt. Die unter gleichen Versuchsbedingungen mit beiden Apparaturen bestimmten Dehnviskositäten und reversiblen Dehnungen im stationären Bereich stimmen überein.

---

---

Parts of this paper were presented at the VII^th Internat. Congress on Rheology, Gothenburg, Sweden.

---

With 10 figures and 2 tables     

Messung der dynamischen Eigenschaften verdünnter Polymerlösungen

Zusammenfassung Ein neuartiges Rheometer zur Ermittlung der rheologischen Eigenschaften von Polymerlösungen im linear-viskoelastischen Bereich wird vorgestellt. Durch Anwendung der Laser-Doppler-Anemometrie, die eine im hydro-dynamischen Sinn störungsfreie Meßmethode darstellt, ist es möglich, niedrig-viskose bis hin zu wasserähnlichen Proben zu vermessen.Zur Bewältigung der in großer Zahl anfallenden Daten und Rechenoperationen findet ein Mikrocomputer-System Verwendung. Es erledigt im einzelnen die Aufgaben Versuchsablauf-Steuerung, Meßwerterfassung, Auswertung, Dokumentation und graphische Darstellung der Ergebnisse.Anhand von Messungen an newtonschen Flüssigkeiten werden der Funktionsnachweis erbracht und die Betriebsbereiche der Ringspaltsysteme unterschiedlichen Durchmessers ermittelt.Die viskoelastischen Eigenschaften von wäßrigen Polyethylenoxid- und Polyacrylamid-Lösungen niedriger Viskosität lassen sich über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 100 Hz messen. Die Ergebnisse werden mit Hilfe der komplexen Viskositätsfunktion dargestellt. Daraus läßt sich als gleichwertige Darstellung das diskrete Relaxationsspektrum eines konkreten Stoffgesetzes gewinnen.

---

A novel rheometer for determining the elastic characteristics of polymeric solutions in the linear-viscoelastic region is described. Laser-Doppler anemometry, which does not introduce hydrodynamic disturbances, is used to enable low viscosity liquids including water-like samples to be measured.A microcomputer system is utilized to control the experiments, store and analyse the measured data, and provide graphical representations of the results. Measurements on Newtonian liquids verified the validity of the method and allowed the operational regions of the annulus systems with different diameters to be determined.The elastic characteristics of low viscosity aqueous solutions of polyethyleneoxide and polyacrylamide can be measured at frequencies from 0.1 to 100 Hz. The results are presented using the complex viscosity function. As a result the discrete relaxation spectrum of a special material law can be obtained as an equivalent representation.

     

Weissenberg-Rabinowitsch-Auswertung der mit dem Platte-Platte-Rotationsrheometer gemessenen Fließkurve mittels eines Fließgesetzes vom Carreauschen Typ

Zusammenfassung Basierend auf dem das Fließverhalten strukturviskoser Fluide sehr genau beschreibenden sogenannten Carreau-Ansatz wird eine Näherungsformel für die Drehmoment-Schergeschwindigkeit-Charakteristik (scheinbare Fließkurve) des Platte-Platte-Rotationsrheometers (PPR) im stationären Versuch vorgeschlagen. Die gewonnenen Resultate können in die Auswertungseinheit des Platte-Platte-Systems leicht integriert werden und damit das Anwendungsgebiet des PPR-Systems für konzentrierte Polymerlösungen und Polymerschmelzen beträchtlich erweitern.

---

A new simplified, but very accurate, formula is proposed for the torque-rate characteristic (apparent flow curve) of the parallel-disk rotational rheometer (PDR) in steady-shear mode, based on the Carreau formula for the viscosity of pseudoplastic fluids. The results can easily be incorporated into the evaluation of the parallel-disk system and therefore the application field of the PDR-system can be extended considerably for concentrated polymer solutions and polymer melts.

     

Anlauf- und Relaxationsverhalten von dispersen Systemen,die Thixotropiemittel enthalten

Zusammenfassung Es wurde bereits früher berichtet, daß man die dispersen Systeme, die Thixotropiemittel enthalten, in vier verschiedenen Fließverhaltenstypen unterteilen kann. In der vorliegenden Arbeit wird der Zusammenhang zwischen dem stationären Fließverhalten und dem Zeitverhalten (Anlauf- und Relaxationsverhalten) beschrieben. Dabei wird festgestellt, daß die vier Fließverhaltenstypen auch in bezug auf das Anlaufund Relaxationsverhalten Unterschiede aufweisen. Das Zeitverhalten eines Systems mit bestimmtem Fließverhalten hängt dabei von der Schergeschwindigkeit ab, mit der der Spannversuch durchgeführt wird. Man beobachtet nur bei Schergeschwindigkeiten innerhalb des jeweiligen Teilfließgeradenbereichs ein ähnliches Anlauf- und Relaxationsverhalten. Dieses Verhalten ändert sich beim Durchführen des Spannversuches mit Schergeschwindigkeiten, die entsprechend der Fließkurve in einem anderen Teilfließgeradenbereich liegen.Man kann also entweder aufgrund der Fließkurve das zu erwartende Anlauf- und Relaxationsverhalten oder umgekehrt aufgrund des festgestellten Zeitverhaltens den zu erwartenden Fließverhaltenstyp voraussagen. Dies liefert eine Bestätigung für die vorgenommene Unterteilung der Fließverhaltenstypen nach dem Verlauf der Fließkurven.

---

Summary It has already been reported that disperse systems containing thixotropic agents can be subdivided into four different types of flow behaviour. This paper deals with the relationship between steady flow behaviour and transient behaviour (stress growth and stress relaxation) observed in stressing (stress growth) experiments.The four types of flow behaviour show differences with regard to stress growth and stress relaxation. The transient behaviour of a system with a certain flow behaviour depends on the shear rate at which the stressing experiment is performed. A system exhibits similar stress growth and stress relaxation behaviour only at shear rates within a given straightline section of the flow curve. This behaviour changes if the stressing experiment is carried out at shear rates from another straight line section of the flow curve.Therefore, the expected stress growth and stress relaxation behaviour can be predicted according to the type of flow curve. On the other hand, it is possible to identify the expected flow behaviour according to the measured transient behaviour. This confirms our subdivision of the flow behaviour in accordance with the graphical representation of the flow curves.

---

---

Auszugsweise vorgetragen auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologischen Gesellschaft in Aachen vom 5.–7. März 1979.

---

Mit 13 Abbildungen     

Untersuchungen zum Fließverhalten verschieden konzentrierter Polyisobutenlösungen unter hoher Scherbeanspruchung.

Zusammenfassung Das Schubspannungs- und Verfestigungsverhalten verschieden konzentrierter hochmolekularer Polyisobutenlösungen wird mit Hilfe eines neu konstruierten Hochdruckkapillarviskosimeters bis zu sehr hohen Schergeschwindigkeiten untersucht. Hierbei wird gleichzeitig der Einlaufdruckverlust nach Bagley durch Messungen an Kapillaren mit unterschiedlichenL/R-Verhältnissen ermittelt und, um Informationen über das Einströmverhalten der Lösungen zu erhalten, die Einlaufströmung in die Kapillare sichtbar gemacht. Im Bereich niedriger Schergeschwindigkeiten werden die Lösungen zusätzlich mit verschiedenen Rotationsviskosimetern charakterisiert.Die anhand der durchgeführten Untersuchungen erhaltenen Fließkurven lassen sich für Lösungen mit einem Polymergehalt ab 0,5% PIB-B200 in drei Bereiche einteilen, die mit Hilfe von Strömungssichtbarmachungsuntersuchungen verschiedenen Strömungsphänomenen zugeordnet werden können. Dabei kommt es u. a. zu Verfestigungserscheinungen, die sich in einem sprunghaften Ansteigen des Druckverlustes bemerkbar machen. Durch Messungen an Kapillaren mit einem kegelförmigen Einlauf kann gezeigt werden, daß diese Verfestigungserscheinungen und der damit verbundene Druckanstieg nicht nur auf das Auftreten von Sekundärströmungen im Einlaufbereich der Kapillaren zurückgeführt werden kann, sondern daß hierfür andere Effekte wie etwa die Bildung von Assoziaten aus Makromolekülen verantwortlich gemacht werden können. Auch die starke Viskositätszunahme der Lösungen im Verfestigungsbereich und die Beobachtung der Ausbildung heller Streulichtfelder sprechen für eine Bildung von Polymerassoziaten vor der Kapillare.Des weiteren wird bei den Untersuchungen zur Bagley-Korrektur festgestellt, daß zur korrekten Ermittlung des Einlaufdruckverlustes bei höher konzentrierten Polyisobutenlösungen Kapillaren mit einemL/R-Verhältnis von mindestens 1000 verwendet werden müssen. Es zeigt sich nämlich im Bagley-plot dieser Lösungen, daß die Linien konstanter Schergeschwindigkeit bei kleinerenL/R-Verhältnissen eine auffallende Krümmung im Sinne eines mit zunehmendemL/R-Verhältnis abnehmenden Druckgradienten besitzen, der erst oberhalb eines bestimmtenL/R-Verhältnisses konstant wird.

---

A new design high-pressure capillary-viscometer is used to study the shear behavior of high-molecular polyisobutene solutions up to very high shear rates. The entry pressure loss from the Bagley-plot is estimated by the measurement in capillaries of different length-to-radius (L/R) ratios. Simultaneously, flow visualization of the entry flow is carried out. At low shear rates the flow behavior of the solutions is characterized by different rotational viscometers.The obtained flow curves for the solutions with polymer concentrations being above 0.5% PIB-B200 can be divided into three regions which can be related to different flow phenomena by means of flow visualization. A sudden increase in pressure loss can be related to a shear thickening behavior. Measurements in capillaries with a conical entry show that this thickening behavior is not only due to secondary flows in the entry region of the capillary, but also due to other effects like the association of macromolecules. The assumption of the formation of molecular associates is also supported by the large increase in the viscosity of the solutions in the thickening region and the observed formation of luminous scattered light areas.Furthermore, the investigations on the Bagley-correction show that for higher concentrated polyisobutene solutions capillaries withL/R ratios of at least 1 000 have to be used for a correct determination of the entry pressure loss. The Bagley-plots of these solutions show that lines of constant shear rate are remarkably curved at lowerL/R ratios. The gradient of the pressure loss decreases with increasingL/R ratio and approaches a constant value at a certainL/R ratio.

Erster Teil einer vom Fachbereich Chemietechnik der Universität Dortmund genehmigten Dissertation.     

Zur Strömung viskoser Flüssigkeiten durch gewellte Rohre

Zusammenfassung Die Strömung zäher nicht-newtonscher Flüssigkeiten durch gewellte kreisförmige Rohre unter Wirkung eines axialen Druckgefälles wurde theoretisch und experimentell untersucht. Das besondere Interesse galt dabei der durch die Wellung veränderten Druck-Durchsatz-Charakteristik. Die theoretischen Betrachtungen beziehen sich auf den Grenzfall hinreichend langer Wellen, wo sich der Querschnitt des Flüssigkeitsfadens in Strömungsrichtung nur langsam ändert und sowohl die Trägheit als auch die Elastizität der Flüssigkeit eine untergeordnete Rolle spielen. In dieser Näherung konnte der Durchsatz in Abhängigkeit vom Druckgefälle und den nichtlinearen Fließeigenschaften der Flüssigkeit für beliebige Wellenamplituden analytisch bestimmt werden. Die theoretischen Ergebnisse sind in Einklang mit experimentellen Befunden.

---

The flow of a non-Newtonian fluid driven by an axial pressure gradient through a corrugated pipe of circular cross-section is analysed theoretically and realized experimentally. Particular attention is directed toward the pressure-discharge characteristics of the pipe which change due to the corrugation. A theory is developed for the limiting case of corrugations with long wave-length, where the cross-section of the pipe varies gradually in the flow direction and the effects of inertia and elasticity of the fluid are of minor importance. Within such a long-wave approximation the flow rate, in dependence on the applied pressure drop and on the non-linear viscous properties of the fluid, is determined analytically for arbitrary wave amplitudes. The theoretical results are in agreement with experimental findings.

Korrespondenz bitte an diese Adresse richten     

Über das thixotrope Verhalten von Monoammonphosphat-Suspensionen

Zusammenfassung Es wurde das Fließverhalten von Monoammonphosphat-Kristallen, suspendiert in gesättigter, wäßriger Monoammonphosphat-Lösung mit Hilfe eines Rotationsviskosimeters bei verschiedenen Konzentrationen, Temperaturen und Salzkristalloberflächen untersucht. Dabei wurde festgestellt, daß diese Suspensionen ein thixotropes Verhalten zeigen. Abweichend vom normalen Verhalten thixotroper Suspensionen strebt die bei konstanter Schergeschwindigkeit gemessene Schubspannung nach Überschreiten des Anlaßwertes zunächst einem Minimum zu, um anschließend zum Endwert anzusteigen.Die Minimum- und End-Schubspannungswerte wurden als Funktion der Schergeschwindigkeiten, als Fließkurven dargestellt. Bei höheren, aber jeweils gleichen Schergeschwindigkeiten verringern sich die Schubspannungen mit steigender Verdünnung und steigender Temperatur.Die Logarithmen der Anlaßwerte, über der Konzentration aufgetragen, ergaben eine Gerade. Mit zunehmender Verdünnung nehmen die Anlaßwerte ab.Die Logarithmen der Anlaßwerte in Abhängigkeit vom Reziprokwert der Temperatur nehmen mit steigender Temperatur zunächst linear zu, bei etwa 45 °C scheint die Kurve abzufallen.Die Anlaßwerte bei konstanter Temperatur und Konzentration in Abhängigkeit von der Salzkristalloberfläche zeigen bei kleinen Oberflächen ein Maximum, streben bei etwas größeren Oberflächen ein Minimum an und nehmen anschließend mit steigender Oberfläche monoton zu.Das Fließverhalten der Suspensionen wird auf im Ruhezustand vorhandene und beim Schervorgang langsam zerstörte Haftstellenstrukturen und zwischen den Festkörperteilchen vorhandene Grenzschichten zurückgeführt.Erweiterter Auszug aus der Dissertation Über das thixotrope Verhalten von Monoammonphosphat, TH Braunschweig 1968, Institut für chemische Technologie. Direktor: Prof. Dr.H. Kroepelin.     

Rheological simulation of synovial fluid by a synthetic macromolecular solution

Summary The flow characteristics of a series of potential synthetic synovial fluids have been examined. These were mainly solutions of polyvinyl pyrrolidone in water. The techniques leading to the production of a fluid with flow properties very similar to normal synovial are described.The apparent shear elasticity and relaxation time data of the synthetic fluid as compared to normal fluid are discussed in terms of the relative importance of intermolecular entanglement and intermolecular complexing in the 2 fluids.

---

Zusammenfassung Die Synovialflüssigkeit von normalen menschlichen Gelenken zeigt ein charakteristisches Theologisches Verhalten, das stark verändert ist, wenn das Gelenk von rheumatischer Arthritis befallen ist. Um die Möglichkeit der Substitution mit einer synthetischen Gelenkflüssigkeit im krankhaften Gelenk zu bewerten, mit dem Ziel die Symptome zu erleichtern und den Prozeß der Gelenkzerstörung zu verzögern, wurde besonders Wert darauf gelegt, eine Polymerlösung zu finden mit ähnlichen Theologischen Eigenschaften wie eine normale Synovialflüssigkeit. Es wird angenommen, daß das besondere rheologische Verhalten einer normalen Synovialflüssigkeit (hohe Viskosität und Elastizität, ausgeprägtes nicht-Newtonsches Verhalten und Thixotropie) von Bedeutung für das Schmieren von Gelenken ist, obwohl ihre genaue Bedeutung im Bezug auf Reibung noch nicht gesichert ist und augenblicklich diskutiert wird.Fließexperimente wurden mit einemWeissenberg-Rheogoniometer usgeführt und mit einem UV-Schreiber registriert, um genaue Fließ-Spannungswerte zu erhalten.In dieser Abhandlung werden Ergebnisse über das Fließverhalten verschiedener möglicher synthetischer Flüssigkeiten veröffentlicht einschließlich der, die schließlich gewählt wurde: eine Lösung von umgewandeltem PVP (Polyvinylpyrrolidon). Dies ist ein wasserlöslicher hochmolekularer Stoff, der sich als physiologisch verträglich und nicht-toxisch gezeigt hat. Wäßrige 10%ige Lösungen mit hochmolekularem PVP ha ben ein Viskositätsverhalten, das bei niedrigerer Schubbel astung der normalen Synovialflüssigkeit ähnlich ist, aber nichtthixotropes und nur leicht nicht-Newtonsches und elastisches Verhalten zeigt. Im Labor hergestelltes hochgereinigtes PVP ergab ein Polymerisat, das in Lösung ein ähnliches Verhalten zeigte wie Handelsmaterial. Bestrahlung jedoch mit einer kritischen Dosis von 1,5 mrad in einem UCR 100 Reaktor erzeugte ein Polymerisat, das in 10%iger wäßriger Lösung ein Fließverhalten zeigte, das der normalen Synovialflüssigkeit sehr ähnlich war.Diese Ergebnisse werden im Detail dargelegt: besonders die Eigenschaften unter Höchstbelastung, die bei Beginn einer Schubbelastung in tangentialer als auch in normaler Richtung auftreten. Die Wirkung von anderen Bestrahlungsdosen auf das Theologische Verhalten wird auch beschrieben. Die Scher-Resistenz der synthetischen Flüssigkeit wurde mit einem Rheogoniometer und einem Gelenk-Simulator getestet und die Schmiereigenschaften mit der normalen Synovialflüssigkeit verglichen.Die Bedeutung der Theologischen Ergebnisse wird im Licht der neuen Theorien für Lösungen von Polymeren, die einem Scherfließen unterworfen sind, diskutiert, und mögliche Anwendungen auf andere biologische Flüssigkeitssysteme werden vorgeschlagen.

---

---

Paper presented to the British Society of Rheology Conference on Rheology in Medicine and Pharmacy, London, April 14–15, 1970.     

Untersuchung der verdickung von latex-dispersionen durch ethylacrylat-methacrylsäure-copolymere

Zusammenfassung Es wurden dynamische and stationdre Scherversuche durchgeführt, um den Verdickungseinfluß von Copolymeren aus Ethylacrylat and 15, 40 bzw. 65 Gew. % Methacrylsdure auf Latex-Dispersionen aus Ethylacrylat mit 0 bzw. 1 Gew. % Acrylsaure zu untersuchen. Nach Überschreiten eines Schwellwertes der Verdickungsmittelkonzentration, welche mit dem Sauregehalt im Verdickungsmittel und im Latex abnahm, wurde ein starker Anstieg des Speicher-und Verlust-Moduls (G and G) sowie der Fließgrenze und der Thixotropie beobachtet. Gleichzeitig wurde ein Überwiegen der viskosen Eigenschaften sowie eine zunehmende Flockulationsfähigkeit des Verdickungsmittels festgestellt. Bei größerem Säuregehalt im Latex überwogen die elastischen Eigenschaften, gleichzeitig erhöhte sich die Bestandigkeit gegen Flockulation. Die Verdickungswirkung der unterschiedlich zusammengesetzen Systeme wird durch die Ausbildung einer Raumnetzstruktur erklärt. Das Flockulationsverhalten wird auf Änderungen der Ladung und des freien Volumens zurückgeführt.

---

The thickening effect of latices of ethylacrylate-methacrylic acid copolymers (15, 40, and 65 wt. % of the acid) on latices of ethylacrylate-acrylic acid copolymers (0 and 1 wt. % of the acid) was studied by using dynamic and steady shear flow measurement. It was found that beyond a certain concentration of the thickener the storage modulus G, the loss modulus G, the yield stress values, and thixotropic behavior rapidly increased. At the same time, viscous properties and the flocculation ability of the thickeners prevailed. On the contrary, an increase in acid content in the latex made the elastic properties and flocculation resistance of the system more pronounced. The thickening effect is explained by the formation of an ordered structure. The flocculation behavior is explained by changes of the electrical charge and the free volume.

Teilweise vorgetragen an der Jahrestagung der Deutschen Rheologischen Gesellschaft, 13.–15. Mai 1991, Berlin.     

Einsatz von DMS- und Piezomeßtechnik zur direkten Schubspannungsermittlung in der Kapillarrheometrie

Zusammenfassung Der Stand der Kapillarheometrie mit den Vor- und Nachteilen der einzelnen Systeme und Meßverfahren wird dargestellt. Ausgehend von diesem Stand werden zwei alternative Meßverfahren, nämlich Piezo-Einzelkraftund DMS-Meßverfahren, zur direkten Schubspannungsermittlung besprochen und eine nach diesem Prinzip konzipierte Versuchsdüse vorgestellt. Die mit dieser Düse erhaltenen Meßergebnisse zeigen im Vergleich zu konventionell, d. h. unter Anwendung des Bagley-Verfahrens, ermittelten Fließkurven im Falle der Einzelkraftmessung gute Übereinstimmung. Das Problem der Einlaufdruckkorrektur ist bei diesem Konzept von vornherein nicht vorhanden, und der ununterbrochene Fließkanal erlaubt, bei entsprechender Erweiterung auf zwei Kraftaufnehmer, einen unproblematischen Einsatz im On-line- oder sogar im In-line-Betrieb in der Polymerverarbeitung.Schlüsselwörter Rheometrie; Kapillarrheometrie; Schubspannungsermittlung; Piezokraftmessung; DMS-Anwendung; Kunststoffschmelzen; On-line-Rheometrie

---

The state-of-the-art of capillary rheometry, especially the advantages and disadvantages of different systems, is presented. Two measuring methods, a piezo single-force transducer, and a strain-gauge device combined in a testing die are compared. The strain gauges are fixed at the outside of a small capillary to detect the resulting wall shear stress between inner surface of the die and polymer flow by measuring the axial strain in the wall of the die. The single force method uses an elastic section of the die which uncouples the die from the supporting structure without changing the cross-section of the flow. The uncoupled part of the die is supported by a stiff, piezo-force transducer that detects the integral effect of wall shear stress. The resulting flow curves compare well with those using the Bagley method. With the novel die no entrance pressure-loss correction is needed. In principle, it also could be used as an on-line device for polymer processing.

Vortrag, gehalten auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologischen Gesellschaft, TH Darmstadt, 19.–21. April 1989.     

Die Gelierung von Hemicellulose-Suspensionen

Zusammenfassung Wasserunlösliche Hemicellulosen aus Buchenholzzellstoff wurden in Wasser zu stabilen Suspensionen angerührt, die in Ruhe zu selbsttragenden Gelen agglomerieren. Bei niedrigen Schergeschwindigkeiten findet man innerhalb eines stabilen Fließbereiches ein intermediäres Schubspannungsmaximum, dessen Höhe von der Volumenfraktion, einer thermischen Vorbehandlung, dem pH-Wert, dem Elektrolytgehalt und der Gegenwart von Hydrokolloiden beeinflußt wird. In Anlehnung an ein ähnliches, bereits beschriebenes Fließverhalten von Lösungen unvollständig verätherter Carboxymethylcellulose in Wasser werden diese Effekte durch das Auftreten molekularer Verhakungen zwischen den Oberflächen der Hemicellulose-Partikel erklärt. Ab einer bestimmten Schergeschwindigkeit setzt stationäres Fließen bei einer niedrigen scheinbaren Viskosität ein.

---

Water-insoluble hemicelluloses from beech-wood pulp (a by-product of viscose fiber production) are stirred in water to stable suspensions which jellify in state of rest. At low shear rates a high shear-stress maximum is found in a region of unsteady flow. It is dependent on the volume fraction, thermal pretreatment, the pH-value, the addition of hydrocolloids and the content of electrolytes. These effects are explained by the occurrence of molecular entanglements between the surfaces of the hemicellulose particles, having a diameter between 0.5 and 2 µm. At higher shear rates a steady flow with small apparent viscosities is found.

Herrn Prof. Dr. Dr. h.c. K. Kratzl zum 70. Geburtstag gewidmet     

Korrektur von Fließkurven mittels eines Fortran-Programms

Summary The flow curves, as obtained directly from rheological measurements, are distorted by apparatus effects. In this paper it is shown, how the measured flow curves can be smoothened and corrected by means of a Fortran program. Several flow curves of poly(acrylamides), measured over a large range and by means of both rotational- and capillary-viscometers, are shown as examples.

---

Zusammenfassung Die aus rheologischen Messungen direkt erhaltenen Fließkurven sind durch Apparateeffekte verzerrt. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie man mit Hilfe eines Fortranprogramms die gemessene Fließkurve glätten und korrigieren kann. Als Beispiele werden einige über sehr große Bereiche gemessenen Fließkurven von Polyacrylamiden gezeigt, bei denen Rotations- und Kapillarmeßsysteme zur Erstellung der Gesamtfließkurven verwendet wurden.

---

---

Mit 3 Abbildungen     

Der elektroviskose Effekt als Folge elektrostatischer Kraft

Zusammenfassung Die Viskosität vieler Flüssigkeiten ändert sich als Folge elektrischer Felder. Die größten elektroviskosen Effekte findet man unter äußerem Feld bei Suspensionen aus dielektrischen Flüssigkeiten und feinen Festkörperteilchen.Die Flüssigkeiten zeigen ausgeprägtes Bingham-Verhalten. Solange die auf die Wand ausgeübte Scherspannung kleiner als die von der Feldstärke abhängige Haftspannung ist, verhalten sich die Materialien wie Festkörper. Man beobachtet, daß Elektroviskosität proportional zur Feldstärke im Quadrat und umgekehrt proportional zur Schergeschwindigkeit ist, und daß sich die Teilchen der Flüssigkeiten in Richtung der Feldstärke orientieren und faserige Strukturen bilden. In dieser Arbeit erklären wir diese Eigenschaften durch ein einfaches Modell. In diesem Modell resultiert die Scherkraftzunahme aus der elektrostatischen Kraft, die sich als Gradient der im Feld abgespeicherten Energie ergibt.The electroviscosity effect following electrostatic force

---

Apparent viscosity of many fluids changes under an electric field. The largest effects are found with dispersions of fine particles in dielectric liquids subjected to an externally applied field. The large effect is apparently due to induced fibration when the particles align themselves as fibers in field direction. The dispersions exhibit Bingham-behavior, i.e., as long as the shear stress is smaller than the field-dependent yield stress, the material behaves as a solid, a behavior which can be made plausible as the electrodes are mechanically linked together by the fibers (Winslow 1949). In this paper arguments are put forward that the induced fibration is the consequence of electrostatic forces acting on the particles and pulling them into regions of higher field strength. The resulting configuration is an equilibrium configuration and it is postulated that even under shear load, the electric field tends to maintain this configuration such that only the particles close to the electrodes are sheared off, which then form a suspension near the electrode surfaces. A phenomenological theory based on the assumption that the fibers are columns of rectangular particles gives quantitative results for the electroviscosity and the yield stress which agree with experimental observations.

     

Interpretation of graphs with logarithmic scales

Summary The use of logarithmic scales for the graphical presentation of experimental data can lead to errors in interpretation. Consideration is given to two examples in rheology, namely the viscosity — molecular weight relationship for a polymer system, and flow behaviour at low rates of shear.

---

Zusammenfassung Die Verwendung logarithmischer Skalen bei der graphischen Darstellung experimenteller Ergebnisse kann zu Interpretationsfehlern führen. Dies wird an zwei Beispielen aus der Rheologie diskutiert, nämlich an der Viskositäts-Molekulargewichts-Beziehung von Polymersystemen und am Fließverhalten bei kleinen Schergeschwindigkeiten.

     

Non-Newtonian viscosity of concentrated polymer solutions

Summary The results of investigations of Newtonian and Non-Newtonian viscosity of solutions of various polymers in wide range of concentrations, temperatures, molecular weight of polymers in different solvents are presented here.These results show that the nature of solvent has a much greater effect on the viscosity of polar polymer solutions with very strong specific interaction than on the viscosity of non-polar polymer solutions.The nature of solvent affects not only the absolute value of viscosity, which as a rule, in the whole range of investigated shear stress is greater in poor solvent solutions than in good ones, but also determines the type of the flow curves.Solutions of flexible polymer (polyisobutylene) are characterized by complete flow curves regardless of the solvent nature. Solutions of rigid-chain polymer (acetyl-cellulose) are characterized by complete flow curves, both in good and in poor solvents. For the polystyrene solutions in good solvents incomplete flow curves and in poor solvents complete flow curves are observed.All these observations show that the anomaly of viscosity of polymer solutions is caused by two processes which occur simultaneously: the process of desintegration of structures and the process of orientation of chains and elements of the desintegrated structures.The structures presented in the solution dissociate under heat motion and activation heat and its changes with temperature and shear stress reflect very well the changes in the structure of solutions.The nature of solvent influences the value of critical molecular weight which in the case of good solvent is greater than in a poor one.

---

Zusammenfassung Es werden die Untersuchungsergebnisse der Newtonschen und Nicht-Newtonschen Viskosität von konzentrierten Polymerlösungen in verschiedenen Lösungsmitteln innerhalb eines weiten Bereichs von Konzentration, Temperatur und Molekulargewicht der Polymeren mitgeteilt. Diese Resultate zeigen, daß die Art des Lösungsmittels einen wesentlich größeren Einfluß auf die Viskosität polarer Polymerlösungen mit starker spezifischer Wechselwirkung hat als auf die Viskosität nichtpolarer Polymerlösungen.Die Natur des Lösungsmittels beeinflußt nicht nur den Absolutwert der Viskosität, der üblicherweise im gesamten untersuchten Schubspannungsgebiet für schlechte Lösungsmittel größer ist als für gute, sondern auch den Fließkurvenverlauf. Unabhängig vom Lösungsmittel sind Lösungen von Polymeren mit flexiblen Ketten (Polyisobutylen) durch unvollständige Fließkurven gekennzeichnet. Die Lösungen von Polymeren mit steifen Ketten (Acetylcellulose) sind durch geschlossene Fließkurven sowohl in schlechten als auch in guten Lösungsmitteln charakterisiert. Die Polystyrollösungen ergeben bei guten Lösungsmitteln offene und bei schlechten Lösungsmitteln geschlossene Fließkurven.Diese Ergebnisse zeigen, daß die Viskositätsanomalie von Polymerlösungen von zwei gleichzeitig auftretenden Prozessen abhängig ist; dem Prozeß des Strukturzerfalls und dem Prozeß der Orientierung von Ketten und Elementen der zerfallenen Strukturen. Die in der Lösung existierenden Strukturen zerfallen durch die Wärmebewegung. Die Aktivierungswärme und ihre Änderungen in Abhängigkeit von Temperatur und Schubspannung geben die Strukturänderung der Lösungen sehr gut wieder. Die Art des Lösungsmittels beeinflußt die Größe des kritischen Molekulargewichts, das bei guten Lösungsmitteln größer ist als bei schlechten.

---

---

Paper presented at the Conference on Advances in Rheology, Glasgow, September 16–18, 1969.     

Experimentelle Bestimmung Binghamscher Stoffparameter

An experiment is described to determine the two Bingham material constants (yield stress _f and differential viscosity ) of viscoplastic fluids. The principle of the experiment is based on the falling-ball technique, where the stationary velocities of balls with different diameters and densities are measured. The required theory to calculate the Bingham material constants is illustrated. Experimental results of aqueous Carbopol 941-solutions are reported. These are listed in dependence of concentration in tables and diagrams.

---

Zusammenfassung Es wird ein Versuchsaufbau beschrieben, der es ermöglicht, die beiden Binghamschen Stoffparameter (Fließspannung _f und differentielle Viskosität ) einer viskoplastischen Flüssigkeit zu bestimmen. Der Versuch basiert auf dem Kugelfallprinzip, bei dem in einem Zylinder die stationäre Sinkgeschwindigkeit von Kugeln im Schwerefeld gemessen werden. Neben der Geschwindigkeit gehen das spezifische Gewicht der Flüssigkeit sowie die Geometrie und das spezifische Gewicht verschieden großer Kugeln in die Berechnung der Stoffparameter ein. Die zugehörige Theorie wird kurz erläutert. Im experimentellen Teil werden wäßrige Carbopol 941-Lösungen untersucht. Die Ergebnisse sind in Abhängigkeit der Konzentration tabellarisch angegeben und graphisch dargestellt.

     

Einfluß nichtnewtonscher Stoffeigenschaften auf die Taylor-Wirbelströmung

Zusammenfassung Nach einer kurzen Beschreibung über die Anwendung der Taylor-Wirbelströmung bei der Filtration von nichtnewtonschen Flüssigkeiten werden polymere Modellflüssigkeiten charakterisiert, die als Partikel- und Netzwerklösungen in einer Wirbelströmungsapparatur eingesetzt wurden. Die Fließkurven der Polymerlösungen zeigen aufgrund der extrem hochmolekularen Polymerproben neben strukturviskosen Erscheinungen auch dilatantes Fließverhalten mit besonderer Wirkung auf die Taylor-Wirbelströmung.Die Versuchsflüssigkeiten offenbaren vier verschiedene Typen von Strömungsinstabilitäten: spiralförmige, schwingende und stationäre Instabilitäten sowie gedämpfte Turbulenz. Während die stark strukturviskosen Netzwerklösungen alle genannten Formen aufweisen, fehlt bei den Partikellösungen die spiralförmige Instabilität.Unter Zuhilfenahme des Hantelmolekülmodells zur Beschreibung viskoelastischer Strömungsphänomene gelingt es, durch Einführung einer kritischen Deborahzahl den Einsatzpunkt nichtnewtonscher Taylorströmungseffekte vorauszusagen. Die gefundene Beziehung steht in engem Zusammenhang mit dehnviskositätserhöhenden Polymerwirkungen in Porenströmungen und mit reibungsmindernden Polymereffekten in turbulenten Rohrströmungen.

---

Experimental investigations dealing with dilute polymer solutions are described after a short review of the application of Taylor-vortex flow in the filtration processes of non-Newtonian fluids. The test fluids represent both viscoelastic solutions with isolated macromolecules and network solutions with power law fluid behaviour.These solutions show four different types of flow instabilities: spiral-shaped, oscillatory, steady and turbulent phenomena. The Taylor-numbers which depend upon the polymer concentration are determined for the onset of these instability types. For isolated macromolecule solutions, the Deborah-number concept for dilute dumbbell solutions can be applied to describe the first appearance of irregular nonstationary Taylor vortices.The present data are compared to literature values. This fluid behaviour is related to extensional viscosity increases which are also observed in porous media flow and turbulent pipe flow of dilute macromolecular solutions.

---

Nomenklatur A, B Konstanten aus Randbedingungen der Ringspaltströmung - C Polymerkonzentration - D Schergeschwindigkeit - De Deborahzahl - l Länge einer Wirbelzelle - L Zylinderlänge - m Gesamtanzahl der Wirbelpaare zur Bestimmung der Wellenzahl - M Molmasse der Polymere - M _w Gewichtsmittel der Molmasse - M _v Viskositätsmittel der Molmasse - n Drehzahl des Rotors - universelle Gaskonstante - r Radius - R _a Radius des Außenzylinders - R _i Radius des Innenzylinders - s Spaltweite - s ^* dimensionslose Spaltweite - T Temperatur - Ta Taylorzahl - v Umfangsgeschwindigkeit - z Anzahl der Wirbelpaare zur Bestimmung der Wellenzahl Griechische Symbole Deformationskoeffizient von Makromolekülen - Wellenzahl - Dehnrate - dynamische Viskosität - [] Grenzviskositätszahl - Relaxationszeit - Dichte - Schubspannung - Winkelgeschwindigkeit - _a Winkelgeschwindigkeit des Außenzylinders - _i Winkelgeschwindigkeit des Innenzylinders Indices c kritisch (erstmaliges Auftreten von Taylorwirbel) - N newtonsch - o onset, Schwellwert - P polymer - r radial - Sch schwingend - Spir spiralförmig - Stat stationär - Turb turbulent - T Taylorströmung - Umfangsrichtung Herrn Prof. Dr. Heinz Harnisch zum 60. Geburtstag gewidmet