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.

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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.

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

Rheologie pathologischer Gelenkflüssigkeiten

Zusammenfassung Mit Hilfe des Weissenberg-Rheogoniometers wurden an 107 pathologischen Kniegelenkspunktaten (47 nicht entzündliche, 60 entzündliche) das viskose Fließverhalten, Normalkräfte und anhand von Anlaufmessungen ein Schermodul zur Berechnung der Anzahl molekularer Verhängungen bestimmt. Viskoses und elastisches Verhalten der entzündlichen Gelenkergüsse unterscheiden sich zwar deutlich von dem der nichtentzündlichen Ergüsse, die hohe Streuung der Werte weist jedoch darauf hin, daß verschiedene pathogenetische Vorgänge zu den gleichen rheologischen Eigenschaften der Synovia führen können. Daher ist der differentialdiagnostische Aussagewert der rheologischen Untersuchungsergebnisse gering.Hyaluronsäure-Konzentrationsänderungen sind nur zum Teil für die pathologische Rheologie der Synovia verantwortlich. Die Anwendung einer Normierungsmethode auf die Viskosität der Synovia läßt Unterschiede im Polymerisationsgrad der Hyaluronsäure in entzündlichen und nicht entzündlichen Ergüssen erkennen.

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Summary In 107 pathological synovial fluid samples of knee joints (47 non-inflammatory, 60 inflammatory) the Weissenberg-Rheogoniometer is used for measurements of viscosity, normal force and a shear modulus obtained by prestationary measurements to calculate the number of molecular entanglements.Viscosity and elasticity of the inflammatory synovial fluids are clearly different from the non-inflammatory group, but the high scattering of the values shows that various pathological conditions lead to the same rheological properties of the synovial fluid. Therefore the rheological results have little diagnostic signification.Variation of the hyaluronic acid concentrations are responsible only in part for the pathological synovial fluid rheology. A normalization method for the synovial fluid viscosity suggests differences in the polymerisation of the hyaluronic acid in inflammatory and non-inflammatory synovial fluids.

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Mit 6 Abbildungen und 1 Tabelle     

Study of the effect of mechanical working on the rheological properties of some potential artificial lubricants for human joints

Conclusion The effect of mechanical working on polyethylene oxide suggests that, although this substance fulfils many of the criteria for an artificial lubricant in human joints, it is unlikely to be successful in vivo over a prolonged period. This is probably due to the weak linkages present. The simplicity of the structure might have led one to think that it would withstand mechanical degradation more satisfactorily than a more complex molecule, but the experiments demonstrate that this is not so. Sodium carboxymethyl cellulose, on the other hand, shows a high degree of resistance to mechanical degradation and a successful artificial lubricant is likely to be closer to this configuration in which bonds are less exposed.

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Zusammenfassung Die Bio-Ingenieur-Gruppe für das Studium von menschlichen Gelenken an der Universität Leeds hat angedeutet, daß Osteoarthrosis in leicht angegriffenen lasttragenden Gelenken mit künstlichen Schmiermitteln erleichtert werden könnte. Wenn das künstliche Schmiermittel erfolgreich die Schmierfunktion übernehmen soll, die die normale Synovialflüssigkeit erfüllt, dann sollte es ähnliche Theologische Eigenschaften aufweisen. In dieser Veröffentlichung werden die Ergebnisse einer Studie über die Theologischen Eigenschaften einiger potentieller künstlicher Schmiermittel aufgezeichnet.Einige Polymerlösungen zeigen insgesamt ein rheologisches Verhalten, das der Synovialflüssigkeit sehr ähnlich ist; der Einfluß der Konzentration, der Schubbelastung und der Arbeitsmechanik auf dieses Verhalten wird beobachtet werden. Die Viskosität der Polymerlösung wird unter verschiedenen Bedingungen mit einemFerranti-Shirley-Viskosimeter (Konus auf Platte)gemessen. Das Schmiermittel wurde auch in einem besonderen Hüftgelenk-Simulator getestet, der für Belastungen und Geschwindigkeiten, ähnlich der einer natürlichen Gehbewegung, programmiert war. Es wird gezeigt, daß die Viskosität abnimmt und daraufhin sich teilweise wieder erholt.

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

Zur Rheologie der Torfbearbeitung

Zusammenfassung Zur rheologischen Charakterisierung nordwestdeutschen Hochmoortorfes genügt allein die Fließgrenze. Sie ist abhängig von der Torfart und bei mechanischer Vorbehandlung von der Gesamtzahl der Rührerumdrehungen. Die Erniedrigung der Fließgrenze durch Bearbeitung wird mit Hilfe eines einfachen Strukturmodells gedeutet.Der Vergleich zweier Bearbeitungsmaschinen bei jeweils gleichen Fließgrenzen des Torfes ergibt, daß das Momentenverhältnis nur von der Rührerbauart, nicht von der Torfart abhängt. Damit ist die Bestimmung der Fließgrenze durch Rührertypen möglich, bei denen die Meßsehwierigkeiten des Rotationsviskosimeters nicht auftreten. Weiter folgt daraus, daß das Verhältnis der spezifischen Arbeiten zweier Rührer, die gleichen Torf bis zur gleichen Fließgrenze bearbeiten, ebenfalls von der Torfart unabhängig ist. Die Abhängigkeit von der Rührerbauart ist relativ gering.Die kraftwirtschaftliche Bewertung verschiedener Rührerkonstruktionen läßt sieh infolge der geringen Unterschiede der spezifischen Arbeiten und der großen Versuchsstreuung nur durch sehr viele Einzelmessungen sichern.     

Die Elastizität von Flüssigkeiten

Zusammenfassung Ausgehend von einer Suspension elastischer Hanteln bzw. kettenförmiger Teilchenaggregate als dem einfachen Modell einer viskoelastischen Flüssigkeit werden auf induktivem Wege rheologische Stoffgleichungen abgeleitet, in denen das Konzept des elastischen Dehnungsanteils (recoverable strain) eingearbeitet ist und die als nicht-lineare Erweiterung des sog. verallgemeinertenMaxwell-Modells aufgefaßt werden können. In ihnen wird die Flüssigkeit durch eine Folge ineinander verschachtelter Kontinuas gekennzeichnet, denen je ein Elastizitätsgesetz zugeordnet ist. Die Berücksichtigung der Richtungsabhängigkeit der Beweglichkeit der Strukturelemente bedingt, daß das Verhalten der so dargestellten Flüssigkeiten im allgemeinen von dem einerWeissenberg-Flüssigkeit abweicht.Habilitationsvortrag, gehalten am 5. Februar 1965 vor der Fakultät für Mathematik und Physik der Technischen Hochschule Darmstadt.     

Rheologische Untersuchungen an Synovia und Synoviamodellen

Zusammenfassung An Hand der Viskositätskurven von 19 krankhaften Synovialflüssigkeiten von Kniegelenken werden die rheologischen Veränderungen diskutiert, wobei als Standard eine Rinds-Synovia sowie eine gesunde Humansynovia dienen. Es zeigen sich Unterschiede zwischen degenerativen und entzündlichen Synovitiden, so daß rheologische Messungen als Diagnosehilfe brauchbar sind. Auch der Krankheitsverlauf kann rheologisch überwacht werden. Mögliche Ursachen der rheologischen Veränderung bei der rheumatischen Erkrankung werden aufgezeigt und Viskositätskurven von Hyaluronsäure und Polyacrylamid als Synovia-Modelle diskutiert.

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Summary Viscosity curves of 19 pathological synovial fluids from knee joints are used to discuss rheological variations. Calf-synovia and healthy human synovia is used as a standard. Differences are found between both degenerative and inflammatory synovitides; thus rheological measurements can be used as a diagnostic aid. The progress of a rheumatic process, too, can be monitored by rheological means. Possible causes of the rheological variation during rheumatic sickness are pointed out, and viscosity curves of hyaluronic acid and polyacrylamide are discussed as model substances.

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Vortrag, gehalten auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologischen Gesellschaft in Berlin vom 8–10. Mai 1978.

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Mit 11 Abbildungen und 3 Tabellen     

Das Fließverhalten von Perbunanlatices

Zusammenfassung Es wurde das Fließverhalten einiger Perbunanlatices in einem Konzentrationsbereich von 0,5 bis 47,3% und in einem Temperaturintervall von 18 bis 35°C eingehend untersucht. Unterhalb von 25% verhalten sich die Latices wieNewtonsche Flüssigkeiten. Bei höheren Konzentrationen hängt ihr Fließverhalten von der Schubspannung ab: Bis etwa 100 dyn · cm^–2 zeigen die Emulsionen ebenfalls dasNewtonsche, darüber hinaus jedoch strukturviskoses Verhalten. Die relative bzw. spezifische Viskosität erwiesen sich imNewtonschen Bereich bei allen Konzentrationen als temperatur-unabhängig.Die Meßergebnisse lassen sich durch eine modifizierteRobinson-Beziehung beschreiben. Mit Hilfe einer einfachen Arbeitshypothese, daß die Latexteilchen durch eine dünne immobilisierte Flüssigkeitsschicht (Hydrathülle) vergrößert werden, gelingt es, unsere sämtlichen Meßergebnisse aus demNewtonschen Bereich sowie einige aus der Literatur bekannte Daten über das Fließverhalten von Naturlatex durch eine gemeinsame Kurve darzustellen.Für die freundliche Unterstützung bei dieser Arbeit danken wir Herrn Dr.W. Meskat.     

Rheologische Untersuchungen an Spinnlösungen

Zusammenfassung Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß sich Unterschiede im Fließverhalten von Viskose- und Polyacrylnitrilspinnlösungen vor allem bei Anwendung kurzer Kapillaren zeigen, da unter diesen Bedingungen offenbar die für das technische Spinnverhalten wesentlichen und für beide Systeme unterschiedlichen viskoelastischen Eigenschaften das rheologische Gesamtverhalten maßgebend bestimmen. Es erscheint möglich, durch eine Kombination der hier beschriebenen rheologischen Meßmethodik mit einer mikrofotografischen Verfolgung der Aufweitung des ausfließenden Strahls zu detaillierten Aussagen hinsichtlich des Einflusses verschiedener chemischer Prozeßvariablen auf das technische Spinnverhalten zu gelangen.Vorgetragen auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologen-Vereinigung und der Deutschen Rheologischen Gesellschaft in Bad Nauheim am 8. April 1965.     

Neuere Vorstellungen über den Einfluß der Geschwindigkeit auf die Schmierung beim Kaltwalzen

Zusammenfassung Ausgehend von einigen neueren Angaben im Schrifttum wird gezeigt, daß beim Kaltwalzen von Bändern der Reibungsbeiwert im Walzspalt mit wachsender Walzgeschwindigkeit abnimmt. Zur Erklärung dieses Verhaltens müssen rheologische Vorgänge im Walzspalt angenommen werden. Die besondere Kinematik des Walzens läßt vermuten, daß sich der Schmierstoff dabei nicht reinviskos, sondern viskoelastisch verhält. An Hand eines Kraft-Weg-Schaubildes für die Federkraft des Walzgerüstes und die zur plastischen Umformung des Bandes nötige Walzkraft werden die Rückwirkungen der mit der Geschwindigkeit veränderten Schmierung auf die Walzkraft und die Enddicke des Bandes erläutert. Neben der Walzspaltschmierung ist dabei auch die Lagerschmierung zu berücksichtigen, wenn die Walzen in Ölflutlagern laufen. Ihr Zusammenspiel wird für das Anfahren und Abbremsen einer Kaltwalzstraße veranschaulicht.Vorgetragen auf der Rheologen-Tagung vom 15. bis 17. Mai 1962 in Berlin-Dahlem.     

Rheological properties of sputum

Summary Sputum is a mixture of saliva with bronchial secretion which, in its turn, is a mixture of tissue fluid transudate through surface epithelium as well as acid glycoproteins from the specialised secretory cells, the goblet cells of surface epithelium, the serous and mucous cells of the submucosal glands. It has recently been shown (Lamb andReid, 1969) that the acid glycoproteins include several types of sialic acid and sulphate. Since sputum has a low dry weight yield its viscosity probably arises from the nature and interaction of its chemical constituents.Sputum is a non-Newtonian fluid. We have recently studied it over a wide shear rate range using aWeissenberg rheogoniometer with oscillation for lower rates and aFerranti-Shirley viscometer for higher levels. This combination has enabled the pattern of sputum viscosity and elasticity to be established. At very low shear rate a feature has been described for the first time for any biological fluid: it has been found in all sputum samples studied and at the same shear rate, regardless of the disease or of the absolute level of viscosity. It would seem, therefore, to arise from some essential feature of the physico-chemical arrangement of sputum. Elasticity over the same shear rates has also been calculated.The following additional features will be discussed: repeatability of results from different aliquots of the same specimen, time-dependent increase in viscosity, variation between certain diseases and the effect of dehydration.

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Zusammenfassung Sputum (Auswurf) ist eine Mischung von Speichel und Bronchialsekret, das seinerseits eine von dem Oberflächenepithel ausgeschiedene Mischung von Gewebeflüssigkeit ist, die auch saure Glykoproteine enthält, die von spezialisierten Sekretionszellen, den Gobletzellen des Oberflächenepithels, den Serösen- und Mukösenzellen der Subkösendrüsen ausgeschieden werden. Kürzlich wurde gezeigt (Lamb undReid, 1969), daß die sauren Glykoproteine verschiedene Arten von Sialinsäure und Sialinsulfat einschließen. Da Sputum ein geringes Trockengewicht hat, beruht seine Viskosität wahrscheinlich auf der Art und der Wechselwirkung seiner chemischen Bestandteile. Sputum ist eine Nicht-Newtonsche Flüssigkeit. Wir haben neulich über einen weiten Bereich von Schergeschwindigkeiten Untersuchungen durchgeführt; für geringe Geschwindigkeiten und oszillierende Bedingungen wurde einWeissenberg-Rheogoniometer verwendet und für höhere Geschwindigkeiten einFerranti-Shirley-Viskosimeter. Diese Kombination ergab ein Bild der Viskosität und Elastizität von Sputum. Für eine biologische Flüssigkeit wurde zum ersten Mal bei geringer Schubgeschwindigkeit ein Charakteristikum beschrieben: dieses wurde in allen untersuchten Sputum-Proben bei der gleichen Schubgeschwindigkeit gefunden und war unabhängig von Krankheiten oder den absoluten Viskositätswerten. Daraus könnte man schließen, daß dieses wesentliche Charakteristikum durch die physikalisch-chemische Anordnung des Sputum bedingt sei. Ebenfalls wurde die Elastizität über gleiche Schergeschwindigkeiten berechnet.Folgende zusätzliche Gesichtspunkte werden diskutiert: Wiederholbarkeit der Ergebnisse mit verschiedenen Teilen der gleichen Probe, Zeitabhängigkeit der Viskosität, Variation aufgrund verschiedener Krankheiten und Einfluß von Wasserentzug.

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

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.

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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).

     

Untersuchungen zur Anwendung des Rotationsverfahrens in der Rheometrie der flüssigen Metalle

Zusammenfassung In dieser Arbeit wird von Überlegungen und Modellversuchen berichtet, die zu einem scheibenförmigen Meßkörper für ein Rotationsviskosimeter führten, das in einer Versuchseinrichtung zur Bestimmung des Fließverhaltens und der Viskosität von Metallschmelzen verwendet wird. Auf Grund einer genauen mathematischen Beziehung für das Reibungsmoment der rotierenden Scheibe in der Flüssigkeit und einer zweckmäßigen Eichung des Viskosimeters kann die Auswertung der Messungen in Rheogrammen vorgenommen werden. Aus dem Rheogramm ist das Fließverhalten der Schmelze direkt zu ersehen und ihre Viskosität aus dem Verhältnis von Schubspannung zu Geschwindigkeitsgefälle einfach zu berechnen.

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Summary This paper reporsts on considerations and model experiments which have led to a disc-like measuring member for a rotation viscometer used in an experimental device for determining the flow properties and the viscosity of fused metals. Due to a precise mathematical relation for the friction torque of the rotating disc in the liquid and a suitable calibration of the viscometer, it is possible to evaluate the measurements in rheograms. The flow properties of the melt can be directly read from the rheogram, and its viscosity can be easily calculated from the ratio of the shear stress to the velocity gradient.

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Vorgetragen auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologen in Berlin-Dahlem vom 20.–21. Mai 1968.     

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.     

Künstliche Synovialflüssigkeit: Vergleich der rheologischen Eigenschaften „gesunder“ Synovialflüssigkeit mit derjenigen von Polymerlösungen

Zusammenfassung Es wurde eine Reihe künstlicher Polymere auf ihre Eignung als potentielle künstliche Synovialflüssigkeit untersucht. Zusätzlich zu bisher bekannt gewordenen Ergebnissen wurde jetzt die Viskoelastizität mit herangezogen, um die Eignung aus rheologischer Sicht zu überprüfen. Aus dieser Sicht erweist sich PAA in physiologischer Elektrolytlösung als am geeignetsten. Reibungsmessungen in einer technischen Reibapparatur ergaben für künstliche Synovialflüssigkeit niedrigere Reibkoeffizienten als für Synovialflüssigkeit. Hiermit ist in PAA noch nicht die ideale künstliche Synovialflüssigkeit gefunden. Denn wird diese ins Gelenk substituiert, dann kommt es zu Mischung mit der noch vorhandenen Synovialflüssigkeit. Derartige Mischungen bleiben noch zu untersuchen. Es sollten auch Gemische aus den hier betrachteten Polymeren ins Auge gefaßt werden, die eine interessante Perspektive eröffnen könnten.

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A series of synthetic polymers were examined to determine their suitability as potential synthetic synovial fluids. Viscoelasticity was considered to investigate the suitability of these polymers from a rheological point of view. From this point of view the most suitable fluid was found to be polyacrylamide (PAA) in a physiological saline solution. Friction measurements using a technical friction apparatus showed a lower coefficient of friction for this fluid than for natural synovial fluids. Nevertheless PAA is not yet the ideal synthetic synovial fluid because as soon as it is introduced in the joint, it will be mixed with the synovial fluid already present in the joint. This kind of mixture must still be investigated. Mixtures of two or more polymers discussed here should also be considered for further research.

Vorgetragen auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologischen Gesellschaft in Berlin vom 11.–13. Mai 1981.     

Sekundärströmungen in viskoelastischen Flüssigkeiten bei stationärer und periodischer Bewegung

Zusammenfassung Verschiedene Typen von Sekundärströmungen in viskoelastischen Flüssigkeiten werden besprochen, und es werden vor allem experimentelle Realisierungen derselben mitgeteilt, wobei als Versuchsflüssigkeit wäßrige Lösungen von Polyacrylamid Verwendung finden.Aus der Klasse der stationären Bewegungen werden Strömungen in geradlinigen Rohren von beliebigem Querschnitt und in gekrümmten Rohren von kreisförmigem Querschnitt unter einem konstanten Druckgradienten, sowie Strömungen um drehsymmetrische Körper, die um ihre Symmetrieachse rotieren, behandelt. Für den letztgenannten Fall wird u. a. das Gegeneinanderwirken von Viskoelastizitäts- und Trägheitseinflüssen aufgezeigt.In der Klasse der periodischen Bewegungen wird zuerst kurz auf die Strömung in einem geradlinigen Rohr von beliebigem Querschnitt unter einem alternierenden Druckgradienten eingegangen. Anschließend wird die Strömung um drehsymmetrische Körper, welche um ihre Symmetrieachse Rotationsschwingungen ausführen, untersucht. Dabei wird nicht nur eine stationäre Sekundärströmung in der Meridianebene, sondern außerdem auch eine solche in azimutaler Richtung nachgewiesen und als Folge der Unsymmetrie der anregenden periodischen Bewegung einsichtig gemacht. Schließlich wird gezeigt, daß im Innern eines Zylinders mit freier Flüssigkeitsoberfläche, der um seine Achse Drehschwingungen vollführt, eine unter Umständen recht komplizierte stationäre Sekundärströmung auftritt, und es wird deren Abhängigkeit von der Frequenz und der Füllhöhe untersucht.Vorgetragen auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologen-Vereinigung und der Deutschen Rheologischen Gesellschaft in Bad Nauheim am 8. April 1965.Zum Schluß sei Herrn Prof. Dr.K. Weissenberg (The Royal Institution, London) herzlich für die Mitteilung seiner unveröffentlichten Ergebnisse gedankt, die zur Durchführung der zuletzt beschriebenen Versuche angeregt haben. Herrn Dipl.-Ing.K. Feldkamp (Technische Hochschule Braunschweig) sowie meinen Mitarbeitern HerrnH. Stollorz und HerrnH. Pickelin danke ich für ihre Hilfe bei Planung und Bau der Apparaturen und bei der Durchführung der Versuche, meinem Kollegen Herrn Dr.J. Pawlowski für manche anregende Diskussion sowie für die Messung der Fließkurven. Den Farbenfabriken Bayer AG., insbesondere Herrn Dr.W. Meskat gebührt schließlich mein Dank für die Förderung der vorliegenden Untersuchung.     

Über die viskositätsabhängigen Reibungsverluste eines Verbrennungsmotors

Zusammenfassung Das viskositätsbedingte motorische Verhalten moderner Mehrbereichsöle, die strukturviskos sind, ist auf Grund von Messungen in herkömmlichen Viskosimetern bei niedrigem Schergefälle nicht einwandfrei zu interpretieren. Weiter führt schon die Ermittlung des Fließverhaltens derartiger Öle mit geeigneten Strukturviskosimetern, deren Meßbereich bis zu Schergefällen von 10⁵ bis 10⁶ s^–1 reicht. Die äußerst komplizierten Vorgänge an den Schmierstellen im Motor werden jedoch von so vielen Faktoren beeinflußt, daß eine Nachahmung der Verhältnisse außerhalb des Motors unmöglich ist. Berechnungen haben gezeigt, daß an verschiedenen Schmierstellen im Motor Schergefälle zu erwarten sind, bei denen gemäß der hier erstellten Fließkurve eines Mehrbereichsöls bei 80 °C Öltemperatur dessen nicht-Newtonsches Verhalten zum Tragen kommt.Schleppversuche an einem PKW-Motor haben bestätigt, daß die aus der Praxis bekannten Vorteile des Mehrbereichsöls gegenüber den herkömmlichen Einbereichsölen zum Teil auf den hohen Viskositätsindex und zum Teil auf die Strukturviskosität des Mehrbereichsöls zurückzuführen sind. Die gemessenen Reibungsverluste resultieren aus Schmiervorgängen, die den gesamten Bereich derStribeck- Kurve umfassen. Das VI-Verbesserer enthaltende Öl ist in der Lage, den Anteil der Grenzreibung an der Gesamtreibung zugunsten der Vollschmierung zu reduzieren, wodurch auch der Verschleiß der Bauteile verringert wird. Es ist durchaus möglich, daß auch die Polarität des VI-Verbesserers (Adsorption an der Metalloberfläche) und die visko-elastischen Eigenschaften der Polymere (hohe Relaxationszeit) hierbei eine gewisse Rolle spielen.Nach einem Vortrag auf der gemeinsamen Tagung der Deutschen Rheologen-Vereinigung und der Deutschen Rheologischen Gesellschaft am 10./11. April 1961 in Bad Oeynhausen.     

Shear thickening phenomena in poly(vinyl)alcohol-borate complexes

Bizarre rheological properties of shear thickening complexes of poly(vinyl) alcohol and sodium borate have been investigated in Couette flow experiments. At least three distinct types of shear rate induced rheological transitions have been discovered. The type of shear thickening which results when a threshold shear rate is exceeded is reversible, and the threshold shear rate depends upon the composition. Typical rheological behaviorbelow andabove the threshold shear rate are as follows: Type I: shear thinning-shear thickening, Type II: shear thickening-erratic, Type III: Newtonian (low viscosity)-Newtonian (high viscosity). Normal stress effects and time dependent shear thickening have also been observed. The results are interpreted in the light of mechanisms advanced to explain gradient and time dependent shear thickening phenomena. Included is a concise literature survey of shear thickening phenomena.

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Zusammenfassung Es werden einige rheologische Eigenschaften von Scherverdickungskomplexen aus Poly(vinyl)alkohol und Natriumborat beschrieben. Die Art der Scherverdickung, die sich ergibt, wenn eine Schwellenschergeschwindigkeit beim Couette-Fließen überschritten wird, ist reversibel. Es lassen sich mindestens drei ausgeprägte Typen der durch die Schergeschwindigkeit induzierten Übergänge des rheologischen Verhaltens identifizieren.Die Schwellenschergeschwindigkeiten variieren stark, und zwar je nach der Zusammensetzung. Die Viskositätsgrößen unterhalb und oberhalb der Schwellenschergeschwindigkeit variieren erheblich, z. B. von 0,2 Poise bis 1 Poise oder von 3 Poise bis 80 Poise. Der Übergang im Fließverhalten wird von Normalspannungseffekten begleitet, die für fließende viskoelastische Flüssigkeiten typisch sind.Es kommen bizarre rheologische Effekte vor, wie beispielsweise Scherverdünnung/Scherverdickung, Scherverdickung/Seherverdünnung, Newtonsches Verhalten/Scherverdickung/Newtonsches Verhalten.Bei einigen Stoffen wird auch zeitabhängiges Scherverdickungsverhalten beobachtet.

     

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.

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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.

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

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Mit 13 Abbildungen     

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

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

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

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With 10 figures     

Wall effects in polymer flow on inclined plane

Summary It has been observed that polymeric fluids exhibit frequently anomalous wall effects in rate-dependent laminar flow. In this work, we propose a new technique to obtain quantitative effects of anomalies observed in the gravity flow of six aqueous polymeric solutions on inclined plane surfaces. Wall effects are determined from departures of the experimental flow rates from the theoretical predictions, assuming Ellis behaviour for the non-Newtonian fluids. In all cases, the experimental flow rates exceed the predicted values, by a factor of four in some cases. The deviations are interpreted in the light of the separation phenomenon, ascribable to the formation of a layer of dilute polymer solution at the wall. From determination of the viscosity of the wall, it is shown that the polymer concentration is from 10 to 56% less of that of the bulk fluid.

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Zusammenfassung Es ist beobachtet worden, daß Polymerflüssigkeiten bei schergeschwindigkeitsabhängigem laminarem Fließen häufig ein anormales Wandverhalten aufweisen. In dieser Untersuchung wird eine neue Methode vorgestellt, mittels derer an sechs wäßrigen Polymerlösungen die beim Abfließen an einer geneigten ebenen Fläche beobachteten Anomalien quantitativ erfaßt werden. Die Wandeffekte werden aus den Abweichungen der experimentellen Fließkurven von deren theoretisch vorausgesagten Verläufen bestimmt, wobei für die untersuchten nicht-newtonschen Flüssigkeiten ein Fließgesetz nachEllis vorausgesetzt wird. In allen Fällen übersteigen die gemessenen Fließgeschwindigkeiten die vorausgesagten Werte, und zwar in einigen Fällen bis zu einem Faktor vier. Die Abweichungen werden durch ein Trennphänomen, genauer: durch die Bildung einer Wandschicht mit verminderter Polymerkonzentration, erklärt. Aus der Bestimmung der Viskosität an der Wand wird abgeschätzt, daß die Polymerkonzentration hier zwischen 10 und 56% geringer ist als in der übrigen Flüssigkeit.

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With 13 figures and 2 tables