Das rheologische Verhalten von Polymerlösungen: Strömungsverfestigung in Scher- und Dehnströmungen

Zusammenfassung Um das Dehnverhalten auch relativ niedrigviskoser viskoelastischer Fluide praktisch ohne den Einfluß von Vorbeanspruchungen messen zu können, wird ein neuartiges Dehnrheometer eingesetzt. Das Meßverfahren stellt eine Weiterentwicklung der Methode des rohrlosen Hebers (tubeless-syphon) dar, bei dem durch eine rechnergesteuerte Abzugswalze das Material unter definierten Bedingungen entgegen der Wirkung der Schwerkraft nach oben gezogen wird.Die hiermit untersuchten konzentrierten und mäßig verdünnten Polyisobutylen-Lösungen zeigen bei Dehnbeanspruchung ausgeprägte Verfestigungserscheinungen. So werden unter materiell instationären Bedingungen momentane Werte der Dehnviskosität gemessen, die im Falle von konzentrierten Lösungen mehr als 200mal und bei verdünnten sogar mehr als 2000mal größer sind als das Dreifache der Scherviskosität bei verschwindender Beanspruchung. Dabei handelt es sich noch nicht einmal um Gleichgewichtswerte, die Spannungen steigen vielmehr noch genähert exponentiell mit der Dehnung an.Auch im Scherfeld zeigen diese Lösungen Spannungsanomalien, die als Scherverfestigung bezeichnet werden können. Im Falle der verdünnten Lösungen führt das Einsetzen dieser Strömungsverfestigung bei noch unveränderter Schubspannung zunächst zu einer zeitabhängigen Erhöhung der ersten Normalspannungsdifferenz, die aber noch gegen einen stationären Endwert strebt. Eine weitere Steigerung der Schergeschwindigkeit führt dann allerdings zu einem überproportionalen Anwachsen sowohl von Normal- als auch von Schubspannungen, jedoch können sich dann, wie auch bei den konzentrierten Lösungen, keine Gleichgewichtszustände mehr ausbilden.Eine vergleichende Betrachtung des Relaxationsverhaltens in beiden Strömungsformen liefert Hinweise darauf, daß die bei der Dehnbeanspruchung beobachteten Verfestigungseffekte zumindest im Falle der verdünnten Polymerlösungen auf molekulare Assoziationsvorgänge zurückzuführen sind.

---

A new extensional rheometer is used in order to measure the extensional (elongational) behaviour of low viscosity viscoelastic liquids with only a very small influence of previous deformations. The measuring technique represents a further development of the tubeless-syphon, in which a computer-controlled roller draws the material upwards against gravitational forces in a well defined manner.The concentrated and moderately diluted polyisobutylene solutions investigated here show a pronounced extension hardening in extensional flows. Under transient conditions apparent values of extensional viscosities were measured, which for concentrated solutions were more than 200 times larger than three times the zero-shear-rate viscosity, and for dilute solutions even more than 2000 times larger. These large values occurred before equilibrium conditions were reached, the stresses at this point increasing almost exponentially with the deformation.These solutions also exhibit stress anomalies in shear flows, which can analogously be described as shear hardening. In case of the dilute solutions the beginning of the shear hardening produces a time-dependent increase to a constant value for the first normal-stress difference, while the shear stress immediately reaches its constant value. A further increase in the shear rate then leads to an over-proportional growth of the normal as well as the shear stresses, however, as for concentrated solutions, an equilibrium state is no longer reached.A comparison of the relaxation properties in both types of flow suggests that the hardening effect in extensional flows can be attributed to molecular aggregation, at least for the dilute polymer solutions.

Erster Teil einer von der Abteilung Chemietechnik der Universität Dortmund unter dem Titel Der Einfluß der Strömungsform auf das Fließverhalten viskoelastischer Fluide genehmigten Dissertation; auszugsweise vorgetragen auf den Jahrestagungen der Deutschen Rheologischen Gesellschaft in Aachen vom 5.–7. März 1979 und in Berlin vom 11.–13. Mai 1981.