Als essentielles Gebiet der Ingenieurs- & Materialwissenschaft ist der Rheologie eine große Bedeutung beizumessen. Sie beschäftigt sich im Allgemeinen mit dem Fließverhalten von Materialien. Von der Materialwissenschaft, über die Medizin, bis hin zur Lebensmittelverarbeitung findet die Rheologie Anwendung in allerlei Bereichen.
Als Experten auf diesem Gebiet besitzen wir bei ringbach natürlich auch ein Rheometer zur präzisen Messung rheologischer Eigenschaften verschiedenster Stoffe. So gehört zu unseren Dienstleistungen selbstverständlich eine exklusive Materialuntersuchung Ihrer Stoffe mit dem Rheograph 6000 des Weltmarktführers Göttfert.

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Was ist Rheologie

Der Begriff Rheologie leitet sich vom griechischen “rheo” (fließ) und “logos” (Wissenschaft) ab. Folglich bedeutet Rheologie also “Fließwissenschaft”. Im Wesentlichen beschäftigt sich die Rheologie damit, wie Materialien auf äußere Kräfte reagieren und wie sie sich verhalten, wenn sie belastet werden. Diese Ergebnisse sind von großer Bedeutung, bei der Optimierung von Herstellungsprozessen, der Lösungsfindung und der generellen Produktion eines Produktes. Rheologische Eigenschaften können in den verschiedensten Materialien auftreten, darunter Flüssigkeiten, Gele, Feststoffe und Gasstoffe. Besonders relevant werden die Messungen allerdings bei komplexen Fluiden, nicht-Newton’schen Flüssigkeiten und viskoelastische Materialien, bei denen das Fließverhalten nicht linear mit der aufgebrachten Spannung oder der Schergeschwindigkeit variiert.

Rheologische Parameter und ihre Bedeutung

Die Rheologie beschäftigt sich mit einer Vielzahl von Parametern und Konzepten, die wohl Bedeutendsten sind:

• Viskosität:
  Sie beschreibt den Widerstand eines Materials gegen das Fließen. Ein Material mit hoher Viskosität fließt langsam, während ein Material mit niedriger Viskosität leichter fließt. Dies ist besonders relevant in Bereichen wie Lebensmittelverarbeitung oder Medizin.

• Elastizität:
  Dies beschreibt die Fähigkeit eines Materials, nach Entfernen einer Belastung in seine ursprüngliche Form zurückzukehren. Elastische Materialien kehren in der Regel in ihre Ausgangsform zurück, während viskose Materialien ihre Form beibehalten oder langsam in ihre ursprüngliche Form zurückkehren können. Sie ist besonders relevant in Bereichen wie der Medizin oder Biomechanik.

• Scherfestigkeit:
  Dieser Begriff bezieht sich auf die Kraft, die benötigt wird, um ein Material zu verformen oder zu scheren. Hier bedeutet hohe Scherfestigkeit eine schwere Verformbarkeit während niedrige Scherfestigkeit eine leichte Verformbarkeit aufweist. Es ist besonders relevant in Bereichen wie dem Bauwesen oder der Luft- und Raumfahrt.

Was ist ein Rheometer

Ein Rheometer ist ein hochspezialisiertes Messgerät, das in der Rheologie verwendet wird, um das Fließverhalten bestimmter Materialien zu charakterisieren und zu quantifizieren. Im Wesentlichen funktioniert ein Rheometer, indem es kontrollierte Kräfte oder Deformationen auf ein Material ausübt und dann die Reaktion des Materials auf diese Kräfte misst und aufzeichnet. Dadurch liefert es Ergebnisse der Viskosität, Elastizität, Scherfestigkeit und weiterer rheologischer Eigenschaften.

Einige wichtige Merkmale und Funktionen von Rheometern:

1. Verschiedene Messmodi:
   Rheometer können in verschiedenen Messmodi arbeiten, darunter Rotationsmodus (Rotationsrheometer), Schubmodus (Schubrheometer) und Kapillarmodus (Kapillarrheometer).

2. Kontrollierte Bedingungen:
   Rheometer ermöglichen die genaue Steuerung von Temperatur, Druck und Scherrate, um die Bedingungen der jeweiligen Anwendung zu simulieren und zu variieren.

3. Anwendung in verschiedenen Branchen:
   Rheometer werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, darunter die Lebensmittelindustrie, die Pharmazie, die Kosmetikindustrie, die Materialwissenschaft, die Petrochemie, die Biologie und viele mehr.

4. Materialcharakterisierung:
   Mit einem Rheometer können Materialien auf ihre rheologischen Eigenschaften hin analysiert werden. Zum Beispiel kann die Viskosität einer Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur gemessen werden, um ihr Fließverhalten zu verstehen.

5. Qualitätskontrolle und Produktentwicklung:
   Rheometer werden häufig in der Qualitätskontrolle verwendet, um sicherzustellen, dass Produkte die gewünschten rheologischen Eigenschaften aufweisen. Sie sind auch ein wichtiges Werkzeug bei der Entwicklung neuer Produkte und Materialien.

6. Forschung und Entwicklung:
   In der akademischen Forschung und in Laboren spielen Rheometer eine entscheidende Rolle bei der Erforschung der rheologischen Eigenschaften von Stoffen, um die Grundlagen der Materialwissenschaft und Flüssigkeitsdynamik zu vertiefen.

Arten von Rheometern

Je nach Anforderung und Anwendungsbereichen gibt es verschiedenste Arten von Rheometern.
Hier sind einige Beispiele:

1. Rotationsrheometer:
   Sie sind weit verbreitet und werden hauptsächlich zur Charakterisierung von Flüssigkeiten und viskoelastischen Stoffen verwendet. Sie tauchen eine rotierende Spindel oder Platte in den Stoff um die resultierende Reaktion zu messen.

2. Kappilarrheometer:
   Mit ihnen wird das Fließverhalten von Polymeren und Schmelzen in engen Kapillaren oder dünnen Röhren analysiert. Sie messen die Strömungsgeschwindigkeit des Stoffes durch die Kapillare bei verschiedenen Drücken und Temperaturen.

3. Schubrheometer:
   Diese werden hauptsächlich zur Charakterisierung von Feststoffen und halbfesten Materialien verwendet. Sie erzeugen eine Scherbelastung, indem sie eine Platte oder eine Klinge auf das Material legen und die Scherkraft messen.

4. Oszillationsrheometer:
   Sie sind spezialisierte Geräte, die in der Messung von viskoelastischen Eigenschaften bei sehr kleinen Deformationen verwendet werden. Sie eignen sich gut für die Charakterisierung von Polymeren und Gelen.

5. Dynamische Rheometer:
   Dynamische Rheometer sind vielseitige Geräte, die sowohl Scher- als auch Dehnungsmodi bieten. Sie werden häufig in der Materialentwicklung und -charakterisierung eingesetzt, um sowohl lineare als auch nichtlineare rheologische Eigenschaften zu analysieren.

6. Kontraktionsrheometer:
   Kontraktionsrheometer messen die Kontraktion eines Materials während des Mischens und werden in der Lebensmittelindustrie eingesetzt, um die Verformbarkeit und das Verhalten von Teigen und Dehnmasse zu analysieren.

7. Kugelrheometer:
   Sie verwenden eine Kugel, die in einer Probe schwimmt oder darin rollt, um die Viskosität und die rheologischen Eigenschaften von Flüssigkeiten zu bestimmen.

Die Wahl des richtigen Rheometers hängt immer von den zu messenden Materialien, den Messanforderungen und den wissenschaftlichen Zielen ab. Jede Art von Rheometer bietet einzigartige Vorteile und ermöglicht die Charakterisierung von Stoffen über ein breites Spektrum rheologischer Eigenschaften, was in verschiedenen Branchen und Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist.

Wie funktioniert ein Rheometer

Ein Rheometer ist ein komplexes wissenschaftliches Messinstrument. Um zu verstehen, wie es funktioniert, betrachten wir die grundlegenden Schritte und Mechanismen:

1. Probenvorbereitung:
   Zunächst wird eine Probe des zu analysierenden Stoffes vorbereitet und sorgfältig auf die gewünschte Temperatur gebracht, um konsistente Ergebnisse zu gewährleisten.

2. Probenhalterung:
   Die Probe wird in einen Probenhalter oder einer Probenzelle platziert. Je nach der Art des Rheometers und der Probe kann der Probenhalter verschiedene Formen und Konfigurationen aufweisen.

3. Anwendung der Belastung:
   Hier erzeugt das Rheometer gezielte Belastungen auf die Probe, um ihre Reaktion auf Scherkräfte zu messen. Dies erfolgt je nach Rheometer-Art auf verschiedene Weisen:
   – Rotationsrheometer:
   Ein rotierendes Element, wie eine Spindel oder Platte, wird in die Probe eingetaucht. Durch die Rotation wird eine Scherkraft erzeugt, und die resultierende Drehmomentmessung ermöglicht die Bestimmung der Scherfestigkeit und Viskosität der Probe.
   – Schubrheometer:
   Eine Platte oder eine Klinge wird auf die Oberfläche der Probe aufgebracht und erzeugt so eine Scherbelastung. Die Deformation der Probe und die aufgebrachte Scherkraft werden gemessen.
   – Kapillarrheometer:
   Die Probe wird durch eine enge Kapillare oder ein dünnes Rohr gezwungen, wobei Druck und Durchflussrate gemessen werden, um die Viskosität und das Fließverhalten zu analysieren.

4. Datenerfassung und Analyse:
   Während der Belastung und Deformation werden Messdaten erfasst, darunter die Scherkräfte, die Drehmomente und die Verformungen der Probe. Diese Daten werden in Echtzeit aufgezeichnet und in Diagrammen und Kurven dargestellt.

5. Variation von Bedingungen:
   Rheometer bieten die Möglichkeit, verschiedene experimentelle Bedingungen zu variieren, einschließlich Temperatur, Schergeschwindigkeit und Druck, um das Verhalten des Materials in verschiedenen Umgebungen zu untersuchen.

6. Interpretation der Ergebnisse:
   Basierend auf den gesammelten Daten und den rheologischen Modellen können Wissenschaftler und Ingenieure die Eigenschaften des Materials analysieren. Dazu gehören Viskosität, Scherfestigkeit, Elastizität und andere rheologische Parameter.

Anwendungen der Rheologie

Die Rheologie findet in einer breiten Palette von Branchen und Anwendungen Einsatz. Diese Anwendungen reichen von der Produktentwicklung und Qualitätskontrolle bis hin zur Optimierung von Herstellungsprozessen und zur Lösung von technischen Herausforderungen. Hier sind einige wichtige Anwendungen der Rheologie:

• Lebensmittelindustrie:
  z.B. Konsistenz von Soßen, Teig, Cremes und Getränken

• Pharmazeutik:
  z.B. Viskosität von Arznei, Salben und Suspensionen

• Kosmetikindustrie:
  z.B. Gestaltung von Cremes, Lotion und Make-Up

• Materialwissenschaft:
  z.B. Charakterisierung von Polymeren, Verbundwerkstoffen und anderen Materialien

• Bauwesen und Baustoffe:
  z.B. Messen der Festigkeit, Haltbarkeit und Verarbeitbarkeit von Baustoffen

• Medizin und Biologie:
  z.B. Blut, Gewebe und Flüssigkeiten analysieren

• Öl- und Gasindustrie:
  z.B. Bei der Optimierung von Bohrprozessen

• & viele mehr

Rheologie in der Kunststoffverarbeitung 

In der Kunststoffverarbeitung spielt die Rheologie eine entscheidende Rolle. Sie beschäftigt sich mit den komplexen Strömungsvorgängen, die in Extrudern auftreten, und hilft bei der Gestaltung von Schneckengeometrien. Ebenso werden die Strömungs- und Mischprozesse in Scher- und Mischkomponenten beschrieben. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Ausbalancierung der Schmelze in Verteilersystemen wie Breitschlitzdüsen oder Pinolenverteilersystemen, die Kleiderbügel- oder Fischschwanzverteiler verwenden. Das Hauptziel dabei ist, den Schmelzstrom so zu verteilen, dass er am Austritt eine gleichmäßige Geschwindigkeit hat. Dies wird erreicht, indem der Druckverlust auf allen Fließwegen ausgeglichen wird.

(Quelle: Rheologie der Kunststoffe – Theorie und Praxis, Thomas Schröder, 2., aktualisierte und erweiterte Auflage, Hanser Verlag)

Rheometer bei ringbach

Wie oben schon erwähnt, gehört zu unseren Dienstleistungen eine rheologische Untersuchung Ihrer Stoffe. Unser Rheometer des Weltmarktführers Göttfert ist ein sog. Hochdruck-Kapillarrheometer (Göttfert Rheograph 6000). Mithilfe dieses Gerätes wird der aufgeschmolzene Kunststoff unter hohem Druck durch eine dünne Kapillare befördert. Der vor der Kapillare auftretende Druck fällt bis zum Kapillarende auf den Umgebungsdruck ab. Die Druckveränderung sowie der Volumenstrom innerhalb der Kapillare werden gemessen und daraus rheologische Kenndaten ermittelt. Die Daten werden anschließend in übersichtlichen Diagrammen dargestellt und ausgewertet. Damit sind schnelle und vor allem präzise Messergebnisse möglich.

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Fazit

Abschließend lässt sich sagen, dass die Rheologie ein äußerst interessantes und vor allem wichtiges Gebiet der Materialforschung ist. Sie ist ein maßgeblicher Faktor des heutigen Wissenschaftsstandards. Ohne die rheologischen Untersuchungen wäre der heutige Fortschritt wohl kaum so zu erreichen. Alleine im Bezug auf die Medizin hätten wir enorme Schwierigkeiten Blut, Gewebe oder andere biologische Flüssigkeiten zu verstehen, was die Diagnostik und die Entwicklung von medizinischen Geräten behindern würde. Auch die Dosierung von Arzneimitteln wäre weniger präzise und folglich weniger effizient. Daraus ist zu schließen, dass die Rheologie als wichtiger Teil der Materialforschung nicht mehr wegzudenken ist. Insgesamt zeigt die Rheologie, wie grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse in realen Anwendungen genutzt werden können, um die Welt um uns herum besser zu verstehen und zu gestalten. Sie bleibt ein Schlüsselbereich der Forschung und Entwicklung und wird weiterhin dazu beitragen, innovative Lösungen für die Herausforderungen unserer Zeit zu finden.

Quellen:

chemie

rheologie

addinol

scienedirect

rheologie

thermofischer

Rheologie der Kunststoffe – Theorie und Praxis, Thomas Schröder, 2., aktualisierte und erweiterte Auflage, Hanser Verlag