In der Verfahrenstechnik treten in vielen Prozessen komplexe Strömungsfelder auf. Diese besitzen in der Regel einen großen Dehnanteil.
Technisch relevante Fluide sind vielmals viskoelastisch. Dies zeichnet sich u.a. durch Relaxationsprozesse aus. Diese führen im Prozess zu Problemen wie Strangaufweitung und Nebelbildung. Aufgrund der großen Dehnanteile lässt sich das Materialverhalten nicht alleinig durch scherrheologische Messungen beschreiben. Zur vollständigen Charakterisierung ist die Dehnrheologie von Nöten. Eine Möglichkeit zur Bestimmung dehnrheologischer Größen niedrigviskoser, viskoelastischer Fluide bietet hierbei das CaBER-Experiment, welches am gleichnamigen kommerziellen Rheometer durchführbar ist. [1]
Bislang wurde angenommen, dass sich die Relaxationszeiten in Scherung und Dehnung nicht unterscheiden. Für konzentrierte Polymerlösungen ist dies allerdings nicht zu beobachten. Ein erster theoretischer Ansatz wird in dieser Arbeit hergeleitet, der es formal ermöglicht die Relaxationszeiten aus Scherung und Dehnung ineinander umzurechnen. Die Anwendbarkeit dieser Theorie wird an linearen, unpolaren Polyethylenoxid, linearen, kationischen Polyacrylamid, sowie dem Copolymer Sterocoll FD experimentell untersucht.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Messmethodische Grundlagen
2.1 Scherrheologie
2.1.1 Scherrheologische Grundbegriffe
2.1.2 Das Kegel Platte Messsystem
2.1.3 Schwingungsrheometrie
2.1.4 Einfache Material-Modelle
2.2 Dehnrheologie
2.2.1 Grundbegriffe der Dehnrheologie
2.2.2 Messanordnungen zur Bestimmung der Dehnviskosität niedrigviskoser Fluide
2.2.3 Das CaBER-Experiment
2.3 Konzentrationsbereiche bei Polymerlösungen
3 Theoretischer Vergleich der Relaxationszeiten
3.1 Theoretische Beschreibung des CaBER- Experiments
3.2 Integrales Materialgesetz
3.2.1 Anwendung des integralen Materialgesetzes auf einachsige Dehnströmungen
3.2.2 Die Dämpfungsfunktion
3.2.3 Zusammenhang zwischen Dämpfungsfunktion und Scherviskosität
4 Experimentelles
4.1 Messgeräte
4.2 Versuchsmaterialien
4.3 Versuchsdurchführung und Auswertung
4.4 Messergebnisse
4.4.1 Polyethylenoxid
4.4.2 Sedipur AF306
4.4.3 Sedipur CF303
4.4.4 Sterocoll FD
5 Zusammenfassung und Ausblick
6 Anhang
6.1 Grundlagen der digitalen Bildverarbeitung
6.2 Beispiele für Bilder der Hochgeschwindigkeitskamera
6.3 Dämpfungsfunktionen
6.4 Zusammenfassung der Messergebnisse
6.5 Polyethylenoxid MW = 1 · 106g/mol
6.6 Polyethylenoxid MW = 2 · 106g/mol
6.7 Sedipur AF306
6.8 Sedipur CF303
6.9 Sterocoll FD
Zielsetzung und Forschungsfokus
Die Arbeit untersucht die theoretischen Zusammenhänge zwischen den Relaxationszeiten konzentrierter Polymerlösungen in Scher- und Dehnströmungen. Ziel ist es, ein theoretisches Modell zu validieren, das eine formale Umrechnung der Relaxationszeiten zwischen diesen beiden unterschiedlichen Beanspruchungsarten ermöglicht, wobei insbesondere die Rolle der Dämpfungsfunktion analysiert wird.
- Charakterisierung viskoelastischer Fluide durch scherrheologische und dehnrheologische Messungen.
- Analyse des CaBER-Experiments als Methode zur Bestimmung dehnrheologischer Größen.
- Anwendung integraler Materialgesetze auf einachsige Dehnströmungen.
- Experimentelle Untersuchung an Polyethylenoxid, Polyacrylamid und Copolymeren.
- Vergleich zwischen theoretisch hergeleiteten Relaxationszeitverhältnissen und experimentellen Daten.
Auszug aus dem Buch
3.1 Theoretische Beschreibung des CaBER- Experiments
Wie in Kapitel 2.2.3 erwähnt, bildet sich bei leicht viskoelastischen Fluiden ein zylindrisches Fadenprofil aus (vgl. Abbildung 3.1 und Kapitel 6.2). Um das CaBER-Experiment beschreiben zu können stehen die Massenbilanz und zwei Kräftebilanzen zur Verfügung. Zusätzlich müssen Vereinfachungen getroffen werden. In der Betrachtung wird die Schwerkraft, sowie die Trägheit vernachlässigt. Ein symmetrischer Fadenquerschnitt, d.h. A(x, t) = A(−x, t), wird angenommen. Des Weiteren ermöglicht die Beschränkung auf einen "schlanken" Faden die eindimensionale Betrachtung. Letztendlich soll das betrachtete Fluid inkompressibel sein.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung motiviert die Problematik komplexer Strömungsfelder in der Verfahrenstechnik und führt in die Fragestellung der Umrechenbarkeit von Relaxationszeiten zwischen Scherung und Dehnung ein.
2 Messmethodische Grundlagen: Dieses Kapitel liefert die theoretischen Basisgrößen der Rheologie, inklusive Scherrheologie, Dehnrheologie mittels CaBER-Experiment und einer Einführung in Konzentrationsbereiche von Polymerlösungen.
3 Theoretischer Vergleich der Relaxationszeiten: Hier wird das theoretische Kernstück der Arbeit präsentiert, das eine Herleitung zur formalen Umrechnung der Relaxationszeiten unter Verwendung integraler Materialgesetze und Dämpfungsfunktionen umfasst.
4 Experimentelles: Dieses Kapitel dokumentiert die verwendeten Messgeräte, Versuchsmaterialien sowie die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen an verschiedenen Polymerlösungen und deren Auswertung.
5 Zusammenfassung und Ausblick: Das Fazit fasst die theoretischen Erkenntnisse sowie die experimentellen Ergebnisse zusammen und diskutiert die Grenzen der Anwendbarkeit des erarbeiteten Modells.
6 Anhang: Der Anhang enthält vertiefende Informationen zur Bildverarbeitung, spezifische Messergebnisse für die einzelnen Polymere sowie Tabellen zu Dämpfungsfunktionen.
Schlüsselwörter
Rheologie, Polymerlösungen, Relaxationszeit, Dehnviskosität, Scherviskosität, CaBER-Experiment, Dämpfungsfunktion, viskoelastische Fluide, Polyethylenoxid, Materialgesetz, Normalspannungsdifferenz, Strömungsfelder, Dehnströmung, Messmethodik, experimentelle Rheologie.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der rheologischen Charakterisierung von konzentrierten Polymerlösungen und dem Vergleich deren Verhalten in verschiedenen Strömungsarten.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die Schwerpunkte liegen auf der Scherrheologie, der Dehnrheologie (insbesondere mittels CaBER-Experiment) und der mathematischen Modellierung der Materialeigenschaften.
Was ist das primäre Ziel der Studie?
Das primäre Ziel ist es, eine theoretische Grundlage zu schaffen, um die Relaxationszeiten eines Fluids aus scherrheologischen Daten in die entsprechenden Werte für Dehnströmungen umzurechnen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden sowohl theoretische Herleitungen mittels integraler Materialgesetze und Dämpfungsfunktionen als auch experimentelle Messungen mit kommerziellen Torsionsrheometern und Dehnrheometern eingesetzt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil liegt der Fokus auf der mathematischen Herleitung des Zusammenhangs der Relaxationszeiten unter Berücksichtigung von Dämpfungsfunktionen sowie der experimentellen Validierung an spezifischen Polymerlösungen wie Polyethylenoxid.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Untersuchung?
Die Arbeit lässt sich primär über Begriffe wie Rheologie, Relaxationszeit, Dehnviskosität und CaBER-Experiment definieren.
Warum ist eine Umrechnung der Relaxationszeiten zwischen Scher- und Dehnströmung oft problematisch?
Für konzentrierte Polymerlösungen zeigen sich unterschiedliche Relaxationsvorgänge in Scherung und Dehnung, was durch molekulare Verschlaufungen und die spezifische Dehnungsgeschichte bedingt ist, die in der Theorie durch Dämpfungsfunktionen korrigiert werden muss.
Welche Herausforderungen traten bei den Messungen mit Sedipur AF306 auf?
Aufgrund der hohen Elastizität der Proben konnte der terminale Fließbereich in der Scherung nicht erreicht werden, was die Bestimmung der spezifischen Relaxationszeiten erschwerte.
- Citation du texte
- Dipl.-Ing. Dirk Sachsenheimer (Auteur), 2010, Gegenüberstellung der Relaxationszeiten konzentrierter Polymerlösungen aus Scher- und Dehnversuchen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/178598
