Zweiter newtonscher Bereich von Polymerlösungen

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Wierschem
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 290025643

Polymerlösungen sind grundlegende rheologische Systeme mit unzähligen Anwendungen. Ihre Viskosität ist typischerweise stark abhängig von der Scherbelastung: Bei niedrigen Scherraten, im 1. newtonschen Bereich, zeigen Polymerlösungen eine scherratenunabhängige Viskosität. Bei höheren Scherraten nimmt die Viskosität deutlich ab. Bei sehr hohen Scherraten wird wieder ein Bereich konstanter Viskosität, der 2. newtonsche Bereich, erwartet. Neben der Scherrate wird die Viskosität wesentlich von der Art des Polymers und seiner Struktur, dem Molekulargewicht und seiner Verteilung, der Polymerkonzentration und von dem Lösungsmittel bestimmt. Im 1. newtonschen Bereich lassen sich vor allem abhängig von Konzentration und Molekulargewicht unterschiedliche Regime von Polymerlösungen unterscheiden. Während der 1. newtonsche Bereich und das Einsetzen der Scherverdünnung intensiv erforscht sind, trifft dies nicht für den 2. newtonschen Bereich zu. Hier fehlen detaillierte Kenntnisse zu den Viskositätswerten, Normalspannungsdifferenzen, sowie der Orientierung der Polymere und ihre Abhängigkeiten von den oben genannten Parametern ebenso wie systematische Studien zum Einsetzen des 2. newtonschen Bereichs. Genaue Kenntnisse zu diesem Bereich sind nicht nur für ein grundlegendes Verständnis notwendig sondern werden in einer Reihe von industriellen Anwendungen benötigt. Wesentliche Ursache für den Kenntnismangel ist das bisherige Fehlen adäquater Messtechnik: Der Scherratenbereich liegt typischerweise 1-2 Zehnerpotenzen jenseits des Parameterbereichs kommerzieller Rheometer. Darüber hinaus müssen sehr niedrige Viskositäten detektiert werden. Wir haben die geometrische Genauigkeit von Rotationsrheometern um etwa den Faktor 30 bis 100 verbessert. Dadurch können Messungen bei deutlich niedrigeren Spaltbreiten durchgeführt und so die erforderlichen hohen Scherraten erreicht werden. Darüber hinaus ist das weiterentwickelte Gerät nach Kenntnisstand des Autors als einziges in der Lage, bei Scherraten bis zu 105 s-1 Normalkräfte in Polymerlösungen zu detektieren und rheooptische Untersuchungen durchzuführen. Eine weitere Steigerung der Genauigkeit soll im Rahmen des Projekts erfolgen. Zentrales Ziel des Projekts ist es, den 2. newtonschen Bereich bei wohldefinierten wie auch industriell relevanten Polymerlösungen zu charakterisieren. Neben der Bestimmung der Viskosität sollen bei den hohen Scherraten Normalkräfte und die Polymerorientierung detektiert werden. Durch letztere soll geklärt werden, ob sich die Mikrostruktur im 2. newtonschen Bereich noch wesentlich ändert. Es soll vor allem geklärt werden, ob im 2. newtonschen Bereich ähnlich dem 1. newtonschen Bereich unterschiedliche Regime als Funktion der Polymerkonzentration auftreten. Dabei soll der Einfluss von Molekulargewicht, Strukturänderungen des Polymers und des Lösungsmittels bestimmt werden. Um scherinduzierte Degradation zu vermeiden, sollen die Untersuchungen an semiflexiblen Polymeren durchgeführt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen