Fließverhalten von kolloidalen Gläsern: Kombination von fortgeschrittenen rheologischen Methoden mit erweiterter Theorie

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Fuchs; Professor Dr. Manfred Wilhelm
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423269835

Kolloidale Dispersionen weisen zahlreiche Anwendungsgebiete auf, unter anderem als Kosmetika, Lebensmittel oder Konstruktionswerkstoffe. Das Verständnis des Verhaltens dieser komplexen Flüssigkeiten unter mechanischer Belastung ist einerseits von hoher Bedeutung für die Verarbeitung von Dispersionsprodukten, andererseits aber auch von fundamentalem wissenschaftlichem Interesse. Während die Fließeigenschaften von konzentrierten monodispersen Kolloiden unter homogener Scherbelastung weitgehend verstanden sind, beschränken sich existierende Ansätze für inhomogene, über einfache Scherung hinausreichende Belastungsformen bisher meist auf phänomenologische Beschreibungen. Von besonderer Bedeutung ist hier der Bereich hoher Konzentrationen, da in diesem Bereich die Anwendungseigenschaften der Dispersionen am stärksten vom viskoelastischen Verhalten beeinflusst werden.Die mikroskopisch basierte Modenkopplungstheorie (mode coupling theory, MCT) der Dynamik in kolloidalen Lösungen wurde in den letzten Jahren zu einer konstitutiven Beschreibung für homogene Strömungen erweitert und ermöglicht so die Vorhersage des nichtlinearen rheologischen Verhaltens von Dispersionen unter einfachen homogenen Belastungsformen. In dem hier beantragten Projekt möchten wir die MCT-basierte Beschreibung glasbildender Dispersionen für Belastungsformen, die über reine Scherung hinausgehen, vorantreiben. Zur Kontrolle der neuentwickelten Konzepte sind sowohl konsistente Messungen an einem geeigneten Modellsystem (thermosensitives PNiPAM-Mikrogel) als auch fortgeschrittene rheologische Messmethoden notwendig, die zum Teil in diesem Projekt weiterentwickelt werden sollen. Ein Beispiel hierfür ist die Erhöhung der Sensitivität bei der experimentellen Bestimmung von Normalkräften. Spezielle Themenbereiche, auf die wir uns in diesem Projekt konzentrieren möchten, sind:1. Dehnströmungen und resultierende Normalkräfte bei Scherbelastung ermöglichen die Bestimmung des vollständigen Schertensors und erlauben so eine Beschreibung komplexen Fließverhaltens über die normale skalare Beschreibung einer Scherströmung hinaus.2. Das nichtlineare rheologische Verhalten unter starker Belastung (Large amplitude oscillatory shear, LAOS) wird mit Hilfe der Fouriertransformations-Rheologie sowohl unter Vorgabe der Deformation als auch der Scherspannung analysiert, um das teilweise auftretende zeitabhängige oder von der Vorgeschichte determinierte mechanische Verhalten von Dispersionen zu verstehen. 3. Kapillarströmung bei hohen Scherraten soll Einblicke in das Entstehen räumlicher Korrelationen und Fließinstabilitäten, z.B. „shear banding“ bei konzentrierten Dispersionen ermöglichen.Durch die Kombination von theoretischer Entwicklung und experimenteller Verifizierung in allen Themenbereichen möchten wir ein grundlegendes Verständnis und eine verifizierte Beschreibung des Fließverhaltens konzentrierter Dispersionen unter starker, nicht homogener Belastung erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Nico Dingenouts