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Grundlagen der Viskosität

Rheologie - Einteilung der Fluide

Newton'sche Fluide

Hier besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Schubspannung τ und der Schergeschwindigkeit dv/dy. Das klassische Beispiel ist Wasser.

Tab.1
Typische Viskositätswerte bei Raumtemperatur und Normaldruck:
Stoff η in Pa s
Benzin0,65
Wasser1,0
Ethylalkohol1,2
Motoröl150 bis 400
Glycerol1500
Kunststoffschmelzen 10 4 bis 10 8
Teere, Asphalte 10 8 bis 10 14

Makromoleküle sind meistens sehr beweglich aufgrund der freien Drehbarkeit der Atomgruppen um ihre Bindungen. Daher können sie verschiedene Formen annehmen. Werden Makromoleküle der Scherkraft unterworfen, so bewirken die angreifenden Kräfte eine Orientierung des Moleküls in Strömungsrichtung und eine Entknäuelung des Moleküls. Außerdem wird so Lösemittel frei, das vorher im Molekül "eingelagert" war. Dies hat zur Folge, dass die Viskosität in Abhängigkeit von der Schubspannung abnimmt.

Abb.1
Wirkung der Scherkraft

Dilatante Fluide

(von lateinisch dilatare = ausbreiten, aufschieben)

Man spricht von dilatantem Verhalten, wenn mit steigender Schergeschwindigkeit dv/dy die Viskosität zunimmt, d.h. das Fluid dickflüssiger wird. Dilatanz tritt bei eng gepackten, wenig solvatisierten, dispersen Substanzen auf. Beispiele hierfür sind Stärkesuspensionen, Sandaufschlämmungen in Wasser und der Bodensatz von Ölfarben.

Pseudoplastische (strukturviskose) Fluide

Bei kleinen Schergeschwindigkeiten dv/dy verhält sich das pseudoplastische Fluid wie ein Newton'sches Fluid. Ab einer bestimmten (kritischen) Schergeschwindigkeit nimmt die Viskosität ab und es besteht kein linearer Zusammenhang zwischen Schergeschwindigkeit und Viskosität mehr. Pseudoplastisches Fließverhalten beobachtet man bei Polymerlösungen und bei Stoffen, die energetische Wechselwirkungen, z.B. durch Wasserstoff-Brücken oder ionische Interaktionen aufbauen können.

Plastische Fluide (Bingham- oder Casson-Fluide)

Beginnt ein Fluid erst ab einer bestimmten Schubspannung zu fließen, spricht man von plastische Fluiden. Unterhalb der Fließgrenze verhält sich die Substanz wie ein Feststoff. Es handelt sich hierbei um disperse Systeme, die stark über Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoff-Brückenbindungen und Dipol-Dipol-Kräfte wechselwirken. Bei plastischen Substanzen findet man zwei Arten von Fließverhalten:

Bingham-Körper

Wenn nach Überschreiten der Fließgrenze eine Proportionalität zwischen der Schergeschwindigkeit dv/dy und der Schubspannung τ vorliegt, so handelt es sich um ein ideal-plastisches Verhalten. Beispiele hierfür sind Zahnpasta, Lacke, Farben, Mayonnaise und Vaseline.

Fließverhalten nach Casson

Liegt nach Überschreiten der Fließgrenze keine Proportionalität zwischen Schergeschwindigkeit und Schubspannung vor, spricht man von einem Fließverhalten nach Casson.

Scherzeitabhängige Fluide

Neben schergeschwindigkeitsabhängigem Verhalten kann die Viskosität auch von der Scherzeit abhängen: Wenn ein Fluid mit vorgegebener Geschwindigkeit gerührt wird, so ändert sich je nach Dauer des Rührvorganges die Viskosität η.

Thixotrope Fluide

Nimmt die Viskosität eines Fluids bei gegebener Schergeschwindigkeit mit der Zeit ab, so spricht man von thixotropen Verhalten.

Rheopexe Fluide

Bei rheopexen Fluiden nimmt die Viskosität bei konstanter Schergeschwindigkeit mit der Zeit zu. Es gibt hierfür nur wenige Beispiele. Vanadinoxid-Suspensionen, Seife-Sole, eine 40%ige Suspension von Gips in Wasser sowie eine 5%ige Polymethacrylsäure-Lösung in Wasser weisen dieses Fließverhalten auf.

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