Viskoelastisches Verhalten und Struktur konzentrierter Kaolinsuspensionen mit negativer Normalspannung
Final Report Abstract
Konzentrierte Kaolinsuspensionen gehören zu den wenigen bekannten Systemen, deren erste Normalspannungsdifferenz negativ sein kann. Die Aufgabe der im Rahmen des geförderten Projekts durchgeführten Arbeiten bestand darin, die Bedingungen für das Auftreten dieses nichtlinear viskoelastischen Effekts näher zu untersuchen und eine theoretische Erklärung und Beschreibung dafür zu finden. Der ursprünglich vermutete Zusammenhang mit einer scherinduzierten Änderung der Orientierungsordnung der plättchenförmigen Kaolinpartikel konnte experimentell und theoretisch bestätigt werden. Es zeigte sich, dass für die Einstellung einer kooperativen Orientierungsordnung attraktive Wechselwirkungen notwendig sind, die nicht durch zu starke z.B. elektrostatische Wechselwirkungen kompensiert werden. Das wurde experimentell durch die Abhängigkeit des Effekts von der Feststoffkonzentration, vom pH-Wert, vom Oberflächenpotenzial und von der Ionenstärke verifiziert. Die nichtmonotone Abhängigkeit des Betrages der negativen ersten Normalspannungsdifferenz von der Schergeschwindigkeit konnte durch eine im Rahmen des Projekts entwickelte Theorie erklärt und nachvollzogen werden. Die Theorie basiert auf der Anwendung eines Variationsprinzips für die Rayleigh-Funktion, in der die Änderung der freien Energie infolge des nematischen Orientierungsordnungsparameters enthalten ist. Die resultierenden Differenzialgleichungen liefern nach einer Stabilitätsanalyse zeitliche periodische Drehungen oder die Einstellung eines stationären Drehwinkels der Partikel im Scherfeld. Beide Effekte führen zu einer schwachen nematischen Ordnung. Die Drehung des Direktorfeldes führt unterhalb einer kritischen Schergeschwindigkeit zu einer mit der Schergeschwindigkeit monoton fallenden ersten Normalspannungsdifferenz, oberhalb der kritischen Schergeschwindigkeit stellt sich eine stationäre Scherausrichtung der Plättchen ein, die zu einer monoton steigenden und auf ein Plateau zu laufenden negativen Normalspannungsdifferenz verbunden ist. Zur Bestätigung dieses kausalen Zusammenhangs macht sich die Messung der scherinduzierten Orientierungsordnung erforderlich. Dazu wurde eine röntgendiffraktometrische Messanordnung entwickelt, die es gestattet, durch Ankippen des Messtisches winkelabhängig die Braggsche Reflexionsbedingung für verschiedene Plättchenorientierungen zu erfüllen und aus der gemessenen Intensitätsverteilung den Orientierungsordnungsparameter zu ermitteln. Da die Messungen ex-situ durchzuführen waren, musste eine Gefriertechnik entwickelt werden, die den scherinduzierten Ordnungszustand der Suspension definiert für die Einbringung in die Röntgenapparatur konserviert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Strukturmessungen und die rheologischen Messergebnisse kompatibel und durch die Theorie erklärbar sind. Für das Auftreten großer negativer Normalspannungen in ruhenden Kaolinsuspensionen in Kontakt mit feuchter Luft oder unter Luftabschluss wurde eine Theorie für die Koagulation der Suspensionen von plättchenförmigen Partikel als Funktion der Wechselwirkungsgeometrie zwischen den Plättchen (Kante-Kante, Platte-Platte und Platte-Kante) und der Oberflächenpotenziale entwickelt. Dabei treten Drehmomente und Kräfte auf, die sowohl die synäretischen Effekte als auch das Auftreten der Normalspannungen erklären können. Die aus der Stabilitätsanalyse erhaltenen Phasendiagramme lassen auch erkennen, dass die Möglichkeit des Erreichens stabiler Endzustände vom Ausgangszustand abhängen kann.
Publications
- „Negative first normal stress difference in kaolin suspensions“, XIVth International Conference on Rheology (Lissabon 2012)
M. Bombrowski, P. Schiller, M. Wahab, H.-J. Mögel
- „Negative first normal stress difference in concentrated kaolin suspensions“, 8th Annual European Rheology Conference (Leuven 2013)
M. Bombrowski, P. Schiller, H.-J. Mögel
- Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 449 (2014) 129–140 “Phase diagrams for aggregates of thick colloidal platelets”
P. Schiller, M. Bombrowski, M. Wahab, H.-J. Mögel
(See online at https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2014.02.031) - “Negative first normal stress difference in concentrated kaolin suspensions”, Physics of Liquid Matter: Modern Problems (Kiew 2014)
M. Bombrowski, H.-J. Mögel, M. Wahab, P. Schiller
- „Negative first normal stress differences and microstructure in flocculated kaolin suspensions“, 9th Annual European Rheology Conference (Karlsruhe 2014)
M. Bombrowski, P. Schiller, H.-J. Mögel
- “First Normal Stress Difference and Microstructure in Concentrated Kaolin Suspensions” 27th ECIS Conference 2015, Bordeaux
H.-J. Mögel, P. Schiller, M. Bombrowski, M. Wahab
- “Kaolin Suspensions with Negative First Normal Stress Difference” in : L. Bulavin and N. Lebovka (eds.), Physics of Liquid Matter: Modern Problems, p. 219-242, Springer 2015
M. Bombrowski, H.-J. Mögel, M. Wahab, P. Schiller
- „Normal Stress in concentrated Kaolin Suspensions Under Shear” IACIS Conference (Mainz 2015)
H.-J. Mögel, P. Schiller, M. Wahab, M. Bombrowski
- “Negative First Normal Stress Difference and Microstructure in Concentrated Kaolin Suspensions” 2nd Annual World Congress Smart Materials 2016, Singapur
H.-J. Mögel, M. Bombrowski, M. Wahab, P. Schiller
