Anlage zur rheologischen Charakterisierung hochviskoser Medien
Final Report Abstract
Das Großgerät besteht aus einem Laborextruder, der mit einem Partikel Image Velocimetry (PIV) System gekoppelt ist. Durch die Verwendung einer variablen Schlitzdüse mit optischer Zugänglichkeit und Temperierung ist es möglich, die Strömungsentwicklung und das Geschwindigkeitsprofil im Allgemeinen zu beobachten. Dadurch werden Rückschlüssen auf das Wandgleitverhalten und die Mikrostruktur von Suspensionen möglich. Bevor der Betrieb mit dem PIV System dauerhaft aufgenommen wurde, konnte bereits durch indirekte Methoden im Extruderbetrieb die Druckabhändigkeit des scheinbaren Wandgleitens untersucht und auf andere Effekte zurückgeführt werden. Nachdem mittlerweile auch stabile, transparente Suspensionen präpariert werden können, hat sich der Forschungsschwerpunkt auf das Themenfeld „Strömungsentwicklung“ verlagert. Die Verwendung geeigneter Tracerpartikeln in Kombination mit angepassten, selbstentwickelten PIV Routinen erlaubt es, aus den Partielbildern nicht nur auf die Geschwindigkeitsverteilung sondern auch auf die relative Konzentrationsverteilung zu schließen. Erst durch die Kombination der einzelnen Teilmesssysteme des Großgerätes wurden im Bereich der Suspensionsrheologie neue Erklärungsansätze möglich, die allein aufgrund von integralen Größen wie Druck oder Volumenstrom nicht denkbar gewesen wären. Beispielsweise zeigen hochgefüllte Suspensionen neben der primären verarmten Schicht direkt an der Wand weitere, sekundäre Gleitschichten die auf die Strukturierung des strömenden Mediums zurückzuführen sind. Die Erforschung dieses Effektes setzt eine ortsaufgelöste Aufzeichnung der Strömungsentwicklung und der Mikrostruktur mittels PIV voraus. Hierfür muss wiederum der Volumenstrom über einen langen Zeitraum konstant aufrechterhalten werden. Dies wäre mit anderen Rheometertypen nicht möglich gewesen. Teile der Anlage, insbesondere das PIV System, werden auch in Kombination mit weiteren Messgeräten, beispielsweise Rotationsrheometern, eingesetzt. Dadurch konnten auch hier die Struktur- und Scherratenentwicklung untersucht und Ruckschlüsse auf den Einfluss verschiedener Parameter gezogen werden, die allein durch ein Schlitzdüsenrheometer nicht möglich gewesen wären. Durch die weite Einsetzbarkeit des Großgerätes und seiner Komponenten sowie insbesondere der Modularität hat sich dieses System als wertvolle Bereicherung der Forschung im Bereich der Suspensionsrheologie erwiesen von der wir uns auch zukünftig wichtig Erkenntnisgewinne versprechen.
Publications
- Optical measurement of rheological properties of suspensions in a semitransparent slit die. International Congress on Rheology (ICR), Lissabon, Portugal (2012)
Steffen Jesinghausen, Hans-Joachim Schmid
- Relationship between Apparent Wall Slip and the Pressure Gradient along a Slit Die. International Congress on Rheology (ICR), Lissabon, Portugal (2012)
Sven Pieper, Hans-Joachim Schmid
- Highly filled viscoelastic fluids in a slit die: Optical measurements of rheological properties, particle migration and wall slip. International Congress on Particle Technology (PARTEC), Nürnberg, Deutschland (2013)
Steffen Jesinghausen, Hans-Joachim Schmid
- Direct Observation of a Suspension's Time Dependent Apparent Wall Slip in a Plate-Plate Rheometer. Annual European Rheology Conference (AERC), Karlsruhe, Deutschland (2014)
Sven Pieper, Hans-Joachim Schmid
- Rheological characterization of transparent suspensions by means of the velocity profile from PTV/PIV measurements. Annual European Rheology Conference (AERC), Karlsruhe, Deutschland (2014)
Steffen Jesinghausen, Hans-Joachim Schmid
- Absence of pressure sensitivity of apparent wall slip in pressure-driven flow of noncolloidal suspensions. Rheologica Acta 54 (2015), pp 69-75
Sven Pieper, Nadine Kirchhoff, Hans-Joachim Schmid
(See online at https://doi.org/10.1007/s00397-014-0815-x) - Direct observation of velocity fields of concentrated suspensions and formation of wall adjacent particle organization in a PP Rheometer via PIV. Annual European Rheology Conference (AERC), Nantes, Frankreich (2015)
Sven Pieper, Hans-Joachim Schmid
- Particle Image Velocimetry and its potential to improve the analysis of suspensions. International Symposium on Food Rheology and Structure (ISFRS), Zürich, Schweiz (2015)
Steffen Jesinghausen, Hans-Joachim Schmid
- Layer-formation of non-colloidal suspensions in a parallel plate rheometer under steady shear. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics 234 (2016) pp 1-7
Sven Pieper, Hans-Joachim Schmid
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jnnfm.2016.04.004)
