Maßschneidern der Fließeigenschaften von kolloidalen Dispersionen, die durch kurzreichweitige Partikelabstoßung stabilisiert sind, mit Hilfe sog. „Verarmungskräfte“

• Antragsteller: Professor Dr. Norbert Willenbacher
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443694127

Das Fließverhalten kolloidaler Dispersionen kann durch schwache attraktive Wechselwirkungen, z.B. durch Zugabe nicht-adsorbierender Polymere zur flüssigen Phase, sehr gezielt eingestellt und so an unterschiedlichste Erfordernisse bei Herstellung und Verarbeitung angepasst werden. Vorversuche haben gezeigt, dass es keinen einfachen Zusammenhang zwischen der Stärke der attraktiven Wechselwirkung und dem makroskopischen Fließverhalten gibt. Ein detailliertes Verständnis der Mikrostruktur und der lokalen Partikeldynamik ist unabdingbar für eine gezielte Produktentwicklung. Sog. Harte-Kugel (HK) Modelldispersionen sind intensiv untersucht, der hier vorgelegte Antrag konzentriert sich auf die Klasse der technisch relevanten Systeme, die durch kurzreichwertige, repulsive Partikel-Wechselwirkungen stabilisiert sind. Wir wollen verstehen welchen Einfluss die technisch leicht modifizierbare Reichweite der Partikel-Abstoßung auf Phasenverhalten, Mikrostruktur und Fließverhalten hat wenn zusätzlich attraktive Wechselwirkungen auftreten. Unsere Vorversuche belegen, dass die Multi Particle Tracking (MPT) Mikrorheologie ein ideales Werkzeug zur Aufklärung der Mikrostruktur wässeriger Dispersionen darstellt, die von besonderer technischer Bedeutung sind. Phasenzusammensetzung im fluid/kristallinen Koexistenzgebiet, Größe und Form der kristallinen Bereiche, sowie der Schubmodul dieser Mikrokristalle kann bestimmt werden. Charakteristische Zeit- und Längenskalen von Heterogenitäten in gel- oder glasartig erstarrten Systemen können bestimmt werden. Heterogene Gelzustände mit unterschiedlicher lokaler Partikelmobilität und unterschiedlichen Fließeigenschaften wurden nachgewiesen, die für Harte-Kugel Systeme bisher nicht bekannt sind. Für den Übergang vom fluiden Zustand in das fluid/kristalline Koexistenzgebiet oder den Gelzustand sind signifikant stärkere attraktive Wechselwirkungen notwendig als bei echten HK Systemen und die Verflüssigung durch attraktive Wechselwirkungen ist bei höheren Partikelkonzentrationen möglich. MPT-Experimente werden mit klassischer Scherrheometrie kombiniert um Mikrostruktur, lokale Partikelmobilität und Fließverhalten systematisch zu untersuchen. Darüber hinaus wird ein Mikroströmungskanal kombiniert mit PIV Analyse genutzt, um die Strömungsprofile gel- bzw. glasartiger Proben auf mikroskopischer Ebene zu untersuchen. Ein nicht-lokales Modell zur Beschreibung des Fließens in eingeschränkter Geometrie durch kooperative Bewegung von Partikel-Clustern soll an Hand von MPT-Daten zur Größe der Cluster überprüft werden. Die Kombination dieser experimentellen Ansätze wird es ermöglich die Parameter etablierter rheologischer Modelle und Konstitutiv-Gleichungen mit der Mikrostruktur und kolloid-physikalischen Dispersionseigenschaften zu verknüpfen, so dass die Fließeigenschaften von Dispersionen mit kurzreichweitiger Partikel-Abstoßung und zusätzlichen attraktiven Wechselwirkungen allein aus deren Zusammensetzung vorgesagt werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen