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Rheometer Rheologie und mehr – Teil 1: Erweiterte Möglichkeiten zur Materialcharakterisierung

| Autor / Redakteur: Alexander Kutter* / Gabriele Ilg

Moderne, luftgelagerte Rheometer sind heutzutage in der Lage, mehr als nur rheologische Eigenschaften von Proben zu messen. Dank ihrer Modularität finden sie in vielen Bereichen Anwendung, in denen früher noch spezialisierte Geräte zum Einsatz kamen.

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Abb.1: Rechteckskörper-Einspannvorrichtung SRF zur Vermessung von Festkörpern in Torsion (Bild: Anton Paar)
Abb.1: Rechteckskörper-Einspannvorrichtung SRF zur Vermessung von Festkörpern in Torsion (Bild: Anton Paar)

Rheometer der MCR-Serie von Anton Paar können auch für die dynamisch-mechanische Thermoanalyse (DMTA) verwendet werden. Das Temperatur- und mechanische Verhalten von Filmen, Fasern und Festkörpern wird mit einer Vielzahl verfügbarer Halterungen wie Einspannvorrichtungen für runde oder rechteckige Festkörper (SCF, SRF) (s. Abb. 1), Halterungen für Filme oder Fasern (UXF) oder Platte-Platte-Systemen untersucht. Der große Temperaturbereich der Temperierkammern der CTD-Serie von -150 bis 1000 °C ermöglicht die Charakterisierung von Materialien im Glaszustand bis zu Materialien im geschmolzenen Zustand. Folglich lassen sich die Übergangstemperaturen und das Relaxationsverhalten der Materialien genau bestimmen. Auch die Reaktionskinetik kann untersucht werden, entweder isotherm oder durch die Voreinstellung einer Temperaturrampe und einer festgelegten Aufheizgeschwindigkeit. Eine weitere Anwendung ist Foto-DMTA, mit deren Hilfe das durch UV-Licht ausgelöste Aushärtungsverhalten von Materialien untersucht wird.

Grenzflächenrheologie

Die Grenzflächenmesszelle (IRS) ermöglicht in Kombination mit einem Rheometer der MCR-Serie zweidimensionale rheologische Messungen von Grenzflächenfilmen an der Luft/Flüssigkeit- und Flüssigkeit/Flüssigkeit-Grenzfläche. In der IRS ist ein Bikonus-Messsystem in der Grenzfläche positioniert und misst absorbierte oder ausgebreitete, z.B. durch Proteine oder Tenside erzeugte Filme. Dank der Leistungsfähigkeit bei niedrigem Drehmoment und der Regelungs-Funktionen des Rheometers ermöglicht die IRS rheologische Messungen schwächster Grenzflächenstrukturen. Durch eine hydrodynamische Fließfeldanalyse in der Versuchsnachbereitung werden der Einfluss der Volumenphase und der deckenden Phase subtrahiert und die relevanten Grenzflächeneigenschaften der gemessenen Grenzfläche berechnet.

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Im Rotations- und Oszillationsmodus können so an der Grenzflächenschicht Fließkurven und Kriechversuche oder während des Filmbildungsprozesses Oszillationsversuche durchgeführt werden.

Tribologie

Die zusammen mit Werner Stehr von dem Unternehmen Dr. Tillwich aus Horb-Ahldorf entwickelte Tribologiezelle arbeitet nach dem Kugel-auf-drei-Platten-Prinzip (s. Abb. 2) und besteht aus einer Probenplattenhalterung, die auf einem speziell konstruierten Federsystem montiert ist, das eine dreidimensionale Bewegung der Probe ermöglicht. Für die Temperaturregelung im Bereich von -40 °C bis 200 °C sorgen Peltier-Elemente in der Platte und zusätzlich die Haube mit aktiver Peltiertemperaturregelung über dem gesamten Messaufbau, was praktisch temperaturgradientenfreie Rheologie-Messungen ermöglicht.

Der Messaufbau nutzt die schnelle und genaue Normalkraftsteuerung, die hohe Rotationsgeschwindigkeit und die ausgezeichnete Drehmomentleistung für tribologische Messungen. Weiterhin zeigt sich hier ein Vorteil der Rheometer von Anton Paar, nämlich die präzise Einregelung selbst kleinster Drehmomente und -geschwindigkeiten. Materialverschleißversuche sind ebenso möglich wie Stribeck-Kurven, Haftreibungsversuche und maßgeschneiderte Messungen an geschmierten Systemen.

Eine spezielle Kugellageroption für die Tribologiezelle ermöglicht Tests zur Schmierwirkung von Schmierstoffen in Wälzlagern. n

* Dr. A. Kutter: Anton Paar Germany, 73760 Ostfildern

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