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Rheometer Rheologie und mehr – Teil 2: Messzellen für unterschiedliche Umgebungen

| Autor / Redakteur: Alexander Kutter* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Moderne, luftgelagerte Rheometer vermögen mehr als nur rheologische Eigenschaften von Proben zu messen. Durch die Auswahl unterschiedlicher Messzellen können beispielsweise Prozesse nachgestellt werden, die unter hohem Druck, UV-Licht, magnetischen oder elektrischen Feldern ablaufen.

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Abb.1a: Magneto-rheologische Messzelle: Während des Versuchs wird die magnetische Feldstärke erhöht...
Abb.1a: Magneto-rheologische Messzelle: Während des Versuchs wird die magnetische Feldstärke erhöht...
(Bild: Anton Paar)

Moderne Rheometer sind durch den Fortschritt der Hardware- und Regelungstechnik mehr als nur Rheometer. Neben den Standardmessungen in Rotation und Oszillation lässt sich durch Wahl von Messsystemen und -geometrien eine Vielzahl von zusätzlichen Parametern vorgeben. So können dadurch Prozesse nachgebildet werden, die z. B. unter magnetischen- oder elektrischen Feldern, hohen hydrostatischen Drücken oder UV-Bestrahlung ablaufen.

Magnetische Felder

Die Magneto-rheologische Messzelle (MRD) (s. Abb. 1) besteht aus einer flüssigkeitstemperierten unteren Platte mit integrierten Spulen, die ein Magnetfeld von bis zu einem Tesla im Luftspalt erzeugen. Ein Magnetjoch deckt die Platte ab, um ein homogenes Feld und zur Platte senkrechte Feldlinien zu gewährleisten. Das Joch kann mithilfe der Flüssigkeit in der unteren Platte von -10 °C bis zu 70 °C (bzw. 170 °C) temperiert werden.

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Elektrische Felder

Die Elektro-rheologische Messzelle (ERD) ist in zwei Ausführungen – für Zylinder-Messsysteme und für Platte/Platte-Messsysteme – erhältlich. Beide Ausführungen verfügen über eine Peltier-Temperierung im Bereich von 0 °C bis 200 °C. Mithilfe einer Gleichspannungsquelle wird eine Spannung von bis zu 12,5 kV erzeugt. Ein zertifizierter Sicherheitsstandard ermöglicht eine komfortable und sichere Handhabung: Der Stromfluss wird unterbrochen, sobald die Schutzhaube geöffnet wird.

Hohe hydrostatische Drücke

Hohe hydrostatische Drücke beeinflussen die rheologischen Eigenschaften ebenso wie die Temperatur. Damit dieser Einfluss untersucht werden kann, stehen dem Anwender eine Vielzahl von Druckzellen zur Verfügung, jede mit ihren entsprechenden Möglichkeiten, neben dem Druck auch Temperaturen vorzugeben.

Die Druckzelle für Stärke (maximaler Druck: 30 bar) ermöglicht rheologische Untersuchungen des Gelbildungsverhaltens von Stärke durch Simulation der Temperatur- und Druckbedingungen der Herstellungsprozesse von Lebensmitteln.

Die Standard-Druckzelle mit einem maximalen Druck von 150 bar ist für mäßig bis hochgradig viskose Proben geeignet. Sie kann auch in Verbindung mit Temperatureinheiten für Zylindermesssysteme verwendet werden. Die Druckzelle XL (maximaler Druck: 150 bar) ermöglicht Messungen an Proben mit geringer Viskosität unter Anwendung von Drücken bis 150 bar.

Die Hochdruckzelle wird für Anwendung von Drücken bis 1000 bar eingesetzt und kann somit beispielsweise zur Simulation des Strömungsverhaltens von Bohrflüssigkeiten und extrahierten Rohölen oder zur Messung von Flüssigkeiten in Kfz-Motoren bei betriebstypischen Drücken verwendet werden.

UV-Aushärtungen

Das UV-Aushärtungssystem besteht aus der bewährten und aktiv temperierenden Peltierhaube und der optischen Peltierkammer (P-PTD 200/GL mit Glasplatte, s. Abb. 2). Diese kann auch für andere rheo-optische Messungen wie Kleinwinkelstreuexperimente (SALS) oder Mikroskopie eingesetzt werden. Zusammen gewährleisten diese Komponenten eine schnelle und präzise Temperierung sowie eine optimale Beleuchtung der Probe für eine homogene UV-Aushärtung. Ein UV-Aushärtungssystem für die verschiedenen Temperierkammern CTD 180, 450 und 600 ist ebenfalls erhältlich. Eine starke UV-Lichtquelle wird über einen flexiblen Lichtleiter mit der Zelle verbunden und durch die Software gesteuert. Auch Lichtquellen mit verschiedenen Filtern sind erhältlich. Je nach chemischer Zusammensetzung, Schichtdicke und UV-Lichtstärke härtet die Probe innerhalb kürzester Zeit aus.

Zur Verfolgung dieser chemischen Reaktion ist eine schnelle Erfassung der Messdaten erforderlich. Die Trustrain-Methode des MCR-Rheometers von Anton Paar ermöglicht hier die höchstmögliche Datenübertragungsrate bei Oszillations-Versuchen.

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

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