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Marktübersicht Rheometer Viskositätsmessung und mehr – kein Problem für zähe Brocken

| Autor/ Redakteur: Christian Lüttmann* / Christian Lüttmann

In der Qualitätssicherung von Polymeren spielt die Rheologie eine wichtige Rolle. Aber auch bei Lebensmitteln, Kosmetika oder in der Petrochemie sind rheologische Messungen Tagesgeschäft. In dieser Marktübersicht geben wir Ihnen eine Übersicht über aktuelle Modelle.

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Abb.1: Viskositätsmessung und andere rheologische Untersuchungen sind in vielen Bereichen Teil der Qualitätssicherung (Symbolbild).
Abb.1: Viskositätsmessung und andere rheologische Untersuchungen sind in vielen Bereichen Teil der Qualitätssicherung (Symbolbild).
(Bild: ©Lichtmaler; ©natros; ©Rattana.R - stock.adobe.com)

Die Marktübersichtstabelle mit den Gerätespezifikationen finden Sie am Ende dieses Beitrags verlinkt.

In vielen Laboren dreht sich alles um die Element- oder Substanzanalytik. Doch in bestimmten Bereichen ist eine andere Disziplin mindestens ebenso bedeutsam: Die Rheologie. Sie kommt zum Einsatz, wo Materialdehnungen oder -verformungen relevant sind oder zähflüssige Fluide wie Gele, Cremes und Pasten eine Rolle spielen. Mit rheologischen Experimenten sind zahlreiche charakteristische Eigenschaften zugänglich. So lässt sich etwa das Fließverhalten von Farben und Lacken untersuchen, die Pumpbarkeit von Öl oder das Mischverhalten viskoser Formulierungen.

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Vielfältige Rotation

In Analytiklaboren gehört das Rotationsrheometer zu den verbreitetsten Rheometer-Typen. Dabei unterscheidet man hauptsächlich drei Messgeometrien: In der Kegel-Platte (K-P)-Anordnung legt man die Probe in einem schmalen Spalt zwischen einem sehr flachen Kegel und einer koaxialen Platte vor. In einem Platte-Platte (P-P)-Rheometer bilden zwei planparallele Platten den Probenspalt. Und beim Searl- bzw. Couette-System liegt die Probe im Spalt zwischen einem hohlen und einem kleineren, massiven Zylinder vor. Das Funktionsprinzip ist in allen Fällen gleich: Während ein Bauteil als Stator fungiert, wird der gegenüberliegende Teil als Rotor in Drehbewegung versetzt. Das dazwischenliegende Fluid wird so einer Schubspannung ausgesetzt und geschert, d.h. die Fluidschichten werden aneinander vorbei „gezogen“. Abhängig von der Viskosität der Probe wirkt dann eine Kraft der Drehbewegung des Rotors entgegen, die umso größer ist, je höher die Viskosität der Probe ist. So lässt sich das viskoelastische Verhalten analysieren z.B. Phasenübergänge oder Thixotropie.

Auswahl der Messgeometrie

Trotz des einheitlichen Messprinzips haben die Geometrien der Rotationsrheometer verschiedene Vor- und Nachteile. So bietet das K-P-System aufgrund des Kegelwinkels eine homogene Schergeschwindigkeitsverteilung. Bei einer P-P-Messgeometrie liegt hingegen ein Gradient in der Schergeschwindigkeit vor – vom Maximalwert am Plattenrand bis zu einer Schergeschwindigkeit von Null im Zentrum. Für newtonsche Fluide stellt dies kein Problem dar. Aber für Proben, deren Viskosität sich mit der Schergeschwindigkeit ändert, bedeutet dies einen systematischen Messfehler. Anwender sollten bei unbekannten Proben also auf die K-P-Geometrie setzen. Für empfindliche Emulsionen ist hingegen ein P-P-Aufbau ratsam, da sich dort durch Einstellung einer größeren Spaltbreite eine Schädigung der Strukturen in der Probe leichter vermeiden lässt. Rheometer mit koaxialen Zylindern bieten sich besonders an, wenn hohe Schergeschwindigkeiten erreicht werden sollen, da hier ein seitliches Austreten der Probe nicht möglich ist.

Die Kunst des Wartens

Bei der Wahl der Messgeometrie ist auch die Wärmeleitfähigkeit von Rotor und Stator zu beachten. Diese sollte möglichst hoch sein, um schnell das thermische Gleichgewicht zu erreichen. Bei thixotropen Proben ist eine ausreichende Wartezeit zudem wichtig, damit sich Strukturen wieder regenerieren können, die beim Beladen des Rheometers teilweise zerstört wurden. Ein mechanisches Gleichgewicht kann jedoch nicht immer erreicht werden. Bei reaktiven Proben wie Klebstoffen etwa wäre eine lange Wartezeit ungünstig, da das Material sonst vollständig aushärtet. Hier sollte man allerdings immer die gleiche Zeit zwischen Probenaufgabe und Messbeginn einhalten.

Anwendungen adaptieren

Ob bei Rotationsrheometern oder anderen Messsystemen wie Dehn-, Fall- oder Kapillarrheometern – während die grundlegende Technik gleich bleibt, verbessern Hersteller die Präzision der Geräte immer weiter. So sind heute kleinste Probenmengen für rheologische Untersuchungen ausreichend. Auch die Softwareunterstützung und Bedienfreundlichkeit wird stetig optimiert. Moderne Geräte lassen sich z.B. vollständig über einen integrierten Touchscreen steuern. Auch bieten manche Systeme zusätzliche Datenerfassung über Kameras, um Ergebnisse zu dokumentieren und besser nachvollziehbar zu machen.

In Zukunft werden Hersteller von Rheometern sicher weiter daran arbeiten, die Geräte noch besser auf reale Applikationen abzustimmen. Eine Annäherung an Anwendungen wie Sprühen, Drucken oder Eincremen durch eine adaptierte Messtechnik würde den Qualitätssicherungs-Bereich z.B. weiter verbessern. Was es heute schon gibt, finden Sie in der verlinkten Marktübersicht Rheometer. Die Unternehmen hatten die Möglichkeit, zwei Systeme aus ihrem Portfolio vorzustellen. Die Übersicht beruht auf Selbstauskünften der teilnehmenden Firmen und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Wir haben zudem eine interaktive Marktübersichtstabelle zu Rheometern für Sie erstellt in der Sie die Geräte z.B. nach Temperaturbereich oder Schergeschwindigkeit sortieren können.

* Christian Lüttmann, Redaktion LABORPRAXIS

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