WKK Kap 5 Rheologie Teil I.txt

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Author:
donkonsti
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197363
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WKK Kap 5 Rheologie Teil I.txt
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2013-02-02 12:28:54
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WKK Kap Rheologie Teil
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WKK Kap 5 Rheologie Teil I.txt
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  1. Was ist Rheologie?
    Lehre von Fließen und Deformation. Im Unterschied zur Elastizitätstheorie behandelt die Rheologie nur Vorgänge mit bleibender plastischen Verformung
  2. Unterscheide Festkörper von Flüssigkeiten!
    • Festkörper bauen alleine durch die Deformation im Inneren eine Spannung auf, die nach dem Aufbringen der Last die Deformation zum Stillstand kommen lässt
    • Flüssigkeiten werden mit fortschreitender Zeit immer weiter deformiert, solange eine Kraftwirkt
  3. Wie verhält sich der Widerstand einer Flüssigkeit gegen eine Deformation zur Deformationsgeschwindigkeit?
    proportional
  4. Was bewirken höhere Drücke und hydrostatiscer Druck?
    • Hydrostatischer Druck verringert den intermolekularen Abstand und erhöht damit reichweitenabhängige Wechselwirkungskräfte zwischen Molekülen.
    • Druckerhöhungen führen prinzipiell zu Viskositätserhöhungen
  5. Was ist zu beobachten, wenn man einen Wassertropfen schnell auf eine Platte schießt?
    • werden verflacht und dann momentan und vollständig rückverformt zur Kugelgestalt.
    • Wasser reagiert elastisch, wenn der Deformationsprozessextrem schnell erfolgt
  6. Was ist Thixotropie?
    Nenne ein Beispiel!
    • Zeitabhängigkeit der Fließeigenschaften bei nichtnewtonschen Fluiden, bei der die Viskosität (Zähflüssigkeit) infolge andauernder mechanischer Beanspruchung abnimmt und erst nach beendigter Beanspruchung wieder zunimmt
    • Beispiel: Ketchup
  7. Was ist Strukturviskosität?
    Eigenschaft eines Fluids, bei hohen Scherkräften eine abnehmende Viskosität zu zeigen
  8. Was ist Dilatanz?
    Eigenschaft eines nichtnewtonschen Fluids, bei hohen Scherkräften eine höhere Viskosität zu zeigen
  9. Welche rheologischen Eigenschaften weisen Lacke auf?
    Lacke sind thixotrop und strukturviskos
  10. Welche Effekte werden beim Extrudieren in Abhängigkeit der Stömungsgeschwindigkeit beobachtet?
    Strangaufweitung und Schmelzebruch
  11. Was vermögen elektrische und magnetische Felder bzgl. Kunststoffen zu tun?
    • Elektrische Felder können die Viskosität spezieller Suspensionen, die häufig dielektrische Partikel wie z.B. Aluminiumsilikate (in Wasser) enthalten, bis zum Erreichen festkörperartiger Eigenschaften erhöhen
    • Magnetische Wechselfelder können die Viskosität sogenannter elektromagnetischer Fluide ändern
  12. Welche materialunabhängigen Gleichungen dienen der Beschreibung von Wärme- und Stofftransport bei der Kunststoffverarbeitung (3)?
    • Kontinuitätsgleichung
    • Impulsgleichung
    • Energiegleichung
  13. Welche stoffspezifischen Zusatzgleichungen dienen der Beschreibung von Polymeren?
    • thermische Zustandsgleichung zur Beschreibung der Dichte, z.B. ρ=f(p, T)
    • kalorische Zustandsgleichung zur Beschreibung der Enthalpie, z.B. h=f(p, ρ)
    • rheologische Zustandsgleichung zur Beschreibung des Fliessverhaltens,z.B. η=f(,T)
  14. Nenne Einflüsse auf die Viskosität (6)!
    • chemisch-physikalische Beschaffenheit (Wasser, Polymerschmelze)
    • T, der Temperatur
    • p, dem Druck (höherer Druck führt zu erhöhter Viskosität)
    • Geschwindigkeitsgefälle (Strukturviskosität, Dilatanz)
    • t, der Zeit (Thixotropie, Rheopexie, Beachten von Vorscherungen und Relaxation)
    • elektromagnetische (Wechsel-) Felder (elektroviskose, elektrorheologische oder elektromagnetische Fluide)
  15. Was ist Viskoelastizität?
    Eine wichtige Eigenschaft von Polymerschmelzen ist die Fähigkeit, Spannungen zeitlich verzögert abzubauen, was sich deutlich in verschiedenen Bereichen der Verarbeitung macht, sobald die Schmelze eine instationäre Deformation erfährt
  16. Welche Deformationen sind bei der Betrachtung der Schmelze zu unterscheiden?
    • Scherdeformation
    • Dehndeformation
  17. Benenne jeweils!

    • Scherung in Drückströmung
    • Scherung in Schleppströmung
    • Scherung und Dehnung in Keilströmung
    • Dehnung
    • Dehnung und Stauchung
    • Stromteilung
  18. Beschreibe das Newtonsche Zweiplattenmodell!
    Benenne alle auftretenden Elemente (2) sowie Größen (4)!
    Was zeigt dieses Modell?
    • Wird eine Platte gegen eine andere (feststehende) verschoben, gleiten die Flüssigkeitsschichten aufgrund der Wandhaftung aufeinander ab
    • => Schmelze wird geschert
  19. Leite anhand eines aus dem Newtonschen Zweiplattenmodell herausgegriffenen Fluidteilchens (samt sämtlicher Beschriftungen [3 Größen, 1 Abmessung]) den Zusammenhand zwischen Schubspannung und Schergeschwindigkeit her!
  20. Zeige anhand eines Diagramms den Zusammenhang zwischen Schubspannung und Schergeschwindigkeit!
    Trage eine hoch- und eine niederviskose Flüssigkeit ein!
  21. Benenne!
    • 1: dilatantes Fluid
    • 2: Newtonsches Fluid
    • 3: Scherverdünnendes (pseudoplastisches) Fluid
    • 4: Bingham-plastisches Fluid
    • 5: Casson-plastisches Fluid
  22. Was siehst du?
    Benenne!
    • Viskositätskurve
  23. Ordne den verscheidenen Bereichen folgende Prozesse zu!

    Beschichten
    Sprühen
    Absickern unter Schwerkraft
    Extrusion
    Rühren/ Mischen
    Sedimentation
    Rohrströmungen
  24. Trage in einem Scherviskositäts-Schergeschwindigkeitsdiagramm die Verläufe für PC +20%GF und ABS/PC +20% GF auf!
    Kennzeichne den Extrusions- und Spritzgießbereich!
    Gebe die Differenz der Werte bei niedrigen ud hohen Schergeschwindigkeiten in % an!
  25. Gib die Formeln zum Stoffverhalten von newtonschen und nicht-newtonschen Fluiden an!
    Gib im Falle der Nicht-Newtonschen Fluide Wertebereiche für bestimmte Fluidverhalten an!
    • Newtonsche Fluide: konst. Viskosität
    • Nicht-newtonsche Fluide: Viskosität von der Scherrate abhängig
    • K= konstanter Vorfaktor (bei newtonschen Fluiden K= )
    • n= Fließexponent (Steigung der Viskositätsfunktion, bei newtonschen Fluiden n = 1)
    • für 0 < n < 1 besteht ein scherverdünnendes Verhalten (strukturviskos)
    • für 1 < n < ∞ werden die Fluide bei höherer Scherung hochviskoser (dilatant)
  26. Mit welchem Ansatz wird versucht das Stoffverhalten von Fluiden zu beschreiben?
    Carreau-Ansatz
  27. Was ist der Carreau Ansatz?
    Nenne Formel und Diagramm!
    • Der Carreau-Ansatz approximiert die Viskositätsfunktion über drei Variablen
  28. Worin besteht der Unteschied zwischen dem Potenzgesetz und dem Carreau-Ansatz?
    Erkläre jeweils mit Diagramm!
    • Potenzgesetz: Beschreibung erfolgt abschnittsweise
    • Carreauansatz: Beschreibung erfolgt für den gesamten relevanten Scherratenbereich
  29. Was versucht die Korrelation nach Herschel-Bulkley zu brücksichtigen?
    Nenne auch die entscheidende Formel!
    • Fluide mit Fließgrenze benötigen eine bestimmte Schubspannung. Unterhalb dieser Schubspannung liegt rheologisch gesehen ein Festkörper vor. Die Korrelation nach Herschel-Bulkley berücksichtigt dieses Verhalten
  30. Ergänze!
    Lege das Potenzgesetz mit der Korrelation nach Herschel-Bulkley zugrunde!
  31. Nenne 5 Einflüsse auf das Fließverhalten von Polymerschmelzen!
    Zeige diese Auswirkungen an der Viskositätskurve!
  32. Trage in einem Diagramm den Einfluss der Molmasse auf die Nullviskosität für PC und PS auf!
    Beschrifte die Achsen mit Einheiten und erkläre wieso dieser Verlauf zustande kommt!


    Mehr Verschlaufungen durch längere Molekülketten => Anstieg der Nebenvalenzkräfte
  33. Zeige den Einfluss der Molmassenverteilung auf die Viskositätsfunktion am Beispiel dreier Polystyrole mit versch. Molmassenverteilung!
    Trage hierzu die red. Viskosität über der red. Kreisfrequenz auf!
    Beschrifte die Achsen samt Einheiten, gib qualitativ die Mollmassenverteilung der drei Stoffe an und zeichne die Verläufe ein!
  34. Gib die Viskositätskuve für PS bei unterschiedlichen Temperaturen an!
    Beschrifte auch die Achsen!
    Welche Unterschiede treten auf?
  35. Welcher Zusammenhang besteht in der Regel bzgl den Viskosotätskurven unterschiedlicher Temperaturen?
    Zeige anhand von PS!
    Was ermöglicht dies?
    • Viskositätsfunktionen durch Verschiebung entlang einer 45°-Achse zu einer einzigen Kurve (Masterkurve) zusammenschieben
    • Die Form der Viskositätsfunktion ändert sich durchTemperaturänderung nicht
    • => Gewinnung von Daten außerhalb der experimentell bestimmten
  36. Wie wird die Zeit-Temperatur-Verschiebung im Potenzgesetz berücksichtigt (Formeln)?
  37. Wie wird die Zeit-Temperatur-Verschiebung im Carreau-Ansatz berücksichtigt (Formeln)?
    Was ergibt sich bei gleichen Viskositätskurven bei unterschiedlichen Temperaturen?
    • Bleibt die Viskositätsfunktion in der doppellogarithmischen Auftragung über der Schergeschwindigkeit bei verschiedenen Temperaturen konstant, ist der aus der Viskosität bei gleicher Schubspannung bestimmte Verschiebungsfaktor mit dem aus der Nullviskosität identisch
  38. Was ist die Arrhenius-Auftragung (2 Diagramme samt Beschriftungen)?
    Wann wird sie verwendet?
    • Für teilkristalline Polymere, deren Schmelzpunkt um mehr als 100°C oberhalb der Glastemperatur liegt
    • Für amorphe Polymere weit oberhalb der Glasübergangstemperatur T= Tg +190°C
  39. Was ist die WLF-Auftragung (2 Diagramme samt Beschriftungen, 1 Formel)?
    Wann wird sie angewendet?
    • Für amorphe Polymere, deren schmelzflüssiger Zustand bereits oberhalb der Glastemperatur beginnt, ergibt die WLF-Gleichung (William, Landel, Ferry) eine bessere Beschreibung als die Arrhenius-Funktion
  40. Welche Rheomater werden grundsätzlich unterschieden?
    • Absolute Rheomater
    • Nicht-Absolute Rheometer
  41. Was sind Absolute Rheometer?
    Nenne 2!
    Was ist ein Nachteil dieser?
    • Alle Geräte mit denen sich aus den Messwerten Viskositätskurven bestimmen lassen werden absolute Rheometer genannt
    • Absolut bedeutet, dass Messungen unterschiedlicher Geräte miteinander vergleichbar sind
    • Bsp.: Kapillarrheometer, Rotationsrheometer
    • Nachteil: relativ großer Versuchsaufwand
  42. Nenne ein nicht-absolutes Rheometer!
    Was wird ermittelt? was gibt dieser Wert an?
    Nenne Vorteil!
    • Zu den nicht absoluten Messgeräten gehört das Schmelzindexmessgerät.
    • experimentell ermittelter Schmelzindex (MFI) oder Volumenindex (MVI) geben an, wie viel Polymermasse bzw. –volumen innerhalb einer festgelegten Zeit (z.B. cm³/10min) unter Belastung aus einem genormten Fließkanal ausläuft
    • Dementsprechend haben niederviskose Polymerschmelzen hohe MFR/MVR Werte und hochviskose Polymerschmelzen niedrige MFR/MVR Werte
    • Vorteil: einfache Versuchsdurchführung und schnelle Vergleichbarkeit => weit verbreitet
  43. Erkläre den Aufbau eines Schmelzindexmessgerätes!
  44. Wie funktioniert ein Schmelzindexmessgerät?
    Welche beiden Messwerte werden unterschieden?
    Was ist bzgl. der Geometrie zu erwähnen?
    Wo sind die ermittelten Werte auf der Viskositätskurve wiederzufinden?
    • Abmessungen von Düse, Kolben, Vorratszylinder und Gewichtsstücken sind genormt
    • ausgeflossene Schmelzemasse wird in vorgegebenen Zeitabständen abgeschnitten und gewogen (MFI)
    • Schmelzevolumen aus Weg des Kolbens ermittelt (MVI)
    • Ein MFI oder MVI-Wert stellt einen Punkt auf der Viskositätskurve dar
  45. Was muss zur Vergleichbarkeit von MFI und MVI Werten angegeben werden?
    Prüftemperatur und – gewicht
  46. Wie wird ein MFI-Wert angegeben?
  47. Wozu kann der MFI-Wert verwendet werden?
    grober Vergleich verschiedener Materialien und Wareneingangskontrolle
  48. Benenne!
  49. Erkläre die Funktionsweise des Kapillarrheometers!
    Welche Daten sind zu ermitteln?
    • Kolben mit definierter Geschwindigkeit verfahren
    • Druck vor der Kapillare bestimmt
    • Aus Druckverlust und Volumenstrom kann scheinbare Viskosität bestimmt werden
    • Für wahre Viskosität muss Einlaufdruckverlust kompensiert werden
    • Mind. zwei Messungen mit unterschiedlich langen Düsen notwendig
  50. Wie wird die Schergeschwindigkeit beim Kapillarrheometer bestimmt?
    Volumenstrom dV / dt in der Kapillare aus der Messung der Kolbenverfahrgeschwindigkeit und der Geometrie
  51. Wie wird die Schubspannung beim Kapillarrheometer bestimmt?
    Was wäre ein optimaler Versuchsaufbau? Wie wird es tatsächlich gemacht?
    Druckgradient p in Kapillare (Differenz der Drücke am Ort des Druckaufnehmers und am Ende der Kapillare, Abstand L; ideal wären theoretisch zwei Druckaufnehmer in der Kapillare, da dann Einlauf- und Auslaufeffekte nicht berücksichtigt werden müssen, sonst Bagley-Korrektur der Einlaufdruckverluste (Messung mit mehreren Kapillaren!))
  52. Wie groß sollte das Längen/Durchmesser-Verhältnis der Kapillare beim Kapillarrheometer sein?
    Warum?
    • mindestens 10:1
    • => stationäre, laminare Strömung
  53. Wie ist das Funktionsprinzip des Rotationsrheometers (Skizze + Erläuterung)?
    • Zur Bestimmung der Schubspannung wird Drehmoment verwendet
    • Zur Bestimmung der Schergeschwindigkeit die Drehzahl
  54. Welcher Unterschied ergibt sich bzgl. der Strömung im Vergleich von Kapillar- und Rotationsrheometer?
    • Kapillar: Druckströmung
    • Rotation: Schleppströmung
  55. Was kann beim Rotationsrheometer zusätzlich bestimmt werden?
    Durch dynamische Versuche auch das elastische Verhalten der Schmelze
  56. Nenne einen Nachteil und Haupteinsatzgebiet der Rotationsrheometer!
    • Sehr aufwändige Probenvorbereitung
    • Hauptsächlich im akademischen Umfeld
  57. Welche Varianten des Rotationsrheometers gibt es (3)?
    Skizze und Name!

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