Quantitative Beschreibung der nicht linear-viskoelastischen Eigenschaften viskoelastischer Tensidsysteme

Abstract

Industrielle Anwendungen resultieren häufig in Deformationsbelastungen deutlich außerhalb des linear-viskoelastischen Bereichs. Dieses Verhalten kann nur noch durch komplexe nicht-lineare Differentialgleichungssysteme beschrieben werden. Das Giesekus-Modell benötigt nur wenige leicht zugängliche Parameter, die aus Messungen im linear-viskoelastischen Bereich mit dem Maxwell-Modell, dessen Gültigkeit durch vielfältige Messungen allgemein anerkannt ist, gewonnen werden können. Viskoelastische Gele aus 60 mmol/l Cetyltrimethylammoniumbromid mit 350 mmol/l Natriumsalicylat beziehungsweise 100 mmol/l Cetylpyridiniumchlorid mit 250 mmol/l Natriumsalicylat in Wasser aggregieren zu wurmartigen Mizellen, die als einfache Modellsysteme für Polymerketten dienen, da sie ein monoexponentielles Relaxationsverhalten aufweisen. Zur Untersuchung der Gültigkeit des Giesekus-Modells werden mit diesen zwei Tensidgelen, die in früheren Versuchen als geeignete Testsysteme ermittelt wurden, unterschiedliche dynamische rheologische Messungen durchgeführt. Im linear-viskoelastischen Bereich deckt sich das Giesekus-Modell mit dem Maxwell-Modell. Für den nicht linear-viskoelastischen Bereich wurde die Gültigkeit des Giesekus-Modells für stationäre Fließbedingungen bereits nachgewiesen. Erstmals werden nun Oszillationsmessungen bei hohen Deformationen außerhalb des linear-viskoelastischen Bereichs durchgeführt und mit dem Giesekus-Modell ausgewertet. Zeitlich aufgelöste Schubspannungsmessungen zeigen bei Deformationsamplituden oberhalb von 100% deutliche Abweichungen von einem sinusförmigen Verlauf und ein ausgeprägtes Anlaufverhalten für die erste Schwingungsperiode, die vom Giesekus-Modell sehr gut wiedergegeben werden können. Jedoch gibt es Abweichungen im Bereich der Extrema für die Amplitude und im Verlauf der Schwingung. Daraus resultiert eine große Abweichung zwischen einem gemessenen Frequenztest und einem aus einer Fourier-Transformation der Schubspannungsmessungen berechneten Frequenztest. Des Weiteren wird erstmalig die 1. Normalspannungsdifferenz für beide Tensidsysteme bei hohen Deformationsamplituden deutlich außerhalb des linear-viskoelastischen Bereichs gemessen und mit dem Giesekus-Modell verglichen. Dabei zeigen sich bei steigender Deformation sehr große Differenzen in der Amplitude. Die Form der deformierten Sinusschwingung kann ebenfalls nicht wiedergegeben werden. Potentielle Ursachen für die Abweichungen können scherinduzierte Phasenumwandlungen oder shear banding sein. Das Auftreten beider Effekte wurde bereits bei ähnlichen Tensidsystemen nachgewiesen.