In der Verfahrenstechnik treten in vielen Prozessen komplexe Strömungsfelder auf. Diese besitzen in der Regel einen großen Dehnanteil.
Technisch relevante Fluide sind vielmals viskoelastisch. Dies zeichnet sich u.a. durch Relaxationsprozesse aus. Diese führen im Prozess zu Problemen wie Strangaufweitung und Nebelbildung. Aufgrund der großen Dehnanteile lässt sich das Materialverhalten nicht alleinig durch scherrheologische Messungen beschreiben. Zur vollständigen Charakterisierung ist die Dehnrheologie von Nöten. Eine Möglichkeit zur Bestimmung dehnrheologischer Größen niedrigviskoser, viskoelastischer Fluide bietet hierbei das CaBER-Experiment, welches am gleichnamigen kommerziellen Rheometer durchführbar ist. [1]
Bislang wurde angenommen, dass sich die Relaxationszeiten in Scherung und Dehnung nicht unterscheiden. Für konzentrierte Polymerlösungen ist dies allerdings nicht zu beobachten. Ein erster theoretischer Ansatz wird in dieser Arbeit hergeleitet, der es formal ermöglicht die Relaxationszeiten aus Scherung und Dehnung ineinander umzurechnen. Die Anwendbarkeit dieser Theorie wird an linearen, unpolaren Polyethylenoxid, linearen, kationischen Polyacrylamid, sowie dem Copolymer Sterocoll FD experimentell untersucht.
Inhaltsverzeichnis
- 1 Einleitung
- 2 Messmethodische Grundlagen
- 2.1 Scherrheologie
- 2.1.1 Scherrheologische Grundbegriffe
- 2.1.2 Das Kegel Platte Messsystem
- 2.1.3 Schwingungsrheometrie
- 2.1.4 Einfache Material-Modelle
- 2.2 Dehnrheologie
- 2.2.1 Grundbegriffe der Dehnrheologie
- 2.2.2 Messanordnungen zur Bestimmung der Dehnviskosität niedrigviskoser Fluide
- 2.2.3 Das CaBER-Experiment
- 2.3 Konzentrationsbereiche bei Polymerlösungen
- 3 Theoretischer Vergleich der Relaxationszeiten
- 3.1 Theoretische Beschreibung des CaBER- Experiments
- 3.2 Integrales Materialgesetz
- 3.2.1 Anwendung des integralen Materialgesetzes auf einachsige Dehnströmungen
- 3.2.2 Die Dämpfungsfunktion
- 3.2.3 Zusammenhang zwischen Dämpfungsfunktion und Scherviskosität
- 4 Experimentelles
- 4.1 Messgeräte
- 4.2 Versuchsmaterialien
- 4.3 Versuchsdurchführung und Auswertung
- 4.4 Messergebnisse
- 4.4.1 Polyethylenoxid
- 4.4.2 Sedipur AF306
- 4.4.3 Sedipur CF303
- 4.4.4 Sterocoll FD
- 5 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Studienarbeit untersucht den Zusammenhang zwischen Relaxationszeiten in Scher- und Dehnversuchen konzentrierter Polymerlösungen. Ziel ist die Herleitung eines theoretischen Ansatzes zur Umrechnung der Relaxationszeiten und die experimentelle Überprüfung dieser Theorie an verschiedenen Polymeren. Die Arbeit leistet somit einen Beitrag zum Verständnis des viskoelastischen Materialverhaltens konzentrierter Polymerlösungen unter Dehnbedingungen.
- Vergleich von Relaxationszeiten in Scher- und Dehnströmungen
- Theoretische Modellierung des Zusammenhangs zwischen Scher- und Dehnrelaxationszeiten
- Experimentelle Untersuchung an verschiedenen Polymerlösungen
- Anwendung des CaBER-Experiments zur Bestimmung dehnrheologischer Eigenschaften
- Analyse des Einflusses der Polymerstruktur auf das Materialverhalten
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung führt in die Thematik der komplexen Strömungsfelder in der Verfahrenstechnik ein und betont die Bedeutung der Dehnrheologie für die Charakterisierung viskoelastischer Fluide. Sie hebt die Problematik der alleinigen Beschreibung des Materialverhaltens durch scherrheologische Messungen hervor und stellt das CaBER-Experiment als Methode zur Bestimmung dehnrheologischer Größen vor. Schließlich wird die Zielsetzung der Arbeit erläutert, nämlich die Entwicklung und experimentelle Überprüfung eines theoretischen Ansatzes zur Umrechnung von Relaxationszeiten zwischen Scherung und Dehnung.
2 Messmethodische Grundlagen: Dieses Kapitel beschreibt die grundlegenden messmethodischen Ansätze der Scher- und Dehnrheologie. Es werden scherrheologische Grundbegriffe, das Kegel-Platte-Messsystem und die Schwingungsrheometrie detailliert erläutert. Im Bereich der Dehnrheologie werden die Grundbegriffe, Messanordnungen zur Bestimmung der Dehnviskosität niedrigviskoser Fluide und das CaBER-Experiment vorgestellt und im Detail erklärt. Abschließend werden die relevanten Konzentrationsbereiche bei Polymerlösungen diskutiert.
3 Theoretischer Vergleich der Relaxationszeiten: In diesem Kapitel wird ein theoretischer Ansatz zur Beschreibung des CaBER-Experiments hergeleitet, welcher die Grundlage für den Vergleich der Relaxationszeiten in Scherung und Dehnung bildet. Es wird das integrale Materialgesetz eingeführt und seine Anwendung auf einachsige Dehnströmungen detailliert beschrieben. Die Rolle der Dämpfungsfunktion und ihr Zusammenhang mit der Scherviskosität werden eingehend analysiert. Dieser Abschnitt bildet das theoretische Kernstück der Arbeit.
4 Experimentelles: Das Kapitel beschreibt die experimentelle Durchführung der Arbeit. Es werden die verwendeten Messgeräte, die untersuchten Versuchsmaterialien (Polyethylenoxid, Sedipur AF306, Sedipur CF303 und Sterocoll FD) sowie die Versuchsdurchführung und Auswertung detailliert erläutert. Die Darstellung der Messergebnisse wird hier lediglich angekündigt, die detaillierte Auswertung findet in den folgenden Abschnitten statt.
Schlüsselwörter
Relaxationszeit, Scherung, Dehnung, Polymerlösung, viskoelastisches Materialverhalten, Dehnrheologie, Scherrheologie, CaBER-Experiment, Integrales Materialgesetz, Dämpfungsfunktion, Polyethylenoxid, Polyacrylamid, Sterocoll FD.
Häufig gestellte Fragen (FAQ) zur Studienarbeit: Vergleich von Relaxationszeiten in Scher- und Dehnversuchen konzentrierter Polymerlösungen
Was ist das Thema der Studienarbeit?
Die Studienarbeit untersucht den Zusammenhang zwischen Relaxationszeiten in Scher- und Dehnversuchen konzentrierter Polymerlösungen. Das Hauptziel ist die Herleitung und experimentelle Überprüfung eines theoretischen Ansatzes zur Umrechnung dieser Relaxationszeiten.
Welche Methoden werden verwendet?
Die Arbeit verwendet sowohl theoretische als auch experimentelle Methoden. Theoretisch wird das integrale Materialgesetz angewendet und auf einachsige Dehnströmungen übertragen. Experimentell werden Scher- und Dehnrheologie eingesetzt, inklusive des CaBER-Experiments zur Bestimmung dehnrheologischer Eigenschaften. Es werden Messungen mit verschiedenen Polymerlösungen (Polyethylenoxid, Sedipur AF306, Sedipur CF303 und Sterocoll FD) durchgeführt.
Welche Messmethoden der Scher- und Dehnrheologie werden beschrieben?
Die Arbeit beschreibt detailliert scherrheologische Grundbegriffe, das Kegel-Platte-Messsystem, die Schwingungsrheometrie, Grundbegriffe der Dehnrheologie, Messanordnungen zur Bestimmung der Dehnviskosität niedrigviskoser Fluide und das CaBER-Experiment.
Was ist das integrale Materialgesetz und wie wird es angewendet?
Das integrale Materialgesetz ist ein zentrales Element der theoretischen Modellierung. Es wird angewendet, um den Zusammenhang zwischen der Dämpfungsfunktion und der Scherviskosität zu analysieren und somit einen theoretischen Ansatz für den Vergleich der Relaxationszeiten in Scher- und Dehnströmungen zu schaffen.
Welche Materialien wurden untersucht?
Die experimentellen Untersuchungen wurden mit folgenden Polymerlösungen durchgeführt: Polyethylenoxid, Sedipur AF306, Sedipur CF303 und Sterocoll FD.
Was ist das Ziel der Arbeit?
Das Ziel der Arbeit ist die Entwicklung und experimentelle Validierung eines theoretischen Modells zur Umrechnung von Relaxationszeiten zwischen Scher- und Dehnströmungen konzentrierter Polymerlösungen. Dies trägt zum Verständnis des viskoelastischen Materialverhaltens dieser Lösungen bei.
Welche Kapitel umfasst die Arbeit?
Die Arbeit gliedert sich in fünf Kapitel: Einleitung, Messmethodische Grundlagen, Theoretischer Vergleich der Relaxationszeiten, Experimentelles und Zusammenfassung und Ausblick.
Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit am besten?
Schlüsselwörter sind: Relaxationszeit, Scherung, Dehnung, Polymerlösung, viskoelastisches Materialverhalten, Dehnrheologie, Scherrheologie, CaBER-Experiment, Integrales Materialgesetz, Dämpfungsfunktion, Polyethylenoxid, Polyacrylamid, Sterocoll FD.
Welche Bedeutung hat das CaBER-Experiment in dieser Arbeit?
Das CaBER-Experiment dient als wichtige Messmethode zur Bestimmung der dehnrheologischen Eigenschaften der untersuchten Polymerlösungen und spielt eine zentrale Rolle bei der experimentellen Überprüfung des theoretischen Ansatzes.
Wo finde ich die detaillierten Messergebnisse?
Die detaillierte Darstellung und Auswertung der Messergebnisse befindet sich im Kapitel 4.4 (Messergebnisse) der Studienarbeit.
- Quote paper
- Dipl.-Ing. Dirk Sachsenheimer (Author), 2010, Gegenüberstellung der Relaxationszeiten konzentrierter Polymerlösungen aus Scher- und Dehnversuchen, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/178598
