Kalibrierverfahren für die orthogonale Überlagerungsrheologie

Das Verständnis der rheologischen Eigenschaften komplexer Fluide ist für viele Branchen für die Entwicklung und Herstellung zuverlässiger und reproduzierbarer Produkte unerlässlich¹. Zu diesen “komplexen Flüssigkeiten” gehören Suspensionen, polymere Flüssigkeiten und Schäume, die in unserem Alltag weit verbreitet sind, zum Beispiel in Körperpflegeprodukten, Lebensmitteln, Kosmetika und Haushaltsprodukten. Die rheologischen oder Fließeigenschaften (z. B. Viskosität) sind Schlüsselgrößen, die für die Festlegung von Leistungsmetriken für die Endverwendung und die Verarbeitbarkeit von Interesse sind, aber die Fließeigenschaften sind mit den Mikrostrukturen verbunden, die in komplexen Flüssigkeiten vorhanden sind. Ein herausragendes Merkmal komplexer Flüssigkeiten, das sie von einfachen Flüssigkeiten unterscheidet, ist, dass sie unterschiedliche Mikrostrukturen besitzen, die sich über mehrere Längenskalen erstrecken². Diese Mikrostrukturen können leicht durch unterschiedliche Strömungsverhältnisse beeinflusst werden, was wiederum zu Veränderungen ihrer makroskopischen Eigenschaften führt. Die Entschlüsselung dieser Struktur-Eigenschafts-Schleife durch nichtlineares viskoelastisches Verhalten komplexer Fluide als Reaktion auf Strömung und Verformung bleibt eine herausfordernde Aufgabe für experimentelle Rheologen.

Die Rheologie der orthogonalen Überlagerung (OSP)³ ist eine robuste Technik, um diese Messherausforderung zu bewältigen. Bei dieser Technik wird eine oszillierende Scherströmung mit kleiner Amplitude orthogonal mit einer unidirektionalen primären stationären Scherströmung überlagert, was die gleichzeitige Messung eines viskoelastischen Relaxationsspektrums unter der auferlegten primären Scherströmung ermöglicht. Um genauer zu sein, kann die kleine oszillatorische Scherstörung mit Hilfe von Theorien in linearer Viskoelastizität⁴ analysiert werden, während die nichtlineare Strömungsbedingung durch die primäre stationäre Scherströmung erreicht wird. Da die beiden Strömungsfelder orthogonal und somit nicht gekoppelt sind, können die Störungsspektren direkt mit der Variation der Mikrostruktur unter der primären nichtlinearen Strömung⁵ in Beziehung gesetzt werden. Diese fortschrittliche Messtechnik bietet die Möglichkeit, Struktur-Eigenschafts-Verarbeitungsbeziehungen in komplexen Fluiden aufzuklären, um deren Formulierung, Verarbeitung und Anwendung zu optimieren.

Die Einführung der modernen OSP-Rheologie war nicht das Ergebnis einer plötzlichen Erleuchtung; Vielmehr basiert es auf jahrzehntelanger Entwicklung von kundenspezifischen Geräten. Der erste maßgefertigte OSP-Apparat stammt aus dem Jahr 1966 von Simmons⁶, und danach wurden viele Anstrengungen unternommen 7,8,9,10. Diese frühen kundenspezifischen Geräte leiden unter vielen Nachteilen, wie z. B. Ausrichtungsproblemen, dem Pumpeffekt (aufgrund der axialen Bewegung des Bobs zur orthogonalen Oszillation) und Einschränkungen der Instrumentenempfindlichkeit. Im Jahr 1997 modifizierten Vermant et ^al.3 den Force Rebalance Transducer (FRT) an einem kommerziellen separaten Motor-Wandler-Rheometer, der OSP-Messungen für Flüssigkeiten mit einem breiteren Viskositätsbereich als frühere Geräte ermöglichte. Diese Modifikation ermöglicht es dem Normalkraftaufnehmer, als spannungsgesteuertes Rheometer zu fungieren, das zusätzlich zur Messung der Axialkraft eine axiale Schwingung erzwingt. Vor kurzem wurden die für OSP-Messungen erforderlichen Geometrien nach der Methodik von Vermant für ein kommerzielles separates Motor-Wandler-Rheometer freigegeben.

Seit dem Aufkommen der kommerziellen OSP-Rheologie besteht ein wachsendes Interesse an der Anwendung dieser Technik für die Untersuchung verschiedener komplexer Flüssigkeiten. Beispiele hierfür sind kolloidale Suspensionen 11,12, kolloidale Gele^13,14 und Gläser^15,16,17. Während die Verfügbarkeit des kommerziellen Instruments die OSP-Forschung fördert, erfordert die komplizierte OSP-Geometrie ein tieferes Verständnis der Messung als andere rheologische Routinetechniken. Die OSP-Durchflusszelle basiert auf einer doppelwandigen konzentrischen Zylindergeometrie (oder Couette). Es verfügt über ein offenes oberes und offenes Bodendesign, damit Flüssigkeit zwischen den ringförmigen Lücken und dem Reservoir hin und her fließen kann. Trotz der Optimierung, die der Hersteller am Geometriedesign vorgenommen hat, erfährt das Fluid im OSP-Betrieb ein inhomogenes Strömungsfeld, geometrische Endeffekte und einen Restpumpenfluss, die alle zu erheblichen experimentellen Fehlern führen können. Unsere vorherige Arbeit¹⁸ berichtete über wichtige Endeffektkorrekturverfahren unter Verwendung von newtonschen Flüssigkeiten für diese Technik. Um korrekte Viskositätsergebnisse zu erhalten, sollten geeignete Endeffektfaktoren sowohl in primärer als auch in orthogonaler Richtung angewendet werden. In diesem Protokoll möchten wir eine detaillierte Kalibriermethodik für die rheologische OSP-Technik vorstellen und Empfehlungen für Best Practices zur Reduzierung von Messfehlern geben. Die in diesem Artikel beschriebenen Verfahren zum OSP-Geometrieaufbau, zur Probenbeladung und zu den OSP-Testeinstellungen sollten leicht für Messungen mit nicht-newtonschen Flüssigkeiten übernommen und übersetzt werden können. Wir empfehlen Anwendern, die hier beschriebenen Kalibrierungsverfahren zu verwenden, um die Endeffekt-Korrekturfaktoren für ihre Anwendungen vor OSP-Messungen an einer beliebigen Fluidklassifizierung (Newton oder Nicht-Newton) zu bestimmen. Wir stellen fest, dass die Kalibrierungsverfahren für Endfaktoren bisher nicht berichtet wurden. Das in diesem Artikel bereitgestellte Protokoll beschreibt auch eine Schritt-für-Schritt-Anleitung und Tipps zur Durchführung genauer rheologischer Messungen im Allgemeinen und die technischen Ressourcen zum Verständnis von “Rohdaten” im Vergleich zu “gemessenen” Daten, die von Rheometerbenutzern übersehen werden können.