Über die Rheologie konzentrierter kolloidale Suspensionen (Dilatanz, Shear Thickening)

Buch: Strukturelle Übergänge und die Rheologie konzentrierter Suspensionen

 

Das Buch befasst sich mit experimentellen und theoretischen Studien zur Strömungsdynamik konzentrierter kolloidaler Suspensionen. Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass in konzentrierten kolloidalen Suspensionen (ab einer Volumenkonzentration über ca. 45%) die Viskosität mit zunehmender Schergeschwindigkeit stark und abrupt zunehmen kann. Diesen Effekt nennt man Scherverdickung, Dilatanz oder auch Shear Thickening. Um diesen Effekt besser verstehen zu können wurden Experimente mit konzentrierten Suspensionen elektrisch-stabilisierter, kolloidaler Teilchen in Fluiden vorgenommen, deren Brechungsindices  sehr nahe beieinander waren. Dadurch war es möglich die Bewegung der Teilchen bei definierten Schergeschwindigkeiten mit Hilfe  von Laserlichtstreuungs- Experimenten in einem geeigneten Aufbau zu studieren. Es zeigte sich, dass die Teilchen bei niedrigen Schergeschwindigkeiten eine periodische Anordnung annehmen, verbunden mit Scherverdünnung (Strukturviskosität), d.h. einer Abnahme der Viskosität mit zunehmender Schergeschwindigkeit. Dieser Effekt tritt jedoch nur bei der ersten Messung auf. Da sich kolloidale Teilchen in sehr hoch konzentrierten Suspensionen durch Brownsche Bewegung nicht wieder in einen ungeordneten Zustand restrukturieren können,  tritt Scherverdünnung in den nachfolgenden Messungen nicht mehr auf.

Die Untersuchungen zeigen, dass das Auftreten einer abrupten Zunahme der Viskosität (Discontinuous Shear Thickenning)   mit dem Verschwinden der inneren, lokal-periodischen Struktur verbunden ist. Daher müssen beide  Effekte kausal miteinander verbunden sein. Dilatanz kann in diesem Fall als ein struktureller (Phasen-) Übergang  interpretiert werden.  Er tritt dann auf, wenn die innere geordneten periodischen Struktur mit zunehmender Schergeschwindigkeit in eine ungeordnete Struktur übergeht. Die theoretische Interpretation dieser strukturellen Instabilität erfolgte mit Hilfe einer Landau Theorie. Nun ist eine gescherte Suspension kein System im thermodynamischen Gleichgewicht. Die abrupten Zunahme der Viskosität mit zunehmender Schergeschwindigkeit (Dilatanz) ist daher ein Nichtgleichgewichts-Phasenübergang und kann  als ein scherinduzierter Phasenübergang interpretiert werden. Dieses Resultat ist in Übereinstimmung mit anderen Nichtgleichgewichts-Phasenübergängen, wie sie beispielsweise mit Hilfe der Synergetik beschrieben werden können.

 

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