CaBER (Capillary Breakup Elongational Rheometer)

Ziel

Bei einer Vielzahl technischer Anwendungen treten komplexe Strömungsfelder auf, die oft einen ausgeprägten Dehnanteil beinhalten wie z.B. das Filtrieren, Pumpen, Zerstäuben oder bestimmte Beschichtungsverfahren. Bei nicht-Newtonschen Fluiden wie Polymerlösungen und Dispersionen oder darauf basierenden komplexen Formulierungen (z.B. Lacke und Farben, Klebstoffe, pharmazeutische und kosmetische Produkte oder Lebensmittel) ist eine Vorhersage des Dehnverhaltens aus der Scherrheologie nicht möglich. Daher wurden in der Vergangenheit eine Vielzahl unterschiedlicher Methoden entwickelt um das Dehnverhalten speziell niederviskoser Fluide zu studieren und Aussagen zu den Verarbeitungs- und Anwendungseigenschaften treffen zu können. Hierzu gehört auch die CaBER-Methode. Sie ist einfach zu nutzen, auf viele unterschiedliche Fluide anwendbar und wurde u.a. erfolgreich eingesetzt bei der Untersuchung der Zerstäubung von Polymerlösungen und für die Entwicklung spezieller Farben für neue Beschichtungstechnologien im Bereich der Papierveredlung.

Messprinzip

Unser Messaufbau basiert auf dem kommerziellen CaBER 1 Gerät der Firma Thermo Fisher Scientific. Hierbei wird durch schnelles Auseinanderziehen eines Flüssigkeitstropfens zwischen zwei Metallstempeln zunächst ein Faden gebildet. Die anschließende Verjüngung (Video 1: viskoelastisch, Video 2: Fließgrenze) des Fadens wird durch das Gleichgewicht zwischen Oberflächenspannung und visko-elastischen Kräften im Fluid bestimmt. In bestimmten Fällen kann bei bekannter Oberflächenspannung aus dem zeitlichen Verlauf des Durchmessers der Fadenmitte die Dehnviskosität bestimmt werden. Fadenlebensdauer und max. Verstreckbarkeit sind weitere materialspezifische Kennwerte, die zur Beurteilung des Dehnverhaltens herangezogen werden können.

Abbildung 1: Messgerät und Prinzipskizze.

Erweiterungen des Messaufbaus

Normalerweise wird der Durchmesser des Fluidfadens mittels eines Lasermikrometers bestimmt. Diese Methode liefert aber nur den korrekten Durchmesser, solange der Faden eine zylindrische Kontur aufweist. Für nicht zylindrische Filamente (siehe Abbildung 2) ist eine genaue Bestimmung der Fadenkontur erforderlich um das Deformationsverhalten zu beurteilen.

Abbildung 2: Unterschiedliche Fadenkonturen im CaBER Versuch.

Hierfür wurde am Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik das CaBER 1 Gerät durch einen optischen Aufbau erweitert, der es ermöglicht die komplette Fadenkontur aufzunehmen. Der Fluidfaden wird mittels einer telezentrischen Beleuchtung, welche hinter dem Gerät angebracht ist, ausgeleuchtet und die komplette Fadenkontur durch eine Kamera mit telezentrischem Objektiv aufgenommen. Durchmesser des Fluidfadens können anschließend mittels Bildauswertung mit einer maximalen Genauigkeit von 7µm bestimmt werden. Die Kenntnis der zeitlichen Abnahme des Durchmessers alleine ist nicht ausreichend für die Bestimmung der wahren Dehnviskosität. Deshalb wird im Allgemeinen nur eine scheinbare Dehnviskosität bestimmt, wobei die Annahme getroffen wird, dass keine axialen Normalspannungen im Filament vorhanden sind. Eine Möglichkeit zur Überprüfung dieser Annahme und somit zur Bestimmung der wahren Dehnviskosität aus CaBER-Messungen bietet die so genannte tilted-CaBER Methode (siehe Abbildung 3). Hierbei wird ein Flüssigkeitstropfen nicht vertikal sondern horizontal verstreckt. Durch die Analyse der, durch die Schwerkraft verursachten, Durchbiegung des Flüssigkeitsfadens kann auf die wahre Axialkraft (und somit auch auf die axiale Normalspannung) in einem Bereich von 0.1µm und 1mN geschlossen werden.

Abbildung 3: Experimenteller Aufbau für die horizontale Verstreckung von Fluidfäden (oben), horizontal verstrecker Fluidfaden, der sich aufgrund der Erdanziehung durchbiegt (mitte), Formel zur Berechnung der Axialkraft eines durchgebogenen Fluidfadens (unten).

Zur Temperierung wurde eine spezielle Kammer implementiert und ein Temperatursensor direkt in die untere Platte eingebaut. Dies ermöglicht nicht nur eine genaue Temperierung zwischen 5°C und 90°C (Genauigkeit 0,2°C) sondern verhindert auch ein Verdunsten von Lösungsmittel.

Spezifikationen

Die CaBER Methode eignet sich für niederviskose Fluide bis zu einer Scherviskosität von ca. 100 Pas. Für Newtonische Fluide wird eine Scherviskosität größer 70 mPas benötigt, bei hochelastischen Polymerlösungen kann u.U. eine Scherviskosität von 10 mPas ausreichen.

Anwendungen

• Sprühlackierung z.B. im Automobilbereich
• Versprühen von Emulsionen und Lotionen
• Fadenspinnen aus Polymerlösungen
• Film split beim Walzenauftrag
• Curtain coating