DE2601487A1 - Verfahren und vorrichtung zur viskositaetsmessung - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur viskositaetsmessungInfo
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Description
Br.«Ing. Horst H. V/inter
Somtnerhaldenstr. 50
7 Stuttgart-1 260 U 87
Verfahren und Vorrichtung zur Viskositätsmessung
Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufnahme von Meßwerten für die Bestimmung der Viskosität von
Flüssigkeiten.
Die Viskosität *? ist definiert als der Quotient aus S chub spannung
f und Schergeschwindigkeit £> :
=VI$>
. [Ν s/m2].
Bei Newtonschen Flüssigkeiten ist die Viskosität eine Funktion
von Druck und Temperatur, während bei nicht-Newtonschen Substanzen
die Viskosität zusätzlich noch von der Schergeschwindigkeit abhängt .
Zur Aufnahme der Fließkurven li= f (*£* ) bzw. f= f (aJ>
), welche die Grundlage der rheologischen Datenberechnung bilden, werden bei thermoplastischen Kunststoffen üblicherweise die folgenden
drei Grundarten von Rheometern verwendet:
1) Kapillar-Rheometer mit Bohrung oder Schlitz;
2) Rotations-Rheometer mit zylindrischem Scherspalt
a) für den Betrieb mit abgeschlossenen Stoffmengen oder
b) für den Betrieb mit durchlaufenden Stoffmengen;
3) Rotations-Rheometer mit planparallelem oder keilförmigem Scherspalt für den Betrieb mit abgeschlossenen
Stoffmengen.
Die Gruppe 1) kommt vorzugsweise für hochviskose PolymerschmelEen
in Betracht, während die Gruppen 2) und 3) häufiger für niedrig viskose Flüssigkeiten, wie Polymerlösungen, ■
Verwendung finden.
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<f 260H87
Das im folgenden beschriebene Viskosi meter gehört zur Gruppe 2b/. Das Viskosimeter wird von dem Priifstoff durchlaufen. Die
Schleppströmung ist von einer Druckströmung überlagert, welche üblicherweise mit einer bereits verfahrenstechnisch vorgegebenen
Druckdifferenz Δρ (H.K. Bruss, Kunststoffe 60_, 162 (1970),
) oder durch ein separates Pump-Aggregat erzeugt wird; ein derartiges Pump-Aggregat kann beispielsweise eine Zahnradpumpe
oder eine Schneckenpresse(DOS 1798201) sein. Der Rotor des Rheometers kann, bedingt durch seine Geometrie (meist
glatter Zylinder), das Material nicht durch den Meßspalt fördern. Der Antrieb des Rotors erfolgt unabhängig vom Antrieb
der Pumpe, oder wenn Rotor und Förderaggregat koaxial miteinander
verbunden sind und gemeinsam angetrieben werden, so bestimmt man die Viskosität aus dem separat für den Rotor des
Viskosimeters gemessenen Drehmoment (DOS 1798201).
Eeim Betrieb mit durchlaufenden Stoffmengen wird Dissipationswärme
konvektiv aus dem Meßspalt gefördert, und Viskositätsmessungen können auch noch bei relativ hohen Schergeschwindigkeiten
durchgeführt werden. Ein weiterer Grund, ein Rheometer im Durchlauf zu betreiben, ergibt sich bei der Überwachung der
Viskosität über längere Zeit. Einem Prozess werden dazu dauernd Proben entnommen, deren Viskosität mit einem Rheometer bestimmt
wird. Wenn das Rheometer direkt im Durchlaufverfahren betrieben
wird, ergeben sich die geringsten Totzeiten zwischen Probenentnahme und Viskositätsmessung.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Rotations-Rheometer
mit durchlaufenden Stoffmengen zu finden, das unabhängig von einer Pumpe oder unabhängig von einer von außen vorgegebenen Druckdifferenz
arbeitet. Das Rotationsrheometer muß demnach selbständig fördern. Das Verfahren sollte meßtechnische
Aussagen über die Viskosität Newtonscher oder nicht-Newtonscher Stoffe ermöglichen. Zur Aufgabenstellung gehört ferner die Bestimmung
Theologischer Daten (Viskosität) zur Kennzeichnung qualitativer Veränderungen der Prüfstoffe, insbesondere zeitliche
Konzentrationsänderungen und Homogenisiereffekte in der Aufbereitung und Verarbeitung der betreffenden Stoffe.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Prüfstoff in einem für den fortlaufenden Stoffdurchgang eingerichteten System gleichzeitig in mehreren Scherfeldern,
zumindest aber in einem Schleppströmungs- und einem Druckströmungsfeld verformt wird. Der Massestrom wird
durch einen förderwirksamen Rotor (bzw. Gehäuse) in Bewegung gehalten. Die äußere Druckdifferenz ^p zwischen den Enden
des Rotors sollte dabei möglichst gleich Null sein; Δρ darf jedoch auch positive oder negative Werte einnehmen. Gemessen
bzw. vorgegeben wird das Drehmoment am Rotor (oder am Gehäuse) und die Arbeitsdrehzahl.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch
ein in einem Gehäuse, vorzugsweise einem Hohlzylinder, drehbar angeordnetes und im folgenden als "Rotor" bezeichnetes
Punktionselement, das mit der Innenwand des Gehäuses einen Scherspalt bildet. Das System besitzt mindestens einen Zu-
und mindestens einen Ablauf, sodaß der Prüfstoff kontinuierlich durch das System strömen kann. Bild 1 zeigt ein Schema
der Vorrichtung. Der Rotor (7) befindet sich in einem Gehäuse (β).
Er wird über den Schaft H)mit einer vorgegebenen Drehzahl oder
einem Drehzahl-Programm angetrieben. Das Drehmoment wird am Schaft{ Meßfühler (2)} oder am Gehäuse( Meßfühler (3) ) gemessen.
Der mit der Prüf-Flüssigkeit gefüllte Raum wird zum
Antrieb hin mit der Dichtung(5)abgedichtet.
Bei einer Drehmomentmessung am Gehäuse kann man den Spalt
zwischen Rotor und Gehäuse aufteilen, wie zum Beispiel in Bild 2. Das Drehmoment wird nur noch für einen Teil des Rotors
gemessen (Meßspalt der Länge L). Der andere Teil des Rotors läuft in einem über Halterungen fest mit der Grundplatte
(4) verbundenen Gehäuseteil (6b). Der Spalt (8)zwischen Gehäuseteil (öa)und Gehäuseteil (6b) kann mit einer flexiblen
Dichtung abgedichtet werden, braucht es jedoch nicht. Der Meßspalt kann am oberen Teil des Rotors (Ausführung in Bild 2)
oder entsprechend am unteren Teil des Rotors gewählt werden.
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MAb'), 260H87
Bei einem Rotations-RheonieterA wie es üblicherweise zur Viskositätsmessung
verwendet wird, ist der Rotor ein glatter Zylinder, der zusammen mit dem glatten Innenzylinder des Gehäuses
einen Ringspalt bildet. Beim Rotieren des Innen- (oder Außen-) Zylinders wird die Prüfsubstanz in Umfangsrichtung geschert.
Um nun zusätzlich ein axiales Durchströmen des Pließspaltes zu erreichen, wird bei dem hier beschriebenen Viskosimeter
die Geometrie des Rotors und/oder die Geometrie des Gehäuses so abgeändert, daß ein kleiner axialer Druckgradient entsteht.
Beispiele für solche Geometrien sind in Bild 3 aufgeführt.
Die gezeigten Rotoren ergeben zusammen mit einem glatten Außenzylinder ein förderwirksames System. Alternativ könnte
man förderwirksame Geometrien für das Gehäuse wählen und zusammen mit einem profilierten oder glatten Rotor betreiben.
Das erste der Ausführungsbeispiele in Bild 3 ist ein sogenannter "Sacknuten-Torpedo" (7a). Bei gleichem Druck am Ein- und am
Auslauf ( Ap=0) ä-es Systems ist der geförderte Volumenstrom
berechenbar (G. Schenkel, Industrie-Anzeiger 94, 2092 - 2096 (i972).).Bei dem Rotor (7b) ist in das zylindrische Teil ein
wendeiförmiger Kanal eingeschnitten, der wie in dem bekannten System Schnecke/Zylinder für den axialen Transport sorgt. Der
Rotor(7c) ist in Förderzone (Schnecke) und Scherzone (glatter Zylinder) aufgeteilt. Bei allen drei Beispielen wirddie Energie
für den axialen Fördervorgang wie die Energie für die Scherung in Umfangsrichtung durch das Drehmoment am Schaft
in die Prüfmasse eingebracht. Die für ein bestimmtes Material viskosimetrisch günstigste Ausführung ist diejenige, bei der
das Drehmoment im wesentlichen durch die Scherung in Umfangsrichtung bestimmt wird.
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Claims (6)
1) Verfahren zur Bestimmung rheologischer Daten von Plüssig-
■■^ keiten dadurch, gekennzeichnet, daß der Prüf stoff in einem
Spalt zwischen Rotor und Gehäuse mit determinierten Schergeschwindigkeiten verformt wird, daß die ideologischen Feldgrößen als Funktion der eingestellten Arbeitsdrehzahlen durch.
Messen von Drehmomenten und gegebenenfalls von Volumendurchsätzen
bestimmt werden, und daß der Stoffdurchgang durch das
System bei beliebig hohem Druckniveau selbständig durch Zusammenwirken von Rotor und Gehäuse erreicht wird, ohne daß
eine äußere Druckdifferenz oder ein zusätzliches Pump-Aggregat benötigt wird.
2) Vorrichtung für die Bestimmung rheologischer Daten nach dem
Verfahren des Anspruches 1 gekennzeichnet durch einen in einem Gehäuse (6), vorzugsweise einem Hohlzylinder koaxial
angeordneten Rotor (7), der mit der Innenwand des Gehäuses einen Scherspalt bildet, in dem die zu prüfende Flüssigkeit
sowohl zur Bestimmung rheologischer Daten deformiert als auch aktiv gefördert wird, sodaß die Prüf-Flüssigkeit in dem Spalt
kontinuierlich erneuert wird.
3) Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß das flüssigkeitsfordernde System Gehäuse/Rotor durch einen glatten
Innenzylinder mit einem Rotor gebildet wird, der ein sogenannter
Sacknuten-Torpedo (7a) oder ein Zylinder mit außen über der gesamten Länge oder nur teilweise eingeschnittenem
Schneckengang (7b bzw. 7c) ist.
4) Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment vorzugsweise am Gehäuse gemessen wird (Pos. 3
in Bild 1), v/o bei alternativ eine Drehmomentmessung am
Schaft des Rotors möglich ist (Pos. 2 in Bild 1).
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ORIGINAL INSPECTED
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5) Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 4 dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer Drehniomentrr.essung am Gehäuse
ein Teil (6b) des Gehäuses direkt mit der Grundplatte (1O
verbunden ist, und der andere Teil!indirekt über die
Drehmoment-Keßvorrichtung (3). (S^y
6) Vorrichtung; nach den Ansprüchen 2 und 4-, dadurch p^ekennaeiclinet,
daß der Antrieb des Rotors (7) und die Drehmoment-Messung C3)
am Gehäuse vorzugsweise in einer Grundplatte (4) angeordnet; werden, und daß das Viskosimeter zur direkten Messung in
einen mit der Prüfflüssigkeit gefüllten Behälter von oben
eingetaucht oder unter der Flüssigkeitsoberfläche von der Behälter-Wandung her eingebracht werden kann.
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