Rheologie

Die Rheologie (von griechisch ῥεῖ rhei „fließen“ und griechisch λόγος logos „Lehre“, vgl. panta rhei) ist die Wissenschaft, die sich mit dem Verformungs- und Fließverhalten von Materie beschäftigt. Die Rheologie umfasst daher Teilgebiete der Elastizitätstheorie, der Plastizitätstheorie und der Strömungslehre (nichtnewtonsche Flüssigkeiten). Sie beschäftigt sich sowohl mit kontinuumsmechanischen Problemen als auch mit der Herleitung der dafür benötigten Materialgesetze aus der Mikro- bzw. Nanostruktur verschiedener Klassen kondensierter Materie (z. B. makromolekulare Systeme, Suspensionen). Als typisches interdisziplinäres Fach steht die Rheologie in Kontakt mit der Physik, der Physikalischen Chemie, den Werkstoffwissenschaften und in den letzten Jahrzehnten auch mit den Biowissenschaften.

Schema der rheologischen Eigenschaften

Grundlagen

Eigenschaften nicht-newtonscher Flüssigkeiten

Viele Substanzen vereinigen in sich Eigenschaften eines Festkörpers (Elastizität) und einer Flüssigkeit (Viskosität). Je nach experimentellen Bedingungen können sie auf kurzen Zeitskalen äußere Einwirkungen elastisch abfedern, auf langen Zeitskalen aber wegfließen. Solches Verhalten nennt man viskoelastisch; es kann durch eine frequenzabhängige, aber noch lineare Zusammenfassung von Elastizitätstheorie und newtonscher Hydrodynamik beschrieben werden. Andere typisch rheologische Effekte hingegen beruhen auf nichtlinearen Zusammenhängen wie dem Normalspannungseffekt und dem Weissenberg-Effekt.

→ Hauptartikel: nichtnewtonsches Fluid

Anwendungsbeispiele

Die Fähigkeit eines Klebstoffs, eine Fügeteiloberfläche zu benetzen, wird von seinen rheologischen Eigenschaften geprägt. Von Bedeutung sind die Viskosität, Thixotropie, Strukturviskosität, Rheopexie und Dilatanz.

In Mühlen- und Bäckereilaboratorien werden Teigprüfgeräte wie Aleurometer, Fallzahlgerät, Farinograph, Extensograph oder Amylograph eingesetzt, um Getreide- und Mehlqualität zu prüfen. Dabei wird der Widerstand eines Teiges gegen eine stets gleich bleibende mechanische Belastung gemessen und in der Rheometerkurve aufgezeichnet. Dies können Knet-, Dehn- oder Verkleisterungsprüfungen (bei steigender Temperatur) sein.

In der Milchindustrie können typische Produkteigenschaften von z. B. Sahne, Puddings oder Desserts zerstört werden, wenn man ihr Fließverhalten nicht kennt.

Kunststoffverarbeitung

Die sog. Schmelzerheologie stellt ein wichtiges Teilgebiet der Rheologie dar. Dabei wird die Scherviskosität und manchmal auch die Dehnviskosität als Funktion der Scher- bzw. Dehngeschwindigkeit mittels verschiedener Verfahren gemessen. Am häufigsten kommen Kapillarrheometer und Rotationsrheometer für die Scherviskosität zum Einsatz, während bei der Dehnviskosität nur Spezial-Geräte sog. Dehnrheometer verwendet werden. Das Ziel ist das bessere Verständnis der Verarbeitbarkeit von verschiedenen Kunststoffen. In einem Extruder werden scherdominierte Strömungen gefunden, während bei vielen Prozessen (Faserspinnen, Folien-/Hohlkörperblasen, Tiefziehen, oder Schäumen ) nach der Extrusion stark dehndominierte Prozesse stattfinden, die die technisch anspruchsvollsten sind und daher am meisten Materialverständnis benötigen.

Medizin

In der Medizin spielen die Fließeigenschaftes des Blutes (Hämorheologie) eine sehr bedeutende Rolle für die Mikrozirkulation und damit für die Versorgung sämtlicher Organe mit Nährstoffen und Sauerstoff. Insbesondere der Blutfluss in den allerkleinsten Gefäßen, den Kapillaren mit einem Durchmesser von 4-10 µm, wird entscheidend von den rheologischen Eigenschaften des Blutes beeinflusst. Bestimmt werden diese hauptsächlich von der Verformbarkeit und Aggregationsneigung (Geldrollenbildung) der Erythrozyten (mittlerer Durchmesser 7,6 µm), der Thrombozytenaggregation, der Temperatur, dem Hämatokrit und der Viskosität des Blutplasmas.

Im Rahmen der Therapie verschiedener Durchblutungsstörungen (und vermeintlicher Durchblutungsstörungen) wird oft eine Verbesserung der Hämorheologie angestrebt, um die Mikrozirkulation zu verbessern. Dazu zählen u. a. die Hämodilution und die Gabe von Thrombozytenaggregationshemmern beim Schlaganfall, bei der AVK und beim Hörsturz. Gut belegt ist allerdings nur die positive Wirkung von Thrombozytenaggregationshemmern beim Schlaganfall und bei der AVK, diese kann durchaus unabhängig von den rheologischen Effekten sein. Keinen ausreichenden wissenschaftlichen Beleg gibt es indes für die Wirkung beim Hörsturz und anderen Innenohrfunktionsstörungen.

Drucktechnik

Die Rheologie von Druckfarben spielt in der Drucktechnik eine wichtige Rolle. Die physikalischen Kenngrößen Viskosität und Fließgrenze, sowie die Gerätegröße Zügigkeit („Tack“) bestimmen maßgeblich das Verhalten der Druckfarbe in der Druckmaschine (Farbspaltung), die Übertragung auf den Bedruckstoff und die Qualität des Druckproduktes.

Druckfarben sind thixotrop, weil es sich um kolloide Systeme, also Dispersionen, handelt. Die Thixotropie ist in Druckfarben in der Regel unerwünscht.

Siehe auch

• Rheometer
• Fließkurve

Literatur

• Lothar Gehm: RHEOLOGIE - Praxisorientierte Grundlagen und Glossar. VINCENZ 1998, ISBN 3-87870-449-6.
• Mezger, Thomas: Das Rheologie-Handbuch. für Anwender von Rotations- und Oszillations-Rheometern. 2., überarb. Auflage. Vincentz Network, Hannover 2006, ISBN 978-3-87870-175-0.
• Alexander Ya. Malkin, Avraam I. Isayev : Rheology - concepts, methods and applications. ChemTech Publ., Toronto 2005, ISBN 1-895198-33-X.
• Robert G. Owens, T. N. Phillips : Computational rheology. Imperial College Press, London 2002, ISBN 1-86094-186-9.
• Roger I. Tanner: Engineering rheology. Oxford Univ. Press, Oxford 2000, ISBN 0-19-856473-2.

Weblinks

• Fachwörterliste engl-dt
• Skriptum auf der Website eines Messgeräte-Vertreters
• Deutsche Rheologische Gesellschaft

Wissenschaftliche Zeitschriften:

• Journal of Rheology
• Rheologica Acta
• Applied Rheology