Neuartiger Ansatz zur Scherviskositätsbestimmung für wandgleitende Kautschukmischungen
Für die Erfassung von Wandgleiteffekten im Kautschukextrusionsprozess wird eine ortskontinuierliche Erfassung des Drucks oder der Wandschubspannung benötigt. Im Forschungsprojekt „Extrusionsrheometer“ wurde dafür eine Kombination neuartiger Extrusionsrheometer entwickelt, mit denen einerseits der lokale Druck an jeder Stelle des Rheometers und andererseits die Wandschubspannung in der Strömung erfasst werden kann.
Die Erfassung des vollständigen Druckverlaufs entlang eines Rechteck-Kapillarrheometers bietet die Möglichkeit, den Übergang zwischen Wandhaftung und Wandgleiten zu erfassen. Hierfür wird eine Seite eines Inline-Rheometers durch eine Membran ersetzt, die sich unter Druck verformt und somit eine ortskontinuierliche Erfassung zulässt.
Durch den erwarteten starken Druckabfall im Rheometer ergibt sich dabei das Problem, dass die Membranverformung durch ihre mechanische Kopplung mit sich selbst geglättet wird. Dies führt zu einer erheblichen Fehlerfortpflanzung, die eine präzise Identifikation des Druckverlaufs und damit des Wandgleitens erschwert. Zur Entkopplung der Membran wird diese in einzelne Segmente aufgeteilt, die sich unabhängig voneinander unter Druck verformen können. Mit dem segmentierten Membranrheometer prinzipiell möglich, den Druckverlauf innerhalb einer Kapillare abzubilden. Dabei bietet die Durchbiegung der Segmente einen Anhaltspunkt für das darunter herrschende Druckniveau.
In manchen Fällen kann der Übergang zwischen Wandhaftung und Wandgleiten nicht im segmentierten Membranrheometer erfasst werden – entweder, weil er nicht eintritt oder weil die Auflösung des Rheometers nicht fein genug ist. Dann kann die Wandschubspannung indirekt gemessen werden. Dazu wird in einen konventionellen Rechteck-Kanal ein Blechstreifen eingelegt, der nur am Einlauf des Rheometers eingespannt und durch eine PTFE-Schicht von der Wand entkoppelt ist. Er kann somit vom fließenden Kautschuk gedehnt werden und die Wandschubspannung führt zu einer Dehnung, die sich bis zur Einspannung aufaddiert.
Die Dehnung wird durch einen Glasfaser-Dehnungssensor erfasst, wie im Messaufbau in Abbildung 1 gezeigt. Anhand des Dehnungsgradienten ist die Wandschubspannung ablesbar, denn eine Änderung des Gradienten bedeutet eine Veränderung der Fließbedingungen weil sich das zugrundeliegende Schubspannungsniveau ändert. Im Projekt führte ein Anrauen der Oberfläche des Messtreifens zur Erhöhung des Dehnungsgradienten durch, was nur bei Vorliegen von Wandgleiten möglich ist.
© IKVProjektdaten und Förderung
Wir danken dem BMWE für die Förderung des IGF-Projekts (Förderkennzeichen 23114 N) und den Projektpartnern für die Zusammenarbeit.
Projektlaufzeit: 01.11.2023 – 31.10.2025
Förderung:
