Fließverhalten von zweiphasigen Mischungen aus unverträglichen Polysiloxanen
V. Ziegler (1997)


In der vorliegenden Arbeit wird das Fließverhalten des Zweiphasensystems Polydimethyl-co-methyl-phenylsiloxan (COP 26*)/Polydimethylsiloxan (PDMS 87) in Abhängigkeit vom Mengenverhältnis der Phasen und von der Scherrate mittels Rotationsviskosimetrie untersucht. Die Vorgeschichte der Dispersion (d. h. die Probenvorbereitung), ebenso wie die genaue Abfolge der Messungen (z. B. ob von höheren Scherraten zu niedrigen oder in umgekehrter Richtung gemessen wird) besitzen einen erheblichen Einfluß auf die Meßergebnisse. Die Mischungen wurden daher alle der gleichen Vorbereitung unterworfen und die Zeit zwischen Probenbereitung und Messung konstant gehalten. Üblicherweise mißt man einen Scherratenbereich innerhalb einiger Minuten von unten nach oben und daran angeschlossen von oben nach unten durch und erhält damit sogenannte Fließkurven. Im vorliegenden Fall beobachtet man jedoch Hystereseeffekte und die gemessenen Werte hängen in nicht reproduzierbarere Weise von der Meßdauer ab. Deshalb wurde die Viskosität als Funktion der Zeit bei verschiedenen konstant gehalten Scherraten gemessen. Bei Volumenbrüchen zwischen φPDMS 87 =0,6 und 0,7 läßt sich für die jeweils höchsten Scherraten sowohl die Viskosität als auch der zeitliche Ablauf bis zum Erreichen des stationären Zustandes reproduzieren, während sich bei allen anderen φPDMS 87-Werten nur der stationäre Wert als reproduzierbar erweist, jedoch nicht der Weg dorthin.

Obwohl sich die Reinstoffe im gewählten Meßbereich newtonisch verhalten, wird bei den Dispersionen eine merkliche Scherratenabhängigkeit beobachtet, deren Ausmaß von den Volumenbrüchen der beiden Phasen abhängt. Als quantitatives Maß der Scherraten-abhängigkeit läßt sich die Steigung in der logarithmischen Auftragung der stationären Viskositäten gegen die Scherrate verwenden. Es können drei Bereiche unterschieden werden, die sich zu einem M-ähnlich Verlauf zusammenfügen. In den jeweiligen Randbereichen niedriger φPDMS 87- bzw. φCOP 26*-Werte nimmt die Scherverdünnung mit steigendem Gehalt an dispergierter Phase stetig zu, bis jeweils ein scharfes Maximum erreicht wird. Die dazugehörigen Volumenbrüche φPDMS 87 liegen bei 0,45 bzw. 0,7. Zwischen diesen Maxima durchläuft die Scherratenabhängigkeit ein lokales Minimum. Die Meßdaten liegen nicht symmetrisch zum mittleren Volumenanteil, sondern sind in Richtung höherviskoser Komponente verschoben. Eine erste Deutung dieser Ergebnisse wird gegeben.

Die Änderung der Viskosität mit φ bei konstanter Scherrate zeigt eine positive Abweichung vom idealen Verhalten nach Arrhenius, die bei niedrigen Scherraten größer ist als bei hohen. Das Maximum dieser Abweichung liegt ebenfalls nicht bei einem Volumenverhältnis von 1 : 1, sondern ist wieder zur höherviskosen Komponente hin verschoben.

Bei Auswertung der erhaltenen Daten der stationären Viskositäten mit Gleichungen aus der Literatur für die Abhängigkeit der relativen Viskosität von den Volumenbrüchen für fest-flüssig und flüssig-flüssig Dispersionen stellt sich heraus, daß die Beziehungen für Suspensionen bestenfalls den Bereich bis φPDMS 87 = 0,3 gut beschreiben. Wenn das niedrigerviskose COP 26* die disperse Phase bildet, gibt es keine Übereinstimmung zwischen der Theorie und den in dieser Arbeit ermittelten experimentellen Daten. Auch für die Beziehungen, die für flüssig-flüssig Dispersionen aufgestellt worden waren, wurde keine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten festgestellt.

Als weiterer wichtiger Parameter, der die Tröpfchengröße und damit das rheologische Verhalten beeinflußt, wurde die Grenzflächenspannung des Systems COP 26*/PDMS 87 mit der Methode des hängenden Tropfen temperaturabhängig gemessen. Aus diesen Daten sowie den Werten für die Viskosität und den während der Messung vorgegebenen Scherraten wurde nach einer empirischen Gleichung von Wu der mittlere Teilchendurchmesser abgeschätzt.