Die Abhängigkeit des Fließverhaltens konzentrierter Kugelsuspensionen von der Strömungsform: Ein Vergleich der Viskosität in Scher- und Dehnströmungen

Zusammenfassung

Es wird ein Auslaufviskosimeter mit automatischer Meßwertermittlung konstruiert, in dem in guter Näherung eine Dehnströmung realisiert ist. Hiermit werden in Verbindung mit geeigneten Rotationsviskosimetern vergleichende Messungen an konzentrierten Suspensionen von starren Kugeln in newtonschen Flüssigkeiten durchgeführt, wobei ausgeprägte Unterschiede auftreten.

So ergeben sich bei Suspensionen von monodispersen Glaskugeln in Öl in der Dehnströmung für mittlere Konzentrationen (0,2 <Φ < 0,52) deutlich kleinere, für hohe Konzentrationen (Φ > 0,52) aber größere Viskositätswerte als in der Scherströmung. Diese Differenzen lassen sich auf unterschiedliche Platzwechselmechanismen zurückführen. Bei Scherströmungen beobachtet man für die höchsten Konzentrationen einen Übergang vom viskosen zum kornartigen Fließen. In monodispersen Systemen ordnen sich dabei die Kugeln zu hexagonal dicht gepackten Schichten, die übereinander gleiten.

Noch deutlicher macht sich der Einfluß des Strömungstyps bei Suspensionen mit Plexiglaskugeln in Öl bemerkbar. In der Scherströmung beobachtet man Scherentzähung, wohingegen in der Dehnströmung nach wie vor eine konstante Viskosität gemessen wird, deren Größe genähert dem Grenzwert des oberen newtonschen Bereichs bei der Scherströmung entspricht. Dies ist durch die größere Effektivität der Dehnströmung bezüglich der Desagglomerierung erklärbar.

Wird bei den Glaskugel-Suspensionen das Suspensionsmittel Öl durch eine wäßrige Glucose-Lösung ersetzt, so findet man höhere Werte der relativen Viskosität. Es sind gewisse Hinweise dafür vorhanden, daß dies durch abstoßende Wechselwirkungskräfte hervorgerufen wird.

Summary

An orifice viscosimeter with automatic measuring device is constructed in which extensional flow is realized in good approximation. With this, together with appropriate rotational viscometers, measurements on concentrated suspensions of rigid spheres in Newtonian liquids are performed. Significant differences are found between viscosities in orifice and shear flows.

In extensional flow suspensions of monodisperse glass-spheres with a medium concentration range (0.2 <Φ < 0.52) show lower viscosities than in shear flow, whereas with the highest concentrations (Φ > 0.52) extensional viscosities become higher than shear viscosities. These results can be explained by different mechanisms of configurational rearranging of the spheres. In shear flows at very high concentrations transition from viscous to granular flow is observed. Under these conditions monodisperse spheres arrange into hexagonally packed layers which are sliding one upon another.

Even a more pronounced effect of flow type is observed when PMMA spheres in oil are used. Now in shear flow shear-thinning occurs, whereas in extensional flow the same as before a constant viscosity is measured of which the value corresponds to the upper Newtonian shear viscosity. This may be explained by the greater effectivity of extensional flow with respect to desagglomeration processes.

When in suspensions of glass spheres oil as the suspending medium is substituted by an aqueous solution of glucose higher values of relative viscosities are realized. There are some indications that this is effected by repulsive mutual forces.