Untersuchungen zum Fließverhalten verschieden konzentrierter Polyisobutenlösungen unter hoher Scherbeanspruchung.

Zusammenfassung

Das Schubspannungs- und Verfestigungsverhalten verschieden konzentrierter hochmolekularer Polyisobutenlösungen wird mit Hilfe eines neu konstruierten Hochdruckkapillarviskosimeters bis zu sehr hohen Schergeschwindigkeiten untersucht. Hierbei wird gleichzeitig der Einlaufdruckverlust nach Bagley durch Messungen an Kapillaren mit unterschiedlichenL/R-Verhältnissen ermittelt und, um Informationen über das Einströmverhalten der Lösungen zu erhalten, die Einlaufströmung in die Kapillare sichtbar gemacht. Im Bereich niedriger Schergeschwindigkeiten werden die Lösungen zusätzlich mit verschiedenen Rotationsviskosimetern charakterisiert.

Die anhand der durchgeführten Untersuchungen erhaltenen Fließkurven lassen sich für Lösungen mit einem Polymergehalt ab 0,5% PIB-B200 in drei Bereiche einteilen, die mit Hilfe von Strömungssichtbarmachungsuntersuchungen verschiedenen Strömungsphänomenen zugeordnet werden können. Dabei kommt es u. a. zu Verfestigungserscheinungen, die sich in einem sprunghaften Ansteigen des Druckverlustes bemerkbar machen. Durch Messungen an Kapillaren mit einem kegelförmigen Einlauf kann gezeigt werden, daß diese Verfestigungserscheinungen und der damit verbundene Druckanstieg nicht nur auf das Auftreten von Sekundärströmungen im Einlaufbereich der Kapillaren zurückgeführt werden kann, sondern daß hierfür andere Effekte wie etwa die Bildung von Assoziaten aus Makromolekülen verantwortlich gemacht werden können. Auch die starke Viskositätszunahme der Lösungen im Verfestigungsbereich und die Beobachtung der Ausbildung heller Streulichtfelder sprechen für eine Bildung von Polymerassoziaten vor der Kapillare.

Des weiteren wird bei den Untersuchungen zur Bagley-Korrektur festgestellt, daß zur korrekten Ermittlung des Einlaufdruckverlustes bei höher konzentrierten Polyisobutenlösungen Kapillaren mit einemL/R-Verhältnis von mindestens 1000 verwendet werden müssen. Es zeigt sich nämlich im Bagley-plot dieser Lösungen, daß die Linien konstanter Schergeschwindigkeit bei kleinerenL/R-Verhältnissen eine auffallende Krümmung im Sinne eines mit zunehmendemL/R-Verhältnis abnehmenden Druckgradienten besitzen, der erst oberhalb eines bestimmtenL/R-Verhältnisses konstant wird.

Abstract

A new design high-pressure capillary-viscometer is used to study the shear behavior of high-molecular polyisobutene solutions up to very high shear rates. The entry pressure loss from the Bagley-plot is estimated by the measurement in capillaries of different length-to-radius (L/R) ratios. Simultaneously, flow visualization of the entry flow is carried out. At low shear rates the flow behavior of the solutions is characterized by different rotational viscometers.

The obtained flow curves for the solutions with polymer concentrations being above 0.5% PIB-B200 can be divided into three regions which can be related to different flow phenomena by means of flow visualization. A sudden increase in pressure loss can be related to a shear thickening behavior. Measurements in capillaries with a conical entry show that this thickening behavior is not only due to secondary flows in the entry region of the capillary, but also due to other effects like the association of macromolecules. The assumption of the formation of molecular associates is also supported by the large increase in the viscosity of the solutions in the thickening region and the observed formation of luminous scattered light areas.

Furthermore, the investigations on the Bagley-correction show that for higher concentrated polyisobutene solutions capillaries withL/R ratios of at least 1 000 have to be used for a correct determination of the entry pressure loss. The Bagley-plots of these solutions show that lines of constant shear rate are remarkably curved at lowerL/R ratios. The gradient of the pressure loss decreases with increasingL/R ratio and approaches a constant value at a certainL/R ratio.