Die Rheologie findet Anwendung in der Materialwissenschaft, dem Ingenieurwesen, der Geophysik, der Physiologie, der Humanbiologie und der Pharmazie. Die Materialwissenschaft wird bei der Herstellung vieler industriell wichtiger Stoffe wie Zement, Farbe und Schokolade eingesetzt, die komplexe Fließeigenschaften aufweisen. Darüber hinaus ist die Plastizitätstheorie auch für die Gestaltung von Metallumformungsprozessen von Bedeutung. Die Wissenschaft der Rheologie und die Charakterisierung der viskoelastischen Eigenschaften bei der Herstellung und Verwendung von polymeren Werkstoffen ist für die Herstellung zahlreicher Produkte für den industriellen und militärischen Bereich von entscheidender Bedeutung.Die Untersuchung der Fließeigenschaften von Flüssigkeiten ist für Pharmazeuten wichtig, die an der Herstellung verschiedener Darreichungsformen wie einfacher Flüssigkeiten, Salben, Cremes, Pasten usw. arbeiten. Das Fließverhalten von Flüssigkeiten unter Belastung ist im Bereich der Pharmazie von großer Bedeutung. Fließeigenschaften werden als wichtige Instrumente der Qualitätskontrolle eingesetzt, um die Qualität des Produkts zu erhalten und die Schwankungen von Charge zu Charge zu verringern.
MaterialwissenschaftBearbeiten
PolymereBearbeiten
Anhand von Beispielen kann die mögliche Anwendung dieser Prinzipien auf praktische Probleme bei der Verarbeitung und Verwendung von Kautschuk, Kunststoffen und Fasern veranschaulicht werden. Polymere bilden die Grundstoffe der Gummi- und Kunststoffindustrie und sind für die Textil-, Erdöl-, Automobil-, Papier- und Pharmaindustrie von entscheidender Bedeutung. Ihre viskoelastischen Eigenschaften bestimmen die mechanische Leistung der Endprodukte dieser Industrien und auch den Erfolg der Verarbeitungsmethoden in den Zwischenstufen der Produktion.
Bei viskoelastischen Materialien, wie den meisten Polymeren und Kunststoffen, hängt das Vorhandensein von flüssigkeitsähnlichem Verhalten von den Eigenschaften des Materials ab und variiert daher mit der Geschwindigkeit der aufgebrachten Last, d. h. wie schnell eine Kraft aufgebracht wird. Das Silikonspielzeug „Silly Putty“ verhält sich ganz unterschiedlich, je nachdem, wie schnell eine Kraft aufgebracht wird. Zieht man langsam daran, zeigt es ein kontinuierliches Fließen, ähnlich wie bei einer hochviskosen Flüssigkeit. Wird er jedoch hart und direkt getroffen, zerspringt er wie Silikatglas.
Darüber hinaus durchläuft herkömmlicher Gummi einen Glasübergang (oft als Gummi-Glas-Übergang bezeichnet). Die Katastrophe der Raumfähre Challenger wurde z. B. durch Gummi-O-Ringe verursacht, die an einem ungewöhnlich kalten Morgen in Florida weit unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur verwendet wurden und sich daher nicht ausreichend biegen konnten, um eine ordnungsgemäße Abdichtung zwischen den Abschnitten der beiden Feststoffraketen-Booster zu bilden.
BiopolymereBearbeiten
Sol-GelBearbeiten
Wenn die Viskosität eines Sols in einem geeigneten Bereich eingestellt wird, können sowohl Glasfasern von optischer Qualität als auch feuerfeste Keramikfasern gezogen werden, die für faseroptische Sensoren bzw. thermische Isolierung verwendet werden. Die Mechanismen der Hydrolyse und Kondensation sowie die rheologischen Faktoren, die die Struktur in Richtung linearer oder verzweigter Strukturen lenken, sind die wichtigsten Fragen der Sol-Gel-Wissenschaft und -Technologie.
GeophysikBearbeiten
Die wissenschaftliche Disziplin der Geophysik umfasst die Untersuchung des Flusses geschmolzener Lava und die Untersuchung von Murgängen (flüssige Schlammlawinen). Dieser Wissenschaftszweig befasst sich auch mit festen Erdmaterialien, die nur über längere Zeiträume fließen. Diejenigen, die ein viskoses Verhalten zeigen, werden als Rheide bezeichnet. Granit zum Beispiel kann bei Raumtemperaturen mit einer vernachlässigbaren Fließspannung plastisch fließen (d. h. ein viskoses Fließen). Langfristige Kriechexperimente (~10 Jahre) zeigen, dass die Viskosität von Granit und Glas unter Umgebungsbedingungen in der Größenordnung von 1020 Poise liegt.
PhysiologieBearbeiten
Die Physiologie umfasst die Untersuchung zahlreicher Körperflüssigkeiten, die eine komplexe Struktur und Zusammensetzung aufweisen und daher ein breites Spektrum an viskoelastischen Fließeigenschaften zeigen. Insbesondere gibt es eine spezielle Studie über den Blutfluss, die Hämorheologie. Dabei handelt es sich um die Untersuchung der Fließeigenschaften des Blutes und seiner Bestandteile (Plasma und gebildete Bestandteile, einschließlich roter Blutkörperchen, weißer Blutkörperchen und Blutplättchen). Die Blutviskosität wird durch die Plasmaviskosität, den Hämatokrit (Volumenanteil der roten Blutkörperchen, die 99,9 % der zellulären Elemente ausmachen) und das mechanische Verhalten der roten Blutkörperchen bestimmt. Daher ist die Mechanik der roten Blutkörperchen die wichtigste Determinante für die Fließeigenschaften des Blutes.
LebensmittelrheologieEdit
Die Lebensmittelrheologie ist wichtig für die Herstellung und Verarbeitung von Lebensmitteln wie Käse und Gelatine.
Verdickungsmittel sind Stoffe, die, wenn sie einem wässrigen Gemisch zugesetzt werden, dessen Viskosität erhöhen, ohne seine anderen Eigenschaften, wie z. B. den Geschmack, wesentlich zu verändern. Sie sorgen für Fülle, erhöhen die Stabilität und verbessern die Suspension der zugesetzten Zutaten. Verdickungsmittel werden häufig als Lebensmittelzusatzstoffe sowie in Kosmetika und Körperpflegeprodukten verwendet. Einige Verdickungsmittel sind Geliermittel und bilden ein Gel. Sie sind Stoffe, die zum Verdicken und Stabilisieren von flüssigen Lösungen, Emulsionen und Suspensionen verwendet werden. Sie lösen sich in der flüssigen Phase als Kolloidgemisch auf und bilden eine schwach kohäsive innere Struktur. Lebensmittelverdickungsmittel basieren häufig entweder auf Polysacchariden (Stärke, pflanzliche Gummen und Pektin) oder auf Proteinen.
BetonrheologieBearbeiten
Die Verarbeitbarkeit von Beton und Mörtel hängt von den rheologischen Eigenschaften des frischen Zementleims ab. Die mechanischen Eigenschaften des Festbetons verbessern sich, wenn weniger Wasser in der Betonmischung verwendet wird, jedoch kann eine Verringerung des Wasser-Zement-Verhältnisses die Misch- und Verarbeitungsfähigkeit beeinträchtigen. Um diese unerwünschten Auswirkungen zu vermeiden, werden in der Regel Fließmittel zugesetzt, um die scheinbare Fließspannung und die Viskosität des frischen Zementleims zu verringern. Ihr Zusatz verbessert die Eigenschaften von Beton und Mörtel erheblich.
Rheologie gefüllter PolymereEdit
Die Einarbeitung verschiedener Arten von Füllstoffen in Polymere ist ein gängiges Mittel zur Kostensenkung und um dem resultierenden Material bestimmte wünschenswerte mechanische, thermische, elektrische und magnetische Eigenschaften zu verleihen. Die Vorteile, die gefüllte Polymersysteme zu bieten haben, gehen mit einer erhöhten Komplexität des rheologischen Verhaltens einher.
Wenn die Verwendung von Füllstoffen in Betracht gezogen wird, muss in der Regel ein Kompromiss zwischen den verbesserten mechanischen Eigenschaften im festen Zustand auf der einen Seite und den erhöhten Schwierigkeiten bei der Schmelzverarbeitung, dem Problem, eine gleichmäßige Dispersion des Füllstoffs in der Polymermatrix zu erreichen, und den wirtschaftlichen Aspekten des Verfahrens aufgrund des zusätzlichen Schritts der Compoundierung auf der anderen Seite gefunden werden. Die rheologischen Eigenschaften gefüllter Polymere werden nicht nur durch die Art und Menge des Füllstoffs, sondern auch durch die Form, Größe und Größenverteilung seiner Partikel bestimmt. Die Viskosität von gefüllten Systemen steigt im Allgemeinen mit zunehmendem Füllstoffanteil an. Dies kann durch breite Partikelgrößenverteilungen über den Farris-Effekt teilweise gemildert werden. Ein weiterer Faktor ist die Spannungsübertragung an der Füllstoff-Polymer-Grenzfläche. Die Grenzflächenhaftung kann durch einen Haftvermittler, der sowohl auf dem Polymer als auch auf den Füllstoffpartikeln gut haftet, erheblich verbessert werden. Die Art und Menge der Oberflächenbehandlung des Füllstoffs sind somit zusätzliche Parameter, die die rheologischen und materiellen Eigenschaften gefüllter Polymersysteme beeinflussen.
Bei der rheologischen Charakterisierung hochgefüllter Materialien ist es wichtig, den Wandschlupf zu berücksichtigen, da ein großer Unterschied zwischen der tatsächlichen und der gemessenen Dehnung bestehen kann.