Emulsionen und Suspensionen sind Basis vieler Produkte für Konsumenten und Industrie. Als Vielstoffsysteme weisen sie häufig ein komplexes rheologisches Verhalten auf, das Grundlage ihrer Produkteigenschaften ist.

Das Verständnis dafür ist eine notwendige Voraussetzung für eine effiziente Produktentwicklung oder Verfahrensoptimierungen zur Herstellung bzw. Weiterverarbeitung. Die Rheologie bietet hier einen effizienten Zugang zu den dafür notwendigen mechanischen Größen.

Viele Produkte des täglichen Lebens wie Cremes, Shampoos, Schreibtinten oder Lebensmittel wie Mayonnaise oder Senf sind aus unserem Alltag nicht wegzudenken. Gleiches gilt für industrielle Güter wie Bohrölemulsionen, Schmierstoffe, Anstrichstoffe oder Vergussmassen.

Allen ist gemeinsam, dass sie auf Emulsionen und Suspensionen basieren und zu den komplexen Stoffsystemen zählen, deren mechanische bzw. rheologische Eigenschaften bei Herstellung und/oder Anwendung äußert wichtig sind. Bei der Herstellung solcher in der Regel nicht-newtonschen Stoffsysteme spielen die Flieseigenschaften verfahrenstechnisch eine große Rolle.

Die in Scherströmungen auftretenden Verhaltensweisen erstrecken sich von einer einfachen Viskositätsab- oder Viskositätszunahme in Abhängigkeit der Stärke der Scherbeanspruchung bis hin zu zeitabhängigen Viskositätsänderungen bei konstanter Scherbeanspruchung. Die Viskoelastizität solcher Produkte spielt im Fall der Lagerung eine Rolle, da sie mit entscheidend dafür ist, wie absetzstabil eine Suspension bzw. wie entmischungsstabil eine Emulsion ist.

Bedeutung der Rheologie

Die Rheologie hat in den letzten Jahren eine zunehmende Bedeutung in der Industrie erfahren. Gründe dafür sind, dass die Geräte empfindlicher werden, modular aufgebaut sind, unterschiedlichste Messgeometrien und damit auch eine Vielzahl an Messmodi zur Verfügung stellen. Während viele Anwender heute immer noch mit dem Begriff Rheologie ausschließlich das Messen von Fließverhalten oder Fließgrenzen verstehen, gewinnt in der praktischen Rheologie das Messen von viskoelastischen Eigenschaften mit Hilfe von Oszillationsmessungen eine zunehmende Bedeutung.

In Kombination mit Peltier-Temperiereinheiten, die die Proben effizient auf eine gewünschte Temperatur bringen oder während eines Messvorganges alternierend abkühlen und aufheizen, können nahezu alle mechanischen Belastungen während der Produktherstellung, -lagerung, -transporte oder -applikation simuliert und die mechanischen Antworten der geprüften Emulsionen oder Suspensionen gemessen werden.

Rheologie und Produkteigenschaften

Am Beispiel eines Alltagsproduktes wie einer Creme lässt sich auf einfache Weise verdeutlichen, welchen Beitrag die Rheologie zur Produktentwicklung bzw. zur Qualitätskontrolle leisten kann. Die Viskosität der Creme muss so beschaffen sein, dass sich das Produkt problemlos pumpen lässt; nach der Herstellung darf die Creme sich nicht entmischen und der Kunde erwartet bei der Anwendung eine bestimmte Haptik.

Informationen darüber, wie sich das Produkt fördern lässt bzw. welche Pumpleistung benötigt wird, um es durch ein Rohrleitungssystem zu fördern, geben Fließ- bzw. Viskositätskurven, die durch Rotationsmessungen im praxisrelevanten Bereich der Scherrate bzw. Schubspannung ermittelt werden. Die Unterschiede von Viskositätskurven mit zunehmender und abnehmender Scherrate oder dem zeitlichen Verhalten bei konstanter Scherrate geben Rückschlüsse auf das rheologische Verhalten während der verschiedenen verfahrenstechnischen Schritte ihrer Herstellung. Beispielsweise können sich solche Produkte beim Pumpen deutlich anders verhalten als beim Ausgießen.

Während bei Rotationsmessungen Proben geschert und deswegen ihre Ruhestruktur zerstört wird, bleibt bei oszillatorischen Scherbeanspruchungen mit kleiner Amplitude die Ruhestruktur erhalten. Oszillationsmessungen ermöglichen so eine Quantifizierung des viskoelastischen Verhaltens und damit Aussagen darüber, ob beispielsweise die Oberfläche einer Creme im Behälter schnell verläuft oder ob ein Kunde bei Auftragen ein samtweiches oder eher schmieriges Gefühl haben wird. Oszillationsmessungen mit und ohne Temperaturwechsel geben auch Hinweise darauf, ob Cremes während Transport und/oder Lagerung entmischungsstabil sind.

Praxisrelevante Rheologie

Was haben also die unterschiedlichsten Produkte wie Cremes, Lippenstifte, Seifen, Schmierstoffe oder hochgefüllte Suspensionen (slurry) miteinander gemein? Sie alle werden während der Produktentwicklung bzw. in der Qualitätskontrolle rheologisch geprüft! Dafür sind rheologische Messungen im Rotations- und Oszillationsmodus weit verbreitet, theoretisch gut fundiert und leicht anwendbar. Dies erscheint auf den ersten Blick einfach. Doch schaut man sich die Messungen näher an, so stellen sich dem Anwender verschiedene Fragen: z.B. welches ist das passende Messsystem oder wie definiere ich eine Messvorschrift.

Diese Fragen sollten immer intensiv vor dem Hintergrund der unterschiedlichen Produktanwendungen bzw. -beanspruchungen diskutiert werden. Das bedeutetet, dass bei Emulsionen und Suspensionen verschiedene rheologische Untersuchungsmethoden verwendet werden müssen, wenn feststellt werden soll, ob sie entmischungsstabil sind, ob sie ein scherverdickendes oder scherverdünnendes Fließverhalten haben oder ob die Pumpleistung benötigt wird, die zur Förderung durch ein Rohrleitungssystem notwendig ist. Hier bietet die Rheologie über Rotations- (Fließkurven) und/oder Oszillationsmessungen (Viskoelastizität) einen einfachen Zugang zu einer effizienten Produktentwicklung bzw. Qualitätsüberwachung solcher Produkte.


Rheologische Charakterisierung von Emulsionen und Suspensionen
29. und 30. September 2011, Nürnberg, Kurs: 595/11
Leitung: Prof. Karl-Heinz Jacob

Anmeldung/Information:
Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh), Fortbildung
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