Detail einer Scherzelle: Die Forscher eruierten jene Fließgeschwindigkeit, ab der sich die Suspension in zwei Schichten unterschiedlicher Viskosität auftrennt, die mit verschiedener Geschwindigkeit fließen.
Wenn stabile Mischungen aus komplexen Zutaten wie Polymeren und langkettigen Molekülen in Mischbehältern transportiert werden, passiert es häufig, dass sich die Mischung in Schichten unterschiedlicher Viskosität auftrennt. Der Grund kann in zu hohem Druck oder zu starkem Rühren bei der Produktion liegen. Je nachdem, wie sich eine Flüssigkeit an den Behälterwänden verhält, kann es darin zu Spannungen kommen. Etwa dann, wenn die Scherkräfte stark sind und in der Folge ineinander verzahnte Polymerketten aneinander reiben. Das führt dazu, dass man das Fließverhalten der Flüssigkeit schwer vorhersagen kann.
Glatte Wände
Genau hier haben die Forscher des Forschungszentrums Jülich und der französischen Hochschule "École normale supérieure de Lyon" angesetzt: Sie haben zwei Arten getestet, wie sich das Fließverhalten je nach unterschiedlichen Bedingungen an den Wänden verhält. Dazu haben sie die Wände der Behälter mithilfe von Sandstein roh gemacht, damit die Suspension heftete. Oder aber es wurden glatte Wände verwendet, damit die Mischung darüber gleiten konnte. Durch das Gleiten über die glatten Wände baute sich die Spannung, die durch den Scherfluss verursacht wurde, an die Wände ab. Damit haben die Wissenschaftler erstmals experimentell belegt, wie ein mikroskopischer "Gleitprozess" zu stabileren Flüssigkeiten führt.
Spannungsabbau
"Die Frage ist immer: Wo geht die Spannung hin und wie wird sie abgebaut?", erklärt der Holländer Dr. Pavlik Lettinga, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Jülicher Institut für Festkörperforschung gegenüber derStandard.at. Wenn man die Spannung vom Inneren des Behälters auf die Wand verlegen könne, ergebe sich dadurch eine stabilere Strömung der Flüssigkeit. Wichtig sei vor allem, die Flüssigkeit gut zu kennen. Die Forscher eruierten jene Fließgeschwindigkeit, ab der sich die Suspension in zwei Schichten unterschiedlicher Viskosität auftrennt, die mit verschiedener Geschwindigkeit fließen.
Shampoo-ähnliche Mischung
Die Wissenschaftler nutzten für ihre Experimente so genannte Scherzellen, die aus zwei ineinandersteckenden Zylindern bestehen. Zwischen die rotierenden Wände des Zylinders brachten sie eine Tensid-Wasser-Mischung, die einem Shampoo ähnelt. Um die mikroskopischen Vorgänge in der Flüssigkeit zu verstehen, verfolgten die Forscher kontinuierlich die Fließgeschwindigkeit der Suspension an verschiedenen Positionen zwischen den Wänden mit Hilfe eines Ultraschallmessgeräts.
"Die Beschaffenheit der Wände spielt eine wichtige Rolle, um das Fließverhalten komplexer Flüssigkeiten günstig zu gestalten", erklärt Lettinga. Diese Erkenntnis könne nun helfen, industrielle Prozesse wie etwa die Kunststofferzeugung oder die Herstellung von Emulsionen zu optimieren. Auch in der Erdölindustrie, wo Flüssigkeiten durch Rohrsysteme von A nach B geleitet werden, kann er sich die Anwendung der Forschungsergebnisse vorstellen. (red, derStandard.at, 27.1.2010)