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Viskosimeter zur Messung der Viskosität hochviskoser und hochviskoelastischer
Stoffe Die Erfindung betrifft ein Viskosimeter zur Messung der Viskosität hochviskoser
und hochviskoelastischer Stoffe in Abhängigkeit von Druck und Temperatur durch Auspressen
der Stoffe aus einer Düse mit einem in einem zur Aufnahme des zu untersuchenden
Stoffes dienenden Zylinder gleitenden Kolben, einer Austrittsdüse am Ende des Zylinders
und einem elektrischen Heizelement für die gleichförmige Erwärmung des den Zylinder
und die Düse umfassenden Geräteteils.
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Es ist bereits eine Vorrichtung zur Messung der Viskosität von Stoffen
mit relativ niedriger Viskosität bekannt, bei der sich in einem mit der Meßsubstanz
gefüllten Hohlzylinder ein im wesentlichen zylindrischer Meßkörper kleineren Durchmessers
mit Längsbohrung bewegt und bei der sich die Viskosität aus der Meßkörpergeschwindigkeit,
der auf ihn wirkenden Kraft und einer Apparatekonstante ergibt.
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Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Messung der Viskosität von Schmierfetten
und halbflüssigen Ölen bekannt, bei der die zu untersuchenden Substanzen mit Hilfe
eines Kolbens, der in einem Zylinder gleitet, durch eine Längsbohrung gepreßt wird,
wobei die zu untersuchende Substanz durch ein Wasserbad auf einer konstanten Temperatur
gehalten wird.
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Ebenso sind Vorrichtungen bekannt, bei denen die Temperatur der Stoffe,
deren Viskostät gemessen werden soll, durch eine elektrische Heizung konstant gehalten
wird.
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Diese bekannten Viskosimeter weisen jedoch die Nachteile auf, daß
Unregelmäßigkeiten der Strömung auftreten, die vermutlich durch die elastischen
Eigenschaften des zu prüfenden Materials hervorgerufen werden. Insbesondere treten
hierbei Verzögerungserscheinungen auf, die durch den sogenannten Endeffekt oder
durch Pulsationserscheinungen erzeugt werden.
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Diese Nachteile werden durch das erfindungsgemäße Viskosimeter zur
Messung der Viskosität hochviskoser und hochviskoelastischer Stoffe in Abhängigkeit
von Druck und Temperatur durch Auspressen der Stoffe aus einer Düse mit einem in
einem zur Aufnahme des zu untersuchenden Stoffes dienenden Zylinder gleitenden Kolben,
einer Austrittsdüse am Ende des Zylinders und einem elektrischen Heizelement für
die gleichförmige Erwärmung des den Zylinder und die Düse umfassenden Geräteteils
behoben, das sich dadurch auszeichnet, daß die Stromaufnahme des Heizelementes nach
einem vorbestimmten, in seinem Ablauf durch ein Widerstandsthermometer überwachbaren,
zeitlichen Programm steuerbar ist, daß die Eintrittsöffnung der Austrittsdüse sich
in Durchströmrichtung kegel artig mit einem Eintrittswinkel os zwischen 35 und 600
verengt und daß die Kegelhöhe wenigstens das Dreifache des Durchmessers der Austrittsdüse
ausmacht.
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Ein solches erfindungsgemäßes Viskosimeter besitzt den Vorteil, daß
mit ihm die Viskosität einer Probe bei verhältnismäßig kurzem Kolbenweg in der Nähe
des Düseneinlasses gemessen werden kann.
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Ebenso vorteilhaft ist es, daß zur Messung nur eine ganz geringe Materialmenge
des Prüfstoffes notwendig ist und daß man trotzdem eine ruhige Strömung erhält.
Ebenso ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Zeit gegenüber den bekannten
Einrichtungen sehr verringert, die erforderlich ist, um eine gleichmäßige Wärmebedingung
in dem zu prüfenden Material zu erhalten. Insbesondere die angegebene Düse hat den
Vorteil, daß sie leicht gehandhabt werden kann und ein verhältnismäßig kleines Verhältnis
von Länge zu Durchmesser der Bohrung aufweist und insbesondere zur Messung der Viskositäten
viskoelastischer Stoffe sehr geeignet ist.
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Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil des erfindungsgemäßen Viskosimeters
besteht darin, daß es mit einem einfachen Aufbau versehen ist und daß man mit ihm
bequem die Viskositäten von Proben über einen weiten Temperaturbereich aus einer
ein-
zigen selbst aufgezeichneten Kurve abschätzen kann, wobei diese
Kurve das Verhältnis von Zeit gegen den Kolbenweg angibt, und daß man dieses Ergebnis
in einer kurzen Meßeinheit erhalten kann.
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Weiterhin erhält man in vorteilhafter Weise durch eine einzige Bestimmung
mittels des Temperaturanstiegsverfahrens annehmbare Schätzwerte der Ausströmungsgeschwindigkeit
eines beliebigen geschmolzenen Hochpolymeren unter thermisch ruhigen Verhältnissen
über einen weiten Temperaturbereich.
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Zweckmäßigerweise wird das Viskosimeter so ausgebildet, daß die Meßschleife
des Widerstandsthermometers einen Teil eines Zweiges einer Brückenschaltung bildet,
durch die eine Anordnung zur Regelung der Stromaufnahme des Heizelementes für den
Zylinder und Düse umschließenden, als Metallblock bezeichneten Geräteteil in Abhängigkeit
von den durch die Abweichung der Temperatur im Metallblock von einem vorbestimmten
Temperatur-Sollwert verursachten Brückenstrom beeinflußbar ist.
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Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Viskosimeter mit einer Einrichtung
zur Änderung der Temperatur des Metallblocks linear mit der Zeit durch zeitproportionales
Verstellen des Potentiometers in dem Brückenkreis ausgestattet.
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Eine solche Ausführungsform besitzt den Vorteil, daß man aus einer
selbst aufgezeichneten Kurve mit einem einzigen Meßvorgang mit Hilfe des Temperaturanstiegsverfahrens
die tatsächliche Ausilußgeschwindigkeit gegen die Temperatur, gleichgültig wie die
elastischen Eigenschaften der Probe sind, erhält.
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Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden
an Hand der Zeichnung beschrieben, in der F i g. 1 eine Vorderansicht bzw. einen
Aufriß einer Ausführungsform der Heizeinrichtung zeigt, die in das erfindungsgemäße
Strömungsviskosimeter eingebaut ist; F i g. 2 ist ein Längsschnitt durch die Anordnung
nach F i g. 1, wobei jedoch eine übliche Düsenplatte an Stelle der erfindungsgemäßen
Düse eingezeichnet ist; F i g. 3 zeigt die Zylinder- bzw. Düsenanordnung nach Fig.
1 in größerem Maßstab; F i g. 3 a ist ein vergrößerter Schnitt längs der Linie IIIa-IIIa
der Fig. 3; F i g. 4 ist ein Längsschnitt durch die Öffnung eines üblichen Kapillarrohrviskosimeters;
F i g. 5 zeigt einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Düse; Fig.6
ist ein Schnitt durch eine übliche, sogenannte Flachdüse, wie sie vorzugsweise zur
Messung der Viskosität geschmolzener Hochpolymerer verwendet wird; F i g. 7 stellt
eine bevorzugte Schaltung dar, durch die die Temperatur im Heizzylinder auf beliebiger
konstanter Höhe gehalten oder mit konstanter Geschwindigkeit erhöht wird.
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F i g. 8 und 9 sind Diagramme zur Erläuterung der Genauigkeit der
Temperaturregelung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, verglichen mit der Genauigkeit,
die mit bekannten Vorrichtungen erreichbar ist.
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Fig. 10 bis 18 zeigen verschiedene Meßdiagramme, die mit dem erfindungsgemäßen
Viskosimeter ermittelt wurden.
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Vor der Erläuterung der Zeichnungen werden im folgenden einige einleitende
Bemerkungen gemacht.
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Wenn die Viskosität einer Flüssigkeit mit dem üblichen Kapillarrohrverfahren
bestimmt wird, entweder durch ein Ausströmen infolge des Eigengewichts oder unter
Druck, dann wird gelegentlich eine Düse mit einem abgerundeten Einlaß verwendet,
wie sie z.B. in F i g. 4 dargestellt ist. Eine solche Düse wird vor allem wegen
der allgemein herrschenden Ansicht verwendet, daß die Einschnürung (vena contracta),
die beim Fließen des Prüfmaterials auftritt, auftreten soll und daß dadurch die
Strömungsgeschwindigkeit verringert werden soll. Allgemein sollte in so einem Fall
die Länge des Steges I so bemessen werden, daß die Längen der abgerundeten Teile
am Einlaß und Auslaß lt und ZeX wie sie in F i g. 4 dargestellt sind, vernachlässigbar
sind, da diese abgerundeten Teile nicht genau von dem eigentlichen Kapillarrohr
abgegrenzt werden können, das einen konstanten Bohrungsdurchmesser d hat. Eine solche
Abgrenzung ist vom Standpunkt der praktischen Herstellung und der Meßtechnik nicht
möglich. Außerdem stehen keine zuverlässigen Angaben über die Auswirkungen der oben
angeführten abgerundeten Teile auf die viskosen Verformungen zur Verfügung.
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Es ist praktisch unmöglich, Viskositätsmessungen an hochviskosen
Stoffen mit Kapillaren ausreichender Länge durchzuführen, da der Zähigkeitswiderstand
gegen die unter Druck erfolgende Strömung in einem solchen Rohr so außerordentlich
hoch ist, daß eine stark verzögerte Ausströmgeschwindigkeft verursacht wird und
eine Messung innerhalb einer normalerweise annehmbaren Beobachtungszeit für ein
üblicherweise verwendetes Meßinstrument unmöglich würde.
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Dementsprechend wird eine Düse, die zur Messung der Viskosität hochviskoser
Substanzen geeignet ist, naturgemäß eine ldeine Länge und einen großen Durchmesser
haben.
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Unter Berücksichtigung der obigen Ausführungen sowie der Möglichkeit
einer leichten Herstellung wird normalerweise für die Messung der Viskositäten hochviskoser
oder viskoelastischer Stoffe, z.B. geschmolzener Hochpolymerer, die sogenannte Flachdüse
verwendet, deren Eingangsseiten einen Winkel von 1800 einschließen, wie dies in
Fig. 6 dargestellt ist. Derartige Düsen sind in den ASTM Specifications D 1238-52
T und D 569-48 T beschrieben.
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In F i g. 1 ist ein Metallzylinder 1 dargestellt, der als Heizkörper
dient. In diesem Zylinder sind ein Quecksilberthermometer 2 und ein Schutzrohr 3
mit flachem rechteckigem Querschnitt zur Aufnahme eines Widerstandsthermometers
angeordnet. 4 ist eine niedrigschmelzende Legierung, die in den Zwischenraum zwischen
dem Quecksilberthermometer 2 oder dem Schutzrohr 3 und den entsprechenden Einsatzöffnungen
eingegossen ist. Ein Heizelement, z. B. ein Chromnickeldraht 5, ist in eine Isolierschicht
6 eingebettet, die einen wesentlichen Teil dieses Zylinders 1 umschließt und aus
Asbest oder Glimmer besteht. 7 ist die Mittelbohrung des Zylinders, in die das zu
prüfende Material vor Beginn der Messung gegeben wird. 9 ist eine neuartige Düsenplatte,
die abnehmbar vermittels eines Schraubstückes 10 befestigt ist. Ein Zylindermantel
11 bedeckt die Isolierschicht 6. 12 ist ein in vertikaler Richtung verschiebbarer
Druckstab. 13 ist eine Druckverbindung. 14 ist eine Einstellmutter, die eine gerändelte
Oberfläche hat. 15 ist eine in vertikaler Richtung verschiebbare Paßschraube, die
den Kolben 16 berührt. 17 ist eine
Wärmeisolierschicht, die zwischen
dem Heizzylinder 1 und einer Grundplatte 18 angeordnet ist, die abnehmbar auf der
Fundamentplatte 19 befestigt ist. 20 ist ein Metalleinsatz zur Verbesserung der
Wärmeleitung, und dieser Einsatz hat eine flache, rechteckige Mittelöffnung, die
zur Aufnahme des entsprechend geformten Schutzrohres für die Widerstandsspule 21
geeignet ist, die auf einen flachen Isolierstreifen 22 aufgewickelt ist, der z.
B. aus Glimmer besteht. Diese konstruktiven Einzelheiten sind am deutlichsten aus
den Fig. 3 und 3 a ersichtlich. Die übliche, in F i g. 2 dargestellte Heizanordnung
unterscheidet sich von der der F i g. 1 und 3 darin, daß in F i g. 2 eine flache,
übliche Matrize bzw. Düse9' verwendet wird und daß das Widerstandsthermometer in
eine runde Bohrung eingesetzt ist, die in der Wand des Heizzylinders angeordnet
ist.
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Bei der Ausführungsform der F i g. 1 und 2 wird der zu prüfende Stoff
in die Mittelbohrung des Zylinders 1 eingesetzt und dann durch den Kolben 16 unter
konstantem Druck und bei erhöhter Temperatur, die durch das Heizelement 5 erzeugt
wird, zusammengedrückt, wobei die gesamte Druckkraft durch den Pfeil F angedeutet
ist. Die Druckverbindung 13 erleichtert das Einführen der Probe und das schnelle
Einpassen des Kolbens, und sie besteht aus einem Gelenkmechanismus, der ein Öffnen
und Schließen der Druckverbindung gestattet. Durch Drehen der Mutter 14, kann die
Paßschraube 15 gewünschtenfalls in vertikaler Richtung verschoben werden. Durch
eine geeignete mechanische tSbersetzung, die beispielsweise aus einem Stahlband
und einer zweistufigen Riemenscheibe besteht (nicht dargestellt), kann die zeitliche
Verschiebung des Druckstabes 12 auf einer Schreibtrommel aufgetragen werden, die
mit konstanter Geschwindigkeit umläuft (nicht dargestellt). So kann die Abwärtsbewegung
des Kolbens während der Prüfung relativ zur Zeit bestimmt werden Die in F i g. 7
dargestellte Temperaturregeleinrichtung enthält ein Widerstandselement 21, dessen
Widerstand Rt bei einer Temperatur t einen Teil eines Zweiges der dargestellten
Brückenschaltung bildet.
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Ra und R) sind Normalwiderstände, die zwei Zweige der Brücke bilden,
währen Rs und Rp feste Widerstände darstellen, die gemäß der dargestellten Schaltung
in die Brücke eingefügt sind. Rv ist ein variabler Widerstand in der Brücke, und
der Schleifkontakt dieses Widerstandes liegt an Masse. B.M. ist ein Ausgleichsmotor
und S.M. ist ein Synchronmotor.
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Wenn die Temperatur des Zylinders mit konstanter Geschwindigkeit
erhöht wird, dann wird der Schleifkontakt des Widerstandes R, von dem Synchronmotor
S.M. über ein Untersetzungsgetriebe mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Durch
Anderung des Übersetzungsverhältnisses kann die Geschwindigkeit der Temperaturzunahme
leicht von der Bedienungsperson geändert werden. Wenn die Temperatur des Heizzylinders
andererseits konstant gehalten werden soll, dann wird der Schleifkontakt des Widerstandes
Rv je nach der gewünschten Temperatur an der entsprechenden Stelle fest eingestellt.
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Zum Erwärmen des Zylinders 1 für eine konstante Temperatur oder für
einen genau geregelten konstanten Temperaturanstieg ergibt die Temperaturmeßeinrichtung
3, 20, 21 und 22, deren Aufbau bereits erläutert wurde, eine bessere Temperaturregelung
als die üblicherweise hierfür verwendeten Mittel. Bei der
neuen Anordnung hat die
Temperaturmeßeinrichtung einen sehr flachen Querschnitt, wodurch die Wärmeübertragung
infolge der großen Wärmvübertragungsfläche wesentlich besser wird. Der feste Metalleinsatz
ergibt außerdem eine bessere Wärmeübertragung als die eingeschmolzenen Legierungen.
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Experimentelle Daten der dadurch erreichbaren Verbesserungen sind
in den F i g. 8 und 9 dargestellt.
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Fig.8 zeigt die Kurven der Temperaturschwankungen des Heizzylinders
bei einer Temperaturregelung für eine konstante Temperatur. In dieser Figur zeigt
die voll ausgezeichnete Kurve die experimentell festgestellte Beziehung zwischen
den Ablesungen des Quecksilberthermometers, die gegen die Zeit aufgetragen sind,
wobei zur Regelung die Temperaturmeßeinrichtung gemäß F i g. 1 verwendet wurde.
Die mittlere Temperatur beträgt 150,870 C, während die »Ein-Aus«-Schaltzeit 106
Sekunden dauert und eine Temperaturschwankung von +0,050 C erhalten wird. Die gestrichelt
gezeichnete Kurve zeigt die Ergebnisse bei Verwendung der üblichen Einrichtung,
wie sie in F i g. 2 dargestellt ist.
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Hier beträgt die mittlere Temperatur 151,050 C, während die »Ein-Aus«-Schaltzeit
133 Sekunden dauert und eine Temperaturschwankung +0,130 C auftritt.
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In Fig. 9 zeigt die gerade Linie I einen idealen Temperaturanstieg,
während durch die Kurven II bzw. III die Ergebnisse dargestellt sind, wie sie mit
dem erfindungsgemäßen Viskosimeter bzw. mit der üblichen Heizeinrichtung nach Fig.2
erreichbar sind. Hierbei betrug die mittlere Temperaturerhöhung 30 C/Min. Der Widerstand
der Feinleistungseinstellung in dem Heizkreis betrug 7 Q, der Aufheizwiderstand
10 9 und die Wärmekapazität des Aufheizblockes 200 cal/° C. Die Einstellgenauigkeit
und die Wirksamkeit der Temperaturregelung wird weiter verbessert, wenn die Ansprechbarkeit
des Thyratrons, das in der Schaltung der Fig.7 mit T66G-GT bezeichnet ist, auf den
vollen Wert erhöht wird und wenn das Übersetzungsverhältnis des Getriebes, durch
das die Umdrehungen des Ausgleichsmotors B.M. auf die Welle der Einstelleinrichtung
des Spartransformators übertragen werden, geeignet gewählt wird und der variable
Widerstand der Feineinstelleinrichtung in den Heizkreis eingesetzt ist. Die Heizeinrichtung
kann z.B., ausgehend von Zimmertemperatur, die in F i g. 8 dargestellten Temperaturverhältnisse
im Verlauf von etwa 15 Minuten erreichen.
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Bei der bekannten, in F i g. 2 dargestellten Einrichtung strömt die
Prüfsubstanz aus der Düse, wenn der Druckstab unter der Belastung F steht. Wenn
die automatische Aufzeichnung der Kolbenverschiebung gegen die Zeit bei einer sehr
hochelastischen Substanz, z. B. bei einem geschmolzenen Hochpolymeren genau untersucht
wird, dann kann häufig die Beobachtung gemacht werden, daß die Abwärtsbewegung verzögert
wird, wenn der Abstand h0 zwischen der Arbeitsfläche des Kolbens und der obersten
Fläche der Düse einen Wert von 20 bis 15 mm erreicht.
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Diese Verzögerung steht in engem Zusammenhang mit dem sogenannten
Relaxationsphänomen. Es wurde durch eine Reihe von Versuchen festgestellt, daß die
Verzögerung in um so größerer Entfernung von der obersten Fläche der Düse beginnt,
je höher die Elastizität des Prüfmaterials, je größer der Durchmesser der Düsenbohrung
und je höher die Druckbelastung ist. Aus den Daten der Fig. 12 (vgl. Erläuterungen
Sp.
9) ersieht man, daß man in diesem Fall mit einer üblichen Düse keine ruhige Strömung
erzielen kann, selbst wenn der Weg des nach unten bewegten Kolbens h etwa 15mal
so lang ist wie der Durchmesser der Düsenbohrung, der hier 1 mm beträgt. Bei den
angegebenen Daten wird natürlich angenommen, daß die gewünschte ruhige Strömung
nicht erreicht werden kann, selbst wenn die Menge des Prüfmaterials so bemessen
wird, daß man einen größeren Kolbenweg erhält, der z. B. etwa 20mal so lang ist
wie der Durchmesser der Düsenbohrung.
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Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Düse hingegen kann man beobachten,
daß eine praktisch ruhige Strömung mit einer verhältnismäßig kürzeren Kolbenstrecke
erreicht werden kann, beispielsweise wenn der Kolbenweg 13mal so lang ist wie der
Durchmesser der Düsenbohrung. Bei Anwendung der Erfindung besteht keine Tendenz
zur Verringerung der Kolbengeschwindigkeit, was um so mehr ins Gewicht fällt, je
mehr sich die Arbeitsfläche des Kolbens dem Einlaß der Düse nähert, was auf die
sogenannte Vena contracta zurückzuführen sei, wenigstens nach Ansicht der Fachleute,
was jedoch in Wirklichkeit von der Elastizität des zu prüfenden Stoffes abhängen
dürfte. Bei einem üblichen Viskosimeter tritt diese Erscheinung häufig bei der Messung
geschmolzener Hochpolymerer auf.
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Zur Viskositätsbestimmung muß die Ausflußgeschwindigkeit bei ruhiger
Strömung des Materials gemessen werden. Sollte die obenerwähnte Verzögerung auftreten,
dann kann das Gebiet der ruhigen Strömung nicht bestimmt werden. Bei einem üblichen
Viskosimeter könnte eine mehr oder weniger ruhige Strömung erzielt werden, wenn
eine größere Menge des Prüfmaterials verwendet wird und der Kolbenweg dementsprechend
länger wird. Durch die größere Materialmenge wird jedoch die Handhabung der Heizeinrichtung
sehr erschwert.
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Bei hochviskosen Substanzen wird die Zeit, bis man thermisch ruhige
Verhältnisse erhält, um so länger, je größer die Zylinderbohrung DC (vgl. Fig. 3)
und je länger der Kolbenweg h0 ist.
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Wenn bei einem üblichen Viskosimeter die gewünschte ruhige Strömung
nicht erreicht werden kann, weil die obenerwähnte, durch die Elastizität des zu
prüfenden Materials bedingte Verzögerungserscheinung auftritt, dann kann eine neue,
gemäß der Erfindung ausgebildete Düse verwendet werden, wie sie z. B. in F i g.
5 dargestellt ist, die einen Eingangswinkel oc von 35 bis 600 an ihrem Einlaß hat
und bei der die Tiefe ls des abgerundeten Teils zweckmäßig bemessen ist. Der Bereich
der ruhigen Strömung kann dann scharf definiert werden, selbst wenn in einem Viskosimeter
der Wegh0 der Arbeitsfläche des in F i g. 3 dargestellten Kolbens kleiner sein muß
als die 20fache Düsenbohrung. Weiterhin konnte durch Versuche festgestellt werden,
daß eine Düse mit einem Eingangswinkel von 45 oder 500 und einer genau definierten
Länge I des geradlinigen Teils der Düsenbohrung, wie sie in F i g. 5 dargestellt
ist, sowie mit einer genau bemessenen Tiefe des abgeschrägten Einlaßteiles li für
ein solches Viskosimeter sehr vorteilhaft ist und außerdem sehr leicht hergestellt
werden kann.
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Dieser neue Vorschlag, der die Beziehung zwischen der relativen Stellung
der Arbeitsfläche des Kolbens und dem Düseneinlaß und der Ausbildung der Düse betrifft,
beruht auf der erfindungsgemäßen Lehre. Der
Winkel des Düseneinlasses gibt, wenn
er größer als 350 ist, keinerlei Wirkung bezüglich der ruhigen Strömung, sofern
die Reynoldsche Zahl kleiner als 1 ist, wobei die Geschwindigkeit der ruhigen Strömung
vollkommen durch die Bohrung der Düse und die Länge der geradlinigen Bohrung definiert
ist, gleichgültig wie groß die Elastizität der zu prüfenden Substanz ist. Wenn jedoch
die später zu erläuternde Pulsation auftritt, dann gilt diese einfache Beziehung
nicht mehr, was aus den experimentellen Daten zu ersehen ist. Bei dieser Pulsation
handelt es sich um eine Art Abreißerscheinung, die bei der Strömung auftritt und
die im allgemeinen beim Auspressen von Hochpolymeren mit hoher Auspreßgeschwindigkeit
zu beobachten ist. Bei einem speziellen Hochpolymeren nimmt man einfach an, daß
die Erscheinung dann auftritt, wenn die Scherkräfte an der Wandoberfläche der Düse
einen kritischen Wert überschreiten.
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Durch eine Reihe weiterer Versuche konnte sichergestellt werden, daß
bei einem konstanten Wert von di (vgl. Fig. 5) eine unerwünschte Ungenauigkeit der
Messung sowohl durch die Pulsation als auch durch die Verzögerung verursacht wurde,
die auf dem Wandeffekt viskoelastischer Substanzen beruhte.
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Diese Ungenauigkeit konnte durch eine Verringerung des Winkels a herabgesetzt
werden.
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Wenn jedoch dieser Winkel a zu klein ist, dann wird die Ausflußgeschwindigkeit
verringert, weil am Eingang der Düse ein Widerstand gegen eine Deformation der Strömung
auftritt. So ist z. B. die Strömungsgeschwindigkeit bei einem Winkel von 350 etwas
kleiner als bei einem Winkel von 450.
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F i g. 10 zeigt die Ausströmgeschwindigkeit Q des Stoffes »Alkathen
2«, der von der Imperial Chemical Industries Ltd., London, hergestellt und vertrieben
wird, als Funktion der Abwärtsbewegung h des Kolbens bei einem konstanten Eintrittswinkel
a der Düse und bei veränderlichem Wert von li. Mit 0 ist die Temperatur in OC, mit
p der angewandte Druck in kg/cm2 und mit D der Kolbendurchmesser in Millimetern
bezeichnet. Bei der Durchführung der hier dargestellten Versuche konnte keine Abreißerscheinung
beobachtet werden. Versuche, die mit einer üblichen Düse »180-IXI« durchgeführt
wurden, wurden als Vergleich mit den erfindungsgemäßen Düsen in der Figur wiedergegeben.
Man kann beobachten, daß, je größer der Wert lt ist, um so seltener die Verzögerungserscheinung
beobachtet werden kann, die durch den Wandeffekt verursacht wird, und die Ausflußgeschwindigkeit
bei ruhigen Strömungsverhältnissen ist unabhängig von dem Wert li. Wenn man eine
ausreichend ruhige Strömung erhalten will, so zeigt sich, daß der Wert des Verhältnisses
mild= 3, wobei d der Durchmesser der Bohrung der Düse ist, einen ungenügenden Wert
von ls für die erfindungsgemäße Düse ergibt. Die F i g. 11 zeigt ähnliche Versuche
mit der gleichen Substanz wie vorher, jedoch bei höheren Auspreßdrücken, wobei die
Abreißerscheinung beobachtet werden kann. In diesem Fall wird die Ausflußgeschwindigkeit
bei ruhiger Strömung um so kleiner, je größer li ist. Aus den Q-h-Kurven und aus
dem Aussehen der ausgepreßten Stoffe kan man schließen, daß die Pulsationen bei
einer Düse mit größerem li merklich verringert werden und kleinere Ausflußgeschwindigkeiten
ergeben. Um daher die höheren Ausflußgeschwindigkeiten im Gebiet der Pulsationen
für Viskositätsmessungen auswerten zu können, muß die Größe li auf
einet
vorgeschriebenen Wert festgelegt werden, wobei das Verhältnis IJd vorzugsweise größer
als 5 ist, Fig. 12 zeigt die selbsttätig aufgezeichnete Abwärtsbewegung des Kolbens
als Funktion der Zeit, wobei Alkathen 2 verwendet wurde. In dieser Figur bezeichnet
0 die Temperatur in OC, P den angewandten Druck in kg/cm2, Ms das Gewicht der'Probe;
in Gramm und hp den Kolbendurchmesser in Millimeter Die Bezeichnung für die Düse,
beispielsweise 45-IXI bedeutet, daß. der Eingangswinkel der Düse 450 beträgt, die
Bohrung der Düse 1 mm ist und die Länge des geradlinigen Bohrungsteils 1 mm beträgt.
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In der Zeichnung bedeutet die voll ausgezogene Kurve die mit der erfindungsgemäßen
Düse gewon nenen Ergebnisse, während die gestrichelte Kurve auf die Ergebnisse hinweist,
wie sie mit einer bekannter Düse erhalten werden. Bei der erfindungsgemäßen Düse
hat der abgeflachte Einlaß eine Tiefe von 7,25 mm. Die Pfeile an den Enden der Kurven
in Fig. 12 zeigen die Endpunkte des Ausströmens an Aus der gestrichelten Linie in
der F i g. 12 ersieht man, daß bei einem Viskosimeter, das mit einer bekannten Düse
ausgestattet ist, eine sehr bemerkenswerte, verzögerte, elastische Deformation der
Probe unmittelbar nach er Beschickung beobachtet werden kann, und die Verzögerung
der Ausflußgeschwindigkeit gegen Ende des Ausströmvorganges, die durch den Wandeffekt
hervorgerufen wird, ist bemerkenswert grill, so daß die gewünschte ruhige Strömung
nicht vorliegt. Im scharfen Gegensatz hierzu erhält man eine solche ruhige .Strömung
mit dem neuen Viskosirneter, was durch die ausgezogene Kurve der Zeichnung dargestellt
ist.
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Wenn eine Probe unter Druck in ein gemäß F i g. 1 ausgebildetes Viskosimeter
gegeben wird und die Temperatur beim Aufheizen des Zylinders mit konstanter Geschwindigkeit
erhöht wird, z. B. um 1, 3 oder 6QC pro Minute, dann nimmt die Ausströmgeschwindigkeit
des zu prüfenden Materials mit der Zeit zu. Durch die Temperaturzunahme der Heizeinrichtung
wird auch die Temperatur der in dem Zylinder enthaltenen Probe mit einer im wesentlichen
gleichen Geschwindigkeit erhöht, was eine entsprechende Abnahme der Viskosität der
Probe zur Folge haben muß. F i g. 13 zeigt selbsttätig geschriebene Kurven der Abwärtsbewegung
des Kolbens als Funktion der Temperatur in OC anstatt als Funktion der Zeit, wobei
Alkathen 2 verwendet wurde. Die Kurven geben die Prüfergebnisse vom Beginn des Ausströmens
unmittelbar nach dem Schmelzen der Substanz bis zum Ende des Strömens wieder. In
der Figur ist auch die Geschwindigkeit des Temperatur anstieges Ve angegeben, Die
augenblickliche Ausflußgeschwindigkeit an irgendeinem Punkt der Kurve kann bei den
zeitabhängig geschriebenen Kurven aus dem Winkel bestimmt werden, den die Tangente
an die Kurve mit der Zeitachse einschließt. Auf diese Weise kanrt eine Anzahl von
Augenblickswerten der Ausflußgeschwindigkeiten aus der dargestellten Strörnungskurve
bestimmt werden. In Fig. 14 sind die Werte des Logarithmus der Ausströmungsgeschwindigkeit
gegen den Reziprokwert der absoluten Temperatur dargestellt.
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Fig.15 zeigt einen Vergleich zwischen den Ergebnissen, die man mit
dem bereits erläuterten Verfahren bei fester Temperatur erhält (KurveI), und den
Ergebnissen, die man mit dem oben beschriebenen Verfahren erhält, bei dem die Temperatur
erhöht
wird (kurven); Die Ergebnisse des ersten Verfahrens werden durch die obere
Kurve und die des zweiten Verfahrens durch'die untere Kurve dargestellt.
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Es ist klar, daß bei einer-Verschicbung dieser Kurven parallel zur
Temperaturachse um eine gewisse Strecke beide Kurven praktisch zusammenfallen, ausgenommen
der allererste Teil der Ausströmungskurwen. Die Größe dieser Verschiebung hängt
hauptsächlich von der Wärmediffusion der Probe, von dem Temperaturanstieg bei einer
festen Zylinderbohrung und von dem Einlaßwinkel os der Düse ab. Andererseits liegt
die- Wärmediffusion geschmolzener Polymerer in einem verhältnismäßig begrenzten
Gebiet in der Größenordnung von 1 1 10-s cm2/Sek., während -sie bei dem Metall,
aus dem der Heizzylinder gefertigt ist, einen ganz wesentlich größeren Wert hat,
so daß die-zeitliche Verzögerung des Temperaturanstiegs im Heizzylinder wesentlich
geringer ist als die der in der Bohrung vorhandenen Probe. Wenn also eine Zylinderbohrung
einen Durchmesser unter etwa 1ü. mm hat und die Temperatur des Zylinders mit genau
konstanter Geschwindigkeit erhöht wird, wobei -gleichzeitig eine vorgeschriebene
Düse mit zweckmäßigen Abmessungen verwendet wird, deren Ausbildung gemäß der Erfindung
gewählt wurde, dann erhält man durch eine selbsttätig aufgezeichnete Kurve mit einem
einzigen Meßvorgang mit Hilfe des Temperaturanstiegsverfahrens die tatsächliche
Ausflußgeschwindigkeit gegen die Temperatur, gleichgültig wie die, elastischen Eigenschaften
der Probe sind. Dies ist ein wesentliches Merkmal und ein wichtiger Vorteil der
Erfindung. Mit einem üblichen Viskosimeter kann man dies niemals erreichen, was
aus den gestrichelten Kurven der F i g. 12 bis 14 hervorgeht. Dies beruht darauf,
daß bei einer üblichen Vorrichtung die verzögerte elastische Verformung der Probe
zu Beginn des Ausströmens merklich größer ist und die verzögerte Strömung, die durch
die Wandwirkung gegen Ende des Ausströmens bedingt wird, ebenfalls bemerkenswert
ist.
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Bei Viskositätsmessungen eines ausgesprochen elastischen Stoffes
vermittels des üblichen Viskosimeters, wie sie durch die gestrichelten Linien in
den Fig.13 und 14 dargestellt sind, ist die scheinbare Ausflußgeschwindigkeit anfangs
viel größer, was auf die verzögerte elastische Verformung zurückzuführen ist, während
die Geschwindigkeit gegen Ende durch den Wandeffekt verzögert wird, so daß die mittlere
Geschwindigkeit des Ausströmens mit der Temperatur zunimmt, was daraus ersichtlich
ist, daß die Krümmung der Kurve kleiner ist als bei der Kurve, die den Verfahren
entspricht, bei dem mit fester Temperatur gearbeitet wird. In manchen Fällen kann
die scheinbare Ausströmgeschwindigkeit, wie sie durch-das Temperaturanstiegsverfahren
erhalten wird, mit der Temperatur abnehmen, was im Gegensatz zu der Theorie der
Flüssigkeit steht.
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Im Gegensatz zu einem üblichen Strömungsviskosimeter erhält mast
mit dem erfindungsgemäßen Viskosimeter durch- eine einzige Bestimmung mittels des
Temperaturanstiegsverfahrens annehmbare Schätzwerte der Ausströmgeschwindigkeit
eines beliebigen geschmolzenen Hochpolymeren unter thermisch ruhigen Verhältnissen-
über einen weiten Temperaturbereich. Dies ist ein bedeutender Vorteil, den das erfindungsgemäße
Viskosimeter bietet, das damit einen beachtlichen Fortschritt der Technik darstellt,
insbesondere bei qualitativen Kontrollen in den verschiedensten
Industriezweigen.
Allgemein zeigen Materialien, z. B. Hochpolymere, häufig ein beachtlich instabiles
thermisches Verhalten bei stark erhöhten Temperaturen. Diese Eigenschaften erschweren
die Durchführung von Messungen nach dem Verfahren, bei dem mit fester Temperatur
gearbeitet wird und bei dem die Probe längere Zeit auf einer festen höheren Temperatur
gehalten werden muß, bis das thermische Gleichgewicht eingetreten ist.
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Diese Schwierigkeiten können durch das erfindungsgemäß Temperaturanstiegsverfahren
vollständig vermieden werden, da in diesem Fall ein wesentlich kürzerer Meßvorgang
zur Messung der Vikosität ausreichend ist.
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Fig. 16 zeigt die Abwärtsbewegung des Kolbens als Funktion der Zeit
oder Temperatur bei einem amorphen Polymeren »Lucit 129M«, das von der Du Pont Corporation,
New York, hergestellt wird, wobei das Temperaturanstiegsverfahren mit höherer Belastung
verwendet wurde und wobei Abreißerscheinungen in der Strömung auftraten. F i g.
17 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Kurven der Fig. 21, um die Auswirkungen
des Abreißens der Strömung auf selbsttätig aufgezeichnete Kurven zu erläutern. Wie
es aus den unregelmäßigen, kleinwelligen Kurven zu erkennen ist, kann ein Abreißen
in der Strömung bei dem erfindungsgemäßen Viskosimeter stark vermindert werden,
was mit den bekannten Viskosimetern nicht möglich wäre.
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F i g. 18 zeigt die Änderung der Ausströmungsgeschwindigkeit als
Funktion der reziproken absoluten Temperatur, wie sie sich aus den Kurven der F
i g. 16 ergibt. Es wurde beobachtet, daß die scheinbare Aktivierungsenergie für
die Strömung des viskosen Mediums, berechnet aus der Neigung der ausgezogenen Kurve
der Fig. 18, mit dem entsprechenden Wert zusammenfiel, der mit der Kurve der Temperatur-Ausströmgeschwindigkeit
bestimmt wurde, die durch das Verfahren gewonnen wurde, bei dem mit fester Temperatur
gearbeitet wird. Im Gegensatz hierzu ersieht man aus der gestrichelten Kurve, daß
die Temperatur-Ausströmgeschwindigkeitskurve, die man mit einem üblichen Viskosimeter
bei hohen Auspreßdrücken erhält, unregelmäßige Wellenlinien zeigt, die durch die
ungünstige pulsierende Strömung und durch die auf dem Wandeffekt beruhende Verzögerung
verursacht werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Viskosimeter wird bei Verwendung einer
gemäß der Erfindung ausgebildeten Düse das viskoelastische Prüfmaterial genau in
Auspreßrichtung ausgelassen, gleichgültig, wie die Ausströmgeschwindigkeit ist und
ob Abreißerscheinungen in der Strömung auftreten; selbst wenn das Verhältnis von
Bohrungslänge zu Bohrungsdurchmesser kleiner ist als bei einer üblichen Düse. Im
scharfen Gegensatz hierzu muß das viskoelastische Prüfmaterial bei einem üblichen
Viskosimeter am Auslaß auf einer gekrümmten Bahn strömen,'und das abgelenkte, ausgepreßte
Material berührt manchmal die Innenwand des Haltestücks der Düse. Wenn dies der
Fall ist, dann werden die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der M'eß ergebnisse natürlich-
beeinträchtigt, und es entstehen Schwierigkeiten bei der Reinigung am Ende der Messung,
so daß es längere Zeit dauert, bis das Viskosimeter für die nächste Messung bereit
ist.
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Da der Heizzylinder bei dem erfindungsgemäßen Viskosimeter viel kürzer
sein kann als bei einem
üblichen- Viskosimeter, damit man eine ruhige Strömung erreicht,
so erhält man noch folgende Vorteile: Erstens sind die erforderliche Menge des Prüfmaterials,
die zum Erwärmen des Zylinders erforderliche Leistung und die Zeitspanne bis zur
Erzielung thermisch ruhiger Verhältnisse im Prüfmaterial wesentlich geringer. Zweitens
kann die Probe vor der Messung leichter in den Heizzylinder eingeführt werden, und
der Zylinder und die Düse können nach der Messung leichter gereinigt werden.
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Die obenerwähnten Schwierigkeiten, die durch die Ablagerung von Probematerial
an der Innenwand des Düsenhalterungsstückes verursacht werden, könnten durch Verwendung
einer üblichen Düse vermieden werden, die einen etwas größeren Düsendurchmesser
hat und bei der das Verhältnis der Bohrungslänge zum Bohrungsdurchmesser größer
ist, als es in Fig. 6 gezeigt ist. Hierbei würden jedoch erhebliche Schwierigkeiten
bei der Reinigung der Düse nach der Messung auftreten. Bei dem erfindungsgemäßen
Viskosimeter können solche Schwierigkeiten, selbst wenn viskose Hochpolymere gemessen
werden, vollständig vermieden werden, weil das in der Düsenbohrung zurückbleibende
restliche Polymere nach der Messung zusammen mit der Substanz in dem in Form eines
umgedrehten Kegels ausgebildeten Einlaßteiles mechanisch entfernt wird, wobei diese
beiden Teile ein zusammenhängendes Stück biIden. Dadurch, daß die Reinigung einfacher,
leichter und vollständiger wird, besteht eine geringere Möglichkeit einer Beschädigung
der Düse durch Abnutzung, was eine höhere Genauigkeit der Messungen zur Folge hat.