DE2601487C3

DE2601487C3 - Viskosimeter

Info

Publication number: DE2601487C3
Application number: DE2601487A
Authority: DE
Inventors: Horst Henning Dr.-Ing. 7000 Stuttgart Winter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-01-16
Filing date: 1976-01-16
Publication date: 1980-02-14
Also published as: GB1565268A; CH610663A5; DE2601487B2; US4077251A; DE2601487A1; FR2338489A1; FR2338489B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Viskosimeter mit zwei konzentrisch gelagerten, einen Ringspalt bildenden Zylindern, die sich relativ zueinander drehen und deren dem Ringspalt zugewandte Oberflächen ein derartiges Profil aufweisen, daß durch die Drehbewegung eine axiale Förderung der im Ringspalt befindlichen Meßsubstanz bewirkt wird, und mit einer Einrichtung zum Messen des durch die Meßsubstanz übertragenen Drehmoments.

Die Viskosität η ist definiert als der Quotient aus Schubspannung τ und Schcrgeschwindigkcit γ in stationären Scherströmungen

η = τ/γ Ν s/m².

Bei Newtonschen Flüssigkeiten ist die Viskosität eine Funktion von Druck und Temperatur, während bei nicht-Newtonschen Substanzen die Viskosität zusätzlich noch von der Schergeschwindigkeit abhängt (siehe z. B. DIN 13 342).

Zur Aufnahme der Fließkurven γ = f(v)bzv/.T = ((y), welche die Grundlage der Theologischen Datenberechnung bilden, werden be: thermoplastischen Kunststoffen üblicherweise die folgenden drei Grundarten von Viskosimeiern verwendet:

1) Kapillar-Viskosimeter mit Bohrung oder Schlitz;

2) Rotations-Viskosimeter mit Scherspalt zwischen zwei konzentrischen Zylindern (Couette-Rheometer)

a) für den Betrieb mit abgeschlossenen Stoffmengen oder

b) für den Betrieb mit durchlaufenden Stoffmengen;

3) Rotations-Rheometer mit planparellelem oder keilförmigem Scherspalt für den Betrieb mit abgeschlossenen Stoffmengen.

Die Gruppe 1) kommt vorzugsweise für hoch viskose Polymerschmelzen in Betracht, während die Gruppen 2) und 3) häufiger für niedrig viskose Flüssigkeiten, wie Polymerlösungen, Verwendung finden.
Bei Viskosimetern der Gruppe 2b, zu denen auch der Gegenstand der vorliegenden Erfindung gehört, säuft der Prüfstoff durch. Beim Betrieb mit durchlaufenden Stoffmengen wird Dissipationswärme konvektiv aus dem Meßspalt gefördert, und Viskositätsmessungen

ίο können auch noch bei relativ hohen Schergeschwindigkeiten durchgeführt werden. Ein weiterer Grund, ein Viskosimeter im Durchlauf zu betreiben, ergibt sich bei der Überwachung der Viskosität über längere Zeit. Einem Prozeß werden dazu dauernd Proben entnommen, deren Viskosität mit einem Viskosimeter bestimmt wird. Wenn das Viskosimeter direkt im Durchlaufverfahren betrieben wird, ergeben sich die geringsten Totzeiten zwischen Probenentnahme und Viskositätsmessung.

Die Couette- oder Schleppströmung, die durch die Relativbewegung (Drehung) der Zylinder verursacht wird, ist von einer axialen Strömung überlagert, welche beispielsweise mit einer bereits verfahrenstechnisch vorgegebenen Druckdifferenz Ap (U.K. Bruss, Kunststoffe 60, 162-164 [197O]) oder durch ein separates Pump-Aggregat erzeugt wird; ein derartiges Pump-Aggregat kann beispielsweise eine Zahnradpumpe oder eine Schneckenpresse (DE-OS 17 98 201) sein. Die Oberflächen von Innen- und Außenzylinder sind

W glatt (ohne Profil), und das System kann die Prüfflüssigkcit nicht selbständig fördern. Der Antrieb des rotierenden Zylinders erfolgt unabhängig vom Antrieb der Pumpe, oder wenn rotierender Zylinder und Förderaggregat koaxial miteinander verbunden sind und gemeinsam angetrieben werden, so bestimmt man die Viskosität aus dem separat für einen Zylinder des Viskosimctcrs gemessenen Drehmoment (DE-OS 17 98 201).

Bei einem bekannten selbst fördernden Viskosimeter der eingangs genannten Art wird die axiale Strömung durch Stege im Scherspalt zwischen Innen- und Außenzylinder bewirkt (DE-GM 19 51710). Diese Stege können /um Beispiel der oder die Stege der Schnecke eines Einschneckenextruders sein. Dieses System der rotierenden Schnecke in einem zylindrischen Gehäuse ist in der Fördertechnik, in der Aufbereitungstechnik und speziell in der Kunststofftechnik weit verbreitet. Es ist bekannt, daß die Masse quer zum Schneckengang rotiert und gleichzeitig längs

so des wendelförmigcn Schneckenfanges strömt. (Siehe z. B. Z. T a d m ο r und I. Klein, Engineering Principles of Plaslicating Extrusion, van Nostrand [1970], Bild 6.5, Bild 6.6 und Bild 6.7.) Außer dem axialen Transport findet ein Mischen der Prüfflüssigkeit statt.

Dieses Mischen widerspricht jedoch der Forderung nach definierter Schergeschwindigkeit in der Viskosimetrie. Die Prüfsubstanz strömt außerdem über die Schneckenstege von einem Schneckengang in den benachbarten; die Verweilzeit über den Stegen ist dabei

Wi so kurz, daß die Störmung im wesentlichen von Ein- und Auslaufeffekten bestimmt ist. Eine definierte Scherströmung tritt demnach nirgendwo in dem System auf.

Das selbstfördernde System ist dem Couette-System mit von außen aufgeprägtem Axialstrom (separates

i'"i Pump-Aggregat) in vielen Anwendungsfällen vorzuziehen, da es wesentlich einfacher aufgebaut ist. In der bekannten Art ist es jedoch nicht geeignet, Viskositäten von nicht-Newtonschen Substanzen zu messen. Die

Stege bewirken, daß die Flüssigkeit in dem weiten Querschnitt zwischen den Stegen zirkuliert Die Schergeschwindigkeiten sind nicht determiniert, d. h„ sie sind lokal im gesamten Spalt sehr unterschiedlich und ihre Größe läßt sich ohne vorherige Kenntnis der Viskosität nicht ermitteln.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein selbstförderndes Viskosimeter der eingangs genannten Art zu schaffen, das meßtechnische Aussagen über die Viskosität auch nicht Newtonscher Stoffe ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch beschriebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das vorgeschlagene Viskosimeter ist eine Variation des bekannten Couette-Systems. Die Geometrie des Innenzylinders und/oder die Geometrie des Außenzylinders werden nur so wenig abgeändert, daß die Couette-Strömung zum größten Teil erhalten bleibt. Die Schergeschwindigkeit in der Strömung zwischen diesen unveränderten Flächen des Innen- und Außenzylinders ist durch dieselben Zusammenhänge gegeben wie beim Couette-System. Gestört wird dieses Couette-System durch die eingeschnittenen Nuten (z. B. wendeiförmiger Gang oder Gänge). Im Bereich dieser Nuten zirkuliert die Flüssigkeit, wobei gleichzeitig ein kleiner axialer Druckgradient erzeugt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen noch erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch ein Viskosimeter,

F i g. 2 einen senkrechten Schnitt durch ein Viskosimeter mit unterteiltem Außenzylinder,

Fig. J Ansichten verschiedener Ausführungsformen des Innenzylinders.

F i g. 1 zeigt ein Schema der Vorrichtung. Ein Innenzylinder 7 befindet sich in einem Außenzylinder 6. Bei dem gezeigten Beispiel rotiert der Innenzylinder 7; alternativ könnte auch der Außenzylinder 6 rotieren. Der Innenzylinder 7 wird über den Schaft 1 mit einer vorgegebenen Drehzahl oder einem Drehzahl-Programm angetrieben. Das Drehmoment wird am Schaft 1 (Meßfühler 2) oder am Außenzylinder 6 (Meßfühler 3) gemessen. Der mit der Prüf-Flüssigkeit gefüllte Raum wird zum Antrieb hin mit der Dichtung 5 abgedichtet.

Bei einer Drehmomentmessung am Außenzylinder 6 kann man den Spalt zwischen Innenzylinder 7 und Außen^ylinder 6 aufteilen, wie zum Beispiel in Fig. 2. Das Drehmoment wird nur noch für einen Teil des Innenzylinders 7 gemessen (Meßspalt der Länge L). Der andere Teil des Innenzylinders 7 läuft in einem über Halterungen fest mit einer Grundplatte 4 verbundenen Teil des Außenzylinders 6b. Der Spalt 8 zwischen Zylinderteil 6a und Zylinderteil 6Zj kann mit einer fler.iblen Dichtung abgedichtet werden, braucht es jedoch nicht. Der Meßspalt kann am oberen Teil des Innenzylinders (Ausführung in B i I d 2) oder entsprechend am unteren Teil des Innenzylinders gewählt

ίο werden.

Beim Rotieren des Innen- (oder Außen) Zylinders wird die Prüfsubstanz in Umfangsrichtung geschert. Um nun zusätzlich ein axiales Durchströmen des Scherspaltes zu erreichen, wird bei dem hier beschriebenen Viskosimeter die Geometrie des Innenzylinders 7 und/oder die Geometrie des Außenzylinders 6 (verglichen mit der Geometrie eines entsprechenden Coueue-Rheometers) so abgeändert, daß ein kleiner axialer Druckgradient entsteht. Beispiele für solche Geometrien sind in Fig.3 aufgeführt. Die gezeigten Innenzylinder 7 ergeben zusammen mit einem glatten Außenzylinder 6 ein förderwirksames System. Alternativ könnte man förderwirksame Geometrien für den Außenzylinder 6 wählen und zusammen mit einem profilierten oder glatten Innenzylinder betreiben.

Das erste der Ausführungsbeispiele in F i g. 3 ist ein sogenannter »Sacknuten-Torpcdo« 7a. Bei gleichem Druck am Ein- und am Auslauf (Δρ = 0) des Systems ist ist der geförderte Volumenstrom berechenbar (G.

W Schenkel, Industrie-Anzeiger 94, 2092-2096 [1972]). Die glatten Zylinderflächen sind dabei wesentlich größer als die mit Nuten-Profil versehenen Flächen. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel Tb ist in den Innenzylinder ein wendeiförmiger Kanal eingeschnitten, der wie in dem bekannten System Schnecke/Zylinder für den axialen Transport sorgt. Während bei der Schnecke der Schneckengang wesentlich breiter als der Steg ist, ist hier die Nut wesentlich schmaler als die verbleibende Zyünderfläche. Bei dem dritten Ausfüh-

4» rungsbeispiel 7c ist der wendeiförmige Kanal nur über einen Teil des Innenzylinders geschnitten. Bei allen drei Beispielen wird die Energie für den axialen Fördervorgang wie die Energie für die Scherung in Umfangsrichtung durch das Drehmoment am Schaft in die Prüfmasse

4^r> eingebracht. Die für ein bestimmtes Material viskosimctrisch günstigste Ausführung ist diejenige, bei der das Drehmoment im wesentlichen durch die Scherung in Umfangsrichtung bestimmt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Viskosimeter mit zwei konzentrisch gelagerten, einen Ringspalt bildenden Zylindern, die sich relativ zueinander drehen und deren dem Ringspalt zugewandte Oberflächen ein derartiges Profil aufweisen, daß durch die Drehbewegung eine axiale Förderung der im Ringspalt befindlichen Meßsubstanz bewirkt wird, und mit einer Einrichtung zum Messen des durch die Meßsubstanz übertragenenen Drehmoments, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil durch Nuten gebildet ist, die so gestaltet sind, daß die Couette-Strömung nicht wesentlich gestört und nur eine relativ geringe axiale Strömungsgeschwindigkeit bewirkt wird.

2. Viskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenzylinder als sogenannter Sacknutentorpedo (7a)ausgebildet isL

3. Viskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenzylinder eine schnekkcnförmige Nut aufweist.

4. Viskosimeter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment am Außenzylinder (6) derart gemessen wird, daß ein Teil (6b) des Außenzylinders direkt mit der Grundplatte (4) verbunden ist, und ein anderer Teil (6a) indirekt über die Drehmoment-Meßvorrichtung (3).