Kapillarrheometer richtig auswerten: Druckkanäle, Wandgleiten und Scherviskosität verstehen

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Bei der Verarbeitung von Kunststoffen entscheidet nicht allein ein einzelner Viskositätswert darüber, wie sich ein Polymer im Extruder, beim Spritzgießen oder in einer Düse verhält. Polymerschmelzen sind in der Regel nicht-newtonsch: Ihre Viskosität verändert sich mit der Scherrate, der Temperatur und bei empfindlichen Materialien auch mit der Verweilzeit. Ein Kapillarrheometer ermöglicht deshalb eine wesentlich detailliertere Charakterisierung des Fließverhaltens als eine einzelne MFR- oder MVR-Messung.

Das Messprinzip erscheint zunächst einfach: Eine temperierte Polymerschmelze wird mit definierter Geschwindigkeit durch eine Kapillare gepresst. Aus Volumenstrom, Kapillargeometrie und Druck beziehungsweise Kolbenkraft werden Scherrate, Schubspannung und Scherviskosität bestimmt. In der Praxis können jedoch bereits Unterschiede beim Kapillardurchmesser, beim L/D-Verhältnis, bei der Druckmessung oder bei der Temperaturführung dazu führen, dass zwei eigentlich vergleichbare Proben scheinbar unterschiedliche Fließkurven zeigen.

Für Entwicklung, Compoundierung und Qualitätssicherung ist deshalb wichtig, zwischen scheinbaren Messgrößen und korrigierten rheologischen Größen zu unterscheiden. Ein höherer gemessener Druck muss nicht automatisch bedeuten, dass das Material tatsächlich eine höhere Scherviskosität besitzt. Einlaufdruckverluste, ein ungeeigneter Druckmessbereich, Wandgleiten, Materialabbau oder eine verschmutzte Kapillare können das Ergebnis ebenfalls verändern.

Für entsprechende Untersuchungen finden Sie bei ICS Schneider Kapillarrheometer für die rheologische Charakterisierung von Polymerschmelzen. Für die Druckmessung in Kunststoffschmelzen stehen ergänzend Massedrucksensoren für Extrusions- und Polymeranwendungen zur Verfügung.

Was misst ein Kapillarrheometer?

Bei einem Kapillarrheometer wird eine definierte Menge des zu untersuchenden Materials in einem beheizten Zylinder aufgeschmolzen beziehungsweise temperiert. Ein Kolben verdrängt die Schmelze anschließend mit einer definierten Geschwindigkeit durch eine Kapillare mit bekanntem Innendurchmesser D und bekannter Länge L.

Abhängig vom Messsystem werden unter anderem folgende Größen erfasst beziehungsweise daraus berechnet:

• Kolbengeschwindigkeit und Volumenstrom,
• Kolbenkraft oder Schmelzedruck,
• Schmelzetemperatur,
• scheinbare Scherrate,
• scheinbare Wandschubspannung,
• scheinbare Scherviskosität,
• korrigierte rheologische Größen,
• zeitliche Veränderung der Viskosität.

Typischerweise wird daraus eine Fließkurve erstellt, bei der die Scherviskosität über der Scherrate dargestellt wird. Damit lässt sich beurteilen, wie stark sich ein Polymer bei zunehmender Verarbeitungsgeschwindigkeit scherverdünnt.

Der Vorteil gegenüber einer einfachen Schmelzindexprüfung besteht darin, dass nicht nur ein einzelner Betriebspunkt betrachtet wird. Stattdessen kann das Material über einen größeren Scherratenbereich untersucht werden, der sich gezielter an realen Verarbeitungsbedingungen orientieren lässt.

Warum Polymerschmelzen nicht-newtonsch sind

Bei einem ideal newtonschen Fluid bleibt die Viskosität unabhängig von der Scherrate konstant. Die meisten Polymerschmelzen verhalten sich dagegen scherverdünnend: Mit steigender Scherrate sinkt ihre scheinbare Viskosität.

Vereinfacht lässt sich dies damit erklären, dass sich Polymerketten mit zunehmender Strömungsbeanspruchung stärker in Fließrichtung orientieren. Dadurch kann die Schmelze leichter fließen.

Eine Aussage wie „Das Material besitzt eine Viskosität von 500 Pa·s“ ist deshalb ohne Angabe der Messbedingungen nur eingeschränkt aussagekräftig. Zu einem Viskositätswert gehören mindestens:

• Temperatur,
• Scherrate beziehungsweise Schubspannung,
• Kapillargeometrie,
• angewandtes Korrekturverfahren,
• Materialzustand und gegebenenfalls Trocknung,
• Verweilzeit bei Prüftemperatur.

Gerade beim Vergleich verschiedener Materialchargen müssen diese Bedingungen möglichst identisch gehalten werden. Andernfalls kann ein Unterschied in der Messmethode fälschlich als Materialunterschied interpretiert werden.

Kapillargeometrie und L/D-Verhältnis

Die Kapillargeometrie hat direkten Einfluss auf die Berechnung der rheologischen Größen. Besonders wichtig sind der Innendurchmesser D und die Länge L der Kapillare.

Das Verhältnis aus Länge und Durchmesser wird als L/D-Verhältnis angegeben:

L/D = Kapillarlänge / Kapillardurchmesser

Eine Kapillare mit 20 mm Länge und 1 mm Innendurchmesser besitzt beispielsweise ein L/D-Verhältnis von 20.

Bei einer langen Kapillare entsteht ein größerer Anteil des Gesamtdruckverlustes entlang der eigentlichen Kapillarstrecke. Bei einer sehr kurzen Kapillare fällt dagegen der zusätzliche Druckverlust am Eintritt in die Kapillare relativ stärker ins Gewicht.

Beim Übergang vom vergleichsweise großen Messzylinder in die wesentlich kleinere Kapillare wird die Strömung stark beschleunigt und umgelenkt. Der dafür erforderliche Druck gehört nicht vollständig zum Druckverlust der ausgebildeten Kapillarströmung.

Deshalb sollten bei Materialvergleichen immer dokumentiert werden:

• Kapillardurchmesser,
• Kapillarlänge,
• L/D-Verhältnis,
• Einlaufgeometrie,
• Kapillarmaterial beziehungsweise Ausführung,
• Zustand und Sauberkeit der Kapillare.

Warum der Kapillardurchmesser besonders kritisch ist

Der Durchmesser geht bei der Berechnung der scheinbaren Scherrate mit der dritten Potenz ein. Eine vergleichsweise kleine Abweichung des tatsächlichen Durchmessers kann deshalb bereits einen deutlich größeren Einfluss auf die berechnete Scherrate haben.

Verschleiß, Ablagerungen oder eine unzureichend gereinigte Kapillare sind daher nicht nur ein mechanisches Problem, sondern unmittelbar ein rheologisches Messproblem.

Warum die Druckmessung so wichtig ist

Die Wandschubspannung wird aus dem Druckverlust und der Kapillargeometrie bestimmt. Damit wirkt sich ein Fehler bei der Druckmessung unmittelbar auf die berechnete Scherviskosität aus.

Je nach Bauart des Kapillarrheometers kann die Belastung der Schmelze über die Kolbenkraft oder direkt über einen im Messzylinder montierten Schmelzedruckaufnehmer erfasst werden.

Eine direkte Druckmessung in der Schmelze kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn Einflüsse der Kolbenmechanik möglichst weitgehend von der eigentlichen Druckmessung getrennt werden sollen. Sie bedeutet allerdings nicht automatisch, dass der angezeigte Druck ausschließlich innerhalb der Kapillare entstanden ist. Auch zwischen Druckmessstelle und Kapillare sowie am Kapillareintritt treten Druckverluste auf.

Der Druckmessbereich muss zur Messaufgabe passen

Ein häufig unterschätzter Punkt ist die Auswahl des Druckmessbereichs. Ein sehr großer Messbereich bietet zwar hohe Überlastungsreserven, nutzt bei niedrigen Drücken aber möglicherweise nur einen kleinen Teil des verfügbaren Messsignals.

Dadurch können beispielsweise folgende Einflüsse relativ stärker ins Gewicht fallen:

• Nullpunktabweichung,
• Signalrauschen,
• Auflösung,
• Temperaturbedingter Nullpunktversatz.

Ein zu klein gewählter Messbereich ist dagegen ebenfalls ungeeignet, wenn bei hoher Scherrate oder einem besonders hochviskosen Material die Gefahr einer Überlastung besteht.

Als praktische Regel gilt deshalb:

Der Druckbereich sollte so klein wie für eine gute Messauflösung sinnvoll, aber so groß wie für den höchsten erwarteten Prozessdruck erforderlich gewählt werden.

Vor einer umfangreichen Messreihe ist es sinnvoll, zunächst einen Vorversuch durchzuführen und den tatsächlich auftretenden Druckbereich über die geplanten Scherraten zu bestimmen.

Druckkanäle und Position der Druckmessung

Bei Kapillarrheometern mit direkter Druckmessung muss bekannt sein, wo der jeweilige Druck erfasst wird. Ein Drucksensor misst immer den lokalen Druck an seiner Messstelle. Dieser Wert entspricht nicht automatisch dem reinen Druckabfall innerhalb der Kapillare.

Befindet sich der Druckaufnehmer oberhalb der Kapillare, können im Messwert beispielsweise enthalten sein:

• Druckverlust zwischen Druckmessstelle und Kapillare,
• Einlaufdruckverlust,
• Druckverlust innerhalb der Kapillare.

Besonders bei Geräten mit mehreren Druck- oder Messkanälen muss deshalb eindeutig dokumentiert werden, welcher Sensor und welche Kapillare zu welchem Messwert gehören.

Vor einer Messreihe sollten mindestens folgende Punkte geprüft werden:

1. Welcher Druckkanal wird verwendet?
2. Welcher Druckaufnehmer ist diesem Kanal zugeordnet?
3. Welchen Messbereich besitzt der Sensor?
4. Welche Kapillare ist installiert?
5. Ist der Druckkanal sauber und vollständig mit Schmelze beaufschlagt?
6. Wurde der Druckaufnehmer bei stabiler Prüftemperatur genullt beziehungsweise überprüft?

Gerade der letzte Punkt ist wichtig. Bei hochtemperaturgeeigneten Schmelzedruckaufnehmern kann sich der Nullpunkt beim Aufheizen verändern. Wird ein Sensor bei Raumtemperatur genullt und anschließend bei hoher Schmelzetemperatur verwendet, kann dadurch ein systematischer Offset entstehen.

Scheinbare Scherrate, Schubspannung und Viskosität

Die zunächst direkt aus Volumenstrom, Geometrie und Druck berechneten rheologischen Werte werden häufig als scheinbare Größen bezeichnet. Sie beruhen auf vereinfachenden Annahmen und bilden die Ausgangsbasis für weitere Korrekturen.

Scheinbare Scherrate

Für eine kreisförmige Kapillare kann die scheinbare Scherrate an der Wand mit folgender Beziehung bestimmt werden:

γ̇app = 32 · Q / (π · D³)

Dabei ist:

• γ̇_app = scheinbare Scherrate in s^-1,
• Q = Volumenstrom,
• D = Innendurchmesser der Kapillare.

Scheinbare Wandschubspannung

Wird zunächst angenommen, dass der gesamte gemessene Druckabfall innerhalb der Kapillare entsteht, ergibt sich:

τapp = Δp · D / (4 · L)

Dabei ist:

• τ_app = scheinbare Wandschubspannung,
• Δp = gemessener Druckabfall,
• D = Kapillardurchmesser,
• L = Kapillarlänge.

Scheinbare Scherviskosität

Aus Schubspannung und Scherrate folgt:

ηapp = τapp / γ̇app

Für reine Vergleichsprüfungen können scheinbare Werte bereits sehr nützlich sein, sofern sämtliche Prüfbedingungen konstant bleiben. Für eine möglichst physikalisch korrekte Charakterisierung der Polymerschmelze müssen jedoch häufig Einlaufverluste und das nicht-newtonsche Strömungsprofil berücksichtigt werden.

Bagley-Korrektur: Einlaufdruckverluste berücksichtigen

Die einfache Berechnung der Wandschubspannung setzt zunächst voraus, dass der gesamte gemessene Druckverlust innerhalb der zylindrischen Kapillare entsteht. In einem realen Kapillarrheometer ist dies nicht vollständig der Fall.

Am Eintritt aus dem größeren Messzylinder in die kleine Kapillare wird die Schmelze beschleunigt und die Strömung stark umgeformt. Dafür ist ein zusätzlicher Druck erforderlich. Wird dieser Einlaufdruckverlust vollständig der Kapillare zugerechnet, werden Wandschubspannung und daraus abgeleitete Viskosität überschätzt.

Die Bagley-Korrektur dient dazu, diesen zusätzlichen Druckanteil zu bestimmen.

Wie wird eine Bagley-Korrektur durchgeführt?

Für eine klassische Bagley-Auswertung werden Kapillaren verwendet, die:

• denselben Durchmesser besitzen,
• eine vergleichbare Einlaufgeometrie haben,
• aber unterschiedliche Kapillarlängen beziehungsweise L/D-Verhältnisse besitzen.

Bei derselben scheinbaren Scherrate wird für jede Kapillare der erforderliche Druck bestimmt. Anschließend wird der Druck gegen das jeweilige L/D-Verhältnis aufgetragen.

Die Messwerte werden auf L/D = 0 extrapoliert. Der dort erhaltene Druckachsenabschnitt entspricht dem zusätzlichen Druckanteil, der nicht der voll entwickelten Strömung entlang der Kapillarlänge zugerechnet werden soll.

Bezeichnet man diesen Anteil als p_e, kann die korrigierte Wandschubspannung vereinfacht mit

τw = (Δp − pe) · D / (4 · L)

bestimmt werden.

Mit nur zwei Kapillarlängen lässt sich mathematisch bereits eine Gerade bestimmen. Für eine belastbare praktische Auswertung sind jedoch mehrere L/D-Verhältnisse günstiger, weil dann auch beurteilt werden kann, ob die Druckabhängigkeit tatsächlich ausreichend linear ist.

Wann ist besondere Vorsicht erforderlich?

Zeigt die Auftragung des Drucks über L/D keine plausible lineare Beziehung, sollte nicht einfach blind extrapoliert werden. Mögliche Ursachen sind beispielsweise:

• Materialabbau während der Messreihe,
• nichtstationäre Strömung,
• starke Eigenerwärmung der Schmelze,
• Wandgleiten,
• unterschiedliche reale Kapillardurchmesser,
• abweichende Einlaufgeometrien.

Wichtig: Eine direkte Druckmessung unmittelbar oberhalb der Düse macht die Bagley-Korrektur nicht automatisch überflüssig. Der Einlaufdruckverlust entsteht weiterhin zwischen Zylinder und voll ausgebildeter Kapillarströmung.

Rabinowitsch-Korrektur: nicht-newtonsches Verhalten berücksichtigen

Die Formel für die scheinbare Scherrate basiert auf einem newtonschen Strömungsprofil. Polymerschmelzen sind jedoch meist scherverdünnend. Dadurch unterscheidet sich das Geschwindigkeitsprofil in der Kapillare vom newtonschen Ideal.

Die tatsächliche Scherrate an der Kapillarwand kann deshalb von der zunächst berechneten scheinbaren Scherrate abweichen.

Mit der Weissenberg-Rabinowitsch-Korrektur, häufig verkürzt als Rabinowitsch-Korrektur bezeichnet, wird dieser Effekt berücksichtigt.

Wird der betrachtete Bereich der Fließkurve lokal durch ein Potenzgesetz beschrieben und ist n die lokale Steigung der Beziehung zwischen Schubspannung und scheinbarer Scherrate im doppellogarithmischen Maßstab, kann geschrieben werden:

γ̇w = ((3n + 1) / (4n)) · γ̇app

Für ein newtonsches Fluid gilt n = 1. Der Korrekturfaktor beträgt dann 1.

Bei einem scherverdünnenden Polymer ist n kleiner als 1. Die korrigierte Wandscherrate liegt dann über der scheinbaren Scherrate.

Die korrigierte Viskosität ergibt sich entsprechend aus:

ηkorr = τw / γ̇w

Bagley und Rabinowitsch dürfen nicht verwechselt werden

Korrektur	Was wird korrigiert?	Typische Grundlage
Bagley	Zusätzliche Einlauf- beziehungsweise Geometriedruckverluste	Gleicher Durchmesser, unterschiedliche L/D-Verhältnisse
Rabinowitsch	Nicht-newtonsches Geschwindigkeitsprofil und daraus resultierende tatsächliche Wandscherrate	Steigung der Fließkurve

Die Verfahren korrigieren also zwei unterschiedliche physikalische Effekte. Für eine möglichst genaue Fließkurve können deshalb sowohl die Wandschubspannung als auch die Wandscherrate korrigiert werden.

Wandgleiten erkennen und bewerten

Bei der klassischen Kapillarströmung wird zunächst angenommen, dass die Geschwindigkeit der Schmelze unmittelbar an der Wand null ist. Diese Annahme wird als No-Slip-Randbedingung bezeichnet.

Bei bestimmten Polymerschmelzen, hochgefüllten Compounds oder speziellen Materialformulierungen kann es jedoch zu einer Relativbewegung zwischen Schmelze und Kapillarwand kommen. Dieses Verhalten wird als Wandgleiten oder Wall Slip bezeichnet.

Dann entsteht ein Teil des Volumenstroms nicht ausschließlich durch die Scherverformung innerhalb des Materials, sondern zusätzlich durch das Gleiten an der Wand. Wird trotzdem mit der klassischen No-Slip-Annahme gerechnet, kann die scheinbare Scherrate zu hoch beziehungsweise die daraus bestimmte Viskosität zu niedrig erscheinen.

Typische Hinweise auf Wandgleiten

Hinweise können beispielsweise sein:

• Fließkurven hängen systematisch vom Kapillardurchmesser ab,
• unerwartete Sprünge oder Bereiche mit stark veränderter Steigung in der Fließkurve,
• Stick-Slip-Verhalten,
• auffällige Druckoszillationen,
• Veränderungen der Extrudatoberfläche bei steigender Belastung.

Eine Durchmesserabhängigkeit allein beweist Wandgleiten allerdings noch nicht. Auch Einlaufverluste, nicht identische Kapillaren, Materialänderungen oder unzureichende Temperaturkonstanz können Unterschiede verursachen.

Mooney-Auswertung zur Untersuchung von Wandgleiten

Eine klassische Methode zur Untersuchung des Wandgleitens ist die Mooney-Auswertung.

Dazu werden Fließkurven mit Kapillaren unterschiedlicher Radien aufgenommen. Die L/D-Verhältnisse sollten dabei vergleichbar gehalten werden, damit sich die Druckbedingungen nicht unnötig verändern.

Für eine ausgewählte Wandschubspannung wird anschließend die scheinbare Scherrate gegen den Kehrwert des Kapillarradius aufgetragen.

Bei Wandgleiten entsteht eine systematische Abhängigkeit vom Radius. Aus der Steigung kann die Slipgeschwindigkeit an der Wand bestimmt beziehungsweise abgeschätzt werden.

Ein sinnvoller Prüfablauf ist:

1. Kapillaren mit unterschiedlichen Durchmessern auswählen.
2. Möglichst vergleichbare L/D-Verhältnisse verwenden.
3. Fließkurven bei identischer Materialtemperatur aufnehmen.
4. Einlaufdruckverluste sinnvoll berücksichtigen.
5. Messwerte bei derselben Wandschubspannung vergleichen.
6. Scherrate gegen den Kehrwert des Radius auswerten.
7. Messung bei mehreren Schubspannungen wiederholen.

Damit kann nicht nur festgestellt werden, ob Wandgleiten wahrscheinlich auftritt, sondern auch, ab welcher Belastung der Effekt deutlich zunimmt.

Temperaturhomogenität, Verweilzeit und Materialabbau

Die Scherviskosität von Polymerschmelzen reagiert empfindlich auf Temperaturänderungen. Bereits relativ kleine Abweichungen können zu einer sichtbaren Verschiebung der gesamten Fließkurve führen.

Für reproduzierbare Messungen genügt es daher nicht, lediglich einen Sollwert am Rheometer einzustellen. Entscheidend ist, dass Messzylinder, Kapillare und Material ausreichend thermisch stabilisiert sind.

Gleichzeitig darf die Probe nicht unnötig lange bei hoher Temperatur im Messzylinder verbleiben.

Abhängig vom Material können während der Verweilzeit beispielsweise auftreten:

• thermischer Abbau,
• Oxidation,
• Kettenspaltung,
• Vernetzung,
• weitere chemische Reaktionen,
• hydrolytischer Abbau bei feuchtigkeitsempfindlichen Polymeren,
• Verlust flüchtiger Bestandteile.

Ein Abbau mit sinkender mittlerer Molekülmasse führt häufig zu einer Verringerung der Viskosität. Vernetzungs- oder Nachreaktionen können dagegen auch einen Anstieg der Viskosität verursachen.

Time Sweep vor dem Rate Sweep

Bei einem unbekannten oder thermisch empfindlichen Material kann deshalb zunächst ein Time Sweep sinnvoll sein. Dabei wird die Viskosität beziehungsweise der Druck bei konstanter Temperatur und definierter Scherrate über die Zeit beobachtet.

Bleibt der Wert innerhalb des für die Anwendung relevanten Zeitfensters stabil, kann anschließend eine Scherratenrampe durchgeführt werden.

Ändert sich die Viskosität dagegen kontinuierlich mit der Zeit, muss die Verweilzeit bei allen Vergleichsmessungen streng kontrolliert werden. Andernfalls wird während einer Messreihe gleichzeitig der Einfluss der Scherrate und der fortschreitenden Materialveränderung erfasst.

Für ein nachvollziehbares Prüfprotokoll sollten daher neben der Temperatur auch Befüllzeit, Vorwärmzeit, Wartezeit und eigentliche Messdauer dokumentiert werden.

Extrudatoberfläche als zusätzliche Information

Nicht nur der berechnete Viskositätswert ist für die Beurteilung einer Kapillarrheometermessung interessant. Auch das aus der Kapillare austretende Extrudat kann wichtige Hinweise liefern.

Auffällige Oberflächen oder Formen können beispielsweise mit folgenden Phänomenen zusammenhängen:

• Sharkskin,
• Stick-Slip-Strömung,
• Melt Fracture,
• Lufteinschlüssen,
• nicht vollständig aufgeschmolzenem Material,
• Verunreinigungen,
• thermischer Materialschädigung.

Solche Effekte können gleichzeitig im Drucksignal sichtbar werden. Regelmäßige Druckschwankungen oder sprunghafte Änderungen sollten deshalb nicht ausschließlich numerisch ausgewertet werden. Ein Blick auf das Extrudat liefert häufig zusätzliche Informationen.

Ein Messpunkt mit stark oszillierendem Druck und instabilem Extrudat sollte nicht unkritisch gemeinsam mit stabilen Messpunkten zu einer glatten Fließkurve zusammengefasst werden.

Typische Fehlerbilder bei Kapillarrheometern

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Viskosität liegt höher als bei früheren Messungen	Temperatur zu niedrig, Einlaufdruck nicht korrigiert, Drucknullpunkt verschoben, Kapillare verengt	Temperatur, Drucknullpunkt, Kapillargeometrie und Sauberkeit kontrollieren
Viskosität liegt niedriger als erwartet	Temperatur zu hoch, Materialabbau, Wandgleiten	Temperatur und Verweilzeit kontrollieren, Messungen mit unterschiedlichen Kapillardurchmessern vergleichen
Starke Streuung bei niedrigen Scherraten	Drucksignal sehr klein im Verhältnis zum Sensorbereich, instationärer Zustand	Druck-Zeit-Verlauf prüfen und geeigneten Druckmessbereich verwenden
Ergebnisse hängen vom L/D-Verhältnis ab	Einlaufdruckverlust nicht ausreichend berücksichtigt	Bagley-Auswertung durchführen
Ergebnisse hängen vom Kapillardurchmesser ab	Wandgleiten oder andere Geometrieeffekte	Mooney-Auswertung beziehungsweise Durchmesservergleich durchführen
Druck steigt während eines Messpunktes kontinuierlich	Materialreaktion, Vernetzung, Verstopfung oder noch kein stationärer Zustand	Time Sweep durchführen und Kapillare kontrollieren
Druck beziehungsweise Viskosität fällt mit zunehmender Verweilzeit	Möglicher thermischer oder hydrolytischer Materialabbau	Materialtrocknung und zeitabhängige Stabilität untersuchen
Kurze Druckspitzen	Luftblase, Verunreinigung oder nicht vollständig homogenisierte Probe	Probenvorbereitung und Druck-Zeit-Signal überprüfen
Ergebnisse ändern sich nach einem Materialwechsel	Restmaterial im Messzylinder, Druckkanal oder in der Kapillare	Reinigungs- und Spülvorgang kontrollieren
Nullpunkt verändert sich nach dem Aufheizen	Temperaturabhängiger Nullpunktversatz des Druckaufnehmers	Nullpunkt bei stabiler Prüftemperatur kontrollieren

Systematischer Prüfablauf bei auffälligen Messwerten

Zeigt eine neue Materialcharge plötzlich eine andere Viskosität als die bisherige Charge, sollte nicht unmittelbar von einem Materialfehler ausgegangen werden. Sinnvoller ist ein systematischer Prüfablauf.

1. Materialidentität prüfen: Stimmen Polymer, Typ, Charge und Additivierung?
2. Materialkonditionierung prüfen: Wurde die Probe korrekt getrocknet beziehungsweise vorbehandelt?
3. Temperatur kontrollieren: Sind Sollwert und tatsächliche Messtemperatur stabil?
4. Verweilzeit vergleichen: Wurden beide Proben mit demselben zeitlichen Ablauf geprüft?
5. Kapillare identifizieren: Stimmen Durchmesser, Länge und L/D-Verhältnis?
6. Kapillare kontrollieren: Sind Bohrung und Einlauf sauber und unbeschädigt?
7. Druckmessung prüfen: Sind Sensor, Messbereich, Druckkanal und Nullpunkt korrekt?
8. Druck-Zeit-Signal bewerten: Wurde tatsächlich ein ausreichend stabiler Messzustand erreicht?
9. Bagley-Effekt prüfen: Können unterschiedliche Einlaufdruckverluste die Abweichung erklären?
10. Rabinowitsch-Auswertung prüfen: Werden scheinbare oder korrigierte Scherraten verglichen?
11. Wandgleiten untersuchen: Besteht eine systematische Abhängigkeit vom Kapillardurchmesser?
12. Messung wiederholen: Erst ein reproduzierbarer Unterschied sollte als tatsächliche Materialabweichung bewertet werden.

Reinigung von Kapillare und Druckkanal

Eine saubere Kapillare ist eine Grundvoraussetzung für reproduzierbare rheologische Messungen. Ablagerungen verändern den tatsächlich freien Durchmesser und damit unmittelbar die berechnete Scherrate.

Besonders kritisch sind:

• verkohlte Polymerreste,
• Rückstände vorheriger Materialien,
• Füllstoffe und Pigmente,
• Ablagerungen im Kapillareinlauf,
• Ablagerungen im Druckkanal,
• mechanische Beschädigungen der Kapillarbohrung.

Auch der Druckkanal eines direkt montierten Schmelzedruckaufnehmers muss frei von alten Materialresten sein. Ablagerungen können die Druckübertragung beeinträchtigen und das dynamische Verhalten des Messsignals verändern.

Die Reinigung sollte nach den Vorgaben des Geräte- beziehungsweise Sensorherstellers erfolgen. Besonders die Membran eines Schmelzedruckaufnehmers ist empfindlich und darf nicht mit ungeeigneten Werkzeugen beschädigt werden.

Messunsicherheit und Wiederholbarkeit

Die resultierende Fließkurve hängt nicht von einer einzigen Messgröße ab. Entsprechend setzt sich die Unsicherheit aus mehreren Beiträgen zusammen.

Relevant sind insbesondere:

• Genauigkeit und Stabilität der Druck- beziehungsweise Kraftmessung,
• Kapillardurchmesser,
• Kapillarlänge,
• Kolbengeschwindigkeit und daraus abgeleiteter Volumenstrom,
• Temperaturmessung und Temperaturhomogenität,
• Materialkonditionierung,
• Verweilzeit,
• Probenhomogenität,
• Auswahl und mathematische Durchführung der Korrekturen.

Für die praktische Qualitätssicherung ist die Wiederholbarkeit häufig mindestens ebenso wichtig wie die theoretische Gesamtmessunsicherheit.

Eine sinnvolle Vorgehensweise besteht darin, ein bekanntes Referenz- oder Kontrollmaterial unter festgelegten Bedingungen mehrfach zu messen. Dadurch lässt sich erkennen, wie stark das Gesamtsystem aus Gerät, Bedienung, Temperaturführung, Kapillare und Auswertung tatsächlich streut.

Verschiebt sich eine Kontrollkurve mit der Zeit, sollte zunächst die Messkette überprüft werden, bevor eine Abweichung bei Produktionsmaterialien bewertet wird.

Praxisbeispiel: scheinbarer Unterschied zwischen zwei Materialchargen

In der Qualitätssicherung eines Compoundeurs wird eine neue Charge eines thermoplastischen Materials untersucht. Bei mittleren Scherraten liegt die gemessene scheinbare Viskosität etwa 10 % über den bisherigen Werten.

Die erste Vermutung lautet: Die neue Charge besitzt ein höheres Molekulargewicht oder eine veränderte Formulierung.

Vor einer solchen Schlussfolgerung wird die Messung jedoch systematisch überprüft.

Schritt 1: Temperatur

Die Solltemperatur ist identisch. Nach ausreichender Stabilisierung zeigt sich auch bei der Temperaturmessung keine relevante Abweichung.

Schritt 2: Verweilzeit

Beide Proben wurden mit vergleichbarer Vorwärm- und Messzeit untersucht. Ein separater Time Sweep zeigt im betrachteten Zeitraum keine deutliche Materialveränderung.

Schritt 3: Kapillare

Beim Vergleich der Prüfaufzeichnungen fällt auf, dass bei der aktuellen Messung eine andere Kapillarlänge verwendet wurde. Der Durchmesser ist zwar gleich, das L/D-Verhältnis jedoch deutlich kleiner.

Schritt 4: Einlaufdruckverlust

Bei der kürzeren Kapillare macht der Einlaufdruckverlust einen größeren Anteil am insgesamt gemessenen Druck aus. Wird dieser Druck vollständig in die einfache Berechnung der Wandschubspannung übernommen, erscheint die Viskosität zu hoch.

Schritt 5: korrigierte Auswertung

Nach einer Bagley-Auswertung mit mehreren Kapillarlängen liegen die korrigierten Fließkurven der beiden Materialchargen wesentlich näher zusammen.

Ergebnis: Der zunächst beobachtete Unterschied war zu einem erheblichen Teil durch unterschiedliche Messbedingungen verursacht. Ohne Prüfung der Kapillargeometrie wäre daraus möglicherweise fälschlich eine Materialabweichung abgeleitet worden.

Das Beispiel zeigt, warum bei der Kapillarrheometrie nicht nur der Endwert der Viskosität betrachtet werden sollte. Drucksignal, Kapillargeometrie und verwendete Korrekturen gehören immer gemeinsam zur Messung.

Passende Kapillarrheometer von Dynisco

Für die rheologische Charakterisierung von Polymerschmelzen bietet Dynisco die Labor-Kapillarrheometer der LCR7000-Serie. Bei ICS Schneider sind die Ausführungen LCR7000, LCR7001 und LCR7002 für unterschiedliche Messaufgaben verfügbar.

Die Auswahl sollte insbesondere danach erfolgen, ob Kraftmessung, direkte Schmelzedruckmessung oder Vergleichsmessungen mit zwei Kapillaren benötigt werden.

Modell	Messkonzept	Typische Eignung
Dynisco LCR7000	Ein Messzylinder, Kraftmessung über Lastzelle	Klassische Kapillarrheologie über die Kolbenkraft
Dynisco LCR7001	Ein Messzylinder, Kraftmessung und/oder direkte Druckmessung im Zylinder	Untersuchungen, bei denen zusätzlich der Schmelzedruck direkt erfasst werden soll
Dynisco LCR7002	Zwei Messzylinder mit zwei Druckaufnehmern und Twin-Die-Messmöglichkeit	Vergleich unterschiedlicher Kapillargeometrien sowie Untersuchungen von Einlaufdruckverlusten und Bagley-Korrekturen

Die zugehörige LAB KARS Software unterstützt die Auswertung rheologischer Messreihen und unter anderem Bagley- und Rabinowitsch-Korrekturen. Damit lassen sich Messdaten nicht nur erfassen, sondern auch für eine weiterführende rheologische Bewertung aufbereiten.

Weitere Informationen zu den Geräten finden Sie unter Dynisco Kapillarrheometer bei ICS Schneider.

Für Anwendungen, bei denen der Schmelzedruck direkt in Extrudern, Kunststoffmaschinen oder Versuchsanlagen gemessen werden soll, finden Sie außerdem eine Auswahl an Dynisco Massedrucksensoren.

Fazit

Ein Kapillarrheometer kann das Fließverhalten einer Polymerschmelze sehr detailliert abbilden. Entscheidend ist jedoch, die gemessenen Werte richtig zu interpretieren.

Kapillardurchmesser, L/D-Verhältnis, Druckmessstelle, Drucksensorbereich, Temperatur und Verweilzeit beeinflussen das Ergebnis unmittelbar. Zusätzlich müssen bei einer weiterführenden rheologischen Auswertung Effekte wie Einlaufdruckverluste, nicht-newtonsches Strömungsverhalten und Wandgleiten berücksichtigt werden.

Die Bagley-Korrektur korrigiert dabei vor allem zusätzliche Einlaufdruckverluste, während die Rabinowitsch-Korrektur die tatsächliche Wandscherrate eines nicht-newtonschen Materials berücksichtigt. Eine systematische Abhängigkeit der Messwerte vom Kapillardurchmesser kann wiederum ein Hinweis auf Wandgleiten sein.

Besonders bei der Qualitätssicherung gilt deshalb: Eine abweichende Fließkurve ist zunächst eine Messbeobachtung und noch nicht automatisch der Nachweis einer abweichenden Materialcharge. Erst wenn Geometrie, Druckmessung, Temperatur, Zeitverlauf und Auswertemethode überprüft wurden, lässt sich ein Materialunterschied zuverlässig bewerten.

FAQ: Kapillarrheometer, Druckmessung und Scherviskosität

Was misst ein Kapillarrheometer?

Ein Kapillarrheometer bestimmt das Fließverhalten einer Polymerschmelze, indem das Material mit definierter Geschwindigkeit durch eine Kapillare gepresst wird. Aus Volumenstrom, Kapillargeometrie und Druck beziehungsweise Kolbenkraft werden unter anderem Scherrate, Schubspannung und Scherviskosität bestimmt.

Was ist der Unterschied zwischen scheinbarer und korrigierter Scherviskosität?

Die scheinbare Scherviskosität wird zunächst direkt aus vereinfachten Beziehungen für Scherrate und Schubspannung berechnet. Korrigierte Werte berücksichtigen zusätzliche physikalische Effekte wie Einlaufdruckverluste und das nicht-newtonsche Geschwindigkeitsprofil der Polymerschmelze.

Was bedeutet das L/D-Verhältnis bei einer Kapillare?

L/D ist das Verhältnis aus Kapillarlänge L und Innendurchmesser D. Es beeinflusst das Verhältnis zwischen dem Druckverlust innerhalb der Kapillare und zusätzlichen Druckverlusten am Einlauf. Unterschiedliche L/D-Verhältnisse werden unter anderem für Bagley-Auswertungen verwendet.

Warum beeinflusst der Kapillardurchmesser die Messung so stark?

Der Durchmesser geht bei der Berechnung der scheinbaren Scherrate mit der dritten Potenz ein. Bereits kleine Abweichungen des tatsächlichen Kapillardurchmessers können deshalb einen relevanten Einfluss auf das berechnete Ergebnis haben.

Was ist die Bagley-Korrektur?

Die Bagley-Korrektur dient dazu, zusätzliche Druckverluste am Eintritt in die Kapillare von dem Druckanteil zu trennen, der der eigentlichen Kapillarströmung zugeordnet wird. Dazu werden typischerweise Kapillaren mit gleichem Durchmesser und unterschiedlichen L/D-Verhältnissen verglichen.

Was korrigiert die Rabinowitsch-Korrektur?

Die Rabinowitsch-Korrektur berücksichtigt, dass eine Polymerschmelze normalerweise kein newtonsches Fluid ist. Dadurch unterscheidet sich die tatsächliche Scherrate an der Kapillarwand von der zunächst berechneten scheinbaren Scherrate.

Braucht man Bagley- und Rabinowitsch-Korrektur gleichzeitig?

Das hängt von der gewünschten Auswertung ab. Beide Verfahren korrigieren unterschiedliche Effekte: Bagley betrifft vor allem zusätzliche Druckverluste, Rabinowitsch das nicht-newtonsche Strömungsprofil. Für eine weiterführende rheologische Charakterisierung können daher beide Korrekturen relevant sein.

Was ist Wandgleiten bei einem Kapillarrheometer?

Beim Wandgleiten bewegt sich die Polymerschmelze relativ zur Kapillarwand. Die klassische Annahme einer Geschwindigkeit von null unmittelbar an der Wand ist dann nicht mehr erfüllt. Dadurch kann die scheinbare Viskosität niedriger erscheinen als ohne Wandgleiten.

Wie lässt sich Wandgleiten erkennen?

Ein typischer Ansatz ist der Vergleich von Fließkurven, die mit unterschiedlichen Kapillardurchmessern aufgenommen wurden. Zeigt sich bei gleicher Wandschubspannung eine systematische Abhängigkeit vom Kapillarradius, kann eine Mooney-Auswertung zur Bestimmung beziehungsweise Abschätzung der Slipgeschwindigkeit verwendet werden.

Warum ist der Drucksensorbereich beim Kapillarrheometer wichtig?

Ist der Messbereich wesentlich größer als der tatsächlich auftretende Druck, wird bei niedrigen Drücken nur ein kleiner Teil des Messbereichs genutzt. Dadurch können Nullpunktfehler und andere Unsicherheitsbeiträge relativ stärker ins Gewicht fallen. Der Messbereich muss gleichzeitig ausreichend groß sein, um eine Überlastung bei hohen Scherraten zu vermeiden.

Warum muss ein Schmelzedrucksensor bei Prüftemperatur kontrolliert werden?

Bei einem Schmelzedruckaufnehmer kann sich der Nullpunkt beim Aufheizen verschieben. Deshalb sollte der Sensor nach ausreichender thermischer Stabilisierung bei der vorgesehenen Prüftemperatur kontrolliert beziehungsweise entsprechend der Geräteanweisung genullt werden.

Warum verändert sich die Viskosität während einer Messung?

Eine zeitliche Änderung kann auf thermischen oder hydrolytischen Abbau, Oxidation, Vernetzung oder andere Materialreaktionen hinweisen. Deshalb kann bei empfindlichen Materialien ein Time Sweep sinnvoll sein, bevor eine komplette Scherratenmessung durchgeführt wird.

Wie unterscheiden sich LCR7000, LCR7001 und LCR7002?

Der LCR7000 arbeitet mit einem Messzylinder und Kraftmessung über eine Lastzelle. Beim LCR7001 können bei einem Messzylinder Kraft- und/oder direkte Druckmessung genutzt werden. Der LCR7002 besitzt zwei Messzylinder mit zwei Druckaufnehmern und ermöglicht dadurch Twin-Die-Messungen, die beispielsweise für Vergleiche unterschiedlicher Kapillargeometrien interessant sind.

Wann ist eine Kapillarrheometermessung wirklich vergleichbar?

Vergleichbar sind Messungen nur dann zuverlässig, wenn Materialvorbereitung, Temperatur, Verweilzeit, Kapillargeometrie, Druckmessung, Scherratenbereich und Auswertemethode ausreichend übereinstimmen. Besonders bei Chargenvergleichen sollten diese Bedingungen im Prüfverfahren eindeutig festgelegt sein.