Strömungsverhalten komplexer Flüssigkeiten

Wir untersuchen das Fließverhalten komplexer Flüssigkeiten in anwendungs­nahen Strömungen, wie sie z.B. in Extrusionsdüsen, im Spritzguss und beim Faserspinnen relevant sind, mittels optischer Geschwindigkeitsfeldmessung und rheologischer Methoden. Die Experimente dienen u.a. der Verifikation neuer theoretischer Ansätze mit dem Ziel, eine Korrelation zwischen Mikrostruktur, dem komplexen rheologischen Verhalten dieser Flüssigkeiten und den Eigenschaften des fertigen Produktes herzustellen.

Insbesondere untersuchen wir die Entstehung sogenannter Scherbänder in ultrahochmolekularen, semi-konzentrierten Polymerlösungen in komplexen, druckgetriebenen Strömungen. Unter Scherbändern versteht man die Koexistenz von Bändern unterschiedlicher Scherrate bei gleichzeitig einheitlicher Spannung. Ein solches Verhalten wurde für eine ganze Reihe unterschiedlicher Systeme, wie z.B. DNA, Kolloide, Mizellen und Polymerlösungen beobachtet. Diese Bänder können sich bezüglich ihrer Mikrostruktur unterscheiden. Die zugrundeliegenden, mikrostukturellen Mechanismen sind weitestgehend noch unverstanden. In der Anwendung ist Scherbandausbildung i.d.R. unerwünscht, da das Phänomen zu inhomogenen Verarbeitungs- und Materialeigenschaften führen kann.   
Von anwendungstechnischer Bedeutung sind die von uns untersuchten Systeme im Bereich des Gel-Faserspinnens. Bei diesem Verfahren werden ultrahochmolekulare, semikonzentrierte Polymerlösungen durch Spinndüsen gedrückt und im Anschluss stark verstreckt. Der Ziehprozess führt zu einer starken Verstreckung und Ausrichtung der Polymere in Ziehrichtung und damit zu Fasern mit sehr guten mechanischen Eigenschaften insbesondere unter Zugbelastung Die Ziehfähigkeit der Polymerlösungen hängt von der Mikrostruktur der Polymerlösungen ab, d.h. Inhomogenitäten in der Mikrostruktur der Lösungen können die Ziehfähigkeit und damit die mechanischen Eigenschaften der Polymerfasern beeinflussen.    
Das Projekt ist eine Zusammenarbeit mit der Technischen Universität München, Fluiddynamik von komplexen Biosystemen, Prof. Dr. Natalie Germann