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Was bedeuten Viskosität und Viskoelastizität?

Honig, Wasser, Ketchup und eine Stärkelösung – vier Flüssigkeiten und vier sehr unterschiedliche Fließeigenschaften. Honig fließt langsam und zäh, er kann aber durch vorsichtiges Erwärmen dünnflüssiger gemacht werden. Wasser dagegen fließt scheinbar immer gleich schnell, während Ketchup sich erst sträubt und gar nicht fließt, bis er schließlich von einem Moment auf den anderen dünnflüssig wird. Eine Stärkelösung schließlich ist dünnflüssig, verdickt sich aber, wenn sie stetig gerührt wird. Das unterschiedliche Verhalten dieser vier Flüssigkeiten wird durch ihre variierende Viskositäten beschrieben. Nicht zu verwechseln ist diese mit der Viskoelastizität, die die Haltung von Feststoffen beschreibt und vor allem bei Kunststoffen häufig auftritt.

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Kurze Definition beider Verhalten

Viskosität

Die Viskosität beschreibt die Zähflüssigkeit oder Zähigkeit von Fluiden, genauer gesagt den Widerstand einer Flüssigkeit gegenüber einer Scherkraft. Diese wird exakterweise als Scherviskosität bezeichnet, um sie von der dynamischen sowie der kinematischen Viskosität zu unterscheiden.

Viskoelastizität

Viskoelastizität tritt bei Fluiden und Festkörpern auf. Eine Polymerschmelze kann beispielsweise viskoelastisch sein. Viskoelastisches Material zeigt, wie der Name bereits andeutet, ein gemischtes, teilweise viskoses und teilweise elastisches Verhalten und vereint damit Merkmale von Flüssigkeiten und Feststoffen in sich. Viskoelastizität ist abhängig von der Zeit, der Temperatur und auch der Frequenz, die auf einen Feststoff einwirkt.

Herleitung der Viskosität

Für die Beschreibung und mathematische Herleitung der Viskosität von Flüssigkeiten bedient man sich des folgenden Modells: zwischen zwei Platten mit einem bestimmten Abstand befindet sich eine Flüssigkeit, die gedanklich in einzelne Schichten aufgeteilt wird. Eine der Platten wird nun parallel gegen die andere, ruhende Platte mit einer bestimmten Geschwindigkeit verschoben.

Dabei bewegt sich die oberste Flüssigkeitsschicht an der bewegenden Platte mit nahezu gleicher Geschwindigkeit und nimmt in Richtung der ruhenden immer mehr ab.

Für die Bewegung der Flüssigkeitsschichten ist eine Kraft F notwendig, die im Idealfall proportional zur Fläche der Platte und der Geschwindigkeit sowie antiproportional zum Abstand der beiden Flächen ist. Den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Größen stellt die Proportionalitätskonstante her, die als dynamische Viskosität bezeichnet wird. Sie wird in der Maßeinheit Poise (P) gemessen.

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Für die Praxis ist die Maßangabe in Centipoise (cP) zweckmäßig. Beispielsweise beträgt bei +20 °C die Viskosität von Wasser 1 cP, von Ethanol 1,2 cP und von Honig etwa 104 cP. Eng verwandt mit der dynamischen Viskosität ist die kinematische Viskosität, die als das Verhältnis von dynamischer Viskosität zur Dichte des Stoffes definiert ist und in der Maßeinheit Stokes (St) gemessen wird.

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In der Praxis spielt die dynamische Viskosität für den Transport von Flüssigkeiten durch Leitungssysteme eine gewichtige Rolle, beispielsweise bei der Durchleitung von Erdöl durch Erdöl-Pipelines über größere Strecken.

Newtonsche und nicht-newtonsche Fluide

Bereits Newton hat sich 1687 mit der Zähflüssigkeit von Lösungen befasst und diese folgendermaßen beschrieben:

„Der Widerstand, der durch den Mangel an Gleitfähigkeit innerhalb einer Flüssigkeit entsteht, ist – vorausgesetzt, dass alle anderen Bedingungen gleich bleiben – proportional zu der Geschwindigkeit, mit der die Flüssigkeitsteilchen voneinander getrennt werden.“

Alle Fluide, die diesen Gesetzen folgen, werden daher auch als Newtonsche Fluide bezeichnet. Dagegen ändern nicht-newtonsche Fluide ihr Verhalten nicht linear in Abhängigkeit von der angelegten Geschwindigkeit, sondern beispielsweise in Abhängigkeit von der wirkenden Scherkraft oder von der Zeit.

Arten von nicht-newtonschen Fluiden

Die nicht-newtonschen Fluide können in drei Gruppen eingeteilt werden: in strukturviskose, dilatante und sogenannte Bingham-Medien.

Bei Polymerlösungen tritt oft der Effekt der sogenannten Scherverdünnung auf, das heißt, die Lösung zeigt bei hohen Scherkräften abnehmende Viskositäten. Die einzelnen Polymerketten können sich hier mit steigender Scherkraft besser aneinander vorbeibewegen. Damit wird die Lösung dünnflüssiger. Dies sind sogenannte strukturviskose Fluide.

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Bei dilatanten Flüssigkeiten steigt die Zähflüssigkeit mit der Scherkraft – so wie es bei einer Stärkelösung der Fall ist, die durch Rühren mit Rührgeräten dickflüssiger wird.

Ein sogenanntes Bingham-Medium ist ein Fluid, das sich unterhalb der sogenannten Fließgrenze zunächst wie ein elastischer Körper verhält, aber über die Zeit dünnflüssiger wird, um nach dem Ende der äußeren Krafteinwirkung wieder seine Ausgangsviskosität einzunehmen. Dieses Verhalten zeigt beispielsweise handelsüblicher Ketchup, der erst nach kräftigem Schütteln aus der Flasche fließt, um sich dann langsam wieder zu verfestigen.

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Diese verschiedenen Verhaltensweisen müssen beispielsweise bei der Warm-Verarbeitung von Kunststoffen berücksichtigt werden, die sich dabei oftmals wie nicht-newtonsche Lösungen verhalten.

Einflussfaktor Temperatur

Neben der Zeit und der einwirkenden Scherkraft nimmt auch die Temperatur entscheidenden Einfluss auf die Viskosität von Fluiden und Gasen. Die Viskosität ist temperaturabhängig. Sie sinkt bei flüssigen Stoffen mit steigender Temperatur, was beispielsweise bei der Verwendung von Schmierölen berücksichtigt werden muss.

Dafür wird der Viskositäts-Index herangezogen, der die kinematische Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur beschreibt.

Öle sollten einen hohen Viskositäts-Index und damit eine niedrigere temperaturabhängige Verhaltensänderung haben. Auch bei Gasen ist die „innere Reibung“ zu beachten, wenngleich sie nur schwach ausgeprägt ist, da deren Teilchendichte im Gegensatz zu Flüssigkeiten gering ist. Sie ist aber die Ursache dafür, dass die Viskosität von Gasen mit steigender Temperatur und steigendem Druck, der einer Erhöhung der Teilchendichte gleichkommt, messbar zunimmt.

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Wie verhält es sich mit der Viskoelastizität genau?

Viskoelastisches Material ändert sein Verhalten durch äußere Beanspruchung mit der Zeit. Bei einer konstanten Belastung deformiert sich der Kunststoff mit der Zeit – dies wird als „Kriechen“ bezeichnet, weniger gebräuchlich ist der Begriff „Retardation“.

Honig auf Laborloeffel
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Der Kunststoff verhält sich in solchen Fällen wie eine Flüssigkeit. Gleichzeitig ist ein Kunststoff zu einem gewissen Grad auch elastisch, das heißt er geht in seine ursprüngliche Form zurück, kann es aber nicht zu 100%. Der elastische Teil ist für die spontane und reversible Verformung zuständig, während der viskose Anteil grundsätzlich eine zeitabhängige, unbegrenzte und irreversible Verformung bewirkt. Die Wirksamkeit des viskoelastischen Anteils ist bei verschiedenen Materialien jeweils unterschiedlich stark ausgeprägt. Auch die Art des Zusammenwirkens differiert.

Die Viskoelastizität ist weiterhin ein temperaturabhängiges Verhalten, denn bei höherer Temperatur laufen die Vorgänge schneller ab.

Dies ist vor allem für die Bewertung von Alterungsprozessen von Bedeutung. Sie spielt bei der Auswahl von Dichtungen oder O-Ringen eine wichtige Rolle. Da das Material mit der Zeit seine Form verliert, müssen Kunststoffe eingesetzt werden, deren Viskoelastizität den jeweils gestellten Anforderungen gerecht wird.

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Insgesamt betrachtet sind sowohl die Viskosität als auch die Viskoelastizität zwei Eigenschaften, die bei Lösungen, Fluiden und Werkstoffen einen großen Einfluss auf ihren Einsatzbereich und ihr Verhalten haben.