Polymere Materialien (Institut für Technische Chemie und Polymerchemie)

Fouriertransformationsrheologie (FT-Rheologie)

Die klassische Rheologie, d.h. die mechanische Charakterisierung von Werkstoffen im linearen Bereich, stellt eine etablierte und häufig verwendete Charakterisierungsmethode für polymere Werkstoffe dar. Analog zur nichtlinearen Optik kann man auch in der Rheologie die Amplitude der Anregung so weit steigern, dass die Antwortfunktion nicht mehr linear zur Anregung ist. In unserer Arbeitsgruppe wurde eine besondere Form der nichtlinearen Rheologie, die hochsensitive Fouriertransformation-Rheologie (FT-Rheologie) entwickelt. Im nichtlinearen Bereich der Rheologie, in dem die Messung das Material beeinflusst, können Fragen untersucht werden, die der klassischen Rheologie nicht zugänglich sind. So können z.B. die Orientierung von Polymeren in der Schmelze untersucht, heterogene Systeme wie Flüssigkristalle orientiert oder die Ermüdung von Festkörpern studiert werden.

Aktuelle Arbeitsfelder in der FT-Rheologie sind zum einen weitere Verbesserungen der Methode, z.B. durch Verbesserung der Datenaufnahme (Oversampling). Darüberhinaus arbeiten wir auch an weiteren Analysemethoden der nichtlinearen Antwortfunktion. So entwickelten wir eine Aufteilung der nichtlinearen Antwortfunktion basierend auf der Rekonstruktion der aufgenommenen Zeitdaten mit Hilfe von charakteristischen Funktionen. Die Antwortfunktion wird hier in vier fundamentale Beiträge aufgespalten, die eine anschauliche physikalische Bedeutung besitzen (lineare Antwort, Scherverdünnung, Scherverdickung, Wandgleiten und Scherbanden). Eine andere Möglichkeit ist die Definition eines neuen Parameters (Q-Parameter) zur Beschreibung und Quantifizierung nichtlinearer Eigenschaften polymerer Materialien. Dieser Parameter basiert auf den mit der FT-Rheologie bestimmten harmonischen Anteilen der Antwortfunktion und ist besonders empfindlich auf die Topologie der Polymere, z.B. auf Langkettenverzweigungen.

Ein Bestandteil unserer Arbeit ist der Wissenstransfer an andere Forschungsgruppen, die an der nichtlinearen Rheologie interessiert sind. Bisher wurden ca. 30 Kopien der FT-Rheologie (Verbreitung der FT-Rheologie) weltweit installiert, z.B. in den Gruppen von Prof. G.H. McKinley (Department of Mechanical Engineering, MIT, USA), Prof. K.H. Ahn (School of Chemical Engineering, Seoul National University, Korea) und Prof. D. A. Weitz (Physics & SEAS, Harvard University, USA). Außerdem konnte in Zusammenarbeit mit TA-Instruments die Technik der FT-Rheologie in ein kommerzielles Gerät integriert werden.