Herschel-Buckley-Modell | Rheologische Expertise

Viele Produkte folgen keinem einfachen Newtonschen Verhalten. Ihre Viskosität verändert sich mit der Scherrate, und einige weisen eine Fließgrenze auf, bevor sie zu fließen beginnen. In diesem Zusammenhang ermöglichen rheologische Modelle, experimentelle Messungen in anwendbare Verhaltensgesetze für die Auslegung von Prozessen, das Pumpen und das Mischen zu überführen. Das Herschel-Buckley-Modell eignet sich besonders für pastöse, strukturierte oder gefüllte Materialien, wenn das Medium eine Mindestspannung benötigt, um zu fließen.

Das Herschel-Buckley-Modell vereint drei für die Interpretation nützliche Dimensionen: eine Fließgrenze, einen Konsistenzindex und einen Fließindex. Dieser Ansatz bildet das Verhalten von Produkten ab, die dem Anlaufen des Fließens Widerstand entgegensetzen und sich unter Scherung dann verflüssigen. Er ist daher besonders relevant für Fette, Pasten, Suspensionen, konzentrierte Formulierungen oder Materialien mit ausgeprägter innerer Struktur.

Fließversuche dienen dazu, Viskosität und Spannung in Abhängigkeit von der Scherrate zu messen. Sie ermöglichen es, ein Newtonsches, scherverdünnendes, scherverdickendes oder schwellwertbehaftetes Verhalten zu identifizieren. Diese Messungen sind entscheidend, um ein Modell wie Herschel-Buckley anzupassen und das Verhalten unter industriellen Verarbeitungsbedingungen wie Fördern, Dosieren, Beschichten oder Rühren vorherzusagen.

Die Labor-Expertise beruht auf der Durchführung von rheologischen Analysen, die an das Material, seine thermische Vorgeschichte und seine Einsatzbedingungen angepasst sind. Die Messungen können in einen umfassenderen Charakterisierungsansatz eingebettet werden, in Verbindung mit anderen physikochemischen oder thermischen Verfahren, etwa um Fließverhalten, Struktur, thermische Übergänge oder Formulierungsentwicklung miteinander zu korrelieren. Dieser Ansatz ermöglicht eine sichere Interpretation der Ergebnisse und liefert für die Industrialisierung verwertbare Daten.

Ein Rheometer ermöglicht die Durchführung mehrerer ergänzender Versuchsreihen. Der Fließversuch erstellt eine Viskositätskurve in Abhängigkeit von der Scherung, um Bedingungen nahe an Pump- oder Mischvorgängen nachzubilden. Der Oszillationstest legt sehr geringe Verformungen an, um die innere Struktur zu untersuchen und den elastischen vom viskosen Anteil zu unterscheiden. Diese Daten ermöglichen es, Textur, Stabilität, Lagerbeständigkeit und Verarbeitbarkeit zu bewerten und anschließend ein robustes mathematisches Modell für Ihre Berechnungen und Simulationen zu speisen.

Das Oswald-Modell, das häufig für Potenzgesetze verwendet wird, beschreibt Fluide mit scherratenabhängiger Viskosität korrekt, ohne jedoch eine Fließgrenze zu berücksichtigen. Es ist daher weniger repräsentativ, wenn das Material eine Anfangskraft benötigt, um zu fließen. In diesem Fall bietet das Herschel-Buckley-Modell eine treuere Beschreibung des tatsächlichen Verhaltens und verbessert die Aussagekraft von Extrapolationen für die Prozessberechnung.

Oszillationsversuche untersuchen die Struktur des Materials bei geringer Verformung und unterscheiden die elastische von der viskosen Antwort. Sie sind nützlich, um die Stabilität, Kohäsion oder mechanische Festigkeit einer Formulierung zu bewerten. Ergänzend dazu ermöglicht ein Temperatur-Sweep, die Entwicklung der Viskosität oder der thermischen Struktur zu verfolgen. Bei Matrizes wie Fetten sind aufeinanderfolgende Temperaturstufen einer kontinuierlichen Rampe vorzuziehen, wenn es darum geht, thermische Trägheitseffekte zu minimieren und repräsentativere Ergebnisse zu erhalten.

Die rheologische Charakterisierung hilft dabei, Formulierungen zu vergleichen, eine Änderung des Rohstoffs zu validieren, eine Prozessabweichung zu verstehen oder die Leistung eines Produkts zu dokumentieren. Sie ist außerdem ein Instrument zur Entscheidungsunterstützung in der F&E, um einen Zusatzstoff anzupassen, die Warmfestigkeit zu verbessern, eine Textur zu stabilisieren oder das Verhalten im Einsatz vorherzusagen. Die aus den Rheologischen Modellen gewonnenen Parameter werden so zu konkreten Werkzeugen für die Entwicklung und industrielle Robustheit.

FILAB unterstützt Industrieunternehmen bei der Charakterisierung von Materialien und Formulierungen mit einem problemlösungs-, entwicklungs- und validierungsorientierten Ansatz. Der Vorteil einer spezialisierten Begleitung besteht darin, ein passendes Prüfprotokoll festzulegen, die Kurven korrekt zu interpretieren, das am besten geeignete Modell zwischen Potenzgesetz und Herschel-Buckley auszuwählen und anschließend Ergebnisse bereitzustellen, die Ihre technischen Teams direkt nutzen können. Diese Expertise fügt sich nahtlos in umfassendere Untersuchungen in den Bereichen Physikochemie, Thermik oder Werkstoffe ein, wenn das rheologische Verhalten mit der Zusammensetzung oder Struktur korreliert werden muss.