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Rheologie
Phänomenologische Rheologie (Makrorheologie): Dieser Zweig beschreibt das Deformations- und Fließverhalten von Stoffen ohne Berücksichtigung der Stoffstruktur.
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Gegenstand und Bedeutung
Die Rheologie, auch Fließkunde genannt, untersucht, wie sich Materie verformt und wie sie fließt. Sie verbindet Teilgebiete der Elastizitätstheorie, der Plastizitätstheorie und der Strömungsmechanik. Dabei behandelt sie sowohl kontinuumsmechanische Probleme, bei denen Materie als zusammenhängendes Medium betrachtet wird, als auch die Herleitung von Materialgesetzen aus der Mikro- oder Nanostruktur kondensierter Materie, etwa bei makromolekularen Systemen und Suspensionen.
Viele Stoffe besitzen zugleich Eigenschaften eines Festkörpers und einer Flüssigkeit: Elastizität bedeutet, dass ein Stoff eine Einwirkung abfedern kann; Viskosität beschreibt sein Fließverhalten. Manche Materialien reagieren deshalb auf kurzen Zeitskalen elastisch, fließen unter länger anhaltender Einwirkung jedoch weg. Dieses Verhalten heißt viskoelastisch. Es kann durch eine frequenzabhängige, noch lineare Verbindung von Elastizitätstheorie und newtonscher Hydrodynamik beschrieben werden. Maxwell- und Kelvin-Körper sind rheologische Grundmodelle für ein solches Materialverhalten. Daneben gibt es nichtlineare Erscheinungen wie den Normalspannungseffekt und den Weissenberg-Effekt.
Rheologie ist interdisziplinär. Rheologische Fragen werden unter anderem in Physik, physikalischer Chemie, Ingenieur- und Werkstoffwissenschaften, pharmazeutischer Technologie, Biowissenschaften und Geowissenschaften untersucht.
Teilgebiete und Messungen
Die Rheologie wird in vier Bereiche gegliedert:
• Die phänomenologische Rheologie oder Makrorheologie beschreibt das Verformungs- und Fließverhalten von Stoffen, ohne deren innere Struktur zu berücksichtigen.
• Die Strukturrheologie oder Mikrorheologie erklärt beobachtete Erscheinungen aus der mikroskopischen Struktur eines Stoffes.
• Die Rheometrie umfasst Messverfahren zur Bestimmung rheologischer Eigenschaften.
• Die angewandte Rheologie nutzt diese Erkenntnisse für die Gestaltung und Entwicklung von Produkten, technischen Prozessen und Anlagen.
Ein Spezialgebiet ist die Hochtemperaturrheologie. Das obere Temperaturlimit rheologischer Messungen wurde von 1600 °C in Platin-Rhodium-Tiegeln auf 1800 °C in Keramiktiegeln angehoben.
Historische Entwicklung
Schon im 16. Jahrhundert vor Christus berücksichtigte der Ägypter Amenemhet bei seiner Wasseruhr, dass die Viskosität von Wasser von der Temperatur abhängt. Wissenschaftlich wurden rheologische Fragen jedoch erst in der Frühen Neuzeit untersucht. Isaac Newton definierte die Viskosität newtonscher Flüssigkeiten; Robert Hooke formulierte das nach ihm benannte Hookesche Gesetz zur Elastizität.
Im 19. Jahrhundert erweiterten unter anderem George Gabriel Stokes, Claude Louis Marie Henri Navier, Gotthilf Hagen und Jean Léonard Marie Poiseuille die Strömungslehre. Gegen Ende des Jahrhunderts wurde die Viskoelastizität erforscht; Arbeiten von Barré de Saint-Venant und Ludwig Prandtl verbesserten außerdem das Verständnis der Plastizität.
Die Bezeichnung „Rheologie“ wurde erst Ende der 1920er Jahre von Eugene Cook Bingham und Markus Reiner geprägt. Bingham gründete am 29. August 1929 zusammen mit anderen die Society of Rheology in Columbus, Ohio.
Technische und alltägliche Anwendungen
Bei Klebstoffen bestimmen rheologische Eigenschaften, wie gut sie eine Oberfläche benetzen. Wichtig sind dabei unter anderem Viskosität, Thixotropie, Strukturviskosität, Rheopexie und Dilatanz.
In Mühlen- und Bäckereilaboratorien prüfen Geräte wie Aleurometer, Fallzahlgerät, Farinograph, Extensograph oder Amylograph die Qualität von Getreide und Mehl. Sie messen den Widerstand eines Teiges gegen eine gleichbleibende mechanische Belastung und zeichnen ihn als Rheometerkurve auf. Untersucht werden kann das Verhalten beim Kneten, Dehnen oder Verkleistern; die Verkleisterungsprüfung erfolgt bei steigender Temperatur. Auch in der Milchindustrie ist das Fließverhalten wichtig, weil typische Eigenschaften von Sahne, Puddings oder Desserts bei falscher Behandlung zerstört werden können. In den Geowissenschaften ist bedeutsam, dass Gesteine im Erdinnern in größerer Tiefe zähflüssig sind.
Bei der Kunststoffverarbeitung werden Polymerschmelzen durch Extrusion oder Umformen verarbeitet. Ihr Verhalten kann durch Verschlaufungen zwischen Makromolekülen und durch Reptation beeinflusst werden. Deshalb unterscheidet sich die Schmelzerheologie polymerer Stoffe grundlegend von der Rheologie anderer Materialien. Gemessen werden vor allem die Scherviskosität in Abhängigkeit von der Schergeschwindigkeit und teilweise die Dehnviskosität in Abhängigkeit von der Dehngeschwindigkeit. Für die Scherviskosität verwendet man meist Kapillar- oder Rotationsrheometer, für die Dehnviskosität spezielle Dehnrheometer. Ziel ist ein besseres Verständnis der Verarbeitbarkeit verschiedener Kunststoffe. Im Extruder überwiegen Scherströmungen. Nach der Extrusion sind Verfahren wie Faserspinnen, Folien- und Hohlkörperblasen, Tiefziehen oder Schäumen stark durch Dehnung bestimmt; sie gelten als technisch besonders anspruchsvoll.
In der Drucktechnik beeinflussen Viskosität, Fließgrenze und die als „Tack“ bezeichnete Zügigkeit die Farbspaltung in der Druckmaschine, die Übertragung der Farbe auf den Bedruckstoff und die Qualität des Druckprodukts. Druckfarben sind kolloide Systeme beziehungsweise Dispersionen und deshalb thixotrop. Diese Thixotropie ist in Druckfarben normalerweise unerwünscht.
Rheologie des Blutes
Die Hämorheologie untersucht die Fließeigenschaften des Blutes. Diese sind für die Mikrozirkulation und damit für die Versorgung aller Organe mit Nährstoffen und Sauerstoff sehr wichtig. Besonders stark wirken sie sich in Kapillaren aus, also in den kleinsten Blutgefäßen mit einem Durchmesser von 4 bis 10 µm.
Das Fließverhalten wird hauptsächlich durch die Verformbarkeit und Aggregationsneigung der Erythrozyten beeinflusst. Erythrozyten sind rote Blutkörperchen mit einem mittleren Durchmesser von 7,6 µm; ihre Zusammenlagerung kann zur sogenannten Geldrollenbildung führen. Weitere Einflussgrößen sind die Aggregation der Thrombozyten, also der Blutplättchen, die Temperatur, der Hämatokrit und die Viskosität des Blutplasmas.
Bei der Behandlung verschiedener tatsächlicher oder vermeintlicher Durchblutungsstörungen wird häufig versucht, die Hämorheologie und damit die Mikrozirkulation zu verbessern. Zu den Maßnahmen gehören die Hämodilution, also die Verdünnung des Blutes, und die Gabe von Thrombozytenaggregationshemmern bei Schlaganfall, AVK und Hörsturz. Gut belegt ist nur die positive Wirkung dieser Hemmstoffe beim Schlaganfall und bei der AVK; sie kann allerdings unabhängig von rheologischen Wirkungen sein. Für eine Wirkung beim Hörsturz und bei anderen Funktionsstörungen des Innenohrs gibt es keinen ausreichenden wissenschaftlichen Beleg. Durchblutungsfördernde Medikamente werden selten auch als Rheologika bezeichnet; die Einzahl lautet Rheologikum.
