Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten: Enthüllung der faszinierenden Welt der fließenden Materie

Einführung

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten sind eine faszinierende Klasse von Flüssigkeiten, die ein einzigartiges Fließverhalten aufweisen und sich dem traditionellen Verständnis der Fluiddynamik widersetzen. Im Gegensatz zu Newtonschen Flüssigkeiten, die einer linearen Beziehung zwischen Scherspannung und Schergeschwindigkeit folgen, weisen nicht-newtonsche Flüssigkeiten komplexe und oft unvorhersehbare Fließeigenschaften auf. In diesem Artikel werden die faszinierenden Eigenschaften von nicht-newtonschen Flüssigkeiten untersucht und ihre Anwendungen sowie die wissenschaftlichen Prinzipien, die ihr Verhalten bestimmen, beleuchtet.^1,2,3

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten verstehen

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten umfassen eine breite Palette von Substanzen, darunter Gele, Pasten, Suspensionen und mehr. Diese Flüssigkeiten weisen viskoelastische Eigenschaften auf, d. h. ihre Viskosität und Elastizität können sich bei Änderungen der Scherrate oder der Spannung ändern. Dieses Verhalten ist auf das Vorhandensein von Makromolekülen, Partikeln oder anderen Strukturelementen in der Flüssigkeit zurückzuführen.¹

Klassifizierung von nicht-newtonschen Flüssigkeiten

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten können aufgrund ihres Verhaltens unter Scherbeanspruchung in mehrere Untergruppen eingeteilt werden. Zu den gebräuchlichen Arten von nicht-newtonschen Flüssigkeiten gehören dilatante Flüssigkeiten, pseudoplastische Flüssigkeiten und thixotrope Flüssigkeiten.

• Dilatante Flüssigkeiten, wie z. B. eine Mischung aus Maisstärke und Wasser, werden dicker und viskoser, wenn sie einer Scherbeanspruchung ausgesetzt werden. Dieses Verhalten wird gemeinhin als Scherverdickung bezeichnet¹
• Pseudoplastische Flüssigkeiten, wie Ketchup oder Farbe, zeigen eine Abnahme der Viskosität, wenn die Scherrate zunimmt. Diese Flüssigkeiten fließen unter Spannung leichter, aber ihre Viskosität erholt sich, wenn die Spannung aufgehoben wird²
• Thixotrope Flüssigkeiten, wie z. B. bestimmte Farben und Bohrschlämme, weisen eine zeitabhängige Abnahme der Viskosität auf, wenn sie einer konstanten Belastung ausgesetzt werden. Mit der Zeit ordnet sich die Struktur der Flüssigkeit neu, was zu einem geringeren Fließwiderstand führt³

Anwendungen von nicht-newtonschen Flüssigkeiten

Die einzigartigen Eigenschaften von nicht-newtonschen Flüssigkeiten finden in verschiedenen Branchen Anwendung, von der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie bis hin zur Pharmazie und dem Maschinenbau.

1. Nahrungsmittelindustrie: Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten spielen bei der Herstellung und Verarbeitung von Lebensmitteln eine wichtige Rolle. Das Verdickungsverhalten nicht-newtonscher Flüssigkeiten wird zum Beispiel bei der Herstellung von Soßen, Emulsionen und Dressings genutzt. Außerdem erleichtert das pseudoplastische Verhalten einiger Flüssigkeiten das Ausgießen und Verteilen von Produkten wie Ketchup und Mayonnaise.^1,2
2. Kosmetik und Körperpflege: Viele Körperpflegeprodukte, wie Shampoos, Lotionen und Cremes, enthalten nicht-newtonsche Flüssigkeiten. Das pseudoplastische Verhalten dieser Flüssigkeiten sorgt für ein leichtes Auftragen und Verteilen und damit für ein angenehmes Benutzererlebnis.²
3. Pharmazeutische Produkte: Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten finden Anwendung in Arzneimittelabgabesystemen, insbesondere in oralen und topischen Formulierungen. Die kontrollierte Freisetzung von Medikamenten kann durch die Ausnutzung des scherverdünnenden Verhaltens solcher Flüssigkeiten erreicht werden.³

Wissenschaftliche Grundlagen für das Verhalten nicht-newtonscher Flüssigkeiten

Das Verhalten von Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten kann mit Hilfe von Konzepten aus der Rheologie, der Lehre vom Fließen der Materie, verstanden werden. Rheologische Modelle wie das Potenzgesetzmodell und das Herschel-Bulkley-Modell liefern mathematische Beschreibungen des nicht-newtonschen Fließverhaltens.

Nach dem Potenzgesetzmodell kann die Beziehung zwischen Schubspannung (τ) und Schergeschwindigkeit (γ) als τ = Kγⁿ ausgedrückt werden, wobei K der Konsistenzindex und n der Index des Fließverhaltens ist. Dieses Modell wird häufig zur Beschreibung pseudoplastischer Flüssigkeiten verwendet.¹

Das Herschel-Bulkley-Modell erweitert das Potenzgesetzmodell durch die Einbeziehung der Fließspannung (τ₀), die die Mindestspannung ist, die erforderlich ist, damit die Flüssigkeit fließt. Die Scherspannung in diesem Modell kann als τ = τ₀ + Kγⁿ ausgedrückt werden. Dieses Modell wird üblicherweise zur Beschreibung thixotroper und dilatanter Flüssigkeiten verwendet.²

Abschluss

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten faszinieren Forscher und Ingenieure weiterhin durch ihre faszinierenden Eigenschaften und vielseitigen Anwendungen. Sie widersetzen sich dem konventionellen Verständnis der Fluiddynamik und bieten daher Möglichkeiten für Innovation und Fortschritt in verschiedenen Branchen. Das Verständnis der wissenschaftlichen Prinzipien, die ihr Verhalten bestimmen, ermöglicht es uns, ihre einzigartigen Eigenschaften zu nutzen und neue Lösungen für reale Herausforderungen zu entwickeln.^1,2,3

Referenzen

1. Barnes, H. A. (1999). A Handbook of Elementary Rheology. University of Wales Institute of Non-Newtonian Fluid Mechanics.

2. Bird, R. B., Armstrong, R. C., Hassager, O. (1987). Volume 1: Fluid Mechanics. Dynamics of Polymeric Liquids. Wiley-Interscience.

3. Dealy, J. M., Wissbrun, K. F. (1999). Schmelzrheologie und ihre Rolle in der Kunststoffverarbeitung: Theory and Applications. Springer Science & Business Media.