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Strömungsinduzierte Phasenänderung

Strömungsinduzierte Phasenänderungen

 

Viele Tensidlösungen, aber auch Farbstoffe, Proteinlösungen und Polymersysteme, zeigen das Phänomen strömungsinduzierter Phasenänderungen. Man versteht darunter z. B. den Abbau supramolekularer Strukturen im Strömungsfeld (Thixotropie). Hierzu gehört die Umwandlung einer lamellaren Phase in Vesikel (Liposomen), oder der Zerfall eines Netzwerkes (Gels) in einzelne Komponenten. Auch der umgekehrte Vorgang, also der Aufbau neuer Strukturen unter Einwirkung mechanischer Kräfte (Rheopexie), gehört zu den scherinduzierten Phasenänderungen. Während thixotrope Vorgänge relativ häufig zu beobachten sind, finden strömungsinduzierte Aufbauprozesse nur relativ selten statt. Dieses Phänomen kann aber durch das Prinzip der orthokinetischen Koagulation qualitativ erklärt werden. Dieser Effekt beruht im Wesentlichen auf der Erhöhung der Stoßzahl im Strömungsfeld. Wenn Mizellen unter dem Einfluss von Scherkräften zusammenprallen, können sie oftmals größere, metastabile Strukturen bilden, die dann vollkommen neue Eigenschaften zeigen. Wenn die Strömung dann wieder abgeschaltet wird, zerfällt die scherinduzierte Struktur und der Ruhezustand bildet sich zurück. Strömungsinduzierte Phasenänderungen sind daher häufig reversibel. Einfache Beispiele für die Bildung neuer Strukturen im Strömungsfeld findet man z. B. auch in Tensidlösungen, und besonders oft wenn stäbchenförmige Mizellen vorliegen.

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Die Ergebnisse der Messungen deuten daraufhin, dass sich oberhalb einer kritischen Scherrate perlschnurartige Überstrukturen bilden, die eine hexagonale Schwerpunktsordnung besitzen. Da diese Fäden bereits relativ groß sind, müssen die Mizellen in der Strömung Aggregationsprozessen unterliegen. Andere Beispiele scherinduzierter Phasen äußern sich durch den rasanten Anstieg der Trübung oder durch Änderungen der Anisotropie der mechanischen, optischen und elektrischen Eigenschaften. Diese Phänomene können mithilfe der Strömungsdoppelbrechung, Messungen der 1. Normalspannungsdifferenz oder Messungen der scherinduzierte Trübung detailliert untersucht werden. Da scherinduzierte Strukturen in turbulenten Strömungen zur Erniedrigung des viskosen Widerstands führen (drag reduction), eignen sich diese Flüssigkeiten auch zur Verringerung der Turbulenz. Derartige Vorgänge sind für technische Prozesse interessant, bei denen Flüssigkeiten in Rohrleitungen oder Pipelines über weite Entfernungen transportiert werden müssen. Es gibt bereits in Prag und in Chicago Fernwärmenetze, an die zirka 500 Haushalte angeschlossen sind. In diesen Rohrleitungen zirkulieren auch kationische Tensidlösungen, die durch die Bildung scherinduzierter Strukturen turbulente Wirbel vermeiden. Auf diese Weise kann für den Transport der Lösungen Energie eingespart werden, und man benötigt dann nur kleinere Pumpen, um diese Fernwärmenetzwerke effektiv zu betreiben.