Scherverhalten kolloidaler Lagenphasen in Rohrströmungen

Kolloidale Suspensionen aus identischen kugelförmigen, geladenen Partikeln in wässrigen Medien stellen ein ideales Modellsystem zur Untersuchung des Gleichgewichtsverhaltens, aber auch des Nicht-Gleichgewichtsverhaltens Weicher Materie dar. So bilden derartige Systeme bei hinreichend starker und langreichweitiger elektrostatischer Repulsion fluid und kristallin geordnete Strukturen aus, die wegen der weitreichenden Analogie zu atomar kondensierter Materie als kolloidale Fluide und Kristalle bezeichnet werden. Von großem Vorteil ist dabei die Möglichkeit zur kontrollierten Einstellung der Wechselwirkung und die gute optische Zugänglichkeit für Mikroskopie und Lichtstreuung sowie die Weichheit der Materialien, aufgrund derer sich auch Zustände fernab des mechanischen Gleichgewichts gezielt präparieren lassen. Themenstellung der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung des Phasenverhaltens und der Fließmechanismen kolloidaler Kristalle in einer Rohrströmung. Im ersten Teil der Arbeit wird gezeigt, dass beim Fluss durch eine zylindrische Röhre Mehrphasenkoexistenz auftritt, wobei ein polykristalliner Kern von einer isotropen Scherschmelze umgeben ist. Zusätzlich treten an der Grenze zwischen diesen Phasen und an der Rohrwand Phasen hexagonal geordneter übereinander hinweggleitender Lagen auf. Der Vergleich zwischen auf der Basis der Navier-Stokes-Gleichung theoretisch berechneten und gemessenen Geschwindigkeitsprofilen zeigt, dass jede dieser Phasen für sich Newtonsches Fließverhalten aufweist. Die Gesamtviskosität ist hingegen durch die mit dem Durchsatz veränderliche Phasenzusammensetzung Nicht-Newtonsch. Damit gelang es, die erstmalig von Würth beschriebene Scherverdünnung auf eine Veränderung der Phasenzusammensetzung zurückzuführen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde erstmals das Fließverhalten der Lagenphasen mittels Lichtstreuung und Korrelationsanalyse untersucht. Dafür wurde ein im Prinzip einfacher, aber leistungsstarker Aufbau realisiert, der es erlaubt, die zeitliche Veränderung der Bragg-Reflexe der Lagenphase in radialer und azimutaler Richtung zu verfolgen und mittels Fourieranalyse zu analysieren. In Abhängigkeit vom Durchsatz geht die zunächst rastend gleitende Lagenphase in eine frei gleitende Lagenphase über, wobei charakteristische Veränderungen der Spektren sowie der Korrelationsfunktionen auftreten, die detailliert diskutiert werden. Der Übergang im Gleitmechanismus ist mit einem Verlust der Autokorrelation der Rotationskomponente der periodischen Intra-Lagenverzerrung verbunden, während die Kompressionskomponente erhalten bleibt. Bei hohen Durchflüssen lassen die Reflexbewegungen auf das Auftreten einer Eigenschwingung der frei gleitenden Lagen schließen. Diese Schwingung lässt sich als Rotationsbewegung, gekoppelt mit einer transversalen Auslenkung in Vortexrichtung, beschreiben. Die Ergebnisse erlauben eine detaillierte Diskussion von verschiedenen Modellvorstellungen anderer Autoren.Colloidal suspensions consisting of identical spherical charged particles in an aqueous medium represent an ideal model system to investigate the equilibrium and the non-equilibrium phase behavior of soft condensed matter. Colloidal systems of sufficiently strong and long-ranged electrostatic repulsion show fluid and crystalline ordered structures, which, due to their extensive analogy to atomic matter, are known as colloidal fluids and crystals. In soft condensed matter research the possibility of a well controlled adjustment of particle interactions as well as the good optical accessibility by microscopy and light scattering are of great advantage. Furthermore the material softness allows to directly prepare colloidal systems in a state far away from equilibrium. Subject of the thesis presented was an investigation of the phase behavior and flow mechanisms of colloidal crystals in a pipe flow. In the first part it is shown that a multi-phase coexistence arises under flow condition in a cylindrical pipe, whereby a polycrystalline core is surrounded by an isotropic shear melt. In addition, hexagonally ordered colloidal layers which slide over each other, are observed at the phase boundaries as well as next to the pipe wall. A comparison of the suspension flow profiles being measured experimentally on the one hand and computed on basis of the Navier-Stokes equation on the other hand shows that each of these phases for itself exhibits Newtonian flow behavior. However the total suspension viscosity is determined by its phase distribution, which is variable with the overall suspension volume flux. Thus it was possible for the first time to attribute the suspension shear thinning - first observed by Würth - to changes of the suspension phase distribution. In the second part the shear behavior of colloidal layers was investigated for the first time using light scattering and correlation analysis. By realizing a simple but powerful experimental setup, it was possible to detect and analyze time dependent changes of the layer phase’s Bragg-reflexes both in radial and azimuthal direction by using Fourier analysis. With increasing suspension volume flux, a transition from a registered to a free sliding shear mechanism of the layer phase was observed, which is connected to characteristic changes in both the frequency spectra and the correlation functions. Both is discussed in detail. The transition is correlated to a loss in auto-correlation for the rotation component of periodical layer distortions, while the compression component is retained. In the range of high volume fluxes the reflex movements point to an excitation of in-plane oscillations in freely sliding layers. This oscillatory movement can be described as a rotational mode being coupled to a transversal mode in vortex direction. The results received from this investigation enable a detailed discussion of several models for shear behavior of colloidal layers published by other authors