New Driving Unit for the Direct Measurement of Yield Stress with a Stress Controlled Rheometer

Investigations of rheological properties of ferrofluids have shown strong changes of the viscosity in magnetic fluids with an applied magnetic field. The change of the viscosity – the magnetoviscous effect – can theoretically be described with chain and structure formation under the influence of a magnetic field. Moreover, the formation of these structures leads to the appearance of viscoelastic effects or other non-Newtonian features like yield stress in ferrofluids with an applied magnetic field. With a shear rate controlled rheometer – as it as been used in former experiments – the yield stress could not be investigated directly. Therefore the results concerning a field dependent yield stress based on an extrapolation of shear controlled measurements. For the direct investigations of the yield stress, a dedicated stress controlled rheometer is required, allowing direct investigations of the magnitude and field dependence of this effect. In this work the design of the stress controlled rheometer with its main parameters has been described in detail. The rheological investigations with differently composed fluids show that the stress controlled rheometer enables direct measurements of even small yield stresses in ferrofluids as well as large effects like they are found in magnetorheological fluids (MRF). Zusammenfassung: Ferrofluide zeigen unter der Einwirkung eines Magnetfeldes starke Änderungen ihrer Viskosität. Die Änderung der Viskosität – der magnetoviskose Effekt – kann theoretisch mit Kettenund Strukturbildung der magnetischen Partikel unter Magnetfeldeinfluss beschrieben werden. Neben dieser Viskositätserhöhung sind in Ferrofluiden, bedingt durch die Bildung der kettenartigen Strukturen unter der Einwirkung eines Magnetfeldes, viskoelastische Effekte oder andere nicht-Newtonsche Eigenschaften wie z. B. das Auftreten einer Fließgrenze beobachtet worden. Für die ersten Fließgrenzenuntersuchungen ist ein scherratenkontrolliertes Rheometer verwendet worden, womit die Fließgrenze nicht direkt bestimmt werden konnte. Daher musste bei diesen Untersuchungen die feldabhängige Fließgrenze in Ferrofluiden durch Extrapolation der Fließkurven ermittelt werden. Um eine detaillierte und direkte Untersuchung der Fließgrenze durchführen zu können, ist ein schubspannungsgesteuertes Rheometer notwendig, das die direkte Untersuchung der Fließgrenze unter dem Einfluss variabler Magnetfelder erlaubt. Im Rahmen dieser Arbeit sollen das scherratenkontrollierte Rheometer und dessen wichtigste Komponenten im Detail beschrieben werden. Die rheologischen Untersuchungen an verschiedenen Flüssigkeiten zeigen, dass das hier vorgestellte schubspannungsgesteuerte Rheometer einerseits direkte Messungen sehr kleiner Effekte, wie z. B. der Fließgrenze in Ferrofluiden, und andererseits von sehr großen Effekten, wie z. B. der Fließgrenze in magnetorheologischen Flüssigkeiten (MRF), erlaubt. Résumé: Les recherches sur les propriétés rhéologiques des ferrofluides ont démontré que la viscosité change fortement lorsque un champ magnétique est appliqué sur les fluides magnétiques. Le changement de la viscosité -l’effet magnétovisqueuxpeut être décrit théoriquement par la formation de chaînes et de structures induites par l’effet du champ magnétique. De plus, la formation de ces structures conduit à l’apparition d’effets viscoélastiques ou d’autres caractéristiques non Newtoniennes comme une contrainte seuil pour les ferrofluides avec un champ magnétique appliqué. Avec un rhéomètre à vitesse de cisaillement contrôlée – type de rhéomètre utilisé dans des expériences précédentes – la contrainte seuil ne pouvait pas être étudiée directement. Il en est de même pour les résultats concernant la contrainte seuil en fonction du champ obtenus sur la base d’une extrapolation des mesures effectuées en vitesse de cisaillement contrôlée. Pour l’étude directe de la contrainte seuil, un rhéomètre spécial à contrainte contrôlée est requis, qui permet l’étude directe de la grandeur de cet effet ainsi que de sa dépendance en fonction du champ. Dans cette étude, la conception du rhéomètre à contrainte contrôlée est décrite en détail, avec ses principaux paramètres. Les études rhéologiques menées avec des fluides de compositions différentes montrent que le rhéomètre à contrainte contrôlée rend possible la mesure directe de petites contraintes seuils dans les ferrofluides, aussi bien que des grands effets comme ceux rencontrés avec les fluides magnétorhéologiques.