Kurzfassung
Kolloidale Dispersionen zeigen ein interessantes Verhalten, das unter dem Begriff Scherverdünnung bekannt ist. Dies bedeutet, dass die Viskosität einer Probe mit steigender Scherrate abnimmt. In der vorliegenden Arbeit werden die strukturellen Veränderungen, die für diesen Effekt verantwortlich sind, mittels Proben untersucht, die aus polyacrylatbeschichteten Silica-Nanopartikeln bestehen, welche in Polyethylenglykol-200 dispergiert sind. Die Silica-Partikel werden mithilfe einer modifizierten Stöber-Synthese hergestellt und Proben mit Volumenanteilen zwischen φ = 0.22 und φ = 0.53 präpariert.
Die Experimente dieser Arbeit nutzen einen Versuchsaufbau, der ein Kegel-Platte-Rheometer mit Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) kombiniert. Hierdurch können die rheologischen und strukturellen Eigenschaften der Proben gleichzeitig gemessen werden. Die Daten der SAXS-Messungen werden zusätzlich durch Röntgenkreuzkorrelationsanalyse (XCCA) evaluiert, um Korrelationen höherer Ordnung und lokale Symmetrien zu analysieren.
Es wird gezeigt, dass hoch konzentrierte Nanopartikeldispersionen unter Scherung Strukturen mit hexagonaler Symmetrie ausbilden, die als Schichten von hexagonal dichtest gepackten Kugeln interpretiert werden können. Aus den XCCA-Daten kann der sechste Fourierkoeffizient der Kreuzkorrelationsfunktion als Ordnungsparameter zur Quantifizierung der hexagonalen Ordnung herangezogen werden. Im Bereich mittlerer Scherraten ist der Grad der hexagonalen Ordnung mit dem Betrag der Scherrate korreliert, das heißt, die hexagonale Ordnung nimmt mit steigender Scherrate zu. Da die Viskosität mit zunehmender Scherrate abnimmt, kann daraus gefolgert werden, dass ein höherer Grad lokaler
Ordnung die innere Reibung der Probe und damit ihre Viskosität reduziert.
Colloidal dispersions show a peculiar rheological behavior known as shear-thinning, that is the viscosity of a sample decreases with increasing shear rate. In this work the underlying structural changes that lead to this effect are studied by using samples consisting of polyacrylate-coated silica nanoparticles dispersed in polyethylene glycol-200. The silica particles are synthesized using a modified Stöber method and samples with volume fractions between φ = 0.22 and φ = 0.53 are prepared. The experiments performed in this thesis utilize a setup combining a cone-plate rheometer with a small-angle x-ray scattering (SAXS) setup. In this way rheological and structural properties of the samples can be measured simultaneously. Data collected from the SAXS measurements are evaluated further using x-ray cross-correlation analysis (XCCA) in order to study higher-order correlations and local symmetries. It is shown that under shear the highly concentrated nanoparticle dispersions form structures with hexagonal symmetry which can be interpreted as layers of hexagonal close-packed spheres. From XCCA the sixth Fourier coefficient of increase of the shear rate corresponds to an increase of local hexagonal order. Since the viscosity is decreasing with increasing shear rate it can be concluded that a higher degree of local order minimizes internal friction of the sample, and therefore lowers its viscosity.