Viskosität von Lacken und Polymerlösungen

Dynamische Viskosität η

Die dynamische Viskosität η beschreibt den Widerstand eines Fluids gegen eine Scherbewegung. Vereinfacht gesagt ist sie ein Maß dafür, wie zähflüssig ein Material ist.

Einheit: SI-Einheit Pa·s; in der Lackpraxis häufig mPa·s. Es gilt 1 Pa·s = 1 000 mPa·s. Ältere Angaben verwenden teilweise cP (Centipoise): 1 cP = 1 mPa·s. Zum Vergleich: Wasser besitzt bei 20 °C etwa 1 mPa·s.

Für eine newtonsche Flüssigkeit gilt: τ = η · γ̇ (τ = Schubspannung, η = dynamische Viskosität, γ̇ = Schergeschwindigkeit). Bei konstanter Temperatur ist η bei einer newtonschen Flüssigkeit unabhängig von der Schergeschwindigkeit.

Merke: Je höher η ist, desto größer ist der Widerstand gegen die Scherung und desto zähflüssiger ist das Material.

Kinematische Viskosität ν

Die kinematische Viskosität ν ist die dynamische Viskosität geteilt durch die Dichte: ν = η / ρ. Einheit: m²/s, in der Praxis mm²/s (ältere Angaben in cSt, Centistokes: 1 cSt = 1 mm²/s). Sie beschreibt, wie eine Flüssigkeit unter ihrem eigenen Gewicht fließt — deshalb ist sie die Größe hinter allen Verfahren, bei denen die Flüssigkeit durch die Schwerkraft ausläuft: Auslaufbecher und Kapillarviskosimeter liefern zunächst ν; die dynamische Viskosität folgt daraus mit η = ν · ρ.

Beispiel: Ein Lack mit η = 450 mPa·s und ρ = 1,2 g/cm³ hat ν = 450 / 1,2 = 375 mm²/s. Wasser: η ≈ 1 mPa·s, ρ ≈ 1 g/cm³ → ν ≈ 1 mm²/s.

Merke: Zwei Flüssigkeiten mit gleicher dynamischer Viskosität, aber verschiedener Dichte laufen verschieden schnell aus dem Becher — die schwerere schneller.

Viskosität von Polymerlösungen

Die Viskosität einer Polymerlösung wird insbesondere beeinflusst durch:

• Polymerkonzentration
• Molmasse und Molekülgestalt
• Polymer-Lösemittel-Wechselwirkung bzw. Lösemittelwahl
• Temperatur
• bei nichtnewtonschen Systemen zusätzlich Schergeschwindigkeit

Polymerkonzentration: Mit zunehmender Polymerkonzentration steigt die Viskosität in der Regel an. Bei höherer Konzentration befinden sich mehr Polymerketten im gleichen Volumen; ihre gegenseitige Behinderung nimmt zu.

Molmasse: Bei vergleichbarer Polymerkonzentration führt eine höhere Molmasse häufig zu einer höheren Lösungsviskosität. Längere Polymerketten können sich stärker verschlaufen und gegenseitig behindern. Der Einfluss hängt aber auch von Polymerstruktur, Konzentration und Polymer-Lösemittel-Wechselwirkung ab.

Relative Viskosität ηrel

Die relative Viskosität vergleicht die Viskosität einer Polymerlösung mit der Viskosität des reinen Lösemittels:
ηrel = η / η₀
η = Viskosität der Polymerlösung; η₀ = Viskosität des reinen Lösemittels. Beide Werte müssen bei gleicher Temperatur und unter vergleichbaren Messbedingungen bestimmt werden. ηrel ist dimensionslos.

Bedeutung: ηrel = 1: gleiche Viskosität; ηrel > 1: das Polymer erhöht die Viskosität. Je größer ηrel, desto stärker ist die Viskosität der Lösung gegenüber dem reinen Lösemittel erhöht.

Beispiel: η = 2,4 mPa·s und η₀ = 0,60 mPa·s → ηrel = 4,0. Die Polymerlösung besitzt die vierfache Viskosität des reinen Lösemittels.

Relative Viskosität im Kapillarviskosimeter

Bei einer Kapillarmessung misst die Durchlaufzeit die kinematische Viskosität; für ηrel braucht man deshalb die Dichten. Unter gleichen und geeigneten Messbedingungen gilt näherungsweise:
ηrel = (t · ρ) / (t₀ · ρ₀)
t = Durchlaufzeit der Lösung; t₀ = Durchlaufzeit des Lösemittels; ρ = Dichte der Lösung; ρ₀ = Dichte des Lösemittels. Sind die Dichten nahezu gleich, kann näherungsweise ηrel ≈ t / t₀ verwendet werden.

Praktische Viskositätsmessung

Auslaufbecher: Gemessen wird die Auslaufzeit einer definierten Flüssigkeitsmenge durch eine genormte Düse. Je länger die Auslaufzeit, desto zähflüssiger ist das Material. Die Auslaufzeit in Sekunden ist jedoch nicht selbst die dynamische Viskosität. Für geeignete, annähernd newtonsche Flüssigkeiten kann daraus unter den Normbedingungen die kinematische Viskosität ν bestimmt werden (siehe oben). DIN EN ISO 2431 beschreibt Auslaufbecher mit Düsen von 3, 4, 5 und 6 mm; gemessen wird bei (23 ± 0,5) °C. Der geeignete Becher wird so gewählt, dass die Auslaufzeit im vorgesehenen Bereich liegt; in der Praxis werden häufig etwa 30 bis 100 s angestrebt (Fachrechner „Auslaufbecher Soll/Ist“). Bei stark nichtnewtonschen Materialien ist die Aussagekraft eingeschränkt. Bei strukturviskosen beziehungsweise thixotropen Lacken kann der Zustand des Materials die Messung deutlich beeinflussen: Ein frisch aufgerührter Lack kann beispielsweise eine kürzere Auslaufzeit zeigen als derselbe Lack nach einer definierten Standzeit. Deshalb müssen bei vergleichenden Messungen die Vorbehandlung, Rührbedingungen und Wartezeit möglichst gleich gehalten werden. Auch die Temperatur muss kontrolliert werden, weil die Viskosität stark temperaturabhängig sein kann. Ein Auslaufbecher liefert dabei unter festgelegten Bedingungen eine Auslaufzeit, die für die praktische Beurteilung und den Vergleich von Lacken genutzt werden kann.

Rotationsviskosimeter: Bestimmt wird das Drehmoment, das erforderlich ist, um einen Messkörper mit definierter Geschwindigkeit in der Probe zu bewegen. Damit können Viskositätswerte bei unterschiedlichen Schergeschwindigkeiten bestimmt und nichtnewtonsche Fließeigenschaften untersucht werden. Im Oszillationsverfahren wird der Messkörper nicht gedreht, sondern mit kleiner Amplitude hin- und herbewegt; so lässt sich die innere Struktur eines Lacks — etwa der Wiederaufbau nach dem Rühren bei thixotropen Systemen — verfolgen, ohne sie durch die Messung zu zerstören.

Kapillarviskosimeter: Gemessen wird die Durchlaufzeit einer Flüssigkeit durch eine Kapillare. Aus der Durchlaufzeit wird unter den festgelegten Mess- und Kalibrierbedingungen die Viskosität bzw. bei Polymerlösungen die entsprechende Viskositätskennzahl bestimmt. Das Verfahren eignet sich besonders für niedrigviskose, annähernd newtonsche Flüssigkeiten und verdünnte Polymerlösungen.

Niedrige und hohe Viskosität in der Lackpraxis

Niedrige Viskosität: Das Material fließt leicht. Das kann den Verlauf und die Verteilung erleichtern, erhöht aber die Gefahr des Ablaufens an senkrechten Flächen.

Hohe Viskosität: Das Material fließt schwerer. Mögliche Folgen sind schlechterer Verlauf, höherer Strömungswiderstand und beim Spritzen erschwerte Zerstäubung.

Wichtig: Es gibt keine allgemein richtige Viskosität. Die erforderliche Viskosität hängt von Lacksystem, Auftragverfahren, Festkörpergehalt, Schichtdicke und Verarbeitungsbedingungen ab.

Fließverhalten und Fließkurven

Beim Lagern, Pumpen, Rühren, Auftragen und Spritzen wirken unterschiedliche Scherbedingungen. Eine Fließkurve beschreibt den Zusammenhang zwischen Schubspannung τ und Schergeschwindigkeit γ̇.

• Newtonsch: η bleibt bei konstanter Temperatur unabhängig von der Schergeschwindigkeit.
• Strukturviskos bzw. scherverdünnend: Die Viskosität nimmt mit steigender Schergeschwindigkeit ab. Das kann bei Lacken erwünscht sein: bei hoher Scherung niedrigere Viskosität, nach dem Auftrag bei niedriger Scherung höhere Viskosität.
• Dilatant bzw. scherverdickend: Die Viskosität nimmt mit steigender Schergeschwindigkeit zu. Dieses Verhalten kann beispielsweise bei hochgefüllten Systemen auftreten.
• Thixotrop: Die Viskosität nimmt unter Scherung ab und baut sich nach Verringerung oder Beendigung der Scherung zeitabhängig wieder auf.

Prüfungsfalle: Scherverdünnung ist nicht automatisch Thixotropie. Thixotropie enthält zusätzlich die Zeitabhängigkeit des Strukturabbaus und -wiederaufbaus. Ein scherverdünnendes System kann also ohne thixotropen Zeitaufbau vorliegen.

Thixotropie gezielt einstellen — Vorteile und Nachteile

Ziel: Ein Lack soll sich unter Scherung gut verarbeiten lassen und nach dem Auftrag ausreichend standfest sein.

Vorteile: besseres Standvermögen, höhere mögliche Nassfilmdicke, geringere Sedimentationsneigung bei geeigneter Struktur.

Nachteile einer zu starken Struktur: schlechterer Verlauf, höherer Aufrühraufwand, mögliche Lufteinschlüsse und erschwerte Verarbeitung. Eingestellt wird die Struktur mit rheologischen Additiven wie pyrogener Kieselsäure (siehe L-46).

Einfluss des Lösemittels

Das Lösemittel beeinflusst die Lösungsviskosität auf mehreren Wegen. Seine eigene Viskosität trägt zum Gesamtverhalten bei. Außerdem beeinflussen Polarität, Lösungsvermögen und Wechselwirkungen zwischen Lösemittel und Polymer die Ausbildung von Polymerketten-Assoziaten (siehe L-07).

Bei Bindemitteln mit OH- oder COOH-Gruppen können Wasserstoffbrücken zwischen Polymergruppen zur Viskosität beitragen. Ein geeignetes Lösemittel kann solche Wechselwirkungen abschwächen bzw. Polymerketten besser solvatisieren und dadurch die Viskosität senken. Ein ungeeignetes Lösemittel kann dagegen zu schlechter Solvatation, Assoziation oder im Extremfall zu Löslichkeitsproblemen führen.

Merke: Ein Lösemittel mit niedriger Eigenviskosität führt nicht automatisch zur niedrigsten Lackviskosität; entscheidend ist das Zusammenspiel von Lösemittel und Bindemittel.

Einfluss der Temperatur

Die Viskosität ist stark temperaturabhängig: Temperatur steigt → Viskosität sinkt in der Regel; Temperatur sinkt → Viskosität steigt in der Regel. Deshalb muss ein Viskositätswert immer zusammen mit der Messtemperatur angegeben werden.

Der Zusammenhang ist nicht linear. Als grobe Praxisregel kann bei vielen Lacklösemitteln und -bindemitteln eine deutliche Viskositätsabnahme mit steigender Temperatur beobachtet werden; die oft verwendete Faustregel „etwa halbierte Viskosität je 10 bis 15 °C“ ist nur eine grobe Näherung und kein Naturgesetz. Die tatsächliche Temperaturabhängigkeit muss für das jeweilige System bestimmt werden.

Beim Heißspritzen wird diese Temperaturabhängigkeit gezielt genutzt: Durch Erwärmen kann die Verarbeitungsviskosität sinken, ohne den Lack durch zusätzliche Lösemittelzugabe zu verdünnen. Dabei müssen jedoch auch Lösemittelverdunstung, Topfzeit, Trocknung und Arbeitssicherheit berücksichtigt werden.

Merksatz