7.11. ahol t a szuszpenzió, to a diszperzióközeg kifolyási ideje, k a szuszpenzió, ko pedig a diszperzióközeg sárásége. Kis szuszpenziókoncentrációnál a sáráségek hányadosa elhanyagolható. A mérési eredményeket foglaljuk össze táblázatosan. Diszperzióközeg és/vagy koncentrációja
Üledéktérfogat cm3
Diszperzió-közeg és szuszpenzió kifolyási ideje, s to t
0rel
Relatív permittivitás grel
A kísérleti eredmények értékeléséhez ábrázoljuk a határfelület süllyedését az ülepítési idÅ függvényében (ülepedési görbe). Ábrázoljuk az üledéktérfogatot és a relatív belsÅ súrlódást az egykomponensá diszperzióközeg esetén a közeg relatív permittivitásának függvényében, elegyeknél pedig az elektrolit-, ill. az alkoholkoncentráció függvényében. A kísérleti eredményeket hasonlítsuk össze és magyarázzuk meg a tapasztaltakat.
7.4. Tömény szuszpenziók vizsgálata
– a közeg-részecske határfelületi rétegének megváltoztatásával (a diszperzióközegben oldott adalékokkal, elsÅsorban tenzidekkel), – a diszperz rész felületi polaritásának a szuszpendálást megelÅzÅ módosításával, organofilizálásával szabályozhatjuk. Lényeges mértékben befolyásolhatja a szerkezetképzést és a szerkezeti szilárdságot a diszperz rész természete, duzzadásra, peptizációra való hajlama is. A liofilitás, ill. az adhézió megváltoztatása szorpciós módszerekkel közvetlenül tanulmányozható. Az organikus diszperzióközegben oldott felületaktív anyagok adszorpciójának, a szorpció jellegének (fizikai, kémiai), a szorbeált mennyiségnek (felületi borítottságnak), illetve a szorpciós réteg szerkezetének meghatározó szerepe van a szuszpenzió stabilitása és szerkezeti szilárdsága szempontjából. A hidrofil felületá részecskék szuszpendálást megelÅzÅen történÅ felületmódosításánál vízben oldott felületaktív anyagok adszorbeálódnak a részecskék felületén. A hatás mértéke a diszperz rész és a tenzid anyagi minÅségén kívül nagymértékben függ a szorbeált mennyiségtÅl, ill. a felületi borítottság mértékétÅl. Az organofilizáló anyag mennyiségének növelése csak egy határig növeli a felület lipofilitását. További mennyiség forditott orientációjú, második réteg kiépülését eredményezheti, melynek poláris része irányul a közeg felé, ismét növelve ezáltal a részecskék közötti adhéziót. Az organofilizálás máveletének szabályozása, irányítása tehát csak részletes szorpciós vizsgálatokkal valósítható meg (2.2. pont). Rotációs viszkozimetria mérési elve
Ha a szuszpenzió térfogategységében lévÅ részecskeszám meghalad egy kritikus értéket és a részecskék között jelentÅs adhéziós erÅk máködnek, akkor a rendszerben koherens, térbeli struktúra alakul ki. A koherens rendszerekben kialakuló szerkezet szilárdságát a részecskék közötti kötéspontok száma és erÅssége szabja meg. A kötéspontok számát a diszperz rész relatív térbetöltése (a szuszpenziókoncentráció), valamint a részecskék mérete és alakja, a kapcsolatok erÅsségét és a kötéspontok kialakulásának, illetve nyírás utáni újraképzÅdésének sebességét pedig elsÅsorban a részecske–részecske és a részecske–közeg közti kölcsönhatás, tehát az adhézió és a liofilitás határozza meg. A koherens szuszpenziók részecskéi nem, vagy csak igen lassan ülepednek, de az ülepedés – a struktúratömörödés, illetve szinerézis – mindig éles határfelülettel történik. Különösen organikus közegá szuszpenziók hajlamosak a koherens struktúra kialakítására. A gyakorlati organikus közegá diszperziók (pigmentált lakkfestékek, polimerdiszperziók, olajbányászati fúróiszapok, szuszpenziós mátrágyák, szén-olaj szuszpenziók stb.) nagy többségénél ugyanis nagyenergiájú, poláris felületá részecskéket szuszpendálnak kevésbé poláris vagy apoláris közegben. Ennek következtében nem alakulhat ki megfelelÅ vastagságú és szerkezetá, a részecskék közötti adhéziós erÅket lényeges mértékben csökkentÅ lioszféra. A liofilitást és ezen keresztül a szuszpenziókban kialakult szerkezet sajátságait adott szilárd diszperz rész esetén: – különbözÅ nedvesedést biztosító közegek alkalmazásával,
119
A rotációs viszkoziméterekben két koncentrikus henger között helyezkedik el a vizsgálandó anyag. Az egyik henger rögzített, a másik pedig különbözÅ szögsebességgel forgatható (COUETTE-típus: külsÅ henger forog, SEARLE-típus: külsÅ henger rögzített). A henger forgatása a vizsgálandó anyagot tangenciálisan deformálja, amely a deformációval szemben ellenállást fejt ki. Viszkózus (newtoni) rendszereknél (pl. folyadékoknál) a súrlódási ellenállás jellemezhetÅ a súrlódási erÅvel. Mivel a résben lévÅ anyag deformációja nyírás, az ellenállás mértéke erÅvel, ill. az erÅnek a henger felületegységére vonatkoztatott nagyságával, az ún. nyírófeszültséggel jellemezhetÅ. Jele J, mértékegysége N/m2 vagy PASCAL (Pa). Viszkózus rendszerekre ismeretes a 7.12. összefüggés: J=0D
7.12.
összefüggés, ahol D a deformációsebesség gradiens (s–1), 0 pedig a belsÅ súrlódási együttható. A newtoni folyadékoknál a nyírófeszültség (J) a sebességgradiens (D) lineáris függvénye, azaz a viszkozitás (0) állandó. Más anyagoknál a lineáris függés nem érvényes, a viszkozitás nem állandó. Kétféle eltérés van az ideális viselkedéstÅl: – szerkezeti viszkózus, vagy nyírásra elfolyósodó (shear thinning) anyagoknál a viszkozitás csökken, 120
– dilatáns, vagy nyírásra szilárduló (shear thickening) rendszereknél pedig növekszik a nyírás sebességének növelésével. Ezért ezeknek az anyagoknak a folyási tulajdonságait nem lehet egyetlen adattal, a belsÅ surlódási együtthatóval leírni, hanem jellemzésükhöz a J = f(D) (folyásgörbe) vagy az 0 = f(J) függvényeket használjuk. Ezen függvények meghatározására alkalmasak a rotációs viszkoziméterek. A RHEOTEST rotációs viszkoziméterben a belsÅ henger szögsebessége különbözÅ értékekre állítható és egyúttal meghatározható a hozzátartozó nyírófeszültség is. A belsÅ henger spirálrugóval csatlakozik a forgatótengelyhez, amit szinkronmotor hajt meg. A forgatótengely fordulatszáma közbeiktatott sebességváltóval különbözÅ értékekre állitható. A D sebességgradiens arányos a motor fordulatszámával (7.13. összefüggés), mert D = du/db ~ )u/)b = k rT = 2 kBn, 7.13.
7.15. ahol Fs a súrlódó erÅ, r a belsÅhenger sugara és h a magassága, M pedig Fs r = a belsÅ hengerre ható fékezÅ erÅ forgatónyomatékával. Adott hengerre 2Br2h = konstans = A, tehát J = M/A. Az M-mel egyensúlyt tart a spirálrugó megnyúlása miatt fellépÅ momentum. Ezért az árammérÅ által mutatott skálarész (") segítségével M = $" alakban fejezhetÅ ki a 7.16. összefüggéssel ($ = állandó): 7.16. miután $ és A azonos hengerre állandó, ezek hányadosa, Z is állandó (a mászerhez mellékelt táblázatban található). Az 0 látszólagos viszkozitást mPa@s vagy mN/m2@s egységekben – J és D ismeretében – a 7.17. és 7.18. összefüggés alapján kapjuk:
ahol )b: a réstávolság, )u: a belsÅ henger kerületi sebessége, r: a belsÅ henger sugara, T: a belsÅ henger szögsebessége, n: a belsÅ henger fordulatszáma, k: konstans. A mászer sebességváltó állása 1,2...12 jelá. A fokozatok száma egy további áttétellel megkettÅzhetÅ egy kapcsoló a, ill. b helyzetbe való állításával. Így összesen 24 különbözÅ fordulatszámmal mérhetünk. Minden fokozatnak megfelel egy n érték, ez a 7.13. egyenlet szerint meghatároz egy D-t, melyet 50 Hz hálózati frekvenciára vonatkozó D-érték táblázatból olvashatunk le. Ha a mért frekvencia (<) lényegesen eltér, a D-t a 7.14. szerint korrigáljuk: Dk = D
ellenállásának mérésével, gyakorlatilag a potenciométeren áthaladt áram erÅsségének mérésével határozhatjuk meg. A nyírófeszültség a 7.15. összefüggéssel számítható:
7.14.
A forgatótengely forgása a spirálrugón keresztül áttevÅdik a belsÅ hengerre, ezért a belsÅ henger rövid idÅ után ugyanolyan szögsebességgel forog, mint a forgató tengely. A készülék bekapcsolásakor a belsÅ henger tehetetlensége folytán a rugó megfeszül. Ha a két henger között súrlódást okozó anyag nem lenne, a rugó feszültsége teljesen megszünne a fordulatszám felvételekor. Súrlódó anyag jelenléte miatt azonban a rugó feszülése nem szánik meg teljesen, ezért ilyenkor a forgató tengely és a forgatott henger egymáshoz képest bizonyos szöggel elfordulva marad az azonos szögsebesség ellenére is. A forgató tengelyhez egy potenciométer csatlakozik, melynek állító tengelye a belsÅ hengerhez rögzített. A potenciométer ellenállása arányos a henger szöglemaradásával, ezért a szöglemaradást a potenciométer
121
0 = 100 J/D
7.17.
f = 100/D
7.18.
Az így számolt viszkozitást azért nevezzük látszólagosnak, mert minden mért sebességgradiens-, ill. nyírófeszültséghez más és más viszkozitás tartozhat. Ha a hálózati frekvencia 50 Hz-tÅl lényegesen eltér (> +3 Hz), akkor f-et a 7.19. összefüggés szerint kell korrigálni: 50 fk = f <
7.19.
A nem newtoni anyagok reológiai viselkedésének jellemzésére elsÅsorban a J = f(D) ún. folyásgörbéket vagy az 0 = f(J) ún. viszkozitásgörbéket használhatjuk fel. Plasztikus és pszeudo-plasztikus (BINGHAM-test) rendszereknél 7.20. a folyásgörbék lineáris szakaszának D = 0-ra történÅ extrapolálásával a BINGHAMféle folyáshatárt (JB), az iránytangensbÅl pedig a plasztikus viszkozitást kapjuk. A koherens szuszpenziók töménységüktÅl és a részecskék közti erÅhatásoktól függÅen igen különbözÅ tulajdonságú reológiai testeket képezhetnek. Meghatározott töménységig – amíg a részecskék nem építenek fel összefüggÅ vázszerkezetet, tehát amíg a szuszpenzió inkoherens – a szuszpenziók általában newtoni folyadékok és viszkozitásuk leírására a 7.21. összefüggés alkalmazható: 122
7.21. ahol 0 a szuszpenzió, 0o a közeg viszkozitása, N a diszperz rész térfogattörtje, k pedig egyenlÅ méretá, gömbalakú, jól nedvesedÅ részecskék esetén egyetemes állandó, melynek nagysága EINSTEIN szerint 2.5. Szemikoherens szuszpenziókra jó közelítéssel érvényes a 7.21. egyenlet sorbafejtett alakja (7.22. összefüggés): 0spec = 0rel – 1 = 2.5 N + a2N2 + a3N3
7.22.
ahol a2 és a3 a részecskék alaki, szerkezeti tulajdonságaitól függÅ állandók. Koherens szuszpenziók visz- kozitás – koncentrációfüggésének leírására már a fenti hatványsor sem alkalmas. A tömény szuszpenziók reológiai viselkedését elsÅsorban a folyásgörbék lefutása, a hiszterézishurok területe, valamint a BINGHAMféle folyáshatár- és plasztikus viszkozitás alapján ítélhetjük meg. A szuszpenziók – a folyásgörbék lefutása alapján – a 7.7. ábrán látható fÅbb reológiai típusokba sorolhatók. A folyásgörbék felvételéhez mérik a növekvÅ, majd a csökkenÅ sebességgradienseknél kialakuló nyírófeszültségeket is. Az eddig tárgyalt reológiai rendszertípusoknál ezek az értékek jó közelítéssel megegyeznek, de tixotróp rendszereknél jelentÅs mértékben eltérnek egymástól. A tixotróp rendszer tipikus folyásgörbéjét a 7.8. ábra szemlélteti. A koherens szuszpenziók folyásgörbéinek alakja függ az alkalmazott sebességgradiens-tartománytól is. A különbözÅ térbetöltésá, adhéziós és nedvesedési sajátságokkal rendelkezÅ szuszpenziók folyásgörbéi öt típusba sorolhatók, ahogy ezt a 7.9. ábra mutatja.
Az 1. típusú görbe a viszonylag kis koordinációszámú gyenge térhálójú rendszerek esetén jelentkezik. A 3. típusú görbe a még viszonylag laza térhálójú rendszerekhez rendelhetÅ, ahol a szerkezet a relaxációs folyás után, hirtelen omlik össze. Az 1x típusú görbe a nagy töménységá rendszerekre jellemzÅ. A 2. és a 2x típusú folyásgörbék a tárgyalt három szuszpenziótípus közti átmeneti rendszerekhez tartoznak. A nedvesedés növelése, a szuszpenziókoncentráció csökkentése a folyásgörbéken fokozatosan 3.6 2.6 1. típusváltozást idéz elÅ. Eközben változhat a hiszterézishurok jellege is. A 3. típusú folyásgörbe I. szakasza a relaxációs folyás szakasza, ahol a regeneráció sebessége 7.9. ábra: Szuszpenziók jellegzetes folyásgörbe típusai. összemérhetÅ a nyírássebességgel. A II. szakaszon terjed ki a nyírás az egész résre és a koherens struktúra fokozatosan összeomlik. A III. szakaszon, a sebességgradiens növelésével fokozatosan kialakulnak a végleges folyási egységek. A konzisztens szuszpenziókban a liofilitást és az adhéziót befolyásoló tényezÅk hatására a reológiailag mérhetÅ szuszpenziókoncentráció-tartomány oly nagymértékben eltolódhat, hogy egy adott szuszpenziókoncentráció mellett a rendszerek nem hasonlíthatók össze, mert egyik ülepszik, a másik pedig nem is homogenizálható. A reológiai jellemzÅk szuszpenziókoncentrációtól való függésére igen sok empirikus és különbözÅ kiindulási feltételek alapján levezetett összefüggést írtak le. Mind tömör, mind pedig duzzadó és peptizálható diszperz résszel rendelkezÅ organoszuszpenziók JB, ill. 0pl értéke koncentrációfüggésének leirására alkalmazhatjuk a 7.23. és 7.24. empirikus összefüggéseket: 7.23.
7.24. ahol JB és 0pl a N, JB° és 0pl° pedig a No térfogatkoncentrációjú rendszer BINGHAMféle folyáshatára, ill. plasztikus viszkozitása. N a vizsgált szuszpenzió töménysége térfogatszázalékban, No pedig a koherens szuszpenzió kialakulásához szükséges minimális koncentráció ugyancsak térfogatszázalékban kifejezve. A N0-t üledéktérfogatméréssel, a JB°-t, ill. 0pl°-t extrapolációval határozzuk meg. Az m és n a részecs-
7.8. ábra: Tixotróp rendszer folyásgörbéje. 7.7. ábra: Reológiai rendszerek folyásgörbéi.
123
124
kék közötti adhéziós erÅkre jellemzÅ állandók, melyek a kísérleti adatok logaritmikus léptékben történÅ ábrázolása alapján határozhatók meg.
39. feladat: Koherens szuszpenziók vizsgálata rotációs viszkoziméterrel Vizsgáljuk meg, hogyan változnak a vizes közegá természetes Ca-bentonit szuszpenziók reológiai tulajdonságai a vízben oldott lúgos elektrolitok – mint peptizátorok – minÅségének és mennyiségének, valamint a szuszpenziókoncentrációnak a függvényében. A feladat második részében a Ca-bentonitból készített organofil bentonit organikus közegá szuszpenzióit vizsgáljuk ugyancsak a dezaggregációt elÅsegítÅ segédanyagok – kis szénatomszámú alifás alkoholok – minÅségének és mennyiségének, valamint a szuszpenziókoncentrációnak a függvényében. Eszközök: Anyagok:
Rotációs viszkoziméter, golyósmalom, 12 db 100 ml-es fÅzÅpohár, 1 db 10 és 20 ml-es mérÅpipetta, 1 db 50 ml-es mérÅhenger. Természetes Ca-bentonit, organofil bentonit, vazelinolaj, alifás alkoholok, 50 g/l Na2CO3-, Na3PO4-, NaCl-, NaOH-, LiOH-, Na2SO4- és (NaPO3)6-oldatok.
A reológiai vizsgálatokhoz a szuszpenziókat, forgatható, zárt achátedénnyel ellátott golyósmalom segítségével készítjük elÅ, melyben egy nagyobb achátgolyó biztosítja a bedörzsölést. Az achátedénybe elÅször bemérjük a számított mennyiségá deszt. vizet, vagy vizes elektrolitoldatot, ill. vazelinolajat vagy vazelinolaj – alkohol elegyet. Ehhez adagolunk Ca-bentonitot vagy organofil bentonitot. A szuszpenziók homogenizálási ideje 15 perc. A szuszpenziókat ezután 100 ml-es fÅzÅpohárba tesszük, alufóliával lefedjük és a reológiai vizsgálatokat a beÅrlés befejezésétÅl számított 1 óra múlva végezzük. A golyósmalom elindítása csak a gyakorlatvezetÅ jelenlétében történhet. A reológiai mérés kivitelezése Ha RHEOTEST–II típusú rotációs viszkoziméterrel végezzük a vizsgálatokat, akkor a különbözÅ viszkozitású anyagok mérésére különbözÅ méretá N, S, ill. H jelá külsÅ henger (mérÅpohár) szolgál. Az S mérÅpohárhoz három különbözÅ méretá (S1, S2, ill. S3) belsÅ henger, az N, ill. H jelá mérÅpohárhoz pedig egy-egy ugyancsak N, ill. H jelá belsÅ henger tartozik. MegfelelÅ mérÅpohár és belsÅ henger esetén a D a 0.16–1310 s–1 tartományban 24 fokozatban változtatható. A nyírófeszültség 0.16–300 Pa, a látszólagos viszkozitás pedig 0.1–105 Pa @ s tartományban mérhetÅ. A kisviszkozitású (többé-kevésbé még folyékony) anyagokat az N, ill. S1, S2 vagy S3, a nagyviszkozitású (már pasztaszerá) anyagokat a H hengerrel és a hozzátartozó mérÅpohárral vizsgáljuk. 125
Mérés elÅtt mind a mérÅpoharat, mind pedig a belsÅ hengert gondosan meg kell tisztítani és a felületeket a megfelelÅ mosófolyadékkal liofillé kell tenni a mérendÅ szuszpenzióval szemben. Célszerá a vizes, illetve organikus közegá szuszpenziókhoz különbözÅ mérÅrendszert használni. A vizsgálandó anyagból – a belsÅ henger méretétÅl függÅen – különbözÅ mennyiségeket töltünk a mérÅpohárba: belsÅ henger jele
N
S1
S2
S3
H
töltési mennyiség, ml
15
25
30
35
17
A készülék méréshez való elÅkészítését, a mérendÅ anyag betöltését és a mérést csak a gyakorlatvezetÅ felügyelete mellett végezhetjük. Határozzuk meg a mászer skálakitérését elÅször fokozatosan növekvÅ, majd közvetlenül utána fokozatosan csökkenÅ sebességgradienseknél. A mászerhez mellékelt táblázat alapján számítsuk ki az egyes sebességgradiensekhez tartozó nyírófeszültségeket. Adjuk meg az egyes szuszpenziók teljes folyásgörbéit és állapítsuk meg, rendelkeznek-e a szuszpenziók tixotrópiával vagy dilatanciával. Számítsuk ki a folyásgörbék növekvÅ sebességgradienssel kapott ágának végsÅ lineáris szakasza alapján a BINGHAM-féle folyáshatárt, ill. a plasztikus viszkozitást és ábrázoljuk a változtatott tényezÅ – a szuszpenziókoncentráció, vagy az adalékanyag mennyiségének, ill. minÅségének – függvényében. Ha a szuszpenziókoncentrációt változtattuk – azonos diszperzióközeg alkalmazásával –, akkor vizsgáljuk meg a 7.23. és 7.24. összefüggések alkalmazhatóságát és adjuk meg az n és m exponenseket is. A No értékeket üledéktérfogat méréssel határozzuk meg. A diszperzióközegben oldott adalékanyagnak (szervetlen elektrolit vagy alkohol) a diszperz részre vonatkoztatott koncentrációja egyezzék meg a reológiai vizsgálatoknál alkalmazott koncentrációval. Az üledéktérfogat vizsgálatát 10 ml-es csiszoltdugós osztott kémcsövekben végezzük 10 ml diszperzióközeg/1 g diszperz rész beméréssel (38. feladat). Az egyensúlyi üledéktérfogatot 1 heti állás után olvassuk le. A koherens struktúra kialakulásához szükséges minimális koncentrációt (No) a 7.25. összefüggéssel számítjuk: No = 100 Vs/Vü 7.25. ahol Vs az m tömegá, k sáráségá anyag térfogata Vs = m/k, Vü pedig az egyensúlyi fajlagos üledéktérfogat.
40. feladat: Tixotrópia vizsgálata Eszközök: Anyagok:
126
5 db 10 ml csiszoltdugós kémcsÅ, 2 db 10 ml-es mérÅpipetta Na-bentonit, 0.2 mol/l Na-, K-, Ca- és Mg-klorid-oldatok.
55. feladat: Polielektrolit jellegá xerogélek duzzadási sebességének meghatározása tömegméréssel Eszközök:
Anyagok:
7 db 100 ml-es csiszolt dugós porüveg, 2 db 100 ml-es mérÅlombik, 2 db 20 ml-es mérÅpipetta, l db üvegbot, 2 db csiszolt fedÅs 3 cm átmérÅjá bemérÅedény, 1 db fotocsipesz. Zselatinlapok, 1, 0.1 és 0.01 mol/l HCl és NaOH-oldatok, 96 %-os etilalkohol, n-propil-alkohol
A zselatinlapok tömegét mérjük le analitikai pontossággal, majd 1–1 lapot helyezzünk el 50–50 ml adott töménységá savat, lúgot, ill. deszt. vizet tartalmazó porüvegbe és gondosan zárjuk le. Az edényeket helyezzük termosztátba, vagy állandó hÅmérsékletá helyre. 15 perc elteltével emeljük ki a mintákat a folyadékból, és szárÅpapírral gondosan leitatva, zárt mérÅedényben mérjük le a tömegüket. Ezután visszahelyezzük a lapocskákat a megfelelÅ folyadékba és az elsÅ duzzadási idÅket is beleszámítva 30, 60, 90 és 180 perc elteltével ismételten megmérjük a zselatinlapok tömegét. A mérési idÅ folyamán az oldatokat idÅnként üvegbottal keverjük meg. Célszerá a zselatinlapokat 4 percenként elhelyezni a folyadékokba, mert így biztosítható a folyamatos mérési lehetÅség. Ismerve a zselatinlapok száraz tömegét és a különbözÅ duzzadási idÅk után mért tömegét, kiszámítjuk a felvett vízmennyiségeket. Ábrázoljuk a százalékban kifejezett vízfelvételt a duzzadási idÅ függvényében. Számítsuk ki minden t idÅhöz a duzzadási sebességet, vagyis az 1 g zselatin által 1 másodperc alatt felvett vízmennyiséget grammokban és ábrázoljuk ezeket is a duzzadási idÅ függvényében. Dehidratálószerek, így pl. etil- vagy propil-alkohol jelentÅs mértékben befolyásolják a polielektrolitok vízfelvételét. Ennek tanulmányozása a sav-, ill. a lúg hatásának vizsgálatával analóg módon történhet.
tudjuk. A módosított keményítÅ-származékok között található legismertebbek a karboxi-metil-keményítÅféleségek, melyeket monoklór-ecetsav és keményítÅ alkalikus közegben történÅ reagáltatásával állítanak elÅ. Egy karboxi-metil-keményítÅ molekula (karboxi-metil-amilopektin, CMA) szerkezetének egy részét a 9.5. ábrán mutatjuk be.
9.5. ábra: Karboxi-metil-amilopektin molekula szerkezeti képlete.
A CMA tehát tipikus anionos polielektrolit, relatív moláris tömege a százezret is elérheti. Vízben gyorsan duzzad és már viszonylag kis koncentráció esetén gélt képez. Hátránya viszont, hogy érzékeny az elektrolitok és kölönösen a többértéká kationok jelenlétére. Géljeiben több mikroorganizmus gyorsan szaporodik, illetve szaporítható, ezért tartósítani kell, melyre elsÅsorban a NIPAGIN (metil-p-hidroxibenzoát) alkoholos oldatát használják. Ennek ellenére nagyon sok iparágban (élelmiszer-, gyógyszer-, kozmetikai-, textil- stb.) elterjedten alkalmazzák. Vizsgálataink célja annak megállapítása, hogy a vízben oldódó elektrolitok és az etil-alkohol hogyan befolyásolják a CMA-gélek szerkezetképzését és reológiai sajátosságait. Eszközök:
56. feladat: Karboxi-metil-keményítÅ (karboxi-metil-amilóz, CMA) gélek reológiai vizsgálata Anyagok: A keményítÅ különféle növényekben keletkezik és azok tartaléktápanyagaként szolgál. A keményítÅ különbözÅ szerkezetá glükóz molekulákból épül fel, melynek összegképlete (C6H1005)n. Az építÅ alapmolekulák száma 10 és 500 ezer között változik. A keményítÅ két fÅkomponenst tartalmaz, az amilózt és az amilopektint, melyek aránya a különbözÅ növényekben eltérÅ lehet. A keményítÅ jellemzÅ tulajdonságai közé tartozik, hogy hideg vízben oldhatatlan, forró vízben gyorsan duzzad és kolloid oldatot képez, amely lehátve géllé dermed: „csirízt” alkot. A keményítÅoldatok, ill. gélek képzÅdését és tulajdonságait oxidációval, hidrolízissel éter-, ill. észter-származékok elÅállításával lényeges mértékben befolyásolni 163
Szabályozható fordulatszámú mechanikus keverÅ, viszkoziméter, 6 db 100 ml-es fÅzÅpohár, 2 db 10 ml-es RESILA-pipetta, 1 db 10 ml-es hasaspipetta. KülönbözÅ szubsztitúciós fokú CMA-minták, abs.etanol, 0.01 mol/l NaCl, Na2SO4, Na3PO4, CaCl2 és AlCl3 oldatok.
A reológiai vizsgálatokhoz a CMA-géleket változtatható fordulatszámú mechanikus keverÅvel szobahÅmérsékleten végezzük. Az oldószerbe – amely lehet deszt. víz, vagy 0.01 mol/l koncentrációjú NaCl, Na2SO4, Na3PO4, CaCl2, ill. AlCl3-oldat, valamint különbözÅ térfogattörtá etanol-víz elegy – állandó keverés közben kis részletekben adagoljuk a CMA port. A keverést 15–15 percig végezzük, a reológiai vizsgálatokat a keverés befejezésétÅl számított egy órai duzzadási idÅ után kezdjük.
164
A készítendÅ gélmennyiség 40–40 g, a gélkoncentráció 2.0 és 5.0 g CMA/100 g gél között változhat. A reológiai vizsgálatokat RHEOTEST–II. rotációs viszkoziméterrel a 7. fejezetben és a 39. feladatban leírtaknak megfelelÅen végezzük. Állapítsuk meg, hogy a CMA-gélek milyen reológiai rendszertípushoz tartoznak, plasztikus viszkozitásuk és BINGHAM-féle folyáshatáruk hogyan változik a változtatott tényezÅ függvényében. Magyarázzuk meg az elektrolitminÅség és a gél reológiai sajátosságai közötti összefüggést.
165
RE1: Polimer gélek reológiája (7.4 fejezet 56. feladat) Feladat – eltérések a könyvtől: 3-szor 50 cm3 vizes szuszpenziót készítünk, keverni/kevertetni kell őket: 1-1,8 g xanthán gumi/100cm3 (a pontos értéket a gyakorlatvezető mondja meg!) elektrolit: 0,00-0,50 tartomány (pl. 0,00; 0,10 és 0,40 M CaCl2, az adott értékeket a gyakorlatvezető mondja meg!) A különböző elektorlit koncentrációjú szuszpenziókat úgy kell elkészíteni, hogy a xanthán gumit először ~ feles mennyiségű desztillált vízben beduzzasztjuk, majd utána adjuk hozzá a még szükséges mennyiségű desztillált vizet illetve elektrolit oldatot. Készítsünk egy negyedik gélt is úgy, hogy az elektrolit koncentrációja szintén a legmagasabb legyen a fenti koncentráció értékek közül, de xanthán gumihoz rögtön adjuk hozzá az elektrolitot is. Figyeljük meg az eltéréseket. 1 órás állás után felvesszük a folyásgörbéket a Rheotest II rotációs viszkoziméter kiválasztott mérőfejével (S3) (30-35 ml gélt töltsünk bele) növekvő, majd csökkenő nyírássebesség gradienseknél. Mérjük meg a minták pH-ját! Az eszközöket vízzel majd desztillált vízzel alaposan mossuk el! Értékelés: Ábrázoljuk a folyásgörbéket és állapítsuk meg azok jellegét. Értékeljük ki őket a típustól függően (ha plasztikus: pl és a folyásgörbe csökkenő sebességgradiensek esetén mért szakaszából, ha szerkezeti viszkózus: látszólagos) Hasonlítsuk össze a kapott eredményeket a változtatott paraméter függvényében! Táblázat: választott henger, z=?, fokozat
D
(oda) (vissza) mértékegységek
(oda)
(vissza)
paraméter jellemző mennyiség mértékegységek
RE2: Polielektrolit gélek reológiája (7.4 fejezet 56. feladat) Feladat – eltérések a könyvtől: Mérjünk 3 főzőpohárba 3-szor 1,5 g CMA-t/CMK (karboximetil-amilopektint). Készítsünk 49 cm3 desztillált víz kis részletekben való hozzáadásával, folyamatos keverés mellett hidrogélt. Mérjük meg a hidrogélek pH-ját és KOH (0,1M) oldat hozzáadásával állítsunk be 2-3 pH-val nagyobb pH értékeket a második pohárban, még 6-7 pH-val nagyobb pH értékeket a harmadik pohárban. Kb. 1 óra állás után felvesszük a folyásgörbéket a Rheotest II rotációs viszkoziméter kiválasztott mérőfejével (S3) (30-35 ml gélt töltsünk bele) növekvő, majd csökkenő nyírássebesség gradienseknél. Az eszközöket vízzel majd desztillált vízzel alaposan mossuk el! Értékelés: Ábrázoljuk a folyásgörbéket és állapítsuk meg azok jellegét. Értékeljük ki őket a típustól függően (ha plasztikus: pl és a folyásgörbe csökkenő sebességgradiensek esetén mért szakaszából, ha szerkezeti viszkózus: látszólagos) Hasonlítsuk össze a kapott eredményeket a változtatott paraméter függvényében! Táblázat: választott henger, z=?, fokozat D (oda) (vissza) mértékegységek
(oda)
(vissza)
paraméter jellemző mennyiség mértékegységek
21. Reológia kiskérdések 1. Mit nevezünk folyásgörbének és viszkozitásgörbének? 2. Milyen folyásgörbe típusokat ismersz? 3. Mi a nyírófeszültség? (definíció, jel, mértékegység) 4. Mik a newtoni folyadékok? 5. Milyen eltérések lehetségesek a reológiai viselkedésben a newtoni folyadékoktól? 6. Mely folyásgörbe típusok lehetnek jellemzőek a koherens szuszpenziókra? 7. Hogyan lehet meghatározni a plasztikus viszkozitást ( pl) és a Bingham-féle folyáshatárt ( B)? 8. Hogyan lehet befolyásolni a polimergélek viszkozitását? 9. Hogyan lehet befolyásolni az agyagásvány szuszpenziók viszkozitását?
