Habnövekedés és stabilitás eltérő gravitációs körülmények között

Kerpely Antal Anyagtudományok és Technológiák Doktori Iskola Vezető: Prof. Dr. Roósz András akadémikus

Habnövekedés és stabilitás eltérő gravitációs körülmények között Tézisfüzet

Somosvári Béla Márton okl. fizikus-csillagász Tudományos vezető: Prof. Dr. Bárczy Pál professor emeritus Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Kar Polimermérnöki tanszék Miskolc, 2011

Somosvári Béla M. Tézisfüzet

1.

Bevezetés és célkitűzések

A hab nem más, mint gázdiszperzió folyadékban, vagy szilárd anyagban. Ezek az anyagok lényeges szerepet játszanak a természetben és mesterséges anyagokkal körülvett világunkban is. Nagyon sokféle iparágban – élelmiszeripar, építőipar, közlekedés, bútorgyártás, repülőgép-űripar – használjuk őket szerkezeti, vagy funkcionális anyagként, és természetesen előfordulnak mindennapjainkban is. A fejlesztőmérnökök folyamatosan próbálják megtalálni a legjobb módszert arra, hogy megfelelően kézben tartott habgyártási technológiát alkalmazzanak homogén cellaszerkezetű, stabil és testre szabható funkcionalitással bíró habok előállítására, vagy, éppen ellenkezőleg, teljesen meg akarnak szabadulni a különféle folyamatok során keletkező nemkívánatos haboktól (pl. papíripar). Fentiek miatt a hab struktúrák kialakulásának és stabilitásának megértése elengedhetetlen, és igazi interdiszciplináris területre vezet minket, ahol a kémia, fizika, matematika és az anyagutdományok egyaránt jelentős szerepet kapnak. A habok mikrogravitációs, vagy gravitációval kapcsolatos tanulmányozása nyilvánvalóan fontos: a gravitáció kulcsszerepet játszik a habfeljődésben. A habot alkotó folyadék a gravitációs és a kapilláris erőknek köszönhetően kiszivárog a habszerkezetből a cellafalak fokozatos vékonyodását, majd elszakadását okozva. A buborékok közötti gázdiffúzió durvuláshoz, vagyis az átlagos buborékméret időbeli növekedéséhez vezet. A buborékok koaleszcenciája („összepukkanása”), a diffúzió miatti durvulás és a folyadékfilmek szakadása mind-mind a hab folyadéktartalmától függ. Emiatt a felsorolt jelenségeket a gravitáció miatti szivárgás összeköti egymással. Ezek a habfejlődés szempontjából kulcsfontosságú jelenségek a gravitáció kiküszöbölésével szétválaszthatók, ami tudományos szempontból kiemelt jelentőségű [1, 2, 3]. Magyarországon az ADMATIS Kft. 2003-ban kezdte az alumíniumhabok kutatását az ESA1 „Advanced Foams under Microgravity” 2 (2003-2006) pályázatának keretében, mint társ-kutató és berendezés fejlesztő. Az alumíniumhabok folyékony állapotban kizárólag a felületeken lévő szilárd szemcséknek köszönhetik stabilitásukat. A habok és emulziók részecske-stabilizációja egy igazán pezsgő területe az anyagtudománynak. Az alumíniumhaboknak jó alkalmazási lehetőségei vannak az autóiparban, a részecske-stabilizált vízbázisú rendszerek – habok, emulziók – pedig élelmiszeripari és gyógyszeripari tekintetben rendkívül fontosak. Az ADMATIS 2006-ban indította el „FOCUS - Foam Casting and Utilisation in Space3 ” projektjét, amely arra irányult, hogy részecske-stabilizált vízbázisú habok keletkezését és stabilitását vizsgálja egy új típusú habgenerátor segítségével, amely eltérő gravitációs körülmények között is működőképes. A kísérlet fő célkitűzése valójában 1

Európai Űrügynökség Speciális Habok Mikrogravitációban, azonosító: AO-99-075, szerződésszám: 98009 3 Hab előállítás és hasznosítás az űrben. A FOCUS az ESA és az EC által támogatott SURE (International Space Station: a Unique Research Infrastructure) program része, ID: SURE AO-019 / PECS 98045, RITA-CT-2006-026069. 2

3


2 A TUDOMÁNYOS MUNKA ÖSSZEFOGLALÁSA

egy technológiai demonstráció volt, miszerint az új technológia mikrogravitációban is tud részecske-stabilizált habokat előállítani. Ezzel párhuzamosan növelt gravitációs kísérletek is folytak a Magyar Űrkutatási Iroda támogatásával4 . A fenti tevékenységek ideális hátteret biztosítottak számomra, mint PhD hallgató, és mint ADMATIS alkalmazott ahhoz, hogy tudományos munkát folytassak az alábbi célkitűzésekkel: 1. Részecske-stabilizáció vizsgálata vízbázisú haboknál, ezen belül kísérleti úton összefüggést találni az alkalmazott részecskék nedvesítési szöge és a rendszer habzóképessége között. 2. A FOCUS habgenerátor (továbbiakban: HG) előnyeit kihasználva, célül tűztem ki a gravitáció és a habosítás gravitációhoz képesti irányának hatását a FOCUS szuszpenzió (lásd később) habzóképességére és stabilitására. 3. További célom volt a habszerkezet és a buborékméret - eloszlás változásainak kísérleti vizsgálata a gravitációs körülmények (nagyság és irány) változtatásával, a FOCUS HG-t és a FOCUS szuszpenziót (lásd később) használva.

2.

A tudományos munka összefoglalása

2.1.

Anyagok és módszerek

A vízbázisú habokban fellelhető részecske-stabilizációs effektus vizsgálatához mikronos méretű emulziós PVC port (Vestolit B7021, 10 tömeg%) kevertünk víz-etanol elegybe. A részecskék elegyhez képesti peremszögének változtatását az etanol koncentráció változtatásával oldottuk meg (0, 33, 55, 78, 90, 96 etanol vol.% ). A habok előállításához porózus SiC kerámiát5 és 15ml folyadékot használtunk, 10 másodperces N2 gázbefúvással 0.3bar gáznyomáson. A növelt és csökkentett gravitációs mérésekhez 2 tömeg% hidrofób SiO2 nanorészecskék vizes szuszpenzióját használtuk. A szuszpenzió 0.05 tömeg% SDS-t (nátrium-dodecilszulfát, Rectapur, VWR Prolabo) is tartalmazott. A szuszpenziót a következőképp készítettük el: elsőként az SDS-t oldottuk fel az ioncserélt vízben, majd a nanoport fokozatosan adagoltuk hozzá folyamatos keverés mellett (1200RPM), 90 percen keresztül. A továbbiakban ezt fogjuk FOCUS szuszpenziónak nevezni. A habosítást megelőzően a FOCUS szuszpenziót betöltöttük a habgenerátorokba. A HG-k részben nyitott cellás poliuretán habból (Eurofoam K2790) készültek henger alakban. Használat előtt minden HG-t desztillált vízben tisztítottunk meg. A makrogravitációs mérésekben 4.2±0.2g, a mikrogravitációs mérésekben pedig 3.8±0.2g szuszpenziót töltöttünk be. 4 5

Részecske-stabilizált habok vizsgálata makrogravitációban, TP-212 Univerzális Sokzónás Habosító Berendezés - Normál hőmérsékletű habosító betét, ADMATIS, 2005

4


2.1 Anyagok és módszerek

A FOCUS kísérlet integrációs nehézségei miatt meg kellett viszgálnunk a FOCUS szuszpenzió eltarthatóságát is. Ennek eredményeként 50%-os habzóképesség csökkenést fedeztünk fel 2 hetes szobahőmérsékleten történő tárolás után. A frisshez képest tehát csak feleannyi habot lehetett előállítani a tárolt szuszpenzióval. Tárolás alatt itt a szuszpenzióval betöltött habgenerátorokat kell érteni. Mindezek miatt nagyon fontos volt, hogy minden referencia-kísérletben azonos ideig tárolt szuszpenziókat használjunk. A növelt gravitációs méréseknél frissen elkészített és betöltött szuszpenziót tudtunk használni, de a mikrogravitációs kísérletben 11 napos mintákkal kellett dolgozni. A növelt gravitáció FOCUS szuszpenzióra gyakorolt hatását a brémai ZARM Hyper-G óriáscentrifugájában tanulmányoztuk Németországban. Erre a célra automatizált tesztpadot fejlesztettünk ki az ADMATIS Kft.-ben. A kísérletekhez nitrogéngázt használtunk 10 másodperces habosítási idővel, 0.125l/min térfogatáram mellett. A többórás csökkentett gravitációs környezetet a Nemzetközi Űrállomás fedélzetén, a Columbus laboratóriumban sikerült elérnünk. A kísérletet az ADMATIS-ban kifejlesztett FOCUS berendezéssel hajtottuk végre (1. ábra). Ezekben a mérésekben és a referenciakísérletekben is HFC-245fa (Honeywell) gázt használtunk. Három habosító henger (a továbbiakban HH) volt beépítve a berendezésbe 0.08, 0.125 és 0.23l/min előre beállított térfogatáram értékekkel ill. 42, 40 és 37 másodperces fújási időkkel. Ugyanezen paramétereket használtuk a földi referencia kísérletekben is.

1. ábra. A FOCUS berendezés repülő példánya.

Minden mérést kamera, vagy digitális fényképezőgép segítségével rögzítettünk, a habtérfogatokat és a buborékméreteket a felvételekből nyertük ki. A legfontosabb technológiai paramétereket — habosító nyomás, térfogatáram, hőmérséklet, külső nyomás — beállítottuk, ill. az adatokat rögzítettük. A habfújás irányát a gravitáció irányához képest mértük. 180◦ a normál „lentről felfelé” habosítást, 90◦ a „vízszintes”, és 0◦ a „lefelé” történő habfújást jelenti. 5


2 A TUDOMÁNYOS MUNKA ÖSSZEFOGLALÁSA

A gravitációs szintet a berendezésre szerelt gyorsulásmérők segítségével rögzítettük a növelt gravitációs mérésekben. A Columbus modul g-szintjét (< 0.016g) a repülésirányítás adta meg a csökkentett gravitációs mérések esetén. Minden kísérletet normál labor körülmények között végeztünk, környezeti nyomáson és szobahőmérsékleten (23±1 ◦ C). A habzóképességet az adott idő alatt, rögzített térfogatáram mellett fújt habtérfogatokkal jellemeztük. A habtérfogat a homogén cellaszerkezettel rendelkező hab térfogatát jelenti. Azokat a cellákat („lukak”), amelyeknek a méretei meghaladták a teljes habtérfogat 10%-át, nem tekintettük a hab részének. A kezdeti habtérfogat az a habmennyiség, amelyet a gázbefúvás kikapcsolásának pillanatában mérünk. A hab stabilitását a félélettartammal, vagy a teljes élettartammal jellemeztük. Ezeken kívül kezdeti és a 3 perces habtérfogatok hányadosát (%-ban megadva) is használtuk. Az átlagos buborékméretet a növelt gravitációs kísérletekben nagyfelbontású fényképeken mértük, melyeket kb. 5 perccel a habfújás után készítettünk. Az adatokat PPI-ben (pores per inch) adtuk meg, a buborékok számát elosztva a HH belső félkerületével. A buborékokat a HG-tól 10mm távolságban húzott vonal mentén számoltuk meg. A mikrogravitációs mérésekben a teljes habfejlődés során lehetőség volt nagyfelbontású képek készítésére. Az átlagos buborékméreteket a HG felületétől mérve 5mm-ként határoztuk meg, a buborékszám és a félkerület hányadosaként. Azokon a helyeken, ahol a hab nem töltötte be teljesen a HH-t, csak a megfelelő ívhosszat vettük figyelembe.

2.2.

Új tudományos eredmények (tézisek)

1. A részecskék folyadékhoz képesti nedvesítési szögének szerepét a hab stabilizációban 10m%, mikronos méretű emulziós PVC részecskék (Vestolit B7021, desztillált vízzel tisztítva) felhasználásával vizsgáltuk, melyet víz-etanol elegyben szuszpendáltunk. Az etanol koncentráció változtatásával a PVC por és a keverék közötti kontaktszöget változattuk (0, 33, 55, 78, 90, 96 etanol vol.% -hoz 83◦ , 46.5◦ , 36◦ , 15◦ , 0◦ , 0◦ tartozik). Kísérleti úton megmutattuk, hogy a kontaktszögnek adott tartományba kell esnie (36-83◦ ) ahhoz, hogy a PVC por hab-stabilizáló szerepe láthatóvá váljon víz-etanol elegyben, a habosításhoz közvetlen gázbefúvást alkalmazva. A legnagyobb habtérfogatot az etanolt nem tartalmazó folyadékban mértük, amely 83◦ nedvesítési szögnek felel meg PVC por esetében. A habokat 0.3bar habosító nyomással állítottuk elő, 10 másodperces gázbefúvással. 2. A FOCUS szuszpenzióból (2 tömeg% SiO2 nanorészecske, 0.05 tömeg% SDS desztillált vízben) előállított habok térfogata rögzített 0.125l/min térfogatáram és 10 másodperc habosítási idő mellett, FOCUS HG-okat használva függ a gravitációs szinttől: magasabb gravitációs gyorsulás mellett kevesebb hab képződik minden mért habosítási irányban (180◦ , 90◦ and 0◦ , a gravitációs vektorhoz képest). 3. A FOCUS szuszpenzió (2 tömeg% SiO2 nanorészecske, 0.05 tömeg% SDS desztillált vízben) mért „habfejlődési görbéi” (habtérfogat az idő függvényében) szerint 6


2.2 Új tudományos eredmények (tézisek)

a legnagyobb habtérfogat mikrogravitációban érhető el, FOCUS HG-t használva, HFC-245fa habosító gázzal. A habokat 0.08, 0.125 és 0.23l/min térfogatáramokkal, ill. 42, 40 és 37 másodperces habosítási időkkel állítottuk elő. 4. A növelt gravitációs kísérletekben (1-15g) a hab stabilitást a kezdeti és a 3 perces habtérfogatok hányadosával jellemeztük %-ban. A FOCUS szuszpenzióból (2 tömeg% SiO2 nanorészecske, 0.05 tömeg% SDS desztillált vízben), FOCUS HG-ral előállított habok stabilitása 63 és 85% között maradt, a gravitációs szinttől függvényében csak enyhe csökkenést mutatva 180 fokban. A gázbefúváshoz levegőt használtunk 0.125l/min térfogatárammal, 10 másodpercen keresztül.

2. ábra. A kezdeti és 3 perces habtérfogatok, és a belőlük számított stabilitás értékek a gravitációs szint függvényében (180◦ ).

5. A FOCUS szuszpenzióból (2 tömeg% SiO2 nanorészecske, 0.05 tömeg% SDS desztillált vízben) fújt habok élettartama (vagyis a stabilitás) nem növekedett mikrogravitációs körülmények között. A habokat 0.08, 0.125 és 0.23l/min térfogatáramokkal, ill. 42, 40 és 37 másodperces habosítási időkkel készítettük. A habok tönkremenetele a használt szuszpenzió esetén tehát nincsen kapcsolatban a gravitáció hajtotta leszivárgással. 6. A FOCUS szuszpenzióból (2 tömeg% SiO2 nanorészecske, 0.05 tömeg% SDS desztillált vízben) készített habok átlagos cellaméretei a gravitáció növekedtével jelentős változást nem mutattak. A gravitáció irányának változtatása viszont jelentős habszerkezetbeli változásokat eredményez. 0◦ irányban sokkal durvább szerkezetű habok keletkeznek, kb. háromszor kisebb mért PPI-vel a 180◦ -hoz képest. A habokat 7


3

A TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI

FOCUS HG-al, 0.125l/min térfogatáram mellett 10 másodpercig, levegőt használva fújtuk. 7. A földi referencia kísérletekhez képest a legnagyobb buborékméreteket mikrogravitációban mértük FOCUS szuszpenziót (2 tömeg% SiO2 nanorészecske, 0.05 tömeg% SDS desztillált vízben), FOCUS HG-t és HFC-245fa habosító gázt használva. Minél magasabb a térfogatáram, annál jelentősebb az átlagos buborékméret-eloszlásbeli különbség 0 és 1g között, 0◦ , 90◦ és 180◦ habosítási irányt használva. A habokat FOCUS HG-al, 0.08, 0.125 és 0.23l/min térfogatárammal, 42, 40 és 37 másodperces fújási időkkel készítettük.

3.

A tudományos eredmények hasznosítási lehetőségei

A kísérleti adatok nagy száma lehetővé teszi, hogy numerikus modellt állítsunk fel a FOCUS HG-al fújt habok fejlődéséhez, a gravitációs vektor hatásának figyelembe vételével. A különböző irányokban történő habfújás érdekes lehet a fémhabgyártásnál is, bonyolult alakú habosított alkatrészek előállítása esetén. Az eddig összegyűjtött tapasztalatokat már sikeresen alkalmaztuk az alumíniumhabok gyártásának területén az ADMATIS Kft. által vezetett „AFT” projekt keretében 20082011 között.6

A disszertáció témájához kapcsolódó publikációk listája Tudományos publikációk 1. Bárczy Pál, Szőke János, Somosvári Béla M., Szirovicza Péter, Bárczy Tamás, Magyar anyagtudományos kísérlet a Nemzetközi Űrállomáson, Bányászati és Kohászati Lapok, 2011/01. 2. B.M. Somosvári, P. Bárczy, J. Szőke, P. Szirovicza, T. Bárczy, FOCUS: Foam evolution and stability in microgravity, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 382 (2011), 58-63 3. Béla M. Somosvári, Norbert Babcsán, Pál Bárczy, Almuth Berthold, PVC particles stabilized water-ethanol compound foams, Colloids and Surface A: Physicochem. Eng. Aspects 309 (2007) 240-245 Tudományos publikációk konferencia kiadványokban 6

AFT, Alakos fémhab technológia, Jedlik Ányos Program, NKFP-07-A2-METFOAM8

8


1. Béla M. Somosvári, Pál Bárczy, Péter Szirovicza, János Szőke, Tamás Bárczy, Foam Evolution and Stability at Elevated Gravity Levels, Materials Science Forum, 649 (2010) pp 391-397 2. Béla M. Somosvári, Norbert Babcsán, Foaming of Water-Ethanol-PVC System, ME Doktorandusz fórum, 2005. 11. 09. ME-MAK szekciókiadványa, nyomdaszám ME. Tu-99/2007. 3. Béla M. Somosvári, Martin Meier, Experiments on Particle Stabilized Aqueous Foams, microCAD 2005. 03. 10-11, Miskolc, ISBN 963 661 658 2 Poszterek és előadások tudományos konferenciákon 1. Béla M. Somosvári, Pál Bárczy, János Szőke, Investigation of Shelf-Life and Foaming of Water-SiO2 -SDS Compound, poszter, Colloids and Materials 2011, Amsterdam, 2011.05.08-11. 2. Pál Bárczy, János Szőke, Béla M. Somosvári, Péter Szirovicza, Tamás Bárczy, Foam Evolution and Stability in Microgravity, poszter, EUFOAM 2010, Borovets, 2010. 07. 14-16. 3. Pál Bárczy, Csaba Mekler, István Budai, D. Madarász, Tamás Bárczy, Béla M. Somosvári, G. Kaptay, Conditions for homogeneous distribution of particles in liquid alloy suspensions to produce metallic foams by the liquid route, poszter, MetFOAM 2009, Pozsony, 2009. 09. 1-4. 4. Béla M. Somosvári, Pál Bárczy, Péter Szirovicza, János Szőke, Tamás Bárczy, Foam evolution and Stability at Elevated Gravity Levels, Solidification and Gravity 2008, előadás, Miskolc-Lillafüred, 2008. 09. 03. 5. Béla M. Somosvári, Pál Bárczy, Péter Szirovicza, János Szőke, Tamás Bárczy, Foaming Experiments under Macrogravity Conditions, előadás, EUROMAT 2007, Nürnberg, 2007. 09.10. 6. Béla M. Somosvári, PVC Particles Stabilizing Water-ethanol Compound Foams, előadás, EUFOAM 2006, Potsdam, 2006. 07. 02-06. 7. Béla M. Somosvári, Pál Bárczy, Stabilization Effect of Particles in Aqueous Suspension Foams, poszter, EUFOAM 2006, Potsdam, 2006. 07. 02-06. 8. Somosvári Béla M., Habnövekedés és gravitáció, előadás, MLR-RET Tudományos Diákfórum 2006, Miskolc, 2006. 06. 08. 9. Béla M. Somosvári, Foaming of Water-ethanol-PVC System, előadás, Winter School on Fluid Foam Physics: A Model for Complex Systems, Les Houches, 2006. 01. 9-20 9


3

A TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI

10. Béla M. Somosvári, Víz-ethanol-PVC elegy habosíthatóságának vizsgálata (Foamability investigation of water-ethanol-PVC compound), előadás, ME Doktorandusz fórum, Miskolc, 2005. 11. 09. 11. Béla M. Somosvári, Martin Meier, Norbert Babcsán, Pál Bárczy, Experiments on Particle Loaded Aqueous Foams, poszter, EUROMAT 2005, Prague, 2005. 09. 0508. 12. Béla M. Somosvári, Martin Meier, Experiments on Particle Stabilized Aqueous Foams, előadás, microCAD 2005, Miskolc 2005. 03. 10-11 Konzultált diplomamunkák 1. Huszár Márton: PUR szivacs habképző képességének összehasonlító vizsgálata. PUR csőszigeteléssel épített melegvíz távvezeték hőveszteségének meghatározása, Diplomamunka, Polimermérnöki tanszék, 2008, Miskolci Egyetem, Konzulensek: Dr. Bárczy Pál, Dr. Szemmelweisz Tamásné, Somosvári Béla Márton Szakmai előadások, jelentések 1. Pál Bárczy (speaker), János Szőke, Béla M. Somosvári, Péter Szirovicza, Tamás Bárczy, FOCUS Experiment, Joint CSA/ESA/JAXA/NASA Science Symposium, Increment 21-22, 2009. 09. 02-03. 2. Béla M. Somosvári, Investigation of Water-ethanol-PVC System, előadás, LEONARDO DA VINCI II MOBILITY PROGRAMME, TU-Berlin, 2005. 08. 18. 3. Béla M. Somosvári (speaker), Dr-Ing. Martin Meier, Experimental Study of Aqueous Suspension Foams, előadás, BTU-Cottbus, 2004. 11. 03.

Egyéb publikációk 1. Szőke J., Somosvári B.: Lézeres habvizsgáló berendezés fejlesztése (Development of Laser Foam Analyser), Innováció és Tudás 2007. Miskolci Egyetem. 2007. pp.85-94 2. Somosvári Béla M., A habok világa (World of Foams), Miskolci Egyetem Felvételi Lap 2006 3. Babcsán Norbert, Somosvári Béla M., Anyagtudománnyal átívelt távolságok (Distances Conquered by Materials Science), Természet Világa, 2006/8, pp. 348 4. Béla M. Somosvári, Szilárd Csizmadia, Light Curve Analysis of the Eclipsing Binary Star System V404 Lyrae, Astrophysics of Variable Stars, ASP Conference Series Vol 349, 2006 Ed: C. Sterken, C. Aerts 10


HIVATKOZÁSOK

Hivatkozások [1] C. Monnereau, M. Vignes-Adler, and B. Kronberg. Influence of gravity on foams. J. Chim. Phys., 96:958–967, 1999. [2] P. Grassia, S. J. Neethling, C. Cervantes, and H. T. Lee. The growth, drainage and bursting of foams. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 274:110–124, 2006. [3] Arnaud Saint-Jalmes, Sebastien Marze, M. Safouane, and Dominique Langevin. Foam experiments in parabolic flights: Development of an ISS facility and capillary drainage experiments. Microgravity Sci. Technol., 18-1:22–30, 2006.

11

Habnövekedés és stabilitás eltérő gravitációs körülmények között

Recommend Documents