Reológia, a koherens rendszerek tulajdonságai
Bányai István
http://dragon.unideb.hu/~kolloid/
Koherens rendszerek • Szubmikroszkópos vagy durva diszkontinuitásokat tartalmazó rendszerek, amelyekben micellák, vagy
makromolekulák egymással összekapcsolódva összefüggő vázszerkezetet alkotnak.
• Jellegzetes típusai: – Habok, szilárd habok – tömény emulziók, krémek – száraz, nedves örlemények – Gélek: kolloid koherens rendszerek
Reológia • A reológia az anyagok deformációját tanulmányozza külső feszültségek (erők) hatására. A deformáció lehet folyás és alakváltoztatás. • Herakletosz: „panta rei” • Megalapítója: Eugene Bingham 1920. Reológiai típusok • Ideális folyadék: (De<<1) – Newton-i (viszkózus folyadék) • Rugalmas (elasztikus) anyag (De >>1) – ideálisan rugalmas (Hooke- megnyúlási törvény: = const*e ; relatív nyírási deformáció (shear strain) arányos a feszültséggel (stress) • Viszkoelasztikus anyagok: (De ~ 1) – ez a reológia valódi tárgya – empírikus összefüggések az anyag állapota és viszkozitása között – nem Newtoni folyadékok (valódi méz, ragasztók) – nem rugalmas anyagok (paszták, gélek, krémek) – plasztikus anyagok (ideálisan képlékeny, bizonyos külső hatásra
folyékonnyá válnak)
Reológiai vizsgálatok célja Reológiai méréseket általában a kozmetikai és
élelmiszer iparban, gyógyszeriparban és a műanyagiparban koherens rendszereken és nagymolekulák oldatain végeznek, abból a célból, 1) hogy megértsék a rendszerek alapvető fizikai sajátságait; 2) hogy megadják a nyersanyagok és termékek minősítését keverés, vezetékes szállítás, csomagolás, feldolgozás céljából; 3) hogy megadják az anyagok viselkedést külső fizikai körülmények változásának hatására.
Áramlási viszkozitás: Newtoni folyadék (fizika) z0
v0
dv F A dy F dv D dy A
y x
N m-2s vagy Pas
A felület mozog x irányba v0 sebességgel F erő hatására és ez sebességgradienset hoz létre a y irányba, D. A Newtoni folyadék vízszerű folyadék— a nyírási feszültség () („shear stress”) arányos a sebesség gradienssel (D) („shear rate”) amely merőleges a nyírási síkra Az arányossági tényező a viszkozitás
Nyírás (rugalmas testre) x A
y
A Hooke- és Newtontörvény azonos formára hozása
F
F nyíró feszültség A dx nyírási deformáció dy
dx G =G dy Hooke-törvény (G rug.modulus)
dv dx / dt dx / dy d D dy dy dt dt
Általános definíció
nyírófeszültség s sebességgradiens(deformáció) D
Áramlási ellenállás a külső áramlást előidéző hatással szemben, a feszültség és a deformáció sebesség Hányadosa. mértékegysége: Nm-2s v. Pas
Viszkozitás-anyagszerkezet
D
c, T , p , t
szerkezet, koncentráció, méret , alak Hőmérséklet (áramlási és szerkezeti viszkozitás) Nyomás Idő (kinetikai jelenség) deformáció- v. sebességgradiens !!!!!
Ideális és összetett reológiai rendszerek 1. ideálisan rugalmas (elasztikus) testek: Hooke (reverzíbilis deformáció) 2. ideálisan viszkózus testek: Newton (folyadékok) 3. Ideálisan plasztikus testek: (Saint- Venant, rugalmas majd viszkózus) (adott nyírófeszültségig nincs deformáció, utána folyás (Modell: mágnes darabkák egymáson) Összetett rendszerek (1 és 2) viszkoeleasztikus anyagok: rugalmasságot mutató folyadékok (makromolekulák oldatai) és viszkozitást mutató szilárd anyagok (polimerek) (2 and 3) reális plasztikus anyagok (keveredik a plasztikus és folyékony viselkedés, határfeszültség van)
Folyási görbe, viszkozitás görbe
D
D
D
1
D
A jobboldali lenne logikusabb, de manapság a másikat használják
Plasztikus (képlékeny anyagok) • Ilyen gyakorlatilag nincs: – egy minimális feszültséget el kell érni, ahhoz, hogy az anyag folyjon, deformálódjon.
Nyíró feszültség
Sebesség gradiens, D
Tipikus folyás- és viszkozitásgörbék
D(s-1)
(Pas)
0
(Pa)
0
1. Nyírásra vékonyodó (B) szerkezeti viszkózus anyagok (polimer oldatok, emulziók) pszeudoplasztikus: aggregátumok szétesése, anizometrikus részecskék rendeződése, makromolekulák rugalmas deformációja 2. Newtoni-folyadékok (A) (víz, vékony olajok) 3. Nyírásra vastagodó (C) nagy diszperzitású szuszpenziók, nedves homok (kiszorul a közeg), lassan keverhető fel, dilatáns
(Pa)
Tipikus folyás- és viszkozitásgörbék
D(s-1)
(Pas)
0
(Pa)
0
4. Bingham-test, a határfeszültségtől viszkózus folyadék: aggregáció és az adhézió összetartja őket, de a folyás után már ilyen nincs 5. Tixotróp: koherens, de mechanikai hatásra elfolyósodik (Fe(OH)3 szol, reverzíbilis szol-gél átalakulás (quicksand) 6. Reopektikus.
(Pa)
Ketchup „lavina”
Okok, lehetőségek
Élelmiszer és gyógyszeripar
Lineáris polimereknél (hallgatói gyakorlat) A hiszterézis, időbeni késése van a szerkezeti rendződésnek folyásgörbe
0.9 0.8
1400
0.7
1200
viszkozitás görbe 0.6
D, s
, Pas
-1
1000 800
0.5 0.4
600
0.3
400
0.2 0.1
200 0.0 0
0 0
20
40
60
80
100
120
140
20
40
60
80
100
120
, Pa
, Pa
Karboximetil-cellulóz (tapétaragasztó) Szerkezeti viszkozitást mutat
140
Krémek (alapkrém, emulzió) 0
0.3 0ml 5ml 10ml 15ml
n
D
, Pas
0.2
0.1
140 120
+water,ml
0.0 0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
100 8.0
7.0
0ml 5ml 10ml 15ml
10 g poli-szorbát (tween60), 10 g ásványolaj, 30g cetyl (16)-stearyl(18) alkohol , 70 g vazelin, o/w emulzió
80
-
Belső szerkezet és koncentráció
D, s 1
, Pa
60 40 20 0 0.0
1.0
2.0
3.0
4.0 , Pa
5.0
6.0
7.0
8.0
Kolloid-oldatok viszkozitása • Einstein: k=2,5 =Vr/V – η= η0(1+k) liofób, merev gömbök, melyekhez képest az oldat kontinuum
pl. spórák, gombák, PS-polimer gömbök (latex) • eltérése: – nem merev, alakja változik – nem gömb orientálódik – tömény oldat, saját gátlás – szolvatáció, töltés, zéta potenciál
0 0 k 0b 2 ...
Viszkozitás kolloid-oldatokban 250
0
oldószer oldat
lnrel/c
200 150 100
relativ rel 0 -0 rel 1 specifikus spec = 0 spec
sp/c
50
0 0.00
c
0.01
0.02
redukált
spec
1 lim ln rel lim c 0 c c 0 c
határ KM a
0.03
0.04
c(g cm-3)
0.05
A viszkozitás mérése Bányai István
A viszkozitás mérése
V 1 p1 p2 2 I r t 8 l
Höppler-típusú viszkoziméter
2g 2 v r test gömb l 9
Rotációs viszkoziméter nyírási sebesség gradiens, az elfordulás szögét mérjük
R dv dr d k d 2 Rh r a tengelytől való távolság R a belső és külső henger sugarának átlaga d a rés nagysága, h a folyadék magassága
Reométer
hőmérséklet szabályozás légcsapágyas 10 nagyságrend kétirányú forgatás Számítógépes elemzés
