Berka Márta Debreceni Egyetem Kolloid és Környezetkémiai Tanszék

Átírás

1 Reológia. Berka Márta Debreceni Egyetem Kolloid és Környezetkémiai Tanszék előadás 1

2 A reológia az anyagok folyását és deformációját tanulmányozza külső feszültségek (erők) hatására. Rheology (a görög, panta rhei = minden folyik, Herakletosz) az anyag deformációjának és folyásának a tudománya. Különböző anyagok eltérően deformálódnak ugyanolyan feszültség alatt. Deformáció a test pontjainak relatív elmozdulása, két típus: 1. Folyás a deformáció irreverzibilis része: amikor a feszültség megszűnése után az anyag nem nyeri vissza az eredeti alakját (a munka hővé alakul). 2. Elasztikus vagy reverzibilis deformáció. (A munkát visszanyerjük és a test felveszi eredeti alakját.) 3 fő fogalom úgymint az erő, a deformáció és az idő 12. előadás 2

3 Az anyag halmazállapotai Szilárd: megtartja az alakját, nem folyik, rugalmas deformáció Folyadékok : Erő hatására folyik, felveszi az edény alakját. (Folyás: állandó deformációsebesség. ) Az anyag halmazállapota az időskála és az erőhatástól függ. (time scale and the magnitude of exerted forces). Kis erő vagy nagyon rövid idejű hatás rugalmas deformáció. Nagy erők vagy nagyon hosszú idejű erők folyás (hegyek elmozdulása) Közepes idők és erők viscoelasticitás (viscoelastic liquid -liquid like behaviour, viscoelastic solid - solid like behaviour)? Cream, butter, ketchup liquids or solids? Keep their shape if the forces are weaker than cohesive interaction. relaxationtime 1 observationtime >> relaxationtime 1 observationtime relaxationtime << ~1 observationtime Viscous liquid Elastic solids Viscoelasticity 12. előadás 3

4 Reológia Eugene Bingham Herakletosz: panta rei Ideálisan rugalmas (elasztikus) anyag ideálisan rugalmas (Hooke- megnyúlási törvény: ε = const*σ e ; relatív megnyúlás (strain) arányos a feszültséggel (stress) Ideálisan viszkózis : Newton-i (viszkózus folyadék) Ideálisan képlékeny (plasztikus) anyagok Viszkoelasztikus anyagok: ez a reológia valódi tárgya empirikus összefüggések az anyag állapota és viszkozitása között Nem Newtoni folyadékok Nem rugalmas anyagok 12. előadás 4

5 Tökéletesen rugalmas (elasztikus) test F A u d σ ε & ε e e e Hook ideálisan rugalmas testek statikus egyensúlyára = = = F A u d dε dt nyújtási feszültség nyúlási deformáció nyújtási sebesség ε e = konstσ e Akkor tökéletes, ha reverzíbilis ε e = const*σ e, A relatív megnyúlás (strain) arányos a feszültséggel (stress) 12. előadás 5

6 Nyírás (folyékony anyagra is alkalmazható) ideálisan viszkózus testek, dinamikus azaz stacionárius egyensúly u F A tangenciális d τ = ηd a nyírási feszültség (τ) arányos a sebesség gradienssel F τ = nyíró feszültség A u dx γ = nyírási deformáció d dy dγ dx & γ = nyírási deformáció sebessége dt dydt & γ D = dv/ dy

7 y=0 z 0 y x=0 Viszkozitás: Newtoni folyadék v 0 v = dx/ dt A felület mozog x irányba v 0 sebességgel F erő hatására állandó deformáció, (azaz folyás v 0 sebességgel ) és ez sebességgradienst hoz létre az y irányban. A Newtoni folyadék (vízszerű folyadék) a nyírási feszültség (τ) arányos a sebesség gradienssel ( shear rate ) amely merőleges a nyírási síkra τ = ηdv / dy = ηd Az arányossági tényező a viszkozitás (a folyással szembeni ellenállás) x F F A dv = η A d y dv = η = τ dy -2 [ η] = N m s & γ D = dv / dy 12. előadás 7

8 Általános definíciók η η s e nyírófeszültség τ = = sebességgradiens & γ húzó feszültség = = nyúlási sebességgradiens σ e & ε η = τ D & γ D A viszkozitás ellenállás a külső, áramlást előidéző hatással szemben 12. előadás 8

9 η Viszkozitás-anyagszerkezet τ = = & γ η ( CT,, pt, ) Szerkezet, koncentráció, méret, alak Hőmérséklet Nyomás Idő Nyírási sebesség & γ D 12. előadás 9

10 Szerkezeti hatás A nem-newtoni folyadék viszkozitása változik a deformáció sebességével. Nincs jól definiált viszkozitása, csak látszólagos. Példák: méz, keményítő-víz, liszt- víz Lassú keverési sebességnél folyadék, gyorsnál szilárd. nyírásra vastagodó (műanyagok. nedves homok, keményitő-viz) nyírásra vékonyodó (festékek) Weissenberg hatás? olaj, méz, tészta? 12. előadás 10 Newtoni folyadék Viszkoelasztikus folyadék

11 Stacionárius jelenségek Nyírási vékonyodás : szerkezeti viszkozitás v. hígulás csökken a viszkozitás a sebesség gradiens növekedésével.: aggregátumok széttörése a kötött víz szabaddá válása, orientáció Nyírási vastagodás: dilatáns folyadékok ahol eleve kevés víz van, és a szerkezet megtörése után nem lesz közegfilm, krémeknél, cc. keményitő-viz Plasztikusság: plasztikus anyagok folyási határ 12. előadás 11

12 Időfüggő és irreverzíbilis jelenségek Tixotrópia olyan nyírási vékonyodás ami visszaáll idővel, a hiszterézis jellemzi: polimerek tömény oldata (kigabalyodás, orientáció), agyag, festék Viszkoelasztikus viselkedés deformálódás egy idő után véglegessé válik, és folyási jelenségeket mutat, pl.: üvegolvadék, műanyagok 12. előadás 12

13 Reológiai mérések Általában a a reológiai méréseket a gyógyszer és kozmetikai iparban a következő okból végezzük: 1) megérteni az anyag alapvető természetét; 2), termékek, alapanyagok, folyamatok (pl keverés, szivattyúzás, csomagolás, töltés) minőség ellenőrzése; 3) Tanulmányozni a különböző paraméterek hatását, pl. tárolási idő, hm., minőségi előírások, szabványok a végtermékre. 12. előadás 13

14 Ideális viszkózus anyagok Definició: A folyással szembeni ellenállás, amikor egy külső erő hat a fluid mintára A nyirási sebesség arányos a nyirási feszültséggel (erő) Newtoni folyadékok shear stress τ η = viscosity = = shear rate D Pa s η D tg alfa: η τ = ηd τ flow τ, D resistance α β interchangeable plotting β α tg alfa: η τ γ` or D shear rate 12. előadás 14 & γ D = dv / dy D

15 Ideális plasztikus anyagok Bingham-plasztikus folyadék Ideálisan plasztikus anyag nem igazán létezik τ = τ + η Egy minimum nyirási stressz szükséges a folyáshoz. Mechanikai analóg csúszás egy lejtőn, addig nincs mozgás amig egy értéket (súrlódás) meg nem halad. 0 D Tégla csúszása lejtőn τ τ 0 η = D 12. előadás 15

16 Nem-Newtoni viselkedés A viszkozitás függ a nyírási sebességtől Mikroszerkezet változása, a legtöbb diszperzió pl a vér is.. η = ( τ ) n D Szerkezeti viszkozitás Dilatancia n<1 Where τ shear stress, η viscosity, γ` or D shear rate n>1 12. előadás 16 Forgási kúp

17 Nyirásra vékonyodó, szerkezeti viszkózus Az erőhatásra rendeződés, vagy csökkenő ellenállás Az anisometria, flexibilitás, és az idő szerepe! Ugyanaz az anyag más moltömeggel!? ( τ ) n η = n<1 D

18 Nyirásra vastagodó, dilatáns Az erő hatásra rendezetlenség, vagy növekvő ellenállás Nedves homok Keményitő -viz ( τ ) n η = n>1 D

19 Tipikus folyás és viszkozitás görbék t 0 yield value. 1 Newtoni folyadékok. 2.Szerkezeti viszkózus, 3. Dilatáns folyadékok, 4. Bingham-plasztikus folyadék, 5. Tixotróp 12. előadás 19

20 Tixotrópia, folyáshatár, hiszterézis, időfüggés t 0 yield value: folyáshatár. Where τ shear stress, η viscosity, γ` or D shear rate D τ η* = τ τ ( ) D 0 n Laza térháló kártyavár Where τ shear stress, η viscosity, γ` or D shear rate 12. előadás 20

21 A folyáshatár magyarázata. A gél. Eredő pot. potenciálgát V max >>kt stabil sol sol önálló részecskék =szol gél x távolság Tixotróp gél ~ yield value V sec < 1~2 kt gél sol csapadék 12. előadás 21

22 Hiszterézis, szerkezeti viszkozitás degradation recovering időfüggés 12. előadás 22

23 Determination of Yield stress The concept of yield stress, the minimum shear stresses required to cause flow, is only an approximation since this stress value is experimental time dependent. Pseudoplastic or shear thinning fluids, The yield stress is crucial in determining not only their shelf life but also in application for the end user. Yield stresses Ketchup Salad Dressing Lithographic Ink Mayonnaise Skin Cream Hair Gel 15 Pa 30 Pa 40 Pa 100 Pa 110 Pa 135 Pa 12. előadás 23

24 Látszólagos viszkozitás time concentration Influences on viscosity η* = τ τ ( ) D 0 n If the shear rate changes during an application, the internal structure of the sample will change and the change in stress or viscosity can then be seen. Shape, orientation, attraction between particles 12. előadás 24

25 Linear polymer solution A thixotropic loop, the region between curves for the increasing and decreasing shear rate ramps folyásgörbe D, s , Pas viszkozitás görbe τ, Pa τ, Pa the orientation of the structure s molecules or particles will change to align with the flow direction. Its original orientation can be restored over a period of time after the external force is removed. There is a delay in time for the structure to recover completely -- loop 12. előadás 25

26 Creams η = τ τ ( ) D 0 n η, Pas ml 5ml 10ml 15ml D, s water,ml 0ml 5ml 10ml 15ml τ, Pa τ, Pa Internal structure, concentration 12. előadás 26

27 Viscosity of dispersion of spherical particles 12. előadás 27

28 Kis koncentrációnál van elég közeg a részecskék között hogy az anyag folyjon mint egy folyadék. Nagy koncentrációknál, a részecskék nagyobb térfogatot töltenek ki egymásba ütköznek növelve a viszkozitást. Nagyon nagy koncentrációnál a részecskék érintkeznek és a rendszer ugy viselkedik mintha szilárd lenne. A vonzás közöttük legyőzhető töltéssel vagy polimer burkolással. A stabilizáló réteg jelenléte növeli a részecskék effektív térfogatát, és így a viszkozitást az ideálishoz képest. Pálcika alakú részecskék nem pakolhatók olyan hatékonyan mint a gömbök és összekuszálódnak az áramláskor, ezért nagyobb viszkozitásuk van ugyanolyan koncentrációnál. Nem stabil részecskék vonzzák egymást klasztereket képeznek amely csapdába ejti az oldószer egy részét. Ez szintén növeli a koncentrációt növelve a viszkozitást. Ahogyan a klaszterek nőnek térhálót képezhetnek, ez amit gélnek nevezünk. A gél inkább szilárd anyagként viselkedik, nagyon nagy a viszkozitása.

29 Einstein: Oldatok viszkozitása η= η 0 (1+kφ) k=2,5 φ=v r /V liofób, merev gömbök, melyekhez képest az oldat kontinuum eltérése: pl. spórák, gombák, PS-polymer spheres nem merev, alakja változik nem gömb, orientálódik tömény oldat, koncentráció függés, saját gátlás szolvatáció, töltés, zéta potenciál η = η + η φ+ η φ k 0 b előadás 29

30 Ideal (linear) behaviour if φ< 0.1 More example η r Macromolecular solutions, non-ideal ηr = + kφ+ k φ φ or concentration IEP ph η spec = η 1 r η spec c 2 [ η] kc kc = Gelatin, random coil in IEP η spec /c ηspec 1 limc 0 = [ η] = 2.5 c ρ c 150 ρ c coil density ln η rel /c a [ η ] = KM c, g/ml K constants, M molar mass 12. előadás 30

31 Rotációs viszkoziméter nyírási sebesség gradiens dv R = ω dr d kθ R η = 2π Rhω A rotációs viszkoziméterben két koaxiális (koncentrikus) henger közötti résben helyezkedik el a vizsgálandó anyag. A külső henger rögzített, a belső különböző szögsebességgel forgatható. A vizsgálandó anyag a henger forgásával szemben viszkozitásával arányos súrlódási erőt fejt ki, a henger forgatásához jól mérhet forgatónyomaték szükséges előadás 31

32 Hidrogél: a bemutatott minta kb 5% PVA és 5% bórax plasztikus Dilatáns, szilárd viszkózus elasztikus Keményítő dilatáns előadás 32

33 Ajánlott videók előadás 33