Reológia, a koherens (nem-koherens) rendszerek tulajdonságai

Átírás

1 Reológia, a koherens (nem-koherens) rendszerek tulajdonságai Bányai István kolloid.unideb.hu

2 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

3 Reológia A reológia az anyagok deformációját tanulmányozza külső feszültségek (erők) hatására. A deformáció lehet folyás és alakváltoztatás. (Herakletosz: panta rei : megalapítója: Eugene Bingham 1920.) A reológiai viselkedés viszonylagossága Relaxáló rendszerek esetében definiálható egy relaxációs idő (T rel ). Ezen időtartam alatt a kiindulási feszültség az e-ad részére csökken, az új állapot elérése közben. 1. Nagy relaxációs idejű rendszerek rövid ideig tanulmányozva szilárd testként viselkednek, 2. Kis relaxációsidejű rendszerek hosszú megfigyelési idő (fordított helyzet) azonban folyadéknak mutatkoznak. A reológiai viselkedés viszonylagosságát fejezi ki a Deborah-szám: ahol t a megfigyelési idő. Ha DN 0 akkor a test folyadéknak, ha DN akkor pedig szilárd anyagnak mutatkozik. D n T = t rel

4 Reológiai típusok Ideális folyadék: (D n <<1) Newton-i (viszkózus )folyadék) Rugalmas (elasztikus anyag): (D n >>1) ideálisan rugalmas (Hooke- megnyúlási törvény: ε = const*σ e ;) relatív nyírási deformáció (shear strain) arányos a feszültséggel (stress) Viszkoelasztikus anyagok: (D n ~ 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)

5 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.

6 Áramlási viszkozitás: Newtoni folyadék (fizika) D n =0 z 0 y v 0 x dv F = η A d y F A dv = τ = η = ηd dy -2 [ η] = N m s vagy Pas A felület mozog x irányba v 0 sebességgel F erő hatására és ez sebességgradienset hoz létre a y irányba, D. A Newtoni folyadék vízszerű folyadék a nyírási feszültség (τ) ( shear stress ) arányos a sebesség gradienssel (D) ( shear rate ) amely merőleges a nyírási síkra Az arányossági tényező a viszkozitás

7 Nyírás (rugalmas testre), D n = A x F τ = γ = F A dx dy nyíró feszültség nyírási deformáció y d x τ = G = Gγ dy Hooke-törvény ( G rug.modulus) A Hooke- és Newtontörvény azonos formára hozása = dv d /d d /d d d = x t d = x y d = γ τ η η η η d = ηd y y t t deformáció sebesség

8 Általános definíció η s nyírófeszültség τ = = = sebességgradiens(deformáció seb.) γ τ D Áramlási ellenállás a külső az áramlást előidéző hatással szemben, a feszültség és a deformáció sebesség hányadosa, mértékegysége: Nm -2 s v. Pas

9 Viszkozitás-anyagszerkezet η τ = = D η ( ct,, pt, ) szerkezet, koncentráció, méret, alak Hőmérséklet (áramlási és szerkezeti viszkozitás) Nyomás Idő (kinetikai jelenség) Deformáció sebesség- vs. sebességgradiens!!!!!

10 Ideális és összetett reológiai rendszerek 1. ideálisan rugalmas (elasztikus) testek: Hooke (reverzíbilis deformáció) (D n >>1) 2. ideálisan viszkózus testek: Newton (folyadékok) (D n <<1) 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)

11 Anyagok reológiai jellemzése Viszkozitás- és folyásgörbék

12 Folyási görbe, viszkozitás görbe viszkózus anyagok τ η D η Írja be az egyenletet ide τ = ηd D D 1 = τ η τ A jobboldali lenne logikusabb, de manapság a másikat használják

13 Plasztikus (képlékeny anyagok) Ilyen gyakorlatilag nincs: egy minimális feszültséget el kell érni, ahhoz, hogy az anyag folyjon. Nyíró feszültség τ Sebesség gradiens, D

14 Tipikus folyás görbék (1/η) Vagy viszkózus, vagy plasztikus anyagként viselkednek a kolloid rendszerek 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

15 Tipikus folyás görbék (képlékeny) Vagy viszkózus, vagy plasztikus anyagként viselkednek a kolloid rendszerek 4. Bingham-test, a határfeszültségtől viszkózus folyadék: aggregáció és a kohézió (adhézió) összetartja őket, de a folyás után már ilyen nincs (plasztikus) 5. Tixotróp: koherens, de mechanikai hatásra elfolyósodik (Fe(OH) 3 szol, reverzíbilis szolgél átalakulás (quicksand) 6. Reopektikus. Keverésre szilárdulnak, pl. gipsz víz, nedves homok

16 Ketchup lavina

17 Okok, lehetőségek

18 Élelmiszer és gyógyszeripar E 440

19 Nápolyi csoda

20 Lineáris polimereknél (hallgatói gyakorlat) A hiszterézis, időbeni késése van a szerkezeti rendeződésnek folyásgörbe D, s , Pas viszkozitás görbe τ, Pa τ, Pa CMC Szerkezeti viszkozitást mutat

21 Krémek (alapkrém, emulzió) ml 5ml 10ml 15ml η = τ τ ( ) D 0 n η, Pas τ, Pa Belső szerkezet és koncentráció 10 g poli-szorbát (tween60), 10 g ásványolaj, 30g cetyl (16)-stearyl(18) alkohol, 70 g vazelin, o/w emulzió D, s water,ml 0ml 5ml 10ml 15ml τ, Pa

22 A viszkozitás mérése

23 Mérése nyomásesés áramlásra p 1 p 2 v=0 folyás csőben z r p 1 p 2 v max I V π 1 p p = = t 8 η l 1 2 r 2 x

24 Höppler-típusú viszkoziméter v 2g = 9η ( ρ ) 2 test gömb ρl r

25 Rotációs viszkoziméter nyírási sebesség gradiens, az elfordulás szögét mérjük dv dr = ω R d η = 2 k d π θ Rh ω r a tengelytől való távolság R a belső és külső henger sugarának átlaga d a rés nagysága, h a folyadék magassága

26 hőmérséklet szabályozás légcsapágyas 10 nagyságrend kétirányú forgatás Számítógépes elemzés Reométer

27 Folyás görbe (komplex) Szén nanocsővel erősített polimer viselkedése elektromos erőtérben. A nagy feszültség mechanikai tulajdonság változásokat idéz elő.

28 Viszkozitás oldatokban η η η η η 0 rel 0 0 spec = = ηrel 1 specifikus η0 spec c = η η ηη - redukált oldószer oldat relativ η 1 = = rel = c 0 c c 0 c spec [ η] lim lim lnη határ [ η] KM a

29 Einstein: Oldatok viszkozitása: elmélet η= η 0 (1+kφ) k=2,5 φ=v r /V 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 η = η + η φ+ η φ k 0 b...

30 Méret meghatározás, fényszórás A fényszórás Rayleigh modellje méret λ/20, pontszerű fényforrás, α polarizálhatóság I θ /I 0 r 2 =R θ (1+cos 2 θ) (a függőleges komponens és a vízszintes komponens különböző módon szóródik a cos 2 -es tag.) Ha szóró források közel vannak, szabályosan helyezkednek el, akkor gyakorlatilag kioltják a szórt fény komponensei egymást, ha statisztikusan helyezkednek el, akkor ez véletlenszerű, azaz a szórt fény intenzitása a részecske szám négyzetgyökével arányos.

31 Fényszórás 2. Ha a méret kisebb mint λ/20 A szórt fény intenzitása a szóró centrumok számával arányos (ilyenkor a fázis eltolódás csak kicsi lehet) tipikus kolligatív sajátság, mert ha ismerjük a g/l koncentrációt, a számát meghatározzuk, akkor belőle a mol/l (vagy a méret) kiszámítható. Ha a méret nagyobb mint λ/20 A részecske különböző pontjairól szórt fény intenzitását is figyelembe kell venni. Függ még a szögtől is és a hullámhossztól is.

32 Méretmeghatározás, NMR Mágneses tér gradiensében a részecskék Brown mozgása követhető. Hasonló elvben az izotópos jelzéshez, de itt részecskéket mágnesesen jelöljük, gradiens impulzusok segítségével. D = kt πηr 6 H Nukleáris Overhauser hatás: egymást relaxáló protonok relaxáló hatása a távolság és a rotációs korrelációs idő függvénye.

33 Vizsga 6. Az Einstein-Stokes egyenlet a diffúzió együttható és a részecskék hidrodinamikai sugara közötti kapcsolatot fejezi ki, a következő formában: (2 pont) ahol:

34 Vizsga 16. Rajzolja fel a tixotróp anyagok folyásgörbéjét (A folyásgörbe mindkét típusát elfogadjuk, csak jelölje mely tengelyen mi van!) (2 pont)

35 Egyenletek Szedimentációs egyenlet, centrifuga alapegyenlet, diffúzió együttható-méret kapcsolata, Laplace nyomás egyenlete, görbült felületek gőznyomása, Langmuir izoterma egyenlete, Gibbs izoterma egyenlete, diffúz kettősréteg potenciálváltozása (Gouy-Chapman modell), potenciál a Helmholtz kettősrétegben, a DLVO elmélet taszító és vonzó tagja, stabilitási arány, felületi feszültség, nedvesítés, szétterülés egyenletei, kapilláris jelenségek egyenletei, ozmózis egyenlete, számátlag, tömegátlag, polidiszperzitás, kolloid viszkozitásának Einstein modellje, viszkozitás definíció egyenlete, számítások amiket órán csináltunk (ülepedési sebesség, szétterülés)

36 Vizsga 1 Jelölje meg N betűvel a hamis és I betűvel az igaz megállapítás(oka)t! (1 pont) A: A felületi feszültség a görbült felületeken fellépő elektromos potenciálkülönbség B: A felületi feszültség az a reverzíbilis munka, amely oldatok egységnyi új felületének létrehozásához kell izoterm reverzíbilis módon. C: A felületi feszültség a felület tetszés szerinti egységnyi vonaldarabjára merőlegesen a felületben ható erő. D: A felületi feszültség a felület összenyomásához szükséges izoterm reverzíbilis munka. E. Felületi feszültség valódi értelemben csak szilárd felületeken lép föl.

37 Vizsga