Berka Márta Debreceni Egyetem Kolloid és Környezetkémiai Tanszék

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Berka Márta Debreceni Egyetem Kolloid és Környezetkémiai Tanszék http://dragon.unideb.hu/~kolloid/"

Zsolt Fábián
8 évvel ezelőtt
Látták:

1 Reológia. Berka Márta ebreceni Egyetem Kolloid és Környezetkémiai Tanszék

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. eformáció 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

3 The stress is simply defined as the force divided by the area over which it is applied. Pressure is a compressive bulk stress. When we hang a weight on a wire, we are applying an extensional stress and, when we slide a piece of paper over a gummed surface to reach the correct position, we are applying a shear stress. When a stress is applied to a material, a deformation will be the result. In order to make calculations tractable, we define the strain as the relative deformation, that is, the deformation per unit length. Stress= Feszültség, pressure= nyomás, shear=nyírás, deformáció, strain=relatív deformáció A terhelés lehet állandó, statikus vagy változó dinamikus.

4 Az anyag halmazállapotai Szilárd: megtartja az alakját, nem folyik, rugalmas deformáció Folyadékok : Erő hatására folyik, felveszi az edény alakját. (Folyás állandó deformáció sebesség. ) 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 (minden folyik a 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. eborah number: az anyag válasz ideje/a vizsgálat ideje relaxationtime 1 observationtime << relaxationtime 1 observationtime relaxationtime >> ~1 observationtime Viscous deformation, fluid-like behaviour Elastic deformation, solid-like behaviour Viscoelasticity

5 Reológia Eugene Bingham Herakletosz: panta rei 1. Ideálisan rugalmas (elasztikus) anyag ideálisan rugalmas (Hooke- megnyúlási törvény: ε = const*σ e ; relatív megnyúlás (strain) arányos a feszültséggel (stress) 2. Ideálisan viszkózis : Newton-i (viszkózus folyadék) 3. Ideálisan képlékeny (plasztikus) anyagok 4. Viszkoelasztikus anyagok: ez a reológia valódi tárgya empirikus összefüggések az anyag állapota és viszkozitása között Nem Newtoni folyadékok Nem rugalmas anyagok

6 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.

7 Stacionárius jelenségek Nyírási vékonyodás vagy szerkezeti viszkózitás v. hígulás csökken a viszkozitás a sebesség gradiens növekedésével, aggregátumok széttörése, a szerkezet változása a kötött víz szabaddá válása, orientáció Nyírási vastagodás vagy dilatáns anyagok ahol eleve kevés víz van, és a szerkezet megtörése után nem lesz közegfilm (tömény keményitő oldat, nedves homok, ugróragacs - silly putty ) Plasztikusság folyási határ (gyurma, agyag) alatt szilárd, felette deformáció Tixotróp (nyírásra vékonyodó) vagy reopektikus (nyírásra vastagodó)

8 Általános definíciók η η s e nyírófeszültség τ = = sebességgradiens γ húzó feszültség = = nyúlási sebességgradiens σ e ε η = τ γ sebesség gradiens A viszkozitás az áramlási ellenállás a külső, áramlást előidéző hatással szemben

9 1. 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)

10 ideálisan viszkózus testek, dinamikus azaz stacionárius egyensúly 2. Ideálisan viszkózus Nyírás (folyékony anyagra is alkalmazható) u F A tangenciális d τ = η F τ = nyíró feszültség A u dx γ = nyírási deformáció d dy dγ dx γ = nyírási deformáció sebessége dt dydt sebesség gradiens γ = dv/ dy

11 z 0 y Viszkozitás: Newtoni folyadék v 0 v = dx/ dt x dv F = η A d y F A dv = η = τ dy -2 [ η] = N m s A felület mozog x irányba v 0 sebességgel F erő hatására állandó deformáció, (azaz folyás v 0 sebességgel ) a sebesség változik az az y irányban, ez a sebesség gradiens s -1. A Newtoni folyadék vízszerű folyadék a nyírási feszültség (τ N/m 2 ) arányos a sebesség gradienssel ( shear rate ) amely merőleges a nyírási síkra τ = ηdv / dy = η γ = Az arányossági tényező a viszkozitás (a folyással szembeni ellenállás) η mértékegység Pas dv / dy

12 Viszkozitás: Newtoni folyadék Shear rate is proportional to the stress (force) linear Newtonian liquid shear stress τ η = viscosity = = shear rate Pa s η tg alfa: η τ = η τ flow τ vagy resistance α β interchangeable plotting β α tg alfa: η τ γ` or shear rate γ = dv / dy

13 η Viszkozitás-anyagszerkezet τ = = γ η ( CT,, pt, ) Szerkezet, koncentráció, méret, alak Hőmérséklet Nyomás Idő Nyírási sebesség γ

14 Szerkezeti hatás A nem-newtoni folyadék viszkozitása változik a deformáció sebességével. Nincs jól definiált viszkozitása, csak látszólagos. nyírásra vastagodó (műanyagok. nedves homok) nyírásra vékonyodó (festékek) Newtoni folyadék Viszkoelasztikus folyadék? olaj, méz, keményítő-víz? Nagy viszkozitású kis viszkozitású dilatáns Weissenberg hatás

15 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.: üveg, műanyagok, aszfalt feltorlódik

16 Nem-newtoni viselkedés A viszkozitás függ a nyiró feszültségtől η = ( τ ) n A viszkozitás a mikro szerkezettel függ amely változik az erő hatására igy változik a viszkozitás- következtethetünk a mikro szerkezetre. Szerkezeti viszkozitás Nyírásra vékonyodó ilatancia Nyírásra vastagodó n<1 n>1 τ nyiró feszültség, η viszkozitás, (vagy γ`) deformáció sebesség gradiens Forgási kúp eltérő

17 Nyírásra vékonyodó vagy szerkezeti viszkózus, vagy pszeudo plasztikus folyadékok Az anizometria és az idő hatása! ( τ ) n η = n<1

18 Nyírásra vastagodás vagy dilatancia Structural changes due to the forces changes in viscosity, disorder Nedves homok, nincs szabad víz, a hidrát burkok torzítása nagyobb erőt igényel ( τ ) n η = n>1

19 3. Ideális plasztikus anyagok Bingham-féle testek Ideálisan plasztikus anyag nem igazán létezik Egy minimum nyirási stressz szükséges a folyáshoz. Mechanikai analóg csúszás egy lejtőn, addig nincs mozgás amig egy értéket (súrlódás) meg nem halad. (Silly putty a saját súlya alatt.) τ Tégla csúszása lejtőn τ τ 0 η =

20 Nem ideális plasztikus anyagok Plasztikus = képlékeny = folyáshatár Bingham test és tixotróp τ η* = τ τ ( ) 0 Látszólagos viszkozitás n τ shear stress, η viscosity, shear rate Kártyavár szerkezet Tixotróp anyagok, alsó folyás határ, nyírásra vékonyodó, hiszterézis, idő függés

21 Hiszterézis Szerkezeti viszkozitású anyagokra jellemző, azaz a nyirásra vékonyodó és tixotróp anyagokra degradation recovering τ Idő kell a szerkezet megújulásához histerézis hurok. 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. Ketchup Salad ressing Lithographic Ink Mayonnaise Skin Cream Hair Gel 15 Pa 30 Pa 40 Pa 100 Pa 110 Pa 135 Pa

22 Gél szerkezet és tixotróp sajátság Tixotróp anyagok, alsó folyáshatár, nyírásra vékonyodó sajátság, hiszterézis, idő függés Small deformation V sec < 1~2 kt ~ yield value Nő a kötéspontok száma, szilárdabb a gél, nő az alsó folyáshatár a yield value

23 Krémek η = τ τ ( ) 0 n η, Pas ml 5ml 10ml 15ml, s water,ml 0ml 5ml 10ml 15ml τ, Pa τ, Pa Folyás és viszkozitás görbék változása a hígítással

24 Hidrogél: a bemutatott minta kb 5% PVA és 5% bórax plasztikus ilatáns, szilárd viszkózus elasztikus Keményítő dilatáns

25 Einstein: Oldatok viszkozitása η= η 0 (1+kφ) k=2,5 φ=v r /V liofób, merev gömbök, melyekhez képest az oldat kontinuum eg. spórák, gombák, PS-polymer spheres 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...

26 Ideal (linear) behaviour if φ< 0.1 Macromolecular solutions, non-ideal ηr = + kφ+ k φ φ or concentration η spec = η 1 r η spec /c η spec c 2 [ η] kc kc = ηspec 1 limc 0 = [ η] = 2.5 c ρ c ln η rel /c c, g/ml ρ c coil density a [ η ] = KM K, a constants, M molar mass

27 Mérés

28 ynamic measurements Stress relaxation (recoil, loosen up, be tired out) Small oscillation stress and strain shift Elastic term in phase (δ=0), viscous term out of phase (δ=90 ), viscoelastic (δ~45 )

29 Ajánlott videók

Hasonló dokumentumok

Berka Márta Debreceni Egyetem Kolloid és Környezetkémiai Tanszék

Reológia. Berka Márta Debreceni Egyetem Kolloid és Környezetkémiai Tanszék http://dragon.unideb.hu/~kolloid/ A reológia az anyagok folyását és deformációját tanulmányozza külső feszültségek (erők) hatására.