Reológia, a koherens rendszerek tulajdonságai Bányai István http://kolloid.unideb.hu/
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
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, a megfigyelés ideje alatt nem relaxál 2. Kis relaxációsidejű rendszerek hosszú megfigyelési idő (fordított helyzet) azonban folyadéknak mutatkoznak. A megfigyelési idő alatt relaxál, sőt jóval előbb. A reológiai viselkedés viszonylagosságát fejezi ki a Deborah-szám: D n = T rel t ahol t a megfigyelési idő. Ha D n 0 akkor a test folyadéknak, Ha DN akkor pedig szilárd anyagnak mutatkozik.
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: (D e <<1) Newton-i (viszkózus folyadék) Rugalmas (elasztikus) anyag (D e >>1) ideálisan rugalmas (Hooke- megnyúlási törvény: = const* e ; relatív nyírási deformáció (shear strain) arányos a feszültséggel (stress) Viszkoelasztikus anyagok: (D e ~ 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) 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
Nyírás (rugalmas testre) 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
Általános definíció η s = nyírófeszültség sebességgradiens(deformáció) = τ! γ = τ D Áramlási ellenállás a külső áramlást előidéző hatással szemben, a feszültség és a deformáció sebesség Hányadosa. mértékegysége: Nm -2 s v. Pas
Viszkozitás-anyagszerkezet η τ = = D η ( ct,, pt, ) 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 τ η D η τ = ηd D D 1 = τ η τ 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 görbék (1/ ) 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
Tipikus folyás görbék (képlékeny) Vagy viszkózus, vagy plasztikus anyagként viselkednek a kolloid rendszerek 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 szolgél átalakulás (quicksand) 6. Reopektikus.
Ketchup lavina
Okok, lehetőségek
Élelmiszer és gyógyszeripar
Nápolyi csoda
Lineáris polimereknél (hallgatói gyakorlat) A hiszterézis, időbeni késése van a szerkezeti rendződésnek folyásgörbe 0.9 1400 0.8 D, s -1 1200 1000 800 600, Pas 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 viszkozitás görbe 400 0.2 200 0 0 20 40 60 80 100 120 140 τ, Pa 0.1 0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 τ, Pa CMC J Szerkezeti viszkozitást mutat
Krémek (alapkrém, emulzió) 0.3 0.2 0ml 5ml 10ml 15ml η = τ τ ( ) D 0 n h, Pas 0.1 140 0.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 100 8.0 t, 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 - 1 120 80 60 40 20 +water,ml 0ml 5ml 10ml 15ml 0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 τ, Pa
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
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 + 2 0 0k 0 b...
A viszkozitás mérése Bányai István
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
Höppler-típusú viszkoziméter v 2g = 9η ( ρ ) 2 test gömb ρl r
Rotációs viszkoziméter nyírási sebesség gradiens, az elfordulás szögét mérjük dv dr = ω R d η = 2 kθ d π Rh ω r a tengelytől való távolság R a belső és külső henger sugarának átlaga d a rés nagysága, h a folyadék magassága
hőmérséklet szabályozás légcsapágyas 10 nagyságrend kétirányú forgatás Számítógépes elemzés Reométer
Folyás görbe (komplex)