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 fizikaisajátságait;

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)

v0

x

z0

y

A felület mozog x irányba v0 sebességgel F erő hatására és ez sebesség-gradienset 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

-2

dd

dd

N m s vagy Pas

vF Ay

F v DA y

Nyírás (rugalmas testre)

nyíró feszültség

d nyírási deformációd

FAxy

F

y

x

A

d = d

Hooke-törvény ( rug.modulus)

xG Gy

G

d d / d d / d dd d d d

v x t x y Dy y t t

A Hooke- és Newton-törvényazonos formára hozása

Általános definíció

nyírófeszültségsebességgradiens(deformáció)

s D

Áramlási ellenállás a külső áramlást előidéző hatással szemben, a feszültség és a deformáció sebesség Hányadosa.mértékegysége: Nm-2s v. Pas

Viszkozitás-anyagszerkezet

, , ,c T p tD

szerkezet, koncentráció, méret , alakHőmérséklet (áramlási és szerkezeti viszkozitás)NyomásIdő (kinetikai jelenség)deformáció- v. sebességgradiens !!!!!

Ideális és összetett reológiai rendszerek1. 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.

Sebesség gradiens, D

Nyíró feszültség

Tipikus folyás- és viszkozitásgörbék

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)0

D(s

-1)

(Pa)0

D(s

-1)

(Pa)0

D(s

-1)

(Pa)0

(P

as)

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.

Tipikus folyás- és viszkozitásgörbék

(Pa)0

D(s

-1)

(Pa)0

D(s

-1)

(Pa)0

D(s

-1)

(Pa)0

(P

as)

Ketchup „lavina”

Okok, lehetőségek

Élelmiszer és gyógyszeripar

Lineáris polimereknél (hallgatói gyakorlat)

folyásgörbe

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 20 40 60 80 100 120 140

, Pa

D, s

-1

viszkozitás görbe

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 20 40 60 80 100 120 140, Pa

, Pas

A hiszterézis, időbeni késése van a szerkezeti rendződésnek

Karboximetil-cellulóz (tapétaragasztó)Szerkezeti viszkozitást mutat

Krémek (alapkrém, emulzió)

0

20

40

60

80

100

120

140

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0

, Pa

D, s

- 1

0ml5ml10ml15ml

+water,ml

0n

D

Belső szerkezet és koncentráció

10 g poli-szorbát(tween60), 10 g ásványolaj, 30g cetyl (16)-stearyl(18) alkohol , 70 g vazelin, o/w emulzió

0.0

0.1

0.2

0.3

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0, Pa

, P

as

0ml5ml10ml15ml

Kolloid-oldatok viszkozitása

• Einstein:– η= η0(1+k) k=2,5 =Vr/V

liofób, merev gömbök, melyekhez képest az oldat kontinuumpl. spórák, gombák, PS-polimer gömbök (latex)

• eltérése:– nem merev, alakja változik– nem gömb orientálódik– tömény oldat, saját gátlás– szolvatáció, töltés, zéta potenciál

20 0 0 ... k b

Viszkozitás kolloid-oldatokban

0

rel0

0spec rel

0

spec

specrel0 0

oldószeroldat

relativ

-= 1 specifikus

redukált

1lim lim ln határ

a

c c

c

KMc c

0

50

100

150

200

250

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05c(g cm-3)

lnrel/c

sp/c

A viszkozitás mérése

Bányai István

A viszkozitás mérése

21 218

V p pI rt l

Höppler-típusú viszkoziméter

229 test gömb l

gv r

Rotációs viszkoziméter

dd

2

v Rr d

k dRh

nyírási sebesség gradiens, az elfordulás szögét mérjük

r a tengelytől való távolságR a belső és külső henger sugarának átlagad a rés nagysága, h a folyadék magassága

Reométer

hőmérséklet szabályozáslégcsapágyas10 nagyságrendkétirányú forgatásSzámítógépes elemzés