Post on 25-Aug-2020
2009.05.19. 12. előadás
Reológia, a koherens (nem-koherens) rendszerek
tulajdonságai
Bányai István
kolloid.unideb.hu
2009.05.19. 12. előadás
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
• http://www1.lsbu.ac.uk/water/rheology.html
2009.05.19. 12. előadás
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 (Trel). 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.
reln
TDt
=
Reológiai típusok
• Ideális folyadék: (Dn<<1)– Newton-i (viszkózus )folyadék)
• Rugalmas (elasztikus anyag): (Dn>>1)ideálisan rugalmas (Hooke- megnyúlási törvény: ε = const*σe ;)relatív nyírási deformáció (shear strain) arányos a feszültséggel (stress)
• Viszkoelasztikus anyagok: (Dn ~ 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)2009.05.19. 12. előadás
2009.05.19. 12. előadás
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.
2009.05.19. 12. előadás
Áramlási viszkozitás: Newtoni folyadék (fizika) Dn=0
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 (τ) („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
η
τ η η
η
2009.05.19. 12. előadás
Nyírás (rugalmas testre), Dn = ∞
nyíró feszültség
d nyírási deformációd
=
=
FAxy
τ
γ
F
y
x
A
d = d
Hooke-törvény ( rug.modulus)
=xG Gy
G
τ γ
d d / d d / d dd d d d
= = = = =v x t x y Dy y t t
γτ η η η η ηA Hooke- és Newton-törvényazonos formára hozása
deformáció sebesség
2009.05.19. 12. előadás
Általános definíció
nyírófeszültségsebességgradiens(deformáció seb.)s D
τ τηγ
= = =
Áramlási ellenállás a külső az áramlást előidéző hatással szemben,
a feszültség és a deformáció sebesség hányadosa,
mértékegysége: Nm-2s v. Pas
2009.05.19. 12. előadás
Viszkozitás-anyagszerkezet
( ), , ,c T p tDτη η= =
szerkezet, koncentráció, méret , alak
Hőmérséklet (áramlási és szerkezeti viszkozitás)
Nyomás
Idő (kinetikai jelenség)Deformáció sebesség- vs. sebességgradiens !!!!!
2009.05.19. 12. előadás
Ideális és összetett reológiai rendszerek1. ideálisan rugalmas (elasztikus) testek: Hooke (reverzíbilis deformáció) (Dn >>1)
2. ideálisan viszkózus testek: Newton (folyadékok) (Dn<<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)
Anyagok reológiai jellemzése
Viszkozitás- és folyásgörbék
2009.05.19. 12. előadás
2009.05.19. 12. előadás
Folyási görbe, viszkozitás görbeviszkózus anyagok
D
τ
τ
D= Dτ η 1
=D τη
A jobboldali lenne logikusabb, de manapság a másikat használják
Írja be az egyenletet ide
η η
2009.05.19. 12. előadás
Plasztikus (képlékeny anyagok)
• Ilyen gyakorlatilag nincs: – egy minimális feszültséget el kell érni, ahhoz, hogy
az anyag folyjon.
Sebesség gradiens, D
Nyíró feszültségτ
2009.05.19. 12. előadás
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
2009.05.19. 12. előadás
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 szol-gél átalakulás (quicksand)
6. Reopektikus. Keverésre szilárdulnak, pl. gipsz –víz, nedves homok
Ketchup „lavina”
2009.05.19. 12. előadás
Okok, lehetőségek
2009.05.19. 12. előadás
Élelmiszer és gyógyszeripar
2009.05.19. 12. előadás
E 440
Nápolyi „csoda”
2009.05.19. 12. előadás
2009.05.19. 12. előadás
Lineáris polimereknél (hallgatói gyakorlat)
folyásgörbe
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 20 40 60 80 100 120 140
τ, 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 140τ, Pa
�, P
as
A hiszterézis, időbeni késése van a szerkezeti rendeződésnek
CMC Szerkezeti viszkozitást mutat
2009.05.19. 12. előadás
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
τ, Pa
D, s
- 1
0ml5ml10ml15ml
+water,ml
( )0n
Dτ τ
η−
=
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 8.0τ, Pa
η, P
as
0ml5ml10ml15ml
A viszkozitás mérése
2009.05.19. 12. előadás
2009.05.19. 12. előadás
Mérése
p1
p2
x
zrp1 p2
vmax
v=0
21 218
−= =
V p pI rt l
πη
nyomásesés áramlásra
folyás csőben
2009.05.19. 12. előadás
Höppler-típusú viszkoziméter
( ) 229 −= −test gömb l
gv rρ ρη
2009.05.19. 12. előadás
Rotációs viszkoziméter
dd
2
=
=
v Rr d
k dRh
ω
θηπ ω
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
Folyás görbe (komplex)
2009.05.19. 12. előadás
Szén nanocsővel erősített polimerviselkedése elektromos erőtérben.
A nagy feszültség mechanikai tulajdonság változásokat idéz elő.
2009.05.19. 12. előadás
Viszkozitás oldatokban
[ ] [ ]
0
rel0
0spec rel
0
spec
specrel0 0
oldószeroldat
relativ
-= 1 specifikus
redukált
1lim lim ln határ → →
=
= −
= = = a
c c
c
KMc c
ηη
ηηηη ηη ηη
η
ηη η η
2009.05.19. 12. előadás
Oldatok viszkozitása: elmélet
• Einstein:– η= η0(1+kφ) k=2,5 φ=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 bη η η φ η φ
2009.05.19. 12. előadás
Méret meghatározás, fényszórás
• A fényszórás Rayleigh modellje
– méret λ/20, pontszerű fényforrás, α polarizálhatóság Iθ /I0r2=Rθ(1+cos2θ)
(a függőleges komponens és a vízszintes komponens különböző módon szóródik a cos2-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.
2009.05.19. 12. előadás
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.
2009.05.19. 12. előadás
Méretmeghatározás, NMR
• Mágneses tér gradiensében a részecskék Brown mozgása követhető.
– Hasonló elvben az izotópos jelzéshez, de itt részecskéket mágnesesen „jelöljük”, gradiens impulzusok segítségével.
– Nukleáris Overhauser hatás: egymást relaxáló protonok relaxáló hatása a távolság és a rotációs korrelációs idő függvénye.
6 H
kTDRπη
=
2009.05.19. 12. előadás
Vizsga
6. Az Einstein-Stokes egyenlet a diffúzió együttható és a részecskék hidrodinamikaisugara közötti kapcsolatot fejezi ki, a következő formában: (2 pont)
ahol:
2009.05.19. 12. előadás
Vizsga16. Rajzolja fel a tixotróp anyagok folyásgörbéjét (A folyásgörbe mindkét típusát elfogadjuk, csak jelölje mely tengelyen mi van!) (2 pont)
2009.05.19. 12. előadás
Egyenletek
• Szedimentációs egyenlet, centrifuga alapegyenlet, diffúzió együttható-méret kapcsolata, Laplace nyomás egyenlete, görbült felületek gőznyomása, Langmuir izoterma egyenlete, Gibbsizoterma 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)
2009.05.19. 12. előadás
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 izotermreverzíbilis munka.E. Felületi feszültség valódi értelemben csak szilárd felületeken lép
föl.
2009.05.19. 12. előadás
Vizsga