Lepkosprężystość, Pełzanie i badania oscylacyjne. Zachowanie lepkosprężyste. Zachowanie lepkosprężyste. Powody lepkosprężystości

Transkrypt

1 Lepkosprężystość, Pełzanie i badania oscylacyjne Szkolenie z reologii 1 Zachowanie lepkosprężyste Powody lepkosprężystości Splątanie Formowanie sieci Roztwory polimerów Roztopione polimery Emulsje Zawiesiny 2 Zachowanie lepkosprężyste Zastosowanie prawa Hooka w reologii Zachowanie sprężyste Zachowanie lepkie Sprężyna l y x A F l F k = Stała sprężyny = F l = x y = F A Wynik Moduł zespolony G* G* = Pa 3 1

2 Sprężysta część Deformacja Zachowanie lepkosprężyste Modele lepkosprężyste Lepki Lepkosprężyste =. = G* Sprężysty F = k l Tłok Maxwell Model Burgers Model Voigt/Kelvin Model Sprężyna 4 Doświadczalne pomiary lepkosprężystości Pełzanie i powrót Zachowanie lepkosprężyste jest obserwowane przez podanie skoku jednostkowego naprężenia. Nieniszcząca metoda (w zakresie LVR) Rozróżnienie własności lepkich i sprężystych Obserwowanie czasowej zależności zmian 5 Doświadczalne pomiary lepkosprężystości Pełzanie i powrót Próbka lepkosprężysta Sygnał w reometrze Część lepka Czas 6 2

3 Y Axis Title Y Axis Title Y Axis Title Deformacja Deformacja Y Axis Title Cześć sprężysta Deformacja Doświadczalny pomiar lepkosprężystości Pełzanie i powrót Wynik Sygnał w reometrze 0 Lepkość przy zerowym ścinaniu e0 Deformacja równowagowa r Deformacja odwracalna 0 Współ. Opóźnienia (czas) G 0 Moduł elastyczny Zastosowanie Rozdział faz Opadanie Stabilność ścinania Część lepka Punkt płynięcia Czas 7 Podstawy pomiarów Sygnał w reometrze B Np. Rotor typu płytka Rotor 0 Próbka X Axis Title Czas Stationäre Dolna płytka Platte 8 Podstawy pomiarów Lepkosprężysta próbka B B B Wejście Napr. ścinające (CS) Deformacja (CD) 0 Odpowiedź 0 0 Deformacja 9 0 < < 90 Przesunięcie kątowe Czas X Axis Title X Axis Title X Axis Title 3

4 Deformacja Wynik II Przesunięcie kątowe (0 90 ) Współczynnik strat tan = G / G Lepkość zespolona *= G* / i Prędkość kątowa = 2 f (f = częstotliwość) 10 Przemiatanie amplitudą Wzrost amplitudy naprężenia ścinającego (CS) lub deformacji przy stałej częstotliwości (CD) Określanie zakresu liniowej lepkosprężystości (LVR), gdzie własności materiałowe (G,G, ) są niezależne od przyłożonego naprężenia i deformacji Informacja o stabilności produktu np. siła żelu 11 Przemiatanie amplitudą Wzrost amplitudy naprężenia ścinającego (CS) lub deformacji (CD) przy stałej częstotliwości Czas 12 4

5 Deformacja Moduł sprężysty G Przemiatanie amplitudą Na osi X - 10 Hz 1 Hz Zakres liniowej lepkosprężystości (LVB) zależy od częstotliwości 0.1 Hz Koniec LVR Na osi X - Szerokość zakresu LVB jest mniej zależna od częstotliwości 13 Przemiatanie częstotliwością Zmiana częstotliwości przy stałym naprężeniu ścinającym deformacji lub Określenie struktury materiału Określenie własności materiałowej, które nie mogą być zmierzone podczas ścinania 14 Przemiatanie częstotliwością Zmiana częstotliwości przy stałym naprężeniu ścinającego lub deformacji Czas 15 5

6 Deformacja Temperature log Moduł lepki G log Moduł sprężysty G Przes kątowe Przemiatanie częstotliwością Płynięcie Punkt przecięcia Punkt Cross-Over Zachowanie sprężyste 45 G = G oddziela płynięcie w niskich częstotliwościach od zachowania sprężystego w wyższych częstotliwościach log Prędkość kątowa 16 Przemiatanie temperaturą Zmiana temperatury przy stałym naprężeniu ścinającym lub deformacji i częstotliwości,f Określanie charakterystyki temperaturowej próbki Określenie temperatury zeszklenia, mięknienia i topnienia Badanie procesu krystalizacji i transformacji zol-żel 17 Temperaure Przemiatanie swep temperaturą Zmiana temperatury przy stałym naprężeniu lub deformacji i częstotliwości,f Czas 18 6

7 Deformacja Y Axis Title log Moduł lepki G log Moduł sprężysty G tan Przemiatanie temperaturą Badanie przemian Nie usieciowane Nie uporządkowane Losowo zorientowane Temperature T Przykład: Mleko + enzymy Miękniecie lodów P 19 Tryby pracy CS/CD/CD-AS Sygnał w reometrze B Np. Rotor typu płytka Rotor 0 Próbka X Axis Title Czas Stationäre Dolna płytka Platte 20 Tryby pracy CS Parametry Zmiana średnicy zmienia moment Zmiana kąta nie wpływa na moment Zmiana stożka na płytkę daje mniejszy moment Np. Rotor typu płytka Rotor Próbka Stationäre Dolna płytka Platte 21 7

8 Tryby pracy CD - stożek 35 mm 0,00872 rad 0,01745 rad 0,03490 rad 0,06983 rad Np. Rotor typu stożek Rotor Próbka Próbka Deformacja =1 Kąt= 0, º º Stationäre Dolna płytka Platte 22 Tryby pracy CD - płytka 0,0333 rad 0,0571 rad 0,1 rad 60 mm 35 mm 20 mm Np. Rotor typu płytka Rotor Próbka Deformacja =1, Gap= 1mm Stationäre Dolna płytka Platte 23 Charakterystyka reologiczna w 45 min Szkolenie z reologii 24 8

9 Test wstępny Przemiatanie amplitudą badanie OSC Przemiatanie częstotliwością badanie OSC Pełzanie i powrót Punkt płynięcia Badanie tiksotropii Krzywa płynięcia 25 Test wstępny kryteria wyboru Aplikacje Tryb CS CD-AS Próbka Brak Próbka Tryb wiedzy nie silnie CSzmienia o próbce, się w próbka czasie sieciuje, Próbki nie słabnie mięknie, dla których żeluje harmoniczna nieliniowa, poślizg, wysokie częstotliwości 3 < 1% Stabilizacja temperaturowa Stabilizacja temperaturowa Relaksacja mechaniczna Relaksacja mechaniczna Tryb CD Asfalty, stopione polimery, przemiany Zakresy deformacji naprężeń zol/żel Zwracaj uwagę na poziom Niskolepkie Kontrolowana 0,1 10% jest do tylko 1Paamplituda Lepkość, moduły Zawiesiny, G i G sygnału naprężenia proszki, oraz są stałe możesz użyć Średnio Ustawiamy lepkie odchylenie 10 1 % do 100 deformacji Pa ceramika, kąta wychylenia, materiały zmień w Tryb CD-AS Zawiesiny, wszystkich proszki, których trybów ceramika, rotor poprawiając występuje materiały warunki poślizg Wysokie Elastyczna Definiujemy lepkości -max 0,1 % moment - powyżej 1000 w których Pa występuje poślizg pomiaru 26 Przemiatanie amplitudą Przemiatanie CS/CD Start naprężenia Koniec naprężenia Częstotliwość Rozkład punktów Około 2 minut 30 9

10 lgmodulus (Pa) lgmodulus (Pa) Test 1 przemiatanie amplitudą Wyższa wartość dla G i G pokazuje że produkt ma wyższą ηo Wyższa wartość ηo może oznaczać dłuższe struktury. Nie liniowe zachowanie Zależy o użytej częstotliwości Nachylenie krzywej daje informacje czy struktura się niszczy całkowicie lub częściowo Łagodniejsze nachylenie, węższa dystrybucja MWD. Dla produktów złożonych wiązania są zrywane przez tą samą siłę. Ocena przy zjawisku sedymentacji lg Tau (Pa) 31 Test 1 przemiatanie amplitudą 10 6 Charakter próby Zakres LVR Poniżej 45º charakter lepki, 90 powyżej sprężysty Zależy o użytej częstotliwości SP Zakres dla przemiatania 20 częstotliwością 10 Zależy o użytej częstotliwości wybieramy małe ,01 0,10 1,00 10,0 100,0 1000, ,0 lg Stress (Pa) Przemiatanie częstotliwością Tryb Naprężenie/deformacja Początkowa częstotliwość Końcowa częstotliwość Rozkład Około 15 minut 33 10

11 lgmodulus (Pa) lgmodulus (Pa) Test 2 - przemiatanie częstotliwością Punkt cross-over w niższych częstotliwościach oznacza że produkt jest mniej elastyczny przy wyższych udarach Wyższy moduł przy punkcie cross-over wskazuje węższą dystrybucję MWD lg Frequency (Hz) 34 Test 2 przemiatanie częstotliwością SP Punkt Punkt cross cross over over Dla częstotliwości 5Hz Brak G osiąga poziom jak guma G osiąga poziom jak żel Nie płynie bo zbocze G 1 oraz G 2 Lepkość zerowa do określenia w niższych f Lepkość zerowa około ,10 1,00 10,0 100,0 5Hz lg Frequency (Hz) 35 Pełzanie i powrót Naprężenie Rozkład Kryterium błędu Około 10 minut 36 11

12 Deformation (-) Deformation (-) Test 3 pełzanie i powrót Wolniejsza linia oznacza większą deformację w czasie, więc ηo jest mniejsza mniejsze M w większe spływanie Szybsza odbudowa struktury, krótszy czas relaksacji. Ilość odbudowy jest związana z ilością płynięcia w próbce Time (s) 37 Test 3 Pełzanie i powrót 0,008 SP 20 Pa Pełzanie i powrót Lepkość zerowa bliska z LVR Czas powrotu 3 x czas Czas opóźnienia 54 s pełzania Porcja elastyczności 49% 0,006 1 Pa 0,004 Pełzanie i powrót 0,002 Lepkość zerowa bliska z LVR sprawdzenie niskich f Czas opóźnienia 1400 s Porcja elastyczności 97% Time (s) 38 Punkt płynięcia Początkowe napręż Końcowe napręż Rozkład Czas Kryterium błędu Około 5-7 minut 39 12

13 lg Deformation (-) lg Deformation (-) Test 4 punkt płynięcia Punkty dla deformacji w LVR poniżej której substancja nie płynie są poniżej punktu płynięcia. Wyższy punkt płynięcia oznacza: Mniejsze spływanie Mniejsze rozpływanie się większy opór płynięcia Dla wysokich naprężeń pojawia się płynięcie. Dla Zapobieganie niskich sił sedymentacji: pojawiająca się deformacja w zakresie LVR s= r *g (d- )/3 lg Tau (Pa) 40 Test 4 punkt płynięcia Czas osiągnięcia punktu płynięcia Wynik obliczony nie powinien odbiega być od 10 5 krótszy zmierzonego niż 3 min Wybór zakresu pomiarowego może decydować o wyniku Rekomendacja: DIN- 143 wyznaczanie punktu 10 płynięcia -3 0, =35,1 =55,8Pa =105,8Pa lg Tau (Pa) =25% =1,27% =4,7% 41 Pomiar tiksotropii Począt pręd ścinania Końc pręd ścinania Rozkład Czas Około 2 minut 42 13

14 Modulus (Pa) Shear Stress (Pa) Shear Stress (Pa) Test 5 pomiar tiksotropii Większy obszar oznacza większą tiksotropię (zależność czasowa). Uwaga : nie ma żadnej informacji o czasie odbudowy i czy odbudowa nastąpiła do stanu początkowego. Shear Rate (1/s) 43 Test 5 pomiar tiksotropii 800 Diff. 492 Pa/s Większy obszar oznacza większą tiksotropię (zależność czasowa). Diff Pa/s Diff Pa/s 600 Diff. 700,5 Pa/s 400 Diff. 1,56e+04 Pa/s A(1)=4,53e+04 Pa/s A(2)=391,0 Pa/s A(3)=3,00e+04 Pa/s 200 Diff. 60,6 Pa/s 0 A(1)=1,12e+04 Pa/s 0, A(2)=14,0 Pa/s Shear Rate (1/s) A(3)=1,11e+04 Pa/s 44 Test 6 odbudowa struktury Częściowa odbudowa G >G : sprężyste zachowanie Struktura jest odbudowana i materiał będzie się zachowywał jak ciało stałe (nie płynie) Stan początkowy Rotacja Szybsza odbudowa oznacza: Obserwowanie lepkości Mniejsze zespolonej spływanie może dać zbliżone wyniki Mniejsza porowatość Ostrzejsze punkty (drukowanie) Oscylacja 45 14

15 Viscosity (Pa) Test 6 odbudowa struktury Stan początkowy Ścinanie 100 1/s Odbudowa 10 5 Czas odbudowy nie krótszy niż określanie stanu początkowego Naprężenie - 2 Pa 10 3 Tryb odbudowy Struktura Naprężenie jest -silna 3 Pa CR-CR Całkowita Struktura Naprężenie odbudowa jest -silna 5 Pa Prędkość dla odbudowy Substancja Częściowa Struktura jak jest nie odbudowa silna najmniejsza (<1 1/s) ulega deformacji Substancja Brak odbudowa ulega CR-CS częściowej Substancja deformacji, ulega 10 1 Naprężenie wpływa podlega deformacji na relaksacji wynik 10-1 Próbka powinna ulegać deformacji CR-OSC 10-3 Naprężenie z zakresu LVR 0, Shear Rate (1/s) Wynik zależny od f 46 Porównanie wyników: Czerwony Test Wynik Niebieski Niski Test 1: LVR Wysoki Niski Test 1 + 4: Punkt płynięcia Wysoki Niski/krótki Test 1, 2 + 3: M w <-> długość struktury Wysoki/długi Wysoki Test 1 + 2: MWD <-> różnice w dług. łańcuchów Niski Długi Test 3: Czas relaksacji Krótki Niski Test 1 + 3: Lepkość przy zerowym ścinaniu Wysoka Długi Test 6: Czas odbudowy struktury Krótki Jeśli patrzymy na niebieską i czerwoną próbkę możemy wysunąć wnioski: Czerwona próbka łatwo się rozprowadza, Niebieska próbka może się nie wylewać z uzyskamy równomierną warstwę, opakowania, nie potrzebujemy równomierności, potrzebujemy punktu płynięcia do stabilizacji potrzebujemy wysokiego punktu płynięcia aby dłuższego zachowania tiksotropowego. osiągnąć stabilność i krótkie zachowanie tiksotropowe oraz zapobiegać sedymentacji 47 Krzywa płynięcia Począt pręd ścinania Końc pręd ścinania Rozkład i. Około 3-35 minut 48 15

16 Viscosity (Pa) Krzywa płynięcia RheoAdaptive Tryb CS/OSC 10 7 Tryb CR Shear Rate (1/s) 49 Steady state viscosity curve Osiągnięcie wyniku = 45 minut 50 Pytania? Dziękuje za uwagę 51 16