O Z N A C Z A N I E W Ł A Ś C I W O Ś C I R E O L O G I C Z N Y C H Z A W I E S I N I L A S T Y C H

Transkrypt

1 O Z N A C Z A N I E W Ł A Ś C I W O Ś C I R E O L O G I C Z N Y C H Z A W I E S I N I L A S T Y C H w i s k o z y m e t r e m w y p ł y w o w y m opracował : opracowanie zawiera : Andrzej Pytliński stron tekstu 27 rysunków.6 tablic.. 2 poz. bibliograficznych.6 B O L E S Ł A W I E C nr archiw. 05 / / 27

2 - 2 - Spis treści. 1. Wprowadzenie 2. Podstawowe pojęcia i określenia. 3. Typy wiskozymetrów do pomiaru właściwości zawiesin. 4. Polski wiskozymetr wypływowy. 5. Pomiary polskim wiskozymetrem wypływowym 5.1. Oznaczanie wskaźnika lepkości w warunkach ruchu zawiesiny Oznaczanie wskaźnika lepkości w warunkach bezruchu zawiesiny Oznaczanie wskaźnika tiksotropii po zerowym czasie bezruchu Oznaczanie wskaźnika lepkości po określonym czasie bezruchu Oznaczanie wskaźnika tiksotropii po określonym czasie bezruchu Oznaczanie torsyjności zawiesin ilastych Wyznaczanie krzywej upłynniania Oznaczanie gęstości odlewniczej. objętościowego stężenia odlewniczego i procentowej koncentracji odlewniczej. 6. Kryteria właściwości reologicznych zawiesin.. 7. Bibliografia. oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 2 / 27

3 W P R O W A D Z E N I E. Pojęcie lepkości / viscosity /, w języku polskim również nazywanej wiskozą, zauważył i zdefiniował Izaak Newton / / jako opór wewnętrzny występujący w cieczy w czasie jej ruchu. Jeżeli w cieczy wydzielić myślowo pewną płaszczyznę s i do płaszczyzny tej przyłożyć siłę F to płaszczyzna ta będzie się przemieszczała w cieczy ze stałą prędkością v, rys 1. Skoro przemieszczanie następuje ze stałą prędkością to oznacza to, że na płaszczyznę s nie działają żadne siły a więc siła F została zrównoważona siłą oporu wewnętrznego cieczy spowodowaną ruchem rozważanej płaszczyzny z prędkością v. Ruch myślowo wydzielonej płaszczyzny s pociąga za sobą ruch płaszczyzn równoległych do płaszczyzny napędzanej siłą F a położonych poniżej i powyżej płaszczyzny napędzanej w dowolnie małych odległościach od niej dy / rys. 1 /, z tym że płaszczyzny te, w wyniku tarcia wewnętrznego w płynie będą przemieszczały się wolniej niż płaszczyzna napędzana. Różnica prędkości pomiędzy płaszczyzną napędzaną a płaszczyzną odległą od niej o dy wynosi dv a stosunek dv/dy nosi nazwę gradientu prędkości lub przez analogię do wytrzymałościowego modelu ścinania, gradientu ścinania γ / gamma z kropką /. W rozważanym układzie siła F przyłożona do myślowo wydzielonej hipotetycznej płaszczyzny s jest zmienną niezależną, ponieważ zarówno do hipotetycznej / myślowo wydzielonej / płaszczyzny jak i do rzeczywistej materialnej powierzchni można przyłożyć dowolną siłę, bez żadnych ograniczeń i obserwować przebieg zjawisk zachodzących pod jej wpływem. Ruch rozważanej płaszczyzny i gradient prędkości / ścinania / są zmiennymi wynikowymi, zależnymi od przyłożonej siły i właściwości obserwowanego płynu. Trudność zrozumienia pojęcia lepkości wynika m.in. z tego, że w większości opisów zależności, o których tu mowa są przedstawiane oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 3 / 27

4 - 4 - w układzie współrzędnych odwróconych, t.zn. gradient ścinania jest odkładany na osi poziomej zmiennych niezależnych a naprężenie ścinające odkładane jest na osi pionowej zmiennych wynikowych. W niczym nie zmienia to istoty fizycznej definiowanych pojęć ale powoduje inny sposób opisu matematycznego występujących zjawisk. Dla zdefiniowania pojęcia lepkości przyjmuje się, ze gradient ścinania jest wprost proporcjonalny do naprężenia ścinającego a współczynnikiem proporcjonalności jest odwrotność stałej dla danej cieczy i w stałej temperaturze liczby eta gdzie eta jest lepkością charakteryzującą opór wewnętrzny w czasie ruchu cieczy. Lepkość jest miarą spójności międzycząsteczkowej cieczy. Jeżeli lepkość jest wysoka i spójność międzycząsteczkowa duża to napędzana warstwa zawiesiny pociąga za sobą bardzo silnie sąsiednie warstwy a gradient ścinania dv/dy jest mały. Odwrotnie, gdy lepkość jest mała, spójność międzycząsteczkowa jest też mała,. napędzana warstwa słabo ciągnie za sobą warstwy sąsiednie i gradient ścinania dv/dy jest duży. Oczywiste więc jest że gradient ścinania jest odwrotnie proporcjonalny do lepkości : = dv/dy = 1/ akładał, że każda, niezerowa siła F > 0 wywołuje w rozważanym układzie ruch z niezerową prędkością v > 0. rys 1. Płyny spełniające ten warunek nazywane są płynami newtonowskimi. Wszelkie zawiesiny ciał stałych w cieczach nie spełniają warunku Newtona i powszechnie nazywane są cieczami nienewtonowskimi, aczkolwiek, podobnie jak ciecze newtonowskie dają się nalewać, wylewać, pompować itp. i występuje w nich opór wewnętrzny w czasie ruchu analogicznie jak we wszystkich płynach. Różnica polega na tym, że ciecze nienewtonowskie wykazują zjawisko sprężystości strukturalnej rys 2. oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 4 / 27

5 - 5 - W układzie analogicznym jak na rys 1, występuje pewna siła graniczna F g i ścinające naprężenie graniczne g, których przyłożenie nie powoduje ruchu w płynie. Ruch rozpoczyna się dopiero po przekroczeniu tych granicznych wielkości. Prędkość ruchu cieczy nienewtonowskiej po przekroczeniu naprężenia granicznego wzrasta wpierw nieliniowo, dopiero od pewnej prędkości v i naprężenia ścinającego rozpoczyna się wzrost liniowy i można mówić o lepkości pozornej w rozumieniu zdefiniowań wyprowadzonych dla płynów newtonowskich. Graniczny punkt liniowości oznaczono na rys 2 jako L g / liniowość graniczna /. Jeżeli po osiągnięciu pewnego naprężenia ścinającego zmniejszać przyłożoną siłę F to naprężenie ścinające maleje ale po innej drodze aniżeli przy wzroście siły F. Płyny nienewtonowskie wykazują więc histerezę reologiczną rys 2. Występowanie granicznego naprężenia ścinającego, poniżej którego płyn nienewtonowski wykazuje właściwości sprężyste nosi nazwę torsyjności / zwrotności sprężystej /. Torsyjność jest ważną cechą reologiczną płynów nienewtonowskich.do jej wyznaczania budowane są specjalne przyrządy / torsjometry / nazywane potocznie wiskozymetrami torsyjnymi / nazwa handlowa /.Stosowanie dla torsjometrów handlowej nazwy wiskozymetrów torsyjnych wprowadza dodatkowe zamieszanie w rozumieniu pojęcia lepkości i torsyjności płynów nienewtonowskich. Z torsyjnością wiąże się też zjawisko tiksotropii. Polega ono na tym, że torsyjność zależy od czasu pozostawienia płynu w bezruchu. W miarę upływu czasu narastają siły międzymicelarne w zawiesinach substancji stałych w cieczach dyspergujących. Naprężenie graniczne zmierzone po kilku minutach bezruchu zawiesiny jest zwykle wyższe od naprężenia granicznego zmierzonego natychmiast po zakończeniu ruchu / mieszania /. Różnica tych naprężeń nosi nazwę tiksotropii. Łącznie cały zespół cech związanych z przepływem cieczy nienewtonowskich tworzy w miarę skomplikowany i niekiedy trudny do określenia i pomiaru kompleks zwany zespołem właściwości reologicznych. oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 5 /

6 - 6 - Do jego badania i wyznaczenia określonych parametrów fizykochemicznych budowany jest szereg specjalistycznych przyrządów. Dobór odpowiednich przyrządów, określenie kryteriów dla poszczególnych mierzonych wielkości i świadome posługiwanie się nimi jest przedmiotem niniejszego opracowania. Wszystkie lejne masy ceramiczne i wszystkie zawiesiny ilaste występujące w procesach przeróbki i wzbogacania ilastych surowców mineralnych są płynami nienewtonowskimi. Panowanie technologiczne nad ich właściwościami reologicznymi jest niezbędne dla optymalizacji procesów wytwarzania surowców i produkcji ceramiki metodą odlewania wyrobów. oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 6 / 27

7 - 7 - Rys. 1. Właściwości płynów newtonowskich. Rys. 2 Właściwości płynów nienewtonowskich. 0znaczanie właściwości reologicznych zawiesin 7 / 27

8 PODSTAWOWE POJECIA i OKREŚLENIA. * CIECZ RZECZYWISTA - Ciecz newtonowska / roztwory, oleje, rozpuszczalniki itp. / spełniające warunek przepływu Newtona, rys. 1 * LEPKOŚĆ - tarcie wewnętrzne płynu występujące w czasie jego ruchu. Lepkość wyrażana jest współczynnikiem / eta / w równaniu przepływu płynu / rys 1. / * CIECZ POZORNA - Zawiesina ciała stałego w cieczy dyspersyjnej wykazyjąca zdolność płynięcia ale nie spełniająca warunku przepływu Newtona, ciecz nienewtonowska, rys 2. * LEPKOŚĆ POZORNA - Lepkość płynu nienewtonowskiego zawiesiny. * MIARA LEPKOŚCI - Miarą lepkości jest paskalosekunda [ Pas ] / przyjmując dla płynu wytrzymałościowy model ścinania, w którym naprężenie ścinające może być traktowane jako ciśnienie niepaskalowskie wektorowe, równoległe do płaszczyzny ścinania i może być wyrażane w paskalach / Jeżeli przyjąć, że naprężenie ścinające nie może być utożsamiane z ciśnieniem i nie może być wyrażane w paskalach, miarą lepkości jest N s / m 2. W dawniej używanych systemach miar / cgs / lepkość była wyrażana w puazach P. 1 P = 1/10 N s / m 2 = 0,1 Pas. spotyka się też wyrażanie lepkości w g/cm s, co jest równorzędne puazom P. 1 P = 1 g / cm s. * WSWKAŹNIK LEPKOŚCI - stosunek lepkości płynu do lepkości wody w tej samej temperaturze, oznaczany zwykle jako Wskażnik lepkości jest liczbą niemianowaną. * TORSYJNOŚĆ - graniczne, największe naprężenie ścinające, które nie powoduje jeszcze ruchu w płynie nienewtonowskim rys. 2. * TIKSOTROPIA - różnica torsyjności płynu nienewtonowskiego wyznaczonej oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 8 / 27

9 - 9 - po określonym czasie postoju i torsyjności tego samego płynu wyznaczonej natychmiast po ustaniu jego ruchu / mieszania /. Tiksotropia może być też wyznaczona jako różnica lepkości pozornej wyznaczonej po upływie określonego czasu postoju zawiesiny i lepkości pozornej wyznaczonej w czasie ruchu zawiesiny. Tiksotropia oznaczana jest zwykle jako T i wyrażana w jednostkach lepkości. * WSKAŹNIK TIKSOTROPII - Analogicznie jak wyżej wartość określona z różnicy wskaźników lepkości. Wskaźnik tiksotropii oznaczany jest zwykle jako T. Wskaźnik tiksotropii jest liczbą niemianowaną. * UPŁYNNIANIE - Zmniejszanie lepkości pozornej zawiesiny przez dodatek polimerów organicznych i nieorganicznych / n.p. polimerów soli kwasu akrylowego, szkła wodnego, polifosforanów /, które powodują spadek lepkości pozornej. * DODATEK UPŁYNNIACZA - Dodatek substancji powodującej upłynnianie liczony w % w stosunku do zawatriści masy suchej w zawiesinie, oznaczany zwykle jako C u / koncentracja upłynniacza / w %. * KRYWA UPŁYNNIANIA - Graficznie przedstawiona zależność lepkości zawiesiny od dodatku substancji upłynniającej / zwykle z występującym, charakterystycznym minimum lepkości przy określonym dodatku upłynniacza /. * GĘSTOŚĆ ODLEWNICZA, OBJĘTOŚCIOWE STĘŻENIE ODLEWNICZE, KONCENTRACJA ODLEWNICZA - Gęstość, stężenie, koncentracja zawiesiny, która przy upłynnianiu wykazuje minimum lepkości na z góry ustalonym poziomie / zwykle przy wskaźniku lepkości = 5 ±1. Gęstość odlewnicza wyrażana jest w g/cm 3, objętościowe stężenie w g / dm 3 a koncentracja w % masy. oznaczanie właściwości reologicznych 9 / 27

10 TYPY WISKOZYMETRÓW DO POMIARU WŁAŚCIWOŚCI ZAWIESIN. W miarę rozwoju naiki i reologii płynów nienewtonowskich i postępu w technologiach operowania zawiesinami ciał stałych w cieczach dyspergujących, w tym lejnymi masami ceramicznymi, rozwinęły się metody pomiaru cech reologicznych płynów nienewtonowskich i wytwarzanie specjalistycznych przyrządów do tego celu. Najogólniej zbudowane dotychczas i mniej lub bardziej rozpowszechnione przyrządy można podzielić na trzy grupy : - wiskozymetry rotacyjne, - wiskozymetry wypływowe, - wiskozymetry torsyjne Wiskozymetry rotacyjne dokonują pomiarów reologicznych za pomocą elementu obrotowego napędzanego zwykle silnikiem elektrycznym, rzadziej napędem czysto mechanicznym z zadaną z góry prędkością obrotową. Naprężenie ścinające jest mierzone przez określenie momentu skręcającego wałek napędowy. Wiskozymetry rotacyjne pozwalają, dzięki regulacji obrotów na wyznaczenie charakterystyki płynięcia cieczy newtonowskich i nienewtonowskich, wraz z wyznaczeniem wszystkich punktów charakterystycznych i histerezy reologicznej. Rys 1 i 2 Z tego względu wiskozymetry rotacyjne są powszechnie używane do prac naukowo badawczych. Typowym wiskozymetrem obrotowym o omawianych właściwościach jest wiskozymetr Brockfield używany powszechnie w instytutach naukowi badawczych i uczelniach wyższych. Pierwsze zastosowanie przemysłowe w historii techniki znalazł wiskozymetr wypływowy w zakładach budowy samochodów Forda. Został on tam użyty do pomiaru lepkości lakierów samochodowych, pozwolił na standaryzację właściwości lakierów i zdobył wielka renomę w zakresie roli pomiarów fizykochemicznych w procesach produkcyjnych. Wiskozymetr ten, zwany potocznie kubkiem Forda jest do dnia oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 10 / 27

11 dzisiejszego używany w pomiarach orientacyjnych, także w pomiarach konsystencji zawiesin ilastych. Wielka kariera kubka Forda jest spowodowana jego wielką prostotą, odpornością na uderzenia możliwe w warunkach pomiarów przemysłowych oraz niskim kosztem wykonania nawet w najprościej wyposażonym warsztacie tokarskim. Popularność kubka Forda skłoniła ceramików polskich do opracowania konstrukcji podobnego wiskozymetru wypływowego o nieznacznie bardziej skomplikowanej budowie, jednak pozwalającego na bardzo szeroki zakres pomiarów reologicznych. Wiskozymetry torsyjne, a właściwie torsjometry, nie pozwalają w zasadzie na pomiary lepkości, mierzą jedynie torsyjność i tiksotropię. Typowym reprezentantem tej grupy jest wiskozymetr Gellenkampa stosowany w wielu zakładach w Polsce o wprowadzony wraz z zachodnioeuropejskimi technologiami wytwarzania ceramiki. głównie sanitarnej. Polski wiskozymetr wypływowy jest w świetle interesów producentów zachodnioeuropejskich krytykowany jako urządzenie prymitywne. W zakładach, w których wprowadzono licencyjne technologie stosowanie tego wiskozymetru jest niedozwolone. Jednakże dzięki prostocie budowy i odporności na warunki pomiarów przemysłowych może on i powinien odegrać ważną rolę w małych zakładach ceramicznych, wytwarzających wyroby głównie metodą odlewania, nie posiadających stale pracującego laboratorium kontrolnego. Wzrost konkurencyjności, konieczność podwyższania jakości wyrobów ceramicznych i standaryzacji właściwości mas odlewniczych może być w bardzo dużym stopniu osiągnięte przez zastosowanie tego wiskozymetru. oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 11 / 27

12 POLSKI WISKOZYMETR WYPŁYWOWY. Na przełomie lat 1960 /70 ubiegłego wieku został rozpracowany wiskozymetr wypływowy o budowie zbliżonej do kubka Forda, jednakże różniący się od konstrukcji Forda kilkoma ważnymi elementami : - wiskozymetr jest naczyniem dłuższym od kubka Forda i wykazuje pojemność około 200 cm 3 / prawie dwukrotnie większą aniżeli konstrukcja Forda / - Pomiar wypływu z wiskozymetru jest mierzony czasem wypływu 100 cm 3 do kalibrowanej kolby ściętej / a nie całkowitym czasem wypływu jak w kubku Forda / Dzięki takiemu rozwiązaniu napór zawiesiny na dyszę wylewową, pod koniec wypływu 100 cm 3 jest dwukrotnie mniejszy aniżeli na początku pomiaru ale nie spada do zera jak w kubku Forda. - Wiskozymetr jest wyposażony w zatyczkę, pozwalającą zatrzymać wypływ po zakończeniu pomiaru ale pozwalającą również na mieszanie zawiesiny w czasie wypływu likwidowanie w ten sposób narastania sił tiksotropowych powodujących wzrost lepkości pozornej w casie dokonywania pomiaru. - Dysza wypływowa wiskozymetru jest dobrana i kalibrowana w taki sposób aby czas wypływu 100 cm 3 wody destylowanej w 20 o C wynosił 10,00 sekundy, dzięki czemu łatwo jest oznaczyć wskaźnik lepkości dzieląc zmierzony czas wypływu 100 cm 3 przez liczbę kalibracyjną 10,00. - Wiskozymetr wykazuje liniową zależność wskaźnika lepkości od lepkości zdefiniowanej przez Newtona i pozwala, po wykalibrowaniu oznaczać lepkość w układzie SI, w paskalosekundach [ Pas ] oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 12 / 27

13 Przy pomiarach wypływu zawiesin torsyjnych, naprężenie ścinające graniczne g nie pozwala na wypłynięcie zawiesiny do końca. Wysokość słupa zawiesiny pozostałej w wiskozymetrze i naciskającej na duszę wypływową może być łatwo zmierzona. Jeżeli gęstość zawiesiny jest znana bez trudu można określić torsyjność zawiesiny. Wiskozymetr pozwala przy tym na określenie torsyjności w jednostkach układu SI [ N/ m 2 ] co zwykle nie jest możliwe w innych wiskozymetrach torsyjnych. Na rys.3 pokazano wymiary polskiego wiskozymetru wypływowego. Na rys. 4. zamieszczono charakterystykę tego wiskozymetru pozwalającą przeliczyć wskaźnik lepkości na lepkość w układzie SI. Rys. 3. Polski wiskozymetr wypływowy. oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 13 / 27

14 Rys. 4. Kalibracja polskiego wiskozymetru wypływowego na układ SI. oznacanie właściwości reologicznych zawiesin 14 / 27

15 POMIARY POLSKIM WISKOZYMETREM WYPŁYWOWYM Warunki wykonywania pomiarów. Pomieszczenie, w którym wykonywane są pomiary powinno wykazywać temperaturę 20 ± 2 o C. Zawiesina przygotowana do pomiarów powinna być doprowadzona do temperatury 20 ± 1 o C Wiskozymetr powinien być ustawiony na stabilnej podstawie, gwarantującej nieruchome położenie w czasie pomiaru oraz nieprzenoszenie wstrząsów zewnętrznych / np. od pracy maszyn / na zawiesinę w wiskozymetrze w czasie liczonym jako czas bezruchu. Zawiesina przed pomiarami powinna być mieszana mieszadłem mechanicznym w czasie około 30 minut z prędkością obrotową około 150 obrotów na minutę. Prędkość obrotowa brotów na minutę zapewnia rozerwanie sił międzycząsteczkowych w zawiesinie i płynięcie zawiesiny w sposób liniowo proporcjonalny do naprężenia ścinającego / rys 2. p / 5.2. Oznaczanie wskaźnika lepkości w warunkach ruchu zawiesiny. / w warunkach dynamicznych /. Dyszę wiskozymetru należy zamknąć zatyczką. Wiskozymetr napełnić badaną zawiesiną aż do przelania się zawiesiny do rynny okrężnej. Pod wiskozymetrem ustawić kolbę ściętą kalibrowaną do pomiaru gęstości. Przygotować stoper. Podnieść zatyczkę jednocześnie uruchamiając stoper. po uniesieniu zatyczki mieszać nią zawartość wiskozymetru z prędkością około 2 obrotów na sekundę t.j. 120 obr./ min. W chwili napełnienia kolby zatrzymać stoper i zatrzymać wypływ zawiesiny zatyczką. Uzyskany czas wypływu w sekundach podzielony przez 10 jest wskaźnikiem lepkości wyznaczonym w warunkach ruchu / warunkach dynamicznych. / d = T W : 10 [ - ] oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 15 / 27

16 gdzie: T w - zmierzony czas wypływu 100 cm 3 zawiesiny w warunkach ruchu w sekundach, 10 - czas wypływu wody w analogicznych warunkach. Wyznaczony w opisany sposób wskaźnik lepkości jest liczbą niemianowaną, bezwymiarową Oznaczanie wskaźnika lepkości w warunkach bezruchu. / w warunkach statycznych /. Dyszę wiskozymetru należy zamknąć zatyczką. Wiskozymetr napełnić badaną zawiesiną aż do przelania się zawiesiny do rynny okrężnej. Pod wiskozymetrem należy ustawić kalibrowaną kolbę ściętą na 100 cm 3.. Przygotować stoper. Nie podnosząc zatyczki należy ruchem okrężnym mieszać zawartość wiskozymetru przez około 30 sekund. Następnie podnieść zatyczkę uruchamiając jednocześnie stoper. W czasie pomiaru czasu wypływu zawiesina w wiskozymetrze pozostaje w bezruchu, pomijając obniżanie się jej poziomu w naczyniu pomiarowym. W chwili napełnienia kolby zatrzymać stoper i zatrzymać zatyczką wypływ zawiesiny. Uzyskany czas wypływu w sekundach podzielony przez 10 jest wskaźnikiem lepkości zawiesiny w warunkach bezruchu / w warunkach statycznych / po zerowym czasie bezruchu. s0 = T w : 10 [ - ] Oznaczenia jak poprzednio. Wyznaczony w opisany sposób wskaźnik lepkości jest liczbą niemianowaną, bezwymiarową. W przypadku cieczy newtonowskiej casy wypływu w warunkach ruchu i bezruchu są sobie równe Oznaczenie tiksotropii po zerowym czasie bezruchu. Różnica wskaźnika lepkości wyznaczonego w warunkach bezruchu po zerowym czasie bezruchu i wyznaczonego w warunkach ruchu nosi nazwę wskaźnika tiksotropii zerowej. oznacanie właściwości reoloicznych zawiesin 16 / 27

17 T 0 = s0 - d [ - ] gdzie T 0 - wskaźnik tiksotropii zerowej pozostałe oznaczenia jak poprzednio. Wyznaczony w opisany sposób wskaźnik tiksotropii zerowej jest liczbą niemianowaną, bezwymiarową Oznaczanie wskaźnika lepkości po określonym czasie bezruchu. / w warunkach statycznych oi określonym czasie bezruchu / Duszę wiskozymetru należy zamknąć zatyczką. Wiskozymetr napełnić badaną zawiesiną, aż do przelania się zawiesiny do rynny okrężnej. pod wiskozymetrem należy ustawić kolbę ściętą na 100 cm 3. przygotować stoper i minutnik sygnalizacyjny. Nie podnosząc zatyczki zawartość wiskozymetru należy mieszać ruchem okrężnym przez około 30 sekund. Zatrzymać mieszanie jednocześnie ustawiając minutnik sygnalizacyjny na 6 minut / lub inny określony czas /. Po upływie zadanego czasu bezruchu łagodnym ruchem podnieść zatyczkę i jednocześnie uruchomić stoper. W chwili napełnienia kolby zatrzymać zatyczką wypływ zawiesiny z wiskozymetru i zatrzymać stoper. Uzyskany czas wypływu podzielony przez 10 jest wskaźnikiem lepkości wyznaczonym w warunkach statycznych po sześciominutowym czasie bezruchu. s6 = T w6 : 10 [ - ] gdzie : s6 - wskaźnik lepkości wyznaczony w warunkach bezruchu po 6 minutach bezruchu zawiesiny w wiskozymetrze, T w6 - czas wypływu badanej zawiesiny w sekundach po sześciominutowym bezruchu zawiesiny, 10 - czas wypływu wody w tych samych warunkach. Oznaczony w opisany sposób wskaźnik lepkości jest liczbą niemianowaną bezwymiarową. badanie właściwości reologicznych zawiesin 17 / 27

18 Oznaczanie wskaźnika tiksotropii po określonym czasie bezruchu. Wskaźnikiem tiksotropii po określonym czasie bezruchu jest różnica wskaźnika lepkości wyznaczona w warunkach bezruchu, po określonym czasie bezruchu i wskaźnika lepkości wyznaczonym w warunkach ruchu zawiesiny. Np. tiksotropia sześciominutowa : T 6 = s6 - d [ - ] W uzasadnionych przypadkach wyznacza się tiksotropię dziesięciominutową T 10, jednogodzinną T 60, dwugodzinną T 2h a również dwudziestoczterogodzinną T 24h.. Wskaźnik tiksotropii T jest liczbą bezwymiarową, niemianowaną Wyznaczanie torsyjności zawiesiny. Wiskozymetr wypływowy pozwala na wyznaczenie torsyjności zawiesin, których torsyjność jest stosunkowo wysoka / powyżej wskaźnika torsyjności 3-5 mm / Do pomiaru wiskozymetr należy napełnić w sposób identyczny jak do innych, wcześniej opisanych pomiarów. Pod wiskozymetrem ustawić zlewkę na 250 cm 3. W celu oznaczenia torsyjności natychmiastowej / przy zerowym czasie bezruchu / zawartość wiskozymetru należy mieszać ruchem okrężnym przy dyszy zamkniętej zatyczką, następnie wyjąć zatyczkę i pozostawić wiskozymetr aż do samoistnego zatrzymania się wypływu. / kolba pod wiskozymetrem nie jest potrzebna, stoper również nie / Wyczyścić zatyczkę, wprowadzić ją do wiskozymetru aż do zatkania, wyjąć i zmierzyć miarką metryczną wysokość słupa zawiesiny zatrzymanej w wiskozymetrze z dokładnością do 1 mm. Zmierzona wysokość słupa pozostałej zawiesiny jest wskaźnikiem torsyjności wyrażanym w mm. Tors. [ mm ]. 0znaczanie właściwości reologicznych zawiesin 18 / 27

19 Siła nacisku F zawiesiny tworząca naprężenie ścinające jest iloczynem wysokości słupa zawiesiny gęstości przyśpieszenia ziemskieo i przekroju dyszy wypływowej wiskozymetru : F = H d g D 2 / 4 [ N ] gdzie : F - siła nacisku zawiesiny na dyszę wypływową w Newtonach, H - wysokość słupa zawiesiny zatrzymanej w wiskozymetrze wyrażona w metrach, [ m ] d - gęstość zawiesiny w [ kg / m 3, ], g - przyśpieszenie grawitacyjne 0,981 [ m/s 2 ], - liczba 3,14.. D - średnica dyszy wypływowej wiskozymetru wyrażona w metrach 0,0035 [ m ] ( przykład : w wiskozymetrze zatrzymało się 30 mm zawiesiny, tj 0,03 m, o gęstości 1,6 g/cm 3, tj kg/ m 3, wówczas siła nacisku F wyniesie F = 0, ,981 0, : 4 = 4, [ N ] ) Powierzchnię poślizgu s stanowi boczna powierzchnia dyszy wypływowej wiskozymetru wyrażoną w m 2. gdzie : s = D l [ m 2 ] s - boczna powierzchnia dyszy wypływowe j 0,0035 0,013 = 1, [ m 2 ] l - długość duszy wypływowej wyrażona w metrach 0,013 [ m ] Naprężenie ścinające graniczne przy zmniejszaniu siły ścinającej wyniesie g = F : s [ N/m 2 ] Naprężenie to jest torsyjnością zawiesiny wyrażoną w układzie SI. 0znaczanie właściwości reologicznych zawiesin 19 / 27

20 ( w odniesieniu do przytoczonego wyżej przykładu torsyjność zawiesiny wyniesie g = 4,53 : 1,429 = 3,17 [ N / m 2 ] ) W praktyce technologicznej zwykle wystarczające jest zmierzenie wska nika torsyjności w mm. W analogiczny sposób można wyznaczyć torsyjność po określonym czasie bezruchu zawiesiny w wiskozymetrze oraz wskaźnik tiksotropii jako różnicę wyznaczonych wskaźników, jak również tiksotropię torsyjną w układzie SI Wyznaczanie krzywych upłynniania. Krzywymi upłynniania nazywane są zależności lepkości i tiksotropi zawiesiny od dodatku upłynniacza, odniesionego do suchej masy substancji stałej w zawiesinie. Do pomiaru przygotowuje się około cm 3 zawiesiny w zlewce na 300 cm 3 oraz roztwór upłynniacza w stalagmometrze przygotowanym do dozowania kropli około 0,04 g upłynniacza w jednej kropli. Przed rozpoczęciem upłynniania stalagmometr waży się z dokładnością 0,01 g w celu określenia masy upłynniacza wprowadzonego do badanej zawiesiny. Przed rozpoczęciem wyznaczania krzywej upłynniania do badanej zawiesiny wprowadza się 30 do 50 % przewidywanej ilości upłynniacza ( np. 0,10 lub 0,15 % w stosunku do masy suchej substancji stałej, zawartej w zawiesinie. Dodatek tej ilości powinien pozwolić na wykonanie pierwszego pomiaru. Jeżeli lepkość i tiksotropie w pierwszym pomiarze zostały wyznaczine do badanej zawiesiny wprowadza się kolejną porcję ( zwykle 3 krople ) upłynniacza i powtarza się pomiar lepkości i tiksotropii. Wyniki pomiarów rejestruje się w tabeli ( wzór ), tablica 1. oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 20 / 27

21 Zapis procesu upłynniania ( wzór, przykład ) Tablica 1. Dane wyjściowe : gęstość zawiesiny d = 1,76 stalagm., masa pocz. 25,20 g objętość zawiesiny V = 200 cm 3 stalagm., masa końc. 23,64 g masa sucha m s = 247 g masa upłynniacza.1,56 g stała stalagmometru 1,56 : 39 = 0,040 liczba kropli. 39 upłynniacz szkło wodne 145 l.p. krople masa % d d s0 T 0 s6 T ,48 0,19 1,760 16, , , ,60 0,24 1,760 9,7 11,3 + 1,6 14,70 + 5, ,72 0,29 1,761 6,8 6,6-0,2 9,65 + 2, ,84 0,34 1, ,3-1,9 6,4 + 1, ,96 0,39 1,761 5,0 2,2-2,8 5,1 + 0, ,08 0,44 1,761 5,3 2,5-3, , ,20 0,49 1, ,5-2, , ,32 0,53 1,762 8,6 6,7-1,9 10,4 + 1, ,44 0,58 1,762 12,0 11,3-0, ,56 0,63 1,762 16,9 17, 9 +1,0 22,4 + 5,5 W przypadku upłynniania dwoma upłynniaczami należy ustalić ich proporcje, np Dozowanie prowadzone jest wówczas z dwóch stalagmometrów z jednego po jednej kropli, z drugiego po 2 krople. W zapisie podaje się łączny procentowy dodatek upłynniacza z adnotacją, że 1/3 stanowi upłynniacz A i 2/3 stanowi upłynniacz B. Na rysunku 5. pokazano graficzną formę wyznaczonych krzywych upłynniania. oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 21/ 27

22 Rys. 5. Graficzna postać krzywych upłynniania oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 22 / 27

23 Oznaczenie gęstości odlewniczej, objętościowej koncentracji odlewniczej i procentowego stężenia odlewniczego. Oznaczenie gęstości odlewniczej polega na znalezieniu takiej gęstości zawiesiny, przy której minimum lepkości na krzywej upłynniania leży na z góry założonym poziomie / najczęściej przy wskaźniku lepkości d = 5,0 ; d = 66,7 mpas /. Do wykonania oznaczenia przygotowuje się zawiesinę o gęstości większej od przewidywanej gęstości odlewniczej o około 0,1 g/cm 3.. Do zawiesiny wprowadza się też 1/3 do 1/2 ilości przewidywanej ilości upłynniacza potrzebnego do uzyskania minimum lepkości. Dla tak przygotowanej zawiesiny wykonuje się wyznaczenie krzywej upłynniania zapisując przebieg upłynniania w miarę dodawania kolejnych partii upłynniacza. Zasadniczo do oznaczenia gęstości odlewniczej potrzebne tylko pomiary wskaźnika lepkości mierzonego w warunkach dynamicznych t.j. przy mieszaniu zawartości wiskozymetru w czasie pomiaru. Takie ograniczenie znacznie zmniejsza pracochłonność wykonania pomiaru. Możliwe jest jednak oznaczanie w toku upłynniania, oprócz wskaźnika lepkości w warunkach dynamicznych również wskaźników tiksotropii zerowej i sześciominutowej co daje pełniejszy obraz właściwości badanego materiału ilastego. Upłynnianie pierwotnie przygotowanej zawiesiny kontynuuje się do chwili aż po kolejnym dodaniu 3 kropli upłynniacza wynik pomiaru pomiaru wskaźnika lepkości będzie taki sam jak wynik poprzedni lub też nieznacznie wyższy od poprzedniego wyniku. Oznacza to, że zostało osiągnięte lub nieznacznie przekroczone minimum lepkości zawiesiny. Jeżeli gęstość pierwotnej zawiesiny została dobrze dobrana, to uzyskane minimum jest położone powyżej przyjętego kryterium / zwykle powyżej wskaźnika lepkości d > 5,0 /. Jeżeli warunek ten jest spełniony, upłynnianie należy przerwać a uzyskaną zawiesinę rozcieńczyć wodą do wskaźnika lepkości przyjętego jako kryterium / zwykle d = 5,0 /. oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 22 / 27

24 Po uzyskaniu wymaganego wskaźnika lepkości należy oznaczyć gęstość. Oznaczona gęstość jest jest gęstością odlewniczą zawiesiny sporządzonej z badanego materiału ilastego / surowca lub masy ceramicznej /. Gęstość odlewnicza jest wielkością charakterystyczną dla danego materiału ilastego wobec określonego upłynniacza i zależy od właściwości reologicznych badanego materiału oraz od zastosowanego upłynniacza. Po uzyskaniu gęstości odlewniczej upłynnianie można kontynuować kolejnymi dodatkami upłynniacza w strefie gdzie dodatek upłynniacza powoduje wzrost lepkości. Odcinek krzywej upłynniania przy upłynnieniu poniżej minimum lepkości może być wyznaczony obliczeniowo. Jeżeli przy minimum lepkości zawiesina przez rozcieńczenie zmniejszyła lepkość z wartości d 1 na wartość d 2 to każdą wartość wcześniej wyznaczonego wskaźnika lepkości można przeliczyć dla każdego punktu K proporcjonalnie : d 1 Ξ d 2 d k Ξ x = d k d 2 : d 1 W analogiczny sposób można przeliczyć wartości tiksotropii jeżeli są one wyznaczane. W tablicy 2. przytoczono przykład wyznaczania gęstości odlewniczej. Jeżeli gęstość odlewnicza została wyznaczona, to objętościowe stężenie odlewnicze i koncentracja odlewnicza można obliczeniowo wyznaczyć z równań : gdzie : c = 1625 ( d - 1 ) [ g/dm 3 ] s = 1625 ( d - 1 ) : 10 d [ % ] c - stężenie objętościowe w g / dm 3 d - gęstość w g / cm 3 s - stężenie procentowe wagowe w % 0znaczanie właściwości reologicznych zawiesin 23 / 27

25 Zapis wyznaczania gęstości odlewniczej / wzór, przykład / Tablica 2. Dane wyjściowe : przewidywana gęstość odlewnicza 1,70 g /cm 3 stalagmometr gęstość sporządzonej zawiesiny 1,80 g /cm 3 masa pocz. objętość sporządzonej zawiesiny v = 200 cm masa końc. masa sucha m s = 260 g masa upł, upłynniacz : szkło wodne 145 liczba kropli upłynnienie wstępne 12 kropli, 0,48 g, 0,19 % stała stalagmometru przeliczenie l.p. krople masa % gęstość d gęstość d ,48 0,19 1,79 16,23 1,76 13, ,60 0,23 1,79 11,15 1,76 9, ,72 0,28 1,80 8,00 1,76 6, ,84 0,32 1,80 6,82 1,76 5, ,96 0,37 1,80 6,00 1,76 5, ,08 0,42 1,80 6,22 1,76 5,18 r o z c i e ń c z e n i e ,08 0,42 1,76 5, ,20 0,46 1,76 6, ,32 0,51 1,76 7, ,44 0,55 1,76 9, ,56 0,60 1,76 13,0 Przykład przytoczony w tablicy 2 zilustrowano graficznie na rys. 6. Gęstość odlewnicza i związana z nią objętościowa koncentracja odlewnicza oraz odlewnicze stężenie procentowe są parametrami charakterystycznymi dla danej substancji ilastej i upłynniacza użytego do upłynniania. W świetle tego parametru można ocenić zdolność danej substancji ilastej do upłynnienia określonym upłynniaczem. oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 24 / 27

26 Rys. 6. Wyznaczenie gęstości odlewniczej zawiesiny ilastej. oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 25 / 27

27 Kryteria właściwości reologicznych zawiesin. - Kryterium lepkości zawiesiny dla klasyfikacji ziarnowej grawitacyjnej, w płuczkach ślimakowych, zgrzebłowych i w zbiornikach d «1,2 odśrodkowej, w hydrocyklonach i wirówkach d «1,4 - Kryteria dla lejnych mas ceramicznych ceramiki szlachetnej, stołowej i galanterii ceramicznej gęstość d = 1,65-1,70 g / cm 3 dostateczna d = 1,70-1,75 g / cm 3 dobra d» 1,75 g / cm 3 bardzo dobra lejność d = 5,5 ± 0,5 ; T o = 0,0 ± 0,5 ; T 6 «1,0. dla lejnych mas kaflarskich gęstość d = 1,80-2,00 g / cm 3 dobra d» 2,00 g / cm 3 bardzo dobra lejność d = 6,0 ± 0,5 ; T o «0,5 ; T 6 «1,0. oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 26 / 27

28 Bibliografia 1. Dinger R.D. - Rheology for Ceramits. Copyright by Dennis R. Dinger Ceramic Consulting Serwice Dziubiński M. I inni - Podstawy reologii I reometrii płynów nienewtonowskich. Wydawn. Polit. Łódzkiej. Łódź Everson G.F. - Rheology of Disperse Systems, pp 61. Pergamon Press. London Kucharska L. Reologia i fizykochemiczne podstawy procesów ceramicznych. Wydawn. Polit. Wrocławskiej. Wrocław Kucharska L. Czynniki różnicujące właściwości reologiczne kaolinów. Wydawn. Polit. Wrocławskiej. Wrocław Wiecińska P. - Reologia ceramicznych mas lejnych Wydawn. Polit. Warszawskiej. Warszawa K O N I E C oznaczanie właściwości reologicznych zawiesin 27 / 27

29