Laboratorium syntezy, charakteryzacji i przetwórstwa materiałów funkcjonalnych Podstawy reologii ceramicznych mas lejnych Warszawa 2011 1
1. Reologia Reologia (od greckich słów: rheo płynąć i logos nauka) jest nauką zajmującą się aspektami odkształcania się ciał rzeczywistych pod wpływem przyłożonych do nich naprężeń. W badaniach reologicznych nie interesują nas ruchy ciał jako całości, lecz ruch jednych elementów tego ciała względem innych. Reologia opisuje zjawiska, które występują w bardzo szerokim obszarze między stanem stałym i płynnym rozważanymi oddzielnie w mechanice klasycznej. Innymi słowy reologia zajmuje się zachowaniem ciał rzeczywistych, które poddane odkształceniu wykazują więcej niż jedną podstawową właściwość czyli lepkość lub sprężystość [1]. Z punktu widzenia reologii właściwości reologiczne mediów czy też innych substancji interesują nas na ogół tylko w takim stopni, w jakim wpływają na dany proces technologiczny lub gdy jesteśmy zainteresowani wpływem procesu na właściwości reologiczne substancji decydujące o walorach użytkowych wytwarzanego produktu. Badania właściwości reologicznych substancji dostarczają wielu podstawowych danych niezbędnych między innymi przy: projektowaniu rurociągów, pomp, mieszalników, urządzeń do przetwórstwa tworzyw sztucznych, homogenizerów, itp. kontrolowaniu jakości i stabilności (trwałości) w czasie magazynowania, transportu i użytkowania wielu produktów pośrednich oraz produktu finalnego uzyskiwanego w procesie produkcyjnym Z tego względu badania reologiczne substancji o złożonych właściwościach wykorzystywane są miedzy innymi w przemyśle ceramicznym (masy lejne do odlewania, masy plastyczne do wytłaczania pasmowego, masy plastyczne do wtrysku), tworzyw sztucznych (roztwory polimerów, stopione polimery), papierniczym (pulpy papiernicze), kosmetycznym, farb, lakierów, farmaceutycznym, spożywczym itp.. Badania reometryczne wykorzystywane są także w wielu dziedzinach nauki np.: mechanice gruntów, inżynierii procesowej, inżynierii środowiska, biotechnologii, bioinżynierii i innych [1]. Warto pamiętać, że nawet niewielka poprawa w sposobie operowania substancjami, uzyskana dzięki zastosowaniu badań reometrycznych, pozwala na osiągnięcie wymiernych korzyści ekonomicznych w odniesieniu do produkcji wielkotonażowych. Wyróżnia się cztery podstawowe kierunki badań reologicznych [1]: 1. Reologia fenomenologiczna lub makroreologia opisuje zjawiska zachodzące podczas odkształceń ciał rzeczywistych w skali makro, zaniedbując strukturę molekularną 2. Reologia strukturalna lub mikroreologia poszukuje związku między strukturą substancji na poziomie mikro a, a jej właściwościami reologicznymi 3. Reometria wyznacza w sposób empiryczny parametry reologiczne charakteryzujące właściwości płynów newtonowskich i nienewtonowskich 4. Reologia techniczna lub stosowana opis przepływu płynów w procesach o znaczeniu praktycznym np.: mieszanie, wytłaczanie, sedymentacja, przetłaczanie płynów itd. 2
2. Podstawowe pojęcia reologii 2.1 Naprężenie Naprężenie τ jest stosunkiem siły F do pola powierzchni A, na którą działa ta siła. Jednostką naprężenia jest Pascal 1N 1Pa = 2 1m Jeżeli siła działa prostopadle do powierzchni to mamy do czynienia z naprężeniem normalnym, gdy zaś działa stycznie mówimy w tedy o naprężeniu stycznym. 2.2 Odkształcenie Odkształceniem nazywamy zmianę wzajemnego położenia elementów ciała pod wpływem przyłożonej siły F. Wyróżniamy trzy podstawowe rodzaje odkształceń: - sprężyste zanika natychmiast po odjęciu siły wywołującej odkształcenie. - plastyczne nieodwracalne, nie zanika po ustaniu działania siły odkształcającej - przepływ nieodwracalne odkształcenie wzrastające w sposób ciągły z upływem czasu Odkształcenia można również podzielić na: - odkształcenia objętościowe - w wyniku odkształcenia następuje zmiana objętości bez zmiany kształtu - odkształcenie postaciowe - gdy następuje zmiana kształtu bez zmiany objętości 2.3 Szybkość ścinania Szybkość ścinania γ (szybkość odkształcani, szybkość deformacji) jest definiowana jako szybkość zmian odkształcenia w czasie. dγ γ = dt Typowe wartości szybkości ścinania występujące w wybranych przypadkach przepływu przedstawiono w Tabeli 1 [1] 3. Lepkość płynu Lepkość jest miarą oporu cieczy (substancji) poddanego deformacji pod wpływem przyłożonego naprężenia. Po raz pierwszy te zależności zostały powiązane przez Newtona równaniem: τ = η γ w którym η jest współczynnikiem proporcjonalności zwanym lepkością dynamiczną płynu. Jeżeli wartość η płynu w danej temperaturze jest stała w czasie i niezależna od szybkości 3
ścinania, wówczas takie płyny nazywamy newtonowskimi. Jednostką lepkości dynamicznej jest Pa*s. Przykładowe wartości lepkości dynamicznej przykładowych cieczy przedstawiono w Tabeli 2. Tabela 1 Zakres wartości szybkości ścinania w wybranych procesach [1] Proces Zakres γ Sedymentacja drobnych cząstek w cieczy 10-6 10-3 s -1 Wytłaczanie 10 0 10 3 s -1 Przetwórstwo żywności 10 1 10 2 s -1 Przepływ krwi w żyłach 10-1 2,5*10 2 s -1 Mieszanie cieczy 10 10 3 s -1 Pompowanie 1 10 3 s -1 Przepływ cieczy w przewodach 10 0 10 3 s -1 Rozprowadzanie farby pędzlem 10 3 10 4 s -1 Nacieranie rąk kremem 10 4 2*10 4 s -1 Powlekanie papieru 10 4 10 6 s -1 Rozpylanie cieczy 10 4 10 6 s -1 Smarowanie łożysk 10 3 10 7 s -1 Ciecz Tabela 2 Lepkość wybranych płynów w temperaturze 20 C [1] Lepkość [Pa*s] Powietrze 1,8*10-5 Aceton 0,32*10-3 Woda (20,2 C) 1*10-3 Etanol 1,2*10-3 Wino 2*10-3 - 5*10-3 Mleko 5*10-3 - 10*10-3 Krew 6*10-3 - 15*10-3 Oliwa z oliwek 10*10-1 4
3.1 Równanie Einsteina Jednym z pierwszych równań na lepkość zawiesiny jest wyprowadzona przez Einstein a na drodze teoretycznych rozważań zależność: η r =1+ηφ gdzie: η r lepkość względna zdefiniowana jako stosunek lepkości układu dyspersyjnego do lepkości fazy ciągłej η - lepkość istotna (ang. intrinsic viscosity) φ - udział objętościowy fazy rozproszonej Równanie to opiera się na pewnych założeniach: - cząstki zawieszone w cieczy są sztywnymi kulami - kule mają jednakowe wymiary i są znacznie większe od cząstek fazy ciągłej - nie występuje poślizg płynu na powierzchni kul - kule znajdują się w znacznej odległości od siebie tak, ze każda z nich zachowuje się jakby była zanurzona w nieskończonej objętości cieczy i nie ma oddziaływań hydrodynamicznych między nimi Einstein wykazał również, że dla układu zawierającego sztywne kule lepkość istotna jest równa 2,5. Z tego względu równanie można uprościć do postaci: ηr = 1+ 2, 5φ Należy pamiętać, że możliwość zastosowania równania Einsteina jest ograniczona do bardzo rozcieńczonych roztworów. 3.2 Model Dougherty ego-kriegera Model ten uwzględnia oddziaływania hydrodynamiczne pomiędzy kulami (cząstkami) zawieszonymi w ośrodku ciągłym. Jest to możliwe dzięki wprowadzeniu tzw. współczynnika stłoczenia k. Dougherty i Krieger zaproponowali, aby ten współczynnik definiować jako: 1 k = φm Uwzględniając współczynnik stłoczenia zaproponowali nową postać równania lepkości: m φ ηr = 1 φ m gdzie: η r lepkość względna zdefiniowana jako stosunek lepkości układu dyspersyjnego do lepkości fazy ciągłej η - lepkość istotna (ang. intrinsic viscosity), równa 2,5 dla cząstek kulistych φ - udział objętościowy fazy rozproszonej φ m maksymalny udział objętościowy fazy rozproszonej, dla układu jednakowej średnicy kul ściśle upakowanych φ m 0,64, a w przypadku kul o różnej wielkości φ m 0,74. ηφ 5
Z równania wynika, że im większe stężenie fazy stałej w cieczy (większy ułamek objętościowy) tym lepkość zawiesiny jest wyższa. W zależności od wielkości stosunku udziału objętościowego fazy rozproszonej do maksymalnego udział objętościowego fazy rozproszonej właściwości reologiczne cieczy będą różne. W przypadku gdy: φ/φ m < 0,1 ciecz będzie się zachowywać jak ciecz newtonowska 0,1 < φ/φ m <0,5 ciecz będzie się zachowywać jak ciecz rozrzedzana ścinaniem φ/φ m > 0,5 ciecz będzie się zachowywać jak ciecz zagęszczana ścinaniem Sytuacja ta została schematycznie przedstawiona na Rysunku 1. Rysunek 1. Wpływ stężenia fazy stałej na lepkość zawiesiny Należy pamiętać, że model zaproponowany przez Dougherty ego i Kriegera nie uwzględnia wpływu szybkości ścinania. 4. Krzywe płynięcia i krzywe lepkości Pomiary reometryczne polegają na określeniu odpowiadających sobie wartości naprężenia stycznego τ i szybkości ścinania γ. Jeżeli wyniki przedstawimy na wykresie funkcji τ=f( γ ) wówczas wykres taki nosi nazwę krzywej płynięcia. Jeżeli na wykresie przedstawimy wyniki pomiarów jako funkcję η=f( γ ), wówczas wykres nosi nazwę krzywej lepkości. Przykłady takich krzywych zostały przedstawione na Rysunku 2. 6
a) b) Rysunek 2 Wykresy przedstawiające a) krzywą płynięcia; b) krzywą lepkości 5. Podział cieczy reologicznych W zależności od wykazywanych właściwości reologicznych płyny rzeczywiste można sklasyfikować według poniższego schematu (Rysunek 3): Rysunek 3 Klasyfikacja płynów [1] 5.1 Płyny nienewtonowskie reologicznie stabilne rozrzedzane ścinaniem Płyny reologicznie stabilne rozrzedzane ścinaniem (pseudoplastyczne) stanowią największą grupę płynów nienewtonowskich. Należą do nich roztwory polimerów, stopione polimery, wiele mediów spożywczych tj. sery, jogurty, śmietana, zawiesiny ceramiczne. Lepkość takich płynów maleje wraz ze wzrostem szybkości ścinania, przy czym dla bardzo małych i bardzo dużych szybkości ścinania ( >10 6 s -1 ) płyny te zachowują się jak ciecze newtonowskie o stałej lepkości η 0 i η. Krzywa lepkości takiego płynu została przedstawiona na Rysunku 2. 7
W przypadku zawiesin cząstek liniowych i roztworów polimerów przyjmuje się, że w nieruchomym płynie wskutek ruchów Browna cząsteczki przyjmują przypadkowe położenie, bez wyróżnionego kierunku orientacji. Gdy pojawia się siła ścinająca cząstki takie zaczynają się układać równoległe do kierunku przepływu. Taka konfiguracja oznacza mniejsze opory tarcia, a więc niższą lepkość. Jednocześnie nadal działają czynniki wytrącające cząstki z położenia równoległego względem przepływu. Dla danej szybkości ścinania ustala się stan równowagi między położeniem równoległym, a przypadkowym wywołanym ruchami Browna. Im większa szybkość ścinania tym równowaga przesunięta jest bardziej w kierunku ułożenia równoległego cząstek, czyli spadek lepkości. Takie podejście tłumaczy dlaczego przy niskich i bardzo dużych szybkościach ścinania płyny rozrzedzane ścinaniem wykazują właściwości newtonowskie. Przy bardzo małych szybkościach ścinania przeważają mianowicie chaotyczne ruchy cząstek, co nie zmienia struktury płynu, a więc i lepkości. Przy bardzo dużych szybkościach ścinania występuje pełne uporządkowanie struktury w kierunku przepływu, i dalszy wzrost szybkości ścinania nie może już dalej zmienić struktury płynu. Rysunek 4. Mechanizmy rozrzedzania ścinaniem: a) zawiesina cząstek włóknistych; b) aglomeraty cząstek [1] W przypadku cząstek o kształtach bardziej kulistych mechanizm rozrzedzania ścinaniem można tłumaczyć powstawaniem w stężonej zawiesinie aglomeratów, czyli zespołów cząstek o objętości większej, niż suma objętości tworzących je cząstek. Powoduje to pozorny wzrost stężenia objętościowego fazy stałej prowadzący do podwyższenia lepkości. Gdy zawiesina ulega przepływowi powstające naprężenia mogą częściowo rozrywać aglomeraty na tym mniejsze struktury im większe naprężenia występują w przepływie. Powoduje to uwolnienie części cieczy zatrzymanej miedzy ziarnami, pozorny spadek stężenia fazy stałej i obniżenie lepkości. Równocześnie działają nadal siły, które doprowadziły do powstania aglomeratów. Ustala się stan równowagi między rozpadem struktur wskutek przepływu, a ich łączeniem się na skutek wzajemnych oddziaływań. Im większe naprężenia występują w cieczy, tym stan równowagi bardziej jest przesunięty w kierunku rozpadu aglomeratów. Innymi słowy struktura cieczy zależna jest od szybkości ścinania i lepkość jest tym mniejsza im większa szybkość ścinania. En model także tłumaczy dlaczego przy niskich i bardzo dużych szybkościach ścinania płyny 8
rozrzedzane ścinaniem wykazują właściwości newtonowskie. Niewielkie szybkości ścinania nie są wstanie zniszczyć aglomeratów, a więc i struktury cieczy więc lepkość się nie zmienia. Przy wysokich szybkościach ścinania (naprężeniach) czastki są całkowicie rozproszone i dalszy wzrost szybkości ścinania nic zmienia struktury, a więc i lepkości. 5.2 Płyny nienewtonowskie reologicznie stabilne zagęszczane ścinaniem Płynami nienewtonowskimi zagęszczanymi ścinaniem nazywamy płyny, których lepkość w warunkach stałej temperatury rośnie ze wzrostem szybkości ścinania. Krzywa lepkości takiego płynu przedstawiona jest na Rysunku 2. Zjawisko zagęszczania ścinaniem (dylatacji) może być tłumaczone występowaniem tarcia między cząstkami. W zawiesinie o silnie upakowanych cząstkach w stanie spoczynku lub przy małych szybkościach ścinania siły tarcia są małe, bo ciecz znajdująca się między nimi działa jak smar. Wzrastająca szybkość ścinania przemieszcza cząstki co zwiększa odległość między nimi i powoduje wzrost przestrzeni międzyziarnowych (wzrost objętości dylatacje). Ciecz nie jest wstanie wypełnić tych przestrzenie i przestaje spełniać funkcję smaru. Powoduje to wzrost tarcia miedzycząstakmi a więc i wzrost lepkości. Sytuacje taką przedstawia Rysunek 5. Rysunek 5. Mechanizm zagęszczania ścinaniem: a) stan spoczynku; b) proste ścinanie [1] Innym mechanizmem przedstawionym na Rysunku 6 tłumaczącym efekt zagęszczania ścinaniem dotyczy tworzenia się struktur (klasterów) cząstek. Cząstki w zawiesinie obdarzone ładunkiem odpychają się wzajemnie co w stanie spoczynku lub przy niewielkich szybkościach ścinania pozwala zachować im dużą ruchliwość, a tarcie między nimi małe. Dzięki temu są równomiernie rozmieszczone w cieczy i lepkość jest niska. Wzrost szybkości ścinania powoduje, że cząstki są spychane ba siebie i tworzą struktury (klastery) w których cząstki stykają się ze sobą co powoduje zwiększenie tarcia wewnętrznego, a więc i lepkości układu. Rysunek 6. Mechanizm zagęszczania ścinaniem: a) homogeniczna zawiesina w stanie spoczynku; b) struktura utworzona w wyniku ścinania [1] 9
5.3 Płyny nienewtonowskie reologicznie niestabilne tiksotropowe Termin tiksotropia określa każdy proces w którym występuje niszczenie struktury wewnętrznej płynu skutkujące zmniejszenie lepkości z upływem czasu ścinania, jak również powolny proces odbudowy struktury płynu do jego pierwotnej konsystencji. Spadek lepkości w funkcji czasu jest pożądany podczas mieszania płynów, napełniania pojemników, malowania itp. Natomiast odbudowa struktury i towarzyszący jej wzrost lepkości może zapobiegać sedymentacji cząstek w zawiesinach. Właściwości reologiczne mediów tiksotropowych są charakteryzowane najczęściej za pomocą dwóch metod: metoda testu pętli histerezy i metodą skoku szybkości ścinania Klasycznym sposobem stwierdzenia istnienia tiksotropii płynu jest przeprowadzenie testu pętli histerezy. Test polega na pomiarach wartości naprężenia stycznego dla kolejnych rosnących wartości szybkości ścinania, aż do wartości maksymalnej zaplanowanej w eksperymencie. Pomiar naprężenia stycznego dla maksymalnej szybkości ścinania może trwać dodatkowo jakiś czas. Następnie zmniejsza się szybkość ścinania. Metodykę pomiaru tiksotropi metodą pętli histerezy przedstawiono na Rysunku 7. a) b) Rysunek 7. Metoda pomiaru właściwości tiksotropowych metodą: a) testu pętli histerezy b) testu pętli histerezy połączonego z przetrzymaniem próbki w maksymalnej szybkości ścinania [1] Pętlę histerezy uzyskuje się, gdy krzywa otrzymana przy wzrastających wartości szybkości ścinania nie odpowiada krzywej uzyskanej dla malejących szybkości ścinania. Powierzchnia tej pętli może być miarą tiksotropii płynu. Mechanizm tiksotropii jest związany ze zjawiskiem rozrzedzania ścinaniem. Zjawisko tiksotropii może być wyjaśnione jako wynik agregacji cząstek płynu tiksotropowego. Gdy taki płyn znajduje się w spoczynku to aglomeracja cząstek powoduje powstanie wewnętrznej struktury zawiesiny. Jeżeli płyn poddamy ścinaniu to wytworzona struktura może ulegać częściowemu lub całkowitemu rozpadowi. Po pewnym czasie ustala się równowaga określająca nowy stan sieci wiązań międzycząsteczkowych w aglomeratach. Scharakteryzowanie stanu sieci tych wiązań jest praktycznie niewykonalne. Wielkość powierzchni pętli histerezy jest jedynie porównawczą miarą właściwości tiksotropowych płynów. Nawet dla tego samego płynu powierzchnia pętli histerezy będzie 10
różna dla różnego sposobu prowadzenia pomiaru, więc nie może być bezwzględną miarą tiksotropii Pomiar właściwości tiksotropowych badanego płynu metodą skoku szybkości ścinania (Rysunek 8) składa się z trzech etapów. W czasie pierwszego etapu płyn jest ścinany ze stałą szybkością przez pewien okres czasu (do t 1 ), na tyle długi że lepkość płynu ma osiąga wartość równowagową. W etapie drugim płyn w przedziale czasu od t 1 do t 2 jest ścinany z szybkością większą niż w etapie pierwszym. Etap ten trwa, aż zostanie osiągnięta równowagowa lepkość dla przyjętej szybkości ścinania. W etapie trzecim pomiar odbywa się przy początkowej szybkości ścinania. Następuje wówczas odbudowa struktury płynu i tym samym wzrost lepkości, aż do osiągnięcia pewnej wartości równowagowej. W metodzie skoku szybkości ścinania miarą właściwości tiksotropowych może być: - Różnica lepkości Różnica lepkości pomiędzy lepkością początkową uzyskaną w czasie t 1 a lepkością chwilową uzyskaną po czasie t 1. Miarą może być także różnica pomiędzy lepkością płynu o odbudowanej strukturze po czasie t 3, a lepkością po czasie t 2 - Czas całkowitej odbudowy struktury Czasem całkowitej odbudowy struktury nazywany jest przedział czasu nazywany jest przedział czasu od t 2 do t 3 potrzebny do osiągnięcia przez płyn całkowitej odbudowy struktury, czyli do uzyskania stałej w czasie lepkości - Czas częściowej odbudowy struktury Ponieważ czas całkowitej odbudowy struktury może być bardzo długi dlatego miarą tiksotropii może być przedział czasu od t 2 do t x potrzebny do uzyskania np. 80% lepkości początkowej (w czasie t 1 ) - Stopień odbudowy struktury w zadanym przedziale czasu Metoda polega na określeniu przyrostu lepkości medium zachodzącym od lepkości w chwili t 2 do lepkości jaką płyn osiągnie po ustalonym czasie. a) b) Rysunek 8. Metoda skoku szybkości ścinania a) algorytm zmian szybkości ścinania; b) zmiany lepkości płynu w wyniku zmian szybkości ścinania zgodnych z algorytmem [1] 11
6. Wpływ wielkości, kształtu i stężenia cząstek na lepkość zawiesin Jednym z czynników wpływających na lepkość zawiesin jest wielkość cząstek. Wpływ wielkości cząstek można prześledzić na wykresie Rysunek 9, gdzie mamy porównanie lepkości zawiesiny o takim samej zawartości fazy stałej. Wyraźnie widać, że lepkość zawiesiny o mniejszych cząstkach jest wyższa. Rysunek 9 Wpływ wielkości cząstek na lepkość zawiesiny [2,3] Na lepkość wpływa też rozkład wielkości cząstek w zawiesinie. Dla tego samego stężenia fazy stałej lepkość zawiesiny w której obok dużych cząstek jest też odpowiednia frakcja mniejszych (zawiesina polidyspersyjna) jest niższa niż w przypadku zastosowania proszku o dużych jednakowych cząstkach ( zawiesina monodyspersyjna). Taką sytuację przedstawia wykres Rysunek 10. Wynika to z faktu, że maksymalny stopień upakowania cząstek w zawiesinie polidyspersyjnej jest wyższy niż w monodyspersyjnych układach. Rysunek 10 Wpływ rozkładu wielkości cząstek na lepkość zawiesiny [2,3] Na lepkość zawiesin w istotny sposób wpływa stężenie fazy stałej. Na wykresie Rysunek 11 widać, że im większe stężenie fazy stałej tym lepkość zawiesiny jest wyższa. 12
Rysunek 11 Wpływ stężenia fazy stałej na lepkośc zawiesiny [2,3] Efekt wpływu wielkości cząstek i stężenia na lepkość zawiesin można wyjaśnić zmianą odległości pomiędzy cząstkami w zawiesinie. Odległość pomiędzy dwiema cząstkami w układzie koloidalnym może być oszacowana na podstawie równania: 1/ 2 1 5 h = D + 1 3πφ 6 gdzie: D- średnica cząstek; φ - udział objętościowym cząstek. Dla niewielkich stężeń objętościowych fazy stałej w zawiesinie odległość ta będzie duża, przez co mobilność cząstek fazy stałej będzie duża. Jeżeli zwiększamy stężenie to odległości między cząstkami maleją i cząstki zaczynają zderzać się ze sobą co zwiększa tarcie wewnętrzne i wzrost lepkości. W przypadku zawiesin o takim samy stężeniu fazy stałej lecz o różnych wielkościach cząstek obliczone odległości pomiędzy cząstkami maleją wraz ze zmniejszeniem się ich wielkości. Jeżeli odległości maleją to oddziaływania pomiędzy cząstkami rosną prowadząc do wzrostu lepkości. W Tabeli XXX przedstawiono obliczone wielkości pomiędzy cząstkami o różnej wielkości w zawiesinie o stężeniu 50%obj. Tabela 3 Odległości pomiędzy cząstkami o różnej wielkości w zawiesinie o stężeniu 50%obj. Średnica cząstki [µm] Odległość h pomiędzy cząstkami [nm] 100 9405 50 4703 10 941 5 470 1 94 0,5 47 0,1 (100 nm) 9,4 0,05 (50 nm) 4,7 0,01 (10 nm) 0,94 0,001 (1 nm) 0,09 13
Istotny wpływ na właściwości masy lejnej (np. lepkość) ma również kształt cząstek. Cząstki niekuliste, szczególnie pręty lub płytki, zbliżają się do siebie w zawiesinie bardziej niż czynią to kuliste cząstki o równoważnej objętości. Uwaga ta dotyczy szczególnie zawiesin cząstek minerałów ilastych, z których składaj się gliny. Dodatkowo w przypadku cząstek o nieregularnym kształcie oprócz oddziaływań chemicznych mogą występować oddziaływania mechaniczne. W tym przypadku tarcie pomiędzy cząstkami o nierównej powierzchni jest większe lub cząstki mogą się wzajemnie zazębiać. Prowadzi to do wzrostu lepkości co schematycznie przedstawiono na Rysunku 12. Rysunek 12 Wpływ kształtu cząstek fazy stałej na naprężenie ścinające [2,3] 7. Wykonanie ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zbadanie właściwości reologicznych wodnych zawiesin z tlenku glinu oraz wodnych zawiesin skrobi kukurydzianej. Na podstawie wyników pomiarów należy przypisać daną zawiesinę do odpowiedniej grupy płynów rzeczywistych oraz określić wpływ stężenia fazy stałej i wielkości ziarna na lepkość badanych zawiesin. 7.1 Materiały Fazą stałą (proszkiem) w ćwiczeniu są: - Tlenek glinu firmy Almatis o średniej wielkości ziarna 0,5 µm - Tlenek glinu firmy Martoxid o średniej wielkości ziarna 1,5 µm - Spożywcza skrobia kukurydziana Rozpuszczalnikiem (fazą ciągłą) jest woda. W przypadku przygotowywania mas lejnych (zawiesin) z tlenku glinu jako upłynniacza należy użyć cytrynian diaamonu (DAC) w ilości 0,2%wag w stosunku do masy tlenku. 7.2 Przygotowanie mas lejnych z tlenku glinu W ramach ćwiczenia należy przygotować trzy masy lejne po 25 ml każda o stężeniu objętościowym fazy stałej wynoszącym 60%obj. Do obliczeń należy przyjąć gęstość tlenku glinu wynoszącą 3,9 g/cm 3. Masy lejne należy przygotować z: 14
a) tlenku glinu A b) tlenku glinu B c) tlenku glinu C Dodatkowo z wybranej przez siebie jednej masy (A, B lub C) należy wykonać 25ml masy lejnej o stężeniu fazy stałej wynoszącym 55%obj. Przygotowane masy lejne należy wymieszać w odśrodkowym młynku planetarnym z szybkością 300RPM w czasie 20-30 minut. 7.3 Przygotowanie mas lejnych ze skrobi kukurydzianej W przypadku skrobi kukurydzianej należy przygotować trzy masy lejne po 25 ml każda o stężeniu 35, 45 i 50%obj. Do obliczeń proszę przyjąć gęstość skrobi równą 1,49 g/cm 3. Przygotowane masy należy mieszać w młynkach na rolkach przez 20-30 minut. 7.4 Pomiar właściwości reologicznych Pomiar lepkości mas lejnych należy wykonać na wiskozymetrze Brookfield DV-II+ Pro według odpowiedniego programu. Pomiar lepkości odbywać się będzie od niskich szybkości siania do wysokich i powrotem. W przypadku stwierdzenia występowania tiksotropii należy zaproponować przeprowadzenie badania tego zjawiska 7.5 Opracowanie wyników Na podstawie otrzymanych wyników należy: - Przedstawić wyniki pomiarów na odpowiednich wykresach (krzywe płynięcia lub lepkości) - Określić charakter badanych mas ( z tlenku glinu i skrobi) - Przyporządkować proszki tlenku glinu A, B i C do odpowiedniej wielkości ziarna lub wskazać która jest mieszaniną proszków Almatic i Martoxid - Określić czy występuje zależność lepkości od stężenia - Określić czy występuje zależność lepkości od wielkości ziarna - Jeżeli wystąpi, określić tiksotropię - Oszacować odległości pomiędzy ziarnami dla badanych mas lejnych z tlenku glinu Almatis i Martoxid - Obliczyć lepkość dla badanych mas lejnych na podstawie modelu Dougherty ego- Kriegera wynik odnieść do przeprowadzonych pomiarów - Przedstawić wnioski (podsumowanie) Literatura [1] Marek Dziubiński, Tomasz Kiljański, Jerzy Sęk, Podstawy reologii i reometrii płynów, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Lodź 2009 [2] Ten Ways to Control Rheology by Changing Particle Properties, prezentacja firmy Malvern [3] John Duffy, Understanding the Links Between Rheology and Particle Parameters prezentacja firmy Malvern 15