Ugrás a tartalomhoz

Reológia

Nagy Roland (2012)

Pannon Egyetem

6. fejezet - Folyadékok reológiai tulajdonságai

6. fejezet - Folyadékok reológiai tulajdonságai

A reológia az anyagok folyási viselkedését tárgyaló tudományág. A folyadékmolekulák kölcsönös vonzásának következménye, hogy a folyadékoknak van saját térfogatuk, de nincs állandó alakjuk. Az alakváltoztatás erőkifejtést igényel. Ugyancsak erő szükséges ahhoz, hogy két folyadékréteget egymáshoz képest elmozdítsunk. Ez makroszkopikusan a belső súrlódásban (viszkozitásban) nyilvánul meg, azaz áramlás előidézésére és fenntartására a belső súrlódás ellenében munkát kell végezni.

A tiszta, egykomponensű folyadékok belső súrlódási együtthatóját (η) az ún. Newtonegyenlettel definiáljuk. Az alábbi két egyenlet szerinti definíció egymással ekvivalens:

Az olyan anyagokat, melyekben tetszőleges kis erők már maradó, nem rugalmas alakváltozásokat, ún. áramlást tudnak előidézni fluidumoknak (gázok és folyadékok) nevezzük.

1. Newtoni folyadékok folyásgörbéje

Az ideálisan viszkózus, azaz newtoni folyadékok viszkozitása nem változik τ növelése hatására. Viszkozitásuk anyagi állandó, mely csupán a hőmérséklettől és a nyomástól függ. A newtoni folyadékok folyásgörbéje (D-τ görbe) egyenes, melyeknek iránytangense az anyag viszkozitásának reciproka (1/η), az ún. fluiditás. A newtoni folyadékok viszkozitása az anyagi minőségtől függő állandó.

Newtoni folyadékok a víz, híg cukoroldat, glicerin, adalékok nélküli ásványi- és növényolajok. Az inkoherens kolloid rendszerek közegei és az igen híg kolloid oldatok egy része szintén newtoni folyadéknak tekinthető. A folyás bármilyen kis nyírófeszültségnél (τ>0) megindul. E tulajdonságok akkor állnak fenn, ha a diszperz rendszer viszkozitása alig nagyobb a közeg viszkozitásánál.

2. Nem-newtoni folyadékok folyásgörbéi és viszkozitás görbéi

 A többkomponensű folyadékok, a kolloid rendszerek folyási tulajdonságai eltérést mutatnak a tiszta, egykomponensű folyadékok viselkedését leíró, ún. Newton-egyenlettől. Viszkozitásuk csak ún. látszólagos viszkozitás (η *), mely adott nyírófeszültség értékhez tartozik. Ezen folyadékoknál nem áll fenn egyenes arányosság a sebességgradiens és a nyírófeszültség között, a látszólagos viszkozitás változik a nyírófeszültség változásával. A nem-newtoni folyadékok reológiai tulajdonságainak egzakt jellemzésére a folyás (D-τ) és viszkozitás (η *-τ) görbék szolgálnak.

1. A görbék igen változatos képet mutatnak attól függően, milyen kolloid sajátosságokkal rendelkezik a vizsgálandó anyag.

Azokat az anyagokat, melyek viszkozitása csökken a nyíró igénybevétel növekedésével, pl. keveréskor, szerkezeti viszkozitású anyagoknak nevezzük. Magyarázata, hogy a polimerek megnyúlt fonal vagy lánc alakú molekulái, illetve a szuszpenziók gyöngyfüzérré összeállt gömb vagy ellipszoid alakú szilárd részecskéi áramlás hatására orientálódnak, az áramlás irányába beállnak. Ezáltal csökken belső súrlódásuk. A nem-newtoni folyadékok többsége ide tartozik. Így viselkednek a polimerek oldatai, valamint, különösen nagyobb koncentrációnál a szuszpenziók is. Az utóbbiaknál a részecskék közötti vonzóerőket csökkentő adalékok meggátolják ezt a viselkedést.

Gyakorlati szempontból nagyon fontos, hogy a folyásgörbét a nyírófeszültség igen széles tartományában vegyük fel, mert csak így tanulmányozhatjuk a reológiai viselkedést megfelelően. Ugyanis pl. felületkezeléskor (lakkozás vagy festés) a makromolekulás oldatot vagy festék szuszpenziót egészen más hatások érik ecsettel való felhordáskor, mint szórópisztolyból való alkalmazásukkor.

Dilatáns anyagok

Ellentétben a szerkezeti viszkozitást mutató anyagokkal, a dilatáns anyagok viszkozitása nő, a sebességgradiens értéke pedig csökken növekvő nyíróigénybevétellel. Ez ritkábban fordul elő, pl. polivinil-klorid paszták, szilikonok és nagyon nagy koncentrációjú szuszpenziók esetén, ami csőben való szállításkor igen veszélyes lehet.

Képlékeny anyagok folyáshatárai

A képlékeny anyag kis nyírófeszültség esetén szilárd testként viselkedik, csak rugalmas alakváltozásokat mutat. Az anyag csak egy τ0 kritikus nyírófeszültség után kezd el folyni, ezért ezt az értéket folyáshatárnak nevezzük. A folyásgörbéken csak τ0 után van nullától különböző D érték. Ilyen anyagok a koherens kolloid rendszerek (pl. csokoládé bevonat, fogkrém, kocsonya, kenőzsír).

Szuszpenziókra is jellemző a folyáshatár, ha a szárazanyag tartalom meghalad egy adott értéket. Ekkor a szilárd részecskék összekapcsolódásával egy váz épül fel, melyet szükség esetén adalékolással letörhetünk. Megfelelő adalékanyagokkal váz felépülést is előidézhetünk. A folyáshatár után a képlékeny anyagok nagy része szerkezeti viszkozitást mutat. Itt már fizikailag is helyes a kifejezés, hogy a nyíró igénybevétellel a szerkezetet letörjük. Ezzel a koherenciát megszüntetjük, azaz koherens–inkoherens (gél-szol) átmenetet idézünk elő.

Tixotróp anyagok

Tixotrópiának azt a jelenséget nevezzük, amikor egy anyag viszkozitása csökken nyíró igénybevétel, pl. keverés ideje alatt, de ha a keverést megszüntetjük (pihentetés) egy idő után kisebb, vagy nagyobb eltéréssel visszaáll a kiindulási viszkozitás. Ilyen viselkedést mutat pl. a keményítőcsiriz, a zselatinoldat, vagy a vizes homokpart a lábunk alatt.

A tixotrópia oka az, hogy az anyag belsejében anizometrikus részecskékből kialakult laza vázrendszer van, mely kis erők hatására összeomlik. Ha a nyíróhatás megszűnik, visszaáll az eredeti vázas szerkezet, mert a részecskéket jól nedvesíti a közeg (pl. a homokot a tengervíz vagy folyóvíz). Ezek a rendszerek koherens kolloid rendszerek. Nagyobb nyíróerők hatására a szerkezet véglegesen letörik, az anyag folyik végbe, ezért a viszkozitás (a folyás), a mérés időtartamától is függ. A tixotrópia mértékére a hiszterézis hurok nagyságából következtethetünk.

Számos nagy természettudós, így Hooke, Newton, Navier, Maxwell úttörő munkásságának eredményeire alapozva a reológia tudományának ismeretanyaga a 20. században állt össze.

A reológia elnevezés Eugene Binghamtól (1878 – 1945) származik, aki 1919-ben fedezte fel azt a korábban nem vizsgált jelenséget, melyet ma folyáshatárként ismerünk, és alkotta meg az ideális plasztikus test folyásának modelljét. Jórészt neki köszönhető, hogy ez a folyástannak is nevezett tudományág napjainkban a természettudományok önálló tudományterületévé vált.

Bingham, tudóstársával, Markus Reinerrel megalapította a Society of Rheology nevű társaságot, melynek első kongresszusára 1929-ben, Washingtonban került sor. A következő esztendőkben nemzeti reológiai társaságok jöttek létre, melyek tagjai a négyévenként rendezett nemzetközi konferenciákon találkoznak egymással. A nemzeti grémiumok pedig az eltelt idők folyamán további szakterületek szerint tagozódtak, bioreológiai, hemoreológiai, és egyéb tagozatokat hoztak létre.

A reológiát napjainkban a fizika egyik ágaként tartják nyilván, melyen belül további szakterületeket különböztetnek meg. Ezek a következők: tapasztalati reológia, reometria, elméleti reológia, szerkezeti reológia, és alkalmazott reológia.

A reológia napjainkra az anyagtudomány és a művelettan nélkülözhetetlen részévé vált. A reológiai ismeretek ugyanis mind a már ismert termékek előállításában és feldolgozásában, mind az újak fejlesztésében, kidolgozásában, egyre gyakrabban játszanak alapvető szerepet.

A reológia mindenekelőtt azoknak az anyagoknak a folyásával és deformációjával foglalkozik, melyek tulajdonságai átmenetet képeznek a szilárd testek és a folyadékok között. A reológia elsődleges célja, hogy összefüggéseket állapítson meg a deformációt létrehozó nyírófeszültség és az alakváltozást, illetve az áramlást jellemző kinematikus mennyiségek között. A reológiában a rendszerek viselkedését, a rendszert helyettesítő modell, az ún. test tulajdonságait leíró egyenletekkel jellemzik. A testekre vonatkozó összefüggések segítségével a reális rendszerek tulajdonságai jó közelítéssel leírhatók. A reológiai modellek a következők.

A testek deformációjának három alaptípusát, a rugalmas deformációt a HOOKE-test, a Newtoni folyadékok folyását NEWTON-test, a képlékeny deformációt pedig a ST. VENANT-test tulajdonságai írják le. A három modell viselkedését a következő gondolatkísérlettel szokás jellemezni.

Ejtsünk le adott magasságból szilárd talajra egy acélgolyót, egy vízcseppet, és egy plasztilin (gyurma) golyót. Az acélgolyó reverzibilis rugalmas deformációjának hatására visszapattan. A vízcsepp szétfolyik a felületen. A gyurmagolyó plasztikus alakváltozást szenved.

A gondolatkísérlet ugyan meggyőzően illusztrálja az ideális testként viselkedő három anyag viselkedését, a gyakorlatban azonban az anyagok nem mindig viselkednek ideális testként. A Newtoni folyadékokon kívül számos nem Newtoni folyadékot ismerünk. A műanyagok például egyszerre lehetnek viszkózusak és rugalmasak, sőt plasztikus deformációjuk is felléphet. A folyás és a rugalmas deformáció együttes fellépését viszkoelaszticitásnak nevezik.

A viszkoelaszticitáson belül azonban a viszkoelasztikus szilárd test viselkedése reverzibilis alakváltozásokat kiváltó erők hatására, különbözik a viszkoelasztikus folyadék viselkedésétől, amelyben már a legkisebb erőhatásra is irreverzibilis változások játszódnak le.

A HOOKE, a NEWTON, és a ST. VENANT testek modelljének kombinációjával, soros, vagy párhuzamos kapcsolásukkal újabb modellekhez jutunk, melyekkel bonyolultabb rendszerek tulajdonságai is leírhatók.

A reológiai modellek szimbolikus ábrázolását a következőkben mutatjuk be:

1. A reverzibilis deformáció modellje a rúgó

HOOKE - test                                 ideálisan rugalmas testek

2. A viszkózus folyás modellje a dugattyú

NEWTON – test                                Newtoni folyadékok

 

3. A plasztikus folyás modellje a súrlódó elem

ST. VENANT – test

4. Viszkoplasztikus folyadék folyásának modellje,

             a párhuzamosan kapcsolt rúgó és dugattyú

BINGHAM – test

5. Viszkoelasztikus folyadék folyásának modellje,

    a sorba kapcsolt rúgó és dugattyú

MAXWELL- test

6. Viszkoelasztikus szilárd test modellje,

     a párhuzamosan kapcsolt rúgó és dugattyú

KELVIN -test

A viszkozitást befolyásoló változók gyakorlati nagyságrendjei

A valóságos anyagok viszkozitását olyan tényezőkkel, mint a nyírási sebesség, hőmérséklet, nyomás és nyírási idő lényegesen befolyásolni lehet, s számunkra nyilvánvalóan fontos lehet, hogy rámutassunk, milyen módon függ a viszkozitás ezektől a változóktól. Ennek megkönnyítéséül először egy rövid áttekintést adunk azokról a viszkozitási változókról, amelyek a gyakorlati szempontból legfontosabb, főbb változók hatására jöttek létre, de ezt megelőzően a nyírási sebességet vizsgáljuk meg alaposabban, mivelhogy reológiai szempontból ez a legfontosabb viszkozitást befolyásoló tényező.

Változás a nyírási sebességgel

A 6.1. táblázat azoknak a nyírási sebességeknek megközelítő nagyságrendjét mutatja, amelyekkel számos helyen, az iparban és a mindennapi életben találkozunk, s ezért szükséges méréssel meghatározni őket. A különböző műveleteknél fontos megközelítő nyírási sebességek az áramló folyadék átlagos sebességének és annak a jellemző geometriai méretnek hányadosával becsülhetők, amelyben a folyás létrejött (például a cső átmérője vagy a nyírt réteg vastagsága). A 6.1. táblázatból látható, hogy számos fontos alkalmazás esetén egy ilyen számítás széles tartományt ad, a 13 eset jellemzéséhez szükséges nagyságrend 106-tól kezdődően 107-ig terjed. A teljes tartomány viszkozitásának meghatározásához több viszkozimétert lehetne vásárolni, de legalább három különböző műszerre lenne szükség ilyen cél eléréséhez.

A 6.1. táblázatot tekintve, az teljesen világos, hogy a nyírási sebességtől függő viszkozitás nagysága nagyon fontos körülmény és gyakorlati szempontból a várható alkalmazási területet illetően azt egyértelműen ismerni kell, mielőtt a készüléket megvásárolnánk.

6.1. táblázat - táblázat: Néhány anyag és folyamat jellemző nyírási sebessége

Eset

A nyírási sebesség (s-1) jellemző tartománya

Alkalmazás

Finom porok szuszpenziós folyadékban történő ülepedése

10-6-10-4

Gyógyszerek, festékek

Felületi feszültség hatására kialakult folyadékszint

10-2-10-1

Festékek, printertinták

Gravitációs szivárgás

10-1-101

Festékek, bevonatok, WC fertőtlenítők

Extrudált termékek

100-102

Műanyagok

Rágás és nyelés

101-102

Élelmiszerek

Vastag bevonatok

101-102

Festékek, édességek

Elegyítés-keverés

101-103

Folyadékgyártás

Folyás a csőben

100-103

Szivattyúzás, véráramlás

Permetezés, ecsetelés

103-104

Szóró szárítás, festés, üzemanyag befecskendezés

Dörzsölés

104-105

Krémek és folyékony bőrápolók

Folyadék alapú őrölt pigmentek

103-105

Festékek, printertinták

Vékony bevonatok

105-106

Papírok

Kenőolajok

103-107

Benzinmotorok


Változás a hőmérséklettel

Ami a hőmérsékletet illeti, a legtöbb vizes rendszert használó ipari alkalmazás 0 és 100°C közé sorolható. A kenőolajokat és zsírokat -50 és 300°C között használják.

A műanyag olvadékokat 150-30°C között kezelik, míg a folyékony üveget kicsivel 500°C felett alakítják.

A legtöbb, kereskedelemben kapható viszkoziméter -50-től 150°C-ig terjedő mérést tesz lehetővé, külső hűtést és folyadék cirkuláltatást vagy merülő fürdőt használva. Magasabb hőmérsékleteknél légfürdőt használnak. A newtoni folyadékok viszkozitása növekvő hőmérséklettel csökken, megközelítőleg az Arrhenius összegzés szerint:

                                                                                       

Newtoni folyadékok esetén általában minél nagyobb a viszkozitás, annál erősebb a hőmérsékletfüggés. Az ilyen erősen hőmérsékletfüggő viszkozitás esetén pontos eredmény csak úgy érhető el, ha nagy figyelmet fordítunk a viszkoziméter hőmérséklet szabályozására Például a víz hőmérséklet érzékenysége szobahőmérsékleten 3 %/°C, így ±1% pontossági követelmény esetén a minta hőmérsékletét ±0,3 °C-on belül kell tartani, magasabb viszkozitású folyadékoknál — erősebb a viszkozitás hőmérsékletfüggése — még gondosabban kell eljárnunk.

Fontos megjegyezni, hogy a viszkozimetriában nem elegendő csupán a termosztát hőmérsékletének ellenőrzését biztosítani, a nyírás önmagában hőt fejleszt a folyadékon belül, amely hőmérsékletváltozás elegendő a viszkozitás csökkenéséhez, ha nem biztosítjuk a fejlődő hőmennyiség eltávolítását. A nyírásnak kitett folyadék térfogategységére eső energiaveszteség nagysága a nyírási feszültség és nyírási sebesség, vagy ami ezzel egyenértékű, a viszkozitás és a nyírási sebesség négyzetének szorzata.

A hőelvonás nagyságának tisztázása a másik fontos tényező, amely a viszkozimetriában két dologtól függ. Az első a mérőberendezés típusa: egyik esetben a vizsgálandó folyadék keresztülhaladva a berendezésen kifolyik abból, a másik esetben állandóan a készülékben tartózkodik. Az első esetben például résben vagy kapillárisban az áramló folyadék maga vezeti el a hő bizonyos részét. A második esetben, a koncentrikus henger vagy a kúp-lap viszkoziméterekhez hasonló berendezésben a felülethez történő hővezetés egyetlen jelentős hőátadási folyamat.

Másodsorban a hőelvonás függ a viszkoziméter méreteitől, rés és kapilláris esetén a szűkület szélessége fontos szabályozandó paraméter, koncentrikus henger, kúp­lap készülékeknél a résszélesség a fontos. A kívánatos az, hogy ezek a szélességek olyan kicsire készüljenek, amilyenre csak lehetséges.

Változás a nyomással

A folyadékok viszkozitása exponenciálisan nő az izotrópikus nyomással. Kivétel csupán a 30 °C alatti hőmérsékletű víz, amelynek esetében azt találták, hogy a viszkozitás az exponenciális növekedést megelőzően kezdetben csökken. Ez a változás egészen kicsi, ha a nyomás durván 1 barral különbözik az atmoszférikustól. Ezért 2 gyakorlatban a nyomás hatásától a viszkoziméter használók eltekintenek. Vannak azonban esetek, amikor ezt nem lehet megtenni. Például az olajipar a kenőolaj és fúróközeg viszkozitásának mérését a kiemelés nyomásán írja elő.

A sebességváltóban a kenőolaj nyomása tapasztalati adatok alapján gyakran meghaladja 1 GPa-t, míg az olajkutak fúróiszapját olyan mélységben kell alkalmazni, ahol a nyomás kb. 20 MPa.

6.1. ábra - ábra: A viszkozitás változása a nyomással a.) Di (2 etilhexil) szebakát; b.) nafténes ásványolaj 210  0F-nél; c.) nafténes ásványolaj 100 0F-nél (Huttontól származó adatok ,1980)

ábra: A viszkozitás változása a nyomással a.) Di (2 etilhexil) szebakát; b.) nafténes ásványolaj 210  0F-nél; c.) nafténes ásványolaj 100 0F-nél (Huttontól származó adatok ,1980)