Reoloji. with material from Dr. Adrian Hill. Kuday Karaaslan, MSc. Aplikasyon Mühendisi

Transkript

1 Reoloji with material from Dr. Adrian Hill Kuday Karaaslan, MSc. Aplikasyon Mühendisi

2 Reolojinin Tarihçesi Reoloji; Yunanca rhéō & logia kelimelerinden oluşur. rheo: «flow», logia: «study of» Malvern Reolojiyi tekrar icat etti: Kinexus: daha az çaba ile daha fazla reoloji Bilimsel araştırma alanında reolojinin farkına varıldı Prof. Bingham bu bilime reoloji adını verdi Viskoz akışkanlar için Newtonian Yasası Elastik katılar için Hookean Yasası

3 Çeşitli Endüstrilerde Reolojinin Önemi Farmasotik ve kişisel bakım ürünleri Raf ömrü, duyusal algılama, verim noktası, jel gücü, pıhtılaşma, tutarlılık Yiyecekler Kıvam anlama, saklama stabilitesi, ağızdaki hissi, pişirme karakteristikleri, işlenebilirliği, ekstrüzyon, yayılma özelliği Seramikler Stabilite, dökülme, pompalama, kalıba dökme performansı Petrokimyasallar Yağ formülasyonu, makine performansı için sıcaklık-viskozite profili, sondaj akışkanları asılı kalma kapasitesi ve pompalanabilme, yükseltilmiş sıcaklıklar ve yüksek basınç Plastik ve polimerler Enjeksiyon kalıplama verimliliği, ekstrüzyon variyasyonları, moleküler ağırlık belirleme, boyut stabilitesi, yüzey bitirmesi, darbe dayanımı, cam geçiş sıcaklığı Boya, mürekkep ve kaplamalar Sıçrama ve rulo kaplama, sprey atomizasyon, film kalınlığı, renk yoğunluğu, kanaldan çıkış akışı, nokta tutma ve tanımı, sarkma, bekleme koşullarında pigment sedimantasyonu Yapışkanlar Etki süresi, jel noktası, tutturma ve kaplama karakteristikleri, basınç hassaslığı Asfalt Tutunma gücü, yorgunluk, kızışma, termal çatlama, SHRP spesifikasyon testleri

4 Reoloji Nedir? Deformasyon ve Akış Bilimi Tek noktalı viskozite ölçümünden daha fazlası AKIŞ DEFORMASYON Örneğin VİSKOZİTE ölçümü Farklı kayma hızlarında akmaya karşı direnç İdeal boya nasıl olmalı? Örnek pompalanabiliyor mu? Deney çeşitleri: Viskometri VİSKOELASTİSİTE ölçümü Örnek akmaya başlamadan önce nasıl davranıyor? Örnek davranışını tahmin eder Örnek sınıflandırılması Örneğin stabilitesi Çökecek mi? Deney çeşitleri: Osilasyon Sürünme ve Toparlanma

5 Viskozite tanımı Viskozite akışa karşı sağlanan dirençtir. Daha viskoz bir numune, akışa daha fazla direnç gösterir. Daha az viskoz bir numune, akışa daha az direnç gösterir. İtme gücü Viskozite Kayma Gerilmesi Kayma Hz ı Hareket etme hızı

6 Merkez Hava taşıyan motor Viskozite Kayma Kontrollü, klasik bir gerilme deneyinde : Cup Motor Sürülür Kayma Dönme momenti uygular Pozisyon algılayıcıları Gerilmesi Hz ı Numunenin hareketini bağımsız olarak ölçer. Zamana bağlı değişim gözlenerek kayma hızına çevrilir Kontrol edilen oranda, kayma hızı doğrudan uygulanır ve gerekli kayma gerilmesi kayıt edilir.

7

8 Çeşitli uygulamalar için kayma hızları Daha hızlı işlemler; malzemeyi daha dar aralıklarda sıkıştırma Process Typical shear rate range (s -1 ) Reverse gravure 100,000-1,000,000 Roller coating 10,000-1,000,000 Spraying 10, ,000 Blade coating 1, ,000 Mixing/stirring 10-1,000 Brushing 10-1,000 Pumping 1-1,000 Extrusion Curtain coating Levelling Sagging Sedimentation Kapiler reometre ile Döner reometre ile

9 El kreminde dikkat edilecekler? Saklama Numune saklanması Çok düşük kayma hızları: ~ 0.001s -1 Stabilitesi kalitesini gösterir Numune alımı Orta kayma hızları: ~10s -1 Pompalanabilirliği? Çıkartılabilirliği? Numune uygulaması - 1 Düşük kayma hızları: ~1s -1 Uzağa mı akıyor? Ele mi akıyor? Kullanım Numune uygulaması - 2 Yüksek kayma hızları: ~100s -1 Yayılmak için çok mu yoğun? İyi hissettiriyor mu?

10 El kreminin viskozitesi İki farklı el kremi. SAKLAMA UYGULAMA 1 TESLİM ALMAK UYGULAMA 2 Farklı şartlar altında farklı malzeme özellikleri.

11 Viskozite kayma hızına bağlıdır Köpük banyosu kaymayı zayıflatır Hızlı kullanıldıkça viskozite düşer. Köpük banyosu, ürünün kalitesini hissettirmek için düşük kayma hızında daha yoğundur. Yüksek kayma hızlarında kullanılır olması için daha düşük viskoziteye sahip olması gerekir. Köpük Banyosu Su

12 Düşük kayma uygulamaları- Stabilite Güçlü yapı Viskometre ölçüm aralığı Zayıf yapı Kontrollü stres ölçümleri, düşük kayma gerilmesi viskozitesinden kullanıcının ürünün stabilitesini tahmin etmesini sağlar.

13 Farklı kayma hızları nasıl görünür? Kayma hızı, sadece deformasyon oranıdır. Örneğe ne kadar enerji ve muhtemel zarar verebileceğimizdir. Daha yüksek kayma hızları: Örneği küçük bir aralığın içinde sıkıştırmak Daha hızlı karıştırmak Koni ve Plaka Daha düşük kayma hızları: Dinlenir modda, eğme, kaydırma, taşıma sırasında Bir noktadan diğer noktaya yavaşça hareket Kap ve kızak

14 Temel Kavramlar Yer değiştirme u Tanjant F h Alan = a b Boşluk = h a b g & g t u h dg dt Ftan A Gerinme Kayma hızı [1/s] Kayma gerilmesi [Pa=N/m 2 ]

15 Sadece kayma incelmesi değil - Tiksotropi Viskozite sadece kayma hızına bağımlı değildir, zamana da bağımlıdır. Boyayı düşünün. Aylarca bekletildiğinde kutusunda yoğundur, fakat döküldüğünde incelir. Dahası, dökülme durdurulduğunda eski haline hemen dönmez, tiksotropiktir.

16 Viskozite Kayma Hızı Tiksotropi Örneği: İki numune Biri çok tiksotropik, diğeri daha az. Zaman Kötü boya fırça izleri bırakır. Yeniden oluşması çok kalın, çok hızlı olur. İyi boya pürüzsüz bırakır. Yeniden oluşması daha yavaş yavaş. En üst yüzeyi düzeltmek için yeterli zaman sağlar. Zaman

17 Gerilim Tiksotropiyi ölçmek için başka bir yöntem: Histeresis Döngüsü Üst Rampa Alt Rampa Kayma Hızı

18 Geri dönüşümlü yapısal değişim

19 Akma gerilmesi Bazı numunelere akana kadar belirli gerilme gerekir (yield stress) Sıvıdan katıya geçiş değişikliği Diş macunları neden sıkıştırılma ihtiyacı duyar tüpten dışarı çıkmak için? Dahası, diş macunu fırçanın kılları içine akmaz. Neden Heinz ketçap darbe ihtiyacı duyar akmak için? Fakat yine de tabakta yoğun ve sıkı bir şekilde durur. Ya da ürünün akması neden zaman alır?

20 Viskozite Yield Stress Örneği Grafikteki doruk nokta, ürünün katıdan sıvıya geçmesi için gerekli kuvveti gösterir Örneğin, yazıcı mürekkepleri biri iyi, diğeri çizgili görüntü bırakır Akması, yazması için itme gücüne ihtiyaç var. Kartuştan sızabilir. Akışkan bir sıvıdır, itme gücüne ihtiyaç duymaz Yüksek kayma oranlarında benzer viskozite Yield Stress Kayma gerilmesi

21 Viskometriden daha fazlası Viskometri farklı koşullar altında (kayma hızı) bir örneğin özelliklerini (akma direncini) ölçer. Fakat reoloji bununla kalmaz. Bir örnek akmaya başlamadan önce ne olur? Deformasyon çalışmaları, dinamik ölçümler vardır.

22 Reoloji Nedir? Deformasyon ve Akış Bilimi Tek noktalı viskozite ölçümünden daha fazlası AKIŞ DEFORMASYON Örneğin VİSKOZİTE ölçümü Farklı kayma hızlarında akmaya karşı direnç İdeal boya nasıl olmalı? Numune pompalanabiliyor mu? Deney çeşitleri: Viskometri VİSKOELASTİSİTE ölçümü Örnek akmaya başlamadan önce nasıl davranıyor? Örnek davranışını tahmin eder Örnek sınıflandırılması Örneğin stabilitesi Çökecek mi? Deney çeşitleri: Osilasyon Sürünme ve Toparlanma

23 Viskoelastisite nedir? Çoğu malzeme tamamen katı ya da tamamen sıvı formda değildir. Viskoelastiktir! Viskoz ve elastik karakteristikler gösterirler Örnek olarak boyayı verebiliriz: Çökmeyi önlemek amacıyla beklerken katı karakteristiğine sahip olmalıdır. Boyama esnasında ise akışkan gibi davranmalıdır, böylece fırçanın üstünde ve duvarda akma özelliği gösterebilir.

24 Dinamik test : Osilasyon Bir örneğin üzerinde döndürmektense, iki yönde salınmasını sağlamak. Tahribatsız test, yığın akışından önceki malzeme özelliklerini gösterir. Üst plaka salınım yapar

25 Kompleks Modülüs - G* Malzemenin sertliği Modülüs arttıkça malzemenin sertliği de artar Belirli bir kuvvet için malzemenin ne kadar yer değiştirdiği hesaplanır g Uygulanan stres Ölçülen gerginlik Modulus Shear Shear Stress Strain t g Birimi: Pascals (Pa)

26 Viscosity Modulus Tanımı Viscosity Modulus hareket etme direncidir. Daha sert örnek, akmaya karşı daha yüksek dirence sahiptir. Daha zayıf örnek, akmaya karşı daha az dirence sahiptir. İtme kuvveti Modulus Kayma Kayma Gerilimi Gerinimi Hareket etme miktarı

27 Faz açısı - d Farklı malzemeler, uygulanan ve ölçülen sinyalde farklı gecikme veya faz açısına sahiptirler. Uygulanan stres Ölçülen gerginlik Zaman d Faz açısı

28 Faz açısı - d Tamamen elastik malzeme Katı gibi davranır Stres ve gerilim tam olarak fazdadır. Bu sebeple, faz açısı sıfırdır. Tamamen viskoz malzeme Sıvı gibi davranır Stres ve gerilim faz farkı ¼ devirdir. Bu sebeple, faz açısı 90º dir. Elastik Viskoz

29 Faz açısı bir elastisite ölçümüdür. Faz açısı 0 ve 90 arasındadır. Daha yüksek faz açısı, daha yüksek viskozite. Daha az faz açısı, daha fazla elastiklik örnek sıvı gibi bir katıdır G = G davranış, jel noktası

30 Osilasyonda hesaplanan parametreler δ = 90 ise, malzeme tamamen sıvı özellik gösterir. δ = 0 ise, malzeme tamamen katı özellik gösterir. δ = 45 ise malzeme tamamen jel özellik gösterir. (G = G ) Loss (Viskoz) Modulus, G (Pa) = Storage (Elastik) Modulus, G (Pa) = Stres Gerinim Stres Gerinim Sin (d) Cos (d)

31 Bekleme & Kayıp Modülüsü Modülüs ve faz açısı ile reolojik parametreler tanımlanabilir: Bekleme (elastik) modülüsü G Kayıp (viskoz) modülüsü G G > G, faz açısı 45 den daha düşük => KATI GİBİ G > G, faz açısı 45 den daha fazla ise => SIVI GİBİ G - modülüs, malzemenin sertliğini sembolize eder.

32 Reometrede Osilasyon Testleri Osilasyon testlerinde kontrol edebileceğimiz iki parametre vardır: 1. Osilasyon genliği (uygulanan stres veya gerinim) Genlik tarama deneyinde lineer viskoelastik bölge (LVER) tayini yapılır 2. Osilasyon frekansı (zaman ölçeğinde) Frekans tarama deneyinde malzemenin değişik zamanlardaki tepkisi ölçülür

33 G Bekleme Modülüsü Genlik Tarama Süspansiyonun stabilitesini gösterir Küçük LVER Büyük LVER Stabiliteyi belirlemek için yapışkan enerjiyi ölçer Yüksek yapışkan enerji = daha stabil örnek Gerinim C.E. = ½ G g 2 Bekleme modülüsü değişmediği için, malzeme zarar görmez

34 Genlik Tarama: Tipik Sonuçlar Malzemenin Lineer Viskoelastik Bölgesi (LVER) kaydedilir. LİNEER VİSKOELASTİK BÖLGE - LVER 0.08 % vücut losyonu için LVER i tanımlama için bekleme modülüsü G kullanılır. LVER in son noktası malzemenin yapısının kırılmaya başladığı noktayı gösterir G malzemenin yapısının direkt ölçümüdür

35 G, G Modülüs δ Faz açısı Frekans Tarama Frekans tarama malzemenin kendine has spektrumunu göstermektedir. Ayrıca malzemenin genel davranışını üçe ayırabilir: Beklerken malzeme özelliğini belirlemek (0Hz) Visko-Elastik KATI JEL Visko-Elastik SIVI Frekans Frekans Frekans VİSKOELASTİK KATI: faz açısı 0, 0Hz de VİSKOELASTİK SIVI: faz açısı 90, 0Hz de JEL: faz açısı frekanstan bağımsızdır

36 G Bekleme (Katı gibi) modülüsü G Kayıp (Sıvı gibi) modülüsü d Faz açısı Frekans Tarama: Tipik sonuçlar Malzemenin viskoelastik spektrumunu kaydeder. Malvern Play Putty Düşük frekanslar Uzun zaman skalası G > G SIVI GİBİ Yüksek frekanslar Hızlı zaman skalası G > G KATI GİBİ

37 Malzemenin Karakterizasyonu Oyun macunu viskoelastik bir sıvıdır! Sıfır kayma viskozitesi. Dinlenirken akma gösterir. Faz açısı 90, 0Hz de Dinlenirken sıvı gibi davranır. El kremi viskoelastik bir katıdır! Akma gerilmesi. Dinlenirken akmaz. Faz açısı 0, 0Hz de Dinlenirken katı gibi davranır.

38 Tek Frekans Osilasyon Testi Sabit uygulanan frekans; sabit uygulanan genlik Zamanla veya sıcaklık ile örneğin değişimini görüntülemek

39 Modülüs Tek Frekans: Tipik Sonuçlar Yapıştırıcının özelliklerini karakterize etmek Tam kür bölge G G Jel noktası Zaman Başlangıçta viskoz özellik gösterir; uygulaması kolay olur Sonda elastik özellik gösterir; sıkıca yapışma özelliği gösterir Sıcaklığı zamanla değişebilir

40 Kompleks viskozite Katı yağa sıcaklığın etkisi Yağ, sıcaklığı arttıkça erir eriyince viskozitesi azalır Faz açısında farklı pikler farklı yağ bileşenleri phase Angle F.T. R.T. T.T. F.T. Buzluk sıcaklığı R.T. Oda sıcaklığı T.T. Tost sıcaklığı

41 Özetle Reoloji çok disiplinli bir bilim dalıdır. Reoloji bir çok endüstride kullanılmaktadır. Reoloji farklı üretim süreçlerini gösterebilmesi için kullanılır. Reoloji sıvıların ve katıların mekanik davranışı üzerinde doğrudan içsel bilgi sağlar. Bir malzemenin performansını anlamak ve yükseltmek için, kullanımını optimize edebilmek için reolojiyi büyük önem teşkil eder.

42 Malvern in sunduğu ek yararlar: Malvern.com: Zengin bilgi kaynağı İstek üzerine kaydedilmiş sunumlar Detaylı ürün bilgileri, uygulama notları, broşürler, SSS Donanımlı teknik ekip: Satış sonrası güçlü destek Aplikasyon Teknik Servis Daha fazla okuma için: An Introduction to Rheology; H A Barnes, J F Hutton, K Walters. Elsevier. A Handbook of Elementary Rheology; H A Barnes. Institute of Non Newtonian Fluid Mechanics. Viscoelastic Properties of Polymers; J D Ferry. John Wiley & Sons.

43 Teorik eğitim bitti, desteğimiz yeni başlıyor Sorularınız için: Aplikasyon Müh. Kuday Karaaslan GSM: Daha fazlası için: