BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Doğa Bilimleri, Mimarlık ve Mühendislik Fakültesi Metalürji ve Malzeme Mühendisliği POLİMER ÇÖZELTİLERİN YOĞUNLUK, VİSKOZİTE ve YÜZEY GERİLİMİ ÖLÇÜMÜ DENEY FÖYÜ Yrd. Doç. Dr. İsrafil KÜÇÜK Arş. Gör. Taha Yasin EKEN Malzeme Bilimi Yüksek Mühendisi Melike ARSLANHAN 2017-2018 Akademik Yılı Güz Yarıyılı Malzeme Proses Laboratuvarı I Dersi
POLİMER ÇÖZELTİLERİN YOĞUNLUK, VİSKOZİTE, YÜZEY GERİLİMİ ÖLÇÜMÜ 1. POLİMER ÇÖZELTİLERİN YOĞUNLUK ÖLÇÜMÜ Deneyin Amacı Hazırlanan polimer çözeltisinin yoğunluğunun belirlenmesi. Teorik Bilgi Bir maddenin birim hacmindeki madde miktarına (kütle) yoğunluk veya özkütle denir. Hacim d, kütle m ve yoğunluk d harfleriyle sembolize edilir. Yoğunluk, d=m/v (1) bağıntısı ile bulunur. Birim hacmi cm 3 ve cm 3 =ml, kütle birimi olarak da g alındığında, yoğunluk birimi g/cm 3 ve g/ml olmaktadır. Yoğunluk maddenin temel fiziksel özelliklerinden olup katı, sıvı ve gazlar için ayırt edici özelliklerdendir. Yoğunluk, malzeme tasarımında ve deneysel hesaplamalarda önemli bir parametredir. Hafif malzeme kullanılması gereken alanlarda (uzay-havacılık, otomotiv gibi), cevher hazırlamada ve çözeltilerin molarite, yüzdece çözünen özelliklerinin hesaplanmasında malzemelerin yoğunluk değerleri kullanılır. Özgül ağırlık bir malzemenin yoğunluğunun hacimce aynı suyun yoğunluğuna oranıdır (suyun +4 o C sıcaklıktaki yoğunluğu alınır). Özgül ağırlık birimsiz olup, formül olarak: ÖA: maddenin yoğunluğu / suyun yoğunluğu Maddenin hallerinde yoğunluğunun değişmesinin sebebi, katı, sıvı ve gazların atom ve moleküllerinin birbirine olan uzaklıklarının farklı olmasıdır. Katılar genellikle sıvılardan yoğun, sıvılar ise gazlardan yoğundur. Katı maddelerin sabit şekil ve hacimleri bulunur ve sıkıştırılamazlar. Sıvıların belirli bir şekilleri olmayıp bulundukları kabın şeklini alırlar. Fakat sıvıların kendilerine özgü hacimleri bulunur ve yüksek basınçta az miktarda sıkıştırılabilirler. Gazların ise belirli bir şekil ve hacimleri yoktur. Bulundukları kabın şeklini ve hacmini alırlar. Bu yüzden basınç veya sıcaklık ile hacimleri değiştirilebilir. Kütle, sıcaklık değişimi ile sabit kalırken hacmin değişmesi sebebiyle yoğunluk değişir [1-3]. 1
Deneysel Çalışmalar Öncelikle boş beherin darası alınır. Ardından darası alınmış beherin içerisine sırayla saf su, etil alkol ve etil alkol-pmsq (Polimetil-Siloksan) karışımlarını katarak hassas terazide kütleleri ölçülür. Kütlesi belirli olan sıvıların hacimlerine oranı ile yoğunlukları bulunur. İstenilenler 1. Çözeltideki katı polimer miktarı arttıkça çözeltinin yoğunluğu nasıl değişir? 2. Yoğunluk ile viskozite ve yüzey gerilimi arasındaki ilişki nedir? Referanslar [1] İTÜ Cevher Hazırlama Mühendisliği Bölümü. http://www.cevher.itu.edu.tr/, 27, Kasım, 2017, 10:00 [2] Tanrısever, T. Yoğunluk Hesaplamaları. http://taner.balikesir.edu.tr/, 27, Kasım, 2017, 10:00 [3] Tosun, K.. Malzemelerin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri. http://kisi.deu.edu.tr//kamile.tosun, 27, Kasım, 2017, 10:00 2. POLİMER ÇÖZELTİLERİN VİSKOZİTE ÖLÇÜMÜ Deneyin Amacı Hazırlanan polimer çözeltisinin viskozite katsayılarını bularak viskozluk enerjisinin hesaplanması. Teorik Bilgi Polimer çözeltilerinin viskoziteleri, aynı ağırlıkta küçük molekül içeren çözeltilere göre oldukça yüksek değerdedir. Bundan faydalanarak polimerlerin viskozite ortalama molekül ağırlığı belirlenir. Staudinger 1920 yılında düşük derişimlerde bile polimer çözeltilerinin çözücü viskozitesine göre çok daha yüksek değerler aldığını gözlemlemiştir. Polimer çözeltisinin viskozitesi; çözücü ve polimer türünden, polimerlerin molekül ağırlığından, polimer derişiminden ve sıcaklıktan etkilenir [1]. 2
Polimerlerin viskozitesi üç çeşit metot kullanılarak hesaplanabilir. Bunlar; Kapiler akış metotu, düşen küre metodu ve döner silindir metodudur. Kapiler Akış Metodu Viskozite ölçümleri genellikle akışkanın, dairesel kesitli bir boru içerisinden akma hızının ölçülmesi ile yapılır. Çözeltilerin viskozitelerinin belirlenmesinde yaygın olarak U-Tüp biçimli Ostwald viskozimetresi veya onun değiştirilmiş bir şekli olan Ubbelohde viskozimetresi (Şekil 1) kullanılır. Şekil 1. Yaygın olarak kullanılan U-Tüp biçimli Ostwald ve Ubbelohde Viskozimetreleri [2] Şekillerdeki kapilerler üzerinde işaretlenen A ve B noktaları arasındaki (V hacmindeki) bir çözelti veya bir sıvının akış süresi (t) belirlenerek, Poiseuille tarafından geliştirilmiş olan bağıntıya dayanılarak sıvıların viskozitesi (η) hesaplanır. Sıkıştırılamayan bir akışkanın; uçlarındaki basınçların P1 ve P2, yarıçapının r ve uzunluğunun l olduğu bir boru içinden aktığını düşünelim. Borunun duvarındaki sıvı durgun haldedir, akış hızı borunun merkezinde maksimuma erişir. 1 uzunluklu ve R yarıçaplı bir silindirin yüzey alanı 2πr1'dir ve böyle bir sıvı silindirine etkiyen sürtünme kuvveti; F = n dv dr 2πrl (1) şeklinde verilir. Burada hız gradienti adı verilen dv/dr negatif bir niceliktir. F kuvveti, bu silindirdeki akışkanı iten kuvvet (basınç kuvveti) tarafından tamamen dengelenir. Bu kuvvet, silindirin kesit alanı olan πr 2 ile basınç farkının (P1 - P2) çarpımıdır. Böylece, 3
n dv dr 2πrl = πr2 (P1-P2) (2) veya, dv = r 2nl (P1-P2) (3) ifadesi bulunur. Bu ifadenin belirsiz integrali alınırsa, v = (P1 P2) 4n1 r 2 + sabit (4) eşitliği elde edilir. r = R olduğu zaman hız sıfır olduğundan, integral sabiti, sabit = (P1 P2) 4n1 R 2 (5) ve bu sebepten; v = (P1 P2) 4n1 (R 2 -r 2 ) (6) değerini alır. Birim zamanda borudan akan sıvının toplam hacmi (dv / dt), her bir kesit elementi üzerinde integrasyonla bulunur. Her bir element 2πrdr = da kadar bir yüzey alanına sahiptir, bu sebepten, dv dt = da. v = 2πrvdr R (7) 0 = (P1 P2)π 2n1 R 0 R 0 {R 2 r dr r 3 dr } (8) = (P1 P2)πR4 8nl (9) şeklindeki "Poiseuille Denklemi" elde edilir. Son eşitliği t, 0 t integral alınırsa aşağıdaki denklem elde edilir. V = PπR4 8nl veya n = PπR4 8Vl (10) 4
Burada t; uygulanan P basıncında, r yarıçaplı ve 1 uzunluklu bir kapiler boru içerisinden sıvının V hacminin akması için gerekli zamanı göstermektedir. Bir sıvının viskozitesi yukarıda türetilen Eşitlik 10 kullanılarak bulunabileceği gibi, düşey boru kullanılması halinde borunun çıkış ve giriş uçları arasındaki akışkan basınçlarının farkı ( P), sıvılarda hidrostatik basınca eşit alınabilir. P = lρg (11) Burada ρ sıvının yoğunluğu, g ise yerçekimi ivmesidir. Böylece Eşitlik 10 ve 11 den; n = lρgπr4 t 8nl = πr4 g 8V ρt (12) Bu eşitlikteki ρt çarpanının katsayısı olan çarpanlar aynı bir viskozimetre için sabittir k= πr4 g 8V (13) Bu sabiti kullanarak eşitliği yeniden yazarsak; n = kρt (14) elde edilir. Eğer Eşitlik 14, aynı viskozimetrede iki ayrı sıvı için yazılıp taraf tarafa oranlanırsa; n2 n1 = ρ 2t 2 ρ 1 t 1 (15) Burada 2 indisiyle gösterilen büyüklükler viskozitesi tayin edilecek sıvıyla alakalı, 1 indisiyle gösterilen büyüklükler viskozitesi bilinen sıvıyla (referans sıvıyla) alakalıdır. Oswald viskozimetresi veya Ubbelohde viskozimetresi (Şekil 1) kullanılarak viskozitesi bilinen ve viskozitesi bilinmeyen sıvıların belli hacimlerinin (V) akma zamanları bulunur ve bu bilgilerden (ρ1 ve ρ2 biliniyor) Eşitlik 15 yardımıyla viskozitesi bilinmeyen sıvının viskozitesi bulunur [3]. n = Ae A a/rt (16) denklemi viskozite katsayısının sıcaklığa bağlılığını göstermektedir. Bu denklemin her iki tarafının logaritması alındığında; 5
logn = loga + E A 2.303xR. 1 T (17) elde edilir. Denklemdeki A bir katsayı, EA : viskozluk enerjisini gösterir. Değişik sıcaklıklarda bir sıvının viskozite katsayıları tayin edilip log n-1/t grafiği oluşturulursa bir doğru elde edilir. Doğrunun eğiminden EA hesaplanır. E A = eğim x 2.303 x R (18) Düşen Küre Metodu Stokes'e göre r yarıçaplı bir küre bir sıvı içerisinde sabit bir v hızı (dx/dt) ile düşerken (Şekil 2) karşılaştığı sürtünme kuvveti: F = 6πnrv (16) şeklinde verilir. 6πnrv çarpanına Stokes sayısı veya Sürtünme Katsayısı adı verilir. Sıvı içerisinde sabit v hızıyla düşen küre üzerine etkiyen sürtünme kuvveti, kürenin sıvı içerisindeki ağırlık kuvvetine eşittir. Böylece, mg = 6πnrv veya (17) 3 4 πr3 (ρ1 ρ2)g = 6πnrv ve buradan, (18) n = 2r2 (ρ1 ρ2)g 9v (19) bağıntısı elde edilir. Böylece, yarıçapı r ve yoğunluğu ρ1 olan bir kürenin yoğunluğu ρ2 olan bir sıvı içerisindeki düşme hızı (v) bulunup; Eşitlik 19 'dan viskozitesi hesaplanabilir. Bu metot özellikle, büyük moleküllü polimerlerin derişik çözeltilerinde olduğu gibi, yüksek viskoziteye sahip çözeltiler için uygundur [3]. 6
Şekil 2. ρ 2 yoğunluğundaki bir sıvı içerisinde düşmekte olan ρ1 yoğunluklu ve r yarıçaplı bir küre. Küreye yukarı doğru etkiyen sürtünme kuvveti ile kürenin sıvı içerisindeki ağırlık kuvvetinin birbirine eşit olduğu andaki sabit v hızı, "limit hız" olarak adlandırılır [3]. Döner Silindir Metodu Viskozite ölçümünde kullanılan diğer bir alet, döner silindir viskozimetresidir. Bu aletle, dış silindirde sıvının dönmesi sağlanır; bu içteki silindire bağlı olan tele bir tork (burkulma kuvveti) uygulanmasına yol açar. Alet, viskozitesi bilinen sıvılarla kalibre edilir ve böylece tork'tan viskozite hesaplanır [3]. Şekil 3. Döner silindir metoduyla viskozite ölçme cihazı [4] Deneysel Çalışmalar Deney İçin Gerekli Malzemeler: Sıcaklık ayarı yapılabilen termostat, Oswalt viskozimetresi, kronometre, saf su ve viskozitesi belirlenecek polimer çözeltisi. 7
Deneyin Yapılışı: Yıkama suyu ile yıkanıp temizlenmiş Oswalt viskozimetresine belli hacimde saf su konup 20 C' deki termostata yerleştirilir. Sıcaklık dengesi kurulduktan sonra L ucuna takılan bir puar vasıtasıyla sıvının a çizgisinin üstüne çıkması sağlanır. Sonra serbest bırakılır. Sıvı a seviyesine geldiği anda kronometre çalıştırılır, b'ye geldiği anda durdurulur. Kronometrede ölçülen zaman aralığı, 20 C' de a ve b çizgileri arasında suyun akma süresidir. Termostatın sıcaklığı sırasıyla 25, 30, 35 ve 45 C' ye yükseltilerek her sıcaklıkta a ve b çizgileri arasından akma süreleri ölçülür. Viskozimetre yıkanıp iyice kurutulduktan sonra saf su için yapılan işlemlerin aynısı viskozluk enerjisi bulunacak sıvı içinde yapılır. Daha sonra aşağıdaki tablo düzenlenir. Hesaplamalar: -Suyun deney sıcaklıklarındaki yoğunluk ve viskozite değerleri literatürden bulunur. -Su için bulunan değerler kullanılarak 15 numaralı eşitlik yardımıyla polimer çözeltisinin her bir sıcaklık değeri için viskozitesi hesaplanır. -Su ve polimer çözeltisinin farklı sıcaklık değerleri için hesaplanan viskozite değerlerinin logaritmaları 17 numaralı eşitlikte gösterildiği gibi 1/T değerlerine karşı grafiğe geçirilir. Elde edilen grafiğin eğiminden E değeri, y eksenini kestiği noktadan ise A değeri hesaplanır. -Yapılan hesaplamalar ve grafiklerden iki farklı sıvının viskoziteleri ve viskozite değerlerinin sıcaklıkla değişimleri yorumlanır. İstenilenler 1. Viskozitesi yüksek ve düşük olan çözeltileri karşılaştırın. 2. Akış hızının düşük olduğu durumlarda çözeltilerin viskozitesini hangi yöntemle tayin ederiz? 8
Referanslar [1] Ay B., 2007, Organik Polimerler ve Kullanım Alanları, Bitirme Tezi, Pamukkale Üniversitesi. [2] Anatomy of a Viscometer. (n.d.). http://www.machinerylubrication.com/read/29451/anatomy-of%20viscometer, 27, Kasım, 2017, 10:00 [3] Kimya Bölümü, Fizikokimya Laboratuvarı Deneyleri, 2015. Fırat Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi [4] UTEST malzeme test cihazları, Döner Viskozimetre. http://www.utest.com.tr/tr/20518/doner-viskozimetre, 27, Kasım, 2017, 10:00 3.POLİMER ÇÖZELTİLERİN YÜZEY GERİLİMİ ÖLÇÜMÜ Deneyin Amacı Yüzey geriliminin derişime bağlı olarak değişiminin incelenmesi Teorik Bilgi Yüzey gerilimi sıvı ve katılarda gözlemlenen bir özellik olup gazlarda gözlemlenmez. Bunun nedeni gazların moleküller arası kohezyon kuvvetinin zayıf olması ve moleküller arası boşlukların fazla olması ve gazların belirli bir hacminin olmamasıdır. Sıvı içerisinde bulunan bir molekül, komşu sıvı moleküller tarafından ortalama aynı kuvvetle çekildiği için hiçbir kuvvetin etkisi altında değilmiş gibi hareket eder. Yüzeyde bulunan sıvı moleküller sadece iç taraftaki sıvı moleküllerini içe çekerler ve sıvı yüzeyinin daralmasına neden olurlar. Buna göre, sıvı yüzeyini sabit sıcaklık ve basınçta 1 m 2 veya 1 cm 2 büyütmek için verilmesi gereken enerjiye yüzey gerilimi (σ) denir. Yüzey geriliminin birimi dyn/cm dir. Sıvı yüzeyindeki birim uzunluğu gergin tutan kuvvet olan yüzey gerilimi, moleküller arası çekme kuvvetinin yüzeydeki geometrik dengesizliğinin sonucudur. Katı yüzeyinde sıvının kolay bir şekilde yayılmasına ıslatma denir. Katının ıslanma miktarı sıvının katı ile temas açısına bağlıdır. Bir sıvı damlasının katı yüzeyi ile yaptığı açıya temas açısı denir. Temas açısı küçüldükçe ıslanabilirlik artar. 9
Şekil 1. Sıvıların ıslatma yetenekleri ve temas açısı arasındaki ilişki [1]. Islatan sıvılar (örneğin su gibi) kılcal boruda kendiliğinden yükselirken, ıslatmayan sıvılar (örneğin cıva gibi) kılcal boruda kendiliğinden alçalmaktadır. Islatan sıvıların moleküllerinin cam ile çekim kuvvetleri sıvı moleküllerinin birbiri arasındaki çekim kuvvetlerine göre daha büyüktür. Cam ve sıvı arasındaki çekim kuvvetleri adhezyon kuvvetleri olarak adlandırılır. Adhezyon kuvvetleri kılcal boruda yükselmeye neden olur. Sıvı molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerine ise kohezyon kuvvetleri denir. Islatmayan sıvı moleküllerinin cam ile arasındaki çekim kuvvetleri sıvı moleküllerinin arasındaki çekim kuvvetlerinden düşük kaldığı için kılcal boruda alçalmaya neden olmaktadır. Sıvı yüzeyi adhezyon kuvvetlerinin etkin olduğu kılcallarda iç bükey olurken kohezyon kuvvetinin etkin olduğu kılcallarda dış bükeydir. Kılcal olmayan borularda sıvı yüzeyi düz görünür [1-3]. Deneysel Çalışma Yüzey gerilimini belirlemek için çeşitli yöntemler kullanılır. Damla kütlesi ve damla sayma yöntemi bunlardan birisidir. Kılcal borudan düşen damlanın kütlesi (mg) düşme anında, borunun çevresindeki sıvının yüzey gerilim kuvvetine eşit olur. Deney kapsamında kullanılacak olan yöntem damla kütlesi ve damla sayma yönteminin optik temas açısı yüzey gerilim ölçüm cihazı ile uygulanmasıdır. Deneyde aynı cihaz ile temas açısı da hesaplanacaktır. İstenilenler 1. Polimer çözelti damlasının temas ettiği yüzey pürüzlülüğünün yüzey gerilimine etkisi nedir? 2. Ölçüm yapılan malzemelerin yüzey gerilmelerinin karşılaştırmasını yapınız. 10
Referanslar [1] Özdemir, G., 2017. Sıvıların Islatma Yetenekleri ve Temas Açısı. http://inovatifkimyadergisi.com/sivilarin-islatma-yetenekleri-ve-temas-acisi [2] Kimya Mühendisliği Bölümü, 2017. Ondokuz Mayıs Üniversitesi. [3] Kimya Mühendisliği Bölümü Kimya Mühendisliği Laboratuvarı I, 2017. Yüzüncü Yıl Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi. 11