Reoloji

with material from

Dr. Adrian Hill

Kuday Karaaslan, MSc.

Aplikasyon Mühendisi

Reolojinin Tarihçesi

1678Elastik katılar için Hookean Yasası

1687Viskoz akışkanlar için Newtonian Yasası.

1950Bilimsel araştırma alanında reolojinin farkına varıldı.

1600

2000

1920Prof. Bingham bu bilime “reoloji” adını verdi.

Reoloji; Yunanca rhéō & logia kelimelerinden

oluşur.

rheo: «flow» , logia: «study of».

2008Malvern Reolojiyi tekrar icat etti:

Kinexus: daha az çaba ile daha fazla reoloji.

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

Reoloji Nedir…?

AKIŞ

Örneğin VİSKOZİTE ölçümü

Farklı kayma hızlarında akmaya karşı direnç

İdeal boya nasıl olmalı ?

Örnek pompalanabiliyor mu ?

Deney çeşitleri: Viskometri

DEFORMASYON

VİSKOELASTİSİTE ölçümü

Örnek akmaya başlamadan önce nasıl davranıyor …?

Örnek davranışını tahmin eder

Örnek sınıflandırılması

Örneğin stabilitesi – Çökecek mi?

Deney çeşitleri: Osilasyon

Sürünme ve Toparlanma

‘Deformasyon ve Akış Bilimi’Tek noktalı viskozite ölçümünden daha fazlası ……

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.

Hz ı Kayma

Gerilmesi KaymaViskozite

İtme gücü

Hareket etme hızı

Merkez – Hava taşıyan motor

Kontrollü, klasik bir gerilme deneyinde :

Cup Motor Sürülür

Dönme momenti uygular

Pozisyon algılayıcıları

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.

Hz ı Kayma

Gerilmesi KaymaViskozite

Çeşitli uygulamalar için kayma hızları

Process Typical shear rate range (s-1)

Reverse gravure 100,000 - 1,000,000

Roller coating 10,000 - 1,000,000

Spraying 10,000 - 100,000

Blade coating 1,000 - 100,000

Mixing/stirring 10 - 1,000

Brushing 10 - 1,000

Pumping 1 - 1,000

Extrusion 1 - 100

Curtain coating 1 - 100

Levelling 0.01 - 0.1

Sagging 0.001 - 0.1

Sedimentation 0.000001 - 0.0001

Kapiler

reometre ile

Daha hızlı

işlemler;

malzemeyi daha

dar aralıklarda

sıkıştırma

Döner

reometre ile

El kreminde dikkat edilecekler ?

Numune saklanması

Çok düşük kayma hızları: ~ 0.001s-1

Stabilitesi kalitesini gösterir…

Saklama

Kullanım

Numune alımı

Orta kayma hızları: ~10s-1

Pompalanabilirliği? Çıkartılabilirliği?

Numune uygulaması - 1

Düşük kayma hızları: ~1s-1

Uzağa mı akıyor? Ele mi akıyor?

Numune uygulaması - 2

Yüksek kayma hızları: ~100s-1

Yayılmak için çok mu yoğun? İyi

hissettiriyor mu?

El kreminin viskozitesi

İki farklı el kremi.

Farklı şartlar altında farklı malzeme özellikleri.

SAKLAMA

UYGULAMA 1

TESLİM ALMAKUYGULAMA 2

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

Düşük kayma uygulamaları- Stabilite

Güçlü yapı

Zayıf

yapı

Viskometre ölçüm aralığı

Kontrollü stres ölçümleri, düşük kayma gerilmesi viskozitesinden kullanıcının

ürünün stabilitesini tahmin etmesini sağlar.

Kayma hızı, sadece deformasyon oranıdır.

Örneğe ne kadar enerji ve muhtemel zarar

verebileceğimizdir.

Farklı kayma hızları nasıl görünür ?

Koni ve Plaka

Kap ve

kızak

Daha düşük kayma hızları:

Dinlenir modda, eğme, kaydırma, taşıma sırasında

Bir noktadan diğer noktaya yavaşça hareket

Daha yüksek kayma hızları:

Örneği küçük bir aralığın

içinde sıkıştırmak

Daha hızlı karıştırmak

Temel Kavramlar

Tanjant F

h

Yer değiştirme u

a b

Alan = a · b

Boşluk = h

A

F

dt

d

h

u

tan

t

gg

g

&

Gerinme

Kayma gerilmesi

[Pa=N/m2]

Kayma hızı [1/s]

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.

Tiksotropi Örneği:

İki numune… Biri çok tiksotropik, diğeri daha az.

Zaman

Kaym

a H

ızı

Vis

kozite

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.

Tiksotropiyi ölçmek için başka bir yöntem:

Histeresis DöngüsüG

erilim

Kayma Hızı

Üst Rampa

Alt Rampa

Geri dönüşümlü yapısal değişim

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?

Yield Stress Örneği

Grafikteki doruk nokta, ürünün katıdan sıvıya

geçmesi için gerekli kuvveti gösterir

Örneğin, yazıcı mürekkepleri – biri iyi, diğeri

çizgili görüntü bırakır

Vis

kozite

Kayma gerilmesiYield Stress

Akması, yazması için itme

gücüne ihtiyaç var.

Kartuştan sızabilir. Akışkan bir sıvıdır,

itme gücüne ihtiyaç duymaz

Yüksek kayma

oranlarında benzer

viskozite

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.

Reoloji Nedir…?

AKIŞ

Örneğin VİSKOZİTE ölçümü

Farklı kayma hızlarında akmaya karşı direnç

İdeal boya nasıl olmalı ?

Numune pompalanabiliyor mu ?

Deney çeşitleri: Viskometri

DEFORMASYON

VİSKOELASTİSİTE ölçümü

Örnek akmaya başlamadan önce nasıl davranıyor …?

Örnek davranışını tahmin eder

Örnek sınıflandırılması

Örneğin stabilitesi – Çökecek mi?

Deney çeşitleri: Osilasyon

Sürünme ve Toparlanma

‘Deformasyon ve Akış Bilimi’Tek noktalı viskozite ölçümünden daha fazlası ……

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.

Dinamik test : Osilasyon

Bir örneğin üzerinde döndürmektense, iki yönde

salınmasını sağlamak.

Tahribatsız test, yığın akışından önceki malzeme

özelliklerini gösterir.

Üst plaka

salınım yapar

Kompleks Modülüs - G*

Uygulanan stres

Ölçülen gerginlikBelirli bir kuvvet için

malzemenin ne kadar yer

değiştirdiği hesaplanır

g

Malzemenin sertliği

Modülüs arttıkça malzemenin sertliği de artar

Birimi: Pascals (Pa)

StrainShear

StressShearModulus

g

t

Viscosity Tanımı

Viscosity

Daha sert örnek, akmaya karşı daha yüksek dirence

sahiptir.

Daha zayıf örnek, akmaya karşı daha az dirence

sahiptir.

Gerinimi Kayma

Gerilimi KaymaModulus

İtme kuvveti

Hareket etme miktarı

Modulus hareket etme direncidir.

Modulus

Faz açısı - d

d

Uygulanan stres

Ölçülen gerginlik

Faz açısı

Zaman

Farklı malzemeler, uygulanan ve ölçülen sinyalde

farklı gecikme veya faz açısına sahiptirler.

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.

Faz açısı - d

Elastik Viskoz

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.

45° - örnek sıvı gibi bir katıdır

G’= G’’ –davranış, jel noktası

Osilasyonda hesaplanan parametreler

Loss (Viskoz) Modulus, G’’ (Pa) =

Storage (Elastik) Modulus, G’ (Pa) = × Cos (d)Stres

Gerinim

Stres

Gerinim× Sin (d)

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’’)

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.

Reometrede Osilasyon Testleri

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

Osilasyon testlerinde kontrol edebileceğimiz iki parametre vardır:

Süspansiyonun stabilitesini gösterir

Bekleme modülüsü değişmediği için, malzeme zarar görmez

Genlik Tarama

Küçük LVER

G’ B

ekle

me

Mo

dü

lüsü

Gerinim

Büyük LVER Stabiliteyi belirlemek için yapışkan enerjiyi ölçer

Yüksek yapışkan enerji = daha stabil örnek

C.E. = ½ G’ g2

Genlik Tarama: Tipik Sonuçlar

LVER’i tanımlama için bekleme modülüsü G’ kullanılır.

LVER’in son noktası malzemenin yapısının kırılmaya başladığı

noktayı gösterir

G’ malzemenin yapısının direkt ölçümüdür

LİNEER VİSKOELASTİK BÖLGE - LVER

0.08 % vücut losyonu için

Malzemenin Lineer Viskoelastik Bölgesi (LVER) kaydedilir.

JEL

Frekans tarama malzemenin kendine has spektrumunu göstermektedir.

Ayrıca malzemenin genel davranışını üçe ayırabilir:

Beklerken malzeme özelliğini belirlemek (0Hz)

Visko-Elastik KATI Visko-Elastik SIVI

Frekans Tarama

Frekans

G’,

G’’

Mo

dülü

s

Frekans Frekans

δF

az a

çıs

ı

VİSKOELASTİK KATI: faz açısı 0° , 0Hz’de

VİSKOELASTİK SIVI: faz açısı 90° , 0Hz’de

JEL: faz açısı frekanstan bağımsızdır

Frekans Tarama: Tipik sonuçlarMalzemenin viskoelastik spektrumunu kaydeder.

G’’

–K

ayıp

(Sıv

ı g

ibi)

mo

dü

lüsü

G’ –

Be

kle

me

(Ka

tı g

ibi)

mo

dü

lüsü

d–

Fa

z a

çıs

ı

Düşük frekanslar

Uzun zaman skalası

G’’ > G’

SIVI GİBİ

Yüksek frekanslar

Hızlı zaman skalası

G’ > G’’

KATI GİBİ

Malvern Play Putty

Malzemenin Karakterizasyonu

Oyun macunu viskoelastik bir sıvıdır!

El kremi viskoelastik bir katıdır!

Faz açısı 90° , 0Hz’de

Dinlenirken sıvı gibi davranır.

Faz açısı 0° , 0Hz’de

Dinlenirken katı gibi davranır.

Sıfır kayma viskozitesi.

Dinlenirken akma gösterir.

Akma gerilmesi.

Dinlenirken akmaz.

Sabit uygulanan frekans; sabit uygulanan genlik

Zamanla veya sıcaklık ile örneğin değişimini

görüntülemek

Tek Frekans Osilasyon Testi

Tek Frekans: Tipik Sonuçlar

Yapıştırıcının özelliklerini karakterize etmek

Başlangıçta viskoz özellik gösterir; uygulaması kolay olur

Sonda elastik özellik gösterir; sıkıca yapışma özelliği gösterir

Sıcaklığı zamanla değişebilir…

Zaman

Jel noktası

G’G’’

Tam kür bölge

Mo

dü

lüs

Yağ, sıcaklığı arttıkça erir – eriyince viskozitesi azalır

Faz açısında farklı pikler – farklı yağ bileşenleri

Katı yağa sıcaklığın etkisiK

om

ple

ks v

iskozite

R.T.

phase A

ngle

F.T. T.T.

F.T. – Buzluk sıcaklığı T.T. – Tost sıcaklığıR.T. – Oda sıcaklığı

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.

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.

Sorularınız için:

Aplikasyon Müh.

Kuday Karaaslan

GSM: 549 820 68 08

kuday@atomikateknik.com

Daha fazlası için:

www.malvern.com

Teorik eğitim bitti, desteğimiz yeni başlıyor…