Reometria

Reologia to dziedzina nauki zajmująca się badaniem przepływu i deformacji materii. Jest szczególnie używana do zrozumienia, jak materiały takie jak ciecze, półstałe substancje (np. żele, pasty) i miękkie ciała stałe zachowują się pod wpływem stresu. Reologia obejmuje takie pojęcia jak lepkość, elastyczność i deformacja plastyczna oraz umożliwia pomiar i analizę tych właściwości.

Właściwości i parametry reologiczne:

Lepkość: Opór przepływu substancji. Reologia zajmuje się tylko jednym aspektem lepkości; bada, jak lepkość zmienia się w zależności od szybkości ścinania i czasu.

Elastyczność: Zdolność materiału do powrotu do pierwotnego kształtu po usunięciu zastosowanego nacisku. Właściwości elastyczne odnoszą się do zdolności materiału do natychmiastowej reakcji i są zazwyczaj związane z zachowaniem ciał stałych.

Plastyczność: Zdolność materiału do trwałej deformacji nawet po usunięciu zastosowanego nacisku. Deformacja plastyczna pokazuje, jak materiał zmienia kształt pod wpływem stresu w sposób trwały.

Wiskoelastyczność: Materiały wykazujące zarówno właściwości lepkie, jak i elastyczne nazywane są wiskoelastycznymi. Takie materiały zachowują się zarówno jak ciecze, jak i wykazują elastyczność. Na przykład, polimery i niektóre tkanki biologiczne mają właściwości wiskoelastyczne.

Rozrzedzanie ścinaniem i zagęszczanie: Niektóre materiały zmieniają swoją lepkość w zależności od zastosowanej siły ścinającej. To zachowanie jest ważnym elementem profilu reologicznego materiału.

Techniki pomiaru reologii:

Reometry rotacyjne: Ciecz lub materiał półstały jest mierzone za pomocą rotora obracającego się z określoną prędkością. Rotacja rotora mierzy opór ścinania materiału, a parametry reologiczne takie jak lepkość i moduł elastyczności są określane.

Reometry kapilarne: Materiał przepływa przez cienką rurkę (kapilarę) i mierzony jest jego opór przepływu. Metoda ta jest zazwyczaj stosowana do badania zachowania reologicznego polimerów i stopionych substancji.

Dynamiczny analizator mechaniczny (DMA): Bada, jak materiały zachowują się pod wpływem dynamicznego (wibracyjnego) stresu. Określane są parametry takie jak moduł elastyczności, moduł stratności, a dane te są używane do zrozumienia właściwości lepkich materiału.

Znaczenie reologii w przemyśle i nauce:

Produkcja polimerów i tworzyw sztucznych: Reologia odgrywa kluczową rolę w procesie produkcji polimerów. Zachowanie reologiczne materiału w procesach takich jak wytłaczanie, formowanie i inne procesy produkcyjne determinuje jakość produktu.

Nauka o żywności: Tekstura i konsystencja żywności są ważne dla akceptacji przez konsumentów. Pomiar reologiczny jest używany do optymalizacji właściwości produktów spożywczych, takich jak płynność, rozprowadzanie i odczucie w ustach.

Farmaceutyki i kosmetyki: Kremy, płyny i inne produkty półstałe muszą mieć określone właściwości reologiczne dla łatwości aplikacji i skuteczności. Dlatego reologia jest również kluczowa w przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym.

Tusz i farby: Właściwości reologiczne wpływają na sposób, w jaki tusze i farby rozprzestrzeniają się, pokrywają i schną na powierzchni. Dlatego reologia jest stosowana do kontroli jakości i opracowywania formuł w tych branżach.

Modele reologiczne:

Ciecze newtonowskie: Są to ciecze, których lepkość jest stała i nie zależy od szybkości ścinania. Przykłady to woda i powietrze.

Ciecze nienewtonowskie: Są to ciecze, których lepkość zmienia się w zależności od szybkości ścinania. Na przykład pasta do zębów jest cieczą nienewtonowską, która wykazuje zmniejszanie lepkości przy wzroście ścinania.

Plastik Bingham: Materiały, które zaczynają przepływać pod wpływem określonego stresu granicznego, a następnie zachowują się jak ciecz newtonowska. Przykładem może być błoto.

Właściwości reologiczne większości materiałów zmieniają się znacznie wraz ze zmianą temperatury. Lepkość zazwyczaj maleje w miarę wzrostu temperatury, co oznacza, że materiał płynie łatwiej. Jednak inne właściwości, takie jak elastyczność i plastyczność, mogą również zmieniać się z temperaturą, więc pomiary reologiczne są zazwyczaj przeprowadzane w stałych warunkach temperaturowych.

Rzeczy do rozważenia przy pomiarach reologicznych:

Kontrola temperatury: Ponieważ temperatura znacząco wpływa na zachowanie reologiczne, pomiary powinny być wykonywane w kontrolowanych warunkach temperaturowych.

Przygotowanie próbki: Jednorodność i przygotowanie próbki są kluczowe dla pomiarów reologicznych. Jakiekolwiek oddzielenie fazy lub niejednorodność mogą wpłynąć na wyniki pomiarów.

Reologia jest kluczowa dla zrozumienia, jak materiały będą się zachowywać w warunkach przetwarzania, przechowywania i użytkowania. Dlatego jest szeroko stosowaną dziedziną zarówno w przemyśle, jak i badaniach naukowych.