Pociask Rafał
Przybyło Łukasz 11.01.2011r
Worek Tomasz

Ćwiczenie nr 6

Badanie płynięcia cieczy tiksotropowych.

1. Część teoretyczna

Tiksotropia jest to zjawisko zachodzące w cieczy polegające na izotermicznej zmianie konsystencji pod wpływem naprężeń ścinających wywołanych jakimś ruchem np. mieszaniem. Ciecze tiksotropowe to takie ciecze które w spoczynku posiadają konsystencje żelu, natomiast w trakcie ruchu lepkość tej substancji maleje wraz z zwiększającą się wartością szybkości ścinania. Po zatrzymaniu mieszania ustala się pewna równowaga i układ powraca do stanu poprzedniego, ale zwykle już o wartość mniejszą, niż wynosił początkowy jej spadek. Efekt tiksotropii wywoływany jest najczęściej poprzez dodanie do cieczy środka tiksotropującego, który tworząc wiązania wodorowe pomiędzy cząsteczkami wywołuje ten efekt. Przyłożone naprężenie ścinające powoduje niszczenie wiązań wodorowych, które po zakończeniu mieszania są w stanie się same odbudować i na nowo stworzyć strukturę tiksotropową.

Najczęściej stosowanymi dodatkami tiksotropującymi są:

• związki nieorganiczne o silnie rozwiniętej powierzchni, np. krzemionka koloidalna o nazwach handlowych Aerosil, Cab – O – Sil, HDK;

• mydła metaliczne kwasów tłuszczowych i naftenowych, np. stearynian glinu, naftenian cynku;

• organogliny (Benathix, Bentone 18C, Tixogel, Millithix 925);

• dodatki organiczne: woski, małocząsteczkowy polietylen, zdepolimeryzowany kauczuk, modyfikowany, uwodorniony olej rycynowy (Armogel, Thixcin R i GR, Thixotrol ST i GST

• karboksymetyloceluloza, guma ksantanowa - dla układów wodnych.

Naprężenie ścinające τ [Nm^-2] w cieczy jest proporcjonalne do mierzonego kąta skręcenia α [Skt] i wyznaczamy je ze wzoru: τ = z • α

gdzie: z [Nm-2 Skt-1] - stała cylindra

1. Wykonanie ćwiczenia

• Aparatura i odczynniki

• wiskozymetr rotacyjny typu:
  Rheotest 2 (rys. 1)

• ciecz tiksotropowa

• Wykonanie ćwiczenia

1. Zbiornik pomiarowy napełniono badaną substancją w ilości 30 ml.

2. Zamontowano układ pomiarowy poprzez zamocowanie odpowiedniego cylindra wewnętrznego w wiskozymetrze, a następnie nasunięto cylinder wypełniony badaną cieczą. Sprawdzono prawidłowość zamknięcia.

3. Nałożono naczynie termostatujące z termometrem i połączono z termostatem.

4. Wiskozymetr i termostat włączono do sieci 220 V. Włączono ogrzewanie termostatu i przepływ cieczy.

5. Przełącznik (11) ustawiono w pozycji A, przekładnię (9) w pozycji l i przekładnię zakresu naprężeń w pozycji I.

6. Po osiągnięciu żądanej temperatury odczekano 10 min i rozpoczęto pomiary. W tym celu przełącznik (5) włączono w pozycję "EIN", przełącznik (4) w pozycję "EIN" oraz przełącznik (6) w pozycję "a" lub "b". Pomiary wykonywano dla zakresu "a" lub "b" zwiększając prędkości obrotowe od l do 12 odczytując każdorazowo wielkość wychylenia na skali (10) oraz częstotliwość prądu (8).

7. Po zakończeniu pomiarów wyłączono termostat, odłączono naczynie termostatujące, wyjęto zbiornik pomiarowy, opróżniono go i wyczyszczono.

• Wyniki pomiarów i obliczenia

• Wyniki otrzymane w doświadczeniu zestawiono w tabeli poniżej wraz z wynikami obliczonymi za pomocą programu Rheotest.

Próba nr 1 z czasem t=100s dla układu S – 2

	kąt skręcania α	zakres	Nap. styczne τ [N/m^2]	pręd. ścinania $\dot{\mathbf{\gamma}}$ [1/m]	Lepkość η [Pa*s]
1b	10,0	1	11,90	0,5	23,80
2b	12,0	1	14,28	0,9	15,87
1a	10,5	1	12,50	1,0	12,50
3b	11,0	1	13,09	1,5	8,73
2a	12,0	1	14,28	1,8	7,93
4b	11,5	1	13,69	2,7	5,07
3a	11,0	1	13,09	3,0	4,36
5b	12,0	1	14,28	4,5	3,17
4a	13,0	1	15,47	5,4	2,86
6b	14,0	1	16,66	8,1	2,06
5a	13,5	1	16,06	9,0	1,78
7b	13,0	1	15,47	13,5	1,15
6a	12,0	1	14,28	16,2	0,88
8b	12,0	1	14,28	24,3	0,59
7a	12,5	1	14,87	27,0	0,55
9b	13,5	1	16,06	40,5	0,40
8a	14,0	1	16,66	48,6	0,34
10b	15,0	1	17,85	72,9	0,24	Wykładnik płynięcia: 0,0949
9a	14,5	1	17,26	81,0	0,21
11b	16,5	1	19,64	121,5	0,16	Log współczynnika konsystencji: 1,0962
10a	17,0	1	20,23	145,8	0,14
12b	19,0	1	22,61	218,7	0,10	Współ. korelacji liniowej: 0,8902
11a	19,0	1	22,61	243,0	0,09
12a	24,0	1	28,56	437,0	0,07
PO CZASIE T=100s
12a	25,0	1	29,75	437,4	0,07
11a	16,0	1	19,04	243,0	0,08
12b	15,0	1	17,85	218,7	0,08	Wykładnik płynięcia: 0,5256
10a	12,0	1	14,28	145,8	0,10
11b	11,0	1	13,09	121,5	0,11	Log współczynnika konsystencji: 0,0422
9a	9,5	1	11,31	81,0	0,14
10b	9,0	1	10,71	72,9	0,15	Współ. korelacji liniowej: 0,9891
8a	7,5	1	8,93	48,6	0,18

Próba nr 2 z czasem t=300s dla układu S – 1

	kąt skręcania α	zakres	Nap. styczne τ [N/m^2]	pręd. ścinania $\dot{\mathbf{\gamma}}$ [1/m]	Lepkość η [Pa*s]
1b	-----	-----	-----	-----	-----
2b	-----	-----	-----	-----	-----
1a	12,0	1	16,80	3,0	5,60
3b	15,0	1	21,00	4,5	4,67
2a	10,0	1	14,00	5,4	2,59
4b	16,5	1	23,10	8,1	2,85
3a	-----	-----	-----	-----	-----
5b	-----	-----	-----	-----	-----
4a	14,0	1	19,60	16,2	1,21
6b	13,5	1	18,90	24,3	0,78
5a	-----	-----	-----	-----	-----
7b	11,5	1	16,10	40,5	0,40
6a	10,5	1	14,70	48,6	0,30
8b	12,0	1	16,80	72,9	0,23
7a	20,0	1	28,00	81,0	0,35
9b	18,0	1	25,20	121,5	0,21
8a	25,0	1	35,00	145,8	0,24
10b	23,5	1	32,90	218,7	0,15	Wykładnik płynięcia: 0,1756
9a	24,0	1	33,60	243,0	0,14
11b	25,0	1	35,00	364,5	0,10	Log współczynnika konsystencji: 1,0749
10a	23,5	1	32,90	437,4	0,08
12b	28,0	1	39,20	656,0	0,06	Współ. korelacji liniowej: 0,8274
11a	28,5	1	39,90	729,0	0,05
12a	37,5	1	52,78	1312,0	0,04
PO CZASIE T=300s
12a	34,5	1	48,30	1312,0	0,04
11a	29,0	1	40,60	729,0	0,06
12b	22,5	1	31,50	656,0	0,05	Wykładnik płynięcia: 0,6228
10a	16,5	1	23,10	437,4	0,05
11b	15,0	1	21,00	364,5	0,06	Log współczynnika konsystencji: -0,2467
9a	12,0	1	16,80	243,0	0,07
10b	11,0	1	15,40	218,7	0,07	Współ. korelacji liniowej: 0,9817
8a	10,0	1	14,00	145,8	0,1

• Na podstawie powyższych wartości prędkości ścinania oraz naprężeń stycznych program Rheotest wykreślił następujące wykresy dla obu prób:
  τ =f($\dot{\mathbf{\gamma}}$) ; logτ =f(log$\dot{\mathbf{\gamma}}$) oraz η = ƒ($\dot{\mathbf{\gamma}}$)

• Próba nr 1dla S-2

• Próba nr 1 dla S-2 po czasie t=100s

• Próba nr 2dla S-1

• Próba nr 2 dla S-1 po czasie t=300s

• Wykres zależności: η = ƒ($\dot{\mathbf{\gamma}}$)

• Na podstawie otrzymanych wykresów zależności η = ƒ($\dot{\mathbf{\gamma}}$) dla próby 1 (S-2) oraz próby 2 (S-1) wyznaczono wielkości charakterystyczne dla badanej cieczy:

• Próba nr 1 z czasem t=100s

$${\eta_{\min} = 0,07\ \lbrack Pa \bullet s\rbrack}{\gamma_{\max} = 437\ \left\lbrack \frac{1}{m} \right\rbrack}$$

• Próba nr 2 z czasem t=300s

$${\eta_{\min} = 0,04\ \lbrack Pa \bullet s\rbrack}{\gamma_{\max} = 1312\ \left\lbrack \frac{1}{m} \right\rbrack}$$

1. Wnioski

Na podstawie przeprowadzonego doświadczenia oraz otrzymanych danych możemy wnioskować, że przeprowadzone badanie zostało wykonane poprawnie. Na wykresach zależności η = ƒ($\dot{\mathbf{\gamma}}$) możemy zauważyć że odpowiednio w czasie t=100 s oraz t=300s badana ciecz odbudowywuje strukturę tiksotropową co wiąże się ze wzrostem lepkości.

Z wyznaczonych wartości lepkości substancji możemy wnioskować, że czas pomiędzy pomiarami 1 i 2 który wynosił 20 min był zbyt krótki, aby w badanej substancji środek tiksotropujący był w stanie odbudować strukturę tiksotropową w całej objętości cieczy. Świadczy o tym fakt, że wartości lepkości na początkach prób 1 oraz 2 znacznie się od siebie różnią.

Na podstawie otrzymanych wykresów η = ƒ($\dot{\mathbf{\gamma}}$) możemy stwierdzić, że badaną cieczą najprawdopodobniej jest ciecz pseudoplastyczna, która w dużym stopniu różni sie od cieczy newtonowskich dla których lepkość wraz ze wzrostem szybkości ścinania nie zmienia się. Ciecze pseudoplastyczne, można zaliczyć do cieczy tiksotropowych w wypadku którym następuje uporządkowanie cząsteczek struktury cieczy po ustaniu działania sił ścinających.