Okre lenie wpływu czasu na lepko . Analiza zjawiska

Okre lenie wpływu czasu na lepko . Analiza zjawiska

Okre lenie wpływu czasu na lepko . Analiza zjawiska tiksotropii.
Wst p
W skomplikowanych układach biopolimerów, do których nale
wodne układy skrobi i
hydrokoloidów nieskrobiowych, wyst puje silne, wzajemne oddziaływanie pomi dzy
cz steczkami. Stabilno
struktury zale y od stanu w jakim on si
znajduje. W stanie
spoczynku struktura powstaje, natomiast je eli układ zostanie poddany
cinaniu sie
przestrzenna mo e ulec rozpadowi. Przy danej szybko ci cinania ustala si wi c równowaga
dynamiczna pomi dzy szybko ci rozpadu i tworzenia struktury. Zjawisko to znajduje odbicie
w zachowaniu lepko ci, która zmienia si w czasie d
c do warto ci równowagowej.
W przypadku mieszanin biopolimerów zaobserwowa
mo na wi c zjawisko tiksotropii.
Ogólnie płyn wykazuj cy tiksotropi mo na scharakteryzowa nast puj co:
•
je eli płyn znajduje si w stanie spoczynku tworzy si struktura;
•
struktura mo e ulec zniszczeniu poprzez poddanie płynu cinaniu;
•
proces niszczenia i odbudowy jest odwracalny;
•
wykazuje charakterystyczne zachowanie podczas przepływu laminarnego.
Zale no
lepko ci od czasu dla płynu tiksotropowego mo na wyja ni przystosowywaniem
si struktury układu do aktualnych warunków cinania. Z tego te powodu Cheng i Evans
zaproponowali wprowadzenie pewnej wielko ci fenomenologicznej opisuj cej ilo ciowo stan
struktury płynu. W ten sposób powstała koncepcja parametru strukturalnego λ zwana teori
_
pojedynczej struktury płynu tiksotropowego. Zgodnie z ni
laminarnym przepływie
lepko
cinaj cym zale y nie tylko od szybko ci
substancji przy
cinania ale i od
_
chwilowego stanu struktury, który mo na opisa za pomoc parametru strukturalnego. W
momencie przyło enia napr e
cinaj cych ustala si równowaga pomi dzy szybko ci
niszczenia i odbudowy struktury
Cel wiczenia
Celem wiczenia jest okre lenie wpływu czasu na lepko
kleików skrobi kukurydzianej oraz
wodnego roztworu gumy ksantanowej w dwóch temperaturach: 200C i 500C.
Metodyka pomiaru
Pomiary testu p tli histerezy i zale no ci lepko ci od czasu wykonane zostan za pomoc
reometru RS150 Haake przy u yciu procedur programu RheoWin (Haake).
W pierwszej kolejno ci wykonany zostanie test jako ciowy p tli histerezy. Polega on na
pomiarze napr e τ w funkcji szybko ci cinania γ& . W tym celu okre la si zakres szybko ci
cinania (np. od 0 do 100 s-1) oraz czas w jakim na by realizowany test. Podczas wzrostu
szybko ci cinania rejestruje si odpowied układu (warto ci napr enia τ linia „w gór ”), a
po osi gni ciu zadanej górnej warto ci szybko ci cinania (na rysunku jest to 100s-1)
stopniowo zmniejsza si γ& a do zera rejestruj c warto ci τ (linia „w dół”).
30
25
20
τ, Pa
w gór
w dół
15
10
5
0
0
20
40
szybko
60
cinania, γ& , s-1
80
100
Je eli krzywe „w gór ” i „w dół” nie pokrywaj si mo na domniemywa , e struktura
badanego układu zmienia si w czasie. Układ tych dwóch krzywych „w gór ” i „w dół”
tworzy wówczas ramiona tzw. p tli histerezy. Poddanie badanego układu cinaniu powoduje
gromadzenie w nim energii mechanicznej, natomiast odj cie cinania implikuje jej utrat
przez układ. Efekt ten manifestuje si wła nie ró nic w przebiegu obu krzywych. Pole
powierzchni wewn trz p tli, której przebieg realizowany był w okre lonym przedziale czasu,
jest miar ilo ci energii jak podczas cinania zgromadził układ.
Dane do wiadczalne typu τ w funkcji γ& uzyskane przy wzrastaj cych warto ciach szybko ci
cinania (krzywa „w gór ”) mo na potraktowa
jako krzyw
płyni cia dla płynu
nienewtonowskiego.
W dalszej kolejno ci dla układu, dla którego test p tli histerezy wypadł pozytywnie,
przeprowadzone zostan badania lepko ci w czasie. Po ochłodzeniu próbki do temperatury
pomiaru i relaksacji w czasie 10 min. badania wykonane zostan za pomoc przygotowanego
wcze niej programu pomiarowego w temperaturze 200C i 500C. Jego idea jest nast puj ca:
dla ustalonej szybko ci cinania z zakresu od 0-1000s-1 bada si zmiany lepko ci pozornej w
_
czasie 600s. Analiza otrzymanych wyników pozwala okre li jak szybko struktura badanego
układu dochodzi do stanu równowagi. Na przykładowym wykresie (poni ej) zaprezentowano
zmiany lepko ci w czasie uzyskane w warunkach dwóch ró nych szybko ci cinania γ& 10s-1
i 50s-1.
12,0
10,0
8,0
η, Pas
10s-1
50s-1
6,0
4,0
2,0
0,0
0
10
20
30
czas, min
40
50
60
Jak wida układ dla małych szybko ci cinania (10s-1) szybciej osi ga stan równowagi, ju po
upływie 10 minut lepko
nie ulega zmianom. Przy szybko ci cinania 50s-1 w ci gu 60 minut
ten sam układ nie jest w stanie doj
do stanu równowagi, lepko
nadal maleje w czasie.
Wykonanie
Ze wzgl du na pojemno
sensora reometru ka da z próbek powinna mie obj to
co
najmniej 80ml.
Kleik skrobi kukurydzianej nale y przygotowa w nast puj cy sposób: nawa k skrobi (1g)
wsypa do odpowiedniej ilo ci wody (99g) i miesza przez 5min. w temperaturze otoczenia.
Nast pnie naczynie umie ci w ła ni wodnej o temperaturze 980C ± 10C i miesza przez
30min. Roztwór ksantanu podobnie: 1g biopolimeru wsypa do 99g wody i miesza a do
rozpuszczenia. Dalej, tak przygotowan mieszanin , umie ci w ła ni wodnej o temperaturze
980C ± 10C i miesza 30min. W celu zminimalizowania ilo ci odparowanej wody wszystkie
operacje prowadzi w zamkni tym naczyniu z niewielkim otworem na o mieszadła. Pozwoli
to na zredukowanie odparowania wody do <0,2g na 80g przygotowywanej próbki.
Przed wlaniem próbki do sensora reometru sprawdzić czy jest on rozgrzany do Ŝądanej
temperatury.
Przedstawienie wyników pomiarów
Wst p teoretyczny sprawozdania zawiera powinien ogólne wiadomo ci na temat reologii i
charakterystyk kleików skrobiowych i wodnych roztworów hydrokoloidów. Opracowanie
wyników pomiarów powinno zawiera :
•
wykresy ilustruj ce otrzymane wyniki,
•
obliczenie pól powierzchni pomi dzy ramionami p tli histerezy (metoda trapezów
zał cznik do instrukcji) i wyznaczenie na tej podstawie ilo ci zmagazynowanej energii
•
estymacj
parametrów dobranego do krzywych płyni cia równania stanu płynu
Ostwalda-de Waele τ = k ⋅ γ& n gdzie k oznacza współczynnik konsystencji a n
wykładnik pot gi. Wielko ci te s parametrami reologicznymi modelu.
Obliczenia wykona w Excelu lub innym arkuszu kalkulacyjnym.
Wnioski
Wnioski przedstawi w punktach.