AKO KONTROLOVAŤ REOLÓGIU ZMENOU VLASTNOSTÍ ČASTÍC (VEĽKOSŤ, TVAR A ZETA POTENCIÁL).

Charakterizácia častíc je veľmi dôležitá činnosť pre priemysel aj vedu a zoznam dostupných analytických technológií sa rozširuje. V tomto článku sa budeme venovať základom charakterizácie častíc a výhodám a obmedzeniam najdôležitejších technológií s cieľom pomôcť pri výbere najvhodnejšej technológie v súčasnosti.

Napríklad:

• Pri výrobe atramentov chápeme reológiu a vlastnosti častíc tak, aby sme mohli meniť podiel práškového pigmentu a splniť tak požiadavky rôznych receptúr pri zachovaní kritických reologických vlastností dôležitých pre optimálnu tlač
• pri výrobe cementu sa reológia a vlastnosti častíc chápu ako morfológia agregátov, ktoré možno použiť na optimalizáciu tokových vlastností cementov počas výroby a používania
• v kozmetických a ochranných receptúrach je dôležité pochopiť vzťah medzi reológiou a vlastnosťami častíc, aby sa dosiahla stabilita receptúry, spokojnosť zákazníka a aplikačný výkon.

Fyzikálne vlastnosti dispergovaných častíc, ako je priemerná veľkosť častíc, distribúcia veľkosti častíc, zeta potenciál alebo náboj častíc a dokonca aj tvar častíc, majú vplyv na vlastnosti celkovej hmoty, napríklad na tokové vlastnosti.

Týchto „Desať ciest….“ vedú k pochopeniu základných vlastností disperzných systémov a zároveň ukazujú, ako ovplyvňujú ich tokové vlastnosti. Zaoberáme sa tu pochopením vlastností týchto materiálov, ako je ich reológia (tokové správanie), ktorá je založená na zmenách veľkosti, tvaru a zeta potenciálu častíc. V konečnom dôsledku to vedie k našej schopnosti ovplyvňovať reológiu materiálov s cieľom riadiť ich tokové a viskozitné vlastnosti.

Vo všeobecnosti možno viskozitu zvýšiť zmenšením veľkosti častíc

Ak zmenšíme veľkosť častíc pri konštantnom objemovom podiele, zvýšime počet častíc a tiež zvýšime interakcie medzi časticami. Toto je špeciálny prípad patriaci submikrónovým časticiam. V prípade týchto častíc sa efektívna hydrodynamická veľkosť podstatne zvyšuje o povrchový náboj hydratačnej alebo adsorpčnej vrstvy, ktorá obklopuje jadro každej častice. Tieto vrstvy zosilňujú účinok zvyšovania počtu prítomných častíc a vedú k vyššiemu efektívnemu objemu danej frakcie, čím sa zvyšuje viskozita suspenzie. Tento účinok je v tomto rozsahu účinnejší vzhľadom na skutočnosť, že pri nízkych rýchlostiach smykovej deformácie prevládajú medzidielne (koloidné) interakcie.

Obr. 1 – Závislosť viskozity od veľkosti častíc

Zníženie viskozity zvýšením veľkosti častíc

Naopak, zmenšenie veľkosti častíc vedie k menšiemu nárastu viskozity, a to preto, že akékoľvek relatívne zvýšenie efektívnej hydrodynamickej veľkosti častíc v dôsledku povrchového náboja alebo absorpčnej vrstvy je menej významné. Keďže medzičasticové (koloidné) interakcie sú dominantné, tento účinok je účinnejší pri nízkych rýchlostiach strihovej deformácie.

Obr. 2 – Zníženie viskozity zväčšením veľkosti častíc

Rozšírenie distribúcie veľkosti častíc (rozpätie) a zníženie viskozity

Častice, ktoré vykazujú širšiu distribúciu veľkosti (s väčšou polydisperzitou), majú väčšiu tendenciu zhlukovať sa ako suspenzie častíc rovnakej veľkosti (s úzkou distribúciou). V podstate to znamená, že v prípade širokej distribúcie budú mať jednotlivé častice viac priestoru na pohyb, čo znamená, že budú mať lepšie tokové vlastnosti, t. j. nižšiu viskozitu. Zúžením distribúcie sa teda môže zvýšiť viskozita a stabilita suspenzií.

Obr. 3 – Závislosť viskozity od šírky distribúcie častíc

Častice, ktoré majú širšiu distribúciu veľkosti (s väčšou polydisperzitou), majú väčšiu tendenciu zhlukovať sa ako suspenzie častíc rovnakej veľkosti (s úzkou distribúciou). V podstate to znamená, že pri širokej distribúcii budú mať jednotlivé častice viac priestoru na pohyb, čo znamená, že budú mať lepšie tokové vlastnosti, t. j. nižšiu viskozitu. Zúžením distribúcie sa teda môže zvýšiť viskozita a stabilita suspenzií.

Kombináciou účinkov veľkosti častíc a distribučných účinkov možno dosiahnuť zaujímavé efekty

Napríklad ak vezmeme vzorku s rovnakým podielom relatívne veľkých častíc s malým podielom malých častíc, dostaneme nižšiu viskozitu, ako keby to bolo naopak. V zásade ide o dva protichodné efekty, prvý, ktorý súvisí s rozsahom nárastu medziprvkových interakcií, ktoré sa zvyšujú so zmenšovaním veľkosti častíc a zvyšovaním viskozity, a druhý, ktorý súvisí so zvyšovaním polydisperzity, ktorá znižuje viskozitu. V tomto prípade dominuje efekt polydisperzity spojený s poklesom viskozity, ktorý závisí od podielu prídavku malých častíc.

Obr. 4 – Kombinácia účinkov polydisperzity a veľkosti častíc

Zvyšovanie počtu častíc ovplyvňuje tokové vlastnosti

V situácii, keď je zaručená konštantná veľkosť častíc a do systému sa zavádza čoraz viac častíc, správanie toku postupne prechádza od newtonovského (málo častíc sa zúčastňuje na interakciách so svojimi susedmi) k pseudoplastickému (smykové riedenie = častice môžu interagovať, ale sily sú také malé, že interakciu možno prerušiť zvýšením rýchlosti smykovej deformácie), až po „smykové zhustenie“alebo dilatačné správanie (kde je toľko častíc, že zvýšenie rýchlosti smykovej deformácie vedie k fyzikálnej kolízii častíc a asociácii, čím vzniká dilatačný efekt).

Obrázok 5 – Vplyv počtu častíc na vlastnosti toku

Zmena hodnoty zeta potenciálu (+ alebo -) pre častice menšie ako 1 µm (koloidy) zvyšuje nízku šmykovú viskozitu

Ak sa zeta potenciál zvyšuje, častice sa od seba odpudzujú a ich efektívna veľkosť sa zväčšuje. To v podstate bráni časticiam voľne prúdiť, čím sa zvyšuje viskozita. Tento účinok je výraznejší pri nižších smykových rýchlostiach, keď smykové sily nestačia na prekonanie ich interakcií.

Obr. 6 – Vplyv zeta potenciálu na viskozitu

V prípade disperzií s vyššou koncentráciou, vrátane častíc väčších ako 1 µm (pri ktorých má gravitácia významný vplyv), môže pokles zeta potenciálu smerom k izoelektrickému bodu vytvoriť samonosný gélový systém a vyvolať medzu klzu

V tomto prípade sa častice môžu dostať veľmi blízko k sebe, takže dôjde k vratnej flokulácii v dôsledku Van der Waalsových príťažlivých síl, ale trvalej agregácii zabráni menší rozsah odpudivých síl.

Obr. 7 – Vplyv vyššej disperznej náplne na viskozitu

Jemnejšie častice vykazujú nižšiu viskozitu pri nízkom strihu ako častice, ktoré sú ostrejšie/hrubšie (t. j. majú nižšiu konvexitu)

Častice s nízkou konvexitou majú tendenciu byť obrysovo zložité, čo zvyšuje pravdepodobnosť mechanického odporu voči toku v suspenzii. Okrem toho v porovnaní s hladkými časticami rovnakej veľkosti môžu mať častice s nižšou konvexitou vysoký špecifický povrch, čo zvyšuje silu chemických interakcií medzi časticami. Oba tieto účinky bývajú výraznejšie pri vyššom zaťažení pevnou látkou. Vo všeobecnosti platí, že častice s vyššou drsnosťou spôsobujú väčší rozptyl prúdového poľa vo svojom okolí, čo je jav, ktorý spôsobuje zvýšenie viskozity.

Obrázok 8 – Vplyv konvexity na viskozitu

Častice, ktoré sú podlhovasté, majú tendenciu mať vyššiu hodnotu nižšej smykovej deformácie, ale nižšiu hodnotu vyššej smykovej deformácie ako ich guľatejšie ekvivalenty

Interakcie medzi časticami medzi sférickými časticami majú tendenciu sa so zvyšujúcim sa šmykom rozpadávať, čo zvyšuje mieru pseudoplasticity. Podlhovasté častice sa náhodne orientujú v smere nižšieho šmykového napätia, čím zaberajú väčší objem, ale pri vysokom šmykovom napätí majú tendenciu orientovať sa v smere toku, čo vedie k efektívnejšiemu vyplneniu objemu. Výsledkom je, že suspenzie s podlhovastými časticami vykazujú pseudoplastické správanie, a to vo väčšej miere ako sférické častice, čo vedie k vyšším hodnotám v oblasti nižších smykových deformácií.

Obr. 9 – Vplyv tvaru podlhovastých častíc na viskozitu

Mäkké/deformovateľné častice rovnakej veľkosti majú tendenciu mať vyššiu pseudoplasticitu ako ich tvrdé/tuhé náprotivky

V prípade mäkkých častíc vedie zvyšovanie šmykového napätia k zmene tvaru častíc. To môže viesť k predĺženiu tvaru častíc a pozdĺžnemu usporiadaniu, čo má za následok výraznejšie pseudoplastické správanie a zníženie viskozity.

Obrázok 10 – Vplyv pozdĺžnej deformácie na viskozitu