Viskozite ve Reoloji

Viskozite ve Reoloji



Pınar Okay / Kimya Mühendisi  - Kalite Kontrol Sorumlusu - Budin Akarca Mürekkep ve Boya San. A.Ş.

Mürekkep üretiminde, bitmiş ürün özelliklerinin belirlenmesinde önemli bir yer tutan viskozite, ürünün üretim aşamasında kullanılan hammaddelerin özelliklerine göre şekillenmektedir. Üretim aşamasında kullanılan hammadde ve yarı mamüllerin akış özellikleri, proseste ürünler karıştırıldığında oluşan nihai ürün özelliklerinde reolojinin önemi ortaya çıkmaktadır. Diğer bir deyişle, mürekkebin reolojik özellikleri, mürekkebin fiziksel özelliklerinin ortaya çıkmasında belirleyici faktör olmaktadır. Mürekkebin ambalajı içindeki görüntüsü, akışkanlığı, baskı makinesindeki hareketi, klişeye tutunması, basılacağı malzemeye transferi ve benzeri özellikleri mürekkebin reolojik özellikleriyle doğrudan alakalıdır.

Reoloji, Latince "rheos” (-iş) ve "logos” (-bilim) kelimelerinden oluşmaktadır. Kısaca sıvı cisimlerin akış, katı cisimlerin fiziksel bozunma özelliklerini inceleyen, tanımlayan bilim dalıdır diyebiliriz.

Konu akışkan sıvılar olduğunda ister istemez viskozite kavramı kullanılmaya başlanmaktadır. En basit tanımıyla viskozite; bir sıvının akmaya karşı gösterdiği direnç olarak açıklanabilir. Sıvının kağıt destesi gibi, üst üste katmanlar halinde olduğu varsayılarak, sıvı yüzeyine kuvvet uygulandığında, hareketi başlatmak için gereken, birim alana uygulanan kuvvet "kayma gerilimi” (shearing stress) olarak adlandırılır. Kayma gerilimi aynı zamanda düzlemlerin yer değiştirmesine de neden olur.
Sıvı tabakalarının birbirine göre hareketini engelleyen, sıvıların iç sürtünmesi olarak da tanımlanan "dinamik viskozite” (mutlak viskozite)’dir. Farklı sıvıların iç sürtünme kuvvetleri birbirinden olacaktır.

Sıvıların viskozitesine etki eden bir başka unsur sıcaklıktır. Sıvının belli sıcaklıktaki dinamik viskozitesinin aynı sıcaklıktaki yoğunluk değerine bölünmesiyle elde edilen değer "kinematik viskozite” olarak adlandırılır.

Dinamik viskozitenin birimi cgs sisteminde Poise iken uluslar arası SI birim sisteminde Newton/metrekare (Pascal saniye)’dir. Mili Pascal saniye daha fazla kullanılmaktadır. Kinematik viskozitenin birimi ise Stoke’dur.

Viskozite, sıvının akmaya karşı gösterdiği direnç olarak tanımlandığında, akışkanlık viskozitenin tersten tanımı olarak ortaya çıkmaktadır. Şöyle ki; akmaya karşı direnç göstermeyen veya çok az direnç gösteren sıvılar "akışkan”, akmaya karşı direnç gösteren sıvılar "akışkan olmayan” veya "viskoz” olarak adlandırılır.

Newton, sıvıları akış özelliklerine göre;

a- Newtonian akış gösterenler
b- Newtonian akış göstermeyenler olarak ikiye ayırmıştır.

Newtonian akış özelliği gösteren sıvılarda kayma gerilimi (shear stress), kayma deformasyonunun değişme hızı (shear rate) ile orantılı olarak artmaktadır. Akış eğrisi orjinden geçen bir doğru olarak grafiği çizilebilir.

  Newtonian akış göstermeyen sistemlerde kayma gerilimi ile, kayma deformasyonunun değişme hızı doğrusal olarak değişmez. Newtonian olmayan sıvıların akış eğrileri üç sınıfa ayrılırlar;

a- Plastik akış,
b- Pseudoplastik akış,
c- Dilatant akış.







Şekil 1: Newtonian akış grafiği

a-Plastik Akış:
Plastik akış özelliğine sahip sıvıların akış eğrisi orjinden geçmez. Diğer bir deyişle bu tip sıvılar hemen akmazlar. Akışın oluşması için kayma geriliminin belli bir eşik değerine (yield value) ulaşması gerekir. Akış eğrisi başlangıçta eğri, daha sonra doğrusal olarak şekillenir. Doğrusal kısmın X eksenini kestiği eşik noktasından sonra akmaya başlayan sıvı, bu noktadan sonra Newtonian akış özellikleri gösterir. Bu akış tipi aynı zamanda Bingham akış olarak da adlandırılmaktadır.

















Şekil 2: Plastik akış grafiği


Süspansiyonlar ve floküle olmuş sistemler plastik akış özellikleri gösterirler. Eşik değerine ulaşıldığında tanecikler arasındaki Van-der Waals kuvvetinden doğan bağlar kopar.

b-Pseudoplastik Akış: Pseudoplastik akışta, akış eğrisi orjinden başlar, Bingham akışta olduğu gibi eşik değeri yoktur. Pseudoplastik bir sıvının viskozitesi, kayma hızı arttıkça azalacağı için tek bir nokta ile ifade edilemez. Pseudoplastik akış eğrisi doğrusal değildir, logaritmik olarak ifade edilmektedir.
Polimer çözeltileri, polimer içeren yarı katı sistemler, doğal ve sentetik zamklar, metil selüloz gibi maddeler pseudoplastik akış özelliği gösteren sıvılara örnek olarak verilebilir.



Şekil 3: Pseudoplastik akış grafiği

b-Dilatant Akış: Kayma gerilimi arttıkça viskozitenin de arttığı bu sıvılar için pseudoplastik akışın tersi davranış gösterir demek yanlış olmayacaktır. Diğer bir deyişle bu tip sıvılar karıştırıldıkça koyulaşırlar.
Konsantre partiküllerin dispersiyonları, çeşitli süspansiyonlar, emülsiyonlar ve yağlı boyalar bu tür akış gösteren sıvılara örnek olarak verilebilir. Defloküle katı parçacık oranının arttığı süspansiyonlarda daha fazla görülmektedir.


Şekil 4: Dilatant akış grafiği

Tiksotropi: Bazı kaynaklarda ayrı bir akış tipi olarak değerlendirilen tiksotropi, zamana bağlı olarak akış özelliğinin değişmesi olarak tanımlanır. Tiksotropide gerilim ve viskozluk geri dönüşümlü (reversible) olarak azalmaktadır. Gerilim uygulandığında akışkan hale geçen sıvı, gerilimin kalkmasından bir süre sonra eski haline dönmektedir.
Tiksotropide sıvı durağan halde iken fiziksel yapısı katı- jelimsi haldedir. Sıvıya kuvvet uygulandığında akış başlar ve ancak kuvvet ortadan kalktığında sıvı zamanla başlangıçtaki katı-jelimsi haline geri döner. Bu sebeple ayrı bir akış tipi olarak adlandırılmak yerine diğer akış tiplerinin zamana bağlı yapısal değişimi olarak tanımlanmaktadır.



Şekil 5: Tiksotropik akış grafiği


Viskozite ve Sıcaklık Etkileşimi:
Aynı sıvıyı alır farklı sıcaklıklarda viskozitesini ölçerseniz farklı değerler bulursunuz. Bulduğunuz bütün değerler doğrudur. Hepsi aynı sıvıya ait viskozite değerleridir. Tek değişen sıvının sıcaklığıdır. Sıcaklık arttığında akıcılık artmaktadır. Bu nedenle ölçülen viskozite değeri düşer. Sıcaklık azaldığında ise akıcılık da azalmakta dolayısıyla ölçülen viskozite değeri artar. Sıcaklık ve viskozite arasındaki bu yakın etkileşim nedeniyle viskozite ölçümlerinin sabit sıcaklıkta yapılması gerekmektedir.

Reoloji ve Viskozite İlişkisi :

Doğru bir viskozite, uygun yöntemle ölçülecek viskozite değeri ve bu değer ile yapılacak doğru değerlendirme, sistemin reolojik özellikleri konusunda doğru sonuçlar verecektir. Sıcaklık ve işlem parametrelerini dikkate alarak tasarlanmış bir çok viskozite ölçüm cihazı ve yöntemi bulunmaktadır. En önemli nokta sıvının akış özelliklerinin tespit edilmesi ve kısa zamanda, kolaylıkla doğru ölçümün alınabilmesidir. Reolojik ölçümle kastedilen, gerilim ve kayma hızı, hatta viskoelastisite arasındaki fonksiyonel ilişkinin ortaya konulmasıdır. Newtonian sıvıların akış özelliği ve viskozitesini tespit etmek için tek noktalı ölçüm yapan viskozimetreler yeterli olurken, Newtonian olmayan sıvılar için çok noktalı ölçüm yapan viskozimetrelerin kullanılması gerekmektedir.

Genel olarak viskozimetreler iki prensibe göre çalışırlar;

• Sıvının akışa karşı direncini ölçenler
• Sıvının içindeki katı cismin hareketine gösterdiği direnci ölçenler.
Mürekkep ve boya sektörlerinde kullanım kolaylığı ve maliyet avantajı nedeniyle akışa karşı direnci zaman doğrusunda ölçen akış ölçer (flow cup) tiplerinden DIN-Cup veya Ford-Cup’lar kullanılmaktadır. Newtonian tipi sıvılarda kullanım için uygun olan bu tip akış ölçerlerin, Newtonian olmayan veya tiksotropik sıvılarda kullanımı kimi zaman sakıncalı durumların ortaya çıkmasına neden olabilmektedir. Sıcaklık değişiminin viskoziteye etkisinin de unutulmaması gerekmektedir. Sonuç olarak, sıvının reolojik özellikleriyle ilgili fikir verecek olan viskozite kontrolünün ürünün özellikleri tam olarak bilinerek, ulaşılacak sonuçları etkileyecek kontrol şartlarının tam olarak sağlandığından emin olunarak testlerin uygulanması gerekmektedir. Ürünün fiziksel durumuna göre, karıştırmadan, viskozitesini ayarlamak üzere inceltici katılmamalı, gereksiz girilecek solventin renkte ve ürünün kimyasal ve fiziksel özelliklerinde yaratacağı etkiler göz ardı edilmemelidir.
Bu konuda üretici firmaların yönlendirmeleri, ürüne ait kullanım ve teknik bilgi föyleri dikkatle incelenmelidir.