Arayüzey reolojisi
Arayüzey, birbiriyle karışmayan iki fazın temas bölgesidir (örn. su-yağ arayüzeyi). Arayüzey Reoloji Sistemi (IRS), iki sıvı arasındaki veya bir sıvı ile hava gibi bir gaz arasındaki arayüzey tabakasının reolojik özelliklerini ölçmek için kullanılır. Farklı yüzey aktif maddelerin arayüzey filminin kararlılığı üzerindeki etkilerinin incelenmesine olanak tanır (örn. emülsiyonlar, köpük formülasyonları veya damlacıkların kararlılığı) ve en zayıf arayüzey yapılarında bile reolojik ölçümlerin gerçekleştirilmesini mümkün kılar.
Arka plan
IRS, bir MCR reometresi ile birlikte kullanıldığında, hava/sıvı ve sıvı/sıvı arayüzlerindeki filmler için iki boyutlu olarak adlandırılan reolojik ölçümlere olanak tanır.
Bu ölçümlerde kayma gerilmesi, τs ile gösterilen arayüz kayma gerilmesi olarak ifade edilir; birimi [τs] = Pa·m'dir. Viskozite ise, τs = ηs · γ bağıntısına göre ηs ile gösterilen arayüz kayma viskozitesi olarak ifade edilir. Arayüz kayma viskozitesi, [ηs] = Pa·s·m = N·s/m birimiyle veya yüzey puazı cinsinden ifade edilir.
Arayüze özel bir ölçüm sistemi yerleştirilir ve absorbe olmuş veya arayüz üzerine yayılmış filmler ölçülür (örn. proteinlerin veya yüzey aktif maddelerin oluşturduğu filmler).
Arayüzey reolojisinde kullanılan iki ana ölçüm geometrisi şunlardır:
- Çift koni geometrisi:
- Sıvı-sıvı (su-yağ) ve su-gaz (hava) arayüzlerinin ölçümü
- İyi tanımlanmış kayma alanı
- Yüksek viskoziteli sistemlerin ölçümü
- Çift cidarlı halka (DWR):
- Sıvı-gaz (hava) arayüzlerinde ölçüm; sıvı-sıvı (su-yağ) arayüzlerinde ölçüm sınırlı ölçüde mümkündür
- İyi tanımlanmış kayma alanı
- Alt fazın etkisi düşüktür (yüksek Boussinesq sayısı)
Lütfen unutmayın: Arayüzey kayma reolojisi, ancak arayüzde bir film mevcutsa anlamlıdır. Arayüzey filmleri oluşturmanın iki temel yöntemi vardır: yayma veya absorpsiyon.
Yayma ile hazırlanan filmler(özellikle düşük molekül ağırlıklı yüzey aktif maddeler için) şu şekilde oluşturulabilir:
- Yüzey aktif maddenin bir yayma çözücüsünde çözündürülmesi (örn. hekzan, etanol, kloroform)
- Çözeltinin mikro şırınga kullanılarak doğrudan su yüzeyine yayılması
- Çözücünün tamamen buharlaşmasının beklenmesi
- Yağ fazının yüzey aktif madde filminin üzerine dökülmesi
Absorbe olmuş filmler(örn. protein arayüzey tabakaları için) yığın fazdan arayüze absorpsiyon yoluyla oluşur. Bu, şu şekilde gerçekleştirilebilir:
- Proteinlerin damıtılmış suda çözündürülmesi
- Yağ fazının sulu protein çözeltisinin üzerine yavaşça dökülmesi
MCR reometresiyle birlikte kullanılan çift koni veya DWR geometrili IRS, en zayıf arayüzey yapılarında bile arayüzey reolojisi ölçümlerine olanak tanır. Ayrıca çift koni geometrisiyle yüksek arayüzey viskoziteleri de ölçülebilir.
Ham veriler, yaygın olarak kullanılan standart reolojik testlerle elde edilir ve arayüzey özellikleri daha sonra bu verilerden hesaplanır. İzleyen veri işleme adımında gerçekleştirilen hidrodinamik akış alanı analizi, hacim fazının ve örtü fazının katkılarını çıkarır ve ölçülen arayüzey tabakasına ait ilgili arayüzey özelliklerini hesaplar. Ölçümler rotasyonel ve salınımlı modlarda gerçekleştirilebilir. Bu sayede, örneğin arayüzey tabakasında akış eğrileri ve sürünme testleri ya da film oluşumu sırasında salınımlı testler yapılabilir.
Sıcaklık, Peltier elemanları kullanılarak 5 °C ile 70 °C arasında kontrol edilir. MCR reometresinin hava yatağına entegre patentli normal kuvvet sensörü, her geometrinin arayüzeye hassas biçimde konumlandırılmasını sağlar.
Arayüzey reolojisinde gerçekleştirilebilen tipik testler şunlardır:
- Arayüzey filmi oluşumunu izlemeye yönelik zamana bağlı testler
- Akış eğrileri
- Genlik taramaları
- Frekans taramaları
Tipik uygulamalar:
Ölçüm örneği
Aşağıdaki şekil, kahve kremasının arayüzey reolojik özelliklerinin incelendiği temsili bir ölçümü göstermektedir. Şekil, aynı kahve numunesinin üç farklı konsantrasyonda film oluşumunu göstermektedir. Sabit gerinim ve sabit frekansta ölçüm yapıldığında, yüzey aktif bileşenlerin sıvı/hava arayüzündeki adsorpsiyonu ve ağ yapısının oluşumu izlenebilir. Daha yüksek konsantrasyonlarda film, daha kısa sürede elastik davranış sergiler. En düşük konsantrasyonda modüller daha uzun süre artmaya devam eder ve deneyin sonunda bile plato değerlerine ulaşmaz. Bu durum, kahve tozu konsantrasyonu arttıkça film oluşumunun hızlandığını göstermektedir.
