JAK KONTROLOVAT REOLOGII ZMĚNOU VLASTNOSTÍ ČÁSTIC (VELIKOSTI, TVARU A ZETA POTENCIÁLU)

Charakterizace částic je velmi důležitá činnost jak pro průmysl, tak pro vědeckou sféru, přitom seznam dostupných analytických technologií stále narůstá. V tomto článku se zaměříme na základy popisu částic a na výhody a omezení nejvýznamnějších technologií s cílem pomoci s výběrem dnes nejvhodnější technologie.

Kupříkladu:

• při výrobě inkoustů chápeme reologii a vlastnosti částic tak, že lze měnit podíl práškového pigmentu podle požadavků různých formulací, přičemž se dodržují kritické reologické charakteristiky, důležité pro optimální tisk
• při výrobě cementu se rozumí reologií a vlastnostmi částic to, jak se projevuje morfologie agregátů, jimiž lze optimalizovat tokové vlastnosti cementů během výroby a jejich použití
• v kosmetických a ochranných přípravcích je důležité pochopit poměry mezi reologií a vlastnostmi částic proto, aby bylo dosaženo stability formulačních systémů, spokojenosti zákazníka a aplikačního účinku.

Fyzikální charakteristiky dispergovaných částic, jako průměrná velikost částic, distribuce velikosti částic, zeta potenciál nebo náboj částic a dokonce i tvar částic, to vše má vliv na vlastnosti celkové hmoty, například na tokové vlastnosti.

Těchto „Deset cest….“ vede k poznání základních charakteristik dispergovaných systémů, zároveň demonstrují, jak ovlivňují jejich tokové vlastnosti. Máme zde co činit s chápáním vlastností těchto materiálů, jako je jejich reologie (chování v toku), která vychází ze změn velikosti částic, jejich tvaru a zeta potenciálu. V konečném důsledku to vede k naší schopnosti ovlivňovat reologii materiálů s cílem řídit jejich tokové a viskozitní vlastnosti.

Obecně lze zvyšovat viskozitu zmenšováním velikosti částic

Pokud snižujeme velikost částic u konstantní objemové frakce, zvyšujeme tím počet částic a zároveň zvyšujeme interakcí mezi částicemi. To je speciální případ příslušející submikronovým částicím. U těchto částic se podstatně zvyšuje účinná hydrodynamická velikost o povrchový náboj hydratační nebo adsorpční vrstvy, které obklopují jádro každé částice. Tyto vrstvy umocňují efekt zvyšování počtu přítomných částic a výsledkem je vyšší efektivní objem dané frakce, čímž se zvyšuje viskozita suspenze. Tento efekt je v tomto rozsahu účinnější vzhledem k tomu, že mezičásticové (koloidní) interakce jsou dominantní při nízkých rychlostech smykové deformace.

Snižování viskozity zvětšováním velikosti částic

A obráceně, zmenšení velikosti částic vede k menšímu zvýšení viskozity a to z toho důvodu, že každé relativní zvětšení efektivní hydrodynamické velikosti částice, způsobené povrchovým nábojem nebo absorpční vrstvou, je méně významné. A opět, vzhledem k tomu, že mezičásticové (koloidní) interakce jsou dominantní, je tento efekt účinnější při nízkých rychlostech smykových deformací.

Rozšíření distribuce velikosti částic (span) a snížení viskozity

Částice, které se vyznačují širší distribucí velikostí (s větší polydisperzitou), mají větší sklon ke shlukování než suspenze částic stejných velikostí (s úzkou distribucí). V podstatě to znamená, že u široké distribuce budou mít jednotlivé částice větší prostor k pohybu, což znamená, že budou mít lepší tokové vlastnosti, tzn. nižší viskozitu. Tudíž zúžením distribuce lze zvyšovat viskozitu a stabilitu suspenzí.

Částice, které se vyznačují širší distribucí velikostí (s větší polydisperzitou), mají větší sklon ke shlukování než suspenze částic stejných velikostí (s úzkou distribucí). V podstatě to znamená, že u široké distribuce budou mít jednotlivé částice větší prostor k pohybu, což znamená, že budou mít lepší tokové vlastnosti, tzn. nižší viskozitu. Tudíž zúžením distribuce lze zvyšovat viskozitu a stabilitu suspenzí.

Kombinací efektů vlivů velikosti a distribuce částic lze dosáhnout zajímavých efektů

Například, vezmeme-li vzorek stejné frakce relativně velkých částic s malým podílem malých částic, dostaneme viskozitu menší, než kdyby tomu bylo naopak. V zásadě existují dva protichůdné efekty, první, vztahující se k rozsahu nárůstu mezičásticových interakcí, které se zvyšují se zmenšováním velikosti částic a nárůstem viskozity a druhý, který je spojený se zvýšením polydisperzity, která snižuje viskozitu. Zde dominuje efekt polydisperzity spojený s poklesem viskozity, závislým na podílu přídavku malých částic.

Zvyšování počtu částic má vliv na tokové vlastnosti

Při situaci, kdy je zaručena konstantní velikost částic a kdy se do systému zavádí stále více a více částic, tokové chování postupně přechází od Newtonského (jen málo částic se podílí na interakcích se sousedními), až po pseudoplastické (shear thining = částice mohou na sebe působit, ale síly jsou tak malé, že tuto interakci lze rozrušit zvýšením rychlosti smykové deformace), až po „shear thickening“ čili dilatantní chování (kde je tolik částic, že zvýšení rychlosti smykové deformace vede k fyzické kolizi částic a k jejich asociaci a tím vzniká dilatantní efekt).

Změna hodnoty zeta potenciálu (buď + nebo -) u částic menších než 1 µm (koloidy) zvyšuje nízkosmykovou viskozitu

Pokud se zvyšuje zeta potenciál, jsou částice odpuzovány jedna od druhé a zvyšuje se jejich efektivní velikost. To v podstatě brání částicím ve volném proudění, tudíž se zvyšuje viskozita. Efekt je patrný spíše při nižších smykových rychlostech, kdy jsou střižné síly nedostatečné k překonání jejich interakcí.

Pro disperze o vyšší koncentraci, včetně částic větších než 1 µm (u kterých má významný efekt gravitace), snížení zeta potenciálu směrem k isoelektrickému bodu může tvořit samonosný gelový systém a vyvolat mez kluzu

V tomto případě se mohou částice k sobě dostat velmi blízko tak, aby docházelo k reverzibilní flokulaci díky Van der Waalsovým přitažlivým silám, permanentní agregaci je ale zabráněno menším rozsahem repulsivních sil.

Jemnější částice vykazují nižší nízkosmykové viskozity než ty, které jsou ostřejší/drsnější (tj. mají nižší konvexitu)

Částice s nízkou konvexitou bývají obrysově komplexní a tím se zvyšuje pravděpodobnost mechanického odporu vůči toku v suspenzi. Navíc oproti stejně velkým hladkým částicím může mít částice s nižší konvexitou vysoký měrný povrch, zvyšující pevnost chemických interakcí mezi částicemi. Oba tyto efekty mají tendenci být výraznějšími při vyšším plnění pevnou látkou. Obecně řečeno, částice o vyšší drsnosti způsobují větší rozptyl tokového pole v jejich okolí, což je jev způsobující zvýšení viskozity.

Částice, které jsou protáhlé, mívají sklon k vyšší hodnotě nižší rychlosti smykové deformace, ale nižší hodnotě vyšší rychlosti smykové deformace, než jejich ekvivalenty s kulovitějším tvarem

Mezičásticové interakce mezi sférickými částicemi se obvykle rozpadají s nárůstem smyku a to zvyšuje míru pseudoplasticity. Podlouhlé částice se náhodně orientují ve směru nižšího smykového namáhání, tím zaujímají větší objem, ale při vysokém smykovém namáhání budou mít tendenci se orientovat ve směru toku, což vede k účinnějšímu objemovému zaplnění. To má za následek, že suspenze s protáhlými částicemi vykazují pseudoplastické chování a to ve větším měřítku, než kulové částice, což vede k vyšším hodnotám v oblasti nižších rychlostí smykové deformace.

Měkké/deformovatelné částice o stejné velikosti mají tendenci k vyšší pseudoplasticitě než jejich tvrdé/pevné ekvivalenty

U měkkých částic vede zvyšování smykového namáhání ke změně tvaru částic. To může vést k prodlužování tvaru částic a jejich podélnému uspořádání, což vede k výraznějšímu pseudoplastickému chování a k poklesu viskozity.