Reologie

Rheologie heeft toepassingen in de materiaalkunde, techniek, geofysica, fysiologie, menselijke biologie en farmaceutica. De materiaalkunde wordt gebruikt bij de produktie van vele industrieel belangrijke stoffen, zoals cement, verf en chocolade, die complexe vloei-eigenschappen hebben. Bovendien is de plasticiteitstheorie van even groot belang geweest voor het ontwerp van metaalvormingsprocessen. De wetenschap van de reologie en de karakterisering van visco-elastische eigenschappen bij de produktie en het gebruik van polymere materialen is van cruciaal belang geweest voor de produktie van vele produkten voor gebruik in zowel de industriële als de militaire sector.De studie van de vloei-eigenschappen van vloeistoffen is belangrijk voor apothekers die werken bij de vervaardiging van verschillende doseringsvormen, zoals eenvoudige vloeistoffen, zalven, crèmes, pasta’s enz. Het vloeigedrag van vloeistoffen onder toegepaste spanning is van groot belang op het gebied van de farmacie. Het vloeigedrag van vloeistoffen onder toegepaste spanning is van groot belang in de farmacie. Vloei-eigenschappen worden gebruikt als belangrijke instrumenten voor kwaliteitscontrole om de superioriteit van het product te handhaven en batch-tot-batch variaties te verminderen.

MateriaalkundeEdit

PolymerenEdit

Er kunnen voorbeelden worden gegeven ter illustratie van de mogelijke toepassingen van deze principes op praktische problemen bij de verwerking en het gebruik van rubbers, kunststoffen en vezels. Polymeren vormen de basismaterialen van de rubber- en kunststofindustrie en zijn van vitaal belang voor de textiel-, aardolie-, automobiel-, papier- en farmaceutische industrie. Hun visco-elastische eigenschappen zijn bepalend voor de mechanische prestaties van de eindproducten van deze industrieën, en ook voor het succes van verwerkingsmethoden in tussenstadia van de productie.

In visco-elastische materialen, zoals de meeste polymeren en kunststoffen, hangt de aanwezigheid van vloeistofachtig gedrag af van de eigenschappen van en varieert dus met de snelheid van de uitgeoefende belasting, d.w.z. de snelheid waarmee een kracht wordt uitgeoefend. Het siliconenspeeltje “Silly Putty” gedraagt zich heel verschillend naar gelang van de tijd waarin een kracht wordt uitgeoefend. Trek er langzaam aan en het vertoont een continue stroom, vergelijkbaar met die in een zeer viskeuze vloeistof. Anderzijds, wanneer het hard en direct wordt geraakt, versplintert het als een silicaatglas.

Daarnaast ondergaat conventioneel rubber een glasovergang (vaak een rubber-glas overgang genoemd). De ramp met de Space Shuttle Challenger werd bijvoorbeeld veroorzaakt door rubberen O-ringen die ver onder hun glasovergangstemperatuur werden gebruikt op een ongewoon koude ochtend in Florida, en daardoor niet voldoende konden buigen om de juiste afdichtingen te vormen tussen de secties van de twee raketaanjagers met vaste brandstof.

BiopolymerenEdit

Lineaire structuur van cellulose – het meest voorkomende bestanddeel van al het organische plantenleven op aarde. * Let op het bewijs van waterstofbinding die de viscositeit verhoogt bij elke temperatuur en druk. Dit is een effect dat vergelijkbaar is met dat van polymeervernetting, maar minder uitgesproken.

Sol-gelEdit

Polymerisatieproces van tetraethylorthosilicaat (TEOS) en water tot amorfe gehydrateerde silica-deeltjes (Si-OH) kan rheologisch worden gevolgd met een aantal verschillende methoden.

Als de viscositeit van een oplossing in het juiste bereik wordt gebracht, kunnen zowel glasvezels van optische kwaliteit als vuurvaste keramische vezels worden getrokken, die respectievelijk worden gebruikt voor optische vezelsensoren en thermische isolatie. De mechanismen van hydrolyse en condensatie, en de reologische factoren die de structuur in de richting van lineaire of vertakte structuren sturen zijn de meest kritische kwesties van sol-gel wetenschap en technologie.

GeofysicaEdit

De wetenschappelijke discipline van de geofysica omvat de studie van de stroming van gesmolten lava en de studie van puinstromen (vloeibare modderstromen). Deze tak van wetenschap houdt zich ook bezig met vaste aardse materialen die alleen op lange tijdschalen stroming vertonen. Materialen met een viskeus gedrag worden rhes genoemd. Zo kan graniet plastisch vloeien met een verwaarloosbare vloeispanning bij kamertemperatuur (d.w.z. een viskeuze vloei). Langdurige kruipexperimenten (~10 jaar) geven aan dat de viscositeit van graniet en glas onder omgevingsomstandigheden in de orde van 1020 poises ligt.

FysiologieEdit

Fysiologie omvat de studie van vele lichaamsvloeistoffen die een complexe structuur en samenstelling hebben, en daardoor een breed scala van visco-elastische vloei-eigenschappen vertonen. In het bijzonder is er een gespecialiseerde studie van bloedstroming, hemorheologie genaamd. Dit is de studie van de stromingseigenschappen van bloed en zijn elementen (plasma en gevormde elementen, waaronder rode bloedcellen, witte bloedcellen en bloedplaatjes). De viscositeit van het bloed wordt bepaald door de viscositeit van het plasma, de hematocriet (volumefractie van de rode bloedcel, die 99,9% van de cellulaire elementen uitmaakt) en het mechanisch gedrag van de rode bloedcellen. Daarom is het mechanisme van de rode bloedcellen de belangrijkste determinant van de vloei-eigenschappen van bloed.

VoedselreologieEdit

Voedselreologie is belangrijk bij de vervaardiging en verwerking van voedingsmiddelen, zoals kaas en gelato.

Dikmakers, of verdikkingsmiddelen, zijn stoffen die, wanneer zij aan een waterig mengsel worden toegevoegd, de viscositeit ervan verhogen zonder de andere eigenschappen, zoals de smaak, wezenlijk te wijzigen. Zij geven body, vergroten de stabiliteit en verbeteren de suspensie van toegevoegde ingrediënten. Verdikkingsmiddelen worden vaak gebruikt als levensmiddelenadditieven en in cosmetica en producten voor persoonlijke hygiëne. Sommige verdikkingsmiddelen zijn geleermiddelen, die een gel vormen. De middelen zijn materialen die worden gebruikt om vloeibare oplossingen, emulsies en suspensies in te dikken en te stabiliseren. Zij lossen op in de vloeistoffase als een colloïdmengsel dat een zwak cohesieve inwendige structuur vormt. Voedselverdikkingsmiddelen zijn vaak gebaseerd op polysacchariden (zetmeel, plantaardige gommen en pectine) of eiwitten.

Reologie van betonEdit

De verwerkbaarheid van beton en mortel is gerelateerd aan de reologische eigenschappen van de verse cementpasta. De mechanische eigenschappen van verhard beton nemen toe als er minder water wordt gebruikt in het betonmengselontwerp, maar het verminderen van de water-cementverhouding kan het meng- en toepassingsgemak verminderen. Om deze ongewenste effecten te vermijden, worden meestal superplastificeerders toegevoegd om de schijnbare vloeispanning en de viscositeit van de verse pasta te verminderen. De toevoeging ervan verbetert de eigenschappen van beton en mortel aanzienlijk.

Rheologie van gevulde polymerenEdit

De incorporatie van verschillende soorten vulstoffen in polymeren is een gangbaar middel om de kosten te drukken en het resulterende materiaal bepaalde gewenste mechanische, thermische, elektrische en magnetische eigenschappen te verlenen. De voordelen die gevulde polymeren te bieden hebben, gaan gepaard met een grotere complexiteit van het reologische gedrag.

Wanneer het gebruik van vulstoffen wordt overwogen, moet gewoonlijk een compromis worden gesloten tussen de verbeterde mechanische eigenschappen in vaste toestand enerzijds en de grotere moeilijkheidsgraad bij het smelten, het probleem om een uniforme dispersie van de vulstof in de polymeermatrix te verkrijgen en de economische aspecten van het proces als gevolg van de extra stap van het samenstellen anderzijds. De reologische eigenschappen van gevulde polymeren worden niet alleen bepaald door het type en de hoeveelheid vulstof, maar ook door de vorm, de grootte en de grootteverdeling van de deeltjes ervan. De viscositeit van gevulde systemen neemt in het algemeen toe met toenemende fractie van de vulstof. Dit kan gedeeltelijk worden gecompenseerd door brede deeltjesgrootteverdelingen via het Farris-effect. Een bijkomende factor is de spanningsoverdracht op het grensvlak tussen vulstof en polymeer. De interfaciale adhesie kan aanzienlijk worden verbeterd via een koppelmiddel dat goed hecht aan zowel het polymeer als de vulstofdeeltjes. Het type en de hoeveelheid oppervlaktebehandeling van de vulstof zijn dus extra parameters die de reologische en materiaaleigenschappen van gevulde polymere systemen beïnvloeden.

Het is belangrijk om bij de reologische karakterisering van sterk gevulde materialen rekening te houden met wandslip, omdat er een groot verschil kan zijn tussen de werkelijke rek en de gemeten rek.