Phương pháp đo độ nhớt trên nhớt kế quay và một vài khảo sát bước đầu trên tá dược

Tuy nhiên có một số hệ sự tăng này không đáng kể nhiĩng một số hê độ nhớt tăng lên rất mạnh, thậm chí ở nhiệt độ thấp chúng có tính chất của chất rắn dẻo.. ở những hệ phân tán tự do nồng

Bộ Y T Ế ■

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ■ a Dược ■ HÀ NỘI■

NGUYỄN VĂN HUY

PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ NHỚT TRÊN NHỚT KẾ QUAY

DS Giản Tư Phùng Nơi thực hiện:

Bộ môn Vô cơ - Hoá lý ĐH Dược Hà Nội Trung tâm kiểm nghiệm - Sở Y tế Hà Nội

Hà N ộ i-5/2002

Œ d i c ẩ m { ß r t

'Vứi íề n ỹ kírtÁ ũ o n ỹ tm ể iế t <ỉn -tý-õ kariy tô i x in ỡ kđn

th àyf/ỉi cả/yn (ỉrt ¿/f9? tAÍ¿yf/k ^ ứ c tỉ à ^JỀỈjP ^Ỗìả^ri ề/ư ịỉP ỉiùnỹ đ ã

íđ n ũrt/h /iư ứ n ^ d ẫ n -tm ỹìú ỷt, đ d tũ i ỉtũ à rt Ihàyi/ỉi ẳ h o á ¿uđn iế t

n ^ Â iê ỷ t n à y

¿/ế?/ x i n ữ h ã n I k à f J i cả /yn <ỉrt c á c t k ầ '^ c ô ẳ ụ ( ầ u ã t

■ td ên ể ô n tũ -n fM a á Q Ềat ^€ư< ỉng - V ô €Ư - ¿'ệy c á c a r t/h i Á i

ri//tđn ip-iê'yt ổ/'ị.unỹ tâ/rn k iể n t nÿf^Jtiênt - tê JV cí đ ã

yt/ỉiiêi ũrt//t ^¿úỷt đ ĩĩ tm iaũ điều ủiêyi oỉtũ tê ì 'ỉiũàyi ÌAàrt/k ế/w á

MỤC LỤC

Trang

ĐẶT VẤN Đ Ể 1

PHẨN 1 TỔNG Q UA N 3

1.1 Khái niệm về tính chất lưu b iến 3

L1.1 Hệ phân tán tự do và hệ phân tán liên k ế t 3

1.1.2 Tính chất lưu biến và cấu trúc của hệ phân t á n 5

1.2 Những khái niệm cơ bản về lưu biến h ọ c ố 1.2 1 Các hệ N ew to n 6

1.2.2 Hệ lỏng phi N ew to n 9

1.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới độ nhớt của hệ phân t á n 12

1.3.1 Ảnh hưởng của nồng độ pha phân tán 12

1.3.2 Ảnh hưởng của tính bất cân đối của tiểu p h â n 13

1.3.3 Ảnh hưởng của nồng độ pha phân tán và của sự solvat h o á 13

1.3.4 Ảrih hưởng của tương tác giữa các tiểu phân 15

1.4 M áy đo độ nhớt trong nghiên cứu tính lưu biến của hệ k e o 16

1.4.1 Nhớt k ế mao q u ả n 16

1.4.2 Nhởt k ế dùng bi r ơ i 17

1.4.3 Nhớt k ế q u a y 18

PHẦN 2 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT Q U Ả 22

2.1 Trang thiết bị và nguyên liệu hoá c h ấ t 22

2.1.1 Nguyên liệu và hoá c h ấ t 22

2.1.2 Dụng cụ- trang thiết b ị 22

2.2 Phương pháp thực n g h iệ m 22

2.3 Khảo sát m ột số yếu tố ảnh hưởng đến phép đo độ n h ớ t 23

2.3.1 Thử nghiệm ban đ ầ u 23

2.3.2 Độ đồng đều kích thước tiểu phân và độ ổn đ ịn h 25

2.3.3 Ổn định liên kết trong hệ - thời gian hồi p h ụ c 29

2.3.4 Kết lu ậ n 34

2.4 M ột số khảo sát bước đ ầ u 35

2.4.1 Khảo sát tính chất của các dung dịch C M C 35

2.4.2 So sánh hai loại CMC trên thị tmờng hiện nay 39

2.4.3 Phân tích tính chất dòng chảy của dung dịch CM C 39

PHẨN 3: KẾT LUẬN VÀ ĐỂ X U Ấ T 42

ĐẶT VẤN ĐỂ

Lim biến học là khoa học nghiên cứu về tính chảy và tính biến dạng của các chất Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học, lưu biến học cũng ngày càng được nghiên cứu nhiều hơn và sâu hơn Lưu biến học có tầm quan trọng đặc biệt với những ngành khoa học kỹ thuật có sử dụng các duns dịch cao phân lử và dung dịch keo

Lưu biến học cổ điển chủ yếu nghiên cứu các chất lỏng phân tử nhỏ, lấy độ nhớt làm thước đo tính chảy của các chất Công cụ đo độ nhớt là nhớt kế mao quản

và nhớt kế bi Độ nhớt của các hệ này là một đại lưọng hàng định tại một nhiệi độ xác định và giảm mạnh khi tăng nhiệt độ

Trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các chế phẩm keo và dung dịch cao phân tử ngày càng được sử dụng nhiều Tính chảy của các hệ này phụ thuộc kliông chỉ vào bản chất của các chất tạo nên hê mà còn vào nhiều yếu tố khác Tốc

độ chảy của chúng không chỉ phụ thuộc vào nồng độ mà hơn nữa lực gây chảy khổns phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ Có những hệ không chảy khi ta để nghiêng Một số hệ có độ nhớt chỉ giảm rất ít khi tăng nhiệt độ, thể trạng của hô khá

ồn định Những hê loại này có rất nhiều im điểm và được ứng dụng thực tế trong các ngành khoa học nói chung và trong dược học nói riêng vì sự ổn định thổ trạng trong điều kiện thời tiết thay đổi là mội yêu cầu ciiả nhiều dạng thuốc như thuốc mỡ, nhũ iưoTig thuốc, gel thuốc Một số hệ không chảy khi để yên, thế nhưng chỉ cần một lực đẩy nhẹ cũng có thể bơm hút được Những hệ này lại được dùng để chế tạo các thuốc chậm, thuốc kéo dài tác dụng

Trên thế giới việc nghiên cứu ứng dụng lưu biến học rất phát triển Lưii biến học đã có tạp chí riêng của mình Nhiều hãng chế tạo máy thí nghiệm đã cho ra đời các loại máy dùng cho lưu biến học như Brookfield, Palmer Tuy nhiên những công trình nghiên cứu về lưu biến học trong dược học lại rất khó tìm, có lẽ vì đó là những

bí quyết của các nhà sản xuất thuốc

ở Việt Nam việc ứng dụne lưu biến học còn rất hạn chế ở các chế phẩm dầu nhờn cho xe máy và hóa mỹ phẩm, mộl số rất íl các máy đo độ nhóft được nhập vào

cũng chỉ dùng để kiểm Ira một cách máy móc các tiêu chuẩn của các hãng nước ngoài liên doanh với Việt Nam, việc sử dụng cũng rất hạn chế.

Với mục đích thử làm quen với việc nghiên cứu ứng dụng lưu biến học t r o n o

dược học, chúns: tôi đặt vâứì đề trước hết phải làm quen với loại máy móc mới và khó

sử dụng này với hai mục tiêu cụ Ihể là:

+ Tìm ra được một vài nhận xét nhỏ về những yếu tố ảnh hưởng tới các kết quả đo và đọc trên máy.

+ Bước đầu thử nghiệm một vài tá dược thông thường.

PHẦN 1 TỔ N G QUAN

1.1 Khái niệm về tính chất ìư u biến [3]

Tính chất lưu biến (rhéologie properties) là khái niệm dùng để chỉ khả năng

chẩy, khả năng biến dạng của các hệ khi chịu một lực tác động như trọng lực, lực nén, lực kéo

Giống như các hệ vật chất khác, hệ keo và các hệ phân tán dị thể cũníỉ C(3

những tính chất krii biến nhất định: Tính nhớt, tính dẻo, tính đàn hồi, tính bền

Những tính chất này có liên quan tới cấu trúc của hệ nên còn gọi là tính chất cơ học

cấu trúc của hệ Đối với các hệ lỏng như hệ phân tán thì tính chẩy là đặc tính quan

trọng nhất Thông số đặc trimg cho tính chẩy của một hệ lỏng thường dùng là độ nhớt (r|)

Khảo sát về tính chẩy của các hệ phân tán người ta thấy rằng độ nhớt của các

hệ phân tán thường lớn hon độ nhớt của dung môi dùng làm môi trường phân tán Tuy nhiên có một số hệ sự tăng này không đáng kể nhiĩng một số hê độ nhớt tăng lên rất mạnh, thậm chí ở nhiệt độ thấp chúng có tính chất của chất rắn dẻo Hiểu biết

về tính lưu biến có tầm quan trọng đặc biệt trong việc nâng cao khả năng thiết kế các công thức điều chế các hê phân tán có trạng thái, có thể chất phù họp với mục tiêu sử dụng

l l l Hệ phân tán tự do và hệ phân tán liên kết

Các hê phân tán keo và vi dị thể có thể chia thành hệ phân tán tự do và hệ

phân tán liên kết.

Hệ phân tán tự do là hệ có các tiểu phân không có sự liên kết với nhau, mỗi tiểu phân tổn tại và di chuyển độc lập, còn trong các hệ phân tán liên kết các tiểu phân có sự liên kết trong một mức độ nào đấy; các tiểu phân có xu hướng dính vào nhau

Thuộc nhóm hệ phân tán tự do là những hệ keo có tiểu phân gần như đối xứng và trong hệ kliông có thêm chất bảo vệ kiểu polyme

Thuộc vào nhóm hệ phân tán liên kết là những hệ có tiểu phân bất đối và những hệ thuộc nhóm phân tán tự do đã được thêm polyme bảo vệ và trong một số

triròng họp là những hệ đã mất tính ổn định, trong hệ xuất hiện sự liên kết giữa các tiểu phân tạo nên một mạng lưới không gian Trong mạng lưới đó chứa đầy dung môi (Hình i).

Những hệ thuộc nhóm phân tán liẽn kết điều chế ở nồng độ cao thường có xu hướng đông đặc khi hạ nhiết độ, tạo thành một khối chất giống như chất rắn, không

bị chảy khi để nuhiêng, giữ nguyên hình dang vật đimg ban đầu, sự khuyếch tán ion

và phân tử nhỏ trong khối chất đó giống nhir trong dung dịch Khi tăng nhiệt độ hệ lại trở thành lỏng Trạng thái đông đặc đó được gọi là gel

Giữa 2 loại hệ này còn tồn tại những hệ chuyển tiếp mà các tiểu phân của nó liên kết với nhau trong những hợp thể lỏng lẻo tơi xốp không bền chắc

Nồng độ của pha phân tán có ảnh hưởng hết sức quan trọng tới kiểu của hệ

ở những hệ phân tán tự do nồng độ pha phân tán không thể quá lớn vì rằng ở nồng

độ cao không thể tránh khỏi sự tiếp xúc giữa các tiểu phân và làm xuất hiện mạng lưới không gian hay ít nhất cũng làm cho thể tích của hệ chất đầy những tiểu phân của pha phân tán, chúng không thể dịch chuyển tự do so với nhau được, hê trở nên dặc chắc hơn Hệ mang tính chất của hệ phân tán liên kết

Cần lưu ý rằng khi thẽm vào hệ những chất ổn định, thì tính chất của hê sẽ thay đổi do xuất hiện sự liên kết giữa các phân tử của chất bảo vệ thuộc 2 tiểu phân cạnh nhau

Trong các hệ phân tán liên kết nồng độ pha phân tán có thể đạt giá trị rất lớn Tuy nhiên sự hình thành liên kết ở những hê này có thể xuất hiện ở nồng độ rất nhỏ của pha phân tán, nếu như các tiểu phân phân tán rất bất đẳng hướng nghĩa là có hìmh que hay hình phiến Thí dụ keo pentaoxit vanadi với những tiểu phân hình que

có thể đông lại, tạo thành gel ở nồng độ 0,01% V2O3

HTmh 1 Cấu trúc không gian tạo thành

trong liosol khi hệ mất độ ổn định;

(1)- Nhân keo có cấu trúc bất đối

(2)- Phần bề mặt mất yếu tố ổn định

(3)- Phần bề m ặt còn yếu tố ổn định

(4)- Phần không gian mới hình

thành chứa môi trường phân tán

1.1.2 Tính hai biến và cấu trúc của hệ phân tán

Với những hê phân tán tự do, các tiểu phân không liên kết với nhau, chúng có khả năng chảy nhớt, nghĩa là thay đổi liên tục hình dạng dưới ảnh hưởng của những tác động rất nhỏ từ ngoài Tính chảy của các hê này vể mặt định tính gần tuân theo quy luật của môi trường phân tán tinh khiết và tuân theo gần đúng các định luật của Newton về sự chảy: Tỷ số giữa tốc độ chảy và lực tác động luôn hằng định, tỷ số này dặc tnmg cho sự cản trở của hệ với sự chảy được gọi là độ nhớt (r|) Có sự phụ thuộc tuyến tính giữa độ nhớt và nồng độ dung dịch

Trái lại, với các hệ phân tán liên kết do sự có mặt của lực tương tác giữa các tiểu phân, chúng có chút ít nào đó tính chất của chất rắn: khả năng giữ nguyên hình dạng của chúng khi lực tác động chưa vượt quá một giới hạn nào đó, ví dụ khi để nghiêng chút ít chúng không chảy, chút ít tính dẻo, tính đàn hồi, tính bền chắc Tuy nhiên do độ bền liên kết nhỏ, rất dễ bị đứt nên những hệ này có khả năng chảy, nhưng khi chảy chúng không tuân theo quy luật của sự chảy trong các chất lỏng thông thường mà phức tạp hoTi nhiều:

- Ảnh hưởng của nồng độ tới độ nhớt thường không tuyến tính

- Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ nhớt phức tạp tuỳ theo từng hệ Có những hệ khi nhiệt độ tăng độ nhớt của nó chỉ thay đổi rất ít như các loại dầu nhờn dùng cho động cơ, các loại dầu gội đầu, thuốc mỡ, thuốc lỏng được bào chế một cách khoa học

- Ảnh hưởng của lực tác động còn phức tạp hơn nữa: mộl số hệ khi lực tác động tăng gấp đôi thì tốc độ chảy tăng trên 2 lần, một số hệ khác thì ngược lại: khi

lực tác động tăng lên, tốc độ chảy lại giảm, có khi còn đông đặc lại

Để hiểu rõ hoti những đặc tính này chúng tôi hãy khảo sát kỹ hon quy luật

của sự chảy trong mục những khái niệm cơ bản về lưu biến học tiếp sau đây

1.2 Những khái niệm cơ bản về I m biến học [4]

Xét về tính chất lưu biến các hệ lỏng được chia thành 2 loại : hệ Newton và

hệ phi Newton tiiỳ theo tính chất chảy của nó có tuân theo định luật chảy Newton

hay không Những hệ Newton có tốc độ chảy tỷ lê thuận với lực tác động tỷ lệ đó

được gọi là độ nhớt của hệ (r|) Hệ phi Newton có tốc độ chảy không tỷ lệ thuận với

lực tác động mà là một hàm số phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố

- Định luật Newton về sự chảy

Quan sát khối chất lỏng như là những lớp phân tử sắp xếp song song như hình

2 Lớp đáy được xem như cố định lên bề mặt Nếu lớp trên cùng di chuyển với một

tốc độ hằng định do một lực tác động nào đấy, thì mỗi lớp thấp hơn sẽ di chuyển với

tốc độ tỷ lệ với khoảng cách của nó so với đáy Biến thiên tốc độ dv giữa 2 lớp cách

nhau một khoảng dr là gradient tốc độ (dv/dr) hay tốc độ trượt F ’/A là cường độ

của lực tác động (lực tác động trên một đơn vị diện tích) gọi là áp lực trượt hay thế

trượt Newton là người đầu tiên nghiên cứu định lượng tính chẩy của chất lỏng, ông

F ' dv

A dr

Trong đó r| là dộ nhớt (hay hệ số n h ớ t, độ nhớt tuyệt đối) phưong trình (1) thường

được viết dưới dạng

- Đơn vị của độ nhớt là poise ( poadơ ) đó là áp lực trượt cần có để gây nên tốc

độ chảy Icm/sec giữa 2 mặt song song của lớp chất lỏng bể mặt 1 cm ^ cách nhau Icm Đơn vị CGS của độ nhớt là poise

ipoise = Idyn.cm'^ sec'^ ( hoặc 1 g.cm'^.sec'*)

Một đon vị thống dụng hoti cho đa số các khảo sát là centipoise (cp ) Đôi khi khái

niệm độ lỏng ịệ) cũng được dùng, đó là nghịch đảo của độ nhớt

V

Trị số của độ lỏng chính là độ dốc của đường thẳng trên hình 3a

- Ảnh hưởng của nhiệt độ tới dộ nhớt

Trong khi độ nhớt của các khí tăng theo nhiệt độ thì các chất lỏng lại giảm độ nhớt khi nhiệt độ tăng và tính lỏng tăng dần Sự phụ thuộc của độ nhớt nhiều chất lỏng Newton vào nhiệt độ được biểu thị eần đúng qua phương trình tưoTig tự phương trình Aưhenius trong động hoá học

Trong đó A là hằng số phụ thuộc vào phân tử lượng và thể tích mol của chất lỏng, Ev là năng lưọtig hoạt hoá cần thiết để khởi động sự chẩy giữa các phân tử

Năng lưọng hoạt hoá cho sự chảy tìm thấy được bằng khoảng 1/3 năng lượng bay hơi của chất lỏng Điều đó có nghĩa là không gian tự do cần thiết cho sự chảy bằng khoảng 1/3 thể tích phân tử.

Năng lượna cần để phá vỡ liên kết phân tử và cho phép chúng chẩy càng phải lớn nếu các phân tử có sự liên hợp do liên kết hydro Những liên kết này bị phá vỡ ỏ nhiệt độ cao do chuyển độns nhiệt, do vậy Ev giảm đáng kể Sự khuyếch tán cũng tưoĩig tự như sự chảy nhớt, tốc độ khuyếch tán tăng luỹ thừa với nhiệt độ.

1.2.2 Hệ lỏng phi Newton.

Hệ phi Newton là những hệ không tuân theo phương trình chảy Newton Đó là trường họp của những hệ phân lán lỏns, rắn như dung dịch keo, nhũ tương, hỗn dịch, thuốc mỡ và những sản phẩm tưcmg tự Khi một hệ phi Newton được phân tích trôn nhớt kế quay ta sẽ có 3 loại đườns chảy: dẻo, giả dẻo và chảy nở (Hình 3 b,c,d) với các thông số đặc tnmg cho tính chất của các hê này

- Hệ dẻo Trị dẻo và độ nhớt dẻo.

Hình 3b là đường cong chảy của 1 hệ dẻo hay hệ Bingham Đường cong chảy dẻo không qua gốc toạ độ, nếu kéo dài phần tuyến tính của đồ thị, thì nó sẽ cắt trục P^ ở 1 giá trị gọi là trị dẻo Những hệ Bingham sẽ không chảy cho đến khi áp lực

chảy tương ứng và vượt giá trị dẻo ở áp lực cao hơn các chất này có tính chất của 1 vậl liệu dẻo, Người ta xếp vào nhóm Bingham những chất có thể hiện trị dẻo, chúng được coi như một dạng chất rắn, trong khi các chất bắt đầu chảy ở lực tnĩỢt thấp được xem là chất lỏng Trị dẻo là 1 thông số quan trọng của hệ phân tán Độ dốc của

rheogram (lưu biến đồ ) trên hình 3b được gọi là linh độ (tương tự như độ lỏng trong

hệ Newton), nghịch đảo của nó gọi là dộ nhớt dẻo u Phưong trình mô tả sự chảy

dẻo là:

F - f

Trong đó f là trị dẻo (dyn.cm'^), F và G như đã định nghĩa ở trên

Sự chảy dẻo đi kèm với sự có mặt của các tiểu phân kết cụm trong các hỗn dịch đặc Do vậy một cấu trúc liên tục được thiết lập khắp hệ Trị dẻo có mặt do sự tiếp xúc giữa những tiểu phân cạnh nhau (do lực Van der Waals ) mà nó cần phải bị phá

vỡ Irước khi sự chảy có Ihể xảy ra Cũng vì thế trị giới hạn có thể là 1 chỉ thị về sự kết cụm tiểu phân hay lực kết tụ Sự kết tụ trong hỗn dịch càng mạnh thì giá trị giới hạn càng lớn Lực cản giữa các tiểu phân chuyển động cũng có thể do lực trượt giới

hạn Khi đã viĩỢt trị giới hạn thì sự tăng tiếp áp lực tnĩỢt (nghĩa là tăng hiệu F - f )

tốc độ trưọt sẽ tỷ lê thuận với G Hệ dẻo trở thành hệ Newton ồ vùng trên trị giới hạn

- Hệ giả dẻo Phương trình Martin

Một số lớn các dược phẩm mỹ phẩm, các gôm thiên nhiên, gôm tổng họp, hỗn dịch iỏng có gồm, sodium anginat, methycellulose, sodium carboxymethyl-cellulose thể hiện sự chảy giả dẻo

Nói chung sự chảy giả dẻo là biểu hiện sự có mặt các polyme trong dung dịch Trái với hệ dẻo chỉ do kết tụ của các tiểu phân

Như thấy trên hình 3c đường cong chảy của một hệ giả dẻo bắt đầu ở gốc toạ dộ (hoặc ít nhất là gần gốc toạ độ với tốc độ chảy thấp) Vì vậy trái với hệ Bingham hệ giả dẻo không có trị giới hạn Vì vậy không có phần nào của đường cong là tuyến tính, ta không thể biểu thị độ nhớt của hệ giả dẻo bởi một đại lượng đoti giản được

Độ nhớt của một hệ giả dẻo giảm xuống khi tốc độ chảy tăng lên Một độ nhớt

biểu kiến có thể thu được ở bất kì tốc độ tnrợt nào khi lấy độ dốc của đường cong tại

điểm đó Với hệ giả dẻo phương pháp thích hợp nhất hiện nay để mô tả sự chảy giả

dẻo là lập đồ thị cho đường cong chảy toàn bộ

Rheogram cong của hệ giả dẻo có nguyên nhân từ tác động trượt lên các phân

tử dài của nguyên liêu như các polỉme mạch thẳng Khi áp lực trirợt tăng lên những phân tử bình thường sắp xếp vô trật tự chuyển dọc theo hướng chảy Sự định hướng này làm giảm sự nội cản trở trong nguyên liêu và cho phép một tốc độ trượt lớn hơn

ở áp lực tnrọt cao tiếp theo Hơn nữa một số dung môi liên hợp với các phân tử có thể bị đẩy ra và làm giảm đáng kể nồng độ đung dịch cũng như kích thước của các phân tử phân tán Điều này cũng có thể là nguyên nhân dẫn tới sự giảm độ nhớt biểu kiến

Rõ ràng rằng việc so sánh các hệ giả dẻo khác nhau khó hơn nhiều so với các hê dẻo và hệ Newton, một hệ Newton được mô tả đầy đủ bởi độ nhớt r|, một hệ dẻo được mô tả khá thích hợp bởi trị giới hạn và độ nhớt dẻo Vì vậy một số phương pháp có thể được dùng để thu được những thông số có nghĩa mà nó cho phép phân biệt những hệ giả dẻo với hệ khác, về điều này Martin đã nêu lên công thức luỹ thừa rất hay được dùng:

F"’ = ìi'G (7)Luỹ thừa N được nâng lên khi sự chảy dần trở thành phi Newton Khi N=1 phiroTig trình (7) chuyển thành phưong trình (2) sự chảy trơ thành sự chảy Newton Thừa số ri ’ là hê số nhớt Viết dưới dạng loga ta có:

Có dạng tuyến tính Nhiều hệ giả dẻo tuân theo phưong trình này khi logG được

vẽ như mội hàm sô' của logF Tuy nhiên một số tác nhân nhũ hoá oiả dẻo quan trọng trong ngành dược lại không tuân theo phưoTig trình (8)

- íỉệ chảy nỏ ( Hệ Dilatant)

Các hỗn dịch có hàm lưọng pha rắn cao thể hiên sự cản trở tăng dần khi tăng tốc

độ trượt chảy Những hệ như thế thường tăng thể tích khi chảy và vì vậy được gọi là

hô chảy nở (dilatant) Sự chảy của chúng nêu trên hình 3d, sự chảy này rõ ràng trái với hệ giả dẻo Trong khi hê giả dẻo là hê chảy lỏng dần (chiều dày lớp chất lỏng mà lực tác động có ảnh hưởng mỏng hơn) thì hệ chảy nở là những hệ chảy đặc dần (chiều dày lớp chất lỏng mà lực tác động có ảnh hưởng dày hơn) Khi không còn áp lực trưọt, hệ nhanh chóng trở về trạng thái ban đầu

Phương trình (7) có thể dùng để mô tả tính chảy nở về mặt định lượng, trong irircmg hợp này N luôn luôn nhỏ hon 1 và giảm tiếp khi tính chảy nở tăng Khi N tiến tới 1 thì hệ trở thành hệ Newton

Các hê có tính chảy nở là các hỗn dịch có nồng độ cao (khoảng 50 % hoặc cao

hơn ), có các tiểu phân nhỏ không kết tụ Như đã nêu ở trên những hệ phân tán kiểu này bị kết tụ sẽ có tính chảy dẻo nhiều hơn tính chảy nở

Tính chảy nở có thể giải thích được như sau: ở trạng thái nghỉ các tiểu phân được xếp sít nhau trong không gian tối thiểu giành cho chúng, nhưng chúng có thể

di chuyển tương đối với nhau ở tốc độ trượt chảy thấp và có thể rót hỗn dịch ra khỏi bình như rót chất lỏng Khi áp lực trượt tăng không gian của hệ giãn nở các tiểu phân cố chuyển động nhanh hơn so với nhau sẽ tạo nên những khoảng trống như ở hình 4 Cách sắp xếp như vậy đã làm tăng thể tích trống, số lượng tiểu phàn hằng định nên ở một số điểm trở nên không đủ để lấp đầy những khoảng trống vìra hình

thành Sự cản trở tăng lên do các tiểu phân kliông còn được làm đủ ướt, không được

“bôi tron” như trước đó nữa

Hình 4 : Sự thay đổi thể trạng khi tăng tốc độ trượt.

1.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới độ nhớt của hệ phân tán [6]

1.3.1 Ảnh hưởng của nồng độ pha phân tán

Độ nhớt của hê keo luồn luôn lớn hơn độ nhớt của môi trường phân tán Năm

1906 Einstein đã thiết lập phương trình sau

rĩ^rĩ,{\ + 2,5<p) (9)

Ho-độ nhớt của môi trường phân tán (p-nồng độ thể tích của pha phân tánTuy nhiên phương trình (9) chỉ đúng trong điều kiện pha phân tán là chất rắn, phân tán dưới dạng tiểu phân hình cầu, nồng độ pha phân tán không quá lớn và giữa các tiểu phân không có tương tác, không chịu nén, giữa các tiểu phân và môi trường không có sự trượt và cuối cùng là kích thước các tiểu phân phải lớn hofn so với bước chuyển dịch tự do của phân tử môi trường

Giá trị (p phụ thuộc vào hình dạng tiểu phân VI vậy dạng chung của phưcfng trình là

\ịi - thể tích mỗi tiểu phân của pha phân tán.

V[je - thể tích của hệ tính bằng ml

Đại lượns là — = gọi là độ nhớt tưong đối; ^ ~ = rị thường được

ký hiệu là độ nhớt riêng Hr = Htd - i = ot.cp (12)

Do đó theo Einstein siữa độ nhớt của hệ và hàm lirọng pha phân tán phải có quan hệ tuyến tính, độ nhớt khổng phụ thuộc vào độ phân tán của hỗn dịch

1.3.2 Ảnh hưởng của tính bất cản đối của tiểu phân.

ở những hê hỗn dịch mà tiểu phân có dạng que, dạng cầu, dạng phiến độ nhớt đo được thường lớn hon tính theo phương trình Einstein Nguyên nhân là ở chỗ rnội lưựng môi trường bao quanh các tiểu phân bất đối xứng này (cốt sao lạo được dạng cầu cho tiểu phân) đã làm cho kích thước tiểu phân tăng lên, làm tăng tỷ lệ thể tích pha phân tán trong hệ, nên dẫn đến sự tăng độ nhớt Thực nghiêm đã chứng minh rằng độ nhớt của hỗn dịch mà tiểu phân ít bất đối với cấu hình ellip (thường nằm trong trạng thái chuyển động Brown mạnhj tăng tỷ lệ với bình phương tỷ số chiều dài và ehiều rộng phân tử ellip, còn độ nhớt hỗn dịch có độ bất đối lớn (chuyển động Brown chậm) tăng tỷ lệ thuận với tỷ số của các trục phân tử

Trong các phưong trình biểu thị quan hệ này, thông dụng hơn cả là phưoĩig

16 d

l,d - bán kính dọc và bán kính ngang tương ứng của ellip

Độ nhớt của hộ chứa các tiểu phân bất đẳng hướng phụ thuộc vào tốc độ chảy Các tiểu phân dài định hướng dọc theo dòng chảy, chuyển động quay của nó gặp khó khăn do đó độ nhớt của hệ giảm xuống khi tăng tốc độ chảy tăng

1.3.3 Ảnh hưỏrig của nồng độ pha phân tán và của sựsolvat hoá

Sự khác nhau giữa độ nhớt của hê phân tán đặc với giá trị tính theo Einstein được giải thích ià trons pha lỏng xung quanh tiểu phân đã xuất hiên các vi dòng và

cản trở sự chuyển động của hệ De Broglie cho rằng khi đó ngoài tương tác thuỷ động cần phải tính đến tương tác cơ học (sự va chạm cuả tiểu phân, sự tạo h ơ i )

ở nồng độ rất nhỏ dòng xuất hiện quanh các tiểu phân ảnh hưởng rất ít tới chuyển động của nhau và tới toàn bộ dòng chất lỏng, nhưng khi tăng nồng độ pha phân tán thì ảnh hưởng này tăng lên cuối cùng làm sai định luật Einstein

Cách giải thích khác tập trung vào sự solvat hoá của các tiểu phân Có thể hình dung như sau: nếu trên bề mặt của tiểu phân hình cầu bán kính r có dính một lớp môi trường phân tán chiều dầy h thì thể tích hiệu dụng ảnh hưởng tới độ nhớt

-của tiểu phân sẽ là -K {r + h ý Nếu h nhỏ so với r sẽ có -n:{r^ + 3 r h ) Khi tính toán

giá trị (p (theo phương trình Einstein) thì thể tích của pha phân tán sẽ không nhận giá

Vr = 2,5íơ 1 + - (16)

1.3.4 Ảnh hưởng của tương tác giữa các tiểu phản

Nguyên nhân sai lệch của phưong trình Einstein với các hệ phân tán có thể còn do lực hút oiữa các tiểu phân keo Trong hệ có thể tạo thành những cấu trúc ít nhiều xốp làm cho thể lích của tiểu phân lớn lên do đưa vào đó một lượng lớn môi trưòng Sự giảm tính linh động làm cho độ nhóft của hệ tăng lên rất nhiều so với tính toán theo phưotie trình Einstein Độ nhớt của các hệ đó phụ thuộc nhiều vào tốc độ chảy do độ nhớt cấu trúc có liên quan chặt chẽ với hệ thống lưới không gian xốp này

Mặt khác sai lệch của phưoĩig trình Einstein với hệ keo có thể liên quan tới lực đẩy giữa chúng nếu chííniĩ có mang điện cùng dấu Theo Smoliikhosky độ nhót của keo mang điện cao hon độ nhớt của keo không mang điện Sự tăng độ nhớt như thế là kết quả của sự tồn tại lớp điên kép trên bề mặt hạt keo đã gây ra hiệu ứng điện nhớt Smolukhosky đã đưa ra phưong trình

£-độ thẩm điện môi của môi trường

là thế điên động học của hê keoThành phần bổ sung trong phương trình (16) có thể có giá trị rất lớn Những tính toán chứng tỏ rằng với hệ keo bán kính tiểu phân 10'^ cm, độ dẫn điện riêng là

10 ‘ hệ số bổ sung có thể 10 lần lón hơn thành phần cơ bản

Trong phưoTig trình Smolukhosky có đưa vào bán kính tiểu phân, rõ ràng độ nhớt của keo mà tiểu phân của nó mang điện phụ thuộc vào độ phân tán.Tuy nhiên tất cả những điều trình bày trên cũng còn cần phải bàn tiếp Ví dụ như có tác giả lại cho rằng hiệu ứng điện nhót không lớn như Smolukhosky đã nêu mà nhỏ hơn và

không phụ thuộc vào thế Ç, vì chiều dày của lófp kép rất nhỏ so với bán kính tiểu

phân

1.4 Máy đo độ nhớt trong nghiên cứu tính luti biến của hệ keo [2]

Việc nghiên cứu và đánh giá đúng được các tính chất lưu biến của một hê phụ thuộc nhiểu vào việc lựa chọn nhớt kế Vì tốc độ chaỷ trong hệ Newton tỷ lệ thuận với áp lực chảy nên người ta có thể dùng các dụng cụ hoạt động ở một tốc độchảy nhất định, các dụng cụ kiểu này chỉ cho một điểm trên rheogram, việc ngoạisuy đường thẳns qua điểm này tới gốc toạ độ cho ta một rheogram đầy đủ Rất tiếc

là loại nhớt kế nàv không phải bao giờ cũng dùng được Với các hệ phi Newton cần

có những dụng cụ làm việc ở nhiều tốc độ khác nhau Chỉ với những dụng cụ đo nhiều điểm mới có thể cho ta một rheogram đầy đủ của những hệ này

Kết luận quan trọng rút ra là trong khi tất cả các nhớt kế có thể dùng để đo

độ nhớt của hệ Newton thì chí những nhớt kế làm việc với áp lực chảy thay đổi mới dùng được cho hê phi Newton

ỉ 4.1 N hớt k ế mao quản

Độ nhớt của các chất lỏng Newton có thể

được xác định qua phép đo thời gian cần thiết để

chất lỏng chẩy qua giữa 2 vạch a và b của ống

mao quản thẳng đứng của nhót kế Oswald (hình

5) Thời gian chảy của chất lỏng thử được so

sánh với thời gian chảy của chất lỏng chuẩn

(thường là nước) Nếu 1^1 và r|2 là độ nhớt tương

ứng của 2 chất lỏng pi,p2 là tỷ trọng, t ị , là thời

gian chảy tưoTig ứng của chúng thì độ nhớt tuyệt

đối của chât lỏng thử được xác định theo phương

trình (18) :

U ± ^Ẽ xL (17)

Hình 5 N hớtkếO w ald- Cannon-Fenske

L R i

u A

Tỷ số r|i/il2= "Ht được gọi là độ nhớt thực của chất lỏng thử

PhưoTig trình (17) dựa trên định luật Poiseuille cho chất lỏng chảy qua ống

Tĩr tầP

Trong đó r là bán kính trong của mao quản, t-thời gian chảy, AP là áp suấtchảy (dyn/cm^), 1-chiểu dài mao quản, V-thể tích chất lỏng chảy qua mao quản.Phương trình (17) rút ra từ định luật Poiseuille (phương trình 19) Bán kính, chiềudài và thể tích của nhớt kế không đổi được kết họp thành hằng số K Phương trình viết lại như sau

AP phụ thuộc vào tỷ trọng p của chất lỏng thử, gia tốc trọng- trường và chiều cao chênh lệch của 2 mức chất lỏng ở 2 nhánh nhớt kế Nhưng gia tốc trọng trường hằng định, nếu giữ mức chất lỏng hằng định trong các phép đo thì có thể kết họp vào thành hằng số K’, khi đó

Chia (21) cho (22) ta được phưong trình tương điĩong với phương trình (17) Dược điển Mỹ[l] quy định dùng nhớt kế Oswald trong việc xác định độ nhớt của methylcellulose

1.4.2 Nhớt k ế dùng bi rơi

Kiểu nhớt kế này dùng 1 viên bi bằng thuỷ tinh hay thép cho rơi nghiêng trong một ống gần thảng đứng chứa chất lỏng thử ở nhiệt độ đã biết Tốc độ rơi của viên bi có tỷ trọng và đường kính riêng đã biết tỷ lệ nghịch với độ nhớt của chất lỏng Nhớt kế Hoeppler (Hình 6) dựa trên nguyên tắc này Mẫu thử và bi được đặt trong ống có bộ điểu nhiệl nhanh chóng đạt cân bằng nhiệt với nước ở vỏ điều nhiệt phía ngoài Hệ thống được lắp trên giá đỡ có thể quay được để dễ dàng lật ngược và đổi chiều rơi của bi trong ống đo Thời gian rơi của bi trong ống được đo chính xác

và lặp lại nhiều lần Độ nhớt Newton của chất lỏng sau đó được tứih theo phương trình :

n “ ■ Sf ) B

17

Ậ í õ s o W

Hình 6 Nhớt kế kiêủ bi rơi

Hoeppler

Hình 7 Nguvên lý hoạt đỘQg của nhơt

k ế quay

ở nhiệt độ thí nghiệm, B hằng định với một viên bi chuẩn do nhà sản xuất cung cấp

Vì sự khác nhau của bi thép và bi thuỷ tinh, nhớt kế này có thể dùng đo độ nhớt trong khoảng 0,5 đến 200000 poise Để có kết quả tốt cần chọn bi sao cho thời gian rơi không dưới 30 giây

Hình 8 Đầu đo của nhớt kế côn Phao quay có hình chóp nón

Mẫu đo được đặt vào tâm của bản phẳng nơi đầu côn tiếp xúc

xoắn đo được tỷ lệ với độ nhớt của chất lỏng Bộ đo của máy phối hợp trị số của lực xoắn và tốc độ quay của trục sau khi đã hiệu chỉnh bằng cho biết độ nhớt của chất lỏng Nguyên lý hoạt động nêu trên hình 7.

Trong kiểu nhớt kế Couette thì cốc bị quay Lực kéo nhớt lên phao là do chất

lỏng tác dụng làm nó quay đi một góc Góc quay tỷ lệ với lực xoắn và tỷ lệ với độ nhớt của chất lỏng Ví dụ về loại nhớt kế này là Nhớt kế MacMichael

Kiểu nhớt kế Searle có cốc đứng yên còn phao quay Lực xoắn gâv nên do tính nhớt

của hệ được đo bằng một lò xo hoặc một bộ cảm nhận để đo góc lêch của phao so với trạng thái nghỉ

Hình 9: Nhớt kế Stormer

Trọng lượng kéo làm cho

phao quay trong cốc

đimg hê lỏng có điểu

nhiệt Tốc đọ quay của

phao được theo dõi bằng

đổng hồ đếm số vòng

quay và tính thời gian đã

quay

Nước ^ điều nhiệt

Bộ điều nhiệt

Để đo độ nhớt của các hê có thể chất đặc quánh, độ nhớt lớn người ta dùng

nhớt k ế côn trong đó phao quay có dạng côn (Hình 8) còn cốc đựng được thay bằng một bản phẳng

Nhớt kế phổ biến hiện nay dựa trên guyên lý Searle là nhớt kế Stormer Kiểu cải tiến của nó trình bày trên hình 9 được mô tả bởi Fischer Khi hoạt động chất thử được đặt vào không gian giữa cốc và phao và để đạt nhiệt độ cân bằng Mộl trọng vật được đặt vào móc và đo thời gian để phao quay 100 vòng Số liệu được chuyển thành q3m (số vòng quay trong 1 phút) Trọng lượng (W) được tăng lên và lặp lại thao tác