Wie Partikel dicke Flüssigkeiten unter Stress umwandeln

Wenn du feste Partikel in eine dickflüssige Flüssigkeit mischst, die als viskoelastische Suspension bekannt ist, passieren interessante Dinge mit dem Verhalten dieser Mischung, besonders wenn sie umgerührt oder durch enge Räume gepresst wird. Einer der Haupt-Effekte ist, dass die Partikel im Fluid Stress erzeugen, was es schwieriger macht, sich zu bewegen. Das führt zu einem merklichen Anstieg der Viskosität, oder Dickflüssigkeit, der Mischung, je schneller du rührst. Ausserdem neigen die Partikel dazu, zusammenzukleben und Ketten zu bilden. Wenn das Rühren wirklich schnell wird, kann der Fluss chaotisch werden, selbst ohne die Partikel. Dieser chaotische Fluss kompliziert das Verständnis dafür, wie sich eine Mischung aus Partikeln in einer dicken Flüssigkeit verhält.

In diesen Studien verwenden die Forscher ein spezielles Setup mit zwei flachen Platten, um zu sehen, wie Partikel in einer dicken Flüssigkeit agieren, wenn sie schnell gerührt werden. Was sie finden, ist unerwartet: Die Partikel gruppieren sich in der Mitte des Raums zwischen den Platten und bilden eine Schicht. Diese Schicht verhält sich auf einzigartige Weise und verändert die chaotischen Flussmuster, die in der Flüssigkeit auftreten. Die Studie zeigt, dass die neue Schicht, die von den Partikeln erzeugt wird, hilft, das chaotische Verhalten der Flüssigkeit zu kontrollieren und eine stabile Rotation einzuführen, die gemessen werden kann.

#Verständnis von Suspensionen

Suspensionen sind Mischungen aus festen Partikeln und Flüssigkeiten, die in vielen Branchen üblich sind, von der Lebensmittelproduktion bis zum Bau. Die Eigenschaften einer Suspension variieren je nach Anzahl der Partikel und der Art der verwendeten Flüssigkeit. Wenn sie in einer Flüssigkeit gemischt werden, die leicht fliesst, steigt die Viskosität anfangs langsam an, je mehr Partikel hinzugefügt werden. Es gibt jedoch einen Punkt, an dem die Mischung dramatisch dicker wird und fast fest anfühlt.

Wenn du weiterhin schnell rührst, beginnen einige Mischungen mit einer hohen Anzahl von Partikeln, dünnflüssiger zu werden, was bedeutet, dass sie leichter fliessen. Bei sehr hohen Rührgeschwindigkeiten können sie jedoch plötzlich dick werden, sodass sie sich mehr wie feste Objekte verhalten, weil die Partikel aneinander abprallen.

Das Verhalten ändert sich, wenn die Flüssigkeit dick und dehnbar (viskoelastisch) ist. In diesem Fall folgen die Partikel bei niedrigen Rührgeschwindigkeiten dem Fluss glatt und verhalten sich etwas wie die Flüssigkeit selbst. Wenn die Rührgeschwindigkeit steigt, werden die langen Moleküle in der Flüssigkeit gestreckt und können sich nicht so schnell entspannen, wodurch Kräfte entstehen, die die Partikel beiseite schieben und sie sogar zum Verketten bringen können.

Bei hohen Rührgeschwindigkeiten erzeugen die gestreckten Moleküle in der Flüssigkeit viel Stress, was dazu führen kann, dass der Fluss instabil wird und ein chaotisches Mischmuster entsteht. Das macht es schwer zu verstehen, wie sich die Mischung bei hohen Geschwindigkeiten verhält, was in vielen industriellen Prozessen, wie bei der Ölextraktion oder der Herstellung bestimmter Materialien, wichtig ist.

#Untersuchung des Verhaltens bei hoher Scherrate

Diese Forschung konzentriert sich darauf, wie Partikel mit einer dickflüssigen Flüssigkeit interagieren, wenn sie schnell gerührt wird. Mit Hilfe von zwei flachen Platten schauen die Forscher genauer auf das Flussverhalten und stellen eine überraschende Organisation unter den Partikeln in der Mitte der Flüssigkeit fest. Sie erkennen, dass die Partikel statt zufällig verteilt eine strukturierte Schicht bilden. Diese Organisation reduziert den chaotischen Fluss, der auftreten kann, wenn die Flüssigkeit schnell geschert wird.

Ohne Partikel wird die Flüssigkeit instabil, was zu unregelmässigen Messwerten an den Messgeräten führt. Mit den hinzugefügten Partikeln gibt es jedoch eine Hauptfrequenz der Bewegung, die entsteht. Dieses konsistente Muster hilft, den Fluss zu stabilisieren, was es ermöglicht, zu messen und besser zu verstehen, wie sich die Mischung vorhersehbarer verhält.

#Rolle der Partikeleigenschaften

Die in dieser Forschung verwendeten Partikel sind einheitlich in der Grösse und messen etwa 51 Mikrometer im Durchmesser. Die Flüssigkeit ist eine Mischung aus grösstenteils einer Chemikalie und einem kleinen Anteil Wasser. Um die Flüssigkeit dick und dehnbar zu machen, wird eine kleine Menge eines langkettigen Moleküls hinzugefügt. Wenn eine bestimmte Rührgeschwindigkeit angewendet wird, zeigt die Flüssigkeit eine viel stärkere elastische Reaktion im Vergleich zu ihrer Viskosität.

Wenn der Fluss bei niedrigeren Geschwindigkeiten stabil ist, bleibt das Drehmoment, also die Drehkraft, die zum Rühren benötigt wird, konstant. Aber mit steigender Rührgeschwindigkeit ändert sich das Verhalten dramatisch, was zu Schwankungen im Drehmoment führt, die Instabilität signalisieren. Die Forscher messen diese Schwankungen, um den Fluss besser zu verstehen.

Wenn Partikel hinzugefügt werden, zeigt die Flüssigkeit immer noch ein gewisses Verdünnungsverhalten bei niedrigeren Geschwindigkeiten. Mit zunehmenden Geschwindigkeiten ändert sich jedoch das Verhalten der Mischung und zeigt einen Anstieg der Scherrate dicker als bei nur der Flüssigkeit allein. Das bedeutet, dass die Einführung von Partikeln beeinflusst, wie dick sich die Mischung bei hohen Geschwindigkeiten anfühlt.

#Messung von Flussmustern

In den Experimenten visualisieren die Forscher auch die Flussmuster innerhalb der Flüssigkeit, indem sie spezielle Partikel hinzufügen, die unter einem bestimmten Licht leuchten. Dies ermöglicht eine bessere Beobachtung, wie sich die Partikel unter verschiedenen Bedingungen bewegen und verhalten. Die Bilder zeigen, dass in der Flüssigkeit ohne Partikel verschiedene chaotische Spiral-Muster existieren. Mit den vorhandenen Partikeln verschwinden diese Spiralen und werden durch eine starke, konsistente Bewegung ersetzt.

Die Frequenz der Bewegung in der partikelbeladenen Flüssigkeit entspricht den Anordnungen, die in den Visualisierungen beobachtet werden. Das zeigt, dass die Struktur, die von den Partikeln geschaffen wird, hilft, ein stabiles Flussmuster aufrechtzuerhalten, das in die gesamte Bewegung der Suspension integriert ist.

#Dynamische Moduszerlegung zur Flussanalyse

Um zu analysieren, wie sich Flüssigkeitsstrukturen verhalten, verwenden die Forscher eine Technik namens dynamische Moduszerlegung (DMD). Diese Methode hilft, spezifische Muster im Fluss zu identifizieren und bietet Einblicke, wie die Partikelsuspension funktioniert. Der erste kohärente Modus entspricht dem Hauptfluss, während zusätzliche Strukturen sekundären Flüssen entsprechen.

Für die Mischung mit Partikeln dominiert die erste kohärente Struktur mehr und trägt wesentlich zum gesamten Verhalten bei. Die organisierte Bewegung hilft, die chaotische Natur des Flusses zu reduzieren, was es einfacher macht, das System zu untersuchen.

#Beobachtung von Kristallisation unter Scherung

Die Studie untersucht auch, wie sich Partikel organisieren, wenn die Flüssigkeit gerührt wird. Die Forscher stellen fest, dass selbst bei niedrigen Partikelkonzentrationen kleine Gruppen von Partikeln beginnen, Ketten zu bilden. Wenn die Konzentration steigt, können diese Ketten sich überlappen und grössere Strukturen bilden, die sich wie feste Körper in der Flüssigkeit verhalten.

Interessanterweise, wenn die Menge der Partikel einen bestimmten Punkt erreicht, beginnen sie, sich in Schichten zu kristallisieren, die sich während der Rührzyklen zusammen bewegen. Diese Kristallisation kann das Gesamtverhalten der Flüssigkeit erheblich beeinflussen, sodass sie vorhersehbarer wird und die Turbulenzen reduziert werden.

#Die Auswirkungen von polydispersen Partikeln

Um die Rolle der Grössenvariationen der Partikel zu untersuchen, experimentieren die Forscher auch mit Mischungen, die Partikel unterschiedlicher Grössen enthalten. Wenn die Mischung mit unterschiedlichen Grössen hergestellt wird, kristallisieren, trotz der Clusterbildung in der Mitte, die Partikel nicht in einer organisierten Schicht. Das zeigt, dass die Einheitlichkeit der Partikel eine entscheidende Rolle dafür spielt, wie sie in der zähflüssigen Flüssigkeit interagieren und sich organisieren.

Ohne diese Einheitlichkeit gibt es keine dominanten Flussmuster, wie die Abwesenheit einer starken Frequenz in den Drehmomentmessungen zeigt. Das unterstützt die Idee, dass es wichtig ist, Partikel ähnlicher Grössen zu haben, um einen strukturierten Fluss zu erreichen, der chaotisches Verhalten reduziert.

#Fazite und Implikationen

Diese Forschung hebt die bedeutenden Effekte hervor, die das Hinzufügen von Partikeln zu einer dicken Flüssigkeit haben kann, besonders bei hohen Rührgeschwindigkeiten. Die Bildung einer kristallinen Schicht von Partikeln führt zu organisierteren und vorhersehbareren Flussmustern, was helfen kann, chaotisches Verhalten, wie es unter anderen Bedingungen gesehen wird, zu verhindern. Die Ergebnisse sind wichtig, um nicht nur die Wissenschaft hinter diesen Mischungen zu verstehen, sondern auch für praktische Anwendungen, bei denen das Management des Flusses von Partikelsuspensionen in dicken Flüssigkeiten entscheidend ist.

Für Industrien, die auf Mischungen aus festen Partikeln und Flüssigkeiten angewiesen sind, wie z.B. in der Lebensmittelverarbeitung oder Materialherstellung, kann das Wissen, wie man Partikelgrösse und -konzentration manipuliert, die Effizienz und Ergebnisse ihrer Prozesse beeinflussen. Zukünftige Erkundungen könnten sich mit verschiedenen Arten von Flüssigkeiten und Partikelgrössen befassen, um zu sehen, wie diese Faktoren das Verhalten von Suspensionen unter verschiedenen Bedingungen weiter beeinflussen.