Nonlinear viscoelastic properties of nano and micro sized clay suspensions
Nano ve mikro boyutlu kil süspansiyonlarının doğrusal olmayan viskoelastik özellikleri
- Tez No: 729685
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ ETTEHADİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği, Petroleum and Natural Gas Engineering
- Anahtar Kelimeler: Nano boyutlu sepiyolit, LAOS, viskoelastisite, kil süspansiyonları, kesme kalınlaşması, Nano-sized sepiolite, viscoelasticity, LAOS, clay suspensions, shear thickening
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İzmir Katip Çelebi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 118
Özet
Kil kolloidleri ve süspansiyonları, geniş uygulama alanları olması sebebiyle diğer kolloidal minerallerden ayrılmaktadır. Kil bazlı kolloidal sistemler kozmetik, petrol endüstrisi, tıp, eczacılık, kataliz, tekstil, iyileştirme ve gıda paketleme gibi çeşitli endüstrilerde sıklıkla kullanılmaktadır. Bu sistemlerin mekanik ve termo-yapısal özellikleri, raf ömrü, jelleşme süreci ve bozunma süresi gibi bazı önemli kriterler açısından önemli bilgiler sağlar Bu çalışmanın odak noktası, yukarıda belirtilen diğer endüstrilerden ziyade petrol endüstrisinde su-kil süspansiyonlarının sondaj sıvısında uygulanmasının ele alınmasıdır. Bu çalışmada, Büyük Genlikli Salınımlı Kesme (LAOS) altında beş farklı su-kil süspansiyonunun doğrusal olmayan viskoelastik özelliklerinin karakterize edilmesi amaçlanmıştır. Türkiye'de Eskişehir yakınlarındaki belirli yataklardan doğrudan toplanan dört tip sepiolit kil numunesi ve API referans kili olarak ticari bir bentonit kili (Wyoming bentonit) saf su-kil süspansiyonları hazırlamak için kullanılmıştır. Sepiyolit kil kayaçları, nano ve mikro boyutlu parçacık dağılımı elde etmek için bazı fiziksel işlemlere tabi tutulmuştur. Hazırlanan su-kil süspansiyonları ilk olarak Discovery Hybrid Rheometer (DHR-II) kullanılarak 25° C'de LAOS testine tabi tutulmuştur. Ayrıca, nano ve mikro parçacık boyutu dağılımlarına sahip sepiyolit numunesi (Türk Tajiri Bej, TTB), yüksek sıcaklıklarda daha fazla LAOS analizi için seçilmiştir. Malzeme stres tepkisi (material stress response), Fourier dönüşümü (tek tamsayılı harmonik ayrışma) yoluyla elastik ve viskoz stres bileşenlerine ayrıştırıldı. Pipkin uzayında çizilen Lissajous-Bowditch döngüleri (Lissajous eğrileri), doğrusal olmayan bölgenin başlangıcını saptamak için reolojik olarak değerlendirilmiştir. Osilasyonlu tarama testleri, dört sıcaklıkta (25, 50, 100, 150° C) ve frekanslarda (0.25, 0.5, 0.75, 1 Hz) gerinim (strain) ve gerinim hızının (strain rate) bir fonksiyonu olarak akışkan sistemlerinin viskoelastik doğrusal olup olmadıklarını saptamak için uygulanmıştır. Lissajous eğrilerinin analizi, bentonit süspansiyon sisteminin 25° C' de diğer sepiolit süspansiyon örneklerine kıyasla daha fazla yapısal kararlılığa sahip olduğunu ortaya koymuştur. Düşük sıcaklıklarda mikro boyutlu TTB den daha düşük jel kuvveti özelliği gösteren Nano boyutlu TTB sepiolit süspansiyonu, 100°C ve 150°C'de mikro boyutlu TTB sepiolit süspansiyonu ile hemen hemen benzer jel kuvveti sağladığı görülmüştür. Elastik doğrusal olmayan tepki, elastik parametreler (G_L^' and〖 G〗_M^') azaldığından, her iki akışkan sistemi için tüm durumlarda gerinim yumuşaması (strain softening) olarak belirlendi. Her iki akışkan sistemi için de viskoz doğrusal olmayan tepki, dinamik viskozite parametreleri 〖(η〗_M^' and η_L^') azaldığından, büyük gerinim hızlarında kesme hızında incelme olmuştur. Bununla birlikte, düşük ila orta gerilim oranlarında, nano boyutlu TTB sepiolit süspansiyon sistemleri, viskoz parametrelerin tamamı analizi ile mikro boyutlu TTB süspansiyon davranışından daha fazla kesme kalınlaşması (shear thickening) göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Clay colloids and suspensions are distinguished from other colloidal minerals by wide ranges of application area. Clay-based colloidal systems are frequently used in various industries, including cosmetics, oil industry, medicine, pharmacy, catalysis, textiles, remediation, and food packaging. Mechanical and thermo-structural properties of these systems provide valuable information in terms of some important criteria such as shelf life, gelation process, and degradation time. The foucus point of this study is to consider the application of water-clay suspensions in drilling fluid more than aforementioned industries. It is aimed to characterize the nonlinear viscoelastic properties of five different water-clay suspensions under Large Amplitude Oscillatory Shear (LAOS) based on the stress decomposition approach. Four type of sepiolite clay sample collected directly from specific beds near Eskisehir in Turkey and a commercial bentonite clay (Wyoming bentonite) as the API reference clay was considered to prepare fresh water-clay suspensions. Sepiolite clay rocks were subjected to some physical treatments to obtain nano- and micro-sized particle distribution. Prepared water-clay suspensions were firstly subjected to LAOS test using Discovery Hybrid Rheometer (DHR-II) at 25°C. Furthermore, experimentally verified sepiolite sample (Türk Tajiri Bej, TTB) with nano-and micro- particle size distributions was selected for further LAOS analysis at elevated temperatures. The material stress response was decomposed through Fourier transform (odd-integer harmonic decomposition) into elastic and viscous stress components. Lissajous-Bowditch loops (Lissajous curves) plotted in Pipkin space were assessed as rheological fingerprints to detect the initiation of nonlinear region and the nature of nonlinearity. Oscillation sweep tests were conducted to deliver viscoelastic nonlinearities of fluid systems as a function of strain and strain rate at four temperatures (25, 50, 100, 150° C) and frequencies (0.25, 0.5, 0.75, 1 Hz). Lissajous-Bowditch curves analysis revealed that Bentonite suspension system provided stronger structural stability compared to other sepiolite suspension samples at 25° C. Even though nano-sized TTB sepiolite suspension demonstrated lower gel strength than micro-sized TTB at low temperatures, it providred almost the same gel strength with micro-sized TTB sepiolite suspension at 100°C and 150°C. The elastic nonlinear response was determined to be strain softening for the both fluid systems ( Micro-and Nano-Sized) at all states since elastic parameters (G_L^' and〖 G〗_M^') decrease. The viscous nonlinear response for both fluid systems was shear rate thinning at large strain rates since the dynamic viscosity parameters 〖(η〗_M^' and η_L^') decrease. However, at low to moderate strain rates, the nano-sized TTB sepiolite suspension systems demonstrated more shear rate thickening than micro-sized TTB suspension behavior by the analysis of viscous parameters altogether.
Benzer Tezler
- Poli (tiyofen-3-boronik asit)'in elektrokinetik, dielektrik, elektroreolojik ve endüstriyel titreşim sönümleme uygulamalarının araştırılması
Investigation of electrokinetic, dielectric, electrorheologic and industrial vibration damping applications of poly(thiophene-3-boronic acid)
ÖMER YUNUS GÜMÜŞ
- Self-assembly of peptide nanofibers and their mechanical properties
Peptit nanofiberlerin kendiliğinden düzenlenmesi ve mekanik özellikleri
TURAN SELMAN ERKAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYKUTLU DÂNA
DOÇ. DR. MUSTAFA ÖZGÜR GÜLER
- Modeling of polymer matrix composites using VBO model and finite element method formulations
Polimer matrisli kompozitlerin modellenmesi ve sonlu elemanlar yöntemi formülasyonları
ALPEREN ACAR
Doktora
İngilizce
2016
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGEN ÜMİT ÇOLAK
- Newton kuralına uyan taban akışkanları içerisine dağıtılmış olan nanoparçacıkların reolojisi, ısıl iletkenliği ve kararlılığı
Rheology,thermal conductivity and stability of nanoparticles dispersed in Newtonian based fluids
NACİYE İLHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Kimya MühendisliğiCumhuriyet ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KERİM YAPICI
- Tahin-pekmez karışımlarının doğrusal olmayan reolojik davranışlarının incelenmesi
Investigation of nonlinear rheological behaviors of tahini-molasses mixtures
GÜLAY AKKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ ALTAY