Theoretical characterization of colloid-polymer nano-composites
Kolloid-polimer nano-bileşiklerin teorik karakterizasyonu
- Tez No: 835380
- Danışmanlar: DOÇ. DR. CEM SERVANTIE
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 101
Özet
Maddenin şekilini değiştirecek müdahelelere karşı verdiği tepkiyi inceleyen bilim alanına reoloji denir. Reoloji katıların elastik davranışından, akışkanların bir kuvvet altında akmalarına kadar geniş bir alanı inceler. Geçtiğimiz yüzyılın başından itibaren kendi bilimsel topluluğu ve bağımsız bilimsel dergileri olan bir alan oldu. Reolojide en çok incelenen konulardan biri Newtonyen olmayan (non-Newtonian) akışkanlardır. Kayma hızı arttıkça viskozitenin azalması anlamına gelen kayma incelmesi (shear thinning) ve kayma hızı arttıkça viskozitenin artması anlamına gelen kayma kalınlaşması(shear thickening) Newtonyen olmayan sıvı davranışı için çok temel iki örnektir. Bu davranışları açıklamaya aday en çok tartışılan mekanizmalar: Kayma incelmesi için katman veya dizilerin oluşumu ve Brown kuvvetlerinin kayma karşısında yetersiz kalışı; Kayma kalınlaşması için ise hidrokümelenme ve düzen-düzensizlik geçişidir. Newtonyen olmayan sıvılar ses yalıtımı, giyilebilir yumuşak zırh yapımı gibi mühedislik ve endüstriyel uygulama alanlarında önemli yer bulmaktadır. Kayma incelmesi ve kayma kalınlaşması bir çok süspansyon ve kolloid karışımlarında görülür, hatta uygun koşullarda bu tarz bütün karşımların bu özellikleri gösterebileceği önerilmiştir. Burada hacim oranı, sıvı içinde dağılan parçacıkların hacminin, karışımın toplam hacimine oranıdır. Bu parametre özellikle kayma kalınlaşmasını en çok etkileyen parametredir. Tezin amacı, kolloid karışımlarında yaygınca görülen kayma incelmesi ve kayma kalınlaşmasına sebep olan mikroskopik mekanizmaları incelemek ve anlamaktır. Bu olayları modellemek için gereken araçlar, çalışma içerisinde geliştirilmiştir. Bu tezde, katı nanoparçacık kürelerin, basit Lennard-Jones sıvısına karışmasından oluşan sistemin düzenli Couette akışı halinde davranışını modelleyen denge dışı moleküler dinamik çalışması sunulmaktadır. Etkileşimler için modifiye Lennard-Jones potansiyelini kullanarak, etkileşimin şiddetini ve parçacıkların birbirlerini veya sıvı atomlarını ne kadar sevecekleri ayarlanabilmektedir. Couette akışını elde edebilmek için kullandığımız başlıca yöntemler, SLLOD algoritması ve Lees-Edward periyodik sınırları algoritmasıdır. Bu algoritmalar katı kürelerle uyumlu olacak şekilde diğer yöntemlerimizle adepte edilmiştir. Periyodik sınırlar olması simüle edilen çok az miktardaki sıvının daha büyük bir sıvı kütlesinin içerisindeymiş gibi davranmasını sağlamakta ve olası yüzey ve sınırlandırma etkilerini engellemektedir. Katı kürelerin dönmelerini hesaplayabilmek ve yönelimlerini saklayabilmek için“rotasyon matrisi”yöntemini kullanılmaktadır. Bu yöntem yine etkili ve çok kullanılan bir yöntem olan quaternionlardan daha anlaşılır ve görselleştirillebilirdir. Farklı kayma hızları ve farklı hacim oranları için karışımların viskozitelerini hesaplayarak viskoziteyi kayma hızının ve karıştırılmış parçacık yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak elde ediyoruz. Viskoziteyi hesaplamak için basitçe simulasyondan elde edilen kayma stresi sonuçlarının istatik ortalamasını ve ilgili kayma hızını kullanıyoruz. Bunun için gereken bağıntı Newton'ın temel stress viskozite denkleminden elde ediliyor. Sıcaklık, basınç gibi başka makroskopik nicelikler de yine istatistik ortalamalar sayesinde elde edilebilmektedir. Simülasyonlardan elde edilen sonuçların rastgele bağımsız değerler olmayıp, zaman içerisinde salınan istatistiksel büyüklükler olmalarından kaynaklanan verinin kendisiyle zamansal ilişkili olması göz önüne alınarak varyans ve hata barlarını hesaplanmıştır. Kolloid karışımlarında yaygın olarak kullanılan moleküler dinamik hibriti Stokesyan dinamik simulasyonlarının stokastik ve istatistik fiziksel olmayan sürekçlerinden farklı olarak, Hamilton denklemlerinin uzun süre yüksek hassesiyetle çözebilen simplektik integrasyon algoritmaları sayesinde tamamen fiziksel ve deterministik süreçler simüle edilmektedir. Moleküler dinamik simülasyonlarının katkısız tek tip sıvıların akışları için bu tarz kullanımına rastlansa da, bildiğimiz kadarıyla kolloid karışımları için ilk defa bu çalışmada kullanılmıştır. Düşük kayma hızı değerlerinde kayma incelmesi davranışı gözlemlenmektedir. Bu durum bütün hacim oranları için geçerliyken sonrasında farklı parçacık yoğunlukları için farklı davranış biçimleri ortaya çıkmaktadır. Kayma hızı arttıkça, kaymaya bağlı hidrodinamik kuvvetler Brown kuvvetlerine baskın duruma gelirler. Bu durum başta, yukarıda söz edilen kayma incelmesine sebep olsa da artan hidrodinamik kuvvetler nanoparçacıklar arasında daha sık ve daha şiddetli çarpışmalara neden olmaktadır. Bu artış daha çok enerji dağılımına ve artan bir kayma stresine sebep olmakta; bu da viskozite artışı anlamına gelmektedir. Çalışmada gösteriyoruz ki, Brown kuvvetleri görmezden gelinebilir seviyelerde kaldıktan sonra, nanoparçacıkların başta, düşük kayma hızlarındaki söz edilen kayma incelmesi rejimini sürmesi için akışa paralel bir şekilde kayan katmanların içine yerleşerek düzene girmeleri ve aralarındaki çarpışmaları en aza indirmeleri gerekiyor. Yüksek hacim oranında parçacık söz konusu olduğunda bu mümkün olmamaktadır. Katmanlar içerisinde yer bulamayacak kadar kalabalık olduklarında, kayma hızı arttıkça nanoparçacıklar daha çok çarpışıyor ve bu da yüksek hacim oranlarında kayma kalınlaşması olarak gözleniyor. En ilgi çekici sonuçlardan biri, kayma incelmesi ve kalınlaşması rejimlerinin geçişinde ara hacim oranı değerlerinde sistemin yarı kararlı bir durum sergilediğini göstermemizdir. Aynı faz yörüngesi boyunca, sırayla düzenli düzensiz durumlar arasında tekrarlayan bir geçiş halinde ortaya çıkan bu yarı karaklı durum, sırasıyla kayma incelmesi ve kayma kalınlaşması arasında geçişlere denk gelmektedir. Newtonyen olmayan rejimlerin mikroskopik yapısını ve sebeplerini analiz edip daha iyi anlamak için iki boyutlu çift ilişki (pair correlation) fonksiyonları hesaplanmıştır. Bu fonksiyonlar kayma düzlemi üzerinde, seçili parçacığın etrafında istatistik olarak nerede ne kadar başka parçacık olduğunun ortalamasını gösteren fonksiyonlardır. Çift ilişki fonksiyonları sayesinde parçacıkların anlamlı, tekrar eden konumsal örüntüleri varsa bunları görebilmekteyiz. Parçacıkların bir düzlemde eş yönelimli homojen bir dağılıma sahip oldukları veya bu eş yönelimlilikte ortaya çıkan hafif kaymalar, parçacıkların katmanlar oluşturacak şekilde düzenlendiği veya tamamen homejen bir şekilde karıştıkları çift ilişkileri sayesinde anlaşılabilmektedir. Düşük kayma hızlarında, kayma incelmesi Brown kuvvetlerinin baskın olduğu mikroskopik yapının bozulmasıyla bağlantılıdır. Eş yönelimli dağılım bozulurken buna karşı koyan Brown kuvvetlerinden kaynaklı stres artsa da, bu artış kayma hızına denk gelemez ve bu da stresin kayma hızına oranı olarak ortaya çıkan viskozitenin azalmasına yol açar. Sonuçlarımız gösteriyor ki bunun ötesindeki kayma hızlarında, katmanlı bir düzenin oluşması kayma incelmesine sebep olabiliyor ama bu katmanlaşma kayma incelmesi için gerekli bir koşul değil. Aynı zamanda bulgularımız düzen-düzensizlik geçişi mekanizmasını destekliyor ama bu da gerekli bir koşul olarak karşımıza çıkmamaktadır. Kayma kalınlaşması için temel sebep karıştırılmış parçacıkların sürtünme yani hidrodinamik olmayan etkileşimlerinin sıklığının ve şiddetinin artmasıdır. Katman ve düzen oluşmasıysa kayma kalınlaşmasının bu şekilde ortaya çıkmasını önleyen bir mekanizmadır. Bu katmanların kesin ve iyi tanımlanmış olmayabileceğine dikkat edilmelidir. Nitekim analizlerimizin sonuçları değişik şiddetlerde katmanlaşma içermektedir. Katmanlaşma şiddetli olmadığı sürece sadece istatistiksel bir bulgudur ve uzaysal olarak anlık gözlemlenebilir değildir. Çalışmamız literatürde kıyaslanan mekanizmaların birbirlerini dışlar nitelikte olmadığını, uygun koşullarda hepsinin sürece dahil olabildiğini ve Newtonyen olmayan davranışlara sebep olabildiğini göstermektedir. Hidrokümelerin, düzen-düzensizlik geçişinin, katman oluşumlarının yeter sebep olduğunu ama zorunlu olarak gerek olmadıkları sonucuna varmaktayız. Kayma hızları arttıkça hidrodinamik yalıtım bariyerinin(lubrication) aşılmasıyla artan sürtünmeden kaynaklanan stres artışı açıklamasının genelliği etrafında bütün bu mekanizmalar uygun şartlarda görülebilmektedir.
Özet (Çeviri)
The goal of the thesis is to observe microscopic mechanisms in colloid dispersions that cause shear thinning and shear thickening. We develop the necessary tools to model these phenomena. We present a non-equilibrium molecular dynamics study of the Couette flow of rigid spherical nanoparticles in a simple Lennard-Jones fluid. We evaluate the viscosity of the dispersion as a function of shear rate and nanoparticle volume fraction. We observe shear thinning behavior at low shear rates; as the shear rate increases, the shear forces overcome the Brownian forces, resulting in more frequent and more violent collisions between the nanoparticles. This in turn results in more energy dissipation and increased shear stress. We show that in order to stay in the shear-thinning regime the nanoparticles have to order themselves into layers longitudinal to the flow to minimize the collisions after Brownian forces become negligible. As the nanoparticle volume fraction increases, there is less room to form the ordered layers; consequently, as the shear rate increases, the nanoparticles collide more, which results in turn in shear thickening. Most interestingly, we show that at intermediate volume fractions the system exhibits metastability, with successions of ordered and disordered states along the same trajectory, and these states correspond to shear thinning and shear thickening respectively. Two-dimensional pair correlation functions are evaluated for further analyses of microscopic states of the non-Newtonian regimes. At low shear rates shear thinning is related to the deformation of the microscopic structure dominated by Brownian forces. Our results suggest that layering may lead to shear thinning in the right conditions but it's not necessary. Results also support the order-disorder transition but it's also not necessary. The leading reason for shear thickening is the increase in the frequency and intensity of the frictional interactions of dispersed particles. Layer formation is a mechanism that prevents the emergence of shear thickening.
Benzer Tezler
- Lityum iyon batarya uygulamaları için polipirol esaslı anot bağlayıcılar
PPY based anode binder for lithium ion battery application
IŞIK İPEK AVCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BELKIZ USTAMEHMETOĞLU
- Emülsiyon polimerlerinin farklı sıcaklık ve karıştırma hızlarında sentezi ve karakterizasyonu
Synthesizing emulsion polymers in different temperature and stirring rate, and their characterization
BETÜL CAMGÖZ BALITATLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Polimer Bilim ve TeknolojisiYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYFER SARAÇ
- Farklı kökenli kolemanit süspansiyonlarında moleküler etkileşimlerin deneysel ve teorik analizi
Experimental and theoretical analysis of molecular interactions in different originated colemanite suspensions
DİLEK ŞENOL ARSLAN
Doktora
Türkçe
2017
Kimyaİstanbul ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ORHAN ÖZDEMİR
PROF. MEHMET SABRİ ÇELİK
- Sıcaklığın latekslerin verimi üzerine etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of reaction temperature on the latexes productivity
SEDEF ŞİŞMANOĞLU
- Experimental and theoretical characterization of polymer substances; Tailor-made masterbatch production from pigment
Polimer maddelerinin deneysel ve teorik tanımlaması; Pigmentten ısmarlama yapılmış konsantre boya üretimi
AYŞİN EBRU KÜÇÜK
Yüksek Lisans
İngilizce
1998
Kimya MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İVET BAHAR