Undersøgelse viser, hvordan ru mikropartikler kan give store problemer

Ny forskning fra North Carolina State University, MIT og University of Michigan konstaterer, at overfladeteksturen af ​​mikropartikler i en flydende suspension kan forårsage intern friktion, der væsentligt ændrer suspensionens viskositet - hvilket effektivt gør væsken tykkere eller tyndere. Fundet kan hjælpe med at løse problemer for virksomheder inden for områder fra biofarmaceutiske produkter til kemisk fremstilling.

"Vi hørte om problemer, virksomheder havde med pumpeophæng og blev nysgerrige efter, hvad der forårsagede disse problemer, " siger Lilian Hsiao, en assisterende professor i kemisk og biomolekylær teknik ved NC State og hovedforfatter på et papir om arbejdet. "I betragtning af den allestedsnærværende af disse typer væsker i industrien, vi var overraskede over, at ingen systematisk havde set på overfladeruhedens rolle før. Det viser sig at være en virkelig vigtig faktor i, hvordan disse partikelfyldte væsker flyder."

Ved at bruge en kombination af simuleringer og laboratorieforsøg, forskerne fandt ud af, at det, der bremsede suspensionerne, var friktion. Specifikt, friktionen bliver betydelig, når nok partikler suspenderet i væsken støder ind i hinanden. Og jo mere ru overfladen af ​​partiklerne er, jo mere friktion genererer de, når de kommer i kontakt.

"Det kræver energi at pumpe en flydende suspension gennem et rør eller et rør, og friktionen skabt af interaktion mellem partikler spreder meget af den energi, " Hsiao siger. "Denne dissipation sænker bevægelsen af ​​suspensionen eller, hvis partiklerne er meget ru, kan endda stoppe det fuldstændigt." En video, der viser forskellen mellem suspensioner med ru partikler og suspensioner med glatte partikler, kan findes på www.youtube.com/watch?v=oXRl2IdwdhY.

Denne indsigt giver industrien et par muligheder:De kan reducere friktionen ved at konstruere partiklerne til at have glattere overflader, eller de kan øge mængden af ​​energi, der bruges til at flytte suspensionen gennem røret.

Imidlertid, forskerne fandt også ud af, at tilsætning af energi til en suspension, der indeholder ru partikler, også kan få suspensionen til at udvide sig. Dette skyldes, at ru partikler simpelthen fylder mere end glatte, når de vælter i suspension. Slutresultatet er, at påføring af mere forskydningsspænding i systemet kan forårsage katastrofal tilstopning, hvis suspensionen udvider sig for meget.

"Dette er et grundlæggende fremskridt i vores forståelse af fysikken i suspensioner i flow, og skulle hjælpe ingeniører og videnskabsmænd med at håndtere de produktionsudfordringer, der fangede vores opmærksomhed i første omgang, " siger Hsiao.

"Vi kigger nu på måder at bruge de principper, vi opdagede her, til at få friktionen til at virke til vores fordel."

Papiret, "Reologiske tilstandsdiagrammer for ru kolloider i forskydningsflow, " er offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .