Reologie is binnen de vloeistoffysica het vakgebied dat zich bezighoudt met complexe 'niet-Newtonse' vloeistoffen - vloeistoffen waarin andere stoffen zijn opgelost. Zulke 'meerfasenmengsels' heten dispersies als de ene stof (de gedispergeerde fase) zeer fijn verdeeld in de andere (het disperse middel) is opgelost. De gedispergeerde stof kan vast, gasvormig of vloeibaar zijn. In dat laatste geval spreken we van emulsies.
Voorbeelden van complexe of meerfasenvloeistoffen zijn onder meer olieproducten, cosmetica, vloeibare wasmiddelen, lijm, sladressings, deeg, yoghurt en biologische vloeistoffen zoals speeksel en bloed. Het stromingsgedrag van dispersies staat binnen de reologie sterk in de belangstelling.
Complexe vloeistoffen vertonen onder invloed van stroming een soms bizar reologisch gedrag dat samenhangt met microscopische eigenschappen. Een voorbeeld is het 'Weissenberg-effect': stroperige of visceuze vloeistoffen zoals deeg 'klimmen' langs de lepel omhoog als je er in roert. Dikke, visceuze vloeistoffen worden daarnaast onder invloed van stroming dun en vloeibaar als water. Of zelfs elastisch, net als een vaste stof.
'In de reologie', legt prof. J. Mellema uit, 'vervaagt het onderscheid tussen vloeistof en vastestof.' Ter illustratie haalt hij een stuk silly-putty te voorschijn. Het visceuze goedje, ooit populair bij kinderen, blijkt in rust als een oliedruppel uitgelopen. Na enig kneden ontpopt het zich tot een elastisch balletje dat probleemloos op tafel stuitert.
Raadselachtig
De visco-elasticiteit van complexe vloeistoffen wordt volgens Mellema nog maar zeer ten dele begrepen. En dat vormt in veel industriële productieprocessen een groot probleem. Het raadselachtige stromingsgedrag van zulke vloeistoffen in bijvoorbeeld mengreactoren valt nog nauwelijks te modelleren. Fabrikanten kunnen daardoor alleen via een tijdrovende trial-and-error-aanpak aan nieuwe produkten en opschalingsprocessen sleutelen.
Hoe lastig dat is, leerde een onderzoeksproject van Mellema's groep voor verffabrikant DSM Resins, die door strengere milieuwetten gedwongen is om op korte termijn nieuwe verfsoorten zonder schadelijke oplosmiddelen te ontwikkelen. Dat leverde verven op met ongewenste reologische eigenschappen. Zo bleken de nieuw ontwikkelde verven veel te snel te drogen.
Het probleem is, zegt Mellema, dat verf aan zoveel tegenstrijdige eisen moet voldoen. 'De consument eist een verf die homogeen van structuur en gebruiksklaar is, die niet te dik en niet te dun is, die makkelijk uitstrijkt, ogenblikkelijk droogt, en ook nog mooi navloeit.' Meer reologische kennis kan het ontwikkelingsproces van zulke verven vergemakkelijken.
Een ander probleemprodukt is mayonaise, een delicaat mengsel van water en vet. Meer kennis van het stromingsgedrag van mayonaise zou het cruciale mengproces, waarvoor nu grote, stroomverslindende menginstallaties nodig zijn, goedkoper en doelmatiger kunnen maken. Ook zou die kennis het ontwikkelen van 'gezonde' vetarme mayonaiseprodukten vereenvoudigen.
Boorputten
Kennis over meerfasenmengsels is ook voor andere industrieën interessant, zoals de oliewinningsindustrie. Bij boorputten blijft veel aardolie in het gesteente achter. Die wordt er met water 'uitgewassen'. Het moeizame proces om olie en water eerst te mengen en vervolgens weer te scheiden zou met nieuwe inzichten en computermodellen sterk verbeterd kunnen worden.
De TN-leerstoel Reologie neemt deel in een vorige maand goedgekeurd Brite/Euramproject dat gericht is op de ontwikkeling van computermodellen die de dynamiek van (turbulente) stromingen in complexe meerfasenmengsels beschrijven. Dit soort modelvorming (Computational Fluid Dynamics geheten) is mogelijk geworden dankzij de steeds krachtiger computers, maar tot nu toe alleen met succes beproefd voor eenvoudige eenfasemengsels.
De Twentse groep gaat binnen het project stromingsgedrag van complexe meerfasenmengsels op fundamenteel niveau bestuderen. Daarbij gaat het met name om emulsies met deeltjes van 1 micron grootte. Projectleider dr. D. van den Ende: 'We willen kijken wat op micro- en mesoniveau met de individuele deeltjes gebeurt en dat vervolgens meten en modelleren.'
Bij de stromingsprocessen in deze complexe vloeistoffen gaat het zowel om het opbreken van deeltjes (druppels of bellen) als het (weer) samenvloeien ervan. Cruciale factoren daarbij zijn stromingssnelheid, grootte van de betrokken deeltjes, en aanwezigheid van andere 'rommel' in het mengsel ('oppervlakte-actieve stoffen' beïnvloeden het stromingsgedrag).
Hoogstandje
Voor de experimenten zal de Fijnmechanische Werkplaats van TN een speciale opstelling maken: een stromingscel die in de vloeistoffen stromingen opwekt waardoor deeltjes opbreken dan wel samenvloeien. Via een speciaal objectief kunnen die processen op microniveau worden waargenomen en gemeten.
Om het opbreken en samenvloeien zichtbaar te maken moeten de deeltjes wel als het ware worden 'stilgezet'. Dat zal gebeuren door twee ineengeschoven cilinders - diameter 20 centimeter - met vloeistof ertussen tegengesteld aan elkaar te laten roteren. De vereiste nauwkeurigheid bedraagt 2 micron: een 'waar technisch hoogstandje', volgens Van den Ende.
Het UT-onderzoek moet handzame stromingsmodellen van complexe vloeistoffen opleveren die andere projectdeelnemers weer kunnen vertalen in computerprogramma's waarmee de industriële partners bij het ontwerpen, opschalen en optimaliseren van meerfasenprocessen aan de slag kunnen.
Aan Brite/Euramproject doen behalve Mellema's groep onderzoekers van het Imperial College in Londen en het Institut National Polytechnique (INPT) in Toulouse mee. Vanuit het bedrijfsleven participeren chemieconcern ICI, oliemaatschappij Total en voedingsmiddelengigant Unilever, die het project via zijn dochter Unilever Research in Vlaardingen coördineert.
Van het totale budget van circa 3,25 miljoen gulden komt 750 duizend gulden in Twente terecht. Van dat geld worden twee postdoc-onderzoekers aangesteld. Ook moet er onder meer de ontwikkeling van de speciale laboratoriumopstelling van worden betaald. Volgens Mellema vormt het binnengehaalde toepassingsgerichte project een belangrijke versterking van het derde geldstroomonderzoek van zijn fundamenteel gerichte leerstoel.
Mellema verwacht binnen vijf jaar toepasbare resultaten van het project. Volgens hem zal het onderzoek de concurrentiepositie van het bedrijfsleven versterken. 'We leveren een bijdrage aan het kennisniveau zodat bedrijven zoals Unilever op de wereldmarkt kunnen blijven concurreren. De Nederlandse industrie voor voedingsmiddelen en huishoudelijke producten moet het immers van efficiënte productiemethoden en kennisintensieve producten zoals halvarine hebben. Gewone margarine kunnen ze elders ook maken.'
