القياس الكمي لسلوك التثخين بالقص باستخدام نموذج قانون الطاقة على مقياس الانسياب الدوراني - خليط نشا الذرة والماء

مقدمة

في حين أن معظم المعلقات والمواد ذات البنية البوليمرية هي مواد مرققة بالقص، فإن بعض المواد يمكن أن تظهر أيضًا سلوكًا لتكثيف القص حيث تزداد اللزوجة مع زيادة معدل القص أو إجهاد القص. وغالبًا ما يشار إلى هذه الظاهرة أيضًا باسم التمدد، وعلى الرغم من أن هذا يشير إلى آلية محددة لتكثيف القص، إلا أن المصطلحين غالبًا ما يستخدمان بالتبادل. في معظم الحالات، تحدث سماكة القص على مدى عقد من معدلات القص ويمكن أن تكون هناك منطقة ترقق القص عند معدلات القص المنخفضة والعالية.

وعادةً ما تُظهر المواد المشتتة أو المعلقات الجسيمية ذات التركيز العالي للجسيمات الصلبة والمعاجين والبوليمرات الترابطية مثل HASE وبوليمرات HEUR وغيرها من المواد التي تظهر سماكة القص. ومع ذلك، فإن المواد التي تُظهر تغليظ القص أقل شيوعًا في التطبيقات الصناعية من المواد التي تُظهر ترقق القص، حيث يمكن أن تؤدي المواد التي تظهر تغليظ القص إلى مشاكل معالجة شديدة. المواد التي تخضع لتغيرات في البنية المجهرية أو الاتجاه عند تطبيق القص، والتي تؤدي إلى زيادة مقاومة التدفق، سوف تميل إلى إظهار تغليظ القص.

بالنسبة للمعلقات، يحدث هذا بشكل عام في المواد التي تُظهر ترقق القص عند معدلات القص وضغوط القص المنخفضة. عند إجهاد القص الحرج أو معدل القص الحرج، يتعطل نظام التدفق المنظم المسؤول عن ترقق القص ويمكن أن يحدث ما يسمى بـ "تكوين الكتلة المائية" أو "التشويش". وهذا يعطي استجابة عابرة شبيهة بالمادة الصلبة وزيادة في اللزوجة الملحوظة. كما يمكن أن تحدث سماكة القص أيضًا في البوليمرات، ولا سيما البوليمرات البرمائية، التي قد تنفتح وتتمدد عند معدلات القص العالية، مما يكشف أجزاء من السلسلة القادرة على تكوين ارتباطات عابرة بين الجزيئات.

من الناحية الرياضية، يمكن نمذجة سلوك التثخين بالقص باستخدام نموذج قوة القانون;

حيث:
k هو التناسق
n هو مؤشر قانون القوة
σ هو إجهاد القص
-γ هو معدل القص

مع η أكبر من 1 بالنسبة لسوائل سماكة القص.

وتجدر الإشارة إلى أنه يمكن أن يحدث انقلاب في اللزوجة عند معدلات القص العالية من خلال ظاهرة أخرى مثل اضطراب المائع. ومع ذلك، يميل هذا التأثير إلى الحدوث مع السوائل ذات اللزوجة المنخفضة ويمكن التنبؤ به من حسابات رقم رينولدز.

تجريبي

• تم تقييم سلوك تغليظ القص لمزيج 75% وزن/وزن من نشا الذرة/معلق الماء بنسبة 75% من خلال إجراء جدول اختبار معدل القص وتحليل المنحنى الناتج عن طريق تركيب نموذج قوة القانون.
• أُجريت قياسات مقياس الانسيابية الدورانية باستخدام مقياس الانسيابية الدورانية Kinexus مع خرطوشة لوحة بلتيير ^ونظام قياس اللوحة المتوازية الخشنة1، وباستخدام تسلسلات قياسية معدة مسبقًا في برنامج rSpace.
• تم استخدام تسلسل تحميل قياسي لضمان خضوع كلتا العينتين لبروتوكول تحميل متسق ويمكن التحكم فيه.
• تم إجراء جميع قياسات الريولوجيا عند درجة حرارة 25 درجة مئوية.
• تم إنشاء منحنى التدفق باستخدام جدول توازن لاختبار معدلات القص بين 0.1 ث-1 و100 ث-1 ونموذج قانون القوة المجهزة لجزء محدد يدويًا من هذا المنحنى.

النتائج والمناقشات

يوضِّح الشكل 1 ملف تعريف معدل اللزوجة والقص لتشتت نشا الذرة. عند معدلات القص المنخفضة، تُظهر العينة سلوك ترقق القص؛ ومع ذلك، عند معدل القص الحرج الذي يبلغ حوالي 8 ^ث-1، يلاحظ حدوث انقلاب حاد في اللزوجة، وهو ما يميز سلوك التثخين بالقص. عند تركيب نموذج قانون القوة على البيانات بين 0.15 ^ث-1 و6.5 ^ث-1، تكون القيمة المبلغ عنها لمؤشر قانون القوة (η) 0.57، مما يؤكد سلوك ترقق القص (η <1). عند تركيب النموذج نفسه على البيانات بين 10 ^ث-1 و20 ^ث-1، تكون قيمة η هي 3.01، مما يشير إلى ترقق القص بشكل كبير (η>1).

الخاتمة

أظهر خليط نشا الذرة والماء الذي تم اختباره سلوكًا قويًا في زيادة سماكة القص فوق 8 ^ث-1 كما أكد ذلك مؤشر قانون القوة (η) الذي أعطى قيمة 3 للبيانات بين 10 ^ث-1 و20 ^ث-1.

يرجى ملاحظة...

أنه يمكن أيضًا استخدام هندسة الصفيحة المتوازية أو الهندسة الأسطوانية. وينبغي النظر في استخدام هندسة الرمل المنفوخ إذا كان من المحتمل أن تُظهر المادة تأثيرات انزلاق الجدار. تُعد الأشكال الهندسية الأكبر حجمًا مفيدة للقياسات عند عزم الدوران المنخفض، والتي من المرجح أن تصادف في الترددات المنخفضة. يوصى أيضًا باستخدام مصيدة المذيبات لهذه الاختبارات نظرًا لأن تبخر المذيب (مثل الماء) حول حواف نظام القياس يمكن أن يبطل الاختبار، خاصةً عند العمل في درجات حرارة أعلى.