Въведение
Въпреки че повечето суспензии и полимерни структури са разреждащи се при срязване, някои материали могат да проявят и сгъстяване при срязване, при което вискозитетът се увеличава с увеличаване на скоростта на срязване или напрежението при срязване. Това явление често се нарича и дилатантност и въпреки че се отнася до специфичен механизъм за сгъстяване при срязване, термините често се използват взаимозаменяемо. В повечето случаи сгъстяването при срязване настъпва в продължение на десетилетие при различни скорости на срязване, като може да има област на изтъняване при по-ниски и по-високи скорости на срязване.
Обикновено сгъстяване при срязване се наблюдава при дисперсии или суспензии на частици с висока концентрация на твърди частици, пасти, асоциативни полимери като полимери HASE, HEUR и др. Материалите, проявяващи сгъстяване при срязване, се срещат много по-рядко в промишлените приложения, отколкото материалите, проявяващи изтъняване при срязване, но когато се срещне сгъстяване при срязване, материалите могат да доведат до сериозни проблеми при обработката. Материалите, които претърпяват микроструктурни или ориентационни промени при прилагане на срязване, които водят до повишено съпротивление на потока, са склонни да проявяват удебеляване при срязване.
При суспензиите това обикновено се случва в материали, които показват изтъняване при срязване при по-ниски скорости на срязване и напрежения на срязване. При критично напрежение на срязване или скорост на срязване организираният режим на потока, отговорен за изтъняването при срязване, се нарушава и може да се появи така нареченото "хидрокластерно" образуване или "задръстване". Това води до преходна реакция, наподобяваща твърдо тяло, и до увеличаване на наблюдавания вискозитет. Уплътняване при срязване може да настъпи и в полимери, по-специално в амфифилни полимери, които при високи скорости на срязване могат да се отворят и да се разтегнат, разкривайки части от веригата, способни да образуват преходни междумолекулни асоциации.
Математически сгъстяването при срязване може да се моделира чрез модела на Powerlaw:
Къде
k е консистенцията
n е индексът на закона на силата
σ е скоростта на срязване,
-γ е скоростта на срязване.
При n, по-голямо от 1, за флуиди, сгъстяващи се при срязване.
Трябва да се отбележи, че повишаването на вискозитета при високи скорости на срязване може да се случи чрез други явления, като например турбулентност на флуида. Този ефект обаче има тенденция да се проявява при флуиди с по-нисък вискозитет и може да се предвиди от изчисленията на числото на Рейнолдс
Експериментален
- Уплътняването при срязване на суспензионна смес от 75 % тегловни царевично нишесте/вода беше оценено чрез провеждане на тест с таблица за скоростта на срязване и анализиране на получената крива чрез напасване на модел на закона на силата.
- Измерванията с ротационен реометър бяха извършени с помощта на ротационен реометър Kinexus с патрон с плочи на Пелтие и измервателна система с грапава паралелна плоча и с помощта на стандартни предварително конфигурирани последователности в софтуера rSpace.
- Използвана е стандартна последователност на натоварване, за да се гарантира, че и двете проби са подложени на последователен и контролируем протокол на натоварване.
- Всички реологични измервания са извършени при 25°C.
- Кривата на потока е генерирана, като е използвана равновесна таблица за тест на скоростта на срязване между 0,1 и 100 s-1 и модел на закона на силата, приложен към ръчно избрана част от тази крива.
Резултати и обсъждане
На фигура 1 е показан профилът вискозитет-скорост на срязване за дисперсията на царевично нишесте. При ниски скорости на срязване пробата има поведение на изтъняване при срязване; при критична скорост на срязване от приблизително 8 s-1 обаче се наблюдава рязко покачване на вискозитета, характерно за сгъстяване при срязване. При напасване на модела на закона на мощността към данните между 0,15 s-1 и 6,5 s-1 отчетената стойност на индекса на закона на мощността(n) е 0,57, което потвърждава поведението на изтъняване при срязване(n<1). При напасване на същия модел към данните между 10 s-1 и 20 s-1 стойността на n е 3,01, което показва значително удебеляване при срязване(n>1).s.
Заключение
Тестваната смес от царевично нишесте и вода се характеризира със силно сгъстяване при срязване над 8 s-1, както се потвърждава от индекса на закона на силата(n), който дава стойност 3 за данните между 10 и 20 s-1.
Моля, обърнете внимание...
че може да се използва и геометрия на конусна плоча или цилиндрична геометрия. Геометрия с пясъкоструйка трябва да се обмисли, ако има вероятност материалът да прояви ефекти на приплъзване на стените. По-големите геометрии са полезни за измервания при ниски въртящи моменти, които е по-вероятно да се срещнат при по-ниски скорости на срязване и напрежения. При тези изпитвания се препоръчва и използването на уловител на разтворителя, тъй като изпаряването на разтворителя (напр. вода) по ръбовете на измервателната система