Úvod
Zatímco většina suspenzí a polymerních strukturovaných materiálů se smykem zřeďuje, některé materiály mohou vykazovat také smykové zhušťování, kdy se viskozita zvyšuje s rostoucí smykovou rychlostí nebo smykovým napětím. Tento jev se také často označuje jako dilatace, a přestože se jedná o specifický mechanismus smykového zahušťování, často se tyto termíny používají zaměnitelně. Ve většině případů dochází ke smykovému zhušťování v průběhu deseti smykových rychlostí a může existovat oblast smykového ztenčení při nižších a vyšších smykových rychlostech.
Obvykle se smykové zhušťování projevuje u disperzí nebo suspenzí částic s vysokou koncentrací pevných částic, past, asociativních polymerů, jako jsou polymery HASE, HEUR atd. Materiály vykazující smykové zahušťování jsou v průmyslových aplikacích mnohem méně časté než materiály vykazující smykové zřeďování, kde se však vyskytují materiály vykazující smykové zahušťování, mohou vést k závažným problémům při zpracování. Materiály, u nichž při působení smyku dochází k mikrostrukturním nebo orientačním změnám, které vedou ke zvýšenému odporu proti toku, mají tendenci vykazovat smykové zhuštění.
U suspenzí k tomu obecně dochází u materiálů, které vykazují smykové ztenčení při nižších smykových rychlostech a smykových napětích. Při kritickém smykovém napětí nebo smykové rychlosti je organizovaný režim proudění, který je zodpovědný za smykové ztenčení, narušen a může dojít k tzv. tvorbě ´hydroklastrů´ nebo ´zaseknutí´. To vede k přechodné reakci podobné pevné látce a zvýšení pozorované viskozity. Ke smykovému zhuštění může dojít také u polymerů, zejména u amfifilních polymerů, které se při vysokých smykových rychlostech mohou otevřít a roztáhnout, čímž se odhalí části řetězce schopné vytvářet přechodné mezimolekulární asociace.
Matematicky lze chování při smykovém zhušťování modelovat pomocí modelu mocninného zákona;
kde:
k je konzistence
n je mocninný zákon
σ je smykové napětí
-γ je smyková rychlost
přičemž η je větší než 1 pro kapaliny se smykovým zhuštěním.
Je třeba poznamenat, že k vzestupu viskozity při vysokých smykových rychlostech může dojít v důsledku jiných jevů, jako je turbulence kapaliny. Tento jev se však vyskytuje spíše u kapalin s nižší viskozitou a lze jej předpovědět z výpočtů Reynoldsova čísla.
Experimentální
- Chování směsi kukuřičného škrobu a vody ve formě suspenze o hmotnosti 75 % hm. bylo vyhodnoceno pomocí testu smykové rychlosti a analýzy výsledné křivky pomocí modelu mocninného zákona.
- Měření rotačním reometrem byla provedena pomocí rotačního reometru Kinexus s Peltierovou deskovou kazetou a zdrsněným paralelním měřicím systémem1 a za použití standardních předkonfigurovaných sekvencí v softwaru rSpace.
- Byla použita standardní sekvence zatěžování, aby bylo zajištěno, že oba vzorky byly podrobeny konzistentnímu a kontrolovatelnému protokolu zatěžování.
- Všechna reologická měření byla prováděna při teplotě 25 °C.
- Průtoková křivka byla vytvořena pomocí tabulky rovnovážných testovacích smykových rychlostí v rozmezí 0,1 s-1 až 100 s-1 a modelu mocninného zákona přizpůsobeného ručně vybrané části této křivky.
Výsledky a diskuse
Obrázek 1 ukazuje profil viskozity a rychlosti smyku pro disperzi kukuřičného škrobu. Při nízkých smykových rychlostech vykazuje vzorek smykové zřeďování, avšak při kritické smykové rychlosti přibližně 8 s-1 je pozorován prudký nárůst viskozity charakteristický pro smykové zhušťování. Při fitování modelu mocninného zákona na data mezi 0,15 s-1 a 6,5 s-1 je uváděná hodnota pro index mocninného zákona (η) 0,57, což potvrzuje chování při smykovém ztenčování (η<1). Při fitování stejného modelu na data mezi 10 s-1 a 20 s-1 je hodnota η 3,01, což svědčí o výrazném smykovém zhuštění (η>1).
Závěr
Testovaná směs kukuřičného škrobu a vody vykazovala nad 8 s-1 silné chování při smykovém zhušťování, což potvrdil i index mocninného zákona (η), který měl pro údaje mezi 10 s-1 a 20 s-1 hodnotu 3.
Vezměte prosím na vědomí, že...
že lze použít i geometrii rovnoběžné desky nebo válcovou geometrii. Pískovaná geometrie by měla být zvážena, pokud je pravděpodobné, že materiál bude vykazovat účinky skluzu stěn. Větší geometrie jsou užitečné pro měření při nízkých kroutících momentech, které se pravděpodobněji vyskytují při nižších frekvencích. Pro tyto zkoušky se rovněž doporučuje použít lapač rozpouštědel, protože odpařování rozpouštědla (např. vody) kolem okrajů měřicího systému může znehodnotit zkoušku, zejména při práci za vyšších teplot.