Εισαγωγή
Ενώ τα περισσότερα εναιωρήματα και υλικά με πολυμερή δομή αραιώνουν σε διάτμηση, ορισμένα υλικά μπορούν επίσης να παρουσιάσουν συμπεριφορά πύκνωσης σε διάτμηση, όπου το ιξώδες αυξάνεται με την αύξηση του ρυθμού διάτμησης ή της διατμητικής τάσης. Το φαινόμενο αυτό αναφέρεται συχνά και ως διαστολή και, παρόλο που αυτό αναφέρεται σε έναν συγκεκριμένο μηχανισμό διατμητικής πύκνωσης, οι όροι χρησιμοποιούνται συχνά εναλλακτικά. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η πάχυνση διάτμησης συμβαίνει σε μια δεκαετία ρυθμών διάτμησης και μπορεί να υπάρχει μια περιοχή αραίωσης διάτμησης σε χαμηλότερους και υψηλότερους ρυθμούς διάτμησης.
Συνήθως, οι διασπορές ή τα σωματιδιακά αιωρήματα με υψηλή συγκέντρωση στερεών σωματιδίων, οι πάστες, τα συσχετιζόμενα πολυμερή όπως τα πολυμερή HASE, HEUR κ.λπ. παρουσιάζουν πάχυνση διάτμησης. Τα υλικά που παρουσιάζουν διατμητική πύκνωση είναι πολύ λιγότερο συνηθισμένα σε βιομηχανικές εφαρμογές από τα υλικά που παρουσιάζουν διατμητική αραίωση, ωστόσο, όπου συναντάται διατμητική πύκνωση, τα υλικά μπορούν να οδηγήσουν σε σοβαρά προβλήματα επεξεργασίας. Τα υλικά που υφίστανται αλλαγές μικροδομής ή προσανατολισμού κατά την εφαρμογή διάτμησης, οι οποίες οδηγούν σε αυξημένη αντίσταση στη ροή, τείνουν να παρουσιάζουν πάχυνση διάτμησης.
Για τα αιωρήματα, αυτό συμβαίνει γενικά σε υλικά που παρουσιάζουν διατμητική πύκνωση σε χαμηλότερους ρυθμούς διάτμησης και διατμητικές τάσεις. Σε μια κρίσιμη διατμητική τάση ή ρυθμό διάτμησης, το οργανωμένο καθεστώς ροής που είναι υπεύθυνο για τη διατμητική αραίωση, διαταράσσεται και μπορεί να εμφανιστεί ο λεγόμενος σχηματισμός "υδροσυμπλέγματος" ή "εμπλοκή". Αυτό δίνει μια παροδική απόκριση σαν στερεό και μια αύξηση του παρατηρούμενου ιξώδους. Η διατμητική πύκνωση μπορεί επίσης να εμφανιστεί σε πολυμερή, ιδίως σε αμφίφιλα πολυμερή, τα οποία σε υψηλούς ρυθμούς διάτμησης μπορούν να ανοίξουν και να τεντωθούν, εκθέτοντας τμήματα της αλυσίδας ικανά να σχηματίζουν παροδικές διαμοριακές ενώσεις.
Μαθηματικά, η συμπεριφορά της διατμητικής πύκνωσης μπορεί να μοντελοποιηθεί με τη χρήση του μοντέλου powerlaw:
Πού
k είναι η συνεκτικότητα
n είναι ο δείκτης νόμου δύναμης
σ είναι ο ρυθμός διάτμησης,
-γ είναι ο ρυθμός διάτμησης.
Με n μεγαλύτερο από 1 για ρευστά που πυκνώνουν διατμητικά.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η άνοδος του ιξώδους σε υψηλούς ρυθμούς διάτμησης μπορεί να συμβεί μέσω άλλων φαινομένων, όπως η τύρβη του ρευστού. Το φαινόμενο αυτό, ωστόσο, τείνει να εμφανίζεται με ρευστά χαμηλότερου ιξώδους και μπορεί να προβλεφθεί από υπολογισμούς του αριθμού Reynolds
Πειραματικό
- Η συμπεριφορά πύκνωσης διάτμησης ενός μίγματος εναιωρήματος καλαμποκιού 75% κ.β.arch/νερού αξιολογήθηκε με την εκτέλεση ενός πίνακα δοκιμής ρυθμού διάτμησης και την ανάλυση της προκύπτουσας καμπύλης με την προσαρμογή ενός μοντέλου νόμου δύναμης.
- Οι μετρήσεις με περιστροφικό ρεόμετρο πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του περιστροφικού ρεομέτρου Kinexus με φυσίγγιο πλάκας Peltier και σύστημα μέτρησης με τραχιά παράλληλη πλάκα και με τη χρήση τυποποιημένων προκαθορισμένων ακολουθιών στο λογισμικό rSpace.
- Χρησιμοποιήθηκε μια τυποποιημένη ακολουθία φόρτωσης για να εξασφαλιστεί ότι και τα δύο δείγματα υποβλήθηκαν σε ένα συνεπές και ελεγχόμενο πρωτόκολλο φόρτωσης.
- Όλες οι μετρήσεις ρεολογίας πραγματοποιήθηκαν στους 25°C.
- Η καμπύλη ροής δημιουργήθηκε με τη χρήση ενός πίνακα ισορροπίας δοκιμαστικών ρυθμών διάτμησης μεταξύ 0,1 και 100 s-1 και ενός μοντέλου νόμου δύναμης που προσαρμόστηκε σε ένα χειροκίνητο τμήμα αυτής της καμπύλης selected.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται το προφίλ ιξώδους-ταχύτητας διάτμησης για τη διασπορά Corn Starch. Σε χαμηλούς ρυθμούς διάτμησης, το δείγμα παρουσιάζει συμπεριφορά διατμητικής αραίωσης- ωστόσο, σε έναν κρίσιμο ρυθμό διάτμησης περίπου 8 s-1, παρατηρείται απότομη αύξηση του ιξώδους, χαρακτηριστική της συμπεριφοράς διατμητικής πύκνωσης. Εφαρμόζοντας ένα μοντέλο νόμου δύναμης στα δεδομένα μεταξύ 0,15 s-1 και 6,5 s-1, η αναφερόμενη τιμή για το δείκτη νόμου δύναμης(n) είναι 0,57, επιβεβαιώνοντας έτσι τη συμπεριφορά διατμητικής αραίωσης(n<1). Εφαρμόζοντας το ίδιο μοντέλο στα δεδομένα μεταξύ 10 s-1 και 20 s-1, η τιμή του n είναι 3,01, γεγονός που υποδηλώνει σημαντική διατμητική πύκνωση(n>1).s.
Συμπέρασμα
Το μίγμα καλαμποκιού starch-νερού που δοκιμάστηκε παρουσίασε έντονη συμπεριφορά πύκνωσης διάτμησης πάνω από 8 s-1, όπως επιβεβαιώνεται από τον δείκτη νόμου δύναμης(n), ο οποίος έδωσε τιμή 3 για δεδομένα μεταξύ 10 και 20 s-1.
Παρακαλώ σημειώστε...
ότι μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί γεωμετρία κωνικής πλάκας ή κυλινδρική γεωμετρία. Μια γεωμετρία με αμμοβολή θα πρέπει να εξετάζεται εάν το υλικό είναι πιθανό να εμφανίσει φαινόμενα ολίσθησης των τοιχωμάτων. Larger γεωμετρίες είναι χρήσιμες για μετρήσεις σε χαμηλές ροπές, οι οποίες είναι πιο πιθανό να συναντηθούν σε χαμηλότερους ρυθμούς διάτμησης και τάσεις. Συνιστάται επίσης η χρήση παγίδας διαλύτη για τις δοκιμές αυτές, καθώς η εξάτμιση του διαλύτη (π.χ. νερό) γύρω από τα άκρα του συστήματος μέτρησης