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 πάχυνση διάτμησης είναι πολύ λιγότερο συνηθισμένα σε βιομηχανικές εφαρμογές από τα υλικά που παρουσιάζουν διατμητική αραίωση, ωστόσο, όπου συναντώνται υλικά που παρουσιάζουν πάχυνση διάτμησης μπορούν να οδηγήσουν σε σοβαρά προβλήματα επεξεργασίας. Τα υλικά που υφίστανται μικροδομικές αλλαγές ή αλλαγές 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 που μοιάζει με 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 μπορεί να ανοίξουν και να τεντωθούν, εκθέτοντας τμήματα της αλυσίδας ικανά να σχηματίσουν παροδικές διαμοριακές ενώσεις.
Μαθηματικά, η συμπεριφορά της διατμητικής πύκνωσης μπορεί να μοντελοποιηθεί με τη χρήση του μοντέλου power-law,
όπου:
k είναι η συνοχή
n είναι ο δείκτης νόμου δύναμης
σ είναι η διατμητική τάση
-γ είναι ο ρυθμός διάτμησης
µε η µεγαλύτερο από 1 για ρευστά µε διατµητική πυκνότητα.
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 διατμητική συμπεριφορά πύκνωσης 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 ενός περιστροφικού ρεομέτρου Kinexus με φυσίγγιο πλάκας Peltier και σύστημα μέτρησης με τραχιά παράλληλη πλάκα1 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 s-1 και 100 s-1 και ενός μοντέλου νόμου δύναμης που προσαρμόστηκε σε ένα χειροκίνητο τμήμα αυτής της καμπύλης selected.
Αποτελέσματα και συζητήσεις
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 άνοδος του ιξώδους, χαρακτηριστική της συμπεριφοράς διατμητικής πύκνωσης. Με την προσαρμογή ενός μοντέλου νόμου δύναμης στα δεδομένα μεταξύ 0,15 s-1 και 6,5 s-1 η αναφερόμενη τιμή για τον δείκτη νόμου δύναμης (η) είναι 0,57, επιβεβαιώνοντας έτσι τη συμπεριφορά διατμητικής αραίωσης (η<1). Προσαρμόζοντας το ίδιο μοντέλο στα δεδομένα μεταξύ 10 s-1 και 20 s-1, η τιμή του η είναι 3,01, γεγονός που υποδηλώνει σημαντική διατμητική πύκνωση (η>1).
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 (η), ο οποίος έδωσε τιμή 3 για δεδομένα μεταξύ 10 s-1 και 20 s-1.
Παρακαλώ σημειώστε...
ότι μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί γεωμετρία παράλληλης πλάκας ή κυλινδρική γεωμετρία. Μια γεωμετρία με αμμοβολή θα πρέπει να εξεταστεί 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 χαμηλότερες συχνότητες. Συνιστάται επίσης η χρήση παγίδας διαλύτη για αυτές τις δοκιμές, καθώς η εξάτμιση του διαλύτη (π.χ. νερό) γύρω από τα άκρα του συστήματος μέτρησης μπορεί να ακυρώσει τη δοκιμή, ιδίως όταν εργάζεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες.