Johdanto
Vaikka useimmat suspensiot ja polymeerirakenteiset materiaalit ovat leikkausohuita, jotkin materiaalit voivat myös käyttäytyä leikkauslujina, jolloin viskositeetti kasvaa leikkausnopeuden tai leikkausjännityksen kasvaessa. Tähän ilmiöön viitataan usein myös nimellä dilatanssi, ja vaikka tämä viittaa erityiseen leikkauslujittumisen mekanismiin, termejä käytetään usein vaihdellen. Useimmissa tapauksissa leikkauslujittuminen tapahtuu leikkausnopeuden vuosikymmenen ajan, ja pienemmillä ja suuremmilla leikkausnopeuksilla voi esiintyä leikkausohentumisalueita.
Tavallisesti dispersiot tai hiukkassuspensiot, joissa on paljon kiinteitä hiukkasia, tahnat, assosiatiiviset polymeerit, kuten HASE- ja HEUR-polymeerit jne., osoittavat leikkauspaksuntaa. Materiaalit, joissa esiintyy leikkauspaksuntaa, ovat paljon harvinaisempia teollisissa sovelluksissa kuin materiaalit, joissa esiintyy leikkausohentumista, mutta leikkauspaksuntaa esiintyvät materiaalit voivat kuitenkin johtaa vakaviin käsittelyongelmiin. Materiaaleilla, joiden mikrorakenne tai orientaatio muuttuu leikkauksen vaikutuksesta ja jotka lisäävät virtausvastusta, esiintyy yleensä leikkauspaksuntaa.
Suspensioiden osalta tämä tapahtuu yleensä materiaaleissa, joissa esiintyy leikkauslujittumista pienemmillä leikkausnopeuksilla ja leikkausjännityksillä. Kriittisessä leikkausjännityksessä tai leikkausnopeudessa leikkausohentumisesta vastaava järjestäytynyt virtausjärjestelmä häiriintyy, ja voi syntyä niin sanottuja "hydroklustereita" tai "jumiutumista". Tämä johtaa ohimenevään kiinteän aineen kaltaiseen vasteeseen ja havaitun viskositeetin kasvuun. Leikkauslujittumista voi tapahtua myös polymeereissä, erityisesti amfifiilisissä polymeereissä, jotka voivat suurissa leikkausnopeuksissa avautua ja venyä, jolloin ketjun osat, jotka voivat muodostaa ohimeneviä molekyylien välisiä yhteyksiä, paljastuvat.
Matemaattisesti leikkauslujittumiskäyttäytymistä voidaan mallintaa powerlaw-mallin avulla:
Missä
k on konsistenssi
n on potenssilaki-indeksi
σ on leikkausnopeus,
-γ on leikkausnopeus.
Kun n on suurempi kuin 1, kun kyseessä ovat leikkauslujittuvat nesteet.
On huomattava, että viskositeetin nousu suurilla leikkausnopeuksilla voi johtua muusta ilmiöstä, kuten nesteen turbulenssista. Tämä vaikutus esiintyy kuitenkin yleensä alhaisemman viskositeetin nesteissä, ja se voidaan ennustaa Reynoldsin lukua koskevien laskelmien perusteella
Kokeellinen
- Maissitärkkelyksen ja veden 75-prosenttisen suspensioseoksen (w/w) leikkaussakeutumiskäyttäytymistä arvioitiin suorittamalla leikkausnopeustestin taulukko ja analysoimalla saatu käyrä sovittamalla TeholakimalliPotenssilakimalli on yleinen reologinen malli, jonka avulla voidaan (tyypillisesti) kvantifioida näytteen leikkausohennuksen luonnetta, jolloin arvo lähempänä nollaa osoittaa leikkausohennusta voimistavaa materiaalia.teholakimalli.
- Pyörimisreometrimittaukset tehtiin Kinexus-pyörimisreometrillä, jossa oli Peltier-levypatruuna ja karhennettu rinnakkaislevymittausjärjestelmä, ja käyttäen rSpace -ohjelmiston vakiomuotoisia, valmiiksi konfiguroituja sekvenssejä.
- Standardikuormitusjaksoa käytettiin sen varmistamiseksi, että molemmille näytteille tehtiin yhdenmukainen ja hallittavissa oleva kuormitusprotokolla.
- Kaikki reologiset mittaukset tehtiin 25 °C:ssa.
- Virtauskäyrä luotiin käyttämällä tasapainotaulukkoa leikkausnopeustesteistä välillä 0,1-100 s-1 ja potenssilakimallia, joka sovitettiin manuaalisesti valittuun osaan tästä käyristä.
Tulokset ja keskustelu
Kuvassa 1 esitetään maissitärkkelysdispersion viskositeetti-leikkausnopeusprofiili. Pienillä leikkausnopeuksilla näyte käyttäytyy leikkausohenteisesti; kriittisellä leikkausnopeudella, joka on noin 8 s-1, viskositeetti kuitenkin kääntyy jyrkästi ylöspäin, mikä on ominaista leikkausohenteiselle sakeutumiselle. Kun TeholakimalliPotenssilakimalli on yleinen reologinen malli, jonka avulla voidaan (tyypillisesti) kvantifioida näytteen leikkausohennuksen luonnetta, jolloin arvo lähempänä nollaa osoittaa leikkausohennusta voimistavaa materiaalia.potenssilakimalli sovitetaan dataan 0,15 s-1 ja 6,5 s-1 välillä, potenssilaki-indeksin(n) ilmoitettu arvo on 0,57, mikä vahvistaa leikkausohennuskäyttäytymisen(n<1). Sovittamalla sama malli dataan välillä 10 s-1 ja 20 s-1 n:n arvo on 3,01, mikä osoittaa merkittävää leikkauspaksuntaa(n>1).s.
Päätelmä
Testattu maissitärkkelyksen ja veden seos paksuuntui voimakkaasti yli 8 s-1, mikä vahvistettiin potenssilaki-indeksillä(n), jonka arvo oli 3, kun tiedot olivat välillä 10-20 s-1.
Huomaa...
että voidaan käyttää myös kartiolevy- tai lieriögeometriaa. Hiekkapuhallusgeometriaa olisi harkittava, jos materiaalissa on todennäköisesti seinämän liukuva vaikutus. Suuremmat geometriat ovat hyödyllisiä mittauksissa pienillä vääntömomenteilla, joita esiintyy todennäköisemmin pienemmillä leikkausnopeuksilla ja jännityksillä. Näissä testeissä suositellaan myös liuotinsiepparin käyttöä, koska liuottimen (esim. veden) haihtuminen mittausjärjestelmän reunoille on erittäin suositeltavaa