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 jos niitä esiintyy, leikkauspaksunta voi 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 leikkausohentumista pienemmillä leikkausnopeuksilla ja leikkausjännityksillä. Kriittisessä leikkausjännityksessä tai leikkausnopeudessa leikkausohentumisesta vastaava järjestäytynyt virtausjärjestelmä häiriintyy, ja voi syntyä niin sanottuja "vesiklustereita" 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 voimalaakimallin avulla;
jossa:
k on konsistenssi
n on potenssilaki-indeksi
σ on leikkausjännitys
-γ on leikkausnopeus
jolloin η on suurempi kuin 1, kun kyseessä ovat leikkausnesteet.
On huomattava, että viskositeetin nousu suurilla leikkausnopeuksilla voi johtua muusta ilmiöstä, kuten nesteen turbulenssista. Tämä ilmiö esiintyy kuitenkin yleensä alhaisemman viskositeetin nesteissä, ja se voidaan ennustaa Reynoldsin luvun laskelmista.
Kokeellinen
- Maissitärkkelyksen ja vesisuspension 75-prosenttisen suspensioseoksen 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 rinnakkaislevymittausjärjestelmä1, ja käyttäen rSpace -ohjelmiston vakiomuotoisia valmiiksi määritettyjä sekvenssejä.
- Standardikuormitusjaksoa käytettiin sen varmistamiseksi, että molempiin näytteisiin sovellettiin yhdenmukaista ja hallittavissa olevaa kuormitusprotokollaa.
- Kaikki reologiset mittaukset tehtiin 25 °C:ssa.
- Virtauskäyrä luotiin käyttämällä tasapainotaulukkoa leikkausnopeustesteistä välillä 0,1 s-1 ja 100 s-1 ja potenssilakimallia, joka sovitettiin manuaalisesti valittuun osaan tästä käyristä.
Tulokset ja keskustelut
Kuvassa 1 esitetään maissitärkkelysdispersion viskositeetti-leikkausnopeusprofiili. Pienillä leikkausnopeuksilla näyte käyttäytyy leikkausohenteisesti, mutta kriittisellä leikkausnopeudella, joka on noin 8 s-1, viskositeetin jyrkkä nousu, joka on ominaista leikkausohenteiselle sakeutumiselle, on havaittavissa. 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 (η) ilmoitettu arvo on 0,57, mikä vahvistaa leikkausohennuskäyttäytymisen (η<1). Sovittamalla sama malli dataan välillä 10 s-1 ja 20 s-1 saadaan η:n arvoksi 3,01, mikä osoittaa merkittävää leikkauspaksuntaa (η>1).
Päätelmä
Testatulla maissitärkkelyksen ja veden seoksella oli voimakas leikkauspaksuuntumiskäyttäytyminen yli 8 s-1, minkä vahvisti potenssilaki-indeksi (η), jonka arvo oli 3 10 s-1 ja 20 s-1 välillä.
Huomaa...
että voidaan käyttää myös yhdensuuntaista levygeometriaa tai lieriömäistä geometriaa. Hiekkapuhallusgeometriaa olisi harkittava, jos materiaalissa on todennäköisesti seinämän liukuva vaikutus. Suuremmat geometriat ovat hyödyllisiä mittauksissa pienillä vääntömomenteilla, joita esiintyy todennäköisemmin matalammilla taajuuksilla. Näissä testeissä suositellaan myös liuotinloukun käyttöä, koska liuottimen (esim. veden) haihtuminen mittausjärjestelmän reunoille voi mitätöidä testin, erityisesti silloin, kun työskennellään korkeammissa lämpötiloissa.