はじめに
ほとんどの懸濁液やポリマー構造材料はせん断減粘性を示しますが、一部の材料はせん断速度やせん断応力の増加に伴って粘度が増加するせん断増粘挙動を示すことがあります。この現象はしばしばダイラタンシー（せん断増粘性）とも呼ばれ、これはせん断増粘の特定のメカニズムを指しますが、この用語はしばしば同じ意味で使用されます。ほとんどの場合、せん断増粘は10年以上のせん断速度にわたって起こり、より低いせん断速度とより高いせん断速度でせん断減粘の領域が存在することがある。
通常、高濃度の固体粒子を含む分散液や微粒子懸濁液、ペースト、HASEやHEURポリマーなどの会合性ポリマーは、せん断増粘を示す。せん断増粘を示す材料は、せん断減粘を示す材料に比べ、工業的用途では一般的ではありませんが、せん断増粘を示す材料は、深刻な加工上の問題を引き起こす可能性があります。せん断を加えると微細構造または配向が変化し、流動抵抗が増大する材料は、せん断増粘を示す傾向がある。
懸濁液の場合、せん断速度やせん断応力が低いとせん断減粘が起こる。臨界せん断応力またはせん断速度では、せん断減粘の原因となる組織化された流動体制が破壊され、いわゆる「ハイドロクラスター」形成または「ジャミング」が起こり得る。これにより、過渡的な固体のような反応が生じ、粘度が上昇する。せん断増粘は、高分子、特に両親媒性高分子でも起こることがあり、高せん断速度で開裂・伸長し、一過性の分子間会合を形成できる鎖の一部が露出します。
数学的には、せん断増粘挙動はパワーローモデルを用いてモデル化することができる：
ここで
k はコンシステンシー
n はべき乗指数
σ はせん断速度
-γ はせん断速度。
せん断増粘流体の場合、n は 1 より大きくなります。
高せん断速度での粘度上昇は、流体の乱流など他の現象によっても起こりうることに注意する必要があります。しかし、この効果は粘度の低い流体で発生する傾向があり、レイノルズ数の計算から予測することができます。
実験的
- 75%w/wコーンスターチ/水懸濁液混合物のせん断増粘挙動を、せん断速度表試験を実施し、得られた曲線をべき乗則モデルに当てはめて分析することにより評価した。
- 回転型レオメーター測定は、ペルチェプレートカートリッジと粗面化パラレルプレート測定システムを備えたKinexus回転型レオメーターを使用し、rSpace ソフトウェアにあらかじめ設定された標準シーケンスを使用して行いました。
- 両方の試料が一貫して制御可能な負荷プロトコルに従うように、標準負荷シーケンスが使用された。
- レオロジー測定はすべて25℃で行った。
- 流動曲線は、0.1～100 s-1のせん断速度テストの平衡表を使用し、この曲線の手動で選択した部分にべき乗則モデルを当てはめて作成した。
結果と考察
図1は、コーンスターチ分散液の粘度-せん断速度プロファイルを示しています。低いせん断速度では、試料はせん断減粘挙動を示しますが、約8 s-1の臨界せん断速度では、せん断増粘挙動に特徴的な粘度の急激な上昇が観察されます。0.15 s-1から6.5 s-1の間のデータにべき乗則モデルを当てはめると、べき乗指数（n）の報告値は0.57であり、せん断減粘挙動（n<1）を確認することができる。10s-1から20s-1の間のデータに同じモデルを当てはめると、nの値は3.01となり、これは著しいせん断増粘（n>1）を示している。
結論
試験したコーンスターチ-水混合物は、8 s-1以上で強いせん断増粘挙動を示し、これは10～20 s-1のデータで3という値を示したべき乗則指数（n）によって確認された。
ご注意ください
コーンプレート形状や円筒形状も使用できる。材料が壁すべり効果を示す可能性がある場合は、サンドブラスト形状を考慮する必要があります。大きな形状は、せん断速度や応力が低い場合に発生しやすい低トルクでの測定に有効です。これらの試験には、ソルベントトラップの使用も推奨します。