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、工業的用途でははるかに一般的ではありませんが、せん断増粘材料に遭遇すると、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になると、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」が起こり得ます。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、ポリマー、特に両親媒性ポリマーでも起こることがあり、このポリマーは高いせん断速度で開いて伸び、一過性の分子間会合を形成できる鎖の一部が露出することがあります。
数学的には、せん断増粘挙動はべき乗則モデルを用いてモデル化することができる；
k はコンシステンシー
n はべき乗指数
σ は応力
-γ はせん断速度。
であり、せん断増粘流体ではηは1より大きい。
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。
- 回転型レオメータによる測定は、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1を備えたKinexus回転型レオメータを使用し、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用いて行いました。
- 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ました。
- レオロジー測定はすべて25℃で行った。
- 流動曲線は、0.1s-1から100s-1の間で試験したせん断速度の平衡表と、この曲線の手動で選択した部分に適合させたべき乗則モデルを用いて作成した。
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（η）の報告値は0.57となり、せん断減粘挙動（η<1）が確認された。10秒-1から20秒-1の間のデータに同じモデルを当てはめると、ηの値は3.01となり、これは著しいせん断増粘（η>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、10 s-1から20 s-1の間のデータで3という値を示したべき乗則指数（η）によって確認された。
ご注意ください
平行平板形状や円筒形状も使用できる。材料が壁スリップ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。より大きな形状は、低周波数で発生しやすい低トルクでの測定に有用である。これらの試験には、ソルベントトラップの使用も推奨されます。特に高温で作業する場合、測定システムの端部周辺での溶媒（水など）の蒸発は、試験を無効にする可能性があるからです。