소개
대부분의 현탁액과 폴리머 구조의 재료는 전단 얇아지지만, 일부 재료는 전단 속도 또는 전단 응력이 증가함에 따라 점도가 증가하는 전단 두꺼워지는 거동을 보일 수도 있습니다. 이 현상은 종종 팽창이라고도 하며, 이는 전단 농축의 특정 메커니즘을 의미하지만 두 용어는 종종 혼용되어 사용됩니다. 대부분의 경우 전단 두꺼워짐은 전단 속도 10년에 걸쳐 발생하며, 전단 속도가 낮거나 높을 때 전단 얇아지는 영역이 있을 수 있습니다.
일반적으로 고체 입자의 농도가 높은 분산액 또는 미립자 현탁액, 페이스트, HASE, HEUR 폴리머 등의 연관 폴리머는 전단 농축을 나타냅니다. 전단 비후를 나타내는 재료는 전단 박화를 나타내는 재료보다 산업 응용 분야에서 훨씬 덜 일반적이지만, 전단 비후가 발생하는 경우 심각한 가공 문제를 일으킬 수 있습니다. 전단을 가할 때 미세 구조 또는 방향이 변경되어 흐름에 대한 저항이 증가하는 재료는 전단 두꺼워짐을 보이는 경향이 있습니다.
현탁액의 경우 일반적으로 낮은 전단 속도와 전단 응력에서 전단 얇아짐을 보이는 재료에서 이러한 현상이 발생합니다. 임계 전단 응력 또는 전단 속도에서는 전단 박화를 일으키는 조직화된 흐름 체계가 중단되고 소위 '하이드로 클러스터' 형성 또는 '재밍'이 발생할 수 있습니다. 이로 인해 일시적으로 고체와 같은 반응이 나타나고 관찰된 점도가 증가합니다. 전단 농축은 폴리머, 특히 양친매성 폴리머에서도 발생할 수 있으며, 높은 전단 속도에서 개방 및 늘어나면서 일시적인 분자 간 결합을 형성할 수 있는 사슬의 일부가 노출될 수 있습니다.
수학적으로 전단 농축 거동은 파워로 모델을 사용하여 모델링할 수 있습니다:
여기서
k는 일관성
n은 파워 법칙 지수
σ는 전단 속도,
-γ는 전단 속도입니다.
전단 농축 유체의 경우 n이 1보다 큽니다.
높은 전단 속도에서 점도가 상승하는 것은 유체 난류와 같은 다른 현상을 통해 발생할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 그러나 이 효과는 점도가 낮은 유체에서 발생하는 경향이 있으며 레이놀즈 수 계산을 통해 예측할 수 있습니다
실험적
- 75% w/w 옥수수 전분/물 현탁액 혼합물의 전단 농축 거동은 전단 속도 시험을 수행하고 결과 곡선을 파워 법칙 모델에 맞춰 분석하여 평가했습니다.
- 회전 레오미터 측정은 펠티에 플레이트 카트리지와 거친 평행 플레이트 측정 시스템이 장착된 키넥서스 회전 레오미터를 사용하고 rSpace 소프트웨어에서 사전 구성된 표준 시퀀스를 사용하여 수행했습니다.
- 표준 로딩 시퀀스를 사용하여 두 시료가 일관되고 제어 가능한 로딩 프로토콜을 따르도록 했습니다.
- 모든 유변학 측정은 25°C에서 수행되었습니다.
- 유동 곡선은 0.1초에서 100초 사이의 전단 속도 테스트 평형표와 이 곡선의 수동으로 선택한 부분에 맞는 힘의 법칙 모델을 사용하여 생성되었습니다.
결과 및 토론
그림 1은 옥수수 전분 분산액의 점도-전단 속도 프로파일을 보여줍니다. 낮은 전단 속도에서는 샘플이 전단 얇아지는 거동을 보이지만, 약 8초-1의 임계 전단 속도에서는 전단 두꺼워지는 거동의 특징인 점도가 급격히 상승하는 것이 관찰됩니다. 0.15초-1에서 6.5초-1 사이의 데이터에 파워 법칙 모델을 적용하면 파워 법칙 지수(n)의 보고된 값은 0.57로 전단 박화 거동(n<1)이 확인됩니다. 10초-1에서 20초-1 사이의 데이터에 동일한 모델을 적용하면 n의 값은 3.01이며, 이는 상당한 전단 농축(n>1).s를 나타냅니다.
결론
테스트한 옥수수 전분-물 혼합물은 10초에서 20초 사이의 데이터에서 3의 값을 나타내는 파워 법칙 지수(n)로 확인된 것처럼 8초-1 이상의 강한 전단 농축 거동을 보였습니다.
참고하세요...
원뿔 플레이트 지오메트리 또는 원통형 지오메트리도 사용할 수 있습니다. 재료가 벽 슬립 효과를 나타낼 가능성이 있는 경우 샌드 블라스트 지오메트리를 고려해야 합니다. 더 큰 지오메트리는 낮은 전단 속도와 응력에서 발생할 가능성이 높은 낮은 토크에서 측정하는 데 유용합니다. 측정 시스템 가장자리 주변에서 용매(예: 물)가 증발할 수 있으므로 이러한 테스트에는 용매 트랩을 사용하는 것도 권장됩니다