Kwantificeren van afschuifverdikkingsgedrag met behulp van het Power Law-model op een rotatiereagometer

Inleiding

Hoewel de meeste suspensies en polymeergestructureerde materialen afschuifverdunnend zijn, kunnen sommige materialen ook afschuifverdikkend gedrag vertonen, waarbij de viscositeit toeneemt bij toenemende afschuifsnelheid of schuifspanning. Dit fenomeen wordt ook vaak dilatantie genoemd en hoewel dit verwijst naar een specifiek mechanisme voor Verdikking door afschuivingHoewel de meeste suspensies en polymeergestructureerde materialen afschuifverdunnend zijn, kunnen sommige materialen ook afschuifverdikkend gedrag vertonen waarbij de viscositeit toeneemt bij toenemende afschuifsnelheid of schuifspanning.afschuifverdikking, worden de termen vaak door elkaar gebruikt. In de meeste gevallen treedt Verdikking door afschuivingHoewel de meeste suspensies en polymeergestructureerde materialen afschuifverdunnend zijn, kunnen sommige materialen ook afschuifverdikkend gedrag vertonen waarbij de viscositeit toeneemt bij toenemende afschuifsnelheid of schuifspanning.afschuifverdikking op over een decade van afschuifsnelheden en kan er een gebied van SchuifverdunningHet meest voorkomende type niet-Newtons gedrag is afschuifverdunning of pseudoplastische stroming, waarbij de vloeistofviscositeit afneemt bij toenemende afschuiving.afschuifverdunning zijn bij lagere en hogere afschuifsnelheden.

Meestal vertonen dispersies of suspensies van deeltjes met een hoge concentratie vaste deeltjes, pasta's, associatieve polymeren zoals HASE, HEUR-polymeren, enz. Verdikking door afschuivingHoewel de meeste suspensies en polymeergestructureerde materialen afschuifverdunnend zijn, kunnen sommige materialen ook afschuifverdikkend gedrag vertonen waarbij de viscositeit toeneemt bij toenemende afschuifsnelheid of schuifspanning.afschuifverdikking. Materialen die Verdikking door afschuivingHoewel de meeste suspensies en polymeergestructureerde materialen afschuifverdunnend zijn, kunnen sommige materialen ook afschuifverdikkend gedrag vertonen waarbij de viscositeit toeneemt bij toenemende afschuifsnelheid of schuifspanning.afschuifverdikking vertonen, komen in industriële toepassingen veel minder vaak voor dan materialen die SchuifverdunningHet meest voorkomende type niet-Newtons gedrag is afschuifverdunning of pseudoplastische stroming, waarbij de vloeistofviscositeit afneemt bij toenemende afschuiving.afschuifverdunning vertonen, maar waar Verdikking door afschuivingHoewel de meeste suspensies en polymeergestructureerde materialen afschuifverdunnend zijn, kunnen sommige materialen ook afschuifverdikkend gedrag vertonen waarbij de viscositeit toeneemt bij toenemende afschuifsnelheid of schuifspanning.afschuifverdikking optreedt, kunnen materialen tot ernstige verwerkingsproblemen leiden. Materialen die bij toepassing van afschuiving microstructurele of oriëntatieveranderingen ondergaan die leiden tot een verhoogde weerstand tegen stroming, vertonen meestal afschuivingsverdikking.

Bij suspensies treedt dit meestal op in materialen die SchuifverdunningHet meest voorkomende type niet-Newtons gedrag is afschuifverdunning of pseudoplastische stroming, waarbij de vloeistofviscositeit afneemt bij toenemende afschuiving.afschuifverdunning vertonen bij lagere afschuifsnelheden en afschuifspanningen. Bij een kritische schuifspanning of schuifsnelheid wordt het georganiseerde stromingsregime dat verantwoordelijk is voor SchuifverdunningHet meest voorkomende type niet-Newtons gedrag is afschuifverdunning of pseudoplastische stroming, waarbij de vloeistofviscositeit afneemt bij toenemende afschuiving.afschuifverdunning verstoord en kan zogenaamde 'hydro-clustervorming' of 'vastlopen' optreden. Dit geeft een voorbijgaande vaste respons en een toename van de waargenomen viscositeit. Schuifverdikking kan ook optreden bij polymeren, in het bijzonder amfifiele polymeren, die bij hoge schuifsnelheden kunnen opengaan en uitrekken, waardoor delen van de keten bloot komen te liggen die voorbijgaande intermoleculaire associaties kunnen vormen.

Wiskundig kan het verdikkingsgedrag bij afschuiven worden gemodelleerd met behulp van het Powerlaw-model:

Wiskundige vergelijkingen voor vloeistofmechanica: σ = ky^n of η = ky^(n-1), demonstreren van concepten als viscositeit en schuifspanning.

Waarbij

k de consistentie
n de power law-index
σ de afschuifsnelheid,
-γ de afschuifsnelheid.

Met n groter dan 1 voor vloeistoffen met Verdikking door afschuivingHoewel de meeste suspensies en polymeergestructureerde materialen afschuifverdunnend zijn, kunnen sommige materialen ook afschuifverdikkend gedrag vertonen waarbij de viscositeit toeneemt bij toenemende afschuifsnelheid of schuifspanning.afschuifverdikking.

Opgemerkt moet worden dat een omslag in viscositeit bij hoge afschuifsnelheden kan optreden door een ander fenomeen, zoals turbulentie van de vloeistof. Dit effect treedt echter meestal op bij vloeistoffen met een lagere viscositeit en kan worden voorspeld op basis van Reynoldsgetalberekeningen

Experimenteel

Het afschuifverdikkingsgedrag van een 75% w/w maïszetmeel/water suspensiemengsel werd geëvalueerd door een afschuifsnelheidstest uit te voeren en de resulterende curve te analyseren door een power law model te passen.
Rotatie reometer metingen werden uitgevoerd met de Kinexus rotatie reometer met een Peltier platencartridge en een geruwd parallel plaat meetsysteem, en met gebruik van standaard voorgeconfigureerde sequenties in de rSpace software.
Er werd een standaard beladingsvolgorde gebruikt om ervoor te zorgen dat beide monsters onderworpen werden aan een consistent en controleerbaar beladingsprotocol.
Alle reologiemetingen werden uitgevoerd bij 25°C.
De vloeicurve werd gegenereerd met behulp van een evenwichtstabel van afschuifsnelheden tussen 0,1 en 100 ^s-1 en een power law-model dat paste op een handmatig geselecteerd deel van deze curve.

Grafiek die de relatie tussen viscositeit en afschuifsnelheid van een maïszetmeel-watermengsel illustreert, met datapunten en trends. — 1) Viscositeit-schuifsnelheidsafhankelijkheid van een maïszetmeel-watermengsel

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont het viscositeit-scheersnelheidsprofiel voor de maïszetmeeldispersie. Bij lage afschuifsnelheden vertoont het monster afschuifverdunningsgedrag, maar bij een kritische afschuifsnelheid van ongeveer 8 ^s-1 wordt een scherpe omslag in viscositeit waargenomen, kenmerkend voor afschuifverdikkingsgedrag. Bij het passen van een power law model op de gegevens tussen 0,15 ^s-1 en 6,5 ^s-1 is de gerapporteerde waarde voor de power law index(n) 0,57, wat het afschuifverdunningsgedrag bevestigt(n<1). Als hetzelfde model wordt toegepast op de gegevens tussen 10 ^s-1 en 20 ^s-1, is de waarde van n 3,01, wat duidt op een aanzienlijke afschuiving(n>1).s.

Conclusie

Het geteste maïszetmeel-watermengsel vertoonde een sterk afschuifverdikkingsgedrag boven 8 ^s-1, zoals bevestigd door de power law index(n) die een waarde van 3 gaf voor gegevens tussen 10 en 20 ^s-1.

Let op ...

dat een kegelplaatgeometrie of een cilindrische geometrie ook kan worden gebruikt. Een zandgestraalde geometrie moet worden overwogen als het materiaal waarschijnlijk wandslip effecten vertoont. Grotere geometrieën zijn nuttig voor metingen bij lage draaimomenten, die waarschijnlijker zijn bij lagere afschuifsnelheden en spanningen. Het gebruik van een oplosmiddelvanger wordt ook aanbevolen voor deze tests, aangezien VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping van oplosmiddel (bijv. water) rond de randen van het meetsysteem