Wprowadzenie
Podczas gdy większość zawiesin i materiałów o strukturze polimerowej jest rozrzedzana ścinaniem, niektóre materiały mogą również wykazywać zachowanie zagęszczania ścinaniem, w którym lepkość wzrasta wraz ze wzrostem szybkości ścinania lub naprężenia ścinającego. Zjawisko to jest również często określane jako dylatancja i chociaż odnosi się do konkretnego mechanizmu zagęszczania ścinającego, terminy te są często używane zamiennie. W większości przypadków zagęszczanie ścinające występuje w ciągu dekady szybkości ścinania i może występować obszar przerzedzania ścinającego przy niższych i wyższych szybkościach ścinania.
Zwykle dyspersje lub zawiesiny cząstek stałych o wysokim stężeniu cząstek stałych, pasty, polimery asocjacyjne, takie jak polimery HASE, HEUR itp. wykazują zagęszczanie ścinające. Materiały wykazujące zagęszczanie ścinające są znacznie mniej powszechne w zastosowaniach przemysłowych niż materiały wykazujące Rozrzedzanie ścinająceNajczęstszym rodzajem zachowania nienewtonowskiego jest rozrzedzanie ścinaniem lub przepływ pseudoplastyczny, w którym lepkość płynu zmniejsza się wraz ze wzrostem ścinania.rozrzedzanie ścinające, jednak w przypadku napotkania materiałów wykazujących zagęszczanie ścinające mogą prowadzić do poważnych problemów z przetwarzaniem. Materiały, które ulegają zmianom mikrostrukturalnym lub orientacyjnym pod wpływem ścinania, co prowadzi do zwiększonego oporu przepływu, będą wykazywać tendencję do zagęszczania przy ścinaniu.
W przypadku zawiesin występuje to zazwyczaj w materiałach, które wykazują rozrzedzenie ścinające przy niższych prędkościach ścinania i naprężeniach ścinających. Przy krytycznym naprężeniu ścinającym lub szybkości ścinania, zorganizowany reżim przepływu odpowiedzialny za Rozrzedzanie ścinająceNajczęstszym rodzajem zachowania nienewtonowskiego jest rozrzedzanie ścinaniem lub przepływ pseudoplastyczny, w którym lepkość płynu zmniejsza się wraz ze wzrostem ścinania.rozrzedzanie ścinające zostaje zakłócony i może wystąpić tak zwane "tworzenie się klastrów wodnych" lub "zakleszczanie". Powoduje to przejściową reakcję podobną do ciała stałego i wzrost obserwowanej lepkości. Zagęszczanie ścinające może również wystąpić w polimerach, w szczególności w polimerach amfifilowych, które przy wysokich prędkościach ścinania mogą się otwierać i rozciągać, odsłaniając części łańcucha zdolne do tworzenia przejściowych związków międzycząsteczkowych.
Matematycznie, zachowanie zagęszczania przy ścinaniu można modelować za pomocą modelu potęgowego;
gdzie:
k to spójność
n to wskaźnik prawa potęgowego
σ to naprężenie ścinające
-γ to szybkość ścinania
przy η większym niż 1 dla płynów zagęszczanych ścinaniem.
Należy zauważyć, że wzrost lepkości przy wysokich prędkościach ścinania może wystąpić z powodu innych zjawisk, takich jak turbulencje płynu. Efekt ten ma jednak tendencję do występowania w przypadku płynów o niższej lepkości i można go przewidzieć na podstawie obliczeń liczby Reynoldsa.
Eksperymentalny
- Zachowanie przy zagęszczaniu ścinającym mieszaniny zawiesiny 75% w/w kukurydzy starch/wody oceniono wykonując test szybkości ścinania i analizując wynikową krzywą poprzez dopasowanie modelu potęgowego.
- Pomiary reometrem rotacyjnym wykonano przy użyciu reometru rotacyjnego Kinexus z wkładem z płytą Peltiera i systemem pomiarowym z równoległą płytą chropowatą1 oraz przy użyciu standardowych wstępnie skonfigurowanych sekwencji w oprogramowaniu rSpace.
- Zastosowano standardową sekwencję ładowania, aby zapewnić, że obie próbki podlegały spójnemu i kontrolowanemu protokołowi ładowania.
- Wszystkie pomiary reologiczne przeprowadzono w temperaturze 25°C.
- Krzywa płynięcia została wygenerowana przy użyciu tabeli równowagi testów szybkości ścinania w zakresie od 0,1 s-1 do 100 s-1 oraz modelu prawa potęgowego dopasowanego do ręcznie selectedytowanej części tej krzywej.
Wyniki i dyskusje
Rysunek 1 przedstawia profil lepkość-prędkość ścinania dla dyspersji Corn Starch. Przy niskich szybkościach ścinania próbka wykazuje zachowanie rozrzedzania ścinaniem; jednak przy krytycznej szybkości ścinania wynoszącej około 8 s-1 obserwuje się gwałtowny wzrost lepkości, charakterystyczny dla zachowania zagęszczania ścinaniem. Dopasowując Model prawa mocyModel prawa potęgowego jest powszechnym modelem reologicznym służącym do ilościowego określenia (zazwyczaj) charakteru rozrzedzania ścinaniem próbki, przy czym wartość bliższa zeru wskazuje na materiał bardziej rozrzedzany ścinaniem.model prawa potęgowego do danych w zakresie od 0,15 s-1 do 6,5 s-1, zgłoszona wartość wskaźnika prawa potęgowego (η) wynosi 0,57, potwierdzając w ten sposób zachowanie rozrzedzania ścinaniem (η<1). Dopasowując ten sam model do danych w zakresie od 10 s-1 do 20 s-1, wartość η wynosi 3,01, co wskazuje na znaczne pogrubienie ścinania (η>1).
Wnioski
Badana mieszanina kukurydzy starch-wody wykazywała silne właściwości zagęszczające przy ścinaniu powyżej 8 s-1, co zostało potwierdzone przez wskaźnik prawa potęgowego (η), który dał wartość 3 dla danych między 10 s-1 a 20 s-1.
Uwaga...
można również zastosować równoległą geometrię płyty lub geometrię cylindryczną. Geometria piaskowana powinna być brana pod uwagę, jeśli materiał może wykazywać efekty poślizgu ścianek. Larger geometrie są przydatne do pomiarów przy niskich momentach obrotowych, które są bardziej prawdopodobne przy niższych częstotliwościach. W przypadku tych testów zaleca się również stosowanie pułapki rozpuszczalnikowej, ponieważ parowanie rozpuszczalnika (np. wody) wokół krawędzi układu pomiarowego może unieważnić test, szczególnie podczas pracy w wyższych temperaturach.