Introducere
În timp ce majoritatea suspensiilor și a materialelor cu structură polimerică se diluează prin forfecare, unele materiale pot prezenta, de asemenea, un comportament de îngroșare prin forfecare în care vâscozitatea crește odată cu creșterea vitezei de forfecare sau a tensiunii de forfecare. Acest fenomen este adesea denumit și dilatanță și, deși se referă la un mecanism specific de îngroșare prin forfecare, termenii sunt adesea utilizați în mod interschimbabil. În majoritatea cazurilor, îngroșarea prin forfecare are loc pe o decadă de viteze de forfecare și poate exista o regiune de subțiere prin forfecare la viteze de forfecare mai mici și mai mari.
De obicei, dispersiile sau suspensiile de particule cu o concentrație ridicată de particule solide, pastele, polimerii asociativi, cum ar fi polimerii HASE, HEUR etc., prezintă îngroșare prin forfecare. Materialele care prezintă îngroșare prin forfecare sunt mult mai puțin frecvente în aplicațiile industriale decât materialele care prezintă subțiere prin forfecare; cu toate acestea, atunci când sunt întâlnite, materialele care prezintă îngroșare prin forfecare pot conduce la probleme grave de prelucrare. Materialele care suferă modificări microstructurale sau de orientare la aplicarea forfecării, care conduc la creșterea rezistenței la curgere, vor avea tendința de a prezenta îngroșare la forfecare.
În cazul suspensiilor, acest lucru se întâmplă, în general, în materialele care prezintă subțiere prin forfecare la viteze de forfecare și tensiuni de forfecare mai mici. La o tensiune de forfecare sau o rată de forfecare critică, regimul de curgere organizat responsabil pentru Subțierea prin forfecareCel mai comun tip de comportament non-newtonian este subțierea prin forfecare sau curgerea pseudoplastică, în care vâscozitatea fluidului scade odată cu creșterea forfecării.subțierea prin forfecare este perturbat și se poate produce așa-numita formare de ´hidro-cluster` sau ´jamming`. Acest lucru generează un răspuns tranzitoriu de tip solid și o creștere a vâscozității observate. De asemenea, îngroșarea prin forfecare poate apărea la polimeri, în special la polimerii amfifili, care, la viteze mari de forfecare, se pot deschide și întinde, expunând părți ale lanțului capabile să formeze asociații intermoleculare tranzitorii.
Din punct de vedere matematic, comportamentul de îngroșare la forfecare poate fi modelat utilizând modelul power-law;
unde:
k este consistența
n este indicele legii puterii
σ este tensiunea de forfecare
-γ este viteza de forfecare
cu η mai mare decât 1 pentru fluidele care se îngroașă prin forfecare.
Trebuie remarcat faptul că o creștere a vâscozității la viteze de forfecare ridicate poate apărea prin alte fenomene, cum ar fi turbulența fluidului. Cu toate acestea, acest efect tinde să apară în cazul fluidelor cu vâscozitate redusă și poate fi prezis din calculele numărului Reynolds.
Experimental
- Comportamentul de îngroșare prin forfecare al unui amestec de suspensie de amidon de porumb/apă în proporție de 75 % p/p a fost evaluat prin efectuarea unui test de rată de forfecare tabelară și analizarea curbei rezultate prin ajustarea unui model power-law.
- Măsurătorile cu reometru rotațional au fost efectuate folosind un reometru rotațional Kinexus cu un cartuș cu plăci Peltier și un sistem de măsurare cu plăci paralele rugoase1 și folosind secvențe standard preconfigurate în software-ul rSpace.
- A fost utilizată o secvență de încărcare standard pentru a se asigura că ambele probe au fost supuse unui protocol de încărcare consecvent și controlabil.
- Toate măsurătorile reologice au fost efectuate la 25°C.
- Curba de curgere a fost generată utilizând un tabel de echilibru al vitezelor de forfecare între 0,1 s-1 și 100 s-1 și un model de lege de putere adaptat la o porțiune selectată manual din această curbă.
Rezultate și discuții
Figura 1 prezintă profilul vâscozitate - viteză de forfecare pentru dispersia de amidon de porumb. La viteze de forfecare scăzute, proba prezintă un comportament de subțiere prin forfecare; totuși, la o viteză de forfecare critică de aproximativ 8 s-1 se observă o creștere bruscă a vâscozității, caracteristică comportamentului de îngroșare prin forfecare. Ajustând un model de lege de putere la datele cuprinse între 0,15 s-1 și 6,5 s-1, valoarea indicelui legii de putere (η) este de 0,57, confirmând astfel comportamentul de subțiere prin forfecare (η<1). Ajustând același model la datele între 10 s-1 și 20 s-1, valoarea lui η este de 3,01, ceea ce indică o îngroșare semnificativă prin forfecare (η>1).
Concluzie
Amidonul de porumb - amestecul de apă testat a prezentat un comportament puternic de îngroșare prin forfecare peste 8 s-1, confirmat de indicele legii puterii (η), care a dat o valoare de 3 pentru datele cuprinse între 10 s-1 și 20 s-1.
Vă rugăm să rețineți...
că poate fi utilizată și o geometrie cu plăci paralele sau o geometrie cilindrică. O geometrie sablată ar trebui luată în considerare dacă materialul este susceptibil de a prezenta efecte de alunecare a pereților. Geometriile mai mari sunt utile pentru măsurători la cupluri mici, care sunt mai susceptibile de a fi întâlnite la frecvențe mai mici. Utilizarea unei capcane de solvent este, de asemenea, recomandată pentru aceste teste, deoarece evaporarea solventului (de exemplu, apă) în jurul marginilor sistemului de măsurare poate invalida testul, în special atunci când se lucrează la temperaturi ridicate.