Введение
Хотя большинство суспензий и полимерных структурированных материалов разжижаются при сдвиге, некоторые материалы могут также демонстрировать загущение при сдвиге, когда вязкость увеличивается при увеличении скорости сдвига или напряжения сдвига. Это явление также часто называют дилатансией, и хотя оно относится к конкретному механизму сдвигового уплотнения, эти термины часто используются как взаимозаменяемые. В большинстве случаев сдвиговое уплотнение происходит в десятилетнем диапазоне скоростей сдвига, при этом может наблюдаться область сдвигового утончения при более низких и более высоких скоростях сдвига.
Обычно сдвиговое уплотнение наблюдается в дисперсиях или суспензиях с высокой концентрацией твердых частиц, пастах, ассоциативных полимерах, таких как полимеры HASE, HEUR и т.д. Материалы, проявляющие сдвиговое уплотнение, встречаются в промышленности гораздо реже, чем материалы, проявляющие сдвиговое разрежение, однако, если они встречаются, сдвиговое уплотнение может привести к серьезным проблемам при обработке. Материалы, которые при сдвиге претерпевают микроструктурные или ориентационные изменения, приводящие к увеличению сопротивления течению, склонны к сдвиговому уплотнению.
Для суспензий это обычно происходит в материалах, которые демонстрируют сдвиговое утонение при более низких скоростях сдвига и напряжениях сдвига. При критическом напряжении сдвига или скорости сдвига организованный режим течения, ответственный за сдвиговое утонение, нарушается, и может произойти так называемое образование "гидрокластеров" или "заторов". Это приводит к переходному твердообразному отклику и увеличению наблюдаемой вязкости. Сгущение при сдвиге может также происходить в полимерах, в частности в амфифильных полимерах, которые при высоких скоростях сдвига могут раскрываться и растягиваться, обнажая участки цепи, способные образовывать переходные межмолекулярные ассоциации.
Математически поведение сдвигового уплотнения можно смоделировать с помощью модели силового закона;
где:
k - консистенция
n - индекс закона мощности
σ - напряжение сдвига
-γ - скорость сдвига
причем η больше 1 для жидкостей, уплотняющихся при сдвиге.
Следует отметить, что увеличение вязкости при высоких скоростях сдвига может происходить за счет других явлений, таких как турбулентность жидкости. Однако этот эффект, как правило, проявляется в жидкостях с меньшей вязкостью и может быть предсказан на основе расчетов числа Рейнольдса.
Экспериментальный
- Поведение суспензионной смеси кукурузы 75% масс.arcч/водной суспензии при сдвиге оценивалось по таблице скорости сдвига и анализу полученной кривой путем подгонки к модели силового закона.
- Измерения проводились с помощью ротационного реометра Kinexus с картриджем с пластинами Пельтье и измерительной системой с шероховатыми параллельными пластинами1, а также с использованием стандартных предварительно настроенных последовательностей в программном обеспечении rSpace.
- Стандартная последовательность загрузки использовалась для того, чтобы гарантировать, что оба образца подвергались последовательному и контролируемому протоколу загрузки.
- Все реологические измерения проводились при 25°C.
- Кривая течения была построена с использованием таблицы равновесных скоростей сдвига в диапазоне от 0,1 с-1 до 100 с-1 и модели силового закона, подогнанной к части этой кривой, отредактированной вручную select.
Результаты и обсуждения
На рисунке 1 показан профиль вязкости и скорости сдвига для дисперсии Corn Starch. При низких скоростях сдвига образец демонстрирует поведение сдвигового утонения; однако при критической скорости сдвига около 8 с-1 наблюдается резкий подъем вязкости, характерный для сдвигового утолщения. При подгонке модели закона мощности к данным в диапазоне от 0,15 с-1 до 6,5 с-1 полученное значение индекса закона мощности (η) составляет 0,57, что подтверждает поведение сдвигового утонения (η<1). При подгонке той же модели к данным в диапазоне от 10 с-1 до 20 с-1 значение η составляет 3,01, что свидетельствует о значительном сдвиговом утолщении (η>1).
Заключение
Испытываемая смесь кукурузы с водойarch демонстрировала сильное сгущение при сдвиге выше 8 с-1, что подтверждается индексом закона мощности (η), который дал значение 3 для данных между 10 с-1 и 20 с-1.
Обратите внимание...
можно также использовать геометрию параллельной пластины или цилиндрическую геометрию. Геометрия с пескоструйной обработкой должна рассматриваться, если материал может проявить эффект пристенного скольжения. Larger геометрии полезны для измерений при низких крутящих моментах, которые чаще всего встречаются на низких частотах. Для этих испытаний также рекомендуется использовать ловушку для растворителя, поскольку испарение растворителя (например, воды) по краям измерительной системы может привести к аннулированию результатов испытания, особенно при работе при высоких температурах.