Inledning
De flesta suspensioner och polymerstrukturerade material är skjuvtunnande, men vissa material kan också uppvisa ett skjuvförtjockande beteende där viskositeten ökar med ökande skjuvhastighet eller skjuvspänning. Detta fenomen kallas också ofta dilatation, och även om detta avser en specifik mekanism för skjuvförtjockning används termerna ofta synonymt. I de flesta fall sker Förtjockning av skjuvningDe flesta suspensioner och polymerstrukturerade material är skjuvtunnande, men vissa material kan också uppvisa ett skjuvförtjockande beteende där viskositeten ökar med ökande skjuvhastighet eller skjuvspänning.förtjockning genom skjuvning under ett decennium av skjuvhastigheter och det kan finnas ett område med Förtunning genom skjuvningDen vanligaste typen av icke-newtonskt beteende är skjuvtunning eller pseudoplastisk strömning, där vätskans viskositet minskar med ökande skjuvning.förtunning genom skjuvning vid lägre och högre skjuvhastigheter.
Vanligtvis uppvisar dispersioner eller partikelsuspensioner med hög koncentration av fasta partiklar, pastor, associativa polymerer som HASE, HEUR-polymerer etc. skjuvförtjockning. Material som uppvisar skjuvförtjockning är mycket mindre vanliga i industriella tillämpningar än material som uppvisar Förtunning genom skjuvningDen vanligaste typen av icke-newtonskt beteende är skjuvtunning eller pseudoplastisk strömning, där vätskans viskositet minskar med ökande skjuvning.skjuvförtunning, men när de påträffas kan skjuvförtjockande material leda till allvarliga bearbetningsproblem. Material som genomgår mikrostrukturella förändringar eller orienteringsförändringar när de utsätts för skjuvning, vilket leder till ökat flödesmotstånd, tenderar att uppvisa skjuvförtjockning.
För suspensioner sker detta i allmänhet i material som uppvisar skjuvtunning vid lägre skjuvhastigheter och skjuvspänningar. Vid en kritisk skjuvspänning eller skjuvhastighet störs den organiserade flödesregimen som är ansvarig för skjuvtunning och så kallad "hydroklusterbildning" eller "jamming" kan uppstå. Detta ger en övergående solidliknande respons och en ökning av den observerade viskositeten. Skjuvförtjockning kan också förekomma i polymerer, i synnerhet amfifila polymerer, som vid höga skjuvhastigheter kan öppnas upp och sträckas ut, vilket exponerar delar av kedjan som kan bilda övergående intermolekylära föreningar.
Matematiskt kan skjuvförtjockningsbeteendet modelleras med hjälp av power-law-modellen;
där:
k är konsistensen
n är power law-indexet
σ är skjuvspänningen
-γ är skjuvhastigheten
med η större än 1 för vätskor som förtjockas av skjuvning.
Det bör noteras att en uppgång i viskositet vid höga skjuvhastigheter kan uppstå genom andra fenomen som t.ex. turbulens i vätskan. Denna effekt tenderar dock att uppstå med vätskor med lägre viskositet och kan förutsägas genom beräkningar av Reynolds tal.
Experimentell
- Skjuvförtjockningsbeteendet hos en 75% w/w majsstärkelse/vattensuspensionsblandning utvärderades genom att utföra en tabell med skjuvhastighetstest och analysera den resulterande kurvan genom att anpassa en power-law-modell.
- Mätningarna med rotationsreometern gjordes med en Kinexus rotationsreometer med en Peltier-plattkassett och ett mätsystem med uppruggade parallella plattor1 och med hjälp av förkonfigurerade standardsekvenser i programvaran rSpace.
- En standardiserad laddningssekvens användes för att säkerställa att båda proverna genomgick ett konsekvent och kontrollerbart laddningsprotokoll.
- Alla reologimätningar utfördes vid 25°C.
- Flödeskurvan genererades med hjälp av en jämviktstabell med skjuvhastigheter mellan 0,1 s-1 och 100 s-1 och en potenslagsmodell som anpassades till en manuellt vald del av denna kurva.
Resultat och diskussioner
Figur 1 visar profilen för viskositet och skjuvningshastighet för majsstärkelsedispersionen. Vid låga skjuvhastigheter uppvisar provet ett skjuvtunnande beteende, men vid en kritisk skjuvhastighet på cirka 8 s-1 observeras en kraftig uppgång i viskositeten, vilket är karakteristiskt för ett skjuvförtjockande beteende. Om man anpassar en potenslagsmodell till data mellan 0,15 s-1 och 6,5 s-1 blir det rapporterade värdet för potenslagsindexet (η) 0,57, vilket bekräftar skjuvtunnande beteende (η<1). Om man anpassar samma modell till data mellan 10 s-1 och 20 s-1 blir värdet för η 3,01, vilket tyder på en betydande förtjockning av skjuvningen (η>1).
Slutsats
Den testade majsstärkelse-vattenblandningen uppvisade ett starkt skjuvförtjockningsbeteende över 8 s-1, vilket bekräftades av power law-indexet (η) som gav värdet 3 för data mellan 10 s-1 och 20 s-1.
Vänligen notera...
att en parallell plattgeometri eller en cylindrisk geometri också kan användas. En sandblästrad geometri bör övervägas om materialet sannolikt kommer att uppvisa väggglidningseffekter. Större geometrier är användbara för mätningar vid låga vridmoment, som är mer sannolika vid lägre frekvenser. Användning av en lösningsmedelsfälla rekommenderas också för dessa tester eftersom avdunstning av lösningsmedel (t.ex. vatten) runt mätsystemets kanter kan ogiltigförklara testet, särskilt vid arbete vid högre temperaturer.