Истончение сдвига

Классификация жидкостей с напряжением сдвига в зависимости от скорости сдвига: псевдопластические, псевдопластические жидкости Бингема и Бингхэма демонстрируют уменьшение кажущейся вязкости с увеличением скорости сдвига.

В реологии , уменьшение вязкости при сдвиге является неньютоновским поведением жидкостей , чья вязкость уменьшается при деформации сдвига . Иногда его считают синонимом псевдопластического поведения ^{[1] [2]} и обычно определяют как исключающие эффекты, зависящие от времени , такие как тиксотропия . ^[3]

Разжижение при сдвиге является наиболее распространенным типом неньютоновского поведения жидкостей и наблюдается во многих промышленных и бытовых приложениях. ^[4] Хотя разжижение при сдвиге обычно не наблюдается в чистых жидкостях с низкой молекулярной массой или идеальных растворах малых молекул, таких как сахароза или хлорид натрия , оно часто наблюдается в растворах полимеров и расплавленных полимерах, а также в сложных жидкостях и суспензиях, таких как кетчуп , взбитые сливки , кровь , ^[5] краска и лак для ногтей .

Теории, лежащие в основе поведения истончения при сдвиге [ править ]

Хотя точная причина разжижения при сдвиге до конца не выяснена, широко считается, что это эффект небольших структурных изменений внутри жидкости, так что микромасштабные геометрические формы внутри жидкости перестраиваются, чтобы облегчить сдвиг . ^[6] В коллоидных системах разделение фаз во время потока приводит к истончению сдвига. В полимерных системах, таких как полимерные расплавы и растворы, разжижение при сдвиге вызывается распутыванием полимерных цепей во время течения. В состоянии покоя высокомолекулярные полимеры спутаны и ориентированы случайным образом. Однако при достаточно высокой скорости сдвига эти высокоанизотропные полимерные цепи начинают распутываться и выравниваться в направлении сдвига. ^[7]Это приводит к меньшему взаимодействию молекул и частиц и большему количеству свободного пространства, уменьшая вязкость. ^[4]

Модель степенного закона [ править ]

Разжижение при сдвиге в полимерной системе: зависимость кажущейся вязкости от скорости сдвига. η ₀ - вязкость при нулевой скорости сдвига, а η _∞ - плато вязкости при бесконечном сдвиге.

Как при достаточно высоких, так и при очень низких скоростях сдвига вязкость полимерной системы не зависит от скорости сдвига. При высоких скоростях сдвига полимеры полностью распутываются, и значение вязкости системы достигает плато при η _∞ , или плато вязкости при бесконечном сдвиге. При низких скоростях сдвига сдвиг слишком мал, чтобы ему препятствовали зацепления, и значение вязкости системы составляет η ₀ или вязкость при нулевой скорости сдвига. Значение η _∞ представляет самую низкую достижимую вязкость и может быть на несколько порядков ниже, чем η ₀ , в зависимости от степени разжижения при сдвиге.

Вязкость отображается в зависимости от скорости сдвига на графике log (η) от log ( ), где линейная область представляет собой режим утонения при сдвиге и может быть выражена с помощью уравнения степенного закона Оствальда и де Ваэля: ^[8]${\ displaystyle {\ dot {\ gamma}}}$

${\ Displaystyle \ тау = К (Т) ({д \ гамма \ над дт}) ^ {п} = К (Т) {\ overset {\ centerdot} {\ гамма}} ^ {п}}$

Уравнение Оствальда и де Вэля можно записать в логарифмической форме:

${\displaystyle log(\tau )=log(K)+nlog({\dot {\gamma }})}$

Кажущаяся вязкость определяются как , и это может быть вставлено в уравнение Оствальд , чтобы получить второе уравнение степенного для кажущейся вязкости:${\displaystyle \eta ={\tau \over {\dot {\gamma }}}}$

${\displaystyle \eta =K(T){\dot {\gamma }}^{(n-1)}}$

Это выражение также можно использовать для описания дилатантного поведения (утолщения при сдвиге), когда значение n больше 1.

Модель Гершеля-Балкли [ править ]

Пластмассы Bingham требуют превышения критического напряжения сдвига, чтобы они начали течь. Такое поведение обычно наблюдается в микро- и нанокомпозитах полимер / диоксид кремния, где образование сетки диоксида кремния в материале обеспечивает твердый отклик при низком напряжении сдвига. Поведение пластических жидкостей при разжижении при сдвиге можно описать с помощью модели Гершеля. Модель Балкли, которая добавляет компонент порогового напряжения сдвига в уравнение Оствальда: ^[8]

${\displaystyle \tau =\tau _{y}+K(T){\dot {\gamma }}^{n}}$

Связь с тиксотропией [ править ]

Некоторые авторы считают разжижение при сдвиге особым случаем тиксотропного поведения, потому что восстановление микроструктуры жидкости до исходного состояния всегда требует ненулевого времени. Однако, когда восстановление вязкости после возмущения происходит очень быстро, наблюдается классическое истончение сдвига или псевдопластичность, потому что как только сдвиг устраняется, вязкость возвращается к норме. Когда для восстановления вязкости требуется измеримое время, наблюдается тиксотропное поведение. ^[9]Тем не менее, при описании вязкости жидкостей полезно различать поведение разжижения при сдвиге (псевдопластическое) от тиксотропного поведения, когда вязкость при всех скоростях сдвига уменьшается в течение некоторого времени после перемешивания: оба эти эффекта часто можно увидеть по отдельности. в той же жидкости. ^[10]

Примеры на каждый день [ править ]

Современные краски - это примеры псевдопластических материалов. При нанесении современных красок сдвиг, создаваемый кистью или валиком, позволит им равномерно истончить и смачивать поверхность. После нанесения краски снова приобретают более высокую вязкость, что позволяет избежать подтеков и потеков.

Взбитые сливки также являются примером материала для разжижения при сдвиге. Когда взбитые сливки разбрызгиваются из канистры, они плавно вытекают из насадки из-за низкой вязкости при высокой скорости потока. Однако после того, как взбитые сливки распыляются на ложку, они не растекаются, а их повышенная вязкость позволяет им оставаться жесткими.

См. Также [ править ]

• Утолщение при сдвиге
• Неньютоновская жидкость
• Жидкость по степенному закону
• Тиксотропия
• Дилатант
• Бингем пластик
• Реология
• Эффект Кая

Внешние ссылки [ править ]

• Великая тайна кетчупа
• НАСА - Физика взбитых сливок НАСА 25 апреля 2008 г.

Рекомендации: