Разжижение при сдвиге

редактировать

Классификация жидкостей с напряжением сдвига как функцией скорости сдвига: Псевдопластические, псевдопластические и Бингхэмские псевдопластические жидкости демонстрируют уменьшение кажущейся вязкости с увеличением скорость сдвига.

В реологии, разжижение при сдвиге - это неньютоновское поведение жидкостей, вязкость которых уменьшается ниже деформация сдвига. Иногда его считают синонимом псевдопластического поведения и обычно определяют как исключающие зависящие от времени эффекты, такие как тиксотропия.

Разжижение при сдвиге является наиболее распространенным типом неньютоновского поведения жидкостей и встречается во многих промышленных и бытовых приложениях. Хотя разжижение при сдвиге обычно не наблюдается в чистых жидкостях с низкой молекулярной массой или в идеальных растворах небольших молекул, таких как сахароза или хлорид натрия, оно часто наблюдается в полимерные растворы и расплавленные полимеры, а также сложные жидкости и суспензии, такие как кетчуп, взбитые сливки, кровь, краска и лак для ногтей.

Содержание

1 Теории, лежащие в основе истончения при сдвиге
- 1.1 Модель степенного закона
- 1.2 Модель Гершеля-Балкли
2 Связь с тиксотропией
3 Повседневные примеры
4 См. Также
5 Внешние ссылки

Теории, лежащие в основе поведения утонения при сдвиге

Хотя точная причина утонения при сдвиге до конца не изучена, многие считают, что это результат небольших структурных изменений внутри текучая среда, так что микромасштабные геометрические формы внутри текучей среды изменяются для облегчения сдвига. 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 сильно анизотропные полимерные цепи начинают распутываться и выравниваться в направлении сдвига. Это приводит к меньшему взаимодействию молекул и частиц и большему количеству свободного пространства, уменьшая вязкость.

Модель степенного закона

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.

График зависимости вязкости от скорости сдвига на графике log (η) от log ( $γ ˙ {\ displaystyle {\ dot {\ gamma}}}$ ${\ dot {\ gamma}}$ ), где линейная область представляет собой режим утонения при сдвиге и может быть выражена с помощью уравнения степенного закона Освальда и де Веля:

$τ = K (T) (d γ dt) n = K (T) γ ⋅ n {\ displaystyle \ tau = K (T) ({d \ gamma \ over dt}) ^ {n} = K (T) {\ overset {\ centerdot} {\ gamma}} ^ {n}}$ ${\ displaystyle \ tau = K (T) ( {d \ gamma \ over dt}) ^ {n} = K (T) {\ overset {\ centerdot} {\ gamma}} ^ {n}}$

Уравнение Освальда и де Ваэля может быть записано в логарифмической форме:

$журнал (τ) = журнал (K) + nlog (γ ˙) {\ displaystyle log (\ tau) = log (K) + nlog ({\ dot {\ gamma}}) }$ ${\ displaystyle log (\ tau) = log (K) + nlog ({\ dot {\ gamma}})}$

Кажущаяся вязкость определяется как $η = τ γ ˙ {\ displaystyle \ eta = {\ tau \ over {\ dot {\ gamma}}}}$ ${\ displaystyle \ eta = {\ tau \ over {\ dot {\ gamma}}}}$ , и это можно вставить в уравнение Освальда, чтобы получить второе степенное уравнение для кажущейся вязкости:

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

Это выражение также может использоваться для описания поведения дилатанта (утолщение при сдвиге), где значение n больше 1.

Модель Гершеля-Балкли

Пластмассы Бингема требуют превышения критического напряжения сдвига для начала текучести. Такое поведение обычно наблюдается в микро- и нанокомпозитах полимер / диоксид кремния, где образование сетки диоксида кремния в материале обеспечивает твердотельный отклик при низком напряжении сдвига. Модель Балкли, которая добавляет компонент порогового напряжения сдвига в уравнение Оствальда:

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

Связь с тиксотропией

Некоторые авторы считают разжижение при сдвиге особым случаем тиксотропного поведения, поскольку восстановление микроструктуры жидкости до исходного состояния всегда потребуется ненулевое время. 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. Тем не менее, при описании вязкости жидкостей полезно различать поведение истончения сдвига (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.

Повседневные примеры

Современные краски являются примерами 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, разжижающего сдвиг. 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 распылены на ложку, они не растекаются, а их повышенная вязкость позволяет им оставаться жесткими.

См. Также

Внешние ссылки

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

Ссылки: