Сдвиговое истончение

Поведение неньютоновской жидкости

Классификация жидкостей с напряжением сдвига в зависимости от скорости сдвига : псевдопластик, пластик Бингама и псевдопластик Бингема демонстрируют снижение кажущейся вязкости с увеличением скорости сдвига.

В реологии сдвиговое истончение — это неньютоновское поведение жидкостей, вязкость которых уменьшается под действием сдвиговой деформации . Иногда его считают синонимом псевдопластического поведения [ ^{1] [2]} и обычно определяют как исключение зависящих от времени эффектов, таких как тиксотропия . ^[3]

Сдвиговое утончение является наиболее распространенным типом неньютоновского поведения жидкостей и наблюдается во многих промышленных и повседневных применениях. ^[4] Хотя сдвиговое истончение обычно не наблюдается в чистых жидкостях с низкой молекулярной массой или идеальных растворах небольших 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

Хотя точная причина утончения при сдвиге не до конца понятна, широко распространено мнение, что оно является следствием небольших структурных изменений внутри жидкости, таких, что микромасштабная геометрия внутри жидкости перестраивается, чтобы облегчить сдвиг . ^[6] В коллоидных системах разделение фаз во время течения приводит к сдвиговому утончению. В полимерных системах, таких как расплавы и растворы полимеров, истончение при сдвиге вызвано распутыванием полимерных цепей во время течения. В состоянии покоя высокомолекулярные полимеры перепутаны и ориентированы хаотично. Однако при достаточно высокой скорости перемешивания эти высокоанизотропные полимерные цепи начинают распутываться и выравниваться в направлении силы сдвига. ^[7] Это приводит к меньшему взаимодействию молекул и частиц и большему количеству свободного пространства, уменьшая вязкость. ^[4]

Модель степенного закона

Сдвиговое утонение 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 выходит на плато при η _∞ или на плато бесконечной сдвиговой вязкости. При низких скоростях сдвига сдвиг слишком мал, чтобы ему препятствовали запутывания, и значение вязкости системы равно η ₀ или вязкости с нулевой скоростью сдвига. Значение η _∞ представляет собой наименьшую достижимую вязкость и может быть на несколько порядков ниже, чем η ₀ , в зависимости от степени утончения при сдвиге.

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

${\displaystyle \tau =K(T)\left({d\gamma \over dt}\right)^{n}=K(T){\dot {\gamma }}^{n}}$

Уравнение Оствальда и де Вале можно записать в логарифмической форме:

${\displaystyle \log(\tau )=\log(K)+n\log \left({\dot {\gamma }}\right)}$

Кажущаяся вязкость определяется как , и ее можно подставить в уравнение Оствальда, чтобы получить второе степенное уравнение для кажущейся вязкости: ${\displaystyle \eta ={\tau \over {\dot {\gamma }}}}$

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

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

Модель Гершеля-Балкли

Чтобы пластики Бингама начали течь, необходимо преодолеть критическое напряжение сдвига. Такое поведение обычно наблюдается в микро- и нанокомпозитах полимер/кремнезем, где образование сетки кремнезема в материале обеспечивает твердый отклик при низком напряжении сдвига. Поведение пластических жидкостей при истончении при сдвиге можно описать с помощью модели Гершеля-Балкли, которая добавляет компонент порогового напряжения сдвига к уравнению Оствальда: ^[8]

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

Связь с тиксотропией

Некоторые авторы считают сдвиговое утонение частным случаем тиксотропного поведения, поскольку восстановление микроструктуры жидкости до исходного состояния всегда требует ненулевого времени. Однако когда восстановление вязкости после нарушения происходит очень быстро, наблюдаемое поведение представляет собой классическое разжижение при сдвиге или псевдопластичность, поскольку, как только сдвиг устраняется, вязкость возвращается к норме. Когда для восстановления вязкости требуется измеримое время, наблюдается тиксотропное поведение. ^[9] Однако при описании вязкости жидкостей полезно различать поведение, связанное с разжижением при сдвиге (псевдопластичное) и тиксотропное поведение, когда вязкость при всех скоростях сдвига снижается на некоторое время после перемешивания: оба эти эффекта часто могут можно наблюдать по отдельности в одной и той же жидкости. ^[10]

Примеры из повседневной жизни

Краска для стен – псевдопластичный материал. ^[11] При нанесении современной краски для стен сдвиг, создаваемый кистью или валиком, позволяет ей разжижать и равномерно смачивать поверхность. После нанесения краска вновь обретает более высокую вязкость, что позволяет избежать подтеков и потеков.

Кетчуп — это разжижающийся при сдвиге материал, вязкий в состоянии покоя, но растекающийся со скоростью при взбалтывании, встряхивании или ударении по бутылке. ^[11]

Взбитые сливки также являются материалом, разжижающимся при сдвиге. ^[6] Когда взбитые сливки распыляются из канистры, они плавно вытекают из сопла благодаря низкой вязкости при высокой скорости потока. Однако после того, как взбитые сливки распыляют в ложку, они не текут, а повышенная вязкость позволяет им быть жесткими.

Смотрите также

• Утолщение при сдвиге  - материал, вязкость которого увеличивается со скоростью деформации сдвига.Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Неньютоновская жидкость  - жидкость, вязкость которой зависит от величины приложенной к ней силы/напряжения.
• Степенная жидкость  - тип обобщенной ньютоновской жидкости.
• Тиксотропия  – изменение вязкости геля или жидкости, вызванное стрессом.
• Дилатант  - материал, вязкость которого увеличивается со скоростью деформации сдвига.
• Пластик Бингама  - материал, который тверд при низких нагрузках, но становится вязким при высоких нагрузках.
• Реология  - изучение течения вещества, преимущественно в жидком состоянии.
• Эффект Кея  - Свойство сложных жидкостей

Внешние ссылки

• Великая загадка кетчупа

Рекомендации

1. Мезгер, Томас Г. (2006). Справочник по реологии: для пользователей ротационных и колебательных реометров (2., переизд.). Ганновер: Сеть Винцентца. п. 34. ISBN 9783878701743.
2. Хелдман, Р. Пол Сингх, Деннис Р. (2013). Введение в пищевую инженерию (5-е изд.). Амстердам: Эльзевир. п. 160. ИСБН 9780124016750.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
3. Баир, Скотт (2007). Реология высокого давления для количественной эластогидродинамики (1-е изд.). Амстердам: Эльзевир. п. 136. ИСБН 9780080475301. Проверено 24 мая 2015 г.
4. Malvern Instruments Worldwide. «Основное введение в реологию» (PDF) . Проверено 12 декабря 2019 г.
5. Тазраи, П.; Риаси, А.; Такаби, Б. (2015). «Влияние неньютоновских свойств крови на кровоток через заднюю мозговую артерию». Математические биологические науки . 264 : 119–127. дои : 10.1016/j.mbs.2015.03.013. ПМИД  25865933.
6. «Физика взбитых сливок». Наука НАСА . 25 апреля 2008 года . Проверено 20 августа 2023 г.
7. «Вязкость ньютоновских и неньютоновских жидкостей». Реосенс ​​Инк . Проверено 12 декабря 2019 г.
8. «Свойства текучести полимеров». www.polymerdatabase.com . Проверено 12 декабря 2019 г.
9. Барнс, Ховард А. (1997). «Обзор тиксотропии» (PDF) . J. Non-Newtonian Fluid Mech., 70 : 3. Архивировано из оригинала (PDF) 30 апреля 2016 года . Проверено 11 ноября 2011 г.
10. Трой, Дэвид Б. (2005). Ремингтон: Фармацевтическая наука и практика (21-е изд.). Филадельфия: Липпинкотт, Уильямс и Уилкинс. п. 344. ИСБН 9780781746731. Проверено 24 мая 2015 г.
11. Шлихтинг, Х. Иоахим (12 марта 2021 г.). «Кетчуп — это не просто приправа: это еще и неньютоновская жидкость». Научный американец . Проверено 20 августа 2023 г.