Истончение при сдвиге

Поведение неньютоновской жидкости

Классификация жидкостей с напряжением сдвига как функцией скорости сдвига : псевдопластичные, пластичные по Бингаму и псевдопластичные по Бингаму — все они демонстрируют снижение кажущейся вязкости с увеличением скорости сдвига.

В реологии , сдвиговое истончение является неньютоновским поведением жидкостей, вязкость которых уменьшается при сдвиговой деформации . Иногда его считают синонимом псевдопластичного поведения , ^{[1] [2]} и обычно определяют как исключающее зависящие от времени эффекты, такие как тиксотропия . ^[3]

Истончение при сдвиге является наиболее распространенным типом неньютоновского поведения жидкостей и наблюдается во многих промышленных и повседневных приложениях. ^[4] Хотя истончение 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 разжижения при сдвиге

Хотя точная причина истончения сдвига не полностью понята, широко распространено мнение, что это эффект небольших структурных изменений в жидкости, таких как микромасштабные геометрии в жидкости перестраиваются для облегчения сдвига . ^[6] В коллоидных системах разделение фаз во время течения приводит к истончению сдвига. В полимерных системах, таких как расплавы и растворы полимеров, истончение сдвига вызвано распутыванием полимерных цепей во время течения. В состоянии покоя высокомолекулярные полимеры запутаны и ориентированы случайным образом. Однако при перемешивании с достаточно высокой скоростью эти высокоанизотропные полимерные цепи начинают распутываться и выравниваться вдоль направления силы сдвига. ^[7] Это приводит к меньшему взаимодействию молекул и частиц и большему количеству свободного пространства, что снижает вязкость. ^[4]

Модель степенного закона

Уменьшение вязкости 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, а значение вязкости системы выходит на плато η _∞ , или плато бесконечной сдвиговой вязкости. При низких скоростях сдвига сдвиг слишком мал, чтобы ему препятствовали запутывания, а значение вязкости системы равно η ₀ , или вязкости при нулевой скорости сдвига. Значение η _∞ представляет собой наименьшую достижимую вязкость и может быть на порядки ниже η ₀ , в зависимости от степени истончения сдвига.

Вязкость отображается в зависимости от скорости сдвига в виде графика log(η) против log( ), где линейная область представляет собой режим истончения сдвига и может быть выражена с помощью уравнения степенного закона 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 Ваэля можно записать в логарифмической форме:

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

Кажущаяся вязкость определяется как , и это можно включить 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 можно также использовать для описания поведения дилатанта (утолщения при сдвиге), когда значение n больше 1.

Модель Гершеля-Балкли

Пластики Бингама требуют превышения критического напряжения сдвига, чтобы начать течь. Такое поведение обычно наблюдается в микро- и нанокомпозитах полимер/кремнезем, где образование кремниевой сетки в материале обеспечивает твердоподобный отклик при низком напряжении сдвига. Поведение пластичных жидкостей с утончением при сдвиге можно описать с помощью модели Гершеля-Балкли, которая добавляет компонент порогового напряжения сдвига в уравнение Оствальда: ^[8]

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

Связь с тиксотропией

Некоторые авторы считают, что сдвиговое истончение является особым случаем тиксотропного поведения, поскольку восстановление микроструктуры жидкости до ее исходного состояния всегда будет требовать ненулевого времени. Однако, когда восстановление вязкости после возмущения происходит очень быстро, наблюдаемое поведение является классическим сдвиговым истончением или псевдопластичностью, 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 сдвиговое истончение (псевдопластическое) поведение от тиксотропного поведения, когда вязкость при всех скоростях сдвига уменьшается на некоторое время после перемешивания: оба этих эффекта часто можно увидеть отдельно в одной и той же жидкости. ^[10]

Примеры из повседневной жизни

Краска для стен — это псевдопластичный материал. ^[11] При нанесении современной краски для стен сдвиг, создаваемый кистью или валиком, позволит ей истончиться и равномерно смочить поверхность. После нанесения краска восстанавливает свою более высокую вязкость, что позволяет избежать капель и потеков.

Кетчуп — это разжижающийся при сдвиге материал, вязкий в состоянии покоя, но быстро текучий при перемешивании путем сжатия, встряхивания или удара по бутылке. ^[11]

Взбитые сливки также являются разжижающимся при сдвиге материалом. ^[6] Когда взбитые сливки распыляются из баллончика, они плавно вытекают из сопла из-за низкой вязкости при высокой скорости потока. Однако после распыления взбитых сливок в ложку они не текут, а их повышенная вязкость позволяет им быть жесткими.

Смотрите также

• Неньютоновская жидкость  – жидкость, вязкость которой зависит от величины приложенной к ней силы/напряжения.
• Степенная жидкость  – Тип обобщенной ньютоновской жидкости
• Пластик Бингама  – материал, который остается твердым при низкой нагрузке, но становится вязким при высокой нагрузке.
• Реология  – изучение течения вещества, в основном в жидком состоянии.
• Эффект Кая  – Свойство сложных жидкостей
• Вязкость, зависящая от времени
• Реопектия : Чем дольше жидкость подвергается сдвиговой деформации, тем выше вязкость. Зависимое от времени поведение загустевания при сдвиге.
• Тиксотропия : чем дольше жидкость подвергается сдвиговой деформации, тем ниже ее вязкость. Это зависящее от времени поведение разжижения при сдвиге.
• Утолщение при сдвиге : похоже на реопектию, но не зависит от времени.
• Загуститель
• Растворитель для краски

Внешние ссылки

• Великая тайна кетчупа

Ссылки

1. Мецгер, Томас Г. (2006). Справочник по реологии: для пользователей ротационных и колебательных реометров (2-е, перераб. ред.). Ганновер: Vincentz Network. стр. 34. ISBN 9783878701743.
2. Хельдман, Р. Пол Сингх, Деннис Р. (2013). Введение в пищевую инженерию (5-е изд.). Амстердам: Elsevier. С. 160. ISBN 9780124016750.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
3. Бэр, Скотт (2007). Реология высокого давления для количественной эластогидродинамики (1-е изд.). Амстердам: Elsevier. С. 136. ISBN 9780080475301. Получено 24 мая 2015 г.
4. Malvern Instruments Worldwide. "Основное введение в реологию" (PDF) . Получено 12 декабря 2019 г.
5. Tazraei, P.; Riasi, A.; Takabi, B. (2015). «Влияние неньютоновских свойств крови на кровяной молот через заднюю мозговую артерию». Mathematical Biosciences . 264 : 119–127. doi :10.1016/j.mbs.2015.03.013. PMID  25865933.
6. "Физика взбитых сливок". NASA Science . 25 апреля 2008 г. Получено 20 августа 2023 г.
7. "Вязкость ньютоновских и неньютоновских жидкостей". Rheosense Inc. Получено 12 декабря 2019 г.
8. "Свойства текучести полимеров". polymerdatabase.com . Получено 12 декабря 2019 г. .
9. Barnes, Howard A. (1997). "Thixotropy a review" (PDF) . J. Non-Newtonian Fluid Mech., 70 : 3. Архивировано из оригинала (PDF) 30 апреля 2016 г. Получено 11 ноября 2011 г.
10. Трой, Дэвид Б. (2005). Ремингтон: Наука и практика фармации (21-е изд.). Филадельфия: Липпинкотт, Уильямс и Уилкинс. стр. 344. ISBN 9780781746731. Получено 24 мая 2015 г.
11. Schlichting, H. Joachim (12 марта 2021 г.). «Кетчуп — это не просто приправа: это также неньютоновская жидкость». Scientific American . Получено 20 августа 2023 г.