proprietățile de curgere ale polimerilor fluide independente de timp
soluțiile polimerice, dispersiile și topiturile sunt de obicei lichide non-newtoniene. Acest lucru înseamnă că vâscozitatea lor aparentă (XV)1 depinde de viteza de forfecare aplicată și crește rapid odată cu creșterea greutății moleculare (numărul de unități repetate). Astfel, vâscozitatea unei topituri polimerice este întotdeauna mai mare decât cea a monomerului corespunzător. Acest lucru se datorează entanglementării și forțelor intermoleculare între moleculele de polimer.
relația dintre rata de forfecare (VIII) și tensiunea de forfecare (VIII) a fluidelor non-newtoniene independente de timp poate fi descrisă prin ecuația generală
sau grafic printr-o curbă a stresului de forfecare în funcție de rata de forfecare. Cele patru tipuri de bază de fluide independente de timp sunt prezentate în figurile de mai jos.
trebuie subliniat faptul că aceste tipuri sunt o idealizare a comportamentului real al fluxului fluidelor. Majoritatea soluțiilor și topiturilor polimerice prezintă subțierea forfecării, adică aparțin clasei de materiale pseudoplastice, în timp ce comportamentul de îngroșare a forfecării sau dilatant este rar observat. Câteva exemple comune de fluide de îngroșare a forfecării sunt amidonul de porumb în apă și nanoparticulele dispersate într-o soluție (polimer).
subțierea observată la forfecare a topiturilor și soluțiilor polimerice este cauzată de dezlipirea lanțurilor polimerice în timpul curgerii. Polimerii cu o greutate moleculară suficient de mare sunt întotdeauna încurcați (ca spagetti) și orientați aleatoriu când sunt în repaus. Cu toate acestea, atunci când sunt tăiate, încep să se desprindă și să se alinieze, ceea ce face ca vâscozitatea să scadă. Gradul de dezangajare va depinde de rata de forfecare. La rate de forfecare suficient de mari, polimerii vor fi complet dezangajați și complet aliniați. În acest regim, vâscozitatea topiturii sau soluției polimerice va fi independentă de viteza de forfecare, adică polimerul se va comporta din nou ca un lichid Newtonian.2 același lucru este valabil și pentru ratele de forfecare foarte scăzute; lanțurile polimerice se mișcă atât de încet încât încurcarea nu împiedică fluxul de forfecare. Vâscozitatea la forfecare lentă infinită se numește vâscozitate cu viteză de forfecare zero (ecu70). Comportamentul tipic este ilustrat în figura de mai jos, care arată dependența vâscozității aparente, INQ, a unei topituri polimerice de viteza de forfecare.
comportamentul fluidelor în regimul de subțiere a forfecării poate fi descris cu ecuația putere-lege a lui Oswald și De Waele:
această ecuație poate fi scrisă în formă logaritmică,
aceasta înseamnă că un grafic log-log al tensiunii de forfecare (XV) față de tulpina de forfecare (dy/dt) ar trebui să producă o linie dreaptă dacă soluția de polimer sau topitura se comportă ca un lichid pseudoplastic. De obicei, o linie dreaptă poate fi trasă pe parcursul a una până la două decenii de rată de forfecare, dar pe o gamă mai largă se pot aștepta abateri de la Legea Oswald.
vâscozitatea aparentă este definită de
dacă combinăm această expresie cu ecuația Oswald, obținem o a doua ecuație putere-lege pentru vâscozitatea aparentă:
o lege a puterii poate fi, de asemenea, utilizată pentru a descrie comportamentul unui dilatant (îngroșarea forfecării) lichid. În acest caz, valoarea exponentului n va fi mai mare decât una. Din nou, se pot aștepta abateri vizibile atunci când ecuația Oswald este aplicată pe o gamă mai largă de rate de forfecare.
unele alte fluide necesită o tensiune de forfecare prag înainte de a începe să curgă. Acest tip de fluid se numește fluid plastic și dacă lichidul care curge are o vâscozitate constantă, se numește lichid Bingham. Cu toate acestea, un astfel de comportament nu este observat în topiturile și soluțiile obișnuite de polimeri. Exemple tipice pentru comportamentul fluxului de plastic sunt micro – polimer/silice și nanocompozite. Comportamentul solid la stres de forfecare scăzut poate fi explicat prin formarea unei structuri de rețea de silice care rezultă din interacțiuni atractive particule-particule datorate legăturii de hidrogen între grupările silanol. Odată ce rețeaua de particule se descompune la aplicarea unui stres critic de randament (ty), polimerul prezintă un comportament normal al fluxului.
comportamentul de curgere al fluidelor din plastic având o vâscozitate constantă NP peste tensiunea de randament poate fi descris cu ecuația Bingham:
întrucât comportamentul non-Newtonian (subțierea forfecării) al unui fluid plastic poate fi descris cu modelul Herschel-Bulkley:
utilizarea definiției standard pentru vâscozitate: η = τ / γ, vâscozitatea aparentă a unui Bingham viscoplastic material poate fi scris ca
Astfel, vâscozitatea aparentă a unui fluid Bingham scade cu creșterea vitezei de forfecare și ajunge la foarte mari rate de forfecare constantă limita np.
1vâscozitatea aparentă este adesea dată cu simbolul in loc de inox pentru a o distinge de vâscozitatea Newtoniană.
2 al doilea platou este rarley observat pentru topiturile polimerice, deoarece necesită rate de forfecare extrem de ridicate, care ar putea provoca, de asemenea, ruperea lanțurilor polimerice (degradarea indusă de forfecare).