Vlastnosti Toku Polymerů, Čas-nezávislé Tekutiny
Polymerní roztoky, disperze a taje jsou obvykle non-Newtonovské tekutiny. To znamená, že jejich zdánlivá viskozita (η) 1 závisí na použité smykové rychlosti a rychle se zvyšuje se zvyšující se molekulovou hmotností(počet jednotek opakování). Viskozita polymerní taveniny je tedy vždy větší než viskozita odpovídajícího monomeru. To je způsobeno zapletením a intermolekulárními silami mezi molekulami polymeru.
vztah smykové rychlosti (γ) – smykové napětí (τ) časově nezávislých nenewtonských tekutin lze popsat obecnou rovnicí
nebo graficky křivkou smykového napětí jako funkce smykové rychlosti. Čtyři základní typy časově nezávislých tekutin jsou uvedeny na obrázcích níže.
je třeba zdůraznit, že tyto typy jsou idealizací skutečného chování tekutin. Většina polymerních roztoků a tavenin vykazuje smykové ředění, to znamená, že patří do třídy pseudoplastických materiálů, zatímco smykové zahušťování nebo dilatační chování je zřídka pozorováno. Některé běžné příklady smykových zahušťovacích tekutin jsou kukuřičný škrob ve vodě a nanočástice dispergované v (polymerním) roztoku.
pozorované smykové ztenčení polymerních tavenin a roztoků je způsobeno rozpojením polymerních řetězců během proudění. Polymery s dostatečně vysokou molekulovou hmotností jsou vždy zamotané (jako spagety) a náhodně orientované, když jsou v klidu. Při stříhání se však začnou rozmotávat a spojovat, což způsobuje pokles viskozity. Stupeň rozpojení bude záviset na smykové rychlosti. Při dostatečně vysokých smykových rychlostech budou polymery zcela rozloženy a plně zarovnány. V tomto režimu bude viskozita polymerní taveniny nebo roztoku nezávislá na smykové rychlosti, tj. polymer se bude opět chovat jako newtonovská kapalina.2 totéž platí pro velmi nízké smykové rychlosti; polymerní řetězce se pohybují tak pomalu, že zapletení nebrání smykovému toku. Viskozita při nekonečném pomalém smyku se nazývá viskozita nulové smykové rychlosti (η0). Typické chování je ilustrováno na obrázku níže, který ukazuje závislost zdánlivé viskozity, η, polymerní taveniny na smykové rychlosti.
chování kapalin ve smykové řídnutí režim může být popsán s power-law rovnice Oswald a de Waele:
Tato rovnice může být napsán v logaritmické formě,
To znamená, že log-log graf smykové napětí (τ) v závislosti na smykové namáhání (dy/dt) by měl přinést přímo, pokud je roztok polymeru nebo tavenina se chová jako pseudoplastic kapaliny. Obvykle lze nakreslit přímku během jedné až dvou desetiletí smykové rychlosti, ale v širším rozsahu lze očekávat odchylky od oswaldova zákona.
zdánlivá viskozita je definována
Pokud budeme kombinovat tento výraz s Oswald rovnice, získáme druhý power-law rovnice pro zdánlivou viskozitu:
výkon práva může být také použit k popisu chování dilatant (shear-thickening) kapalina. V tomto případě bude hodnota exponentu n větší než jedna. Opět lze očekávat znatelné odchylky, když je oswaldova rovnice aplikována v širším rozsahu smykových rychlostí.
některé jiné tekutiny vyžadují prahové smykové napětí, než začnou proudit. Tento druh tekutiny se nazývá plastová tekutina a pokud má tekoucí kapalina konstantní viskozitu, nazývá se binghamova kapalina. Takové chování však není pozorováno u běžných polymerních tavenin a roztoků. Typickými příklady chování toku plastů jsou mikro – a nanokompozity polymer/oxid křemičitý. Solid-jako chování, při nízké smykové napětí lze vysvětlit tím, že tvorba oxidu křemičitého struktury sítě vyplývající z atraktivní částice interakce částic v důsledku vodíkové vazby mezi silanolu skupin. Jakmile se částicová síť rozpadne při aplikaci kritického mezního napětí (ty), polymer vykazuje normální chování toku.
tok chování plastových kapaliny s konstantní viskozitou np výše výnosu stres může být popsán s Bingham rovnice:
vzhledem k tomu, non-Newtonian (smykové řídnutí) chování plastové tekutiny může být popsán s Herschel-Bulkley model:
Pomocí standardní definice pro viskozitu: η = τ / γ, zdánlivé viskozity na Bingham viscoplastic materiál může být zapsáno jako
to Znamená, že zdánlivá viskozita Bingham kapaliny klesá s rostoucí smykovou rychlostí a dosahuje při velmi vysokých smykových rychlostech konstantní limit np.
1zjevná viskozita je často dána symbolem η místo μ, aby se odlišila od newtonovské viskozity.
2ο druhá plošina je rarley pozorován u polymerních tavenin, protože to vyžaduje velmi vysokých smykových rychlostech, které by mohly také způsobit polymerních řetězců break (shear-indukované degradaci).