strømningsegenskaber for polymerer tidsuafhængige væsker
polymeropløsninger, dispersioner og smelter er normalt ikke-Nytoniske væsker. Dette betyder, at deres tilsyneladende viskositet (kurp)1 afhænger af den påførte forskydningshastighed og stiger hurtigt med stigende molekylvægt (antal gentagelsesenheder). Viskositeten af en polymersmelte er således altid større end den tilsvarende monomer. Dette skyldes sammenfiltring og intermolekylære kræfter mellem polymermolekyler.
forskydningsfrekvensen (Kurt) – forskydningsspænding (Kurt) forholdet mellem tidsuafhængige ikke-Nytoniske væsker kan beskrives ved den generelle ligning
eller grafisk ved en kurve af forskydningsspænding som en funktion af forskydningshastighed. De fire grundlæggende typer tidsuafhængige væsker er vist i nedenstående figurer.
det skal understreges, at disse typer er en idealisering af væskernes reelle strømningsadfærd. De fleste polymeropløsninger og smelter udviser forskydningsfortynding, det vil sige, de hører til klassen af pseudoplastiske materialer, mens forskydningsfortykning eller dilatant opførsel sjældent observeres. Nogle almindelige eksempler på forskydningsfortykningsvæsker er majsstivelse i vand og nanopartikler dispergeret i en (polymer) opløsning.
den observerede forskydningsfortynding af polymersmelter og opløsninger er forårsaget af adskillelse af polymerkæder under strømning. Polymerer med en tilstrækkelig høj molekylvægt er altid sammenfiltret (som spagetti) og tilfældigt orienteret, når de er i ro. Når de skæres, begynder de imidlertid at løsne sig og tilpasse sig, hvilket får viskositeten til at falde. Graden af adskillelse afhænger af forskydningshastigheden. Ved tilstrækkeligt høje forskydningshastigheder vil polymererne blive fuldstændigt adskilt og fuldt justeret. I dette regime vil viskositeten af polymersmelten eller opløsningen være uafhængig af forskydningshastigheden, dvs.polymeren vil opføre sig som en Nytonisk væske igen.2 det samme gælder for meget lave forskydningshastigheder; polymerkæderne bevæger sig så langsomt, at sammenfiltring ikke hindrer forskydningsstrømmen. Viskositeten ved uendelig langsom forskydning kaldes nul forskydningshastighedsviskositet (KR0). Den typiske adfærd er ilustreret i nedenstående figur, der viser afhængigheden af den tilsyneladende viskositet, kur, af en polymer smelte på forskydningshastighed.
det kan være nødvendigt at bruge en anden metode til at reducere mængden af væske, der er nødvendig for at reducere mængden af væske, der er nødvendig for at reducere mængden af væske:
denne ligning kan skrives i logaritmisk form,
dette betyder, at et log-log-plot af forskydningsspænding (Kurt) versus forskydningsstamme (dy/dt) skal give en lige linje, hvis polymeropløsningen eller smelten opfører sig som en pseudoplastisk væske. Normalt kan en lige linje trækkes over et til to årtier med forskydningshastighed, men over et bredere interval kan der forventes afvigelser fra Osvaldloven.
den tilsyneladende viskositet er defineret af
hvis vi kombinerer dette udtryk med Osvald-ligningen, opnår vi en anden magtlovligning for den tilsyneladende viskositet:
en magtlov kan også bruges til at beskrive opførslen af en dilatant (forskydningsfortykning) væske. I dette tilfælde vil værdien af eksponenten n være større end en. Igen kan der forventes mærkbare afvigelser, når Osvald-ligningen anvendes over et bredere interval af forskydningshastigheder.
nogle andre væsker kræver en tærskelforskydningsspænding, før de begynder at strømme. Denne type væske kaldes en plastvæske, og hvis den flydende væske har en konstant viskositet, kaldes den en Bingham-væske. Imidlertid observeres en sådan adfærd ikke i almindelige polymersmelter og opløsninger. Typiske eksempler på plaststrømningsadfærd er polymer/silica mikro – og nanokompositter. Den fastlignende opførsel ved lav forskydningsspænding kan forklares ved dannelsen af en silica-netværksstruktur, der stammer fra attraktive partikel-partikel-interaktioner på grund af hydrogenbinding mellem silanolgrupper. Når partikelnetværket nedbrydes ved anvendelse af en kritisk udbyttestress (ty), viser polymeren normal strømningsadfærd.
strømningsadfærden for plastvæsker med en konstant viskositet np over udbyttespændingen kan beskrives med Bingham-ligningen:
mens ikke-Nytonisk (forskydningsfortyndende) opførsel af en plastvæske kan beskrives med Herschel-Bulkley-modellen:
brug af standarddefinitionen for viskositet: den tilsyneladende viskositet af et Bingham viscoplastisk materiale kan skrives som
således falder den tilsyneladende viskositet af en Bingham-væske med stigende forskydningshastighed og når ved meget høje forskydningshastigheder den konstante grænse np.
1den tilsyneladende viskositet er ofte givet symbolet L. A. I stedet for L. A. For at skelne det fra den Nytoniske viskositet.
2det andet plateau er rarley observeret for polymersmelter, fordi det kræver ekstremt høje forskydningshastigheder, som også kan få polymerkæderne til at bryde (forskydningsinduceret nedbrydning).