polymeerien Aikariippumattomien nesteiden virtausominaisuudet
Polymeeriliuokset, dispersiot ja sulat ovat yleensä ei-Newtonilaisia nesteitä. Tämä tarkoittaa, että niiden näennäinen viskositeetti (η)1 riippuu käytetystä leikkausnopeudesta ja kasvaa nopeasti molekyylipainon kasvaessa (toistoyksiköiden määrä). Näin polymeerisulan viskositeetti on aina suurempi kuin vastaavan monomeerin. Tämä johtuu polymeerimolekyylien välisistä sotkeutumisista ja molekyylien välisistä voimista.
ajasta riippumattomien Ei – newtonilaisten fluidien leikkausnopeuden (γ)-leikkausjännityksen (τ) suhdetta voidaan kuvata yleisellä yhtälöllä
tai graafisesti leikkausjännityksen käyrällä leikkausnopeuden funktiona. Alla olevissa kuvioissa on esitetty ajasta riippumattomien nesteiden neljä perustyyppiä.
on korostettava, että nämä tyypit ovat nesteiden todellisen virtauskäyttäytymisen ihannointia. Useimmissa polymeeriliuoksissa ja sulissa esiintyy leikkausharvennus, eli ne kuuluvat pseudoplastisten materiaalien luokkaan, kun taas leikkaus-paksuuntumista tai laajentumista havaitaan harvoin. Yleisiä esimerkkejä leikkaavista sakeuttamisnesteistä ovat maissitärkkelys vedessä ja nanohiukkaset (polymeeri) liuoksessa.
polymeerisulatusten ja-liuosten havaittu leikkausharvennus johtuu polymeeriketjujen irtoamisesta virtauksen aikana. Riittävän suuren molekyylipainon omaavat polymeerit sotkeutuvat aina (kuten spagetti) toisiinsa ja suuntautuvat satunnaisesti levossa ollessaan. Kerittyään ne kuitenkin alkavat irrota ja allign, joka aiheuttaa viskositeetin pudota. Pettämisen aste riippuu leikkaustahdista. Riittävän suurilla leikkausnopeuksilla polymeerit irtoavat täysin ja alligoituvat täysin. Tässä järjestelmässä polymeerin sulan tai liuoksen viskositeetti on riippumaton leikkausnopeudesta, eli polymeeri käyttäytyy jälleen newtonilaisen nesteen tavoin.2 sama pätee hyvin alhaisiin leikkausnopeuksiin; polymeeriketjut liikkuvat niin hitaasti, että takertuminen ei estä leikkausvirtausta. Viskositeettia äärettömässä hitaassa leikkauksessa kutsutaan leikkausnopeuden nollaviskositeetiksi (η0). Tyypillinen käyttäytyminen on ilustroitu alla olevassa kuvassa, joka osoittaa polymeerisen sulan näennäisen viskositeetin, η, riippuvuuden leikkausnopeudesta.
nesteiden käyttäytymistä leikkausharvennusjärjestelmässä voidaan kuvata Oswaldin ja de Waelen voimalakiyhtälöllä:
tämä yhtälö voidaan kirjoittaa logaritmisessa muodossa,
tämä tarkoittaa, että leikkausjännityksen (τ) ja leikkausjännityksen (dy/dt) log-log-käyrän pitäisi tuottaa suora viiva, jos polymeeriliuos tai sula käyttäytyy pseudoplastisen nesteen tavoin. Yleensä suora viiva voidaan piirtää yhdestä kahteen vuosikymmeneen leikkausnopeudella, mutta laajemmalla alueella voidaan odottaa poikkeamia Oswaldin laista.
näennäinen viskositeetti määritellään
jos yhdistämme tämän lausekkeen Oswaldin yhtälöön, saadaan toinen potenssilakiyhtälö näennäiselle viskositeetille:
voimalakia voidaan käyttää myös kuvaamaan dilatantin (leikkaus-paksuuntuminen) nesteen käyttäytymistä. Tällöin eksponentin n arvo on suurempi kuin yksi. Jälleen huomattavia poikkeamia voidaan odottaa, kun Oswaldin yhtälöä sovelletaan laajemmalle leikkausnopeuksien alueelle.
jotkin muut nesteet vaativat kynnysjännityksen ennen kuin ne alkavat virrata. Tällaista nestettä kutsutaan muoviseksi nesteeksi ja jos virtaavan nesteen viskositeetti on vakio, sitä kutsutaan Binghamin nesteeksi. Tällaista käyttäytymistä ei kuitenkaan havaita tavallisissa polymeerimelteissä ja liuoksissa. Tyypillisiä esimerkkejä muovin virtauskäyttäytymisestä ovat polymeeri/pii – mikro-ja nanokomposiitit. Kiinteän aineen kaltaista käyttäytymistä matalassa leikkausjännityksessä voidaan selittää piidioksidiverkon rakenteen muodostumisella, joka johtuu silanoliryhmien vetysidoksesta johtuvista puoleensavetävistä hiukkasten ja hiukkasten välisistä vuorovaikutuksista. Kun hiukkasverkko hajoaa käytettäessä kriittistä myötörasitusta (ty), polymeeri osoittaa normaalia virtauskäyttäytymistä.
niiden muovinesteiden virtauskäyttäytymistä, joiden viskositeetti on vakio NP myötörasituksen yläpuolella, voidaan kuvata Binghamin yhtälöllä:
kun taas ei-newtonilainen (leikkaus-harvennus) käyttäytymistä muovi neste voidaan kuvata Herschel-Bulkley malli:
viskositeetin standardimääritelmän käyttäminen: η = τ / γ, Binghamin viskoplastisen materiaalin näennäinen viskositeetti voidaan kirjoittaa
näin ollen Bingham-nesteen näennäinen viskositeetti vähenee kiihtyvällä leikkausnopeudella ja saavuttaa hyvin suurilla leikkausnopeuksilla vakiorajan np.
1 näennäiselle viskositeetille annetaan usein μ: n sijasta tunnus η, joka erottaa sen Newtonilaisesta viskositeetista.
2The toinen tasanne on rarley havaittu polymeerin sulamista, koska se vaatii erittäin suuria leikkausnopeuksia, mikä saattaa myös aiheuttaa polymeeriketjujen katkeamisen (leikkaamisen aiheuttama hajoaminen).