polimerek áramlási tulajdonságai időfüggetlen folyadékok
a polimer oldatok, diszperziók és olvadékok általában nem newtoni folyadékok. Ez azt jelenti, hogy a látszólagos viszkozitásuk (6) az alkalmazott nyírási sebességtől függ, és gyorsan növekszik a molekulatömeg növekedésével (az ismétlődő egységek száma). Így a polimer olvadék viszkozitása mindig nagyobb, mint a megfelelő monomeré. Ennek oka a polimer molekulák közötti összefonódás és intermolekuláris erők.
az időfüggetlen, nem newtoni folyadékok nyírási sebességének (6) – nyírófeszültség (6) összefüggése az Általános egyenlettel írható le
vagy grafikusan a nyírófeszültség görbéjével a nyírási sebesség függvényében. Az időfüggetlen folyadékok négy alaptípusát az alábbi ábrák mutatják.
hangsúlyozni kell, hogy ezek a típusok a folyadékok valós áramlási viselkedésének idealizálását jelentik. A legtöbb polimer oldat és olvadék nyírási elvékonyodást mutat, vagyis a pszeudoplasztikus anyagok osztályába tartoznak, míg a nyírási megvastagodás vagy dilatáns viselkedés ritkán figyelhető meg. Néhány gyakori példa a nyírást sűrítő folyadékokra a vízben lévő kukoricakeményítő és a (polimer) oldatban diszpergált nanorészecskék.
a polimer olvadékainak és oldatainak megfigyelt nyírási elvékonyodását a polimer láncok áramlás közbeni szétválása okozza. A kellően nagy molekulatömegű polimerek mindig összefonódnak (mint a spagetti), és nyugalmi állapotban véletlenszerűen orientálódnak. Amikor azonban levágják, elkezdenek szétválni és allignálni, ami a viszkozitás csökkenését okozza. A szétválasztás mértéke a nyírási sebességtől függ. Kellően nagy nyírási sebesség mellett a polimerek teljesen szétszakadnak és teljesen alligálódnak. Ebben a rendszerben a polimer olvadék vagy oldat viszkozitása független lesz a nyírási sebességtől, azaz a polimer ismét newtoni folyadékként viselkedik.2 ugyanez igaz a nagyon alacsony nyírási sebességekre is; a polimer láncok olyan lassan mozognak, hogy az összefonódás nem akadályozza a nyírási áramlást. A végtelen lassú nyírásnál a viszkozitást nulla nyírási sebesség viszkozitásnak nevezzük (60). A tipikus viselkedést az alábbi ábra ilustrálja, amely a polimer olvadék látszólagos viszkozitásának (Ft) függését mutatja a nyírási sebességtől.
a folyadékok viselkedése a nyírási-hígítási rendszerben az Oswald és De Waele teljesítmény-törvény egyenletével írható le:
ez az egyenlet logaritmikus formában írható,
ez azt jelenti, hogy a nyírófeszültség log-log diagramja (6) versus nyírófeszültség (dy/dt) egyenes vonalat kell eredményeznie, ha a polimer oldat vagy olvadék pszeudoplasztikus folyadékként viselkedik. Általában egyenes vonal húzható egy-két évtizedes nyírási sebesség alatt, de szélesebb tartományban eltérések várhatók az Oswald-törvénytől.
a látszólagos viszkozitást a következők határozzák meg
ha ezt a kifejezést az Oswald-egyenlettel kombináljuk, akkor a látszólagos viszkozitásra egy második teljesítménytörvény-egyenletet kapunk:
a hatalmi törvény felhasználható a dilatáns (nyíró-sűrítő) folyadék viselkedésének leírására is. Ebben az esetben az n kitevő értéke nagyobb lesz, mint egy. Ismét észrevehető eltérések várhatók, ha az Oswald-egyenletet a nyírási sebességek szélesebb tartományában alkalmazzák.
néhány más folyadéknak küszöbértékű nyírófeszültségre van szüksége, mielőtt folyni kezdene. Ezt a fajta folyadékot műanyag folyadéknak nevezzük, és ha az áramló folyadék viszkozitása állandó, akkor Bingham folyadéknak nevezzük. Ez a viselkedés azonban nem figyelhető meg a szokásos polimer olvadékokban és oldatokban. A műanyag áramlási viselkedésének tipikus példái a polimer / szilícium-dioxid mikro-és nanokompozitok. A szilárdszerű viselkedés alacsony nyírófeszültségnél azzal magyarázható, hogy szilícium-dioxid-hálózati struktúra alakul ki, amely a szilanolcsoportok közötti hidrogénkötés miatt vonzó részecske-részecske kölcsönhatásokból származik. Miután a részecskehálózat kritikus hozamfeszültség (TY) hatására lebomlik, a polimer normális áramlási viselkedést mutat.
a folyási feszültség felett NP állandó viszkozitású műanyag folyadékok áramlási viselkedését a Bingham-egyenlettel írhatjuk le:
míg a műanyag folyadék nem newtoni (nyíráshígító) viselkedése a Herschel-Bulkley modellel írható le:
a viszkozitás standard definíciójának használata: a Bingham viszkoplasztikus anyag látszólagos viszkozitása a következőképpen írható
így a Bingham-folyadék látszólagos viszkozitása a nyírási sebesség növekedésével csökken, és nagyon magas nyírási sebességnél eléri az NP állandó határértéket.
1a látszólagos viszkozitást gyakran a szimbólummal látják el ^ helyett, hogy megkülönböztessék a newtoni viszkozitástól.
2a második fennsík ritkán figyelhető meg a polimer olvadásakor, mert rendkívül magas nyírási sebességet igényel, ami a polimer láncok megszakadását is okozhatja (nyírás által kiváltott lebomlás).