ポリマーの流動特性時間に依存しない流体
ポリマー溶液、分散液、溶融物は、通常、非ニュートン液体です。 これは、それらの見かけの粘度(λ)1が適用されるせん断速度に依存し、分子量(繰り返し単位数)の増加とともに急速に増加することを意味する。 したがって、ポリマーメルトの粘度は、対応するモノマーの粘度よりも常に大きい。 これは、ポリマー分子間の絡み合いおよび分子間力によるものである。
時間に依存しない非ニュートン流体のせん断速度(θ)-せん断応力(θ)の関係は、一般式で記述することができます
または、剪断速度の関数としての剪断応力の曲線によってグラフィカルに表示されます。 時間に依存しない流体の4つの基本的なタイプを以下の図に示します。
これらのタイプは、流体の実際の流れ挙動の理想化であることを強調しなければならない。 ほとんどのポリマー溶液および溶融物は剪断薄化を示し、すなわち、それらは偽塑性材料のクラスに属するが、剪断増粘または膨張挙動はめったに観察されない。 せん断増粘流体のいくつかの一般的な例は、水中のコーンスターチおよび(ポリマー)溶液中に分散したナノ粒子である。
ポリマーの溶融物および溶液のせん断薄化は、流れ中のポリマー鎖の剥離によって引き起こされる。 十分に高い分子量を有するポリマーは、常に(spagettiのように)絡み合い、安静時にはランダムに配向する。 しかしせん断されたとき粘着性を低下させるallignに解かれ、始めます。 剥離の程度はせん断速度に依存する。 十分に高いせん断速度でポリマーは完全にdisentangled、十分にalligned。 この領域では、ポリマー融液または溶液の粘度はせん断速度に依存せず、すなわちポリマーは再びニュートン液体のように振る舞う。ポリマー鎖は非常にゆっくりと移動し、絡み合いがせん断流を妨げない。 無限の遅いせん断での粘度は、ゼロせん断速度粘度(λ0)と呼ばれます。 典型的な挙動は、ポリマー溶融物の見かけの粘度γがせん断速度に依存することを示す図に示されています。
せん断間伐領域における流体の挙動は、Oswaldとde Waeleのべき乗則方程式で記述することができます:
この方程式は対数形式で書くことができます,
つまり、ポリマー溶液または溶融物が偽塑性液体のように振る舞う場合、せん断応力(γ)対せん断ひずみ(dy/dt)の対数-対数プロットは直線をもたらすはずです。 通常、直線はせん断速度の一から二十年にわたって描画することができますが、オズワルドの法則からのより広い範囲の偏差が期待できます。
見かけの粘度は次のように定義されます
この式をオズワルド方程式と組み合わせると、見かけの粘度に対する第二のべき乗則方程式が得られます:
べき乗則は、膨張剤(剪断増粘剤)液体の挙動を記述するためにも使用することができる。 この場合、指数nの値は1より大きくなります。 繰り返しになりますが、Oswald方程式をより広い範囲のせん断速度で適用すると、顕著な偏差が予想されます。
他の流体の中には、流れ始める前にしきい値せん断応力が必要なものがあります。 この種類の液体はプラスチック液体と呼ばれ、流れる液体に一定した粘着性があればビンガムの液体と呼ばれます。 しかし、このような挙動は、通常のポリマー溶融物および溶液では観察されない。 塑性流動挙動の典型的な例は、ポリマー/シリカマイクロおよびナノコンポジットである。 低せん断応力での固体様挙動は,シラノール基間の水素結合による引力粒子-粒子相互作用から生じるシリカネットワーク構造の形成によって説明できる。 臨界降伏応力(t y)の適用時に粒子ネットワークが破壊されると,ポリマーは正常な流れ挙動を示す。
降伏応力を超える一定の粘度npを有する塑性流体の流れ挙動は、ビンガム方程式で記述することができる:
一方、塑性流体の非ニュートン(せん断間伐)挙動は、Herschel-Bulkleyモデルで記述することができます:
粘度の標準定義を使用する: λ=λ/λ、ビンガム粘塑性材料の見かけの粘度は次のように書くことができます
したがって,Bingham流体の見かけの粘度はせん断速度の増加とともに減少し,非常に高いせん断速度で一定の限界npに達する。
1見かけの粘度には、ニュートン粘度と区別するために、しばしばσの代わりにσの記号が与えられます。
2第二のプラトーは、ポリマーの溶融には非常に高いせん断速度を必要とするため、ポリマー鎖の破断(せん断による劣化)を引き起こす可能性があるため、まれに観察される。