Strømningsegenskaper For Polymerer tidsuavhengige Væsker
Polymerløsninger, dispersjoner og smelter er vanligvis ikke-Newtonske væsker. Dette betyr at deres tilsynelatende viskositet (η)1 avhenger av den påførte skjærhastigheten og øker raskt med økende molekylvekt (antall gjentatte enheter). Således er viskositeten til en polymersmelte alltid større enn den tilsvarende monomeren. Dette skyldes entanglement og intermolekylære krefter mellom polymermolekyler.
skjærhastigheten (γ) – skjærspenning (τ) forhold mellom tid uavhengige ikke-Newtonske væsker kan beskrives ved den generelle ligningen
eller grafisk ved en kurve av skjærspenning som en funksjon av skjærhastighet. De fire grunnleggende typer tidsuavhengige væsker er vist i figurene nedenfor.
det må understrekes at disse typene er en idealisering av den virkelige flyt oppførsel av væsker. De fleste polymerløsninger og smelter utviser skjærtynning, det vil si at de tilhører klassen av pseudoplastiske materialer, mens skjærtykkelse eller dilatant oppførsel sjelden observeres. Noen vanlige eksempler på skjærtykkende væsker er maisstivelse i vann og nanopartikler dispergert i en (polymer) løsning.
den observerte skjærfortynningen av polymersmelter og løsninger skyldes disentanglement av polymerkjeder under strømning. Polymerer med tilstrekkelig høy molekylvekt er alltid innfestet (som spagetti) og tilfeldig orientert når de er i ro. Når de skjæres, begynner de å disentangle og allign som fører til at viskositeten faller. Graden av disentanglement vil avhenge av skjærhastigheten. Ved tilstrekkelig høye skjærhastigheter vil polymerene være helt løsrevet og fullt alligned. I dette regimet vil viskositeten til polymersmelten eller løsningen være uavhengig av skjærhastigheten, dvs.2 det samme gjelder for svært lave skjærhastigheter; polymerkjedene beveger seg så sakte at forviklinger ikke hindrer skjærstrømmen. Viskositeten ved uendelig langsom skjær kalles null skjærhastighetsviskositet (η0). Den typiske oppførselen er ilustrert i figuren under som viser avhengigheten av den tilsynelatende viskositeten, η, av en polymer smelte på skjærhastighet.
oppførselen til væsker i skjær-tynning regime kan beskrives Med power-law ligningen For Oswald og De Waele:
denne ligningen kan skrives i logaritmisk form,
Dette betyr at et log-log-plott av skjærspenning (τ) versus skjærstamme (dy / dt)skal gi en rett linje hvis polymeroppløsningen eller smelten oppfører seg som en pseudoplastisk væske. Vanligvis kan en rett linje trekkes over ett til to tiår med skjærhastighet, men over et bredere spekter kan avvik Fra Oswald-loven forventes.
den tilsynelatende viskositeten er definert av
hvis vi kombinerer dette uttrykket Med Oswald-ligningen, får vi en andre kraft-lovligning for den tilsynelatende viskositeten:
en makt lov kan også brukes til å beskrive oppførselen til en dilatant (skjær-jevning) væske. I dette tilfellet vil verdien av eksponenten n være større enn en. Igjen kan merkbare avvik forventes når Oswald-ligningen påføres over et bredere spekter av skjærhastigheter.
Noen andre væsker krever en terskelskjærspenning før de begynner å strømme. Denne typen væske kalles en plastvæske, og hvis den flytende væsken har en konstant viskositet, kalles Den En bingham-væske. Imidlertid er slik oppførsel ikke observert i vanlige polymer smelter og løsninger. Typiske eksempler på plaststrømningsadferd er polymer / silikamikro-og nanokompositter. Den solid-lignende oppførsel ved lav skjær stress kan forklares ved dannelsen av en silika nettverksstruktur som følge av attraktive partikkel-partikkel interaksjoner på grunn av hydrogenbinding mellom silanolgrupper. Når partikkelnettverket brytes ned ved påføring av kritisk utbyttestress (ty), viser polymeren normal strømningsadferd.
strømningsadferden til plastvæsker som har en konstant viskositet np over utbyttespenningen kan beskrives Med bingham-ligningen:
mens ikke-Newtonsk (skjærtynnende) oppførsel av en plastvæske kan beskrives Med herschel-Bulkley-modellen:
Bruke standarddefinisjonen for viskositet: η = τ / γ kan den tilsynelatende viskositeten til et bingham-viscoplastisk materiale skrives som
således, den tilsynelatende viskositet Av En bingham fluid avtar med økende skjærhastighet og når ved meget høye skjærhastigheter konstant grense np.
1den tilsynelatende viskositeten får ofte symbolet η i stedet for μ for å skille det fra Den Newtonske viskositeten.
2 det andre platået er sjelden observert for polymer smelter fordi det krever ekstremt høye skjærhastigheter som også kan føre til at polymerkjedene bryter (skjærindusert nedbrytning).