właściwości przepływu polimerów płynów niezależnych od czasu
roztwory, dyspersje i topy polimerów są zwykle cieczami Nie-Newtonowskimi. Oznacza to, że ich lepkość pozorna (η)1 zależy od zastosowanej szybkości ścinania i rośnie szybko wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej (liczba powtórzeń). Tak więc lepkość stopu polimeru jest zawsze większa niż lepkość odpowiedniego monomeru. Wynika to z splątania i sił międzycząsteczkowych między cząsteczkami polimeru.
zależność szybkości ścinania (γ) – naprężenia ścinającego (τ) niezależnych od czasu płynów nie newtonowskich można opisać ogólnym równaniem
lub graficznie przez krzywą naprężenia ścinającego jako funkcję szybkości ścinania. Cztery podstawowe typy płynów niezależnych od czasu przedstawiono na poniższych rysunkach.
należy podkreślić, że te typy są idealizacją rzeczywistego zachowania przepływu płynów. Większość roztworów i stopów polimerów wykazuje ścinanie, to znaczy należą do klasy materiałów pseudoplastycznych, podczas gdy ścinanie-zagęszczanie lub dylatacyjne zachowanie jest rzadko obserwowane. Niektóre typowe przykłady płynów zagęszczających ścinanie są skrobia kukurydziana w wodzie i nanocząstki rozproszone w roztworze (polimeru).
obserwowane ścinanie topików i roztworów polimeru jest spowodowane rozszczepieniem łańcuchów polimeru podczas przepływu. Polimery o wystarczająco dużej masie cząsteczkowej są zawsze splątane (jak spagetti) i losowo zorientowane w spoczynku. Po ścięciu zaczynają się jednak rozłączać i wyrównywać, co powoduje spadek lepkości. Stopień rozwinięcia zależy od szybkości ścinania. Przy odpowiednio wysokich szybkościach ścinania polimery zostaną całkowicie rozplątane i całkowicie połączone. W tym reżimie lepkość stopu lub roztworu polimeru będzie niezależna od szybkości ścinania, tzn. polimer będzie ponownie zachowywał się jak ciecz Newtonowska.2 to samo dotyczy bardzo niskich prędkości ścinania; łańcuchy polimerowe poruszają się tak wolno, że splątanie nie utrudnia przepływu ścinania. Lepkość przy nieskończonym powolnym ścinaniu nazywa się zerową lepkością szybkości ścinania (η0). Typowe zachowanie jest zilustrowane na poniższym rysunku, który pokazuje zależność pozornej lepkości, η, stopu polimerowego od szybkości ścinania.
zachowanie płynów w reżimie ścinania można opisać równaniem prawa mocy Oswalda i de Waele ’ a:
równanie to można zapisać w postaci logarytmicznej,
oznacza to, że wykres log-log naprężenia ścinającego (τ) w porównaniu do naprężenia ścinającego (dy/dt) powinien dać prostą linię, jeśli roztwór polimeru lub stopu zachowuje się jak ciecz pseudoplastyczna. Zwykle linia prosta może być narysowana w ciągu jednej do dwóch dekad szybkości ścinania, ale w szerszym zakresie można oczekiwać odchyleń od prawa Oswalda.
lepkość pozorna jest określona przez
jeśli połączymy to wyrażenie z równaniem Oswalda, otrzymamy drugie równanie potęgowe dla lepkości pozornej:
prawo mocy może być również używane do opisania zachowania dylatanta (zgrubienie ścinające) cieczy. W tym przypadku wartość wykładnika N będzie większa niż jeden. Ponownie można oczekiwać zauważalnych odchyleń, gdy równanie Oswalda zostanie zastosowane w szerszym zakresie szybkości ścinania.
niektóre inne płyny wymagają progowego naprężenia ścinającego, zanim zaczną płynąć. Ten rodzaj płynu nazywany jest cieczą plastyczną, a jeśli płynąca ciecz ma stałą lepkość, nazywany jest cieczą Binghama. Jednak takie zachowanie nie jest obserwowane w zwykłych roztopach i roztopach polimerów. Typowymi przykładami zachowania przepływu tworzyw sztucznych są mikro – i nanokompozyty polimerowo-krzemionkowe. Zachowanie ciała stałego przy niskim naprężeniu ścinającym można wyjaśnić tworzeniem struktury sieci krzemionkowej wynikającej z atrakcyjnych oddziaływań cząsteczkowych z powodu wiązania wodorowego między grupami silanolowymi. Po rozbiciu sieci cząstek po zastosowaniu krytycznego naprężenia plonu (ty), polimer wykazuje normalne zachowanie przepływu.
zachowanie przepływu płynów z tworzyw sztucznych o stałej lepkości np powyżej naprężenia wydajności można opisać równaniem Binghama:
podczas gdy nie-Newtonowskie (ścinanie) zachowanie płynu z tworzywa sztucznego można opisać za pomocą modelu Herschela-Bulkleya:
stosowanie standardowej definicji lepkości: η = τ / γ, lepkość pozorna materiału Wiskoplastycznego Binghama można zapisać jako
w ten sposób pozorna lepkość płynu Binghama zmniejsza się wraz ze wzrostem szybkości ścinania i osiąga przy bardzo wysokich szybkościach ścinania stałą granicę np.
1 lepkość pozorna jest często oznaczana symbolem η zamiast μ, aby odróżnić ją od lepkości newtonowskiej.
2 drugi plateau jest rzadki w przypadku topienia polimeru, ponieważ wymaga bardzo wysokich szybkości ścinania, co może również spowodować pęknięcie łańcuchów polimeru (degradacja wywołana ścinaniem).