flödesegenskaper hos polymerer tidsoberoende vätskor
Polymerlösningar, dispersioner och smältor är vanligtvis icke-newtonska vätskor. Detta innebär att deras skenbara viskositet (SEK. 1)beror på den applicerade skjuvhastigheten och ökar snabbt med ökande molekylvikt (antal upprepningsenheter). Sålunda är viskositeten hos en polymersmältning alltid större än den för motsvarande monomer. Detta beror på intrassling och intermolekylära krafter mellan polymermolekyler.
skjuvhastigheten (kg) – skjuvspänning (kg) förhållandet mellan tidsoberoende icke-newtonska vätskor kan beskrivas med den allmänna ekvationen
eller grafiskt av en kurva av skjuvspänning som en funktion av skjuvhastighet. De fyra grundläggande typerna av tidsoberoende vätskor visas i figurerna nedan.
det måste betonas att dessa typer är en idealisering av vätskans verkliga flödesbeteende. De flesta polymerlösningar och smälter uppvisar skjuvförtunning, det vill säga de tillhör klassen pseudoplastiska material, medan skjuvförtjockning eller dilatant beteende sällan observeras. Några vanliga exempel på skjuvförtjockande vätskor är majsstärkelse i vatten och nanopartiklar dispergerade i en (polymer) lösning.
den observerade skjuvförtunningen av polymersmältor och lösningar orsakas av upplösning av polymerkedjor under flödet. Polymerer med en tillräckligt hög molekylvikt är alltid intrasslade (som spagetti) och slumpmässigt orienterade när de är i vila. När de skjuvas börjar de emellertid lossna och allignera vilket får viskositeten att sjunka. Graden av disentanglement beror på skjuvhastigheten. Vid tillräckligt höga skjuvhastigheter polymererna kommer att vara helt disentangled och helt alligned. I denna regim kommer viskositeten hos polymersmältan eller lösningen att vara oberoende av skjuvhastigheten, d.v. s. polymeren kommer att bete sig som en newtonsk vätska igen.2 detsamma gäller för mycket låga skjuvhastigheter; polymerkedjorna rör sig så långsamt att entanglement inte hindrar skjuvflödet. Viskositeten vid oändlig långsam skjuvning kallas noll skjuvningshastighetsviskositet (20). Det typiska beteendet är ilustrat i figuren nedan som visar beroendet av den uppenbara viskositeten, Avsugning, av en polymer smälta på skjuvhastighet.
vätskans beteende i skjuvförtunningsregimen kan beskrivas med power-law-ekvationen Oswald och De Waele:
denna ekvation kan skrivas i logaritmisk form,
detta innebär att en logg-loggplott av skjuvspänning (XHamster) kontra skjuvstam (dy/dt) bör ge en rak linje om polymerlösningen eller smältan beter sig som en pseudoplastisk vätska. Vanligtvis kan en rak linje dras över ett till två decennier av skjuvhastighet, men över ett större område kan avvikelser från Oswald-lagen förväntas.
den synliga viskositeten definieras av
om vi kombinerar detta uttryck med Oswald-ekvationen får vi en andra power-law-ekvation för den uppenbara viskositeten:
en kraftlag kan också användas för att beskriva beteendet hos en dilatant (skjuvförtjockning) vätska. I detta fall kommer värdet av exponenten n att vara större än en. Återigen kan märkbara avvikelser förväntas när Oswald-ekvationen tillämpas över ett större antal skjuvhastigheter.
vissa andra vätskor kräver en tröskel skjuvspänning innan de börjar flöda. Denna typ av vätska kallas en plastvätska och om den flytande vätskan har en konstant viskositet kallas den en Bingham-vätska. Sådant beteende observeras emellertid inte i vanliga polymersmältningar och lösningar. Typiska exempel för plastflödesbeteende är polymer / kiseldioxidmikro – och nanokompositer. Det fastliknande beteendet vid låg skjuvspänning kan förklaras av bildandet av en kiseldioxidanätstruktur som härrör från attraktiva partikelpartikelinteraktioner på grund av vätebindning mellan silanolgrupper. När partikelnätverket bryts ner vid applicering av en kritisk avkastningsspänning (ty) visar polymeren normalt flödesbeteende.
flödesbeteendet hos plastvätskor med konstant viskositet np över avkastningsspänningen kan beskrivas med Bingham-ekvationen:
medan icke-Newtonskt (skjuvförtunnande) beteende hos en plastvätska kan beskrivas med Herschel-Bulkley-modellen:
använda standarddefinitionen för viskositet: η = τ / γ, är den uppenbara viskositet Bingham viscoplastic material kan skrivas som
Alltså, den uppenbara viskositet av en Bingham vätska minskar med ökande shear rate och når i mycket hög skjuvning priser konstant begränsa np.
1den uppenbara viskositeten ges ofta symbolen för att skilja den från den newtonska viskositeten.
2den andra platån observeras rarley för polymersmältor eftersom den kräver extremt höga skjuvhastigheter som också kan orsaka att polymerkedjorna bryts (skjuvinducerad nedbrytning).