Псевдопластики

Псевдопластичные жидкости не обнаруживают предела текучести, и кривая течения у них показывает, что отношение напряжения сдвига к скорости сдвига, т. е. кажущаяся вязкость постепенно понижается с ростом скорости сдвига. Кривая течения становится линейной только при очень больших по величине скоростях деформации сдвига. Предельный наклон графика, получивший название вязкости при бесконечно большом сдвиге, обозначается через µ_∞.

График зависимости между напряжением сдвига и его скоростью в логарифмических координатах у псевдопластичных материалов зачастую оказывается линейным с тангенсом угла наклона в пределах между нулем и единицей. Тогда для описания жидкостей рассматриваемого типа можно установить эмпирическую функциональную зависимость в виде степенного закона. Такая зависимость, впервые предложенная Оствальдом и затем усовершенствованная Рейнером, может быть записана в виде

где k и n являются постоянными (n < 1) для данной жидкости: k — мера консистенции жидкости — чем выше вязкость жидкости, тем больше k; n — характеризует степень неньютоновского поведения материала, и чем больше п отличается от единицы, тем отчетливее проявляются его неньютоновские свойства. Здесь важно иметь в виду, что хотя во многих случаях значение п приблизительно постоянно в довольно широких пределах изменения скорости сдвига, в реальной жидкости это не имеет места, если рассматривать весь возможный диапазон напряжений сдвига. Отмеченное обстоятельство не создает серьезных помех в инженерных приложениях, поскольку используемое на практике реологическое уравнение описывает жидкость в ограниченном диапазоне скоростей сдвига, встречающемся в частных задачах. В этих пределах можно зачастую принимать значение n постоянным.

Следует отметить, что размерность величины k зави­сит от показателя степени, и это обстоятельство вызывает немало возражений при использовании степенного закона (например, Рейнер). Для многих инженерных прило­жений эти возражения не имеют существенного значения.

Кажущуюся вязкость µ_a, для степенного закона мож­но выразить через n, так как µ_а = т. е.

и поскольку для псевдопластичных материалов n <1, то кажущаяся вязкость убывает с возрастанием ско­рости сдвига. Такое поведение характерно для суспензий, содержащих асимметричные частицы, и растворов высокополимеров, подобных производным целлюлозы. Можно предположить, что физическое толкование псевдопластичности, вероятно, заключается в том, что с возрастанием скорости сдвига асимметричные частицы или молекулы постепенно ориентируются. Молекулы вместо случайных (хаотических) движений, которые они совершают в покоящейся жидкости, своими большими осями ориентируются вдоль направления потока. Кажущаяся вязкость будет убывать с ростом скорости сдвига до тех пор, пока сохраняется возможность дальнейшего ориентирования частиц вдоль линий тока, а затем кривая течения становится линейной.

Псевдопластики были определены ранее как жидкости с не зависящими от времени структурно-механическими характеристиками. Из этого следует, что ориентирование молекул (как было предположено выше) происходит мгновенно, как только возрастет скорость сдвига или, во всяком случае, так быстро, что временной эффект не может быть обнаружен приемами техники вискозиметрии.

Ниже приведены эмпирические уравнения, получен­ные разными авторами для описания псевдопластичных материалов:

Праидтль:

Эйринг: (1.2.5)

Пауэлл - Эйринг:

Уильямсон:

Здесь A, В и С являются постоянными, определенными для конкретных жидкостей. Уравнения (3.1.4) значительно сложнее, и их гораздо труднее использо­вать, чем степенной закон. К тому же их применение обычно не дает никаких преимуществ, компенсирующих эти трудности.

3.3Дилатантные жидкости

Дилатантные жидкости сходны с псевдопластиками тем, что в них также отсутствует предел текучести, од­нако их кажущаяся вязкость повышается с возрастанием скорости сдвига. Степенной закон и в данном случае зачастую оказывается пригодным, но показатель степени n уже будет превышать единицу.

Такой тип течения был впервые обнаружен Рейнольдсом в суспензиях при большом содержании твердой фазы. Он сделал предположение о том, что эти суспензии в состоянии покоя имеют минимальный объем прослоек между твердыми частицами и жидкости хватает как раз только для заполнения этих прослоек. Когда такие материалы подвергаются сдвигу с небольшой скоростью деформации, жидкость служит смазкой, умень­шающей трение частиц друг о друга, и напряжения, следовательно, невелики. При больших сдвигах плотная упаковка частиц нарушается, материал разбухает, т. е. несколько увеличивается в объеме, и размеры жидких прослоек возрастают. Теперь уже при новой структуре жидкости недостаточно для смазки трущихся друг о друга частиц, и действующие напряжения должны быть значительно большими. Процесс структурообразования и является причиной быстрого нарастания кажущейся вязкости при увеличении скорости сдвига.

Термин «дилатантная» можно применять для тех жидкостей, кажущаяся вязкость которых с увеличением скорости сдвига повышается. Многие из них, такие, как крахмальные клейстеры, не могут быть отнесены к сус­пензиям в обычном смысле этого слова и не расши­ряются при сдвиге. Следовательно, приведенное выше объяснение к ним не подходит, но тем не менее их обыч­но называют дилатантными жидкостями.

В промышленной технологии дилатантные жидкости встречаются реже, чем псевлопластики, но в случае применимости степенного закона расчеты для материалов обоих типов становятся почти одинаковыми.

Дата добавления: 2015-07-15