Вязкопластичные (бингамовские, пластичновязкие) жидкости

Вприроде очень часто встречаются среды, которые без воздействия на них механической силы свою форму не изменяют. К таким средам, точнее вязкопластичным жидкостям, относятся битум...

Уравнение для пластичновязкой жидкости будет иметь вид Т=Т₀+h+Е, то есть для того чтобы началось течение жидкости на данное тело-среду необходимо воздействовать механической силой, которая создаёт напряжение сдвига Т₀, которое необходимо для преодоления имеющихся в данном теле межмолекулярных водородных сил. Зависимость между напряжением и скоростью сдвига, для бенгамовских жидкостей, представляется кривой, имеющей нелинейный участок. Область течения бенгамовской жидкости в пределах до установления стационарного течения, соответствующей линейной зависимости между Е и Т носит название Шведовской жидкости, отсюда ещё одно название пластичновязких сред: тело Шведова - Бенгама. Вязкость в Шведовской области можно определить как: h ₀=(T₀-T₁)/Ё.

Скорость сдвига для Шведовской области Ё=0,1с^-1, что соответствует скорости перемещения штока капиллярного вискозиметра, 1,2 м/с. В Бенгамовской области скорость сдвига составляет от 300<=Ё<=500с^-1, при скорости хода штока 144 м/с. Изменение вязкости для пластичновязких сред, описывается кривой два. В соответствии с кривой 2 вязкость Бенгамовской жидкости возрастает, но после достижения критического напряжения остаётся постоянным. При использовании координат Ё, Т, течение Бенгамовской жидкости будет описываться следующим образом:

 

 

Вязкопластичные жидкости весьма распространены в природе. К ним относятся пресс-композиции, краски, таксотропные среды, гели. Реологическое поведение вязкопластичных жидкостей проявляется в том, что их течение начинается только в том случае, когда напряжение сдвига, при применением внешней силы больше предельного напряжения текучести Т₀. Такое поведение бенгамовских жидкостей обусловлено обретением в объёме пространственной структуры, препятствующей сдвигу слоев, то есть до напряжения Т₀. Такое поведение бенгамовских жидкостей обусловлено образованием в объёме пространственных структур, препятствующих сдвигу слоев, до напряжения Т_0.

Такие жидкости проявляют свойства упругого тела, после того как пространственные структуры разрушаются, начинается течение. Данные структуры обратимы, по этому после снятия напряжения они восстанавливаются и перестают течь. К типичным бенгамовским средам относят: масляные краски, растворителем которых являются синтетические или природные олигоэфиры. Под действием механических напряжений, возникающих от кисти маляра, слои краски сдвигаются друг относительно друга, покрывая поверхность подложки. После снятия напряжений кристаллическая структура краски восстанавливается, и она не течёт. Течение краски возможно в том случае, когда нанесён слишком толстый слой, и силы земного тяготения оказывается достаточно для разрушения кристаллической структуры краски.

 

 

Тема 3.2. (продолжение).

3.2.3. Реологические уравнения в цилиндрической системе координат.

3.2.4. Реологические уравнения для вязкопластичной жидкости.

3.2.5. Реологические уравнения для дилатантной и

псевдопластичной жидкости.

Псевдопластические жидкости

Для псевдопластических жидкостей характерны уменьшение вязкости, с увеличением скорости сдвига. Практически это выражается в том, что напряжение сдвига растёт медленнее, чем увеличение скорости сдвига.

Кривые течения для псевдопластических жидкостей в координатах Т-Ё будут иметь линейный характер. Изменение вязкости в реологических координатах Т - h так же будут изображаться линейной зависимостью. К псевдопластическим жидкостям относятся суспензии, содержащие асимметричные частицы, волокна, призмы, частицы игольчатой формы. Проявление аномальной вязкости, в данном случае уменьшение вязкости с ростом скорости сдвига, можно объяснить тем, что с увеличением скорости сдвига, возрастает и скорость течения, в результате чего асимметричные частицы постепенно ориентируются направлении течения. При этом вязкость среды уменьшается вплоть до полной ориентации всех частиц суспензии. Затем зависимость напряжения от скорости сдвига становить линией, характерной для ньютоновских жидкостей. К псевдопластическим жидкостям относятся расплавы большинства полимеров, особенно наполненных. Для полимеров, реализация аномалий вязкости связана с наличие в объёме разветвлённых молекул, возникновением разномолекулярных образований. Для полимеров характерно так же не только уменьшение вязкости, с увеличением скорости сдвига, но и значительными различиями в величине аномалий вязкости, при различных скоростях сдвига. Установить аномалию вязкости расплава полимера в декартовых координатах практически невозможно, по этому для изучения реологии расплавов полимеров используют логарифмическую сетку координат, в этих координатах кривые течения псевдопластических жидкостей располагаются под некоторым углом к линейной зависимости для ньютоновских жидкостей.

В первой ньютоновской области течения жидкости не связано с разрушением надмолекулярных образований в жидкости, аномалия вязкости связывается с тем, что разветвлённые макромолекулы полимера ориентируются в направлении потока, трение снижается, уменьшается коэффицент вязкости, однако ориентация макромолекул может доходить до определённого предела, дальнейшее увеличение скорости сдвига или направление сдвига уже не может облегчить внутренние трение, по этому течение расплава происходит аналогично течению ньютоновской жидкости.

Дилатантные жидкости

Аномалия вязкого течения жидкости этого типа заключается в том, что вязкость среды, по мере увеличения скорости сдвига увеличивается. Кривые течения дилатантной жидкости описываются параболическими кривыми.

При этом часто для дилатантных жидкостей имеется критическое напряжение, то есть некоторое дилатантные жидкости ведут себя подобно бенгамовским телам (пластичновязкие жидкости).

Из кривых течения хорошо видно, что напряжение сдвига в дилатантных жидкостях увеличивается быстрее, чем скорость сдвига. Отношение напряжения Т, к скорости сдвига Ё, то есть вязкость, так же возрастает с ростом Ё сдвига. Реологические кривые дилатантной жидкости имеют вид:

 

 

Течение дилатантных жидкостей впервые описано Ренольдсом. Аномалия вязкости в средах данного типа, к которым относятся суспензии и дисперсии, связана с изменением структуры жидкости, при различных скоростях переработки (Ё). При невысоких скоростях сдвига, система представляет собой плотно упакованную жидкость, в которой количество жидкой фазы достаточно для обеспечения скольжения частиц - агрегатов.

При увеличении скорости сдвига, происходит увеличение объёма системы, разрушение агрегатов, количества жидкости не хватает для обеспечения смазки между частицами. Сила трения возрастает, что проявляется в аномалии вязкости.