3.Сдвиговая вязкость, эффект аномалии вязкости.
Жидкости,
у которых в случае простого сдвига
соотношение между напряжением сдвига
и скоростью сдвиговой деформации
описывается формулой (1):
(I)
называются
ньютоновскими, а коэффициент
пропорциональности между
и
- сдвиговой
вязкостью
.
Сдвиговая вязкость для этих жидкостей
– величина постоянная, независящая от
режима течения (значений
и
).
Существует
большой класс жидкостей (расплавы и
растворы полимеров) , вязкость которых
зависит от режима течения. Их называют
аномально-вязкими жидкостями, а само
явление – аномалией вязкости. При этом
коэффициент вязкости
утрачивает значение константы, сам
зависит от
или
и называется эффективной вязкостью
.
Для аномально-вязких жидкостей связь
между
и
выражается:
или
(2)
Кривые течения для ньютоновской и аномально-вязкой жидкостей представлены на рисунке.
Ньютоновский участок (обл. I) – течение с наибольшей ньютоновской вязкостью;
Обл. II – аномально-вязкая жидкость. В ее пределах возрастает быстрее, чем , а уменьшается с ростом .
Обл. III – течение с минимальной ньютоновской вязкостью. Кривые течения с тремя областями удается наблюдать для растворов полимеров, а с двумя первыми – для их расплавов. Кривые течения являются важной характеристикой полимеров и определяются их природой, температурой и давлением.
Причиной
развития эффекта аномалии вязкости у
полимеров является одновременное
развитие трех видов деформаций: упругой
,
высокоэластической
и пластической
:
.
При малых напряжениях сдвига (обл. I)
скорость накопления высокоэластических
деформаций меньше скорости их релаксации,
быстро увеличивающейся с ростом
деформации. Вследствие этого накопленная
обратимая деформация очень мала, а
материал течет с постоянной ньютоновской
вязкостью. В обл. II
накапливающаяся деформация не успевает
релаксировать полностью. Внешне это
проявляется в интенсивном уменьшении
сопротивления деформации (в уменьшении
).
В обл. III
настолько
велика, что высокоэластическая деформация
полимерных молекул остается неизменной,
а
перестает
уменьшаться, достигая некоторого
минимального значения.
Основными видами аномалии вязкости являются псевдопластичность, дилатансия, тиксотропия и реопексия (см. рис.).
1 - ньютоновская; 2 - вязкопластическая (тело Шведова-Бингама); 3 - псевдопластическая;4 - дилатантная.
Бингамовские
пластики (2 на рис.) имеют в состоянии
покоя жесткую пространственную структуру,
которая разрушается только при достижении
определенного значения напряжения
сдвига
.
При
они ведут себя как ньютоновские жидкости.
Реологическое уравнение для них имеет
вид:
(3)
Псевдопластики не имеют предела текучести, уменьшается с увеличением скорости сдвиговой деформации. Такое поведение характерно для расплавов полимеров. Считается, что у них не зависит от продолжительности деформации, т.к. резко падает с ростом и временной эффект не обнаруживается методами вискозиметрии.
Дилатантные жидкости обнаруживают возрастание с ростом . Строго говоря дилатансия – это изменение объема, вызванное простым сдвигом. Зависимость от времени также не наблюдается. Характерна для суспензий полимеров, пластизолей, расплавов, наполненных термопластов.