Scherverdünnung – Wikipedia

Posted on by
before-content-x4

Klassifizierung von Flüssigkeiten mit Scherbeanspruchung als Funktion der Schergeschwindigkeit: Pseudoplast, Bingham und Bingham Pseudoplast zeigen alle eine Abnahme der scheinbaren Viskosität mit zunehmender Schergeschwindigkeit.

In der Rheologie Scherverdünnung ist das nicht-Newtonsche Verhalten von Flüssigkeiten, deren Viskosität unter Scherbeanspruchung abnimmt. Es wird manchmal als Synonym für pseudoplastisches Verhalten angesehen.[1][2] und wird üblicherweise so definiert, dass zeitabhängige Effekte wie Thixotropie ausgeschlossen werden.[3]

Scherverdünnung ist die häufigste Art des nicht-Newtonschen Verhaltens von Flüssigkeiten und tritt in vielen industriellen und alltäglichen Anwendungen auf[4]. Obwohl eine Scherverdünnung in reinen Flüssigkeiten mit niedriger Molmasse oder idealen Lösungen kleiner Moleküle wie Saccharose oder Natriumchlorid im Allgemeinen nicht beobachtet wird, wird sie häufig in Polymerlösungen und geschmolzenen Polymeren sowie in komplexen Flüssigkeiten und Suspensionen wie Ketchup, Schlagsahne, beobachtet. Blut,[5]Farbe und Nagellack.

Theorien hinter dem Scherverdünnungsverhalten[edit]

Obwohl die genaue Ursache der Scherverdünnung nicht vollständig verstanden ist, wird allgemein angenommen, dass sie auf kleine strukturelle Änderungen in der Flüssigkeit zurückzuführen ist, so dass sich mikroskalige Geometrien in der Flüssigkeit neu anordnen, um das Scheren zu erleichtern[6]. In Kolloidsystemen führt die Phasentrennung während des Fließens zu einer Scherverdünnung. In Polymersystemen wie Polymerschmelzen und -lösungen wird die Scherverdünnung durch die Entflechtung von Polymerketten während des Fließens verursacht. In Ruhe sind hochmolekulare Polymere verwickelt und zufällig orientiert. Wenn diese hoch anisotropen Polymerketten jedoch mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit geschert werden, beginnen sie sich zu entwirren und entlang der Scherrichtung auszurichten[7]. Dies führt zu einer geringeren Wechselwirkung zwischen Molekülen und Partikeln und einer größeren Menge an freiem Raum, wodurch die Viskosität verringert wird[4].

Potenzgesetzmodell[edit]

Scherverdünnung in einem Polymersystem: Abhängigkeit der scheinbaren Viskosität von der Schergeschwindigkeit. η0 ist die Viskosität der Schergeschwindigkeit Null und η∞ ist das unendliche Scherviskositätsplateau.

Sowohl bei ausreichend hohen als auch bei sehr niedrigen Schergeschwindigkeiten ist die Viskosität eines Polymersystems unabhängig von der Schergeschwindigkeit. Bei hohen Schergeschwindigkeiten werden Polymere vollständig entwirrt und der Viskositätswert der Systemplateaus bei η∞oder das unendliche Scherviskositätsplateau. Bei niedrigen Schergeschwindigkeiten ist die Scherung zu gering, um durch Verwicklungen behindert zu werden, und der Viskositätswert des Systems ist η0oder die Viskosität der Schergeschwindigkeit Null. Der Wert von η∞ stellt die niedrigste erreichbare Viskosität dar und kann um Größenordnungen niedriger sein als η0, abhängig vom Grad der Scherverdünnung.

Die Viskosität wird gegen die Schergeschwindigkeit in einem log (η) gegen log (

γ˙{ displaystyle { dot { gamma}}}

) Diagramm, in dem der lineare Bereich das Scherverdünnungsregime ist und unter Verwendung der Oswald- und de Waele-Potenzgesetzgleichung ausgedrückt werden kann[8]::

τ=K.(T.)(dγdt)n=K.(T.)γ⋅n{ displaystyle tau = K (T) ({d gamma over dt}) ^ {n} = K (T) { overset { centerdot} { gamma}} ^ {n}}

Die Oswald- und de Waele-Gleichung kann in logarithmischer Form geschrieben werden:

lÖG(τ)=lÖG(K.)+nlÖG(γ˙){ displaystyle log ( tau) = log (K) + nlog ({ dot { gamma}})}

Die scheinbare Viskosität ist definiert als

η=τγ˙{ displaystyle eta = { tau over { dot { gamma}}}}

und dies kann in die Oswald-Gleichung eingefügt werden, um eine zweite Potenzgesetzgleichung für die scheinbare Viskosität zu erhalten:

η=K.(T.)γ˙(n– –1){ displaystyle eta = K (T) { dot { gamma}} ^ {(n-1)}}

Dieser Ausdruck kann auch verwendet werden, um das dilatante Verhalten (Scherverdickung) zu beschreiben, bei dem der Wert von n größer als 1 ist.

Herschel-Bulkley-Modell[edit]

Bei Bingham-Kunststoffen muss eine kritische Scherbeanspruchung überschritten werden, um zu fließen. Dieses Verhalten tritt normalerweise bei Polymer / Silica-Mikro- und Nanokompositen auf, bei denen die Bildung eines Silica-Netzwerks im Material bei geringer Scherbeanspruchung eine feststoffartige Reaktion liefert. Das Scherverdünnungsverhalten von Kunststoffflüssigkeiten kann mit dem Herschel- beschrieben werden. Bulkley-Modell, das der Ostwald-Gleichung eine Schwellenscherspannungskomponente hinzufügt[8]::

τ=τy+K.(T.)γ˙n{ displaystyle tau = tau _ {y} + K (T) { dot { gamma}} ^ {n}}

Beziehung zur Thixotropie[edit]

Einige Autoren betrachten die Scherverdünnung als einen Sonderfall des thixotropen Verhaltens, da die Wiederherstellung der Mikrostruktur der Flüssigkeit in ihren Ausgangszustand immer eine Zeit ungleich Null erfordert. Wenn die Wiederherstellung der Viskosität nach einer Störung jedoch sehr schnell erfolgt, ist das beobachtete Verhalten eine klassische Scherverdünnung oder Pseudoplastizität, da die Viskosität wieder normal ist, sobald die Scherung entfernt wird. Wenn es eine messbare Zeit dauert, bis sich die Viskosität erholt hat, wird ein thixotropes Verhalten beobachtet.[9] Bei der Beschreibung der Viskosität von Flüssigkeiten ist es jedoch nützlich, das scherverdünnende (pseudoplastische) Verhalten vom thixotropen Verhalten zu unterscheiden, bei dem die Viskosität bei allen Schergeschwindigkeiten für einige Zeit nach dem Rühren abnimmt: Beide Effekte können oft getrennt gesehen werden in der gleichen Flüssigkeit.[10]

Alltagsbeispiele[edit]

Moderne Farben sind Beispiele für pseudoplastische Materialien. Wenn moderne Farben aufgetragen werden, können sie durch die durch den Pinsel oder die Walze erzeugte Scherung die Oberfläche gleichmäßig verdünnen und benetzen. Nach dem Auftragen erhalten die Farben ihre höhere Viskosität zurück, wodurch Tropfen und Läufe vermieden werden.

Schlagsahne ist auch ein Beispiel für ein scherverdünnendes Material. Wenn Schlagsahne aus dem Kanister gesprüht wird, fließt sie aufgrund der niedrigen Viskosität bei hoher Durchflussrate gleichmäßig aus der Düse heraus. Nachdem Schlagsahne in einen Löffel gesprüht wurde, fließt sie jedoch nicht und aufgrund ihrer erhöhten Viskosität kann sie steif sein.

Siehe auch[edit]

Externe Links[edit]

Verweise:

  1. ^ Mezger, Thomas G. (2006). Das Rheologie-Handbuch: für Benutzer von Rotations- und Oszillationsrheometern (2., rev. Ed.). Hannover: Vincentz Network. p. 34. ISBN 9783878701743.
  2. ^ Heldman, R. Paul Singh, Dennis R. (2013). Einführung in die Lebensmitteltechnik (5. Aufl.). Amsterdam: Elsevier. p. 160. ISBN 9780124016750.
  3. ^ Bair, Scott (2007). Hochdruckrheologie für die quantitative Elastohydrodynamik (1. Aufl.). Amsterdam: Elsevier. p. 136. ISBN 9780080475301. Abgerufen 24. Mai 2015.
  4. ^ ein b Malvern Instruments weltweit. “Eine grundlegende Einführung in die Rheologie” (PDF). Abgerufen 12. Dezember 2019.
  5. ^ Tazraei, P.; Riasi, A.; Takabi, B. (2015). “Der Einfluss der nicht-Newtonschen Eigenschaften von Blut auf den Bluthammer durch die hintere Hirnarterie”. Mathematische Biowissenschaften. 264: 119–127. doi:10.1016 / j.mbs.2015.03.013. PMID 25865933.
  6. ^ “Die Direktion für Physik der Schlagsahne | Wissenschaftsmission”. science.nasa.gov. Abgerufen 2019-12-12.
  7. ^ Inc, RheoSense. “Viskosität von Newtonschen und Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten”. www.rheosense.com. Abgerufen 2019-12-12.
  8. ^ ein b “Fließeigenschaften von Polymeren”. polymerdatabase.com. Abgerufen 2019-12-12.
  9. ^ Barnes, Howard A. (1997). “Thixotropie eine Überprüfung” (PDF). J. Non-Newtonian Fluid Mech., 70: 3. Archiviert von das Original (PDF) am 30.04.2016. Abgerufen 2011-11-30.
  10. ^ Herausgeber David B. Troy (2005). Remington: Die Wissenschaft und Praxis der Pharmazie (21. Ausgabe). Philadelphia, PA: Lippincott, Williams & Wilkins. p. 344. ISBN 9780781746731. Abgerufen 24. Mai 2015.CS1-Wartung: zusätzlicher Text: Autorenliste (Link)


after-content-x4