Реология — это учение о текучести материалов. Текучесть жидкости измеряется вязкостью, текучесть твердых веществ - ползучестью (крипом) и вязкоэластичностью.
Вязкость
Когда вещество течет под воздействием прилагаемой к нему нагрузки (например, сил гравитации), молекулы или атомы начинают контактировать с соседними атомами или молекулами. Таким образом, имеющиеся связи могут распадаться и образовываться снова, оказывая сопротивление течению. Это сопротивление течению и называется вязкостью.
Для таких жидкостей, как вода, силы связи между молекулами очень малы и легко преодолеваются, поэтому вода легко течет под воздействием сил, прилагаемых извне, и вязкость ее невысока. У некоторых других жидкостей силы межмолекулярного взаимодействия будут намного выше. Обычно такие силы ассоциируются с крупными молекулами, например, молекулами такого известного вещества, как патока. Молекулы в подобных веществах могут переплетаться друг с другом, что делает жидкость очень вязкой.
Рис. 1.8.1. Сдвиг слоя жидкости толщиной d, расположенного между двумя твердыми пластинами. Для движения верхней подвижной пластины относительно неподвижной нижней со скоростью V необходимо приложить силу F для преодоления сопротивления данного слоя жидкости
Эти явления наблюдаются у полимеров с высокой молекулярной массой.
Когда мы перемешиваем жидкость, мы прикладываем усилия, которые создают в жидкости напряжения сдвига, чем энергичнее перемешивается жидкость, тем выше скорость сдвига. Эта ситуация графически показана на Рис. 1.8.1. Напряжение и скорость сдвига определяются соотношениями:
Напряжение сдвига = r\s = F/A
Скорость сдвига = е = V/d
Существует ряд методов измерения напряжения сдвига путем оценки ряда скоростей сдвига для данной жидкости. По значениям скоростей сдвига, полученным экспериментальным путем, строят график в координатах напряжение сдвига - скорость сдвига. Зависимость между напряжением и скоростью сдвига для многих жидкостей является линейной. На Рис. 1.8.2 представлена типичная кривая для такой жидкости. Угол наклона кривой равен вязкости, т), определяемой по формуле: Т| = напряжение сдвига/скорость сдвига. Единицами измерения вязкости являются Паскаль секунды (Пах).
Вещества, для которых соотношение между напряжением и скоростью при сдвиге носит линейный характер, имеют один показатель вязкости для всего диапазона скоростей сдвига, и проявляют «ньютоновские » свойства текучести. Однако линейное соотношение наблюдается далеко не у всех материалов, некоторые имеют другие отличные характеристики, представленные на Рис. 1.8.3.
Рис. 1.8.2. Зависимость напряжения сдвига от скорости для ньютоновской жидкости
Рис. 1.8.3. Графическое представление реологических свойств ряда жидкостей
Жидкости с пластической характеристикой не будут течь, пока приложенное начальное напряжение сдвига не достигнет определенной величины. После этого течение жидкости будет соответствовать ньютоновскому поведению.
У дилатантных (расширяющихся) жидкостей при повышении скорости сдвига будет увеличиваться вязкость. Это означает, что чем быстрее мы будем перемешивать жидкость, тем труднее будет проводить этот процесс. Текучесть таких жидкостей невозможно характеризовать одним единственным показателем вязкости.
Для некоторых жидкостей увеличение скорости сдвига не приводит к соответствующему повышению напряжения сдвига. Это означает, что увеличение скорости сдвига облегчает перемешивание таких веществ, что отличает их от «ньютоновских» или дилантатных жидкостей. Подобное поведение жидкости называют псевдопластическим, оно приводит к распространенному явлению, называемому «разжижением вещества». Примером псевдопластического вещества стоматологического назначения является силиконовый оттискной материал, который за счет разжижения при увеличении скорости сдвига будет значительно легче вытекать из шприца, чем вещество, не обладающее псевдопластичностью.
Тиксотропия
До настоящего момента полагали, что если известны значения напряжения и скорости сдвига в данный момент времени, то можно определить вязкость. Для некоторых веществ при определенной скорости сдвига вязкость будет меняться, и если построить график в системе координат «напряжение сдвига - скорость сдвига», то можно увидеть картину, представленную на Рис. 1.8.4.
Рис. 1.8.4. Характеристика тиксотропного поведения жидкостей
В этом случае, вязкость, наблюдаемая при повы шении скорости сдвига, отличается от таковой, при снижении этой скорости. Подобное явление называется гистерезисом. В таких случаях вязкость жидкости зависит от предшествующих деформаций, которым эта жидкость ранее подвергалась.
Этот тип поведения жидкости наблюдается в тех случаях, когда в результате перемешивания в ней произошло перераспределение молекул, и при этом молекулам не хватило времени снова вернуться к своему нормальному положению, имевшему место до перемешивания. Таким образом, чем дольше перемешивать жидкость с заданной скоростью сдвига, тем ниже будет напряжение сдвига, тем меньше будет вязкость этой жидкости. Однако если жидкость после перемешивания оставить на какое-то время, молекулы вернутся к своему нормальному распределению, и тогда весь процесс можно будет проводить снова. Такой тип поведения жидкости называется тиксотропным. Примером тиксотропной жидкости являются красители, не стекающие с кисти художника.
Клиническое значение
Реологические свойства материалов имеют большое значение потому, что они существенным образом определяют технологические характеристики материала.
Вязкоэластичность
Многие материалы по физическим свойствам находятся где-то посередине между вязкой жидкостью и упругим твердым телом. Считается, что у упругого твердого материала соотношение между напряжением и деформацией не зависит от каких бы то ни было динамических факторов, таких, как скорость приложения нагрузки или скорость деформации. Однако если материал нагружен в течение достаточного времени, в некоторых твердых веществах под воздействием нагрузок происходит перераспределение молекул, что приводит к изменению величины деформации материала. После снятия нагрузки, материал не способен сразу же вернуться в исходное состояние. Это означает, что поведение материала зависит от таких факторов, как «длительность нагрузки» и «величина прилагаемой нагрузки».
Простым и эффективным способом наглядного представления этих свойств является использование модели, основанной на комбинации пружины и масляного амортизатора, представляющей собой устройство для поглощения энергии удара. Пружина играет роль упругого элемента, а масляный амортизатор - вязкого. Изменение деформации этой модели со временем представлено на Рис.1.8.5. Для пружины приложение нагрузки приведет к моментальной деформации, которая будет сохраняться в течение всего времени действия нагрузки. Сразу же после снятия нагрузки пружина вернется в исходное состояние за счет сил упругости. Для масляного амортизатора, напротив, приложение нагрузки приведет к постепенному нарастанию деформации в течение всего времени
действия нагрузки. После снятия нагрузки деформация не исчезнет, и масляный амортизатор останется в новом положении.
Рис. 1.8.5. Графическая характеристика упругого поведения пружины и вязкого масляного амортизатора
При параллельном соединении этих двух элементов можно получить простую модель вязкоэластичности. Реакция такой модели на нагрузку представлена на Рис. 1.8.6. В этой модели масляный амортизатор препятствует резкой деформации упругой пружины. При этом деформация масляного амортизатора постепенно позволяет пружине приближаться к желаемому состоянию деформирования. При снятии нагрузки, масляный амортизатор препятствует возвращению пружины в исходное состояние, которое, в конце концов, может быть достигнуто через определенное время.
Рис. 1.8.6. Вязкоэластичное поведение пружины и амортизатора, соединенных параллельно
Вязкоэластичными свойствами обладает группа эластомерных оттискных материалов. Кривая в координатах «деформация-время» для эластомеров и отвечающая ей модель, основанная на упругом, вязком и вязкоэластичном элементах, представлена на Рис. 1.8.7. Для того, чтобы избежать избыточной постоянной деформации этих материалов, их не следует нагружать дольше положенного времени. По этой причине эластомерный оттискной материал удаляют из полости рта коротким резким рывком. Чем быстрее будет приложена и снята нагрузка, тем более упругой будет реакция материала.
Рис. 1.8.7. Вязкоэластичная модель реологического поведения полностью отвержденного эластомерного оттискного материала.
Нагрузка, приложенная в момент to приводит к мгновенному растяжению пружины А, а деформация пружины D запаздывает из-за противодействия амортизатора С. Через некоторое время амортизаторы С и В срабатывают и приводят к дальнейшей деформации. В момент t1 нагрузка снимается, пружина А мгновенно возвращается в исходное состояние. Амортизатор С препятствует возвращению пружины D в исходное состояние. Постепенно к моменту t2 пружина возвращается к своей первоначальной длине. Некоторая величина остаточной деформации сохраняется, так как поршень масляного амортизатора В не вернулся в свое исходное положение
Клиническое значение
Некоторые материалы по своим свойствам занимают промежуточное положение между жидкостью и твердым телом, что обуславливает их склонность к деформации.
Основы стоматологического материаловедения
Ричард ван Нурт
Введение
Нанесение лакокрасочных покрытий
Нанесение покрытия на бумагу
Эффективность машинного масла
Печать па трафаретной сетке
Скорости сдвига в некоторых других процессах
Скорости сдвига при переработке полимеров.
Нанесение слоя латекса непрерывным способом при производстве ковров
Особенности пробочного режима течения
Примеры оценки скоростей сдвига, соответствующих некоторым типичным технологическим процессам
Заключение
Список литературы
Введение
Скорость сдвига - это показатель чувствительности расплава, которая определяется по влиянию усилия на поршне.
Зависимость вязкости от скорости сдвига у многих неньютоновских жидкостей, таких, как краски, пищевые полуфабрикаты или расплавы полимеров, совершенно удивительна: как и в случае расплавов ПММА (см. рис. 1 5), их вязкость может падать на три десятичных порядка при изменении скорости сдвига на шесть или более десятичных порядков. Этот, уже и без того достаточно широкий, интервал вязкости может быть еще шире. Например, если образцы обладают пределом текучести, то при напряжениях ниже этого предела их вязкость бесконечно велика. Единичная оценка вязкости какого-либо образца при одной скорости сдвига имеет ограниченную ценность и не дает информации о строении образца и способности его к переработке. Узкий набор условий испытания с определенными значениями напряжения и скорости сдвига применяется лишь для быстрого сравнения образцов, подобных друг другу.
Если инженер хочет использовать экспериментальные данные по вязкости, чтобы выбрать двигатель для привода смесителя или экструдера, или химик на фабрике красок хочет тщательно разобраться в таких процессах, как окраска кистью или нанесение покрытии, которые могут стекать с вертикальных стен, то они должны оценить скорости сдвига, соответствующие этим реальным процессам, что-бы результаты измерений вязкости имели реальный смысл. Ниже представлен ряд примеров, в которых путем простых расчетов была проведена оценка значений скоростей сдвига, часто встречающихся на практике. Ввиду того что каждый специалист, как обычно, задает параметры технологического процесса с некоторыми допусками, вполне вероятно, что расчетные значения скоростей сдвига, полученные разными специалистами, могут отличаться друг от друга. Поэтому при такой приблизительной оценке скоростей сдвига разность между 1 260 и 1280 не имеет значения. В большинстве случаев достаточно знать, что скорость сдвига при окраске малярной кистью составляет примерно 5000а не 50 или даже 0,5.
При оценке скоростей сдвига, соответствующих тем или иным технологическим процессам или типичным случаям применения материалов, важно отметить, что почти всегда разные стадии одного и тога же процесса производства или применения материалов характеризуются совершенная разными скоростями сдвига.
Рассмотрим три примера для иллюстрации этого положения.
1. Скорости сдвига при переработке полимеров.
В десятках книг по технологии полимеров пригодятся значения скоростей сдвига для основных технологических процессов:
Прямое прессование…………………………………………… до 100
Экструзия профилей (в головке)……………………….. до 1000
Питье под давлением (в литиике)……………...........до 10 000
Это, по видимому, очень упрощенный взгляд на действительность. Скорости сдвига имеют место не только в головке экструдера, но и на всех других стадиях процесса переработки, при течении в экструдере или в термопласт-автомате. Например, в процессе экструзии имеет место множество скоростей сдвига: при течении расплава вдоль канала шнека, при перемешивающем течении, перпендикулярном к оси канала, и при обратном потоке от любого витка шнека к ведущим канавкам. Элементы объема расплава полимера в любой точке канала шнека одновременно подвергаются различным типам течения, которые характеризуются необычайно широким диапазоном скоростей сдвига-приблизительно от 0,01 до 1000 . В этих условиях трудно определить реально существующую вязкость элементов объема, находящихся в состоянии трехмерного напряжения, и тем самым предвидеть, хороши или плохи будут условия переработки в дозирующей части шнека экструдера (например, вероятный уровень однородности расплава), отнесенные к верхней или нижней границе данного интервала скоростей сдвига.
На различных стадиях такого процесса, как заполнение литьевой формы и термопласт-автомата, не существует какой-либо одной единственной скорости сдвига, а имеет места диапазон скоростей сдвига, часто перекрывающий более четырех десятичных порядков: впрыскивание через питьевое отверстие капиллярного типа - до 10000 , течение при заполнении питьевой формы - примерно 100-1000и течение после снятия давления (для обеспечения полного заполнения питьевой формы и предотвращения температурной усадки горячего расплава в холодной форме) - менее 1.
Расплавы полимеров являются не только вязкими, но и в значительной степени упругими жидкостями. Упругие деформации молекул и/или элементов объема со временем будут релаксировать. Наиболее значительная релаксация происходит сразу после того, как полимер переходит в состояние покоя по завершении экструзии, или когда сформованную деталь извлекают из формы. В листовых или экструдированных изделиях из высокомолекулярных полимеров, охлажденных до комнатной температуры, упругие деформации (элементы типа растянутых спиралей) "замораживаются" в отвержденном полимере. При комнатной температуре спад внутренних напряжении протекает в течение длительного периода времени (часы, дни или, возможно, недели) путем, известным как "микротечение" на молекулярном уровне, что приводит к искажению размеров изделий (короблению) или образованию микротрещин ("креизов") в прозрачных деталях. Более вязкие компоненты полимерной композиции, которые достигают очень высокой вязкости при почти нулевой скорости сдвига, когда экструдат переходит в состояние покоя, оказывают противодействие и тормозят процесс снятия внутренних напряжений, даже в полиэтиленах при температуре расплава около 205 °С вязкость при нулевой скорости сдвига % составляет примерно Па с, а при более низких температурах она становится гораздо выше. Скорость сдвига, соответствующая процессу релаксации, близка к, что отвечает периоду релаксации примерно в 28 ч.
В этих условиях спад упругих напряжений в термопластичных полимерах или каучуковых композициях представляет собой достаточно длительный процесс.
Рассмотренные выше значения скоростей сдвига, соответствующие обоим технологическим процессам - переработке полимеров и снятию "замороженных" напряжений, - могут перекрывать диапазон почти в 10 десятичных порядков (рис. 84). Ни один из существующих реометров не может работать в таком широком диапазоне скоростей сдвига, не говоря уже о том, что измерение кривой вязкости в таком интервале скоростей сдвига потребует очень длительных испытаний.
Если в процессе исследования полимеров или при технологическом контроле в производстве возникает необходимость измерения вязкости в таком широком диапазоне скоростей сдвига, используют не-сколько ротационных и капиллярных реометров. каждый из них в лучшем случае охватывает диапазон скоростей сдвига акало трех десятичных порядков. Ротационные и капиллярные вискозиметры сконструированы таким образом, чтобы охватить. Разные области полного диапазона скоростей сдвига, поэтому при совместном использовании они могут перекрыть требуемый диапазон скоростей сдвига (рис. 85).
Отклонения от стандартной кривой вязкости на нижней или верхней границе интервала скоростей сдвига должны быть проверены и рассортированы по степени их технической значимости, например по отношению к однородности расплава, разбуханию струи экструдата или долговременной стабильности размеров профилей и других деталей, полученных методом экструзии или прессования.
Вопрос о том, какая скорость сдвига соответствует конкретной технологии переработки полимеров, не может быть разрешен в общей форме. Необходимо рассматривать отдельные аспекты или фазы каждого производственного процесса.
Необходимость очень широкого интервала скоростей сдвига для правильного описания реологического поведения неньютоновских жидкостей в условиях установившегося течения дополняется широкой областью частот, применяемых для исследования вязкоупругих веществ при динамических испытаниях, так как особенности молекулярной структуры лучше всего проявляются при очень низких величинах ω, а упругость превышает вязкость только при высоких частотах, частотный диапазон, в котором следует проводить измерения, часто превышает шесть десятичных порядков. Интервал частот, фактически доступный для исследования, может быть расширен с помощью принципа температурной временной суперпозиции Вильямса-Лэндела-Ферри до десяти порядков и при этом общее время измерения остается в разумных пределах.
2. Нанесение слоя латекса непрерывным способом при производстве ковров
Качество ковровых покрытии машинного изготовления часто повышают путем нанесения слоя вспененного латекса на нижнюю поверхность ковра. Это создает ощущение мягкости при ходьбе по такому ковру. В данном разделе непрерывный процесс нанесения такого латекса рассмотрен по стадиям, которые характеризуются разными скоростями сдвига.
Нанесение латекса происходит следующим образом (рис. 86). Ковер 1 разматывают с барабана и пропускают над большой емкостью 2, наполненной латексом. Вращающийся цилиндр 3, частично погруженный в латекс, увлекает слой латекса и наносит его на нижнюю сторону ковра в точке 4. Сэндвич из ковра и слоя латекса проходит над ракельным ножом 5 с заранее установленной шириной зазора, что обеспечивает одинаковую толщину слоя латекса. Весь избыток латекса, не прошедший через ракель, стекает обратно в емкость, после чего вновь медленно возвращается в область 6, где цилиндр 3 вводит его в новый цикл нанесения слоя. Если принять скорость движения ковра равной 60 м/мин и калибр ракельного ножа 0,5 мм, то скорость сдвига в слое латекса в точке S будет близка к 200 . Латекс, стекающий за счет силы тяжести обратно в емкость 2, перемещается в зону 6, и скорость сдвига, соответствующая этому течению, не превышает 0,01. Скорость сдвига в точке 4 нельзя определить простым делением скорости движения ковра на толщину слоя латекса, так как предполагается, что скорость ковра и линейная скорость на поверхности цилиндра 3 равны. Некоторая скорость сдвига могла бы возникнуть только из-за разности скоростей. Однако ковер и поверхность цилиндра образуют клин, в котором латекс тянется, отчего в точке 4 возникает давление, благодаря которому создается более или менее параболический профиль скоростей течения латекса в зазоре между поверхностями нижней стороны ковра и цилиндра, движущимися с равными скоростями. Такой профиль скоростей как известна из капиллярной реометрии, связан с характерной скоростью сдвига которая в данном случае может находиться в пределах от 1 до 10.
Представляя этот пример нанесения покрытия на ковер, необходимо обратить внимание читателя на тот факт, что для очень многих процессов, с которыми мы сталкиваемся в производстве, характерна не одна единственная скорость сдвига, а диапазон скоростей сдвига, который во многих случаях перекрывает 3-4 десятичных порядка. Если вязкость в точке 5 при данной скорости сдвига велика, то высокое и, возможно, слишком высокое растягивающее напряжение действует на ковер, который протягивают через зазор ракельного ножа. Если при сдвиге вязкость сильно снижается, слишком много латекса стекает в этом зазоре. Если латекс, стекающий обратно в емкость, слишком сильна загустевает при почти нулевой скорости сдвига, то цилиндр 3 не мажет поднять достаточное количество латекса, поэтому его поверхность остается почти сухой, и к точке 4 поступает недостаточное количество латекса.
Описанный выше процесс может быть проведен неудачно как из-за слишком низкой вязкости при высокой скорости сдвига, так и, в равной степени, из-за слишком высокой вязкости при низкой скорости сдвига. Анализ различных стадий производственного процесса должен привести к правильной оценке скоростей сдвига на каждой стадии.
3. Особенности пробочного режима течения.
Ежедневный опыт показывает, что зубная паста выдавливается из тюбика в виде цилиндра, который, будучи полутвердым, просто садится на щетинки зубной щетки. Зубные пасты, как и многие другие жидкости, такие как высоконаполненные расплавы полимеров или каучуковые композиции, содержащие в некоторых случаях более 30% углеродной сажи, характеризуются отчетливо выраженным пределом текучести. Экструзия их через капилляры часто сопровождается необычным профилем скоростей, который существенно отличается от параболического профиля скоростей ньютоновских жидкостей (рис. 87). Если напряжение, уменьшающееся по направлению от стенки капилляра к его центру, падает ниже предела теку-чести, как, например, у зубной пасты, то центральная часть выдавливаемой массы движется вперед как твердая пробка. В массе, которая находится внутри пробки, не возникает сдвигового напряжения, и ее вязкость бесконечна. Реальный сдвиг концентрируется в наружном кольцевом слое массы между внутренней пробкой и стенкой капилляра (толщиной иногда в доли миллиметра), в результате чего вязкость этой части массы сильно снижается. Часто этот кольцевой слой действует как своего рода низковязкая "смазка" при экструзии внутренней пробки.
Высокий сдвиг может дополнительно привести к фазовому разделению водной композиции, выдавливая тонкий слой воды, которая служит дополнительной смазкой для внутренней пробки.
Расчет скорости сдвига и вязкости материалов, проявляющих пробочный характер течения, по обычным уравнениям Хаге-на-Пуазейля для течения ньютоновских жидкостей приводит к совершенно ошибочным результатам. В этом случае расчет любой "средней" скорости сдвига по сечению капилляра не имеет смысла.
Величины предела текучести при нулевом сдвиге и свойства массы при высокой скорости сдвига были измерены в рабочем зазоре ротационных реометров с учетом того, что скорости сдвига жидкостей, склонных к развитию пробочного течения, составляют не 500 или 1000 ,а “нуль” в центре пробки и, возможно, 10 или а даже 10- в кольцевом слое вблизи стенки капилляра.
4. Примеры оценки скоростей сдвига, соответствующих некоторым типичным технологическим процессам.
В данном случае величины скоростей сдвига могут быть определены с коэффициентом точности в пределах порядка.
Такая оценка проводится по уравнению:
4.1. Нанесение лакокрасочных покрытий
Обычно в технологии лакокрасочных покрытий имеют дело с широким диапазоном скоростей сдвига. Поэтому лакокрасочные покрытия при нанесении подвергаются воздействию как очень высоких, так и очень низких скоростей сдвига (рис. 88). Когда краску вычерпывают из бидона-скорость сдвига может достигать 10 .
В процессе нанесения краски (рис. 89) кисть может двигаться по поверхности со скоростью 𝑣=1000 мм/с. Толщина слоя краски принимается равной у = 0,2 мм. Тогда скорость сдвига при нанесении кистью составляет:
При распылении краски давлением воздуха из сопла пистолета скорость сдвига приблизительно равна 50000 .
Лакокрасочное покрытие, нанесенное кистью на вертикальную стенку, стремится стечь под влиянием силы тяжести (рис. 90). Напряжение сдвига на стенке , которое существует на границе между слоем покрытия и стенкой, равно
где напряжение сдвига на стенке, Па;A-площадь поверхности стенки; G-вес покрытия, действующим на площади A, Н; h-толщина слоя покрытия, м; y-переменная в горизонтальном направлении (h); ρ-плотность краски, кг/; g-ускорение силы тяжести, м/;𝑣-скорость стекаиия в вертикальном направлении; s-длина потека покрытия за период времени t.
Скорость сдвига равна
Интегрирование выражения
дает скорость стекания 𝑣:
для ньютоновской жидкости
В случае такой неньютоновской жидкости, как тело Бингама, напряжение сдвига равна
При τ величина ɣ=0, т. е. слой покрытия не течет. При τ слойбудет опускаться вниз как твердая пластина по слою (), который течет со скоростью𝑣, определяемой сдвиговой зависимостью вязкости данного покрытия.
Пример: для покрытия, не проявляющего предела текучести: у=0,1 мм=0,01 см=0,0001 м; ρ=1,1 г/; = 1100 кг/; g = 9,81 м/;ŋ = 2,0 Пас приɣ=1 ;=yρg=0,000111009,81 =1,08 ;
При условии, что покрытие не проявляет предела текучести и его вязкость не возрастает из-за испарения растворителя или сорбции растворителя порами стены, длина потека на окрашенной поверхности за время t=60 с составит
s=𝑣t=0,02560=1,5 мм
Покрытие будет стекать с вертикальной стены, только когда напряжение сдвига на границе выше, чем напряжение сдвига :
Это значит, что стекание покрытия будет иметь место только в том случае, если толщина его слоя отвечает соотношению
Чтобы иметь хорошие потребительские характеристики, качест-венные краски обязательно должны быть неньютоновскими жидко-стями, вязкость которых сильно зависит от скорости сдвига. очень важно знать, обладает ли краска пределом текучести , который необходимо измерять при скорости сдвига, близкой кɣ=0. Для классификации качества красок с точки зрения реологии необходимо учитывать не только одну скорость сдвига, а область скоростей сдвига, перекрывающую иногда более шести десятичных порядков.
4.2. Нанесение покрытия на бумагу
Для повышения качества бумаги на ее поверхность наносят покрытие, после чего она становится гладкой, а часта и глянцевой (рис. 91).
Типичные условия непрерывного процесса нанесения покрытия следующие: скорость бумаги 𝑣=500 м/мин (до 1000 м/мин);
𝑣=50000 см/мин=50000/60 см/с
размер зазора у равен расстоянию между ножом скрепера поверхностью вала:
скорость сдвига
ɣ=
=()=8,3
Максимальная скорость сдвига при покрытии бумаги может быть выше
4.3 Эффективность машинного масла
Типичные размеры поперечного сечения подшипника скольжения коленчатого вала (рис. 92)
радиус вала =27,53 мм; радиус муфты=27,50 мм;
толщина пленки масла у=0,03 мм;
частота вращения коленчатого вала n=4000 ;
Это дает значение ɣ=4.
Приведенные в литературе для данного случая значения скорости сдвига варьируют от ɣ=в начале движения автомобиля доɣ=, когда спортивный автомобиль движется на полной скорости.
Типичные размеры цилиндра и порция двигателя (рис. 93):
размер зазора у=0,03 мм;
частота вращения коленчатого вала n=4000 ;
максимальная скорость поршня =20 м/с;
средняя скорость поршня =14 м/с.
Это приводит к значению
Или
Скорость сдвига в слое масла между маслосъемным кольцом поршня и цилиндром обычно достигает экстремально высоких значении.
Типичные размеры масляного насоса, расположенного в масло-сборнике двигателя (рис. 94): диаметр трубы d=0,7 см=7 мм; радиус трубы R=0,35 см= 3,5 мм;
скорость течения Q=30 /мин=500/с.
При этом значение ɣ
Скорости сдвига машинного масла во входной области патрубка масляного насоса очень высоки. В самом масляном насосе скорости сдвига гораздо ниже. Во время работы двигателя машинное масло подвергается воздействию очень широкого интервала скоростей сдвига, а не какой-либо одной скорости сдвига. Это важно знать, несмотря на тот факт, что масла обычно являются ньютоновскими жидкостями. Моторные масла подвержены действию значительных переменных нагрузок в широком интервале температур, для повышения смазывающей способности в высококачественные масла вводят соответствующие добавки, которые придают им неньютоновский характер течения.
Необходимо изготавливать масла, которые обладают достаточной вязкостью при высоких скоростях сдвига. Это обеспечивает хорошую смазку поверхности металлических деталей и предотвращает непосредственный контакт между ними. В то же время вязкость масла должна быть достаточно низкой при низких скоростях сдвига, когда оно течет в масляном насосе малых скоростях сдвига, се под действием гравитации по направлению к входному патрубку насоса, а затем вверх при всасывании масла насосом. Если масло слишком вязкое насос частично втягивать воздух, и тогда подача масла в подшипники ограничивается. Очень важно, особенно в условиях низких температур чтобы масло не проявляло предела текучести (при нулевой и скорости сдвига) и вследствие этого не вело бы себя как твердое тело, которое совсем не поступает в масляный насос.
4.4 Печать па трафаретной сетке
Оценку скорости сдвига чернил, продавливаемых через сетчатый трафарет (рис. 95), можно провести следующим образом.
Реология – это изучение деформаций и течения материалов, включая эластичные, вязкие и пластичные свойства.
Вязкость – измерение внутреннего трения жидкости. Это трение возникает между слоями жидкости при ее движении. Чем больше трение, тем больше силы необходимо приложить, чтобы вызвать движение («сдвиг»).
Сдвиг имеет место при физическом перемещении или разрушении жидкости: разливе, растекании, разбрызгивании, перемешивании и т.п. Для сдвига жидкостей с высокой вязкостью необходимо приложить больше силы, чем для маловязких материалов.
По характеру течения жидкости (и псевдожидкости) делят на ньютоновские и неньютоновские жидкости, а по поведению во времени – на тиксотропные и реопексные.
Ньютоновские и неньютоновские жидкости
Жидкости , для которых вязкость не зависит от скорости деформации, называются ньютоновскими . Характерными ньютоновскими жидкостями являются вода и маловязкие моторные топлива.
На практике это означет, что вязкость жидкости при данной температуре остается постоянной и не зависит от модели вискозиметра, шпинделя или скорости сдвига. Стандатры вязкости Brookfield являются также ньютоновскими жидкостями и подходять для всех моделей вискозиметров Brookfield .
Для неньютоновских жидкостей вязкость изменяется при изменении скорости сдвига. Для этих жидкостей модель вискозиметра, шпиндель и скорость сдвига влияют на конечный результат; для неньютоновских жидкостей измереяется, так называемая, «кажущаяся вязкость». Точности и воспроизводимости результатов для таких жидкостей можно достичь только при воспроизведении всех параметров измерений (модели вискозиметра, шпинделя, температуры и т.д.).
Существует несколько типов неньютоновских жидкостей, различающихся влиянением скорости сдвига на вязкость. Наиболее известны три типа:
- псевдопластичные жидкости
- дилатантные жидкости
- пластичные жидкости
 |
Наиболее известные псевдопластичные жидкости – краски, эмульсии и некоторые суспензии. Для понимания такого поведения представьте, что в момент вращения шпинделя в образце структура молекул вещества будет меняться, они будут стремиться расположиться параллельно движению поверхности шпинделя. В результате сопротивление между отдельными слоями жидкости будет ослабевать, вязкость – снижаться. С ускорением вращения первоначальная структура будет разрушаться, молекулы будут скользить относительно друг друга, и вязкость будет понижаться.
У дилатантных жидкостей , наоборот, с увеличением скорости сдвига вязкость увеличивается.
 |
Хотя дилатантные жидкости не так распространены, но их довольно много, к ним относится большинство дефлокулянтов: глиняные суспензии, сладкие смеси, взвесь кукурузного крахмала в воде, системы песок/вода.
Пластичные жидкости в статических условиях ведут себя как твердые материалы, но при воздействии на них определенной силой они начинают течь. Минимальное усилие, которое необходимо прилоить к системе, чтобы она начала течь называется предельным напряжением сдвига (f’).
 |
Томатный кетчуп является ярким примером пластичных жидкостей: пока бутылку с продуктом не потрясти или ударить по ней, кетчуп течь не будет. После преодоления критического напряжения сдвига пластичные жидкости могут вести себя как ньютоновские, псевдопластичные или дилатантные.
Тиксотропные и реопексные жидкости
Вязкость некоторых жидкостей, при постоянных окружающих условиях и скорости сдвига, изменяется со временем. Если вязкость жидкости со временем уменьшается, то жидкость называют тиксотропной, а если, наоборот, увеличивается, то – реопексной.
 |
 |
Оба поведения могут встречаться как вместе с вышеописанными типами течения жидкостей, так и только при определенных скоростях сдвига. Временной интервал может сильно варьироваться для разных веществ: некоторые материалы достигают постоянного значения за считанные секунды, другие – за несколько дней. Реопексные материалы встречаются довольно редко, в отличие от тиксотропных, к которым относятся смазки, вязкие печатные чернила, краски.
При изучении влияния двух параметров (времени и скорости сдвига) на вязкость материалов, для тиксотропных жидкостей будут получаться следующие кривые.
 |
Более подробную информацию о реологических свойствах систем можно прочитать из буклета « More Solutions to Sticky Problems », который включен в комплект поставки вискозиметра.
Если в движущейся жидкости её вязкость зависит только от её природы и температуры и не зависит от градиента скорости, то такие жидкости называют ньютоновскими. К ним относятся однородные жидкости. Когда жидкость неоднородна, например, состоит из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры, то при её течении вязкость зависит от градиента скорости.
Такие жидкости называют неньютоновскими.
Неньютоновские жидкости не поддаются законам обычных жидкостей, эти жидкости меняют свою плотность и вязкость при воздействии на них физической силой, причем не только механическим воздействие, но и даже звуковыми волнами. Если воздействовать механически на обычную жидкость то чем большее будет воздействие на нее, тем больше будет сдвиг между плоскостями жидкости, иными словами чем сильнее воздействовать на жидкость, тем быстрее она будет течь и менять свою форму. Если воздействовать на Неньютоновскую жидкость механическими усилиями, мы получим совершенно другой эффект, жидкость начнет принимать свойства твердых тел и вести себя как твердое тело, связь между молекулами жидкости будет усиливаться с увеличением силы воздействия на нее, в следствии мы столкнемся с физическим затруднением сдвинуть слои таких жидкостей. Вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшение скорости тока жидкости
Вот еще один пример:
Если к вязкопластичной жидкости прикладывать напряжение сдвига, меньшим по величине, чем пороговое значение, то такая жидкость будет оставаться в покое. Как только напряжение сдвига превысит, вязкопластик начнет течь, как обычная ньютоновская жидкость. Иначе говоря, привести в движение вязкопластичную жидкость можно, лишь преодолев её предельное напряжение.
Такое поведение вязкопластиков объясняется тем, что в жидкости, находящейся в покое, образуется жесткая пространственная структура, оказывающая сопротивление любому напряжению, меньшему, чем пороговое. К вязкопластичным жидкостям можно отнести буровые растворы, сточные грязи, масляные краски, зубную пасту – то есть то, что похоже на пасту, главным образом суспензии.
К псевдопластичным жидкостям относятся жидкости, содержащие несимметричные частицы или молекулы высокополимеров, например, суспензии или растворы полимеров, подобных производным целлюлозы.
Кривые текучести - t и зависимости эффективной вязкости h * от напряжения сдвига t : a - диаграммы для ньютоновской жидкости; б ,г -диаграммы для неньютоновских жидкостей, у к-рых h * снижается с ростом и t ; в -диаграмма для неньютоновской жидкости, у к-рой h * повышается с ростом и t ; д - диаграмма для вязкопластического тела с пределом текучести q .
При маленьких изменениях скоростей деформации молекулы высокополимеров или несимметричные частицы своими большими осями ориентируются вдоль направления движения, вследствие чего возрастает напряжение внутри. После завершения ориентирования, а поведение жидкости не отличается от ньютоновского. Иными словами, если нажимать на псевдопластическую жидкость не резко, то ее вязкость будет высока, а если резко – то будет уменьшаться.
Областью механики, изучающей особенности деформации и течения реальных сплошных сред, одни из представителей которых - неньютоновские жидкости, имеющие структурную вязкость, выступает реология. В данной статье рассмотрим реологические свойства станет понятно.
Определение
Типичная неньютоновская жидкость - это кровь. Плазмой ее называют, если она лишена форменных элементов. Кровяной сывороткой является плазма, в которой отсутствует фибриноген.
Гемореология, или реология, изучает механические закономерности, в особенности как изменяются физколлоидные свойства крови при циркуляции с различной скоростью и на разных участках русла сосудов. Ее свойства, кровеносного русла, сократительная способность сердца определяют движение крови в организме. Когда линейная скорость течения мала, кровяные частицы смещаются параллельно оси сосуда и друг к другу. В таком случае у потока слоистый характер, а течение называется ламинарным. Так в чем же заключаются реологические свойства? Об этом - далее.
Что такое число Рейнольдса?
В случае увеличения линейной скорости и превышения определенной величины, различной для всех сосудов, ламинарное течение превратится в вихревое, беспорядочное, называемое турбулентным. Скорость перехода ламинарного движения в турбулентное определяет число Рейнольдса, составляющее для кровеносных сосудов приблизительно 1160. По данным о числах Рейнольдса, турбулентность может быть только в тех местах, где ветвятся крупные сосуды, а также в аорте. По многим сосудам жидкость движется ламинарно.
Скорость и напряжение сдвига
Не только объемная и линейная скорость кровотока имеют значение, еще два важных параметра характеризуют движение к сосуду: скорость и напряжение сдвига. Напряжением сдвига характеризуется сила, действующая на единицу сосудистой поверхности в тангенциальном направлении к поверхности, измеряемая в паскалях или дин/см 2 . Скорость сдвига измеряют в секундах обратных (с-1), а означает она величину градиента скорости движения между движущимися параллельно слоями жидкости на единицу расстояния между ними.
От каких показателей зависят реологические свойства?
Отношение напряжения к скорости сдвига определяет вязкость крови, измеряемую в мПас. У цельной жидкости вязкость зависит от диапазона скорости сдвига 0,1-120 с-1 . Если скорость сдвига >100 с-1 , вязкость изменяется не так выраженно, а по достижении скорости сдвига 200 с-1 почти не меняется. Величина, измеренная при высокой скорости сдвига, называется асимптотической. Принципиальные факторы, которые влияют на вязкость, - это деформируемость элементов клеток, гематокрит и агрегация. А с учетом того, что эритроцитов по сравнению с тромбоцитами и лейкоцитами гораздо больше, их в основном определяют красные клетки. Это отражается на реологических свойствах крови.
Факторы вязкости
Самый главный определяющий вязкость фактор - объемная концентрация эритроцитов, их средний объем и содержание, это называется гематокритом. Он составляет приблизительно 0,4-0,5 л/л и определяется центрифугированием из пробы крови. Плазма - это жидкость ньютоновская, вязкость которой определяет состав белков, и зависит она от температуры. На вязкость больше всего влияют глобулины и фибриноген. Некоторые исследователи считают, что более важный фактор, который ведет к изменению вязкости плазмы, - это соотношения белков: альбумин/фибриноген, альбумин/глобулины. Увеличение происходит при агрегации, определяемое неньютоновским поведением цельной крови, что обусловливает агрегационная способность эритроцитов. Агрегация эритроцитов физиологическая является обратимым процессом. Вот что это такое - реологические свойства крови.
Образование эритроцитами агрегатов зависит от факторов механических, гемодинамических, электростатических, плазменных и других. В наше время существует несколько теорий, которые объясняют механизм эритроцитной агрегации. Наиболее известна сегодня теория мостикового механизма, по которой мостики из крупномолекулярных белков, фибриногена, Y-глобулинов адсорбируются на поверхности эритроцитов. Сила агрегации чистая - это разность между сдвиговой силой (вызывает дезагрегацию), слой электростатического отталкивания эритроцитов, которые заряжены отрицательно, силой в мостиках. Механизм, отвечающий за фиксацию отрицательно заряженных макромолекул на эритроцитах, то есть Y-глобулина, фибриногена, пока еще не совсем понятен. Существуем мнение, что молекулы сцепляются благодаря дисперсным силам Ван-дер-Ваальса и слабых водородных связей.
Что помогают оценить реологические свойства крови?
По какой причине происходит агрегация эритроцитов?
Объяснение агрегации эритроцитов также объясняют истощением, отсутствием высокомолекулярных белков близко к эритроцитам, в связи с чем появляется взаимодействие давления, по природе схожее с давлением макромолекулярного раствора осмотическим, приводящим к сближению частиц суспендированных. К тому же существует теория, связывающая агрегацию эритроцитов с эритроцитарными факторами, приводящими к уменьшению дзета-потенциала и изменению метаболизма и формы эритроцитов.
Из-за взаимосвязи вязкости и агрегационной способности эритроцитов, чтобы оценить реологические свойства крови и особенности движения ее по сосудам, нужно провести комплексный анализ данных показателей. Один из самых распространенных и вполне доступных методов для измерения агрегации - это оценка скорости эритроцитной седиментации. Однако традиционный вариант этого теста малоинформативен, поскольку в нем не учитываются реологические характеристики.
Методы измерения
Согласно исследованиям реологических кровяных характеристик и факторов, которые на них влияют, можно заключить, что на оценку реологических свойств крови влияет агрегационное состояние. В наше время исследователи уделяют больше внимания на изучение микрореологических свойств этой жидкости, однако и вискозиметрия также актуальности не утратила. Основные методы для измерения свойств крови можно условно разделить на две группы: с полем напряжений и деформаций однородным - конусплоскость, дисковые, цилиндрические и прочие реометры, имеющие различную геометрию рабочих частей; с полем деформаций и напряжений относительно неоднородным - по регистрационному принципу акустических, электрических, механических колебаний, приборы, которые работают по методу Стокса, капиллярные вискозиметры. Так измеряются реологические свойства крови, плазмы и сыворотки.
Два типа вискозиметров
Самое большое распространение сейчас имеют два типа и капиллярные. Также применяются вискозиметры, внутренний цилиндр которых плавает в жидкости, которая испытывается. Сейчас активно занимаются различными модификациями ротационных реометров.
Заключение
Стоит также отметить, что заметный прогресс развития реологической техники как раз и позволяет изучать биохимические и биофизические свойства крови, чтобы управлять микрорегуляцией при метаболических и гемодинамических расстройствах. Тем не менее актуальна на данный момент разработка методов для анализа гемореологии, которые бы объективно отражали агрегационные и реологические свойства ньютоновской жидкости.
Бизнес идеи
