انواع رفتارهای جریانی

به طورکلی رفتارهای موجود در سیالات را می توان به دو گروه رفتارهای مستقل از زمان و وابسته به زمان تقسیم کرد که در اولی با تغییر زمان، تغییری در مقدار گرانروی ایجاد نمی شود.

به طور کلی رفتار رئولوژی مواد به انواع زیر تقسیم و در شکل نیز نشان داده شده است:

• رفتار نیوتنی که در آن تنش برشی و سرعت برشی ارتباط مستقیمی دارند و گرانروی سیستم مقدار ثابتی است. این رفتار در مایعات و سوسپانسیون های رقیق که ذرات آن نسبت به هم جاذبه ندارند مشاهده می شود {B.Bengisu, 2001} .

• رفتار دیلاتانسی (غلیظ شوندگی برشی) که در آن با افزایش سرعت برشی، گرانروی سوسپانسیون افزایش می یابد. شرط اولیه برای رخداد این پدیده ریز بودن و فقدان نیروی جاذبه بین ذرات است. . وقتی این سوسپانسیون ها تحت برش قرار می گیرند کاملاً آزادانه جریان می یابند و آب از میان حفرات بین ذرات خارج شده، یک لایه مایع بر روی سطح سوسپانسیون ظاهر می شود و فشردگی میان ذرات بیشتر می شود. با افزایش بیشتر برش سوسپانسیون سفت تر می شود. زیرا فشردگی کمتر شده، سیستم منبسط شده ، ذرات در تماس مستقیم با هم قرار می گیرند كه این امر سبب اصطکاک و افزایش گرانروی می شود {F.Moore, 1965}.

• رفتار شبه پلاستیک (رقیق شوندگی برشی) که در آن با افزایش سرعت برشی، گرانروی سوسپانسیون کاهش می یابد. این رفتار به دلیل تشکیل ساختارهای درونی داخل محلول و شکسته شدن برگشت پذیر آن ها در اثر اعمال تنش می باشد. در این سیالات ، حلال در بین ذرات و ساختارهای تشکیل شده قرار می گیرد و با حبس شدن حلال در این ساختار، دوغاب در سرعت های برشی کم، سفت به نظر می رسد. با اعمال تنش به دوغاب ساختارهای درونی آن شکسته شده و آب موجود در ساختارهای مذکور وارد چرخه ذرات می شود {B.Bengisu, 2001}.

• رفتار شبه پلاستیک با تنش تسلیم که در این رفتار، سوسپانسیون ها در برابر تنش اعمالی از خود مقاومت نشان می دهند و بعد از حد معینی از تنش، سیالیت آن ها آغاز می شود که این حد را نقطه تنش تسلیم می گویند {V.Hackley, National institute of Standards and Technology}. این رفتار در سوسپانسیون هایی که حاوی درصد چسب بالایی است مشاهده می شود.

• رفتار پلاستیک بینگهام که این سیالات در برابر تنش اعمالی مقاوم هستند و هنگامی سیال جریان پیدا می کند که تنش به حد معین برسد. گرانروی این سیالات ثابت بوده و منحنی آن نیز به صورت خطی صاف می باشد. منحنی مربوط به رفتار این سیالات محور تنش را در نقطه تسلیم قطع می کند. به چنین موادی، پلاستیک بینگهام گفته می شود {G.Zhang, 2002}.

• رفتارهای وابسته به زمان شامل تیکسوتروپی و رئوپوکسی می شوند که در اولی هنگامی که دوغاب تحت برش قرار گرفته و به آن زمان داده شود، پس از مدتی سفت و غلیظ به نظر می رسد. رفتار رئوپکسی عکس این حالت است و در آن در دوغاب در سرعت های برشی کم، امکان تشکیل ساختار بسیار زیاد است زیرا ذرات در جهات و مواضع مناسب برای تشکیل ساختار قرار می گیرند {F.Moore, 1965}.

عوامل موثر بر خواص رئولوژیکی دوغاب های سرامیکی

الف) گرانروی فاز مایع

گرانروی دوغاب ها به طور مستقیم با گرانروی فاز مایع ارتباط دارد. و برای مثال با فرض ثابت نگه داشتن تمامی پارامترها، با افزایش گرانروی فاز مایع، گرانروی دوغاب افزایش خواهد یافت {F.Liu, 2000}.

ب) غلظت حجمی مواد جامد

غلظت حجمی مواد جامد عبارتست از حجم کل ذرات به حجم دوغاب که این عامل نقش اساسی در رئولوژی دوغاب ایفا می کند {F.Moore, 1965}. هرچه غلظت ذرات جامد بیشتر باشد، سیال کمتری جهت حرکت دادن ذرات روی هم وجود خواهد داشت که در این حالت گرانروی دوغاب بالاتر خواهد بود تا جایی که گرانروی در یک غلظت حجمی بیشینه (ϕ_max) به بی نهایت می رسد.

حداکثر غلظت حجمی وابسته به توزیع اندازه ذرات و شکل و اندازه آن ها می باشد. یک توزیع وسیع اندازه ذرات باعث افزایش مقدار ϕ_max می شود. در این حالت ذرات کوچک می توانند در میان حفرات ذرات بزرگ قرار گیرند {F.Liu, 2000}.  در مورد شکل ذرات باید گفت که در سوسپانسیون های حاوی ذرات غیرکروی به هنگام چرخش، حجم قابل ملاحظه ای از ذرات به حركت آورده می شود لذا ناحیه آشفته حاصل از یک ذره غیرکروی بیشتر از یک ذره کروی با حجم یکسان است بنابراین می توان گفت ϕ_max  برای ذرات کروی بیشتر می باشد. رابطه Krieger-Dougherty نشان می دهد که با افزایش کسرحجمی ذرات، گرانروی افزایش می یابد {B.Bengisu, 2001} . در این رابطه ϕ_m غلظت حجمی بیشینه، ϕ كسر حجمی ذرات است.

ج) اندازه ذرات

معمولا در دوغاب های سرامیکی ذرات کوچکتر از  10µm و بویژه ذرات کلوئیدی نقش بسزایی دارند {J.S.Reed, 1998}.ذرات دیگر موجود در دوغاب قادر به تغییر رفتار جریانی دوغاب نبوده و تنها با افزایش درصد مواد جامد گرانروی افزایش می یابد. گرانروی دوغاب ها معمولاً با افزایش قطر ذرات تا حدود 10µm به دلیل کاهش نیروهای بین ذرات کاهش می یابد و پس از عبور از حد مذکور، در اثر تضعیف نیروهای بین ذرات و نیز به دلیل متناسب بودن انرژی لازم جهت تحرک ذرات با جرم آن ها، گرانروی افزایش می یابد {F.Moore, 1965}.

د) شکل ذرات

 هرچه ذرات به لحاظ شكل نامتقارن تر باشد، انباشتگی آنها بر روی یکدیگر، مشکل تر و در نتیجه غلظت حجمی آنها کمتر و گرانروی بیشتر است. به طور کلی در یک غلظت حجمی ثابت، گرانروی اشكال هندسی مختلف به ترتیب از کره، بیضوی، ذرات نامنظم کروی، ذرات دیسکی شکل و ذرات میله ای شکل افزایش می یابد {F.Moore, 1965}.

ه) نیروهای بین ذرات

 در مورد ذرات واقع در محدوده اندازه کلوئیدی (کمتر از 1µm)، اندازه و بزرگی نیروی بین ذرات تاثیر اساسی بر رفتار سوسپانسیون و رفتار رئولوژیکی آن خواهد داشت. نیروهای موجود در بین ذرات به دو دسته نیروهای جاذبه و نیروهای دافعه تقسیم می شوند. عمده ترین نیروی جاذبه میان ذرات نیروی واندروالس می باشد كه این نیرو به اندازه، شکل ذرات و فاز مایع وابسته است. نیروهای دافعه شامل نیروی دافعه الکترواستاتیک است که این نیرو ناشی از حضور بار در فصل مشترک جامد – مایع است. در واقع بین لایه های مضاعف دو ذره، برهم کنشی ایجاد می شود که به علت همنام بودن بارها این نیرو دافعه خواهد بود. با نزدیک شدن ذرات نیروی دافعه سرانجام در نقطه ای توسط جاذبه واندروالس خنثی می شود. دیگر نیروی دافعه می تواند نیروی دافعه استریک یا ممانعت فضایی باشد که توسط زنجیرهای پلیمری جذب شده، ایجاد می شود. زمانی که در یک دوغاب، میانگین انرژی از نوع دافعه باشد گرانروی سیستم کاهش می یابد {M.N.Rahaman, 2003}.

و) افزودنی ها (چسب ها)

 چسب ها نیز بر گرانروی تاثیر دارند و حتی ممکن است ویژگی جریانی دوغاب را از حالت نیوتنی به شبه پلاستیک تبدیل می کنند. اغلب چسبهای آلی، مولکولهای پلیمری با زنجیره بلند هستند. گرانروی دوغاب وابسته به درصد وزنی چسب ) c ( که طبق رابطه زیر به دست می آید{J.S.Reed, 1998;شریفی, 1386}.

Logη=kc