3.2.3 Течение пластических материалов

Пластические материалы характеризуются пределом текучести ₀, ниже которого течение отсутствует (рис. 3.9). При напряжениях, превышающих ₀, происходит полное разрушение структуры и начинается течение материала с постоянной вязкостью, которую называют пластической вязкостью _пл. Оно описывается формулой Бингама

, (3.3)

из которой следует, что

Свойства реальных пластических материалов отличаются от описанных выше. Однако, отклонения от модели Бингама (3.3) таких материалов как маргарин, шоколадные смеси, сырково-творожные и пралиновые массы, зубная паста и др. невелико. Течение этих систем надежно описывается уравнением (3.3).

3.2.4 Псевдопластические материалы

Большинство неньютоновских материалов не имеют предела текучести. В этом случае для описания течения псевдопластических материалов широко используют эмпирическое уравнение Оствальда-Вейля

(3.4)

в котором константы k – коэффициент консистенции, зависящий от природы материала, n – индекс течения. Для псевдопластических материалов n < 1; при n = 1 степенная зависимость (3.4) сводится к закону Ньютона для нормальных жидкостей (3.1).

Формулу Оствальда-Вейля применяют для описания течения многих пищевых материалов – томатных концентратов, сахарных растворов, фруктовых пюре, хлебопекарного теста, конфетных масс, майонеза, крахмальных суспензий и др. Широкое использование его связано с тем, что индекс течения n сохраняет

п остоянное значение в достаточно большом интервале напряжений. Значения n и k легко определяются после линеаризации уравнения (3.4)

.

Индекс течения n равен тангенсу угла  (рис. 3.10), коэффициент консистенции k = e^a, где a – отрезок, отсекаемый на оси ординат.

3.2.5 Дилатантные материалы

Для структур второго типа характерна реологическая дилатансия – обратимый рост вязкости системы с увеличением напряжения или скорости сдвига (рис. 3.11).

а б

Рис. 3.11. Кривые течения (а) и эффективной вязкости (б)

систем с дилатантным реологическим поведением

В области малых напряжений сдвига вязкость системы остается низкой, но резко возрастает после достижения некоторого сдвигового напряжения. На кривой течения отсутствует предел текучести. Кривые течения таких систем описываются уравнением Оствальда-Вейля, в котором показатель степени n > 1.

К дилатантным жидкостям относятся, например, глиняные суспензии, взвесь кукурузного крахмала в воде.

Причины, вызывающие неньютоновский характер

течения жидкостей

1. Воздействие движущейся дисперсионной среды на дисперсную фазу.

П роисходит в свободнодисперсных системах с анизодиаметричными частицами дисперсной фазы. В таких системах при малых скоростях сдвига (напряжениях сдвига) частицы хаотически вращаются в жидкости (вращательное броуновское движение). Значительное число частиц может располагаться поперек потока, вследствие чего по сравнению с чистой средой вязкость систем значительно повышается.

При больших скоростях деформации происходит ориентация частиц вдоль потока, напряжение сдвига подавляет вращение частиц и вязкость системы уменьшается. Т.е., при малых напряжениях сдвига эффективная вязкость максимальна

;

затем она постепенно падает до некоторого минимального значения, не изменяющегося при дальнейшем увеличении напряжения и соответствующего течению системы с полностью ориентированными в потоке частицами

.

2. Разрушение связей, устанавливающихся между частицами. Имеет место в структурированных дисперсных системах с коагуляционной структурой.

В данном случае можно рассматривать целый спектр состояний между двумя крайними состояниями системы: с неразрушенной и полностью разрушенной структурой.

Рассмотрим реологическую кривую жидкообразной структурированной дисперсной системы с коагуляционной структурой. Кривая имеет три характерных участка.

У часток I – линейная зависимость межу скоростью деформации и напряжением сдвига, следовательно, на этом участке вязкость не зависит от напряжения сдвига. А это значит, что система ведет себя подобно ньютоновской жидкости с большой вязкостью:

.

В этой области наблюдается пластическая деформация структуры, т.е. структура может разрушаться, но она успевает восстановиться (сцепление между частицами). Вводится понятие времени релаксации – время, в течение которого происходит восстановление структуры.

Медленное течение с постоянной вязкостью без прогрессирующего разрушения структуры называется ползучестью.

Для слабоструктурированных систем участок I небольшой и его практически невозможно обнаружить. Для сильноструктурированных систем область значений , при которых наблюдается ползучесть, может быть весьма значительной.

Напряжение _к, соответствующее началу разрушения структуры, называется пределом прочности.

Участок II. При дальнейшем увеличении напряжения зависимость теряет линейный характер, при этом ньютоновская вязкость уменьшается, а скорость движения системы увеличивается. Переменные значения вязкости являются следствием разрушения структуры. l

При напряжениях  > _m, когда структура разрушена, система течет подобно ньютоновской жидкости, имеющей вязкость

.

Прочность структуры можно оценить по разности _max - _min.Чем больше эта разность, тем прочнее структура.

Существует понятие предела текучести _т – минимальной нагрузки, при которой тело начинает течь.

Т ечение жидкообразных систем происходит при сколь угодно малых значениях предела текучести, т.е.

_т  0.

Течение твердообразных тел имеет место при определенном значении предела текучести, когда

_т > 0.

На реологической кривой твердообразной системы появляется участок, совпадающий с осью абсцисс. При напряжениях сдвига  < _f (_f – предел упругости) система не только не течет, но и не проявляет свойств ползучести,  = .

Внешнее воздействие не может нарушить прочность системы. При  > _f кривая течения твердообразной системы аналогична кривой течения жидкообразной системы.