رئولوژی پلیمرها

ویسکوزیته 

برای مقایسه ویسکوزیته دو ماده که یکی حلال و دیگری حل شونده باشد ، اگر میزان قطر لوله ای که این دوماده را از آن عبور میدهیم برابر باشد خواهیم دید که حلال با سرعت بیشتری از لوله عبور میکند به عبارت دیگر جریان پذیری حلال از حل­ شونده بیشتر خواهد بود . به این میزان جریان پذیری ویسکوزیته میگوییم ودر کتاب های پلیمری ویسکوزیته این مواد از مواد دیگر به نسبت بالاتر است و این ویسکوزیته بالا به خاطر زنجیر های پلیمری است که در بقیه مواد شاهد مولکول به جای این زنجیر ها هستیم .

به طور کلی ویسکوزیته مقدار انرژی است که سیال از دست میدهد تا در برابر نیروی برشی مقاومت کند .

فرض میکنیم که ماده سیالی در میان دو صفحه موازی که مساحت هر صفحه را  A  فرض میکنیم قرار دارد و فاصله میان این دوصفحه برابر  dy درنظر میگیریم با اعمال نیرویی به اندازه F به صفحه بالایی ، فاصله صفحه را با صفحه پایینی کمتر میکنیم و این کار باعث میشود سرعت حرکت سیال در همه جای سیال برابر با یکدیگر نباشد و لایه های افقی سیال سرعت حرکت متفاوتی نسبت به یکدیگر پیدا کنند . و این تغییر سرعت در لایه ها باعث ایجاد تنش در سیال میگردد . این نیرو تنش برشی است و به صورت زیر بیان و محاسبه میشود.

تنش برشی سیال

تنش برشی است که ما به وسیله وارد کردن نیروی F در جهت عمود بر صفحه و موازی با بردار نرمال صفحه بالایی بر آن وارد کردیم .

میزان مسافتی که یک جزء از سیال در بازه زمانی (t) طی میکند با استفاده از رابطه du.t قابل محاسبه و اندازه گیری است. برای اندازه گیری میزان تغییراتی که در اثر اعمال تنش بر سیال وارد میشود را میتوانیم از رابطه تقسیم میزان جا به ­جایی در راستای X بر میزان جا به جایی در طول   Y اندازه گیری و محاسبه نمود .

میزان تغییرات شکل سیال  از رابطه زیر محاسبه میشود .

نیوتون ، رابطه ای برای سیالات نیوتونی بیان کرد که در این رابطه بین تنش برشی و برش سیال در جریان های آرام و فاقد تلاطم است که به صورت زیر بیان میگردد .

بنابراین برای سیالات غیر نیوتونی ویسکوزیته آنها مستقل از شدت برش بوده و با تغییرات ویسکوزیته تغییر نمیکند .    

منحنی جریان ، منحنی است که در آن شدت برش نسبت به تنش برشی در آن رسم میشود . شیب این منحنی برای سیالات نیوتونی ثابت است و این مقدار برابر با مقدار ویسکوزیته است .

در دسته بندی سیالات نیوتونی ، مایعات ومحلول هایی که دارای وزن مولکولی پایینی هستند نیز در این دسته ، دسته بندی میشوند و موارد یاد شده برای رفتار نیوتونی هستند .

سیالات غیر نیوتونی

 

مذاب و محلول پلیمرها ، مواد امولسیون و سوسپانسیون از مواردی هستند که در سیالات غیر نیوتونی دسته بندی میشوند . به عبارت دیگر این مواد از رابطه

پیروی نمیکنند بنابراین میتوانیم بگوییم که تمام سیالاتی که منحنی آنها در این گروه دسته بندی میشوند غیر نیوتونی هستند و نمودار منحنی جریان آنها غیر خطی است . به طور معمول این مواد به سه گروه تقسیم میشوند ولی این مواد تفاوت مشخص و بارزی برای جداسازی ندارند .

گروه اول سیالات ویسکوز غیر نیوتونی

گروه اول سیالات ویسکوز غیر نیوتونی را گروهی در نظر میگیریم که مستقل از زمان هستند و ویسکوزیته آنها تابعی از شدت برش است و به پارامتر دیگری وابسته نیستند . سیالات ویسکوز غیر نیوتونی خود به دو دسته تقسیم میشوند .

الف)موادی که دارای تنش تسلیم هستند مانند خمیر دندان . ب) موادی که فاقد تنش تسلیم هستند .

• مواد فاقد تنش تسلیم خود به دو دسته تقسیم میشوند :

1- سیالات شبه پلاستیک 

در این مواد با افزایش میزان شدت برش ، ویسکوزیته کاهش می­یابد . برای نمونه این مواد میتوانیم به محلول های پلیمری و مذاب های پلیمری اشاره کرد .

2-  سیالات دایلتنت(dilatant)

که با افزایش میزان شدت برش ، ویسکوزیته سیال افزایش می­یابد که برای نمونه میتوان به خمیر نان اشاره کرد .

گروه دوم سیالات غیر نیوتونی

 موادی هستند که از نظر زمانی مستقل نیستند و به پارامتر زمان وابسته هستند . در این مواد ویسکوزیته علاوه بر تابع شدت برش به تابع مدت زمان اعمال برش نیز وابسته است این سیالات را به دو دسته تقسیم میکنیم . دسته اول تیسکوتروپیک و دسته دوم رئوپکتیک نام گذاری میشوند . در گروه تیسکوتروپیک شدت برش وارد شده ثابت و ویسکوزیتهآنها با گذشت زمان کاهش پیدا میکند . در گروه رئوپکتیک ، با ثابت در نظر گرفتن شدت برش ، ویسکوزیته نسبت به زمان افزایش می­یابد .

 

گروه سوم سیالات ویسکوالاستیک

 سیالات ویسکوالاستیک هستند که در این مواد پس از قطع کردن تنش برشی به صورت جزئی شاهد بازگشت الاستیک هستیم . این مواد دارای خواص هر دو گروه از سیالات و جامدات ویسکوز را دارا هستند . اکثر مواد پلیمری در این گروه دسته بندی میشوندبنابراین مواد موجود را به طور کلی به سه دسته مواد ویسکوز ، مواد ویسکوالاستیک و مواد الاستیک تقسیم بندی میشوند .

الاستیک

الاستیک ها موادی هستند که وقتی تحت تنش قرار میگیرند به سرعت تغییر فرم پیدا میکنند و با قطع نیروی وارد شده ، به شکل اولیه خود دست پیدا میکنند . در واقع در مورد این مواد می­توانیم بگوییم که این مواد مانند فنر عمل کرده و انرژی دریافتی را در خود ذخیره میکنند وبا قطع نیروی وارد شده ، نیروی ذخیره شده را باز گردانده و به شکل اولیه خود تبدیل میشوند .

ویسکوز

این سیالات با قرار گرفتن در برابر نیروی خارجی و تنش با گذشت زمان تغییر فرم میدهند و با حذف تنش ، تغییر فرم را در خود نگه میدارند و در واقع میتوان گفت که این مواد تمام انرژی دریافتی را صرف حرکت دادن مولکول های خود میکند و از این راه انرژی  دریافتی را هدر میدهد . به دلیل وجود پیوندهای متفاوت در میان مولکول ها با اصطکاک مواجه هستیم و تغییر فرم آنی و سریع نیست .

ویسکو الاستیک

این گونه از سیالات دارای خواص مشترکی از مواد سیال و مواد ویسکوز هستند . این مواد انرژی دریافتی را به دو دسته تقسیم میکنند دسته اول انرژی را صرف حرکت مولکول های خود کرده و تلف میکند ، دسته دیگر انرژی را مانند مواد الاستیک در خود ذخیره کرده و به هنگام حذف نیروی تنش انرژی را پس میدهد (Partial Recovery) هنگامی که به مواد ویسکوالاستیک تنش مداوم اعمال میکنیم این مواد ابتدا تغییر فرم آنی میدهد که این تغییر فرم در اثر بازشدن کلاف های پلیمری هستند .

سپس با گذشت زمان و دریافت تنش مداوم تغییر فرم مداومی پیدا میکند که این تغییر فرم مداوم به خاطر تغییرمکان و حرکت زنجیرها نسبت به یکدیگر است . با حذف شدن تنش انرژی که صرف باز شدن کلاف ها شده است به تدریج پس داده میشود .

سیال های ویسکوالاستیک با قرار گرفتن در برابر جریان برشی چون دارای جزء الاستیک می­باشند شاهد آن هستیم که در بین مولکول های ماده تنش نرمال به وجود می­آید  . سیالات ویسکوز در محدوده سرعت خاصی از سرعت برش مانند سیالات ویسکوز عمل میکند .

رفتار ویسکو الاستیک

در اثر رفتار ویسکوالاستیک مواد پدیده های زیر رخ میدهند .

• اثر ورودی و خروجی (Entrance & Exit effect)
• تورم دای ( Die Swell)
• شکست مذاب( melt fracture)
• اثر وایزنبرگ(Weissenberg effect)
• خزش(Creep)
• استهلاک یا آسودگی از تنش(Stress Relaxation)

اثر ورودی و خروجی Entrance and Exit effect

 

در انتقال مواد ویسکو الاستیک در صورتی که در مسیر حرکت سیال در داخل لوله تنش ناگهانی به لوله و سیال وارد کنیم مقداری از انرژی این تنش صرف آرایش یافتن مولکول ها و بازشدن  Coil ها درجهت حرکت سیال میشود و مقداری از انرژی نیز در زنجیرها ذخیره میشود . هرچه نسبت طول به قطر لوله بیشتر باشد زنجیر هایی که در جهت حرکت لوله آرایش پیدا کرده­اند فرصت پس دادن انرژی به قسمت ویسکوز در جهت حرکت زنجیرها و  Coil  شدن بیشتری دارند .

• قسمت الف شکل 13 اثر ورودی و خروجی تنش بر روی کلاف های پلیمری را نشان میدهد .
• قسمت ب شکل 13 ، جریان ورودی را نشان میدهد

 

 تورم دای (Die Swell)

حجم سیال وقتی که از مقطع دای خارج میشود افزایش پیدا میکند (Extrudate Swell)

این افزایش حجم نتیجه اثر ورودی است و در ناحیه وارد شدن تنش های نرمال به وجود می­آید و این عمل باعث آرایش یافتن زنجیرها(Orientation) و همچنین کشیده تر شدن زنجیر ها میشود . در ناحیه ای که تنش برداشته میشود و قطر لوله به قطر اولیه باز میگردد زنجیرها دوباره به حالت گره خورده  (Coil)تبدیل میشوند . و انرژی دریافتی را پس میدهند که این امر باعث افزایش ضخامت میشود .

    با تغییراتی همچون مخروطی کردن قسمت ورودی لوله و با افزایش نسبت طول به قطر و یا افزایش دما میتوانم تورم دای را کاهش دهیم .

شکست مذاب  (Melt Fracture)

زمانی که مذاب های پلیمری تحت تاثیر تنش بحرانی که معمولا به میزان 10⁵ تا 10⁶ )هستند به هنگام خروج از دای ، سطح آنها زبر میشود و اگر تنش را بالاتر ببریم پلیمر ما به صورت مش های تقریبا کره­ای در می­آیند . این کروی شدن نتیجه اثر ورودی میباشد وقتی اثر ورودی را با استفاده از مخروطی شکل کردن سر دای کاهش دهیم تنش بحرانی از عدد 10⁵ تا 10⁶ به عدد 10⁷ افزایش پیدا میکند .

اثر وایزنبرگ Weissenberg effect

اثر وایزنبرگ اثری است که در آن سیال ما از دیواره لوله یا میله همزن به میزان کمی بالا میرود . این پدیده به خاطر به وجود آمدن تنش های نرمال می­باشد . در واقع خطوط جریان منحنی هایی را به وجود می­آورند که زنجیره های پلیمری با قرار گرفتن در این محدوده ( منحنی شکل ) باز میشوند و در اثر نیروی انقباضی به وجود آمده باعث میشوند که مقداری از ماده ازدیواره میله بالارود و نسبت به سطح آزاد فاصله بگیرد.

خزش (Creep)

زمانی که زنجیرهای پلیمری تحت بار مشخصی قرار میگیرند در ابتدای اعمال بار ، تغییر شکل آنی در آنها به وجود می­­آید وبا گذشت زمان و ادامه اعمال این تنش و نیرو یک تغییر شکل با آهنگ ثابت در جسم و ماده ما به وجود می­آید که این تغییر شکل نتیجه حرکت کردن و لغزش زنجیره های پلیمری نسبت به یکدیگر است . میزان کم یا زیاد بودن این تغییر شکل به مدت زمانی که تنش بر ماده اعمال میگردد بستگی دارد . با طولانی شدن این اعمال بار و تنش ، تغییر شکل دائمی ایجاد میشود و به این تغییر شکل دائمی خزش گفته میشود .

 

آسودگی از تنش (Stress relaxation)

درصورت ایجاد یک تغییر شکل مشخص در یک نمونه پلیمری مقدار نیرویی که برای ثابت نگه داشتن این تغییر شکل نیاز داریم با گذشت زمان کاهش می­یابد به این افت تنشی که در اثر گذشت زمان اتفاق می­افتد آسودگی از تنش میگویند . که این پدیده از ماهیت ویسکوالاستیک پلیمرها پدید میابد . این تغییر شکل به خاطر فاصله گرفتن زنجیرهای پلیمری از یکدیگر و باز شدن زنجیرها اتفاق می­افتد که با افزایش زمان و نگهداشتن بار اعمال شده بر روی مواد پلیمری در اثر این نیرو زنجیرهای پلیمر با مصرف انرژی و کاهش تنش وارده حرکت کرده و با حفظ کردن شکل جدید ایجاد شده در اثر باز شدن زنجیرها ، زنجیرها به همان صورت کلاف گونه اولیه تبدیل میشوند .