Niektóre płyny stają się rzadsze, gdy zaczynają płynąć szybciej
Woda ma w przybliżeniu stałą lepkość w szerokim zakresie zwykłych warunków, ale wiele płynów nienewtonowskich zachowuje się inaczej. W płynach rozrzedzanych ścinaniem lepkość pozorna maleje, gdy rośnie szybkość ścinania. Oznacza to, że materiał może mocno opierać się powolnemu ruchowi, a pod intensywnym mieszaniem, pompowaniem albo rozprowadzaniem płynąć znacznie łatwiej. Takie zachowanie występuje w licznych zawiesinach i roztworach polimerowych. Mechanizm zależy od konkretnego materiału, ale często przepływ porządkuje lub rozrywa struktury, które przy małym ścinaniu zwiększały opór.
Lepkość nie zawsze jest stałą
Dla idealnego płynu Newtonowskiego naprężenie ścinające jest proporcjonalne do szybkości ścinania, a współczynnik lepkości pozostaje stały. W złożonych płynach ta zależność może być nieliniowa.
Co oznacza shear thinning
NIST definiuje płyny shear-thinning jako takie, których lepkość jest niższa podczas intensywniejszego ścinania. Materiał nie musi zmieniać temperatury ani składu chemicznego, aby wyraźnie zmienić opór przepływu.
Skąd bierze się efekt
W różnych układach odpowiadają za niego różne mikrostruktury: orientowanie długich cząsteczek, rozpad agregatów albo reorganizacja zawiesiny. Wspólny skutek makroskopowy to łatwiejszy przepływ przy większej szybkości deformacji.
Dlaczego to pomaga w codziennych produktach
Farba powinna łatwo rozpływać się pod pędzlem, ale po nałożeniu nie spływać natychmiast ze ściany. Kosmetyk ma dać się rozprowadzić, a potem pozostać na miejscu. Rozrzedzanie ścinaniem jest więc często pożądaną cechą projektowaną celowo.
Krew również nie jest idealnie Newtonowska
Krew jest zawiesiną komórek w osoczu, dlatego jej lepkość zależy od warunków przepływu, szczególnie w małych szybkościach ścinania i małych naczyniach. To jeden z powodów, dla których prosty model wody nie wystarcza do dokładnego opisu krążenia.
Jak mierzy się takie płyny
Reologia korzysta z urządzeń mierzących relację między naprężeniem i szybkością ścinania. Zamiast jednej liczby lepkości powstaje często cała krzywa przepływu. Dla materiału nienewtonowskiego pytanie „jaka jest lepkość?” bez podania warunków może być niepełne.
Struktura molekularna i mikrostruktura
W roztworach polimerów długie łańcuchy mogą w spoczynku tworzyć splątane konfiguracje. Pod wpływem szybkiego przepływu częściowo ustawiają się zgodnie z kierunkiem ruchu, zmniejszając opór. W zawiesinach mogą z kolei rozpadać się luźne agregaty. Dlatego wspólny efekt makroskopowy — spadek lepkości — może mieć różne mikroskopowe przyczyny.
Dlaczego to ważne w pompach i rurociągach
Płyn shear-thinning może być gęsty w zbiorniku, a mimo to przepływać względnie łatwo przez rurę przy dużym ścinaniu. To korzystne w transporcie farb, past, żywności i polimerów. Projektant nie może jednak użyć jednej wartości lepkości z katalogu; musi znać krzywą reologiczną i zakres szybkości ścinania występujący w konkretnym urządzeniu.
Rozrzedzanie może ułatwiać połykanie
Wiele produktów spożywczych i płynów biologicznych jest projektowanych lub naturalnie dostosowanych tak, by ich opór zmieniał się podczas przepływu. Sos może pozostać na potrawie, a podczas gryzienia i przełykania stać się łatwiejszy do przemieszczania. Właściwa reologia jest więc istotna nie tylko dla produkcji, ale także dla odczuwania tekstury.
Nie każdy spadek lepkości to shear thinning
Lepkość cieczy może spaść również dlatego, że wzrosła temperatura. Rozrzedzanie ścinaniem oznacza natomiast zmianę przy praktycznie stałej temperaturze wynikającą z samej szybkości deformacji. W eksperymencie trzeba więc kontrolować ogrzewanie próbki, szczególnie gdy intensywne mieszanie generuje ciepło.
Pseudoplastyczność i codzienny język
Płyny rozrzedzane ścinaniem bywają nazywane pseudoplastycznymi. Nazwa historycznie sugeruje zachowanie podobne do materiału plastycznego, ale najważniejsza jest zależność lepkości od szybkości ścinania. W praktyce producenci często opisują materiał przez parametry modeli reologicznych, a nie pojedynczą lepkość, bo tylko wtedy można przewidzieć zachowanie w różnych procesach.