قبل از هر چیز به توضیح مفاهیم تنش و کرنش در رئولوژی پرداخته می شود .
رئولوژی مطالعه آن دسته از خواص ماده است که حاکم بر روابط بین تنش وکرنش می باشد . بطور مثال ، خواص رئولوژیکی یک جامد الاستیک تعیین کننده تنش مورد نیاز جهت کشیدن آن یک میزان مشخص می باشند . استفاده از روابط موجود جهت محاسبه خواص رئولوژیکی به کمک اطلاعات تجربی نیازمند داشتن درک عمیقی از مفاهیم تنش و کرنش است . به همین دلیل در این قسمت به توضیح بیشتر مفاهیم این واژه ها در رئولوژیکی پرداخته می شود .
ابتدا به کرنش پرداخته می شود که یک اندازه گیری کمی از میزان از میزان تغییر شکل ماده است . پرتقالی را در نظر بگیرید که برای مشاهده لکه های روی پوستش چرخانده می شود . پرتقال هر چند دوران نموده ولی متحمل هیچ گونه تغییر شکلی نشده است و بنابراین کرنشی وجود ندارد . اما اگر این پرتقال برای بررسی میزان سفتی آن فشرده شود دچار تغییر شکل خواهد گشت. سفتی ، یک خاصیت رئولوژیکی است (هرچند از تعریف ضعیفی برخوردار است) و عموما می توان گفت که برای تغییر شکل دادن یک ماده جهت یادگیری هر چیزی در مورد خواص رئولوژیکی آن ضروری می باشد . بیان این موضوع به شکل می تواند چنین باشد ،چرخاندن پرتقال بدون فشردن آن هیچگونه اطلاعاتی در مورد میزان سفتی پرتقال بدست نخواهد داد .
1-2) سیال نیوتنی:
یک خاصیت رئولوژیکی اساسی سیال ویسکوزیته آن است . در یک جریان برشی ساده ، ویسکوزیته بصورت نسبت تنش برشی به شدت برش تعریف می گردد .
برای سیالات تک فازه ای که صرفا شامل ترکیباتی با وزن مولکولی پایین هستند ، ویسکوزیته مستقل از شدت برش است و فقط تابع فشار و دما است .
در واقع خواص رئولوژیکی تمام مواد تابع دما و فشار می باشند ، بنابراین دیگر فشار و دما را بعنوان متغیرهای مستقل مرتبا مورد اشاره قرار نخواهیم داد . بدین ترتیب می توان گفت که ویسکوزیته یک سیال نیوتنی ثابت است زیرا تابع متغیر مستقل دینامیکی نمی باشد .
درواقع برای ما یعات تک فازه دارای وزن مولکولی پائین فقط به کمک همین ثابت ماده یعنی ویسکوزیته، می توان عکس العمل مایع را در مقابل هر گونه تغییر پیدا نمود .
بنابراین می توان گفت که مایعات تک فازه دارای وزن مولکولی پائین سیالاتی نیوتنی هستند که صرفا دانستن ویسکوزیته آنها هویت رئولوژیکی اشان را مشخص می سازد . شکل زیر تصویر بسیار مرسومی برای توضیح سیالات نیوتنی است :
شکل ص 33 کتاب رئولوژیکی
شکل (1-2) حرکت برشی آرام مداوم بین دو صفحه موازی
2-2) سیالات غیر نیوتنی :
به نحوی که وابستگی ویسکوزیته به شدت برش مشخص نگردد ، البته به استثنای مواردی که ماده دارای یک تنش تسلیم است . مقدار ویسکوزیته در این محدوده از شدتهای برش را ویسکوزیته شدت برش صفر می نامند و با علامت نشان می دهند .
تمام سیالات که منحنی جریان آنها خطی نیست ، غیر نیوتنی می باشند . عموما این مواد به سه گروه عمده زیر تقسیم می شوند : هر چند وجه تمایز این طبقات از یکدیگر و یا تعریفشان خیلی دقیق نمی باشد .
1- سیالات مستقل از زمان که در آنها شدت برش در یک نقطه مشخص فقط تابع تنش برشی در همان لحظه و در همان نقطه است .
2- سیالات تا بع زمان که در آنها شدت برش نه تنها تابع مقدار برش است بلکه تابع مدت اعمال برش ونیز احتمالا مدت زمان بین اعمال تنش های برشی متوالی است
3- سیالات ویسکوالاستیک که در آنها پس از قطع یک تنش برشی تغییر شکل دهنده ، یک بازگشت الاستیک جزئی مشاهده می شود . این مواد هم خواص سیالات و هم خواص جامدات الاستیک را دارا می باشد .
3-2) سیالات غیر نیوتنی مستقل از زمان :
این مواد که در آنها ویسکوزیته صرفا تابعی از شدت برش است به اسامی زیر نیز نامیده می شوند : سیالات ویسکوز غیر نیوتنی با سیال نیوتنی تعمیم یافته مرسوم شده است که خود این مواد را نیز به دو گروه تقسیم نمایند ، یکی مواد دارای تنش تسلیم و دیگری مواد فاقد تنش تسلیم .
4-2) سیالات دارای یک تنش تسلیم :
اگر ماده ای بتواند مقدار مشخص تنش را ( یعنی تنش تسلیم ) بدون آنکه جاری شود تحمل کند . پدیده ای بنام پلاستیستی را نمایش داده است . در مقادیر بالاتر از تنش تسلیم ، ماده بطور مداوم همانند یک سیال تغییر شکل خواهد داد . علت این رفتار فیزیکی خاص معمولا به ساختمان داخلی سه بعدی ماده نسبت داده می شود . این ساختمان داخلی قادراست تا تنش برشی کمتر از مقدار تسسلیم مانع حرکت می شود ولی پس از آن در هم فروریخته و اجازه حرکت برشی را می دهد . تصور می شود که این ساختمان داخلی بلا فاصله پس از آنکه تنش کمتر از حد تسلیم گردد مجددا برقرار می شود . منحنی جریان این نوع مواد در شکل (2-2) نشان داده شده است . این منحنی ها محور تنش برشی را در نقطه قطع می کنند .
هنگامی که یک ماده پلاستیک در محدوده مشخصی از شدت های برش دچار یک تغییر شکل برشی ساده گردد . ملاحظه خواهد شد که اگر شدت برش به سمت صفر میل نماید ، تنش برشی به سمت مقدار حدی معینی میل خواهد یافت که همان تنش تسلیم است .
برخی مدل های تجربی پیشنهاد شده برای مربوط ساختن تنش برشی این مود به شدت برش آنها ارائه شده است . مدل بینگهام پلاستیک شامل دو ثابت است . یکی تنش تسلیم ودیگری ویسکوزیته پلاستیک و نمایانگر یک منحنی جریان خطی است . بیشتر مطالعات آنالیتیک انجام شده بر روی سیالات دارای یک تنش تسلیم ، به کمک معادله بینگهام پلاستیک صورت گرفته است . هر چند رفتار واقعی بینگهام پلاستیک بندرت مشاهده می شود ، ولی در بسیاری از موارد میزان خطای ایجاد شده بدلیل استفاده از این معادله در طراحی واقعا ناچیز می باشد . مدل های یک تاسه معرف منحنی های جریان غیر خطی هستند .
گاهی از اوقات نمونه هایی از سیالات دارای یک تنش تسلیم در بین مواد زیر یافت می شوند : مذابهای پلاستیکی معین گل حفاری چاه نفت ، سنگ های معدنی ، شن در آب ، زغال سنگ ، سیمان ، دوغاب های گچی و ماسه ای ، مارگارین ، گریسها ، دوغاب آبکی اکسید توریوم ، مخلوط های شکلاتی ، خمیر دندان ، صابون و دوغاب های شونده ها ، خمیر کاغذ و بتن تازه آماده شده .
5-2) سیالات فاقد یک تنش تسلیم :
1-5-2) سیالات شبه پلاستیک :
بخش عمده مواد غیر نیوتنی به این گروه تعلق دارند . منحنی جریان این نوع سیالات در شکل (2-2) نمایش داده شده است . همانطور که در این شکل دیده می شود ، منحنی در شدت های برش خیلی زیاد و خیلی کم خطی است . شیب خطی منحنی در شدت های برش خیلی بالا بنام ویسکوزیته در برش بی نهایت موسوماست در مورد این سیالات اغلب دیده شده است که رسم لگاریتمی شدت برش در مقابل تنش برشی ،در محدود وسیعی از شدت برش ، یک خط می گردد که حکایت از استفاده وسیع معادله پاورلا برای مشخص نمودن این نوع سیالات می کند . سیالات شبه پلاستیک عموما در بین مواد زیر یافته می شوند : بسیاری از محلول های با وزن مولکولی بالا ، بسیاری از سوسپانسیونهای با غلظت متوسط ، محلول های لاستیک طبیعی یا مصنوعی ،چسب ها ، محلول ها یا مذابهای پلیمری ، گریسها ، سوسپانسیونهای آهار ، استات سلولز ، محلول های مورد استفاده در ساخت رایون ، مایونز ، صابون ، دوغابهای شوینده ها ، خمیر کاغذ ، بعضی امولسیون ها و کرمها ، بعضی مرکب های چاپ ، ناپالم ، سیالات بیولوژیکال و بالاخره رنگها .
2-5-2) سیالات دایلاتانت :
در سیالات دایلاتانت بر خلاف سیالات شبه پلاستیک ، ویسکوزیته ظاهری با افزایش شدت بر افزایش می یابد . این مواد بسیار کمتر از سیالات شبه پلاستیک مرسوم هستند.
منحنی جریان این سیال در شکل (2-2) نمایش داده شده است . معمول سیالات دایلاتانت را می توان با یکی از مدل های قید شده بیان نمود در شکل (3-2) تغییرات ویسکوزیته در مقابل شدت برش برای سیالات نیوتنی ، شبه پلاستیک و دایلاتانت نمایش داده شده است .
شکل (3-2) تغییرات ویسکوزیته برای چند سیال صفحه 43
مشاهده شده است که در بین مواد زیر رفتارهای دایلاتانتی وجود دارد : برخی سوسپانسیونهای آبی دی اکسید تیتانیم ، برخی محلول های پودر ذرت – شکر ، برخی محلول های بوراکس – صمغ عربی ، نشاسته ، سیلیکات پتاسیم ، صمغ عربی در آب ، شن ساحل مرطوب ، بعضی رنگ ها و پودرآهن در مایعات دارای ویسکوزیته پائین .
6-2) سیالات غیر نیوتنی تابع زمان :
بیشتر سیالات واقعی دارای رفتار پیچیده تری از آنچه که تاکنون بحث گردیده است می باشد . بسیاری از مایعات غیر نیوتنی نه تنها ویسکوزیته ای وابسته به شدت برش دارند بلکه ساختمانشان نیز تابع زمان است . البته طبیعی است که ساختمان سیال با شدت برش تغییر پیدا می کند ولی اگر تطبیق یافتن ساختمان سیال با شدت برش اعمال شده نیازمند زمان قابل توجهی باشد در آنصورت ملاحظه خواهد شد که ویسکوزیته اندازه گیری شده در یک آژمایش برش ساده نه تنها با شدت برش تغییر می کند بلکه تابع زمان نیز هست .
این مواد معمولا به دو گروه تقسیم می شوند :
سیالات تیکسوتروپیک و یالات رئوپکتیک . وجه تمایز این دو گروه در این است که آیا تنش برشی در یک شدت برش مشخص و دمای ثابت با زمان افزایش پیدا می کند و یا کاهش می یابد .
1-6-2) سیالات تیکسوتروپیک :
این مواد اگر در معرض یک شدت برش ثابت و دمای معین قرار داده شوند تنش برشی آنها نسبت به زمان یک کاهش برگشت پذیر خواهد داشت . البته تنش برشی در نهایت به یک مقدار حدی ( که با تعادل ایجاد شده در ساختمان سیال ، به دلیل اعمال یک شدت برش مشخص ، سازگاراست ) دست خواهد یافت .
منحنی جریان با انجام یک آزمایش منفرد قابل اندازه گیری است . در این آزمایش شدت برش بطور مداوم از صفر تا یک مقدار ماکزیمم افزایش یافته و سپس فورا بطور مداوم کاهش پیدا کرده تا به صفر برسد . یک وسکومتر چرخان برای این نوع مطالعه مناسب تر است . منحنی حاصله در شکل (4-2) نمایش داده شده است .
شکل(4-2) منحنی جریان برای سیالات تیکسوتروپیک و رئوپکتیک در آزمایشات منفرد مداوم ص 45
برای توصیه رفتار سیالات تیکسوتروپیک معمولا آزمایش فوق را بصورت زیر تشریح می نمایند : سیال که به مدت زیادی در حال سکون قرار داده شده است تابه وضعیت اولیه خود برگردد اگر تحت تاثیر میزان برش ثابتی قرار داده شود به تدریج ساختمان مولکولیش شروع به شکستن نموده و ویکسوزیته با افزایش زمان کاهش می یابد . هر چه میزان برش بیشتر باشد میزان شکستگی مولکولها و کاهش ویسکوزیته نیز بیشتر خواهد بود مولکولهای شکسته شده می توانند مجددا بهم چسبیده و به حالت اول بر گرداند . هر چه تعداد مولکولهای شکسته شده بیشتر گردد ، احتمال برگشت به حالت اول نیز بیشتر می شود . زیرا مولکولهای شکسته شده بیشتری وجود دارند که می توانند بهم بچسبند . نهایتا به یک وضعیت تعادل دینامیکی رسیده خواهد شد که در آن تعداد ملکولهای که می شکنند و ملکولهای که می چسبند برابر خواهد گشت . بطور مثال اگر یک سیال تیکسوتروپیک در بین دو استانه هم مرکز قرار داده شود و یکی از استوانه ها در زمان معینی شروع به چرخش کند و سپس گشتاور وارده بر استوانه دیگر اندازه گیری شود . ملاحظه خواهد گشت که گشتاور به مرور زمان کاهش می یابد اگر تنش برداشته شود سیال مجددا به حالت اول خود باز خواهد گشت این نتیجه در شکل(5-2) نمایش داده شده است .
شکل 46
همانطور که گفته شد تیکسوتروپیک یک فرآیند برگشت پذیر است و ساختمان ماده پس از قرارگرفتن در حالت سکون به تدریج شروع به تشکیل مجدد خواهد کرد اگر منحنی جریان یک ماده تیکسوتروپیک بلافاصله پس از برش دهی و نیز پس از مدتی زمان های مختلفی که بعد از برش دهی در به حالت سکون قرار گرفته است تعیین شود . حاصل خواهد گشت . مثال هایی از خواص تیکسوتروپیک در مواد زیر یافت شده است . برخی محلول ها یا مذاب های پلیمرهای دارای جرم مولکولی بالا گل حفاری چاه نفت گریس ها ، مارگارین ، مرکب های چاه بسیاری از مواد غذایی و بالاخره رنگ ها .
2-6-2) سیالات رئوپکتیک:
این مواد بسیار نادر هستند و دقیقا عکس سیالات تیکسوتروپیک می باشد سیالات رئوتکتیک در شدت برش ثابت و تحت شرایط مایزوترمال یک افزایش برگشت پذیر را در تنش
شکل(6-2) 47
برشی نسبت به زمان نشان می دهند منحنی جریان این سیالات نیز می تواند با همان روش ذکر شده برای سیالات تیکسوتروپیک تعیین گردد این منحنی در شکل (4-2) نمایش داده شده است در این نوع سیالات ابتدا ساختمان مولکولی وجود ندار ولی بر اثر تنش برشی ساختمان سیال شروع به شکل گرفتن کرده و ویسکوزیته با زمان افزایش می یابد شکل (7-2) تغییرات ویسکوزیته با زمان را برای مواد تابع زمان نشان می دهد مشخصه های یک سیال رئوپکتیک در مواد زیر مشاهده شده است سوسپونسیون های رسی بنتونیت ، سوسپونسیون های وانادین تنتااکسید ، خمیر گچ و سوسپونسیون رقیق اولئات آمونیوم .
در انتها باید تذکر داد که تقریبا تمام طرح های مهندسی از بررسی سیالات تیکسوتروپیک و رئوپکتیک خودداری می کند درک علت این موضوع برای جریان های مداوم ایزوترمال یعنی حالتی که در اکثر جریان های داخل لوله وجود دارد چندان مشکل نیست زیرا برای حل این مسائل می توان از روش های طراحی مربوط به سیالات مستقل از زمان استفاده نمود بدین منظور ارزیابی خواص سیالات تابع زمان در سخت ترین شرایط انجام می گردد
شکل(7-2) ص48
یعنی برای سیالات تیکسوتروپیک به محض شروع جریان پس از یک سکون طولانی و برای سیال رئوپکتیک پس از یک برش طولانی بدیهی است که به کار گیری روش های طراحی سیالات مسقل از زمان برای سیالات تابع زمان نمی تواند در مواقعی که شرایط غیر ایزوترمال است و یا شدت برش ثابت نیست قابل قبول باشد .
7-2) سیالات ویسکوالاستیک :
این مواد هم خاصیت ویسکوز و هم خاصیت الاستیک را توما دارا می باشد در یک جامد الاستیک ایده ال رابطه بین تنش و کرنش مستقل از زمان است ولی در یک ماده ویسکوالاستیک تنش لازم جهت حفظ یک کرنش ثابت به مرور زمان کاهش می یابد از طرف دیگر برخلاف سیالات مستقل از زمان پس از قطع تنشی که موجب جریان یافتن یک سیال ویسکوالاستیک شده است بخشی از تغییر شکل و تدریج باز خواهد گشت . مثال هایی از سیالات ویسکوالاستیک عبارتند از : قیرها ، خمیرنان ، اغلب محلول ها ومذاب های پلیمری مثل نایلون محلول ژلاتین، ناپالم ، و بسیاری از محلول های پلیمری تعلق اکثر مواد پلیمری به این گروه سبب کسب اهمیت فراوان آن گشته است در مواد تیکسوتروپیک و رئوپکتیک ساختمان ( و در نتیجه ویسکوزیته) تابع آخرین شرایط برش دهی است ولی در مواد ویسکوالاستیک ماده دارای یک حافظه جهت دار از آخرین تغییر شکل ها است این موضوع سبب بروز پدیده هایی چون آسودگی از تنش و بازگشت الاستیک می شود بطور مثال آزمایشی را در نظر بگیرید که طی آن ماده در معرض برش دهی ساده مداومی قرار می گیرد و بعد بطور ناگهانی عمل برش دهی قطع می شود و صفحات مرزی همچنین در موقعیت اولیه خود نگاه داشته می شوند اگر ماده مورد بحث یک سیال نیوتنی یا هر سیال غیرالاستیک دیگری بود در آن صورت پس از قطع عملیات برش دهی هیچ تنشی برای نگه داشتن صفحات در وضعیت اولیه خود لازم نمی بود بنابراین می توان گفت که پس از قطع برش مداوم آسودگی از تنش در مواد غیر الاستیک آنی است اما اگر ماده مورد مطالعه ویسکوالاستیک بوده باشد تنش نمی تواند به طور آنی به صفر برگردد و یک منحنی برای آسودگی از تنش بدست می آید . اکنون آزمایش دیگری را در نظر بگیرید که طی آن یک عمل برش دهی مداوم مثل آنچه که در شکل (4-2) نمایش داده شده است.
اکنون آزمایش دیگری را در نظر بگیرید که طی آن یک عمل برش دهی مداوم ، با برداشته شدن تنش برشی از صفحه بالایی (یعنی صفحه متحرک) بطور ناگهانی قطع می شود . اگر ماده بین صفحات یک سیال نیوتنی یا هر نوع سیال غیر الاستیک دیگری بوده باشد صفحه بالایی پس از قطع نیروی وارده بر آن به سادگی متوقف می شود . اما اگر ماده مورد نظر یک سیال ویسکوالاستیک بوده باشد صفحه بالایی تا حدی به عقب باز خواهد گشت اما این ، برگشت الاستیک آنی نخواهد بود زیرا مکانیزم های ویسکوز سبب کند شدن حرکت خواهند گشت شکل (9-2) نشان دهنده منحنی کرنش در مقابل زمان برای ِیک ماده ویسکوالاستیک است که بازگشت الاستیک را نمایش می دهد .
بنابراین از بحث های به عمل آمده مشخص است که خواص رئولوژیکی مواد ویسکوالاستیک در هر لحظه تابع وضعیت پیشین آن می باشند و نمی توانند صرفا رابطه بین تنش برشی و شدت برش بیان گردندبدین منظور استفاده از مشتقات زمانی این دو کمیت نیز ضروری است .
در تئوریهای مختلف ویسکوالاستیسیته ، عکس العمل الاستیک ماده به شکل های گوناگونی در مدل های رئولوژیکی وارد گردیده است .
منبع این متن رو لطفا معرفی کنید.