3. Особенности пробочного режима течения.

Ежедневный опыт показывает, что зубная паста выдавливается из тюбика в виде цилиндра, который, будучи полутвердым, просто садится на щетинки зубной щетки. Зубные пасты, как и многие другие жидкости, такие как высоконаполненные расплавы полимеров или каучуковые композиции, содержащие в некоторых случаях более 30% углеродной сажи, характеризуются отчетливо выраженным пределом текучести. Экструзия их через капилляры часто сопровождается необычным профилем скоростей, который существенно отличается от параболического профиля скоростей ньютоновских жидкостей (рис. 87). Если напряжение, уменьшающееся по направлению от стенки капилляра к его центру, падает ниже предела теку-чести, как, например, у зубной пасты, то центральная часть выдавливаемой массы движется вперед как твердая пробка. В массе, которая находится внутри пробки, не возникает сдвигового напряжения, и ее вязкость бесконечна. Реальный сдвиг концентрируется в наружном кольцевом слое массы между внутренней пробкой и стенкой капилляра (толщиной иногда в доли миллиметра), в результате чего вязкость этой части массы сильно снижается. Часто этот кольцевой слой действует как своего рода низковязкая "смазка" при экструзии внутренней пробки.

Высокий сдвиг может дополнительно привести к фазовому разделению водной композиции, выдавливая тонкий слой воды, которая служит дополнительной смазкой для внутренней пробки.

Расчет скорости сдвига и вязкости материалов, проявляющих пробочный характер течения, по обычным уравнениям Хаге-на-Пуазейля для течения ньютоновских жидкостей приводит к совершенно ошибочным результатам . В этом случае расчет любой "средней" скорости сдвига по сечению капилляра не имеет смысла.

Величины предела текучести при нулевом сдвиге и свойства массы при высокой скорости сдвига были измерены в рабочем зазоре ротационных реометров с учетом того, что скорости сдвига жидкостей, склонных к развитию пробочного течения, составляют не 500 или 1000 ,а “нуль” в центре пробки и, возможно, 10 или а даже 10 - в кольцевом слое вблизи стенки капилляра.

4. Примеры оценки скоростей сдвига, соответствующих некоторым типичным технологическим процессам.

В данном случае величины скоростей сдвига могут быть определены с коэффициентом точности в пределах порядка.

Такая оценка проводится по уравнению:

4.1. Нанесение лакокрасочных покрытий

Обычно в технологии лакокрасочных покрытий имеют дело с широким диапазоном скоростей сдвига. Поэтому лакокрасочные покрытия при нанесении подвергаются воздействию как очень высоких, так и очень низких скоростей сдвига (рис. 88). Когда краску вычерпывают из бидона-скорость сдвига может достигать 10 .

В процессе нанесения краски (рис. 89) кисть может двигаться по поверхности со скоростью 𝑣=1000 мм/с. Толщина слоя краски принимается равной у = 0,2 мм. Тогда скорость сдвига при нанесении кистью составляет:

ɣ== = 5000

При распылении краски давлением воздуха из сопла пистолета скорость сдвига приблизительно равна 50000 .

Лакокрасочное покрытие, нанесенное кистью на вертикальную стенку, стремится стечь под влиянием силы тяжести (рис. 90). Напряжение сдвига на стенке , которое существует на границе между слоем покрытия и стенкой, равно

где напряжение сдвига на стенке, Па; A-площадь поверхности стенки; G-вес покрытия, действующим на площади A, Н; h-толщина слоя покрытия, м; y-переменная в горизонтальном направлении (h); ρ-плотность краски, кг/; g-ускорение силы тяжести, м/; 𝑣-скорость стекаиия в вертикальном направлении; s-длина потека покрытия за период времени t.

Скорость сдвига равна

Интегрирование выражения

дает скорость стекания 𝑣:

для ньютоновской жидкости

В случае такой неньютоновской жидкости, как тело Бингама, напряжение сдвига равна

τ=

При τ величина ɣ=0, т. е. слой покрытия не течет. При τ слой будет опускаться вниз как твердая пластина по слою (), который течет со скоростью 𝑣, определяемой сдвиговой зависимостью вязкости данного покрытия.

Пример: для покрытия, не проявляющего предела текучести: у=0,1 мм=0,01 см=0,0001 м; ρ=1,1 г/; = 1100 кг/; g = 9,81 м/; ŋ = 2,0 Пас при ɣ=1 ; =yρg=0,000111009,81 =1,08 [H/=Па];

При условии, что покрытие не проявляет предела текучести и его вязкость не возрастает из-за испарения растворителя или сорбции растворителя порами стены, длина потека на окрашенной поверхности за время t=60 с составит

s=𝑣t=0,02560=1,5 мм

Покрытие будет стекать с вертикальной стены, только когда напряжение сдвига на границе выше, чем напряжение сдвига :

Это значит, что стекание покрытия будет иметь место только в том случае, если толщина его слоя отвечает соотношению

Чтобы иметь хорошие потребительские характеристики, качест-венные краски обязательно должны быть неньютоновскими жидко-стями, вязкость которых сильно зависит от скорости сдвига. очень важно знать, обладает ли краска пределом текучести , который необходимо измерять при скорости сдвига, близкой к ɣ=0. Для классификации качества красок с точки зрения реологии необходимо учитывать не только одну скорость сдвига, а область скоростей сдвига, перекрывающую иногда более шести десятичных порядков.