- 02166129745
- info@araco.ir
رئولوژی (Rheology) علم مطالعه جریان و تغییر شکل مواد تحت اثر نیروست. این واژه از ریشه یونانی «rheos» به معنی جریان گرفته شده و اولین بار در سال ۱۹۲۹ توسط اوجین بینگهام معرفی شد.
رئولوژی توضیح میدهد چرا رنگ روی قلممو روان حرکت میکند اما روی دیوار نمیچکد، چرا خمیر دندان تا وقتی فشار نیاورید بیرون نمیآید و چرا دو محصول با عدد ویسکوزیته یکسان، روی خط تولید رفتار کاملاً متفاوتی از خود نشان میدهند.
خیلی از کارخانهها هنوز کیفیت محصول را با یک عدد ویسکوزیته در یک شرایط ثابت کنترل میکنند. این روش برای سیالات ساده جواب میدهد، اما برای مواد پیچیده اغلب گمراهکننده است.
دو نمونه رنگ ممکن است در یک دور ویسکومتر عدد یکسانی نشان دهند، ولی یکی هنگام اعمال روی سطح چکه کند و دیگری نه. رئولوژی رفتار ماده را در بازه وسیعی از نرخ برش و زمان بررسی میکند و تصویر واقعیتری از عملکرد محصول میدهد.
نیروی مماسی وارد بر واحد سطح است و واحد آن پاسکال میباشد.
سرعت تغییر شکل ماده را نشان میدهد و واحد آن معکوس ثانیه (۱/s) است. نرخ برش در فرایندهای مختلف بسیار متفاوت است:
| فرایند | نرخ برش تقریبی (۱/s) |
|---|---|
| تهنشینی ذرات در انبار | ۱۰⁻⁶ تا ۱۰⁻³ |
| تراز شدن رنگ | ۰٫۱ تا ۱ |
| ریختن از ظرف | ۱ تا ۱۰۰ |
| پمپاژ و لولهکشی | ۱ تا ۱۰۰۰ |
| همزدن و مخلوطکردن | ۱۰ تا ۱۰۰۰ |
| قلممو و اسپری | ۱۰۰۰ تا ۱۰⁵ |
نسبت تنش برشی به نرخ برش است: η = τ / γ̇.
واحد SI آن پاسکالثانیه است، اما در صنعت معمولاً از سانتیپواز (cP) استفاده میشود. آب در ۲۰ درجه سانتیگراد حدود ۱ سانتیپواز ویسکوزیته دارد.
در این سیالات، ویسکوزیته در دما و فشار ثابت به نرخ برش بستگی ندارد و منحنی جریان یک خط راست گذرنده از مبدأ است. آب، الکل، حلالهای ساده، روغنهای معدنی خالص و گلیسیرین از این دستهاند. برای این مواد یک عدد ویسکوزیته معمولاً کافی است.
در این گروه، ویسکوزیته با تغییر نرخ برش (و گاهی با زمان) تغییر میکند. بیشتر محصولات صنعتی مثل رنگ، چسب، مذاب پلیمری، سسها و خمیرها غیرنیوتنی هستند.
رقیقشونده با برش (Shear-thinning)
با افزایش نرخ برش، ویسکوزیته کم میشود. رنگ، کچاپ، شامپو و محلولهای پلیمری نمونههای رایج هستند. پمپاژ و پاشش آنها آسان است، اما در حالت سکون غلیظ میمانند.
غلیظشونده با برش (Shear-thickening)
با افزایش نرخ برش، ویسکوزیته زیاد میشود. مخلوط غلیظ نشاسته و آب نمونه معروف آن است. این رفتار در فرایندهای صنعتی معمولاً ناخواسته است و میتواند باعث گرفتگی پمپ شود.
مواد دارای تنش تسلیم (Yield Stress)
تا رسیدن به یک تنش بحرانی مانند جامد رفتار میکنند و بعد جاری میشوند. خمیر دندان، مایونز، بتن تازه و گل حفاری از این دستهاند.
مدل بینگهام: τ = τy + ηpγ̇
مدل هرشل–بالکلی: τ = τy + Kγ̇ⁿ
مواد تیکسوتروپیک با گذشت زمان تحت برش، ویسکوزیتهشان کم میشود و پس از قطع برش دوباره برمیگردند. رنگهای ضدچکه و بسیاری از ژلها چنین رفتاری دارند.
مواد رئوپکتیک رفتار معکوس دارند و نسبتاً نادر هستند.
| مدل | معادله | کاربرد اصلی |
|---|---|---|
| نیوتنی | τ = ηγ̇ | آب، روغنهای ساده |
| قانون توان | τ = Kγ̇ⁿ | مواد رقیقشونده و غلیظشونده |
| بینگهام | τ = τy + ηpγ̇ | مواد دارای تنش تسلیم |
| هرشل–بالکلی | τ = τy + Kγ̇ⁿ | خمیرها، گل حفاری |
| کاسون | √τ = √τy + √(ηcγ̇) | شکلات، خون، جوهر |
| کراس / کارّو | — | پلیمرها در بازه وسیع نرخ برش |
خیلی از مواد همزمان خاصیت جامدگونه و مایعگونه دارند. در آزمون نوسانی دو کمیت مهم اندازهگیری میشود:
اگر G′ بزرگتر از G″ باشد، ماده رفتار ژلمانند دارد. نسبت tan δ = G″/G′ هم برای مقایسه این دو خاصیت به کار میرود. این آزمونها در ارزیابی پایداری امولسیونها، کیفیت ژلها و زمان پخت رزینها بسیار مفید هستند.
ویسکومتر
ویسکوزیته را در شرایط مشخص اندازه میگیرد (چرخشی، فنجانی، مویینهای یا سقوط گلوله). برای کنترل کیفیت سریع مناسب است.
رئومتر
تنش، کرنش و نرخ برش را دقیق کنترل میکند و امکان انجام آزمونهای جریان، نوسانی، خزش و بازیابی، آزادسازی تنش و آزمون سهمرحلهای تیکسوتروپی را فراهم میکند. هندسههای رایج شامل مخروط–صفحه، صفحه–صفحه و استوانههای هممرکز است.
برای گرفتن نتایج قابل اعتماد این نکات را رعایت کنید:
کنترل رئولوژی به یکنواختی کیفیت بین بچها، کاهش ضایعات و مصرف انرژی، انتخاب درست پمپ و میکسر و پیشبینی پایداری در انبارداری کمک میکند. محصولی که در آزمایشگاه قابلقبول به نظر میرسد، ممکن است در خط تولید یا دست مصرفکننده رفتار متفاوتی نشان دهد.
تفاوت ویسکومتر و رئومتر چیست؟
ویسکومتر ویسکوزیته را در شرایط محدود اندازه میگیرد، اما رئومتر امکان کنترل دقیق تنش و کرنش و انجام آزمونهای وابسته به زمان را فراهم میکند.
آیا همه مواد غیرنیوتنی رقیقشونده هستند؟
خیر. رفتار غلیظشونده، دارای تنش تسلیم و وابسته به زمان هم وجود دارد.
چرا ویسکوزیته یک محصول در آزمایشگاه و خط تولید متفاوت است؟
معمولاً به دلیل تفاوت نرخ برش، دما، سابقه برشی یا آمادهسازی ناکامل نمونه است.
رئولوژی چه ارتباطی با پایداری محصول دارد؟
تنش تسلیم و مدولهای ویسکوالاستیک نشان میدهند ماده در سکون چقدر در برابر تهنشینی، جدایی فازی و شرهکردن مقاومت میکند.
رئولوژی پل ارتباطی میان ساختار داخلی ماده و عملکرد آن در فرایند و مصرف است. شناخت تفاوت سیالات نیوتنی و غیرنیوتنی، آشنایی با مدلهای جریان و انتخاب درست روش اندازهگیری، پایه تصمیمگیری درست در طراحی محصول و فرایند محسوب میشود.