Классификация жидкостей. В зависимости от особенностей течения все жидкости подразделяются на ньютоновские и не­ньютоновские.

Течение ньютоновских жидкостей подчиняется простому за­кону. Рассмотрим течение жидкости в капилляре с радиусом г. При приложении внешней силы F происходит движение жидко­сти. В установившемся ламинарном режиме течения внешнее усилие уравновешивается внутренним сопротивлением (вязко­стью) жидкости. Для ньютоновской жидкости напряжение сдви­га пропорционально градиенту скорости движения жидко­сти, т. е.

F dV,..

T = r = W = ™

где т — напряжение сдвига —сила, отнесенная к единице пло­щади, действующая между параллельно перемещающи­мися слоями жидкости, дин/см2;

F — внешняя сила, дин;

S — площадь, по которой происходит сдвиг под влиянием приложенной силы F, см2;

V — скорость потока, см/сек; г — расстояние от центра до стенки капилляра; цо — вязкость жидкости, пз (дин • сек ■ см~2) у — градиент скорости (скорость деформации сдвига), по­казывающий изменение скорости на единицу расстоя­ния в направлении, перпендикулярном потоку, се/с-1.

Течение слоев жидкости в капилляре происходит с различной скоростью. Слои, лежащие ближе к стенкам капилляра, вслед­ствие трения о стенку перемещаются медленнее, чем слои, ле­жащие ближе к центру; максимальная скорость перемещения
жидкости происходит в центре капилляра. Для установившегося ламинарного движения распределение скоростей приобретает форму параболы (рис. 26). Градиент скорости при движении жидкости в капилляре изменяется от нуля в центре капилляра до максимального значения вблизи стенки капилляра.

Для ньютоновских жидкостей вязкость является физической константой, зависящей от температуры и не зависящей от ско­рости сдвига. График изменения градиента скорости от напря-

Рис. 26. Изменение Рис. 27. Кривые течения различных

скорости и градиента жидкостей:

СКОПОС/пи При течении 1—бингамовская жидкость: 2—псевдо­жидкости через капил - пластическая: 3—ньютоновская: 4^дила-

ляр тантная.

жения сдвига для ньютоновской жидкости выражается прямой линией, проходящей через начало координат, тангенс угла на­клона которой численно равен единице, деленной на величину вязкости (рис. 27, кривая 3). Ньютоновское течение характерно для большинства низкомолекулярных жидкостей с относительно небольшой вязкостью:

Вещества. . Вола Ртуть Уксусная Сероугле - Метило - Аце-

кислота род вый той

спирт

Вязкость, спз. !,005 1,554 1,22 0,366 0,58 0,322

Известно большое число систем, течение которых не подчи­няется закону Ньютона. К ним относятся разнообразные суспен­зии, концентрированные растворы и расплавы полимеров. Вяз­кость этих жидкостей зависит не только от температуры, но так­же от скорости сдвига, предыстории жидкости и других факго-
ров. Зависимость т=/(у) является более сложной, чем в уравне­нии (1), и кривые течения нелинейны.

Неньютоновские жидкости подразделяются на три группы1’2:

1. Системы, в которых скорость сдвига в каждой точке зави­сит только от напряжения сдвига и не зависит от продолжитель­ности действия внешней силы (жидкости, эффективная вязкость которых является функцией напряжения и скорости сдвига).

2. Системы, в которых скорость сдвига определяется не толь­ко напряжением сдвига, но также продолжительностью дейст­вия внешней силы (тиксотропные и реопектические системы). На свойства таких систем оказывает влияние предыстория жид­кости.

3. Системы, обладающие вязкостными и эластическими свой­ствами, так называемые вязко-эластические или вязко-упругие жидкости.

Жидкости, эффективная вязкость[5] которых зависит от напря­жения и скорости сдвига. Течение этих жидкостей описывается реологическим уравнением t = f(y). Их, в свою очередь, можно подразделить на три подгруппы (рис.27).

Бинга мовские жидкости (кривая /). Течение бинга - мовской жидкости начинается только при достижении опреде­ленного напряжения сдвига ху, называемого критическим напря­жением сдвига (предел текучести). Покоящаяся бингамовская жидкость имеет жесткую структуру, оказывающую сопротивле­ние внешнему воздействию. При достижении напряжения, пре­вышающего предел текучести, происходит разрушение структу­ры и последующее течение жидкости в соответствии с законом Ньютона. При напряжении сдвига меньше ху структура снова восстанавливается. Поведение бингамовской жидкости описы­вается уравнением:

х = ЪГ (2)

где pi — пластическая вязкость;

Т > Ту.

К таким жидкостям относятся масляные краски, буровые растворы, грязи и др.

Псевдопластические жидкости. Характерным для псевдопластических жидкостей является уменьшение вязкости с увеличением напряжения или скорости сдвига (кривая 2). Такая закономерность наблюдается в определенном интервале значе­ния напряжения сдвига. Течение таких систем может описывать­ся так называемым степенным уравнением:

7 = Кхп или "с = KjY"1 (3)

где К, Кь п и iii—константы, характеризующие текучесть жид­кости.

Для псевдопластической жидкости п> 1; rii<l. Константы К и К являются мерой вязкости жидкости, они характеризуют эффективную вязкость.

К псевдопластическим жидкостям относятся растворы и расплавы большинства полимеров.

Дилатантные жидкости. Для дилатантных, так же как и для псевдопластических, жидкостей вязкость зависит от напряжения сдвига, но с увеличением напряжения сдвига на­блюдается не уменьшение, а увеличение вязкости движущейся жидкости (кривая 4). Если к течению таких жидкостей приме­нить степенное уравнение (3), то в этом случае «< 1, a ti>. К дилатантным жидкостям относятся многие концентрирован­ные суспензии. Увеличение внутреннего сопротивления этих си­стем объясняется тем, что при перемещении твердых частиц не хватает жидкой фазы, играющей роль смазки. В результате этого по мере увеличения напряжения сдвига возрастает вяз­кость системы.

Тиксотропные и реопектические системы. К этой группе от­носятся жидкости, изменение свойств которых происходит в зависимости от продолжительности действия напряжения. Чем больше продолжительность действия напряжения, тем в боль­шей степени изменяется эффективная вязкость. Другими сло­вами

т) = /(тД)

где t — продолжительность действия напряжения.

Жидкости этой группы подразделяются на тиксотропные — эффективная вязкость которых уменьшается с увеличением про­должительности действия сдвига и реопектические — эффектив­ная вязкость которых возрастает с увеличением продолжитель­ности действия сдвига.

Явление тиксотропии присуще материалам (печатные краски, крахмальный клейстер и др.), обладающим внутренней структу­рой. Под влиянием внешнего механического усилия с течением времени происходит разрушение структуры. При постоянной температуре этот процесс обратим. После снятия напряжения наблюдается постепенное восстановление начальной структуры. В процессе течения наряду с разрушением происходит также восстановление разрушенных связей, поэтому по истечении оп­ределенного времени наступает динамическое равновесие, опре­деляемое величиной у. В зависимости от продолжительности эксперимента и продолжительности разрушения и восстановле­ния структуры в тиксотропных жидкостях наблюдаются гисте - резисные потери.

Явление реопексии наблюдается для водных суспензий глин.

Вязко-упругие жидкости обладают пластическими (необрати­мыми) и упругими, точнее упруго-эластическими свойствами, обусловливающими частичное восстановление исходной формы материала после снятия напряжения. При пластической дефор­мации энергия сдвига полностью превращается в тепловую. При упругой деформации - затраченная энергия аккумулиру­ется в виде потенциальной энергии и может быть возвращена при снятии напряжения. Этот вид течения свойственен линей­ным полимерным материалам и обусловлен тем, что наряду с перемещением (пластическим течением) макромолекул и их агрегатов происходит изменение конформации макромолекул. Последний процесс является обратимым и протекает во време­ни, определяемом временем релаксации системы. Свойства та­ких систем зависят от продолжительности действия напряже­ния, но причины, обусловливающие временную зависимость свойств, иные, чем для тиксотропных жидкостей.

Свойства вязко-упругих жидкостей в простейшем случае можно описать уравнением:

где G — модуль сдвига.

Приведенная классификация жидкостей является в извест­ной мере условной, но достоинство ее заключается в том, что она дает возможность сгруппировать тела, способные к течению, по наиболее характерным для них признакам.

Это облегчает изучение этих сложных и практически важных систем. В реальных жидкостях часто одновременно могут про­являться свойства, присущие различным жидкостям.

Расплавы полимеров, как правило, обладают свойствами пластической и вязко-упругой жидкости; эти свойства проявля­ются при течении расплавов полимеров.

Механизм течения зависит от свойств полимера и парамет­ров течения.