Dilatant

Un dilatant (numit și fluid de îngroșare forfecare ) este un material în care vâscozitatea crește pe măsură ce tensiunea de forfecare crește. Acest fluid de îngroșare prin forfecare , cunoscut și sub acronimul englezesc STF , este un exemplu de fluid non-newtonian , în care vâscozitatea de forfecare crește pe măsură ce crește tensiunea de forfecare aplicată.

Comparația comportamentului ratei de creștere a tensiunii de forfecare a patru tipuri de fluide în funcție de tensiunea de forfecare aplicată

Acest comportament este doar unul dintre tipurile de abatere de la legea lui Newton și este controlat de factori precum dimensiunea particulelor, forma și distribuția. Proprietățile acestor suspensii sunt explicate de teoria Hamaker și forțele Van der Waals și pot fi stabilizate electrostatic sau steric. Fenomenul de îngroșare prin forfecare apare atunci când o suspensie coloidală se schimbă de la o stare stabilă la o stare de floculare . Acest comportament este în prezent studiat pentru aplicarea în fabricarea așa-numitelor armuri lichide , veste antiglonț care conțin dilatanți, de către companii precum Dow Corning cu „Sistemul de protecție activă” ^[1] (Sistemul de protecție activă). O mare parte a proprietăților acestor sisteme se datorează chimiei suprafeței particulelor dispersate, cunoscute sub numele de coloizi .

Puteți vedea cu ușurință acest efect făcând un amestec de amidon de porumb și apă ^[2] (uneori numit oobleck ), care se comportă absolut neașteptat atunci când este lovit sau aruncat pe o suprafață. Nisipul complet ud cu apă se comportă și ca un material de dilatare. Acesta este motivul pentru care, mergând pe nisip umed, apare o zonă mai uscată acolo unde piciorul a aterizat ^[3] .

Reopexia este o proprietate similară, în care vâscozitatea crește pe măsură ce stresul sau agitația cumulativă crește în timp. Un material care se comportă contrar celui al unui dilatant se numește pseudoplastic .

Definiții

Există două tipuri de abateri de la Legea lui Newton care sunt observate în sistemele reale. Cea mai frecventă abatere este comportamentul de subțiere sub solicitare de forfecare, unde vâscozitatea sistemului scade odată cu creșterea vitezei de forfecare . A doua abatere este comportamentul de îngroșare sub solicitare de forfecare, în care vâscozitatea crește odată cu creșterea ratei de forfecare. Acest comportament este observat deoarece sistemul cristalizează sub stres și se comportă mai mult ca un solid decât ca o soluție ^[4] . Prin urmare, vâscozitatea unui fluid care se îngroașă la forfecare este o funcție a vitezei de forfecare. Prezența particulelor în suspensie afectează adesea vâscozitatea unei soluții. De fapt, cu particulele potrivite, chiar și un fluid newtonian poate prezenta un comportament non-newtonian. Un exemplu în acest sens este amidonul de porumb în apă (a se vedea secțiunea „Exemple” de mai jos).

Parametrii care controlează îngroșarea prin forfecare sunt:

mărimea și distribuția mărimii particulelor,
fracțiunea volumetrică a particulelor,
forma particulei,
interacțiuni particule-particule,
vâscozitatea omogenă a fazei,
tipul, viteza și durata deformării.

În plus față de acești parametri, trebuie luat în considerare faptul că toate fluidele de îngroșare prin forfecare sunt suspensii stabile și au o fracțiune volumetrică de solid relativ mare ^[5] .

Vâscozitatea unei soluții în funcție de tensiunea de forfecare este dată de ecuația funcției exponențiale ^[6] , unde η este vâscozitatea, K este o caracteristică constantă a materialului și γ........ este forța de forfecare aplicată:

\eta =K{\dot {\gamma }}^{n-1}

{\ displaystyle \ eta = K {\ dot {\ gamma}} ^ {n-1}}

{\ displaystyle \ eta = K {\ dot {\ gamma}} ^ {n-1}}

Comportamentul dilatator apare atunci când n este mai mare de 1 ^[7] .

Mai jos este un tabel cu valorile vâscozității pentru unele materiale comune ^[8] ^[9] ^[10] :

Material	Viscozitate (cP)
Benzen	0,601
Tetraclorură de carbon	0,88
Etanol	1,06
Mercur	1,55
Pentan	2.24
Acid sulfuric	27
Apă la 298 K.	1 - 5
460 K apă	1 - 5
Sânge	10
Lichid antigel	14
Sirop din esență de arțar	150-200
Miere	2.000-3.000
Sirop de ciocolată	10.000-25.000
Unt de arahide	150.000-250.000
Ketchup	50.000–70.000

Suspensie stabilă

O suspensie este compusă dintr-o fază sub formă de particule fine dispersată într-o fază eterogenă diferită. Îngroșarea prin forfecare se observă în sistemele în care o fază solidă sub formă de particule este dispersată într-o fază lichidă. Aceste amestecuri diferă de coloizi prin faptul că sunt instabile. Particulele solide dispersate sunt suficient de mari pentru a se așeza , separându-se astfel de faza lichidă. În schimb, într-un coloid, solidele dispersate sunt de dimensiuni mai mici și nu se depun. Există multe metode de stabilizare a suspensiilor, inclusiv metode electrostatice și sterice.

Energia de respingere ca funcție a separării particulelor

Într-o suspensie instabilă, faza de particule dispersate tinde să se separe de suspensie datorită forțelor care acționează asupra particulelor (de exemplu forța gravitațională sau atracția Hamaker). Intensitatea efectului pe care aceste forțe îl produc în extragerea fazei particulelor din suspensie este proporțională cu dimensiunea particulelor. Pentru particulele mari, forțele gravitaționale sunt mai mari decât interacțiunile particule-particule, în timp ce inversul este adevărat pentru particulele mici. Îngroșarea prin forfecare se observă de obicei în suspensiile mici de particule solide, indicând faptul că atracția Hamaker particule-particule este forța dominantă. Prin urmare, stabilizarea unei suspensii depinde de introducerea unei forțe respingătoare opuse.

Teoria Hamaker descrie atracția dintre corpuri, cum ar fi particulele solide. S-a verificat că explicația forțelor Van der Waals ar putea fi extinsă prin explicarea interacțiunilor dintre două molecule cu dipoli induși corpurilor solide mici prin însumarea tuturor forțelor intermoleculare care acționează între corpuri. Similar forțelor Van der Waals, teoria Hamaker descrie intensitatea interacțiunii particule-particule ca fiind invers proporțională cu pătratul distanțelor.

Prin urmare, multe suspensii stabilizate încorporează o forță respingătoare care acționează la o distanță care este dominantă în ceea ce privește atracția Hamaker atunci când corpurile care interacționează sunt la o distanță suficientă, astfel încât să împiedice efectiv corpurile să se apropie unul de altul. Cu toate acestea, la distanțe scurte predomină atracția Hamaker, determinând particulele să se coaguleze și să se depună. Două forțe cu acțiune de la distanță utilizate pentru stabilizarea suspensiilor sunt forțe electrostatice și forțe sterice.

Suspensie stabilizată electrostatic

Particulă în suspensie stabilizată printr-o forță electrostatică cu strat dublu

Suspensiile de particule încărcate în mod similar dispersate într-un electrolit lichid sunt stabilizate printr-un efect descris de modelul bistrat Helmholtz . Modelul are două straturi. Primul strat este suprafața încărcată a particulei, care creează un câmp electrostatic care afectează ionii din electrolit. Ca răspuns la această sarcină, ionii creează un strat difuz de sarcină egală și opusă, făcând sarcina de suprafață efectivă neutră. Cu toate acestea, stratul difuz creează un potențial în jurul particulei care este diferit de cel al masei electrolitului.

Stratul difuz servește la stabilizarea particulelor ca o forță care acționează la distanță. Atunci când două particule se apropie una de cealaltă, stratul difuz al unei particule se suprapune peste stratul difuz al celeilalte, generând o forță de respingere, astfel încât particulele să nu se poată uni.

Următoarea ecuație oferă energia dintre două particule coloidale rezultate din interacțiunile Hamaker și repulsiile electrostatice.

$V=\pi R\left({\frac {-H}{12\pi h^{2}}}+{\frac {64CkT\Gamma ^{2}e^{\kappa }h}{\kappa ^{2}}}\right)$ ${\ displaystyle V = \ pi R \ left ({\ frac {-H} {12 \ pi h ^ {2}}} + {\ frac {64CkT \ Gamma ^ {2} e ^ {\ kappa} h} { \ kappa ^ {2}}} \ right)}$ ${\ displaystyle V = \ pi R \ left ({\ frac {-H} {12 \ pi h ^ {2}}} + {\ frac {64CkT \ Gamma ^ {2} e ^ {\ kappa} h} { \ kappa ^ {2}}} \ right)}$

in care:

V = energie între perechi unice de particule

R = raza particulelor

-H = Constanta Hamaker între particule și solvent

h = distanța dintre particule

C = concentrația suprafeței ionilor

k = constanta Boltzmann

T = temperatura în Kelvin

$\Gamma$ ${\ displaystyle \ Gamma}$ $\Gamă$ = suprafață în exces

$\kappa$ ${\ displaystyle \ kappa}$ ${\ displaystyle \ kappa}$ = lungimea inversă a lui Debye

Particulă în suspensie stabilizată prin obstacole sterice.

Suspensii stabilizate steric

Spre deosebire de stabilizarea electrostatică, suspensiile sterice stabilizate se bazează pe interacțiunea fizică a lanțurilor polimerice atașate la suprafața particulelor pentru a menține suspensia stabilă. Lanțurile de polimer adsorbit acționează ca un distanțier pentru a menține particulele suspendate separate la o distanță suficientă pentru a împiedica atracția Hamaker să devină dominantă și să scoată particulele din suspensie. Polimerii sunt de obicei legați chimic sau adsorbiți pe suprafața particulei. Cu polimerii legați, un capăt al lanțului polimeric este legat covalent de suprafața particulei. Pe de altă parte, cu polimerii adsorbiți, se utilizează copolimeri compuși din regiuni liofobe și liofile, în care regiunea liofobă aderă într-un mod non-covalent la suprafața particulei și regiunea liofilă formează obstacolul steric (sau distanța) zona.

Teorii care explică îngroșarea forfecării

Dilatarea într-un coloid, adică capacitatea sa de a se ordona în prezența forțelor de forfecare, depinde de raportul forțelor interparticule. Atâta timp cât forțele interparticule, cum ar fi forțele Van der Waals , domină, particulele suspendate rămân în straturi ordonate. Pe de altă parte, când forțele de forfecare domină, particulele încep să floculeze și nu mai sunt ținute în suspensie. Apoi încep să se comporte ca niște solide. Când forțele de forfecare sunt îndepărtate, particulele se dispersează și formează din nou o suspensie stabilă. Acesta este opusul efectului de subțire prin forfecare, unde nămolul este inițial în condiții de floculare și devine stabil atunci când se aplică stres ^[11] .

Îngroșarea prin forfecare depinde în mare măsură de fracțiunea volumetrică a particulelor solide suspendate în lichid. Cu cât este mai mare fracțiunea volumetrică, cu atât este mai puțin efortul de forfecare necesar pentru inițierea îngroșării tăierii. Rata de forfecare la care fluidul se schimbă de la comportamentul newtonian la îngroșarea forfecării este cunoscută sub numele de viteza de forfecare critică .

Trecerea de la ordine la dezordine

Când o suspensie concentrată stabilizată este supusă unei viteze de forfecare relativ reduse, interacțiunile repulsive particule-particule le mențin într-o structură ordonată, stratificată, echilibrată. Când viteza de forfecare depășește viteza de forfecare critică, forțele de forfecare, care împing particulele aproape una de alta, anulează interacțiunile repulsive particule-particule, astfel încât particulele să se deplaseze în afara pozițiilor lor de echilibru. Acest fapt determină pierderea ordinii structurii și, în consecință, o creștere a vâscozității ^[12] .

Prin urmare, viteza de forfecare critică este definită ca viteza de forfecare la care forțele de forfecare, care împing particulele aproape una de alta, sunt egale în modul cu interacțiunile repulsive dintre particule.

Formarea tranzitorie a hidroclusterului unei particule suspendate.

Formarea hidroclusterului

Când particulele unei suspensii stabilizate trec de la o stare de imobilitate la o stare de mobilitate, grupuri mici de particule formează hidroclustri , crescând vâscozitatea. Aceste hidroclustri sunt compuși din particule comprimate temporar împreună pentru a forma un lanț neregulat, în formă de tijă de particule, similar cu o coadă de bușteni sau o coadă de drum. În teorie, particulele au distanțe interparticule extrem de mici, făcând acest hidrocluster temporar și tranzitoriu incompresibil. Este posibil să se formeze hidroclustri suplimentari prin mecanisme de agregare ^[13] .

Exemple

Silly Putty

Silly Putty , o distracție pentru multe generații de copii, a fost realizată pentru prima dată în timpul celui de-al doilea război mondial, în încercarea de a crea cauciuc sintetic din ulei de silicon și acid boric ^[14] . Acest material poate fi călcat fără a se rupe (deși unele părți se pot desprinde), are 80% recuperare atunci când este aruncat sub formă de minge și își păstrează forma atunci când este lovit cu un ciocan sau aplatizat de palma unui copil ^[14] .

Amidon de porumb și apă ( Oobleck )

Amidonul de porumb este un agent de îngroșare obișnuit folosit la gătit. Este, de asemenea, un bun exemplu de sistem de îngroșare tăiată. Când o forță este aplicată unui amestec 1: 2,5 de apă și amidon de porumb, amidonul de porumb se comportă ca un solid și rezistă forței. Puteți vedea un exemplu al acestui comportament în acest videoclip.

Silice și polietilen glicol

Au dispersat nanoparticule de silice (SiO2 ) în polietilen glicol . Particulele de silice produc un material de înaltă rezistență atunci când are loc flocularea. Acest lucru îi permite să fie utilizat în aplicații precum blindaje lichide și plăcuțe de frână.

Aplicații

Controlul tracțiunii

Materialele în expansiune au unele utilizări industriale datorită comportamentului lor de îngroșare la forfecare. De exemplu, unele sisteme cu tracțiune integrală utilizează un cuplaj vâscos umplut cu fluid în expansiune pentru a asigura transferul de putere între roțile din față și spate. Pe suprafețele de drum cu aderență ridicată, mișcarea relativă dintre roțile motrice primare și secundare este de aproximativ zero, astfel încât tăierea este redusă și puterea mică este transferată. Pe măsură ce roțile motoare primare încep să se rotească, forța de forfecare crește, determinând îngroșarea fluidului. Ca urmare, transferul cuplului la roțile tracțiunii secundare crește proporțional, atâta timp cât cantitatea maximă de putere disponibilă este transferată atunci când fluidul este complet în stare îngroșată. O altă aplicație a dilatatoarelor sunt diferențialele care pot fi blocate sau cu alunecare limitată (autoblocare) , dintre care unele tipuri funcționează utilizând același principiu. Pentru utilizator, acest sistem este complet pasiv, antrenând tracțiunea integrală atunci când este necesar și revine la tracțiunea cu două roți atunci când este nevoie. Acest sistem este utilizat de obicei la vehiculele de teren, mai degrabă decât la cele de teren, deoarece vâscozitatea ridicată a fluidului de dilatare limitează cantitatea de cuplu care poate fi transferată prin cuplaj.

Veste antiglonț

Diferite companii private și agenții guvernamentale cercetează aplicarea fluidelor de îngroșare tăiate la fabricarea armurilor corporale. Aceste sisteme ar putea permite mobilitatea normală a purtătorului fără a împiedica mișcarea, oferind în același timp rigiditatea necesară pentru a rezista la puncții din gloanțe, lovituri de cuțit și atacuri similare. Principiul este similar cu cel al armurii cu plasă metalică, deși vesta antiglonț care utilizează un dilatator ar fi mult mai ușoară. Fluidul de dilatare ar dispersa forța unui impact brusc pe o zonă mai mare a corpului utilizatorului, reducând trauma forței de impact. Cu toate acestea, pentru atacurile lente care ar permite curgerea fluidului de îngroșare, cum ar fi o înjunghiere lentă, dar puternică, dilatantul nu ar oferi nicio protecție ^[15] .

Într-un studiu, țesătura standard din Kevlar a fost comparată cu o vesta compozită din Kevlar și un fluid de îngroșare exclusiv tăiat. Rezultatele au arătat că combinația Kevlar / fluid a funcționat mai bine decât Kevlar singur, în ciuda faptului că este mai mică de o treime din grosimea singurului Kevlar ^[16] .

Două exemple actuale de materiale de expansiune care sunt utilizate în echipamentele individuale de protecție sunt d3o și sistemul de protecție activă , fabricat de Dow Corning .

Notă

^ Active Protection System , la activeprotectionsystem.com . Adus la 8 iulie 2019 (Arhivat din original la 3 iunie 2010) .
^ Știință Youtube Cornstarch https://www.youtube.com/watch?v=vCHPo3EA7oE
^ Știința Youtube Wet Sand https://www.youtube.com/watch?v=B_qRh5Y-hO8
^ Paul C. Painter, Michael M. Coleman, Fundamentals of polymer science: an introductory text , ediția a II-a, Lancaster, Pa., Technomic, 1997, pp. 412-413, ISBN 1-56676-559-5 .
^ Francisco J. Galindo-Rosales, Rubio-Hernández, Francisco J., Velázquez-Navarro, José F., Comportamentul de îngroșare a forfecării suspensiilor de nanoparticule Aerosil R816 în lichide organice polare , în Rheologica Acta , vol. 48, nr. 6, 22 mai 2009, pp. 699-708, DOI : 10.1007 / s00397-009-0367-7 .
^ Neil Cunningham, Școala de reologie , brookfieldengineering.com , Brookfield Engineering. Adus la 4 iunie 2011 (arhivat dinoriginal la 25 iulie 2011) .
^ Richard Griskey, Richard Green, Flow of Dilatant (Shear-Theningening) Fluids , in AlChE Journal , vol. 17, n. 3, mai 1971, pp. 725–728. accesso necesită url ( ajutor )
^ HA Barnes, Hutton ,, JF, Walters, K., An introduction to reheology , 5. impr., Amsterdam, Elsevier, 1989, ISBN 0-444-87140-3 .
^ Peter Atkins, Chimie fizică. , Ediția a 9-a, New York, WH Freeman and Co., 2010, ISBN 1-4292-1812-6 .
^ Viscosity Chart , în Viscosity Chart , Research Equipment Limited. Adus la 4 iunie 2011 .
^ Ian Morrison, Sydney Ross, Dispersii coloidale: suspensii, emulsii și spume , Wiley-Interscience, 2002, p. 512, ISBN 0-471-17625-7 .
^ Willem H Boersma, Jozua Laven, Hans N Stein, Shear Thickening (Dilatancy) in Concentrated Dispersions , în AIChE , vol. 36, n. 3, pp. 321-332. accesso necesită url ( ajutor )
^ RS Farr, și colab., Teoria cinetică a blocării în fluxurile de pornire a sferei dure , în Physical Review E , vol. 55, nr. 6, iunie 1997, pp. 7206-7211.
^ ^a ^b Ann Thayer, What's That Stuff? , în Chemical & Engineering News , 27 noiembrie 2000. Accesat la 26 mai 2011 .
^ BBC: Armura lichidă „poate opri gloanțele”
^ Armura lichidă „poate opri gloanțele” , în BBC News , 9 iulie 2010.

Elemente conexe

linkuri externe

( EN ) Tesatura fluidului de îngroșare prin forfecare (STF): Publicații , pe ccm.udel.edu . Adus la 17 februarie 2012 (arhivat din original la 17 septembrie 2006) .
( RO ) Armură lichidă: Reologii aplică lichide de îngroșare la forfecare pe echipamentele de protecție , la Discoveriesandbreakthroughs.org . Adus la 17 februarie 2012 (arhivat din original la 6 ianuarie 2007) .
( RO ) Știința armatei: roboți, armuri lichide și realitate virtuală , pe militar.com .
(EN) „Trupele pentru a testa armura lichidă” pe timesonline.co.uk.
(RO) O demonstrație a comportamentului dilatant al unei nămoluri de amidon , pe youtube.com.

Portalul de fizică

Portalul de materiale

[1] Active Protection System , la activeprotectionsystem.com . Adus la 8 iulie 2019 (Arhivat din original la 3 iunie 2010) .

[2] Știință Youtube Cornstarch https://www.youtube.com/watch?v=vCHPo3EA7oE

[3] Știința Youtube Wet Sand https://www.youtube.com/watch?v=B_qRh5Y-hO8

[4] Paul C. Painter, Michael M. Coleman, Fundamentals of polymer science: an introductory text , ediția a II-a, Lancaster, Pa., Technomic, 1997, pp. 412-413, ISBN 1-56676-559-5 .

[5] Francisco J. Galindo-Rosales, Rubio-Hernández, Francisco J., Velázquez-Navarro, José F., Comportamentul de îngroșare a forfecării suspensiilor de nanoparticule Aerosil R816 în lichide organice polare , în Rheologica Acta , vol. 48, nr. 6, 22 mai 2009, pp. 699-708, DOI : 10.1007 / s00397-009-0367-7 .

[6] Neil Cunningham, Școala de reologie , brookfieldengineering.com , Brookfield Engineering. Adus la 4 iunie 2011 (arhivat dinoriginal la 25 iulie 2011) .

[7] Richard Griskey, Richard Green, Flow of Dilatant (Shear-Theningening) Fluids , in AlChE Journal , vol. 17, n. 3, mai 1971, pp. 725–728. accesso necesită url ( ajutor )

[8] HA Barnes, Hutton ,, JF, Walters, K., An introduction to reheology , 5. impr., Amsterdam, Elsevier, 1989, ISBN 0-444-87140-3 .

[9] Peter Atkins, Chimie fizică. , Ediția a 9-a, New York, WH Freeman and Co., 2010, ISBN 1-4292-1812-6 .

[10] Viscosity Chart , în Viscosity Chart , Research Equipment Limited. Adus la 4 iunie 2011 .

[11] Ian Morrison, Sydney Ross, Dispersii coloidale: suspensii, emulsii și spume , Wiley-Interscience, 2002, p. 512, ISBN 0-471-17625-7 .

[12] Willem H Boersma, Jozua Laven, Hans N Stein, Shear Thickening (Dilatancy) in Concentrated Dispersions , în AIChE , vol. 36, n. 3, pp. 321-332. accesso necesită url ( ajutor )

[13] RS Farr, și colab., Teoria cinetică a blocării în fluxurile de pornire a sferei dure , în Physical Review E , vol. 55, nr. 6, iunie 1997, pp. 7206-7211.

[pubs.acs.org-14] Ann Thayer, What's That Stuff? , în Chemical & Engineering News , 27 noiembrie 2000. Accesat la 26 mai 2011 .

[15] BBC: Armura lichidă „poate opri gloanțele”

[16] Armura lichidă „poate opri gloanțele” , în BBC News , 9 iulie 2010.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]