رئولوژی و پلیمرها

رئولوژی، شاخه ای از علم مکانیک سیالات است
که در حدود ۶۰ سال گذشته مطرح شده است.
پیش از آن پدیده های بسیاری در اطراف ما و در زندگی روزمره اتفاق می افتاد
که دانشمندان جوابی برای توجیه آنها پیدا نمی کردند. به طور مثال:

 چرا رنگ ساختمانی که مایع است روی سطح عمودی دیوار باقی می ماند؟
و یا اینکه چرا ماست در اثر هم زدن رقیق می شود ؟
بسیاری از چرا های دیگر از این دست که برای آنها جوابی وجود نداشت.

رئولوژی علمی است که تغییر شکل و جریان مواد را مورد بررسی قرار می دهد.
این علم هم در مورد پلیمر ها و هم در بسیاری از مواد صنعتی دیگر مانند گل حفاری، مواد غذایی و انواع محلول های صنعتی مطرح است.
در مورد پلیمر ها، علم رئولوژی بسیار مهم و کار بردی است.
در بیشتر موارد پلیمر ها در هنگام فرایند، حالتی از مذاب یا محلول را پشت سر می گذارند.
برای این منظور کاربا پلیمر ها بدون داشتن اطلاعات کافی در مورد رئولوژی امکان پذیر نیست.

قانون نیوتون در مورد سیالات به صورت زیر بیان می شود:

بر اساس این رابطه اگر تنش در مقابل شدت برش رسم شود،
خط راستی پدید می آید که ضریب زاویه آن مقدار گرانروی (ویسکوزیته) سیال است.
این گونه سیالات سیال نیوتنی نامیده می شوند.

رفتار سیالات مختلف در برابر اعمال تنش

• سیال نیوتنی
• سیال سودو پلاستیک
• سیال دیلاتانت
• سیال بینگهام پلاستیک

در مقابل، سیالاتی وجود دارند که در آن ها رابطه بین تنش برشی و شدت برشی، خطی نیست.
این سیالات سیالات غیر نیوتنی نامیده می شوند. رئولوژی، علم حرکت سیالات غیر نیوتنی است.
در سیالات غیر نیوتنی هم شدت برش و هم در مواردی زمان عامل تعیین کننده است
بسیاری از سیالات غیر نیوتنی تحت تنش مشخص به مرور زمان دچار تغییر شده و گرانروی آن ها کم یا زیاد می شود.

برای درک بهتر تفاوت بین سیالات نیوتنی و غیر نیوتنی فیلم جالبی در مورد سیالات غیر نیوتنی نمایش داده می شود.

هر پلیمری رفتار رئولوژی متفاوتی دارد.
به همین دلیل با دستگاه گرانول ساز پلی اتیلن و پلی پروپیلن نمی توان پی وی سی تولید کرد.
زیرا رفتار سیال پی وی سی با پلی اتیلن و پلی پروپیلن متفاوت است.

برای قانون مند کردن سیالات غیر نیوتنی تلاش های فراوانی شده است.
روابط ریاضی متعددی وجود دارد که بیان کننده چگونگی حرکت سیال غیر نیوتنی اند.
بیشتر این روابط تنها برای پاره ای از مواد و در موارد خیلی خاص صادق اند.

یکی از روابطی که به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد، رابطه پاورلاست که به صورت زیر بیان می شود.

که در آن n و   k  ثابت هایی هستند که به نوع ماده بستگی دارد و برای هر سیال باید مشخص شود.
طبیعی است مقدار nوk به درجه حرارت نیز بستگی دارد و باید برای هر پلیمر در درجه حرارت خاصی تعیین شود.
در بیشتر پلیمر های صنعتی، افزایش جرم مولکولی، غلظت و کاهش درجه حرارت موجب افزایش ویسکوزیته می شود.
در سیالات غیر نیوتنی، ویسکوزیته ضریب زاویه خط مماس بر منحنی در هر شدت برش خاص است.
در بیشتر موارد وقتی بامذاب پلیمر ها سروکار داریم،
مقدار n کوچکتر از یک است و در نتیجه گرانروی پلیمر در اثر افزایش شدت برش کاهش می یابد.
این موضوع اغلب به این دلیل است که در تنش های بیشتر زنجیره های پلیمر آرایش می یابند و در نتیجه درگیری های مولکولی بین زنجیر ها کاهش می یابد و مولکول ها راحت تر به حرکت در می آید.

تنش های بسیار زیاد، شکستن زنجیر های پلیمر را در بر دارد. و گرانروی را بیش از پیش کاهش می دهد .

رابطه دیگری که برای توصیف رفتار رئولوژیک مذاب های پلیمری به کار می رود، به این صورت است:

که در آن k1 به ساختار پلیمر و دما بستگی دارد و k2 زیر (وزن مولکولی بحرانی تشکیل گره خوردگی ها ) برابر ۱ و بالای آن ۳٫۵ -۳٫۴ است. در این رابطه بهتر است که از متوسط وزنی و یا متوسط ویسکوزیته وزن مولکولی استفاده شود.

در دماهای بسیار گره خوردگی ها در زنجیر اثر قابل توجهی را بر خواص رئولوژیکی مواد پلیمری می گذارد.مقدار این گره خوردگی ها متناسب با وزن مولکولی (وزنی) پلیمر است.کمتر از یک وزن مولکولی که خوانده می شود، ویسکوزیته، متناسب با وزن مولکولی است. در این حالت زنجیر ها کوچک اند و در هم گره خوردگی ندارند و به راحتی بر روی هم می لغزند. ولی بالای زنجیر ها در هم گره می خورند و نمی توانند به راحتی بر روی هم بلغزند و ویسکوزیته ، متناسب با توان ۳٫۵ -۳٫۴ وزن مولکولی است.در هم گره خوردگی ها، هم افزایش ویسکوزیته و هم با عمل کردن شبیه اتصالات عرضی، ایجاد خاصیت الاستیسیته شبه رابری را به دنبال دارند.