Тема 8. Природа нормальных напряжений. Понятие о линейной вязкоупругости.

Если мы рассмотрим обычные процессы, например, такие, как нанесение покрытий, перемешивание продуктов питания, жевательной резинки, формование расплавов полимеров в насадке экструдера или быстрое заполнение форм в термопластавтоматах (впрыск расплава в форму при литье под давлением), то увидим, что в этих условиях многие жидкости являются действительно вязкоупругими, т.е. они проявляют как вязкие, так и упругие свойства.

Знание вязкоупругой реакции партии используемых или перера­батываемых жидкостей в условиях испытаний, близких к технологическому процессу, очень важно при организации контроля качества: являются ли эти жидкости скорее вязкими, чем упругими, или наоборот?

Из-за чего может возникнуть вязкоупругое поведение жидкости? Приведем два примера.

1) В разбавленных растворах длинноцепные молекулы полимеров не взаимодействуют друг с другом, но при увеличении концентрации раствора миллионы подобных молекул переплетаются и перепутываются, что приводит к межмолекулярному взаимодействию. Случайные точки пересечения, образованные в местах перепутывания, создают сетчатую структуру с более или менее крупными молекулярными сегментами в качестве соединительных элементов.

При резком приложении значительных сдвиговых сил жидкость вначале будет проявлять твердообразное сопротивление, деформируясь в пределах сетчатой структуры. На следующем этапе соединяющие сегменты будут упруго растягиваться и, наконец, молекулы начнут распутываться, ориентироваться и необратимо течь одна относительно другой в направлении силы сдвига. Такая модель полимерной жидкости делает понятным ее вязкое и упругое поведение, а также вводит фактор времени и объясняет, почему в начале процесса деформирования жидкость проявляет в основном упругие свойства и только позже – вязкостные свойства (рис. 26).

2). Другим примером вязкоупругой жидкости является кровь человека, которая в целом представляет собой дисперсию упругих корпускулярных клеток, главным образом эритроцитов (красных кровяных телец) в почти ньютоновской жидкости-плазме. Эритроциты, форма которых напоминает монету, в крупных кровеносных сосудах, в которых кровь течет медленно (т.е. при низкой скорости сдвига), образуют большие агрегаты (похожие на стопки или валики из множества монет – рулексы, которые даже могут ветвиться), что приводит к увеличению вязкости крови. При увеличении скорости течения в мелких кровеносных сосудах рулексы разрушаются вплоть до индивидуальных эритроцитов, диаметр которых составляет примерно 8 мкм. Это приводит к резкому падению вязкости крови.

Рис. 26. Переплетение и перепутывание макромолекул, обусловливающие образование временных (флуктуационных) межмолекулярных узлов.

На рис. 27 (а) показано резкое возрастание вязкости крови при скорости сдвига, близкой к 1 с^-1. На рис. 27 (б) та же зависимость приведена в двойных логарифмических координатах, чтобы отчетливее показать характер течения при низких скоростях сдвига, когда вязкость может возрасти в 100 раз при изменении скорости сдвига на четыре десятичных порядка. На рис. 27 (в) схематически показан постоянный цикл перехода красных кровяных телец от состояния агрегированных кластеров в крупных кровеносных сосудах к единичным деформированным клеткам в малых капиллярах на пути крови из артериальной в венозную систему кровообращения.

Поскольку диаметр капилляров, которые обеспечивают связь между артериями и венами, составляет только 3 мкм, красные кровяные тельца способны упруго деформироваться в них до тех пор, пока не приобретут форму наперстка, диаметр которого позволяет пройти через капилляр с зазором 3 мкм. Как только эти “наперстки” вновь попадают в вену с большим диаметром, они возвращаются к своей первоначальной форме плоской монеты. Такая способность к обратимой деформации – упругость – при высокой скорости корпускулярных клеток крови и их способности агрегироваться при низких скоростях придает крови необычное вязкоупругое поведение.

Рис. 27. Влияние агрегации и упругой деформации красных кровяных телец (ККТ) на вязкость крови (пояснения в тексте)