Эластичная жидкость постоянной вязкости

Эластичные жидкости постоянной вязкости , также известные как жидкости Богера, представляют собой эластичные жидкости с постоянной вязкостью . Это создает в жидкости эффект, когда она течет как жидкость, но при растяжении ведет себя как упругое твердое тело. Большинство эластичных жидкостей разжижаются при сдвиге (вязкость уменьшается при приложении напряжения сдвига), поскольку они представляют собой растворы, содержащие полимеры . Но жидкости Boger являются исключением, поскольку они представляют собой сильно разбавленные растворы, настолько разбавленные, что разжижение при сдвиге, вызванное полимерами, можно игнорировать. Жидкости Boger изготавливаются в основном путем добавления небольшого количества полимера к ньютоновской жидкости с высокой вязкостью, типичным раствором является полиакриламид, смешанный с кукурузным сиропом . Это простое в синтезе соединение, но оно важно для изучения реологии , поскольку упругие эффекты и эффекты сдвига можно четко различить в экспериментах с использованием жидкостей Богера. Без жидкостей Богера было трудно определить, ли неньютоновский вызван эффект эластичностью, утончением при сдвиге или тем и другим; неньютоновский поток, вызванный эластичностью, редко можно было идентифицировать. Поскольку жидкости Богера могут иметь постоянную вязкость, можно провести эксперимент, в котором можно сравнить результаты скоростей потока жидкости Богера и ньютоновской жидкости с одинаковой вязкостью, и разница в скоростях потока покажет изменение, вызванное эластичность жидкости Богера.

Исследовать

Оригинальная жидкость Boger.

Жидкости Богера названы в честь Дэвида В. Богера , который в конце 1970-х годов был основным исследователем, продвигавшим изучение упругих жидкостей постоянной вязкости. Свою первую статью о жидкостях Богера он опубликовал в 1977 году под названием «Высокоэластичная жидкость постоянной вязкости», где описал идеальную жидкость для экспериментов как жидкость, которая «очень вязкая и очень эластичная при комнатной температуре и в то же время является оптически прозрачен». Основной целью статьи было проведение экспериментов с высоковязкой и высокоэластичной жидкостью и запись фундаментальных реометрических свойств жидкости. Такая жидкость позволила бы проводить эксперименты в условиях, на которые не влияют эффекты инерции и сдвига, и влияние инерции было бы легко различимо.

Свои исследования он начал с мальтозных сиропов (кукурузных сиропов), смешанных с небольшим количеством воды. Затем он проверил напряжение сдвига в зависимости от скорости сдвига раствора, чтобы доказать, что раствор представляет собой ньютоновскую жидкость. Это было сделано с помощью реогониометра Вайсенберга R16. (реогониометр, откалиброванный специально для измерения поведения раствора вязкоупругого полимера) для низких скоростей напряжения сдвига, а высокие скорости измерялись с использованием капиллярного реометра - устройства, используемого для измерения скорости напряжения сдвига при высоком напряжении. Данные доказали, что существует линейная зависимость между напряжением сдвига и скоростью сдвига, причем угол наклона очень близок к единице, что означает, что мальтозный сироп действительно является ньютоновской жидкостью. После добавления 0,08% полимерного полиакриламида свойства текучести резко изменились. Жидкости были приданы упругие свойства, в то время как наблюдалось лишь небольшое утончение при сдвиге, достаточно незначительное, чтобы его можно было игнорировать. Раствор сиропа имел свойства, очень похожие на расплав полимера, но не было разжижения при сдвиге, и материалы можно было производить при комнатной температуре.

Последующие жидкости Boger

Исходная жидкость Богера представляла собой водный раствор , как и все растворы, синтезированные до 1983 года, когда органические жидкости Богера производились с использованием разбавленного раствора полиизобутилена (ПИБ) в смеси полибутена (ПБ) с добавлением небольшого количества керосинового масла. С тех пор большинство жидкостей Boger представляют собой растворы PIB-PB. Другие рецепты включают в себя:

• полистирол в олигомерном гликоле (Соломон и Мюллер, 1996)
• полиэтиленоксид в полиэтиленгликоле (Dontula et al. 2004)
• полистирол в диоктилфталате (Odell & Carrington 2006)

Коммерческое использование

Утилизация отходов

На данный момент лучшим применением жидкостей Boger является решение проблемы утилизации отходов, образующихся при переработке боксита в глинозем для использования в производстве алюминия , и обычно « красного шлама » производится в два или три раза больше, чем глинозема. Обычно отходы, известные как «красная грязь», утилизируются путем смывания в плотины миллионами литров воды. Плотины продолжают удерживать «красную грязь», поскольку она не служит фундаментом для зданий и не может использоваться в качестве сельскохозяйственных угодий. Компаниям нужно было найти способ эффективно выбрасывать все это на дамбы, не забивая трубы, по которым они перекачивались. С разработкой жидкостей Boger алюминиевый гигант Alcoa разработал способ превращать отходы в густое вещество, которое все еще могло течь. вниз трубы. Используя этот метод, была исключена опасность прорыва трубок, что привело к более устойчивой практике.