2.1. A newtoni viselkedés definíciója
Minthogy ebben a fejezetben a nem-newtoni viszkozitású anyagok viselkedésére koncentrálunk, fontos a nyírási viszkozitással összefüggésben először tisztázni, hogy mi is tulajdonképpen a newtoni viselkedés. A newtoni viselkedés a gyakorlatban állandó hőmérséklethez és nyomáshoz kapcsolódik, a következő jellemzőkkel:
Csak feszültséggel létrehozott egyszerű folyásban a σ nyírófeszültség létezik, a két normálfeszültség-különbsége zéró.
A nyírási viszkozitás nem változik a nyírási sebességgel.
1. A nyírási időhöz képest a viszkozitás állandó, s a feszültség a folyadékban a nyírás megszüntetésével azonnal nullára csökken. Minden későbbi nyírásnál — a mérések között elég hosszú nyugalmi időt hagyva — a viszkozitás a korábban, mérttel megegyezik.
2. Különböző típusú deformációknál mért viszkozitások között egyenes arányosság van, például egytengelyű nyúlási folyás esetén mért viszkozitás mindig háromszor akkora, mint amelyet egyszerű nyírási folyás esetén mértek.
Minden, az előző viselkedéstől eltérő folyadékok nem-newtoniak.
2.2. Nyírás-vékonyodó nem-newtoni folyadék
Ahogy a viszkoziméterek alkalmassá váltak a nyírási sebesség viszkozitásra gyakorolt hatását vizsgálni, a vizsgálatokat végzők azt tapasztalták, hogy sok anyag, mint a diszperziók, emulziók és polimer oldatok eltérnek a newtoni viselkedéstől. Az esetek többségénél növekvő nyírási sebességgel csökkenő viszkozitást találtak, s ez elegendő indoknak bizonyult ahhoz, hogy azt általánosan „nyírási vékonyodásnak" nevezzék, bár az átmeneti viszkozitás vesztés és „pszeudoplaszticitás" fogalmakat is használják.
Vannak esetek, mint azt látni fogjuk (noha kis számban), mikor a viszkozitás a nyírási sebességgel együtt növekszik. Az ilyen viselkedést általában „nyírási vastagodásnak" nevezzük, bár a „késleltetés" kifejezést is használják.
A nyírási vékonyodásra a viszkozitás-nyírási sebesség összefüggésben jellemző görbe alakot a 6.2. ábra mutatja.
Az ennek megfelelő nyírási feszültség-nyírási sebesség és viszkozitás-nyírási sebesség görbék szintén az ábrán láthatók.
A görbe jelzi, hogy nagyon alacsony nyírási sebesség (vagy feszültség) határértéknél a viszkozitás állandó, míg magas nyírási sebesség (vagy feszültség) határnál ismét állandó, de egy alacsonyabb szinten. A két szélsőérték ennek megfelelően, mint alsó és felső newtoni tartomány ismert, bár az „alsó" és „felső” kifejezés a nyírási sebességre és nem a viszkozitásra vonatkozik.
A két, viszkozitásban állandó értékűvé váló tartomány leírására az „első newtoni tartomány" és „második newtoni tartomány" kifejezések is használatosak.
6.2. ábra - ábra: Tipikus nem-newtoni viselkedés a különböző jellemzők közötti
kapcsolatok bemutatásával
A magasabb értékű konstans értéket „nullpont nyírási viszkozitásnak" is nevezik.
Megfigyelve a 6.2.. ábrán látható folyadékokat, azok folyáshatárra jellemző viselkedést nem mutatnak, bár ha a kísérleti tartomány l0-5-től l0-4 terjed (ami elég széles tartomány), a módosított 6.2.b. ábra értelmezésével ilyen következtetés is levonható. Megkülönböztetés céljából a 6.2.c ábrán látható viselkedést „Bingham”- féle plasztikus viselkedésnek szokták nevezni. Definíció szerint a Bingham-féle plasztikus anyagok mindaddig nem folynak, míg a nyírási feszültség egy kritikus értéket meg nem halad. Bár, a nulla nyírási sebességnél a viszkozitás bizonytalan értékű, az első newtoni tartományt ez esetben nem lehet kétségbe vonni.
Ahhoz sem férhet kétség, hogy a folyáshatár koncepciója néhány gyakorlati esetben hasznos lehet, de a kérdés
— vajon a folyáshatár nem létezik, vagy minden nem-newtoni folyadéknak nullpont nyírási viszkozitása van — különleges érdeklődésre számíthat, annál is inkább, mivel a modern, konstans feszültségű viszkoziméterek kifinomultsága és mérési tartománya lehetővé teszi a viszkozitási görbe tanulmányozását, bizonyos pontossággal ilyen alacsony nyírási sebességű tartományoknál is (Barnes és Walters, 1985). Csak röviden jegyezzük itt meg, hogy híg oldatok és szuszpenziók esetén minden bizonnyal a folyás már a legkisebb feszültségüknél létrejön, a folyadékfelület gravitációs hatásra kiegyenlítődik úgy, hogy folyási feszültsége nincs.
Koncentráltabb rendszereknél, különösen a gélek, kenőzsírok, margarin és sűrű kenőcsök esetében, érthető kétely merül fel, vajon a folyáshatár létezik-e, és nem könnyű elfogadni, hogy az ilyen anyagok egy darabja a súlyától fogva sohasem fog folyni. Hacsak az egyre növekvő számú bizonyítékok azt nem igazolják, hogy a nagyon alacsony feszültség határán még a koncentráltabb rendszerek is folynak. Ezek az anyagok úgy tűnik, hogy nem folynak csupán azért, mert nulla pont nyírási viszkozitásuk olyan magas. Ha a viszkozitás1010 Pa.s, évek telnek el míg vizuálisan a legcsekélyebb folyás is érzékelhető.
A fő tényező, amely lehetőséget nyújt számunkra a viszkozitásgörbe igen alacsony nyírási sebességnél történő tanulmányozására az, hogy a Deer típusú állandó feszültségű viszkoziméterek (Davis és mások, 1968) a kereskedelemben beszerezhetővé váltak. Ezen fejlesztés a konstans nyírási sebességű viszkoziméterekre mint Ferranti-Shirley-féle kúp-lap viszkoziméter gyártására helyeztek súlyt. Ez utóbb műszer mérési tartománya 20-20000 s-1, míg a Haake-féle változaté 1-1000 s-1 volt, amelyek mindkét esetben 10-3 nagyságrendű tartományt
fogtak át. Az Umstatter-féle korábbi fejlesztésű kapilláris viszkoziméter megfelelő kapillárisok kiválasztásával 106 nagyságrendű tartomány lefedését biztosította. Az ilyen műszerek általános folyásgörbe középső és felső szakaszán használhatók, de alacsony nyírás sebességű tartomány kutatására már nem alkalmasak. Ilyen célból a kutatók a kúszás vizsgálatot és a plasztométerhez hasonló készülékeket használták, de ezen készülékek és az állandó feszültségű műszerek eredményei nem voltak azonosak. Így az alacsony tartományok sohasem kapcsolódtak egyértelműen a magas nyírási-sebességű tartományokhoz. Ez a helyzet most megváltozott, s számos anyagnál jó egyezést lehetett elérni. Az általános folyásgörbe alakjának előrebecslésére szolgáló egyenlethez legalább 4 paraméter szükséges. Az egyik ilyen egyenlet a Cross-féle összefüggés (1965).
, vagy ami ezzel egyenértékű,
,
ahol a és a nagyon magas ill. nagyon alacsony nyírási sebességhez tartozó viszkozitások aszimptotikus értékei, K idő dimenziójú állandó és m dimenzió nélküli konstans.